[发明专利]高温超导体层配置体

说明书

技术领域

本发明涉及高温超导体层配置体，该配置体包括至少一个衬底和一个织构化的(textured)缓冲层，该缓冲层允许高温超导体(HTSC)层的织构化生长。

背景技术

缓冲层具有一系列不同的功能。首先，缓冲层旨在从织构化的衬底尽可能完全和完美地向待生长的HTSC层传递织构，所述织构化的衬底显示出尽可能最高程度的织构化。在该背景中必须考虑到，衬底在双轴向被织构化到尽可能最大的程度，即都垂直于层且在层内处于轴向方向。高温超导体的相应双轴织构化对于实现高临界电流和高电流密度是必需的。此外，缓冲层旨在有效地抑制衬底的任何组分或污染物扩散进HTSC层，因为这可降低高温超导体的临界电流密度和/或绝对临界电流，或者可破坏超导状态。另外，缓冲层旨在对衬底和待生长的高温超导体均显示出尽可能最大的粘接强度。缓冲层在制备和工作条件下还必须显示出足够的机械和温度循环性质。此外，缓冲层应该允许在高加工速度下尽可能最简单的、可重复的制备。

另外，缓冲层材料还应该在衬底上显示出良好的生长性质，该衬底可由金属或金属合金构成。特别地，生长性质对织构传递的品质、生长层在衬底上的粘接强度和生长层的均匀性都很重要，生长层应尽可能无微裂纹、孔隙或者其它结构缺陷，并且无异质相(foreign phase)，例如因不完美结晶得到的非晶相、析出相、化学副反应产物等。此外，就其本身而言，缓冲层对HTSC层的生长性质具有决定性的意义，其中必须再次考虑上述问题。

至今，许多不同的材料已被用作缓冲层材料，例如钇稳定的氧化锆(YSZ)，各种锆酸盐例如锆酸钆、锆酸镧等，钛酸盐例如钛酸锶，简单氧化物例如氧化铈、氧化镁等。为了满足现今复杂和苛刻的总体要求，并特别为保证高程度的织构传递和有效的扩散屏障，缓冲层由包含多种不同缓冲材料的层组合构成，有时为五个以上的层。

例如，已经发现氧化铈(CeO₂)非常适合作为待生长的HTSC层的衬底。然而，氧化铈仅形成不良的扩散屏障，并且因此几乎不适于在金属衬底上直接生长。另外还发现，为了获得氧化铈的足够良好且快速的结晶，过度还原性气氛例如合成气体(forming gas)(例如，具有约2-5体积％的H₂)在结晶步骤中是不合适的。然而已证明，使用由纯氮构成的气氛不适合用于金属衬底，因为痕量的残留氧总是以ppm的范围存在于气体中，因为这些痕量的氧会导致氧化，例如在钨掺杂的镍带材的情形中形成高度稳定且有害的镍钨氧化物。因此，通常使用具有由不同材料制成的多个不同独立层的缓冲层来制备现代的HTSC层配置体。

然而，施加缓冲材料的几个层在工艺工程方面是极复杂的，并且显著地降低了制备功能性HTSC层配置体的整个过程的制备速度，因为在施加每一层缓冲材料之后、在使用化学溶液沉积(CSD)施加另外层之前，退火步骤是必需的。因而，制备HTSC层配置体的成本很大程度上取决于缓冲层的形成。然而，使用由常规材料制成的单层缓冲层尚不足以满足复杂的总体要求。

此外，还需要在高温超导体层的均匀性和织构方面进一步提高高温超导体层的品质。另一方面，施加多个缓冲层会起相反作用，这是不言而喻的，因为重复的新生长过程导致上述的生长和结晶问题，这最终也对HTSC层的均匀性产生负面影响，这也导致织构从衬底层到HTSC层的传递劣化。

尽可能地，还特别有待由如下的HTSC层配置体满足上述要求，其中可以通过化学溶液沉积来制备缓冲层和/或HTSC层。由于缓冲层和HTSC层的热形成期间的相关过程，还必须对这些层的制备提出特殊要求。特别地，层形成和结晶的动力学根本上不同于通过物理方法例如脉冲激光沉积(PLD)、热共蒸发(TCE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等制备这些层的要求。

发明内容

本发明旨在提供一种高温超导体层配置体，该配置体在衬底上显示出良好的生长性质，该配置体可由尽可能少的独立层组成，并且允许尽可能简单地和最无瑕地生长HTSC层。

这个目的由根据权利要求1所述的HTSC层配置体解决，其中至少一层缓冲材料由稀土元素铈氧化物构成。意外的是，这提供了具有良好的扩散屏障性质的层，该层在衬底上显示出良好的生长性质以及在所述层上良好地生长HTSC材料并将高程度的织构传递到HTSC材料，并且可以在没有不希望的异质相的情况下制备该层。这使得能够制备仅具有一个缓冲层并满足非常高要求的HTSC层配置体，该缓冲层可另外由化学溶液沉积制备。而且，可以制备高品质的缓冲层，即使具有相对高的层厚度。

由从属权利要求得到进一步的改善。