DE10055694A1

DE10055694A1 - Band-Metallsubstrat zur Verwendung in einem Hochtemperatur-supraleitenden Band und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10055694A1
Application number: DE10055694A
Authority: DE
Inventors: Do Jun Youm; Jae Seoung; Ho Sup Kim
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2001-07-05
Also published as: KR20010055735A; KR100340784B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung präsentiert ein Band-Metallsubstrat zur Verwendung in einem Hochtemperatur-supraleitenden Band und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das erfindungsgemäße Substrat ist dadurch gekennzeichnet, daß es mit über 99,9% reinem Nickel zu bilden ist, das mit [100] parallel zur Oberflächenebene des Bandes und mit [001] unter einem bestimmten Winkel in Beziehung zur Bandoberflächenebene geneigt texturiert ist. Um dieses Substrat herzustellen, wird ein Band-Metallsubstrat mit über 99,9% Reinheit gewalzt, punktgeschweißt und bewegungswärmebehandelt. Erfindungsgemäß kann ein ziemlich langes Bandnickelsubstrat in Einkristallen hergestellt werden. Die kristalline Textur einer Pufferschicht und einer Hochtemperatur-Supraleiterschicht, die nicht dieses Nickelsubstrat beschichtet ist, zeigt eine Vollkommenheit über die gesamte Bandlänge und eine Beständigkeit über die Dicke einer dicken Schicht. Daher kann infolge dieser Kristallinizität dafür gesorgt werden, daß die kritische Stromdichte über die gesamte Länge des Bandes hoch ist und es kann dafür gesorgt werden, daß der kritische Gesamtstrom groß ist, indem die YBCO-Hochtemperatur-Supraleiterschicht zu einer großen Dicke abgeschieden wird.

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallsubstrat und ein Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere ein Band- Metallsubstrat, um ein Hochtemperatur-supraleitendes Band her zustellen, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Beschreibung der verwandten Technik

Ein Hochtemperatur-Supraleiter läßt einen großen Strom ohne einen Leistungsverlust aufgrund der Eigenschaft zu, daß der Wi derstand unter der kritischen Temperatur null wird. Zugunsten dieser Eigenschaft steht die Entwicklung unter Verwendung der Hochtemperatur-Supraleiter als Materialien für einen Energie übertragungsdraht fast am Rande einer kommerziellen Nutzung. Insbesondere wenn die Hochtemperatur-Supraleiter für die Ener gieübertragungsleitungen verwendet und kommerziell genutzt wer den und folglich die vorhandenen Starkstromleitungen ersetzt werden, wird ein enormes Marktvolumen erwartet, weil der Fehler der herkömmlichen Übertragungsdrähte, das heißt der Energiever lust während der Übertragung, beseitigt werden kann. Daher sind viele Forschungen durchgeführt worden, um ein Hochtemperatur supraleitendes Band zu entwickeln, das eine große kritische Stromdichte aufweist, indem eine einheitliche Dicke mit einem hohen Maß an Kristallinizität über die Gesamtlänge gebildet wird.

Allgemein werden Hochtemperatur-Supraleiter in zwei Reihen eingeteilt, abhängig von den verwendeten Materialien: eine ist der Supraleiter der Wismut-Reihe, der durch Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₇ re präsentiert wird; die andere ist der Supraleiter der Yttrium- Reihe, der durch Y₁Ba₂Cu₃O₇ repräsentiert wird (im folgenden als YBCO bezeichnet). Der Supraleiter der Yttrium-Reihe zeigt eine überragende kritische Stromdichte bei der Temperatur von flüs sigen Stickstoff und im Magnetfeld von über einigen Tesla des Supraleiters der Wismut-Reihe. Daher hat die jüngste Entwick lung von Herstellungstechniken für ein Hochtemperatur-supralei tendes Band aus YBCO von der internationalen Gesellschaft ein großes Interesse auf sich gezogen.

In den meisten Fällen der Herstellung von YBCO-Hochtempe ratur-Band konzentrieren sie die Forschungen auf Verfahren zur Beschichtung einer YBCO-Hochtemperatur-supraleitenden Schicht auf ein bandförmiges Nickelsubstrat. Um dafür zu sorgen, daß die YBCO-Hochtemperatur-supraleitende Schicht einen großen su praleitenden kritischen Strom in den Grenzen der Möglichkeiten aufweist, sollten die Achsen der YBCO Kristalle gut ausgerich tet sein, und folglich sind Techniken erforderlich, um diese Achsen zufriedenstellend auszurichten.

Kürzlich hat das Oak Ridge National Research Institute of U.S. eine Technik vorgeschlagen, in der Nickel gewalzt und wärmebehandelt wird, wobei [001] zur senkrechten Richtung der Bandoberflächenebene und [100] zur longitudinalen Richtung des Bandes augerichtet wird. Diese Technik ist seit einer langen Zeit wohlbekannt. Durch diese Technik hergestellte Substrate werden als walzunterstützt biaxial texturierte Substrate (RA BiTS) bezeichnet, die als die Substrate von Hochtemperatur-su praleitenden Bändern verwendet werden. Kristallachsen von YBCO können ausgerichtet werden, wenn eine Pufferschicht und eine YBCO-Schicht auf das auf Nickel beruhende Substrat beschichtet werden, das wie in der vorher erwähnten Technik texturiert wird, und dann die beschichteten Schichten in Ausrichtung mit den Ach sen der Nickelkristalle gezüchtet werden.

Jedoch weisen die RABiTS die folgenden Fehler auf.

Erstens besteht ein durch die RABiTS-Technik erhaltenes Nickelband aus zahlreichen Körnern und die Richtungen der Kri stallachsen der Körnern unterscheiden sich voneinander. Wie vorhergehend beschrieben, ist die Kristallachse von [001] in die senkrechte Richtung zur Oberfläche ausgerichtet und [100] ist zur longitudinalen Richtung des Bandes ausgerichtet. Jedoch beträgt die Abweichung der Achsenrichtungsverteilung etwa 9 Grad. Da die Achsenrichtungsverteilung einem statistischen Merkmal folgt, ist nicht garantiert, daß es keine fehlerhaften Teile in der texturierten Struktur gibt. Wenn folglich einige Teile des Nickelsubstrat eine schlechte Kristallinizität auf weisen, ist die Kristallinizität der YBCO-Schicht darauf eben falls schlecht. Um jedoch eine praktische Verwendung aufzuwei sen, muß ein Hochtemperatur-supraleitendes Band bis zu mehreren hundert Metern verlängert werden, darf jedoch keine fehlerhaf ten Teile von selbst 1 cm über die Gesamtlänge aufweisen. Dies ist so, weil der kritische Strom des gesamten Gegenstandes durch das stückweise Minimum des kritischen Stroms an einem fehler haften Teil begrenzt ist. Daher ist es sicher, daß das stati stische Merkmal von Körnern in ihre Kristallachsenrichtung die Quelle der Unzuverlässigkeit des kritischen Strom eines Gegen standes ist.

Zweitens, da [001] von Nickel senkrecht zur Oberfläche ist, ist [001] der Pufferschicht und die c-Achse der YBCO-Schicht ebenfalls senkrecht zur Oberfläche. In dieser Struktur ist die ab-Ebene, auf der der supraleitende Strom fließt, parallel zur Oberfläche. Wenn daher die a(b)-Achsen gut ausgerichtet sind, ist ein großer kritische Strom längs der Bandoberfläche zuläs sig. Um jedoch den kritischen Strom über den gesamten Quer schnitt einschließlich der YBCO-Schicht, der Pufferschicht und des Nickelbandes groß zu machen, muß die Dicke der YBCO-Schicht groß gemacht werden. Die YBCO-Schicht wächst in einer senkrech ten Richtung zur c-Achse, und dann wechselt sie aus verschie denen Gründen in ein a-Achsen-Wachstum. Sobald ein a-Achsen- Wachstum beginnt, kehrt es nicht zum c-Achsen-Wachstum zurück. Für auf das [001]-senkrechte Nickelsubstrat a-Achse-gezüchtete Körner, die durch die RABiTS-Technik erhalten werden, werden ihre c-Achsen zufällig entweder in [100] oder [010]-Richtung ausgewählt und folglich geht die Kristallinizität der Schicht verloren. Daher ist der kritische Strom der Schicht durch ein a-Achsen-Wachstum äußerst niedrig. Und es ist schwierig, daß eine YBCO-Schicht senkrecht zur c-Achse über mehrere Mikrometer zu wachsen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Nickel substrat, dessen Textur fast Einkristalle sind, und ein Verfah ren zu dessen Herstellung bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Nickelsubstrat, das seine Kristallachsen-Richtung und Ausrich tung beibehält, selbst wenn die YBCO-Schicht mit einer Dicke über mehrere Mikrometer gezüchtet wird, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.

Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, ist ein Nickelme tallsubstrat zur Verwendung bei der Bildung eines bandförmigen Hochtemperatur-Supraleiters dadurch gekennzeichnet, daß es aus über 99,9% reinem Nickel besteht, das mit [100] parallel zur Bandoberfläche und mit [001] unter einem bestimmten Winkel in Beziehung zur Bandoberflächenebene geneigt texturiert ist.

In der vorliegenden Erfindung liegt der bestimmte Winkel vorzugsweise im Bereich von in 20 bis 30 Grad.

Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Nickelmetallsubstrate da durch gekennzeichnet, daß es aufweist: einen Schritt des Wal zens von Nickelmetall von über 99,9% Reinheit, um es in ein bandförmiges Substrat zu formen; einen Schritt der lokalen Wär mebehandlung des bandförmigen Substrates; und einen Schritt des Einbringens des lokal wärmebehandelten Substrats in einen Heiz ofen und es dann langsam durch den Ofen zu schicken, so daß Nickel mit [100] parallel zur Bandoberfläche und [001] unter einem Winkelbereich von 20 bis 30 Grad in Beziehung zur Band oberflächenebene geneigt texturiert wird.

In der vorliegenden Erfindung ist die lokale Wärmebehand lung vorzugsweise das Punktschweißen.

Auch kann das Herstellungsverfahren ferner einen zusätzli chen Schritt des Schickens des mit dem vorher erwähnten Verfah ren hergestellten Nickelmetallsubstrats durch einen Ofen, der mit einer gasförmigen Verunreinigung gefüllt ist, und folglich Dotierens des Substrats mit Verunreinigungen aufweisen. Vor zugsweise sind die Verunreinigungen Kohlenstoff oder Chrom.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a und 1b sind Prinzipskizzen, die ein Verfahren, das ein bandförmiges Nickelsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, bzw. ein durch dasselbe Verfahren her gestelltes Substrat darstellen.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Temperatur-Wi derstandskurve für eine Hochtemperatur-supraleitenden YBCO-Schicht zeigt, die auf dem Nickelsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die bei etwa der Temperatur von flüssigen Stickstoff gemessene kritische Stromdichte für das Nickelsubstrat der Fig. 2 zeigt.

Beschreibung der Ziffern in den Zeichnungen

10

Heizofen

20

bandförmiges Ni-Substrat

30

Heizvorrichtung

40

Führungsdraht

50

Einheitszelle des Ni-Kristalls

60

Achse [00

1

] des Ni-Kristalls

70

Achse [

100

] des Ni-Kristalls

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen

Im folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegen den Erfindung im Detail beschrieben, indem auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird.

Die Fig. 1a und 1b sind Prinzipskizzen, die ein Verfah ren, das ein bandförmiges Nickelsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, bzw. ein durch dasselbe Verfahren hergestell tes Substrat darstellen.

Bezugnehmend auf Fig. 1, wird ein bandförmiges Nickelsub strat (20) in einen Heizofen (10) gegeben, der durch eine Heiz vorrichtung (30) umgeben ist. Das Nickelsubstrat (20) besteht aus über 99,9% reinem Nickel und befindet sich in einen Zustand, der durch Walzen und dann Wärmebehandlung durch Punktschweißen fertiggestellt ist. Das Nickelsubstrat (20) geht durch eine lo kale Bewegungswärmebehandlung, während es durch einen Führungs draht (40) im Ofen (10) in die Richtung des Pfeiles gezogen wird. Dieses Verfahren läßt eine kontinuierliche Fortpflanzung einer Rekristallisation zu. Durch dieses Verfahren wird ein Nickelsubstrat erhalten, das mit [100] parallel zur Bandober fläche und [001] unter einem bestimmten Winkel in Beziehung zur Bandoberfläche texturiert ist, wie in Fig. 1b gezeigt. In Fig. 1b repräsentiert die Bezugsziffer 50 eine Einheitszelle eines Nickelkristalls, Bezugsziffer 60 repräsentiert die Achse [001] eines Nickelkristalls, und Bezugsziffer 70 repräsentiert die Achse [100] eines Nickelkristalls. In der vorliegenden Ausfüh rungsform wird Chrom durch das Atomdiffusionsverfahren dotiert, um einen Fehler in der mechanischen Eigenschaft zu auszuglei chen, den ein Nickelsubstrat (20) nach einer Wärmebehandlung zeigt. Wenn Puffer- und YBCO-Schichten auf dem bandförmigen Nickelsubstrat abgeschieden werden, wie oben beschrieben, wer den auch sie in einer im wesentlichen einkristallinen Form ge züchtet, was zu einer fast perfekten Kristallinizität führt.

Da die a(b)-Achse der hierin gebildeten YBCO-Schicht par allel zum bandförmigen Nickelsubstrat ist, wird eine ausge zeichnete kritische Stromdichte erhalten. Insbesondere wird, da die c-Achse um über 20 Grad geneigt ist, die Kristallwachstums richtung nicht geändert, wenn die YBCO-Schicht dicker wird. Mit anderen Worten ist es möglich, da das geneigte Wachstum sehr stabil ist, eine ziemlich dicke YBCO-Schicht zu bilden.

Die gegenwärtigen Erfinder analysierten das durch das oben erwähnte Verfahren erhaltene bandförmige Nickelsubstrat mit ei nem Röntgenbeugungsspektroskop (XRD), um die Kristallinizität des Nickelsubstrats zu bestimmen. Als Ergebnis wurde festge stellt, daß [100] parallel zur Nickelbandoberfläche ist und [001] um 23 Grad in Beziehung zur Bandoberfläche geneigt ist.

Auch wurde, um festzustellen, daß Nickel perfekt in Einkri stallen über die gesamte Länge des Bandes vorliegt, eine pola risierte Photographie nach einer Oberflächenätzung beobachtet. Bei dieser Beobachtung wurden keine Korngrenzen identifiziert. Dies läßt darauf schließen, daß das für die Analyse präparierte bandförmige Nickelsubstrat in der Form von Einkristallen vor liegt.

Für eine weitere detaillierte Analyse wurde ein bandförmi ges Nickelsubstrat in 1 cm Segmente zerschnitten, und dann wurde jedes Segment mit einem Röntgenbeugungsspektroskop analysiert. Die Analyseergebnisse waren für jedes Segment alle dieselben.

Unterdessen wurde eine Pufferschicht aus CeO₂/YSZ(Yttrium oxid-stabilisiertes Zirkondioxid)/CeO₂ und eine supraleitende Schicht aus YBCO, die auf dem bandförmigen Nickelsubstrat ge bildet wurden, mit einem Röntgenbeugungsspektroskop analysiert, und als Ergebnis wurde festgestellt, das die Kristallrichtungen aller Schichten sich in Ausrichtung mit jenen des Nickelsub strats befinden.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Temperatur- Widerstandskurve für eine Hochtemperatur-supraleitenden YBCO- Schicht zeigt, die auf dem Nickelsubstrat gemäß der vorliegen den Erfindung gebildet wird. Bezugnehmend auf Fig. 2, wird ge zeigt, daß die kritische Temperatur etwa 85 K beträgt.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die bei etwa der Temperatur von flüssigen Stickstoff gemessene kritische Stromdichte für das Nickelsubstrat der Fig. 2 zeigt. Bezugneh mend auf Fig. 3, beträgt die bei etwa der Temperatur von flüs sigen Stickstoff gemessene kritische Stromdichte (Jc) etwa 5 × 10⁵ A/cm², was eine ausgezeichnete Eigenschaft des supralei tenden Bandes darstellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein bandförmiges Nic kelsubstrat einer ziemlich langen Länge in Einkristallen her gestellt werden. Die kristalline Ausrichtung einer Puffer schicht und der Hochtemperatur-supraleitenden Schicht, die auf das Nickelsubstrat beschichtet sind, zeigt eine Vollkommenheit über die gesamte Bandlänge und eine Beständigkeit über die Dicke einer dicken Schicht. Daher läßt diese Kristallinizität eine große kritische Stromdichte über die gesamte Länge des Bandes und einen großen kritischen Geamtstrom zu, indem die Hochtem peratur-supraleitende Schicht zu einer großen Dicke abgeschieden wird.

Claims

1. Bandförmiges Nickelmetallsubstrat zur Verwendung beim Bil den eines Hochtemperatur-Supraleiters, dadurch gekennzeich net, daß es aus über 99,9% reinem Nickel besteht, das mit [100] parallel zur Oberflächenebene des Bandes und mit [001] unter einem bestimmten Winkel in Beziehung zur Bandoberflä chenebene geneigt texturiert ist.

2. Bandförmiges Nickelmetallsubstrat nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen 20 und 30 Grad liegt.

3. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Nickelmetall substrats, das aufweist: einen Schritt des Walzens von Nic kelmetall von über 99,9% Reinheit, um es in ein bandförmiges Substrat zu formen; einen Schritt der lokalen Wärmebehand lung des bandförmigen Substrats; und einen Schritt des Ein bringens des lokal wärmebehandelten Substrats in einen Heiz ofen und es dann langsam durch den Ofen zu schicken, so daß Nickel mit [100] parallel zur Bandoberfläche und [001] unter einem Winkelbereich von 20 bis 30 Grad in Beziehung zur Bandoberflächenebene geneigt texturiert wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Nickelmetall substrats nach Anspruch 3, wobei die lokale Wärmebehandlung das Punktschweißen ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Nickelmetall substrats nach Anspruch 3, das ferner einen Schritt des Schickens des Nickelmetallsubstrats durch einen Ofen, der mit gasförmigen Verunreinigungen gefüllt ist, und folglich Dotierens des Substrats mit Verunreinigungen aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Nickelmetall substrat nach Anspruch 5, wobei die Verunreinigungen Koh lenstoff oder Chrom oder andere Atome sind.