CN102598155A - 超导线材用的带状基材及超导线材 - Google Patents
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Abstract
提供了一种超导线材，该超导线材由于更薄/更简单的中间层而降低了成本，并且没有使超导线材的性能(例如，临界电流特性)受到负面影响。提供的超导线材用的带状基材包括扩散防止层，该扩散防止层包括第4(4A)族元素的氧化物，并且形成在含有铁、镍或铬的基板上。具体地，所述扩散防止层包括TiO2、ZrO2或HfO2。
Description
技术领域
本发明涉及超导导线用的带状基材以及诸如超导线缆和超导磁体的超导设备用的超导导线，并且更具体地，涉及形成在金属基板上的中间层的构成。
背景技术
传统上，已知基于RE(RE：稀土元素)的超导体是一种在液氮温度(77K)或更高温度显示出超导电性的高温超导体。具体地，以化学式YBa2Cu3O7-y表述的基于铱的氧化物超导体(在下文中被称作Y基超导体或YBCO)是一个典型示例。需要注意的是，Y基超导体包括其中一部分铱被钆(Gd)等代替的超导体(例如，表述为(Y+Gd)BCO)。
通常，使用Y基超导体的超导线材(在下文中被称作Y基超导线材)具有层叠结构，其中，中间层(由Y基超导体形成的层(在下文中被称作Y基超导层))以及保护层按照上述次序形成在带状金属基板上。
这种Y基超导线材例如通过在低磁性无取向金属基板(例如，HASTELLOY(注册商标)，镍基耐热和耐蚀合金)上形成包括配向层的中间层并且利用PLD(脉冲激光沉积)方法、MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法等在该配向层上沉积Y基超导层而制造的。
已经知道，这样的高温超导线材的电压电流特性在很大程度上取决于超导体的晶体取向，特别取决于超导体的双轴取向。因此，为了获得具有高双轴取向的超导层，必须提高用作基底的中间层的结晶性。已经知道IBAD(离子束辅助沉积)方法是这样做的手段之一，按照该方法，通过在沉积表面处倾斜地照射辅助离子束的同时从沉积源中堆积沉积粒子来沉积配向层。
另一方面，为了获得超导线材的高电压电流特性，必须防止作为金属基板的组成元素的Fe、Ni、Cr等扩散到超导层。通常，在金属基板上形成由氧化铝(Al2O3)、GZO(Gd2Zr2O7)等形成的扩散防止层(例如，参见非专利文献1)。此外，已提出一种在金属基板与配向层之间形成由钇稳定氧化锆(YSZ)形成的层的技术，但是还不知该技术是否起到扩散防止层的作用(例如，参见专利文献1和2)。
图5是示出常规的超导线材用的带状基材的结构的视图。
如图5所示，当扩散防止层51由Al2O3构成时，中间层50由扩散防止层51、基础层(bed layer)52、配向层53以及覆盖层54构成。MgO容易与Al2O3反应且形成Mg-Al-O化合物(例如，MgAl2O4)，并且在形成了Mg-Al-O化合物时，MgO的配向层的形成受到了妨碍。相应地，在扩散防止层51与配向层53之间插入了由钇(Y2O3)等形成的基础层52。
此外，在配向层53上形成由二氧化铈(CeO2)等形成的覆盖层54，以便于保护由易于与空气反应的MgO形成的配向层53，并且增强与超导层(例如，YBCO)的晶格匹配。
需要注意的是：在扩散防止层51由GZO构成的情况下，不需要基础层52，但是膜厚度要大于由Al2O3形成扩散防止层51的情况下的膜厚度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表平11-503994号公报
专利文献2：日本特开平6-271393号公报
非专利文献
非专利文献1：“Continuous Fabrication of IBAD-MgO Based Coated Conductors”IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY，Vol.15，No.2，2005年6月
发明内容
本发明要解决的问题
如前所述，由于扩散防止层常规地由Al2O3或GZO构成，所以超导线材的生产率低下并且难以降低成本。更具体地，由于形成超导层时的温度高达800到900摄氏度，因此基板的组成元素通过中间层扩散到超导层成为了一个问题。但是，当扩散防止层由Al2O3构成时，需要具有80nm或更大的膜厚度，并且还需要形成基础层以便于有效防止基板的组成元素扩散。此外，当扩散防止层由GZO构成时，为了有效防止基板的组成元素扩散，需要具有100nm或更大的膜厚度，这比Al2O3的情况更厚。
本发明被实现以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种超导线材用的带状基材及超导导线，其因更薄/更简单的中间层而降低了成本，并且没有负面地影响超导线材的性能(例如，临界电流特性)。
解决问题的手段
权利要求1中描述的本发明是一种超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在含有铁(Fe)、镍(Ni)以及铬(Cr)中的任意一种的基板上形成有由第4(4A)族元素的氧化物构成的扩散防止层。
权利要求2中描述的本发明是根据权利要求1所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述扩散防止层的膜厚度是20nm或更大并且不超过70nm。
权利要求3中描述的本发明是根据权利要求2所述的用于超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述扩散防止层的膜厚度是20nm或更大并且不超过40nm。
权利要求4中描述的本发明是根据权利要求1至3中任一项所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述第4(4A)族元素的氧化物是TiO2、ZrO2及HfO2中的任意一种。
权利要求5中描述的本发明是根据权利要求1至4中任一项所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述第4(4A)族元素的氧化物的平均晶粒尺寸大于50nm。
权利要求6中描述的本发明是根据权利要求1至5中任一项所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在所述扩散防止层上形成有由Y2O3形成的基础层。
权利要求7中描述的本发明是根据权利要求1至5中任一项所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在所述扩散防止层上形成有配向层。
权利要求8中描述的本发明是根据权利要求6所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在所述基础层上形成有配向层。
权利要求9中描述的本发明是根据权利要求7或8所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在所述配向层上形成有覆盖层。
权利要求10中描述的本发明是一种超导线材，该超导线材的特征在于：在根据权利要求7至9中任一项所述的超导线材用的带状基材上形成有氧化物超导层。
本发明人发明了通过使用比常规使用的Al2O3和GZO具有更好的扩散防止机能的物质构成扩散防止层来减小扩散防止层的膜厚度以缩短扩散防止层的沉积时间的思想，并且寻求作为扩散防止层的最适合物质。
接着，发明人做出了如下假设：Ni等从金属基板扩散到氧化物中时的主扩散机制是空位机制，这是由于当阳离子在氧化物内缺失时生成空位而导致的，并且得出了以具有四价阳离子元素的氧化物形成扩散防止层的结论。
这里所考虑的情况是在含有Ni的金属基板上形成由铪(Hf)的氧化物(HfO2)形成的扩散防止层。根据上述假设，在扩散防止层由HfO2构成的情况下，在Hf4+变得缺失的情况下产生空位时(图6A)，Ni离子移动到空位中(图6B)。此时，由于Ni离子是二价或三价阳离子，因此需要在周围生成具有正电荷(例如，空穴)的物质，以便于维持电中性(图6C)。但是，这样做需要额外的能量，因而Ni难以扩散到HfO2中。
相反，在Al2O3或GZO内，Ni易于被将是二价或三价阳离子的元素所代替。
尽管这里说明了Ni离子与Hf4+之间的移动性，但是该移动性也适用于除了Ni离子之外的Fe离子(二价或三价阳离子)、Cr离子(三价阳离子)等以及除了变成四价阳离子的Hf之外的元素之间的移动性。
基于这一发现，对以具有变成四价阳离子的元素的氧化物形成扩散防止层进行了研究，并且用实验方法确认了在第4(4A)族元素的氧化物(所谓的钛族元素)的情况下，能够实现高机能的扩散防止层，并且在用作超导线材时确保了超导电性。
发明的效果
根据本发明超导线材用的带状基材，由于使用第4(4A)族元素的氧化物构成扩散防止层，因此能够实现更薄且更简单的中间层，并且没有负面地影响超导电性。此外，通过使用这种超导线材用的带状基材，能够实现超导线材的成本降低。
附图说明
图1是示出根据实施方式的超导线材的层叠结构的视图。
图2是示出根据实施方式超导线材用的带状基材的结构的视图。
图3是示出用于采用溅射方法或IBAD方法进行沉积的溅射系统的示例的视图。
图4是示出临界电流性能相对于扩散防止层的膜厚度的表。
图5是示出常规的超导线材用的带状基材的结构的视图。
图6A是示出HfO2内Ni的扩散机制的视图。
图6B是示出HfO2内Ni的扩散机制的视图。
图6C是示出HfO2内Ni的扩散机制的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细地说明本发明的实施方式。
图1和图2是示出根据本实施方式的超导线材的层叠结构的视图。
如图1所示，Y基超导线材1具有层叠结构，在所述层叠结构中，中间层20、超导层30、保护层40按照上述次序形成在带状金属基板10上。根据本发明，图1中的带状金属基板10和中间层20构成超导线材用的带状基材2。
在该实施方式中，金属基板10是低磁性的无取向金属基板并且可以含有铁(Fe)、镍(Ni)以及铬(Cr)中的任何一个。例如，HASTELLOY(哈氏合金)基板(其是耐热镍基和耐蚀合金)含有Fe、Ni及Cr中的全部。
如图2所示，中间层20被构建为具有扩散防止层21、基础层22、配向层23以及覆盖层24。
扩散防止层21是旨在防止金属基板10的组成元素(例如，Fe、Ni或Cr)扩散的层，并且例如通过使用溅射方法来沉积。在该实施方式中，扩散防止层21是由第4(4A)族元素的氧化物(例如，TiO2、ZrO2或HfO2)构成的。这与扩散防止层是由Al2O3或GZO形成的常规情况相比，这使得可以减小扩散防止层的膜厚度，从而能够极大地提高生产率。
优选地，扩散防止层21的膜厚度为20nm或更大且70nm或更小。如果膜厚度小于20nm，则不能有效防止金属基板10的组成元素的扩散；并且如果膜厚度大于70nm，则沉积时间变长，而沉积时间变长会造成生产率降低。此外，通过将膜厚度设置成40nm或更小，能够进一步提高生产率。
而且，优选地，扩散防止层21处于结晶状态。这里，结晶状态是第4(4A)族元素的氧化物的平均晶粒尺寸大于50nm的状态。当扩散防止层21是非晶态状态或微结晶状态(平均晶粒尺寸小于50nm的状态)时，易于发生晶界扩散(grain boundarydiffusion)等，这样会难以有效抑制Ni等的扩散。
基础层22是由Y2O3等形成的层，该基础层旨在抑制因与扩散防止层21反应而引起的对配向层23的双轴取向的干扰，并且例如通过使用溅射方法来沉积。配向层23是由MgO形成的多晶硅薄膜，以便于在一定方向上对超导层30的晶体进行配向，并且配线层23通过使用IBAD方法来沉积。覆盖层24由CeO2等形成以便于保护配向层23以及改善与超导层30的晶格匹配，并且例如通过使用溅射方法来沉积。
需要注意的是，当扩散防止层21由第4(4A)族元素的氧化物构成时，可以省略图2中的基础层22。
超导层30是由Y基超导体形成的Y基超导层，并且例如通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法来沉积。在超导层30的上表面上，例如通过溅射方法沉积由银形成的保护层40。
图3是示出被用于以溅射方法或IBAD方法进行沉积的溅射系统的示例的视图。如图3所示，溅射系统100被构成为包括溅射离子源101、辅助离子源102、靶(沉积源)103以及基材传送部104。溅射系统100容纳在真空容器(未示出)中，并且被配置为在真空中在沉积表面DA上堆积沉积粒子。此外，溅射系统100具有未示出的加热器并且被配置为将沉积表面DA加热到期望温度。
当沉积扩散防止层21时，带状金属基板10充当基材110，而在沉积配向层23时，形成在金属基板10上的扩散防止层21和基础层22充当基材110。基材110由基材传送部104传送到溅射系统中。
溅射离子源101和辅助离子源102分别设置有加速并发射由离子生成器生成的离子的离子枪，并且它们被配置为将期望的离子照射到靶103或沉积表面DA。
对于靶103，使用与目标的扩散防止层21、基础层22或配向层23相同或相似的合成物。另选地，可以使用组成扩散防止层21、基础层22或配向层23的金属元素作为靶，并且可以通过与氧反应来沉积扩散防止层21、基础层22或配向层23。
这里，例如使用Ar+i离子作为溅射离子和辅助离子的离子种。除了Ar+i离子之外，还可以使用诸如氦(He)、氖(Ne)、氙(Xe)以及氪(Kr)的稀有气体离子或者这些稀有气体离子与氧离子的混合离子。
在使用溅射系统100进行沉积的过程中，首先，使真空容器的内部成为真空以具有降低的大气压，并且接着将Ar气体引入其中。此后，通过启动高频电源，从溅射离子源101向着靶103照射离子束。接着，对靶103的组成粒子进行溅射并且使靶103的组成粒子飞溅到相对的基材110的沉积表面DA上。在给定时间段内，飞溅来的粒子(沉积的粒子)堆积在沉积表面DA上，从而形成薄膜。此时，采用IBAD方法，在倾斜方向(例如，相对于沉积表面DA的法线方向呈45度)上使用辅助离子源102向基材110的沉积表面DA照射辅助离子束。接着，对形成在基材110的沉积表面DA上的多晶硅薄膜的a轴和b轴进行配向，从而形成配向层。通过在使用基材传送部104移动基材110的同时进行沉积，可以在长的基材110上均匀地形成薄膜。
这里描述的是使用离子束溅射方法进行沉积的一个示例，但是，还可以使用其它溅射方法(例如，高频溅射方法)。在使用高频溅射方法的溅射系统的情况下，辅助离子源102是唯一的离子源，并且不提供溅射离子源101。
[实施例1]
在实施例1中，使用带状哈氏合金基板10作为金属基板10。通过机械抛光或磁力抛光对哈氏合金基板10进行表面抛光，使得哈氏合金基板10的表面平坦性Ra变成2nm。此时，金属基板10的表面平坦性Ra优选为5nm或更小，更优选为2nm或更小。
接着，在经过表面抛光的哈氏合金基板10上，在20摄氏度采用溅射方法沉积由Ti02形成的扩散防止层21。扩散防止层21形成为具有15nm、20nm、30nm、40nm、60nm、70nm以及80nm的膜厚度。
在扩散防止层21上，通过在20摄氏度使用溅射方法，将由Y2O3形成的基础层22沉积为具有5nm的厚度。此后，在该基础层22上，在室温把由MgO形成的配向层(IBAD-MgO层)23沉积为
在配向层23上，通过在700摄氏度使用溅射方法，将由CeO2形成的覆盖层24沉积为具有500nm的厚度。在覆盖层24上，通过在860摄氏度使用MOCVD方法，将由YBCO形成的超导层30沉积为具有1μm的厚度。在该Y基超导层30上，沉积由Ag形成的保护层40。接着，在500摄氏度氧环境中进行氧退火，并且制造出根据实施例1的超导线材1。
[实施例2]
实施例2与实施例1的超导线材1的不同之处在于没有形成基础层22。扩散防止层21的膜厚度、以及配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40的结构和膜厚度与实施例1中的结构和膜厚度相似。
因而，在实施例2中，在与实施例1相似地对带状哈氏合金基板10进行表面抛光之后，在20摄氏度采用溅射方法形成由TiO2形成的扩散防止层21。接着，在扩散防止层21上沉积配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40，之后进行氧退火，从而制造出根据实施例2的超导线材1。
[实施例3]
实施例3与实施例1的超导线材1的不同之处在于扩散防止层21由ZrO2形成。扩散防止层21的膜厚度、以及基础层22、配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40的结构和膜厚度与实施例1中的结构和膜厚度相似。
因而，在实施例3中，在与实施例1相似地对带状哈氏合金基板10进行表面抛光之后，在20摄氏度采用溅射方法形成由ZrO2形成的扩散防止层21。接着，在扩散防止层21上沉积基础层22、配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40，之后进行氧退火，从而制造出根据实施例3的超导线材1。
[实施例4]
实施例4与实施例1的超导线材1的不同之处在于扩散防止层21由HfO2形成。扩散防止层21的膜厚度、以及基础层22、配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40的结构和膜厚度与实施例1中的结构和膜厚度相似。
因而，在实施例4中，在与实施例1相似地对带状哈氏合金基板10进行表面抛光之后，在20摄氏度采用溅射方法形成由HfO2形成的扩散防止层21。接着，在扩散防止层21上沉积基础层22、配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40，之后进行氧退火，从而制造出根据实施例4的超导线材1。
[比较例]
比较例与实施例1的超导线材1的不同之处在于扩散防止层21由Al2O3形成。扩散防止层21的膜厚度、以及基础层22、配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40的结构和膜厚度与实施例1中的结构和膜厚度相似。
因而，在该比较例中，在与实施例1相似地对带状哈氏合金基板10进行表面抛光之后，在20摄氏度采用溅射方法形成由Al2O3形成的扩散防止层21。接着，在扩散防止层21上沉积基础层22、配向层23、覆盖层24、超导层30以及保护层40，之后进行氧退火，从而制造出根据比较例的超导线材1。
对于实施例1至实施例4以及比较例中形成的超导线材1，确认了金属基板10的组成元素(Fe、Ni或Cr)扩散到中间层20中的扩散状态。更具体地，通过在深度方向(超导线材1的厚度方向)上使用SIMS(次级离子质谱法)进行元素分析，基于超导层30内的距超导层30的最顶层表面900nm的点处(换言之，在厚度方向上与中间层20的最顶层表面相距大约100nm的点处)对金属基板10的组成元素(Fe、Ni或Cr)的检测状态进行确认。
接着，根据所获得的检测结果，通过在金属基板10(Fe、Ni或Cr)的组成元素的检测值比Ba(钡)的检测值大1/1000时将金属基板10的组成元素的检测值评定为“X(X标记)”，并且在金属基板10的组成元素的检测值比Ba(钡)的检测值大1/5000或更大但不大于1/1000时将金属基板10的组成元素的检测值评定为“△(三角形)”，并且在金属基板10的组成元素的检测值比Ba(钡)的检测值小1/5000时将金属基板10的组成元素的检测值评定为“○(圆形)”，对金属基板10的组成元素扩散到超导层30中的扩散状态做出了评估。这里，选择了超导层30的组成元素中没有被包含在其他组成层(金属基板10和中间层20)中的元素(Ba)作为标准检测值的元素。
此外，对于在实施例1至实施例4以及比较例中制造出的超导线材1，使用电压定义为1μV/cm的四端法在液氮中测量临界电流。接着，通过在临界电流值是50A或更小时将其评定为“X(X标记)”，在临界电流值是超过50A但不超过200A时将其评定为“△(三角形)”，并且在临界电流值超过200A时将其评定为“○(圆形)”，评估了临界电流特性(Ic特性)。
在图4中示出了上述评估的结果。如图4所示，在实施例1至实施例4的超导线材1中，即使扩散防止层21的膜厚度是80nm或更小，并且特别地，即使膜厚度薄至30nm，金属基板10(Fe、Ni或Cr)的组成元素也几乎不会扩散到超导层30中，因此可以发现，到超导层30中的扩散没有发生。
此外，关于临界电流特性，在实施例1到实施例4中，当扩散防止层21的膜厚度在20nm到80nm之间时，获得了高的临界电流值。Ic特性在膜厚度是15nm时下降的原因是因为膜厚度太薄以至于不能有效地抑制来自金属基板10的Fe、Ni或Cr的扩散以及Fe、Ni或Cr在中间层20侧的超导层30中的扩散的扩大(例如，与中间层20的最顶层表面相距150nm至300nm的超导层30)。
尽管在扩散防止层21的膜厚度是80nm时获得了好的Ic特性，但是膜厚度变成了生产率降低的一个因素，因而期望扩散防止层的膜厚度在20nm到70nm之间，并且更优选地在20nm到40nm之间。
显然，根据实施例2，当扩散防止层21是使用TiO2制成时，能够在不形成基础层22的情况下确保需要的超导电性。这表示，通过以TiO2来构成扩散防止层21，能够提供可以省略基础层22的次生效应。
需要注意的是：在实施例3和实施例4中描述了通过使用ZrO2和HfO2作为第4(4A)族元素的氧化物的例子来构成扩散防止层21并且还形成了基础层22的情况，但是，也可以确认，与实施例1和实施例2之间的关系相似，在不形成基础层22的情况下也能够确保需要的超导电性。
在比较例的超导线材1中，确认金属基板10(Fe、Ni或Cr)的组成元素超过了中间层20而扩散到超导层30中。特别是，当扩散防止层21的膜厚度是40nm或更小时，即使在超导层30的最顶层表面附近也检测到金属基板10(Fe、Ni或Cr)的组成元素。
此外，关于临界电流特性，尽管在扩散防止层21的膜厚度是80nm的情况下获得了高的临界电流值，但是在扩散防止层21的膜厚度是70nm或更小的情况下，临界电流值200A。这显示出在比较示例的超导线材1中，在扩散防止层21的膜厚度是70nm或更小的情况下，Ic特性劣化。这是可以设想到的，因为由Al2O3形成的扩散防止层21不能有效地抑制来自金属基板10的Fe、Ni或Cr的扩散以及Fe、Ni或Cr在中间层20侧的超导层30内的扩散的扩大(与中间层20的最顶层表面相距大约150nm至300nm的超导层30)。
因此，可以说，Al2O3的扩散防止功能机能低于第4(4A)族元素的氧化物(TiO2、ZrO2或HfO2)的扩散防止机能。换言之，通过如在实施例1至实施例4中那样以第4(4A)族元素的氧化物(TiO2、ZrO2或HfO2)来构成扩散防止层21，即使膜厚度小也足以完成扩散防止机能，因而能够减小扩散防止层21的膜厚度。
需要注意的是：在实施例1到实施例4中，由于在形成由CeO2形成的覆盖层24时给予了扩散防止层21在700摄氏度的热史，因此扩散防止层21变成了结晶状态。因此，当在最有可能发生扩散的860摄氏度形成超导层的同时经历热史时，能够有效抑制金属基板10的组成元素(Fe、Ni或Cr)的扩散。
如到目前为止所描述的，根据超导线材用的带状基材2，根据实施方式，由于扩散防止层21由第4(4A)族元素的氧化物构成，因此能够实现更薄/更简单的中间层20。此外，根据使用超导线材用的带状基材2的超导线材1，能够实现显著的成本降低。
尽管上面已经基于实施方式具体说明了由本发明人实现的发明，但是本发明将不受前述实施方式的限制，并且可以在不脱离本发明的主旨的情况下做出改变。
例如，对于金属基板10，可以应用除了哈氏合金之外的无取向金属基板，诸如SUS 304。
应当理解的是，本文公开的实施方式在各个方面都是以示例方式示出的而不是限制性的。本发明的范围不是由前述描述来表示，而是由权利要求的范围来表示，并且旨在将权利要求的范围的等同含义以及该范围内所有变化都包含在权利要求的范围内。
附图标记描述
10：金属基板(哈氏合金)
20：中间层
21：扩散防止层(TiO2、ZrO2、HfO2)
22：基础层(Y2O3)
23：配向层(IBAD-MgO)
24：覆盖层(CeO2)
30：超导层(YBCO)
40：保护层
Claims (10)
1.一种超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在含有铁(Fe)、镍(Ni)以及铬(Cr)中的任意一种的基板上形成有由第4(4A)族元素的氧化物构成的扩散防止层。
2.根据权利要求1所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述扩散防止层的膜厚度是20nm或更大并且不超过70nm。
3.根据权利要求2所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述扩散防止层的膜厚度是20nm或更大并且不超过40nm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述第4(4A)族元素的氧化物是TiO2、ZrO2及HfO2中的任意一种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：所述第4(4A)族元素的氧化物的平均晶粒尺寸大于50nm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在所述扩散防止层上形成有由Y2O3形成的基础层。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的超导线材用的所述带状基材，该带状基材的特征在于：在所述扩散防止层上形成有配向层。
8.根据权利要求6所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在所述基础层上形成有配向层。
9.根据权利要求7或8所述的超导线材用的带状基材，该带状基材的特征在于：在所述配向层上形成有覆盖层。
10.一种超导线材，该超导线材的特征在于：在根据权利要求7至9中任一项所述的超导线材用的带状基材上形成有氧化物超导层。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05250931A (ja) * | 1992-03-02 | 1993-09-28 | Fujikura Ltd | 酸化物超電導導体 |
| US20070149410A1 (en) * | 2005-12-28 | 2007-06-28 | Superpower, Inc. | Anti-epitaxial film in a superconducting article and related articles, devices and systems |
| CN101652505A (zh) * | 2007-03-29 | 2010-02-17 | 株式会社藤仓 | 多晶薄膜和其制造方法及氧化物超导导体 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0578124A (ja) * | 1991-02-27 | 1993-03-30 | Nisshin Steel Co Ltd | 超伝導体膜被覆物の製造方法 |
| JP3447077B2 (ja) | 1993-03-19 | 2003-09-16 | 株式会社フジクラ | 薄膜積層体と酸化物超電導導体およびそれらの製造方法 |
| US6716795B2 (en) * | 1999-09-27 | 2004-04-06 | Ut-Battelle, Llc | Buffer architecture for biaxially textured structures and method of fabricating same |
| US5741377A (en) * | 1995-04-10 | 1998-04-21 | Martin Marietta Energy Systems, Inc. | Structures having enhanced biaxial texture and method of fabricating same |
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| US6270908B1 (en) * | 1997-09-02 | 2001-08-07 | Ut-Battelle, Llc | Rare earth zirconium oxide buffer layers on metal substrates |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05250931A (ja) * | 1992-03-02 | 1993-09-28 | Fujikura Ltd | 酸化物超電導導体 |
| US20070149410A1 (en) * | 2005-12-28 | 2007-06-28 | Superpower, Inc. | Anti-epitaxial film in a superconducting article and related articles, devices and systems |
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