DE69636162T2

DE69636162T2 - Struktur mit biachsialer textur und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE69636162T2
Application number: DE69636162T
Authority: DE
Inventors: Amit Knoxville GOYAL; D. John Oak Ridge BUDAI; M. Donald Knoxville KROEGER; P. David Knoxville NORTON; D. Eliot Knoxville SPECHT; K. David Oak Ridge CHRISTEN
Original assignee: UT Battelle LLC
Current assignee: UT Battelle LLC
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2016-04-11
Also published as: WO1996032201A1; US5968877A; ATE327049T1; ES2268703T3; AU713892B2; KR100418279B1; DE69636162D1; US5741377A; US5898020A; JPH11504612A; AU5539896A; CA2217822C; US5958599A; KR19980703798A; US5739086A; CA2217822A1; EP0830218A1; JP3601830B2; EP0830218A4; EP0830218B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft biaxial texturierte metallische Substrate und daraus hergestellte Gegenstände und insbesondere solche Substrate und Gegenstände, die durch Walzen eines metallischen Substrats zum Ausbilden einer biaxialen Textur mit anschließender Abscheidung epitaxialer Materialien auf der biaxialen Textur – mit Schwerpunkt auf Superleitern – hergestellt werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die derzeitige Materialforschung zielte auf die Herstellung von superleitenden Hochtemperatur-Keramikwerkstoffen in Leiterkonfigurationen für praktische Massenanwendungen ab, die sich größtenteils auf Sinterröhrenverfahren konzentrierten. Derartige Verfahren haben sich für die Bi-(Pb)-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO)-Familie der Superleiter aufgrund ihrer einzigartigen Glimmerartigen mechanischen Verformungseigenschaften recht gut bewährt. In starken Magnetfeldern ist diese Superleiter-Familie allgemein auf Anwendungen unter 30K beschränkt. In der Re-Ba-Cu-O (ReBCO)-Familie (wo Re für ein Seltenerdenelement steht), der Tl-(Pb,Bi)-Sr-(Ba)-Ca-Cu-O-Familie und der Hg-(Pb)-Sr-(Ba)-Ca-Cu-O-Familie der Superleiter haben einige der Zusammensetzungen viel höhere intrinsische Grenzen und können bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. 1 zeigt einen Vergleich optimierter Eigenschaften verschiedener Superleiter.
Es wurde nachgewiesen, dass diese Superleiter hohe kritische Stromdichten (J_c) bei hohen Temperaturen besitzen, wenn sie als Einzelkristalle oder im Wesentlichen in Einzelkristallform als epitaxiale Filme auf Einzelkristallsubstraten wie beispielsweise SrTiO₃ und LaAlO₃ hergestellt werden. Bisher war es bei diesen Superleitern technisch nicht möglich, mittels herkömmlicher Keramik- und Materialverarbeitungstechniken lange Leiterabschnitte herzustellen, deren J_c-Werte mit denen von epitaxialen Filmen vergleichbar waren. Das liegt vor allem an dem Effekt der "schwachen Bindungen".
Es wurde nachgewiesen, dass bei ReBCO eine biaxiale Textur notwendig ist, um kritische Stromdichten mit hoher Transportleistung zu erhalten. Es ist von hohen J_c-Werten bei polykristallinem ReBCO in Dünnfilmen berichtet worden, die auf speziellen Substraten abgeschieden wurden, auf denen zunächst eine biaxial texturierte, nicht-superleitende Oxidpufferschicht mittels ionenstrahlunterstützter Abscheidungstechniken abgeschieden wurde. Die ionenstrahlunterstützte Abscheidung ist ein langsamer, teurer Prozess, der sich nur schwer auf die Größenordnung zur Herstellung von Abschnitten skalieren lässt, die für viele Anwendungen hinreichend sind.
Von hohen J_c-Werten wurde auch bei schmelzverarbeitetem polykristallinem ReBCO-Grundmaterial berichtet, das überwiegend Korngrenzen mit kleinem Winkel enthält. Die Schmelzverarbeitung wird für die Herstellung praktikabler Längenabschnitte auch als zu langsam angesehen.
Dünnfilmmaterialien mit Perovskit-artigen Strukturen sind für Superleitfähigkeit, ferroelektrische Materialien und elektrooptische Materialien von Bedeutung. Viele Anwendungen, in denen diese Materialien verwendet werden, erfordern – oder würden spürbar verbessert werden durch – einzelkristalline, c-Achsen-orientierte Perovskit-artige Filme, die auf einzelkristallinen oder hochgradig ausgerichteten Metall- oder metallbeschichteten Substraten aufgewachsen werden.
Beispielsweise ist Y-Ba₂-Cu₃-O_x (YBCO) ein wichtiges superleitendes Material für die Entwicklung von superleitenden Stromleitungen, Übertragungsleitungen, Motor- und Magnetwicklungen und weitere elektrische Leiteranwendungen. Wenn sie auf unterhalb ihrer Übergangstemperatur abgekühlt werden, so haben superleitende Materialien keinen elektrischen Widerstand und transportieren elektrischen Strom, ohne sich zu erwärmen. Eine Technik zur Herstellung eines superleitenden Drahtes oder Bandes besteht darin, einen YBCO-Film auf einem metallischen Substrat abzuscheiden. Superleitendes YBCO ist auf polykristallinen Metallen abgeschieden worden, bei denen das YBCO c-Achsen-orientiert, aber nicht in der Ebene ausgerichtet ist. Um hohe elektrische Ströme zu transportieren und superleitend zu bleiben, müssen die YBCO-Filme jedoch biaxial texturiert, vorzugsweise c-Achsen-orientiert, und praktisch ohne großwinklige Korngrenzen sein, da derartige Korngrenzen der Stromtransportfähigkeit des Materials abträglich sind. YBCO-Filme, die auf polykristallinen Metallsubstraten abgeschieden sind, erfüllen dieses Kriterium im Allgemeinen nicht.
Die Begriffe "Prozess", "Verfahren" und "Technik" werden im vorliegenden Text austauschbar verwendet. Weitere Informationen sind in folgenden Veröffentlichungen zu finden:

1. K. Sato et al., "High-J_c Silver-Sheathed Bi-Based Superconducting Wires", IEEE Transactions on Magnetics, 27 (1991) 1231.
2. K. Heine et al., "High-Field Critical Current Densities in Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_8+x/Ag Wires", Applied Physics Letters, 55 (1991) 2441.
3. R. Flukiger et al., "High Critical Current Densities in Bi(2223)/Ag tapes", Superconductor Science & Technology 5, (1992) 561.
4. D. Dimos et al., "Orientation Dependence of Grain-Boundary Critical Currents in Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ Bicrystals", Physical Review Letters, 61 (1988) 219.
5. D. Dimos et al., "Superconducting Transport Properties of Grain Boundaries in Y₁Ba₂Cu₃O₇ Bicrystals", Physical Review B, 41 (1990) 4038.
6. Y. Iijima et al., "Structural and Transport Properties of Biaxially Aligned YBa₂Cu₃O_7-x Films on Polycrystalline Ni-Based Alloy with Ion-Beam Modified Buffer Layers", Journal of Applied Physics, 74 (1993) 1905.
7. R. P. Reade et al. "Laser Deposition of biaxially textured Yttria-Stabilized Zirconia Buffer Layers on Polycrystalline Metallic Alloys for High Critical Current Y-Ba-Cu-O Thin Films", Applied Physics Letters, 61 (1992) 2231.
8. D. Dijkkamp et al., "Preparation of Y-Ba-Cu Oxide Superconducting Thin Films Using Pulsed Laser Evaporation from High Tc Bulk Material," Applied Physics Letters, 51, 619 (1987).
9. S. Mahajan et al., "Effects of Target and Template Layer on the Properties of Highly Crystalline Superconducting a-Axis Films of YBa₂Cu₃O_7-x by DC-Sputtering," Physica C, 213, 445 (1993).
10. A. Inam et al., "A-axis Oriented Epitaxial YBa₂Cu₃O_7-x-PrBa₂CU₃O_7-x Heterostructures," Applied Physics Letters, 57, 2484 (1990).
11. R. E. Russo et al., "Metal Buffer Layers and Y-Ba-Cu-O Thin Films on Pt and Stainless Steel Using Pulsed Laser Deposition," Journal of Applied Physics, 68, 1354 (1990).
12. E. Narumi et al., "Superconducting YBa₂Cu₃O_6,8 Films on Metallic Substrates Using In Situ Laser Deposition," Applied Physics Letters, 56, 2684 (1990).
13. R. P. Reade et al., "Laser Deposition of Biaxially Textured Yttria-Stabilized Zirconia Buffer Layers on Polycrystalline Metallic Alloys for High Critical Current Y-Ba-Cu-O Thin Films," Applied Physics Letters, 61, 2231 (1992).
14. J. D. Budai et al., "In-Plane Epitaxial Alignment of YBa₂Cu₃O_7-x Films Grown on Silver Crystals and Buffer Layers," Applied Physics Letters, 62, 1836 (1993).
15. T. J. Doi et al., "A New Type of Superconducting Wire; Biaxially Oriented Tl₁(Ba_0,8Sr_0,2)₂Ca₂Cu₃O₉ on {100}<100> Textured Silver Tape," Proceedings of 7^th International Symposium on Superconductivity, Fukuoka, Japan, 8.-11. November 1994.
16. D. Forbes, Executive Editor, "Hitachi Reports 1-meter Tl-1223 Tape Made by Spray Pyrolysis", Superconductor Week, Band 9, Nr. 8, 6. März 1995.
17. Recrystallization, Grain Growth and Textures, Aufsätze für ein Seminar der American Society for Metals, 16. und 17. Oktober 1965, American Society for Metals, Metals Park, Ohio.

Doi et al., "A New Type of Superconducting Wire; Biaxially Oriented Tl₁(Ba_0,8Sr_0,2)₂Ca₂Cu₃O₉ on {100}<100> Textured Silver Tape," Proceedings of the 7^th International Symposium on Superconductivity, Fukuoka, Japan, 8.-11. November 1994, offenbart superleitende Artikel, die ausschließlich auf Ag-Substraten mit verschiedenen Graden an Oberflächenstrukturierung basieren. Der Superleiter ist direkt auf dem Ag-Substrat angeordnet.
US-A-3,770,497 (Hassler et al.) offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines zweischichtigen Kontaktstücks für Hochvakuum-Leistungsschalter. Ein Hilfsmetall und ein Diffusionsmetall werden durch Diffusion in eine Oberfläche eines metallischen Ausgangskörpers mit hoher elektrischer Leitfähigkeit legiert. Das Volumen des Hilfsmetalls lässt eine vorgegebene Diffusionstiefe in dem Ausgangskörper unter vorgegebenen Diffusionsbedingungen entstehen.
CA-A-697916 (Durst et al.) offenbart ein Verbund-Ausgangsmaterial, das aus einer mehrschichtigen Zusammenstellung legierender Bestandteile hergestellt ist, die im festen Zustand einer solchen Temperatur ausge setzt werden können, dass eine Legierung aus den Bestandteilen entsteht, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Materials sowie ein Verfahren zur Bereitstellung einer legierten Struktur.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Legierungs- und Laminatstrukturen mit biaxialer Textur bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Gegenstand mit biaxialer Textur bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben dargelegte Aufgabe mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines biaxial texturierten Gegenstandes erreicht, das folgende Schritte umfasst:

a) Walzen und Glühen eines Metallvorformlings zu einem polykristallinen, biaxial texturierten Substrat mit einer Oberfläche;
b) Ausbilden wenigstens einer biaxial texturierten epitaxialen Pufferschicht aus einem anderen Material auf der Oberfläche, und
c) Ausbilden einer biaxial texturierten elektromagnetisch oder elektrooptisch aktiven epitaxialen Schicht auf der Pufferschicht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben dargelegte Aufgabe mittels eines biaxial texturierten Gegenstandes erreicht, der Folgendes umfasst

a) ein gewalztes und geglühtes polykristallines, biaxial texturiertes Metallsubstrat mit einer Oberfläche; gekennzeichnet durch:
b) wenigstens eine biaxial texturierte epitaxiale Pufferschicht aus einem anderen Material auf der Oberfläche, und
c) eine biaxial texturierte elektromagnetisch oder elektrooptisch aktive epitaxiale Schicht auf der Pufferschicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen ist Folgendes zu sehen:
1 ist eine Kurvendarstellung optimierter magnetischer Unumkehrbarkeitslinien verschiedener Hochtemperatur-Superleiter.
2 ist eine perspektivische schematische Ansicht eines biaxial texturierten Substrats mit verschiedenen darauf abgeschiedenen epitaxialen Schichten gemäß der Erfindung.
3 ist eine Ag(111)-Röntgenpolfigur eines gewalzten und geglühten Bandes.
4 zeigt erwartete Intensitäten für eine (412)<548>-Oberflächenstruktur auf einer Ag(111)-Polfigur.
5 ist eine Cu(111)-Röntgenpolfigur der Oberflächenstruktur einer gewalzten und geglühten Cu-Bahn.
6 ist eine Ag(111)-Röntgenpolfigur der Oberflächenstruktur einer gewalzten und geglühten Cu-Bahn mit einer aufgebrachten Ag-Schicht.
7 ist eine Ag(111)-Röntgenpolfigur der Oberflächenstruktur einer gewalzten und geglühten Cu-Bahn mit einer Ag-Schicht nach dem Glühen.
8 ist eine Kurvendarstellung einer Röntgen-Φ-Abtastung durch Ni(202), die eine Ebenenausrichtung des Ni-Substrats in einer Probe aus Ag/Pd/gewalztem Ni anzeigt.
9 ist eine Kurvendarstellung einer Röntgen-Φ-Abtastung durch Pd(202), die eine Ebenenausrichtung der Pd-Schicht in einer Probe aus Ag/Pd/gewalztem Ni anzeigt.
10 ist eine Kurvendarstellung einer Röntgen-Φ-Abtastung durch Ag(202), die eine Ebenenausrichtung der Ag-Schicht in einer Probe aus Ag/Pd/gewalztem Ni anzeigt.
11 ist eine Kurvendarstellung einer Röntgen-Φ-Abtastung durch YBCO(226)-Reflexion, die eine Ebenenausrichtung des YBCO-Superleiter in einer Probe aus YBCO/CeO₂/Ag/Pd/Ni anzeigt.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie anderer und weiterer Aufgaben, Vorteile und Fähigkeiten der Erfindung wird auf die folgende Offenbarung und die angehängten Ansprüche in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen verwiesen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein biaxial texturiertes Substrat oder Überzugsmaterial wird mittels industriell skalierbarer Walztechniken hergestellt. Das Substrat kann dann mittels einer Vielzahl verschiedener Techniken so beschichten oder reagiert werden, dass chemisch kompatible, texturierte Sperrschichten und/oder -legierungen entstehen. Eine epitaxiale Schicht aus einem weiteren Material wird dann auf das texturierte Substrat (bzw. auf eine Sperrschicht) mittels einer Vielzahl verschiedener Techniken aufgewachsen werden. Die Textur von dem Substrat (oder der Sperrschicht) wird dann in die epitaxiale Schicht induziert. Dadurch ist es möglich, einen biaxial ausgerichteten Superleiter mit hoher kritischer Stromdichte abzuscheiden
Ag ist im Allgemeinen mit Cuprat-Superleitern chemisch kompatibel. Versuche, einen scharfen, biaxial texturierten Ag-Streifen durch Walzen und Glühen herzustellen, haben sich als schwierig erwiesen. Daher sind Gegenstände, die auf die im vorliegenden Text beschriebene Art und Weise hergestellt werden, im Hinblick auf eine Superleitfähigkeit von besonderer Bedeutung und Einmaligkeit.
Derartige Gegenstände sind auch aus dem Blickwinkel anderer physikalischer Eigenschaften, beispielsweise mechanischer Eigenschaften, von Bedeutung. Es wird davon ausgegangen, dass diese Gegenstände und Verfahren eine Anwendbarkeit weit über den Aspekt der Superleitfähigkeit hinaus haben. Sie können beispielsweise zur Herstellung fester, widerstandsfähiger Materialien für mechanische, magnetische und ferroelektrische Anwendungen verwendet werden. Es ist eine bekannte Tatsache, dass energiearme Grenzen – Koinzidenzstellengitter (KSG) mit kleinem Winkel und kleinem Sigma-Wert – überlegene physikalische Eigenschaften besitzen, einschließlich erhöhter mechanischer Belastbarkeit. Es wird also im vorliegenden Text ein Substrat mit höherer Festigkeit beschrieben, weil in diesen biaxial texturierten Substraten ein hoher Anteil an Korngrenzen kleine, nicht aufeinander ausgerichtete Winkel aufweist. (Die erwartete Verteilung der Korngrenzen-Fehlausrichtung kann anhand der makroskopischen Oberflächenstrukturbestimmung geschätzt werden.) Ähnliche Vorteile werden auch für andere physikalische Eigen schaften, beispielsweise magnetische, ferroelektrische Eigenschaften, erwartet.
Wenden wir uns 2 zu, wo auf einem biaxial texturierten Substrat 1 eine epitaxiale Pufferschicht 2 abgeschieden ist, auf der ein zweite epitaxiale Schicht 3 abgeschieden ist, bei der es sich um ein elektromagnetisches oder elektrooptisches Bauelement handelt, die vorzugsweise ein superleitendes Material enthält.
Walzprozesse
Während des Walzprozesses bewirkt ein plastisches Fließen eine Umorientierung des Einzelkorngitters eines polykristallinen Materials, und es wird allgemein eine Oberflächenstruktur oder bevorzugte Orientierung des Gitters in den Körnern ausgebildet. Die Umorientierung schreitet allmählich voran. Die Orientierungsänderung vollzieht sich in dem Maße, wie das plastische Fließen sich fortsetzt, bis eine Oberflächenstruktur erreicht ist, die gegen ein sich unendlich fortsetzende; Fließen einer bestimmten Art stabil ist. Die Eigenart der stabilen Verformungsoberflächenstruktur und der Art und Weise, in der sie allmählich erreicht wird, ist für das Material und für die Eigenart des Fließens während des Verformungsprozesses charakteristisch (d. h. die Größenordnung der drei Hauptverformungen an allen Punkten innerhalb des Werkstücks und an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten während des Prozesses). Die Oberflächenstrukturentwicklung wird stark durch die Temperatur beeinflusst, besonders wenn die Verformungstemperatur so hoch ist, dass eine Rekristallisation stattfinden kann. Zu weiteren Temperaturauswirkungen gehört eine Veränderung der Stapelfehlerenergie und damit der operativen Verformungsmechanismen. Im Allgemeinen können sich plastische Verformungen nahe der Oberfläche eines gewalzten Werkstücks von denen im Inneren unterscheiden und können Oberflächenstrukturen hervorbringen, deren Tiefen unter der Oberfläche vari ieren. Darum werden weiter unten bestimmte Walzverfahren beschrieben, um hinreichend gleichmäßige Texturen durch die gesamte Dicke des Werkstücks hindurch zu gewährleisten.
Zwar kann ein Vorwärtswalzen allein zu einer homogenen Oberflächenstruktur durch die gesamte Dicke der Bahn hindurch führen, doch wir haben festgestellt, dass ein Rückwärtswalzen (wobei die Walzrichtung nach jedem Durchgang umgekehrt wird) bei den meisten Materialien weit bessere Ergebnisse erbringt. Bei dem, was im Folgenden beschrieben ist, wird ein Rückwärtswalzen anstelle eines Vorwärtswalzens bevorzugt. Die Walzgeschwindigkeit und die Dickenabnahme je Durchgang sind ebenfalls wichtige Parameter. Zwar mag die Walzgeschwindigkeit für die Texturentwicklung von Bedeutung sein, doch ihre Auswirkung ist nicht dominierend. Höhere Walzgeschwindigkeiten sind im Allgemeinen aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswert. Die Dickenabnahme je Durchgang während des Walzens ist ebenfalls für die Texturentwicklung wichtig. Im Allgemeinen sind weniger als 30 % Dickenabnahme je Durchgang wünschenswert, auch wenn in einigen Fällen eine größere Dickenabnahme je Durchgang erforderlich sein kann. Die während des Walzens verwendete Schmierung ist ebenfalls eine wichtige Variable. Je nach der gewünschten Textur wird entweder kein Schmiermittel oder etwas Schmiermittel wie leichtes Mineralöl, schweres Mineralöl, Kerosin usw. verwendet, um eine homogene Texturentwicklung zu gewährleisten. Die Korngröße des Ausgangsmaterials, vorherige Wärmebehandlungen und der Verformungsverlauf sind ebenfalls wichtig für die Bestimmung der Texturentwicklung. Im Allgemeinen ist vor dem Walzen eine feine Korngröße erwünscht, und die anfänglichen Wärmebehandlungen und Verformungen sind darauf ausgelegt, eine zufällige Textur in den Ausgangsmaterialen entstehen zu lassen. Für allgemeine Informationen über Walzen und dadurch erhaltene Texturen wird der Leser an den Aufzählungspunkt 17 oben verwiesen.
Glühprozesse
Die Entwicklung einer Glüh-Textur beinhaltet verschiedene grundsätzliche Mechanismen. Eine Glüh-Textur kann sich aus einer Wiederherstellung ohne Rekristallisation (wobei man in diesem Fall eine Duplizierung der vorliegenden Textur vor dem Glühen erwarten würde), aus einer primären Rekristallisation oder aus einem Kornwachstum nach der Rekristallisation entwickeln. Die Korngrößeverteilung kann während des gesamten Prozesses normal bleiben, oder einige wenige Körner können sehr groß werden, während der Rest in etwa unverändert bleibt, bis er von den großen absorbiert wird. Die letztgenannte Art von Kornwachstum, die man als "sekundäre Rekristallisation" oder "diskontinuierlich" bezeichnet, wird im Allgemeinen als unnormal betrachtet.
Erhalten der gewünschten Textur
Die kritische Stromdichte durch eine Korngrenze hindurch kann bekanntlich bei Fehlausrichtungswinkeln von größer als 5°-10° deutlich verringert werden. Es ist somit wünschenswert, superleitende Abscheidungen herzustellen, in denen die Anzahl der Korngrenzen mit nicht aufeinander ausgerichteten Winkeln von größer als 5°-10° minimiert ist. Bei Leitern, in denen die superleitende Abscheidung epitaxial – mit einer darunterliegenden Metall- oder Oxidpufferschicht oder einem solchen Substrat – ist, ist es wünschenswert, die Anzahl der Korngrenzen mit Fehlausrichtungen von größer als 5°-10° zu minimieren. Dies wird erreicht, wenn die Textur des Substrats so scharf ist, dass die Kornorientierungen um nicht mehr als 5°-10° variieren. Brauchbare superleitende Schichten kann man unter Verwendung von Substraten mit einer größeren Verteilung der Kornorientierung erhalten, aber je besser die Textur des Substrats ist, desto besser sind erwartungsgemäß die Eigenschaften der Superleiter-Abscheidung.
In einer Würfeltextur verläuft die Würfelebene parallel zur Ebene der Bahn, und eine Würfelkante verläuft parallel zur Walzrichtung, d. h. (100)[001]. Diese Textur ähnelt einem Einzelkristall mit Unterkörnern, kann aber eine untergeordnete Menge an Material in Doppelbeziehung zur Hauptorientierung enthalten. Eine vollständig entwickelte Würfeltextur, wie sie im vorliegenden Text beschrieben ist, wurde mit biaxialer Ausrichtung mit Röntgenbeugungsspitzenbreite von 2° voller Breite bei halbem Maximum entwickelt.
Eine Messingtextur ist (110)<112>. Es hat nicht den Anschein, als sei eine Messingtextur erhältlich, die so scharf ist wie die Würfeltextur.
Ausbilden eines texturierten Ag-Gegenstandes durch Walzen
Unter präzise gesteuerten Walzprozessbedingungen ist eine stabile biaxiale Textur bei Ag erhältlich. Bei Raumtemperatur sind die Stapelfehlerenergien selbst bei hoch-reinem Ag derart, dass unter den meisten Walz- und Glühbedingungen keine Würfelkomponente der Textur entsteht. Gewalztes Ag entwickelt bei Raumtemperatur im Allgemeinen die (110)<112>-Textur mit zwei Doppelbeziehungskomponenten. Beim Glühen ändert sich diese Textur im Allgemeinen zu nahe (113)<211>, das man wahrscheinlich treffender als (225)<734> bezeichnet. Jedoch wird bei langen Glühzeiten bei Temperaturen von über 450°C die primäre Rekristallisationstextur von Ag durch sekundäre Körner mit den Orientierungen der Verformungstextur ersetzt. Weder die Textur nach dem Walzen noch die primäre Rekristallisationstextur sind scharf. Oft entstehen gemischte Texturenkomponenten, und dies führt zu einer signifikanten Anzahl von großwinkligen Grenzen in dem Material. Beim Glühen bei hohen Temperaturen migrieren diese großwinkligen Grenzen rasch, und die Textur ändert sich.
a. Ausbilden einer scharfen Würfeltextur bei Ag
Da die Entwicklung einer Textur im Wesentlichen eine Wechselwirkung zwischen Verformungszwillingsbildung und Quergleitung ist, ist die Stapelfehlerenergie sehr wichtig. Es ist hinreichend bekannt, dass die Stapelfehlerenergie mit steigender Temperatur zunimmt. Es lässt sich zeigen, dass bei Temperaturen über 150°C die Stapelfehlerenergie von Ag nahezu die gleiche ist wie die von Cu bei Raumtemperatur. Darum wird beim Walzen von Ag bei Temperaturen von 150-500°C die Entwicklung einer Würfeltextur im Allgemeinen erwartet. Bei über 300°C ist es überaus wahrscheinlich, dass nur die Würfelkomponente übrig bleibt.
Im Folgenden sind die allgemeinen Bedingungen aufgeführt, um Ag so zu walzen, dass eine biaxiale Würfeltextur:
Walztemperatur: 50°C-500°C, bevorzugt 100°C-400°C, besonders bevorzugt 180°C-250°C.
Glühtemperatur: 100°C-960°C, bevorzugt 100°C-600°C, besonders bevorzugt 200°C-400°C.
Die Reinheit von Ag beträgt vorzugsweise mindestens 99,99 %. Mit abnehmender Ag-Reinheit nimmt die Verformungstemperatur zu. Wenn Ag eine Reinheit von 99,0 % hat, so kann die erforderliche Verformungstemperatur über 200°C betragen.
Beispiel I
Ein Substrat aus Ag wird unter den folgenden Bedingungen gewalzt, so dass darauf eine scharfe Würfeltextur entsteht:
Walztemperatur: 220°C
Walzgeschwindigkeit: 0,457 m/min (15 ft/min)
Dickenabnahme je Durchgang: 10 %
Walzrichtung: Rückwärtswalzen
Schmierung: Kerosin
Glühtemperatur: 300°C
Ag-Reinheit: mindestens 99,99 %
b. Ausbilden einer scharfen Messingtextur bei Ag
Abnehmende Temperaturen führen zu einer Abnahme der Stapelfehlerenergie. Dies begünstigt die Messingkomponente der Textur. Um eine scharfe Textur zu erhalten, muss man eine einzelne Texturkomponente isolieren. Ein Verringern der Verformungstemperatur vergrößert die Menge des Messingkomponentenanteils. Die Walztemperatur sollte nicht über 20°C liegen, und die Glühtemperatur sollte mindestens 100°C betragen. Je reiner das Ag, desto geringer ist die erforderliche Verformungstemperatur.
Beispiel II
Ein Ag-Streifen wurde unter den folgenden Bedingungen gewalzt, so dass darauf eine scharfe Messingtextur entstand:
Walztemperatur: 160°C
Walzgeschwindigkeit: 0,457 m/min (15 ft/min)
Dickenabnahme je Durchgang: 10 %
Walzrichtung: Rückwärtswalzen
Schmierung: leichtes Mineralöl
Glühtemperatur: 300°C
Ag-Reinheit: mindestens 99,99 %
c) Ausbilden einer (412)<548>-Textur bei Ag
Das Walzen von Silber bei Raumtemperatur verleiht der gewalzten Bahn eine biaxiale (412)<548>-Textur. Die Glühtemperatur sollte 100°C-900°C, vorzugsweise 100°C- 400°C, besonders bevorzugt 200°C-300°C betragen.
Beispiel III
Ein Ag-Streifen wurde unter den folgenden Bedingungen gewalzt, so dass darauf eine (412)<548>-Textur entstand:
Walztemperatur: Raumtemperatur
Walzgeschwindigkeit: 0,457 m/min (15 ft/min)
Dickenabnahme je Durchgang: 10 %
Walzrichtung: Rückwärtswalzen
Schmierung: ohne
Glühtemperatur: 300°C
Ag-Reinheit: mindestens 99,99 %
3 zeigt eine Ag(111)-Röntgenpolfigur eines gewalzten und geglühten Bandes. 4 zeigt erwartete Intensitäten für eine (412)<548>-Textur auf einer Ag(111)-Polfigur.
Ausbilden einer Würfeltextur in kubischen Metallen
Eine gut entwickelte Würfeltextur bei Metallen wie beispielsweise Cu, Ni und Fe kann durch Schwerwalzprozess-Dickenabnahmen (mindestens 80 %) vor dem abschließenden Glühen erreicht werden. Bei Al ist eine geringe Dickenabnahme vor dem abschließenden Glühen erforderlich, um die Würfeltextur auszubilden. Bei Ag und bei Ag-, Cu-, Ni-, Al- und Fe-Legierungen lassen sich Komponenten einer Würfeltextur durch Walzen bei höheren Temperaturen (oberhalb 100°C) erreichen. Die allgemeinen Bedingungen für diesen Prozess richten sich nach der Stapelfehlerenergie des Metalls. Je höher die Reinheit des Metalls, desto geringer die erforderliche Verformungstemperatur. Gesamtverformung vor dem Glühen sollte mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 % betragen. Die Glühtemperatur sollte mindestens 100°C betragen.
Beispiel IV
Mit hoch-reinen Cu-Stäben als Ausgangsmaterial wurde mittels des oben beschriebenen Walzprozesses eine scharfe Würfeltextur hergestellt.
Walztemperatur: Raumtemperatur
Walzgeschwindigkeit: 0,457 m/min (15 ft/min)
Dickenabnahme je Durchgang: 10 %
Walzrichtung: Rückwärtswalzen
Schmierung: leichtes Mineralöl
Glühtemperatur: 300°C
Ag-Reinheit: mindestens 99,99 %
5 zeigt eine Polfigur mit der stabilen Ebenen- als auch Außerebenen-Textur in der gewalzten und geglühten Cu-Bahn.
Ausbilden eines texturierten Legierungsgegenstandes
Es ist im Allgemeinen schwierig, eine scharfe Würfeltextur in Legierungen zu erhalten. Hoch-reine Metalle wie Cu, Al, Ni, Fe usw. können so gewalzt werden, dass sehr scharfe Würfeltexturen entstehen, wie oben beschrieben. Geringe Mengen von Verunreinigungselementen können die Würfeltextur stark unterdrücken. Beispielsweise verhindern 5 % Zn, 1 % Sn, 4 % Al, 0,5 % Be, 0,5 % Cd, 0, 0025 % P, 0,3 % Sb, 1,5 % Mg, 4,2 % Ni, 0,18 % Cd und 0,047 % As in Cu das Ausbilden der Würfeltextur. Texturierte Legierungen lassen sich jedoch durch Walzen des reinen Metalls und Erhalten der gewünschten Texturen ausbilden, gefolgt durch Diffusion der gewünschten Legierungselemente, so dass die gewünschte Legierung entsteht.
Ag kann auf die texturierte Cu-Bahn aufbeschichtet werden, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen, wodurch das Ag in das Cu diffundiert. Der Prozess kann fortgesetzt werden, bis man am Ende praktisch ein Ag-reiches Substrat mit etwas Cu darin hat. Die Diffusion von Ag in das Cu verändert nicht die Massenwürfeltextur der Bahn. Man kann variierende Mengen von Ag in das Cu hineindiffundieren. Alternativ kann man das Cu mit Ag sättigen. Eine anschließende Abscheidung von Ag führt nicht zu einer Deckschicht, die vorwiegend aus Ag besteht. Auf diese Weise lässt sich Ag herstellen.
Beispiel V
Eine dicke Schicht Ag (100 μm) wurde mittels einer üblichen Galvanisierungstechnik auf ein Cu-Substrat mit Würfeltextur, das gemäß dem im vorliegenden Text beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, aufgalvanisiert. Die Verbundstruktur wurde dann bei 800°C im Vakuum geglüht. Die entstandene Material war eine Ag-Cu-Legierung, wobei das gesamte galvanisierte Ag in das Cu diffundiert war. Sowohl der Gitterparameter als auch die Farbe des Kupferstreifens änderte sich beim Glühen. Die scharfe Würfeltextur des ursprünglichen Cu-Streifens wurde allerdings beibehalten.
Das vorliegende Verfahren kann auf viele Legierungen ausgedehnt werden, beispielsweise Legierungen, die gemeinhin als Nichrom (eine Ni-Cr Legierung) und Inconel (eine Cu-Ni-Legierung) bekannt sind. Mit biaxial texturiertem Ni kann man Cr diffundieren und biaxial texturiertes Nichrom herstellen. Oxidationsresistente Schichten auf der Oberfläche des biaxial texturierten Ni werden durch Diffundieren entsprechender Mengen Cr, Mo, Al und Fe ausgebildet.
Beispiel VI
Ein Schicht aus Cr wurde auf ein Ni-Substrat mit Würfeltextur galvanisiert, das gemäß dem im vorliegenden Text beschriebenen Verfahren mittels einer üblichen kommerziellen Galvanisierungstechnik hergestellt wurde. Anschließendes Glühen bei 400°C im Vakuum führte zur Diffusion des Cr in den Ni-Streifen. Dies führte zu einem Material mit einer Cr-reichen Außenseite, während die gewünschte Würfeltextur beibehalten blieb.
Es kann auch ein Abstimmen der Gitterparameter von orientierten Substraten, die durch Walzen hergestellt wurden, erfolgen. Beispielsweise führt das Abscheiden einer dünnen Schicht aus Pd oder Pt usw. und ein anschließendes Diffundieren dieser Schicht in das texturierte Ni zu einer örtlichen Änderung der Gitterparameter, was für das Erreichen einer besseren Epitaxie der Sperrschicht oder der Bauelement-Schicht wichtig sein kann.
Das vorliegende Verfahren kann auch auf Al- und Fe-Legierungen ausgedehnt werden, um chemisch kompatible Substrate mit Würfeltextur zu erhalten.
Beispiel VII
Al wird gemäß dem im vorliegenden Text beschriebenen Verfahren gewalzt, wobei geringe abschließende Dickenabnahmen vor dem Glühen eingesetzt werden, so dass eine scharfe Würfeltextur entsteht. Ni wird mittels eines herkömmlichen Galvanisierungsverfahren auf der Oberfläche abgeschieden. Die Verbundstruktur wird dann bei Temperaturen von über 100°C im Vakuum erwärmt. Die entstandene Struktur ist eine texturierte Ni-Al-Legierung.
Ausbilden eines Metallsubstrats mit Messingtextur durch Walzen
Das Ausbilden einer Messingtextur in dem Substrat bei Cu-, Ni-, Fe-, Al- und Ag-Legierungen kann mittels Kaltwalzen durch schwere Dickenabnahmen (mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %) bei Raumtemperatur erfolgen, gefolgt durch Rekristallisationsglühen. In einigen Fällen können niedrige Verformungstemperaturen von –230°C erforderlich sein, um eine scharfe Textur auszubilden. Die Glühtemperatur sollte im Allgemeinen mindestens 100°C betragen.
Einige der Legierungen haben eine ausgezeichnete Oxidationsresistenz, und wenn dies der Fall ist, können stark texturierte Substrate direkt als Schablonen (Template) für eine Superleiterphase benutzt werden. In anderen Fällen kann eine chemisch und strukturell kompatible Sperrschicht verwendet werden, die epitaxial auf das texturierte Substrat (beispielsweise ein natives Oxid) aufgewachsen werden kann.
Beispiel VIII
Eine Messingtextur bei 70 % Cu-30 % Zn erhält man durch Walzen bei Raumtemperatur unter folgenden Bedingungen:
Walzgeschwindigkeit: 0,457 m/min (15 ft/min)
Dickenabnahme je Durchgang: 10 %; Dickenabnahme gesamt: 90 %
Glühtemperatur: 400°C.
Ausbilden der Goss-Textur (110)[001]
Diese Textur bei Silizium-Eisen-Stählen kann durch Zyklen aus Kaltwalzen und Glühen hergestellt werden. Die Verarbeitungsvariablen sind von ausschlaggebender Bedeutung, um die maximale Anzahl von Körnern in eine Würfel-auf-Kante-Orientierung (110)[001] zu bringen und die minimale Anzahl von unerwünschten Orientierungen, wie beispielsweise die Hauptkomponente der gewöhnlichen primären Rekristallisationstextur, in die Würfel-auf-Punkt-Orientierung (111)<211> zu bringen. Eine wünschenswerte primäre Rekristallisationstextur ist jene, die aus kleinen Körnern besteht. Dies erreicht man, indem man eine geeignete Verteilung von Zweitphasenmaterialien wie beispielsweise Mangan, Schwefel, Siliciumdioxid oder Vanadiumnitrid als Kornwachstumshemmer hat. Die gewünschte Textur entsteht in diesem Fall durch sekundäre Rekristallisation, wobei die (110)[001]-Körner während des Glühens bei geeigneten Atmosphären und Temperaturen auf eine Größe wachsen, die das 10- bis 100-fache der Bahndicke beträgt.
Ausbilden einer biaxial texturierten Schicht
Verschiedene Schichten, die aus unterschiedlichen Metallen wie beispielsweise Cu, Ni, Al, Fe usw. bestehen, und Keramikwerkstoffe können auf das texturierte Metallsubstrat abgeschieden werden. Die Textur des Substrats kann während des Abscheidens oder während des anschließendes Glühens in die Schicht induziert werden.
Beispiel IX
Eine vollständig mit einer Würfeltextur versehene Cu-Probe wurde gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Probe wurde in einen Verdampfungsapparat im Laborformat in ein Vakuum von etwa 1,333·10^–6 mbar (10^–6 Torr) eingebracht. Dann wurde Ag bei Raumtemperatur auf die Probe aufgedampft, gefolgt von Glühen bei 200°C im Vakuum, so dass eine Ag-Schicht mit Würfeltextur entstand. Die Ergebnisse sind in den 6 und 7 zu sehen.
6 zeigt eine Polfigur einer aufgebrachten Ag-Schicht auf der Cu-Bahn. Es ist festzustellen, dass sie eine sehr scharfe (111) Textur hat. 7 zeigt die Polfigur derselben Bahn nach dem Glühen. Es ist festzustellen, dass sich die kräftige Würfeltextur des Cu auf die Ag-Schicht überträgt. Dieses texturierte Ag kann als eine Sperrschicht verwendet werden, und man kann eine Superleiterphase oder eine andere Bauelement-Schicht darauf aufwachsen. Wenn die Oxidschicht auf dem Cu vor dem Abscheiden von Ag entfernt wird, so hat das aufgebrachten Ag eine Würfeltextur.
Im Fall von texturiertem Ni kann eine dünne Schicht eines weiteren flächenzentrierten kubischen Materials wie beispielsweise Pd, Pt, Cr und/oder Cu erforderlich sein, bevor Ag abgeschieden wird.
Beispiel X
Es wurde ein biaxial texturierter Laminatgegenstand gemäß der Erfindung durch Abscheidung einer Pd-Schicht auf einem texturierten Ni-Substrat, gefolgt durch Abscheidung einer Ag-Schicht auf der Pd-Schicht, hergestellt. Für den Abscheidungsprozess wurde Sputtern mittels eines Zweiquellen-Gleichstrommagnetrons verwendet, und die Abscheidungsbedingungen waren wie folgt:
Metallsputterziele: Pd und Ag
Sputtergas: Ar
Sputtergasdruck: 6-10 × 10^–3 mbar
Substrattemperaturen: 500°C für Pd-Abscheidung, 300°C für Ag-Abscheidung
Abscheidungsraten: 30 nm/min für Pd-Abscheidung, 300 nm/min für Ag-Abscheidung
Schichtdicken: 200 nm für Pd, 35 μm für Ag.
Die Ergebnisse sind in den 8-10 gezeigt.
Die 8-10 zeigen (202)-Φ-Abtastungen eines gewalzten, mit Würfeltextur versehenen Ni-Streifens mit einer dünnen Schicht Pd und dann einer Ag-Schicht auf dem Pd. Mann kann deutlich sehen, wie die Textur des Substrats auf die Schicht übergeht.
Eine biaxial texturierte Legierungsbeschichtung kann auch durch Abscheiden von mindestens zwei Filmen ungleicher Metalle auf der Oberfläche des biaxial texturierten Substrats mit anschließendem Glühen des be schichteten Substrats auf eine Temperatur, die für eine Interdiffusion der Schichten ausreicht, hergestellt werden. Wenn die Schichten nach dem Abscheiden nicht epitaxial sind, so erfolgt ein epitaxiales Wachstum während des Glühprozesses.
Beispiel XI
Auf ein biaxial texturiertes Ni-Substrat wurde bei 500°C eine Schicht aus 300 nm dickem Pd durch Sputtern abgeschieden. Eine Schicht aus 1000 nm dickem Ag wird dann bei 300°C durch Sputtern abgeschieden. Diese epitaxiale Ag/Pd/Ni-Laminatstruktur wurde dann bei 700°C im Vakuum geglüht. Der entstandene Gegenstand bestand aus einer biaxial texturierten Ag-Pd-Legierungsbeschichtung auf dem biaxial texturierten Ni.
Ausbilden eines biaxial texturierten Laminatgegenstandes
Ein Laminatgegenstand mit einer biaxial texturierten Keramikschicht wird gemäß der Erfindung durch Aufwachsen einer epitaxialen Schicht, wie beispielsweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), MgO, TiN, ZrO₂, CeO₂, SrTiO₃ oder LaAlO₃, auf die zuvor beschriebenen biaxial texturierten Metallsubstrate hergestellt. Epitaxiale Keramikschichten können mittels einer aus einer Vielzahl von Techniken aufgewachsen werden, einschließlich Impulslaserabscheidung, Sputtern, Aufdampfen, chemische Dampfabscheidung, Solgel, Sprühpyrolyse, Aufschleudern und Elektroabscheidung. Eine ferroelektrische, elektrooptische, superleitende oder andere elektromagnetische Schicht kann dann epitaxial auf diese biaxial texturierte Keramikschicht unter Verwendung einer der oben genannten Filmwachstumstechniken aufgewachsen werden. Der fertige Laminatgegenstand besteht aus einem biaxial texturierten ferroelektrischen, elektrooptischen oder superleitenden Film auf einer Keramikschicht auf einem Metallsubstrat. Die Walzprozesse zur Herstellung des zuvor beschriebenen texturierten Metallsubstrats ermöglichen die Herstellung langer ferroelektrischer, elektrooptischer, superleitender oder anderer elektromagnetischer biaxial texturierter Laminatgegenstände. wenn die endgültige abgeschiedene Schicht ein Superleiter ist, so ist der entstandene Gegenstand ein superleitendes Band mit nur wenigen oder gar keinen Korngrenzen mit schwacher Verbindung und großem Winkel. Die Fähigkeit, diesen Gegenstand herzustellen, ist ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung von superleitenden Starkstromleitern zur Verwendung bei Temperaturen von über 77 K in starken Magnetfeldern.
Beispiel XII
Ein biaxial texturiertes Laminat, das gemäß Beispiel X hergestellt wurde, wurde in eine Impulslaserabscheidungskammer eingebracht. Nach der Sputterreinigung der Ag-Oberfläche mit einer Ar-Ionenkanone wurde der Laminatgegenstand auf 750°C erwärmt. Eine 500 nm dicke CeO₂-Schicht wurde dann mittels Impulslaserabscheidung mit einem Sauerstoffhintergrunddruck von 5,33·10^–4 mbar (4·10^–4 Torr) abgeschieden. Ein 1000 nm dicker YBCO-Film wurde dann bei 750°C unter einem Sauerstoffdruck von 0,267 mbar (200 mTorr) abgeschieden. Das entstandene Laminat, eine biaxial texturierte YBCO/CeO₂/Ag/Pd/Ni-Mehrschichtstruktur, wurde bei 1 atm Sauerstoff gekühlt. Die Ergebnisse sind in 11 gezeigt.
11 zeigt die Röntgen-Φ-Abtastung der 226-Reflexion der YBCO-Schicht, die anzeigt, dass das YBCO c-Achsen-orientiert und biaxial texturiert war.
Ausbilden von c-Achsen-orientierten, biaxial texturierten Perovskit-artigen Filmen auf biaxial texturiertem
Es wurde ein aus zwei Schritten bestehender Filmwachs tumsprozess, der eine nicht-superleitende ReBCO-Pufferschablonenschicht beinhaltet, entwickelt, der das Wachstum von c-Achsen-orientierten, biaxial texturierten Perovskit-artigen Filmen auf einzelkristallinem oder biaxial texturiertem Ag ermöglicht. Die Substratoberfläche sollte (110) oder (100) biaxial texturiertes Ag sein. Das Substrat wird auf 600°C-700°C, vorzugsweise 625°C-675°C, erwärmt. Dann wird mittels Impulslaserabscheidung eine ReBCO-Schicht bei einem Sauerstoffdruck von 0,07-0,40 mbar (50-300 mTorr), vorzugsweise 0,20-0,33 mbar (150-250 mTorr) auf der Ag-Oberfläche abgeschieden. Obgleich dieser Film keine guten superleitenden Eigenschaften hat, verläuft er doch kontinuierlich mit der c-Achse senkrecht zur Substratoberfläche und ist in der Ebene relativ zu den Kristallachsen des Ag ausgerichtet. Diese ReBCO-Schicht dient als eine Schablone für das Wachstum von anschließenden epitaxialen Perovskit-artigen Schichten. Es ist zu beachten, dass die Funktion dieser ReBCO-Pufferschablone darin besteht, eine kristallografische Ausrichtung in anschließenden Schichten zu induzieren, und nicht darin, als Superleiter zu fungieren. C-Achsen-orientierte, biaxial texturierte Filme aus ausgewählten Perovskit-artigen Materialien, wie beispielsweise YBCO oder SrTiO₃, können dann auf diese Pufferschablonenschicht bei einer Wachstumstemperatur aufgewachsen werden, welche die gewünschten Eigenschaften des Perovskit-artigen Films optimiert. ReBCO-Filme, die c-Achsen-orientiert, biaxial texturiert und superleitend sind und eine superleitende Übergangstemperatur von 80 K-90 K (–193°C bis –183°C) haben, erhält man auf Ag mittels des oben angesprochenen Verfahrens durch Aufwachsen einer zusätzlichen ReBCO-Schicht auf der nicht-superleitenden ReBCO-Schablonenpufferschicht bei 730°C-800°C und bei 0,07-0,40 mbar (50-300 mTorr) Sauerstoffdruck mittels Impulslaserabscheidung. Im Gegensatz dazu führt das Wachstum von ReBCO direkt auf Ag bei 730°C-800°C zu einem Film mit einer superleitenden Übergangstemperatur von weniger als 80K. Die Wachstumstemperatur, die für das Erhalten der c-Achsen-orientierten ReBCO-Pufferschablonenschicht auf Ag erforderlich ist, ist nicht ohne Weiteres klar, weil ähnliche Wachstumsbedingungen zu a-Achsen-orientiertem ReBCO auf SrTiO₃- und ähnlichen Substraten führt. Die Verwendung der nicht-superleitenden ReBCO-Schablonenpufferschicht zum Herstellen nachfolgender c-Achsen-orientierter, biaxial texturierter Perovskitartiger Schichten auf einer Ag-Oberfläche ist ein Schlüsselelement dieser Ausführungsform der Erfindung.
Die Verwendung der ReBCO-Pufferschablone ermöglicht das Wachstum von c-Achsen-orientierten, biaxial texturierten (epitaxialen) SrTiO₃-Filmen auf biaxial texturiertem Ag oder anderen Metallen mit einem biaxial texturierten Ag-Film. Direktes Wachstum von SrTiO₃ auf Ag ohne die Verwendung der Pufferschablone führt zu (110)- und (111)-orientierten Filmen. SrTiO₃ ist eine ausgezeichnete Pufferschicht für superleitende Hochtemperatur-Materialien.
Die ReBCO-Pufferschablonenschicht stellt ein Mittel zur Herstellung c-Achsen-orientierter, biaxial texturierter Metall/Perovskit-artiger Heterostrukturen auf biaxial texturiertem Ag bereit. Der Perovskit-artige Film wird auf die ReBCO-Schablone mittels einer von verschiedenen Filmwachstumstechniken aufgewachsen, wie beispielsweise Sputtern, Aufdampfen, Sprühpyrolyse, Aufschleudern oder chemischer Dampfabscheidung. Zu weiteren möglichen Verwendungen dieser Erfindung gehört das Wachstum einzelkristalliner, biaxial texturierter (epitaxialer) Perovskit-artiger elektrooptischer oder ferroelektrischer Materialien auf biaxial texturiertem Ag, die für die Entwicklung von epitaxialen Metall/Perovskitform/Metall-Mehrschichtbauelementen von Bedeutung sind.
Beispiel XIII
Eine einzelkristalline (100)-orientierte Ag-Folie, die durch Abscheidung von Ag auf (100) NaCl und Auflösen des NaCl in Wasser hergestellt wurde, wurde auf 650°C in einer Vakuumkammer erwärmt. Eine 300 nm dicke, c-Achsen-orientierte, biaxial texturierte YBCO-Schablonenschicht wurde dann bei 650°C und bei 0,267 mbar (200 mTorr) Sauerstoffdruck abgeschieden. Das Substrat wurde dann auf 780°C erwärmt. Eine zweite, 1000 nm dicke YBCO-Schicht wurde dann auf die YBCO-Schablonenpufferschicht bei 780°C und bei 0,267 mbar (200 mTorr) abgeschieden. Der Laminatgegenstand wurde dann bei 1 atm Sauerstoff abgekühlt. Der entstandene YBCO-Film war überwiegend c-Achsen-orientiert, biaxial texturiert und mit einer superleitenden Übergangstemperatur von ungefähr 85 K (–188°C).
Ausbilden einer biaxial texturierten Superleiterabscheidung
In einigen Fällen werden Sperrschichten aus Keramikwerkstoffen wie beispielsweise YSZ, MgO, TiN, ZrO₂, CeO₂ und SrTiO₃ durch Techniken wie beispielsweise Dampfabscheidung, Solgel, Elektroabscheidung usw. abgeschieden, gefolgt durch Glühen, so dass epitaxiale, biaxial texturierte Schichten auf dem texturierten Substrat (Metall/Legierung) entstehen. Der Superleiter wird dann auf der texturierten Schablone abgeschieden.
Der Superleiter kann mittels einer Vielzahl verschiedener Techniken abgeschieden werden (Dampfabscheidung, Laserablation, Sputtern, Solgel, Tauchbeschichtung, Elektroabscheidung, elektrophoretische Abscheidung, Sprühpyrolyse, Rakeltechniken usw.). Bei einigen der Techniken (d. h. Laserabscheidung usw.) kann die aufgebrachte Superleiterschicht texturiert sein, aber in anderen Fällen ist ein zusätzliches Sauerstoffglühen bei geeigneten Sauerstoffpartialdrücken erforderlich, um die Textur aus dem Substrat in den Superleiter hinein zu induzieren. Das Verfahren findet auch für Vorläuferabscheidungen Anwendung, zu denen ein oder mehrere Kationen aus dem Dampf während der Reaktion hinzugefügt werden müssen, um die superleitende Phase auszubilden. Eine vollständige Demonstration des texturierten Substrats/der texturierten Schichten ist in 11 gezeigt, wo Φ-Abtastungen der 226-Reflexion von YBCO auf CeO₂, auf Ag, auf Pd und auf Ni gezeigt sind.
Obgleich das gezeigt und beschrieben wurde, was derzeit als die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angesehen wird, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass vom Geltungsbereich der Erfindung, der durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abgewichen wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines biaxial texturierten Gegenstandes, das folgende Schritte umfasst: a) Walzen und Glühen eines Metallvorformlings zu einem polykristallinen, biaxial texturierten Substrat (1) mit einer Oberfläche; b) Ausbilden wenigstens einer biaxial texturierten epitaxialen Pufferschicht (2) aus einem anderen Material auf der Oberfläche, und c) Ausbilden einer biaxial texturierten elektromagnetisch oder elektrooptisch aktiven epitaxialen Schicht (3) auf der Pufferschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Metallvorformling um eine Metalllegierung handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektromagnetisch oder elektrooptisch aktive epitaxiale Schicht ein superleitendes Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren in Schritt a) folgende Schritte umfasst: – Abscheiden einer Schicht eines Legierungszusatzes auf die Oberfläche, so dass ein Laminat entsteht; und – Erwärmen des Laminats über einen ausreichenden Zeitraum auf eine ausreichende Temperatur, so dass ein gegenseitiges Diffundieren von Metall, das von der Oberfläche und dem Legierungszusatz stammt, bewirkt wird, während ein homogenes Schmelzen verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens der biaxial texturierten epitaxialen Pufferschicht (2) folgende Schritte umfasst: – Abscheiden einer Pufferschicht; und – Erwärmen der Pufferschicht auf eine Temperatur, wobei das Erwärmen die Entstehung der biaxial texturierten epitaxialen Pufferschicht hervorruft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens der biaxial texturierten elektromagnetisch oder elektrooptisch aktiven epitaxialen Schicht (3) folgende Schritte umfasst: – Abscheiden einer Vorläuferschicht, und – Erwärmen der Vorläuferschicht auf eine Temperatur, wobei das Erwärmen die Entstehung der biaxial texturierten elektromagnetisch oder elektrooptisch aktiven epitaxialen Schicht hervorruft.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Metallvorformling Cu, Ni, Al oder Fe oder Mischungen davon umfasst.
Biaxial texturierter Gegenstand, umfassend: a) ein gewalztes und geglühtes polykristallines, biaxial texturiertes Metallsubstrat (1) mit einer Oberfläche; gekennzeichnet durch: b) wenigstens eine biaxial texturierte epitaxiale Pufferschicht (2) aus einem anderen Material auf der Oberfläche, und c) eine biaxial texturierte elektromagnetisch oder elektrooptisch aktive epitaxiale Schicht (3) auf der Pufferschicht.
Gegenstand nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem Substrat um eine Metalllegierung handelt.
Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche eine andere Zusammensetzung hat als das Substrat.
Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die elektromagnetisch oder elektrooptisch aktive epitaxiale Schicht ein superleitendes Material umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 8, wobei das Metallsubstrat Cu, Ni, Al oder Fe oder Mischungen davon umfasst.