DE19817390A1 - High temperature superconductor strip, e.g. high current carrying capacity yttrium boron copper oxide strip, production - Google Patents
High temperature superconductor strip, e.g. high current carrying capacity yttrium boron copper oxide strip, productionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung bandförmiger Hochtemperatur-Supraleiter, die eine hochtemperatur-supraleitende Schicht (HTSL-Schicht) auf einem Trägerband aufweisen. Das Verfahren ist beispielsweise zur Herstellung hochstromtragender YBCO-Bänder anwendbar.The invention relates to a method for manufacturing band-shaped high-temperature superconductors, the one high-temperature superconducting layer (HTSL layer) on one Have carrier tape. The method is for example Manufacture of high current carrying YBCO tapes applicable.
Das zu überwindende Grundproblem der technologischen Präparation hochstromtragender YBCO-Bänder besteht in der Notwendigkeit, lange Bandlängen mit quasi einkristallinem Gefüge abzuscheiden, da jede Korngrenze in Abhängigkeit des Korngrenzenwinkels die Stromtragfähigkeit der Schicht begrenzt. Die technologisch geforderten Stromdichten bei 77 K im Nullfeld (jc<105A/cm2) erfordern daher eine biaxiale Texturierung des YBCO von <10°. Ein derartig texturiertes Gefüge kann gegenwärtig z. B. bei den YBCO-Bandleitern mittels der ISD-, IBAD- und RABiTS-Technologie präpariert werden. Dabei wird die HTSL-Schicht heteroepitaktisch auf ein biaxial texturiertes Puffersystem ("Substratband") abgeschieden, das entweder ebenfalls heteroepitaktisch auf einem durch Verformung und Rekristallisation texturierten Metall (RABiTS) abgeschieden wird, oder auf einem beliebigen, untexturierten Substrat durch ein geeignetes Depositionsverfahren (ISD oder IBAD) biaxial texturiert aufwächst. The basic problem to be overcome in the technological preparation of high-current carrying YBCO tapes is the need to deposit long tape lengths with a quasi-single-crystal structure, since each grain boundary limits the current carrying capacity of the layer depending on the grain boundary angle. The technologically required current densities at 77 K in the zero field (j c <10 5 A / cm 2 ) therefore require a biaxial texturing of the YBCO of <10 °. Such a textured structure can currently z. B. in the YBCO strip conductors using ISD, IBAD and RABiTS technology. The HTSL layer is heteroepitaxially deposited on a biaxially textured buffer system ("substrate tape"), which is either also heteroepitaxially deposited on a metal textured by deformation and recrystallization (RABiTS), or on any untextured substrate by a suitable deposition process (ISD or IBAD) grows biaxially textured.
Der wesentliche Nachteil des Standes der Technik besteht darin, daß entweder noch keine zufriedenstellende Texturierung (ISD) erreicht werden konnte, oder daß eine rationelle technologische Umsetzung des Verfahrens (IBAD) noch nicht absehbar erscheint, oder daß nur einige wenige Metalle durch Rekristallisation die gewünschte scharfe biaxiale Textur zeigen, sie aber meist nicht die technologischen Randbedingungen der Anwendung an das Band ("Trägerband") erfüllen. Ebenso liegt ein Nachteil darin, daß die epitaktische Abscheidung der HTSL Supraleiterschicht bei hohen Temperaturen in Sauerstoffatmosphäre erfolgen muß, so daß weitreichende Einschränkungen des Substratbandmaterials hinsichtlich Diffusion, chemischer Reaktivität und thermischer Ausdehnung bestehen. Ebenso bedingt der komplexe Depositionsprozess ein Mindestmaß an technologischer Handhabbarkeit der Substratbänder (z. B. Festigkeit), die ohne größeren Aufwand nur durch dickere Bänder (<100 µm) erfüllt werden kann. Dadurch sinkt aber wiederum bei gleicher Qualität der Supraleiterschicht die technologische Stromdichte.The main disadvantage of the prior art is that that either no satisfactory texturing (ISD) could be achieved, or that a rational technological Implementation of the procedure (IBAD) does not yet appear to be foreseeable, or that only a few metals are recrystallized Show the desired sharp biaxial texture, but usually not the technological constraints of the application to the belt ("Carrier tape"). Another disadvantage is that the epitaxial deposition of the HTSL superconductor layer high temperatures must be in an oxygen atmosphere, so that far-reaching restrictions on the substrate tape material in terms of diffusion, chemical reactivity and thermal Existence exist. Likewise, the complex Deposition process a minimum of technological Manageability of the substrate tapes (e.g. strength) without greater effort can only be achieved with thicker strips (<100 µm) can be. However, this in turn decreases with the same quality the technological current density of the superconductor layer.
Wesentlicher Nachteil ist es also, daß das Trägerband der HTSL-Funktionsschicht gleichzeitig als Bandsubstrat für die komplexe (epitaktische) Schichtabscheidung dienen muß. Damit entstehen durch den Präparationsprozeß starke Einschränkungen hinsichtlich des verwendbaren Bandsubstrates, die kaum mit den technologischen Randbedingungen an das Trägerband der Funktionsschicht in der Bandleiteranwendung kompatibel sind. So sind z. B. durch den Hochtemperaturdepositionsprozess in Sauerstoff bislang alle Polymere als Substrat ausgeschlossen.It is therefore a major disadvantage that the carrier tape HTSL functional layer simultaneously as a tape substrate for the complex (epitaxial) layer deposition must serve. With that arise severe restrictions due to the preparation process with regard to the usable tape substrate, which hardly with the technological boundary conditions on the carrier tape of the Functional layer in the strip conductor application are compatible. So are z. B. by the high temperature deposition process in So far, oxygen has excluded all polymers as substrates.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung bandförmiger Hochtemperatur-Supraleiter zu schaffen, bei dem die Funktion von Substratband und Trägerband möglichst voneinander entkoppelt bleibt, so daß für die Supraleiterbeschichtung ein ideales Substratband gewählt werden kann, gleichzeitig aber am Schluß des Herstellungsprozesses ein für die technologische Anwendung des Bandleiters ideales Trägerband vorliegt. The invention has for its object a method for Production of ribbon-shaped high-temperature superconductors create where the function of substrate tape and carrier tape remains decoupled from each other, so that for the Superconductor coating an ideal substrate tape can be selected can, but at the same time at the end of the manufacturing process ideal for the technological application of the strip conductor Carrier tape is present.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß man
This object is achieved according to the invention in that
- a) auf ein bandförmiges, für die Abscheidung von biaxial texturierten HTSL-Schichten geeignetes Substrat, das mit einer epitaktisch abgeschiedenen Pufferschicht bedeckt sein kann, eine interimistische, epitaktisch aufwachsende Schicht (Interimsschicht) abscheidet,a) on a band-shaped, for the deposition of biaxial Textured HTSL layers suitable substrate with an epitaxially deposited buffer layer can, an interim, epitaxially growing layer (Interim layer) deposits,
- b) danach auf die Interimsschicht oder auf eine weitere, auf der Interimsschicht aufgebrachten Zwischenschicht eine HTSL-Schicht abscheidet,b) then on the interim layer or on another one an interlayer applied to the interim layer Deposits HTSL layer,
- c) nachfolgend auf die HTSL-Schicht ein Trägerband aufbringt undc) subsequently applies a carrier tape to the HTSL layer and
- d) schließlich von dem entstandenen bandförmigen Schichtverbund entlang der Interimsschicht den aus Trägerband und HTSL-Schicht bestehenden Schichtverbund zur Verwendung als bandförmigen Hochtemperatur-Supraleiter ablöst.d) finally from the resulting band-shaped layer composite along the interim layer that of carrier tape and HTSL layer existing layer composite for use as strip-shaped high-temperature superconductor.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder als diskontinuierliches Verfahren ausgeführt werden, indem Substratbänder endlicher Länge eingesetzt werden, oder es wird vorteilhaft als kontinuierliches Verfahren gestaltet, indem für die Abscheidung der Interimsschicht in der Verfahrensstufe a) ein als Endlosband ausgebildetes Substrat verwendet wird. Bei der letztgenannten Variante können in besonders günstiger Weise der Schichtwachstumsprozeß und das Auflösen der Trennschicht prozeßtechnisch voneinander getrennt ausgeführt werden.The inventive method can either be discontinuous process can be carried out by Substrate tapes of finite length can be used, or it will advantageously designed as a continuous process by for the deposition of the interim layer in process stage a) a substrate designed as an endless belt is used. At the latter variant can be used in a particularly favorable manner the layer growth process and the dissolution of the separation layer be carried out separately from each other in terms of process technology.
Zur epitaktischen Abscheidung der Interimsschicht kann vorteilhaft SrO oder BaO verwendet werden.For the epitaxial deposition of the interim layer advantageously SrO or BaO can be used.
Als Substrat für die epitaktischen Abscheidung der Interimsschicht kann insbesondere ein texturiertes Metallband verwendet werden, das mit einer epitaktisch abgeschiedenen Pufferschicht aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) oder aus CeO2 bedeckt ist.In particular, a textured metal strip can be used as the substrate for the epitaxial deposition of the interim layer, which is covered with an epitaxially deposited buffer layer made of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ) or CeO 2 .
Als Substrat für die epitaktische Abscheidung der Interimsschicht kann auch ein untexturiertes Metallband verwendet werden, das mit einer mittels der IBAD-Technologie abgeschiedenen YSZ-, CeO2- oder Pr6%-Pufferschicht bedeckt ist.An untextured metal strip can also be used as the substrate for the epitaxial deposition of the interim layer, which is covered with a YSZ, CeO 2 or Pr 6 % buffer layer deposited by means of IBAD technology.
Das Metallband kann zweckmäßigerweise aus Ni, Cu, NiCu oder aus Legierungen mit Ni und/oder Cu bestehen.The metal strip can expediently consist of Ni, Cu, NiCu or Alloys with Ni and / or Cu exist.
Erfindungsgemäß kann auch als Substrat für die epitaktische Abscheidung der Interimsschicht ein untexturiertes flexibles Keramikband verwendet werden, das mit einer mittels der IBAD-Technologie abgeschiedenen YSZ-, CeO2- oder Pr6O11-Pufferschicht bedeckt ist.According to the invention, an untextured flexible ceramic tape can also be used as the substrate for the epitaxial deposition of the interim layer, which is covered with a YSZ, CeO 2 or Pr 6 O 11 buffer layer deposited by means of IBAD technology.
Zweckmäßigerweise wird auf die Interimsschicht eine aus YBaCuO bestehende HTSL-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 100 nm bis 10 µm epitaktisch abgeschieden.It is expedient to place a YBaCuO on the interim layer existing HTSL layer with a thickness in the range of 100 nm up to 10 µm deposited epitaxially.
Zur Ablösung des aus Trägerband und HTSL-Schicht bestehenden Schichtverbundes kann Wasser oder Alkohol verwendet werden.For the replacement of the carrier tape and HTSL layer Layered composite water or alcohol can be used.
Zweckmäßigerweise kann die HTSL-Schicht mit einem Trägerband aus Ag oder aus einer Ag-Legierung oder aus einem Polymer versehen werden.The HTSL layer can expediently be carried out with a carrier tape from Ag or from an Ag alloy or from a polymer be provided.
Für die auf der Interimsschicht aufzubringende Zwischenschicht können CeO2, Pr6O11 oder ein anderes, das epitaktische Wachstum von HTSL-Schichten begünstigendes Oxid verwendet werden.CeO 2 , Pr 6 O 11 or another oxide which promotes the epitaxial growth of HTSL layers can be used for the intermediate layer to be applied on the interim layer.
Nach der Ablösung des aus Trägerband und HTSL-Schicht bestehenden Schichtverbundes ist es vorteilhaft, eine Schutzschicht aus vorzugsweise Ag auf die HTSL-Schicht aufzubringen. After the release of the carrier tape and HTSL layer existing layer composite, it is advantageous to Protective layer of preferably Ag on the HTSL layer to apply.
Durch die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mögliche Funktionstrennung von Substratband und Trägerband können die jeweiligen komplexen Anforderungen unabhängig voneinander optimiert gewählt werden. Das Substratband kann hierbei genau auf die Anforderungen der technologischen HTSL-Schichtabscheidung abgestimmt verwendet werden, indem z. B. ein optimal rekristallisiertes Ni-Band in Verbindung mit optimierten Pufferschichten eingesetzt wird, ohne die Anforderungen der späteren Anwendung an das Trägerband berücksichtigen zu müssen. Ebenso kann nach der HTSL-Schichtabscheidung in einem separaten Prozeß z. B. bei Raumtemperatur ein auf die Anwendung optimal abgestimmtes Trägerband aufgebracht werden, das auch nicht mehr texturiert sein muß. Damit wird eine wesentlich flexibleres, anwendungsorientiertes Banddesign bei gleichzeitig optimierter Präparationstechnik möglich.By using the method according to the invention possible separation of functions between substrate tape and carrier tape can handle the respective complex requirements independently optimized from each other. The substrate tape can here exactly to the requirements of the technological HTSL layer deposition can be used matched by z. B. a optimally recrystallized Ni band in connection with optimized buffer layers is used without the Requirements for later use on the carrier tape to take into account. Likewise, after the HTSL layer deposition in a separate process, e.g. B. at Room temperature an optimally matched to the application Carrier tape are applied, which also no longer textures have to be. This is a much more flexible, application-oriented band design with optimized at the same time Preparation technique possible.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention is based on exemplary embodiments explained in more detail. In the accompanying drawing:
Fig. 1 eine Darstellung des Verfahrens in seinen prinzipiellen Arbeitsstufen, Fig. 1 is an illustration of the process in its basic working steps,
Fig. 2 eine Darstellung zur Durchführung des Verfahrens als kontinuierliches Verfahren mit einem Endlossubstratband. Fig. 2 is an illustration for performing the method as a continuous method with an endless substrate tape.
Das Beispiel betrifft die Herstellung eines bandförmigen YBaCuO-Hochtemperatur-Supraleiters, der aus einem Trägerband E mit einer darauf angeordneten YBaCuO-Hochtempe ratur-Supraleiter-Schicht D und einer darauf befindlichen Schutzschicht F besteht.The example concerns the production of a band-shaped YBaCuO high-temperature superconductor, which consists of a carrier tape E with a YBaCuO high temperature arranged on it rature superconductor layer D and a layer thereon Protective layer F exists.
Zu dessen Herstellung wird nach dem in Fig. 1 dargestellten Schema ein Substrat A in Form eines ca. 200 µm dicken Ni-Bandes verwendet, das durch Verformung und Rekristallisation optimal texturiert worden ist. Auf dieses Ni-Band wird zunächst eine etwa 1 µm dicke YSZ-Pufferschicht B epitaktisch abgeschiedenen. A substrate A in the form of an approximately 200 μm thick Ni band, which has been optimally textured by deformation and recrystallization, is used for its production in accordance with the scheme shown in FIG. 1. An approximately 1 μm thick YSZ buffer layer B is first epitaxially deposited on this Ni band.
Anschließend wird mit löslichem SrO epitaktisch eine Interimsschicht C aufgebracht. Auf diese wird epitaktisch eine YBaCuO-Schicht D in einer Dicke von 100 nm bis 10 µm abgeschieden. Schließlich wird ein 20 µm dickes metallisches Trägerband E aus Ag aufgebracht.Then, a soluble SrO is used epitaxially Interim layer C applied. This becomes epitaxially one YBaCuO layer D in a thickness of 100 nm to 10 µm deposited. Finally, a 20 µm thick metallic Carrier tape E applied from Ag.
In einem anschließenden Prozeßschritt wird der entstandene bandförmige Schichtverbund entlang der Interimsschicht C unter Verwendung von Wasser aufgetrennt, so daß ein aus Trägerband E und YBaCuO-Schicht D bestehendes Schichtverbundband entsteht.In a subsequent process step, the resultant band-shaped layer composite along the interim layer C below Using water separated so that a carrier tape E and YBaCuO layer D existing layer composite tape is formed.
Abschließend wird die YBaCuO-Schicht noch mit einer Ag-Schutzschicht F versehen.Finally, the YBaCuO layer is covered with a Provide Ag protective layer F.
Der hergestellte bandförmige Hochtemperatur-Supraleiter besitzt ein Tc von 90 K und eine kritische Stromdichte von 105 bis 106 A/cm2.The band-shaped high-temperature superconductor produced has a T c of 90 K and a critical current density of 10 5 to 10 6 A / cm 2 .
Der beschriebene Herstellungsprozeß läßt sich bei Verwendung eines Endlosbandes für das Trägerband A besonders rationell auch als kontinuierlicher Prozeß durchführen, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.The production process described can be carried out particularly efficiently as a continuous process when using an endless belt for the carrier belt A, as is shown schematically in FIG. 2.
Claims (13)
- a) auf ein bandförmiges, für die Abscheidung von biaxial texturierten HTSL-Schichten geeignetes Substrat (A), das mit einer epitaktisch abgeschiedenen Pufferschicht (B) bedeckt sein kann, eine interimistische, epitaktisch aufwachsende Schicht (Interimsschicht) (C) abscheidet,
- b) danach auf die Interimsschicht (C) oder auf eine weitere, auf der Interimsschicht aufgebrachten Zwischenschicht eine HTSL-Schicht (D) abscheidet,
- c) nachfolgend auf die HTSL-Schicht (D) ein Trägerband (E) aufbringt und
- d) schließlich von dem entstandenen bandförmigen Schichtverbund entlang der Interimsschicht (C) den aus Trägerband (E) und HTSL-Schicht (D) bestehenden Schichtverbund zur Verwendung als bandförmigen Hochtemperatur-Supraleiter ablöst.
- a) deposits an interim, epitaxially growing layer (interim layer) (C) on a band-shaped substrate (A) suitable for the deposition of biaxially textured HTSL layers, which can be covered with an epitaxially deposited buffer layer (B),
- b) then an HTSL layer (D) is deposited on the interim layer (C) or on a further intermediate layer applied on the interim layer,
- c) subsequently applying a carrier tape (E) to the HTSL layer (D) and
- d) finally detaches from the resulting band-shaped layer composite along the interim layer (C) the layer composite consisting of carrier tape (E) and HTSL layer (D) for use as a band-shaped high-temperature superconductor.
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8130 | Withdrawal |