TFA-YBa2Cu3O7-x涂層中自組裝納米顆粒提高磁通釘扎的研究

近年來，以YBa2Cu3O7-x（YBCO）超導涂層為導體的第二代高溫超導帶材的研究取得了一系列突破性進展，已經(jīng)制備出千米級長帶，但是成本極高，提高它的電磁性能的研究不僅關系到它能在更高溫度和更高磁場下的應用，同時也會帶來性價比的提高，從而降低成本，成為當前高溫超導涂層研究的熱點。 本項目系統(tǒng)研究了摻雜納米鈦酸鋇、納米氧化釔和納米鋯酸鋇、納米鈰酸鋇、納米氧化鐵、釤稀土元素替代和釓稀土元素替代等多種方式提高YBCO超導性能的研究。其中課題組首次報道的摻雜納米BaTiO3的YBCO膜與純YBCO膜相比，臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）基本保持不變?yōu)?1K，而臨界電流密度Jc無論是零場還是高場下都有很大提高。摻雜納米BaTiO3的YBCO膜自場下的Jc為10MA/cm2（77K，0T），達到世界領先水平。共摻雜納米Y2O3和BaZrO3的YBCO膜的Jc為6.5MA/cm2（77K，0T），大大高于純YBCO超導膜的Jc為3.8MA/cm2（77K，0T），也達到國際先進水平。并結(jié)合YBCO超導性能和微觀結(jié)構(gòu)的關系，本項目總結(jié)了摻雜元素在YBCO薄膜內(nèi)部形成納米顆粒并能起到磁通釘扎作用三項基本規(guī)律；(1) 摻雜在YBCO薄膜內(nèi)的納米物質(zhì)為高溫相，這樣其生長驅(qū)動力比較大，生成的二次相顆粒尺度較小；（2）摻雜的納米物質(zhì)應與YBCO存在較大的失配度，這樣不僅二次相本身可以起到磁通釘扎的作用，二次相與YBCO之間產(chǎn)生的缺陷也可以起到有效磁通釘扎的作用；(3) 摻雜的納米顆粒不能損壞YBCO膜的雙軸織構(gòu)。 課題人員按時、全面地完成了項目的計劃內(nèi)容和預定目標。 2100433B

近年來，以YBa2Cu3O7-x（YBCO）超導涂層為導體的第二代高溫超導帶材的研究取得了一系列突破性進展，已經(jīng)制備出千米級長帶，但是成本極高，提高它的電磁性能的研究不僅關系到它能在更高溫度和更高磁場下的應用，同時也會帶來性價比的提高，從而降低成本，成為當前高溫超導涂層研究的熱點。本課題將在前期工作的基礎上，擬采用三氟乙酸鹽金屬有機沉積法（TFA-MOD）制備含有自組裝納米顆粒的YBCO復合涂層，重點研究自組裝納米顆粒形成的機制，納米顆粒的尺寸、密度和分布對YBCO涂層的自場和高場下臨界電流密度的影響，以及對不同方向外加磁場中YBCO涂層的臨界電流密度的影響，探索納米顆粒與YBCO性能的關系，深入認識高溫氧化物超導體磁通釘扎的機理。并在此基礎上，對制備摻雜納米顆粒的YBCO復合涂層的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，從而獲得具有高臨界電流密度和高不可逆場的YBCO超導涂層。

釘扎和去釘扎是磁納米線中疇壁運動重要的過程。垂直磁化納米線中的疇壁寬度小且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對垂直磁化納米線中疇壁釘扎與去釘扎過程及相關動力學的研究一方面有助于掌握磁納米線疇壁運動的規(guī)律和操控方法，從而為實現(xiàn)邏輯運算和高密度存儲奠定基礎，另一方面，可以探索自旋轉(zhuǎn)移力矩中非絕熱項的本質(zhì)等一些基本科學問題。本項目將以具有垂直各向異性的FePt和CoPt合金為材料體系, 研究納米線中疇壁釘扎與去釘扎過程中疇壁的運動狀態(tài)、去釘扎場大小以及它們與納米線和釘扎點的幾何尺寸等因素的關系，探索有效調(diào)控疇壁釘扎與去釘扎行為的方法；研究不同各向異性納米線中非絕熱系數(shù)及阻尼系數(shù)，澄清二者與自旋軌道耦合強弱的關系，并在此基礎上結(jié)合理論研究探索二者的物理本質(zhì)。

垂直磁化納米線在賽道存儲器件、疇壁邏輯器以及納米振蕩器件都有廣闊的應用前景，研究垂直納米線中釘扎疇壁的動力學特性進行研究，探索調(diào)控疇壁動力學行為的方法對其在器件中的實際應用至關重要。本項目，我們將研究的重點放在垂直磁化納米線中釘扎疇壁的動力學特性，主要開展了一下工作：1）采用磁控濺射法加上納米刻蝕技術，制備出質(zhì)量良好的垂直納米線，對納米線的各向異性磁電阻測量，顯示出疇壁處于不同位置具有不同的AMR；2）研究了不同刻痕結(jié)構(gòu)、形狀和刻痕深度對對疇壁的釘扎強度，發(fā)現(xiàn)對稱矩形刻痕具有最強的釘扎效果，而三角刻痕釘扎最弱；3)對釘扎疇壁的動力學特性研究發(fā)現(xiàn)，釘扎疇壁在一定的電流下出現(xiàn)振蕩，其實振蕩電流與刻痕的形狀、深度都有關系，在深度釘扎時，三角刻痕具有最小的其實振蕩電流；4）對深度釘扎的單個疇壁和多個疇壁的振蕩特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定電流下，會出現(xiàn)恒頻振蕩，這種恒頻振蕩的振幅可以通過橫向磁場輔助和多疇壁協(xié)同振蕩大幅提高；5）設計了反鐵磁耦合的雙垂直磁化納米線，利用自選軌道矩和DMI實現(xiàn)了耦合疇壁運動超高速運動；6）弄清垂直磁化-面內(nèi)磁化復合納米線中自旋波模式的振蕩特性以及調(diào)控手段，提出了一種新型的納米振蕩器；7）設計了垂直磁化-面內(nèi)磁化復合納米柱陣列，證實了合理調(diào)控相互作用可以使各納米柱的磁矩出現(xiàn)協(xié)同振蕩，從而大幅提高振蕩信號；8）探索了調(diào)控渦旋狀態(tài)以及利用渦旋狀態(tài)調(diào)控疇壁動力學特性的方法，發(fā)現(xiàn)渦旋疇壁的狀態(tài)可以在選取適當?shù)募{米線尺寸的情況，通過磁場大小方便地調(diào)控；9）對基于FePt3的雙層薄膜中的交換耦合特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)一定的化學無序以及鐵磁層的誘導可以誘發(fā)Q2 相，從而解釋了(100)取向的雙層膜低溫下出現(xiàn)的強的交換耦合場。以上這些工作中取得的重要結(jié)果以達到本象奴設定的研究目標。

納米等離子體噴涂技術中，納米顆粒的多相流基礎研究遠遠落后于應用，特別是納米顆粒的聚并、飛行等的機理尚不清楚。本研究通過對納米等離子體噴涂中的納米顆粒多相流過程進行理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究，達到以下目標：給出流體介質(zhì)非連續(xù)性條件下納米顆粒所受的拖曳力、范德華力、屏蔽靜電力、布朗脈動力的表達式，用量綱分析找出不同雷諾數(shù)下的主導力；用拉格朗日方法直接數(shù)值模擬多個納米粒子的聚并過程，給出聚并直徑與初始狀態(tài)的關系；制備納米顆粒懸浮液并測量聚并直徑，實驗結(jié)果用于驗證數(shù)值模型；建立等離子體射流中納米粒子飛行、熔化和碰撞過程的多相流模型；實現(xiàn)納米等離子體噴涂多相動力學全過程的建模，模擬不同參數(shù)下納米粒子的聚并、霧化、飛行、碰撞、熔化、蒸發(fā)和氧化過程；研究納米粒子初始直徑、懸浮液物性、霧化氣液比、射流溫度和速度、飛行距離等參數(shù)對噴涂效果的影響，為工程應用提供理論依據(jù)。