在REBa2Cu3O7−δ块状超导磁体优异性能的可靠外延生长中，缓冲层辅助生长架构的进展 项目文献
Abstract
缓冲层技术(buffer layer)
缓冲层的独特功能总结为 阻止种子 和 主体颗粒之间的相互污染，通过种子/缓冲层结构增强种子的热稳定性，并作为更大的二次同种种子提高整体结晶度。他提出的策略为理解REBCO超导体的基本机制提供了宝贵的见解，并为REBCO超导体生长中的种子结构设计提供了工具，该策略具有可扩展性，并可扩展到更多功能性氧化物系统。
Introdunction
高温超导体（HTSs，high-temperature superconductors）制备成块体、线材和薄膜材料
顶部籽晶熔融生长法（TSMG或MG）
顶部籽晶渗透生长法（TSIG）
传统TSMG和TSIG工艺的示意图如图1所示。
TSMG
以YBCO为例，在TSMG中，前驱体颗粒由
和
(Y211)组成。
peritectic temperature（
，包晶温度）
当加热到至少比其包晶温度（Tp）高出30 K的最高加工温度（Tmax）时
TSIG
整个前驱体被分为上部的固体颗粒（仅包含Y211粉末）和下部的液体源颗粒（包含Y123和Y035粉末），在高温下，由液体源颗粒形成的 Y035 液体渗入 Y211 颗粒中。这引发了Y211固体与Y035液体之间的包晶反应，在缓慢冷却过程中形成Y123晶体。
尽管TSIG在显著减少样品收缩和提高堆积密度方面具有独特优势，但由于其独特的优点，TSMG技术得到了更广泛的应用。具体而言，TSMG 是一种方便且有效的单样本设置选择，同时也是批量生产中以 生长良好定向 和 大尺寸单域块体 的可靠工艺。因此，本综述将主要聚焦于 TSMG 技术。
对于TSMG技术，压坯表面的晶种在诱导外延成核方面起着至关重要的作用。（能够承受TSMG工艺中的最高处理温度（Tmax）以保持自身稳定；必须与REBCO晶体具有良好的晶格匹配以诱导外延生长）
在早期阶段，使用了两种播种方法，热播（hot-seeding）和冷播（cold-seeding）。
热播（hot-seeding）
Precursor pellet 前驱体压坯
对于热播种方法，如图2a所示的10−13，种子被放置在样品表面上，温度略高于Tp（籽晶放置于时）。
显然，这一过程不需要籽晶在Tmax下承受长时间的保持，特别适合于 通过使用相同物质作为籽晶来生长 高Tp 的NdBCO（或SmBCO）晶体。
复杂的炉体结构 和 籽晶操作以及较差的可重复性 限制了热籽晶方法的广泛应用。这种方法能最大程度地保护籽晶的完整性，从而生长出取向最精确、缺陷最少的高质量单晶。但其“操作窗口”非常窄，对温度控制的精度要求极高，稍有不当就可能导致籽晶熔化或反应不充分。
对比维度 | 热播 (Hot-Seeding) | 冷播 (Cold-Seeding) |
|---|---|---|
籽晶放置温度 | 高于包晶反应温度 (T<sub>p</sub> 以上) | 低于包晶反应温度 (T<sub>p</sub> 以下) |
核心意义 | 优先保证籽晶结构完整，为高质量外延生长提供理想模板。 | 简化操作、降低对籽晶的热冲击，利于规模化生产。 |
控制难度 | 高，需精密控制温度，防止籽晶熔化或失效。 | 中低，操作窗口更宽，容错性更好。 |
典型晶体质量 | 优，晶体取向更精确，单畴率高，缺陷相对少。 | 良，可能因温度波动或界面问题引入微缺陷。 |
产业化现状 | 高精度研发和小批量生产（如高性能磁体、量子器件）。 | 更适应大规模应用（如超导带材、感应加热设备）。 |
适用场景 | 对性能有极致要求的科研装置、高端医疗设备MRI的超导磁体等。 | 超导电缆、超导感应加热设备等需要成本控制和规模化的领域。 |
热播技术的关键在于时机。它是在样品被加热到高于包晶反应温度（T<sub>p</sub>） 之后，再冷却到略高于Tp的温度点时，才引入籽晶。
对于冷播方法。在加热前将种子放置在室温下的颗粒上，由于其更便捷的工艺而更受青睐，并且特别有利于批量生长。通常，Tmax应比前驱体的Tp高30 K，以确保起始颗粒能够完全熔化。通过应用冷籽晶法，具有高Tp的SmBCO和NdBCO晶体通常被用于生长低Tp的YBCO和GdBCO块状超导体，这是由于它们优异的晶格匹配和相似的晶体结构。
根据表1，很明显，REBCO氧化物的Tp和超导性能随着稀土元素半径的增加而提高。
这种现象引发了一个关键问题。LRE（轻稀土元素，如Nd和Sm）BCO超导体在实际应用中优于YBCO；然而，目前尚无适合的材料用于SmBCO和NdBCO晶体的生长籽晶。例如，可靠且可重复地生产高性能NdBCO块材（Tp = 1085 °C）仍然是一个挑战，因为在TSMG中，要使前驱体完全熔化，所需的Tmax需要比其Tp高40 K。
值得注意的是，剑桥小组报告称，Mg掺杂可以将Nd123的Tp提高20°C，并引入了一种Mg掺杂的NdBCO晶体作为通用种子材料，其在TSMG中可耐受高达1100°C的Tmax。这一发现惊人地打破了上述常规种子的限制。与通用种子平行，SJTU小组25报告了一种沉积在MgO基底上的新型YBCO薄膜种子，该种子在TSMG中意外地经受住了超过其Tp（接近40°C）的加热达1.5小时，并成功诱导了YBCO块体生长。这种高热稳定性事件与自然界中的一种非常规现象——固体过热相吻合，这意味着它可能成为制备高-Tp REBCO晶体的潜在种子材料。这种高热稳定性事件与自然界中的一种非常规现象——固体过热相吻合，这意味着它可能成为制备高-Tp REBCO晶体的潜在种子材料。此后，名古屋大学的研究人员成功使用SmBCO薄膜作为种子来制备Sm基和Gd基块体，这些块体在超过其Tp温度后仍保持稳定。26 此外，发现NdBCO/MgO薄膜在约1100°C的Tmax温度下具有YBCO、SmBCO和NdBCO晶体生长的过热上限。更重要的是，Xu等人揭示了通过在NdBCO薄膜和MgO基板之间引入YBCO缓冲层（即NdBCO/YBCO/MgO薄膜）所增强的过热效应，成功地制备了各种Tmax高达1120°C的REBCO（RE = Gd, Sm, Nd）块材。
c轴取向的YBCO/MgO薄膜的超热现象起源可以通过两个因素来解释。
首先，具有暴露a−b面的YBCO薄膜在所有晶面中具有最低的表面能，因此抑制了表面的熔融成核。具体而言，与其他表面相比，YBCO的（001）晶面具有更高的熔化成核势垒和更高的热稳定性。