CN1682385A - 带基底上的超导材料 - Google Patents

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Abstract

本发明的超导线包括基底和原子有序超导材料的连续层。本发明的超导线具有大于10米的长度。

Description

带基底上的超导材料
相关申请的交叉引用
本申请涉及同时递交并共同受让的在2002年7月26日递交的美国专利申请第10/206,123号，标题为“METHOD AND APPARATUSFOR FORMING SUPERCONDUCTOR MATERIAL ON A TAPESUBSTRATE”；以及同时递交并共同受让的在2002年7月26日递交的美国专利申请第10/206,783号，标题为“METHOD ANDAPPARATUS FOR FORMING A THIN  FILM ON A TAPESUBSTRATE”，因此，这两篇专利被引入本文作参考。
技术领域
本发明一般涉及超导体，并且具体地说涉及带基底上的超导材料。
背景技术
因为通过固体传播的电子因与理想平移对称的偏差而分散，金属电阻升高。这些偏差或者由杂质或者由声子晶格振动产生。杂质对电阻形成与温度无关的贡献，而振动形成温度相关的贡献。
在某些应用中，电阻是非常不可取的。举例来说，在电力输送中，电阻引起功率耗散，即损失。在正常导线中功率耗散与电流成正比，即P＝I2R。因此，传输大电流的导线消散大量的能量。另外，因为导线的电阻与长度成正比，所以在或者较大的变压器，较大的马达或者较大的输送距离中使用的导线越长，耗散越多。因此，随着导线长度的增加，更多的能量在导线中损失，甚至是在较小的电流下。因此，因为一部分能量由于导线的电阻损失了，电力工厂生产比用户使用更多的能量。
在冷却至其转变温度Tc以下的超导体中，因为散射机制不会妨碍载流子的运动，所以没有电阻。在大多数公知类型的超导材料中，电流通过称作库柏对(Cooper pairs)的电子对来传输。BCS(BardeenCooper Schrieffer)理论描述了两个负电荷的电子结合在一起的机制。在超导状态，即Tc以下中，电子对的结合能在固体的Ef，即费米能级或者最高占有能级下引起能谱间隙的开放。这将成对状态与“正常”的单电子状态分开。尽管在铜氧化物中库柏对可以小至30，但是其大小由相干长度给出，典型地为1000。一对库柏对占据的空间包括许多其它的库柏对，这就形成复杂的成对状态占有率的相互关联。因此，由于复杂的相互关联，翻转库柏对中一个电子的行进方向需要破坏所述库柏对和许多其它的库柏对，所以没有足够的热能来分散库柏对。因此，库柏对载流不受阻碍。超导理论的其它信息请参阅“Introduction to Superconductivity”，作者M.Tinkham，McGraw-Hill，New York，1975。
许多不同的材料当其温度被冷却至Tc以下时会变成超导体。举例来说，一些经典的I型超导体(以及它们各自的Tc，单位开尔文(K))是碳15K、铅7.2K、镧4.9K、钽4.47K，以及汞4.47K。一些II型超导体，即部分新类型的高温超导体(以及它们各自的Tc，单位开尔文(K))是Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138K、Bi2Sr2Ca2Cu3O10 118k和YBa2Cu3O7-x 93K。后者的超导体就其组分也被称作YBCO超导体，即钇、钡、铜和氧，并且被认为是最高性能且最稳定的高温超导体，尤其是对于电力应用。YBCO具有钙钛矿结构。这种结构在金属氧化物结构中具有复杂的原于分层。图1表示了YBa2Cu3O7的结构，其包括钇原子101、钡原子102、铜原子103和氧原子104。对于氧化物超导体的其它信息请参阅“Oxide Superconductors”，Robert J.Cava，J.Am.Ceram.Soc.，卷83，第1期，第5-28页，2000。
具体地说YBCO超导体，以及总的地说氧化物超导体的问题是它们因为其氧化物性质而很难制备，并且因其复杂的原子结构，产生超导结构是有挑战性的。结构中最小的缺陷，例如原子结构的无序或者化学组成的变化都可能破坏或者显著降低它们的超导性质。缺陷可能来自许多来源，例如杂质、错误的材料浓度、错误的材料相、错误的温度、不良的原子结构、材料对基底的不适当输送等。
薄膜YBCO超导体可以用许多种方法制造，包括脉冲激光沉积、溅射、金属有机沉积、物理气相沉积和化学气相沉积。此处作为实例描述两种沉积薄膜YBCO超导体的典型方法。在第一种方法中，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在如图2所示的反应室中的晶片基底上形成YBCO。这种制造方法与半导体器件相似。晶片(wafer)基底被放在夹具(holder)201上。基底由加热器202加热。晶片基底还可以旋转，这就允许在基底晶片上更均匀的沉积，以及基底更均匀的加热。借助入口204，通过喷头203将气态材料输送到基底上。喷头203向基底晶片上提供材料的层流。材料在加热的晶片上收集，生长成超导体。过量的材料借助与泵连接的排气口208从反应室200中除去。为了防止材料不可取地沉积到反应室200的壁上，冷却剂通过壁中的夹套205流动。为了防止材料在喷头203内堵塞，冷却剂通过喷头中的盘管206流动。门207允许进入反应室200内部从而插入和除去薄膜/基底样品。薄膜的加工可以通过光学端口209来监控。
在第二种方法中，通过脉冲激光沉积在基底上形成YBCO，包括使用连续金属带基底301的可能性。带基底301由两个位于反应室300内部的滚轴302、303支载。滚轴302包括加热器304，用来将带基底301加热至允许YBCO生长的温度。通过典型地来自受激准分子激光器306的靶的辐射从YBCO靶中蒸发材料305成喷流(plume)。然后，喷流中蒸气在基底301上形成YBCO超导薄膜。滚轴302、303允许带基底连续运动通过激光靶，因此将YBCO材料连续地覆盖到带基底上。注意激光器306位于反应室300的外部，并且激光器306的光束借助光学端口307进入反应室300中。然后，切割所得的带基底，并且形成具有YBCO超导材料的带或条(ribbon)。
上述形成薄膜高温超导体的方法都不能产生可以用来在电力应用中代替铜(或其它金属)线的很长长度的YBCO带或条。第一种方法只允许在晶片上生产小片的超导体材料，例如分批处理。第二种方法只能用来制造几英尺长度的带，并且使用多次通过来生产几微米厚的超导薄膜。第二种方法的实际极限约为5英尺。更大片的带需要更大的加热室。还需要更大的加热滚轴。带在离开滚轴302后冷却，因此将需要更多的时间重新加热至所需的温度。在反应室一面加热，并在反应室另一面冷却还可能引起在金属基底上形成的YBCO层和其它层的热裂纹。通过第二方法生产的较小片的带可以被叠接在一块，形成很长的带，但是当所述片为超导性时，叠接技术还没有达到实现高质量高温超导体的水平。因此，目前形成超导体的设备不能形成长的连续的超导材料带。
发明内容
本发明涉及在金属条或带或线上以连续的方式形成的超导体，优选为YBCO，从而形成连续的很长的超导体条或带或线。注意本文使用的术语“超导线”包括任何用于传导电流的超导元件。
本发明的超导带可以由不同的超导材料形成，包括但不局限于YBCO、YBa2Cu3O7-x、NbBa2Cu3O7-x、LaBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3Oy、Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2Ca1Cu2Oz、Tl2Ba2CaCu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy、Tl1Ba2Ca2Cu3Oz、Tl1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz、Tl1Ba2Ca1Cu2Oz、Hg1Ba2Ca1Cu2Oy、Hg1Ba2Ca2Cu3Oy、MgB2、铜氧化物、稀土金属氧化物，以及其它高温超导体。
为了下面本发明详细的说明被更好地理解，前面已经相当广泛地概括了本发明的特征及技术优点。下文中将描述形成本发明权利要求主体的本发明其它特征和优点。本领域技术人员应当领会本发明公开的概念和具体的实施方案可以容易地用作改进或设计用来实施本发明相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应意识到这种等价的构造不会偏离在附加权利要求中提出的本发明的精神和范围。当考虑结合附图时，从下面的说明将能更好地理解就其组织和操作方法而言，据信为本发明特征的新特征以及其它的目标和优点。但是，应当清楚地理解只是为了举例和说明而提供每幅图片，并没有打算限制本发明。
附图说明
为了更全面地理解本发明，结合附图参照下面的说明，其中：
图1描述了YBCO超导体公知的原子结构；
图2描述了生产YBCO超导体的第一种现有技术设备；
图3描述了生产YBCO超导体的第二种现有技术设备；
图4描述了生产本发明材料的一个实施方案的实例；
图5描述了生产本发明材料的初始级的实施方案；
图6A-6E描述了生产本发明材料的沉积级反应器的实施方案；
图7A和7B描述了生产本发明材料的过渡室(transition chamber)的实施方案；及
图8描述了生产本发明材料的退火级的实施方案。
图9A-9D描述了本发明超导线的不同实施方案。
具体实施方式
图4是使用本发明生产高温超导(HTS)材料连续带的系统400实施方案的示意图。系统400包括一起操作的几级，在金属基底上沉积SC材料，从而使HTS材料是原子有序的，并且具有大的取向良好的晶粒及主要是低角度的晶界。原子有序允许高的电流密度，即大于或等于每平方厘米100,000安培的Jc。
金属基底优选是10/1000到1/1000英寸厚的金属箔带408。带可以具有所需的宽度。举例来说，带可以是宽的，使得所得的HTS带可以输运大量的电流，或者带可以是宽的，使得所得的HTS带可以被切成窄的带。
带408优选由镍和/或镍合金组成，并且具有可以促进HTS材料生长的预定的原子有序。带还可以包括镍、银、钯、铂、铜、铝、铁、钨、钽、钒、铬、锡、锌、钼和钛。这种带已经由Oak Ridge NationalLaboratories描述。带408支载着HTS层，因此应该是可延伸或柔性的，并且是强韧的。注意如此处所述，带只有一面覆盖有HTS层，但是两面都可以用HTS层覆盖。
带408优选由放线轴(pay-out reel)401分送。放松卷轴401是能够以恒定速度提供带的连续进料卷轴。放线轴以及卷线轴406优选张力受控制，从而防止带的下垂(张力太小)或者带的拉伸或断裂(张力太大)。加工期间带的下垂或拉伸(例如当带被加热至高温下时)可能伤害或毁坏HTS层。更优选地，当带从放线轴401运送到卷线轴406时，计算机409借助张力调节器411控制带的张力。
带的速度取决于许多因素，例如反应室的尺寸、沉积材料所需的厚度、层的生长速率、反应温度、光通量等。每分钟约3厘米的优选速度适于连续生长厚度为约0.5至5微米的YBCO HTS层。但是，根据例如(但不局限于)所需厚度、生长速率、所用材料、材料浓度等的因素，可以使用每分钟从1至20厘米的速度。优选使用包括具有可调节设置的步进电机的速度控制器410来控制带的速度。更优选地，当带从放线轴401运送到卷线轴406时，计算机409借助速度控制器410控制带的速度。注意放线轴还可以包括与计算机409连接的速度控制器。
带408应该是清洁的并且没有油脂和/或其它污染物。这种污染物可能妨碍材料的沉积、化学污染沉积的材料，并且可能扭曲所得薄膜的结构，在大多数情况下会不利地影响超导性质。可以在预清洁级412中使用蒸汽脱脂器或清洁器在其进入初始级402之前清洁带。可选地，可以使用机械清洁器，例如辊式擦拭器来清洁带。另一种可选方法是使用超声浴，使用液体清洁剂，例如丙酮来清洁带。残留的清洁剂通过初始级402被从带上蒸发和/或烧掉。注意预清洁级412可以包括多次应用蒸汽、机械或浴处理，以及蒸汽、机械和/或浴的组合。另外，注意本级可以与系统400分开来操作。然后，所得清洁的带可以被重新绕盘并在系统400作为带401使用。
初始级402在生长超导层之前预加热和/或预处理带408。该级升高带408的温度至约500℃。该温度处于室温和下一级的温度之间。这会降低带的热冲击。预处理将在生长包括上部超导层的表面层之前从带上减少污染物。该级还除去覆盖金属的自然氧化物。所述级具有还原气氛，优选包括除氧剂，例如氢气(H2)、氨(NH3)和/或一氧化碳，以及氩气(和/或其它非反应气体，例如氮气)。清除剂与金属表面氧化物反应，使之还原成裸金属(bare metal)。表面金属氧化物会破坏HTS层的原子有序，影响其超导性质，因此应该被除去。
初始级402一个实施方案的实例表示在图5中。该级至少包括一个优选由石英或非反应性材料(例如不锈钢)组成的支座501。其它材料可包括金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3和/或其它金属氧化物材料。支座应该被抛光得平滑，使得不会扎破或扭结带，这将伤害基底的原子有序，并且导致降低质量的HTS薄膜。另外，支座应仅具有防止下垂所需的大小，这将使与带的接触最小并且防止污染。使用加热器502加热带。加热器502包括多个级，例如502a、502b、502c，其中每个级逐渐加热带至所需的温度。这会降低对带的热冲击。注意在本实施方案中，加热器包括支承管508。支承管具有多个端口(未显示)，允许气体和/或其它材料流入和/或流出管道。带借助带端口506进入该级，并且借助带端口507送出该级。注意与过渡室701上的一样，带端口506和507不必是窄的狭缝。可选地，窄狭缝可以不是过渡室的一部分，并且作为替代，带端口506和507可以包括窄的狭缝。材料端口504和505为用来定义该级环境的气体分别提供入口和出口。安装冷却管道503，降低该级402的外部温度。可选地，可以直接将冷却夹套装入该级402中。
下表提供了初始级环境的工作实例。表中各值都是优选值，可用的值，并且只是举例来说提供。注意SCCM是每分钟标准立方厘米。
表1初始级402
  变量     优选     操作
  输入带温度     室温     室温
  输出带温度     350℃     200-550℃
  压力     5-15托     1-700托
  气体流速     800-1000SCCM     100-2000
  气体组成：H2Ag     22-26％78-74％     3％-30％97％-70％
下一级是沉积级403。该级优选至少包括一个反应器或反应室601，在上面要沉积超导层的带基底上沉积一种或多种材料。如图6A所示，本部分可以包括多个反应室601a、601b、601c，它们可以通过图7A中的过渡室701来分开。具体的超导体可能需要不同材料、不同浓度、不同温度、不同压力和/或其需要一种以上不同操作环境的组合的沉积条件。每个反应室优选是相似的，但是如果具体的环境需要特别长或短的生长时间，和/或层需要更厚或更薄，反应室可以在带基底通行的方向上做得更大或者更小。注意因为带基底以恒定的速度运动，时间可以等同为距离，因此如果需要更长的沉积时间(和/或需要更厚的薄膜)，那么反应区将是更长的，或者生长速率更高，以及相反。相似地，改变带基底的速度也会改变沉积时间，例如减慢带基底会导致更长的沉积时间和更厚的薄膜，以及相反。
图6A描述了反应器601一个实施方案的实例。所述反应器至少包括一个优选由石英或非反应性材料(例如不锈钢)组成的支座604。其它材料包括金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3和/或其它金属氧化物材料。支座应该被抛光得平滑，使得不会扎破或扭结带基底，这将伤害基底的原子有序，并且导致降低质量的HTS薄膜。另外，支座应仅具有防止下垂所需的大小，这将使与带基底的接触最小并且防止污染。支座可以包括诸如灯的加热器，补充由加热元件613提供的热量。这就阻止了支座用作吸热器。反应器的侧面可以包括石英、非反应性材料(例如不锈钢)，或者可以包括一些用石英或非反应性材料作衬里的其它材料。其它非反应性材料包括金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3和/或其它金属氧化物材料。带基底借助带端口605进入该级，并且借助窄的带端口606送出该级。注意与过渡室701上的一样，带端口605和606不必是窄的狭缝。可选地，窄狭缝可以不是过渡室的一部分，并且作为替代，带端口605和606可以包括窄的狭缝。材料端口607为该级中使用的材料提供入口和出口。如图6D的反应器601的底视图所示，安置端口607，以方便反应器601中的材料层流。换句话说，材料从喷头603中注入，然后通过端口607流出。
反应器601包括灯602和喷头(或者分配头)603。图6B和6C分别描述了如图6A中安置的灯602和喷头603的侧视图和顶视图。图6E描述了喷头、基底和支座的透视图(注意在该图中忽略了灯602)。灯加热带基底至所需的温度，从而允许材料的沉积。灯还提供能显著增加生长速率的紫外和可见光，即通过增加反应物质的表面扩散来增加生长速率，从而会允许厚层的快速生长，以及更快的带基底速度和/或更小的反应器。灯使用反射器将光导向正位于喷头603下面的反应区609上。这会减少到反应室壁的热通量。灯优选是石英卤素灯并且包括多个沿着灯602长度延伸的灯泡608。注意可以使用其它的紫外/可见(UV/V)光源，例如氙放电、汞蒸汽，或者准分子激光。喷头603向基底带408处的反应器沉积区提供混有载气的反应物蒸气层流。喷头603优选由石英制成，但也可以是另一种非反应性材料，例如不锈钢。其它材料包括金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3和/或其它金属氧化物材料。
喷头下方的反应区是反应器的沉积区。该区域的大小根据其它系统特性，例如带速度、沉积速度、反应室压力等来选择，从而生产所需厚度的薄膜。当不在沉积区时，用罩子612盖住带基底408，防止材料覆盖到带基底上。
分配头603的尺寸和放置取决于基底408的宽度。举例来说，如图6B所示，对于具有宽度B612的基底408，支座604的宽度A613优选略小于B，例如B减2毫米。但是，A值在从B加2毫米至B减2毫米的范围是有效的。喷头的宽度C610优选大于B，例如B加10毫米。但是，C值在从B加15毫米至B减2毫米的范围是有效的。但是，喷头和基底之间的间距D611优选大于或等于B。但是，D值大于或者等于B/2是有效的。
灯罩也优选包括冷却夹套610作为灯反射器部分。在夹套中可以使用不同的冷却剂，例如水、油、乙二醇等。反应器的侧面也可以包括冷却夹套和/或冷却管614。冷却夹套不仅降低反应室外部温度至安全范围，而且通过降低壁温至物质不会发生化学反应的温度，减少沉积材料在壁上不需要的沉积。
反应器还可以优选包括质量控制端口611。该端口允许在沉积过程中观察带基底，和/或允许进入从而测试带基底的质量。
通过前体系统407提供在基底上结合形成沉积薄膜，例如HTS、缓冲层或外涂层的沉积材料(反应物化学原料)或者前体。公知的系统包括气体、液体、固体和浆体制备系统。固体前体输送系统典型地在独立的加热容器中挥发固体前体，将载气通过容器，然后将载气/前体蒸气通到反应室中。固体前体可以是单独的，或者作为固体混合成一块来蒸发。浆体前体输送系统在装备有加热区的独立室中蒸发少量含有溶解在溶剂中形成浆体的所有或其子集的前体的浆体。液体前体输送系统在装备有加热区的独立室中蒸发少量含有溶解在溶剂中形成浆体的所有或所有子集的前体的液体溶液。然后，将蒸发的前体注入反应器喷头中，从而输送给带基底408。液体前体溶液也可以被雾化，然后蒸发并注入反应器喷头中。
为了使YBCO超导体与连续金属箔基底成为整体，优选使用三个反应器。前两个反应器提供缓冲层，并且第三个反应器提供YBCO层。第一个反应器601a沉积缓冲薄层，优选为氧化铈(CeO2)。缓冲层足以在金属基底和超导层之间防止其它的速度扩散，并且提供在其上面生长原子有序的随后缓冲层或超导层的原子有序模板。与下两个反应器相比，该层在较低的温度下沉积，并且防止镍被氧化，它会毁坏上面要生长后续层的镍基底表面的原子结构。注意该反应器在合成气体，例如氢气的还原环境中操作，并且生长氧化物层，这意味着在反应器中还提供氧气。因为较低的压力(与标准大气压相比)，没有爆炸的危险。下表提供了第一反应器环境的工作实例。表中各值都是优选值，可用的值，并且只是举例来说提供的。
表2由反应器601a生长CeO缓冲层
    变量   优选   操作
  反应器温度   600-700℃   550-750℃
  反应器压力   2-4托   10托
  载气流速   100-400SCCM   100-400SCCM
  氧气流速   250-700SCCM   200-1000SCCM
  还原气体   H2 22-26％Ag 78-74％   3-30％97-70％
  还原气体流速   200-600SCCM   100-1000SCCM
第二反应器601b沉积更高沉积温度的缓冲层，优选为钇稳定的氧化锆(YSZ)缓冲层。该缓冲层防止第一缓冲层和金属基底内扩散入YBCO层中。本反应器工作在由O2、N2O、O及其组合，或者其它氧化剂组成的富氧化剂环境中，压力从1至5托，温度600-700℃。下表给出了第二反应器环境的工作实例。表中各值都是优选值，可用的值，并且只是举例来说提供的。
表3由反应器601b生长YSZ缓冲层
    变量   优选   操作
  反应器温度   780-830℃   750-850℃
  反应器压力   2-4托   1-10托
  氧气流速   300-600SCCM   100-750SCCM
  氩气流速   500-8000SCCM   200-2000SCCM
第三反应器601c也在富氧化剂环境中沉积YBCO层。YBCO层的厚度及其化学纯度和结晶度确定了所制造的超导带的临界电流。临界电流是超过该电流后超导体不再超导的电流。下表提供了对于固态前体第三反应器环境的工作实例。表中各值都是优选值，可用的值，并且只是举例来说提供的。
表4使用固态前体由反应器601c生长YBCO层
    变量     优选     操作
  反应器温度     780-830℃     750-850℃
  反应器压力     2-4托     1-10托
  前体B温度     270-280℃     265-285℃
  前体C温度     165-185℃     150-190℃
  前体Y温度     165-185℃     150-190℃
  氧气流速     100-500SCCM     100-1000SCCM
  N2O流速     100-300SCCM     100-1000SCCM
  氩气流速     500-800SCCM     300-2000SCCM
下表提供了对于固态(表4)和液态(表5)前体第三反应器环境的工作实例。表中各值都是优选值，可用的值，并且只是举例来说提供的。注意M是质量摩尔浓度。
表5使用液态前体由反应器601c生长YBCO层
    变量     优选     操作
    反应器温度     780-830℃     700-900℃
    反应器压力     2-3托     1-10托
    前体温度     20-40℃     15-45℃
    前体浓度     0.05-0.1M     0.01-0.3M
    氧气流速     400-500SCCM     200-1000SCCM
    氩气流速     300-500SCCM     200-1000SCCM
    N2O流速     200-500SCCM     100-1000SCCM
沉积级403在级402和第一反应器之间、反应器之间，以及最后的反应器和级404之间还包括过渡室701。图7A描述了过渡室一个实施方案的实例。带借助窄狭缝703进入过渡室中，并且借助窄狭缝704从过渡出来。使用狭缝，使从反应器室通到过渡室或反之的气体和其它材料最少。因此，过渡室分隔各级或反应器与另一个级和/或反应器，从而防止来自一个级或反应器与另一个级或反应器的材料和/或气体的交叉污染。过渡室具有真空系统706，控制从过渡室任一端漏入的任何材料或气体，并且在或者高于或者低于名义反应变换器压力的压力下操作。
过渡室优选至少包括一个优选由石英或非反应性材料(例如不锈钢)组成的支座702。其它材料包括金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3和/或其它金属氧化物材料。支座应该被抛光得平滑，以至于不会扎破或扭结带基底，这将伤害基底的原子有序，并且导致降低质量的HTS薄膜。另外，支座应仅具有防止下垂所需的大小，这将使与带基底的接触最小并且防止污染。
过渡室可以包括一个或多个加热元件707，允许维持和/或调节过渡室中带基底的温度。加热器707维持带基底的温度，或者调节其温度(或高或低)至介于与之连接的两个级之间的某个点，例如中点。举例来说，如果一个反应器的温度为550℃且另一个反应器的温度为700℃，那么可以设置过渡室的温度为625℃。当带基底在各级/或反应器之间运动时，这将会降低带基底的热冲击。注意在本实施方案中，加热元件707包括支承管711。支承管711具有多个端口710，允许气体或其它材料流入和/或流出管道。图7B描述了具有端口710的管道711的侧视图。
过渡室优选至少包括一个端口705，允许将至少一种气态物质引入过渡室中，所述气态物质能够稳定或增强在基底上形成的缓冲层或超导层，或者增强在带基底上形成后续层。举例来说，过渡室向带基底提供氧气，这会帮助在沉积的薄膜中维持氧的化学计量。通过真空系统706除去任何引入的气态材料，并且不会进入任一级/反应器中。
过渡室还优选包括冷却夹套708。在夹套中可以使用不同的冷却剂，例如水、油、乙二醇等。冷却夹套不仅降低反应室外部温度至安全范围，而且通过降低壁温至物质不会发生化学反应的温度，降低沉积材料不需要地沉积到壁上。
过渡室还可以优选包括质量控制端口709。该端口允许在沉积过程中观察带基底，和/或允许进入以测试带基底的质量。
下表提供了过渡室701-1、701-2、701-3和701-4的环境的工作实例。表中各值都是优选值，可用的值，并且只是举例来说提供的。
表6过渡室环境
  室号 变量 优选 操作
  701-1 温度 500℃ 400-700℃
压力 3托 1-10托
气体组成：H2Ag 22-26％78-74％ 3-30％97-70％
气体流速 500SCCM 100-1000 SCCM
  701-2 温度 600℃ 450-800℃
压力 3托 1-10托
气体组成：O2 100％ 100％
气体流速 500SCCM 100-2000SCCM
 701-3 温度 700℃ 650-850℃
压力 3托 1-10托
气体组成：O2 100％ 100％
气体流速 500SCCM 100-1500SCCM
  701-4 温度 650℃ 600-800℃
压力 10托 2-100托
气体流速：O2N2O 500SCCM300SCCM 300-2000SCCM300-2000SCCM
下一级是退火级404。该级允许在基底带上的超导层中增加氧的化学计量，并且冷却整个加工的带。在该级后，带暴露于正常的空气中，而不会分解超导层，因此不需要另外的过渡室。带在该级约为30-60分钟。当带进入该级时，其约为800-650℃，并且当其退出该级时约为300℃。在该级中带处于氧气气氛下。
图8描述了退火级的实例。该级至少包括一个优选由石英或非反应性材料(例如不锈钢)组成的支座801。其它材料包括金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3和/或其它金属氧化物材料。支座应该被抛光得平滑，使得不会扎破或扭结带，这将伤害基底的原子有序，并且导致降低质量的HTS薄膜。另外，支座应仅具有防止下垂所需的大小，这将使与带的接触最小并且防止污染。使用加热器802加热带。加热器802包括多个级，例如802a、802b、802c，其中各级逐渐加热带至所需的温度。这会降低对带的热冲击。注意在本实施方案中，加热器包括支承管808。支承管具有多个端口(未显示)，允许气体和/或其它材料流入和/或流出管道。带借助带端口806进入该级，并且借助带端口807送出该级。注意与过渡室701上的一样，带端口806和807不必是窄的狭缝。可选地，窄狭缝可以不是过渡室的一部分，并且作为替代，带端口806和807可以包括窄的狭缝。材料端口804和805为用来定义该级环境的气体分别提供入口和出口。提供冷却管道803，以降低该级404的外部温度。可选地，可以直接将冷却夹套装入该级404中。
下表提供了退火级环境的工作实例。表中各值都是优选值，可用的值，并且只是举例来说提供的。
表7退火级环境
    级   变量   优选     操作
  级I802a   温度   550℃  500-700℃
  压力   760托  100-1500托
  O2流速   500SCCM  100-2000 SCCM
  级II802b   温度   350℃  300-400℃
  压力   760托  100-1500托
  O2流速   500SCCM  100-2000SCCM
  级III 802c   温度   200℃  ≤300℃
  压力   760托  100-1500托
  O2流速   500SCCM  100-2000SCCM
可选的密封级405可以用保护涂层涂布带，例如漆、塑料、聚合物、布、金属(例如银、金或铜)。所述材料只是出于举例说明而引用的，可以使用其它的涂层。
可选的级418实施质量控制测试，确保最终的超导带以及加工中的带具有适当的特性。注意该级可以使用端口611和/或709。另外，注意在任何反应器601a、b、c；任何过渡室701；和/或预处理或后退火级中可以结合质量控制测试。另外，注意质量控制测试可以与系统400分开来实施。所述质量控制测试可以结合直接或间接的YBCO性质测量，包括原子有序、温度、反射率、表面形态、厚度、微结构、Tc、Jc、微波抵抗力等，或者结合直接或间接的带缓冲层或覆盖层性质的测量，包括原子有序、温度、反射率、表面形态、厚度、微结构等。注意Jc是导线在断裂前可以运用的临界电流密度或者电流的最大量。一些超导元件具有每平方厘米100,000安培或者更大的Jc。良好的超导元件具有每平方厘米500,000安培或者更大的Jc。
本发明优选使用卷线轴406来缠绕超导带。注意导线带408的长度仅受放线轴和卷线轴尺寸的限制。因此，超导带可以具有任何所需的长度，取决于输入/输出盘的长度。举例来说，本发明可以生产1或2公里(km)长的导线带，或者甚至更长。
注意可以使用计算机409来控制本发明的各个方面。举例来说，计算机可以控制流入反应器的材料的浓度、反应器或者过渡室的温度、带速、带的张力、进入不同反应器或者级的材料的流速等。这会允许从质量控制测试反馈，改善导线带的特性。
系统400还可选地包括压力控制室414和415，其有助于分别控制初始级402和退火级404中的压力。过渡室701可以用作压力控制室。在此情况下，不需要加热元件707、支承管711和/或水夹套708。另外，在室414及级402和/或室415及级404之间可以不使用窄狭缝。系统在初始级402和正常大气，或者室414(如果使用)和正常大气之间还可以使用附加的过渡室413。室413防止正常大气和初始级402环境的混合。举例来说，室413防止正常大气中的氧气进入初始级402，并且防止来自初始级的氢气进入正常大气中。
系统使用真空泵417在系统的各部分中实现所需的压力。使用液氮捕获器和过滤器416除去来自反应器601废气的材料，防止伤害泵417。其它的组件也可以使用这种捕获器和/或过滤器来防止对其相关的泵的伤害。
图9A-9D描述由图4的系统生产的本发明超导线的不同实施方案的实例。图9A描述带有缓冲层902和HTS层904的带基底901。图9B描述带有缓冲层902、903、HTS层904和密封层905的带基底901。
图9C描述包括带有缓冲层902、903和密封层905的基底901的双HTS层的导线。缓冲层906和907分开第一HTS层904和第二HTS层907。注意此处可以使用缓冲层906，并且906不必与902或者903相同。所述导线可以使用图4系统中的附加反应器、过渡室和/或其它组件来制造。所述导线还可以通过使用图4的系统重复加工来制造。换句话说，在第一HTS层完成后，缠绕导线而不添加密封层。然后，线轴移动到放线轴401。然后，使用所选图4系统组件中的一些形成包括第二HTS层的后续层。
图9D描述在基底每一面上具有一个HTS层的双HTS层导线的另一个实例。所述导线可以使用图4系统中的附加反应器、过渡室和/或其它组件形成附加的层来制造。为了在相反面上形成层，向图4的系统中添加附加设备，按需要扭曲或翻转带，从而加工带的底面。所述导线还可以通过使用图4的系统重复加工来制造。换句话说，在第一HTS层完成后，缠绕导线而不添加密封层。为了翻转带的面，卷线轴406将从盘的底部(逆时针)，而不是从盘的顶部(顺时针)缠绕带，如图4所示。然后，线轴移动到放线轴401。然后，图4的系统加工带，形成包括第二HTS层的后续层。
本发明的导线可以在电流输运、电力配送、电动机、发电机、变压器、漏电限制器、超导磁能存储器(SMES)，以及各种磁休(包括，但不局限于MRI系统、磁悬浮运输系统、粒子加速器和磁流体动力学动力系统)中使用。
可以使用本发明系统从不同的超导材料形成本发明的超导线，所述材料包括，但不局限于YBCO、YBa2Cu3O7-x、NbBa2Cu3O7-x、LaBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3Oy、Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2Ca1Cu2Oz、Tl2Ba2CaCu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy、Tl1Ba2Ca2Cu3Oz、Tl1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz、Tl1Ba2Ca1Cu2Oz、Hg1Ba2Ca1Cu2Oy、Hg1Ba2Ca2Cu3Oy、MgB2、铜氧化物、稀土金属氧化物，以及其它高温超导体。本发明还包括不同的缓冲材料，包括但不局限于CeO2(或CEO)、Y2O3-ZrO2(或YSZ)、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。
尽管已经详细地说明了本发明及其优点，但是应当理解此处可以做出各种变化、代替和改变，而不会背离如附加权利要求所定义的本发明的精神和范围。另外，本申请的范围不打算局限于在本说明书中描述的过程、机械、生产、物质组成、设备、方法和步骤。本领域技术人员从本发明的说明中容易领会根据本发明可以使用现存或后来待发展的过程、机械、生产、物质组成、设备、方法或步骤，基本上起着与相应实施方案相同的功能或者实现相同的结构。因此，附加的权利要求打算将这种过程、机械、生产、物质组成、设备、方法和步骤包括在其范围内。

Claims (76)

1、一种超导线，包括：
基底；及
位于基底一面上的原子有序超导材料的连续层；
其中超导线具有大于10米的长度。
2、权利要求1的超导线，其中所述超导材料选自由下列材料构成的组：
YBCO、YBa2Cu3O7-x、NbBa2Cu3O7-x、LaBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3Oy、Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2Ca1Cu2Oz、Tl2Ba2CaCu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy、Tl1Ba2Ca2Cu3Oz、Tl1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz、Tl1Ba2Ca1Cu2Oz、Hg1Ba2Ca1Cu2Oy、Hg1Ba2Ca2Cu3Oy、MgB2、铜氧化物和稀土金属氧化物。
3、权利要求1的超导线，其中所述基底包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
镍、银、钯、铂、铜、铝、铁、钨、钽、钒、铬、锡、锌、钼和钛。
4、权利要求1的超导线，其中所述基底包括带。
5、权利要求4的超导线，其中所述带具有至少20微米的厚度。
6、权利要求1的超导线，其中所述超导材料是高温超导材料。
7、权利要求1的超导线，其中所述连续层具有0.5至15微米的厚度。
8、权利要求1的超导线，其中所述超导材料具有高于或等于液氮在1个大气压下的最高温度的超导转变温度。
9、权利要求1的超导线，还包括至少一层位于所述基底和超导材料连续层之间的缓冲层。
10、权利要求9的超导线，其中所述缓冲层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
CeO2、YSZ、Y2O3-ZrO2、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。
11、权利要求1的超导线，还包括至少两层位于基底和超导材料连续层之间的缓冲层。
12、权利要求11的超导线，其中所述每层缓冲层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
CeO2、YSZ、Y2O3-ZrO2、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。
13、权利要求1的超导线，其中所述超导线是柔性的。
14、权利要求1的超导线，其中所述超导线具有1毫米至20厘米的宽度。
15、权利要求1的超导线，其中所述连续层具有至少为每平方厘米100,000安培的临界电流密度。
16、权利要求1的超导线，其中所述连续层具有至少为每平方厘米500,000安培的临界电流密度。
17、权利要求1的超导线，还包括覆盖连续层的密封层。
18、权利要求17的超导线，其中所述密封层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
金属、金属氧化物、金、银、铜、铝、聚合物和介电材料。
19、权利要求1的超导线，还包括原子有序超导材料的另一连续层。
20、权利要求19的超导线，其中所述连续层的超导材料与所述另一连续层的不同。
21、权利要求19的超导线，其中所述连续层的超导材料与所述另一连续层的相同。
22、权利要求19的超导线，其中所述另一连续层位于基底的另一面上。
23、权利要求19的超导线，其中所述另一连续层位于所述连续层和基底之间。
24、权利要求23的超导线，还包括至少一层位于所述连续层和所述另一连续层之间的缓冲层。
25、权利要求24的超导线，其中所述缓冲层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
CeO2、YSZ、Y2O3-ZrO2、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。
26、权利要求19的超导线，其中所述另一连续层的超导材料选自由下列材料构成的组：
YBCO、YBa2Cu3O7-x、NbBa2Cu3O7-x、LaBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3Oy、Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2Ca1Cu2Oz、Tl2Ba2CaCu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy、Tl1Ba2Ca2Cu3Oz、Tl1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz、Tl1Ba2Ca1Cu2Oz、Hg1Ba2Ca1Cu2Oy、Hg1Ba2Ca2Cu3Oy、MgB2、铜氧化物和稀土金属氧化物。
27、权利要求1的超导线，其中使用所述超导线来传输电流。
28、权利要求1的超导线，其中使用所述超导线来分配电力。
29、权利要求1的超导线，其中所述超导线在磁体中使用。
30、权利要求1的超导线，其中所述超导线在电动机中使用。
31、权利要求1的超导线，其中所述超导线在发电机中使用。
32、权利要求1的超导线，其中所述超导线在漏电限制器中使用。
33、权利要求1的超导线，其中所述超导线在超导磁能存储系统中使用。
34、权利要求1的超导线，其中所述超导线在变压器中使用。
35、一种超导线，包括：
基底；及
位于基底一面上的超导材料连续层；
其中超导线具有大于10米的长度，并且连续层具有至少为每平方厘米100,000安培的临界电流密度。
36、权利要求35的超导线，其中所述连续层具有至少为每平方厘米500,000安培的临界电流密度。
37、权利要求35的超导线，其中所述超导材料是原子有序的。
38、权利要求35的超导线，其中所述超导材料选自由下列材料构成的组：
YBCO、YBa2Cu3O7-x、NbBa2Cu3O7-x、LaBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3Oy、Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2Ca1Cu2Oz、Tl2Ba2CaCu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy、Tl1Ba2Ca2Cu3Oz、Tl1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz、Tl1Ba2Ca1Cu2Oz、Hg1Ba2Ca1Cu2Oy、Hg1Ba2Ca2Cu3Oy、MgB2、铜氧化物和稀土金属氧化物。
39、权利要求35的超导线，其中所述基底包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
镍、银、钯、铂、铜、铝、铁，以及上述材料与钨、钽、钒、铬、锡、锌、钼和钛的合金。
40、权利要求35的超导线，其中所述基底包括带。
41、权利要求40的超导线，其中所述带具有至少20微米的厚度。
42、权利要求35的超导线，其中所述超导材料是高温超导材料。
43、权利要求35的超导线，其中所述连续层具有0.5至15微米的厚度。
44、权利要求35的超导线，其中所述超导材料具有高于或等于液氮在1个大气压下的最高温度的超导转变温度。
45、权利要求35的超导线，还包括至少一层位于所述基底和超导材料连续层之间的缓冲层。
46、权利要求45的超导线，其中所述缓冲层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
CeO2、YSZ、Y2O3-ZrO2、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。
47、权利要求35的超导线，还包括至少两层位于基底和超导材料连续层之间的缓冲层。
48、权利要求47的超导线，其中所述每层缓冲层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
CeO2、YSZ、Y2O3-ZrO2、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。
49、权利要求35的超导线，其中所述超导线是柔性的。
50、权利要求35的超导线，其中所述超导线具有1毫米至20厘米的宽度。
51、权利要求35的超导线，还包括覆盖连续层的密封层。
52、权利要求51的超导线，其中所述密封层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
金属、金属氧化物、金、银、铜、铝、聚合物和介电材料。
53、权利要求35的超导线，还包括原子有序超导材料的另一连续层。
54、权利要求53的超导线，其中所述连续层的超导材料与所述另一连续层的不同。
55、权利要求53的超导线，其中所述连续层的超导材料与所述另一连续层的相同。
56、权利要求53的超导线，其中所述另一连续层位于基底的另一面上。
57、权利要求53的超导线，其中所述另一连续层位于所述连续层和基底之间。
58、权利要57的超导线，还包括至少一层位于所述连续层和所述另一连续层之间的缓冲层。
59、权利要求58的超导线，其中所述缓冲层包括选自由下列材料构成的组之中的材料：
CeO2、YSZ、Y2O3-ZrO2、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。
60、权利要求53的超导线，其中所述另一连续层的超导材料选自由下列材料构成的组：
YBCO、YBa2Cu3O7-x、NbBa2Cu3O7-x、LaBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3Oy、Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2Ca1Cu2Oz、Tl2Ba2CaCu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy、Tl1Ba2Ca2Cu3Oz、Tl1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz、Tl1Ba2Ca1Cu2Oz、Hg1Ba2Ca1Cu2Oy、Hg1Ba2Ca2Cu3Oy、MgB2、铜氧化物和稀土金属氧化物。
61、权利要求35的超导线，其中使用所述超导线来传输电流。
62、权利要求35的超导线，其中使用所述超导线来分配电力。
63、权利要求35的超导线，其中所述超导线在发电机中使用。
64、权利要求35的超导线，其中所述超导线在磁体中使用。
65、权利要求35的超导线，其中所述超导线在电动机中使用。
66、权利要求35的超导线，其中所述超导线在漏电限制器中使用。
67、权利要求35的超导线，其中所述超导线在超导磁能存储系统中使用。
68、权利要求35的超导线，其中所述超导线在变压器中使用。
69、一种超导线，包括：
基底；及
包括Ce和O并与基底相邻的第一缓冲层；
包括YSZ并与第一缓冲层相邻的第二缓冲层；及
与第二缓冲层相邻的原子有序YBCO超导材料的连续层。
70、权利要求69的超导线，其中所述超导线具有大于10米的长度。
71、权利要求69的超导线，其中所述连续层具有至少为每平方厘米100,000安培的临界电流密度。
72、权利要求69的超导线，其中所述连续层具有至少为每平方厘米500,000安培的临界电流密度。
73、一种超导线，包括：
基底；及
包括Ce和O并与基底相邻的第一缓冲层；
包括YSZ并与第一缓冲层相邻的第二缓冲层；及
与第二缓冲层相邻的原子有序YBCO超导材料的连续层；
其中所述连续层具有至少为每平方厘米100,000安培的临界电流密度。
74、权利要求73的超导线，其中所述连续层具有至少为每平方厘米500,000安培的临界电流密度。
75、权利要求73的超导线，其中所述超导线具有大于10米的长度。
76、权利要求35的超导线，其中所述超导材料是原子有序的。
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