用于超导体涂布带的双轴织构化膜沉积制造技术

本发明专利技术揭示了以极高速率在连续移动的金属带基材上沉积双轴织构化膜的方法。这些方法包括：沉积流以相对于基材法线约为５°至８０°的斜入射角在基材上沉积膜，同时用离子束以沿所述膜的最佳离子织构方向或第二最佳离子织构方向设置的离子束入射角进行轰击，从而形成双轴织构化膜，其中，沉积流入射面设置为平行于双轴织构化膜沿其具有快速面内生长速率的方向。本发明专利技术还揭示了包括基材、通过上述方法沉积在所述基材上的双轴织构化膜和沉积在双轴织构化膜上的超导层的超导制件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及第二代超导体领域。更具体地，本专利技术涉及以极高速率在连续移动的金属基材带上沉积双轴织构化膜的方法。再具体地，本专利技术涉及一种方法，其中膜是用沉积流(flux)以斜入射角在基材上沉积的同时，用离子束以沿所述膜的最佳离子织构方向(BITD)或沿第二最佳离子织构方向设置的离子束入射角进行轰击，从而形成双轴织构化膜，其中，沉积流入射面设置为平行于双轴织构化膜沿其具有快速面内生长速率的方向。
技术介绍
正在开发第二代超导带，例如基于Y1Ba2Cu3O7-δ(YBCO)膜的超导带，以便负载大量电流而没有电阻。这类第二代高温超导体(HTS)通常包括沉积在金属基材如挠性金属带上的双轴织构化(窄的面外(out-of-plane)和面内(in-plane)晶粒取向分布)层。其中，已知双轴织构化层能够使YBCO膜等中具有高电流密度(Jc)。对于YBCO膜，晶粒界面特征对电流传输的影响已经得到证实(Dimos等人，(1988)Phys.Rev.Lett.61219；和Dimos等人(1990)Phys.Rev.Lett.414038)。对于清洁的化学计量界面，临界电流密度似乎主要由晶粒界面取向误差决定。已经作了一些尝试，在挠性金属带上生长具有高临界电流密度的清晰织构化(sharply-textured)的YBCO膜。在一种方法中，使用离子束辅助沉积法(IBAD)在Ni基合金带如Hastelloy上沉积双轴织构化层(S.R.Foyltn等人，IEEI Transactions on Applied Superconductivity 9(1999)第1519页)。氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的缓冲层的IBAD法是首先被证实的实现双轴织构化层的方法，并且已经生产出了最长和性能最佳的YBCO超导体中的几个。普遍认为，IBAD-YSZ中织构的发展是基于一种生长竞争机理。因此，该方法的一个缺点是必需生长厚层以实现良好的面内织构。通常，厚度超过约1000纳米的双轴织构化层可以实现半宽度(FWHM)小于15°的面内织构。沉积速率(约0.1纳米/秒)必需极低才能生长高品质IBAD-YSZ使该问题进一步恶化。厚膜和低沉积速率的组合使得要生长厚度超过约1000纳米的双照织构化层必需花费较长的沉积时间(通常需数小时)。因此，该方法不适用于快速、大规模工业应用。氧化镁(MgO)的IBAD已经被用于得到膜中极佳的双轴织构化结构，厚度约为10纳米，沉积速率约为0.1纳米/秒(J.R.Groves等人，Proc.2001Intl.Workshop on Superconductivity，Honolulu，HI(2001年6月24-27日)，第3页)。这种IBAD-MgO法比IBAD-YSZ约快100倍。但是，这种IBAD-MgO法需要在缓冲结构中至少有三个额外层；第一层是无定形晶种层，第二层是厚的均匀外延生长的MgO层，第三层是为了与YBCO有更好的点阵匹配而设的另一层。因为需要这三个额外层，在IBAD-MgO法中必需花费额外的时间和努力去处理缓冲结构。而且，MgO的双轴织构对底基材的粗糙度以及其它因素非常敏感。因此，在制造基于IBAD-MgO的层时难以实现高产率。没有离子束轰击辅助的倾斜基材沉积(ISD)已经显示可以实现高沉积速率(K.Hasegawa等人，Proc.of 16thICEC/ICMC，AmsterdamElsevierScience(1997)，第1077页；和M.Bauer等人IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity 9(1999)第1502页)。这些高沉积速率可以将涂布长电线的时间缩到最短。但是，由ISD生产的膜的品质比使用IBAD生产的膜的品质差，而且这些ISD层的c轴偏离表面法线。这使得临界电流密度(Jc)各向异性，临界电流沿着倾斜方向大幅度下降。通过ISD方法沉积的膜往往具有粗糙表面，该表面具有与“屋瓦”类似的图案。在另一种方法中，YSZ的离子束纳米织构化(ITEX)已经显示出可以在几分钟内生产双轴织构化YSZ(R.P.Reade等人，Applied Physics Letters，第80卷，No.8(2002)，第1352页)。ITEX类似于IBAD，不同的是在ITEX方法中，首先沉积一无定形YSZ层，然后用角度约为55°的斜离子(Ar+)束在腔内O2气氛下轰击该无定形膜。结果是在无定形层顶面得到晶体织构。该方法非常迅速，但是非常差的约45°的面内织构。当YBCO层沉积在双轴织构化层上时，为了得到YBCO层中良好的性质，约等于或小于15°的面内织构是必需的。氧化铈(CeO2)双轴织构化层的快速离子束辅助沉积(快速IBAD)已经显示可以实现比IBAD-YSZ更高的沉积速率(X.Xiong等人，″Rapid Depositionof Biaxially-Textured CeO2Buffer Layers on Polycrystalline Nickel Alloy forSuperconducting Tapes by Ion Assisted Pulsed Laser Deposition″，Physica C，336(2000)70)。在快速IBAD中，沉积速率与ISD方法差不多，但是IBAD得到更好的膜品质，并且在快速IBAD导体中c轴(z轴)也不像在ISD基导体中一样偏离法线。但是，通过该快速IBAD方法得到的Jc不如IBAD-YSZ。通过快速IBAD沉积的双轴织构化层的织构，尤其是YBCO的织构，需要进一步改善。因此，本领域中需要一种新颖且可靠的方法，用于以极高沉积速率在连续移动的金属带上沉积双轴织构化膜。这类方法应该可以将沉积速率提高到约为0.1纳米/秒的IBAD-YSZ的常规沉积速率的至少10倍，达到沉积速率约等于或大于1.0纳米/秒。这类方法应该明显缩短生产时间。这类方法应该得到大规模基础上的晶粒对齐。这类方法应该用于开发价格和性能达到各种应用所需水平的生产千米级长度HTS涂布导体的制造设施。这类方法应该能得到密集的低角度晶粒界面。
技术实现思路
为了实现前述和其它目的，并且依据本专利技术的意图，如本文所包含且宽泛描述的，本专利技术提供第二代高温超导体的处理方法。在各个不同的实施方式中，本专利技术提供以极高沉积速率在连续移动的金属带上沉积双轴织构化膜的方法。广义上说，本专利技术包括在基材上沉积双轴织构化膜的方法，其包括用沉积流以斜入射角在基材(诸如金属带)上沉积(直接地或间接地)一膜，同时用离子束轰击所沉积的膜，其中离子束的离子束入射角沿膜的最佳离子织构方向(BITD)或沿第二最佳织构方向设置，从而形成双照织构化膜，其中沉积流入射面设置为平行于双轴织构化膜沿其具有最快面内生长速率的方向。广义上说，本专利技术包括一种在基材上沉积双轴织构化膜的方法，其包括用沉积流以斜入射角在基材上沉积具有强各向异性生长速率的材料的膜，同时在沉积的过程中可使用辅助离子束来轰击所沉积的膜，从而形成双轴织构化膜，或用沉积流沿基材法线在基材上沉积具有强各向异性生长速率的材料的膜，同时使用斜角离子束轰击所沉积的膜，从而形成双轴织构化膜，其中双轴织构化膜包括在c轴和a-b面之间具有强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在基材上沉积双轴织构化膜的方法，其包括：沉积流以斜入射角在基材上沉积膜，同时用离子束以沿所述膜的最佳离子织构方向（ＢＩＴＤ）或沿第二最佳离子织构方向设置的离子束入射角轰击所述沉积膜，从而形成双轴织构化膜，其中沉积流入射面 设置为平行于所述双轴织构化膜沿其具有最快面内生长速率的方向。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-4-8 10/821,0101.一种在基材上沉积双轴织构化膜的方法，其包括沉积流以斜入射角在基材上沉积膜，同时用离子束以沿所述膜的最佳离子织构方向(BITD)或沿第二最佳离子织构方向设置的离子束入射角轰击所述沉积膜，从而形成双轴织构化膜，其中沉积流入射面设置为平行于所述双轴织构化膜沿其具有最快面内生长速率的方向。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积流入射面与离子束入射面之间的角度约为45°或135°。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离子束与膜法线所成的入射角约为10°至60°。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉积流与膜法线所成的入射角约为5°至80°。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，沉积速率约大于1纳米/秒。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，沉积速率约大于3纳米/秒。7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离子束的标准离子能约为150eV至1500eV。8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜包括沿晶轴<100>、<010>或<001>中的至少一个具有所述最快生长速率方向的立方结构材料。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜包括沿<111>晶轴方向具有最佳离子织构方向(BITD)或第二最佳离子织构方向的材料。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述材料包括以下所列中的至少一种荧石类材料、烧绿石类材料和稀土C类材料。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述荧石类材料包括氧化铈(CeO2)、RE掺杂的氧化铈(RECe)O2-其中RE是钐、铕、铒、镧、和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)中的至少一种；所述烧绿石类材料包括Eu2Zr2O7或Gd2Zr2O7中的至少一种；所述稀土C类材料包括氧化钇(Y2O3)。12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述离子束与膜法线所成的入射角约为55°。13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述沉积流与膜法线所成的入射角约为20°至55°。14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜的厚度约大于0.2微米。15.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜包括沿晶轴<111>具有最快生长速率方向的立方结构材料。16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜包括沿<110>晶轴方向具有最佳离子织构方向(BITD)或第二最佳离子织构方向的材料。17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述材料包括以下所列中的至少一种岩盐类材料、ReO3类材料和钙钛矿类材料。18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜的所述材料包括氧化镁(MgO)、氧化镍(NiO)、三氧化钨(WO3)、氧化钡(BaO)、铝酸镧(LaAlO3)和钛酸锶(SrTiO3)中的至少一种。19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述离子束与膜法线所成的入射角约为45°。20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述沉积流与膜法线所成的入射角约为45°至65°。21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积流入射面与离子束入射面之间的角度约为0°或180°或90°。22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，离子与原子的到达比约小于0.5。23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述离子与原子的到达比约为0.05至0.3。24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜包括沿晶轴<100>、<010>或<001>中的至少一个具有所述最快生长速率方向的立方结构材料。25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜包括沿<110>晶轴方向具有最佳离子织构方向(BITD)或第二最佳离子织构方向的材料。26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述材料包括以下所列中的至少一种荧石类材料、烧绿石类材料和稀土C类材料。27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述荧石类材料包括氧化铈(CeO2)、RE掺杂的氧化铈(RECe)O2和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)中的至少一种，其中RE是钐、铕、铒、镧；所述烧绿石类材料包括Eu2Zr2O7或Gd2Zr2O7中的至少一种；所述稀土C类材料包括氧化钇(Y2O3)。28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述离子束与膜法线所成的入射角约为45°。29.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述沉积流与膜法线所成的入射角约为20°至55°。30.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述离子束与法线所成的入射角约为10°至60°。31.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述沉积流与膜法线所成的入射角约为5°至80°。32.如权利要求21所述的方法，其特征在于，沉积速率约大于1纳米/秒。33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述沉积速率约大于3纳米/秒。34.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述离子束的标准离子能约为150eV至1500eV。35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述离子束的标准离子能约为500eV至900eV。36.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜的厚度约大于0.2微米。37.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基材和所述双轴织构化膜之间沉积中间层。38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述中间层的晶粒大小在纳米级别。39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，在所述中间层和所述双轴织构化膜之间的晶格失配约大于10％，优选约大于20％。40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述中间层包括如氧化钇(Y2O3)、Eu2O3和Pr2O3之类的稀土C类材料、如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)之类的氧化物、和如氮化硅(Si3N4)之类的氮化物中的至少一种。41.在基材上沉积双轴织构化膜的方法，其包括用沉积流以斜入射角在基材上沉积膜，同时用离子束轰击所述沉积膜，从而形成双轴织构化膜，其中所述离子束基本上与基材法线平行。42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述沉积流与膜法线所成的入射角约为5°至80°。43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，所述沉积流与膜法线所成的入射角约为45°至65°。44.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述材料包括以下所列中的至少一种岩盐类材料、ReO3类材料和钙钛矿类材料。45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述材料包括氧化镁(MgO)、氧化镍(NiO)、三氧化钨(WO3)、氧化钡(BaO)、铝酸镧(LaAlO3)和钛酸锶(SrTiO3)中的至少一种。46.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述双轴织构化膜的<001>晶轴方向与基材法线基本平行。47.如权利要求41所述的方法，其特征在于，沉积速率约大于1纳米/秒。48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述沉积速率约大于3纳米/秒。49.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述离子束的标准离子能约为300eV至1500eV。50.如权利要求41所述的方法，其特征在于，在所述基材和所述双轴织构化膜之间沉积中间层。51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述中间层的晶粒大小在纳米级别。52.如权利要求50所述的方法，其特征在于，在所述中间层和所述双轴织构化膜之间的晶格失配约大于10％，优选约大于20％。53....

【专利技术属性】
技术研发人员：熊旭明，V塞尔瓦曼尼克姆，
申请(专利权)人：美国超能公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]