超导单晶膜的水热制备方法及其产品技术

本发明专利技术提供了一种超导单晶膜的制备方法，所述方法为水热法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将反应物和去离子水，装入可封闭加热容器中，拌混合充分，并放入金属衬底；(2)随后把封闭容器密封，加热反应；(3)反应结束后，打开封闭容器取出金属衬底，并用去离子水反复清洗，获得可外延生长的超导单晶膜。本发明专利技术方法低能耗低成本低污染，无需现有方法所需的物理高温、超高真空设备或高价有机源材料和有机物后处理。可用金属衬底、衬底形状尺寸不受限、方法简易高效易推广。

【技术实现步骤摘要】
超导单晶膜的水热制备方法及其产品
本专利技术属于材料领域，具体涉及一种超导单晶膜的制备方法，及其产品和应用。
技术介绍
高质量的超导薄膜及线带材无论对于基础超导理论研究还是实际广泛应用，弱电应用包括但不限于：超导微波器件、超导计算机、超导天线、超导高频检测器。强电应用包括但不限于：超导强磁体(医用磁共振成像系统、核聚变反应堆磁体系统、粒子加速器谐振腔等)、超导限流器(稳定电网)、超导输电、超导储能都至关重要。目前超导单晶薄膜的制备方法主要包括真空物理高温的脉冲激光沉积(PLD)法、分子束外延(MBE)、磁控溅射法和化学合成法如化学气相沉积(CVD)和溶胶凝胶(sol-gel)等，均需高温加热、成本高(或超高真空或涉及复杂的有机物回收处理等)。现有技术高能耗、高成本、高污染(需要物理高温、超高真空设备、高价有机源材料和有机物后处理)，难以在非平面腔体生长薄膜，无法生长高温易分解薄膜材料(如含有羟基的(Li,Fe)OHFeSe超导材料)。近期发现的基体辅助法水热外延生长技术(MHE)，无需高温加热，可高效制备高质量(Li,Fe)OHFeSe高温超导单晶薄膜，但需预先生长高质量FeSe基单晶如K2Fe4Se5做基体。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种超导单晶膜的制备方法，及其产品和应用。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种超导单晶膜的制备方法，所述方法为水热法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将反应物和去离子水，装入可封闭加热容器中，充分搅拌混合，并放入金属衬底；其中，所述反应物包括含硫族元素的单质或化合物、金属单质和催化剂；(2)随后把封闭容器密封，加热反应；(3)反应结束后，打开封闭容器取出金属衬底，并用去离子水反复清洗，获得可外延生长的超导单晶膜。根据本专利技术第一方面的制备方法，其中，步骤(1)中，所述金属衬底具有光滑的表面且不参与步骤(2)和(3)的水热反应。根据本专利技术第一方面的制备方法，其中，步骤(1)中，所述金属衬底选自单质衬底和/或合金衬底；优选地，所述单质衬底选自以下一种或多种：铜、铝、铁、铌、银、金；所述合金衬底选自以下一种或多种：哈氏合金、镁合金、铝合金、CuSe1-xSx、CuSe1-xTex、FeSe1-xSx、FeSe1-xTex、MoS、MoSe2、NbSe2、Nb3Se、NbTi、WTe2、Bi2Se3。根据本专利技术第一方面的制备方法，其中，所述含硫族元素的单质或化合物选自以下一种或多种：硫脲、硒脲、碲单质或化合物；和/或所述催化剂为卤化物或碱；优选地，所述催化剂选自以下一种或多种：LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、LiF、NaF、KF、RbF、CsF根据本专利技术第一方面的制备方法，其中，步骤(1)中，所述含硫族元素的单质或化合物、金属单质、催化剂的摩尔比为1:1～8:1～8；优选地，通过调节硒脲、铁粉、催化剂的配比和生长温度改变超导单晶膜的超导转变温度。根据本专利技术第一方面的制备方法，其中，步骤(2)中，所述加热温度为80～300℃，优选为100～250℃；和/或所述反应时间为0.1～10天，优选为0.5～7天。本专利技术的第二方面提供了一种超导单晶膜，所述超导单晶膜按照第一方面所述的制备方法而制得；优选地，所述超导单晶膜选自以下一种或多种：FeSe、FeS、FeSe1-xSx(0<x<1)、FeSe1-xTex(0<x<1)、(Li,Fe)OHFeSe、(Li,Fe)OHFeS、CuSe、CuS、过渡金属二硫属化物薄膜MX2，其中，M选自过渡金属Ti,Nb,Ta,Mo,W，X选自硫族元素S,Se,Te。本专利技术的第三方面提供了按照第一方面所述的制备方法而制得的超导单晶薄膜、第二方面所述的超导单晶膜在制备弱电产品和/或强电产品中的应用。根据本专利技术第三方面的应用，其中，所述弱电产品选自以下一种或多种：超导微波器件、超导计算机、超导天线、超导高频检测器；所述强电产品选自以下一种或多种：超导强磁体、超导限流器、超导输电线、超导储能器；优选地，所述超导强磁体选自以下一种或多种：医用磁共振成像系统、核聚变反应堆磁封闭体、粒子加速器谐振腔。本专利技术涉及一种在金属衬底上制造超导薄膜材料的方法，特别是一种软化学法在金属衬底上外延铁基超导膜的制造方法，如在金属衬底上制造FeSe超导单晶膜。本专利技术提供一种基于软化学手段在金属衬底上外延高质量超导膜的制造方法。本专利技术方法使用金属衬底和催化剂。金属衬底可以是：单质衬底(包括但不限于铜、铝、铁、铌、银、金)、合金衬底(包括但不限于哈氏合金、镁合金、铝合金)、金属单质特别是过渡族元素的化合物衬底等(包括但不限于CuSe1-xSx、CuSe1-xTex、FeSe1-xSx、FeSe1-xTex、MoS、MoSe2、NbSe2、Nb3Se、NbTi、WTe2、Bi2Se3)。催化剂可以是卤化物或碱(包括但不限于LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、LiF、NaF、KF、RbF、CsF)。通过本方法，可以在金属衬底上生长出高质量FeSe超导单晶膜。基于本方法，也可以在金属衬底上生长出其它高质量超导单晶薄膜，包括但不限于FeSe、FeS、FeSe1-xSx、FeSe1-xTex、(Li,Fe)OHFeSe、(Li,Fe)OHFeS、CuSe、CuS等超导单晶膜。另外，本方法还可用于生长过渡金属二硫属化物膜MX2(M为过渡金属Ti,Nb,Ta,Mo,W；X为硫族元素S,Se,Te)。以FeSe和(Li,Fe)OHFeSe超导单晶薄膜为例，生长过程简单，样品在水热环境中直接外延生长在金属衬底上。通过该方法生长出的超导转变温度为13K的FeSe膜，超导抗磁转变很陡，且薄膜的摇摆曲线半高宽小于0.6°，表明薄膜的结晶质量很高。SEM扫描FeSe样品的表面也很平整。本专利技术在金属衬底上通过软化学法生长的高质量超导膜，对于研究相关机理问题至关重要，比如在生长过程中用到的金属衬底具有很好的导电、导热性能，可以满足基础研究中先进谱学研究技术在测试过程中对样品的导电、导热要求。实际应用：弱电应用包括但不限于：超导微波器件、超导计算机、超导天线、超导高频检测器。强电应用包括但不限于：超导强磁体(医用磁共振成像系统、核聚变反应堆磁封闭体、粒子加速器谐振腔等)、超导限流器(稳定电网)、超导输电、超导储能。除此之外，由于该专利技术衬底形状尺寸不受限，因此有望解决现有物理高温法成膜的局限，满足应用方面的需求，如：用于绕制磁体或输电电缆的超导线带材，大科学装置中的球或椭球形谐振腔等非平面腔体等等，方法简易高效易推广。和基体辅助法水热外延生长技术(MHE)相比，本专利技术：更高效、便捷，无需高质量单晶做基体即可在衬底上生长薄膜材料。方法简易高效易推广。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超导单晶膜的制备方法，其特征在于，所述方法为水热法，所述制备方法包括以下步骤：/n(1)将反应物和去离子水，装入可封闭加热容器中，拌混合充分，并放入金属衬底；其中，所述反应物包括含硫族元素的单质或化合物、金属单质和催化剂；/n(2)随后把封闭容器密封，加热反应；/n(3)反应结束后，打开封闭容器取出金属衬底，并用去离子水反复清洗，获得可外延生长的超导单晶膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种超导单晶膜的制备方法，其特征在于，所述方法为水热法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将反应物和去离子水，装入可封闭加热容器中，拌混合充分，并放入金属衬底；其中，所述反应物包括含硫族元素的单质或化合物、金属单质和催化剂；
(2)随后把封闭容器密封，加热反应；
(3)反应结束后，打开封闭容器取出金属衬底，并用去离子水反复清洗，获得可外延生长的超导单晶膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属衬底具有光滑的表面且不参与步骤(2)和(3)的水热反应。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属衬底选自单质衬底和/或合金衬底；
优选地，所述单质衬底选自以下一种或多种：铜、铝、铁、铌、银、金；
所述合金衬底选自以下一种或多种：哈氏合金、镁合金、铝合金、CuSe1-xSx、CuSe1-xTex、FeSe1-xSx、FeSe1-xTex、MoS、MoSe2、NbSe2、Nb3Se、NbTi、WTe2、Bi2Se3。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述含硫族元素的单质或化合物选自以下一种或多种：硫脲、硒脲、碲单质或化合物；和/或
所述催化剂为卤化物或碱；优选地，所述催化剂选自以下一种或多种：LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、LiF、NaF、KF、RbF、CsF。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含硫...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晓莉，刘少博，马晟，周放，赵忠贤，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11