TFA-YBa2Cu3O7-x涂層中自組裝納米顆粒提高磁通釘扎的研究結(jié)題摘要

近年來(lái)，以YBa2Cu3O7-x（YBCO）超導(dǎo)涂層為導(dǎo)體的第二代高溫超導(dǎo)帶材的研究取得了一系列突破性進(jìn)展，已經(jīng)制備出千米級(jí)長(zhǎng)帶，但是成本極高，提高它的電磁性能的研究不僅關(guān)系到它能在更高溫度和更高磁場(chǎng)下的應(yīng)用，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)性價(jià)比的提高，從而降低成本，成為當(dāng)前高溫超導(dǎo)涂層研究的熱點(diǎn)。 本項(xiàng)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(dǎo)性能的研究。其中課題組首次報(bào)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(wú)論是零場(chǎng)還是高場(chǎng)下都有很大提高。摻雜納米BaTiO3的YBCO膜自場(chǎng)下的Jc為10MA/cm2（77K，0T），達(dá)到世界領(lǐng)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(dǎo)膜的Jc為3.8MA/cm2（77K，0T），也達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。并結(jié)合YBCO超導(dǎo)性能和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，本項(xiàng)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(xiàng)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(zhǎng)驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(shí)、全面地完成了項(xiàng)目的計(jì)劃內(nèi)容和預(yù)定目標(biāo)。 2100433B

近年來(lái)，以YBa2Cu3O7-x（YBCO）超導(dǎo)涂層為導(dǎo)體的第二代高溫超導(dǎo)帶材的研究取得了一系列突破性進(jìn)展，已經(jīng)制備出千米級(jí)長(zhǎng)帶，但是成本極高，提高它的電磁性能的研究不僅關(guān)系到它能在更高溫度和更高磁場(chǎng)下的應(yīng)用，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)性價(jià)比的提高，從而降低成本，成為當(dāng)前高溫超導(dǎo)涂層研究的熱點(diǎn)。本課題將在前期工作的基礎(chǔ)上，擬采用三氟乙酸鹽金屬有機(jī)沉積法（TFA-MOD）制備含有自組裝納米顆粒的YBCO復(fù)合涂層，重點(diǎn)研究自組裝納米顆粒形成的機(jī)制，納米顆粒的尺寸、密度和分布對(duì)YBCO涂層的自場(chǎng)和高場(chǎng)下臨界電流密度的影響，以及對(duì)不同方向外加磁場(chǎng)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(guān)系，深入認(rèn)識(shí)高溫氧化物超導(dǎo)體磁通釘扎的機(jī)理。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)制備摻雜納米顆粒的YBCO復(fù)合涂層的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得具有高臨界電流密度和高不可逆場(chǎng)的YBCO超導(dǎo)涂層。

釘扎和去釘扎是磁納米線中疇壁運(yùn)動(dòng)重要的過(guò)程。垂直磁化納米線中的疇壁寬度小且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)垂直磁化納米線中疇壁釘扎與去釘扎過(guò)程及相關(guān)動(dòng)力學(xué)的研究一方面有助于掌握磁納米線疇壁運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和操控方法，從而為實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和高密度存儲(chǔ)奠定基礎(chǔ)，另一方面，可以探索自旋轉(zhuǎn)移力矩中非絕熱項(xiàng)的本質(zhì)等一些基本科學(xué)問(wèn)題。本項(xiàng)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(guò)程中疇壁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、去釘扎場(chǎng)大小以及它們與納米線和釘扎點(diǎn)的幾何尺寸等因素的關(guān)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(qiáng)弱的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)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(chǔ)器件、疇壁邏輯器以及納米振蕩器件都有廣闊的應(yīng)用前景，研究垂直納米線中釘扎疇壁的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，探索調(diào)控疇壁動(dòng)力學(xué)行為的方法對(duì)其在器件中的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。本項(xiàng)目，我們將研究的重點(diǎn)放在垂直磁化納米線中釘扎疇壁的動(dòng)力學(xué)特性，主要開(kāi)展了一下工作：1）采用磁控濺射法加上納米刻蝕技術(shù)，制備出質(zhì)量良好的垂直納米線，對(duì)納米線的各向異性磁電阻測(cè)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(duì)對(duì)疇壁的釘扎強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)對(duì)稱矩形刻痕具有最強(qiáng)的釘扎效果，而三角刻痕釘扎最弱；3)對(duì)釘扎疇壁的動(dòng)力學(xué)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(shí)振蕩電流與刻痕的形狀、深度都有關(guān)系，在深度釘扎時(shí)，三角刻痕具有最小的其實(shí)振蕩電流；4）對(duì)深度釘扎的單個(gè)疇壁和多個(gè)疇壁的振蕩特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定電流下，會(huì)出現(xiàn)恒頻振蕩，這種恒頻振蕩的振幅可以通過(guò)橫向磁場(chǎng)輔助和多疇壁協(xié)同振蕩大幅提高；5）設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了耦合疇壁運(yùn)動(dòng)超高速運(yùn)動(dòng)；6）弄清垂直磁化-面內(nèi)磁化復(fù)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(shè)計(jì)了垂直磁化-面內(nèi)磁化復(fù)合納米柱陣列，證實(shí)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(hào)；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(dòng)力學(xué)特性的方法，發(fā)現(xiàn)渦旋疇壁的狀態(tài)可以在選取適當(dāng)?shù)募{米線尺寸的情況，通過(guò)磁場(chǎng)大小方便地調(diào)控；9）對(duì)基于FePt3的雙層薄膜中的交換耦合特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)一定的化學(xué)無(wú)序以及鐵磁層的誘導(dǎo)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(qiáng)的交換耦合場(chǎng)。以上這些工作中取得的重要結(jié)果以達(dá)到本象奴設(shè)定的研究目標(biāo)。

納米等離子體噴涂技術(shù)中，納米顆粒的多相流基礎(chǔ)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于應(yīng)用，特別是納米顆粒的聚并、飛行等的機(jī)理尚不清楚。本研究通過(guò)對(duì)納米等離子體噴涂中的納米顆粒多相流過(guò)程進(jìn)行理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，達(dá)到以下目標(biāo)：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(dòng)力的表達(dá)式，用量綱分析找出不同雷諾數(shù)下的主導(dǎo)力；用拉格朗日方法直接數(shù)值模擬多個(gè)納米粒子的聚并過(guò)程，給出聚并直徑與初始狀態(tài)的關(guān)系；制備納米顆粒懸浮液并測(cè)量聚并直徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)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(guò)程的多相流模型；實(shí)現(xiàn)納米等離子體噴涂多相動(dòng)力學(xué)全過(guò)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(guò)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(duì)噴涂效果的影響，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。