專利名稱：一種超導(dǎo)薄膜的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在縱向拉伸的襯底上制作超導(dǎo)薄膜的一種方法。該方法把襯底拉過一淀積室，在淀積室的一個(gè)熱區(qū)內(nèi)將其加熱，并在該熱區(qū)內(nèi)將超導(dǎo)材料被覆于襯底上(DE 4228573C1)。
超導(dǎo)效應(yīng)早為人們所知曉。在超導(dǎo)情況下，—至少對(duì)于直流來(lái)說(shuō)-金屬導(dǎo)體的電阻在低于某一臨界溫度時(shí)消失。該臨界溫度例如對(duì)于材料Nb3Sn來(lái)說(shuō)為18.2K。致冷介質(zhì)通常采用氦。超導(dǎo)體能幾乎無(wú)損耗地傳輸電流。除了其制造之外，一個(gè)問題是特別要在導(dǎo)體周圍保持低溫。
因此要尋求在較高的低溫下已呈現(xiàn)超導(dǎo)性的超導(dǎo)材料。這些高溫超導(dǎo)(HTSL)材料具有大于77K的臨界溫度。它們例如具有釔、鋇、銅、氧等組份。HTSL材料例如可用脈沖激光束、等離子體蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或化學(xué)法被覆于加熱的襯底上。據(jù)DE4228573C1所述，用已知方法制成的薄膜的質(zhì)量和重復(fù)性有不足。這就造成薄膜在保持超導(dǎo)性情況下的電流載量較低，因此限制了可傳輸電流的數(shù)額。
用篇首所述DE4228573C1的已知方法可改善制成的HTSL薄膜的質(zhì)量及重復(fù)性。該方法用脈沖源實(shí)施的被覆是斷續(xù)進(jìn)行的。這就在被覆時(shí)產(chǎn)生襯底與被覆薄膜的溫度狀態(tài)均勻，實(shí)現(xiàn)了上述的改善。但是，這樣制成的薄膜的電流載量也低。
本發(fā)明的任務(wù)在于進(jìn)一步發(fā)展篇首介紹的方法而能使制成的HTSL薄膜取得較高的電流載量。
本發(fā)明完成這一任務(wù)的方法是，襯底在被覆超導(dǎo)材料時(shí)，其幾何形狀不同于成品使用時(shí)，使超導(dǎo)薄膜在使用情況下出現(xiàn)的襯底幾何形狀下在襯底平面產(chǎn)生一壓應(yīng)力。
采用這種方法將超導(dǎo)材料被覆于襯底上，就使超導(dǎo)材料在與其具體用途相應(yīng)的形態(tài)下承受壓應(yīng)力。業(yè)已出人意外地證實(shí)，單單采取這一措施便大大提高了制成的HTSL材料的電流載量。這一點(diǎn)之所以出人意外，特是因?yàn)镠TSL薄膜不同于陶瓷HTSL材料(DE 3730766A1)，具有高密度的顯微結(jié)構(gòu)及不大于0.1％(體積)的很小的晶間孔率。對(duì)所述臨界電流密度改善所能作出的一種可能解釋，是產(chǎn)生了形變晶體的電子或聲子結(jié)構(gòu)的變化，這由a(b)晶格參數(shù)的減小和c軸參數(shù)的增大所造成。還可能在1維形變過程中出現(xiàn)填入中心(Pinning-Zentren)的重新排列。由于應(yīng)用本方法可能有較高的電流，相應(yīng)的超導(dǎo)體可應(yīng)用于新的或更寬的技術(shù)領(lǐng)域中。
實(shí)施本方法，例如可將超導(dǎo)薄膜被覆于在被覆范圍內(nèi)表面區(qū)伸長(zhǎng)的襯底上，接著使襯底消除應(yīng)力，恢復(fù)其原有狀態(tài)。例如可彎曲襯底來(lái)伸長(zhǎng)其表面。因襯底在被覆后彎回，覆膜后的表面和被覆上的超導(dǎo)薄膜承受到作用于襯底面的壓應(yīng)力，使HTSL材料的電流載量得到提高。
也可以使襯底在線性狀態(tài)下被覆，接著將其成線圈。這樣超導(dǎo)覆層處于應(yīng)加力之下，使線圈具有較高的電流載量。
本發(fā)明的其他適宜形式見從屬權(quán)利要求。
本發(fā)明的方法將根據(jù)附圖用實(shí)施例加以說(shuō)明。其中，

圖1為實(shí)施本發(fā)明方法所用裝置的示意圖；圖2至5為襯底薄膜的不同可行方法。
超導(dǎo)薄膜可用各種已知方法被覆于原則上任意的襯底上。下面的敘述中介紹脈沖激光覆膜來(lái)代表各種可行的方法。襯底可以呈不同形式，例如線圈、螺線或帶。下面考慮用帶代表各種可能的結(jié)構(gòu)形式。
在淀積室1(下面簡(jiǎn)稱為“室1”)中例如抽成真空并加以維持，其中例如保持壓力為0.5毫巴的氧氣。在室1中安裝熱區(qū)2、圍繞熱區(qū)的光闌3、電動(dòng)機(jī)4和裝有超導(dǎo)材料的靶5。電脈沖激光器6發(fā)出的激光束7可通過窗8射入室1。激光束照射到靶5上。構(gòu)成管狀的熱區(qū)2有一孔9，它可通過裝成可轉(zhuǎn)動(dòng)的光闌3打開和關(guān)閉。為此，由電動(dòng)機(jī)4使光闌3能繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)。靶5裝在室1中而同樣能轉(zhuǎn)動(dòng)，這用箭頭10來(lái)表示。該靶與熱區(qū)2相間隔，宜安裝成對(duì)穿過孔9中心的直線11對(duì)稱。
例如由多晶材料制成的襯底12(下面稱為“帶12”)以所繪箭頭的方向通過室1。它通過孔13進(jìn)入室1，通過熱區(qū)2并由孔14離開室1。帶12在室1的孔13和14中由輥15和16傳送。在熱區(qū)2中由輥17傳送。在所示實(shí)施例中設(shè)有3個(gè)輥17。
在熱區(qū)2中，輥17安裝成使縱向牽引的帶12彎曲通過。帶12在彎曲區(qū)的曲率半徑用R表示。彎曲頂點(diǎn)位于熱區(qū)2的孔9的高度上，因此也位于靶5的高度上。
為用圖1所示裝置實(shí)施本發(fā)明的方法，首先接通激光6和熱區(qū)2。照射到靶5上的激光束7使超導(dǎo)材料粒子從靶表面釋出，這些粒子通過用虛線表示的等離子體束淀積在帶12上。穿過熱區(qū)2的帶12便取得超導(dǎo)材料層19。
超導(dǎo)材料在彎曲區(qū)被覆到帶12上。這一彎曲區(qū)大致從帶12進(jìn)入熱區(qū)2的部位開始，并大致在其最好產(chǎn)生低加熱功率的出口區(qū)20內(nèi)終止。這用繪出的缺口21表示。這樣在熱區(qū)2的出口區(qū)20內(nèi)，被覆有薄膜19的帶12業(yè)已冷卻。這樣就會(huì)在帶12被重新校直時(shí)使帶12與薄膜19之間的結(jié)合足夠牢固。由此實(shí)現(xiàn)了覆膜的帶12表面和薄膜19兩方面的緊壓，使制成的HTSL帶的電流載量得到提高。
覆膜期間可用電動(dòng)機(jī)4使間光闌3繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)。就這樣光闌起旋轉(zhuǎn)的紅外屏蔽的作用，它與激光脈沖同步，使帶12周期地短時(shí)間暴露。在這一時(shí)間內(nèi)總是通過粒子束使材料從靶5向帶12轉(zhuǎn)移。用這種符合DE4228573C1的方法取得了在淀積區(qū)內(nèi)更好的溫度環(huán)境，這就改進(jìn)了淀積的質(zhì)量和重復(fù)性。
在熱區(qū)2內(nèi)彎曲帶12而使之有約在0.01％和0.6％之間的伸長(zhǎng)。帶12的具體伸長(zhǎng)可按下式計(jì)算R＝d/2δ式中，R為曲率半徑，d為帶12的厚度，δ為絕對(duì)變形率，在0.0001和0.006之間。
圖2至5示出在多種應(yīng)用中覆膜時(shí)的帶12以及被覆有超導(dǎo)薄膜19的帶12的各種可能的構(gòu)形。其中與圖1中相同的零部件標(biāo)號(hào)相同。
圖2所示裝置基本上與圖1的裝置相當(dāng)。帶12在若干個(gè)輥17上呈彎曲狀態(tài)，按所繪箭頭方向傳送而通過熱區(qū)3。這時(shí)所彎曲的半徑R符合方程R＝2k/d式中，d是帶12的厚度。系數(shù)k表示帶12的容許伸長(zhǎng)，它在0.001％和0.6％之間。在熱區(qū)2中帶12被覆超導(dǎo)材料。被覆上超導(dǎo)層19的帶12在離開熱區(qū)2后由輥15校直。這時(shí)，超導(dǎo)材料被壓縮。這樣制成的HTSL超導(dǎo)體在平直狀態(tài)的應(yīng)用中，其電流載量得到提高。
在圖3所示裝置中，按圖示箭頭方向移動(dòng)的帶12平直地由輥15導(dǎo)入熱區(qū)2，并在該熱區(qū)內(nèi)被覆超導(dǎo)材料。離開熱區(qū)2之后，帶12重新被輥17彎曲成半徑為R。這時(shí)超導(dǎo)薄膜19位于內(nèi)側(cè)，致使其材料被壓縮。彎曲的HTSL超導(dǎo)體可輸送較高的電流。
在圖4所示裝置中，由輥17傳送并彎曲成半徑R1的帶12按圖示箭頭方向通過熱區(qū)2。內(nèi)側(cè)彎曲的表面被覆上超導(dǎo)材料。接著將被覆有超導(dǎo)薄膜19的帶12以半徑R2繞成帶圈。R2小于R1，因此，薄膜19的材料在卷包S中受到壓應(yīng)力。這種超導(dǎo)帶圈S具有高的電流載量。
與圖4相反，在圖5所示裝置中帶12外側(cè)被覆超導(dǎo)材料，它以半徑R1彎曲，穿過熱區(qū)2，接著“擴(kuò)充”到大于R1的半徑R2。這時(shí)超導(dǎo)薄膜19的材料被壓縮。這種HTSL超導(dǎo)體也能傳輸較高電流。
適用于半徑R1和R2的關(guān)系式為R1/R2＝〔1±2kR2/d〕-1式中，d是帶12的厚度，k是考慮12伸長(zhǎng)的系數(shù)。正號(hào)適用于圖5所示外側(cè)覆膜，負(fù)號(hào)適用于圖4的內(nèi)側(cè)覆膜。
帶12例如可以是0.12mm厚的鎳箔，或是0.125mm厚的由釔穩(wěn)定的鋯瓷制成的帶。這兩種“襯底”均加有由釔穩(wěn)定鋯瓷制成的緩沖層。淀積區(qū)內(nèi)的溫度約有770℃。該溫度在出口區(qū)20內(nèi)約為20至400℃。薄膜19以0.5至1.0nm/s的速率淀積。帶12以0.8cm/h的速度傳送。帶12的材料也可以采用雙金屬材料，它們?cè)诟材r(shí)和使用中的不同溫度下自動(dòng)產(chǎn)生彎曲。
本發(fā)明的方法導(dǎo)致下面用兩個(gè)例子說(shuō)明的結(jié)果例10.12mm厚的鎳箔在覆膜區(qū)內(nèi)彎曲成曲率半徑R為40mm。δ值為0.0015。制成的HTSL帶，其臨界溫度為89.2K，電流載量為1.8×106A/cm2。電流載量約為以往技術(shù)情況下的二倍。例2厚0.125mm的釔穩(wěn)定鋯瓷帶在覆膜區(qū)內(nèi)彎曲成曲率半徑為30mm。δ值為0.0021。制成的HTSL帶，其臨界溫度為89.8K，電流載量為0.4×106A/cm2。電流載量約為以往技術(shù)情況下的1.4倍。
權(quán)利要求
1.在縱向拉伸的襯底上制作超導(dǎo)薄膜的方法，該法使襯底穿過淀法積室，在淀積室的一熱區(qū)內(nèi)予以加熱，并在該熱區(qū)內(nèi)被覆超導(dǎo)材料，其特征在于襯底(12)以不同于成品使用時(shí)的幾何形狀被覆超導(dǎo)材料，使超導(dǎo)薄膜(19)在使用時(shí)出現(xiàn)的襯底(12)的幾何形狀下在襯底面產(chǎn)生壓應(yīng)力。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于在被覆超導(dǎo)材料期間用機(jī)械方法使襯底(12)的表面伸長(zhǎng)，以及在使用情況下襯底(12)變形而不同于覆膜時(shí)的形狀，從而使其覆膜后的表面消除應(yīng)力。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于襯底(12)的機(jī)械伸長(zhǎng)范圍是在覆膜前開始直至熱區(qū)(2)后面的一個(gè)冷卻區(qū)。
4.權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于處在拉應(yīng)力下的襯底(12)在覆膜區(qū)內(nèi)由輥(17)傳送和彎曲。
5.權(quán)利要求1的方法，其特征在于襯底(12)在線性狀態(tài)下覆膜并在使用情況下彎曲使超導(dǎo)材料薄膜(19)位于內(nèi)側(cè)。
6.權(quán)利要求5的方法，其特征在于襯底(12)彎曲的半徑符合方程R＝2k/d式中d為襯底厚度，k為表示襯底伸長(zhǎng)的系數(shù)。
7.權(quán)利要求1的方法，其特征在于襯底(12)首先彎曲成半徑為R1；襯底(12)在此后被覆超導(dǎo)材料；覆膜后的襯底(12)在使用情況下以不同于半徑R1的半徑R2彎曲。
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于兩個(gè)半徑R1和R2的關(guān)系為R1/R2＝〔1±2kR2/d〕-1式中，d為襯底厚度，k為表示襯底伸長(zhǎng)的系數(shù)，正號(hào)表示外側(cè)覆膜，負(fù)號(hào)表示內(nèi)側(cè)覆膜。
9.權(quán)利要求1至8的方法，其特征在于使用由一種多晶材料組成的襯底(12)。
10.權(quán)利要求1至9的方法，其特征在于用作襯底(12)的是鎳箔。
11.權(quán)利要求1至9的方法，其特征在于采用由釔穩(wěn)定的鋯瓷制成的帶作襯底(12)。
12.權(quán)利要求1至8的方法，其特征在于將雙金屬材料用作襯底(12)。
13.權(quán)利要求1至12的方法，其特征在于襯底(12)在拉伸成彎曲時(shí)有0.01％與0.6％之間的線性形變。
14.權(quán)利要求1至13的方法，其特征在于覆膜后的襯底(12)在超導(dǎo)薄膜(19)壓縮時(shí)承受400℃以下的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在縱向拉伸的襯底(12)上制作超導(dǎo)薄膜(19)的方法,該法使襯底(12)穿過淀積室(1),并在淀積室的熱區(qū)(2)內(nèi)加熱襯底和被覆超導(dǎo)材料。為提高電流載量,襯底(12)以不同于成品使用時(shí)的幾何形狀被覆超導(dǎo)材料,使超導(dǎo)薄膜(19)在使用中出現(xiàn)的襯底(12)的幾何形狀下在襯底面產(chǎn)生一壓應(yīng)力。
文檔編號(hào)C23C14/16GK1175798SQ9711462
公開日1998年3月11日 申請(qǐng)日期1997年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月11日
發(fā)明者荷伯特·C·弗里哈特, 阿萊塞德·烏索斯基, 佛朗西斯科·噶西亞－莫勒諾 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾·阿爾斯托姆通用電氣公司