CN103069596A - 具有高临界安培容量的高温超导带材导体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有柔性金属基材的高温超导带材导体，所述高温超导带材导体包含至少一个布置于柔性金属基材上的中间层，所述中间层在与柔性金属基材相反的一侧包含多个梯台，其中所述梯台的平均宽度小于1μm且所述梯台的平均高度大于20nm，以及包含至少一个布置于中间层上的高温超导层，所述高温超导层布置于至少一个中间层上且包含大于3μm的层厚度。与导体宽度相关的所述高温超导带材导体的安培容量在77K下大于600A/cm。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导带材导体。
现有技术
在下文中，超导导体构造被称为高温超导带材导体(HTS带材导体)或也简称为基于柔性金属基材箔的带材导体，在所述金属基材箔上至少一个HTS层叠加于一个或多个中间层上。所述一个或多个中间层(也称为缓冲层)可例如作为扩散阻挡层或可以提供晶体取向并且可以起到HTS层的外延支撑物的作用。
在电学技术和能源技术中，HTS带材导体为制造电线、缆线或回路或线圈的一种常见的导体材料。用于质量评估和表示HTS带材导体性能的特征参数是在无显著电阻时导体能够传输电流所达到的临界安培容量。由整个导体横截面传输的高的技术上的电流密度(即电流)在文中指的是能够在非常小的空间(横截面)上传输的非常高的电流和功率。
电流密度越高，就能够设计更紧凑的电力系统，如缆线、电动机、线圈等。此外，在交流电应用中，在超导体中产生的低的交流电流损耗强烈地依赖于商I/Ic，即传输电流I比临界电流Ic(Supercond.Sei.Technol.22(2009)055014；Physica C445-448(2006)712)。因此，对于相同的传输电流负载，Ic的倍增使得交流电流损耗降低约一个数量级。并且，HTS带材导体的价格通常与其性能相关，且以欧元每千安培-米的
表示。由于仅由HTS层提供安培容量，该层的改善导致与性能相关的制造成本的降低，因为其他制造步骤(基材、中间层等)的成本保持不变。因此，在制造应用优化的HTS带材导体中，临界传输电流的改善是一个关键目标。
一个直接明显的措施将是HTS层厚度的增加，以使有效的HTS导体横截面增加并因此安培容量随着层厚度线性增加。但在实践中观察到，当额外层厚度不导致任何进一步的安培容量增加时，HTS层的比安培容量随着层厚度增加至某点而减少。因此所述额外层厚度仅仅是对电流传输没有任何贡献的无作用材料。因此，定性地说，高数值的HTS层厚度目前限制到小于3-5μm的厚度。
高温超导体(HTS)为氧化物陶瓷超导体，其中CuO2-层在结晶结构中是核心要素。该类材料的通常代表是具有化学分子式RBa2Cu3O7的化合物(下面简称为RBCO)，其中R代表选自稀土(例如Dy、Gd、Ho等)的组的元素或代表钇(Y)。
高温超导体的一个显著特点是其强烈的晶体各向异性。在晶体中CuO2-面由所谓的a-b-轴限定，而与之垂直的方向被称为c-轴。晶体各向异性几乎影响HTS的所有物理特征和电学特性，如超导安培容量，沿限定方向上的扩散系数和晶体生长速度等等。
当通过物理方法或化学方法将HTSs作为薄层沉积于基材上时，它们由许多单个晶体或晶粒组成。当它们的晶体取向彼此变化大时，大角度的晶粒边界妨碍了超导电流流动，因此，临界安培容量比单个晶粒的固有安培容量低几个数量级。因此，在具有高安培容量的HTS带材导体中晶粒必须在一定角度的变化范围内相互排列。
因此，用常规的涂布技术，制造出双轴(b-轴)织构的HTS层，其中a-b-轴以相对于与基材表面平行的底层固定的关系排列，并且c轴与之垂直。它就是所说的层的c-轴取向。通常，通过外延工艺的手段在宏观(微观)长度尺度上也实现了这种排列，外延工艺表示合适的底层定义晶体HTS层的生长方向。合适的底层为例如蓝宝石、MgO、LaAlO3等的单晶片，其中其晶体对称性和晶格常数与HTS层相适应。一些金属也能够通过机械变形和除去进行预处理，由此产生薄金属片，该薄金属片具有彼此适当排列的晶粒。这是被称为RABiTS方法(US5964966)的现有技术。
US2008/0113869A1公开了超导元件，其包含基材，其中基材是无纹理的且包含镍基合金，所述镍基合金主要包含镍和不少于20重量-％的合金元素，并且其中基材基本上没有钼和锰。此外，超导元件包含布置于基材上的缓冲层和附于缓冲层上的高温超导层(HTS)。
但是，许多金属和合金中的晶体无法以这样简单的方法对齐。在这些情况下，选择方法，以便通过合适的工艺控制对齐直接沉积于金属基材上或与中间层一起沉积于金属基材上的缓冲层，从而为进一步的层提供外延适用支撑物。另外，这样做还可以得到双轴取向HTS层的生长。在技术上，一般使用两种PVD(物理气相沉积)方法：“离子束辅助沉积”(IBAD)或“倾斜基材沉积”(ISD)。在IBAD方法中，在沉积期间额外地指向层的离子实现所期望的取向(EP0872579，US5432151)，并且与此相反，在ISD-方法中，通过生长选择来生成取向，此时基材逆着到达涂层材料的到达方向倾斜(EP0909340，EP0669411)。
申请人的DE19754475A1公开了具有依此次序的非晶或多晶基材、纹理化的缓冲层和取向的薄层的涂层材料，其中在缓冲层和薄层之间封闭有至少一个覆盖层。利用所述至少一个覆盖层，实现了补偿在缓冲层中的(由制造产生的)间隙和不平整性，从而根据为其外延生长所提供的表面，取向的氧化物薄膜包含高品质。
对于完美的外延，在HTS层中的临界电流密度应该完全独立于层厚度，并年能够通过增加HTS层的厚度来简单地实现高传输电流。但是在实践中观察到，随着层厚度的增加，临界电流密度强烈衰退，从而到现在为止，仅仅成功实现了在大于3-5μm的厚HTS层中传输电流的显著增加。在下文中简要地解释这种强的层厚度依赖性的一些可能的主要原因。
在基材和HTS层之间的热膨胀系数不同可能导致通常在＞650℃的高温下沉积的HTS层在冷却期间受到应力作用。最常见的氧化物基材材料例如蓝宝石、LaAlO3、YSZ(钇稳定的氧化锆)以及还有硅，包含比HTS层明显更小的热膨胀系数，从而HTS层存在拉伸应力。从特定的层厚度开始，该拉伸应力通过裂纹释放，其中临界电流衰退约几个数量级或不再有连续超导电流路径通过该层(W.Prusseit et al.，Physica C201，(1992)，249-256)。
从文献中已知通过在HTS层中引入一定的孔隙率来解决此问题的方法。多孔生长允许层以更好的方式吸收应力或通过孔来停止裂纹的扩展。在蓝宝石上，例如YBa2Cu3O7的临界层厚度达到约300-400nm。例如通过膜中钇多余(K.Develos-Bagarinao，H. Yamazaki，in：YBCO SuperconductorResearch Progress，Ed.：Li-Chun Liang，S53-92，Nova Science Publ.(2008)，ISBN：978-1-60456-083-1)或通过在以与完美的外延取向有某种程度偏差来切割或抛光的基材上的外延生长(Appl.Phys.Lett.86(19)(2005)192507，IEEE Trans.Appl.Supercond.17，(2007)，3459-3462)，来实现孔隙率。后者意味着晶轴(c-轴)通常与基材垂线偏离约1°-6°。这样做可以在蓝宝石上制造厚度达1μm的无裂纹的YBa2Cu3O7-层。但是孔隙度也导致电流密度的损耗，从而在扣除后仅观察到传输电流的改善。
在金属基材上，热膨胀的影响通常不重要，因为金属的热膨胀系数比HTS层的热膨胀系数更高，从而HTS层只存在压缩应力且无裂纹生成出现。因此，在带材导体的HTS层中，原则上甚至能够实现几微米的层厚度。但这里也观察到临界电流密度对层厚度的强依赖性(Appl.Phys.Lett.75，(1999)，3692-3694)。
这些依赖性的特性和原因常常基于制造方法。实事上层的外延生长是不完美的，而是出现生长缺陷，例如错取向(disoriented)的晶粒(主要为a-轴-晶粒)或杂质相。当它们一旦生成，在进一步层生长中它们将不再消失。此外，它们在层中积累或生长到一定的程度，从而使它们有效地阻碍电流流动。在RBCO中，常常观察到a-轴-取向的晶粒的生长，因为在c-方向上的晶格参数一般恰好是a-轴晶格参数的3倍，并且两个方向上满足相当类似的外延条件。由于在HTS中晶体生长速度也高度各向异性，并年在a-方向上的晶体比c-方向上的晶体生长快得多，所以在层中可以作为嵌入的针头或小片观察到这些晶粒，这些晶粒像墙壁一样阻碍电流流动。随着层厚度以恒定的成核速率生长，生成越来越多这样的晶粒，其由于其纵向生长而最终构成而彼此垂直的墙网。因此，进一步的层生长只导致接近表面的死层，其对传输电流无任何贡献。
当想通过增加HTS层的厚度来实现更高的电流时，抑制这些缺陷或严格限制它们的快速生长因此是非常重要的。对此，在现有技术中只有两种成功的方法是已知的。一方面，业已尝试通过由YBa2Cu3O7(500nm)和CeO2(30nm)组成的双层的周期性序列，由薄CeO2-中间层来生长超过在HTS层中生成的缺陷或弥补在HTS层中生成的缺陷，从而为随后的层提供尽可能完美的支撑物(Appl.Phys.Lett.87(2005)，162505)。使用这些方法，能够制造具有HTS多层的带材导体片，其包含3.5μm的厚度和(75K下)1400A/cm的临界安培容量。但两组分的交替沉积造成复杂的生产技术方法并导致不期望的成本因素。
另一方面，在带涂布中人们尝试通过特别均匀的空腔辐射加热器来保持HTS涂布中温度尽可能恒定，并通过这种措施来提供生产的理想条件。通过这种安排，能够沉积厚度达6μm且约1000A/cm(75K下)的GdBCO层。但是这种加热器概念的使用被限制于其中使用PLD-涂布工艺(PLD：脉冲激光沉积)，因为这种工艺只需要在加热器的壁上的相对小的涂层开口。然而，PLD工艺是相当昂贵的实验室技术并且似乎不适合大规模、有成本效益的带材导体制造。
厚HTS层的另一个普遍问题是其充足的氧负载。在层制造中＞650℃的高温下最初生成半导体正方晶系的RBa2Cu3O6相。直到在氧气中冷却，作为结构相变的结果，才在单元晶胞中包含进七分之一个的氧原子，这导致超导斜方晶系的RBa2Cu3O7-δ，其中小的氧缺少δ＜0.15对安培容量无任何负面影响并因此可以被接受。但在氧气中冷却期间，对层在直到支撑物的整个厚度上负载充足的氧气是重要的。因此，在HTS层中氧扩散也是高度各向异性的。因此，例如在YBCO中，在c-方向上的扩散系数Dc比ab-方向上的扩散系数Dab小最多4至5个数量级(J.Appl.Phys.69(1991)，7189-7201)。然而，甚至完美的c-轴-取向的HTS层也遍布垂直于表面的生长所引起的晶粒边界，在最终负载氧气时，在c-方向上慢的扩散速度对处理时间是非常重要的。当对厚膜不显著增加负载时间时，HTS层的较深区域不会负载充足的氧，因此不能用于电流传输。较厚层的完全负载可能需要非常长的处理时间，这在生产中限制了每条生产线的吞吐量。
因此，本发明的问题是提供具有高安培容量的HTS带材导体，其能够避免至少部分上面讨论的缺点。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，通过如权利要求1所述的HTS带材导体解决该问题。在一个实施例方式，具有柔性金属基材的高温超导带材导体包含：至少一个布置于柔性金属基材上的中间层，其在与柔性金属基材相反的一侧包含多个梯台(terraces)，其中所述梯台的平均宽度小于1μm年所述梯台的平均高度大于20nm；以及至少一个布置于中间层上的高温超导层，其布置于至少一个中间层上且包含大于3μm的层厚度，并且其中与高温超导带材导体的导体宽度相关的安培容量在77K下高于600A/cm。
所定义的HTS带材导体甚至对高的层厚度也能够运输非常高的传输电流。它是这样实现的：在根据本发明的HTS带材导体的制造过程中，控制HTS层的生长模式，由此对于增加层厚度而临界电流密度衰退的上述原因中最重要的原因被抑制。具体地，梯台状HTS生长模式阻碍了包裹在超导a-b-面中的缺陷过度生长。业已证明当HTS层的a-b-面包含相对于基材表面的倾斜角度时，这是特别有利的。在所实现的电流密度方面，层的梯台生长允许HTS层厚度增加至大于3μm而无需不得不接受显著的性能损失。这样做，较之现有技术，HTS带材导体的安培容量能够显著增大。梯台也可称为小平面，即表示中间层的平面(除了就HTS层的外延层生长而言可以忽略不计的偏差之外)表面。
在另一方面，所述高温超导层包含5μm至10μm的层厚度。
根据另一方面，所述至少一个中间层的梯台的平均高度包含50nm至200nm的范围。
在另一方面，所述梯台的最大平均高度不超过所述高温超导层的层厚度的20％。
在另外一方面，所述至少一个中间层的梯台的平均宽度小于400nm。
根据另一方面，所述金属基材包含由Hastelloy制成的厚度最高达200μm的片材。
在另一有利的方面，所述至少一个中间层包含具有1.5μm至3.5μm厚度的氧化镁层。
根据另一方面，所述高温超导层包含RBa2Cu3O7-层，其中R为选自由元素镝(Dy)、钆(Gd)、钬(Ho)和钇(Y)组成的组的一种元素，具体为由DyBa2Cu3O7组成的高温超导层。
在另外一方面，所述梯台的所述表面基本平行于金属基材面。
根据另一方面，所述至少一个中间层的所述梯台通过各向异性刻蚀制造。
附图说明
在下面的详细说明中，参考附图来描述了本发明目前优选的实施例，其中示出了：
图1具有0.8μm厚度的YBCO-层的临界电流密度以MgO基材的倾斜角为函数的变化过程，并示出了基材中结晶取向与HTS层的关系；
图2在具有不同倾斜角的MgO基材上不同厚度的YBCO层的临界电流密度；
图3采用ISD方法制造的阶梯式、倾斜的MgO表面的电子显微镜照片；
图4与具有倾斜的晶轴的结晶支撑物表面垂直的横截面示意图，A)成角度切割并抛光的单个晶体，B)采用ISD方法制造的层，其中c-轴方向和梯台表面的垂线方向都与基材垂线方向偏差约β角；
图5在平整支撑物(A)上和在阶梯式支撑物(B)上在c-轴-取向的HTS层中a-轴-取向的晶粒的生长的示意性横截面；
图6示意性横截面，其中在平整支撑物(A)上和在阶梯式支撑物(B)上的在c-轴-取向的HTS层中杂质相的生长和包裹；
图7在HTS带材导体的ISD-MgO-层上DyBCO-层的横截面的电子显微镜照片；
图8具有ISD-MgO-缓冲层的带材导体中不同厚度的DyBCO-层的安培容量；
图9示出了在无晶体倾斜的阶梯式支撑物上在c-轴-取向的HTS层中杂质相和a-轴-晶粒的生长和包裹的示意性横截面。
优选的实施方式的详细说明
在下文中，首先解释术语“临界电流”并随后更详细地解释根据本发明的HTS带材导体的目前优选的实施方式。
超导体能够传输直流电达特定的临界电流密度且无损耗。当达到或超过该临界值时，出现由在超导体中磁流线的运动引起的可观测的电损耗。通常在技术上，使用1μV/cm-标准来定义临界电流密度(即与HTS层的横截面相关的电流)的到达。临界传输电流由临界电流密度和HTS层横截面乘积得到。在HTS带材导体的情形中，也经常使用与导体宽度有关的以A/cm计的临界电流。如果没有其他说明，该值涉及77K的测量温度。技术上的电流密度最终为已完成的技术上的带材导体的电流密度，并由临界安培数和包括基材和其他层和叠层的整个导体的横截面的商得到。
独立于现有技术中已知的方法(例如多层沉积或精确温度技术)，还能够控制HTS层的生长模式，由此抑制了临界电流密度随着层厚度而衰退的上述原因中最重要的原因。这可以根据本发明通过梯台状层生长来实现。已证明当HTS层的a-b-面以相对于基材表面的倾斜角度布置时，是特别有利的。具体地当该倾斜角度在5°和30°之间时可得到良好的结果。
为了制造HTS带材导体，例如可以根据专利EP0909340通过ISD方法提供具有倾斜的MgO缓冲层的所述支撑物。为了检查MgO基材的从(100)-取向的偏差和表面形态分别对HTS层生长的影响，在第一步中在错取向的、抛光的MgO单晶上进行涂布实验，倾斜角度参考[001]-方向给出，从而0°指定完美的(100)-取向的MgO基材。在[110]-方向(即指向立方MgO单元晶胞的边界的方向)上进行倾斜。
在具有不同的错取向的MgO基材上，根据EP1558782通过YBCO颗粒的电子束蒸发来沉积YBCO膜。具有0.8μm层厚度的YBCO层的结果总结于表1中。在第一行中，给出了相对于[001]-方向的MgO基材的倾斜角度，并且在第二行中给出了YBCO-c-轴相对于基材垂线的倾斜角，其通过X-射线衍射测定。超导层的质量由第三行中的感应确定的临界电流密度来表征。
表1：在倾斜的MgO基材上的HTS涂层结果
| MgO倾斜角度 | 0° | 3° | 5° | 7° | 10° | 15° | 20° |
| YBCO倾斜角度 | 0° | 3° | 5° | 7° | 10° | 0° | 0° |
| Jc(77K)，单位为MA/cm2 | 3.31 | 3.81 | 3.98 | 3.91 | 2.98 | 2.5 | ＜1* |
直到基材倾斜达约10°时，HTS层明显能够遵循基材的预设，这由c-轴的类似倾斜方面所预期。但当倾斜角度进一步增加时，HTS层不再遵循支撑物。阶梯的整合明显补偿基材表面强烈的错取向，使得HTS层的c-轴能够与基材垂直。对于20°的非常强的错取向，其结果(用*标记)强烈依赖于倾斜的方向，由于在特定方向上可以得到新的有利的外延条件。
通常，对于非常大的角度，观察到c-轴-纹理，但X-射线极图也示出在HTS层中基材面内部不再存在明确定义的晶体取向。结果再次在图1中图示示出。对于小倾斜角，临界电流密度明显增加，在5°-7°之间达到最大值，并且角度越大，下降明显。基材与HTS膜之间的取向关系表示于下面的区域(A、B、C)中。
虽然明显地，错位和孔隙作为流线的额外锁定中心贡献轻微倾斜(其增大临界安培容量)，其在较大角度时缺陷的种类和增加的密度达到显著损害晶格和超导体特性的程度。测试证明支撑物的错取向允许高达特定角度时临界电流密度增加。但是在MgO基材中，大于5°-7°的倾斜是不成功的。
然后，检查倾斜对层厚度生长和厚HTS层的质量的影响。因此，厚度达3μm的HTS层沉积于该试验批次的所有MgO基材上。在图2中示例性地示出了三个倾斜角度的结果。虽然倾斜对临界电流密度的绝对值包含上述正面影响，但是与基材是否倾斜这一事实无关，临界电流密度的绝对值随着层厚度的增加连续地降低。也没观察到基材倾斜对层厚度生长的正面影响。
除了通过成角度切割和抛光得到所需的单晶基材的错取向外，例如ISD方法是提供错取向支撑物的另一个选择。在该方法中，在倾斜角度下将缓冲层材料(优选MgO)沉积于多晶或无定形支撑物上。本文中，生成特征性生长的柱子，其中它们的(100)-面在到达材料的方向上倾斜。通过生长选择，MgO表面由双轴取向的微晶组成，所述微晶包含在面内的角度偏差在5°-15°范围内的相同取向。所得MgO面的[001]-方向在此依赖于相对于基材垂线的倾斜15°-30°的达到角度。因此，这是相对强的倾斜。该MgO层的表面通过特征性小平面(或梯台)结构明显与上述成角度切割(但平整)的单晶相区别。它让人联想到瓦屋顶并示出在图3中的电子显微镜观察的顶视图中。
图4在示意性横截面中示出了具有倾斜的取向(箭头)的两个基材(但一个是平整表面(A)，一个是由梯台构成的表面(B))的特征性差异，其相对于基材垂线大约倾斜角度β。
如果这样的梯台形外延支撑物用于HTS生长，该生长与在具有平整表面的基材上的HTS生长明显不同且以特征性方式区分。当为了遵循倾斜或(对于大角度偏差)为了完全独立地对齐理想的外延支撑物，平整的基材上的HTS层不得不在界面处补偿由错位引起的针孔时，层能够在最佳取向(非错取向的)单晶上以某种微外延状方式在梯台形表面的单个小平面(梯台)上萌发(germinate)并生长。表面作为小的、成角度布置但在其他方面是完美c-轴取向的单晶的集合。HTS层遵循相对于总基材平面的强烈倾斜。该HTS生长对于ISD方法在带材导体制造中目前是具有显著特性的，并可以以非常简单的方式(例如通过X-射线衍射)验证。
生长模式对HTS层中常见缺陷的形成和生长的影响的主要差别示出于图5和图6中。在平面的基材上(图5A)(其中c-方向位于基材平面)，由于在a-b-方向上生长速度较快，a-轴-晶粒能够以梯形形状从层中长出并且其尺寸因此不受限制。
与此不同，萌发于具有足够阶梯高度(图5B)的阶梯形表面上的梯台的HTS晶粒一般受梯台宽度限制。梯台生长在HTS层中继续。梯台的有限宽度具体地导致HTS晶体不能变得任意大，而是受相邻阶梯的梯肩限制。后者也影响HTS层中的缺陷生长。当棒状a-轴-取向的晶粒成核，它们的扩展也受这些阶梯限制，图5B(a)。此外，它们的生长能够被从上面排列的阶梯的在a-b-方向上较快的生长超过，图5B(b)并因此终止。
在包裹的杂质相(即化学沉积物，其中其化学结构与周围的HTS层不同)的情况下，也是非常类似的。这示出于图6中的示意性横截面中。当这样的化学沉积物在平坦支撑物上的HTS层中出现(图6A)时，它们常常不会被周围的HTS层生长超过(由于不同的表面自由能)，并在所进行的层生长过程中在向上方向上包裹额外的材料(用虚线和点线表示)，从而使它们常常向上突出到HTS层外。这些大多富含铜的化学沉积物在RBCO层中是熟知的。但当HTS层以梯台方式在阶梯形基材上生长时(图6B)，从较高的阶梯在a-b-方向(倾斜面)上的更快生长从侧面生长超过化学沉积物，如箭头(W)所示。新材料的沉积横向进行(如虚线和点线所示)，从而沿a-b-面发生包裹且包裹不在竖直方向上穿越层。当化学沉积物到达梯肩(其在HTS层中导致晶粒边界(KG))时，其生长能够被梯肩完全停止。这在图7的电子显微镜观察的横截面中能够令人印象深刻地看出，图7为采用ISD方法制造的HTS带材导体样品。
该图片以25,000-倍放大率在下部区域中示出了MgO层的特征性的柱生长以及与较亮的HTS层的阶梯边界区域。在HTS层中，能够看到杂质相(箭头所示)的明的和暗的包裹，其如图6B所描绘的沿倾斜的HTS面成角度地扩展，并在大多数情况下在晶粒边界停止，例如虚线箭头所标记的。
在HTS层上，还能够看到为了制备横截面所需要但无其他意义的颜色较深的薄硅层。而且，HTS表面包含证明梯台生长的清晰的阶梯。HTS层的倾斜角度与MgO梯台的倾斜角度相同。但是在HTS层中梯台宽度明显更大。这说明由于快的a-b-生长速度以及横向扩散，在MgO中具有较低阶梯高度的较小的阶梯能够被HTS层生长超过并补偿。
在氧负载方面，倾斜的生长也具有优势，因为具有高的氧扩散系数的a-b-面并不平行于表面取向，而是在朝向层表面的方向上是开放的。这有利于氧扩散到HTS层的较深区域，到达缓冲-边界面，并显著缩短处理时间。
上面提到的观察和结果得出的结论是，只要在HTS层中保证倾斜的梯台生长，则许多常见的衰退机制被抑制或至少大幅修改。采用这种生长模式，因此可以制造具有高临界传输电流的HTS层。作为证明，在2.5μm厚的MgO缓冲层上制造一系列层厚的DyBCO层，所述MgO缓冲层根据专利EP0909340通过ISD方法涂覆且包含相对于基材垂线25°的[001]-方向的倾斜。由Hastelloy C276制得的具有90μm厚度的电抛光片作为基材使用。通过在700℃的基材温度下DyBCO-粉末的电子束蒸发沉积来沉积DyBCO层。在表面上具有500nm厚的银接触层用作低欧姆接触和HTS层的电流引入器。X-射线衍射测量表明相对于基材垂线的25°的HTS-c-轴的相同的倾斜，根据预期与MgO层中的相似。从带材导体样品(每个样品具有长度10cm和宽度1cm)中切出几个短片，并用含1.1mm宽度的测量电桥来光刻印结构化。通过这些电桥以及通过四点测量，在液氮浴(77K)中测定临界传输电流。该测试系列的结果总结于表2和图8中。
表2：在通过ISD方法方式制造的MgO上的厚DyBCO层中的传输电流。
| HTS层厚度，以μm计 | 1.0 | 1.5 | 3 | 5 |
| 传输电流，以A/cm计 | 300 | 405 | 507 | 1018 |
| 临界电流密度，以MA/cm2计 | 3.0 | 2.7 | 1.9 | 2.0 |
事实上观察到，对于增加这些样品中的层厚度(甚至对于明显大于3μm的HTS层厚度)，传输电流明显增加。在具有5μm厚度的HTS层中，测得大于1000A/cm的传输电流(相对于宽度归一化)，这是对于均相HTS层的世界纪录。图8中的测量值的图线以及与典型的观察到的行为(实线)相比表明，HTS层的安培容量在测量值偏差内随层厚度线性增加(最佳拟合虚线)，并且强烈抑制了常见的衰退机制。由于该层厚度系列没有达到任何上限，预期通过较厚的HTS层能够进一步改善安培容量。
从这些测试中得到的技术教导是，能够制造具有特别高安培容量的HTS带材导体，例如通过用合适的支撑物诱导HTS层中的梯台生长，这样做制造了具有优选大于3μm的厚度的厚HTS层，具体优选具有5-10μm范围内的层厚度。在用该方法制造的HTS带材导体中，与导体宽度有关的传输电流在77K下能达到大于600A/cm、具体优选大于1000A/cm。在这些带材导体中，能够通过X-射线衍射作为特征性标记证明c-轴相对于基材垂线大约倾斜5°、优选在20°至30°之间。横截面的制备明确示出了在缓冲层和HTS层之间边界面的阶梯，其中平均阶梯高度为至少20nm。
例如通过ISD方法可以提供合适的外延-底层。但也可以想到其他的方法，这些其他的方法只通过在涂布期间的相应的工艺控制或与基材倾斜相结合，能够生成倾斜的、阶梯形缓冲层作为外延-底层。在本文中，也可以使用已知IBAD方法的辅助离子束和相应的修改。
虽然鉴于缺陷生长和氧负载，相对于基材垂线的c-轴的倾斜包含明显的优势，但是上述预期允许如下的结论：所述倾斜对于抑制和相应限制缺陷生长不是绝对必要的。许多上面讨论的横向过生长的机制以及限制晶粒生长的机制只需要在表面上的转移到HTS膜中的阶梯。这在图9中以及对图5和图6的认知中示意性地示出了。晶粒边界始于支撑物中的阶梯(虚线)。从较高排布的层级开始和在梯台阶梯处(晶粒边界)，化学沉积物(灰色)或a-轴-晶粒(白色)可能被生长超过。与倾斜的梯台相反，在没有特定的梯台的地方，缺陷可以垂直地出现直到它们超过表面(在这种情况下为在以最高层级排布的高度上，或在类似于平整表面上的岛上)。例如通过(干法或湿法化学的)各向异性蚀刻，可以在基材中或在处于基材和HTS层之间的至少一个缓冲层中生成平行于表面的阶梯或梯台。
与梯台形外延支撑物的制造无关，为了确保层生长和缺陷生长方面的实效性，梯台的宽度和阶梯的高度必须满足特定的要求。如果梯台宽度明显高于由HTS层中生长引起的典型的晶粒尺寸，则梯台具有任何对生长的限制并保持无效果。典型地，对于a-轴生长或c-轴生长的所预期的晶粒尺寸在1μm数量级上。因此，平均梯台宽度可以包含最大值1μm的宽度。优选地，其低于400nm。
对于倾斜的梯台，平均梯台宽度b经由倾斜角β与平均阶梯高度h直接相关，h＝b·tanβ。因此，在5°至30°间的角度范围内，最大平均阶梯高度在85nm和600nm之间。与倾斜无关，阶梯必须另外包含特定的最小高度，其通过典型的缺陷核大小和沉积层组分在表面的迁移率给出。如果萌发缺陷比阶梯高或变得容易过度生长，它仍然无任何效果。典型地，有效的ISD表面的阶梯高度在50nm至200nm的范围内。由于在大梯台内部还出现更小的阶梯(无任何直接影响)，对于最小阶梯高度的下限可以以约20nm来限定。采用100nm的平均阶梯高度，已经实现HTS层的厚度生长上的好结果。相反，如果阶梯变得非常高，它们对HTS层中的电流流动产生负面影响。如果阶梯高度能够与层厚度相比，层生长不连续且不封闭。最大到所需HTS层厚度的20％的最大阶梯高度看起来是合适的，因为这样做的话，对HTS层的传输特性的负面影响保持在合理的限度内。
Claims (10)
1.具有柔性金属基材的高温超导带材导体，其包含：
a.至少一个布置于所述柔性金属基材上的中间层，其在与所述柔性金属基材相反的一侧包含多个梯台，其中
b.所述梯台的平均宽度小于1μm，且所述梯台的平均高度大于20nm，以及
c.至少一个布置于所述中间层上的高温超导层，其布置于所述至少一个中间层上且包含大于3μm的层厚度，并且
d.其中所述高温超导带材导体的与导体宽度有关的安培容量在77K下大于600A/cm。
2.如权利要求1所述的高温超导带材导体，其中所述高温超导层包含5μm至10μm的层厚度。
3.如权利要求1或2中一项所述的高温超导带材导体，其中所述至少一个中间层的所述梯台的平均高度包含50nm至200nm的范围。
4.如前面权利要求中一项所述的高温超导带材导体，其中所述梯台的最大平均高度不超过所述高温超导层的所述层厚度的20％。
5.如前面权利要求中一项所述的高温超导带材导体，其中所述至少一个中间层的所述梯台的所述平均宽度小于400nm。
6.如前面权利要求中一项所述的高温超导带材导体，其中所述金属基材包含由Hastelloy制成的厚度最高达200μm的片材。
7.如前面权利要求中一项所述的高温超导带材导体，其中所述至少一个中间层包含具有1.5μm至3.5μm厚度的氧化镁层。
8.如前面权利要求中一项所述的高温超导带材导体，其中所述高温超导层包含RBa2Cu3O7-层，其中R为选自由元素镝(Dy)、钆(Gd)、钬(Ho)和钇(Y)组成的组的一种元素，具体为由DyBa2Cu3O7组成的高温超导层。
9.如权利要求1或2中一项所述的高温超导带材导体，其中所述梯台的所述表面基本平行于金属基材平面。
10.如权利要求9所述的高温超导带材导体，其中所述至少一个中间层的所述梯台通过各向异性刻蚀制造。
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