CN1364321B - 多层制品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多层制品及制造此类制品的方法。该方法包括首先调理一个基础层，如一个缓冲层或一个超导体层的表面，然后将一个材料层配置到经调理的表面上。该经调理的表面可以是一个高质量的表面。通过这些方法制造的超导体制品能够表现出较高的临界电流密度。

Description

多层制品及其制造方法
本发明申请根据35U.S.C.§119(e)(1)要求1999年11月18日提交的题为“多层制品及其制造方法”的共同拥有的美国临时专利申请60/166,1140的优先权。
技术领域
本发明涉及多层制品(例如多层超导体)及制造此类多层制品的方法。
背景技术
多层制品可以用在多种用途中。例如，超导体，包括氧化物超导体，能够由多层制品形成。典型地，这样的超导体包含一个超导体材料层和一个通常称为衬底的层，衬底能够增强多层制品的机械强度。
通常，除增强多层超导体的强度以外，衬底应该表现某些其它的性质。例如，衬底应该具有低居里温度，以使衬底在超导体的应用温度下不具铁磁性。另外，衬底内的化学物种应该不能扩散到超导体材料层中，并且衬底的热膨胀系数应与超导体材料大致相同。此外，如果衬底用于氧化物超导体，衬底材料应该是相对抗氧化的。
对于某些材料，如钇-钡-铜-氧化物(YBCO)，材料处于超导体状态时提供高输送电流的能力取决于该材料的结晶取向。例如，当材料的表面被双轴织构时，这样的一种材料能够表现较高的临界电流密度(Jc)。
本文所使用的“双轴织构的”是指一个表面，对于此表面，晶粒与该表面平面的一个方向成精调直线。双轴织构的表面的一个典型例子是立方织构的表面，在该表面中晶粒几乎与该表面的垂直方向成精调直线。立方织构的表面的例子包括(100)[001]和(100)[011]表面，双轴织构的表面的一个例子是(113)[211]表面。
对于某些多层超导体，超导体材料层为一个外延层。本文所使用的“外延层”是指一个材料层，其结晶取向与一个材料层的表面的结晶取向直接相关，在该材料层表面上沉积外延层。例如，对于一种具有沉积到一个衬底上的一个超导体材料外延层的多层超导体，超导体材料层的结晶取向与衬底的结晶取向直接相关。因此，除上述的衬底性质外，衬底具有一个双轴织构的表面或一个立方织构的表面也是需要的。
某些衬底并不能容易地表现所有上述的特性，因此可以在衬底和超导体层之间沉积一个或多个通常称为缓冲层的中间层。缓冲层的抗氧化性可以比衬底更强，并减少衬底与超导体层之间的化学物种的扩散。此外，缓冲层能够具有一个与超导体材料很匹配的热膨胀系数。
典型地，一个缓冲层就是一个外延层，因此其结晶取向与沉积了缓冲层的表面的结晶取向直接相关。例如，在一个具有一个衬底、一个外延缓冲层和一个超导体材料外延层的多层超导体上，缓冲层表面的结晶取向与衬底表面的结晶取向直接相关，且超导体材料层的结晶取向与缓冲层表面的结晶取向直接相关。因此，具有一个缓冲层的多层超导体所表现出的超导特性可能依赖于缓冲层表面的结晶取向。
缓冲层表面可能包含某些缺陷和/或杂质。这些缺陷和/或杂质能够影响沉积在缓冲层(例如，超导体材料的一个外延层)表面上的外延层的结晶取向，这可能降低所获得的多层超导体表现某些超导特性的能力。
发明内容
本发明涉及多层制品(例如多层超导体)及制造此类多层制品的方法。总的来说，该方法包括调理(例如通过化学调理和/或热调理)一个基础层(例如，缓冲层或超导体材料层)的表面，然后在基础层经过调理的表面上沉积一个材料(例如，超导体材料、超导体材料的前体、覆盖材料(cap material)或一种缓冲层材料)层。经过调理的表面可能较光滑、具有较高的密度、具有较低的杂质密度、表现与其它材料层的增强的粘合性、和/或当用X-射线衍射测量时，表现较小的摇摆曲线宽度。用本发明方法制备的一种多层超导体能够表现较高的临界电流密度(JC)。用本发明方法制备的一种多层超导体可以制成一种具有较大的表面积的物体，如晶片或带状体。
本发明提供一种制造多层制品的方法，其包括：
在第三材料的表面上外延沉积第一材料，以形成第一材料沉积层，所述的第一材料为缓冲材料，所述第一材料沉积层具有如下表面，该表面具有结晶取向和光滑度、密度、杂质密度、粘合性或用X-射线衍射测量的摇摆曲线宽度；
将第一材料沉积层表面进行化学调理，以形成经调理的表面，该表面具有结晶取向和光滑度、密度、杂质密度、粘合性或用X-射线衍射测量的摇摆曲线宽度；所述经调理的表面的结晶取向与第一材料沉积层的表面的结晶取向直接相关，并且经调理表面的光滑度、密度、杂质密度、粘合性或摇摆曲线宽度不同于第一材料沉积层的表面的光滑度、密度、杂质密度、粘合性或摇摆曲线宽度；和
将第二材料层配置到所述经调理的表面上。
本文使用的“化学调理”是指一种方法，该方法使用一种或多种化学物种(例如气相化学物种和/或溶液相化学物种)来影响在一个材料层如缓冲层或超导体材料层的表面中的变化。
本文使用的“热调理”是指一种方法，该方法伴随或不伴随化学调理，使用高温影响在一个材料层如缓冲层或超导体材料层的表面中的变化。优选热调理在受控环境(例如温度和压力)中进行。
本发明一种多层制品的制造方法的一个方面的特征是，该方法包括化学调理一个缓冲层或超导体层的表面以形成经调理的表面，然后将第二材料层沉积到经调理的表面上。
本发明一种多层制品的制造方法的另一方面的特征是，该方法包括将一个缓冲层或超导体层的表面加热至高于该层的沉积温度或结晶温度至少约5℃的温度。在低于约700托的氧气压力下加热该层以形成一个被调理的表面。该方法还包括将第二材料层沉积到经调理的表面上。
本文使用的“沉积温度”是指正被调理的层被沉积时的温度。
本文使用的“结晶温度”是指最初非结晶或无定形的材料呈现结晶形态时的温度。
本发明一种多层制品的制造方法的一个进一步的特征是，该方法包括将一个缓冲层或超导体层的表面加热至高于该层的结晶或沉积温度至少约5℃的温度以形成一个经调理的表面。该缓冲层或超导体层被沉积到一种多晶材料的表面上。该方法还包括将第二材料层沉积到经调理的表面上。
多晶材料的例子包括通过变形织构形成的材料和通过真空沉积(例如离子束辅助沉积)形成的材料。
在某些实施方案中，可以结合两种或多种前述方法。
经调理的表面可以是双轴织构的。
第二材料可以是一种缓冲材料、覆盖材料、超导体材料或超导体材料的一种前体。
多层制品可以包括额外的材料层，如，例如超导体材料层和/或缓冲材料层。一个或多个额外层的表面可以按照此处的描述进行调理，并表现出如此处所述的经调理的表面的性质。
多层制品可以具有一个或多个临界电流密度至少约为1×106安培/平方厘米的超导体材料层。
本发明的一个潜在的优点是其能够提供具有一个或多个具有较高临界电流密度的超导体材料层的多层超导体，以及制造此类超导体的方法。
本发明的另一个潜在的优点是其能够提供一种多层制品(例如一种多层超导体)以及制造此类多层制品的方法，该多层制品具有一个缓冲层和/或一个具有高质量表面的超导体层。例如，该表面可以较光滑、具有较高的密度、具有较低的杂质密度、表现与其它材料层的增强的粘合性，和/或当用X-射线测量时，较小的摇摆曲线宽度。
本发明另外的一个潜在优点是其能够提供制造多层制品(例如多层超导体)的方法，该方法可以利用宽范围的条件(例如温度、气体环境和气体压力)进行。
本发明的一个进一步的潜在优点是其能够提供制造多层制品(例如多层超导体)的方法，该方法在制备一个或多个基础材料层如缓冲层和/或超导体材料层的过程中不使用高的氧气压力。这可以允许将对氧气较为敏感的材料如银或镍用作基础层(例如衬底)。
本发明的再一个进一步的潜在优点是其能够提供制造一种多层制品(例如一种多层超导体)的方法，该方法例如在制备一个缓冲层和/或一个超导体材料层的过程中，使用化学调理对一个或多个基础材料层的表面进行调理。这可以降低与制备该多层制品有关的成本和复杂性。
本发明的另一个潜在优点是其能够提供制造一种多层超导体的方法，其中，超导体材料或其一种前体可以沉积在一个基础层(例如一个超导体材料层或一个缓冲层)的经调理的表面上，而不需要先行将经调理的表面退火。这可以降低与制备基础层有关的成本的复杂性。
在将多个基础层(例如多个缓冲层和/或多个超导体材料层)用于多层制品中的实施方案中，前述的方法和/或优点可以应用到多个基础层的一层或多层上。
在某些实施方案中，优选超导体材料由YBCO(例如YBa2Cu3O7-x)制成。
如果没有另外定义，本文使用的所有的技术和科学术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义一致。尽管在实施本发明过程中可以使用与本文所述的材料和方法相似或等同的方法和材料，但下文将描述合适的方法和材料。在发生冲突时，应以本发明说明书，包括定义为准。另外，材料、方法和实施例仅为示例而非限制。
从附图、优选实施方案的描述及权利要求可明显看出本发明的其它特征、方面和优点。
附图说明
图1是一种多层制品的一个实施方案的横截面视图；
图2是一种多层制品的另一个实施方案的横截面视图；
图3是按照实施例8的描述制备的一个CeO2表面的高分辨率扫描电子显微照片；
图4是按照实施例10的描述制备的一个CeO2表面的高分辨率扫描电子显微照片；
图5是按照实施例12的描述制备的一个CeO2表面的高分辨率扫描电子显微照片。
具体实施方案
本发明涉及多层制品，如超导体制品，以及制造此类多层制品的方法。该方法包括调理一个缓冲层和/或一个超导体层的表面，然后将另一个材料层(例如一种超导体材料、一种超导体材料的一种前体、一种覆盖材料或一种缓冲材料)沉积到经调理的表面上。
按照本发明的方法调理的表面可以具有清晰的结晶取向。优选该表面为双轴织构的表面(例如一个(113)[211]表面)，如立方织构的表面(例如一个(100)[011]表面或一个(100)[001]表面)。优选此类一个经调理的表面的X-射线衍射极图中的峰值具有小于约20°的半高宽(FWHM)(例如小于约15°、小于约10°或约5°到约10°)。
按照本发明的方法调理的表面可能较为光滑。例如，在化学调理和/或热调理后，根据由高分辨率扫描电子显微术或原子力显微术的测定，表面可能比调理前更为光滑。
通过X-射线衍射测量，按照本发明的方法调理的表面可能具有较小的摇摆曲线宽度。例如，在化学调理和/或热调理后，该表面可能包含相互正交对准的区域和/或具有直边的区域。
按照本发明的方法调理的表面可能具有较高的密度。例如，在化学调理和/或热调理后，通过在较高的放大率(例如，至少约30,000倍的放大率)观察该表面测得该表面可能具有较少的表面空隙或裂纹。
按照本发明的方法调理的表面可能具有较低的杂质密度。例如，在化学调理和/或热调理后，通过在较高的放大率(例如，至少约30,000倍的放大率)观察该表面测得该表面具有较小量的外来化合物。
按照本发明的方法调理的表面可以表现与其它材料的良好的粘合性。例如，在化学调理和/或热调理后，通过光学检测、扫描电子显微术和/或原子力显微术测得该表面可以显现减少的剥落。
图1表示可以通过本发明方法制成的一种多层制品10(例如晶片或带状体)的一个实施方案。制品10包含材料层12、14和16。在制备制品10的过程，层14沉积(例如外延沉积)到层12的表面13上。然后按照本发明的方法对层14的表面15进行调理，然后将层16沉积到经调理的表面15上。
在某些实施方案中，调理表面15的方法包括热调理。通常可以使用多种条件热调理表面15。例如，可以在大气压力下、低于大气压力或高于大气压力热调理表面15。另外，在热调理的过程中表面15暴露的氛围可以是一种化学调理环境(例如一种氧化环境、一种还原环境)或一种惰性环境。
在某些实施方案中，当热调理表面15时，使用较高的总气体压力。例如，当调理表面15时，可以使用至少约1托的总气体压力。在这些实施方案中，优选总气体压力至少约10托，更优选至少约100托，最优选至少约760托。在某些实施方案中，使用较高的氧气气体压力热调理表面15可以使表面15具有良好的粘合性。
在其它实施方案中，当调理表面15时，可以使用较低的总气体压力。例如，可以使用低于约1托(例如低于约1×10-1托，如低于约1×10-3托)的总气体压力。
在某些实施方案中，如当层12由一种对氧敏感的材料制成时，在调理表面15时可以使用低的氧气气压。例如，可以使用低于约700托(例如低于约100托)的氧气气压。在这些实施方案中，优选氧气气压力低于约1托，更优选低于约0.1托，最优选低于约1×10-5托。
在低氧气气压下热调理表面15时可以使用的气体的例子包括惰性气体(例如氦、氖、氪和/或氩气)、氢气或合成气体(例如氩气和氢气的一种混合物，其含有例如约4体积％氢气或约5体积％氢气)、空气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氧化氮及这些气体的混合物。在某些实施方案中，气体混合物还可以含有水蒸汽。例如，气体可以是含水的合成气体(例如氩气、约5体积％氢气和约17托水蒸汽)。
在某些实施方案中，如当层12由一种多晶材料形成时，表面15可以在较高的氧气气压下进行热调理。可用于这些实施方案中的气体包括，例如空气、纯氧气、一氧化碳、二氧化碳、氧化氮及这些气体的混合物。
在热调理过程中，表面15被加热到足够热调理表面15的温度。典型地，表面15被加热到至少高于层14的沉积温度或结晶温度约5℃的温度。优选表面15被加热到高于层14的沉积温度或结晶温度约15℃到约500℃的温度，更优选高于层14的沉积温度或结晶温度约75℃到约300℃的温度，最优选高于层14的沉积温度或结晶温度约150℃到约300℃的温度。例如，表面15可以被加热到至少约500℃的温度(例如至少约800℃)到低于约1200℃的温度(例如低于约1050℃)。
在某些实施方案中，可以提高(例如，陡升)层14的温度超过某个温度范围而达到热调理层14的温度。例如，层14的温度可以从室温陡升至某个提高的温度，在该提高的温度下进行热调理。在这些实施方案中，优选提高层14的温度至高于其沉积温度或结晶温度至少约5℃，以达到进行热调理的温度，更优选高于其沉积温度或结晶温度至少约75℃，最优选高于其沉积温度或结晶温度至少约150℃。
正如本领域的技术人员将理解的，用于热调理表面15的时间、温度和气体压力可以根据所使用的特定条件而变化。例如，当使用约800℃到约1050℃的温度，约760托的由氩气和约4体积％氢气的混合物形成的、含有低于约1×10-5托氧气的合成气体时，表面15应该调理至少约1秒(例如至少约30秒，如约30秒至约100小时)。例如当使用一种含有水蒸汽的合成气体(例如，氩气、约5体积％氢气和17托水)调理表面15时，也可以使用类似的工艺条件。
本领域的技术人员将理解按照本发明热调理一个表面所使用的特殊的工艺参数应该至少足以为表面的质量提供实质性的改进(例如，增加光滑度、增加密度、减少污染和/或减小摇摆曲线FWHM)。优选使用足以产生一个双轴织构，更优选立方织构的表面的工艺参数调理表面。
即使当层12由一种对氧气敏感的材料形成时，也可以通过选择适宜的表面温度、氧气气压和接触时间而使用高的氧气气压调理表面15。例如，在约760托纯氧气，约950℃的温度下，可以调理表面15短于约5分钟的时间。这些条件可能是调理表面15的适宜条件，而不会实质性氧化制成层12的材料。
在某些实施方案中，使用一种包括化学调理的方法调理表面15。化学调理表面15的方法包括真空技术(例如，活性离子腐蚀、等离子腐蚀及用含氟化合物如BF3和/或CF4进行的腐蚀)。这样的技术是已知的并公开在例如超大规模集成电路时代的硅加工技术(Silicon Processing for the VLSI Era)，第1卷，S.Wolf和R.N.Tanber编，第539-574页，Lattice Press，Sunset Park，CA，1986中。
也可以使用溶液相技术化学调理表面15，如公开在冶金学与治金 学工程丛书(Metallurgy and Metallurgical Engineering Series)，第三版，George L.Kehl，McGraw-Hill，1949中的技术。在某些实施方案中，化学调理表面15包括将表面15与一种弱酸溶液接触。典型地，在一种弱酸溶液中，酸的浓度低于约10％(例如低于约2％，或低于约1％)。弱酸的例子包括高氯酸、硝酸、氢氟酸、盐酸、乙酸和缓冲的酸溶液。一种优选的酸溶液是约1％的硝酸水溶液。卤素组合物(例如液体卤素，如溴、氟或氯，或者为纯态或者在一种适宜的溶剂中)也可以用于化学调理表面15。
正如本领域的技术人员将理解的，在化学调理过程中使用的特定的时间和温度可以根据化学调理表面15的方式而变化。例如，可以使用一种1％的硝酸水溶液在室温下化学调理表面15约两分钟。在某些实施方案中，化学调理一个表面可以包括将沉积在该表面上的材料层去掉。例如，在一个基础层(例如，一个缓冲层或一个超导体层)的表面上可能形成一个超导体中间体(例如金属氟氧化物)层。化学调理基础层的表面的方法可以包括除去超导体中间体层(例如，通过与一种弱酸接触)，然后可以在经调理的表面上形成一个新的超导体材料层，形成所需要的多层制品。
本领域的技术人员将理解，用于按照本发明化学调理表面的特定的工艺参数应该至少足够为表面的质量提供实质性的改进(例如，增加光滑度、增加密度、降低污染和/或降低摇摆曲线FWHM)。优选使用足以获得一个双轴织构，更优选立方织构的表面的工艺参数对表面进行调理。
尽管前面的讨论将化学调理和热调理作为制备多层制品10时调理表面15的两种独立的方法来说明，但是本发明并不限于这种方式。而是，当调理表面15时，这些调理技术可以被结合起来。因此，例如，表面15可以进行热调理，然后化学调理。作为选择，表面15可以被化学调理，然后进行热调理。同样，表面17也可以是热和/或化学调理的。
层12可以由任何能够支持层14的材料制成。在制品10为一种多层超导体的实施方案中，层12可以由衬底材料制成。可以用作层12的衬底材料的例子包括，例如，金属和/或合金，如镍、银、铜、锌、铝、铁、铬、钒、钯、钼和/或它们的合金。在某些实施方案中，如当制品10是较大表面积的物体(例如，晶片或带状体)形式时，层12能够表现出高的柔韧性。
也可以使用真空技术如离子束辅助沉积、倾斜式衬底沉积及其它本领域已知的真空技术制备层12的表面13，在例如一个随机取向的多晶表面上形成一种双轴织构的表面。
在某些实施方案中，缓冲层14可以使用离子束辅助沉积(IBAD)形成。在该技术中，使用例如电子束蒸发、溅射沉积或脉冲激光沉积蒸发缓冲层材料，同时一种离子束(例如，一种氩气离子束)指向一个衬底的一个光滑的、无定形表面，蒸发的缓冲层材料在该表面上沉积。
例如，可以使用离子束辅助沉积技术，通过将一种具有类岩盐结构(例如，一种具有岩盐结构的材料，如一种氧化物，包括MgO，或一种氮化物)的缓冲层材料蒸发到一个衬底的一个光滑的、无定形的表面(例如一个具有低于约100埃的均方根粗糙度的表面)上，从而缓冲层材料具有一个在平面内和平面外均实质性对准(例如约13°或13°以下)的表面，来形成缓冲层。
在缓冲层材料的IBAD过程中使用的条件可以包括，例如，约0℃至约400℃(例如，从大约室温至约400℃)的衬底温度、从约1.0埃/秒至约4.4埃/秒的沉积速率、从约200eV至约1200eV的离子能，和/或约110微安/平方厘米至约120微安/平方厘米的离子流。
在某些实施方案中，当使用IBAD时，衬底由一种具有多晶、非无定形的基础结构(例如，一种金属合金，如一种镍合金)并具有一个由不同种材料(例如，Si3N4)形成的光滑的无定形表面的材料形成。
在某些实施方案中，可以通过在一个原始IBAD表面上的外延生长沉积多个缓冲层。每个缓冲层在平面内和平面外基本对准(例如约13°或13°以下)。
在其它实施方案中，衬底可以由具有一个或多个双轴织构(例如，(113)[211])或立方织构(例如，(100)[001]或(100)[011])的表面的合金形成。合金可以具有较低的居里温度(例如，最高约80K、最高约40K或最高约20K)。
在这些实施方案中，衬底可以是含有两种以下金属的二元合金：铜、镍、铬、钒、铝、银、铁、钯、钼、金和锌。例如，可以由镍和铬形成一种二元合金(例如，镍和最多20原子％铬、镍和约5至约18原子％铬，或镍和约10至约15原子％铬)。另外的一个例子是，可以由镍和铜形成一种二元合金(例如，铜和约5至约45原子％镍、铜和约10至约40原子％镍，或铜和约25至约35原子％镍)。一种二元合金还可以包括较小量的杂质(例如，低于约0.1原子％杂质，低于约0.01原子％杂质，或低于约0.005原子％杂质)。
作为选择，在这些实施方案中，衬底含有两种以上的金属(例如，一种三元合金或一种四元合金)。例如，合金可以含有一种或多种氧化物形成物(例如，Mg、Al、Ti、Cr、Ga、Ge、Zr、Hf、Y、Si、Pr、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu、Th、Er、Tm、Be、Ce、Nd、Sm、Yb和/或La，优选Al为氧化物形成物)，以及两种以下的金属：铜、镍、铬、钒、铝、银、铁、钯、钼、金和锌。合金可以含有至少约0.5原子％氧化物前体(例如，至少约1原子％氧化物前体，或至少约2原子％氧化物前体)，及至多约25原子％氧化物前体(例如，至多约10原子％氧化物前体，或至多约4原子％氧化物前体)。例如，合金可以包括一种氧化物前体(例如，至少约0.5铝)、约25原子％至约55原子％镍(例如，约35原子％至约55原子％镍，或约40原子％至约55原子％镍)，其余为铜。另外的一个例子是，合金可以含有一种氧化物前体(例如，至少约0.5原子铝)、约5原子％至约20原子％铬(例如，约10原子％至约18原子％铬，或约10原子％至约15原子％铬)，其余为镍。该类合金可以含有较小量的额外的金属(例如，低于约0.1原子％额外的金属，低于约0.01原子％额外的金属，或低于约0.005原子％额外的金属)。
由一种合金形成的衬底可以通过例如，将粉末形式的组分结合起来，熔化，冷却，或例如通过将固态的粉末分散在一起来生产。然后可以通过变形织构(例如，退火和轧制、旋锻和/或拉拔)形成一个织构的表面(例如，双轴织构的或立方织构的)以制成合金。作为选择，可以将合金组分层叠为一个胶辊构形，然后进行变形织构。在某些实施方案中，一种具有较低热膨胀系数的材料(例如，Nb、Mo、Ta、V、Cr、Zr、Pd、Sb、NbTi、一种金属互化物如NiAl或Ni3Al，或其混合物)可以形成一根棒并在变形织构之前嵌入到合金中。
优选层12的表面13具有较清晰的结晶取向。例如，表面13可以是一个双轴织构的表面(例如，一个(113)[211]表面)或一个立方织构的表面(例如，一个(100)[011]表面或一个(100)[001]表面)。优选表面13的X-射线衍射极图中的峰值具有小于约20°(例如，小于约15°，小于约10°或约5°至约10°)的FWHM。
在某些实施方案中，使用一种配置在衬底表面上的中间层可以缓和稳定氧化物的形成，直至在双轴织构的合金表面上形成第一外延(例如，缓冲)层。适用于本发明的中间层包括那些当暴露于由外延缓冲层膜的初期生长所要求的Po2和温度所确定的条件下，不会形成表面氧化物的外延金属或合金层。此外，缓冲层作为一个阻挡层，在外延层的初期生长过程中，防止衬底元素向中间层迁移并形成氧化物。如果不存在这样的一个中间层，预期衬底中的一种或多种元素将会在衬底表面上形成热力学稳定的氧化物，由于例如在该氧化物层中缺乏组织，这些热力学稳定的氧化物能够显著地妨碍外延层的沉积。
在这些实施方案的特定方案中，中间层在本质上是过渡性的。此处使用的“过渡性的”是指在外延膜的初期成核和生长后，被全部或部分合入到双轴织构的衬底中或与双轴织构的衬底混合的一个中间层。即使在这些情况下，中间层与双轴织构的衬底仍然是清楚的，直到沉积膜的处延本质被确定。当中间层具有某些不合需要的性质，例如，中间层具有磁性时，如镍可优选使用过渡性的中间层。
中间层金属的例子包括镍、金、银、钯及其合金。另外的金属或合金可以包括镍和/或铜的合金。沉积在中间层上的外延膜或层可以包括金属氧化物、硫族化物、卤化物和氮化物。在优选实施方案中，中间金属层在外延膜的沉积条件下不发生氧化。
应该注意，在初始缓冲层结构的成核和生长形成外延层之前，沉积的中间层没有完全地合入到衬底中或没有完全地扩散到衬底中。这意味着按照合适的性质如在衬底合金中恒定的扩散、在实际的外延缓冲层生长条件下对氧化的热力学稳定性以及与外延层相配的晶格，选定金属(或合金)后，沉积的金属层的厚度必须适应外延层的沉积条件，特别是温度。
中间金属层的沉积可以一种真空法如蒸发或溅射，或通过电化学方法如电镀(有或没有电极)来完成。这些沉积的中间金属层在沉积后可以是或不是外延的(取决于沉积时的衬底温度)，但可以在随后的沉积后热处理过程中获得外延取向。
层14可以由一种缓冲材料(例如，一种金属氧化物缓冲材料)、一种超导体材料(例如，一种氧化物超导体材料)或一种超导体材料的一种前体(例如，一种氧化物超导体材料的一种前体)形成。
缓冲材料的例子包括金属和金属氧化物，如本领域的技术人员已知的银、镍、TbOx、GaOx、CeO2、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、Y2O3、Gd2O3、LaAlO3、SrTiO3、LaNiO3、LaCuO3、SrRuO3、NdGaO3、NdAlO3和/或氮化物。可以使用本领域的技术人员已知的包括有机金属沉积在内的溶液相技术制备缓冲材料。这样的技术公开在例如，S.S.Shoup等，J.Am.Cer.Soc.，第81卷，3019；D.Beach等，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，第495卷，263(1988)；M.Paranthaman等，超导体科学技术(Superconductor Sci.Tech.)，第12卷，319(1999)；D.J.Lee等，日本应用物理学报(Japanese J.Appl.Phys.)，第38卷，L178(1999)和M.W.Rupich等，I.E.E.E.Trans.On Appl.Supercon.，第9卷，1527中。
在某些实施方案中，可以将溶液涂膜法用于在织构的衬底上沉积任意氧化物层的其中之一或一种结合；然而，溶液涂膜法特别适用于在一个织构的金属衬底上沉积初始(晶种)层。晶种层的作用是提供1)当在相对于衬底的一种氧化性氛围中沉积下一氧化物层时(例如，来自一个氧化物目标的氧化钇稳定的氧化锆的磁电管溅射沉积)，保护衬底免受氧化；和2)后继氧化物层生长的外延样板。为满足这些要求，晶种层应该在金属衬底的整个表面上外延生长，并不含任何可能会妨碍后继外延氧化物层沉积的污染物。
可以形成氧化物缓冲层，以便促进润湿基础衬底层。此外，在特殊的实施方案中，可以使用金属醇盐前体(例如，“溶胶凝胶”前体)形成金属氧化物层，其中使用金属醇盐前体比其它已知的方法显著地降低碳污染水平。
如果在一个氧化物层下面的衬底没有被用来制造该氧化物层的前体溶液充分覆盖，则在一种相对于衬底的具有氧化性的氛围中沉积后继氧化物层时，该氧化物层可能不能为衬底提供所需要的免受氧化的保护，并且可能不能为后继层的外延生长提供一个完整的样板。通过加热一种溶胶凝胶前体膜，并因此使前体流入衬底颗粒的边界区域，就能够产生完全覆盖。加热可以使用较低的温度，例如，约80℃至约320℃，例如，约100℃至约300℃，或约100℃至约200℃。这样的温度可以保持约1至约60分钟，例如，约2至约45分钟，或约15至约45分钟。也可以使用更高的温度在较短的一段时间内进行该加热步骤，例如，可在300℃的温度下，在2分钟内形成膜。
可以在干燥除去溶胶凝胶前体膜上的过量溶剂之后，或与其同时进行该加热步骤。但是必须在前体膜分解之前进行。
与在一种还原环境(例如，4％H2-Ar)中制备常规氧化物膜伴随的碳污染被认为是前体膜的有机组分的不完全去除引起的。在氧化物层中或靠近氧化物层存在含碳污染物CxHy和CaHbOc可能是有害的，因为这些污染物能够改变后继氧化物层的外延沉积。此外，被捕获的埋入膜中的含碳污染物可能在后继氧化层的加工步骤中被氧化，该氧化能够利用氧化气氛。含碳污染物的氧化可以导致CO2的形成、随后使膜起泡并可能使膜分层，或导致复合结构的其它缺陷。因此，让产自金属醇盐分解的含碳污染物仅在氧化物层形成之后被氧化是不合需要的。优选含碳污染物在分解发生时被氧化(并因此以CO2的形式从膜结构上除去)。另外，在膜表面上或靠近膜表面存在含碳物质能够抑制后继氧化物层的外延生长。
按照特殊的实施方案，在涂覆金属衬底或缓冲层后，可以风干前体溶液，然后在初期分解步骤加热前体溶液。作为选择，可以在一种相对于金属衬底为还原性的氛围中，在初期分解步骤直接加热前体溶液。一旦氧化物层开始在金属衬底上以所需要的外延取向成核，例如，通过添加水蒸汽或氧气增加生产气体的氧气水平。在典型的条件下，进行成核步骤需要约5分钟至约30分钟。
在某些实施方案中，可以使用一种低真空气相沉积方法(例如，一种在至少约1×10-3托压力下进行的方法)形成外延缓冲层。该方法可以包括使用较高的速度和/或缓冲层材料的聚焦气体束形成外延层。
气体束中的缓冲层材料可以具有大于约1米/秒的速度(例如，大于约10米/秒或大于约100米/秒)。气体束中的缓冲层材料的至少约50％可能入射到目标表面上(例如，气体束中的缓冲层材料的至少约75％可能入射到目标表面上，或气体束中的缓冲层材料的至少约90％可能入射到目标表面上)。
该方法可以包括将一个目标表面(例如，一个衬底表面或一个缓冲层表面)置于一种低真空环境中，并将目标表面加热到一个温度，该温度高于在其余条件相同的一种高真空环境(例如，低于约1×10-3托，如低于约1×10-4托)中，在目标表面上形成所需要的材料的外延层的阈值温度。含有缓冲层材料及选择性的一种惰性载气的气体束以至少约1米/秒的速度指向目标表面。在该低真空环境中提供一种调理气体。该调理气体可以含在气体束中，或者以一种不同的方法将该调理气体引入到该低真空环境中(例如，渗入该环境中)。该调理气体能够与存在于目标表面的物质(例如，污染物)反应而除去该物质，这将促进外延缓冲层的成核。
使用低真空(例如，至少约1×10-3托，至少约0.1托，或至少约1托)，在低于使用高真空(例如，至多约1×10-4托)物理气相沉积法生长外延层的温度的表面温度下，外延缓冲层可以在目标表面上生长。目标表面的温度可以为，例如，约25℃至约800℃(例如，约500℃至约800℃，或约500℃至约650℃)。
外延层可以较快的速率生长，如，例如至少约50埃/秒。
在某些实施方案中，可以在高透射能下通过从一种金属或一种金属氧化物目标溅射沉积一种外延缓冲层。衬底的加热可以通过电阻加热或偏压和电势实现，以获得一种外延形态。可以使用沉积静压(deposition dwell)由一种金属或一种金属氧化物目标形成一种氧化物外延膜。
通常位于衬底之上的氧化物层可以通过将衬底表面暴露于一种还原环境中的高能离子之下而除去，也称为离子束腐蚀。离子束腐蚀可用来在膜沉积之前，通过从衬底上除去残留的氧化物或杂质，并产生一个基本上无氧化物的、优选为双轴织构的衬底表面来清洁衬底。这改进了衬底与后继的沉积材料之间的接触。高能离子可以通过各种离子枪，例如向衬底表面方向加速诸如Ar+的离子的离子枪来产生。优选使用电子束加速电压大于150eV的栅极离子源。作为选择，可以在靠近衬底表面的一个区域内建立等离子区。在该区域内，离子与衬底表面发生化学作用，从该表面上除去物质，包括金属氧化物，产生实质上不含氧化物的金属表面。
另一种从衬底上除去氧化物层的方法是用电偏压衬底。如果衬底带或衬底线被制成相对于阳极电位而言为负性，在沉积之前(如果目标被遮挡)，或在整个膜沉积的过程中，它将受到来自气体的离子稳定的轰击。这种离子轰击能够清除线或带表面上的吸附气体，否则这些吸附气体可能会被合入膜中，也能够将衬底加热到提高的沉积温度。通过提高外延膜的密度或光滑度，这样的离子轰击能够更加有利。
当形成合适织构的、实质上不含氧化物的衬底表面时，可以开始沉积一个缓冲层。可以使用一个或多个缓冲层，每层都包括一种单一的金属或氧化物层。在某些优选的实施方案中，允许衬底通过一台适合进行这些实施方案的沉积方法步骤的装置。例如，如果衬底为线或带状的形式，衬底可以从一个放线盘到一个收线盘直线式通过，当衬底通过两个带盘之间时可以在衬底上进行该步骤。
按照某些实施方案，衬底材料被加热到一个提高的温度，该温度低于衬底材料的熔点约90％，但高于在一种真空环境中，以预定的沉积速率在衬底材料上形成所需材料的外延层的阈值温度。为形成合适的缓冲层晶体结构和缓冲层光滑度，通常优选高衬底温度。在金属上生长氧化物层的通常的低限温度为大约200℃至800℃，优选500℃至800℃，更优选650℃至800℃。各种众所周知的方法如辐射加热、对流加热和传导加热适于短(2厘米至10厘米)长度的衬底，但对于更长的长度(1米至100米)，这些技术可能不是很适合。同样为在制造过程中获得所需要的高生产率，在该过程中衬底线或带必须在沉积站之间移动或转移。按照特殊的实施方案，通过电阻加热，即，通过使电流通过金属衬底加热衬底，该方法对于长度大的制造过程易于标度。当同时允许在这些区域之间快速的移动时，该方法的效果很好。通过使用光学高温计和闭环反馈系统可以实现温度控制，从而控制提供给正被加热的衬底的能量。可以通过在至少两个不同的衬底部分中与衬底接触的电极将电流提供给衬底。例如，如果带或线形式的衬底通过带盘之间，带盘自身就能够充当电极。作为选择，如果在盘之间转移衬底时使用导向器，该导向器就充当电极。电极也可以完全独立于导向器或带盘。在某些优选的实施方案中，电流被施加到电流轮之间的带上。
为在合适的温度下在带上进行沉积，需要将沉积到带上的金属或氧化物材料沉积在电流轮之间的区域中。因电流轮可以是有效散热器并因此能够冷却邻近轮区域中的带，所以需要将材料不沉积在邻近轮的区域中。在溅射的情况下，希望沉积到带上的带电材料不受其它邻近溅射流通路的带电表面或材料的影响。因此，优选溅射内腔被设定为将可能影响或偏转溅射流及其它沉积要素的组分和表面，包括内腔壁，置于远离沉积区的位置，这样在合适的沉积温度下，它们就不会改变所需要的直线流动通路及金属或金属氧化物在适当的沉积温度下在带区域中的沉积。
在优选的实施方案中，使用了三个缓冲层。将一个Y2O3或CeO2层(例如，约20纳米至约50纳米厚)沉积(例如，使用电子束蒸发)到衬底表面上。使用溅射法(例如，使用磁电管溅射法)将一个YSZ层(例如，约0.2微米至约1微米厚，如约0.5微米厚)沉积到Y2O3或CeO2层的表面上。将一个CeO2层(例如，约20纳米厚)沉积(例如，使用磁电管溅射法)到YSZ表面上。可以按照本文的描述，对这些层的一个或多个表面进行化学和/热调理。
作为选择，层14可以由一种超导体材料形成。超导体材料的例子包括稀土-钡-铜-氧化物(REBCO)，如YBCO(例如，YBa2Cu3O7-x)、铋-锶-钙-铜-氧化物、铊和/或汞基超导体。
在某些实施方案中，层14由按照一种方法制备的YBa2Cu3O7-x形成，YBa2Cu3O7-x的制备方法包括首先将YBa2Cu3O7-x的一种前体沉积到表面13上，然后使前体发生反应，形成YBa2Cu3O7-x。
超导体层可以由一种含有较小量游离酸的前体组合物形成。在水溶液中，这相当于一种具有相对中性pH值(例如，既非强酸性，也非强碱性)的前体组合物。前体组合物可以被用于制备使用多种材料的多层超导体，这些材料可以被用作基础层，在基础层上形成超导层。
该前体组合物的总游离酸浓度可以低于约1×10-3M(例如低于约1×10-5M或约1×10-7M)。可以含在前体组合物中的游离酸的例子包括三氟乙酸、乙酸、硝酸、硫酸、碘化物的酸、溴化物的酸和硫酸盐的酸。
当该前体组合物含水时，前体组合物可以具有至少约为3(例如，至少约为5或约为7)的pH值。
在某些实施方案中，该前体组合物可以具有较低的水含量(例如，低于约50体积％水，低于约35体积％水，低于约25体积％水)。
在前体组合物中含有三氟乙酸和一种碱土金属(例如，钡)的实施方案中，可以选择三氟乙酸的总量，使前体组合物中所含的氟(例如，以三氟乙酸盐的形式)与前体组合物中所含的碱土金属(例如，钡离子)的摩尔比至少为约2∶1(例如，从约2∶1至约18.5∶1，或从约2∶1至约10∶1)。
由这样的前体组合物制成的超导制品可以包含一个以上的超导体层(例如，互相配置在其上的两个超导体层)。超导体层的组合厚度可以至少为约1微米(例如，至少约2微米，至少约3微米，至少约4微米，至少约5微米或至少约6微米)。超导体层的组合临界电流密度可以至少为约5×105安培/平方厘米(例如，至少约1×106安培/平方厘米，或至少约2×106安培/平方厘米)。
前体组合物一般可以通过将第一金属(例如，铜)的可溶化合物、第二金属(例如，一种碱土金属)的可溶化合物和一种稀土金属的可溶化合物与一种或多种所需要的溶剂及选择性的水结合来制备。此处所使用的第一金属、第二金属和稀土金属的“可溶化合物”是指这些金属的能够溶于前体组合物所含的溶剂中的化合物。这样的化合物包括，例如，这些金属的盐(例如，硝酸盐、乙酸盐、醇盐、碘化物、硫酸盐和三氟乙酸盐)、氧化物和氢氧化物。
在其它的实施方案中，超导体材料可以由一种前体溶液形成，该前体溶液由一种有机溶液形成，该有机溶液含有金属三氟乙酸盐，其中通过使用本领域的技术人员已知的方法使BaCO3、YCO3·3H2O和Cu(OH)2CO3的粉末结合并反应制备该金属三氟乙酸盐。例如，该粉末可以在甲醇中以2∶1∶3的比例结合，并过量20-30％(5.5-6.0M)三氟乙酸，然后回流(例如，约4至10小时)，生产一种铜含量大约为0.94M的溶液。
然后将该前体溶液涂覆到表面(例如，一个缓冲层表面)上，如通过本领域的技术人员已知的旋涂法或其它技术。
涂覆到表面(例如，一个缓冲层表面)上后，对前体溶液进行热处理。通常可以在湿润的氧气(例如，具有约20℃至约75℃的露点范围)中，以约0.5℃/分钟至约10℃/分钟的速率将溶液加热至约300℃至约500℃范围的温度。然后，可以在湿度降低的氮气-氧气气体混合物(例如，具有含有约0.5％至约5％氧气的组成)中加热涂层约1小时到一个低于约860℃的温度(例如，低于约810℃)。该涂层可以选择性地被进一步加热到一个约860℃至约950℃的温度约5至约25分钟。随后，可以在干燥的氧气中，将该涂层加热到一个约400℃至约500℃的温度至少约8个小时。然后在静止的干燥氧气中将涂层冷却至室温。
在某些实施方案中，通过使用一种或多种标准技术，如有机金属溶液沉积、有机金属化学气相沉积、反应蒸发、等离子喷射、分子束外延、激光烧蚀、离子束溅射、电子束蒸发沉积一种金属氟氧化物，或沉积一种金属三氟乙酸盐涂层并按照本文所述分解该涂层来制备一种超导体。可以沉积多个金属氟氧化物层。
在这些实施方案中，所需要的氧化物超导体的其它组成金属元素也以化学计量比例沉积。
然后以通过调节温度、气态水的蒸汽压力或二者所选定的转化速率把金属氟氧化物转化为一种氧化物超导体。例如，金属氟氧化物可以在25℃下，在一种具有低于100％相对湿度(例如，低于约95％相对湿度，低于约50％相对湿度，或低于约3％相对湿度)的湿含量的加工气体中被转化，形成某种氧化物超导体，然后使用具有更高湿含量(例如，在25℃下，约95％相对湿度至约100％相对湿度)的加工气体完成转化。转化金属氟氧化物的温度可以在约700℃至约900℃范围内(例如，约700℃至约835℃)。优选加工气体含有约1体积％氧气至约10体积％氧气。
在备选实施方案中，超导体层的制备包括使用一种含有一种或多种金属的三氟乙酸盐的前体组合物，及当处理前体组合物以形成一种超导体层的中间体(例如，超导体层的金属氟氧化物中间体)时控制所存在的总水含量(例如，前体组合物中的受控的液态水含量和周围环境中的受控的水蒸汽含量)。例如，该前体组合物可以具有较低的水含量(例如，低于约50体积％水，低于约35体积％水，或低于约25体积％水)和/或较高的固含量，而周围气体环境可以具有较高的水蒸汽压力(例如，从约5托至约50托水，从约5托至约30托水，或从约10托至约25托水)。超导体中间体(例如，金属氟氧化物中间体)可以在一段较短的时间内(例如，少于约5小时，少于约3小时，或少于约1小时)形成。
处理该前体组合物可以包括将前体组合物从起始温度(例如，室温)，以至少约为5℃/分钟的速率(例如，至少约为8℃/分钟，或至少约为10℃/分钟)，在水蒸汽压力约为5托至约50托水蒸汽(例如，约5托至约30托水蒸汽，或约10托至约25托水蒸汽)中，加热至约190℃至约215℃(例如，约210℃)的温度。氧气的公称分压可以为，例如，约0.1托至约760托。
然后在水蒸汽压力约为5托至约50托水蒸汽(例如，约5托至约30托水蒸汽，或约10托至约25托水蒸汽)下，以约0.05℃/分钟至约0.4℃/分钟的速率(例如，约0.1℃/分钟至约0.4℃/分钟)，继续加热至约220℃至约290℃的温度(例如，约220℃)。氧气的公称分压可以为，例如，约0.1托至约760托。
然后在水蒸汽压力约为5托至约50托水蒸汽下(例如，约5托至约30托水蒸汽，或约10托至约25托水蒸汽)，以至少约2℃/分钟的速率(例如，至少约3℃/分钟，或至少约5℃/分钟)加热至约400℃，形成超导体材料的一种中间体(例如，一种金属氟氧化物中间体)。氧气的公称分压可以为，例如，约0.1托至约760托。
可以加热该中间体以形成所需要的超导体层。例如，可以在一种含有约0.1托至约50托氧气和约0.1托至约150托水蒸汽(例如，约12托水蒸汽)，其余为例如，氮气和/或氩的环境中，将中间体加热到约700℃至约825℃的温度。
该方法能够产生一种晶序良好的超导体层(例如，双轴织构的或立方织构的)，其具有较高的临界电流密度(例如，至少约5×105安培/平方厘米)。
在其它的实施方案中，可以使用一种包括较少的温度斜坡(例如，少于3个斜坡，如2个斜坡)的方法，制备一种超导体材料的金属氟氧化物中间体。
选择性地或另外地，形成金属氟氧化物可以包括一个或多个步骤，其中在第一温度斜坡后，在一段较长的时间(例如，大于约1分钟，大于约5分钟，大于约30分钟，大于约1小时，大于约2小时，大于约4小时)内，保持温度基本恒定(例如，在约10℃内，约5℃内，约2℃内，约1℃内恒定)在高于室温的温度(例如，至少约50℃，至少约100℃，至少约200℃，至少约215℃，从约215℃至约225℃，约220℃)。
金属氟氧化物中间体的形成可以包括使用一种以上的气体环境(例如，一种具有较高水蒸汽压力的气体环境和具有较低水蒸汽压力的气体环境)，同时保持温度基本恒定(例如，在约10℃内，在约5℃内，在约2℃内，在约1℃内恒定)一段较长的时间(例如，大于约1分钟，大于约5分钟，大于约30分钟，大于约1小时，大于约2小时，大于约4小时)。例如，在一种高水蒸汽压力环境中，水蒸汽压力可以为约5托至约40托(例如，约17托至约38托，如约32托或约17托)。一种低水蒸汽压力的环境可以具有低于约1托(例如，低于约0.1托，低于约10毫托，约5毫托)的水蒸汽压力。
通常，通过将一种组合物(例如，一种前体溶液)置于一个表面(例如，一个衬底表面，一个缓冲层表面或个超导体层表面)上并加热该组合物形成金属氟氧化物。将组合物置于表面上的方法包括本领域已知的旋涂、浸涂、网涂及其它技术。
通常，在初期分解步骤中，该步骤中的起始温度约为室温，且最终温度为约215℃至约225℃，使用10℃/分钟或以下的温度斜坡。在该步骤中，在公称气体环境中的水蒸汽分压优选保持在约5托至约40托。在公称气体环境中氧气的分压可以保持在约0.1托至约760托。然后在一段较长的时间内基本保持温度和公称气体环境恒定。
该段时间以后，在保持温度恒定时，将气体环境变为一种较干燥的气体环境(例如，低于约1托水蒸汽，低于约0.1托水蒸汽，低于约10毫托水蒸汽，5毫托水蒸汽)。然后，在一段较长的时间内基本保持温度和公称气体环境恒定。
该段时间以后，保持公称气体环境基本恒定，并继续加热至一个足以形成金属氟氧化物中间体的温度(例如，约400℃)。优选使用一种10℃/分钟或以下的温度斜坡进行该步骤。
然后，可以加热金属氟氧化物中间体以形成所需要的超导体层。通常，通过加热至约700℃至约825℃的温度进行该步骤。在该步骤中，公称气体环境通常含有约0.1托至约50托氧气和约0.1托至约150托(例如，约12托)水蒸汽，其余为氮气和/或氩。
优选金属氟氧化物中间体具有较低的缺陷密度。
在备选实施方案中，超导体层可以由以分散体形式沉积的固态或半固态的前体材料形成。这些前体组合物使得，例如基本消除在最终的YBCO超导体层中BaCO3的形成，同时也使得可以控制膜的成核和生长。
对于这些前体组合物的配制，存在两种通用的方法。在一种方法中，以固体形式的组分，或者为元素或者优选为与其它元素的化合物，提供前体组合物的阳离子组分。以超细粒子形式提供前体组合物，分散这些超细粒子，以便其能够被涂覆并粘合到一种合适的衬底、涂覆有中间体的衬底或涂有缓冲层的衬底的表面上。这些超细粒子可以通过气溶胶喷射、通过蒸发或通过类似的技术形成，可以控制这些技术以提供所需要的化学组成及尺寸。超细粒子小于约500nm，优选小于约250nm，更优选小于约100nm，甚至更优选小于约50nm。通常粒子为小于所需要的最终的膜厚度的约50％，优选小于约30％，最优选小于所需要的最终膜厚度的约10％。例如，前体组合物可以含有超导体层的一种或多种组分的、在一种基本为化学计量的混合物中的超细粒子，该粒子处于载体中。该载体包括本领域中已知的一种溶剂、一种增塑剂、一种粘结剂、一种分散剂或一种类似的体系，形成这样的粒子的一种分散体。每种超细粒子都含有这样的组分的一种组成基本均一的、均匀的混合物。例如，每种粒子可以含有在一种基本为化学计量的混合物中的BaF2、和稀土氧化物、和铜氧化物或稀土/钡/铜氟氧化物。对这样的粒子的分析将理想地显示稀土∶钡∶铜在化学计量上的比基本为1∶2∶3，及氟∶钡在化学计量上的比基本为2∶1。这些粒子可以为晶体，或无定形形式。
在第二种方法中，前体组分可以由元素源、或由基本为化学计量的、含有所需要的组分的化合物制备而来。例如，蒸发一种含有基本为化学计量的所需要的REBCO组分的固体化合物(例如，YBa2Cu3O7-x)或每种都含有所需要的最终的超导层的特殊组分(例如，Y2O3、BaF2、CuO)的多种固体可用来生产制造前体组合物的超细粒子。作为选择，含有所需要的REBCO组分的基本为化学计量混合物的有机金属溶液的喷雾干燥或雾化可被用来生产用于前体组合物中的超细粒子。作为选择，也可以在前体组合物中提供一种或多种作为有机金属盐或有机金属化合物的阳离子组分，并且这些阳离子组分可以存在于溶液中。有机金属溶液可以充当其它固态元素或组合物的溶剂、或载体。按照该实施方案，分散剂和/或粘合剂可以基本上从前体组合物中除去。例如，前体组合物可以含有化学计量比基本为1∶3的稀土氧化物和铜氧化物的超细离子，连同一种被溶解的含钡盐，例如，溶解在一种有机溶剂如甲醇中的三氟乙酸钡。
如果超导层为REBCO类型，则前体组合物可以包含一种氧化形式的稀土元素、钡和铜；卤化物如氟化物、氯化物、溴化物和碘化物；羧酸盐和醇化物，如包括三卤乙酸盐如三氟乙酸盐在内的乙酸盐、甲酸盐、草酸盐、乳酸盐、氟氧化物、丙醇盐、柠檬酸盐和乙酰丙酮盐，和氯酸盐和硝酸盐。前体组合物可以含有各种形式的此类元素(稀土元素、钡和铜)的任何结合，其可以在不经过独立的分解步骤，或通过一个分解步骤转化为一种含有卤化钡、稀土氟氧化物和铜(氟氧化物)的中间体，其中该分解步骤实质上比前体中所有的组分被溶解所需要的步骤要短，且基本不会形成BaCO3，随后可以使用高温反应方法处理这些结合，以产生一种外延REBCO膜，该膜的Tc不低于约89K，其Jc大于约500,000A/cm2，膜厚度为1微米或以上。例如，对于一种YBa2Cu3O7-x超导层，前体组合物可含有卤化钡(例如，氟化钡)、氧化钇(例如，Y2O3)和氧化铜；或氧化钇、在三氟乙酸盐/甲醇溶液中的三氟乙酸钡、及由氧化铜和在三氟乙酸盐/甲醇溶液中的三氟乙酸铜组成的混合物。作为选择，前体组合物可以含有三氟乙酸钡、Y2O3和CuO。作为选择，前体组合物可以含有在甲醇中的三氟乙酸钡和三氟乙酸钇和CuO。作为选择，前体组合物可以含有BaF2和乙酸钇和CuO。在某些优选实施方案中，含钡的粒子以BaF2粒子或氟乙酸钡粒子存在。在某些实施方案中，前体实质上可以是一种含有某些或全部阳离子组分的溶解的有机金属盐，条件是一种含阳离子组分的化合物的至少一部分以固体形式存在。在某些实施方案中，分散体形式的前体含有一种粘合剂和/或一种分散剂和/或溶剂。
这些前体组合物可以多种方法涂覆到衬底或用缓冲层处理的衬底上，设计产生厚度基本均匀的涂层。例如，可以使用旋涂、狭缝涂布、凹板涂布、浸涂、带铸或喷涂涂覆前体组合物。希望均匀涂布衬底以产生约1至10微米，优选约1至5微米，更优选约2至4微米的超导膜。
在特殊的实施方案中，可以通过在达到所需要的反应条件之前抑制氧化物层的形成，使用一些方法使不合需要的a-轴取向的氧化层颗粒的形成最小化。
为含氟前体的分解和反应而开发的常规方法使用一种恒定的、慢速的、非涡流的生产气体，该气体被以与膜的表面平行的方向引入到分解炉中，这在膜/气体界面上产生了一个稳定的边界层。在典型用于氧化物层前体分解和反应的装置类型中，气态反应物和产物通过该气体/膜边界层的扩散似乎控制了总反应速率。在薄的、小面积的膜(例如，小于约0.4微米厚，小于约1平方厘米)中，H2O扩散进入膜及HF从膜中扩散出来以这样的速率发生，使得在样品达到加工温度之前不会以任何显著的速率开始形成YBa2Cu3O7-x相。但是，当膜厚度或面积增长时，气体扩散进入膜和从膜中扩散出来的速率下降，所有其它的参数都相同。这导致更长的反应时间和/或YBa2Cu3O7-x相形成不完全，导致结晶学结构减少、更低的密度、及临界电流密度减小。因此，YBa2Cu3O7-x相形成的总速率在很大程度上由气体在膜表面的边界层的扩散所决定。
消除这些边界层的一种方法是在膜表面产生一个涡流。在这样的条件下，在界面处的局部的气体组成保持与总体气体基本相同(即，pH2O恒定，pHF大约为0)。因此，膜中气态产物/反应物的浓度就不受扩散通过气体/膜表面边界层条件的控制，而受通过膜的扩散控制。为使衬底表面上a-轴YBa2Cu3O7-x取向的颗粒的成核最小化，在达到所需要的工艺条件之前抑制YBa2Cu3O7-x相的形成。例如，可以在达到所需要的加工温度之前抑制YBa2Cu3O7-x相的形成。
在一个实施方案中，使用一种结合：1)低(非涡流)生产气体流速，以便在梯度升温过程中，在膜/气体界面上建立一个稳定的边界层，和2)高(涡流)生产气体流速，以便破坏膜/气体界面上的边界层。例如，在一台三英寸管式炉中，在从室温到所需要的加工温度的温度斜坡过程中，流速可以为约0.5至约2.0升/分钟。此后，在加工膜的期间，流速可以增加至约4至约15升/分钟的值。这样，在高温下能够增加YBa2Cu3O7-x的形成速率和外延结构的形成，而在梯度上升过程中，在低温下不需要的a-轴成核和生长被最小化。按照这些方法，通过扫描电子显微术测定a-轴成核晶粒的存在量低于约1％，这是很理想的。
在其中层14由一种超导体材料形成的实施方案中，层14可以具有较高的临界电流密度。例如，在使用1微伏/厘米标准的自场(即，无外加场)中，在77K下，通过传送测量法测定，层14可以具有至少约1×106安培/平方厘米(例如，至少约1.5×106安培/平方厘米，如至少约2×106安培/平方厘米)的临界电流密度。
调理后，层14的表面15能够具有清晰的结晶取向。优选表面15为双轴织构的表面(例如，一个(113)[211]表面)，如立方织构的表面(例如，一个(100)[011]表面或一个(100)[001]表面)。优选在表面15的X-射线衍射极图中的峰值具有小于约20°(例如，小于约15°，小于约10°，或从约5°至约10°)的FWHM。
层16可以由一种缓冲材料、一种超导体材料、一种超导体材料的一种前体或一种覆盖材料形成。优选层16为一个外延层。
覆盖材料的例子包括金属或合金，金属或合金与超导体材料(例如，YBa2Cu3O7-x)的反应产物在用于制备层16的反应条件下是热力学不稳定的。覆盖材料的示范性的例子包括银、金、钯和铂。
层16的表面17可以是按照本文的描述化学调理的或热调理的。因此，层17能够表现出按照本文所述进行调理的表面的性质。
图2显示了多层制品20(例如，一个晶片或一个带状体)的一个实施方案，多层制品20可以通过本发明方法制成。制品20包含层12、14、16和18。层18具有表面19并置于层16的表面17上。表面15、17和/或19可以是按照本文所述制备和具有本文所述性质的调理的表面。
层18可以由一种缓冲材料、一种覆盖材料、一种超导体材料、或一种超导体材料的一种前体形成。
制品20中的超导体材料层能够具有如本文所述的较高的临界电流密度。
尽管前面的讨论描述了具有三个层(例如，一个中间体层)和四个层(例如，两个中间体层)的多层制品，但本发明并不限于这种方式。相反，多层制品可以具有四层以上的层(例如，三个以上中间体层)。中间体层可由缓冲层和/或超导体层的任何组合形成。中间体层表面的任何组合可以按照本文所述的方法进行调理，并表现出本文所述的性质。包含这些中间体层的多层超导体能够表现出本文所述的较高的临界电流密度。
此外，尽管前面的讨论描述的多层制品具有某种结构，但本发明并不限于此。例如，在某些实施方案中，提供了多层高温超导体，包括第一和第二高温超导体涂覆的部件。每个部件都包含一个衬底、至少一个沉积到衬底上的缓冲层、一个高温超导体层，及选择性的一个覆盖层。包覆有第一和第二高温超导体的部件可以在第一和第二覆盖层处接合，或可以与一个插入层，优选金属层一起接合。示范性的接合技术包括焊接和扩散结合。
这样的一个多层结构提供了改进的电流共用、在交流电条件下更低的滞后损失、增强的电稳定性和热稳定性及改进的机械性能。可以制造具有彼此层叠的和/或层压的多个带的有用的导体，以提供足够的载流量、尺寸稳定性和机械性能。这样的实施方案也提供一种方法，用于接合涂覆的带部分并终止涂覆的带层叠或导体部件。
此外，预期该结构能够为交流电的应用提供显著的优点。AC损失被证明是与导体内的有效临界电流密度成反比，更具体地说，是与在内部加载电流的横截面积成反比。对于一个复丝导体，这将是排除围绕超导细丝束的任何护层材料的超导细丝“束”的面积。对于一种“面对面”结构，“束”临界电流密度将仅包括高温超导体膜和覆盖层结构的厚度。该覆盖层可以由一个或多个层形成，并优选包含至少一个贵金属层。此处使用的“贵金属”是一种金属，其反应产物在用来制备HTS带的反应条件下是热力学不稳定。示范性的贵金属包括，例如，银、金、钯和铂。贵金属在HTS层与覆盖层之间提供低的界面电阻。此外，覆盖层可以包含一个第二普通金属(例如，铜或铝或普通金属的合金)层。在直流电应用中，额外的面对面线将被捆扎起来或层叠起来，以为特定的应用提供所需要的载流量和几何尺寸。
此外，带表面的高温超导体膜可以被处理，以仅沿带的长度(在电流方向上)产生局部开裂，即，膜中的非超导区域或条带。然后，沉积在高温超导体膜上的覆盖层将起到将非超导区域与一个可延展的普通金属区域桥接起来的作用。窄条带或细丝的边缘对齐(edge justification)中的一个偏移，其类似于一个顺砖压缝砌合的砌砖方式，将使得电流能够转移到几根均跨过覆盖层的窄的超导细丝及相邻的细丝，进一步增加了冗余度并提高了稳定性。
在所有的实施方案中，可以在沿导体的边缘上包含一个普通金属层，以密封高温超导体膜并为膜提供电流转移，并且如果需要，使电流从膜进入衬底。
在某些实施方案中，可以一种将在交流电应用中所引起的损失最小化的方式制造被涂覆的导体。导体与多个导电通路一起制造，每个导电通路都包含通路段，通路段延伸越过至少两个导电层，并进一步在这些层之间延伸。
每个超导层都具有多个从一个边缘至另一个边缘延伸越过层宽度的导电通路段，该通路段也具有延超导层的长度方向的元件。超导层表面中的通路段与层间连接电传导相通，这使电流能够从一个超导层向另一个超导层流动。由通路段组成的通路为周期性设计，以便使电流通常在双层的实施方案中的两个超导层之间交替，并通过层间连接穿过层。
超导层可以被构造为包含多个通路段，每个通路段都延伸跨过其宽度并延其长度延伸。例如，可以构造超导层以便在多个通路段的相互之间获得高电阻，或获得一个完全绝缘层。例如，对角线通路段的规则的周期排列可以沿带的全长度加在层上。构造超导层以获得这样的排列可以通过本领域的技术人员已知的多种方法实现，这些方法包括例如，激光划线、机械切割、植入、通过掩模进行局部化学处理及其它已知的方法。此外，超导层适合使得导电通路段在其表面与穿过层之间、在层的边缘处或靠近层的边缘的导电层间连接电相通。层间连接通常将具有正常导电性(不是超导)，但在特殊构造时，也可以是超导的。层间连接在超导层之间提供电相通，超导层被配置在超导层之间的非导电或高电阻材料隔开。这样的非导电或高电阻材料可以沉积在一个超导层上。可以在绝缘材料的边缘构造通路，以便引入层间连接，然后沉积另外的一个超导层。人们可以通过将一个超导层构造成平行于带的轴的细丝，并将螺旋形式的带以圆柱形式缠绕来获得个带有被涂覆的导体的移位的构型。
以下的实施例仅用于说明。在这些实施例中，使用约25瓦/平方英寸至约50瓦/平方英寸的磁电管溅射功率密度，和约10毫托至约25毫托的内腔压力进行磁电管溅射。
实施例1
按如下所述制备一种前体溶液。将约51.4gY(CH3CO2)3·4H2O溶解在约514g水中。约77.6gBa(CH3CO2)2溶解在约388g水中，约91gCu(CH3CO2)3·2H2O溶解在约1365g水中。然后将这三种溶液混合在一起。将约243g所获得的溶液与约10ml纯三氟乙酸混合。在约60℃下真空干燥该溶液，直至除去所有的溶剂，仅剩余固体。然后将该固体溶解在甲醇中并稀释至约50ml的总体积，形成一种前体溶液。
实施例2
按如下所述制备一种多层制品。将实施例1制备的前体溶液旋涂在一个由CeO2/YSZ/CeO2/Ni形成的缓冲的衬底上。
缓冲的衬底的制备是通过将一个镍样品旋转变形至超过约97％以形成一个带状体。将带状体在约1000℃退火约1小时，形成一种良好的立方织构材料。使用电子束蒸发并在约625℃的温度下，将一个厚约30纳米的CeO2层以约1埃/秒的速率沉积在该织构的镍表面上。使用射频溅射并在约725℃的温度下，将一个厚约300纳米的YSZ层以约0.5埃/秒的速率沉积在CeO2层上。使用射频溅射并在约725℃的温度下，将一个厚约20纳米的CeO2层以约0.7埃/秒的速率沉积在YSZ层上。将该缓冲的CeO2/YSZ/CeO2/Ni衬底切割为两部分。
旋涂方案如下所述。将一部分缓冲的CeO2/YSZ/CeO2/Ni衬底在约0.5秒内从约0转/分(RPM)梯度上升至约2000RPM。旋转速度保持在约2000RPM约5秒，然后在约0.5秒内上升至约4000RPM。将旋转速度保持在约4000RPM约60秒，然后减至约0RPM。
按如下所述分解被涂覆的样品。将样品以约10℃/分钟的速率，在总气体压力约为760托的公称气体环境(水蒸汽压力为约24托，其余为氧气)中从室温加热至约210℃。加热在一台约2.25英寸直径的炉中，使用约4.5标准立方英尺/小时的气体流速进行。在保持基本相同的公称气体环境的同时，以约0.05℃/分钟的速率将温度上升至约220℃，然后以约5℃/分钟的速率加热至约400℃，形成一个中间体层。
分解后，在公称总气体压力为约760托的环境(水蒸汽压力为约17托，氧气压力为约76毫托，其余为氮气)中，以约10℃/分钟的速率将中间体层加热至约725℃，并保温约3小时，然后，在公称总气体压力约为760托的环境(氧气压力为约76毫托，其余为氮气)中保持温度约725℃约10分钟。然后，在相同的公称气体环境中将层冷却至约450℃。将层在一种具有约760托的公称总气体压力的气体环境(约760托氧气)中保温450℃约1小时，然后冷却至室温。
所得的层由YBa2Cu3O7-x形成，约0.4微米厚。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，该层具有约0.85×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例3
按如下所述制备一种多层制品。将实施例2制备的未用过的那部分CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底在一种具有约760托合成气体(在氩中约4体积％氢气)的公称总气体压力的气体环境中保温900℃约1小时。该气体环境具有约1×10-12托至约1×10-16托的公称氧气压力。将按照实施例1制备的前体溶液旋涂在CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲衬底的经调理的表面上，按照实施例2分解并进一步加热。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定所得的YBa2Cu3O7-x层具有约1.34×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例4
按如下所述制备一种多层制品。使用实施例2所述的加工参数制备一种缓冲的衬底，不同之外在于：1)用一个使用电子束蒸发并在约700℃的温度下，以约1埃/秒的速率沉积的约100纳米厚的Y2O3层代替邻近织构的镍衬底的CeO2层；和2)外层的CeO2沉积速率为约0.35埃/秒。将该CeO2/YSZ/Y2O3/Ni缓冲的衬底切割成两部分。将按照实施例1制备的前体溶液旋涂到CeO2/YSZ/Y2O3/Ni缓冲的衬底的一个部分上，按照实施例2所述分解并进一步加热。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约0.43×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例5
按如下所述制备一种多层制品。使用实施例2所述的方案，将按照实施例1制备的前体溶液旋涂到实施例4制备的未用过的那部分CeO2/YSZ/Y2O3/Ni缓冲的衬底上，形成一个中间体层。通过将该中间体层在室温下与约1％的硝酸水溶液接触约4分钟，除去该中间体层。这样，其上形成中间体层的CeO2层的表面被化学调理。然后，将按照实施例1制备的一种前体溶液旋涂到经调理的CeO2层上，使用实施例2所述的方案分解并进一步加热。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约1.93×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例6
按如下所述制备一种多层制品。使用按照实施例1所述的前体和实施例2所述的方案，制备一个CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底。将该CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底切割成两部分。将按照实施例1所述制备的前体溶液旋涂到CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底的一个部分的表面上。按照实施例2所述分解并进一步加热被涂覆的样品。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约0.55×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例7
按如下所述制备一种多层制品。将实施例6制备的CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底的未用过的部分在室温下与约1％的硝酸水溶液接触约7分钟，对外层CeO2进行化学调理。然后，将按照实施例1所述制备的前体溶液旋涂到经调理的CeO2表面上，按照实施例2所述分解并进一步加热。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约1.10×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例8
按如下所述制备一种缓冲的衬底。在约725℃的温度下，以约0.35埃/秒的速率在一个YSZ[100]单晶表面上溅射沉积一个约20纳米厚的CeO2层。所得表面的一张高分辨率扫描电子显微照片(放大100,000倍)示于图3中。
实施例9
按如下所述制备一种多层制品。在与实施例8相同的时间和相同的真空室内制备一个CeO2/YSZ[100]缓冲的衬底。使用实施例1所述的前体溶液及实施例2所述的加工参数在CeO2表面上形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约1.5×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例10
使用实施例8所述的加工参数制备一个CeO2/YSZ[100]缓冲的衬底，并将该衬底在一种公称总气压为约760托(约4体积％氢气、约1×10-12托至约1×10-16托氧气，其余为氩)的气体环境中加热到约950℃，并保持约60分钟。所得表面的一张高分辨率扫描电子显微照片(放大100,000倍)示于图4中。
实施例11
按如下所述制备一种多层制品。在与实施例10相同的时间和相同的真空室内制备一个CeO2/YSZ[100]缓冲的衬底。在与实施例10相同的时间和相同的炉内调理该CeO2/YSZ[100]缓冲的衬底。使用如实施例2所述的工艺参数在经调理的CeO2表面上形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约2.75×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例12
使用实施例8所述的工艺参数制备一个CeO2/YSZ[100]缓冲的衬底，并把该衬底在一种具有约760托(约760托氧气)公称总气体压力的气体环境中加热到约950℃，并保持约60分钟。所得表面的一张高分辨率扫描电子显微照片(放大100,000倍)示于图5中。
实施例13
按如下所述制备一种多层制品。在与实施例12相同的时间和相同的真空室内制备一个CeO2/YSZ[100]缓冲的衬底。在与实施例12相同的时间和相同的炉内调理该CeO2/YSZ[100]缓冲的衬底。使用如实施例2所述的工艺参数，不同之处在于将样品在725℃保温约4小时而非约3小时，在CeO2表面上形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约3.5×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例14
使用如实施例11所述的工艺参数制备一种多层制品，不同之处在于：1)中间体层在水蒸汽/氧气/氮气环境中保温约765℃约1小时，而不是在水蒸汽/氧气/氮气环境中保温约725℃约3小时；和2)中间体层在氧气/氮气环境中保温约765℃约10分钟，而非在氧气/氮气环境中保温约725℃约10分钟。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约4.2×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例15
按如下所述制备一种前体溶液。将约1.36gY(CF3CO2)3·4H2O、约2.46gBa(CF3CO2)2和约2.51gCu(CF3CO2)2·H2O溶解在约5ml甲醇中。然后加入约0.86ml水，并用甲醇将溶液的总体积调至约10ml。
实施例16
按如下所述制备一种多层制品。使用如实施例2所述的方案，将按实施例15所述制备的前体溶液旋涂到一个CeO2/YSZ(100)单晶缓冲的衬底上。通过在约725℃的温度下，以约0.35埃/秒的速率，在YSZ(100)上溅射沉积一个约20纳米厚的CeO2层来制备该缓冲的衬底。在沉积该前体溶液之前，将样品在一种公称总气体压力为约760托合成气体(在氩气中约4体积％氢气)的环境中加热到约950℃，并保温约1小时。该气体环境具有约1×10-12托至约1×10-16托的公称氧气气体压力。
按如下所述分解被涂覆的样品。将该样品在一种具有约760托(水蒸汽压力为约24托，其余为氧气)的总气体压力的公称气体环境中，以约10℃/分钟的速率从室温加热到约210℃。使用一台约2.25英寸直径的炉，且气体流速为约4.5标准立方英尺/小时。在基本上保持相同的公称气体环境的同时，以约0.05℃/分钟的速率将温度升至约220℃，然后，以约5℃/分钟的速率加热至约400℃，形成一个中间体层。然后，在一种具有约760托(约76毫托氧气，约17托水蒸汽，其余为氮气)的公称总压力的气体环境中，以约10℃/分钟的速率将该中间体层加热至约765℃。将该层保持在这些条件下约70分钟。然后，该层在一种具有约760托(约0.076托氧气，其余为氮气)公称总气体压力的气体环境中，保温约765℃约10分钟。使用基本相同的公称气体环境，将该层冷却至约450℃。然后，该层在一种具有约760托(约760托氧气)公称总气体压力的环境中保温约450℃约1小时，然后冷却至室温。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约4.3×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例17
按如下所述制备一个CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底。按实施例2所述制备Ni层。该CeO2/YSZ/CeO2层在国立橡树岭实验室(Oak RidgeNational Laboratory)沉积。将该缓冲的衬底切割成两部分。使用实施例2所述的工艺参数，将按实施例1所述制备的前体溶液旋涂到该缓冲的衬底的一个部分上，然后分解，形成一个中间体层。
在一种公称总气体压力约为760托(水蒸汽压为约17托，氧气气体压力为约76毫托，其余为氮气)的环境中，以约10℃/分钟的速率将中间体层加热至约725℃并保温约3小时，然后，在一种公称总气体压力约为760托的环境(氧气气体压力为约76毫托，约5毫托水，其余为氮气)中保温约725℃约10分钟。然后，该层在相同的公称气体环境中冷却至约450℃。在一种具有约760托公称总压力的气体环境(约760托氧气)中保温约450℃约1小时，然后冷却至室温，形成一个YBa2Cu3O7-x层。
在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，YBa2Cu3O7-x层具有约0.6×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例18
按如下所述制备一种多层制品。将实施例17制备的CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底的未用的部分在一种具有约760托(17托水与合成气体(在氩气中的约5体积％氢气))公称总气体压力的气体环境中保温约950℃约1小时。该气体环境具有约1×10-12托至约1×10-16托的公称氧气气体压力。这就对CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底的表面进行了调理。
使用实施例2的工艺参数，将按实施例1所述制备的前体溶液旋涂到CeO2/YSZ/CeO2/Ni缓冲的衬底的经调理的表面上，然后分解，形成一个实质上无缺陷的中间体层。
按实施例17所述热处理该中间体层，形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，该YBa2Cu3O7-x层具有约1.5×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例19
按如下所述制备一个CeO2/YSZ/Y2O3/Ni缓冲的衬底。按实施例2所述制备Ni衬底。Y2O3层约100纳米厚，是在约650℃温度下，使用电子束蒸发，以约0.1埃/秒的速率沉积而成。YSZ层约700纳米厚，是在约700℃温度下，使用磁电管溅射，以约0.1埃/秒的速率沉积而成。CeO2层约19.2纳米厚，是在约700℃温度下，使用磁电管溅射，以约0.6埃/秒的速率沉积而成。
将该缓冲的衬底切割成两部分。使用实施例2所述的工艺参数，用按实施例1所述制备的前体溶液旋涂该缓冲的衬底的一个部分，然后分解，形成一个中间体层。
按实施例17所述热处理该中间体层，形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，该YBa2Cu3O7-x层具有约0.01×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例20
按如下所述制备一种多层制品。按实施例18所述，对实施例19制备的CeO2/YSZ/Y2O3/Ni缓冲的衬底未用过的部分进行调理。使用实施例2的工艺参数，将按实施例1所述制备的前体溶液旋涂到CeO2/YSZ/Y2O3/Ni缓冲的衬底的经调理的表面上，然后分解，形成一个实质上无缺陷的中间体层。
按实施例18所述热处理该中间体层，形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，该YBa2Cu3O7-x层具有约1.0×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例21
按如下所述制备一种多层制品。使用实施例19所述的工艺参数制备缓冲的衬底，不同之处在于：1)用一个约100纳米厚的、由钆的醇盐溶液在一种合成气体环境中沉积而成的Gd2O3代替Y2O3层。该CeO2/YSZ/Gd2O3/Ni缓冲的衬底被切割成两部分。使用实施例2所述的工艺参数，用按实施例1所述制备的前体溶液旋涂该缓冲的衬底的一个部分，然后分解，形成一个中间体层。
按实施例17所述热处理该中间体层，形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，该YBa2Cu3O7-x层具有约0.04×106安培/平方厘米的临界电流密度。
实施例22
按如下所述制备一种多层制品。按实施例18所述，对实施例21制备的CeO2/YSZ/Gd2O3/Ni缓冲的衬底的未用过的部分进行调理。使用实施例2的工艺参数，将按实施例1所述制备的前体溶液旋涂到CeO2/YSZ/Gd2O3/Ni缓冲的衬底的经调理的表面上，然后分解，形成一个实质上无缺陷的已分解的层。
按实施例17所述热处理该已分解的层，形成一个YBa2Cu3O7-x层。在使用一种1微伏/厘米标准的自场中，在77K下，通过传送测量法测定，该YBa2Cu3O7-x层具有约1.5×106安培/平方厘米的临界电流密度。
尽管本发明按照制备超导体多层制品的方法进行描述，但本发明并不限于这样的方法。本发明的方法也可用来制备其它多层制品，如半导体多层制品或包含一个或多个铁电体层的电陶瓷多层制品。
要求其它实施方案的权利。

Claims (49)

1.一种制造多层制品的方法，其包括：
在第三材料的表面上外延沉积第一材料，以形成第一材料沉积层，所述的第一材料为缓冲材料，所述第一材料沉积层具有如下表面，该表面具有结晶取向和光滑度、密度、杂质密度、粘合性或用X-射线衍射测量的摇摆曲线宽度；
将第一材料沉积层表面进行化学调理，以形成经调理的表面，该表面具有结晶取向和光滑度、密度、杂质密度、粘合性或用X-射线衍射测量的摇摆曲线宽度；所述经调理的表面的结晶取向与第一材料沉积层的表面的结晶取向直接相关，并且经调理表面的光滑度、密度、杂质密度、粘合性或摇摆曲线宽度不同于第一材料沉积层的表面的光滑度、密度、杂质密度、粘合性或摇摆曲线宽度；和
将第二材料层配置到所述经调理的表面上。
2.权利要求1所述的方法，其中经调理的表面为双轴织构的。
3.权利要求1所述的方法，其中第二材料包括选自由超导体材料和超导体材料的前体组成的组中的一种材料。
4.权利要求1所述的方法，其中第二材料包括缓冲材料。
5.权利要求1所述的方法，其中第二材料包括覆盖材料。
6.权利要求1所述的方法，其中在经调理的表面退火之前将第二材料层配置在经调理的表面上。
7.权利要求1所述的方法，其还包括将第四材料层配置在第二材料层的表面上。
8.权利要求7所述的方法，其还包括，在将第四材料层配置到第二材料层的表面上之前，调理第二材料层的表面。
9.权利要求8所述的方法，其中调理第二材料层的表面包括化学调理第二材料层的表面。
10.权利要求8所述的方法，其中调理第二材料层的表面包括热调理第二材料层的表面。
11.权利要求8所述的方法，其中，在调理第二材料层的表面之后，第二材料层的表面是双轴织构的。
12.权利要求1所述的方法，其还包括热调理经调理的表面。
13.权利要求1所述的方法，其中第三材料包括衬底材料。
14.权利要求1所述的方法，其中第三材料层的表面是双轴织构的。
15.权利要求1所述的方法，其中第三材料包括单晶材料。
16.权利要求1所述的方法，其中第二材料具有至少1×106安培/平方厘米的临界电流密度。
17.权利要求1所述的方法，其中化学调理所述第一材料沉积层表面的步骤包括：
在低于700乇的氧气气体压力下，将第一材料沉积层表面加热到一个温度，该温度高于选自第一材料的分解温度和第一材料的结晶温度的温度至少5℃。
18.权利要求17所述的方法，其中经调理的表面是双轴织构的表面。
19.权利要求17所述的方法，其中第二材料包括选自由超导体和超导体的前体组成的组中的一种材料。
20.权利要求17所述的方法，其中第二材料包括缓冲材料。
21.权利要求17所述的方法，其中第二材料包括覆盖材料。
22.权利要求17所述的方法，其中第二材料层具有一个双轴织构的表面。
23.权利要求17所述的方法，其中的温度高于选自第一材料的分解温度和第一材料的结晶温度的温度10℃至500℃。
24.权利要求17所述的方法，其中的温度高于选自第一材料的分解温度和第一材料的结晶温度的温度75℃至300℃。
25.权利要求17所述的方法，其中氧气气体压力低于100托。
26.权利要求17所述的方法，其中氧气气体压力低于1托。
27.权利要求17所述的方法，其中在一种主要由氢气和惰性气体组成的环境中加热第一材料沉积层的表面。
28.权利要求17所述的方法，其中在一种主要由惰性气体组成的环境中加热第一材料沉积层的表面。
29.权利要求17所述的方法，其中第三材料包括衬底材料。
30.权利要求17所述的方法，其中第三材料包括选自由镍和银组成的组中的一种材料。
31.权利要求17所述的方法，其中第三材料层的表面是双轴织构的。
32.权利要求17所述的方法，其中第三材料包括单晶材料。
33.权利要求17所述的方法，其还包括化学调理经调理的表面。
34.权利要求17所述的方法，其中第二材料具有至少1×106安培/平方厘米的临界电流密度。
35.权利要求1所述的方法，其中化学调理所述第一材料沉积层表面的步骤包括：
将第一材料沉积层的表面加热到一个温度，该温度高于选自第一材料的分解温度和第一材料的结晶温度的温度至少5℃，以形成一个经调理的表面，所述第一材料配置在多晶材料的表面之上。
36.权利要求35所述的方法，其中经调理的表面是双轴织构的。
37.权利要求35所述的方法，其中多晶材料包括衬底材料。
38.权利要求35所述的方法，其中多晶材料包括织构的材料。
39.权利要求38所述的方法，其中织构的材料具有一个双轴织构的表面。
40.权利要求35所述的方法，其中第二材料包括选自由超导体和超导体的前体所组成的组的一种材料。
41.权利要求35所述的方法，其中第二材料包括缓冲材料。
42.权利要求35所述的方法，其中第二材料层具有一个双轴织构的表面。
43.权利要求35所述的方法，其中的温度高于选自由第一材料的分解温度和第一材料的结晶温度所组成的组的温度10℃至500℃。
44.权利要求35所述的方法，其中的温度高于选自由第一材料的分解温度和第一材料的结晶温度所组成的组的温度75℃至300℃。
45.权利要求35所述的方法，其中第二材料具有至少1×106安培/平方厘米的临界电流密度。
46.权利要求17所述的方法，其中在一种包含水蒸汽的环境中加热第一材料沉积层的表面。
47.权利要求46所述的方法，其中的环境还含有氢气和惰性气体。
48.权利要求35所述的方法，其中在一种包含水蒸汽的环境中加热第一材料沉积层的表面。
49.权利要求36所述的方法，其中的环境还含有氢气和惰性气体。
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