[发明专利]高性能超导体带材的质量控制

说明书

本发明公开了一种超导体带材及其制造、测量、监视和控制方法。实施例针对于一种超导体带材，其包括覆盖在缓冲层上方的超导体膜，所述缓冲层覆盖在衬底上方。在一个实施例中，超导体膜被定义为具有高于11.74埃的c轴晶格常数。在另一个实施例中，超导体膜包括BaMO₃，其中M＝Zr、Sn、Ta、Nb、Hf或Ce，并且具有沿着从超导体膜的(001)峰的轴起在60°至90°之间的轴延伸的BaMO₃的(101)峰。这些和其它实施例实现了良好对齐的纳米柱状缺陷，并且因此实现高提升因子，这可以形成带材在例如高磁场中的优异临界电流性能。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月30日提交的第62/381,369号美国临时专利申请的优先权，所述临时申请的全部内容特此以引用的方式并入本文中。

政府赞助：

海军研究办公室奖N00014-14-1-0182。

技术领域

本文公开的实施例属于超导体带材领域。更具体地说，本文公开的实施例涉及超导体带材及其制造、测量、监视和控制方法，其尤其实现良好对齐的纳米柱状缺陷，并且因此实现高提升因子，这能够导致带材在例如高磁场中的优异临界电流性能。

背景技术

正在开发几种材料体系来解决能量生成、传输、转换、储存和使用方面的迫在眉睫问题。超导体很可能是提供解决广泛能量问题的方案的独特体系。超导体在发电机、输电电缆、电机、变压器和储能装置中实现高效率。此外，超导体超越能量应用于医学、粒子物理学、通信和运输。超导带材已经成熟，通过用于在多晶衬底上创建外延单晶状薄膜的新颖方法来实现。在这项技术中，通过离子束辅助沉积在柔性多晶衬底上方来沉积具有岩盐晶体结构的材料薄膜，诸如MgO。

通过这项技术处理的超导膜展现出与在单晶衬底上生长的外延膜中所实现的临界电流密度相当的临界电流密度。使用这项技术，若干机构已经演示超导复合带材的中试制造。非常值得注意的是，当前可以使用多晶衬底基质将单晶状外延膜制造为长度超过一千米。

然而，当今的超导体带材存在某些缺点。超导体的载流能力在磁场中迅速减弱，这给它们在诸如风力发电机等应用中的使用带来了问题，在这些应用中发电机线圈将受到几特斯拉的磁场。此外，由于高温超导体(HTS)的超导性局限于其Cu-O平面内，所以HTS材料展现出强各向异性行为。当磁场与膜表面以不同角度对齐时，这种各向异性在临界电流测量中很明显(图1A)。如图1A所示，标准HTS带材的临界电流随着磁场远离膜表面移动而迅速下降，并且在磁场垂直于带材取向时达到低值，所述低值是用这些带材构成的线圈的极限值。

在过去十年中已经积极开发用于实用超导体的钉扎改进策略来改进场内性能。探索最多的方法会在超导体中引入横向尺寸与超导相干长度相当的缺陷。在2G HTS带材中，此类缺陷包括氧空位、穿线位错、双晶面、杂质原子、辐射诱发的柱状缺陷以及各种成分和结构的纳米结构夹杂物。

最近，为了改善钉扎，研究人员开发了一种基于用BaMO₃(M＝Zr、Sn、Hf、Nb、Ce、Ta等)化学掺杂超导膜来形成柱状缺陷的方法。BZO和BaSnO₃(BSO)夹杂物在超导体膜生长期间通过自组装过程形成直径约5nm的纳米级柱并且显著改进钉扎强度。图1B显示了通过MOCVD生长的(Gd,Y)Ba₂Cu₃O_x(Gd-YBCO)超导膜的横截面显微结构，所述超导膜具有大量自组装BaZrO₃(BZO)纳米柱状缺陷，其大部分垂直于膜平面取向。具有此类显微结构的膜在77K的磁场中展现双倍改进性能，尤其是在沿着BZO纳米柱方向的取向上，并且导致较低的各向异性，如图1A所示。