SST编辑优选：超高速生长(高达100nm/s)高度有序的自组装BaHfO3纳米柱掺杂的EuBa2Cu3O7薄膜
本篇研究来自上海交通大学赵跃课题组，文章采用先进的PLD技术在超高速（高达100nm/s）沉积条件下，制备了高含量BaHfO3 (BHO)掺杂的EuBa2Cu3O7 (EuBCO)薄膜。主要研究了BHO第二相在超高速生长条件下的外延机制，以及对在场性能的影响。
超高速生长(高达100nm/s)高度有序的自组装BaHfO3纳米柱掺杂的EuBa2Cu3O7薄膜
Wu Yue; Jiang Guangyu; Zhu Jiamin; Wu Donghong; Quan Xueling; Shi Jiangtao; Suo hongli; Zhao Yue
武悦，姜广宇，朱佳敏，吴东红，权雪玲，师江涛，索红莉，赵跃
通讯作者：
- 赵跃 上海交通大学电子信息与电气工程学院
通过透射电子显微镜对超导膜截面的观察发现，BHO纳米柱从薄膜底部到表面均匀分布，平均直径约为5 nm，长度为50 ~ 100 nm，其密度高达70 um^-1。该BHO纳米柱，与EuBCO母相的c轴方向呈3°~5°的偏离。从选区电子衍射图分析发现，BHO第二相与 EBCO保持很好的晶体学取向关系，即BHO (100) <010> // EuBCO (001) <010>。与以往报道相比，在相同沉积速度下，低BHO掺杂量的EuBCO薄膜其显微结构为高密度层错与BHO纳米点的混合组织。而在高掺杂量下纳米复合超导层形成了高度有序的柱状结构。这一结果表明，在高速沉积条件下，第二相结构对掺杂量有很强的依赖性。因此，我们提出了一种浓度敏感的瞬时液相辅助的自组装生长机制来解释超高速沉积下的第二相生长方式。原子的弛豫时间随着沉积速度的增加而降低。掺杂浓度越高，原则上BHO成核位点的密度越高，等效于扩散距离的减小。即使在非常有限的弛豫时间内，大部分Hf原子也能以最小的能量移动到该位置，故形成了柱状纳米第二相。
为了进一步研究高度有序柱状第二相对薄膜在场性能的影响，在30K和50K，5T磁场对薄膜进行了角度依赖测量。该结构加强了薄膜在垂直场下的性能，降低了薄膜额各向异性。此外，在4.2K下薄膜的在场临界电流密度（Jc）和和钉扎力(Fp)也进行了测量。结构优化后，薄膜的中场性能有效的增强，钉扎力也大大加强，在4.2K，14T磁场下，Jc达到了9 MA/cm^2，Fp为900 GN/m^3。
研究背景
基于REBa2Cu3O7-δ薄膜的第二代高温超导材料拥有优异电学和力学性能，在新型电网、电机和高场磁体等领域有重要的潜在应用。然而，从材料科学角度出发，昂贵的价格和在场性能衰减是限制其进一步应用的重要原因。脉冲激光沉积（PLD）技术作为一种典型的原位方法，能够在原子水平上精确控制结构，生长高质量的薄膜，广泛的应用于各类复合薄膜的生长。但是，传统PLD生长速度比较低（<5nm/s），这严重制约了二代高温超导带材的产量，成为限制其应用的瓶颈问题。此外，在超导相中引入第二相是提高超导带材在场性能的重要方法。然而，第二相结构会随着生长速度增加从纳米柱逐渐转变为纳米点。在高生长速率下获得有序的纳米柱结构非常具有挑战性，而且复合多相薄膜在高速沉积下的外延机制也不清楚。基于此，使用先进的PLD设备在超高速下沉积了高BaHfO3掺杂量的EuBa2Cu3O7薄膜，并研究了其中第二相的生长机制。
作者介绍
赵跃，任职于上海交通大学电子信息与电气工程学院，博士生导师，同时担任上海超导科技股份有限公司技术负责人，研究方向为高温超导材料制备和应用技术，先进电磁功能材料的研究。近年来作为通讯作者，已在Acta Materialia, Journal of Materials Chemistry C, Crystal Growth & Design, Journal of the American Ceramic Society, Inorganic Chemistry等国际学术期刊发表多篇论文。此外，实验室长期招募博士，博士后，欢迎相关专业报考和加入。个人主页：https://eei.sjtu.edu.cn/Show.aspx?info_id=696&info_lb=571&flag=490