专利名称：一种在非织构衬底上制备双轴织构层的方法,特别是用于制备超导复合带中的中间缓冲 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在非织构衬底上制备双轴织构层的方法，特别是用于制备超导复合带中的中间缓冲层的方法。
背景技术：
将YBCO或REBCO类高临界温度的超导膜沉积在柔性金属带上以获得所谓的“涂层导体”或超导复合带的大规模生产的可能性具有相当重要的工业价值。
众所周知，制备上述产品可能使用两种类型的金属衬底，即具有面内双轴织构的衬底和非织构衬底。
具有面内双轴织构的衬底确保良好的超导性能归功于经过合适的轧制工艺后再进行高温再结晶所获得的立方织构。在这种情况下，YBCO超导层的临界电流密度(jc)达到最大归功于缓冲层(例如出MgO、CeO2等构成)和由YBCO和REBCO构成的超导层中的衬底形成了双轴织构。
然而，织构衬底的不足在于至今市场上相对难以得到、相对低的机械性能和磁性能，这些使得在交流操作中容易发生泄漏。
相反，非织构金属衬底，典型的由合金如Hastelloy合金和其他的非磁性钢片制成的非织构金属衬底显示出优良的机械性能、且价格便宜、没有磁性。
然而因为这些衬底不能进行织构，所以必须借助特定的辅助定向沉积方法来诱导第-缓冲层(即衬底上直接沉积的层)进行定向生长，所述辅助定向沉积方法如倾斜衬底沉积法(ISD，设计相对于蒸发方向倾斜的衬底)或离子束辅助沉积法(IBAD，其中通过以一定取向直接辐照在层上的离子束来促进层的定向生长)。但是，由于这两种工艺和上述所有的IBAD工艺都涉及特定的结构和工艺解决方案，所以这些技术相对复杂且价格昂贵。ISD技术的特征在于其所制备膜的超导性能肯定要比织构衬底上所制备的膜的性能差。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种克服上述现有技术缺陷的制备方法。特别是，本发明的目的是提供一种能简单地又十分经济地加以实施的制备方法，该方法能以非织构衬底为原料制备具有良好超导性能的高临界温度的超导带。
本发明的最佳实施方案根据以上所述的目的，本发明涉及一种在非织构衬底上制备双轴织构层的方法，尤其是用于制备超导复合带中中间缓冲层，所述方法的特征在于包括下列步骤一提供非织构衬底的步骤，该衬底表面的粗糙度小于约10nm，优选小于约5nm；一无辅助的沉积步骤，其中沉积材料通过直接蒸发沉积在所述表面上而不用考虑其取向；和一沉积材料在表面上以自然织构生长，从而形成一定取向层的步骤。
众所周知，衬底上形成的层的“自然织构”意指对应于晶体方向的织构，该方向可以减小衬底和形成层之间界面的表面张力。
本发明的方法能够在非织构衬底上沉积具有优良双轴织构的定向层而不要求复杂的辅助定向沉积工艺，例如ISD或IBAD工艺，例如，所述层也可以包括用于超导复合带中的缓冲层。因此，在所述定向层上随后沉积的由超导材料制备的层依次沿正确的晶向定向生长，并具有优异的超导性能，同时也不会受到先前制备步骤的任何不利影响。
事实上已经发现衬底的表面光洁度(即粗糙度)能确保沉积材料层的定向生长，而与衬底本身的取向特征无关。
因此，只要具有低于临界值的表面粗糙度，非织构衬底就能沉积出具有良好双轴织构的定向层。
因此根据本发明，所述沉积步骤是一个“非辅助沉积步骤”，其意指，不同于辅助定向的沉积方法，如ISD或IBAD技术，该步骤是直接蒸发的沉积步骤，其中，沉积在衬底上的层的定向生长不需要采用相对于蒸发方向倾斜的衬底(如在ISD方法中)，或者在沉积过程中采用辅助手段直接在生长层上进行处理等方式(如在IBAD方法中)来进行诱导或辅助处理。
换句话说，根据本发明，非辅助沉积步骤定义为以下特征i)衬底大体上与蒸发方向正交，即它基本上与蒸发方向依次保持正交；和ii)沉积步骤的实施不需要仟何辅助处理直接施加在沉积步骤中生长层上以便于对层的生长进行定向，尤其是离子辐照处理。
优选地，衬底出金属材料构成，并且本发明的方法包括一个打磨金属衬底的步骤，以使其表面具有必要的光洁度即小于约10nm的粗糙度，优选小于约5nm。
打磨步骤可以使用任何公知的技术加以实施且可以包括，具体的说，一种或多种机械、化学、和/或电化学形式的处理。
例如特别指出的所述的合金，Hastelloy类的金属合金由于具有相对的高硬度，能获得极低的表面粗糙度(甚至小于2nm)。
可以理解，其他类型的衬底也可以使用，包括聚合物材料制成的衬底。在这种情况下，直接在衬底的铸造和成型步骤中制造出理想光洁度(即小于显示临界值的粗糙度)的定向层生长表面。
实施沉积步骤丝毫不用考虑对沉积材料特定取向进行测定。一般来说，沉积步骤包括蒸发沉积材料前驱体以形成蒸发区的步骤和在蒸发区将待涂层表面暴露在蒸发区且基本上正交于蒸发方向支撑衬底的步骤。
很显然，可以采用任何的已知的蒸发技术。
例如，将沉积材料的前驱体置于坩埚中并且借助电加热、电子轰击或其它类似技术进行蒸发。
沉积步骤必须在一定沉积速率和温度参数下进行实施，这些参数要以不是破坏而是有助于沉积材料自然织构生长的方式进行选择。根据所沉积材料(和衬底)，所述参数要依实例进行确定。
优选地，衬底采用柔性带状衬底。
事实上，本发明的方法发现了一种在制备超导带，尤其是具有YBCO或REBCO超导层的超导带的优选实施方式。因此，也包括了在沉积材料定向层上沉积超导层、尤其是YBCO或REBCO超导层的步骤。
为了获得自然织构，可以选择那种能在超导层的所述自然织构上进行织构生长的沉积材料。
特别是，沉积材料可以是电介质材料，或者导电材料，如MgO等，并具有与YBCO或REBCO超导层织构生长相容的自然织构。
因此根据本发明可以采用如MgO的那些材料，因其自然织构也是一种能使YBCO或REBCO层织构化的材料。
在采用MgO的情况下，其自然织构是[100]，众所周知，该织构也是能使YBCO超导层进行织构生长的织构。事实上，当缓冲层具有[100]织构时，YBCO超导层在缓冲层上以双轴只狗进行生长而无需采用进一步的措施。
本发明在后面的非限制性实施方案的实施例中进一步加以说明。
实施例提供一种由Hastelloy制备的带状非织构金属衬底。
具有约1um起始粗糙度的衬底的表面经一个循环的打磨后镜面抛光，直到获得小于5nm的粗糙度。第一打磨工序是用涂覆有一粒度为1um的金刚石剂研磨层的毛毡布加以实施。第二打磨工序采用了另一在稀酸溶液中浸过的抛光布。衬底表面变得光洁且被镜面抛光。
将衬底传送到真空腔中，在真空腔内进行MgO缓冲层的沉积，采用电子枪经蒸发沉积。厚约1Mm的层以30nm/min的沉积速率在200℃下进行沉积。根据MgO的晶体晶面[100]，所述层显示出优良的面内双轴织构。
根据公知的技术，具有缓冲层的衬底随后继续涂覆YBCO超导层，根据已知的技术将该超导层沉积在缓冲层上。所得到的材料显示出优异的超导性能。
权利要求
1.一种在非织构衬底上制备双轴织构层，尤其是制备超导材料中间缓冲层的方法，其特征在于包括提供具有小于约10nm表面粗糙度的非织构衬底的步骤；非辅助沉积步骤，该步骤中沉积材料通过直接蒸发沉积在所述表面上而不用考虑其取向；和在所述表面上沉积材料进行自然织构生长以形成定向层的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述的沉积步骤中，所述的衬底基本上正交于蒸发方向，且所述的沉积步骤不进行辅助的离子辐照处理。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述衬底是金属衬底，且该方法还包含一个打磨所述金属衬底以提供所述表面的步骤。
4.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述的沉积步骤包含蒸发沉积材料前驱体以形成蒸发区的步骤和在所述蒸发区内支撑衬底使所述表面暴露在蒸发区的步骤。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于选择具有自然织构的沉积材料，该自然织构能使超导层在所述自然织构上织构生长。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述的沉积材料是介电材料或导电材料，如MgO等，具有与YBCO或REBCO超导层织构生长相容的自然织构。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于其包含一个在所述沉积材料层上方沉积超导层、尤其是YBCO或REBCO超导层的步骤。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述的沉积步骤在一定沉积速率和温度参数下进行实施，这些参数以有助于沉积材料自然织构生长的方式进行选择以形成定向层。
全文摘要
本发明提供一种在非织构衬底上制备双轴织构层的方法，特别是用于制备超导复合带中中间缓冲层。所述的非织构衬底具有小于约10nm的粗糙度的表面，优选小于约5nm。随后进行一个沉积步骤，其中沉积材料通过直接蒸发沉积在所述表面上而不用考虑其取向；沉积材料以自然织构形式生长在表面上，从而形成双轴织构定向层。
文档编号C30B23/02GK1853285SQ200480026386
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月11日
发明者埃尔波特·巴尔迪尼, 安芮·告兹, 斯欧·哉那拉 申请人:艾迪森股份公司