TW200923976A - Metal substrate for a superconducting thin-film strip conductor - Google Patents

Description

200923976 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於高溫超導薄膜條狀導體且具體而言其金屬 基材。 【先前技術】 尚起導溥膜條狀導體，或簡言之經塗敷導體（在下文 中稱為HTSL-CC)係起始於織構化金屬條根據先前技術所 製成。該條（在下文中稱為金屬基材）包含較佳面心立方結 晶金屬（例如，鎳、銅、金）。以鎳尤為適用，具體而言具 有較小原子。/。鶴之鎳，參考德國專利第1〇1 43 68〇 C1號。 將該織構化金屬基材使用緩衝層塗敷，其係用於達到以習 知方式將金屬基材之織構轉移至隨後產生之超導層的目 的。對金屬基材以及欲結晶之高溫超導薄膜二者皆具有低 晶格失配之材料尤其適用於緩衝層。在金屬基材上旋轉 45°生長之材料（例如，鍅酸鑭或其他具有氟化物或焦氣化 物結構之材料）以及彼等未旋轉生長且通常具有鈣鈦礦型 結構（例如’鈦酸锶及鈦酸鈣）或尖晶石型結構（例如，釕酸 魏及錄酸鈥）之材料二者皆可使用。 自 Effect of sulfur on cube texture formation in micro-alloyed nickel substrate tapes” （J. Eickemeyer 等人）， Physica C 418 (2005) 9-15 ' "Growths of oxide seed layers on nickel and other technologically interesting metal substrates: issues related to formation in control of sulfur superstructures for texture optimization”（C_ Cantoni 等人）， I3094I.doc 200923976 IEEE—Transactions 〇n Applied 8ιιρ^〇η^αν办第 i3 卷第2期，2〇〇3及其他出版物得知，通常早已自金屬基 材之3染物形成之硫屬化合物上層結構、具體而言硫上層 、、=構可促進緩衝層之磊晶生長，該等緩衝層係使用物理方 法、尤其藉由金屬基材在高真空中之氣相沈積來沈積。因 此，根據先前技術目標係可再現地產生具有高覆蓋度之最 均勻可旎上層結構。然而，緩衝層之物理沈積係一種高成 本方法，因此其並不適用於HTSL_CC或甚至僅其載體基材 之生產。 使用化學塗敷方法（CSD/MOD)生產HTSL-CC亦已習知且 明顯更具成本效益，參考”Chemical soluti〇n deposition of <100>oriented SrTi03 buffer layers on nickel substrates"； J.T. Dawley 等人；J· Mater. Res.，第 17 卷，第 7 期， 2002。在具有硫上層結構之鎳基材（其上已生長锆酸鑭）上 已經獲付良好結果，參考"Detailed investigations on La2Zr207 buffer layers for YBCO coated conductors prepared by chemical solution deposition" (K· Knoth 等人）， Acta Materialica 55，2007, 517-529。 然而’使用未旋轉45。（如鍅酸鑭）且更明確地說未旋轉 (例如，鈦酸勰等）生長之材料並不能獲得可比較的結果， 即使如原本所習知使用具有較低表面粗糙度之金屬基材亦 不能獲得可比較的結果。所施加之欽酸魏層係未織構化或 僅略微織構化。 【發明内容】 130941.doc 200923976 本發明係基於提供具有以化學方式所產生高度織構化緩 衝層之HTSL-CC且具體而言作為其起始材料之金屬基材的 目的。 【實施方式】 此係根據本發明藉由ΐ軎Ψ、τ5，+ 楮宙β求項1中所指定之方法達成，其 中施：緩衝層之前，自金屬基材之表面去除上層結構。 特疋而5 ’已令人驚訝地展示，在使用未旋轉生長之材 料（例如彼等具㈣鈦礦型或尖晶石型結構者）之化學處理 之ί月’兄下使用物理方法所產生之緩衝層及使用化學方法 所產生具有氟化物或焦氣化物結構之緩衝層所需的上層結 構、具體而言硫屬化合物上層結構且尤其硫上層結構相反 地會阻止良好織構之實現。 此結果與去除上層結構之類型（機械研磨、電拋光、用 噴砂物體（例如，乾冰顆粒）進行喷砂處理、或使用稍濃的 硝酸選擇性蝕刻）以及化學塗敷技術類型（即，旋塗、浸塗 或印刷（狹縫模具式澆注、喷墨印刷））二者無關，且亦與以 下製程參數（例如退火溫度、氣氛及保留時間）無關。 §在去除上層結構期間將基材研磨至表面粗梭度小於⑺ 奈米時獲得最好的結果。 晶格常數與金屬基材之晶格常數相差小於5%、較佳 小於士 10%之材料有利地用於該緩衝層。 此外本發明係關於具有凊求項8中所給定特徵之雙轴 織構化金屬基材的用途。 該緩衝層可特定包含晶格常數與金屬基材之晶格常數相 130941.doc 200923976 差小於±15%、較佳小於土10%之材料。然而，具體而言， 晶格常數與金屬基材之晶格常數相差在_5%至+1 5%範圍内 之材料皆可考慮。 因此，本發明提供具有請求項1 〇之特徵的高溫超導薄膜 條狀導體。 鎳或包含85原子％、較佳90原子％鎳之鎳合金尤其適宜 用作金屬基材。在此情況下，尤其鈦酸鹽、釕酸鹽、錳酸 鹽、鎳酸鹽及銅酸鹽係適宜用作緩衝層材料，例如，

CaTi〇3、La2Ni04、Sr2RU〇4、NdBa2Cu3〇x、Gd2Cu〇4、 SrTi03、Nd2Cu04、BaTi03、（CaxSrl_x) Ti〇3、及 (SrxBal-x) Ti03。 實例： 使用來自evico之兩種不同鎳（5原子％鎢）金屬基材（條寬 度為1〇毫米，條厚度為80微米）。該兩種金屬基材皆具有 立方織構（00 1)，其中半峰全幅值（FWHM)為5.5。。 兩種基材皆經受相同的滾壓成型且隨後在間歇式退火製 程中再結晶。纟間歇式退火製程中藉助緩慢冷卻在兩個基 板上形成硫上層結構。 使用AFM顯微鏡量測該兩種金屬基材之粗糙度，如下： 基材1 : RMS=40奈米 基材2 : RMS = 5奈米。 在具有0.1微米金剛石懸浮 。該基材之粗糙度可藉由 藉由研磨去除所有黏著表面 將基材1之一部分機械研磨。 液之研磨台（Struers)上實施研磨 研磨而降低至RMS = 5奈米。|| 130941.doc 200923976 層，即，同樣去除硫上層結構。由於直至塗敷前仍未實施 退火處理，故亦無法再產生此結構。 基材1(經研磨）：RMS = 5奈米 將所有基材在超音波浴中先用丙酮且隨後用異丙醇清洗 各5分鐘。 由此，以下基材係適用於隨後試驗： 基材1 : RMS=40奈米；硫上層結構 基材2 : RMS = 5奈米；硫上層結構 基材3 : RMS = 5奈米；無硫上層結構，即，基材1但經研磨 製備3種塗敷溶液： 溶液1 :純鈦酸锶（STO) 溶液2 :摻雜鈮的STO，導電 溶液3 :摻雜鈣的STO，與鎳基材具有較好的晶格匹配 對於溶液1，將0.15莫耳Ti(OCH2CH2CH2CH3)4以莫耳 比1:2溶於乙醯丙酮中。隨後，將0· 1 5莫耳乙酸锶以莫耳比 1:5溶於冰乙酸中。將兩個溶液合倂並用由冰乙酸及曱氧 基乙醇構成之混合物以使冰乙酸與曱氧基乙醇之總比例為 1:2之方式稀釋至500毫升。隨後將溶液過濾以去除任何可 能沈澱物。ICP-OES分析（SPECTRO Genesis)展示為一化學 計量〇. 3克分子之溶液。 對於溶液2，將0.1425莫耳Ti(OCH2CH2CH2CH3)4以莫 耳比1:2溶於乙醯丙酮中並與0.0075莫耳溶於丁醇中之 Nb(OCH2CH3)5混合。如用於溶液1般實施所有其他步驟， 以便獲得0.3克分子具有5%鈮摻雜之鈦酸锶的塗敷溶液。 130941.doc 200923976 如溶液1般製備溶液3，只是不使用〇.〖5莫耳乙酸鳃，而 是使用由0.135莫耳乙酸勰與0.015莫耳乙酸鈣構成之混合 物獲得〇.3莫耳經釣取代的鈦酸銘之塗敷溶液。 用所有溶液如下塗敷所有經清洗之基材： f V， 先在旋轉塗敷機上以500 rpm使用經稀釋6倍之塗敷溶液 塗敷5 A刀長的經清洗基材。使用由冰乙酸與曱氧基乙醇 構成之2:1混合物進行稀釋。隨後，在ι〇%κΝ2中之^之下 在800 C之溫度下實施溫度處理5分鐘。在第一塗敷步驟中 2於溶液之稀釋而產生所謂的種晶層，即，未黏著層（覆 蓋率）丨於20-80 /〇之間），其島係用作隨後層之晶種。 在相同條件τ實施兩次進—步塗敷及溫度處理，只是利 未稀釋办液。在各種情況下3次塗敷後所得總層厚度為 2 5 0不米。使用輪廓儀在層邊緣上量測層厚度。 針對退火溫度在75〇與_。範圍内改變且退火氣氛在％ 15%於Ν2中之Η2範圍内改變進行試驗並未對試驗結果展示 :何顯著影響。當使用浸塗設備時，所有溶液必須稀釋2 倍以10米/小時之塗敷球声 Α咖 迷度以獲侍相同結果。較高浸潰速 度需要較低稀釋。 對於溶液1(ST_於該3個基材觀㈣以下結果： 使用 200(32。）與 11 〇(47。）反私 )反射之比率1作為量度。約5的值 可呈現良好織構。

結果 ΐ(2〇〇)/κη^> 130941.doc 200923976 在與基材2相同之表面粗糙度下，去除基材3中之硫上層 結構可使緩衝層之織構改良3倍。 130941.doc -11 -

Claims (1)

1. 200923976 十、申請專利範圍： 1 ’ 一種處理雙軸織構化金屬基材之方法，該金屬基材係作 為高溫超導薄膜條狀導體（HTSL-CC)之起始材料，該導 體包含該金屬基材、以化學方式產生於該金屬基材上且 相對於該金屬基材以結晶學上未旋轉方式生長之緩衝 層、及該緩衝層上以化學方式產生的超導塗層，該方法 之特徵在於在產生該緩衝層之前去除該金屬基材之上層 結構。 f , ' 2.如請求項1之方法，其特徵在於去除硫屬化合物上層結 構。 3·如請求項1或2之方法，其特徵在於該金屬基材係經處理 至一表面粗糙度且RMS<50奈米、較佳RMS<2〇奈米、尤 佳RMS<i〇奈米。 4·如請求項1或2之方法，其特徵在於該上層結構係藉由研 磨去除。

   如請求項1或2之方法，其特徵在於將晶格常數與該金屬 基材之晶格常數相差小於：t15%、較佳小於土1〇%之材料 用於該緩衝層。 =μ求項1或2之方法，其特徵在於去除該上層結構之後 清洗該金屬基材。 :印求項6之方法’其特徵在於該金屬基材係在超音波 洛中清洗。 8.如請求項ό之方法，其特徵在於且體 ”遐而&使用丙酮及異 丙醇去除該金屬基材之油脂。 130941.doc 200923976 9· 一種雙軸織構化金屬基材之用途，該基材無上層結構且 具有RMS<50奈米、較佳RMS<2〇奈米、尤佳RMS<l〇| 米之表面粗糙度，該基材係作為高溫超導薄膜條狀導體 (HTSL-CC)之起始材料，該導體包含金屬基材、以化學 方式產生於该金屬基材上且相對於該金屬基材以結晶學 上未旋轉方式生長之緩衝層、及該緩衝層上以化學方式 產生的超導塗層。 10·如請求項9之雙軸織構化金屬基材的用途，其中該緩衝 層包含晶格常數與該金屬基材之晶格常數相差小於 土15〇/〇、較佳小於士 10〇/〇之材料。 11. 一種高溫超導薄膜條狀導體（HTSL_CC)，其包含金屬基 材、以化學方式產生於該金屬基材上且相對於該金屬^ 材以結晶學上未旋轉方式生長之緩衝層、及該緩衝層上 以化學方式產生的超導塗層，其特徵在於該金屬基材具 有RMS 50奈米、較佳議8<2〇奈米、尤佳R奈米 之表面粗糙度’且料衝層係彳目對於該金屬基材之晶體 、。構以“曰曰學上未旋轉之方式直接生長於該金屬基材表 面上而無中間層。 12. 一種如請求項1至11中任-項所定義之金屬基材，其特 徵在於其包含至少8 5原子％、較佳9 0原子％鎳。 130941.doc 200923976 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：（無） (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） 130941.doc