TFA-YBa2Cu3O7-x涂层中自组装纳米颗粒提高磁通钉扎的研究项目摘要

近年来，以YBa2Cu3O7-x（YBCO）超导涂层为导体的第二代高温超导带材的研究取得了一系列突破性进展，已经制备出千米级长带，但是成本极高，提高它的电磁性能的研究不仅关系到它能在更高温度和更高磁场下的应用，同时也会带来性价比的提高，从而降低成本，成为当前高温超导涂层研究的热点。本课题将在前期工作的基础上，拟采用三氟乙酸盐金属有机沉积法（TFA-MOD）制备含有自组装纳米颗粒的YBCO复合涂层，重点研究自组装纳米颗粒形成的机制，纳米颗粒的尺寸、密度和分布对YBCO涂层的自场和高场下临界电流密度的影响，以及对不同方向外加磁场中YBCO涂层的临界电流密度的影响，探索纳米颗粒与YBCO性能的关系，深入认识高温氧化物超导体磁通钉扎的机理。并在此基础上，对制备掺杂纳米颗粒的YBCO复合涂层的工艺参数进行优化，从而获得具有高临界电流密度和高不可逆场的YBCO超导涂层。

近年来，以YBa2Cu3O7-x（YBCO）超导涂层为导体的第二代高温超导带材的研究取得了一系列突破性进展，已经制备出千米级长带，但是成本极高，提高它的电磁性能的研究不仅关系到它能在更高温度和更高磁场下的应用，同时也会带来性价比的提高，从而降低成本，成为当前高温超导涂层研究的热点。 本项目系统研究了掺杂纳米钛酸钡、纳米氧化钇和纳米锆酸钡、纳米铈酸钡、纳米氧化铁、钐稀土元素替代和钆稀土元素替代等多种方式提高YBCO超导性能的研究。其中课题组首次报道的掺杂纳米BaTiO3的YBCO膜与纯YBCO膜相比，临界转变温度（Tc）基本保持不变为91K，而临界电流密度Jc无论是零场还是高场下都有很大提高。掺杂纳米BaTiO3的YBCO膜自场下的Jc为10MA/cm2（77K，0T），达到世界领先水平。共掺杂纳米Y2O3和BaZrO3的YBCO膜的Jc为6.5MA/cm2（77K，0T），大大高于纯YBCO超导膜的Jc为3.8MA/cm2（77K，0T），也达到国际先进水平。并结合YBCO超导性能和微观结构的关系，本项目总结了掺杂元素在YBCO薄膜内部形成纳米颗粒并能起到磁通钉扎作用三项基本规律；(1) 掺杂在YBCO薄膜内的纳米物质为高温相，这样其生长驱动力比较大，生成的二次相颗粒尺度较小；（2）掺杂的纳米物质应与YBCO存在较大的失配度，这样不仅二次相本身可以起到磁通钉扎的作用，二次相与YBCO之间产生的缺陷也可以起到有效磁通钉扎的作用；(3) 掺杂的纳米颗粒不能损坏YBCO膜的双轴织构。 课题人员按时、全面地完成了项目的计划内容和预定目标。 2100433B

钉扎和去钉扎是磁纳米线中畴壁运动重要的过程。垂直磁化纳米线中的畴壁宽度小且结构稳定，对垂直磁化纳米线中畴壁钉扎与去钉扎过程及相关动力学的研究一方面有助于掌握磁纳米线畴壁运动的规律和操控方法，从而为实现逻辑运算和高密度存储奠定基础，另一方面，可以探索自旋转移力矩中非绝热项的本质等一些基本科学问题。本项目将以具有垂直各向异性的FePt和CoPt合金为材料体系, 研究纳米线中畴壁钉扎与去钉扎过程中畴壁的运动状态、去钉扎场大小以及它们与纳米线和钉扎点的几何尺寸等因素的关系，探索有效调控畴壁钉扎与去钉扎行为的方法；研究不同各向异性纳米线中非绝热系数及阻尼系数，澄清二者与自旋轨道耦合强弱的关系，并在此基础上结合理论研究探索二者的物理本质。

垂直磁化纳米线在赛道存储器件、畴壁逻辑器以及纳米振荡器件都有广阔的应用前景，研究垂直纳米线中钉扎畴壁的动力学特性进行研究，探索调控畴壁动力学行为的方法对其在器件中的实际应用至关重要。本项目，我们将研究的重点放在垂直磁化纳米线中钉扎畴壁的动力学特性，主要开展了一下工作：1）采用磁控溅射法加上纳米刻蚀技术，制备出质量良好的垂直纳米线，对纳米线的各向异性磁电阻测量，显示出畴壁处于不同位置具有不同的AMR；2）研究了不同刻痕结构、形状和刻痕深度对对畴壁的钉扎强度，发现对称矩形刻痕具有最强的钉扎效果，而三角刻痕钉扎最弱；3)对钉扎畴壁的动力学特性研究发现，钉扎畴壁在一定的电流下出现振荡，其实振荡电流与刻痕的形状、深度都有关系，在深度钉扎时，三角刻痕具有最小的其实振荡电流；4）对深度钉扎的单个畴壁和多个畴壁的振荡特性进行了研究，发现在一定电流下，会出现恒频振荡，这种恒频振荡的振幅可以通过横向磁场辅助和多畴壁协同振荡大幅提高；5）设计了反铁磁耦合的双垂直磁化纳米线，利用自选轨道矩和DMI实现了耦合畴壁运动超高速运动；6）弄清垂直磁化-面内磁化复合纳米线中自旋波模式的振荡特性以及调控手段，提出了一种新型的纳米振荡器；7）设计了垂直磁化-面内磁化复合纳米柱阵列，证实了合理调控相互作用可以使各纳米柱的磁矩出现协同振荡，从而大幅提高振荡信号；8）探索了调控涡旋状态以及利用涡旋状态调控畴壁动力学特性的方法，发现涡旋畴壁的状态可以在选取适当的纳米线尺寸的情况，通过磁场大小方便地调控；9）对基于FePt3的双层薄膜中的交换耦合特性进行了研究，发现一定的化学无序以及铁磁层的诱导可以诱发Q2 相，从而解释了(100)取向的双层膜低温下出现的强的交换耦合场。以上这些工作中取得的重要结果以达到本象奴设定的研究目标。

纳米等离子体喷涂技术中，纳米颗粒的多相流基础研究远远落后于应用，特别是纳米颗粒的聚并、飞行等的机理尚不清楚。本研究通过对纳米等离子体喷涂中的纳米颗粒多相流过程进行理论分析、数值模拟和实验研究，达到以下目标：给出流体介质非连续性条件下纳米颗粒所受的拖曳力、范德华力、屏蔽静电力、布朗脉动力的表达式，用量纲分析找出不同雷诺数下的主导力；用拉格朗日方法直接数值模拟多个纳米粒子的聚并过程，给出聚并直径与初始状态的关系；制备纳米颗粒悬浮液并测量聚并直径，实验结果用于验证数值模型；建立等离子体射流中纳米粒子飞行、熔化和碰撞过程的多相流模型；实现纳米等离子体喷涂多相动力学全过程的建模，模拟不同参数下纳米粒子的聚并、雾化、飞行、碰撞、熔化、蒸发和氧化过程；研究纳米粒子初始直径、悬浮液物性、雾化气液比、射流温度和速度、飞行距离等参数对喷涂效果的影响，为工程应用提供理论依据。