JP2009522733A - 超伝導性の物品における耐エピタキシャル膜、および、関連する物品、デバイス、および、システム - Google Patents

Abstract

超伝導性の物品は、基板、該基板上の耐エピタキシャル膜、該耐エピタキシャル膜上の２軸結晶テキスチャーを持つバッファー膜、および、前記第２のバッファー膜上の超伝導性の層を含んで与えられる。また、電力ケーブル、および、電力変圧器における超伝導性の物品が、与えられる。

Description

本発明は、超伝導体テープおよびデバイスを含む、超伝導性の物品、それらから作られるデバイス、およびシステムに関係する。

超伝導体材料は、長い間、技術共同体によって知られてきており、理解されてきている。液体ヘリウムの使用（４．２Ｋ）を必要とする温度で超伝導特性を示す、低温（低Ｔ_C）超伝導体は、およそ１９１１年から知られてきた。しかしながら、酸化物ベースの高温（高Ｔ_C）超伝導体が発見されたのは、いくぶん最近である。１９８６年のあたりに、液体窒素の温度（７７Ｋ）以上の温度で超伝導特性を持つ、最初の高温超伝導体（HTS）、すなわち、YBa₂Cu₃O_7-x（YBCO）が発見され、それに続いて、過去１５年にわたって Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃ O_10+y（BSCCO）、およびその他を含む追加的な材料が開発されてきた。高Ｔ_C超伝導体の開発は、液体ヘリウムに基づく比較的より高価な極低温インフラストラクチャーよりむしろ、液体窒素でこのような超伝導体を動作させるコストに一部依存して、このような材料を組み込む超伝導素子の可能な、経済的に意義のある開発をもたらして来た。

可能性のある無数の応用のなかで、産業は、発電、送電、配電、および貯蔵を含む電力産業においてこのような材料の使用を開発することを求めてきた。この点に関して、銅ベースの商用電力要素の自然抵抗は、電力の損失において１年に何十億ドルにも達していると推定され、したがって、電力産業は、送電および配電電力ケーブルにおいて、発電機、変圧器、および無効電流阻止器等の電力要素において、高温超伝導体を利用することに大きな有効性を持つ。さらに、電力産業における高温超伝導体の他の利点は、従来技術に対する、電力処理能力の３割から１０割の増加、電力設備の大きさ（すなわち、設置面積）の実質的な減少、環境に対する衝撃の減少、より大きな安全性、および増大した能力を含む。このような高温超伝導体の可能性のある利点が、きわめて競争力がある反面、高温超伝導体の製造、および商業化においては、数々の技術的挑戦が、大規模に存在しつづけている。

高温超伝導体の商業化と関連する挑戦の中で、多くが種々の電力要素の形成に利用することのできる超伝導テープの製造の周りにある。第１世代超伝導性テープは、前述の BSCCO 高温超伝導体の使用を含む。この材料は一般に、分離したフィラメントの形で与えられ、これは代表的には、銀である貴金属のマトリックスの中に埋め込まれている。このような導体は、電力産業において実施されるに必要な延長された長さ（たとえば、キロメートルのオーダー）に形成されるが、材料および製造コストによって、このようなテープは、商業的に利用可能な製品を与えることができない。

したがって、非常に多くの興味は、優秀な商業的実現可能性を持つ、いわゆる第２世代HTS テープで生み出されてきた。これらのテープは、代表的に、一般に機械的支持を与えるフレキシブル基板、該基板の上に横たわる少なくとも１つのバッファ層であって、該バッファ層は任意に複数の膜を含む、および該超伝導性層の上に横たわる、代表的には貴金属より形成される、電気的安定化層を含む層構造に依拠している。しかしながら、今日まで、このような第２世代テープの完全な商業化の前に数多くの工業的および製造上の挑戦が残っている。

商業的に実行可能な第２世代テープを作るにおいてもっとも困難な挑戦のうちのひとつは、２軸テキスチャーされたHTS層の作製であった。良い結晶学的な２軸テキスチャーは、高臨界電流（Ic）性能を得るよう、HTS導体にとっては、臨界的である。所望の２軸テキスチャーを達成するための通常の方法は、単結晶（００１）ＳＴＯ上のYBCOのエピタキシャル成長のような、単結晶基板のような方位つけられた基板上のエピタキシャル成長である。

しかしながら、種々の応用のために、高価でなく、かつ、可撓性のあるHTSテープを作るためには、単結晶酸化物基板は、これを使用することができず、したがって、多結晶金属テープ（通常、厚さ２ｍｍより小さい）が、基板が選択であるときは、用いられてきた。HTS層の鋭い２軸テキスチャー（低モザイク拡散）を得るために、良い２軸テキスチャー膜を有するバッファーは、金属テープ基板上のバッファーとして形成されなければならず、また、そのとき、HTS層は、２軸テキスチャーされたバッファー上に、所望の２軸テキスチャーを得るよう、エピタキシャルに成長することができる。

イイジマら（米国特許第５，６５０，３７８号明細書）は、それにおいては、エネルギーの高い収束されたイオンビームが、成長しているYSZ（イットリア安定化ジルコニア）膜を、成長しているYSZグレインをイオンビーム方向に揃えるために、照射するよう用いられるイオンビームアシスト堆積（IBAD）により、多結晶基板上に堆積される２軸テキスチャーされたYSZバッファー層を開示している。多くの研究者は、この技術において仕事をすることに参加し、このテキスチャーされたYSZ上に成長するYBCO膜は、優秀な超伝導性の特性を示し、かつ、IBAD YSZは、頑強なプロセスであることを示した。しかしながら、２軸テキスチャーされたYSZを形成するメカニズムは、成長の競争をベースとするものと考えられ、したがって、厚い（１０００ｎｍまでの）YSZ膜は、鋭いテキスチャーを得ることが要求された。したがって、IBAD YSZ処理は、商業的な製造のためには、あまりに遅いものであると、考慮されてきた。

ワングら（米国特許第６，１９０，７５２号明細書）は、２軸テキスチャーが、滑らかなアモルファス表面上に、IBADにより、約１０ｎｍのMgO をもって形成され得ることを開示している。したがって、IBAD MgOプロセスは、IBAD YSZプロセスよりずっとより早いことができ、改善された商業的な可能性を提示する。このような薄い厚さでのこの２軸テキスチャーは、IBAD YSZにおけるメカニズムとは異なるメカニズムによるものである。該IBAD MgOの早いテキスチャー化は、IBADの間の核形成段階の間に行われ、IBAD YSZにおけるように、成長競争プロセスではない。ワングらは、早いテキスチャー化を達成するために、岩塩状の材料がアモルファス基板上に堆積されなければならないことを教える。しかしながら、任意の材料のアモルファス基板上に堆積された任意の岩塩状の材料が、２軸テキスチャーを達成することができるものではないことが発見され、かつ、実際、実務においては、アモルファスSi₃N₄表面上のMgOのみが、満足できる２軸テキスチャーを核形成の際に得ることができることが発見された。しかし、Si₃N₄の、HTS膜堆積に要求される高温度、および高酸素環境での不安定さにより、臨界電流（Ic）の性能は、きわめて貧弱であることが、発見された。

アレンドら（米国特許出願公開第２００３／０１４４１５０号明細書）は、アモルファス表面は、２軸テキスチャーされるIBAD MgO に必要なものではなく、かつ、IBAD MgOの良い２軸テキスチャーは、また、ナノ結晶性のY₂O₃ 上でより広い堆積窓を持って得ることができることを教える。アレンドらは、結晶性の酸化物、または窒酸化物表面上のテキスチャーされた岩塩状の酸化物を教える。上記したように、任意の岩塩状の材料が、結晶性の基板上に堆積されて、適切な核形成段階での２軸テキスチャーを得ることができる、というのではなく、実際は、実務においては、結晶性のY₂O₃表面上のMgOのみが、HTS導体のためのバッファー層として満足できる２軸テキスチャーの他の要件を得ることができることが発見された。

HTS導体を開発する努力において、Y₂O₃ またはアモルファスSi₃N₄上のIBAD MgOの他に、利用可能な２軸テキスチャーされた薄膜バッファーについてのより多くの選択があることが、強く望まれる。付加的な材料、および処理のパスウェイについての必要があるのはこれもまた、IBAD MgO 処理は、特に、IBAD YSZ処理に比較し、大変デリケートであり、かつ、制御するのが困難であるからである。たとえば、IBAD MgO 処理は、Y₂O₃ 、その下に横たわるテンプレート表面（核形成シード層、とも言われる）の滑らかさ（１ｎｍより小さい）に、高い要求をおく。核形成シード層の、等級が劣化された滑らかさは、貧弱なテキスチャーを生じ、あるいは、テキスチャーさえも生じない。Y₂O₃ 上のIBAD MgO を処理するについてのもう１つの問題は、IBAD MgO が、大変狭い最適厚さ範囲を持つことである；すなわち、MgO 厚さが増えると、面外方位は、（１１１）、または（１１０）に変化し、面内テキスチャーは、破壊される。IBAD MgO処理のための原子対イオン到達比のパラメータは、また、HTS導体の商業化における大規模製造においては望まれない大変狭い窓を持つ。

またさらに、薄い（すなわち、１０ｎｍの）IBAD MgO を強靭とするために、ホモエピタキシー MgO 層（約３０−８０ｎｍ）が、IBAD MgO 層上に成長されなければならない。欠点として、臨界電流（Ic）は、ホモエピタキシャル MgO の品質に大変感受性が高く、ホモエピタキシャル MgO の成長に対して、厳格なプロセス制御の歩調をとる。さらにMgO は、HTS層（代表的に、YBCO）と大きな格子不整合を持つものであり、したがって、キャップ層、通常はSiTiO₃が、MgO とYBCO の間に成長されなければならない。すべてのこれらの（少なくとも４つの）層に加えて、一般に、Al₂O₃ 等のバリヤーが、金属元素の基板からHTS層内への拡散を妨げるために、かつ、金属基板の酸化を妨げるために、必要とされる。したがって、実務において、IBAD MgO/Y₂O₃ シード層 の全体構造は、不所望に複雑であり、かつ、特に、大規模製造設定においては、再現可能な態様でこれを処理することは困難である。

したがって、処理を、複雑さが少なく、かつ、信頼性のあるものとするために、バッファースタック内の層の数を低減させる、ことについての要望がある。
したがって、上記に鑑み、改善された超伝導体、デバイス、およびこのようなデバイスを組み込んでいるシステム、についての技術における必要がある。

特に、改善された処理可能性を持つ新しい超伝導体構造、および、２軸テキスチャーされたHTS層を作り出す代替的な技術等の、商業的に利用可能な超伝導性の物品を形成するプロセス、についての必要がある。
さらに、HTS導体製造のためのプロセス窓におけるさらなる改善、特に、核形成シード層と、IBADテキスチャー層との間の相互作用に関しての、より良い特性を持つ付加的な材料の選択が、HTS導体の商業化のための、産業における特別な必要であると、本発明者により、認識されてきた。
米国特許第５，６５０，３７８号明細書 米国特許第６，１９０，７５２号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１４４１５０号明細書

開示された超伝導性の物品の１つの側面によれば、その上に横たわる耐エピタキシャル膜を備えた基板が、与えられる。バッファ膜は、該耐エピタキシャル膜の上に横たわり、かつ、該バッファ膜は、２軸テキスチャーを有する。さらに、超伝導性の層は、該バッファ層の上に横たわる。

図１に戻って、１実施形態による超伝導性の物品の一般化された層構造が、描かれている。該超伝導性の物品は、基板１０の上に横たわるバッファー層１２、および、超伝導性の層１６よりなる。任意に、該超伝導性の物品は、また、前記超伝導性の層上に、キャップ層１８を含み、これは、代表的に、貴金属層を含む。該超伝導性の物品は、任意に、安定化層２０を含み、これは、代表的に、非金属を含む。

該基板１０は、一般に、金属ベースのものであり、かつ、代表的に、少なくとも２つの金属元素の合金である。特に適切な基板材料は、公知のＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）グループ合金、等のニッケルベース金属合金を含む。該Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）グループ合金は、膨張係数、引っ張り強度、降伏強度、および、延長を含む、望ましい、クリープ、科学的、および、機械的特性を持つ傾向がある。これらの金属は、一般に、スプールされたテープの形で、商業的に入手可能であり、特に、リールツーリールテープ処理を利用する超伝導性のテープの製造に適切である。

１つの実施形態において、該基板１０は、高い寸法比を有する、テープ状の形状をしている。たとえば、該テープの幅は、一般に、約０．４から１０ｃｍのオーダーであり、該テープの長さは、少なくとも約１００ｍであり、もっとも代表的には、５００ｍより大きい。実際、本発明の実施形態は、１ｋｍまたはそれ以上のオーダーの長さを持つ基板１０を含む、超伝導性のテープを与える。したがって、該基板は、十分に高い、１０より小さくない、約１０²より小さくない、または、約１０³より小さくないオーダーの寸法比を持つことができる。ある実施形態は、１０⁴、およびより高い寸法比を持つ、より長いものである。ここで用いられているように、用語“寸法比”は、基板またはテープの長さの、次の最も長い寸法、すなわち、該基板またはテープの幅、に対する比を示すのに用いられる。
さらに、該基板は、該超伝導体テープの構成層の順次の堆積のために望ましい表面特性を持つように、取り扱われることができる。たとえば、該表面は、所望の平坦さ、および、表面粗さにまで、軽く研磨することができる。

バッファー層１２に戻って、該バッファー層は、単一層であってよく、あるいは、より一般には、いくつかの膜よりなっていてもよい。最も代表的には、該バッファー層は、一般に、該膜の平面内および平面外の両方の結晶軸に沿って並んだ結晶性のテキスチャーを持つ、２軸テキスチャーされた膜を含む。このような２軸テキスチャー化は、ＩＢＡＤにより達成され得る。技術において理解されるように、ＩＢＡＤは、イオンビームアシスト堆積、すなわち、優秀な超伝導性の特性のための、望ましい、結晶学的方位をもつ超伝導体層の順次の形成のための、適切にテキスチャーされたバッファー層を形成するのに有利に利用され得る技術、のための略語である。酸化マグネシウムは、ＩＢＡＤ膜のために選択する代表的な材料であり、５０から２００オングストローム等、５０から５００オングストロームのものであってよい。１つの実施形態において、該ＩＢＡＤ膜は、参照によりここに組み入れられる米国特許第６，１９０，７５２号明細書で定義され、記述されたような、岩塩状の結晶構造を持つ。

超伝導層１６は、一般に、高温超伝導（ＨＴＳ）層の形をしている。ＨＴＳ材料は、代表的に、液体窒素の温度、７７Ｋ以上で、超伝導性の特性を示す高温超伝導材料のいずれかから選択される。このような材料は、たとえば、YBa₂Cu₃O_7-x、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+y 、Ti₂Ba₂Ca₂Cu₃O_10+y、および、HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+y を、含む。該材料の１つのクラスは、REBa₂Cu₃O_7-x であり、ここで、RE は、希土類元素である。上記のうちで、一般に、YBCO とも言われるYBa₂Cu₃O_7-x は、有利に利用されることができる。上記超伝導性の層１６は、厚い、および薄い膜の形成技術を含む、種々の技術のうちの任意の１つにより、形成することができる。好ましくは、パルス化されたレーザ堆積（ＰＬＤ）のような薄膜物理堆積技術は、高い堆積レートのために用いることができ、または、化学気相堆積技術は、より低コストで、かつ、より大きい表面領域処理のために、用いることができ、あるいは、ＭＯＤ法のような、化学溶液方法を用いることができる。代表的に、該超伝導性の層１６は、該超伝導性の層１４と関連する望ましいアンペアレートを得るために、約１から約３０μｍのオーダーの、最も代表的には、約２から約１０ミクロン等のような、約２から約２０ミクロンの、厚みを持つ。

キャップ層１８、および安定化層２０は、一般に、低抵抗インタフェースを与えるために、および、実際の使用における、超伝導体のバーンアウトの妨げを助ける電気的な安定化のために、組み入れられる。特に具体的には、層１８、および２０は、冷却が失敗し、あるいは、臨界電流密度を超えたとき、電荷が継続して流れることを助け、かつ、該超伝導性の層は、該超伝導性の状態から移動し、抵抗性となる。代表的に、貴金属は、キャップ層１８のために用いられて、上に横たわる安定化層とのオーム性の接触を与え、かつ、安定化剤である原子が、超伝導性の層１４内にマイグレートする高温処理の場合におけるように、超伝導性の層の不所望の汚染を、妨げるようにする。代表的な貴金属は、金、銀、プラチナ、および、パラジウムを含む。銀は、代表的に、そのコスト、および、一般的な入手可能性により、用いられる。該キャップ層１８は、代表的に、安定化層２０のコーティングの間の、超伝導体の良い保護を与えるに十分な厚さとされるが、しかし、コストの理由により（生の材料、および処理コスト）、一般に、薄くされる。キャップ層１８の代表的な厚さは、約０．１から約１０．０μｍ、たとえば、０．５から約５．０μｍ内の範囲にわたる。種々の技術は、ＤＣマグネトロンスパッタリング等を含む、物理気相成長を含む、キャップ層１８の堆積のために、用いられる。

安定化層２０は、一般に、超伝導性の層１６の上に横たわり、特に、図１に示される特定の実施形態において、キャップ層１８の上に横たわり、かつ、直接接触するように、組み入れられる。該安定化層２０は、厳しい環境的な条件、および、超伝導性の消化に対する安定性を向上させるために、保護／分路層として、機能する。該層は、一般に、高密度であり、かつ、熱的に、および、電気的に、導電性であり、かつ、超伝導性層が、失敗した場合に、電流をバイパスするように機能する。それは、半田またはフラックスのような、中間的なボンド材料を用いることにより、超伝導性のテープ上にあらかじめ形成した銅ストリップを積層する等により、種々の厚い、および薄い膜の形成技術のいずれかにより、形成されることができる。他の技術は、代表的に物理気相成長、またはスパッタリング、ばかりでなく、エレクトレスプレーティング、および、エレクトロプレーティング等のウェット化学プロセスに、焦点を置いている。この点に関し、キャップ層１６は、その上への銅の堆積のための、シード層として機能する。

図２に戻って、超伝導性の物品の層の断面が、図示される。１つの実施形態によれば、図示されたように、バッファー層２００は、基板の上に横たわる耐エピタキシャル膜２０２、および、耐エピタキシャル膜２０２の上に横たわるバッファー膜２０４を、含む。ここで用いられるように、用語“耐エピタキシャル”は、上に横たわる膜が、上に横たわるテキスチャーされた層が堆積される条件では、該耐エピタキシャル層上に、エピタキシャル成長されないことを意味する。代わりの言い方をすれば、該耐エピタキシャル層は、それの上に成長する上に横たわる膜のグレインの方位に対して、影響を、及ぼさない、またはほとんど及ぼさない。ここで、上に横たわるバッファー膜のグレインの方向は、その下にあるエピタキシャル膜からの影響よりむしろ、その、最小自由エネルギープレーン、電荷バランスプレーン等の、それ自身の特性により、あるいは、イオンビーム照射等の外部力により、決定される。すなわち、該耐エピタキシャル膜は、上に横たわる膜のエピタキシーによる成長を妨げるに十分な、結晶学的な、または、化学的な不整合を持つ。結晶学的不整合は、異なる方法、たとえば、格子定数不整合、格子対称性不整合、格子パラメータ不整合、により明らかにすることができ、以下により詳細に記述される。

１つの実施形態において、該耐エピタキシャル膜２０２は、単一軸的にテキスチャーされる。該耐エピタキシャル膜２０２の単一軸テキスチャーは、基板面に垂直な面、の外にある。特定の実施形態において、該耐エピタキシャル膜２０２の単一軸結晶テキスチャーは、面内に有意義なテキスチャーを持たないで、面外方向にある。

特定の実施形態によれば、該耐エピタキシャル膜は、約２０ｎｍ、５０ｎｍより小さくないように、約１０ｎｍより小さくない、あるいは、約１００ｎｍより小さくないように、より大きいグレインサイズを持つ。このような比較的大きなグレインサイズは、ある応用に特に、適切なものであり、有効な、耐エピタキシャル層の形成において助けとなる。

ここで、使用されるように、用語“テキスチャー”は、“モザイク拡散”として知られ、定量化された各膜の、グレインツツーグレインの結晶学的なミス方位に、言及する。代表的に、該耐エピタキシャル膜のためのモザイク拡散は、約２０°、１５°、１０°、または５°のように、約３０°より小さいが、しかし、代表的に、約１°より大きく、一般に、有限である。上記で議論した実施形態によると、用語“実質的なテキスチャーのない”は、一般に、約３０°より大きく、かつ、一般にランダムな多結晶学的配置を含む、該膜のモザイク拡散に言及する。

上記した実施形態の特定の特徴によれば、前記耐エピタキシャル膜を形成する材料の単軸テキスチャーは、充分な品質（低モザイク拡散）、および方位を持ち、次の上に横たわる層（代表的に、該２軸テキスチャー膜）の成長のために提示される最終の表面が、鋳型を作らない効果を持つことを確実にする。単軸テキスチャーは、ランダムな結晶粒が、上に横たわる層の所望の２軸テキスチャーに負に衝撃を与えそうである、次の層の局所的な鋳型化を生じる結果となる方位を取らないことを、確実とすることを助けることができる。

１つの実施形態によれば、該耐エピタキシャル膜２０２の単軸結晶テキスチャーは、イオンビームアシスト堆積（ＩＢＡＤ）により達成される。ＩＢＡＤは、第２世代ＨＴＳテープ製造と関連して利用されてきたが、それは、特定の２軸結晶構造を強制するために、代表的に保持されてきた。ここで、それは、一般に、上記した耐鋳型化特性を持つ、耐エピタキシャル膜内の単軸結晶構造を、強制するのに用いられる。

１つの実施形態によれば、該耐エピタキシャル膜２０２は、該耐エピタキシャル膜２０２の結晶構造のエピタキシャル成長を通しての再生が、バッファー膜２０４内においては、妨げられるよう、該バッファー膜２０４との大きい格子不整合を持つ結晶材料よりなる。１つの実施形態によれば、該耐エピタキシャル膜２０２と、バッファー膜２０４との間の格子不整合は、約１２％より小さくなく、好ましくは、２０％より大きく、かつ、いくらかの場合には、約３０％より大きい。

適切な格子不整合を持つ耐エピタキシャル膜材料を与えることは、バッファー膜２０４よりなる材料に、部分的に依存する。たとえば、１つの実施形態においては、該バッファー膜２０４は、ＭｇＯよりなる。このような場合、適切な単軸にテキスチャーされた耐エピタキシャル膜材料は、Y₂O₃、AlON、Eu₂O₃、Er₂O₃、Gd₂O₃、Tb₂O₃、Sc₂O₃、Sm₂O₃、Gd₂O₃、LaAlO₃、またはこれらの材料の結合よりなる。

もう１つの実施形態において、該耐エピタキシャル膜２０２は、バッファー膜２０４の表面格子対称性とは異なる表面格子対称性を持つ結晶学的材料よりなり、該バッファー膜２０４における結晶成長を妨げる。以前の実施形態において述べたように、該耐エピタキシャル膜２０２よりなる材料の選択は、該バッファー膜２０４よりなる材料により、部分的に決定される。１つの実施形態において、該バッファー膜２０４材料は、岩塩状結晶構造よりなり、代表的に、４重の表面格子対称性を持つ、ＩＢＡＤ ＭｇＯ、のようなＩＢＡＤにより形成される。したがって、該耐エピタキシャル膜２０２は、３重の、または２重の、表面格子対称性のような、異なる表面格子対称性を持つ材料を含むことができる。１つの実施形態において、該バッファー膜２０４は、（００１）方位のＩＢＡＤ ＭｇＯを含み、該耐エピタキシャル膜２０２は、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、GdZrO₇ 等のピロクロア型材料、および、酸化イットリウム等の希土類Ｃ型材料等の、（１１１）方位のフルオライト型材料よりなる。

この材料は、（１１１）最密充填平面を持ち、熱ダイナミック成長条件の下で、（１１１）面外単軸テキスチャーを形成しようとする。３重表面対称性を形成する８角形構造を持つ材料は、もし、それらが、３重、または６重対称表面格子を持つ、単軸テキスチャー膜を形成することができれば、上記した材料の代わりに、用いられることができる。これらの材料は、Ａｌ₂Ｏ₃を含む。ときどき、２重対称表面格子を持つ単軸テキスチャー膜を形成することのできる材料は、また、耐エピタキシャル層としても、用いことができる。

もう１つの実施形態において、該耐エピタキシャル膜２０２は、格子パラメータａ、ｂ、ｃを持つ非立方体材料よりなり、ここで、上記格子パラメータのうちの任意の２つの値間の差は、約２０％より小さくなく、好ましくは、約３０％より、小さくない。
もう１つの実施形態において、耐エピタキシャル膜２０２は、格子平面間の角度が、少なくとも５°だけ、好ましくは、少なくとも１０°だけ、直角ではない、三斜晶系の、または単斜晶系の、結晶構造を持つ材料よりなる。該耐エピタキシャル膜２０２材料は、上記したように、ａ、ｂ、ｃ格子定数間に、両方ともに大きな差を持ち、かつ、三斜晶系、または単斜晶系構造をもつ材料よりなる。適切な材料は、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化スカンジウム、酸化サマリウム、酸化ジルコニウム、酸化ホルミウム、酸化プラセオジミウム、酸化プロメシウム、酸化ジスプロシウム、酸化スーリウム、酸化ルテティウム、酸化イッテルビウム、および、酸化ネオジミウム等の、基を中心とした単斜晶系構造を含む。他の、酸化チタニウム、酸化ヴァナジウム、酸化ニオビウム、酸化クロミウム等の単斜晶系材料、および、酸化ビスマス等の直交構造材料をも、利用することができる。

１つの実施形態によれば、該耐エピタキシャル膜２０２は、バッファー膜２０４内のエピタキシャル成長を妨げる、大きい表面緩和特性を有する結晶性材料よりなる。“大きい表面緩和”は、たとえば、バルク材料から表面緩和下にある表面への、結晶構造の変化として、定義される。いくらかの材料については、結果として生じる表面格子定数は、そのバルク格子定数の２倍以上であることができ、かつ、該結果として生じる表面格子対称性は、立方体構造より単斜性構造に変化する。この現象は、耐エピタキシャル膜と、バッファー膜との間の耐エピタキシー関係を与える。

バッファー膜２０４に戻って、該膜は、代表的に、２軸テキスチャーされており、これは、該膜が、該膜の面内、および面外の両方において、両軸に沿って一般に並んでいる結晶性のテキスチャーを有することを意味する。このような２軸テキスチャーは、ＩＢＡＤで遂行することができる。技術において理解されているように、酸化マグネシウムは、バッファー膜２０４のための代表的な選択の材料であり、５０から２００オングストローム等の、５０から５００オングストロームのオーダーにあってよい。現在のところ、米国特許第６，１９０，７５２号明細書、および、米国特許出願公開第２００３／０１４４１５０号明細書におけるように、このＩＢＡＤバッファー膜は、岩塩状の結晶構造のものであることが、主張される。しかしながら、ここでの実施形態によれば、現在のバッファー膜は、岩塩状の材料に、限定されないが、これを含む材料よりなってもよい。耐エピタキシャル膜との耐エピタキシャル関係を持ち、ＨＴＳ導体の後の処理の間での他の要件を満たす多種の材料を、用いることができる。

２軸バッファー膜の１つの実施形態は、（００１）最低自由エネルギー、または、（１００）最密充填平面を持つ、非立方体構造材料よりなる。例は、金紅石（ＴｉＯ₂）、またはアナターゼ（鋭錘石）ＴｉＯ₂等の正方晶系構造材料、酸化ランタンアルミニウム（ＬａＡｌＯ₃）等の菱面体晶構造材料、または、ＹＢＣＯ等の層構造材料を含むが、しかしこれらに限定されない。

２軸バッファー膜の、もう１つの実施形態は、（００１）電荷バランス平面を持つ、非岩塩状材料よりなる。該電荷バランス結晶平面は、その中に、負イオンからの全負電荷が、正イオンからの全正電荷とほぼ同じだけある結晶平面である。このような材料の１つの例は、ＴｉＯ₂，ＳｎＯ₂，ＲｕＯ₂を含むルチル構造材料であり、これは、（００１）面に沿った電荷バランス平面を持つ。

１つの側面において、バッファー膜は、耐エピタキシャル膜上に配置されており、該バッファー膜は、２軸結晶テキスチャーを持つ。定義により、２軸テキスチャーバッファー膜は、面内、および面外の結晶テキスチャーを持つ。ここで定義されるように、“２軸テキスチャー膜”は、その中において、最上端部の結晶学的な面内、および面外モザイク拡散が、たとえば、約２０°、１５°、１０°、または５°より低い等のように、約３０°より低い、しかし、代表的に１°より大きい有限である多結晶性の材料である。

該バッファー膜２０４は、２軸テキスチャーが、一般に、イオンビームアシスト堆積により、引き起こされる層である。該バッファー膜２０４は、一般に、約５０から約５０００オングストローム内の厚さを持つ。該２軸テキスチャーバッファー層２０４は、好ましくは、（００１）面外方位を持つ。該バッファー膜２０４は、ＭｇＯ、ＮｉＯ等の岩塩状結晶構造を持つことができ、または、YSZ、CeO₂、Y₂O₃、TiO₂、SnO₂、Mn₃O₄、Fe₃O₄、Cu₂O、または、RE₂O₃、ここで、ＲＥは、希土類元素である、よりなる。

上記したテープ等の、超伝導性の物品と関連した特定のアーキテクチャー、およびプロセス技術を超えて、実施形態は、また、このような導体を組み込んでいる産業上の、または商業上の電力要素等の、要素に向けられている。ある実施形態は、電力ケーブル、すなわち、“回転機械”として知られる、あるクラスの電力要素、に向けられており、これらは、広く、発電機、および電動機を含み、他の実施形態は、変圧器に向けられている。

図３Ａは、本発明の１実施形態による電力ケーブル３００を示す。示された電力ケーブル３００は、３相のすべてが、同じ熱的に、絶縁性の導管３３０内に収容されたトレフォイル配列に配置された３つの超伝導性のケーブル、またはテープ３２０を示す。グランド平面３４０が、また示されている。該相は、一般に、物理的に可能なように、できるだけ相互に近接して位置している。示されてはいないが、他の配列が、３つのケーブルが、同心に位置している同心配列を含んで、可能である。

図３Ｂは、単一の例示的な超伝導性のケーブル３２０の詳細を示す。外側から内側に進み、ケーブル３２０は、外装３６６、スキッドワイヤ３６４、コルゲートされたスチール３６２、および、熱絶縁体３６０を、含む。液体窒素（ＬＮ₂）ダクト３５８は、冷蔵体をケーブル３２０に対し与え、かつ、中心にあるワイヤ３５６上に、配置されている。銅シールド３５４が設けられ、かつ、超伝導体テープ層３５２上に配置されている。誘電体テープ３５０は、テープ層３５２と、銅シールド３４８の間に配置されている。もう１つの超伝導体テープ層３４６は、銅シールド３４８の下にある。フォーマー／ダクト３４４は、窒素の凝固点（これは、約６３．３Ｋである）以上の温度への、コスト的に有効な冷却を許す、液体窒素冷却材のような、冷却流体の通路を与える。該電力ケーブル３００は、電力送信ケーブル、または電力配電ケーブルを形成することができる。

図４は、その周りに、１次巻線７２、および２次巻線７４が設けられる中央コア７６を持つ電力変圧器を、図式的に示している。図４は、その性質上、図式的であり、該変圧器の実際の地理的な形状は、技術においてよく理解されるように、変化することができる。
しかしながら、該変圧器は、少なくとも基本的な１次、および２次巻線を含む。この点に関し、図４に示す実施形態においては、１次巻線は、２次巻線より多くのコイルを有し、入力電力信号の電圧を、低減する電圧降下変圧器を示す。逆に、２次巻線に対して、１次巻線に、より少ない数のコイルを設けることは、電圧の上昇を与える。この点に関し、代表的に、昇圧変圧器は、超距離にわたっての電力ロスを低減するために、電圧を、高電圧に上昇させる電力送信サブステーションにおいて利用され、一方、降圧変圧器は、電力のエンドユーザへの後のステージでの配電のために、配電サブステーションにおいて集積される。１次巻線と２次巻線の少なくとも１つ、および好ましくは両方は、以上の記述に従った超伝導性のテープよりなる。

図５に戻って、発電機の基本的構造が、与えられる。該発電機は、タービンによって等、技術において知られているように、駆動されるローター８６を含む。ローター８６は、高強度電磁石を含み、これは、電力の発生に望ましい電磁界を形成するローターコイル８７により形成されている。

該電磁界の形成は、少なくとも１つの導電性配線８９よりなるステーター８８において、電力を生成する。本実施形態の特定の特徴によれば、ローターコイル、および／またはステーター巻線は、上記した実施形態にしたがって、超伝導性のテープよりなる。

ここでの実施形態によれば、再製造可能な、超伝導性の物品は、超伝導性の層における好ましいテキスチャーを可能とする特徴的なバッファー層における、好ましいテキスチャーをもって、与えられる。実施形態は、その上に２軸テキスチャーされたバッファー膜が成長されるアモルファス表面上に依拠する必要を、未然に取り除いており、かつさらに、米国特許第６，４８９，５８０号明細書において開示された、その上に２軸膜がエピタキシャル成長される単軸の鋳型膜を利用する、先行する仕事からの基本的なシフトを、示している。

本発明の特定の側面は、ここで、特異性を持って記述されたが、当業者は、これに対して、まだ、現在の請求項の範囲内にある修整を行うことができることが、よく理解されるであろう。以前に記述した実施形態、および例は、どのようにも、以下の請求項を、制限するものではない。

図１は、本発明の１実施形態による超伝導性の物品の一般化された構造を示す斜視図である。 図２は、本発明の１実施形態による超伝導性の物品の一般化された構造を示す断面図である。 図３Ａは、ケーブルにおいて使用される、前記超伝導性の物品の１実施形態を図示する。 図３Ｂは、ケーブルにおいて使用される、前記超伝導性の物品の１実施形態を図示する。 図４は、変圧器の模式図である。 図５は、電力発生器の模式図である。

Claims (34)

1. 超伝導性の物品であって、以下のものよりなる：
   基板；
   前記基板の上に横たわる、結晶性の、耐エピタキシャル膜；
   前記耐エピタキシャル膜の上に横たわるバッファー膜であって、該バッファー膜は、２軸の結晶テキスチャーを持つ；かつ、
   前記バッファー膜の上に横たわる超伝導性の層。
2. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
   前記耐エピタキシャル膜は、単軸テキスチャーを持つ。
3. 請求項２に記載の超伝導性の物品であって、
   前記耐エピタキシャル膜の前記単軸テキスチャーは、膜の、平面外方位に沿っている。
4. 請求項３に記載の超伝導性の物品であって、
   前記平面外結晶学的テキスチャーは、一般に、[１１１]結晶方位に沿っている。
5. 請求項３に記載の超伝導性の物品であって、
   前記平面外結晶テキスチャーは、約３０度より大きくない、モザイク拡散である。
6. 請求項５に記載の超伝導性の物品であって、
   前記平面外結晶テキスチャーは、約２０度より大きくない、モザイク拡散である。
7. 請求項６に記載の超伝導性の物品であって、
   前記平面外結晶テキスチャーは、約１０度より大きくない、モザイク拡散である。
8. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
   前記結晶性耐エピタキシャル膜は、１０ｎｍより小さくない平均グレインサイズを持つ。
9. 請求項８に記載の超伝導性の物品であって、
   前記結晶性耐エピタキシャル膜は、２０ｎｍより小さくない平均グレインサイズを持つ。
10. 請求項８に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、前記バッファー膜と、格子不整合をもち、前記耐エピタキシャル膜と、前記バッファー膜との間の格子不整合は、約１０％より小さくない。
11. 請求項１０に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜と、前記バッファー膜との間の格子不整合は、約２０％より小さくない。
12. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、前記バッファー膜の平面内格子対称性と異なる平面内格子対称性を持つ。
13. 請求項１２に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜の前記平面内格子対称性は、３重対称性であり、前記バッファー膜の前記平面内対称性は、４重対称性である。
14. 請求項１３に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、（１１１）の最も低い自由エネルギー平面を持つ、フルオライト型材料、ピロククロア材料、希土類Ｃ型材料、および、ヘキサゴン型材料より選択されたものである。
15. 請求項１２に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜の前記平面内格子対称性は、２重対称性であり、前記バッファー膜の前記平面内対称性は、４重対称性である。
16. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、格子パラメータａ、ｂ、ｃを持つ材料よりなり、ここで、上記格子パラメータのうちの任意の２つの値間の差は、約２０％より小さくなく、好ましくは、約３０％より、小さくない。
17. 請求項１６に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、格子平面を持つ、単斜晶系の、または、三斜晶系の、構造材料よりなり、ここで、前記格子平面間の角度は、５°以上だけ、非直交である。
18. 請求項１６に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、非直交構造材料よりなる。
19. 請求項１７に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、ベースを中心とした単斜晶系構造材料よりなる。
20. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化スカンジウム、酸化サマリウム、酸化チタニウム、酸化ヴァナジウム、酸化ニオビウム、酸化クロミウム、酸化ジルコニウム、酸化ネオジミウム、酸化ホルミウム、酸化プラセオジミウム、酸化プロメシウム、酸化ジスプロシウム、酸化スーリウム、酸化ルテニウム、酸化イッテルビウム、および、酸化ビスマスよりなるグループからの少なくとも１つの材料よりなる。
21. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記耐エピタキシャル膜は、表面緩和を持つ材料よりなり、表面緩和は、その上にバッファー膜が横たわる耐エピタキシャル膜の表面が、該バッファー膜と耐エピタキシャル関係を持つような、バルクと、表面との間の、格子構造における差である。
22. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、前記２軸テキスチャーされたバッファー膜は、平面外方位に沿った＜００１＞方位を持つ。
23. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、前記バッファー膜は、（００１）電荷バランス結晶表面を持つ非岩塩状材料よりなる。
24. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記バッファー膜は、（００１）最低自由エネルギーの、または（１００）最密充填平面を持つ、非立方体構造の材料よりなる。
25. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記バッファー層は、MgO、NiO、YSZ、CeO₂、Y₂O₃、 Mn₃O₄, Fe₃O₄、Cu₂O, および、RE₂O₃, ここで、ＲＥは、希土類元素である、ルチル、および、アナターゼを含む正方晶構造材料、ＬａＡｌＯ₃を含むロームボーへドラル構造材料、および、ＹＢＣＯを含む異方性の層構造材料、よりなるグループからの少なくとも１つの材料よりなる。
26. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記超伝導性の物品は、７７Ｋで少なくとも０．５ＭＡ／ｃｍ²の電流Ｊｃ、及び自己電磁界を与える。
27. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記超伝導体の層は、REBa₂Cu₃O₇ よりなり、ここで、ＲＥは、稀土類元素である。
28. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    ＲＥは、Ｙよりなる。
29. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記物品は、超伝導性のテープの形をしている。
30. 請求項２９に記載の超伝導性の物品であって、
    前記物品は、約１０より小さくない寸法比を持つ。
31. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    さらに、前記基板と、前記バッファー層との間に配置された保護層を備える。
32. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記超伝導性の物品は、超伝導性テープのコイルであり、該超伝導性テープのコイルは、基板、耐エピタキシャル膜、および、超伝導性の層よりなる。
33. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    該物品は、電力変圧器よりなり、該電力変圧器は、少なくとも１つの、一次巻線、および、２次巻線を備え、ここで、少なくとも１つの一次巻線、および、２次巻線は、超伝導性のテープの巻かれたコイルよりなり、前記超伝導性のテープは、基板、耐エピタキシャル膜、バッファー膜、および、超伝導性の層よりなる。
34. 請求項１に記載の超伝導性の物品であって、
    前記物品は、回転機械であり、該回転機械は、少なくとも１つの巻き線よりなり、ここで、該少なくとも１つの巻き線は、基板、耐エピタキシャル膜、バッファー膜、および、超伝導性の層より形成される超伝導性のテープよりなる。

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