JP2012109265A - ２軸方向にテクスチャを有するバッファ層を備えた超電導体物品、電力ケーブル、電源変圧器、発電機、電力網、及び電子的に活性な物品、並びに２軸方向にテクスチャを有する物品を製造する方法 - Google Patents

２軸方向にテクスチャを有するバッファ層を備えた超電導体物品、電力ケーブル、電源変圧器、発電機、電力網、及び電子的に活性な物品、並びに２軸方向にテクスチャを有する物品を製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
２軸方向にテクスチャを有するバッファ膜を備えた超電導体物品およびその製造方法を提供する。
【解決手段】
超電導体物品は、基板と、前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜であって、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、 前記第１のバッファ膜上に配置されていて、２軸方向の結晶テクスチャを有する第２のバッファ膜であって、前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２軸方向にテクスチャを有するバッファ層を備えた超電導体物品、電力ケーブル、電源変圧器、発電機、電力網、及び電子的に活性な物品、並びに２軸方向にテクスチャを有する物品を製造する方法に関する。
高温超電導（ＨＴＳ）ワイヤまたはテープを開発するための多くの努力は、２軸方向にテクスチャを有する表面を有するテープ上の高温超電導（ＨＴＳ）膜のエピタキシャル成長をベースとするコーティングされた導体に焦点を当てられてきている。７７Ｋで１ＭＡ／ｃｍ２以上の臨界電流密度および自己フィールドを有する超電導膜が、イオン・ビーム・アシスト蒸着（ＩＢＡＤ）または加工熱的テクスチャ状金属により製造した２軸方向にテクスチャを有するテープ上のエピタキシャルなＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７膜用にすでに形成されている。
ＩＢＡＤを含む以前の作業の場合には、大きな臨界電流密度を運ぶことができるＨＴＳ膜に適している２軸方向にテクスチャを有するバッファ層の合成は、面内のテクスチャおよび面外のテクスチャの両方を形成するためにイオン・アシスト・プロセスを使用している。２軸方向にテクスチャを有する基板上に大きな臨界電流を有するＨＴＳ膜形成するために、バッファ層アーキテクチャは厳しい要件を満足させなければならない。一番上のバッファ層構造物の粒子は、できれば、より優れた超電導物品を供給する１０度以下のような低いモザイク的広がりを含む、通常２０度以下のモザイク的広がりを含む共通の面内および面外の結晶テクスチャを供給することが望ましい。
一番上の層は、通常、超電導体の堆積中に反応しないように、超電導体と化学的な互換性を有するものでなければならないし、ＨＴＳ／バッファ層界面に微細な亀裂ができるのを防止するために機械的に丈夫なものでなければならない。現在まで、これらの目標に適合する２軸方向にテクスチャを有するバッファ層は、通常、面内および面外のテクスチャを決定する際に、イオン・アシスト（ＩＢＡＤ）プロセスを使用してきた。例えば、２軸方向にテクスチャを有するイットリアで安定させたジルコニウム（ＹＳＺ）バッファ層は、（００１）方向に配向している立方形の材料に対する［１１１］方向に対応する表面の垂線からアルゴン＋ビーム・フラックスを５５度の方向に向けることにより、（１００）面内および（００１）面外のテクスチャを有するＩＢＡＤにより形成することができる。
上記ＩＢＡＤプロセスは、アルゴン＋ビームの存在下で堆積したＹＳＺ膜の使用によるような比較的厚い厚さ（＞１μｍ）を必要とする所望の２軸方向のテクスチャを供給してきたが、このプロセスは、比較的速度が遅くそのためコストが高い。大規模な超電導テープの製造の際には、このようなプロセスの速度およびコストは重要な問題である。何故なら、速度およびコストは、低コストのＨＴＳテープを製造する能力に影響するからである。第２のアプローチは、結晶テクスチャを制御するために、反射高エネルギー電子回折のような、その場での監視技術を通常使用する核形成プロセスの１０ｎｍ未満の制御を必要とするＭｇＯのＩＢＡＤ蒸着を含む。このアプローチは、大規模製造の際に使用するのが難しい。また、ＩＢＡＤで堆積したＭｇＯ膜の品質は、この材料のために使用するプロセスおよび構造の僅かな変動に極度に影響を受けやすいことが分かっている。
それ故、この業界においては、コーティングしたＨＴＳ導体、この導体の形成プロセス、およびこの導体を含む物品を含む超電導体構成要素を改善する必要がある。特に、大規模生産を改善する特性を有する商業的に実行可能なＨＴＳ導体、およびそれを形成するためのプロセスが求められている。
それ故、この業界においては、また、ＹＳＺのＩＢＡＤのために必要な厚さより薄い厚さしか必要としないで、ＭｇＯ用のＩＢＡＤプロセスより丈夫で影響を受けにくい別の技術が求められている。
超電導体物品は、基板および基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜を含む。単軸結晶テクスチャは、第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない。第２のバッファ膜は、第１のバッファ膜上に配置され、第２のバッファ膜は、２軸方向の結晶テクスチャを有する。２軸方向の一方の結晶方向は第１の結晶方向に沿って配向される。超電導体層は、第２のバッファ膜上に配置することができる。本明細書で使用する場合、「の上に配置した」という用語は、物品内の要素の相対的位置を意味し、（別段の指示がない限り）上記要素または構成要素は必ずしも直接接触していなくてもよいし、介在する層または膜を含むことができる。それ故、この用語は、図全体を通して示すように、方向または位置に関して一般的な意味で使用している。例えば、保護層を基板と第１のバッファ膜との間に配置することができる。
第１のバッファ膜の単軸方向にテクスチャを有する結晶の方向は、面内に位置していても、面外に位置していてもよい。面外のテクスチャの場合には、面外の結晶テクスチャは、［００１］結晶方向に沿ってほぼ整合することができる。面外のテクスチャは、約３０度程度の、好適には約２０度程度、より好適には約１０度程度のモザイク的広がりを有することができる。
第１のバッファ膜は、岩塩状の結晶構造を有することができるし、または異方性成長傾向を有することができる。第１のバッファ膜は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＭｇＯまたはＮｉＯを含むことができる。基板は、ニッケル系合金のような金属合金であってもよい。
２軸方向にテクスチャを有する第２のバッファ膜は、［００１］結晶方向に沿った第１の軸に沿って、また［１１１］、［１０１］、［１１３］、［１００］および［０１０］からなるグループから選択した結晶方向を有する第２の軸に沿って整合することができる。第２のバッファ膜は、岩塩状の結晶構造を有することができる。この実施形態の場合には、第２のバッファ膜は、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＹＳＺ、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｕ２ＯまたはＲＥ２Ｏ３であってもよい。この場合、ＲＥは希土類元素である。
超電導体物品は、７７Ｋで少なくとも０．５ＭＡ／ｃｍ２のＪｃおよび自己フィールドを供給することができ、好適には７７Ｋで少なくとも１．０ＭＡ／ｃｍ２のＪｃおよび自己フィールドを供給することができることが好ましい。超電導体層は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７を含むことができる。この場合、ＲＥは希土類元素である。ＲＥはＹを含むことができる。超電導体物品は、超電導体テープを含むことができる。
電力ケーブルは、複数の超電導テープを含むことができ、各テープは、基板、基板上に配置している第１のバッファ膜を有し、第１のバッファ膜は、単軸結晶テクスチャを有し、単軸結晶テクスチャは第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない。第２のバッファ膜は、第１のバッファ膜上に配置され、第２のバッファ膜は、２軸方向の結晶テクスチャを有する。２軸方向の一方の結晶方向は第１の結晶方向に沿って配向される。超電導体層は、第２のバッファ膜上に配置される。ケーブルを通して冷媒流体を流すためにコンジットを設けることができる。コンジットの周囲に超電導テープを巻くことができる。電力ケーブルは、送電ケーブルまたは配電ケーブルを含むことができる。
電源変圧器は、一次巻線および二次巻線を含む。この場合、一次巻線および二次巻線の少なくとも一方は、上記の超電導テープの巻いたコイルを含む。二次巻線は、一次巻線と比較した場合、もっと少ないかもっと多い巻線を含むことができる。
発電機は、ロータ・コイルを備える電磁石を有するロータと結合しているシャフト、およびロータを囲む導電性巻線を含むステータを含む。巻線およびロータ・コイルのうちの少なくとも一方は、上記の超電導テープを含む。ロータ・コイルのうちの少なくとも１つは、超電導テープを含むことができる。
電力発電所を備える電力網は、発電機、電力発電所から電力の供給を受け、送電のために電圧を昇圧するための複数の電源変圧器を備える送電変電所、送電変電所から電力を送電するための複数の送電ケーブル、および送電ケーブルから電力の供給を受ける電力変電所を含む。電力変電所は、配電のために電圧を降圧するための複数の電源変圧器を備える。複数の配電ケーブルは、エンドユーザに電力を配電するためのものである。配電ケーブル、送電ケーブル、電力変電所の変圧器、送電変電所の変圧器、および発電機のうちの少なくとも１つは、複数の上記超電導テープを含む。
電子的に活性な物品は、基板および基板上に配置されている第１のバッファ膜を含む。第１のバッファ膜は、単軸結晶テクスチャを有し、単軸結晶テクスチャは、第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない。第２のバッファ膜は第１のバッファ膜上に配置され、第２のバッファ膜は、２軸方向の結晶テクスチャを有する。２軸方向の一方の結晶方向は第１の結晶方向に沿って配向される。電子的に活性な層は、第２のバッファ膜上に配置される。電子的に活性な層は、半導体層であっても、光起電性層であっても、強誘電性層であっても、または光誘電性層であってもよい。
２軸方向にテクスチャを有する物品を製造する方法は、基板を供給するステップと、基板上の第１のバッファ膜を形成するステップとを含む。この場合、第１のバッファ膜は、単軸結晶テクスチャを有し、単軸結晶テクスチャは第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない。またこの方法は、第１のバッファ膜上にイオン・アシスト法により第２のバッファ膜を堆積するステップも含む。この場合、結果として得られる第２のバッファ膜は、２軸方向のテクスチャを有する。２軸方向の一方の結晶方向が第１の結晶方向に沿って配向されるように堆積する。この方法は、第２のバッファ膜上に超電導体層を堆積するステップを含むことができる。イオン・ビーム・アシスト蒸着（ＩＢＡＤ）は、第２のバッファ膜を堆積するために使用することができる。
全図面を通して類似の参照番号が類似の部材を示す、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、本発明の上記および他の特徴、態様および利点をよりよく理解することができるであろう。
本発明の一実施形態による超電導テープ物品。 本発明の一実施形態による電力ケーブル。 本発明の他の実施形態による１つの例示としての超電導ケーブルの詳細図。 本発明のさらに他の実施形態による電源変圧器。 本発明の一実施形態による発電機。 本発明の他の実施形態による電力網。
本発明の実施形態は、新規のＨＴＳ物品、その形成方法、それを内蔵するデバイスおよびシステムを提供する。一つの特徴によれば、本方法は、２つのステップのプロセスにより２軸方向にテクスチャを有するバッファ層物品、関連する物品、デバイスおよびシステムを形成するための方法である。第１のステップは、（ｉ）第１のバッファ膜の面内を延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない第１のバッファ膜の面外を延びる第１の結晶方向のテクスチャ、または（ｉｉ）第１のバッファ膜の面外を延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない第１のバッファ膜の面内を延びる第１の結晶方向のテクスチャを通常特徴とする単軸方向のテクスチャを有する第１のバッファ膜を供給するステップである。１つの結晶方向は、面内または面外のうちの一方であってもよい。この場合、他の結晶方向は、有意の結晶テクスチャを有さない。それ故、単軸方向にテクスチャを有する第１のバッファ膜は、２軸方向のテクスチャを供給しない。
ある実施形態の場合には、単軸結晶テクスチャは、有意なテクスチャを面内に有さないで面外を延びる。通常、「面内」は、バッファ膜の面内の２つの相互に垂直な方向により形成されると考えられている。他の実施形態の場合には、単軸結晶テクスチャは、面内の方向のうちの１つの方向に延びていて、面外に有意なテクスチャを有さないし、相互に垂直な面内にテクスチャを有さない。本明細書で使用する場合、「テクスチャ」という用語は、面内のテクスチャであってもまたは面外のテクスチャであっても、各層の粒子間の結晶の方向のズレである「モザイク的広がり」を意味する。通常、テクスチャを有する層のモザイク的広がりは、約２０度以下、約１５度以下、約１０度以下、または約５度以下のように約３０度以下であるが、通常約１度より大きい有限の角度である。一実施形態の場合には、「有意なテクスチャを有さない」という用語は、通常、約３０度以上で、全体的にランダムな多結晶配置を含む各層の粒子間の方向のズレである「モザイク的広がり」を意味する。
面外の結晶テクスチャの場合には、モザイク的広がりは、通常、（００１）極点図測定により入手するような、Ｘ線回折ピークの半値全幅で表される。この場合、粒子の（００１）結晶面は整合していて、そのため約３０度以下の角度的広がり内の膜への垂線に対して垂直な方向のテクスチャを有する。
第２のバッファ膜は、第１のバッファ膜上に配置され、第２のバッファ膜は、２軸方向の結晶テクスチャを有する。定義による２軸方向にテクスチャを有する第２のバッファ膜は、面内の結晶テクスチャおよび面外の結晶テクスチャの両方を有する。本明細書においては、２軸方向にテクスチャを有する層は、一番上の層の結晶の面内および面外の両方の粒子間の方向のズレが、約２０度以下、約１５度以下、約１０度以下、または約５度以下のように、約３０度以下であるが、通常約１度以上の有限の角度である多結晶材料として定義される。Ｘ線回折により測定した粒子の面内および面外配向の分布を指定することにより、２軸方向のテクスチャの程度を表すことができる。面外（Δθ）および面内（Δφ）反射のロッキング曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）を測定することができる。それ故、２軸方向のテクスチャの程度を、所与のサンプルのΔθおよびΔφの範囲を指定することにより定義することができる。
第１のバッファ膜は、通常、イオン・ビームを使用しないで形成されるが、第２のバッファ層膜を形成する第２のステップは、第１のバッファ層部分の頂部上に２軸方向にテクスチャを有する層部分を形成するために、イオン・ビーム・アシスト蒸着（ＩＢＡＤ）プロセスを使用する。全バッファ層に対してＩＢＡＤの使用に関する関連する製造についての問題を起こさないで、ＩＢＡＤにより２軸方向にテクスチャを有するバッファ表面を入手することができるので、従来のＩＢＡＤ処理と比較した場合、より一層効率的で経済的な高性能の物品を製造することができる。それ故、本発明の実施形態は、全バッファ層の厚さ内で２軸方向のテクスチャを形成するために、ＩＢＡＤ処理の一般的な使用を低減し、さらに高度に制御されたＩＢＡＤ処理をそれほど使用しなくてすむ。何故なら、処理許容範囲が緩和されるからである。このことは製造環境内において好ましいことである。これは、結晶の核形成および成長の観点からいって、堆積中、単軸結晶方向に沿って堆積した材料が整合するのにエネルギー的に好都合であり、ＩＢＡＤ膜処理中、柔軟性が増すためであると考えられている。
２軸方向にテクスチャを有する電子的に活性な層は、本発明の実施形態により形成した２軸方向にテクスチャを有するバッファ層上に配置することができる。電子的に活性な層は、超電導体層であっても、半導体層であっても、光起電性層であっても、強誘電性層であっても、または光誘電性層であってもよいし、粒子境界制御が重要な任意の他の電磁デバイスであってもよい。この点に関して、本発明の種々の態様は、電子的に活性な層が超電導材料から主として形成される高温超電導体構成要素を提供するのに特に適している。本発明の種々の態様は、２軸方向のテクスチャを有する電子的に活性なワイヤおよびテープ（以後「テープ」と呼ぶ）物品を形成するのに特に適している。本明細書で使用する場合、「テープ」という用語は、約１，０００程度のアスペクト比を有する物品を意味する。このアスペクト比は、最も長い寸法（長さ）の、次に最も長い寸法（幅）に対する比率を意味する。通常、アスペクト比は、約１０４以上、また約１０５以上である場合もある。
２軸方向にテクスチャを有するバッファ層は、約７７Ｋで約０．５ＭＡ／ｃｍ２以上の臨界電流密度および自己フィールドを提供し、好適には約１ＭＡ／ｃｍ２以上の臨界電流密度を提供することが好ましい高温超電導物品の形成に適している。本発明の実施形態は、また、鋭角の結晶テクスチャが重要な種々の他の電子的用途にも役に立つ。
図１は、その全長に沿って２軸方向のテクスチャを有する集合組織化された超電導体テープ１８を含む多重層組成を有する本発明の一実施形態によるテープ物品１０である。テープ物品１０は、電流を運ぶ機能を増大し、送電線の交流抵抗損失を低減するのに特に役に立つと期待される。超電導体物品１０は基板１２からなる。基板１２は、金属または多結晶セラミックであってもよい。金属の場合には、基板１２は、ニッケル系合金のような合金であってもよい。基板１２内のテクスチャは通常必要ない。それ故、基板１２は、多結晶のものでもまたは非晶質のものであってもよい。多結晶基板は、高性能基板材料のハステロイ（登録商標）グループのような市販のニッケル系合金のような材料のある種の熱的、機械的および電気的特性を必要とするいくつかの用途に使用することができる。基板１２は、超電導体物品１０用のサポートとなり、本発明の種々の態様を使用する長くて、大きなエリア上で製造することができる。超電導体テープが長いもの（例えば、１ｋｍ）である場合には、第１のバッファ層１４および第２のバッファ層１６は、リール間並進のような適当な並進プロセスにより、２軸方向にテクスチャを有する基板表面１２上に堆積することができる。
オプションとしての保護層１３は、通常多結晶であり、基板１２の頂部面上に配置される。好適には、保護層１３は、バッファ層１４が基板１２と化学的に互換性を有さない場合に使用することが好ましい。好適には、多結晶保護層は、酸化セリウムまたはイットリアにより安定させたジルコニウム（ＹＳＺ）のような酸化物であることが好ましい。
第２のバッファ層１６は、第１のバッファ層１４上に配置される。第１のバッファ層１４は、（ｉ）第１のバッファ膜の面内を延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない第１のバッファ膜の面外を延びる第１の結晶方向のテクスチャを供給し、または（ｉｉ）第１のバッファ膜の面外を延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さない第１のバッファ膜の面内を延びる第１の結晶方向のテクスチャを供給する。一方、第２のバッファ層１６は、２軸方向のテクスチャを供給する。エピタキシャルに成長した超電導層１８は、２軸方向にテクスチャを有するバッファ層１６上に配置される。
図１には示してないが、少なくとも１つのエピタキシャル膜を、第２のバッファ層１６と超電導体層１８との間に設けることができる。さらに、貴金属層を銀のような超電導体層１８の上に形成することができる。
第１のバッファ層１４内の高度の面外のテクスチャは、選択した材料の異方性成長の傾向により、または選択した材料のエネルギー的に好都合な成長の配向の優先的選択により形成することができる。この用途の場合、面外のテクスチャのような単軸方向のテクスチャを形成する膜を、イオン・アシスト法を使用しなくても供給することができ、この膜を層１と呼ぶ。例えば、層１は多結晶材料であってもよい。この場合、エネルギー的に好都合な成長方向は、膜の垂線に沿った＜１００＞である。例としては、下に位置する基板の配向とは無関係に、＜１００＞というエネルギー的に好都合な方向に優先的に整合する傾向を有するＭｇＯおよびＮｉＯのような岩塩構造がある。「非晶質表面上に堆積された岩塩状構造を有する薄膜」（Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｈａｖｉｎｇ ｒｏｃｋ−ｓａｌｔ−ｌｉｋｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅｓ）という名称のＤｏ他の米国特許第６，１９０，７５２号は、岩塩構造および使用できる種類に関する詳細な情報を記載している。
種々の酸化物を含むいくつかの多結晶薄膜材料は、異方性成長傾向を有する。何故なら、これらの材料は、ある種の堆積条件の場合、基板の表面の垂線に沿って特定の結晶軸に整合する傾向があるからである。異方性成長の場合には、いくつかの多重カチオン酸化物を使用することができる。例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７を使用することができる。この場合、ＲＥはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７およびＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２のような希土類元素であり、この場合、両方ともランダムな方向に配向している基板上で面外（ｃ軸）方向に配向した膜の成長を示す。単軸方向にテクスチャを有する膜は、２軸方向にテクスチャを有するバッファ層１６を形成するために、エピタキシャル成長（ＩＢＡＤ膜を含む）用の初期テンプレートとしての働きをすることができるバッファ層１４として使用することができる。バッファ層１４は、一般に、約１００〜約３０００オングストローム（約１０〜約３００ｎｍ）の範囲内の厚さを有する。好適には、バッファ層１４は、［１００］方向に沿って整合することが好ましく、スパッタリング、パルス・レーザ蒸着、または蒸着により堆積することができる。
第２のバッファ層１６は、通常、面内テクスチャがイオン・ビームにより誘発される層であり、また、本明細書においてはこの層は層２と呼ばれる。エピタキシ中に全然イオンが存在しない状態で、単軸方向の面外のテクスチャを有するバッファ層１４上でバッファ層１６をエピタキシャル成長させると、バッファ層１４内で達成した単軸方向のテクスチャを再現する。バッファ層１６のエピタキシ中にバッファ層１６の高度な対称方向に沿って、イオン・ビーム（例えば、アルゴン）を照射すると、イオン・ビームの方向に沿って整合している好適な軸の方向に配向している粒子の成長は、一般に、他の方向に配向しているこれらの粒子より好ましい。この以降のＩＢＡＤ成長により、面外のテクスチャを依然として維持しながら、バッファ層１４内に存在しないバッファ層１６内の面内テクスチャ構成要素が誘発される。
第２のバッファ層１６は、通常、約１００〜約５０００オングストローム（約１０〜約５００ｎｍ）の範囲内の厚さを有する。超電導体層１８の厚さは、通常、約５００〜約１０，０００ｎｍである。好適には、２軸方向にテクスチャを有する第２のバッファ層１６は、［００１］結晶方向を有する第１の軸に沿って、また［１１１］、［１０１］、［１１３］、［１００］および［０１０］からなるグループから選択した結晶方向を有する第２の軸に沿って整合することが好ましい。第２のバッファ層１６は、岩塩状の結晶構造を有することができ、ＭｇＯ、ＮｉＯを含むことができ、またはＹＳＺ、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｕ２ＯまたはＲＥ２Ｏ３から選択することができる。この場合、ＲＥは希土類元素である。バッファ層１６は、スパッタリングまたは蒸着により堆積することができる。
好適には、超電導体層１８は、酸化物超電導体であることが好ましい。好適には、酸化物超電導体は、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７から選択することが好ましい。ＲＥはＹのような希土類元素および関連する化合物である。超電導体物品１０は、約７７Ｋで少なくとも約０．５ＭＡ／ｃｍ２のＪｃおよび自己フィールドを提供することができ、好適には約７７Ｋで少なくとも約１ＭＡ／ｃｍ２のＪｃを提供することができることが好ましい。
ｃ軸方向のテクスチャを有する第１のバッファ層１４により本発明の種々の態様を全体的に説明してきたが、本発明はこの実施形態に限定されない。本発明の他の実施形態の場合には、第１のバッファ膜１４内の単軸結晶構造は、また、膜の面内の１つの方向（ａ軸またはｂ軸）に沿って位置することができる。この実施形態の場合には、結晶が膜面（ｃ軸）内にテクスチャを有する軸に垂直な面内に優先的なテクスチャを有さない。この実施形態の一例は、ファイバ・テクスチャの例であり、この場合、優先的な単軸方向のテクスチャがテープまたはワイヤの長手方向に沿って存在するが、この方向に垂直な面内には優先的テクスチャは存在しない。
本発明の一般的な実施形態は、成膜のための基板を供給するステップを含む。基板は、アセトン、メタノールおよびトリクロロエチレンのような溶媒により清掃される。基板は薄膜堆積に適している堆積チャンバ内に装着される。次に、多結晶保護層が、オプションとして基板上に堆積される。多結晶層は、層１と基板間の化学反応を防止する。
保護層でコーティングされた基板は、異方性薄膜またはそのエネルギー的に好都合な成長方向が＜１００＞（層１）である薄膜の堆積に適している雰囲気内で加熱される。次に、層１が堆積され、イオン・アシスト法の必要性を伴わず、面外（ｃ軸）テクスチャを提供する。次に、層１でコーティングされた基板は、イオン・ガンを備える薄膜堆積システムに転送される。基板は、層１上の層２のエピタキシャル成長に適している温度に加熱される。エピタキシ中に面内テクスチャを誘発するために、層２を形成している材料の好適な結晶方向に沿った方向を向いているイオン・ビームの存在下で、層１上に層２を堆積するために真空蒸着が使用される。
本発明は、種々様々な用途、特に超電導体用途に有用である。超電導体用途に関しては、本発明は、送電線、モータ、発電機、または高フィールド磁石用に使用することができる高温超電導ワイヤまたはテープを形成するために使用することができる。
図２は、本発明の一実施形態による電力ケーブル２００である。図の電力ケーブル２００は、３つすべての位相が同じ断熱コンジット２３０内に収容されている三つ葉状に配置されている３本の超電導ケーブル２２０を含む。この図はまたアース面２４０も示す。位相は物理的に可能な限りできるだけ相互に近接して位置している。図には示してないが、３本のケーブルが同心状に位置する同心配置を含む他の配置も使用することができる。
図３は、１つの例示としての超電導ケーブル２２０の詳細図である。ケーブル２２０の外側から内側に、ケーブル２２０は、エンクロージャ３６６、スキッド・ワイヤ３６４、波状スチール３６２および断熱材３６０を含む。ＬＮ２ダクト３５８は、ケーブル２２０に冷却剤を供給し、中心のワイヤ３５６上に配置される。銅シールド３５４が供給され、超電導テープ層３５２上に配置される。誘電体テープ３５０は、テープ層３５２および銅シールド３４８間に配置される。もう１つの超電導体テープ層３４６は、銅シールド３４８の下に位置する。フォーマ／ダクト３４４は、（約６３．３Ｋである）窒素の凍結温度より高い温度に安いコストで冷却することができる液体窒素（ＬＮ２）冷却剤のような冷却流体用の通路を形成する。電力ケーブル２００は、送電線または配電ケーブルとして使用することができる。
図４は、本発明の他の実施形態による電源変圧器４００である。電源変圧器４００は、一次巻線４７２、二次巻線４７４およびコア４７６を含む。一次巻線４７２および二次巻線４７４のうちの少なくとも一方は、エポキシのような絶縁材料内に埋め込まれている上記超電導テープの巻いたコイルを含む。二次巻線４７４は、一次巻線４７２と比較した場合、もっと少ないまたはもっと多くの巻線を含むことができる。
図５は、本発明の一実施形態による発電機５００である。発電機５００は、タービン５８２、およびロータ・コイルを備える電磁石を有するロータ５８６と結合しているシャフト５８４、およびロータを囲んでいる導電性巻線を備えるステータ５８８を含む。巻線およびロータ・コイルのうちの少なくとも一方は、上記の超電導テープを含む。
図６は、本発明の他の実施形態による電力網６００である。電力網６００は、発電装置６９０、および電力を送電変電所６９４に送るための送電線６９２を備える電力発電所を含む。送電変電所６９４は、変圧器６９５を含む。送電ケーブル６９６は、送電変電所６９４から出ている。送電ケーブル６９６は、電力を送電変電所６９４から分電のために電圧を降圧するための複数の電源変圧器６９７を含む電力変電所６９８に送る。配電ケーブル６１０は、電力を電力変電所６９８からエンドユーザ６０２に送る。配電ケーブル６１０、送電ケーブル６９６、電力変電所６９８の変圧器６９７、送電変電所６９５の変圧器、および発電装置６９０のうちの少なくとも１つは、複数の上記超電導テープを有する。
実施例
本明細書に記載する例および実施形態は、単に例示としてのものであって、当業者であればこれを見て種々の修正または変更を思い付くことができ、これら修正または変更は本出願の精神および範囲内に含まれることを理解されたい。本発明は、その精神または本質的な属性から逸脱することなしに、他の特定の形状をとることができる。
ニッケル系合金基板を成膜用に使用する。基板はアセトン、メタノールおよびトリクロロエチレンのような溶媒により清掃される。基板は、薄膜堆積用のパルス・レーザ蒸着チャンバ内に装着される。多結晶イットリアで安定しているジルコニウム（ＹＳＺ）保護層が、真空内で約２５℃でパルス・レーザ蒸着により基板上に堆積される。この保護層は、層１と基板間の化学反応を防止する。
コーティングした基板は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７薄膜（層１）を堆積するために真空内で約７００℃に加熱される。厚さ約３００ｎｍのＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７膜が、約２００ミリトル（約２７Ｐａ）の酸素内で約７００℃で堆積される。膜はｃ軸方向に配向しているが、面内においてはランダムな方向に配向している。次に、基板はイオン・ガンを備える薄膜堆積システムに転送される。基板は、層１上でＭｇＯまたはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７のエピタキシャル成長に適している温度に加熱される。パルス・レーザ蒸着は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７テンプレート上にエピタキシャルＭｇＯを堆積するために使用される。ＭｇＯ層は（００１）方向のテクスチャを有する。その後で、ＣｅＯ２の［１１１］または［１１０］結晶方向に沿う方向を向いているアルゴン・イオン・ビームの存在下でＣｅＯ２が成長する。
ニッケル系合金基板を成膜用に使用する。基板はアセトン、メタノールおよびトリクロロエチレンのような溶媒により清掃される。基板は、薄膜堆積用のパルス・レーザ蒸着チャンバ内に装着される。厚さ約１００ｎｍのＭｇＯ膜（層１）が真空中で約２５℃で堆積される。ＭｇＯ層は（００１）方向のテクスチャを有する。次に、コーティングした基板は、イオン・ガンを備える薄膜堆積システムに転送される。ＭｇＯの第２の層（層２）が、ＭｇＯの［１１１］または［１１０］結晶方向に沿う方向を向いているアルゴン・イオン・ビームの存在下で成長する。第２のＭｇＯ層（層２）は２軸方向にテクスチャを有する。
本明細書に記載する例および実施形態は、単に例示としてのものであって、当業者であればこれを見て、本特許請求の範囲から逸脱することなしに種々の修正または変更を思い付くことができることを理解されたい。

Claims (35)

  1. 超電導体物品であって、
    基板と、
    前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜であって、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、
    前記第１のバッファ膜上に配置されていて、２軸方向の結晶テクスチャを有する第２のバッファ膜であって、前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、
    前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを有する超電導体物品。
  2. 前記第１のバッファ膜が、岩塩状の結晶構造を有する請求項１に記載の超電導体物品。
  3. 前記第１のバッファ膜が、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＭｇＯおよびＮｉＯからなるグループから選択した少なくとも１つを含む請求項１に記載の超電導体物品。
  4. 前記基板が金属合金を含む請求項１に記載の超電導体物品。
  5. 前記金属合金が、ニッケル系合金を含む請求項４に記載の超電導体物品。
  6. 前記２軸方向にテクスチャを有する第２のバッファ膜が、［００１］結晶方向に沿った第１の軸に沿って、および［１１１］、［１０１］、［１１３］、［１００］および［０１０］からなるグループから選択した結晶方向を有する第２の軸に沿って整合している請求項１に記載の超電導体物品。
  7. 前記第２のバッファ膜が、岩塩状の結晶構造を有する請求項１に記載の超電導体物品。
  8. 前記第２のバッファ膜が、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＹＳＺ、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｕ２Ｏ、およびＲＥが希土類元素であるＲＥ２Ｏ３からなるグループから選択した少なくとも１つの材料を含む請求項７に記載の超電導体物品。
  9. 前記超電導体物品が、７７Ｋで少なくとも０．５ＭＡ／ｃｍ２のＪｃおよび自己フィールドを供給する請求項１に記載の超電導体物品。
  10. 前記超電導体層が、ＲＥが希土類元素であるＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７を含む請求項１に記載の超電導体物品。
  11. ＲＥがＹを含む請求項１０に記載の超電導体物品。
  12. 前記物品が超電導体テープを含む請求項１に記載の超電導体物品。
  13. 前記基板と前記第１のバッファ膜との間に配置されている保護層をさらに有する請求項１に記載の超電導体物品。
  14. 電力ケーブルであって、
    それぞれが基板を有する複数の超電導テープと、前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜であって、前記単軸結晶テクスチャは前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、２軸方向の結晶テクスチャを有する前記第１のバッファ膜上に配置されている第２のバッファ膜であって、前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを備える電力ケーブル。
  15. 冷却剤流体の通路のためのコンジットをさらに備える請求項１４に記載の電力ケーブル。
  16. 前記超電導テープが前記コンジットの周囲に巻かれている請求項１５に記載の電力ケーブル。
  17. 前記電力ケーブルが、送電ケーブルまたは配電ケーブルを含む請求項１４に記載の電力ケーブル。
  18. 電源変圧器であって、
    一次巻線と、
    二次巻線とを有し、前記一次巻線および二次巻線の少なくとも一方が、超電導テープの巻いたコイルを有し、前記超電導テープが、基板と、前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜であって、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、前記第１のバッファ膜上に配置されていて、２軸方向の結晶テクスチャを有する第２のバッファ膜であって、前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを有する電源変圧器。
  19. 前記二次巻線が、前記一次巻線と比較した場合、より少ない巻線を有する請求項１８に記載の電源変圧器。
  20. 前記二次巻線が、前記一次巻線と比較した場合、より多い巻線を有する請求項１８に記載の電源変圧器。
  21. 発電機であって、
    ロータ・コイルを有する電磁石を備えるロータと結合しているシャフトと、
    前記ロータを囲んでいる導電性巻線を有するステータとを備え、前記巻線および前記ロータ・コイルのうちの少なくとも一方が、基板を有する超電導テープと、前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜であって、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、前記第１のバッファ膜上に配置されていて、２軸方向の結晶テクスチャを有する第２のバッファ膜であって、前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを備える発電機。
  22. 前記ロータ・コイルのうちの少なくとも１つが前記超電導テープを含む請求項２１に記載の発電機。
  23. 電力網であって、
    発電機を備える電力発電所と、
    前記電力発電所から電力の供給を受け、送電のために電圧を昇圧するための複数の電源変圧器を備える送電変電所と、
    電力を前記送電変電所から送電するための複数の送電ケーブルと、
    前記送電ケーブルから電力の供給を受けるための電力変電所であって、配電のために電圧を降圧するための複数の電源変圧器を備える電力変電所と、
    エンドユーザに電力を配電するための複数の電力分配ケーブルとを備え、前記電力分配ケーブル、送電ケーブル、前記電力変電所の変圧器、前記送電変電所の変圧器、および発電機のうちの少なくとも１つが複数の超電導テープを備え、各超電導テープが、基板と、前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜であって、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、前記第１のバッファ膜上に配置されていて、２軸方向の結晶テクスチャを有する第２のバッファ膜であって、前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを備える電力網。
  24. 電子的に活性な物品であって、
    基板と、
    前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜であって、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、
    前記第１のバッファ膜上に配置されていて、２軸方向の結晶テクスチャを有する第２のバッファ膜であって、前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、
    前記第２のバッファ膜上に配置されている電子的に活性な層とを有する物品。
  25. 前記電子的に活性な層が、半導体、光起電性、強誘電性、または光誘電性からなるグループから選択される請求項２４に記載の物品。
  26. ２軸方向にテクスチャを有する物品を製造するための方法であって、
    基板を提供するステップと、
    前記基板上に配置され、かつ単軸結晶テクスチャを有する第１のバッファ膜を形成するステップであって、前記単軸結晶テクスチャが前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないように形成するステップと、
    イオン・アシスト法により、前記第１のバッファ膜上に、２軸方向にテクスチャを有する第２のバッファ膜を堆積するステップであって、前記２軸方向の一方の結晶方向が前記第１の結晶方向に沿って配向されるように堆積するステップとを含む方法。
  27. 前記第２のバッファ膜上に超電導体層を堆積するステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
  28. 前記超電導体層が、７７Ｋで少なくとも０．５ＭＡ／ｃｍ２のＪｃおよび自己フィールドを提供する請求項２７に記載の方法。
  29. 前記物品がテープを含む請求項２６に記載の方法。
  30. 前記第２のバッファ膜を堆積するために、イオン・ビーム・アシスト蒸着（ＩＢＡＤ）を含むプロセスを使用する請求項２６に記載の方法。
  31. 超電導体物品であって、
    基板と、
    前記基板上に配置されていて、多結晶酸化物の薄膜材料を含む第１のバッファ膜であって、前記第１のバッファ膜は単軸結晶テクスチャを有し、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、
    前記第１のバッファ膜上に配置されている第２のバッファ膜であって、ＩＢＡＤ ＭｇＯ、ＩＢＡＤ ＣｅＯ２、またはＩＢＡＤ ＲＥ２Ｏ３からなるグループからの材料を含み、ＲＥが希土類元素であり、２軸方向の結晶テクスチャを有し、かつ前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、
    前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを有する超電導体物品。
  32. 前記第２のバッファ膜がＩＢＡＤ ＭｇＯを含む請求項３１に記載の物品。
  33. 超電導体物品であって、
    基板と、
    前記基板上に配置されていて、岩塩状の結晶構造を有する多結晶材料を含む第１のバッファ膜であって、前記第１のバッファ膜は単軸結晶テクスチャを有し、前記単軸結晶テクスチャは、前記第１のバッファ膜の面内に延びる第１の結晶方向に沿ったテクスチャであり、前記第１のバッファ膜の面外に延びる第２の方向に有意のテクスチャを有さないことを特徴とする前記第１のバッファ膜と、
    前記第１のバッファ膜上に配置されている第２のバッファ膜であって、ＩＢＡＤ ＭｇＯ、ＩＢＡＤ ＣｅＯ２、またはＩＢＡＤ ＲＥ２Ｏ３からなるグループからの材料を含み、ＲＥが希土類元素であり、２軸方向の結晶テクスチャを有し、かつ前記２軸方向の一方の結晶方向は前記第１の結晶方向に沿って配向される前記第２のバッファ膜と、
    前記第２のバッファ膜上に配置されている超電導体層とを有する超電導体物品。
  34. 前記多結晶材料が岩塩結晶構造を有する請求項３３に記載の超電導体物品。
  35. 前記第２のバッファ膜がＩＢＡＤ ＭｇＯを含む請求項３３に記載の超電導体物品。
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