CN101111906B - 超导薄膜材料、超导导线及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了超导薄膜材料(1)，其包括具有经过平滑处理的表面的第一超导薄膜(1a)和在经过该平滑处理的第一超导薄膜(1a)的表面上形成的第二超导薄膜(1b)。而且，提供了超导导线(10)，其包括基板(2)，形成在基板(2)上的中间层(3)，形成在中间层(3)上的超导层(4)，其中该超导层(4)由上述的超导薄膜材料(1)制成。而且，提供了制造超导薄膜材料(1)的方法和制造超导导线(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及超导薄膜材料、超导导线及其制造方法。具体地说，本发明涉及超导薄膜材料、超导导线，及其制造方法，其能够增强与膜厚度的增加有关的临界电流的增加量。
背景技术
自从发现高温超导体以来，全世界的研究所对超导导线的开发已经付出了很大的努力，旨在将它们应用于电力设备如电缆，故障限流器或磁体。
已知现有的超导导线的例子包括其中超导薄膜直接形成在基底上的超导导线(例如参见日本专利公开No.06-031604(专利文献1)，日本专利公开No.06-068727(专利文献2)以及日本专利公开No.06-068728(专利文献3))，以及其中超导薄膜形成在基底上，并有一中间层介于两者之间的超导导线(例如参见Fujino等人，“使用ISD方法的高温超导薄膜带的发展(Development of High-TemperatureSuperconducting Thin Film Tape Using the ISD Method)”，SEI TechnicalReview，1999年9月，155卷，第131-135页(非专利文献1))。
另外，在制造这样的超导导线的过程中，建议预先磨光基底表面，然后在基底的表面形成超导薄膜以获得高临界电流(例如参见专利文献1-3)。
专利文献1：日本专利公开No.06-031604
专利文献2：日本专利公开No.06-068727
专利文献3：日本专利公开No.06-068728
非专利文献1：Fujino等人，“使用ISD方法的高温超导薄膜带的发展(Development of High-Temperature Superconducting Thin FilmTape Using the ISD Method)”，SEI Technical Review，1999年9月，155卷，第131-135页
发明内容
技术问题
为在超导薄膜中获得高临界电流，超导薄膜的表面平滑度是个决定性的重要因素。然而，超导薄膜的表面平滑度随着超导薄膜厚度的增加而恶化。
因此，即使在制造更厚的超导薄膜以获得高临界电流的情况下，与膜厚度增加有关的临界电流的增加仍逐渐减弱，不能获得高临界电流。
因此，本发明的一个目的是提供超导薄膜材料，超导导线，及其制造方法，其能够增强与膜厚度增加有关的临界电流的增加量。
技术方案
本发明是超导薄膜材料，包括具有经过平滑处理的表面的第一超导薄膜，以及形成在经过平滑处理的第一超导薄膜的表面的第二超导薄膜。
在本发明的超导薄膜材料中，可以通过机械抛光和化学抛光中的至少一种来进行平滑处理。
另外，本发明是超导导线，包括基底、形成在基底上的中间层、以及形成在中间层上的超导层，其中超导层由上述超导薄膜材料制成。
在本发明的超导导线中，基底可以由基本金属(elemental metal)或合金制成。另外，在本发明的超导导线中，中间层可以由具有岩盐型、萤石型、钙钛矿型或烧绿石型晶体结构的氧化物制成。
而且，在发明的超导导线中，超导层可以由RE-123超导体制成。
另外，本发明是制造超导薄膜材料的方法，包括步骤：在第一超导薄膜的表面进行平滑处理；以及在经过平滑处理的第一超导薄膜的表面形成第二超导薄膜。
在本发明的超导薄膜材料的制造方法中，可以通过机械抛光和化学抛光中的至少一种来进行平滑处理。
另外，本发明是根据上述任意的制造超导导线的方法，包括步骤：在基底上形成中间层；在中间层上形成第一超导薄膜；在第一超导薄膜的表面进行平滑处理；以及在经过平滑处理的第一超导薄膜的表面形成第二超导薄膜。
发明效果
根据本发明，可以提供超导薄膜材料、超导导线及其制造方法，其能够增强与膜厚度增加有关的临界电流的增加量。
附图说明
图1示出的是本发明的超导薄膜材料的优选实施例的示意横截面图。
图2示出的是制造本发明的超导薄膜材料的方法的优选实施例的流程图。
图3示出的是本发明的超导导线的优选实施例的一部分的示意横截面图。
图4示出的是制造本发明的超导导线的方法的优选实施例的流程图。
图5示出的是在本发明的实施例中使用的设备的示意横截面图。
附图标记说明
1超导薄膜材料，1a第一超导薄膜，1b第二超导薄膜，2基板，3中间层，4超导层，5靶，6KrF激态分子激光束，7等离子体，10超导导线
具体实施方式
本发明是超导薄膜材料，包括具有经过平滑处理的表面的第一超导薄膜，以及形成在经过平滑处理的第一超导薄膜的表面的第二超导薄膜。
通常，使用例如脉冲激光沉积的方法，通过延长形成周期，一次性形成厚的超导薄膜材料。然而，由于超导薄膜以积聚的方式形成在平滑度差的表面，因此随着超导薄膜材料的薄膜厚度的增加，表面平滑度存在恶化的趋势。
因此，在本发明中，为了形成更厚的超导薄膜材料，在超导薄膜材料形成期间在第一超导薄膜的表面进行平滑处理，然后第二超导薄膜连续地形成在第一超导薄膜的经过平滑处理的表面，而不是一次性形成整个超导薄膜材料。因此，在本发明中，可以获得表面平滑度优异的超导薄膜材料，可以防止与膜厚度增加有关的临界电流的增加量的减慢，因此可以获得高临界电流。需要注意的是，在本发明中，还可以在第二超导薄膜的表面进行平滑处理，然后可以在其上形成另外的第三超导薄膜。可以重复在超导薄膜的表面进行这样的平滑处理并随后在经过平滑处理的超导薄膜表面形成另外的超导薄膜。
图1示出的是本发明的超导薄膜材料的优选实施例的示意横截面图。本发明的超导薄膜材料1包括形成在基底2上的第一超导薄膜1a，以及第二超导薄膜1b。构成本发明的超导薄膜材料1(构成第一超导薄膜1a和第二超导薄膜1b的材料)的材料并没有特别的限定，只要它具有超导性能即可，例如可以使用RE-123超导体。需要注意的是，RE-123超导体是用公式REBa2Cu3Ox表示的超导体，其中x是6-7，且RE代表稀土元素，例如钬、钆或钐，或钇。而且，作为构成基底2的材料，可以使用基本金属或合金，例如镍或镍合金。
图2示出的是制造本发明的超导薄膜材料的方法的优选实施例的流程图。首先，如S11中所示，在基板的表面形成第一超导薄膜。可以通过例如脉冲激光沉积的方法形成第一超导薄膜。
接着，如S12中所示，在基底表面上形成的第一超导薄膜的表面经受平滑处理。可以通过机械抛光和化学抛光的至少一种进行平滑处理，例如CMP(化学机械抛光)、湿法蚀刻或机械抛光。另外，优选地在第一超导薄膜的表面具有不超过10nm的表面粗糙度Ra(JISB0601)前进行平滑处理，更优选地是在其具有不超过6nm的表面粗糙度Ra前进行。
然后，如S13中所示，第二超导薄膜形成在第一超导薄膜的经过平滑处理的表面上。与第一超导薄膜类似，通过例如脉冲激光沉积的方法形成第二超导薄膜。
然后，如S14中所示，制造本发明的超导薄膜材料。需要注意的是，在上述制造方法中，第二超导薄膜的表面还可以被平滑处理，然后在第二超导薄膜的经过平滑处理的表面上形成另外的第三超导薄膜。在超导薄膜的表面进行这样的平滑处理和随后在超导薄膜的经过平滑处理的表面上形成另外的超导薄膜可以重复。
图3示出的是本发明的超导导线的优选实施例的一部分的示意横截面图。本发明的超导导线10包括基板2、形成在基板2上的中间层3以及在中间层3上形成的超导层4。
本发明的超导导线10的特点在于，通过使用上述的本发明的超导薄膜材料作为超导层4。具体地说，超导层4即使在其具有增加了的膜厚度时仍具有平滑表面，因此，在本发明的超导导线10中也能够获得高的临界电流，而没有引起与超导层4的膜厚度增加有关的临界电流的增加量的减慢。
另外，作为构成基底2的材料，如上述描述中那样，可以使用基本金属或合金，例如镍或镍合金。作为构成中间层3的材料，例如可以使用具有岩盐型、萤石型、钙钛矿型和烧绿石型晶体结构的其中一种的氧化物。具有上述晶体结构的氧化物的例子包括稀土元素的氧化物，例如YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)或CeO2(二氧化铈)、BZO(BaZrO3)、STO(SrTi O3)和Al2O3。另外，中间层3不仅可以由单层也可以由不同材料制成的多层形成。需要注意的是，在本发明的超导导线中，可以形成用来涂覆超导层的由例如银制成的涂覆层以保护超导层。
图4示出的是制造本发明的超导导线的方法的优选实施例的流程图。首先，如S21中所示，中间层形成在基板的表面上。可以通过例如脉冲激光沉积的方法形成中间层。
接着，如S22中所示，第一超导薄膜形成在中间层的表面上。可以通过例如脉冲激光沉积的方法形成第一超导薄膜。
然后，如S23中所示，在形成在中间层的表面上的第一超导薄膜的表面上进行平滑处理。可以通过机械抛光和化学抛光的至少一种进行平滑处理，例如上述的CMP(化学机械抛光)、湿法蚀刻或机械抛光。另外，平滑处理优选在第一超导薄膜的表面具有不超过10nm的表面粗糙度Ra(JIS B0601)前进行，更优选地是在其具有不超过6nm的表面粗糙度Ra前进行。
接着，如S24中所示，第二超导薄膜形成在第一超导薄膜的经过平滑处理的表面上。与第一超导薄膜类似，可以通过例如脉冲激光沉积的方法形成第二超导薄膜。
然后，如S25中所示，超导薄膜材料形成在中间层的表面上，因此制造了本发明的超导导线。需要注意的是，在上述的制造方法中，还可以在第二超导薄膜的表面进行平滑处理，然后在其上形成另外的第三超导薄膜。在超导薄膜的表面进行这样的平滑处理和随后在超导薄膜的经过平滑处理的表面上形成另外的超导薄膜可以重复。
实例
第一实例
首先，由镍合金制成的基板2被放置在装置中，在图5中示出了该装置的示意性横截面图，由氧化钇稳定的氧化锆制成的靶5也被设置在基板2的下面。此时，设置基板2和靶5使得基板2的表面和靶5的表面平行且彼此相对。然后，将基板2的表面和靶5的表面之间的距离设置为50mm。通过将氧化钇(Y2O3)加入到氧化锆(ZrO2)中制得氧化钇稳定的氧化锆，其中氧化钇占氧化锆质量的8％。
接着，将装置抽空。然后，将含有90％体积的氩气(Ar)和10％体积的氧气(O2)的混合气体注入该装置中，装置中的压力被设定为1×107托。
然后，将基板2加热到700℃的温度，然后用具有248nm波长和3.5J/cm2能量照度(energy illuminance)的KrF激态分子激光束6以脉冲的方式在40Hz循环频率下照射靶5的表面。然后，产生靶5的等离子体7以在基板2的表面形成由氧化钇稳定的氧化锆制成的且具有1μm厚度的中间层。
接着，靶5换成另一个由HoBa2Cu3Ox(RE-123超导体)制成的靶5，且再次将该装置抽空。然后，包含100％体积氧气的气体被注入该装置，装置中的压力被设定为2×108托。
然后，在基板2的温度被设定为650℃后，用具有248nm波长和3.5J/cm2能量照度的KrF激态分子激光束6以脉冲的方式在80Hz循环频率下照射靶5的表面。然后，产生靶5的等离子体7以在中间层的表面形成由RE-123超导体制成的且具有1μm膜厚度的第一超导薄膜。
以这种方式获得的超导导线被称为样品A，使用原子力显微镜(AFM)测量样品A的第一超导薄膜的表面粗糙度Ra，用四端点法测量其临界电流值Ic。表1示出了该结果。如表1所示，样品A的第一超导薄膜具有55nm的表面粗糙度Ra和110A/cm宽度的临界电流值Ic。
样品A的第一超导薄膜的表面经受平滑处理，使用CMP将其厚度抛光并被除去0.1μm(即，抛光和被除去后的第一超导薄膜具有0.9μm的膜厚度)。使用AFM测量经过平滑处理的第一超导薄膜的表面粗糙度Ra，获得的表面粗糙度Ra为6nm。
然后，经过上述平滑处理的样品A被放置在图5所示的装置中的基板2的位置，由RE-123超导体制成并具有1μm膜厚度的第二超导薄膜在与上述样品A中形成第一超导薄膜相同的条件下，形成在样品A的第一超导薄膜的经过平滑处理的表面上。然后，包括第一超导薄膜和第二超导薄膜的超导层形成在中间层上(超导层具有1.9μm的厚度)。
以这种方式获得的超导导线被称为样品B，用AFM测量样品B的超导层的表面粗糙度Ra，如样品A中那样，用四端点法测量其临界电流值Ic。表1示出了该结果。如表1所示，样品B具有6nm的表面粗糙度Ra和200A/cm宽度的临界电流值Ic。
第一比较实例
制备具有由氧化钇稳定的氧化锆制成的中间层和以该顺序在其上形成的、由二氧化铈制成的中间层的基板。然后，由RE-123超导体制成并具有2μm的膜厚度的超导薄膜形成在由二氧化铈制成的中间层的表面上。
以这种方式获得的超导导线被称为样品C，用AFM测量样品C的超导薄膜的表面粗糙度Ra，如样品A和B中那样，用四端点法测量其临界电流值Ic。表1示出了该结果。如表1所示，样品C具有80nm的表面粗糙度Ra和140A/cm宽度的临界电流值Ic。
[表1]
| 样品 | A | B | C |
| 超导薄膜表面经受平滑处理 | 否 | 是 | 否 |
| 超导薄膜的膜厚度(μm) | 1.0 | 1.9 | 2.0 |
| 表面粗糙度Ra(nm) | 55 | 6 | 80 |
| 临界电流值Ic(A/cm宽度) | 110 | 200 | 140 |
如表1所示，当在样品A和样品C之间进行比较时，两者都没有经过平滑处理，具有更大的超导薄膜的膜厚度的样品C具有更大的临界电流值Ic。然而，已经证实，其中第一超导薄膜的表面用CMP进行平滑处理，然后第二超导薄膜在其上形成的样品B具有比样品C更大的临界电流值Ic，即使其具有与样品C几乎相同的膜厚度。因此，证实了在本发明中，可以增强与膜厚度增加有关的临界电流的增加量。
应该理解，无论从哪一点看，上述公开的实施例和例子都只是用来示例而不是用来限制。本发明的范围由权利要求提出而不是由上述说明书提出，并且其旨在覆盖与权利要求等价的精神和范围内的所有改进。
工业实用性
本发明的超导薄膜材料和超导导线适合应用于电力设备如电缆，故障限流器或磁体中。
Claims (2)
1.一种超导导线(10)，包括：
基板(2)；
形成在所述基板(2)上的中间层(3)；以及
形成在所述中间层(3)上的超导层(4)，
其中所述基板(2)由镍合金制成，
其中所述中间层(3)由氧化钇稳定的氧化锆制成，
其中所述超导层(4)包括具有经过通过CMP进行的平滑处理的表面的第一超导薄膜(1a)和在经过所述平滑处理的第一超导薄膜(1a)的表面上形成的第二超导薄膜(1b)，
其中，所述第一超导薄膜(1a)的表面的表面粗糙度Ra(JIS B0601)不超过6nm，
其中，所述第一超导薄膜(1a)和所述第二超导薄膜(1b)是由公式HoBa2Cu3Ox表示的超导体，并且
其中，x是6至7。
2.一种制造超导导线(10)的方法，包括如下步骤：
在由镍合金制成的基板(2)上形成由氧化钇稳定的氧化锆制成的中间层(3)；
在所述中间层(3)上形成第一超导薄膜(1a)；
在所述第一超导薄膜(1a)的表面上通过CMP进行平滑处理；以及
在经过所述平滑处理的第一超导薄膜(1a)的表面上形成第二超导薄膜(1b)，
其中，进行所述平滑处理，以使所述第一超导薄膜(1a)的表面的表面粗糙度Ra(JIS B0601)不超过6nm，
其中，所述第一超导薄膜(1a)和所述第二超导薄膜(1b)是由公式HoBa2Cu3Ox表示的超导体，并且
其中，x是6至7。
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