DE20120782U1 - Layer system consisting of a non-single crystalline substrate, a buffer layer and a superconducting layer - Google Patents
Layer system consisting of a non-single crystalline substrate, a buffer layer and a superconducting layerInfo
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Description
AX2 001G01 DE ·**·Aw/nTe(* Efaimafftiofittechnik GmbHAX2 001G01 DE ·**·Aw/nTe(* Efaimafftiofittechnik GmbH
BeschreibungDescription
Schichtsystem aus einem nicht einkristallinen Substrat, einer Pufferschicht und einer supraleitenden Schicht 5Layer system consisting of a non-single-crystalline substrate, a buffer layer and a superconducting layer 5
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem bestehend aus einem Hochtemperatursupraleiter wie z.B. YBCO, abgeschieden auf einem nicht-einkristallinen, technischen Substrat und einer Calzium-haltigen Zwischenschicht als Diffusionsquelle.The invention relates to a layer system consisting of a high-temperature superconductor such as YBCO, deposited on a non-single-crystalline, technical substrate and a calcium-containing intermediate layer as a diffusion source.
Das Phänomen der Supraleitung, der verlustfreie Stromtränsport im Zusammenhang mit speziellen magnetischen Eigenschaften wie dem Meissner-Ochsenfeldeffekt, ist schon seit Anfang des letzten Jahrhunderts durch Kammerlingh Onnes bekannt geworden. Seitdem wurden immer wieder neue Materialien gefunden die dieses Phänomen zeigen. Es begann ein regelrechtes Wettrennen die charakteristischen Parameter, nämlich die Übergangstemperatür Tc und die Stromdichte jc/ immer weiter in die Höhe zu treiben. Die vielversprechendsten Eigenschaften haben in den letzten 15 Jahren keramische Materialien, wie z.B. YBa2Cu3O7-S (YBCO) oder Bi2Sr2Ca2Cu3Og gezeigt. Mit der Entdeckung dieser Cuprate ist es gelungen die ersten Hochtemperatusupraleiter (HTSL) zu synthetisieren. Diese HTSL weisen eine Übergangstemperatur Tc auf, die oberhalb von 77 0K liegt und damit durch Kühlung in flüssigem Stickstoff (LN, liquid nitrogen) einen nahezu verlustfreien Stromtransport ermöglichen. Die Entdeckung der HTSL und die damit verbundene wirtschaftlichere Kühlung des Materials durch den billigeren LN gegenüber dem bis dahin notwendigen und teuren flüssigen Helium hat die Palette möglicher Anwendungen für Supraleiter enorm erweitert. Realisierte Anwendungen der Supraleiter sind u.a. in der Medizintechnik die empfindlichen Magnetfelddetektoren (SQUIDS) sowie Mikrowellenresonatoren in der Hochfrequenztechnik. Sehr.The phenomenon of superconductivity, the loss-free current transport in connection with special magnetic properties such as the Meissner-Ochsenfeld effect, has been known since the beginning of the last century through Kammerlingh Onnes. Since then, new materials have been found time and again that exhibit this phenomenon. A real race began to drive the characteristic parameters, namely the transition temperature T c and the current density j c/, ever higher. The most promising properties in the last 15 years have been shown by ceramic materials such as YBa 2 Cu 3 O 7 -S (YBCO) or Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 Og. With the discovery of these cuprates, it was possible to synthesize the first high-temperature superconductors (HTSC). These HTSCs have a transition temperature T c that is above 77 0 K and thus enable almost loss-free current transport when cooled in liquid nitrogen (LN). The discovery of HTSC and the associated more economical cooling of the material using cheaper LN compared to the previously necessary and expensive liquid helium has enormously expanded the range of possible applications for superconductors. Realized applications of superconductors include sensitive magnetic field detectors (SQUIDS) in medical technology and microwave resonators in high frequency technology. Very.
aussichtsreiche Entwicklungen in der Energietechnik beschäftigen sich mit Anwendungen wie dem supraleitenden Stromkabel, dem Transformator sowie dem Strombegrenzer. FürPromising developments in energy technology are concerned with applications such as superconducting power cables, transformers and current limiters.
AX2001G01 DE *"l AfcynTeC rttftinScÜiciittechnik GmbHAX2001G01 DE *"l AfcynTeC rttftinScÜiciittechnik GmbH
Strombegrenzer nutzt man die Eigenschaft des Supraleiters oberhalb einer kritischen Stromdichte jc vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu wechseln. Im normalleitenden Zustand fällt an dem Widerstand der Schicht eine Spannung ab, die den Strom auf den zwei- bis fünffachen Nennstrom begrenzt. Der Vorteil dieser Art Strombegrenzer liegt in den kurzen Schaltzeiten (< 1 ms), die nur ca. ein zehntel der Schaltzeit herkömmlicher Strombegrenzer beträgt.Current limiters use the property of the superconductor to change from the superconducting to the normal conducting state above a critical current density j c . In the normal conducting state, a voltage drops across the resistance of the layer, which limits the current to two to five times the nominal current. The advantage of this type of current limiter is the short switching times (< 1 ms), which are only about a tenth of the switching time of conventional current limiters.
Aus wirtschaftlichen und anwendungsrelevanten Gründen werden die supraleitenden Elemente in der Regel als dünne Schichten mit einer Dicke von wenigen &mgr;&idiagr;&eegr; hergestellt. Als Trägermaterialien können sowohl Einkristalle wie AI2O3, LaAlC>3, SrTCb, YSZ oder MgO dienen, aber auch technische Substrate wie z.B. Ni werden genutzt.For economic and application-related reasons, the superconducting elements are usually manufactured as thin layers with a thickness of a few μm. Single crystals such as AI2O3, LaAlC>3, SrTCb, YSZ or MgO can serve as carrier materials, but technical substrates such as Ni are also used.
In dem US Patent US 5,968,877 wird ein Schichtsystem aus rolltexturiertem Nickel, verschiedenen Zwischenschichten und einer HTSL Schicht beschrieben. Auf dem rolltexturierten Metall wird eine CeC^-Schicht epitaktisch aufgewachsen gefolgt von einer ebenso epitaktischen Schicht von Yttriumstabilisiertem Zirkonoxid um dann abschließend YBCO als supraleitende Schicht abzuscheiden. Alle Schichten können z.B. durch gepulste Laserdeposition (PLD) nacheinander in einem Rezipienten abgeschieden werden. Durch die Mehrfachepitaxie und dem rolltexturierten Ni-Substrat kann nur eine mäßige Kristallqualität der YBCO Schicht erreicht werden, so daß für dieses System bei 77° K nur eine Stromdichte von ca. 100000 A/cm2 erreicht werden kann.Wie oben erwähnt, ist die sogenannte kritische Stromdichte jc 0 neben der Sprungtemperatur Tc, der Parameter, der für einen technischen Einsatz der Hochtemperatursupraleiter am meisten interessiert. Für viele Anwendungen, wie z.B. als Strombegrenzer, ist es daher das Ziel die kritische Stromdichte zu maximieren.US Patent No. 5,968,877 describes a layer system made of roll-textured nickel, various intermediate layers, and an HTSL layer. A CeC^ layer is epitaxially grown on the roll-textured metal, followed by an equally epitaxial layer of yttrium-stabilized zirconium oxide, and then YBCO is finally deposited as a superconducting layer. All layers can be deposited one after the other in a recipient, for example by pulsed laser deposition (PLD). Due to the multiple epitaxy and the roll-textured Ni substrate, only a moderate crystal quality of the YBCO layer can be achieved, so that for this system at 77° K only a current density of approx. 100,000 A/cm 2 can be achieved. As mentioned above, the so-called critical current density j c 0 is, alongside the transition temperature T c , the parameter of most interest for the technical use of high-temperature superconductors. For many applications, such as current limiters, the goal is therefore to maximize the critical current density.
Die c-Achsen-Orientierung der YBCO-Kristallite ist eine wichtige Voraussetzung für hohe kritische Stromdichten. JeThe c-axis orientation of the YBCO crystallites is an important prerequisite for high critical current densities.
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kleiner die Winkel der Korngrenzen sind, d.h. je besser die Textur der YBCO-Schichten, umso höher ist die kritische Stromdichte. Um die Textur der HTSL-Schichten auf technischen Substraten wie z.B. Nickelbändern zu optimieren werden wegen der schlechten Kristallgitterpassung von Substrat und HTSL-Schicht Pufferschichten eingeführt. Als Pufferschichten werden u.a. Magnesiumoxid (MgO), Ceroxid (CeCb) oder Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) vorgeschlagen (Physica C 330(2000), 150-154; IEEE Vol.11 No.1, March 2001 3385 - 3460; Physica C 357-360(2001), 903-913).smaller the angles of the grain boundaries, i.e. the better the texture of the YBCO layers, the higher the critical current density. In order to optimize the texture of the HTSC layers on technical substrates such as nickel strips, buffer layers are introduced due to the poor crystal lattice fit between the substrate and the HTSC layer. Magnesium oxide (MgO), cerium oxide (CeCb) or yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ) are suggested as buffer layers (Physica C 330(2000), 150-154; IEEE Vol.11 No.1, March 2001 3385 - 3460; Physica C 357-360(2001), 903-913).
Im Zusammenhang mit der Kristallstruktur der Schichten haben auch die, unvermeidlichen Korngrenzen einen entscheidenden Einfluß auf die kritische Stromdichte jc.In connection with the crystal structure of the layers, the unavoidable grain boundaries also have a decisive influence on the critical current density j c .
In der EP 1 006 594 wird beschrieben, wie durch Dotierung die Stromdichte jc in supraleitenden Schichten mit großen Korngrenzenwinkeln auf technischen Substraten beeinflußt werden kann. Die Erfindung nutzt hierbei ein neues Verständnis des Stromtransportes in polykristallinen Supraleitern aus. Durch Dotierung werden nicht die Stromtransporteigenschaften der Kristallite selbst, sondern die der Korngrenzen optimiert. Es konnte gezeigt werden, daß Ca z.B. für YBCO ein geeigneter Dopant ist. Als technologisch einfaches und wirtschaftliches Verfahren wird vorgeschlagen Ca während der YBCO Abscheidung, z.B. im PLD-Verfahren, zu dotieren. Als optimale Ca-Dosis für YBCO wird eine Konzentration von 30% ermittelt. Bei dieser Ca-Dotierung läßt sich die Stromdichte nach Wachstum und Ausheilen bis zu einem Wert von 2300000 A/cm2 erhöhen. Durch die vorgeschlagene Art der Abscheidung wurden Yttrium Atome durch Ca Atome substituiert und es wurde eine polykristalline Yi_xCaxBa2Cu3O7_5 Schicht mit großen Korngrenzenwinkeln abgeschieden. Somit konnten zwar die supraleitenden Eigenschaften der Korngrenzen entscheidend verbessert werden, aber nicht die der Kristallite.EP 1 006 594 describes how the current density j c in superconducting layers with large grain boundary angles on technical substrates can be influenced by doping. The invention makes use of a new understanding of current transport in polycrystalline superconductors. Doping optimizes not the current transport properties of the crystallites themselves, but those of the grain boundaries. It has been shown that Ca is a suitable dopant for YBCO, for example. As a technologically simple and economical process, it is proposed to dope Ca during YBCO deposition, e.g. in the PLD process. A concentration of 30% has been determined as the optimum Ca dose for YBCO. With this Ca doping, the current density can be increased after growth and annealing to a value of 2300000 A/cm 2 . The proposed method of deposition replaced yttrium atoms with Ca atoms and deposited a polycrystalline Yi_ x Ca x Ba2Cu3O7_5 layer with large grain boundary angles. Thus, the superconducting properties of the grain boundaries could be significantly improved, but not those of the crystallites.
AX2001G01 DE · : ÄfcynTeC TJufcnScHiftfcttechnifc GmbHAX2001G01 DE · : ÄfcynTeC TJufcnSchHiftfcttechnifc GmbH
Aufgabe der Erfindung ist es daher sowohl die kritische Stromdichte jc der Korngrenzen als auch die der Kristallite des supraleitenden Materials zu optimieren.The object of the invention is therefore to optimize both the critical current density j c of the grain boundaries and that of the crystallites of the superconducting material.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.
Die Erfindung beruht darauf, die Funktion der Pufferschicht und der Dotierungsschicht bzw. Dotierungsquelle zu vereinen. Dadurch läßt sich im weiteren durch die Reduzierung des Gesamtschichtsystems eine wirtschaftlichere Herstellung realisieren.The invention is based on combining the functions of the buffer layer and the doping layer or doping source. This allows for more economical production by reducing the overall layer system.
Die erfindungsgemäße Struktur, die die oben genannte Aufgabe löst, besteht aus einem Substrat auf dem unter anderem eine oder mehrere, den Dotierstoff enthaltende Zwischenschichten abgeschieden werden und der Supraleitenden-Schicht über der genannten Zwischenschicht. Durch die gute Gitterpassung von Zwischenschicht und Supraleitender-Schicht kann die Kristallqualität, welche vor allem durch Größe und Ausrichtung der Kristallite beeinflußt wird, und damit die supraleitenden Eigenschaften wie jc und T0 der Kristallite optimiert werden. Gleichzeitig dient die Zwischenschicht als Dotierungsquelle um die kritische Stromdichte der Korngrenzen zu erhöhen.The structure according to the invention, which solves the above-mentioned problem, consists of a substrate on which, among other things, one or more intermediate layers containing the dopant are deposited and the superconducting layer above the intermediate layer mentioned. Due to the good lattice fit between the intermediate layer and the superconducting layer, the crystal quality, which is mainly influenced by the size and orientation of the crystallites, and thus the superconducting properties such as j c and T 0 of the crystallites can be optimized. At the same time, the intermediate layer serves as a doping source to increase the critical current density of the grain boundaries.
Um bei dem oben angesprochenen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand die Leistung über das Substrat abzuführen, besteht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung aus einem Schichtsystem aus einer polykristallinen oder biaxial-texturierten YBCO-Schicht über einer elektrisch leitfähigen Ca-haltigen Pufferschicht, z.B. Lai-xCaxMnC>3 oder CaCuO2 / auf einem nichteinkristallinen Substrat.In order to dissipate the power via the substrate during the above-mentioned transition from the superconducting to the normal conducting state, an advantageous embodiment of the invention consists of a layer system consisting of a polycrystalline or biaxially textured YBCO layer over an electrically conductive Ca-containing buffer layer, e.g. Lai- x Ca x MnC>3 or CaCuO2 / on a non-single-crystalline substrate.
5 Es folgen weitere Erläuterungen des bevorzugten Schichtsystems.5 Further explanations of the preferred shift system follow.
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Das nicht-einkristalline Substrat der oben genannten vorteilhaften Ausführungsform kann aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch ein Metallsubstrat sein, auf dem z.B. mittels gepulster Laserdeposition die elektrisch leitfähige, Ca-haltige Pufferschicht abgeschieden wird, um zum einen als Dotierungsquelle zu dienen und zum anderen als biaxial texturierte Pufferschicht für die YBCO-Schicht, um so eine hohe Kristallqualität und eine hohe kritische Stromdichte der YBCO-Schicht gewährleisten zu können.From a technical and economic point of view, the non-single-crystal substrate of the above-mentioned advantageous embodiment can also be a metal substrate on which the electrically conductive, Ca-containing buffer layer is deposited, for example by means of pulsed laser deposition, in order to serve as a doping source on the one hand and as a biaxially textured buffer layer for the YBCO layer on the other hand, in order to be able to ensure a high crystal quality and a high critical current density of the YBCO layer.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems ist die gepulste Laserdeposition.A preferred method for producing the layer system is pulsed laser deposition.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, aus der weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten ebenso wie aus den Unteransprüchen entnehmbar sind. Im ein- ■ zelnen zeigen:The invention is explained in more detail with reference to a drawing, from which further details, including those essential to the invention, can be taken as well as from the subclaims. In detail:
Figur 1 : schematische Darstellung einer vorteilhaften AusführungsformFigure 1 : schematic representation of an advantageous embodiment
In Fig. 1 bezeichnet 1 das Substrat auf dem eine elektrisch leitfähige, Ca-haltige Pufferschicht 2 abgeschieden wurde. 5 Über dieser Pufferschicht 2 wurde die supraleitende YBCO-Schicht 3 epitaktisch aufgewachsen. Die Korngrenzen sind in Figur 1 schematisch dargestellt und tragen das Bezugszeichen 4.In Fig. 1, 1 designates the substrate on which an electrically conductive, Ca-containing buffer layer 2 was deposited. 5 The superconducting YBCO layer 3 was epitaxially grown over this buffer layer 2. The grain boundaries are shown schematically in Figure 1 and bear the reference number 4.
Claims (6)
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Cited By (1)
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| DE102005005800A1 (en) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | High-temperature layer superconductor structure and method for its production |
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2001
- 2001-12-21 DE DE20120782U patent/DE20120782U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
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