CN109690797B - 高性能超导体带材的质量控制 - Google Patents

高性能超导体带材的质量控制 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导体带材及其制造、测量、监视和控制方法。实施例针对于一种超导体带材，其包括覆盖在缓冲层上方的超导体膜，所述缓冲层覆盖在衬底上方。在一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。在另一个实施例中，超导体膜包括BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且具有沿着从超导体膜的(001)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO3的(101)峰。这些和其它实施例实现了良好对齐的纳米柱状缺陷，并且因此实现高提升因子，这可以形成带材在例如高磁场中的优异临界电流性能。

Description

高性能超导体带材的质量控制
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月30日提交的第62/381,369号美国临时专利申请的优先权，所述临时申请的全部内容特此以引用的方式并入本文中。
政府赞助：
海军研究办公室奖N00014-14-1-0182。
技术领域
本文公开的实施例属于超导体带材领域。更具体地说，本文公开的实施例涉及超导体带材及其制造、测量、监视和控制方法，其尤其实现良好对齐的纳米柱状缺陷，并且因此实现高提升因子，这能够导致带材在例如高磁场中的优异临界电流性能。
背景技术
正在开发几种材料体系来解决能量生成、传输、转换、储存和使用方面的迫在眉睫问题。超导体很可能是提供解决广泛能量问题的方案的独特体系。超导体在发电机、输电电缆、电机、变压器和储能装置中实现高效率。此外，超导体超越能量应用于医学、粒子物理学、通信和运输。超导带材已经成熟，通过用于在多晶衬底上创建外延单晶状薄膜的新颖方法来实现。在这项技术中，通过离子束辅助沉积在柔性多晶衬底上方来沉积具有岩盐晶体结构的材料薄膜，诸如MgO。
通过这项技术处理的超导膜展现出与在单晶衬底上生长的外延膜中所实现的临界电流密度相当的临界电流密度。使用这项技术，若干机构已经演示超导复合带材的中试制造。非常值得注意的是，当前可以使用多晶衬底基质将单晶状外延膜制造为长度超过一千米。
然而，当今的超导体带材存在某些缺点。超导体的载流能力在磁场中迅速减弱，这给它们在诸如风力发电机等应用中的使用带来了问题，在这些应用中发电机线圈将受到几特斯拉的磁场。此外，由于高温超导体(HTS)的超导性局限于其Cu-O平面内，所以HTS材料展现出强各向异性行为。当磁场与膜表面以不同角度对齐时，这种各向异性在临界电流测量中很明显(图1A)。如图1A所示，标准HTS带材的临界电流随着磁场远离膜表面移动而迅速下降，并且在磁场垂直于带材取向时达到低值，所述低值是用这些带材构成的线圈的极限值。
在过去十年中已经积极开发用于实用超导体的钉扎改进策略来改进场内性能。探索最多的方法会在超导体中引入横向尺寸与超导相干长度相当的缺陷。在2G HTS带材中，此类缺陷包括氧空位、穿线位错、双晶面、杂质原子、辐射诱发的柱状缺陷以及各种成分和结构的纳米结构夹杂物。
最近，为了改善钉扎，研究人员开发了一种基于用BaMO3(M＝Zr、Sn、Hf、Nb、Ce、Ta等)化学掺杂超导膜来形成柱状缺陷的方法。BZO和BaSnO3(BSO)夹杂物在超导体膜生长期间通过自组装过程形成直径约5nm的纳米级柱并且显著改进钉扎强度。图1B显示了通过MOCVD生长的(Gd,Y)Ba2Cu3Ox(Gd-YBCO)超导膜的横截面显微结构，所述超导膜具有大量自组装BaZrO3(BZO)纳米柱状缺陷，其大部分垂直于膜平面取向。具有此类显微结构的膜在77K的磁场中展现双倍改进性能，尤其是在沿着BZO纳米柱方向的取向上，并且导致较低的各向异性，如图1A所示。
此外，研究表明，较高水平的Zr添加导致在低温下在磁场中具有更有利的性能。明确地说，发现“提升因子”在Zr含量水平较高的带材中有所增大，其中“提升因子”是带材在低温下在外加磁场中的临界电流与带材在零磁场中在77K下的临界电流的比率。最近还表明，即使在77K下，仍可以在具有高Zr添加水平的RE-Ba-Cu-O(REBCO，RE＝稀土)带材中实现高临界电流密度。这一成就开辟了将在磁场中在低温下的提升因子与在77K下的高临界电流密度组合的可能性，从而在许多应用感兴趣的磁场中在低温下达到非常高的临界电流。然而，已经发现，具有高Zr添加水平的REBCO带材并不总是在磁场中在较低温度下导致高提升因子。本质上，对于具有高Zr添加水平的REBCO带材，发现在磁场中在较低温度下的提升因子是不一致的。因此，本领域需要能够在磁场中在较低温度下一致地实现相当高临界电流的超导带材。
发明内容
实施例针对于一种超导体带材，包括：衬底；缓冲层，其覆盖在衬底上方；以及超导体膜，其覆盖在缓冲层上方。超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。
在一个实施例中，超导体膜(或一般来说，带材)的长度超过10米。
在一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
在一个实施例中，超导体膜包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且其具有沿着从超导体膜的(00l)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO3的(101)峰。
实施例还针对于一种超导体带材，包括：衬底；缓冲层，其覆盖在衬底上方；以及超导体膜，其覆盖在缓冲层上方。超导体膜包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且其具有沿着从超导体膜的(001)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO3的(101)峰。
在一个实施例中，通过X射线衍射测量BaMO3的(101)峰。
在一个实施例中，超导体膜(或一般来说，带材)的长度超过10米。
在一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
在一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。
实施例进一步针对于一种超导体带材，包括：衬底；缓冲层，其覆盖在衬底上方；以及超导体膜，其覆盖在缓冲层上方。超导体膜包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且当通过使用铜kα辐射的X射线衍射来测量时，其具有位于高于30°的2θ角处的BaMO3的(101)峰。
在一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
在一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。
实施例又进一步针对于一种超导体带材，包括：衬底；缓冲层，其覆盖在衬底上方；以及超导体膜，其覆盖在缓冲层上方。超导体膜包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且当通过使用铜kα辐射的X射线衍射来测量时，其具有位于从超导体相的(103)峰起小于2.6°的2θ角处的BaMO3的(101)峰。
在一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
在一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。
实施例又进一步针对于一种测量超导体带材中的超导体膜的c轴晶格参数的方法。所述方法包括提供超导体带材，其包括：衬底；缓冲层，其覆盖在衬底上方；以及超导体膜，其沉积在缓冲层上方。所述方法还包括在缓冲层上方沉积超导体膜期间经由同轴X射线衍射实时测量超导体膜的c轴晶格参数。
在一个实施例中，在沉积超导体膜之后执行测量步骤。
在一个实施例中，超导体膜(或一般来说，带材)的长度超过10米。
在一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
在一个实施例中，c轴晶格参数是高于11.74埃的c轴晶格常数。
在一个实施例中，超导体膜包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且其具有沿着从超导体膜的(00l)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO3的(101)峰。
附图说明
当结合附图阅读时将更好地理解前面的发明内容以及下面的具体实施方式。仅出于说明的目的，在附图中示出某些实施例。然而，应当理解，本文公开的发明概念不限于图中所示的精确布置和手段。
图1A是示出具有和不具有自组装BaZrO3(BZO)纳米柱的MOCVD基HTS带材的临界电流的各向异性的曲线图。
图1B是示出由MOCVD合成的Zr掺杂超导膜的横截面显微结构的图，其展示了自组装BZO的大量纳米柱状缺陷。
图2A是示出在30K、2.5T下具有低Ic提升因子的Zr添加(Gd,Y)BCO带材的横截面TEM分析的图，其展示了垂直于带材平面的不良对齐的不连续BZO纳米柱。
图2B是示出在30K、2.5T下具有高Ic提升因子的Zr添加(Gd,Y)BCO带材的横截面TEM分析的图，其展现了强对齐的连续BZO纳米柱。
图3A是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的REBCO相的(007)峰的曲线图，其通过使用铜K-α(Cu K-α)辐射的X射线衍射来测得。
图3B是示出图3A的曲线图中参考的REBCO带材的(Ba+Zr)/Cu成分的表。
图4是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的c轴晶格参数的曲线图，其通过X射线衍射来测得。
图5是示出几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的在30K下的临界电流提升因子与渐增c轴晶格参数值的相关性的曲线图，其通过X射线衍射来测得。
图6是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的BZO的(101)峰的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的X射线衍射来测得。
图7是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的BZO(101)峰与REBCO相的(103)峰的峰位置之间的角距离的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的X射线衍射来测得。
图8是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的在改变BZO(101)峰与REBCO相的(103)峰的峰位置之间的角距离的情况下的在30K、3T下的临界电流提升因子的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的X射线衍射来测得。
图9A是示出来自在30K、3T下展现高临界电流提升因子的具有强对齐的长BZO纳米柱的Zr添加(Gd,Y)BCO带材的二维(2D)X射线衍射(XRD)数据的曲线图。
图9B是示出来自在30K、3T下展现低临界电流提升因子的具有不良对齐的短BZO纳米柱的Zr添加(Gd,Y)BCO带材的二维(2D)XRD数据的曲线图。
图10是示出用于在制作超导体带材时测量c轴晶格参数的同轴X射线衍射单元的示意图的透视图。
图11是示出来自使用利用Cu K-α辐射的同轴XRD工具的θ-2θ扫描的具有不同(Ba+Zr)/Cu含量的REBCO带材的(007)峰的偏移的曲线图。
图12是示出具有不同(Ba+Zr)/Cu含量的REBCO膜的c轴晶格常数与膜的RE2O3峰的强度之间的相关性的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的X射线衍射来测得。
图13是示出根据一个实施例的测量超导体带材中的超导体膜的c轴晶格参数的方法的实施例的流程图。
图14是示出根据一个实施例的超薄膜高温超导带材的显微结构的透视示意横截面图。
具体实施方式
REBCO膜的重掺杂是必要的，但不足以在低温下实现临界电流(Ic)的高提升因子。发明人已经发现，BaMO3(M＝Zr、Sn、Hf、Nb、Ce、Ta等)纳米柱沿REBCO膜的c轴的强对齐是实现高提升因子的重要条件。例如，图2A和图2B示出了在77K、0T下具有为3.08MA/cm2的相同Jc但在30K、2.5T(B||c)下具有为3.85和6.93的不同临界电流提升因子的两个带材的横截面显微结构。图2A中的带材具有低提升因子，并且其由不良对齐并且不从缓冲层到膜表面连续的BZO纳米柱组成。另一方面，图2B中的带材具有高提升因子，并且由从缓冲层到膜表面连续的强对齐的BZO纳米柱组成。发明人已经发现，图2A至图2B所示的显微结构差异是掺杂GdYBCO带材在30K、3T下的临界电流大分散的罪魁祸首。因此，与Zr掺杂一起，BZO纳米柱沿REBCO膜的c轴的强对齐对于实现一致较高提升因子至关重要。尽管本文所述的实施例主要参考BZO膜，但是应当理解，这些实施例同样适用于任何BaMO3(M＝Zr、Sn、Hf、Nb、Ce、Ta等)膜。
然而，对REBCO带材中的此类纳米柱的对齐的显微结构检查是一种破坏性技术并且只限于几平方微米的极小区域。因此，需要提供一种非破坏性方法，其能够用于检查较大面积的REBCO带材来验证是否存在高度对齐的纳米柱状缺陷。此外，如果此类方法能够在REBCO带材的处理过程中同轴实施，使得来自显微结构分析的反馈能够实时用于监视并且进而控制过程以实现良好对齐的纳米柱状缺陷并因此在高磁场中实现优异临界电流性能，则这是很有价值的。通过在超导体制造期间实时检测/测量BaMO3(M＝Zr、Sn、Hf、Nb、Ce、Ta等)纳米柱对齐，能够修改制造过程以始终如一地获得所需的对齐程度。对制造工艺的修改的示例是降低沉积温度和/或增加氧分压和/或增加前体中的钡含量和/或降低前体中的铜含量。本发明的这些和其它优点将从下文对本发明的详细描述变得更加明显。
应当理解，本发明的附图和描述可能已经被简化以示出与清楚理解本发明实施例相关的元件，同时为了清楚起见，消除了在典型超导体带材或用于制造、测量、监视或控制超导体带材的典型方法中发现的其它元件。本领域的普通技术人员将认识到，为了实现本发明实施例，可能需要和/或要求其它元件。然而，因为此类元件在本领域中是众所周知的，并且因为它们不便于更好地理解本发明实施例，所以在此不提供对此类元件的论述。还应当理解，在此包括的附图仅提供了本发明的当前优选结构的图解表示，并且落入本发明实施例的范围内的结构可以包括与附图所示的结构不同的结构。现在将参考附图，其中相同的结构具有相同的参考标号。
在详细解释至少一个实施例之前，应当理解，本文阐述的概念在其应用中不限于在以下描述中阐述的或在附图中示出的构造细节或部件布置。还应当理解，本文采用的措辞和术语仅仅是出于描述目的并且不应视为限制性的。
还应当理解，所描述的特征中的任一者可以分开使用或者与其它特征组合使用。本领域的技术人员在审阅附图和本文详细描述后将明白或变得明白本文所描述的装置、系统、方法、特征和优点的其它实施例。所有此类额外装置、系统、方法、特征和优点都受所附权利要求书保护。
出于本公开的目的，术语“膜”和“层”可以互换使用。
本申请的实施例旨在提供一种用于快速限定REBCO带材的(Ba+Zr)/Cu含量的非破坏性方法，其可以任选地在带材的处理期间甚至实时地实施作为质量控制工具。此外，本申请的实施例提供一种用于限定BaMO3的纳米柱状缺陷的取向的非破坏性方法，其确定临界电流性能的提升因子的量值。因此，本申请的实施例的至少一个目的是在较长长度的REBCO带材中在磁场中始终如一地获得均匀高临界电流。另一个目的是开发一种质量控制(QC)工具以在带材制造期间(或在制造之后)原位监视REBCO带材的质量，以便在磁场中实现均匀高临界电流。此外，本申请的实施例的一个关键方面是开发一种非破坏性的、快速的、同轴质量控制方法，其能够用于确定纳米柱状缺陷的对齐的质量并且进而预测REBCO带材在高磁场中的性能。
在一个实施例中，基于超导体带材的X射线衍射(XRD)的非破坏性方法能够确定带材在磁场中的临界电流所依赖的Ba、Cu和掺杂剂的临界成分比率。在另一个实施例中，公开了一种XRD方法，其能够非破坏性地确定超导体带材的超导体膜中的纳米柱状缺陷的取向程度。在又一个实施例中，超导体沉积设备中的处于同轴模式的X射线衍射单元能够获得关于Ba、Cu和掺杂剂的成分比率的实时信息。
仅作为示例，图3A是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的REBCO相的(007)峰的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的XRD来测得。换句话说，图3A示出具有Ba、Cu和Zr的不同成分的Zr添加REBCO带材的来自XRD分析的(007)峰。仅作为示例，图3B是示出图3A的曲线图中参考的REBCO带材的(Ba+Zr)/Cu成分的表。如图3A至图3B所示，随着(Ba+Zr)/Cu含量增加，(007)峰位置向2θ值偏移，即c轴晶格参数增大。仅作为示例，图4是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的c轴晶格参数的曲线图，其通过XRD来测得。前面提到的c轴晶格参数随着REBCO带材中的(Ba+Zr)/Cu含量的增加而增加的趋势清楚地在图4中示出。具体地说，随着REBCO带材中的(Ba+Zr)/Cu含量从0.53增加到0.84，c轴晶格参数从增加到/>c轴晶格参数在超过/>后急剧增加。仅作为示例，图5是示出几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的临界电流提升因子与渐增c轴晶格参数值的相依性的曲线图，其通过XRD来测得。如图5所示，随着REBCO带材的c轴晶格参数增加，临界电流在30K、3T(磁场B||c轴)下的提升因子也增加。因此，通过XRD测量c轴晶格参数或REBCO的(00l)峰的2θ值的偏移是带材的场内临界电流性能的很好指标。
尽管较高(Ba+Zr)/Cu值和较高c轴晶格参数是合意的，但其不能确保在REBCO带材中实现良好场内性能。如图2B所示，BZO纳米柱在REBCO膜的厚度中良好对齐也是至关重要的。由于BZO纳米柱具有在重掺杂膜中沿a-b平面取向的趋势，因此确保c轴对齐纳米柱的不受抑制的生长更具挑战性。温度、氧分压以及钡和铜在膜中的并入的微小波动会干扰良好对齐的纳米柱的生长。此外，重要的是在没有过量(Ba+Zr)/Cu和REBCO的过高c轴晶格参数的情况下实现良好对齐的纳米柱生长，因为在零磁场中在77K下的临界电流可能会降低。为了在高磁场中在较低温度下实现高临界电流，重要的是在零磁场中在77K下实现高提升因子以及良好临界电流。
仅作为示例，图6是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的BZO相的(101)峰的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的XRD来测得。如图6所示，随着(Ba+Zr)/Cu含量增加，BZO相的(101)峰位置向较高2θ值偏移，即，其晶格参数增加。对于大于0.71的(Ba+Zr)/Cu含量，BZO相的(101)峰位置向高于30°的值偏移。
仅作为示例，图7是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的BZO(101)峰与REBCO相的(103)峰的峰位置之间的角距离的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的XRD来测得。如图7所示，在(Ba+Zr)/Cu含量增加超过0.72时，BZO(101)峰与REBCO相的(103)峰的峰位置之间的距离减小到2.6°以下。换句话说，在(Ba+Zr)/Cu含量增加超过某个阈值时，BZO和REBCO相的晶格参数变得更加接近。
仅作为示例，图8是示出具有渐增(Ba+Zr)/Cu含量水平的几种Zr掺杂(Gd,Y)BCO带材的在改变BZO(101)峰与REBCO相的(103)峰的峰位置之间的角距离的情况下的在30K、3T下的临界电流提升因子的曲线图，其通过使用Cu K-α辐射的XRD来测得。如图8所示，在BZO(101)峰与REBCO相的(103)峰的峰位置之间的角距离减小到2.6°以下时，在30K、3T处的临界电流提升因子增加到6或更高的值。随着BZO和REBCO相的晶格参数变得更接近，BZO纳米柱变得更好地对齐，从而导致较高临界电流提升因子。
仅作为示例，图9A是示出来自在30K，3T下展现高临界电流提升因子的具有强对齐的长BZO纳米柱的Zr添加(Gd,Y)BCO带材的2D XRD数据的曲线图。如图9A所示，发现具有强c轴对齐的BZO纳米柱的REBCO膜中的BZO(101)峰在几乎垂直于REBCO相的(00l)峰的方向上划线或延伸。一般来说，BZO(101)峰的延伸是沿着从(00l)REBCO峰的轴起在60°与90°之间的方向。REBCO(103)峰本身朝向较小2θ值偏移，并且因此更接近BZO(101)峰。在30K、3T下展现低临界电流提升因子的具有不良对齐的BZO纳米柱的Zr添加(Gd,Y)BCO带材中未看到这两个特征，如图9B所示。BZO(101)峰沿恒定2θ弧延伸，所述弧与(00l)REBCO峰的轴成小于60°的角度对齐。
仅作为示例，图10是示出能够在正制作超导体带材时测量c轴晶格参数的同轴X射线衍射(XRD)单元/工具的示意图的透视图。参考图10，在一个实施例中，XRD单元与超导体沉积单元同轴放置，以便在正生产超导体带材时实时测量其REBCO相的c轴晶格参数的任何偏移。如果超导体膜的c轴晶格参数在其沉积期间受到监视，则可以确定与所需阈值的任何偏差并且可以重新调整工艺。XRD单元由使用铬阳极的X射线源以及线(线性)或区域(2D)X射线检测器组成，所述检测器可以在39至135度的2θ范围内瞬时测量衍射X射线峰。X射线源和检测器被定位为检测REBCO的(007)峰。在带材离开超导体沉积单元时，其进入XRD单元。在沿带材长度的不同位置处获得(007)峰的精确2θ位置。通过监视(007)峰偏离正常位置的幅度，可以确定c轴晶格参数的偏移。通过连续监视(007)REBCO峰位置的偏移，可以在带材长度上确定REBCO c轴晶格参数的偏移并且因此确定膜的(Ba+Zr)/Cu成分。REBCO膜成分的这个实时数据接着可以用于调整工艺参数。例如，可以实时调整带材温度、氧分压和/或钡和铜前体的供应以便实现(Ba+Zr)/Cu的一致成分，并且因而实现一致临界电流性能。可以调整这些工艺参数以维持(Ba+Zr)/Cu成分是最佳区间以便在零外加磁场下在77K下获得高临界电流提升因子以及良好临界电流。在另一个实施例中，出于相同目的，XRD单元可以监视REBCO的其它(001)峰的偏移。
仅作为示例，图11是示出来自使用图10所示的同轴XRD单元/工具的θ-2θ扫描的具有不同(Ba+Zr)/Cu含量的REBCO带材的(007)峰的偏移的曲线图。所公开的同轴XRD工具可以辨别具有显著不同(Ba+Zr)/Cu含量的REBCO膜的(007)峰的偏移。如图11所示，在具有较高(Ba+Zr)/Cu含量水平的膜中，膜的(007)峰的2θ位置朝向较低2θ值(较大晶格参数)偏移。在一个实施例中，同轴XRD工具的2θ角分辨率可以通过根据需要修改线性检测器到带材距离和X射线光学器件(诸如线性检测器的每单位长度的传感器数目)来改进，使得可以检测(00l)峰位置的细微变化以找出REBCO膜中的(Ba+Zr)/Cu成分的微小变化。
在另一个实施例中，图10所示的X射线源和线性检测器可以被定位为使得当在超导体沉积单元中生产超导体带材时监视超导体带材的BMO(101)峰的位置。在沿带材长度的不同位置处获得BMO(101)峰的精确2θ位置。通过监视BMO(101)峰偏离正常位置的幅度，可以确定c轴晶格参数的偏移。通过连续监视BMO(101)峰位置的偏移，可以根据图6所示的数据在带材长度上确定膜的(Ba+Zr)/Cu成分。REBCO膜成分的这个实时数据接着可以用于实时调整工艺参数，诸如带材温度、氧分压和/或钡和铜前体的供应，以便实现一致成分，并且因而实现一致临界电流性能。
在又一个实施例中，图10中所示的X射线源和线性检测器可以被定位为使得当在超导体沉积单元中生产带材时监视超导体带材的BMO(101)峰和REBCO(103)峰的位置。可以在沿着带材长度的不同位置处获得BMO(101)峰和REBCO(103)峰的精确2θ位置。通过连续监视BMO(101)峰和REBCO(103)峰的2θ位置的差异的量值，可以根据图7所示的数据在带材长度上确定膜的(Ba+Zr)/Cu成分。REBCO膜成分的这个实时数据接着可以用于实时调整工艺参数，诸如带材温度、氧分压和/或钡和铜前体的供应，以便实现一致成分并且因而实现一致临界电流性能。
在又一个实施例中，图10所示的线性检测器用区域二维(2D)检测器代替。在这种情况下，BMO(101)峰可当在超导体沉积单元中生产超导体带材时从其2θ弧朝向REBCO(103)峰连续倾斜，如图9A所示。也可以连续测量BMO(101)峰从REBCO(00l)峰的轴的倾斜角，如图9A所示。接着可以实时调整制造工艺参数，诸如带材温度、氧分压和/或钡和铜前体的供应，以便实现BMO(101)峰在从REBCO(00l)峰的轴起在60°与90°之间的角度内的倾斜。通过这种方法，可以实现良好对齐的BMO纳米柱的一致生长，并且因此，也可以实现一致临界电流性能。
仅作为示例，图12是示出具有不同(Ba+Zr)/Cu含量的REBCO膜的c轴晶格常数与膜的RE2O3峰的强度之间的相关性的曲线图，其通过XRD来测量。除了监视(001)峰的2θ峰位置之外，同轴XRD工具还可以用于监视沿带材长度的RE2O3峰的峰强度。图12示出带材的RE2O3峰强度与REBCO膜的不同c轴晶格常数之间的相关性。具有较高c轴晶格常数的REBCO膜展示降低的RE2O3峰强度。因此，通过在REBCO带材的处理过程中使用同轴XRD监视RE2O3峰强度，可以确定带材中的(Ba+Zr)/Cu含量的变化。
仅作为示例，图14是示出根据一个实施例的超薄膜高温超导体带材的显微结构的透视示意横截面图。超导体带材1400包括：衬底1410；缓冲层1420，其覆盖在衬底1410上方；以及超导体膜1430，其覆盖在缓冲层1420上方。在一个实施例中，图14的超导体膜被定义为具有高于大约11.74埃的c轴晶格常数。在一个实施例中，超导体膜(或一般来说，带材)的长度超过10米。在另一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce或其组合。在又一个实施例中，超导体膜包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且其具有沿着从REBCO超导体膜的(001)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO3的(101)峰。
在另一个实施例中，图14的超导体膜1430可以包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且其具有沿着从REBCO超导体膜的(001)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO3的(101)峰。在一个实施例中，通过XRD来测量BaMO3的(101)峰。在另一个实施例中，超导体膜(或一般来说，带材)的长度超过10米。在又一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。在再一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。
在又一个实施例中，图14的超导体膜1430可以包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且当通过使用铜k-α辐射的X射线衍射来测量时，其具有位于高于30°的2θ角处的BaMO3的(101)峰。在一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。在另一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。
在再一个实施例中，图14的超导体膜1430可以包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且当通过使用铜k-α辐射的XRD来测量时，其具有位于从超导体相的(103)峰起小于2.6°的2θ角处的BaMO3的(101)峰。在一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。在另一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。
仅作为示例，图13是测量超导体带材中的超导体膜的c轴晶格参数的方法1300的流程图。在一个实施例中，可以提供包括衬底、缓冲层和超导体膜的超导体带材(框1302)。缓冲层覆盖在衬底上方，并且超导体膜沉积在缓冲层上方。在缓冲层上方沉积超导体膜期间经由同轴X射线衍射实时测量超导体膜的c轴晶格参数(框1304)。在一个实施例中，在沉积超导体膜之后执行测量步骤1304。在一个实施例中，超导体膜(或一般来说，带材)的长度超过10米。在又一个实施例中，超导体膜包含5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。在另一个实施例中，c轴晶格参数是高于11.74埃的c轴晶格常数。在一个实施例中，超导体膜包含BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且当通过使用铜k-α辐射的XRD来测量时，其具有沿着从REBCO超导体膜的(00l)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO3的(101)峰，或者其具有位于从超导体相的(103)峰起小于2.6°的2θ角处的BaMO3的(101)峰。
应当理解，结合图14和图13论述的超导体膜可以包括上文结合这些图论述的一个或多个特征。上述任何实施例中的特征可以与上述其它实施例中的特征组合使用，并且此类组合被视为属于本发明的精神和范围内。此外，虽然上文参考各种层描述了方法1300和超导体带材的结构中的实施例，但是可以在以上任何实施例中所描述的方法1300以及超导体带材的结构中替代地实现额外层。此外，本文描述的任何实施例中的方法步骤不限于以任何特定次序来执行。此类替代方案被视为属于本发明的精神和范围内，并且因此可以利用上述配置和实施例的优点。上文具体提到的预期修改和变化被视为属于本发明的精神和范围内。
应当理解，以上描述是说明性的而非限制性的。已经呈现所述材料以使本领域的任何技术人员能够制造并使用本文描述的概念，并且所述材料是在特定实施例的上下文中提供的，所述特定实施例的变型对于本领域的技术人员来说将是显而易见的(例如，一些公开的实施例可以彼此组合使用)。本领域的技术人员在审阅以上描述后将即刻明白许多其它实施例。因此，本文的实施例的范围应当参考所附权利要求以及此类权利要求有权享有的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“including(包括)”和“in which(在其中)”被用作相应术语“comprising(包含)”和“wherein(其中)”的简单英语等同物。

Claims (10)

1.一种超导体带材，包括：
衬底；
缓冲层，覆盖在所述衬底上方；以及
超导体膜，覆盖在所述缓冲层上方；
其中所述超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数，并且所述超导体膜在零磁场中在77K下具有临界电流，
其中所述超导体膜包括BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且具有沿着从所述超导体膜的(00l)峰的轴起在60°至90°之间的轴进行延伸的BaMO3的(101)峰。
2.根据权利要求1所述的超导体带材，其中所述超导体膜的长度超过10米。
3.根据上述权利要求中任一项所述的超导体带材，其中所述超导体膜包括5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
4.一种超导体带材，包括：
衬底；
缓冲层，覆盖在所述衬底上方；以及
超导体膜，覆盖在所述缓冲层上方；
其中所述超导体膜包括BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且具有通过X射线衍射测量的、沿着从所述超导体膜的(001)峰的轴起在60°至90°之间的轴进行延伸的BaMO3的(101)峰。
5.根据权利要求4所述的超导体带材，其中所述超导体膜的长度超过10米。
6.根据权利要求4和5中任一项所述的超导体带材，其中所述超导体膜包括5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
7.一种测量超导体带材中的超导体膜的c轴晶格参数的方法，所述方法包括：
提供超导体带材，所述超导体带材包括：
衬底；
缓冲层，覆盖在所述衬底上方；以及
超导体膜，沉积在所述缓冲层上方；
在所述缓冲层上方沉积所述超导体膜之后，经由同轴X射线衍射实时测量BaMO3的X射线衍射峰(101)，
其中所述超导体膜包括BaMO3，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且具有沿着从所述超导体膜的(00l)峰的轴起在60°至90°之间的轴进行延伸的BaMO3的(10l)峰。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述超导体膜的长度超过10米。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中所述超导体膜包括5至30mol％的掺杂剂，所述掺杂剂选自包含Zr、Sn、Ta、Nb、Hf、Ce及其组合的组。
10.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中所述c轴晶格参数是高于11.74埃的c轴晶格常数。
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