專(zhuān)利名稱：一種在非織構(gòu)襯底上制備雙軸織構(gòu)層的方法,特別是用于制備超導(dǎo)復(fù)合帶中的中間緩沖 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在非織構(gòu)襯底上制備雙軸織構(gòu)層的方法，特別是用于制備超導(dǎo)復(fù)合帶中的中間緩沖層的方法。
背景技術(shù)：
將YBCO或REBCO類(lèi)高臨界溫度的超導(dǎo)膜沉積在柔性金屬帶上以獲得所謂的“涂層導(dǎo)體”或超導(dǎo)復(fù)合帶的大規(guī)模生產(chǎn)的可能性具有相當(dāng)重要的工業(yè)價(jià)值。
眾所周知，制備上述產(chǎn)品可能使用兩種類(lèi)型的金屬襯底，即具有面內(nèi)雙軸織構(gòu)的襯底和非織構(gòu)襯底。
具有面內(nèi)雙軸織構(gòu)的襯底確保良好的超導(dǎo)性能歸功于經(jīng)過(guò)合適的軋制工藝后再進(jìn)行高溫再結(jié)晶所獲得的立方織構(gòu)。在這種情況下，YBCO超導(dǎo)層的臨界電流密度(jc)達(dá)到最大歸功于緩沖層(例如出MgO、CeO2等構(gòu)成)和由YBCO和REBCO構(gòu)成的超導(dǎo)層中的襯底形成了雙軸織構(gòu)。
然而，織構(gòu)襯底的不足在于至今市場(chǎng)上相對(duì)難以得到、相對(duì)低的機(jī)械性能和磁性能，這些使得在交流操作中容易發(fā)生泄漏。
相反，非織構(gòu)金屬襯底，典型的由合金如Hastelloy合金和其他的非磁性鋼片制成的非織構(gòu)金屬襯底顯示出優(yōu)良的機(jī)械性能、且價(jià)格便宜、沒(méi)有磁性。
然而因?yàn)檫@些襯底不能進(jìn)行織構(gòu)，所以必須借助特定的輔助定向沉積方法來(lái)誘導(dǎo)第-緩沖層(即襯底上直接沉積的層)進(jìn)行定向生長(zhǎng)，所述輔助定向沉積方法如傾斜襯底沉積法(ISD，設(shè)計(jì)相對(duì)于蒸發(fā)方向傾斜的襯底)或離子束輔助沉積法(IBAD，其中通過(guò)以一定取向直接輻照在層上的離子束來(lái)促進(jìn)層的定向生長(zhǎng))。但是，由于這兩種工藝和上述所有的IBAD工藝都涉及特定的結(jié)構(gòu)和工藝解決方案，所以這些技術(shù)相對(duì)復(fù)雜且價(jià)格昂貴。ISD技術(shù)的特征在于其所制備膜的超導(dǎo)性能肯定要比織構(gòu)襯底上所制備的膜的性能差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷的制備方法。特別是，本發(fā)明的目的是提供一種能簡(jiǎn)單地又十分經(jīng)濟(jì)地加以實(shí)施的制備方法，該方法能以非織構(gòu)襯底為原料制備具有良好超導(dǎo)性能的高臨界溫度的超導(dǎo)帶。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方案根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明涉及一種在非織構(gòu)襯底上制備雙軸織構(gòu)層的方法，尤其是用于制備超導(dǎo)復(fù)合帶中中間緩沖層，所述方法的特征在于包括下列步驟一提供非織構(gòu)襯底的步驟，該襯底表面的粗糙度小于約10nm，優(yōu)選小于約5nm；一無(wú)輔助的沉積步驟，其中沉積材料通過(guò)直接蒸發(fā)沉積在所述表面上而不用考慮其取向；和一沉積材料在表面上以自然織構(gòu)生長(zhǎng)，從而形成一定取向?qū)拥牟襟E。
眾所周知，襯底上形成的層的“自然織構(gòu)”意指對(duì)應(yīng)于晶體方向的織構(gòu)，該方向可以減小襯底和形成層之間界面的表面張力。
本發(fā)明的方法能夠在非織構(gòu)襯底上沉積具有優(yōu)良雙軸織構(gòu)的定向?qū)佣灰髲?fù)雜的輔助定向沉積工藝，例如ISD或IBAD工藝，例如，所述層也可以包括用于超導(dǎo)復(fù)合帶中的緩沖層。因此，在所述定向?qū)由想S后沉積的由超導(dǎo)材料制備的層依次沿正確的晶向定向生長(zhǎng)，并具有優(yōu)異的超導(dǎo)性能，同時(shí)也不會(huì)受到先前制備步驟的任何不利影響。
事實(shí)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)襯底的表面光潔度(即粗糙度)能確保沉積材料層的定向生長(zhǎng)，而與襯底本身的取向特征無(wú)關(guān)。
因此，只要具有低于臨界值的表面粗糙度，非織構(gòu)襯底就能沉積出具有良好雙軸織構(gòu)的定向?qū)印?br> 因此根據(jù)本發(fā)明，所述沉積步驟是一個(gè)“非輔助沉積步驟”，其意指，不同于輔助定向的沉積方法，如ISD或IBAD技術(shù)，該步驟是直接蒸發(fā)的沉積步驟，其中，沉積在襯底上的層的定向生長(zhǎng)不需要采用相對(duì)于蒸發(fā)方向傾斜的襯底(如在ISD方法中)，或者在沉積過(guò)程中采用輔助手段直接在生長(zhǎng)層上進(jìn)行處理等方式(如在IBAD方法中)來(lái)進(jìn)行誘導(dǎo)或輔助處理。
換句話說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明，非輔助沉積步驟定義為以下特征i)襯底大體上與蒸發(fā)方向正交，即它基本上與蒸發(fā)方向依次保持正交；和ii)沉積步驟的實(shí)施不需要仟何輔助處理直接施加在沉積步驟中生長(zhǎng)層上以便于對(duì)層的生長(zhǎng)進(jìn)行定向，尤其是離子輻照處理。
優(yōu)選地，襯底出金屬材料構(gòu)成，并且本發(fā)明的方法包括一個(gè)打磨金屬襯底的步驟，以使其表面具有必要的光潔度即小于約10nm的粗糙度，優(yōu)選小于約5nm。
打磨步驟可以使用任何公知的技術(shù)加以實(shí)施且可以包括，具體的說(shuō)，一種或多種機(jī)械、化學(xué)、和/或電化學(xué)形式的處理。
例如特別指出的所述的合金，Hastelloy類(lèi)的金屬合金由于具有相對(duì)的高硬度，能獲得極低的表面粗糙度(甚至小于2nm)。
可以理解，其他類(lèi)型的襯底也可以使用，包括聚合物材料制成的襯底。在這種情況下，直接在襯底的鑄造和成型步驟中制造出理想光潔度(即小于顯示臨界值的粗糙度)的定向?qū)由L(zhǎng)表面。
實(shí)施沉積步驟絲毫不用考慮對(duì)沉積材料特定取向進(jìn)行測(cè)定。一般來(lái)說(shuō)，沉積步驟包括蒸發(fā)沉積材料前驅(qū)體以形成蒸發(fā)區(qū)的步驟和在蒸發(fā)區(qū)將待涂層表面暴露在蒸發(fā)區(qū)且基本上正交于蒸發(fā)方向支撐襯底的步驟。
很顯然，可以采用任何的已知的蒸發(fā)技術(shù)。
例如，將沉積材料的前驅(qū)體置于坩堝中并且借助電加熱、電子轟擊或其它類(lèi)似技術(shù)進(jìn)行蒸發(fā)。
沉積步驟必須在一定沉積速率和溫度參數(shù)下進(jìn)行實(shí)施，這些參數(shù)要以不是破壞而是有助于沉積材料自然織構(gòu)生長(zhǎng)的方式進(jìn)行選擇。根據(jù)所沉積材料(和襯底)，所述參數(shù)要依實(shí)例進(jìn)行確定。
優(yōu)選地，襯底采用柔性帶狀襯底。
事實(shí)上，本發(fā)明的方法發(fā)現(xiàn)了一種在制備超導(dǎo)帶，尤其是具有YBCO或REBCO超導(dǎo)層的超導(dǎo)帶的優(yōu)選實(shí)施方式。因此，也包括了在沉積材料定向?qū)由铣练e超導(dǎo)層、尤其是YBCO或REBCO超導(dǎo)層的步驟。
為了獲得自然織構(gòu)，可以選擇那種能在超導(dǎo)層的所述自然織構(gòu)上進(jìn)行織構(gòu)生長(zhǎng)的沉積材料。
特別是，沉積材料可以是電介質(zhì)材料，或者導(dǎo)電材料，如MgO等，并具有與YBCO或REBCO超導(dǎo)層織構(gòu)生長(zhǎng)相容的自然織構(gòu)。
因此根據(jù)本發(fā)明可以采用如MgO的那些材料，因其自然織構(gòu)也是一種能使YBCO或REBCO層織構(gòu)化的材料。
在采用MgO的情況下，其自然織構(gòu)是[100]，眾所周知，該織構(gòu)也是能使YBCO超導(dǎo)層進(jìn)行織構(gòu)生長(zhǎng)的織構(gòu)。事實(shí)上，當(dāng)緩沖層具有[100]織構(gòu)時(shí)，YBCO超導(dǎo)層在緩沖層上以雙軸只狗進(jìn)行生長(zhǎng)而無(wú)需采用進(jìn)一步的措施。
本發(fā)明在后面的非限制性實(shí)施方案的實(shí)施例中進(jìn)一步加以說(shuō)明。
實(shí)施例提供一種由Hastelloy制備的帶狀非織構(gòu)金屬襯底。
具有約1um起始粗糙度的襯底的表面經(jīng)一個(gè)循環(huán)的打磨后鏡面拋光，直到獲得小于5nm的粗糙度。第一打磨工序是用涂覆有一粒度為1um的金剛石劑研磨層的毛氈布加以實(shí)施。第二打磨工序采用了另一在稀酸溶液中浸過(guò)的拋光布。襯底表面變得光潔且被鏡面拋光。
將襯底傳送到真空腔中，在真空腔內(nèi)進(jìn)行MgO緩沖層的沉積，采用電子槍經(jīng)蒸發(fā)沉積。厚約1Mm的層以30nm/min的沉積速率在200℃下進(jìn)行沉積。根據(jù)MgO的晶體晶面[100]，所述層顯示出優(yōu)良的面內(nèi)雙軸織構(gòu)。
根據(jù)公知的技術(shù)，具有緩沖層的襯底隨后繼續(xù)涂覆YBCO超導(dǎo)層，根據(jù)已知的技術(shù)將該超導(dǎo)層沉積在緩沖層上。所得到的材料顯示出優(yōu)異的超導(dǎo)性能。
權(quán)利要求
1.一種在非織構(gòu)襯底上制備雙軸織構(gòu)層，尤其是制備超導(dǎo)材料中間緩沖層的方法，其特征在于包括提供具有小于約10nm表面粗糙度的非織構(gòu)襯底的步驟；非輔助沉積步驟，該步驟中沉積材料通過(guò)直接蒸發(fā)沉積在所述表面上而不用考慮其取向；和在所述表面上沉積材料進(jìn)行自然織構(gòu)生長(zhǎng)以形成定向?qū)拥牟襟E。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述的沉積步驟中，所述的襯底基本上正交于蒸發(fā)方向，且所述的沉積步驟不進(jìn)行輔助的離子輻照處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述襯底是金屬襯底，且該方法還包含一個(gè)打磨所述金屬襯底以提供所述表面的步驟。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述的沉積步驟包含蒸發(fā)沉積材料前驅(qū)體以形成蒸發(fā)區(qū)的步驟和在所述蒸發(fā)區(qū)內(nèi)支撐襯底使所述表面暴露在蒸發(fā)區(qū)的步驟。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于選擇具有自然織構(gòu)的沉積材料，該自然織構(gòu)能使超導(dǎo)層在所述自然織構(gòu)上織構(gòu)生長(zhǎng)。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述的沉積材料是介電材料或?qū)щ姴牧?，如MgO等，具有與YBCO或REBCO超導(dǎo)層織構(gòu)生長(zhǎng)相容的自然織構(gòu)。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于其包含一個(gè)在所述沉積材料層上方沉積超導(dǎo)層、尤其是YBCO或REBCO超導(dǎo)層的步驟。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述的沉積步驟在一定沉積速率和溫度參數(shù)下進(jìn)行實(shí)施，這些參數(shù)以有助于沉積材料自然織構(gòu)生長(zhǎng)的方式進(jìn)行選擇以形成定向?qū)印?br> 全文摘要
本發(fā)明提供一種在非織構(gòu)襯底上制備雙軸織構(gòu)層的方法，特別是用于制備超導(dǎo)復(fù)合帶中中間緩沖層。所述的非織構(gòu)襯底具有小于約10nm的粗糙度的表面，優(yōu)選小于約5nm。隨后進(jìn)行一個(gè)沉積步驟，其中沉積材料通過(guò)直接蒸發(fā)沉積在所述表面上而不用考慮其取向；沉積材料以自然織構(gòu)形式生長(zhǎng)在表面上，從而形成雙軸織構(gòu)定向?qū)印?br> 文檔編號(hào)C30B23/02GK1853285SQ200480026386
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者埃爾波特·巴爾迪尼, 安芮·告茲, 斯歐·哉那拉 申請(qǐng)人:艾迪森股份公司