超導薄膜材料、超導導線及其製造方法
2023-10-05 12:43:29 1
專利名稱：超導薄膜材料、超導導線及其製造方法
技術領域：
本發明涉及超導薄膜材料、超導導線，及其製造方法，其能夠增強與 膜厚度的增加有關的臨界電流的增加量。
背景技術：
自從發現高溫超導體以來，全世界的研究所對超導導線的開發已 經付出了很大的努力，旨在將它們應用於電力設備如電纜，故障限流 器或磁體。
己知現有的超導導線的例子包括其中超導薄膜直接形成在基底上
的超導導線(例如參見日本專利公開No.06-031604 (專利文獻l)，日 本專利公開No.06-068727 (專利文獻2 )以及日本專利公開 No.06-068728 (專利文獻3))，以及其中超導薄膜形成在基底上，並 有一中間層介於兩者之間的超導導線(例如參見Fujino等人，"使用 ISD方法的高溫超導薄膜帶的發展(Development of High-Temperature Superconducting Thin Film Tape Using the ISD Method) " ， SEI Technical Review, 1999年9月,155巻，第131-135頁(非專利文獻1))。
另外，在製造這樣的超導導線的過程中，建議預先磨光基底表面， 然後在基底的表面形成超導薄膜以獲得高臨界電流(例如參見專利文 獻1-3)。
專利文獻h日本專利公開No.06-031604 專利文獻2:日本專利公開No.06-068727 專利文獻3:日本專利公開No.06-068728
非專利文獻1: Fujino等人，"使用ISD方法的高溫超導薄膜帶 的發展(Development of High-Temperature Superconducting Thin Film Tape Using the ISD Method) " ， SEI Technical Review, 1999年9月， 155巻，第131-135頁
發明內容
技術問題
為在超導薄膜中獲得高臨界電流，超導薄膜的表面平滑度是個決 定性的重要因素。然而，超導薄膜的表面平滑度隨著超導薄膜厚度的 增加而惡化。
因此，即使在製造更厚的超導薄膜以獲得高臨界電流的情況下， 與膜厚度增加有關的臨界電流的增加仍逐漸減弱，不能獲得高臨界電 流。
因此，本發明的一個目的是提供超導薄膜材料，超導導線，及其 製造方法，其能夠增強與膜厚度增加有關的臨界電流的增加量。
技術方案
本發明是超導薄膜材料，包括具有經過平滑處理的表面的第一超 導薄膜，以及形成在經過平滑處理的第一超導薄膜的表面的第二超導 薄膜。
在本發明的超導薄膜材料中，可以通過機械拋光和化學拋光中的 至少一種來進行平滑處理。
另外，本發明是超導導線，包括基底、形成在基底上的中間層、 以及形成在中間層上的超導層，其中超導層由上述超導薄膜材料製成。
在本發明的超導導線中，基底可以由基本金屬(elemental metal)或合金製成。另外，在本發明的超導導線中，中間層可以由具有巖鹽 型、螢石型、鈣鈦礦型或燒綠石型晶體結構的氧化物製成。
而且，在發明的超導導線中，超導層可以由RE-123超導體製成。
另外，本發明是製造超導薄膜材料的方法，包括步驟在第一超 導薄膜的表面進行平滑處理；以及在經過平滑處理的第一超導薄膜的 表面形成第二超導薄膜。
在本發明的超導薄膜材料的製造方法中，可以通過機械拋光和化 學拋光中的至少一種來進行平滑處理。
另外，本發明是根據上述任意的製造超導導線的方法，包括步驟 在基底上形成中間層；在中間層上形成第一超導薄膜；在第一超導薄 膜的表面進行平滑處理；以及在經過平滑處理的第一超導薄膜的表面 形成第二超導薄膜。
發明效果
根據本發明，可以提供超導薄膜材料、超導導線及其製造方法， 其能夠增強與膜厚度增加有關的臨界電流的增加量。
圖1示出的是本發明的超導薄膜材料的優選實施例的示意橫截面圖。
圖2示出的是製造本發明的超導薄膜材料的方法的優選實施例的 流程圖。
圖3示出的是本發明的超導導線的優選實施例的一部分的示意橫 截面圖。
圖4示出的是製造本發明的超導導線的方法的優選實施例的流程圖。
圖5示出的是在本發明的實施例中使用的設備的示意橫截面圖。 附圖標記說明
1超導薄膜材料，la第一超導薄膜，lb第二超導薄膜，2基板，3 中間層，4超導層，5靶，6KrF激態分子雷射束，7等離子體，IO超 導導線
具體實施例方式
本發明是超導薄膜材料，包括具有經過平滑處理的表面的第一超 導薄膜，以及形成在經過平滑處理的第一超導薄膜的表面的第二超導 薄膜。
通常，使用例如脈衝雷射沉積的方法，通過延長形成周期， 一次 性形成厚的超導薄膜材料。然而，由於超導薄膜以積聚的方式形成在 平滑度差的表面，因此隨著超導薄膜材料的薄膜厚度的增加，表面平 滑度存在惡化的趨勢。
因此，在本發明中，為了形成更厚的超導薄膜材料，在超導薄膜 材料形成期間在第一超導薄膜的表面進行平滑處理，然後第二超導薄 膜連續地形成在第一超導薄膜的經過平滑處理的表面，而不是一次性 形成整個超導薄膜材料。因此，在本發明中，可以獲得表面平滑度優 異的超導薄膜材料，可以防止與膜厚度增加有關的臨界電流的增加量 的減慢，因此可以獲得高臨界電流。需要注意的是，在本發明中，還 可以在第二超導薄膜的表面進行平滑處理，然後可以在其上形成另外 的第三超導薄膜。可以重複在超導薄膜的表面進行這樣的平滑處理並 隨後在經過平滑處理的超導薄膜表面形成另外的超導薄膜。
圖1示出的是本發明的超導薄膜材料的優選實施例的示意橫截面 圖。本發明的超導薄膜材料1包括形成在基底2上的第一超導薄膜la， 以及第二超導薄膜lb。構成本發明的超導薄膜材料1 (構成第一超導
薄膜la和第二超導薄膜lb的材料)的材料並沒有特別的限定，只要 它具有超導性能即可，例如可以使用RE-123超導體。需要注意的是， RE-123超導體是用公式REBa2Cii30x表示的超導體，其中x是6-7，且 RE代表稀土元素，例如鈥、釓或釤，或釔。而且，作為構成基底2的 材料，可以使用基本金屬或合金，例如鎳或鎳合金。圖2示出的是製造本發明的超導薄膜材料的方法的優選實施例的 流程圖。首先，如Sll中所示，在基板的表面形成第一超導薄膜。可 以通過例如脈衝雷射沉積的方法形成第一超導薄膜。接著，如S12中所示，在基底表面上形成的第一超導薄膜的表面 經受平滑處理。可以通過機械拋光和化學拋光的至少一種進行平滑處 理，例如CMP (化學機械拋光)、溼法蝕刻或機械拋光。另外，優選 地在第一超導薄膜的表面具有不超過10nm的表面粗糙度Ra (JIS B0601)前進行平滑處理，更優選地是在其具有不超過6nm的表面粗糙 度Ra前進行。然後，如S13中所示，第二超導薄膜形成在第一超導薄膜的經過 平滑處理的表面上。與第一超導薄膜類似，通過例如脈衝雷射沉積的 方法形成第二超導薄膜。然後，如S14中所示，製造本發明的超導薄膜材料。需要注意的 是，在上述製造方法中，第二超導薄膜的表面還可以被平滑處理，然 後在第二超導薄膜的經過平滑處理的表面上形成另外的第三超導薄 膜。在超導薄膜的表面進行這樣的平滑處理和隨後在超導薄膜的經過 平滑處理的表面上形成另外的超導薄膜可以重複。圖3示出的是本發明的超導導線的優選實施例的一部分的示意橫 截面圖。本發明的超導導線10包括基板2、形成在基板2上的中間層 3以及在中間層3上形成的超導層4。 本發明的超導導線10的特點在於，通過使用上述的本發明的超導 薄膜材料作為超導層4。具體地說，超導層4即使在其具有增加了的膜 厚度時仍具有平滑表面，因此，在本發明的超導導線io中也能夠獲得 高的臨界電流，而沒有引起與超導層4的膜厚度增加有關的臨界電流的增加量的減慢。另外，作為構成基底2的材料，如上述描述中那樣，可以使用基 本金屬或合金，例如鎳或鎳合金。作為構成中間層3的材料，例如可 以使用具有巖鹽型、螢石型、鈣鈦礦型和燒綠石型晶體結構的其中一 種的氧化物。具有上述晶體結構的氧化物的例子包括稀土元素的氧化 物，例如YSZ (氧化釔穩定的氧化鋯)或Ce02 (二氧化鈰)、BZO (BaZr03) 、 STO (SrTi03)和A1203。另外，中間層3不僅可以由單 層也可以由不同材料製成的多層形成。需要注意的是，在本發明的超 導導線中，可以形成用來塗覆超導層的由例如銀製成的塗覆層以保護 超導層。圖4示出的是製造本發明的超導導線的方法的優選實施例的流程 圖。首先，如S21中所示，中間層形成在基板的表面上。可以通過例 如脈衝雷射沉積的方法形成中間層。接著，如S22中所示，第一超導薄膜形成在中間層的表面上。可 以通過例如脈衝雷射沉積的方法形成第一超導薄膜。然後，如S23中所示，在形成在中間層的表面上的第一超導薄膜 的表面上進行平滑處理。可以通過機械拋光和化學拋光的至少一種進 行平滑處理，例如上述的CMP (化學機械拋光)、溼法蝕刻或機械拋 光。另外，平滑處理優選在第一超導薄膜的表面具有不超過lOnm的表 面粗糙度Ra (JISB0601)前進行，更優選地是在其具有不超過6nm的 表面粗糙度Ra前進行。 接著，如S24中所示，第二超導薄膜形成在第一超導薄膜的經過 平滑處理的表面上。與第一超導薄膜類似，可以通過例如脈衝雷射沉 積的方法形成第二超導薄膜。然後，如S25中所示，超導薄膜材料形成在中間層的表面上，因 此製造了本發明的超導導線。需要注意的是，在上述的製造方法中， 還可以在第二超導薄膜的表面迸行平滑處理，然後在其上形成另外的 第三超導薄膜。在超導薄膜的表面進行這樣的平滑處理和隨後在超導 薄膜的經過平滑處理的表面上形成另外的超導薄膜可以重複。實例第一實例首先，由鎳合金製成的基板2被放置在裝置中，在圖5中示出了 該裝置的示意性橫截面圖，由氧化釔穩定的氧化鋯製成的靶5也被設 置在基板2的下面。此時，設置基板2和靶5使得基板2的表面和靶5 的表面平行且彼此相對。然後，將基板2的表面和靶5的表面之間的 距離設置為50mm。通過將氧化釔(Y203)加入到氧化鋯(Zr02)中制 得氧化釔穩定的氧化鋯，其中氧化釔佔氧化鋯質量的8%。接著，將裝置抽空。然後，將含有90%體積的氬氣(Ar)和10 %體積的氧氣(02)的混合氣體注入該裝置中，裝置中的壓力被設定 為1X107託。然後，將基板2加熱到70(TC的溫度，然後用具有248nm波長和 3.5 J/cm2能量照度(energy illuminance)的KrF激態分子雷射束6以脈 衝的方式在40Hz循環頻率下照射靶5的表面。然後，產生靶5的等離 子體7以在基板2的表面形成由氧化釔穩定的氧化鋯製成的且具有1 wm厚度的中間層。接著，靶5換成另一個由HoBa2Cu3Ox (RE-123超導體)製成的 靶5，且再次將該裝置抽空。然後，包含100%體積氧氣的氣體被注入 該裝置，裝置中的壓力被設定為2乂108託。然後，在基板2的溫度被設定為650'C後，用具有248nm波長和 3.5 J/cn^能量照度的KrF激態分子雷射束6以脈衝的方式在80Hz循環 頻率下照射靶5的表面。然後，產生耙5的等離子體7以在中間層的 表面形成由RE-123超導體製成的且具有1 ix m膜厚度的第一超導薄膜。以這種方式獲得的超導導線被稱為樣品A，使用原子力顯微鏡 (AFM)測量樣品A的第一超導薄膜的表面粗糙度Ra，用四端點法測量 其臨界電流值Ic。表l示出了該結果。如表1所示，樣品A的第一超 導薄膜具有55nm的表面粗糙度Ra和110A/cm寬度的臨界電流值Ic。樣品A的第一超導薄膜的表面經受平滑處理，使用CMP將其厚度 拋光並被除去O.lum (即，拋光和被除去後的第一超導薄膜具有0.9 um的膜厚度)。使用AFM測量經過平滑處理的第一超導薄膜的表面粗 糙度Ra，獲得的表面粗糙度Ra為6nm。然後，經過上述平滑處理的樣品A被放置在圖5所示的裝置中的 基板2的位置，由RE-123超導體製成並具有1 li m膜厚度的第二超導 薄膜在與上述樣品A中形成第一超導薄膜相同的條件下，形成在樣品A 的第一超導薄膜的經過平滑處理的表面上。然後，包括第一超導薄膜 和第二超導薄膜的超導層形成在中間層上(超導層具有1.9um的厚 度)。以這種方式獲得的超導導線被稱為樣品B,用AFM測量樣品B的 超導層的表面粗糙度Ra，如樣品A中那樣，用四端點法測量其臨界電 流值Ic。表l示出了該結果。如表1所示，樣品B具有6nm的表面粗 糙度Ra和200A/cm寬度的臨界電流值Ic。
第一比較實例製備具有由氧化釔穩定的氧化鋯製成的中間層和以該順序在其上形成的、由二氧化鈰製成的中間層的基板。然後，由RE-123超導體制 成並具有2 " m的膜厚度的超導薄膜形成在由二氧化鈰製成的中間層的 表面上。以這種方式獲得的超導導線被稱為樣品C，用AFM測量樣品C的 超導薄膜的表面粗糙度Ra，如樣品A和B中那樣，用四端點法測量其 臨界電流值Ic。表l示出了該結果。如表1所示，樣品C具有80nm的 表面粗糙度Ra和140A/cm寬度的臨界電流值Ic。[表1]樣品ABC超導薄膜表面經受平滑處理否是否超導薄膜的膜厚度(ym)1. 01. 92. 0表面粗糙度Ra (nm)55680臨界電流值Ic (A/cm寬度)110200140如表1所示，當在樣品A和樣品C之間進行比較時，兩者都沒有 經過平滑處理，具有更大的超導薄膜的膜厚度的樣品C具有更大的臨 界電流值Ic。然而，已經證實，其中第一超導薄膜的表面用CMP進行 平滑處理，然後第二超導薄膜在其上形成的樣品B具有比樣品C更大 的臨界電流值Ic，即使其具有與樣品C幾乎相同的膜厚度。因此，證 實了在本發明中，可以增強與膜厚度增加有關的臨界電流的增加量。應該理解，無論從哪一點看，上述公開的實施例和例子都只是用 來示例而不是用來限制。本發明的範圍由權利要求提出而不是由上述 說明書提出，並且其旨在覆蓋與權利要求等價的精神和範圍內的所有 改進。
工業實用性本發明的超導薄膜材料和超導導線適合應用於電力設備如電纜， 故障限流器或磁體中。
權利要求
1.一種超導薄膜材料(1)，包括具有經過平滑處理的表面的第一超導薄膜(1a)；以及在經過所述平滑處理的第一超導薄膜(1a)的表面上形成的第二超導薄膜(1b)。
2. 根據權利要求1的超導薄膜材料(1)，其中所述平滑處理是 通過機械拋光和化學拋光中的至少一種來進行的。
3. —種超導導線(10)，包括 基板(2);形成在所述基板(2)上的中間層(3);以及 形成在所述中間層(3)上的超導層(4)，其中所述超導層(4)由根據權利要求1的超導薄膜材料(1)製成。
4. 根據權利要求3的超導導線(10)，其中所述基板(2)由基 本金屬或合金製成。
5. 根據權利要求3的超導導線(10)，其中所述中間層(3)由 具有巖鹽型、螢石型、鈣鈦礦型或燒綠石型晶體結構的氧化物製成。
6. 根據權利要求3的超導導線(10)，其中所述超導層(4)由 RE-123超導體製成。
7. —種製造超導薄膜材料(1)的方法，包括如下步驟 在第一超導薄膜(la)的表面上進行平滑處理；以及 在經過所述平滑處理的第一超導薄膜(la)的表面上形成第二超導薄膜(lb)。
8. 根據權利要求7的製造超導薄膜材料(1)的方法，其中所述 平滑處理是通過機械拋光和化學拋光中的至少一種來進行的。
9. 一種製造根據權利要求3的超導導線(10)的方法，包括如下步驟在所述基板(2)上形成中間層(3); 在所述中間層(3)上形成第一超導薄膜(la); 在第一超導薄膜(la)的表面上進行平滑處理；以及 在經過所述平滑處理的第一超導薄膜(la)的表面上形成第二超 導薄膜(lb)。
全文摘要
提供了超導薄膜材料(1)，其包括具有經過平滑處理的表面的第一超導薄膜(1a)和在經過該平滑處理的第一超導薄膜(1a)的表面上形成的第二超導薄膜(1b)。而且，提供了超導導線(10)，其包括基板(2)，形成在基板(2)上的中間層(3)，形成在中間層(3)上的超導層(4)，其中該超導層(4)由上述的超導薄膜材料(1)製成。而且，提供了製造超導薄膜材料(1)的方法和製造超導導線(10)的方法。
文檔編號H01B13/00GK101111906SQ20068000341
公開日2008年1月23日 申請日期2006年1月26日 優先權日2005年2月3日
發明者大松一也, 母倉修司 申請人:住友電氣工業株式會社;財團法人國際超電導產業技術研究中心