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新聞資訊

噴墨打印制備高性能超導(dǎo)YBa2Cu3O7厚膜

2023-09-01 11:08 睿度光電RUIDU

二維碼

西班牙高等科學(xué)研究理事會(huì)巴塞羅那材料科學(xué)研究所Teresa Puig和Xavier Obradors團(tuán)隊(duì)利用MicroFab噴墨打?。↖JP）工藝，研究了墨水設(shè)計(jì)、沉積過(guò)程和熱解過(guò)程，一次沉積制備了超導(dǎo)YBa₂Cu₃O₇厚膜（~1.1μm）。IJP工藝被證明可以有效地將含BaZrO₃納米顆粒的膠體油墨制備成納米復(fù)合膜，均勻的熱解厚膜可轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吲R界電流的外延厚膜，結(jié)果顯示出增強(qiáng)的渦旋釘扎，從而在高磁場(chǎng)下保持高臨界電流。

介紹

在許多功能材料中，為了使性能更加優(yōu)化，提高膜厚度是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，但對(duì)于傳統(tǒng)的沉積方式而言，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大面積和低成本的功能薄膜是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程。大多數(shù)電力高溫超導(dǎo)（HTS）應(yīng)用需要更厚的薄膜，至少在1μm的范圍內(nèi)。化學(xué)溶液沉積（CSD）方法制備YBCO薄膜的方法是通過(guò)多次沉積和熱解循環(huán)進(jìn)行厚度增加，但此工藝繁瑣，而且會(huì)導(dǎo)致界面相分離，影響薄膜的質(zhì)量。因此，尋找一種能夠在單次CSD中增加膜厚的方法具有重要意義。

噴墨打?。↖JP）是一種具有*高潛力的沉積方法，可以滿足大規(guī)模的要求，也可以滿足圖案化薄膜以及組合和高通量實(shí)驗(yàn)方法的需求。巴塞羅那材料研究所的研究團(tuán)隊(duì)使用MicroFab噴墨打印技術(shù)（MJ-AB-01-60）進(jìn)行按需噴墨（DOD）沉積，通過(guò)優(yōu)化沉積條件和設(shè)計(jì)金屬有機(jī)低氟墨水，實(shí)現(xiàn)了避免液體運(yùn)動(dòng)的策略；同時(shí)，在光固化清漆的幫助下，通過(guò)紫外光照射來(lái)維持液體的固定；此外，通過(guò)優(yōu)化熱解過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了**好的膜厚和成分均勻性；通過(guò)單次沉積制備的最終薄膜厚度超過(guò)了1μm。如圖1所示。

▲ 圖1 （a）通過(guò)修改PZT觸發(fā)參數(shù)，可以獲得160~350μm范圍內(nèi)的沉積直徑的典型液滴。（b）OM圖像，研究液滴合并形成墨水線條。在所有情況下，線之間的Y間距保持在1000μm，而X間距則在500~50μm之間變化，如圖所示。

優(yōu)化油墨沉積的除了需要調(diào)整溶液外還涉及通過(guò)改變液滴間距來(lái)安排液滴重疊，在X軸步距為50~500μm，Y軸步距為50~1000μm的范圍進(jìn)行調(diào)整。液滴是通過(guò)非對(duì)稱雙極方波生成的，通過(guò)調(diào)整脈沖長(zhǎng)度和電壓寬度來(lái)控制液滴的體積和頻率。液滴形成過(guò)程通過(guò)頻閃相機(jī)控制，使用LabVIEW軟件計(jì)算液滴體積。圖2為液滴體積為65pL的狀態(tài)下進(jìn)行Y軸不同間距條件打印的結(jié)果。

▲ 圖2 OM圖像顯示（a）使用油墨4+V6.6%_V/V，在X方向上以50μm的液滴間距，得到了連續(xù)而清晰的線條；（b）上使用相同的油墨，在Y方向上以50μm的液滴間距，形成了均勻的膜。

通過(guò)透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，選擇高沸點(diǎn)溫度的溶劑以減少溶劑在沉積過(guò)程中的蒸發(fā)是成功的策略。此外，適度增加與襯底的接觸角有助于固定液體，并可以通過(guò)添加可光固化的聚丙烯酸酯基清漆進(jìn)一步增強(qiáng)。通過(guò)紫外線燈固化工藝，可以優(yōu)化厚度均勻性。在測(cè)試和優(yōu)化油墨成分后，可以對(duì)DOD（Drop on Demand）沉積方案進(jìn)行系統(tǒng)分析以達(dá)到預(yù)期的薄膜厚度和均勻性。在熱解過(guò)程中，薄膜表現(xiàn)出嚴(yán)重的收縮，可能導(dǎo)致薄膜不穩(wěn)定。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒?，可以獲得具有記錄值的均勻薄膜，最后，經(jīng)過(guò)熱解的均勻厚膜通過(guò)高溫結(jié)晶轉(zhuǎn)化為具有高質(zhì)量的外延結(jié)構(gòu)的YBCO膜，通過(guò)噴墨打?。↖JP）方法制備的純凈材料和納米復(fù)合材料的YBCO膜顯示出較高的臨界電流。研究表明經(jīng)過(guò)優(yōu)化的IJP方法可以作為制備具有功能性厚膜的有吸引力的工具。如圖3、4所示。

▲ 圖3 通過(guò)FIB獲得的YBa₂Cu₃O₇熱解膜的截面SEM圖像。預(yù)期最終膜厚為1 μm。襯底為LaAlO₃單晶（a）用油墨2制備的膜，在350℃下熱解，膜厚2.3μm；（b）用油墨4+V6.6%_V/V制備的膜，在500℃下熱解，膜厚1.6μm。注意，第二層膜的孔隙率降低了。

▲ 圖4 （a,b）熱解后的IJP YBa₂Cu₃O₇膜(10×10mm ) 的OM圖像，以及生長(zhǎng)后YBa₂Cu₃O₇膜蝕刻部分的相應(yīng)輪廓掃描圖。圖像（a）對(duì)應(yīng)最終膜厚在1.1μm以上的單次沉積。圖（b）對(duì)應(yīng)第二次沉積后的膜，生長(zhǎng)后的最終膜厚在1.6μm以上。

結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)了使用噴墨打?。↖JP）方法單次沉積制備微米厚的YBCO薄膜的潛力，通過(guò)優(yōu)化沉積和熱解過(guò)程，以及選擇適當(dāng)?shù)哪M合，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的YBCO薄膜和納米復(fù)合薄膜的制備。IJP在優(yōu)化后，可以作為一種**有吸引力的工具來(lái)制備高性能功能厚膜。

參考文獻(xiàn)：

[1] Bohores V,Flavio P,Cornelia P, et al. High Performance of Superconducting YBa₂Cu₃O₇Thick Films Prepared by Single-Deposition Inkjet Printing[J]. ACS APPLIED ELECTRONIC MATERIALS,2021,3(9).