高温超导薄膜是什么？有哪些应用及2024年的发展趋势？YSZ

一、基本概念

二、常见材料类型

• 钇钡铜氧（YBCO）系
  • 组成与结构：其化学式一般为 YBa₂Cu₃O₇ – δ（δ 表示氧空位含量），具有层状钙钛矿结构。这种结构中，Cu – O 层被认为在超导机制中起着关键作用，不同层之间的相互作用影响着材料的超导性能。
  • 超导性能：YBCO 薄膜的临界温度可达 90K 以上，在液氮温区表现出良好的超导性能。它具有较高的临界电流密度，这意味着在超导态下能够承载较大的电流而不产生电阻。
• 铋锶钙铜氧（BSCCO）系
  • 组成与结构：典型的如 Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ + δ，其结构也是层状的，不同的是包含多个 Cu – O 层和钙、铋、锶等元素组成的层。这些复杂的层状结构赋予了材料独特的超导性质。
  • 超导性能：临界温度一般在 110K 左右，具有较好的各向异性，即在不同方向上的超导性能有所差异。在磁场下的性能表现也较为复杂，其临界电流密度在一定条件下可满足实际应用需求。
• 铊钡钙铜氧（TBCCO）系
  • 组成与结构：例如 Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀等，同样是具有多层结构的化合物，铊元素的加入改变了材料的电子结构和超导性能。
  • 超导性能：临界温度较高，有的可达 125K，不过由于铊元素有毒，在一定程度上限制了其大规模应用，但在某些特殊领域仍有研究价值。

三、制备方法

• 脉冲激光沉积（PLD）
  • 原理：利用高能量脉冲激光束聚焦在靶材（超导材料）上，使靶材表面的材料瞬间蒸发并沉积在衬底上形成薄膜。通过精确控制激光的能量、脉冲频率、衬底温度等参数，可以得到高质量的高温超导薄膜。
  • 优点：能够精确控制薄膜的成分和厚度，可制备出具有复杂成分的多层膜结构；沉积速率相对较高，可以在较大面积的衬底上生长薄膜。
  • 缺点：设备成本较高，可能会有一些颗粒状杂质在薄膜中形成，需要进一步处理。
• 磁控溅射法
  • 原理：在真空环境中，利用电场和磁场控制氩气等惰性气体离子轰击靶材，使靶材原子溅射出来并沉积在衬底上。对于高温超导薄膜制备，通过选择合适的靶材和工艺参数来实现超导相的生长。
  • 优点：可以精确控制薄膜的生长速率和厚度，薄膜均匀性好；能够在较低温度下生长薄膜，减少衬底与薄膜之间的相互作用。
  • 缺点：对于复杂成分的靶材，可能会出现成分偏差；溅射过程中的等离子体可能会对薄膜造成损伤。
• 化学溶液沉积（CSD）
  • 原理：将含有超导材料元素的金属盐溶解在适当的溶剂中，形成均匀的溶液。通过旋涂、浸涂等方法将溶液涂覆在衬底上，然后经过热处理等工艺使金属盐分解并反应生成超导薄膜。
  • 优点：设备简单、成本低，可以大面积制备薄膜；能够通过溶液的调配方便地控制薄膜的成分。
  • 缺点：薄膜的致密性可能不如物理沉积方法制备的薄膜；热处理过程需要精确控制，以避免杂质生成和薄膜开裂等问题。

四、应用领域

• 电子学领域
  • 超导集成电路：利用高温超导薄膜制作的超导集成电路可以实现更高的运算速度和更低的功耗。由于超导状态下电阻为零，信号传输几乎没有延迟和能量损耗，有望在未来的高性能计算机芯片等方面得到应用。
  • 超导量子干涉器件（SQUID）：SQUID 是一种基于超导约瑟夫森效应的高灵敏度磁传感器。高温超导薄膜的使用使得 SQUID 可以在液氮温度下工作，降低了设备的运行成本和复杂性，可用于生物磁测量（如脑磁图、心磁图）、地质勘探等领域检测微弱的磁场变化。
• 电力领域
  • 超导电缆：高温超导薄膜可以用于制造超导电缆的核心部分。与传统电缆相比，超导电缆在传输大容量电能时，能够大大降低传输损耗，提高输电效率，并且可以减小电缆的尺寸和重量，节省铺设空间。
  • 超导限流器：当电网中出现故障电流时，基于高温超导薄膜的超导限流器能够迅速从超导态转变为正常态，从而限制故障电流的大小，保护电网设备，提高电网的安全性和稳定性。
• 通信领域
  • 超导滤波器：在通信基站等设备中，高温超导薄膜制成的超导滤波器可以有效提高信号的选择性和灵敏度，减少信号干扰，提高通信质量。它能够更精准地过滤掉不需要的频率信号，增强有用信号的接收和传输。

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