DE19546483A1 - Sol-gel method for ceramic oxide coating of substrate - Google Patents
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- C23C18/1204—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung mindestens einer Flachseite eines Substrates oder anderer Substratformen mit einer keramischen Oxidschicht, insbesondere mit einem metallkeramischen Hochtemperatur-Supraleitermaterial.The invention relates to a method for Coating at least one flat side of a substrate or other substrate shapes with a ceramic Oxide layer, especially with a metal-ceramic High temperature superconductor material.
Keramische Schichten sind als harte Schichten und als Hochtemperatur-Supraleiterschichten interessant. Harte Schichten z. B. Al₂O₃ oder BeO₂ werden als Werkzeuge eingesetzt.Ceramic layers are as hard layers and as High-temperature superconductor layers interesting. Hardness Layers e.g. B. Al₂O₃ or BeO₂ are used as tools used.
Hochtemperatur-Supraleiter, mit Sprungtemperaturen (Tc) von über 77 K sind hinlänglich bekannt. Die meisten dieser Verbindungen sind Metalloxidverbindungen insbesondere Cuprate, wie die Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Pb-Sr-Ca-Cu-O, Hg-(Ba,Sr)-Ca-Cu-O oder Tl-(Ba,Sr)-Ca-Cu-O Systeme. Dabei können in diesen Systemen weitere Metallatome wie u. a. Pb, Y, Sr, Ca, Bi, Ag, Gd, Ho oder V als zumindest teilweiser Ersatz (Substitution) zumindest eines Atoms oder zusätzlich zugegeben werden (Dotierung). Im folgenden sollen diese Möglichkeiten, falls nicht explizit anders bezeichnet immer mitbezeichnet sein. Insbesondere die Sprungtemperaturen dieser Verbindungen über 77 K erlauben den Einsatz von flüssigen Stickstoff als Kühlmittel im Gegensatz zu der aufwendigeren Kühlung mit flüssigem Helium. Das Anwendungspotential dieser supraleitenden Schichten liegt in der Elektrotechnik (Hochfrequenztechnik als Resonatoren oder Filter), der Medizintechnik (SQUIDS in der Kernspintomographie) und der Energietechnik (Strombegrenzer oder Energiespeicher).High-temperature superconductors with transition temperatures (T c ) of over 77 K are well known. Most of these compounds are metal oxide compounds, in particular cuprates, such as the Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Pb-Sr-Ca-Cu-O, Hg- (Ba, Sr) -Ca-Cu -O or Tl- (Ba, Sr) -Ca-Cu-O systems. In these systems, further metal atoms such as Pb, Y, Sr, Ca, Bi, Ag, Gd, Ho or V can be added as an at least partial replacement (substitution) of at least one atom or additionally (doping). Unless explicitly stated otherwise, these options should always be included in the following. In particular, the transition temperatures of these compounds above 77 K allow the use of liquid nitrogen as a coolant, in contrast to the more complex cooling with liquid helium. The application potential of these superconducting layers lies in electrical engineering (high-frequency technology as resonators or filters), medical technology (SQUIDS in magnetic resonance imaging) and energy technology (current limiters or energy storage devices).
Für die Herstellung dünner Schichten (Schichtdicke typischerweise 10-9m bis 10-6m) dieser Verbindungen haben sich spezielle Prozesse, wie Laserablation, Sputtern oder Molecular Beam Epitaxy (MBE) bewährt. Diese Verfahren benötigen aber einen erheblichen apparativen Aufwand und sind hinsichtlich der herstellbaren Schichtgröße und Form des Trägermaterials beschränkt.Special processes such as laser ablation, sputtering or molecular beam epitaxy (MBE) have proven successful for the production of thin layers (layer thickness typically 10 -9 m to 10 -6 m). However, these processes require considerable equipment and are limited in terms of the layer size and shape of the carrier material that can be produced.
Des weiteren sind einige chemische Verfahren mit weit verringertem apparativen Aufwand zur Herstellung supraleitender Schichten erprobt, wie Solution Sol-Gel Verfahren (Patente u. a.: EP 0 360 550 A2).Furthermore, some chemical processes are far reduced equipment expenditure for production tried superconducting layers, such as Solution Sol-Gel Process (patents inter alia: EP 0 360 550 A2).
Bei den Solution Sol-Gel Verfahren zur Herstellung von Oxidschichten, insbesondere Supraleiterschichten, werden die die keramische Schicht bildenden Elemente z. B. als Metallalkoxide in Alkohol gelöst. Nach Zugabe von H₂O bildet sich nach den 2 Prozeßschritten Solution und Sol das Gel aus, in welchem sich die Atome verteilt einlagern. Allerdings beeinträchtigen die verschiedenen Löslichkeiten der Metallatome in dieser Solution bzw. im Gel die Anwendbarkeit dieses Verfahrens für die Herstellung von Hochtemperatur-Supraleitern.The Solution Sol-Gel process for the production of Oxide layers, in particular superconductor layers, are the elements forming the ceramic layer z. B. as Metal alkoxides dissolved in alcohol. After adding H₂O forms after the 2 process steps Solution and Sol the gel in which the atoms are distributed store. However, the various affect Solubility of the metal atoms in this solution or in Gel the applicability of this procedure for the Manufacture of high temperature superconductors.
Ein ähnliches Verfahren, das diese Probleme vermeidet, wurde von M.P. Pechini (U.S. Pat. Nr. 3,330,697 vom 11. Juli 1967) zur Herstellung von Verbindungen aus Zr, Ti, oder Nb und mit Pb oder einem Erdalkalimetall und zur Beschichtung von Elektroden mit diesen Verbindungen entwickelt.A similar process that avoids these problems was developed by M.P. Pechini (U.S. Pat. No. 3,330,697 dated 11 July 1967) for the production of compounds from Zr, Ti, or Nb and with Pb or an alkaline earth metal and for Coating electrodes with these compounds developed.
Bei diesem Verfahren werden die Metalle als wasserhaltige Oxide, als Alkoxide oder als Alpha-Hydroxycarboxylate (für Zr, Ti oder Nb) bzw. als Oxide, als Hydroxide, als Carbonate, oder als Alkoxide (für Pb und die Erdalkalimetalle) in Alpha-Hydroxycarbonsäure (z. B. Zitronen-, Milch- oder Glycolsäure) und einem Überschuß von Polyhydroxy-Alkohol (z. B. Ethylenglycol) gelöst. In this process, the metals are considered to contain water Oxides, as alkoxides or as alpha-hydroxycarboxylates (for Zr, Ti or Nb) or as oxides, as hydroxides, as Carbonates, or as alkoxides (for Pb and the Alkaline earth metals) in alpha-hydroxycarboxylic acid (e.g. Citric, lactic or glycolic acid) and an excess dissolved by polyhydroxy alcohol (e.g. ethylene glycol).
Dabei kommt es zur Bildung von Chelatkomplexen zwischen den Metallionen und der Alpha-Hydroxycarbonsäure. Durch die Kondensationsreaktion der Hydroxyl-Gruppen des Polyhydroxy-Alkohols mit der Hydroxyl-Gruppe der Alpha- Hydroxycarbonsäure bildet sich ein Raumnetz (Gelmatrix) aus, in dem die (Metall)atome auf atomarer (oder molekularer Ebene) homogen verteilt eingelagert sind. Nach Verbrennen des Gels und Sinterung in Sauerstoffatmosphäre bilden sich die Oxide aus. Eine Modifikation dieses Pechiniverfahrens wurde von R.S. Liu und anderen vorgenommen durch die Ersetzung von Ethylenglykol durch Ethylendiamin (Veröffentlicht in Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 28 (1989) Seite L2155-L2157). Dies bewirkt eine bessere Bindung v.a. der Erdalkaliionen (z. B. Ca,Ba,Sr) und damit eine homogenere Verteilung im Gel.This leads to the formation of chelate complexes between the metal ions and the alpha-hydroxycarboxylic acid. By the condensation reaction of the hydroxyl groups of the Polyhydroxy alcohol with the hydroxyl group of the alpha Hydroxycarboxylic acid forms a spatial network (gel matrix) in which the (metal) atoms are at atomic (or molecular level) are stored homogeneously distributed. After burning the gel and sintering in Oxides form in an oxygen atmosphere. A modification of this pechini method was developed by R.S. Liu and others made by the replacement of Ethylene glycol by ethylenediamine (Published in Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 28 (1989) page L2155-L2157). This creates a better bond, especially of the Alkaline earth ions (e.g. Ca, Ba, Sr) and thus a more homogeneous one Distribution in the gel.
Mittels verschiedener Aufbringungsmethoden wie Eintauchen (dip-in) oder Besprühen wird das Gel (eventuell auch die Solution oder das Sol) in kontrollierter Menge auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wird das Gel durch thermische Aktivierung entfernt. Nach dem Entfernen des Trägermaterials muß die Schicht oftmals zur Ausbildung einer Kristallstruktur, insbesondere zur Ausbildung (Synthese) der supraleitenden Struktur einer weiteren Temperaturbehandlung (Sinterung s. u.) unterzogen werden. Oftmals wird das Solution Sol-Gel Verfahren auch nur dazu benutzt, Oxidpulver der gewünschten Stöchiometrie herzustellen, welches dann mit einem organischen Binder und Dispersionsmittel vermischt, zur Beschichtung eingesetzt wird.Using various application methods such as immersion (dip-in) or spraying the gel (possibly also the Solution or the sol) in a controlled amount on the Substrate applied. Then the gel is through thermal activation removed. After removing the The layer often has to support the material for formation a crystal structure, especially for training (Synthesis) of the superconducting structure of another Temperature treatment (sintering see below). The solution sol-gel process is often only used for this used, oxide powder of the desired stoichiometry to produce, which then with an organic binder and dispersing agent mixed, for coating is used.
Diese Verfahren können bzw. sind dahingehend erweitert worden, daß Verbindungen mit mehr als 2 Metallkomponenten hergestellt werden können. Des weiteren können die Metalle jeweils u. a. als Oxide, als Hydroxide, als Carbonate, als wasserhaltige Oxide, als Alkoxide, als Alpha-hydroxycarboxylate oder als Nitrate verwendet werden. Des weiteren kann statt Alpha-Hydroxycarbonsäure auch allgemein Hydroxy-Polycarbonsäure verwendet werden. Die Metallatome können, falls sie nicht bereits in Lösung vorliegen, vor Zugabe der Hydroxy-Polycarbonsäure und vor Zugabe des Polyhydroxy-Alkohols gelöst werden; z. B. in H₂O oder in verdünnter Säure (z. B. HNO₃).These methods can or have been expanded to that effect that compounds with more than 2 metal components can be produced. Furthermore, the Metals each a. as oxides, as hydroxides, as Carbonates, as water-containing oxides, as alkoxides, as Alpha-hydroxycarboxylates or used as nitrates will. Furthermore, instead of alpha-hydroxycarboxylic acid hydroxy polycarboxylic acid can also be used in general. The metal atoms can, if not already in solution are present before adding the hydroxy polycarboxylic acid and before Addition of the polyhydroxy alcohol can be dissolved; e.g. B. in H₂O or in dilute acid (e.g. HNO₃).
Unter Metalle sollen im folgenden Metalle, Halbmetalle, Lanthanoide und Actinoide verstanden werden. Daneben sind auch einige Nichtmetalle oder Halbmetalle wie z. B. B (Bor), Si (Silicium), As (Arsen), Te (Tellur), Be (Beryllium), Se (Selen) und At (Astat) damit bezeichnet.In the following, metals, semimetals, Lanthanoids and actinoids are understood. Are next to it also some non-metals or semi-metals such as B. B (Boron), Si (silicon), As (arsenic), Te (tellurium), Be (Beryllium), Se (Selenium) and At (Astat).
Bei Verbindungen einiger Hochtemperatur-Supraleiter, insbesondere bei den zur Zeit technisch besonders vielversprechenden, Pb-Sr-Ca-Cu-O, Hg-(Ba,Sr)-Ca-Cu-O oder Tl-(Ba,Sr)-Ca-Cu-O Systeme ergibt sich, wegen der Flüchtigkeit zumindest einer Komponente (z. B. Pb, Tl oder Hg) ein Konzentrationsmangel dieser Komponente in der gesinterten Schicht. Zur Herstellung dieser Hochtemperatur-Supraleiter wird deshalb oftmals eine Mischung, die die flüchtige Komponente nicht oder nur zum Teil enthält, eine sogenannte "Precursor"pulvermischung wie oben beschrieben in dem Gel aufgelöst. Während der Synthese dieser Precursorschicht oder in einem weiteren Syntheseschritt danach, bei dem zumindest die flüchtige Komponente (z. B. Tl, Pb oder Hg) in der Gasphase anwesend ist, bildet sich durch Reaktion dieser Gasphase mit der Precursorschicht die supraleitende Schicht aus. Diese zusätzliche Quelle, die zur Aufbringung und Reaktion der flüchtigen Komponente notwendig ist, erlaubt es vor allem aus technischen Schwierigkeiten, wie Schwierigkeiten bei der Erzeugung eines homogenen Dampfdrucks über große Volumen, nur bedingt, größere Substratflächen zu beschichten. Desweiteren ergibt sich die Problematik, daß die Quellen meist Behältnisse mit einer beträchtlichen Menge (bis zu einigen hundert Gramm) an diesen flüchtigen Komponenten sind, und diese flüchtigen Komponenten oft toxische Schwermetalle, wie z. B. Hg, Pb oder Tl sind.When connecting some high temperature superconductors, especially technically at the moment promising, Pb-Sr-Ca-Cu-O, Hg- (Ba, Sr) -Ca-Cu-O or Tl- (Ba, Sr) -Ca-Cu-O systems results because of the Volatility of at least one component (e.g. Pb, Tl or Hg) a lack of concentration of this component in the sintered layer. To make this This is why high-temperature superconductors often become one Mixture that does not contain the volatile component or only for Part contains a so-called "precursor" powder mixture dissolved in the gel as described above. During the Synthesis of this precursor layer or in another Synthesis step after that, at least the volatile Component (e.g. Tl, Pb or Hg) present in the gas phase is formed by reaction of this gas phase with the Precursor layer from the superconducting layer. This additional source that is used for application and Reaction of the volatile component is allowed it mainly from technical difficulties, such as Difficulties in creating a homogeneous Vapor pressure over large volumes, only conditionally, larger ones To coat substrate surfaces. Furthermore, it follows the problem that the sources mostly contain containers a considerable amount (up to a few hundred grams) on these volatile components, and these volatile components often toxic heavy metals, such as e.g. B. Hg, Pb or Tl.
Ziel der Erfindung ist deshalb die Entwicklung eines Verfahrens zur Beschichtung von Substraten mit Hochtemperatur-Supraleiterschichten unter Vermeidung der obengenannten Schwierigkeiten, insbesondere soll die Ausbildung der supraleitenden Schicht ohne zusätzliche Verdampferquelle für die flüchtigen Komponenten durchführbar sein.The aim of the invention is therefore to develop a Process for coating substrates with Avoiding high temperature superconductor layers difficulties mentioned above, in particular the Formation of the superconducting layer without additional Evaporator source for the volatile components be feasible.
Die Aufgabe der Schichtherstellung von keramischen Oxidschichten, insbesondere von Hochtemperatur- Supraleitern wird erfinderisch mit einem modifizierten Solution Sol-Gel Verfahren nach M.P. Pechini (oder R.S. Liu) und der Kombination zumindest eines Teils der folgenden Schritte wie folgt gelöst:The task of layering ceramic Oxide layers, especially of high temperature Superconductors are invented with a modified one Solution Sol-Gel procedure according to M.P. Pechini (or R.S. Liu) and the combination of at least part of the solved the following steps as follows:
- - Die Gesamtzahl der Metallatome im Gel ist so hoch bemessen, daß sich im Mittel pro 1-50 freier Gelmatrixplätze, vorzugsweise pro 2-10 freier Gelmatrixplätze (bzw. ein Gelmatrixplatz entspricht z. B. 2 Zitronensäuremoleküle) ein Metallatom im Gel befindet.- The total number of metal atoms in the gel is so high dimensioned that on average per 1-50 free Gel matrix places, preferably per 2-10 free ones Gel matrix locations (or a gel matrix location corresponds e.g. 2 citric acid molecules) a metal atom is in the gel.
- - Bei der Bildung des Gels werden alle, die supraleitende Schicht bildenden Metallatome zugegeben.- In the formation of the gel all become superconducting Layer-forming metal atoms added.
- - Die flüchtigeren Komponenten (des Supraleiters) wie z. B. Tl, Hg, Pb oder Ca können im Gel (bzw. in der Solution oder im Sol) in erhöhter Konzentration vorhanden sein (1-50 fach, vorteilhafterweise 1-5 fache Konzentration) verglichen mit ihrer Konzentration in der supraleitenden Struktur.- The more volatile components (of the superconductor) like e.g. B. Tl, Hg, Pb or Ca can in the gel (or in the Solution or in the sol) in increased concentration be (1-50 times, advantageously 1-5 times Concentration) compared to their concentration in the superconducting structure.
- - Zur vermehrten und verbesserten Ausbildung der supraleitenden Schichten können im Gel (bzw. in der Solution oder im Sol) weitere Elemente (vorzugsweise 1-3 Elemente, z. B. Bi,Pb, Ag, V) vorhanden sein, als teilweiser Ersatz (Substitution) eines oder mehrerer Elemente des Supraleiters (vorzugsweise der flüchtigen Elemente) oder als Zusatz (Dotierung). Diese zusätzlichen Atome verbessern und erleichtern während der Sinterung u. a. vermutlich durch die Entstehung einer Flüssigphase die Synthese der supraleitenden Verbindung.- For the increased and improved training of superconducting layers can be in the gel (or in the Solution or in sol) further elements (preferably 1-3 Elements, e.g. B. Bi, Pb, Ag, V) be present as partial replacement (substitution) of one or more Elements of the superconductor (preferably the volatile Elements) or as an additive (doping). These additional Atoms improve and lighten during sintering u. a. probably due to the formation of a liquid phase the synthesis of the superconducting compound.
- - Die Verbrennung des Gels geschieht (begünstigt durch die hohe Konzentration der Metallatome im Gel) bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 200-800°C, vorzugsweise 350°C-500°C in geeigneter Atmosphäre, vorzugsweise in oxidhaltiger Atmosphäre (Luft oder Sauerstoff). Dies minimiert den Verlust der leicht flüchtigen Komponenten des Supraleiters während der Verbrennung.- The burning of the gel happens (favored by the high concentration of metal atoms in the gel) low temperatures in the range of 200-800 ° C, preferably 350 ° C-500 ° C in a suitable atmosphere, preferably in an atmosphere containing oxide (air or Oxygen). This minimizes the loss of it easily volatile components of the superconductor during the Combustion.
- - Die Beschichtung kann direkt mit dem so hergestellten Gel geschehen, vorzugsweise durch Deposition der Substrate im Gel. Das Solution Sol-Gel Verfahren dient also nicht nur als Methode zur Herstellung von Oxidpulvern, die dann erneut in Lösung gebracht werden (z. B. mittels organischer Binder) und als Schicht aufgebracht werden.- The coating can be made directly with the so produced Gel done, preferably by deposition of the Substrates in the gel. The Solution Sol-Gel process serves not just as a method of making Oxide powders, which are then brought back into solution (e.g. using organic binders) and as a layer be applied.
- - Die Entfernung des Trägermaterials (Gels), d. h. das Verbrennen des Gels geschieht, während die Substrate im Gel eingetaucht sind. Diese Art der Deposition der Substrate verhindert, daß sich bei der Verbrennung des Trägermaterials die später abzuscheidende Schicht vom Substrat ablöst.- The removal of the carrier material (gel), i.e. H. the Burning of the gel happens while the substrates are in Gel are immersed. This type of deposition Substrates prevents the combustion of the Carrier material the layer to be deposited later Peels off substrate.
- - Für die Ausbildung der supraleitenden Phase im Sinterprozeß, in geeigneter Atmosphäre, z. B. Edelgas, inerte Atmosphäre oder oxidierende Atmosphäre (Luft oder Sauerstoff) werden die Schichten in ein Behältnis (z. B. Goldfolie) eingeschlossen, welches Verluste der flüchtigen Komponenten minimiert, gleichzeitig aber die Sinteratmosphäre eindringen läßt. - For the formation of the superconducting phase in Sintering process in a suitable atmosphere, e.g. B. noble gas, inert atmosphere or oxidizing atmosphere (air or Oxygen) the layers are placed in a container (e.g. Gold foil) included, which losses the volatile components minimized, but at the same time the Sinter atmosphere can penetrate.
- - Die Synthese geschieht ohne zusätzliche Quelle, die vorzugsweise die flüchtigeren Komponenten nachliefert, sondern nur mit Metallatomen, die nach der Verbrennung des Gels vorhandenen sind.- The synthesis happens without an additional source, the preferably supplies the more volatile components, but only with metal atoms after combustion of the gel are present.
- - Die Schichtausbildung kann verbessert werden durch Mehrfachbeschichtung, d. h. mehrfache Solution Sol-Gel Beschichtung und mehrfache Synthese dieser Beschichtung. Dabei kann nach jeweils jeder Beschichtung (Gelaufbringung und Gelverbrennen) oder nach mehreren Beschichtungen eine Synthese der supraleitenden Schicht durchgeführt werden. Dieser gesamte Vorgang (Beschichtung und Synthese) kann des weiteren wiederholt werden.- The layer formation can be improved by Multiple coating, d. H. multiple solution sol-gel Coating and multiple synthesis of this coating. You can do this after each coating (Gel application and gel burning) or after several Coatings a synthesis of the superconducting layer be performed. This entire process (coating and synthesis) can be repeated further.
Die den Supraleiter bildenden Atome werden in Lösung (0,1 bis 10 molare Lösung, vorzugsweise 1-molare Lösung) gebracht (oder bereits gelöst verwendet), vorzugsweise als Nitrate in H₂O. Die Gesamtmenge an Metallionen sei 1 mol. Zur besseren Verteilung kann die Lösung erwärmt (z. B. bis ca. 100°C) und (mit einem Magnetrührer) verrührt werden. Die Metallionen liegen dabei untereinander in der gewünschten Stöchiometrie vor, vorzugsweise sind die leicht flüchtigen Elemente wie z. B. Tl, Hg, Pb oder Ca mehrfach (1-20 fach, vorzugsweise 1-5 fach) im Vergleich mit ihrer Konzentration in der supraleitenden Schicht vertreten. Des weiteren können weitere Elemente, vorzugsweise u. a. Pb, Bi, V, Ag als Dotierung oder Substitution zumindest eines der flüchtigen Elemente (u. a. Tl, Hg, Ca) zugegeben werden, im Verhältnis von 0-10, vorzugsweise 0,1 bis 1 zu deren Anteil (im Supraleiter).The atoms forming the superconductor are dissolved (0.1 up to 10 molar solution, preferably 1 molar solution) brought (or already used dissolved), preferably as nitrates in H₂O. The total amount of metal ions is 1 mol. The solution can be warmed for better distribution (e.g. up to approx. 100 ° C) and (with a magnetic stirrer) will. The metal ions lie among each other in the desired stoichiometry, preferably the easily volatile elements such. B. Tl, Hg, Pb or Ca. several times (1-20 times, preferably 1-5 times) in comparison with their concentration in the superconducting layer represented. Furthermore, other elements, preferably u. a. Pb, Bi, V, Ag as doping or Substitution of at least one of the volatile elements (including Tl, Hg, Ca) are added in the ratio of 0-10, preferably 0.1 to 1 in proportion (in Superconductor).
Dieser Metallionenlösung werden 1-50 mol, vorzugsweise 5-10 mol Hydroxy-Polycarbonsäure (z. B. Zitronensäure, eventuell gelöst in H₂O) und eine größere Molzahl (vorzugsweise die 1-10 fache Molzahl) an Polyhydroxy- Alkohol (z. B. Ethylenglycol) zugegeben.This metal ion solution is 1-50 mol, preferably 5-10 mol hydroxy polycarboxylic acid (e.g. citric acid, possibly dissolved in H₂O) and a larger number of moles (preferably 1-10 times the number of moles) of polyhydroxy Alcohol (e.g. ethylene glycol) added.
Nach Erwärmung (vorzugsweise bis 150°C, Entweichung der nitrosen Gase) und Ausbildung des Gels werden die Substrate mit dem Gel beschichtet. Vorzugsweise wird das flüssige Gel in eine hitzebeständige Form (z. B. aus Al₂O₃ Keramik) gegeben, in welches die Substrate gegeben werden (s.Fig. 1). Dabei befinden sich die Substrate, wie in Fig. 1, gezeigt inmitten und umgeben von Gel. Das Gel wird verbrannt, während sich die Substrate noch im Gel befinden.After heating (preferably up to 150 ° C, escape of the nitrous gases) and formation of the gel, the substrates are coated with the gel. Preferably, the liquid gel is placed in a heat-resistant form (z. B. from Al₂O₃ ceramic), in which the substrates are placed (see. Fig. 1). The substrates, as shown in FIG. 1, are located in the middle and surrounded by gel. The gel is burned while the substrates are still in the gel.
Die Verbrennung des Gels findet in einem geeigneten Ofen unter oxidierender Atmosphäre (vorzugsweise Luft oder Sauerstoff) bei Temperaturen von 200-800°C, vorzugsweise 350-500°C statt (Zeitdauer 30 min-50 h, vorzugsweise 2-10 h).The gel is burned in a suitable oven in an oxidizing atmosphere (preferably air or Oxygen) at temperatures of 200-800 ° C, preferably 350-500 ° C instead (duration 30 min-50 h, preferably 2-10 h).
Fig. 1 zeigt den Korundtiegel (1) mit den sich im Gel (2) befindenden Substraten (3). Fig. 1 shows the corundum crucible ( 1 ) with the substrates ( 3 ) located in the gel ( 2 ).
Dieser Beschichtungsvorgang (Solution Sol-Gel Prozeß) kann mehrmals (vorzugsweise 1-10 mal) wiederholt werden um die Beschichtungsqualität zu verbessern.This coating process (solution sol-gel process) can be repeated several times (preferably 1-10 times) to improve the coating quality.
Die beschichteten Substrate werden in ein Behältnis gegeben, welches für die (vorzugsweise oxidierende oder inerte) Atmosphäre während der Sinterung durchlässig ist, hingegen für die leicht flüchtigen Komponenten, wie Tl, Hg, Ca oder Pb (-oxid) undurchlässig ist. Vorzugsweise dient dazu Goldfolie in der die Schicht versiegelt wird (Fig. 2).The coated substrates are placed in a container which is permeable to the (preferably oxidizing or inert) atmosphere during sintering, but is impermeable to the volatile components such as Tl, Hg, Ca or Pb (oxide). Gold foil in which the layer is sealed is preferably used for this purpose ( FIG. 2).
Fig. 2 zeigt ein Substrat (3) mit dem anhaftendem Film (2) eingewickelt in Goldfolie (1). Fig. 2 shows a substrate ( 3 ) with the adhering film ( 2 ) wrapped in gold foil ( 1 ).
Die Sinterung geschieht in einem geeigneten Ofen unter geeigneter Atmosphäre, vorzugsweise unter Sauerstofffluß, bei so hohen Temperaturen und so langen Zeitdauern, die die Ausbildung der supraleitenden Schicht erlauben.The sintering takes place in a suitable oven suitable atmosphere, preferably under the flow of oxygen, with such high temperatures and such long periods of time that allow the formation of the superconducting layer.
Typische Sintertemperatur sind 800-1000°C, vorzugsweise 840-970°C Zeitdauer 2 min bis 20 h, vorzugsweise 5-60 min. Vorzugsweise werden verschiedene Temperaturstufen angefahren. Zudem kann vorzugsweise anschließend ein weiterer niedrigerer Temperaturwert (200 bis 600°C) bei geeigneter Atmosphäre (oxidierende oder inerte Atmosphäre) angefahren werden und gehalten werden (5 min bis 200 Stunden), in dem der Sauerstoffgehalt der Schicht verändert (erhöht oder erniedrigt) wird. Der Aufheiz- und Abkühlprozeß geschieht mit vorzugsweise hohen Abkühl bzw. Aufheizraten (z. B. 400°C pro Stunde). Nach Abkühlung der Schicht wird diese dem Behältnis entnommen. Je nach Anzahl der Beschichtungen und Synthesen kann die Schichtdicke gesteuert werden über einen Bereich von typischerweise 1*10-6 bis über 100*10-6 m. Bei dickeren Schichten sind vorzugsweise die Sinterzeiten und Sintertemperaturen entsprechend zu erhöhen.Typical sintering temperatures are 800-1000 ° C, preferably 840-970 ° C for a period of 2 minutes to 20 hours, preferably 5-60 minutes. Different temperature levels are preferably approached. In addition, a further lower temperature value (200 to 600 ° C.) in a suitable atmosphere (oxidizing or inert atmosphere) can preferably be approached and held (5 minutes to 200 hours) by changing (increasing or decreasing) the oxygen content of the layer . The heating and cooling process takes place with preferably high cooling or heating rates (e.g. 400 ° C. per hour). After the layer has cooled, it is removed from the container. Depending on the number of coatings and syntheses, the layer thickness can be controlled over a range of typically 1 * 10 -6 to over 100 * 10 -6 m. In the case of thicker layers, the sintering times and sintering temperatures should preferably be increased accordingly.
Zur Erläuterung der Erfindung sei die Synthese von (Tl,Bi)-(Ba,Sr)-Ca-Cu-O; d. h. die Tl-(Ba,Sr)-Ca-Cu-O Verbindung mit (teilweiser) Substitution (und oder Dotierung) von Tl durch Bi gewählt.The synthesis of (Tl, Bi) - (Ba, Sr) -Ca-Cu-O; d. H. the Tl- (Ba, Sr) -Ca-Cu-O Connection with (partial) substitution (and or Doping) of Tl selected by Bi.
Herstellung einer (Tl,Bi) (Ba0,4,Sr1,6)Ca₂Cu₃O₉ Schicht auf einem LaAlO₃-Substrat (Kristallachse [100]) dargestellt. Die Gesamtmenge des eingesetzten Oxidpulvers beträgt 2 g. Production of a (Tl, Bi) (Ba 0.4 , Sr 1.6 ) Ca₂Cu₃O₉ layer on a LaAlO₃ substrate (crystal axis [100]) shown. The total amount of oxide powder used is 2 g.
Die Elemente werden als Oxide in folgender Stöchiometrie verwendet: (Tl₂,Bi0,25)(Ba0,41Sr1,6)Ca₃Cu₃ d. h. 0,795 g Tl₂O₃ (1,74*10-3 mol), 0,101 g BiO₂ (2,2*10-4 mol), 0,098 g CaO (1,74*10-3 mol), 0,777 g Sr₂Ca₂Cu₃O₇ (1,39*10-3 mol) und 0,229 g Ba₂Ca₂Cu₃O₇ (3,5*10-4 mol). Die Oxide werden mit 20 ml bidestilliertem H₂O in ein Becherglas gegeben, anschließend wird 10 ml konzentrierte HNO₃ Säure zugegeben und die Lösung in einem Parafinbad erwärmt, bis sich die Oxide gelöst haben und bis zum Verdampfen von H₂O (ca. 100°C). Anschließend werden 40 ml einer Mischung von Zitronensäure (0,064 mol) und Ethylenglykol (0,256 mol) zugegeben und die gesamte Lösung auf 140°C erhitzt bis zur Ausbildung der (blaugrünfarbigen) Gelmatrix. Nach Verflüchtigung der nitrosen Gase (ab 110°C), kurz vor Erstarren des Gels (140°C) wird das flüssige Gel in eine hitzebeständige Form aus Al₂O₃ Keramik gegeben. In dieses Gel werden anschließend die Substrate gelegt (s.Fig. 1). Fig. 1 zeigt den Korundtiegel (1) mit den sich im Gel (2) befindenden Substraten (3).The elements are used as oxides in the following stoichiometry: (Tl₂, Bi 0.25 ) (Ba 0.41 Sr 1.6 ) Ca₃Cu₃ ie 0.795 g Tl₂O₃ (1.74 * 10 -3 mol), 0.101 g BiO₂ (2, 2 * 10 -4 mol), 0.098 g CaO (1.74 * 10 -3 mol), 0.777 g Sr₂Ca₂Cu₃O₇ (1.39 * 10 -3 mol) and 0.229 g Ba₂Ca₂Cu₃O₇ (3.5 * 10 -4 mol). The oxides are placed in a beaker with 20 ml bidistilled H₂O, then 10 ml concentrated HNO₃ acid is added and the solution is heated in a paraffin bath until the oxides have dissolved and until the evaporation of H₂O (approx. 100 ° C). Then 40 ml of a mixture of citric acid (0.064 mol) and ethylene glycol (0.256 mol) are added and the entire solution is heated to 140 ° C. until the (blue-green colored) gel matrix is formed. After volatilization of the nitrous gases (from 110 ° C), just before the gel solidifies (140 ° C), the liquid gel is placed in a heat-resistant form made of Al₂O₃ ceramic. The substrates are then placed in this gel (see FIG. 1). Fig. 1 shows the corundum crucible ( 1 ) with the substrates ( 3 ) located in the gel ( 2 ).
Die hitzebeständige Korundform wird mit den Substraten und dem Gel in einem Kammerofen unter oxidierender Atmosphäre (Sauerstoff) gegeben.The heat-resistant corundum shape is made with the substrates and the gel in a chamber oven under oxidizing Given atmosphere (oxygen).
Das Verbrennen des im Gel enthaltenen Kohlenstoffs geschieht bei 450°C über eine Zeitdauer von ca. 10 h. Burning the carbon contained in the gel happens at 450 ° C over a period of approx. 10 h.
Dieser Beschichtungsvorgang (Solution Sol-Gel Prozeß) wird wiederholt um die Beschichtungsqualität zu verbessern. Die zweimal beschichteten Substrate werden in Goldfolie versiegelt.This coating process (solution sol-gel process) is repeated to improve the coating quality improve. The twice coated substrates are in Gold foil sealed.
Die Sinterung erfolgt in einem Rohrofen unter Sauerstofffluß. Die Sintertemperatur betragt 960°C, dieser Spitzenwert wird nur 1-2 Minuten lang gehalten, danach wird die Schicht bei ca. 950°C 6-12 Minuten gehalten. Der Aufheiz- und Abkühlprozeß geschieht mit 400°C pro Stunde. Nach Abkühlung der Schicht wird diese aus der Goldfolie entnommen. Die Schichtdicke beträgt ca. 5*10-6 m.Sintering takes place in a tube furnace under the flow of oxygen. The sintering temperature is 960 ° C, this peak value is only held for 1-2 minutes, then the layer is held at approx. 950 ° C for 6-12 minutes. The heating and cooling process takes place at 400 ° C per hour. After the layer has cooled, it is removed from the gold foil. The layer thickness is approx. 5 * 10 -6 m.
Die Vorgehensweise entspricht exakt der Vorgehensweise im vorhergehenden Beispiel mit folgender Änderung.The procedure corresponds exactly to the procedure in previous example with the following change.
Nach der ersten Synthese der supraleitenden Schicht wird diese erneut einer zweimaligen Solution Sol-Gel Beschichtung unterzogen und anschließend die supraleitende Schicht erneut synthetisiert.After the first synthesis of the superconducting layer this again a two-time solution sol-gel Coated and then the superconducting layer synthesized again.
Durch diese Abänderung lassen sich dickere Schichten (10*10-6 m) mit verbesserter Homogenität herstellen.This modification allows thicker layers (10 * 10 -6 m) to be produced with improved homogeneity.
Für das Substrat sind annähernd beliebige Formen wie z. B. Plättchen, Rohre, Zylinder möglich. Vorzugsweise werden flache, quaderförmige Plättchen verwendet, bei denen mindestens eine Flachseite beschichtet wird. Des weiteren sind als Substrate vorzugsweise solche Kristalle zu wählen, deren Kristallstrukturen mit der Kristallstruktur der Schicht soweit übereinstimmt, daß sie ein orientiertes Aufwachsen der supraleitenden Schicht erlauben. Solche Substrate sind z. B. LaAlO₃, SrTiO₃, MgO, Al₂O₃, Yttrium-stabilisiertes ZrO₂, NdGaO₃ oder LaGaO₃. Aber auch weniger geeignete Substrate wie Si können mittels mindestens einer geeigneten Zwischenschicht (Buffer layer), die diffusionshemmend wirkt, verwendet werden. Neben diesen Einkristallen sind aber auch polykristalline Materialien und metallische Substrate (z. B. Edelstahl, NiCr-Stahl, u. a. in Platten-, Rohr- oder Drahtform) mit einer genügend hohen thermischen Beständigkeit geeignet. Die schlechtere Gitteranpassung erlaubt meist ein nur weniger orientiertes Aufwachsen, was aber durch andere Vorteile (mechanische Flexibilität, geringe Kosten) ausgeglichen wird.For the substrate are almost any shapes such. B. Small plates, tubes, cylinders possible. Preferably be flat, rectangular plates used in which at least one flat side is coated. Furthermore are preferably such crystals as substrates choose whose crystal structures match the crystal structure the layer coincides so far that it is a oriented growth of the superconducting layer allow. Such substrates are e.g. B. LaAlO₃, SrTiO₃, MgO, Al₂O₃, yttrium-stabilized ZrO₂, NdGaO₃ or LaGaO₃. But less suitable substrates such as Si can also be used at least one suitable intermediate layer (buffer layer) which has a diffusion-inhibiting effect. In addition to these single crystals, they are also polycrystalline Materials and metallic substrates (e.g. stainless steel, NiCr steel, u. a. in plate, tube or wire form) with a sufficiently high thermal resistance. The poorer grid adjustment usually only allows one less oriented growing up, but what about others Advantages (mechanical flexibility, low costs) is balanced.
Die Vorteile dieser Beschichtungsmethode liegen in der Möglichkeit, mit geringem Aufwand hochqualitative Hochtemperatur-Supraleiterschichten, insbesondere Supraleiter mit mindestens einer flüchtigen Komponente, herzustellen ohne den üblichen Nachtemperprozeß, in dem zumindest eine der flüchtigen Komponenten nachgeliefert und eingebaut wird.The advantages of this coating method are: Possibility of high quality with little effort High temperature superconductor layers, in particular Superconductor with at least one volatile component, to manufacture without the usual post-annealing process in which at least one of the volatile components subsequently supplied and installed.
Eine hohe Konzentration der den Supraleiter bildenden Komponenten bezogen auf die Trägersubstanz (Gel) bewirkt, daß beim Entfernen des Trägermaterials (Gel) weit mehr die Supraleitung bildendes Material (Metallatome) vorhanden ist. Diese geringere Menge des Gels bezogen auf die Metallatome erlaubt eine Verbrennung des Gels bei niedrigeren Temperaturen. Durch die hohe Konzentration der den Supraleiter bildenden Metallatome, die Verbrennung bei niedrigen Temperaturen und durch die Lage der Substrate inmitten des Gels (während der Verbrennung des Gels) erhöht sich sich die Schichtdicke pro Beschichtungsvorgang und die Haftung der Schicht auf dem Substrat. Bei anderen Beschichtungsvorgängen wie z. B. "dip in" (d. h. Eintauchen des Substrates in das Gel und Entfernen des Substrates und erst danach erfolgende Entfernung des Gels) entstehen oftmals löchrige, nicht durchgängige Schichten. Ähnliche Effekte wie bei der "dip in" Beschichtung treten auch auf bei Gelen, in denen die Konzentration der supraleitenden Komponenten erniedrigt wurde.A high concentration of the superconductors Components related to the carrier substance (gel) causes that when removing the carrier material (gel) far more material forming superconductivity (metal atoms) is available. This lesser amount of gel based on The metal atoms allow the gel to burn lower temperatures. Because of the high concentration of the metal atoms forming the superconductor, the Burn at low temperatures and by location of the substrates in the middle of the gel (during combustion of the gel) the layer thickness increases per Coating process and the adhesion of the layer on the Substrate. In other coating processes such. B. "dip in" (i.e. immersing the substrate in the gel and Remove the substrate and only after that Removal of the gel) often results in holey, not continuous layers. Similar effects as with the "dip in "Coating also occurs with gels in which the Concentration of superconducting components decreased has been.
Durch die Überdotierung der flüchtigen Komponenten im Gel, durch die Dotierung oder Substitution, welche zur Ausbildung der Flüssigphase führt, und durch den Einschluß der Schicht in ein für diese flüchtigen Komponenten nicht durchlässiges, hingegen für die bei der Sinterung eingesetzten Gase (z. B. Sauerstoff, Luft oder Argon) durchlässiges Behältnis kann auf eine zusätzliche Quelle für die flüchtigen Komponenten des Supraleiters während der Synthese verzichtet werden.By overdoping the volatile components in the Gel, by doping or substitution, which is used for Formation of the liquid phase leads, and through the Inclusion of the layer in a volatile for this Components not permeable, however, for those in the Gases used for sintering (e.g. oxygen, air or Argon) permeable container can be used for an additional Source for the volatile components of the superconductor to be dispensed with during the synthesis.
Dadurch wird die Beschränkung auf kleine, flache (z. B. 10*10*1 mm) Substrate aufgehoben.This removes the restriction to small, flat (e.g. 10 * 10 * 1 mm) substrates.
Desweiteren kann auf einen nachträglichen Syntheseschritt, in dem diese flüchtige Komponente zusätzlich angeboten und in den Supraleiter eingebaut wird, verzichtet werden.Furthermore, it can be added later Synthesis step in which this volatile component additionally offered and built into the superconductor will be waived.
Zur Herstellung dickerer Schichten und zur Kontrolle über die Dicke der Beschichtung und über den Beschichtungsprozeß kann der Prozeß mehrmals mit dem gleichen Substrat und der gleichen Schicht wiederholt werden, wobei die jeweils vorhandene Schicht u. a. als Start und Haftpunkt für das Aufwachsen weiteren Materials wirkt. For making thicker layers and for controlling the thickness of the coating and over the Coating process can be repeated several times with the same substrate and the same layer repeated be, the existing layer u. a. as Start and stick point for the growth of further material works.
Zusammengefaßt liegen die Vorteile insbesondere für industrielle Anwendung dieses Verfahrens in der Möglichkeit, mit geringem Aufwand großflächige oder beliebig geformte keramische Oxidschichten, insbesondere Hochtemperatur-Supraleiterschichten herzustellen.In summary, the advantages are especially for industrial application of this process in the Possibility of large-scale or with little effort ceramic oxide layers of any shape, in particular To produce high-temperature superconductor layers.
Claims (24)
- - Solution Herstellung
- - Sol Ausbildung
- - Formung des Gels
- - Beschichtung der Substrate
- - Verbrennen des Gels in einer geeigneten (vorzugsweise sauerstoffhaltigen) Atmosphäre
- - Synthese der supraleitenden Schicht in einer geeigneten Atmosphäre.
- - Solution manufacturing
- - Sol training
- - Forming the gel
- - coating of substrates
- Burning the gel in a suitable (preferably oxygen-containing) atmosphere
- - Synthesis of the superconducting layer in a suitable atmosphere.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19546483A DE19546483A1 (en) | 1995-12-13 | 1995-12-13 | Sol-gel method for ceramic oxide coating of substrate |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19546483A DE19546483A1 (en) | 1995-12-13 | 1995-12-13 | Sol-gel method for ceramic oxide coating of substrate |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19546483A1 true DE19546483A1 (en) | 1997-06-19 |
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ID=7779973
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DE19546483A Withdrawn DE19546483A1 (en) | 1995-12-13 | 1995-12-13 | Sol-gel method for ceramic oxide coating of substrate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19546483A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010102820A1 (en) | 2009-03-11 | 2010-09-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Particles having a luminescent inorganic shell, method for coating particles and use thereof |
-
1995
- 1995-12-13 DE DE19546483A patent/DE19546483A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010102820A1 (en) | 2009-03-11 | 2010-09-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Particles having a luminescent inorganic shell, method for coating particles and use thereof |
DE102009012698A1 (en) | 2009-03-11 | 2010-09-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Particles with a luminescent inorganic shell, process for coating particles and their use |
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