《Materials Today Communications》：Stripe-Width-Dependent Microstructural Evolution in Multifilamented YBa
2Cu
3O
7-δ Films Revealed by Cross-Sectional Analysis
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摘要
将YBa?Cu?O??δ（YBCO）涂层导体进行多芯化处理，并形成连续且尽可能窄的间隙层，被认为是最大化载流性能并降低交流损耗的重要结构要求。本研究旨在通过阐明Nb条纹几何形状与由此产生的非超导间隙层结构之间的关系，建立用于控制连续间隙层形成的微结构设
摘要
将YBa?Cu?O??δ（YBCO）涂层导体进行多芯化处理，并形成连续且尽可能窄的间隙层，被认为是最大化载流性能并降低交流损耗的重要结构要求。本研究旨在通过阐明Nb条纹几何形状与由此产生的非超导间隙层结构之间的关系，建立用于控制连续间隙层形成的微结构设计指南。研究人员通过激光显微镜和电子显微镜，系统研究了条纹宽度对非超导间隙层宽度的影响。激光显微镜结果显示，实际条纹宽度比设计值宽数微米，且条纹高度随条纹宽度增加而增大。电子显微镜微结构分析表明，Ba和O扩散进入Nb条纹，形成Ba?Nb?O??。对于1 μm条纹，条纹上存在Y–Cu–O和Cu–O相以及YBCO基体。相比之下，对于2 μm、5 μm和10 μm条纹，则形成了由Y–Cu–O和Cu–O相组成的连续非超导层。非超导层的厚度随Nb条纹宽度（即体积）的增加而增大，表明其形成由Ba?Nb?O??的生成所驱动。在本研究条件下评估的三层涂覆YBCO薄膜所考察的各条纹宽度中，设计宽度为2 μm（实际宽度为4.9 μm）的Nb条纹实现了最窄的连续非超导间隙层。这些发现为设计具有连续且窄间隙层的自下而上多芯化YBCO涂层导体提供了微结构设计指南。
**多芯化YBCO涂层导体间隙层形成的微结构设计指南：基于Nb条纹宽度的系统研究**
**1. 研究背景与问题提出**
超导材料因其在临界温度以下具有零电阻和完全抗磁性等独特性质，在磁悬浮、高场磁体、磁共振成像及电力设备等领域具有广阔的应用前景。其中，REBa?Cu?O??δ（RE：稀土元素，REBCO）涂层导体（CCs）因其在强磁场下优异的高临界电流密度，被认为是聚变反应堆、高场磁体和电力技术应用的关键材料。然而，REBCO涂层导体在实际应用中面临交流损耗（AC loss）的挑战——在时变电流和磁场条件下，磁通线在洛伦兹力驱动下运动导致能量耗散。为降低交流损耗，研究人员采用了多芯化策略，即在REBCO涂层导体中引入非超导间隙层，将导体划分为N个细丝以缩短磁通迁移距离，从而将交流损耗降低约1/N倍。然而，间隙层的几何结构对实际应用至关重要：连续间隙层是电隔离相邻超导细丝、抑制耦合电流的必要条件，而过宽的间隙则会减小超导截面积，导致载流能力下降。
目前已有的多芯化技术包括自上而下方法（如激光刻蚀）和自下而上方法（如喷墨打印）。激光刻蚀会在超导层中产生局部热损伤，而喷墨打印形成的间隙宽度通常为数十微米量级，导致导线单位宽度载流容量下降。为克服上述问题，研究人员开发了一种基于光刻技术的自下而上多芯化方法：在REBCO沉积前，先在基板上图案化金属（如Zr或Nb）条纹。该方法能够形成极窄间隙（数微米量级）且不会对REBCO层造成激光热损伤。此前研究已利用截面扫描透射电子显微镜（STEM）阐明了间隙层的形成机理：Nb条纹与YBCO前驱体组分BaO反应，导致条纹上局部成分偏离并生成Y–Cu–O和Cu–O等非超导相。因此，本研究旨在建立定量微结构设计指南，系统研究Nb条纹几何形状对非超导间隙层形成、宽度和连续性的影响规律。
**2. 主要技术方法**
本研究采用以下关键技术手段：（1）无掩模光刻系统在SrTiO?（STO）单晶基板上图案化制备宽度分别为1、2、5和10 μm的Nb条纹（对应样品记为Nb-1、Nb-2、Nb-5和Nb-10）；（2）采用三氟乙酸金属有机沉积（TFA-MOD）法制备YBCO薄膜，旋涂和煅烧过程重复三次后进行结晶退火和氧退火处理；（3）使用激光共聚焦显微镜测量Nb条纹的宽度和高度；（4）采用X射线衍射（XRD）分析薄膜物相组成；（5）利用扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）观察表面形貌和元素分布；（6）采用聚焦离子束（FIB）制备截面薄片，通过像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）结合高角环形暗场（HAADF）成像和能量色散X射线光谱（EDS）进行截面微结构表征；（7）利用磁光成像（MOI）评估超导性能和磁通穿透行为。
**3. 研究结果**
**3.1 STO基板上Nb条纹的激光显微镜表征**
激光显微镜测量结果表明，四种Nb条纹的实际宽度均比设计值大数微米（Nb-1至Nb-10的实际宽度分别为3.4、4.9、8.0和13.1 μm），这是光刻过程中紫外光衍射导致光刻胶掩模开口展宽的典型特征。此外，尽管条纹高度的设计值恒定，但实际条纹高度随宽度增加而增大（从0.075 μm增至0.20 μm），其原因在于窄沟槽内Nb溅射沉积时沟槽开口附近的遮蔽效应阻碍了均匀沉积，导致窄条纹上Nb沉积量不足。
**3.2 YBCO薄膜的XRD表征**
XRD结果表明，有无Nb条纹的样品均呈现c轴取向YBCO的衍射峰，同时存在Ba?CuO?、CuO和Y?Cu?O?等第二相和前驱体相。Y?BaCuO?仅存在于无条纹样品中，表明热处理过程中Ba优先扩散进入Nb条纹。Nb条纹本身未检测到衍射峰，归因于其体积分数极低（约0.2%），低于XRD检测限。
**3.3 YBCO薄膜的SEM表征**
SEM图像显示，所有样品中均存在与条纹位置对应的线状暗衬度，其宽度随条纹宽度增加而增大。元素分布图表明，基质区域均匀由Y–Ba–Cu–O组成（对应YBCO相），而条纹区域呈现Y、Cu、O和Nb富集伴随Ba贫化。在较宽条纹（Nb-5和Nb-10）中观察到Y、Cu和Nb的富集，且条纹上的裂纹处检测到Ba–Nb–O化合物。裂纹仅在Y–Cu–O和Cu–O相中形成，随着条纹宽度和高度增加，非超导相的表面曲率增大，导致表面应力增加，在热膨胀和收缩过程中产生增强的热应力，从而引发裂纹。
**3.4 截面STEM表征**
截面HAADF-STEM图像显示，Nb-1样品中条纹附近存在颗粒状衬度的非超导相，而Nb-2、Nb-5和Nb-10样品中形成了从条纹正上方平滑延伸至条纹边缘的均匀衬度层，即非超导层。非超导层宽度随条纹宽度增加而增大。STEM-EDS元素分布图证实，所有样品中Ba和O完全扩散进入Nb条纹，形成Ba–Nb–O化合物。选区电子衍射图案（SAEDp）确认该化合物为多晶Ba?Nb?O??。条纹高度的显著增加归因于Nb转化为Ba?Nb?O??时的体积膨胀——在横向受到周围YBCO基体的强约束，而垂直方向约束较小，因此体积膨胀优先沿条纹高度方向进行。在Nb-5和Nb-10样品中观察到条纹与非超导相界面的层状空洞以及条纹内部的空洞，这些空洞归因于不对称互扩散引起的Kirkendall效应。
研究人员依据两个化学反应方程（Y?Cu?O? + BaO + CuO → YBa?Cu?O??δ以及BaO + Nb?O? → Ba?Nb?O??）估算了非超导相的体积。利用HAADF-STEM图像测量Ba?Nb?O??体积，结合Materials Project数据库的摩尔体积数据，计算出应保留未反应的Y?Cu?O?和CuO体积，与直接测量值具有良好一致性，验证了以Ba?Nb?O??为指示物预测非超导相体积的可行性。
从多芯化实际应用角度出发，间隙层应在形成完整非超导区域的同时尽可能窄。在本研究条件下，Nb-2样品（实际宽度4.9 μm）获得了最窄的连续间隙层。由于Nb-1样品（实际宽度3.4 μm）呈现不连续结构，实现连续非超导层的临界宽度介于3.4 μm和4.9 μm之间。
**3.5 磁光成像表征**
MOI结果表明，Nb-1样品中几乎未观察到明亮的磁通穿透区域，这与条纹不连续且条纹上有YBCO形成的微结构特征一致。而Nb-2、Nb-5和Nb-10样品中，磁通独立穿透每个被连续非超导间隙层分隔的细丝，表明相邻超导细丝之间实现了有效的磁和电隔离，预期能够抑制电磁耦合从而降低耦合电流相关的交流损耗。磁通排斥在约89.0 K时开始可观察，据此估算超导转变温度（Tc）约为89.0 K；基于Bean临界态模型从磁通密度梯度估算的局部临界电流密度（Jc）约为6.6 × 10? A cm?2（10 K），证实引入Nb条纹结构后超导性得以保持。
**4. 讨论与结论**
本研究通过将光刻图案化Nb条纹的几何参数与非超导间隙层的形成和宽度进行系统关联，建立了适用于自下而上多芯化REBCO涂层导体的实用微结构设计指南。与传统激光刻蚀和喷墨打印技术相比，基于光刻的自下而上方法结合了两者优势：能够形成实际宽度仅4.9 μm的连续间隙层，同时避免了对超导层的直接热加工。研究人员指出，间隙层宽度可通过控制条纹几何形状和参与反应的Ba消耗量进行合理设计——即通过识别BaO反应产物来预测非超导相的形成范围，该策略对其他条纹材料同样适用。
**研究结论**：本研究通过TFA-MOD法在经光刻图案化不同宽度Nb条纹的STO基板上制备了多芯化YBCO薄膜，并利用激光显微镜和电子显微镜系统研究了条纹宽度对非超导间隙层形成的影响。设计宽度为1、2、5和10 μm的样品中，实际条纹宽度均比设计值大数微米，且条纹高度随宽度增加而增大。Ba和O向Nb条纹内部扩散表明条纹内形成了Ba?Nb?O??。1 μm条纹样品中条纹上共存YBCO、Y–Cu–O和Cu–O相，而2、5和10 μm条纹样品中形成了由Y–Cu–O和Cu–O相组成的连续非超导层。非超导间隙层的宽度随条纹宽度增加而增大，表明其形成受Nb与Ba反应生成Ba?Nb?O??所控制。在本研究的三层涂覆YBCO薄膜所考察的条纹宽度中，设计宽度为2 μm（实际宽度4.9 μm）的Nb条纹获得了最窄的连续非超导间隙层。更重要的是，本研究建立了Nb条纹几何形状与间隙层形成之间的定量关系，为控制自下而上多芯化YBCO涂层导体中非超导间隙层的宽度和连续性提供了实用的微结构设计指南。尽管本研究聚焦于微结构层面，所提出的设计指南将在未来的传输临界电流和交流损耗测量中得到进一步验证。
