专利名称：超导膜及其制造方法
技术领域：
本发明涉及在磁场中具有高临界电流密度的超导薄膜和厚膜，以及其制造方法，该膜可应用于电缆、磁体、防护体、限流器、微波设备以及这些制品的半成品等中。
背景技术：
不低于较低临界磁场Hcl的磁场施加于超导体时，形成量子化磁通线(φ0＝2.07×10-15Wb)并且穿入超导体。该状态下引起电流流动时，洛仑兹力作用于量子化磁通线。该量子化磁通线开始移动时，产生电压且超导状态被破坏。已知，例如在由高温氧化物超导体YBa2Cu3O7-x(YBCO)构成的超导膜中，如自然引入的氧缺位和细小杂质那样的点状缺陷起到量子化磁通线钉扎中心的作用。此外，已知如位错那样的一维缺陷和如晶界那样的二维缺陷也可作为钉扎中心。在YBCO的情况下，这些晶体缺陷以垂直于膜平面的方向存在是很重要的。通常，YBCO基高温超导体是具有高度晶体各向异性的材料，因而，与外加磁场垂直于晶体c轴的情况相比，外加磁场平行于晶体c轴时，Jc趋于大大地降低。通常使用的YBCO薄膜以使c轴垂直于膜平面(表面)地形成，因此外加磁场垂直于膜平面(表面)时，Jc大大降低。当由YBCO薄膜制造的超导带用于形成线圈时，由于平行磁场及垂直磁场作用于该超导带上，因此平行于c轴的低Jc的磁场成分决定了线圈的性能。然而，当在平行于c轴的方向上存在一维缺陷或晶界时，它们成为量子化磁通线的钉扎中心，并且在该方向上，Jc增加。因此，一维缺陷或晶界的晶体取向对于线圈性能的提高非常重要。相反，由于点状缺陷等为各向同性，因此这种情况不适用于点状缺陷等。
Dam已报道了YBCO膜中的位错密度与Jc的相互关系(参见B.Dam等，Nature，Vol.399，p439，1999)。根据该报导，尽管难以控制膜生长过程中自然引入的位错的单位面积密度，但以不同的方式改变膜的形成条件，可获得10μm-2至100μm-2的位错密度，而且Jc随位错密度的增加而增加。
晶界不仅起到钉扎中心的作用，还起到超导电流壁垒的作用。事实上，在YBCO等高温超导膜中，在具有大倾角(晶界对YBCO平面的法线的角度)的晶界上，Jc很小，但当倾角小时，可保持大的Jc。小角晶界可视为位错阵列。尽管位错是绝缘体(非超导体)，但在位错间具有大间距的小角晶界中，位错间存在强耦合的超导部分并且有大的超导电流流过小角晶界。然而，当倾角增加并且位错应变开始交叠，电流几乎不可能流动。如果晶界平面平行于电流方向，则其成为非常有效的钉扎中心。然而，通常晶界平面无序存在，难以通过控制晶界倾角来控制Jc。
另一方面，大小接近于超导体相干长度的细小沉淀物作为钉扎中心也有效。此外，由平板印刷引入的人工缺陷以及由电子束辐射和重离子辐射引入的柱状晶体缺陷也成为钉扎中心。有可能通过平板印刷在膜中引入预期的钉扎中心。
尽管还未能将钉扎直径减小到纳米级，但在采用电子束照射的情况时，有报导称钉扎直径可降低到10nm至20nm数量级。钉扎间隔也可调整至相同的范围。临界电流测量实验的实例表明，在磁场中出现超导性能的某些峰，其取决于量子化磁通线与钉扎排列间的相互关系(参见J.Y.Lin等，Phys.Rev.B54，R12712，1996)。尽管该方法在人工钉扎引入方面是有效的，但从实用的观点出发，其生产能力低，并且对于大面积生产和金属线生产成本过高。在重离子辐射等情况时，在超导晶体中形成柱状缺陷，并可有效地提高Jc。然而，设备成本与离子加速的成本非常高。此外，在某些情况下，材料是放射性的，因而这些方法不实用。
为了在膜中引入如位错那样的晶体缺陷，也有可利用的方法，通过该方法，在基底表面形成如纳米点那样的岛状晶体，并在此岛状晶体上形成超导膜。有一个典型的报导，在该情况下，通过在基底上形成银纳米点来提高Jc(参见A.Crisan等，Appl.Phys.Lett.，Vol.79，p 4547，2001)。Dam的文献提出一原则，即膜在基底上生长的过程中存在细小的沉淀物时，在细小的沉淀物上，膜的生长失去连续性，造成晶体缺陷、位错和晶界(参见B.Dam等，Physica C341-348，p2327，2000)。然而，根据这些技术，所引入的缺陷随机排列并且钉扎力平均。因此，这些技术在显著提高Jc方面有其局限性。
发明内容
本发明的目的是在基底上形成的超导膜中提供理想的钉扎中心结构以及引入钉扎中心的方法。本发明的另一目的是提供以低成本提高Jc的技术，该技术可用于所有膜状的II型超导体。
本发明第一实施方式的超导膜具有基底及形成在基底上的超导层，其中，在基底表面形成平行于电流方向的纳米凹槽，在该基底表面形成超导层，并且在位于纳米凹槽上的超导层中引入二维晶体缺陷。该二维晶体缺陷的每一个在电流方向上可能是连续的，可能是不连续的二维晶体缺陷阵列，或其可能是在基底上呈不规则分布。二维晶体缺陷可为晶界、位错阵列、由构成超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。优选纳米凹槽的宽度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于电流的方向上，相邻纳米凹槽间平均中心间距不大于500nm。基底可以是具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构、烧绿石型晶体结构等的氧化物基底。作为选择，基底可以是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。超导层可由选自下组中的超导材料形成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。同样，超导层可以由多层形成，并且除顶层外，在多层的各层中可形成纳米凹槽。
本发明第二实施方式的超导膜具有基底及形成在该基底上的超导层，其中，在基底表面上形成平行于电流方向的纳米凹槽，在该基底表面形成超导层，在纳米凹槽上形成缺陷引导部分，在位于缺陷引导部分的超导层中引入二维晶体缺陷。该二维晶体缺陷的每一个在电流方向上可能是连续的，其可能是不连续的二维晶体缺陷阵列，或其可能是在基底上呈不规则分布。二维晶体缺陷可为晶界、位错阵列、由构成超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。优选纳米凹槽的宽度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于电流的方向上，相邻纳米凹槽间平均中心间距不大于500nm。基底可以是具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构、烧绿石型晶体结构的氧化物基底。作为选择，基底可以是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。超导层可由从选自下组中的超导材料形成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。缺陷引导部分可由金属、金属间化合物，氮化物或氧化物形成。同样，超导层可由多层形成，并且除顶层外，在该多层的各层中均可形成纳米凹槽。
本发明第三实施方式的超导膜具有基底及形成在该基底上的超导层，其中，在基底表面形成平行于电流方向的纳米孔列，在该基底表面形成超导层，且在位于纳米孔上的超导层中引入一维晶体缺陷列。该一维晶体缺陷列的每一个可在电流方向上连续，其可为不连续的一维晶体缺陷列，或可在基底上呈不规则分布。一维晶体缺陷可为晶界、位错阵列、由构成超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。优选纳米孔的直径不大于100nm，并且在垂直于电流的方向上，相邻纳米孔间中心间距不大于500nm。基底可为具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构、烧绿石型晶体结构的氧化物基底。作为选择，基底可为在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。超导层可由选自下组中的超导材料形成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。同样，超导层可由多层形成，并且除顶层外，在该多层的各层中均可形成纳米孔。
本发明第四实施方式的超导膜具有基底及形成在该基底上的超导层，其中，在基底表面上形成平行于电流方向的纳米孔列，在该基底表面形成超导层。在纳米孔上形成缺陷引导部分，并且在位于缺陷引导部分上的超导层中引入一维晶体缺陷列。一维晶体缺陷列的每一个可在电流方向上连续，其可为不连续的一维晶体缺陷阵列，或其可在基底上呈不规则分布。一维晶体缺陷可为晶界、位错阵列、由构成超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。优选纳米孔的直径不大于100nm，并且在垂直于电流的方向上，相邻纳米孔间平均中心间距不大于500nm。基底可为具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构、烧绿石型晶体结构的氧化物基底。作为选择，基底可为在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。超导层可由选自下组中的超导材料形成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。缺陷引导部分可以由金属、金属间化合物、氮化物或氧化物形成。同样，超导层可以由多层形成，并且除顶层外，在该多层的各层中形成纳米孔。
本发明的第一与第二实施方式的超导膜可通过下述方法制造，该方法包括以下步骤在基底上形成纳米凹槽，在纳米凹槽上任意地形成缺陷引导部分，并在该基底上生长超导层。可通过机械抛光、刻蚀、纳米刻印、加工模式的AFM或纳米平板印刷完成形成纳米凹槽的步骤。优选地，纳米凹槽以这样的方式形成该纳米凹槽宽度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于电流流动方向的方向上，相邻纳米凹槽间平均中心间距不大于500nm。另一方面，形成超导层的步骤可通过PLD、蒸镀、溅射、CVD和MBE或MOD方法来完成。此外，形成缺陷引导部分的步骤可通过PLD、蒸镀、溅射、CVD、或MBE方法来完成。
本发明的第三与第四实施方式的超导膜可通过下述方法制造，该方法包括以下步骤在基底上形成纳米孔列，在纳米孔上任意地形成缺陷引导部分，并且在该基底上生长超导层。形成纳米孔列的步骤可通过机械抛光、刻蚀、纳米刻印、加工模式的原子力显微术(AFM)或纳米平板印刷来完成。优选地，纳米孔以这样的方式形成该纳米孔直径不大于100nm，并且在垂直于电流流动方向的方向上，相邻纳米孔阵列间的平均中心间距不大于500nm。另一方面，形成超导层的步骤可通过脉冲激光沉积(PLD)、蒸镀、溅射、化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)或金属有机沉积(MOD)方法来完成。此外，形成缺陷引导部分的步骤可通过PLD、蒸镀、溅射、CVD或MBE方法来完成。
根据具体如上所述的本发明，可在超导膜中引入具有良好钉扎效率的强钉扎中心，并且可以以低成本制造具有很高Jc的超导膜。由于引入本发明超导膜中的钉扎中心沿电流流动方向排列，因此钉扎中心不会阻碍电流流通的路径。因此，本发明的超导膜在要求流通大电流的应用，如电缆、磁体、防护体、限流器、微波设备以及这些制品的半成品中是有用的。
根据下述具体实施方式
并结合附图，本发明的上述以及其它目的、效果、特点和优点会更加显而易见。
图1为本发明第一实施方式的超导膜的透视剖面图；图2为本发明第二实施方式的超导膜的透视剖面图；图3为本发明第三实施方式的超导膜的透视剖面图；图4为本发明第四实施方式的超导膜的透视剖面图；图5A为本发明超导膜中纳米凹槽排列的一个实例的示意性俯视图，该纳米凹槽是连续的；图5B为本发明超导膜中纳米凹槽排列的一个实例的示意性俯视图，该纳米凹槽是不连续的；图5C为本发明超导膜纳米凹槽排列的一个实例的示意性俯视图，该纳米凹槽呈不规则排列；图6A为本发明超导膜中纳米孔排列的一个实例的示意性俯视图，该纳米孔是连续的；图6B为本发明超导膜中纳米孔排列的一个实例的示意性俯视图，该纳米孔是不连续的；以及图6C为本发明超导膜中纳米孔排列的一个实例的示意性俯视图，该纳米孔呈不规则排列。
具体实施例方式
本发明第一实施方式的超导膜如图1所示。图1的超导膜具有基底1和形成在基底1上的超导层3。在形成有超导层3的基底表面上，形成平行于电流流动方向的纳米凹槽2，并且在位于纳米凹槽2上的超导层中引入二维晶体缺陷4。二维晶体缺陷4起到二维钉扎中心的作用。
基底1可使用氧化物基底，该氧化物具有钙钛矿型晶体，如SrTiO3和LaAlO3；盐岩型晶体，如MgO，NiO；尖晶石型晶体，如MgAl2O4；钇稳定的氧化锆；萤石型晶体，如CeO2；稀土C型晶体和烧绿石型晶体。作为选择，可采用具有缓冲层的基底作为基底1其中，其上形成有缓冲层的基底可以是上述氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、纯镍基底、Ni-Cr和Ni-W等的镍基合金基底、纯铜基底、Cu-Ni等的铜基合金基底或Fe-Si的铁基合金基底、不锈钢等；其中，形成在基底表面上的缓冲层可以由上述的氧化物或硼化物(MgB2等)制成。通过使用这样的基底，可在基底1的表面上形成含有c-轴取向超导体的超导层。
纳米凹槽2是形成在基底1中的许多槽，并且宽度不大于100nm，并优选为5nm至50nm，深度不大于100nm，并优选为5nm至50nm。纳米凹槽的宽度最好大于量子化磁通线的直径(超导材料相干长度ξ的2倍)，其取决于组成超导层3的超导材料。垂直于电流流动方向的纳米凹槽间的平均中心间距最好小于量子化磁通线点阵的晶格常数af(＝1.07×(f0/B)1/2，B表示施加于超导层3的磁场)。纳米凹槽间的平均中心间距通常不大于500nm，优选为15nm至300nm，特别优选为20nm至200nm，其取决于外加磁场B。当纳米凹槽的宽度、深度和平均中心间距在上述范围内时，超导层中的量子化磁通线可被有效地钉扎。
各纳米凹槽2在超导膜的电流流动方向上可以是连续的(参见图5A)或可以是不连续凹槽阵列(参见图5B)。电流流动方向上不连续部分的两纳米凹槽间的距离最好小于超导层3中量子化磁通线点阵的晶格常数。通常该距离不大于500nm，优选为15nm至300nm，更优选为20nm至200nm，其取决于施加于超导层的磁场B。作为选择，若纳米凹槽的主轴平行于电流方向(参见图5C)，多数纳米凹槽2可在基底1上呈不规则排列。同样在该情况下，纳米凹槽间的平均中心间距最好在上述范围内。此外，当纳米凹槽2不连续或呈不规则排列时，不连续部分最好在垂直于电流方向的方向上不对齐。这是因为若不连续部分在该方向上对齐，则量子化磁通线在该部分的钉扎效果会降低。
组成超导层3的材料可以是具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素(具有原子数57至71的元素)中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。本发明中含有MgB2作为其主要组分的超导材料意指可含有碳、氧或SiC等杂质的MgB2。这些材料以c轴取向的状态(这些材料的c轴平行于基片表面的法线)沉积在基底1的表面上，形成超导层3，其具有平行于基底平面的超导平面。超导层3的膜厚通常在0.1μm至10μm的范围内，并优选在0.1μm至5μm的范围内。
基底1上的纳米凹槽2可采用机械抛光(纳米刮痕)、刻蚀、纳米刻印、加工模式的AFM或纳米平板印刷形成。优选的方法包括纳米刮痕、纳米刻印、加工模式的AFM。例如，纳米刮痕和纳米刻印可利用金刚石等磨粒沿电流方向抛光来完成；或者用具有显微突起的夹具紧压住基底1，该显微突起具有预期的形状和间隔，然后沿电流方向移动夹具。作为选择，可通过使用AFM对基底进行连续处理来形成纳米凹槽2，其中，在该AFM的探针上施有高压。
超导层3可通过使用PLD、蒸镀、溅射、CVD、MBE或MOD方法来形成。当超导层3在具有纳米凹槽2的基底1表面上形成时，在平坦部分生长的膜与在纳米凹槽2上形成的膜具有不同的晶体取向。因此，由此可见在二者相遇的区域形成位错和/或晶界。此外，在纳米凹槽上，有可能形成无定形体，或作为选择，由于组成差异的存在而形成具有很多缺陷的晶体。因此，在纳米凹槽2上形成非超导层或低临界温度超导层。在本说明书中，超导层3中的位错、晶界、无定形体、非超导体和低临界温度超导体统称为“晶体缺陷”。这些晶体缺陷不会随膜的生长而消失并形成从基底上的纳米凹槽2至超导层3表面连续的二维晶体缺陷4。尽管对于二维晶体缺陷4，不总是必须垂直于基底平面，但其最好以近于垂直基底平面的角度存在。这些不具有超导性能或具有弱超导性能的二维晶体缺陷4起到二维钉扎中心的作用。
按照这样的排列，二维晶体缺陷4平行于电流方向排列，因而它们不阻碍电流的流动。当磁场垂直地施加于超导层3时，量子化磁通线趋于向二维晶体缺陷4移动。这是因为作用于量子化磁通线的洛仑兹力在平行于基底平面且垂直于电流流动的方向上起作用。然而，由于通过克服磁通线点阵中的相互作用，本发明的二维晶体缺陷4甚至可钉扎趋于移动的量子化磁通线，因此，二维钉扎中心(二维晶体缺陷4)可钉扎所有量子化磁通线。与随机分布的点状钉扎中心如氧缺陷和杂质或一维钉扎中心如位错或柱状缺陷相比，本发明的二维钉扎中心具有很高的钉扎效率，其沿电流流动方向规则排列。
上述结果归因于维数的问题，在钉扎线状的量子化磁通线时，以二维钉扎中心钉扎较好。由于本发明的二维钉扎中心(二维晶体缺陷4)能以少量的钉扎中心钉扎更大量的量子化磁通线，从而增大了磁场中的Jc。此外，与一般的在超导层中随机出现的晶界相反，由于二维晶体缺陷4平行于电流流动方向，因此其能有效地作用而不阻断电流通路。尽管期望二维晶体缺陷4在电流流动方向上连续扩展，但其连续并不总是必要的，并且如上所述其可为不连续的。若不连续的二维缺陷的主轴方向平行于电流流动方向，甚至当不连续的二维缺陷不规则地分布在基底上时，也可获得相同的效果。
二维晶体缺陷4的厚度可通过调节纳米凹槽2的宽度来控制。因为二维晶体缺陷4是位错、晶界、无定形体、非超导体或具有低临界温度的超导体，因此其具有量子化磁通线的钉扎交互作用。此外，可通过控制二维晶体缺陷4的尺寸调节钉扎势深度与势陡度来控制钉扎力的大小。每单位长度的量子化磁通线的钉扎能可表示为(1/2μ0)Bc2×πξ2其中μ0是真空磁导率，Bc是用于超导层3的材料的热力学临界磁场，ξ是相干长度。ξ的长度取决于温度。因此，当最优的钉扎中心(二维晶体缺陷4)的尺寸随超导膜的工作温度变化时，钉扎力的最优值可通过改变纳米凹槽的宽度和平均中心间距来选择。
作为该第一实施方式的一种备选方案，超导材料可用作缓冲层。即，首先在基底1上形成超导材料的薄缓冲层，随后以如上所述相同的方法形成纳米凹槽2并可形成超导层3。同样在该情况下，在位于纳米凹槽2上的超导层3中形成二维晶体缺陷4。优选可用的超导材料是与用于超导层3的材料相同的氧化物或硼化物。例如，当超导层3由LnBa2Cu3O7+x形成时，缓冲层可由相同的LnBa2Cu3O7+x形成或可由其中仅Ln被替换的材料形成。由于缓冲层是与超导层3相同类型的超导膜，因此在没有纳米凹槽形成的区域，该缓冲层具有有利于该区域超导层3外延生长的效果。
作为该第一实施方式的另一备选方案，超导层3可由多层形成，并且除顶层外，在多层的各层中形成纳米凹槽。在超导层厚且二维晶体缺陷的分布随形成超导层3的进行而降低的情况下，该备选的实施方式适于引入预定密度的二维晶体缺陷4。
本发明第二实施方式的超导膜如图2所示。图2的超导膜具有基底1，其中在其表面上形成平行于电流流动方向的纳米凹槽2，在该表面上形成超导层3，缺陷引导部分5在纳米凹槽2上形成并且超导层3在基底1和缺陷引导部分5上形成，在位于缺陷引导部分5上的超导层3中引入二维晶体缺陷4。二维晶体缺陷4起到二维钉扎中心的作用。基底1、纳米凹槽2与超导层3与在第一实施方式中相同。
缺陷引导部分5由板状晶体或岛状晶体族形成。纳米凹槽2作为优选的成核位置，从而在其上形成缺陷引导部分5。可用的材料包括，例如，金属，如Ag和Pt(该金属最好具有高熔点)；金属间化合物，如AgY和Pt3Y；氮化物，如GdN和YN；以及氧化物，如Y2O3和CeO2。尽管在本发明中，优选缺陷引导部分5由不同于基底1的材料形成，但缺陷引导部分5可由与基底1同类但具有不同晶体取向的材料形成。缺陷引导部分5通过选自PLD、蒸镀、溅射、CVD和MBE中的方法，将上述材料沉积在基底1上而形成。在该情况下，由于纳米凹槽2与平坦的基底1相比，是优选的成核位置，因此这样的材料在纳米凹槽2上成核和生长。通过调节材料的供应时间、膜形成时间和膜形成温度，可在纳米凹槽2上形成适当尺寸的板状晶体或岛状晶体族。通过适当选择基底1与上述材料的润湿能力，可调节晶体是以片状形式还是以岛状形式生长。
不像纳米点在基底上随机地形成，缺陷引导部分5规则地排列使得其形状平行于电流流动方向，并且在这方面，本发明与现有工艺大大地不同。由于缺陷引导部分5表面的光滑度，和/或缺陷引导部分5的表面上超导材料的沉积速度、晶体取向等与基底1的不同，二维晶体缺陷4在形成于缺陷引导部分5上的超导层3中形成。这些二维晶体缺陷4以与在第一实施方式中相同的方式起着二维钉扎中心的作用，其提供了优良的钉扎效率。
同样在该结构中，由于二维晶体缺陷4平行于电流流动方向排列，因此通过克服磁通线点阵间的相互作用甚至可以钉扎趋于移动的量子化磁通线。因此，能获得具有很高钉扎效率的二维钉扎中心。
二维晶体缺陷4的厚度可通过调节缺陷引导部分5的宽度(即纳米凹槽2的宽度)来控制。此外，钉扎力的大小可通过控制二维晶体缺陷4的尺寸以调节钉扎势的深度和势的陡度来控制。当最优的钉扎中心(二维晶体缺陷4)的尺寸随超导膜的工作温度变化时，钉扎力的最优值可通过改变纳米凹槽的宽度和平均中心间隙来选择。
作为这第二实施方式的备选方案，以与第一实施方式相同的方式，超导材料可用作缓冲层。同样在该情况下，二维晶体缺陷4在缺陷引导部分5上形成。可使用的超导材料与第一实施方式中的相同，并且由于缓冲层是与超导层3相同类型的超导膜，在无缺陷引导部分5形成的区域，该缓冲层具有有利于该区域超导层3外延生长的效果。
作为这个第二实施方式的另一备选方案，超导层3可由多层形成，并且除顶层外，在多层的各层中均可形成纳米凹槽。在超导层厚且二维晶体缺陷的分布随超导层3的形成而降低的情况下，该备选的实施方式适于引入预定密度的二维晶体缺陷4。
本发明第三实施方式的超导膜如图3所示。图3的超导膜具有基底1和形成于基底1上的超导层3。在基底表面平行于电流流动方向上形成纳米孔列6，在该基底表面形成超导层3，并且在位于纳米孔6上的超导层中引入一维晶体缺陷7。一维晶体缺陷7起到钉扎中心的作用。基底1与超导层3与第一实施方式中的相同。
纳米孔6是在基底上形成的许多不贯通孔，并且在基底1上形成平行于电流流动方向的列。“纳米孔6列”意指在平行于电流流动方向的方向上相邻纳米孔6之间的间距小于超导层3中的量子化磁通线点阵的晶格常数af。在平行于电流流动方向的方向上，相邻纳米孔6的间距通常不大于250nm，并且优选在20nm至150nm的范围内，其取决于施加于超导层3的磁场B。一维晶体缺陷列7由具有这样间距的纳米孔列6形成，一维晶体缺陷列7相对于量子化磁通线是稠密的并且具有与二维钉扎中心同样的效果。即可有效地阻止量子化磁通线通过一维晶体缺陷列7而移动。
纳米孔6的直径最好大于构成超导层3的量子化磁通线的直径(超导材料相干长度ξ的二倍)。纳米孔6的直径最好不大于100nm，并优选在5nm至50nm的范围内，其取决于超导层3的材料。纳米孔阵列6之间的平均中心间距通常不大于500nm，优选15nm至300nm，更优选20nm至200nm，其取决于外加磁场B。当纳米孔阵列6的宽度、深度和中心间距在上述范围内，超导层3中的量子化磁通线可有效地被钉扎。
纳米孔列6的各列可以在超导膜的电流流动方向上是连续的(参见图6A)或可以是不连续的列(参见图6B)。在电流流动方向不连续部分的两列纳米孔之间的距离最好小于超导层3中量子化磁通线点阵的晶格常数af。该距离通常不大于500nm，优选15nm至300nm，更优选20nm至200nm，其取决于施加于超导层3的磁场B。作为选择，若纳米孔的主轴平行于电流流动方向(参见图6C)，多个纳米孔列6可不规则地排列在基底1上。同样在该情况下，沿电流流动方向相邻纳米孔列6间的距离以及平行于电流流动方向的中心间距最好在上述范围内。在图6B和图6C的情况下，不连续部分最好不以垂直于电流流动的方向对齐。这是因为如果在不连续部分以该方向对齐，量子化磁通线的钉扎效果在此部分会降低。在图6A至图6C的情况下，在垂直于电流流动的方向上，邻近的两列纳米孔中，纳米孔可能以相互嵌套的状态排列(即一列纳米孔的位置相应于另一列的间隔位置，反之亦然，图6A和图6B的状态)，或在垂直于电流流动的方向上排列纳米孔。
基底1上的纳米孔6可通过使用机械抛光(纳米刮痕)、刻蚀、纳米刻印、加工模式的AFM或纳米平板印刷形成。优选的方法包括纳米刻印和加工模式的AFM。例如，纳米刻印可通过用具有显微突起的夹具紧压住基底1来完成，该显微突起具有期望的形状和间距。作为选择，纳米孔6可通过使用AFM对基底进行间歇处理而形成，该AFM的探针上施有高压。
当超导层3在具有纳米孔6的基底表面上形成时，一维“晶体缺陷”以与具有纳米凹槽2的情况下相同的方式在纳米孔6上形成。除了纳米孔6上的晶体缺陷7在形状上是一维的而不是二维的之外，在纳米孔6上的晶体缺陷7与第一实施方式的“晶体缺陷”一样。纳米孔6上的晶体缺陷随膜的生长不会消失并且形成从基底上的纳米孔6到超导层3表面连续的一维晶体缺陷7。该不具有超导性能或具有弱超导性能的一维晶体缺陷7成为一维钉扎中心。尽管一维晶体缺陷7垂直于基底平面并不总是必需的，但一维晶体缺陷最好以近于垂直于基底平面的角度存在。
根据该实施方式的排列，一维晶体缺陷列7由于平行于电流流动方向排列，因而其不阻碍电流。当磁场垂直地施加于超导层3时，量子化磁通线趋于移向一维晶体缺陷7的端部。这是因为洛仑兹力是在平行于基底表面且垂直于电流流动的方向上。然而，本发明的一维晶体缺陷7是稠密的，通过克服磁通线点阵间的相互作用，该一维晶体缺陷列7甚至能钉扎趋于移动的量子化磁通线，因此该一维晶体缺陷7列能对所有量子化磁通线起钉扎作用。本发明的钉扎中心的结构具有很高的钉扎效率。
一维晶体缺陷7的直径可通过调节纳米孔6的直径来控制。因为一维晶体缺陷7是位错、晶界、无定形体、非超导体或具有低临界温度的超导体，因此其具有量子化磁通线的钉扎相互作用。此外，钉扎力的大小可通过控制纳米孔6的尺寸以调节钉扎势的深度和势的陡度来控制。当最优的钉扎中心(一维晶体缺陷7)尺寸随超导膜的工作温度变化时，可通过改变纳米孔的直径、沿电流流动方向纳米孔之间的间隔和垂直于电流流动的方向上纳米孔列的平均中心间隔来选择。
作为该第三实施方式的备选方案，超导材料可用作缓冲层。即，首先在基底1上形成超导材料的薄缓冲层后，随后通过与如上所述相同的方法形成纳米孔6并形成超导层3。同样在该情况下，在位于纳米孔6上的超导层3中形成一维晶体缺陷7。优选可用的超导材料为与用作超导层3的材料相同的氧化物或硼化物。例如，当超导层3由LnBa2Cu3O7+x形成时，缓冲层可由相同的LnBa2Cu3O7+x形成或可由其中仅有Ln被替换的材料形成。由于缓冲层是与超导层3相同类型的超导膜，在没有纳米孔形成的区域，该缓冲层具有有利于该区域超导层3外延生长的效果。
作为该第三实施方式的另一备选方案，超导层3可由多层形成，并且除顶层外，在多层的各层中均可形成纳米孔。在超导层3厚且一维晶体缺陷的分布随形成超导层3的进行而降低的情况下，该备选的实施方式适于引入预定密度的一维晶体缺陷7。
本发明第四实施方式的超导膜如图4所示。图4的超导膜具有基底1，其中，在其表面形成平行于电流流动方向的纳米孔列6，在该表面上形成超导层3，缺陷引导部分8在纳米孔列6上形成，且在位于缺陷引导部分8上的超导层中引入一维晶体缺陷7。一维晶体缺陷7起钉扎中心的作用。基底1、纳米孔6和超导层3与第三实施方式中的相同。
除了形状为岛状晶体以外，缺陷引导部分8与第二实施方式的缺陷引导部分5相同。可用的材料包括，例如，金属，如Ag和Pt(金属最好具有高熔点)；金属间化合物，如AgY和Pt3Y；氮化物，如GdN和YN；氧化物，如RE2O3(RE稀土元素)和CeO2。尽管在本发明中，优选缺陷引导部分8由与基底1不同的材料形成，但缺陷引导部分8可由与基底1同类但具有不同晶体取向的材料形成。缺陷引导部分8通过选自PLD、蒸镀、溅射、CVD和MBE中的方法，将上述的材料沉积在基底1上而形成。在该情况下，与平坦的基底1相比，纳米孔6是优选的成核位置，因而上述材料在纳米孔6上成核和生长。通过调节材料的供应量、膜形成时间和膜形成温度，可能在纳米孔6上形成适当尺寸的岛状晶体。
不像纳米点在基底上随机地形成，成列的缺陷引导部分8规则地排列以致平行于电流流动方向，并且在该这方面，本发明与现有工艺大大地不同。由于缺陷引导部分8的表面光滑度，和/或缺陷引导部分8表面上的超导材料的沉积速度、晶体取向等与基底1的不同，一维晶体缺陷7在位于缺陷引导部分8上的超导层3中形成。该一维晶体缺陷列7以与第三实施方式中相同的方式起着一维钉扎中心的作用。因为一维晶体缺陷列7平行于电流流动方向排列，其将不阻碍电流。因此，该实施方式的一维晶体缺陷阵列能提供具有优良钉扎效率的一维钉扎中心。
通过调节缺陷引导部分8的直径(即纳米孔6的宽度)可控制一维晶体缺陷7的直径。此外，钉扎力的大小可通过控制一维晶体缺陷7的尺寸以调节钉扎势的深度和势的陡度来控制。当最优的钉扎中心(一维晶体缺陷7)尺寸随超导膜的工作温度变化时，钉扎力的最优值可通过改变纳米孔6的直径和纳米孔6列的平均中心间隔来选择。
作为该第四实施方式的备选方案，超导材料可以与第三实施方式中相同的方式用作缓冲层。同样在该情况下，一维晶体缺陷7在缺陷引导部分8上形成。优选可用的超导材料是与用作超导层3的材料相同的氧化物或硼化物。例如，当超导层3由LnBa2Cu3O7+x形成时，缓冲层可由相同的LnBa2Cu3O7+x形成或可由其中仅有Ln被替换的材料形成。由于缓冲层是与超导层3相同类型的超导膜，在没有缺陷引导部分形成的区域，该缓冲层具有有利于该部分中超导层3外延生长的效果。
作为该第四实施方式的另一备选方案，超导层3可由多层形成，并且除顶层外，在多层的各层中均可形成纳米孔阵列6。在超导层3厚且一维晶体缺陷7的分布随形成超导层3的进行而降低的情况下，该备选的实施方式适于引入预定密度的一维晶体缺陷7。
实施例1首先，在单晶基底上形成纳米凹槽。制备3mm宽×10mm长×0.5mm厚的SrTiO3基底作为单晶基底，其(100)面经镜面抛光。随后，利用加工模式的AFM，在该基底表面的中心部分60μm×60μm的区域内形成纳米凹槽。纳米凹槽的宽度和深度分别为30nm，且纳米凹槽的长度为60μm，在如上所述的区域中形成等间距的330条纳米凹槽以使纳米凹槽平行于基底的长度方向。纳米凹槽的平均中心间距为150nm。基底固定在真空室内的加热器上，通过准分子脉冲激光沉积法在基底上形成YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜并且获得超导膜(I-1)。此时，没有纳米凹槽形成的3mm宽×10mm长×0.5mm厚的平坦的SrTiO3基底固定在具有纳米凹槽的基底旁并且获得超导膜(C-1)。超导膜(I-1)是本发明的实施例，超导膜(C-1)是本发明范围外的对比例。在上述PLD方法中采用化学计量组成的经煅烧的YBCO靶。膜沉积过程中的基底温度为780℃。氧分压为200mTorr，并且在膜冷却过程中引入足够体积的氧。获得的YBCO的薄膜厚度为0.5μm。
通过X-射线衍射评定两膜(I-1)和(C-1)的晶体取向且确定都为高度c-轴取向的膜。此外，当通过φ扫描研究膜的面内晶体取向时，发现两者都是高度的面内取向。从这些研究中可以确定两膜是相同程度的双轴取向。
为了研究所获膜的超导性能，通过平板印刷术在YBCO膜上形成桥接模式。桥的宽度为40μm，长度为40μm。此时，在超导膜(I-1)中，在如上所述的60μm×60μm的形成纳米凹槽的区域上形成桥接模式。因此，当通电时，电流平行于纳米凹槽流动。对于图案化的两试样，可通过四端法评价电性能。正如电阻系数温度差确定的，试样的临界温度Tc对于具有纳米凹槽的超导膜(I-1)为90K，对于没有纳米凹槽的超导膜(C-1)为91K。在零磁场下，超导膜(I-1)77K下的临界电流密度Jc为5000000A/cm2，超导膜(C-1)77K下的临界电流密度Jc为4500000A/cm2。此外，在平行于c-轴(垂直于基片平面)的1T(tesla)磁场下，超导膜(I-1)在77K温度下的Jc为1100000A/cm2，超导膜(C-1)在77K温度下的Jc为580000A/cm2。
实施例2纳米凹槽以与实施例1相同的方式在SrTiO3基底上形成。接着，其上已形成纳米凹槽的基底被固定在PLD真空加热器内的加热器上，并且通过PLD方法在纳米凹槽上形成缺陷引导部分。Y2O3用作缺陷引导部分的材料。使用准离子激光器的30脉冲将Y2O3经煅烧的压块靶烧蚀，并将Y2O3沉积在SrTiO3基底上。此时，基底温度为700℃且氧分压为10-5Torr(1.33×10-3Pa)。在这些条件下，Y2O3仅沉积在纳米凹槽上形成缺陷引导部分。然后，温度降低至室温并以与实施例1相同的方法，在具有纳米凹槽和缺陷引导部分样品旁，将没有纳米凹槽的SrTiO3基底固定到加热器上。然后，以与实施例1相同的方式，使用经煅烧的YBCO靶，通过PLD方法形成YBCO膜。超导膜(I-2)是具有缺陷引导部分的本发明实施例，超导膜(C-2)是本发明范围外的对比例。膜沉积的条件与实施例1中的相同。
根据X-射线衍射分析，两试样同样显示了高度的c-轴取向和高度的面内取向。随后，为研究所获膜的超导性能，通过平板印刷术在YBCO膜上形成桥接模式。桥的宽度为40μm，长度为40μm。此时，在超导膜(I-2)中，在形成纳米凹槽的如上所述的60μm×60μm的区域上形成桥接模式。两图案化试样的临界温度Tc对于超导膜(I-2)测定为89.5K，对于超导膜(C-2)为90.5K。在零磁场下，超导膜(I-2)77K的临界电流密度Jc为5200000A/cm2，超导膜(C-2)77K的临界电流密度Jc为4300000A/cm2。此外，在平行于c-轴(垂直于基片平面)的1T磁场下，超导膜(I-2)77K温度下的Jc为1300000A/cm2，超导膜(C-2)77K温度下的Jc为550000A/cm2。
实施例3首先，在单晶基底上形成纳米孔在单晶基底上形成。制备3mm宽×10mm长×0.5mm厚的SrTiO3基底3作为单晶基底，其(100)面经镜面抛光。使用电子束平板印刷术，在该基底表面的中心部分60μm×60μm的区域中形成纳米孔列。纳米孔的宽度和深度分别为40nm和20nm。该纳米孔列如此排列以致于平行于基底的长度方向，所以该列的长度为60μm。沿基底的纵向长度方向，纳米孔的间距为100nm，具有等间距的330纳米孔列在上述的60μm×60μm的区域中形成。纳米孔列间的中心平均间距为150nm。基底固定在真空室内的加热器上，通过准分子脉冲激光沉积法在基底上形成YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜通过准分子脉冲激光沉积法在基底上形成并且获得超导膜(I-3)。此时，没有纳米孔形成的3mm宽×10mm长×0.5mm厚的平坦的SrTiO3基底固定在其上形成有纳米孔的基底旁边并且获得超导膜(C-3)。膜的沉积条件与实施例1相同。
根据X-射线衍射分析，两试样同样显示了高度的c-轴取向和高度的面内取向。随后，为研究所获膜的超导性能，通过平板印刷术，在YBCO膜上形成桥接模式。桥的宽度为40μm，长度为40μm。此时，在超导膜(I-3)中，在形成纳米孔列的如上所述的60μ×60μm的区域上形成桥接模式。两图案化试样的临界温度Tc对于超导膜(I-3)测定为90.5K，对于超导膜(C-3)为91K。在零磁场下，超导膜(I-3)于77K的临界电流密度Jc为5100000A/cm2，超导膜(C-3)于77K的临界电流密度Jc为4000000A/cm2。此外，在平行于c-轴的1T磁场下，超导膜(I-3)在77K温度下的Jc为1000000A/cm2，超导膜(C-3)在77K温度下的Jc为450000A/cm2。
实施例4以与实施例3相同的方式在SrTiO3基底上形成纳米孔。接着，其上已形成纳米孔的基底被固定在PLD真空加热器内的加热器上，并且通过PLD方法在纳米孔上形成缺陷引导部分。Y2O3用作缺陷引导部分的材料。使用准分子激光器的15脉冲将Y2O3经煅烧的压块靶烧蚀，并将Y2O3沉积在SrTiO3基底上。此时，基底温度为700℃且氧分压为10-5Torr(1.33×10-3Pa)。在这些条件下，Y2O3仅沉积在纳米孔上形成缺陷引导部分。然后，温度降低至室温并以与实施例3相同的方法，在具有缺陷引导部分样品的旁边，将没有纳米孔的平坦的SrTiO3基底固定在加热器上。然后，以与实施例3相同的方式，使用经煅烧的YBCO靶，通过PLD方法形成YBCO膜，获得超导膜(I-4)和(C-4)。超导膜(I-4)是具有缺陷引导部分的本发明的实施例，超导膜(C-4)是本发明范围之外的比较例。
根据X-射线衍射分析，两试样同样显示了高度的c-轴取向和高度的面内取向。随后，为研究所获膜的超导性能，通过平板印刷术在YBCO膜上形成桥接模式。桥的宽度为40μm，长度为40μm。此时，在超导膜(I-4)中，在形成缺陷引导部分(纳米孔)的如上所述的60μm×60μm的区域上形成桥接模式。两图案化试样的临界温度Tc对于超导膜(I-4)测定为90K，对于超导膜(C-4)为90.5K。在零磁场下，超导膜(I-4)在77K下的临界电流密度Jc为4800000A/cm2，超导膜(C-4)在77K下的临界电流密度Jc为4500000A/cm2。此外，在平行于c-轴的1T磁场下，超导膜(I-4)在77K温度下的Jc为1200000A/cm2，超导膜(C-4)在77K温度下的Jc为600000A/cm2。
表1超导膜的超导性能评价
如上所述，本发明的超导膜显示了与常规超导膜相同的临界温度Tc，并且提供了零磁场下相等或大于常规膜的临界电流密度。此外，在1T磁场下，本发明的超导膜显示了远高于常规超导膜的临界电流密度。因此，本发明的超导膜在磁场的影响下工作时，可允许更大的电流流动，并且不仅适于作为此环境下工作的设备，而且适用于如电缆、磁体、防护体、限流器、微波设备以及这些制品的半成品的应用中。
关于各种实施方式，本发明已详细地叙述，并且对于精通该技术者，在更广泛的情况下，可以做出改变和改进而不脱离本发明，这现在从上文中是显而易见的，因此，在从属权利要求中，本发明包括落在本发明真正精神内的所有这样的变化和改进。
权利要求
1.一种超导膜，其具有基底以及在该基底上形成的超导层，其中，基底表面形成了平行于电流方向的纳米凹槽，该基底表面上具有超导层，并在该纳米凹槽上的超导层中引入了二维晶体缺陷。
2.根据权利要求1所述的超导膜，其中，每个所述的二维晶体缺陷为在电流方向上连续的二维晶体缺陷。
3.根据权利要求1所述的超导膜，其中，每个所述的二维晶体缺陷为不连续的二维晶体缺陷阵列。
4.根据权利要求1所述的超导膜，其中，所述二维晶体缺陷在基底上呈不规则分布。
5.根据权利要求1所述的超导膜，其中，所述二维晶体缺陷为晶界、位错阵列、由构成所述超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。
6.根据权利要求1所述的超导膜，其中，所述纳米凹槽的宽度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于电流方向的方向上，相邻纳米凹槽间平均中心间距不大于500nm。
7.根据权利要求1所述的超导膜，其中，所述基底是具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构或烧绿石型晶体结构的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。
8.根据权利要求1所述的超导膜，其中，所述超导层由选自下组中的超导材料构成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。
9.根据权利要求1所述的超导膜，其中，所述超导层由多层构成，并且除顶层外，在所述多层的各层中形成纳米凹槽。
10.一种超导膜，其具有基底以及在该基底上形成的超导层，其中，在基底表面形成了平行于电流方向的纳米凹槽，在该基底表面上形成超导层；在纳米凹槽上形成缺陷引导部分；在位于缺陷引导部分上的超导层中引入二维晶体缺陷。
11.根据权利要求10所述的超导膜，其中，每个所述的二维晶体缺陷为在电流方向上连续的二维晶体缺陷。
12.根据权利要求10所述的超导膜，其中，每个所述的二维晶体缺陷为不连续的二维晶体缺陷阵列。
13.根据权利要求10所述的超导膜，其中，所述二维晶体缺陷在基底上呈不规则分布。
14.根据权利要求10所述的超导膜，其中，所述二维晶体缺陷为晶界、位错阵列、由构成所述超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。
15.根据权利要求10所述的超导膜，其中，所述纳米凹槽的宽度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于电流方向的方向上，相邻纳米凹槽间平均中心间距不大于500nm。
16.根据权利要求10所述的超导膜，其中，所述基底是具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构或烧绿石型晶体结构的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。
17.根据权利要求10所述的超导膜，其中，所述超导层由选自下组中的超导材料构成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。
18.根据权利要求10所述的超导膜，其中，所述缺陷引导部分由金属、金属间化合物、氮化物或硼化物形成。
19.根据权利要求10所述的超导膜，其中，所述超导层由多层组成，并且除顶层外，在所述多层的各层中形成纳米凹槽。
20.一种超导膜，其具有基底以及在该基底上形成的超导层，其中，在基底表面形成平行于电流方向的纳米孔列，在该基底表面上形成超导层，并且在纳米孔列上的超导层中引入一维晶体缺陷列。
21.根据权利要求20所述的超导膜，其中，每个所述的一维晶体缺陷列为在电流方向上连续的一维晶体缺陷列。
22.根据权利要求20所述的超导膜，其中，每个所述的一维晶体缺陷列为不连续的一维晶体缺陷列。
23.根据权利要求20所述的超导膜，其中，所述一维晶体缺陷列在基底上呈不规则分布。
24.根据权利要求20所述的超导膜，其中，所述一维晶体缺陷为晶界、位错阵列、由构成所述超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。
25.根据权利要求20所述的超导膜，其中，所述纳米孔的直径不大于100nm，并且在垂直于电流方向的方向上，相邻列纳米孔间的平均中心间距不大于500nm。
26.根据权利要求20所述的超导膜，其中，所述基底是具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构或烧绿石型晶体结构的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。
27.根据权利要求20所述的超导膜，其中，所述超导层由选自下组中的超导材料构成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。
28.根据权利要求20所述的超导膜，其中，所述超导层由多层组成，并且除顶层外，在所述多层的各层中形成纳米孔列。
29.一种超导膜，其具有基底以及在该基底上形成的超导层，其中，在基底表面形成平行于电流方向的纳米孔列，在该基底表面上形成超导层；在所述纳米孔上形成缺陷引导部分；并且在位于所述缺陷引导部分列上的超导层中引入一维晶体缺陷列。
30.根据权利要求29所述的超导膜，其中，每个所述的一维晶体缺陷为在电流方向上连续的一维晶体缺陷列。
31.根据权利要求29所述的超导膜，其中，每个所述的一维晶体缺陷列为不连续的一维晶体缺陷列。
32.根据权利要求29所述的超导膜，其中，所述一维晶体缺陷列在基底上呈不规则分布。
33.根据权利要求29所述的超导膜，其中，所述一维晶体缺陷为晶界、位错阵列、由构成所述超导层的元素形成的无定形体、非超导体或低临界温度超导体。
34.根据权利要求29所述的超导膜，其中，所述纳米孔的直径不大于100nm，并且在垂直于电流方向的方向上，相邻纳米孔列间平均中心间距不大于500nm。
35.根据权利要求29所述的超导膜，其中，所述基底是具有钙钛矿型晶体结构、岩盐型晶体结构、尖晶石型晶体结构、钇稳定的氧化锆型结构、萤石型晶体结构、稀土C型晶体结构或烧绿石型晶体结构的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物构成的缓冲层的氧化物基底、氮化物基底、半导体基底、镍基合金基底、铜基合金基底或铁基合金基底。
36.根据权利要求29所述的超导膜，其中，所述超导层由选自下组中的超导材料构成，该组包括具有化学式LnBa2Cu3O7+x的铜氧化物基高温超导材料，其中Ln是选自Y元素和稀土元素中的一种或多种元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化学式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的铜氧化物基高温超导材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化学式MgB2作为主要组分的超导材料。
37.根据权利要求29所述的超导膜，其中，所述缺陷引导部分由金属、金属间化合物，氮化物或氧化物形成。
38.根据权利要求29所述的超导膜，其中，所述超导层由多层组成，并且除顶层外，所述多层的各层中形成纳米孔列。
39.一种制造超导膜的方法，该法包括以下步骤在基底上形成纳米凹槽；在基底上生长超导层。
40.根据权利要求39所述的制造超导膜的方法，其中，所述形成纳米凹槽的步骤通过采用下组中的方法进行，该组包括机械抛光、刻蚀、纳米刻印、加工模式的AFM以及纳米平板印刷。
41.根据权利要求39所述的制造超导膜的生产方法，其中，所述纳米凹槽以这样的方式形成纳米凹槽的宽度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于电流方向的方向上，相邻纳米凹槽间平均中心间距不大于500nm。
42.根据权利要求39所述的制造超导膜的方法，其中，所述的形成超导层的步骤通过采用选自下组中的方法进行，该组包括PLD、蒸镀、溅射、CVD、MBE和MOD。
43.根据权利要求39所述的制造超导膜的方法，其中，该制造方法可进一步包含在所述的凹槽上形成缺陷引导部分的步骤。
44.根据权利要求43所述的制造超导膜的方法，其中，所述的形成缺陷引导部分的步骤通过采用选自下组中的方法进行，该组包括PLD、蒸镀、溅射、CVD和MBE。
45.一种制造超导膜的方法，该方法包括以下步骤在基底上形成纳米孔列；和在基底上生长超导膜。
46.根据权利要求45所述的制造超导膜的方法，其中，所述的形成纳米孔列的步骤通过采用选自下组中的方法进行，该组包括机械抛光、刻蚀、纳米刻印、加工模式的AFM以及纳米平板印刷。
47.根据权利要求45所述的制造超导膜的方法，其中，所述纳米孔这样的方式形成纳米孔直径不大于100nm，并且在垂直于电流方向的方向上，相邻纳米孔列间平均中心间距不大于500nm。
48.根据权利要求45所述的制造超导膜的方法，其中，所述的形成超导层的步骤通过采用下组中的方法进行，该组包括PLD、蒸镀、溅射、CVD、MBE和MOD。
49.根据权利要求45所述的制造超导膜的方法，其中，该制造方法可进一步包含在所述的纳米孔上形成缺陷引导部分的步骤。
50.根据权利要求49所述的制造超导膜的方法，其中，所述的形成缺陷引导部分的步骤通过采用选自下组中的方法进行，该组包括PLD、蒸镀、溅射、CVD和MBE。
全文摘要
本发明涉及一种超导膜及其制造方法，该超导膜包括基底以及在基底上形成的超导层，其中，在该基底表面形成了平行于电流方向的纳米凹槽，并在位于该纳米凹槽上的超导层中引入了二维晶体缺陷。本发明的超导膜以低成本获得且具有很高的Jc，可应用于电缆、磁体、防护体、限流器、微波设备以及这些制品的半成品中。
文档编号C01G3/00GK1842878SQ20048002481
公开日2006年10月4日 申请日期2004年8月27日 优先权日2003年8月29日
发明者松本要, 向田昌志, 吉田隆, 一濑中, 堀井滋 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构, 财团法人电力中央研究所