DE102008040087A1 - Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure and method for its production - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft einen elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau, wie sie beispielsweise als hochstromtragender Leiter zur Anwendung kommen kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbaus, bei dem im Falle von Überlast der Strom über den Schichtaufbau und das Substrat abgeleitet werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch einen elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau, bestehend aus einem Substrat, mindestens einer darauf befindlichen Keimschicht, auf der mindestens eine mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte Schicht vorhanden ist, auf der wiederum mindestens eine Barriereschicht und darauf wiederum mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht vorhanden sind. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Sschichtaufbaus, bei dem auf einem Substrat mindestens eine Keimschicht, darauf mittels des IBAD-Verfahrens mindestens eine Schicht aufgebracht wird, auf die nachfolgend mindestens eine Barriereschicht und nachfolgend mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aufgebracht wird.The invention relates to the field of materials science and relates to an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure, as it can be used, for example, as a high current-carrying conductor. The object of the present invention is to specify an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure in which, in the case of overload, the current can be dissipated via the layer structure and the substrate. The object is achieved by an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure consisting of a substrate, at least one seed layer thereon, on which at least one applied by the IBAD method layer is present on the turn at least one barrier layer and then again at least one High-temperature superconductor layer are present. The object is further achieved by a method for producing an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure in which at least one seed layer is applied to a substrate, at least one layer thereon by means of the IBAD method, to which at least one barrier layer and subsequently at least one High-temperature superconductor layer is applied.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft einen elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau, wie sie beispielsweise als hochstromtragender Leiter zur Anwendung kommen kann und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The This invention relates to the field of materials science and relates to an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure, as used for example as a high current carrying conductor for use can come and a process for its production.

Für die Herstellung hochstromtragender Leiter auf der Basis der Hochtemperatursupraleiter REBa2Cu3O7-x (= REBCO), wobei RE sowohl Y als auch ein Element der Gruppe der seltenen Erden sein kann, werden Schichten mit einer biaxialen Textur auf langen Längen benötigt. Dies kann durch ein epitaktisches Wachstum des REBCO auf texturierten Unterlagen realisiert werden. Im Allgemeinen besteht dabei der Leiter aus einem metallischen Trägerband, auf dem zusätzlich eine oder mehrere Barriereschichten und anschließend der Supraleiter aufgebracht werden. Dies sind die so genannten REBCO-Bandleiter.For the fabrication of high-current superconducting conductors based on the high-temperature superconductors REBa 2 Cu 3 O 7-x (= REBCO), where RE can be both Y and a rare earth element, layers with a biaxial texture over long lengths are required. This can be realized by an epitaxial growth of the REBCO on textured documents. In general, the conductor consists of a metallic carrier tape on which additionally one or more barrier layers and then the superconductor are applied. These are the so-called REBCO band conductors.

Die gewünschte biaxiale Textur kann bekanntermaßen entweder direkt im metallischen Trägerband durch starke Verformung und anschließende Wärmebehandlung realisiert werden (sogenannte RABiTS – rolling assisted biaxial textured substrates; Goyal et al. Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1795 ) oder sie wird alternativ in einer der Barriereschichten durch ein spezielles Depositionsverfahren induziert.The desired biaxial texture can be known either directly in the metallic carrier tape by strong deformation and subsequent heat treatment can be realized (so-called RABiTS - rolling assisted biaxially textured substrates; Goyal et al. Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1795 ) or alternatively it is induced in one of the barrier layers by a specific deposition method.

Eine Möglichkeit zur Herstellung hochtexturierter Barriereschichten auf beliebigen Unterlagen ist dabei die ionenstrahlunterstützte Deposition (ion-beam assisted deposition – IBAD; Iijima et al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 769 ) US 6,190,752 B1 ; US 2006/0142164 A1 ). Bei diesem Verfahren wird während des Schichtwachstums ein Ionenstrahl mit einer definierten Energie unter einem definierten Winkel zur Substratoberfläche auf diese gerichtet. Als Materialien für diesen IBAD-Prozess werden bekanntermaßen verschiedene Oxide, wie zum Beispiel Y-stabilisiertes ZrO2 (YSZ; Iijima et al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 769 ), MgO ( Wang et al., Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 2955 ) oder Gd2Zr2O7 ( Iijima et al., Physica C 378 (2002) 960 ) eingesetzt.One possibility for producing highly textured barrier layers on any desired substrates is ion beam-assisted deposition (ion-beam assisted deposition - IBAD; Iijima et al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 769 ) US 6,190,752 B1 ; US 2006/0142164 A1 ). In this method, an ion beam with a defined energy is directed at a defined angle to the substrate surface during the layer growth on this. As materials for this IBAD process, various oxides such as Y-stabilized ZrO 2 (YSZ; Iijima et al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 769 ), MgO ( Wang et al., Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 2955 ) or Gd 2 Zr 2 O 7 ( Iijima et al., Physica C 378 (2002) 960 ) used.

Es sind jedoch weitere Barriereschichten notwendig, um epitaktische REBCO-Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit zu erreichen.It However, more barrier layers are necessary to epitaxial REBCO layers with high current carrying capacity to achieve.

Weiterhin muss im Anwendungsfall ein hochstromtragendes Kabel auf der Basis von REBCO vor der Zerstörung des Supraleiters durch Überlast (z. B. verursacht durch Stromspitzen, lokale Erwärmung etc.) geschützt werden. In diesem Fall muss der Strom über eine elektrische Brücke abgeleitet werden, um eine Zerstörung des REBCO durch zu starke Erwärmung beim plötzlichen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu verhindern. Um solch eine elektrische Brücke zu realisieren, werden derzeit dicke metallische Schichten (z. B. Ag, Cu usw.) auf dem Supraleiter aufgebracht, die in der Lage sind, im Überlastfall den entsprechenden Strom zu tragen.Farther must in case of application a high current carrying cable on the base by REBCO before the destruction of the superconductor by overload (eg caused by current peaks, local heating etc.) to be protected. In this case the current must be over An electric bridge will be derived to a destruction of the REBCO due to excessive warming during a sudden transition from the superconducting to the normal conducting state. To realize such an electrical bridge, be currently thick metallic layers (eg Ag, Cu, etc.) on the Superconductors are applied that are capable of overloading to carry the corresponding electricity.

Ein alternativer Ansatz dazu ist die Verwendung des metallischen Trägerbandes für diesen Zweck. In diesem Fall sind allerdings elektrisch leitfähige Barriereschichten notwendig, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Trägerband und der supraleitenden Schicht zu realisieren. Die standardmäßig verwendeten Pufferschichten wie Y2O3, YSZ, CeO2, MgO, La2Zr2O7 usw. sind dafür nicht geeignet.An alternative approach to this is the use of the metallic carrier tape for this purpose. In this case, however, electrically conductive barrier layers are necessary to realize an electrical contact between the carrier tape and the superconducting layer. The standard buffer layers used, such as Y 2 O 3 , YSZ, CeO 2 , MgO, La 2 Zr 2 O 7 , etc. are not suitable for this purpose.

Elektrisch leitfähige Barriereschichtarchitekturen wurden in der Vergangenheit für REBCO-Bandleiter auf der Basis des RABiTS-Ansatzes realisiert ( US 2003/0211948 A1 , US 2005/0239658 A1 ). Dazu wurden unter anderem Edelmetalle (Ir, Pt) als auch leitfähige Oxide (La0.7Sr0.3MnO3, SrRuO3, LaNiO3 usw.) verwendet ( Aytug et al., Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 760 ; Aytug et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2887 ).Electrically conductive barrier layer architectures have in the past been realized for REBCO band conductors on the basis of the RABiTS approach ( US 2003/0211948 A1 . US 2005/0239658 A1 ). Precious metals (Ir, Pt) as well as conductive oxides (La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 , SrRuO 3 , LaNiO 3 , etc.) were used for this purpose ( Aytug et al., Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 760 ; Aytug et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2887 ).

Unter Verwendung des IBAD-Verfahrens wurde bisher versucht, eine elektrisch leitfähige Barriereschichtarchitektur durch die Texturierung von Indiumzinnoxid (ITO) zu erhalten ( Thiele et al. J. Mater. Res. 18 (2003) 442 ).Using the IBAD method, it has hitherto been attempted to obtain an electrically conductive barrier layer architecture by texturing indium tin oxide (ITO) ( Thiele et al. J. Mater. Res. 18 (2003) 442 ).

Als alternatives Material für eine Texturierung mit Hilfe des IBAD-Prozesses ist das elektrisch leitfähige TiN bekannt ( Hühne et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2744 ).As an alternative material for texturing using the IBAD process, the electrically conductive TiN is known ( Hühne et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2744 ).

Unter anderem sind Ta1-xNix, Ta1-xFex oder Ta1-xCox als temperaturstabile, amorphe und elektrisch leitfähige Barriereschichten in der Mikroelektronik bekannt ( Fang et al., J. Electr. Mater. 36 (2007) 614 ; Fang et al., J. Electr. Mater. 35 (2006) 15 ).Among others, Ta 1-x Ni x , Ta 1-x Fe x or Ta 1-x Co x are known as temperature-stable, amorphous and electrically conductive barrier layers in microelectronics ( Fang et al., J. Electr. Mater. 36 (2007) 614 ; Fang et al., J. Electr. Mater. 35 (2006) 15 ).

Der Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass es bisher noch nicht gelungen ist, einen leitfähigen Schichtaufbau auf ein metallisches Trägerband mittels des IBAD-Verfahrens herzustellen.Of the Disadvantage of the prior art is that it still has failed to establish a conductive layer structure a metallic carrier tape by the IBAD method manufacture.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbaus, bei dem im Falle von Überlast der Strom über den Schichtaufbau und das metallische Substrat abgeleitet werden kann und ein einfaches und gut reproduzierbares Verfahren zu seiner Herstellung.The The object of the present invention is to specify an electrical conductive high-temperature superconductor layer structure, in case of overload the current over the Layer structure and the metallic substrate can be derived and a simple and well reproducible method for its production.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the invention specified in the claims solved. Advantageous embodiments are the subject of Dependent claims.

Der erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau besteht aus einem elektrisch leitfähigen, metallischen Substrat, mindestens einer darauf befindlichen elektrisch leitfähigen Keimschicht mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur, auf der mindestens eine mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte hochtexturierte, elektrisch leitfähige Schicht vorhanden ist, auf der wiederum mindestens eine hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht und darauf wiederum mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht vorhanden sind.Of the inventive electrically conductive high-temperature superconductor layer structure consists of an electrically conductive, metallic Substrate, at least one electrically conductive thereon Seed layer with an amorphous and / or nanocrystalline structure, on at least one applied by the IBAD method highly textured, electrically conductive layer present is, on the turn, at least one highly textured, electric conductive barrier layer and then again at least a high-temperature superconductor layer are present.

Vorteilhafterweise besteht das elektrisch leitfähige, metallische Substrat aus Ni, Ni-Basislegierungen, Edelstahl, Cu oder Kupferlegierungen.advantageously, consists of the electrically conductive, metallic substrate made of Ni, Ni-base alloys, stainless steel, Cu or copper alloys.

Ebenfalls vorteilhafterweise besteht die elektrisch leitfähige Keimschicht aus einer Legierung, die mindestens Ta und/oder Nb und/oder Ni und/oder Co und/oder Fe enthält, wobei noch vorteilhafterweise die elektrisch leitfähige Keimschicht aus Ta1-xNix, Ta1-xCox, Ta1-xFex, Nb1-xNix, Nb1-xCox oder Nb1-xFex besteht, wobei x im Bereich von 0.1 bis 0.9 liegt.Also advantageously, the electrically conductive seed layer consists of an alloy containing at least Ta and / or Nb and / or Ni and / or Co and / or Fe, wherein advantageously still the electrically conductive seed layer of Ta 1-x Ni x , Ta 1- x Co x , Ta 1-x Fe x , Nb 1-x Ni x , Nb 1-x Co x or Nb 1-x Fe x where x is in the range of 0.1 to 0.9.

Weiterhin vorteilhafterweise besteht die mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte hochtexturierte, elektrisch leitfähige Schicht aus Nitriden mit einer NaCl-Struktur.Farther Advantageously, the applied by means of the IBAD method highly textured, electrically conductive layer of nitrides with a NaCl structure.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Schicht aus TiN, NbN, ZrN, HfN, CrN, VN oder Mischungen davon besteht.It is also advantageous if the layer of TiN, NbN, ZrN, HfN, CrN, VN or mixtures thereof.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht aus Au, Ag, Pt, Ir, Rh, Mo, Nb, Pd oder Legierungen davon besteht.Farther It is advantageous if the hochtexturierte, electrically conductive Barrier layer of Au, Ag, Pt, Ir, Rh, Mo, Nb, Pd or alloys of which consists.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aus YBa2Cu3O7-x besteht.It is also advantageous if the high-temperature superconductor layer consists of YBa 2 Cu 3 O 7-x .

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aus REBa2Cu3O7-x besteht, wobei RE aus Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb oder Mischungen davon sind.It is also advantageous if the high temperature superconductor layer consists of REBa 2 Cu 3 O 7-x , where RE is of Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb or mixtures thereof.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn unter der Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht eine elektrisch leitfähige oxidische Deckschicht vorhanden ist, wobei es noch vorteilhafter ist, wenn die elektrisch leitfähige oxidische Deckschicht aus Nb- und/oder La- und/oder Au-dotiertem SrTiO3, SrRuO3, LaNiO3, (La, Sr)MnO3 oder Mischungen davon besteht.It is also advantageous if an electrically conductive oxide covering layer is present under the high-temperature superconductor layer, and it is even more advantageous if the electrically conductive oxide covering layer comprises Nb- and / or La- and / or Au-doped SrTiO 3 , SrRuO 3 , LaNiO 3 , (La, Sr) MnO 3 or mixtures thereof.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbaus wird auf ein elektrisch leitfähiges, metallisches Substrat mindestens eine Keimschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur aufgebracht und darauf mittels des IBAD-Verfahrens mindestens eine hochtexturierte elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht, auf die nachfolgend mindestens eine hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht und nachfolgend mindestens ein Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aufgebracht wird.at the process according to the invention for the preparation an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure becomes an electrically conductive, metallic substrate at least one seed layer of an electrically conductive material applied with an amorphous and / or nanocrystalline structure and then by means of the IBAD method at least one highly textured electrically conductive layer applied to the following at least a highly textured, electrically conductive barrier layer and subsequently at least one high-temperature superconductor layer is applied.

Vorteilhafterweise wird auf ein elektrisch leitfähiges, metallisches Substrat eine Keimschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur mittels Sputtern, Verdampfen, Elektrodeposition oder Laserablation aufgebracht.advantageously, becomes an electrically conductive, metallic substrate a seed layer of an electrically conductive material with an amorphous and / or nanocrystalline structure by means of sputtering, Evaporation, electrode position or laser ablation applied.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird die hochtexturierte elektrisch leitfähige Schicht mittels des IBAD-Verfahrens bei Ionenbeschuss unter einem Winkel von 35° bis 55° zur Substratnormalen und einer Ionenenergie von mehr als 400 eV aufgebracht.Also Advantageously, the highly textured electrically conductive Layer using the IBAD method for ion bombardment at an angle from 35 ° to 55 ° to the substrate normal and one Ion energy of more than 400 eV applied.

Weiterhin vorteilhafterweise wird die hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht durch das IBAD-Verfahren oder mittels Sputtern, Verdampfen, chemischen Lösungsabscheidung, metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung oder Laserablation aufgebracht.Farther Advantageously, the highly textured, electrically conductive Barrier layer by the IBAD process or by sputtering, Evaporation, chemical solution separation, organometallic chemical vapor deposition or laser ablation applied.

Und auch vorteilhafterweise wird die hochtexturierte Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht durch das Verdampfen, die chemischen Lösungsabscheidung, die metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung oder die Laserablation aufgebracht.And Also advantageously, the highly textured high temperature superconductor layer is through vaporizing, chemical solution separation, metalorganic chemical vapor deposition or laser ablation applied.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es erstmals möglich, einen durchgehend elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau auf der Basis des IBAD-Verfahrens zu realisieren, bei dem der hochtexturierte Aufbau der Schichten ebenfalls durchgehend von der hochtexturierten, elektrisch leitfähigen Schicht, die mittels des IBAD-Verfahrens aufgebracht worden ist (IBAD-Schicht) bis mindestens zur supraleitenden Schicht realisiert ist. Der gesamte erfindungsgemäße, elektrisch leitfähige Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau ist schematisch in 1 dargestellt. Die Aufgabe der einzelnen Schichten wird im Folgenden näher erläutert.With the method according to the invention, it becomes possible for the first time to realize a continuous electrically conductive high-temperature superconductor layer construction on the basis of the IBAD method, in which the highly textured structure of the layers is also continuously penetrated by the highly textured, electrically conductive layer which is produced by means of the IBAD method. Method has been applied (IBAD layer) is realized to at least the superconducting layer. The entire inventive, electrically conductive high-temperature superconductor layer structure is shown schematically in FIG 1 shown. The task of the individual layers is explained in more detail below.

Bisher war es nicht möglich, eine hochtexturierte leitfähige Schicht auf ein elektrisch leitfähiges, metallisches Substrat (1) mittels des IBAD-Verfahrens aufzubringen, ohne dabei nicht-elektrisch-leitfähige Zwischenschichten zu verwenden. Um den erwünschten hochtexturierten Aufbau oder die biaxiale Textur während des IBAD-Verfahrens in Materialien mit einer NaCl-Struktur zu realisieren, ist erfindungsgemäß eine amorphe und/oder nanokristalline Keimschicht (2) notwendig, die in ihrer Struktur bis zu Temperaturen von 500°C stabil ist. Die amorphe und/oder nanokristalline Keimschicht (2) kann dabei mit den verschiedensten Depositionsverfahren, wie dem Sputtern, dem Verdampfen, der Elektrodeposition oder der Laserablation, auf dem elektrisch leitfähigen, metallischen Substrat aufgebracht werden. Um einen elektrischen Kontakt zwischen dem elektrisch leitfähigen, metallischen Substrat (1) und der hochtexturierten, elektrisch leitfähigen IBAD-Schicht (3) zu realisieren, muss die amorphe und/oder nanokristalline Keimschicht ebenfalls elektrisch leitfähig sein.So far, it has not been possible to apply a highly textured conductive layer to an electrically conductive, metallic substrate ( 1 ) by means of the IBAD method without using non-electrically conductive intermediate layers. To realize the desired highly textured structure or the biaxial texture during the IBAD process in materials having a NaCl structure, is erfindungs according to an amorphous and / or nanocrystalline seed layer ( 2 ), which is stable in structure up to temperatures of 500 ° C. The amorphous and / or nanocrystalline seed layer ( 2 ) can be applied with a variety of deposition methods, such as sputtering, evaporation, electrode position or laser ablation, on the electrically conductive, metallic substrate. In order to ensure electrical contact between the electrically conductive, metallic substrate ( 1 ) and the highly textured, electrically conductive IBAD layer ( 3 ), the amorphous and / or nanocrystalline seed layer must also be electrically conductive.

Erfindungsgemäß ist es gelungen, eine elektrisch leitfähige Keimschicht mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur auf einem Substrat anzugeben und aufzubringen, auf welcher dann die hochtexturierte, leitfähige Schicht mittels des IBAD-Verfahrens aufwachsen kann.According to the invention succeeded in using an electrically conductive seed layer an amorphous and / or nanocrystalline structure on a substrate specify and apply on which then the highly textured, growing conductive layer by the IBAD method can.

Dabei kann vorteilhafterweise die Dicke der hochtexturierten leitfähigen Schicht, die durch das IBAD-Verfahren hergestellt wurde, durch das epitaktische Wachstum weiter erhöht werden. Um eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (6) auf die hochtexturierte leitfähige IBAD-Schicht aufzubringen ist das Vorhandensein mindestens einer hochtexturierten, elektrisch leitfähigen Barriereschicht (4) notwendig.In this case, advantageously, the thickness of the highly textured conductive layer produced by the IBAD process can be further increased by the epitaxial growth. To a high-temperature superconductor layer ( 6 ) on the highly textured conductive IBAD layer is the presence of at least one highly textured, electrically conductive barrier layer ( 4 ) necessary.

Derartige Barriereschichten können beispielsweise aus Au, Ag, Ir, Pt, Rh, Mo, Nb oder Pd oder deren Legierungen bestehen. Da die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (6) bei Temperaturen oberhalb 650°C unter einem hohen Sauerstoffdruck hergestellt wird, erweist sich eine leitfähige, oxidische Deckschicht (5) auf der Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht als hilfreich, um eine Oxidation der darunter liegenden metallischen Schichten zu verhindern.Such barrier layers may for example consist of Au, Ag, Ir, Pt, Rh, Mo, Nb or Pd or their alloys. Since the high-temperature superconductor layer ( 6 ) is produced at temperatures above 650 ° C under a high oxygen pressure, proves to be a conductive, oxidic cover layer ( 5 ) on the high-temperature superconductor layer as helpful to prevent oxidation of the underlying metallic layers.

Abschließend wird die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (6) mit einem Depositionsverfahren, wie dem Verdampfen, der chemischen Lösungsabscheidung, der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung oder der Laserablation, auf den komplett elektrisch leitfähigen Schichtaufbau aufgebracht.Finally, the high-temperature superconductor layer ( 6 ) are applied to the completely electrically conductive layer structure by a deposition method such as evaporation, chemical solution deposition, organometallic chemical vapor deposition or laser ablation.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.following The invention will be closer to an embodiment explained.

Dabei zeigt:there shows:

1: eine schematische Skizze des Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbaus, 1 FIG. 2: a schematic sketch of the high-temperature superconductor layer structure, FIG.

2: die RHEED-Aufnahmen während dem Wachstum einer elektrisch leitfähigen Barriereschichtarchitektur auf elektropoliertem Hastelloy: (a) amorphe Ta0.75Ni0.25 Keimschicht; (b) hochtexturiertes IBAD-TiN; (c) epitaktisches TiN; (d) Au; (e) Ir 2 Figure 4: The RHEED images during the growth of an electrically conductive barrier layer architecture on electropolished Hastelloy: (a) amorphous Ta 0.75 Ni 0.25 seed layer; (b) highly textured IBAD-TiN; (c) epitaxial TiN; (d) Au; (e) Ir

3: biaxial texturierte YBCO-Schicht auf IBAD-TiN mit elektrisch leitfähigen Barriereschichten 3 : biaxially textured YBCO layer on IBAD-TiN with electrically conductive barrier layers

Beispiel 1example 1

Auf einem elektropolierten Substrat aus 57%Ni, 16%Mo, 15.5%Cr, 5.5%Fe, 4%W, 2.5%Co, 1%Mn (Hastelloy® C-276) wird durch Sputtern bei Raumtemperatur eine amorphe, elektrisch leitfähige Ta0.75Ni0.25 als elektrisch leitfähige Keimschicht mit einer Dicke von 50 nm aufgebracht. Anschließend wird das Substrat mit der Keimschicht in einer Hochvakuumkammer auf 350°C aufgeheizt, wobei die amorphe Struktur der Ta0.75Ni0.25-Keimschicht erhalten bleibt. Im nächsten Schritt wird bei dieser Temperatur die biaxial texturierte TiN-Schicht (IBAD-Schicht) durch reaktive Laserdeposition von einem Ti-Target in einer Stickstoffatmosphäre bei gleichzeitigem Ionenbeschuss (IBAD-Verfahren) mit Argon- und Stickstoffionen mit 800 eV Energie unter einem Winkel von 45° zur Substratnormalen hergestellt. Bei einer Schichtdicke zwischen 5 bis 10 nm wird der Ionenbeschuss abgestellt und das weitere Wachstum der TiN-Schicht erfolgt mittels fortlaufender reaktiver Laserdeposition bei einer Temperatur von 700°C bis zu einer Dicke von 40 nm. Im Anschluß werden als Barriereschichten eine 10 nm dicke Goldschicht und eine 20 nm dicke Iridiumschicht mittels gepulster Laserdeposition bei einer Temperatur von 600°C epitaktisch auf die TiN-Schicht aufgebracht. Während der gesamten Abscheidung wurde das Wachstum an der Oberfläche mit hochenergetischer Elektronenbeugung (RHEED) beobachtet. Damit konnte sowohl die amorphe Struktur der Keimschicht als auch das hochtexturierte Wachstum aller anderen Schichten nachgewiesen werden (2). Im Weiteren wird bei einer Temperatur von 550°C eine 120 nm dicke Nb-dotierte SrTiO3-Deckschicht mit gepulster Laserdeposition abgeschieden. Im abschließenden Schritt wird eine 300 nm dicke Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht YBa2Cu3O7-x (= YBaCuO) mittels gepulster Laserdeposition bei einer Temperatur von 810°C und einem Sauerstoffdruck von 300 Pa hergestellt. Die YBCO-Schicht wies dabei eine inplane Halbwertsbreite von 7.2° auf (3) und zeigte eine supraleitende Sprungtemperatur von 88 K. Für alle Schichten wurde eine gute elektrische Leitfähigkeit bestimmt.On an electro-polished substrate made of 57% Ni, 16% Mo, 15.5% Cr, 5.5% Fe, 4% W, 2.5% Co, 1% Mn (Hastelloy ® C-276) is deposited by sputtering at room temperature an amorphous, electrically conductive Ta 0.75 Ni 0.25 applied as electrically conductive seed layer with a thickness of 50 nm. Subsequently, the substrate with the seed layer is heated to 350 ° C. in a high-vacuum chamber, the amorphous structure of the Ta 0.75 Ni 0.25 seed layer being retained. In the next step, at this temperature, the biaxially textured TiN (IBAD) layer is laser-deposited from a Ti target in a nitrogen atmosphere with ion bombardment (IBAD) with argon and nitrogen ions at 800 eV energy at an angle of 45 ° to the substrate normal. At a layer thickness between 5 to 10 nm, the ion bombardment is turned off and the further growth of the TiN layer by means of continuous reactive laser deposition at a temperature of 700 ° C to a thickness of 40 nm. Subsequently, as a barrier layers, a 10 nm thick gold layer and a 20 nm thick iridium layer is epitaxially deposited on the TiN layer by pulsed laser deposition at a temperature of 600 ° C. Throughout the deposition, surface growth was observed with high energy electron diffraction (RHEED). Thus, both the amorphous structure of the seed layer and the highly textured growth of all other layers could be detected ( 2 ). Furthermore, a 120 nm thick Nb-doped SrTiO 3 cover layer with pulsed laser deposition is deposited at a temperature of 550 ° C. In the final step, a 300 nm thick high-temperature superconductor layer YBa 2 Cu 3 O 7-x (= YBaCuO) is produced by means of pulsed laser deposition at a temperature of 810 ° C. and an oxygen pressure of 300 Pa. The YBCO layer had an inplane half-width of 7.2 ° ( 3 ) and showed a superconducting transition temperature of 88 K. For all layers a good electrical conductivity was determined.

Beispiel 2Example 2

Auf einem elektropolierten nichtmagnetischen Edelstahl mit einer amorphen Keimschicht aus Ta0.5Co0.5 wird eine biaxial texturierte, elektrisch leitfähige TiN-Schicht durch den IBAD-Prozess hergestellt. Dazu wird eine reaktive Abscheidung mittels gepulster Laserdeposition von einem Ti-Target in einer Stickstoffatmosphäre bei gleichzeitigem Ionenbeschuss (Argon- und Stickstoffionen mit einer Energie von 800 eV) unter einem Winkel von 45° zur Substratnormalen bei einer Temperatur von 400°C verwendet. Bei einer Schichtdicke zwischen 5 bis 10 nm wird der Ionenstrahl abgestellt und das weitere Wachstum der TiN-Schicht erfolgt mittels fortlaufender reaktiver Laserdeposition bei einer Temperatur von 700°C bis zu einer Dicke von 40 nm. Im Anschluß werden als Barriereschichten eine 10 nm dicke Goldschicht und eine 20 nm dicke Iridiumschicht mittels gepulster Laserdeposition epitaktisch auf die TiN-Schicht aufgebracht.On a electropolished non-magnetic stainless steel with an amorphous seed layer of Ta 0.5 Co 0.5 , a biaxially textured, electrically conductive TiN layer is produced by the IBAD process. For this purpose, a reactive deposition means pulsed laser deposition of a Ti target in a nitrogen atmosphere with simultaneous ion bombardment (argon and nitrogen ions with an energy of 800 eV) at an angle of 45 ° to the substrate normal at a temperature of 400 ° C. At a layer thickness between 5 to 10 nm, the ion beam is turned off and the further growth of the TiN layer by means of continuous reactive laser deposition at a temperature of 700 ° C to a thickness of 40 nm. Subsequently, as a barrier layers, a 10 nm thick gold layer and a 20 nm thick iridium layer is epitaxially deposited on the TiN layer by pulsed laser deposition.

Im Weiteren wird bei einer Temperatur von 550°C eine 200 nm dicke SrRuO3-Deckschicht mit gepulster Laserdeposition abgeschieden. Im abschließenden Schritt wird eine 300 nm dicke Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (GdBa2Cu3O7-x) mittels gepulster Laserdeposition bei einer Temperatur von 800°C und einem Sauerstoffdruck von 300 Pa hergestellt. Alle Schichten weisen nach der Abscheidung eine gute elektrische Leitfähigkeit auf.Furthermore, a 200 nm thick SrRuO 3 cover layer with pulsed laser deposition is deposited at a temperature of 550 ° C. In the final step, a 300 nm thick high-temperature superconductor layer (GdBa 2 Cu 3 O 7-x ) is produced by means of pulsed laser deposition at a temperature of 800 ° C. and an oxygen pressure of 300 Pa. All layers have a good electrical conductivity after deposition.

11
elektrisch leitfähiges Substratelectrical conductive substrate
22
elektrisch leitfähige Keimschichtelectrical conductive germ layer
33
hochtexturierte elektrisch leitfähige IBAD-Schichthighly-textured electrically conductive IBAD layer
44
hochtexturierte elektrisch leitfähige Barriereschichthighly-textured electrically conductive barrier layer
55
oxidische Deckschichtoxide topcoat
66
Hochtemperatur-Supraleiter-SchichtHigh temperature superconductor layer

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Claims (16)

Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau bestehend aus einem elektrisch leitfähigen, metallischen Substrat, mindestens einer darauf befindlichen elektrisch leitfähigen Keimschicht mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur, auf der mindestens eine mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte hochtexturierte, elektrisch leitfähige Schicht vorhanden ist, auf der wiederum mindestens eine hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht und darauf wiederum mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht vorhanden sind.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure consisting of an electrically conductive, metallic Substrate, at least one electrically conductive thereon Seed layer with an amorphous and / or nanocrystalline structure, on at least one applied by the IBAD method highly textured, electrically conductive layer present is, on the turn, at least one highly textured, electric conductive barrier layer and then again at least a high-temperature superconductor layer are present. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei dem das elektrisch leitfähige, metallische Substrat aus Ni, Ni-Basislegierungen, Edelstahl, Cu oder Kupferlegierungen besteht.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 1, wherein the electrically conductive, metallic Substrate made of Ni, Ni-based alloys, stainless steel, Cu or copper alloys consists. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei dem die elektrisch leitfähige Keimschicht aus einer Legierung besteht, die mindestens Ta und/oder Nb und/oder Ni und/oder Co und/oder Fe enthält.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 1, wherein the electrically conductive seed layer consists of an alloy containing at least Ta and / or Nb and / or Ni and / or Co and / or Fe contains. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 3, bei dem die elektrisch leitfähige Keimschicht aus Ta1-xNix, Ta1-xCox, Ta1-xFex, Nb1-xNix, Nb1-xCox oder Nb1-xFex besteht, wobei x im Bereich von 0.1 bis 0.9 liegt.The electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 3, wherein the electrically conductive seed layer is Ta 1-x Ni x , Ta 1-x Co x , Ta 1-x Fe x , Nb 1-x Ni x , Nb 1-x Co x or Nb 1-x Fe x , where x is in the range of 0.1 to 0.9. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei dem die mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte hochtexturierte, elektrisch leitfähige Schicht aus Nitriden mit einer NaCl-Struktur besteht.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 1, wherein the applied by the IBAD method highly textured, electrically conductive layer of nitrides with a NaCl structure. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 4, bei dem die Schicht aus TiN, NbN, ZrN, HfN, CrN, VN oder Mischungen davon besteht.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 4, wherein the layer of TiN, NbN, ZrN, HfN, CrN, VN or mixtures thereof. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei dem die hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht aus Au, Ag, Pt, Ir, Rh, Mo, Nb, Pd oder Legierungen davon besteht.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 1, wherein the highly textured, electrically conductive Barrier layer of Au, Ag, Pt, Ir, Rh, Mo, Nb, Pd or alloys thereof consists. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei dem die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aus YBa2Cu3O7-x besteht.An electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 1, wherein the high-temperature superconductor layer consists of YBa 2 Cu 3 O 7-x . Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei dem die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aus REBa2Cu3O7-x besteht, wobei RE aus Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb oder Mischungen davon sind.An electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 1, wherein the high-temperature superconductor layer consists of REBa 2 Cu 3 O 7-x , wherein RE is selected from Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb or mixtures thereof. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 1, bei dem unter der Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht eine elektrisch leitfähige oxidische Deckschicht vorhanden ist.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 1, wherein below the high-temperature superconductor layer an electrically conductive oxide cover layer present is. Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau nach Anspruch 10, bei dem die elektrisch leitfähige oxidische Deckschicht aus Nb- und/oder La- und/oder Au-dotiertem SrTiO3, SrRuO3, LaNiO3, (La, Sr)MnO3 oder Mischungen davon besteht.An electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to claim 10, wherein the electrically conductive oxide cover layer of Nb and / or La and / or Au-doped SrTiO 3 , SrRuO 3 , LaNiO 3 , (La, Sr) MnO 3 or mixtures of which consists. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbaus, bei dem auf einem elektrisch leitfähigen, metallisches Substrat mindestens eine Keimschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur aufgebracht wird und darauf mittels des IBAD-Verfahrens mindestens eine hochtexturierte elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht wird, auf die nachfolgend mindestens eine hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht und nachfolgend mindestens ein Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aufgebracht wird.Process for producing an electrically conductive High-temperature superconductor layer construction, in which on an electric conductive, metallic substrate at least one seed layer made of an electrically conductive material with an amorphous and / or nanocrystalline structure is applied and then by means of the IBAD method at least one highly textured electrically conductive Layer is applied, followed by at least one highly textured, electrically conductive barrier layer and subsequently at least a high-temperature superconductor layer is applied. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem auf ein elektrisch leitfähiges, metallisches Substrat eine Keimschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur mittels Sputtern, Verdampfen, Elektrodeposition oder Laserablation aufgebracht wird.The method of claim 12, wherein an electric conductive, metallic substrate from a seed layer an electrically conductive material with an amorphous and / or nanocrystalline structure by means of sputtering, evaporation, Electrode position or laser ablation is applied. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die hochtexturierte elektrisch leitfähige Schicht mittels des IBAD-Verfahrens bei Ionenbeschuss unter einem Winkel von 35° bis 55° zur Substratnormalen und einer Ionenenergie von mehr als 400 eV aufgebracht wird.The method of claim 12, wherein the highly textured electrically conductive layer by means of the IBAD method for ion bombardment at an angle of 35 ° to 55 ° to Substrate standards and an ionic energy of more than 400 eV is applied. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht durch das IBAD-Verfahren oder mittels Sputtern, Verdampfen, chemischen Lösungsabscheidung, metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung oder Laserablation aufgebracht wird.The method of claim 12, wherein the highly textured, electrically conductive barrier layer through the IBAD process or by sputtering, evaporation, chemical solution separation, metalorganic chemical vapor deposition or laser ablation is applied. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die hochtexturierte Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht durch das Verdampfen, die chemischen Lösungsabscheidung, die metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung oder die Laserablation aufgebracht wird.The method of claim 12, wherein the highly textured High-temperature superconductor layer by evaporation, the chemical Solution separation, the metal-organic chemical vapor deposition or the laser ablation is applied.
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