DE60128253T2

DE60128253T2 - Precursor-lösungen und verfahren zur ihrer verwendung

Info

Publication number: DE60128253T2
Application number: DE60128253T
Authority: DE
Inventors: Martin W. Framingham Rupich; Thomas A. Marlborough KODENKANDATH
Original assignee: American Superconductor Corp
Current assignee: American Superconductor Corp
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: US7939126B2; US20080188373A1; US7326434B2; JP4234424B2; US20060051600A1; KR20030086576A; US20020056401A1; WO2002035615A3; US20040071882A1; CN1503993A; DE60128253D1; CN100502073C; WO2002035615A2; JP2004512252A; KR100585417B1; AU2002216631B2; EP1334525A2; EP1334525B1; AU1663102A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft Vorläuferlösungen und Verfahren zur Verwendung der Vorläuferlösungen.
Mehrschichtige Artikel können in vielerlei Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise können Supraleiter, einschließlich Oxid-Supraleiter, aus mehrschichtigen Artikeln ausgebildet werden. Solche Supraleiter schließen gewöhnlich eine Schicht aus Supraleitermaterial und eine Schicht, die allgemein als Substrat bezeichnet wird und die die mechanische Festigkeit des mehrschichtigen Artikels erhöhen kann, ein.
Neben dem Erhöhen der Festigkeit des mehrschichtigen Supraleiters sollte das Substrat im Allgemeinen bestimmte andere Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel sollte das Substrat eine niedrige Curie-Temperatur haben, so dass das Substrat bei der Anwendungstemperatur des Supraleiters nicht ferromagnetisch ist. Des Weiteren sollten chemische Spezies innerhalb des Substrats nicht in die Schicht des Supraleitermaterials diffundieren können und der thermische Expansionskoeffizient des Substrats sollte ungefähr genauso groß wie der des Supraleitermaterials sein. Wenn das Substrat für einen Oxid-Supraleiter verwendet wird, sollte das Substratmaterial zudem relativ resistent gegen Oxidation sein.
Bei einigen Materialien, wie beispielsweise Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO), hängt die Fähigkeit des Materials, im supraleitenden Zustand einen hohen Transportstrom bereitzustellen, von der Kristallorientierung des Materials ab. Ein solches Material kann beispielsweise dann eine relativ hohe kritische Stromdichte (Jc) bereitstellen, wenn die Oberfläche des Materials biaxial strukturiert ist.
Wie hierin verwendet, bezeichnet „biaxial strukturiert" eine Oberfläche, bei der die Kristallkörner genau in eine Richtung in der Ebene der Oberfläche ausgerichtet sind. Eine Art einer biaxial strukturierten Oberfläche ist eine würfelförmig strukturierte Oberfläche, bei der die Kristallkörner auch genau in eine Richtung, die senkrecht zu der Oberfläche verläuft, ausgerichtet sind. Beispiele für würfelförmig strukturierte Oberflächen schließen die (100)[001]- und (100)[011]-Oberflächen ein und ein Beispiel für eine biaxial strukturierte Oberfläche ist die (113)[211]-Oberfläche.
Bei bestimmten mehrschichtigen Supraleitern ist die Schicht aus Supraleitermaterial eine epitaxiale Schicht. Wie hierin verwendet, bezeichnet eine „epitaxiale Schicht" eine Schicht aus Material, deren Kristallorientierung direkt mit der kristallographischen Ausrichtung der Oberfläche einer Schicht aus Material, auf der die epitaxiale Schicht abgeschieden wird, verwandt ist. Bei einem mehrschichtigen Supraleiter, der eine auf einem Substrat abgeschiedene, epitaxiale Schicht aus Supraleitermaterial besitzt, ist die Kristallorientierung der Schicht aus Supraleitermaterial beispielsweise direkt mit der Kristallorientierung des Substrats verwandt. Neben den oben angegebenen Eigenschaften eines Substrats kann daher auch gewünscht sein, dass ein Substrat eine biaxial strukturierte Oberfläche oder eine würfelförmig strukturierte Oberfläche hat.
Einige Substrate weisen noch nicht alle der oben erwähnten Eigenschaften auf, so dass eine oder mehrere Intermediat-Schichten, die üblicherweise als Pufferschichten bezeichnet werden, zwischen dem Substrat und der Supraleiter-Schicht aufgebracht werden können. Die Pufferschicht(en) kann (können) resistenter gegen Oxidation sein als das Substrat und die Diffusion chemischer Spezies zwischen dem Substrat und der Supraleiterschicht vermindern. Ferner kann (können) die Pufferschicht(en) einen thermischen Expansionskoeffizienten haben, der gut mit dem Supraleitermaterial zusammenpasst.
In der Regel ist eine Pufferschicht eine epitaxiale Schicht, so dass ihre Kristallorientierung direkt mit der Kristallorientierung der Oberfläche, auf der die Pufferschicht abgeschieden wird, in Beziehung steht. In einem mehrschichtigen Supraleiter, der aus einem Substrat, einer epitaxialen Pufferschicht und einer epitaxialen Schicht aus Supraleitermaterial besteht, ist die Kristallorientierung der Oberfläche der Pufferschicht beispielsweise direkt mit der Kristallorientierung der Oberfläche des Substrats verwandt und die kristallgraphische Ausrichtung der Schicht aus Supraleitermaterial steht direkt mit der Kristallorientierung der Pufferschicht in Beziehung. Daher können die supraleitenden Eigenschaften, die ein mehrschichtiger Supraleiter mit Pufferschicht besitzt, von der Kristallorientierung der Oberfläche der Pufferschicht abhängen.
Bestimmte Supraleiter-Vorläuferlösungen können eine relativ lange Zeit dafür benötigen, ein Supraleiter-Intermediat (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) auszubilden. In manchen Fällen kann der Versuch, diese Zeitdauer zu verringern, in einem Intermediat mit einer Dichte von Defekten resultieren, so dass eine weitere Behandlung zum Ausbilden eines Supraleitermaterials zu einer Schicht aus Supraleitermaterial mit einer relativ geringen kritischen Stromdichte führt.
Die europäische Patentanmeldung 277 020 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Materials mit einer supraleitenden Schicht aus einem Doppeloxid von Metallen, die auf einem Substrat bereitgestellt wird.
Die europäische Patentanmeldung 0 301 591 offenbart eine Zusammensetzung zum Ausbilden einer Metalloxidverbindung mit bestimmter Zusammensetzung und ein Verfahren zum Herstellen dieser Oxidverbindung. Die Zusammensetzung umfasst ein Alkoxid eines Seltenerdmetalls, ein Alkoxid eines Erdalkalimetalls und ein Salz einer organischen Säure eines organischen Kupferkomplexes.
Die europäische Patentanmeldung 0 349 444 offenbart einen supraleitenden Film, der aus einem Seltenerd-Erdalkali-Kupferoxid besteht, das eine kristalline R₁A₂C₃-Phase über einer kristallinen R₂A₁C₁-Phase aufweist.
Die europäische Patentanmeldung 431 813 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Hoch-T_c-1-2-3-Supraleitern mit Perovskit-Struktur unter Verwendung von Verfahren in Lösung. Zur Ausbildung eines harzigen, vor-keramischen Materials mit kontrollierter Viskosität, durch die dessen Ausbildung in supraleitende Artikel, wie beispielsweise Fasern, Kabel, Bänder, Filme und Ähnliches erleichtert wird, verwendet das Verfahren zwei Lösungsmittelsysteme. Mit diesem Verfahren wird eine Vor-Keramik erhalten, die biegsam ist und strukturell ausreichend intakt ist, um einer normalen Handhabung standzuhalten.
Das US-Patent Nr. 5,231,074 offenbart einen mittels Metall-Organischer-Abscheidung (Metall Organic Deposition, MOD) auf Substraten, einschließlich gitterangepassten, nicht gitterangepassten, inerten und nicht inerten Materialien, erzeugten, dünnen Film aus hochstrukturiertem Supraleiteroxid.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft zum Teil die Erkenntnis, dass eine während der Ausbildung von bestimmten Seltenerd-Erdalkali-Übergangsmetalloxiden (z.B. YBCO-Verbindungen, wie beispielsweise YBa₂Cu₃O_7-x) auftretende Ausbildung von Defekten durch Auswählen einer Vorläuferlösung bzw. Precursorlösung, die ein geeignetes Salz des Seltenerdmetalls, ein geeignetes Salz des Erdalkalimetalls, ein geeignetes Salz des Übergangsmetalls, ein oder mehrere geeignete Lösungsmittel und gegebenenfalls Wasser enthält, verringert oder verhindert werden kann. Solche Vorläuferlösungen können dazu verwendet werden, in einer relativ kurzen Zeitspanne (z.B. in weniger als ungefähr 5 Stunden) ein relativ hochqualitatives (z.B. geringe Defektdichte), relativ dickes (z.B. mindestens ungefähr ein Mikrometer dick) Intermediat des Seltenerd-Erdalkali-Übergangsmetallsoxids (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) auszubilden. Das Intermediat kann dann weiter verarbeitet werden, um ein Seltenerd-Erdalkali-Übergangsmetalloxid (z.B. eine YBCO-Verbindung, wie beispielsweise YBa₂Cu₃O_7-x) mit geringer Defektdichte und/oder relativ kritischer Stromdichte (z.B. mindestens ungefähr 0,5 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter) auszubilden.
Eine veranschaulichende, aber nicht einschränkende Liste von Lösungsmitteln schließt Wasser, Alkohole (z.B. Methanol, 2-Methoxyethanol, Butanol, Isopropanol), Acetonitril, Tetrahydrofuran, 1-Methyl-2-pyrrolidinon und Pyridin ein. Es können auch Kombinationen aus zwei oder mehreren dieser Lösungsmittel verwendet werden.
Die Bestandteile der Vorläuferlösung sollten so ausgewählt sein, dass während der Verarbeitung der Vorläuferlösung zum Ausbilden des Intermediats des Seltenerd-Erdalkali-Übergangsmetalloxids mindestens einer, und vorzugsweise im Wesentlichen alle, der folgen Parameter eingehalten werden.
Ein Parameter ist, dass eine minimale Bildung von Erdalkalicarbonaten (z.B. BaCO₃) auftritt, wenn die Vorläuferlösung zur Ausbildung des Intermediats (z.B. Metalloxihalogenid) verarbeitet wird. Vorzugsweise ist die Menge an gebildetem Erdalkalicarbonat nicht mit Röntgenstrahlbeugung nachweisbar. Ohne sich an irgendeine Theorie binden zu wollen, wird vermutet, dass die Bildung von Erdalkalicarbonaten unerwünscht sein kann, weil das Erdalkalicarbonat (z.B. BaCO₃) bei Temperaturen oberhalb der Bildungstemperatur des Seltenerd-Erdalkali-Übergangsmetalloxids (z.B. YBa₂Cu₃O_7-x) thermisch stabil sein kann, und dadurch die Menge an gebildetem Seltenerd-Erdalkali-Übergangsmetalloxid reduziert. In bestimmten Ausführungsformen sind die in der Vorläuferlösung enthaltenen Erdalkalimetallsalze so ausgewählt, dass sie statt Erdalkalioxid(e) (z.B. BaO) auszubilden, vorzugsweise Erdalkaliverbindungen ausbilden, die eine, wenn überhaupt, nur geringe Umwandlung zu Erdalkalicarbonaten (z.B. Erdalkalihalogenid(e), wie beispielsweise BaF₂, BaCl₂, BaBr₂ und/oder BaI₂) durchlaufen. Die Erdalkaliverbindung (z.B. Erdalkalihalogenid) sollte sich zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das (die) Erdalkalioxid(e) unter Ausbildung des Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxids (z.B. einer YBCO-Verbindung, wie beispielsweise YBa₂Cu₃O_7-x) schnell mit dem (den) Seltenerdoxid(en) (z.B. Y₂O₃) und dem (den) Übergangsmetalloxid(en) (z.B. CuO) reagieren wird (werden), in das (die) entsprechende(n) Erdalkalioxid(e) (z.B. BaO) umwandeln lassen.
Ein weiterer Parameter ist, dass eine minimale Bildung von Defekten während der Ausbildung des Seltenerd-Erdalkali-Übergangsmetalloxid-Intermediats (z.B. Metalloxihalogenid-Intermediat) auftritt. Wie hierin verwendet, bezeichnet ein „Defekt" einen Riss oder eine Blase, wie beispielsweise einen Riss oder eine Blase, die durch visuelle (oder optische) Inaugenscheinnahme nachweisbar sind.
Ein weiterer Parameter ist, dass das Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxid-Intermediat keine in der zusammengesetzten Phase auftretenden Abscheidungen, die größer als ungefähr ein Zehntel der Dicke des Intermediat-Films sind, aufweist. Eine weitere Verarbeitung eines solchen Intermediats kann in einem im Wesentlichen homogenen Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxid (z.B. YBa₂Cu₃O_7-x, das im Wesentlichen in der 123-Phase vorliegt) resultieren.
Ein weiterer Parameter ist, dass, während der Umwandlung des Vorläufers in das Intermediat (z.B. Metalloxihalogenid), eine minimale Vernetzung zwischen den einzelnen Molekülen des Übergangsmetalls (z.B. Kupfermolekülen) auftritt. Ohne sich an irgendeine Theorie binden zu wollen, wird vermutet, dass bei der Verarbeitung der Vorläuferlösung zum Ausbilden des Intermediats (z.B. Metalloxihalogenid) einige Übergangsmetallsalze chemische Reaktionen durchlaufen können, bei denen einzelne Kupfermoleküle miteinander vernetzt werden. Es wird vermutet, dass solche vernetzten Moleküle relativ stark anfällig für die Ausbildung von Defekten sind. Ohne sich an irgendeine Theorie binden zu wollen, wird vermutet, dass diese Vernetzung dann auftreten kann, wenn das Wasser, das in den oktaedrischen Stellen des Übergangsmetalls (z.B. Kupfer) koordiniert ist, während der Verarbeitung (bei einigen Übergangsmetallsalzen z.B. bei einer Temperatur zwischen ungefähr 200°C und ungefähr 220°C) verdrängt wird, und dadurch Bindungsstellen an dem Übergangsmetallatom eines Übergangsmetallmoleküls für eine Wechselwirkung mit Atomen (z.B. Sauerstoff oder Fluor) eines anderen Übergangsmetallmoleküls aufmacht. Bei einigen Ausführungsformen wird vermutet, dass die Ausbildung derart vernetzter, einzelner Übergangsmetallmoleküle dadurch verringert werden kann, dass ein Übergangsmetallsalz (z.B. Kupfersalz) ausgewählt wird, das die Vernetzung während der Verarbeitung (indem z.B. relativ große organische Gruppen oder relativ große Atome, wie beispielsweise Chlor, Brom oder Iod, in dem Übergangsmetallsalz verwendet werden oder indem relativ elektropositive Atome, wie beispielsweise Wasserstoff, im Übergangsmetallsalz verwendet werden) sterisch und/oder chemisch hindert.
Ein weiterer Parameter ist, dass das Seltenerdmetallsalz so ausgewählt sein sollte, dass das Salz während der Verarbeitung, im Gegensatz zu anderen Verbindungen, in das (die) Seltenerdmetalloxid(e) (z.B. Y₂O₃) umgewandelt wird.
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, das das Aufbringen einer Vorläuferlösung auf eine Oberfläche einer Schicht einschließt, um so einen Vorläuferfilm auszubilden. Der Vorläuferfilm schließt ein Carboxylatsalz eines Seltenerdmetalls, ein fluoriertes Carboxylatsalz eines Erdalkalimetalls und ein nicht-halogeniertes Carboxylatsalz eines Übergangsmetalls (z.B. ein Propionatsalz eines Übergangsmetalls) ein. Das Übergangsmetallsalz kann beispielsweise Cu(O₂CC₂H₅)₂ sein. Das Verfahren schließt auch das Behandeln des Vorläuferfilms zum Ausbilden einer Schicht aus einem Intermediat eines Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxids ein.
Allgemein kann ein Vorläuferfilm durch Aufbringen einer Vorläuferlösung auf der Oberfläche einer Schicht aus Material, mit oder ohne weiter verarbeitet zu werden, ausgebildet werden (z.B. kann der Vorläuferfilm aus den gleichen chemischen Bestandteilen wie die Vorläuferlösung ausgebildet werden). Ein Vorläuferfilm kann zum Beispiel durch beispielsweise Tauchbeschichtung (Dip-Coating), Rotationsbeschichtung (Spin-Coating), Schlitzdüsenbeschichtung (Slot-Coating) oder Bahnbeschichtung (Web-Coating) auf die Oberfläche einer Schicht aus Material aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann die Vorläuferlösung, ohne weitere Verarbeitung, mit dem Verfahren des Ausbringens der Vorläuferlösung (z.B. Spin-Coating) auf der Schicht aus Material in einen Vorläuferfilm (indem z.B. das (die) Lösungsmittel zumindest teilweise aus der Vorläuferlösung abgezogen wird (werden)) umgewandelt werden.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Zusammensetzung bereit, die noch eine Lewis-Base enthält.
Das Supraleiter-Intermediat kann beispielsweise teilweise oder vollständig aus einer oder mehreren Metalloxihalogenidverbindungen ausgebildet sein.
Die Erfindung kann insbesondere von Vorteil sein, wenn ein Supraleiter in Form eines Gegenstandes mit relativ großer Oberfläche, wie beispielsweise ein Band oder eine Scheibe, hergestellt wird.
In einigen Ausführungsformen wird das Supraleitermaterial vorzugsweise aus YBCO (z.B. YBa₂Cu₃O_7-x) ausgebildet.
Das Supraleitermaterial kann einen kritischen Strom von mindestens ungefähr 200 Ampere pro Zentimeter einer Breite (z.B. mindestens ungefähr 300 Ampere pro Zentimeter einer Breite, mindestens ungefähr 500 Ampere pro Zentimeter einer Breite) haben.
Soweit nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Fachmann, an den diese Erfindung gerichtet ist, verstanden wird. Obwohl bei der praktischen Ausführung der Erfindung auch Verfahren und Materialien verwendet werden können, die den hierin beschriebenen ähnlich oder äquivalent sind, werden im Folgenden geeignete Verfahren und Materialien beschrieben. Bei Streitigkeiten gilt die vorliegende Beschreibung, einschließlich ihrer Definitionen. Des Weiteren sind die Materialien, Verfahren und Beispiele nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht und sollen nicht einschränken.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, der Figuren und der Ansprüche offenkundig werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 stellt eine Schnittzeichnung einer Ausführungsform eines mehrschichtigen Artikels dar;
2 stellt eine Schnittzeichnung einer anderen Ausführungsform eines mehrschichtigen Artikels dar;
3 stellt eine Schnittzeichnung einer weiteren Ausführungsform eines mehrschichtigen Artikels dar; und
4 zeigt eine optische Mikroaufnahme eines Films aus einem Intermediat-Material;
5 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung eines Films aus YBa₂Cu₃O_7-x;
6 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung eines Films aus YBa₂Cu₃O_7-x;
7 zeigt eine optische Mikroaufnahme eines Films aus einem Intermediat-Material;
8 zeigt eine optische Mikroaufnahme eines Films aus einem Intermediat-Material;
9 zeigt eine optische Mikroaufnahme eines Films aus einem Intermediat-Material;
10 zeigt eine optische Mikroaufnahme eines Films aus einem Intermediat-Material;
11 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung eines Films aus YBa₂Cu₃O_7-x;
12 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung eines Films aus YBa₂Cu₃O_7-x; und
13 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung eines Films aus YBa₂Cu₃O_7-x.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung betrifft Vorläuferlösungen und Verfahren zur Verwendung der Vorläuferlösungen.
Die Vorläuferlösungen enthalten ein Carboxylatsalz eines Seltenerdmetalls, ein fluoriertes Carboxylatsalz eines Erdalkalimetalls, ein nicht-halogeniertes Carboxylatsalz eines Übergangsmetalls und ein oder mehrere Lösungsmittel. Gegebenenfalls können die Vorläuferlösungen Wasser enthalten. In einigen Ausführungsformen können die Vorläuferlösungen eine oder mehrere Lewis-Basen enthalten.
Das Seltenerdmetall kann Yttrium, Lanthan, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Cer, Praesodym, Neodym, Promethium, Samarium oder Lutetium sein. Generell kann das Seltenerdmetallsalz jedes Seltenerdmetallsalz sein, das in dem (den) in der Vorläuferlösung enthaltenen Lösungsmittel(n) löslich ist und das, wenn es zum Ausbilden eines Intermediats (z.B. eines Metalloxihalogenid-Intermediats) verarbeitet wird, ein Seltenerdoxid(e) (z.B. Y₂O₃) ausbildet. Entsprechende Salze können beispielsweise die Formel M(O₂C-(CH₂)_n-CXX'X'')(O₂C-(CH₂)_m-CX'''X''''X''''')(O₂C-(CH₂)_p-CX''''''X'''''''X'''''''') haben. M ist das Seltenerdmetall. n, m und p sind jeweils mindestens eins, aber kleiner als eine Zahl, bei der das Salz in dem (den) Lösungsmittel(n) unlöslich bleiben würde (z.B. zwischen eins und zehn). X, X', X'', X''', X'''', X''''', X'''''', X''''' und X'''''''' sind jeweils H, F, Cl, Br oder I. Beispiele für solche Salze schließen nicht-halogenierte Carboxylate, halogenierte Acetate (z.B. Trifluoracetat, Trichloracetat, Tribromacetat, Triiodacetat) ein. Beispiele für solche nicht-halogenierten Carboxylate schließen nicht-halogenierte Acetate (z.B. M(O₂C-CH₃)₃) ein.
Das Erdalkalimetall ist gewöhnlich Barium, Strontium oder Calcium. Generell kann das Erdalkalimetallsalz jedes fluorierte Carboxylat-Erdalkalimetallsalz sein, das in dem (den) in der Vorläuferlösung enthaltenen Lösungsmittel(n) löslich ist und das, wenn es zum Ausbilden eines Intermediats (z.B. eines Metalloxihalogenid-Intermediats) verarbeitet wird, vor dem Ausbilden eines (von) Erdalkalioxid(en) (z. B. BaO) eine Erdalkalihalogenidverbindung (z.B. BaF₂, BaCl₂, BaBr₂, BaI₂) ausbildet. Entsprechende Salze können beispielsweise die Formel M'(O₂C-(CH₂)_n-CXX'X'')(O₂C-(CH₂)_m-CX'''X''''X''''') haben. M' ist das Erdalkalimetall. n und m sind jeweils mindestens eins, aber kleiner als eine Zahl, bei der das Salz in dem (den) Lösungsmittel(n) unlöslich bleiben würde (z.B. zwischen eins und zehn). X, X', X'', X''', X'''' und X''''' sind jeweils H, F, Cl, Br oder I. R kann eine halogenierten oder nicht-halogenierten Kohlenstoff enthaltende Gruppe sein. Beispiele für solche Salze schließen halogenierte Acetate (z.B. Trifluoracetat) ein.
Das Übergangsmetall ist gewöhnlich Kupfer. Das Übergangsmetallsalz sollte in dem (den) in der Vorläuferlösung enthaltenen Lösungsmittel(n) löslich sein. Während der Umwandlung des Vorläufers in das Intermediat (z.B. Metalloxihalogenid) sollte vorzugsweise eine minimale Vernetzung zwischen den einzelnen Molekülen des Übergangsmetalls (z.B. Kupfermolekülen) auftreten. Entsprechende Übergangsmetallsalze können beispielsweise die Formel M''(O₂C-(CH₂)_n-CXX'X'')(O₂C-(CH₂)_m-CX'''X''''X''''') haben. M'' ist das Übergangsmetall. In der Regel sind n und m jeweils mindestens eins, aber kleiner als eine Zahl, bei der das Salz in dem (den) Lösungsmittel(n) unlöslich bleiben würde (z.B. zwischen eins und zehn). X, X', X'', X''', X'''', X''''' sind jeweils H oder eine nicht-halogenierte Alkylgruppe. Diese Salze schließen zum Beispiel nicht-halogenierte Acetate (z.B. M''(O₂C-CH₃)₂) ein. Beispiele für solche Salze schließen Cu(OOCC₇H₁₅)₂, Cu(CH₃COCHCOCH₃)₂, Cu(CH₃CH₂CO₂CHCOCH₃)₂ oder CuO(C₅H₆N)₂ ein. Das Übergangsmetallsalz ist ein nicht-halogeniertes Carboxylatsalz, wie beispielsweise ein Propionatsalz des Übergangsmetalls (z.B. ein nicht-halogeniertes Propionatsalz des Übergangsmetalls). Ein Beispiel für ein nicht-halogeniertes Propionatsalz eines Übergangsmetalls ist Cu(O₂CC₂H₅)₂. In manchen Ausführungsformen können n und/oder m den Wert null annehmen.
Eine veranschaulichende und nicht einschränkende Liste von Lewis-Basen schließt Stickstoff enthaltende Verbindungen, wie beispielsweise Ammoniak und Amine, ein. Beispiele für Amine schließen CH₃CN, C₅H₅N und R₁R₂R₃N ein. R₁R₂R₃ sind jeweils unabhängig voneinander H, eine Alkylgruppe (z.B. eine geradkettige Alkylgruppe, eine verzweigte Alkylgruppe, eine aliphatische Alkylgruppe, eine nicht-aliphatische Alkylgruppe und/oder eine substituierte Alkylgruppe) oder Ähnliches. Ohne sich an irgendeine Theorie binden zu wollen, wird vermutet, dass die Gegenwart einer Lewis-Base in der Vorläuferlösung die Vernetzung von Kupfer während des Ausbildung des Intermediats verringert. Es wird vermutet, dass dies deshalb erreicht wird, weil eine Lewis-Base mit Kupferionen koordinieren (z.B. selektiv koordinieren) kann und dadurch die Fähigkeit des Kupfers zu Vernetzung reduziert.
In bestimmten Ausführungsformen können die Vorläuferlösungen eine relativ geringe Gesamtkonzentration an freien Säuren aufweisen. In manchen Ausführungsformen haben die Vorläuferlösungen eine Gesamtkonzentration an freien Säuren von weniger als ungefähr 1 × 10^–3 Mol (z.B. weniger als ungefähr 1 × 10^–5 Mol, ungefähr 1 × 10^–7 Mol). Beispiele für freie Säuren, die in der Vorläuferlösung enthalten sein können, schließen Trifluoressigsäure, Essigsäure, Salpetersäure, Schwefelsäuren, Säuren von Iodiden, Säuren von Bromiden und Säuren von Sulfaten ein.
In einigen Ausführungsformen, beispielsweise wenn die Vorläuferlösungen Wasser enthalten, können die Vorläuferlösungen einen relativ neutralen pH haben. Der pH der Vorläuferlösungen kann zum Beispiel mindestens ungefähr 3 sein (z.B. mindestens ungefähr 5, ungefähr 7).
Die Vorläuferlösungen können einen relativ geringen Wassergehalt besitzen. In bestimmten Ausführungsformen haben die Vorläuferlösungen einen Wassergehalt von weniger als 50 Vol.-% (z.B. weniger als ungefähr 35 Vol.-%, weniger als 25 Vol.-%).
Die Menge des Übergangsmetalls, Erdalkalimetalls und Seltenerdmetalls kann so ausgewählt sein, dass das Verhältnis der molaren Mengen von jedem dieser Elemente (z.B. im ionischen Zustand) in der Vorläuferlösung ungefähr 3:2:1 beträgt.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Erdalkalimetallsalz (z.B. Bariumsalz) die vorwiegende (z.B. ausschließliche) Bezugsquelle des Halogens, das zum Ausbilden des Erdalkalimetallhalogenids verwendet wird, wenn die Vorläuferlösung zum Ausbilden des Intermediats (z.B. des Metalloxihalogenid-Intermediats) verarbeitet wird. In anderen Ausführungsformen, beispielsweise wenn das Seltenerdmetallsalz gleichzeitig mit dem Erdalkalimetallsalz aufgeschlossen wird, kann das Seltenerdsalz auch das Erdalkalimetall mit Halogen versorgen. In manchen Ausführungsformen, beispielsweise wenn das Übergangsmetallsalz gleichzeitig mit dem Erdalkalimetallsalz aufgeschlossen wird, kann das Übergangsmetallsalz auch das Erdalkalimetall mit Halogen versorgen. In manchen Ausführungsformen, wenn sowohl das Seltenerdmetallsalz als auch das Übergangsmetallsalz gleichzeitig mit dem Erdalkalimetallsalz aufgeschlossen werden, können das Seltenerdmetallsalz und das Übergangsmetall auch das Erdalkalimetall mit Halogen versorgen.
Generell können die Vorläuferlösungen hergestellt werden, indem die Salze des Seltenerdmetalls, des Übergangsmetalls und des Erdalkalimetalls mit dem (den) gewünschten Lösungsmittel(n) und gegebenenfalls Wasser und/oder einer oder mehrerer Lewis-Base(n) vereinigt werden. In bestimmten Ausführungsformen werden die Salz so miteinander vereinigt, dass das Molverhältnis von Übergangsmetallsalz:Erdalkalimetallsalz: Seltenerdmetallsalz in der Vorläuferlösung bei ungefähr 3:2:1 liegt.
Nach der Ausbildung der Vorläuferlösung kann die Lösung auf die Oberfläche einer darunter liegenden Schicht (z.B. Pufferschicht, Supraleiter-Schicht oder Substrat) aufgebracht werden. Das (die) verwendete(n), spezielle(n) Lösungsmittel sowie die in den Vorläuferlösungen enthalten Mengen des (der) Lösungsmittel(s) und/oder Wasser können ausgehend von dem Verfahren, das zum Aufbringen der Vorläuferlösung auf der Oberfläche der darunter liegenden Schicht verwendet wird, ausgewählt werden. Wenn die Lösung beispielsweise mittels Dip-Coating, Spin-Coating oder Web-Coating auf die Oberfläche der darunter liegenden Materialschicht aufgebracht wird, können ein oder mehrere Alkohole (z.B. Methanol, 2-Methoxyethanol, Butanol und/oder Isopropanol) verwendet werden und die Menge an Lösungsmittel(n) kann so ausgewählt werden, dass die gewünschte Viskosität und der gewünschte Feststoffgehalt erreicht wird.
In Ausführungsformen, in denen die Vorläuferlösung mittels Web-Coating auf die darunter liegende Schicht aufgebracht werden soll, kann es wünschenswert sein, dass die Vorläuferlösung eine kinematische Viskosität von ungefähr einem centiStoke bis ungefähr 10 centiStoke besitzt.
Nach dem Aufbringen auf der Oberfläche der darunter liegenden Schicht wird die Lösung so behandelt, dass eine Schicht aus Supraleitermaterial ausgebildet wird. Diese Behandlung schließt in der Regel das Erhitzen mit geeigneten Geschwindigkeiten und in einer geeigneten Gasumgebung ein, so dass sich während der Umwandlung der Vorläuferlösung in das Intermediat (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) eine minimale Menge an Erdalkalicarbonat (z.B. BaCO₃) bildet und eine minimale Vernetzung zwischen den einzelnen Molekülen des Übergangsmetalls (z.B. Kupfermoleküle) auftritt. Das Intermediat (z.B. Metalloxihalogenid-Intermediat) wird dann weiter erhitzt, um das gewünschte Supraleitermaterial auszubilden. Bestimmte Verfahren zum Ausbilden des Intermediats und des Supraleitermaterials werden im Folgenden beschrieben.
1 zeigt einen mehrschichtigen Supraleiter 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der unter Verwenden der oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Artikel 10 schließt eine Substratschicht 12 mit einer Oberfläche 13 und einer Schicht aus Supraleitermaterial 14 mit einer Oberfläche 15 ein. Die Schicht 14 wird auf die Oberfläche 13 aufgebracht.
Die Schicht 12 kann aus irgendeinem, zum Trägern der Schicht 14 geeigneten Material ausgebildet sein. I000n Ausführungsformen, in denen der Artikel 10 ein mehrschichtiger Supraleiter ist, kann die Schicht 12 aus einem Substratmaterial ausgebildet sein. Beispiele für Substratmaterialien, die als Schicht 12 verwendet werden können, schließen zum Beispiel Metalle und/oder Legierungen, wie beispielsweise Nickel, Silber, Kupfer, Zink, Aluminium, Eisen, Chrom, Vanadium, Palladium, Molybdän und/oder deren Legierungen, ein.
Die Oberfläche 13 der Schicht 12 kann auch unter Verwenden von Verfahren im Vakuum, wie beispielsweise ionenstrahlgestützter Abscheidung, Abscheidung auf geneigtem Substrat (inclined substrate deposition) und anderen Technik im Vakuum, die im Stand der Technik zum Ausbilden einer biaxial strukturierten Oberfläche auf beispielsweise einer zufällig ausgerichteten, polykristallinen Oberfläche bekannt sind, ausgebildet werden.
In manchen Ausführungsformen kann eine Pufferschicht unter Verwenden von ionenstrahlgestützter Abscheidung (ion beam assisted deposition, IBAD) ausgebildet werden. Bei dieser Technik wird ein Pufferschichtmaterial unter Verwenden von beispielsweise Elektronenstrahlverdampfung, Abscheidung durch Zerstäubung oder gepulster Laserabscheidung verdampft, indem ein Ionenstrahl (z.B. ein Argon-Ionenstrahl) auf eine glatte, amorphe Oberfläche eines Substrats gerichtet wird, auf das das verdampfte Pufferschichtmaterial abgeschieden wird.
Die Pufferschicht kann beispielsweise durch ionenstrahlgestützte Abscheidung ausgebildet werden, indem ein Pufferschichtmaterial mit steinsalzartiger Struktur (z.B. ein Material mit Steinsalz-Struktur, wie beispielsweise ein Oxid, einschließlich MgO, oder ein Nitrid) so auf einer glatten, amorphen Oberfläche (z.B. einer Oberfläche mit einer quadratischen Mittenrauheit von weniger als ungefähr 10 nm (100 Angström)) eines Substrats verdampft wird, dass das Pufferschichtmaterial eine Oberfläche mit einer wesentlichen Ausrichtung (z.B. ungefähr 13° oder weniger) in sowohl der gleichen wie auch in anderen Ebenen hat.
Die während der Abscheidung des Pufferschichtmaterials verwendeten Bedingungen können zum Beispiel eine Substrattemperatur von ungefähr 0°C bis ungefähr 400°C (z.B. von ungefähr Raumtemperatur bis ungefähr 400°C), eine Abscheidungsgeschwindigkeit von ungefähr 0,1 nm (1,0 Angström) pro Sekunde bis ungefähr 0,44 nm (4,4 Angström) pro Sekunde, eine Ionenenergie von ungefähr 200 eV bis ungefähr 1200 eV und/oder eine Ionenflussdichte von ungefähr 110 Mikroampere pro Quadratzentimeter bis ungefähr 120 Mikroampere pro Quadratzentimeter einschließen.
In einigen Ausführungsformen, bei denen IBAD verwendet wird, wird das Substrat aus einem Material ausgebildet, das eine polykristalline, nicht-amorphe Grundstruktur (z.B. eine Metalllegierung, wie beispielsweise eine Nickellegierung) mit glatter, amorpher Oberfläche, die aus verschiedenen Materialien (z.B. Si₃N₄) ausgebildet ist, besitzt.
In bestimmten Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Pufferschichten durch epitaxiales Wachstum auf einer ursprünglichen IBAD-Oberfläche abgeschieden werden. Jede Pufferschicht kann eine wesentliche Ausrichtung (z.B. ungefähr 13° oder weniger) in sowohl der gleichen wie auch in anderen Ebenen aufweisen.
Diese Verfahren sind in der PCT-Veröffentlichung Nr. WO 99/25908 beschrieben, die am 27. Mai 1999 veröffentlicht wurde und den Titel „Thin Films Having A Rock-Salt-Like Structure Deposited on Amorphous Surfaces" trägt.
In anderen Ausführungsformen kann das Substrat aus Legierungen ausgebildet werden, die eine oder mehrere biaxial strukturierte (z.B. (113)[211]) oder würfelförmig strukturierte (z.B. (100)[001] oder (100)[011]) Oberflächen besitzen. Die Legierungen können eine relativ niedrige Curie-Temperatur (z.B. höchstens ungefähr 80 K, höchstens ungefähr 40 K oder höchstens ungefähr 20 K) haben.
In einigen dieser Ausführungsformen ist das Substrat eine Zweistofflegierung, die zwei der folgenden Metalle enthält: Kupfer, Nickel, Chrom, Vanadium, Aluminium, Silber, Eisen, Palladium, Molybdän, Gold und Zink. Eine Zweistofflegierung kann beispielsweise aus Nickel und Chrom ausgebildet werden (z.B. Nickel und höchstens 20 Atomprozent Chrom, Nickel und zwischen ungefähr fünf und ungefähr 18 Atomprozent Chrom oder Nickel und zwischen ungefähr 10 und ungefähr 15 Atomprozent Chrom). Eine Zweistofflegierung kann beispielsweise auch aus Nickel und Kupfer ausgebildet werden (z.B. Kupfer und zwischen ungefähr fünf und ungefähr 45 Atomprozent Nickel, Kupfer und zwischen ungefähr 10 und ungefähr 40 Atomprozent Nickel oder Kupfer und zwischen ungefähr 25 und ungefähr 35 Atomprozent Nickel). Eine Zweistofflegierung kann zudem relativ kleine Mengen an Unreinheiten (z.B. weniger als ungefähr 0,1 Atomprozent Unreinheiten, weniger als ungefähr 0,01 Atomprozent Unreinheiten oder weniger als ungefähr 0,005 Atomprozent Unreinheiten) enthalten.
In bestimmten dieser Ausführungsformen enthält das Substrat mehr als zwei Metalle (z.B. eine Dreistofflegierung oder eine Vierstofflegierung). In diesen Ausführungsformen kann die Legierung eine oder mehrere Oxid bildende Substanzen (z.B. Mg, Al, Ti, Cr, Ga, Ge, Zr, Hf, Y, Si, Pr, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Lu, Th, Er, Tm, Be, Ce, Nd, Sm, Yb und/oder La, wobei Al die bevorzugte Oxid bildende Substanz ist) sowie zwei der folgenden Metalle: Kupfer, Nickel, Chrom, Vanadium, Aluminium, Silber, Eisen, Palladium, Molybdän, Gold und Zink enthalten. Die Legierungen können mindestens ungefähr 0,5 Atomprozent Oxid bildende Substanzen (z.B. mindestens ungefähr ein Atomprozent Oxid bildende Substanzen oder mindestens ungefähr zwei Atomprozent Oxid bildende Substanzen) und höchstens ungefähr 25 Atomprozent Oxid bildende Substanzen (z.B. höchstens ungefähr 10 Atomprozent Oxid bildende Substanzen oder höchstens ungefähr vier Prozent Oxid bildende Substanzen) enthalten. Die Legierung kann beispielsweise eine Oxid bildende Substanz (z.B. mindestens ungefähr 0,5 Atomprozent Aluminium), zwischen ungefähr 25 Atomprozent und ungefähr 55 Atomprozent Nickel (z.B. zwischen ungefähr 35 Atomprozent und ungefähr 55 Atomprozent Nickel oder zwischen ungefähr 40 Atomprozent und ungefähr 55 Atomprozent Nickel) und den Rest als Kupfer enthalten. Als weiteres Beispiel kann die Legierung eine Oxid bildende Substanz (z.B. mindestens ungefähr 0,5 Atomprozent Aluminium), zwischen ungefähr fünf Atomprozent und ungefähr 20 Atomprozent Chrom (z.B. zwischen ungefähr 10 Atomprozent und ungefähr 18 Atomprozent Chrom oder zwischen ungefähr 10 Atomprozent und ungefähr 15 Atomprozent Chrom) und den Rest als Nickel enthalten. Die Legierungen können relativ kleine Mengen an weiteren Metallen (z.B. weniger als ungefähr 0,1 Atomprozent weitere Metalle, weniger als ungefähr 0,01 Atomprozent weitere Metalle oder weniger als ungefähr 0,005 Atomprozent weitere Metalle) enthalten.
Ein aus einer Legierung ausgebildetes Substrat kann beispielsweise durch Vereinigen der Bestandteile in Pulverform, Schmelzen und Abkühlen oder durch beispielsweise Untereinander-Verteilen der pulverförmigen Bestandteile im festen Zustand hergestellt werden. Anschließend kann die Legierung durch Strukturierung unter Verformung (z.B. Glühen und Auswalzen, Kneten, Extrusion und/oder Zugumformen) ausgebildet werden, um so eine strukturierte Oberfläche (z.B. biaxial strukturiert oder würfelförmig strukturiert) auszubilden. Alternativ dazu können die Bestandteile der Legierung in einer „Biskuitrollen"-artigen Konfiguration gestapelt werden und dann unter Verformung strukturiert werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Material mit einem relativ niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten (z.B. Nb, Mo, Ta, V, Cr, Zr, Pd, Sb, NbTi, eine intermetallische Verbindung, wie beispielsweise NiAl oder Ni₃Al oder deren Mischungen) zu einer Stange ausgebildet werden und vor der Strukturierung unter Verformung in die Legierung eingebettet werden.
In manchen Ausführungsformen kann die stetige Bildung von Oxiden solange abgeschwächt werden, bis eine erste epitaxiale Schicht (z.B. Puffer) auf der biaxial strukturierten Oberfläche der Legierung ausgebildet wurde, wobei eine auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachte Intermediat-Schicht verwendet wird. Intermediat-Schichten, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen jene epitaxialen Metall- oder Legierungsschichten ein, die keine Oxide auf der Oberfläche ausbilden, wenn sie Bedingungen, wie den für das anfängliche Wachstum von epitaxialen Pufferschichtfilmen erforderlichen, durch p_O2 und Temperatur gegebenen Bedingungen, ausgesetzt werden. Daneben fungiert die Pufferschicht als Barriere, um zu verhindern, dass ein Substratelement(e) zu der Oberfläche der Intermediat-Schicht wandert(n) und während des anfänglichen Wachstums der epitaxialen Schicht Oxide bildet(n). Wenn keine solche Intermediat-Schicht vorhanden ist, würde(n) ein oder mehrere Element(e) im Substrat erwartungsgemäß ein thermodynamisch stabile(s) Oxid(e) an der Substratoberfläche ausbilden, das (die) die Abscheidung von epitaxialen Schichten aufgrund von, beispielsweise, einer fehlenden Struktur in dieser Oxidschicht deutlich erschweren würde(n).
In einigen dieser Ausführungsformen ist die Intermediat-Schicht nur von vorübergehender Natur. „Vorübergehend", wie es hierin verwendet wird, bezeichnet eine Intermediat-Schicht, die nach der anfänglichen Keimbildung und des Wachstums des epitaxialen Films ganz oder zum Teil in das biaxial strukturierte Substrat eingeschlossen oder mit diesem verbunden ist. Die Intermediat-Schicht und das biaxial strukturierte Substrat bleiben sogar unter diesen Umständen voneinander getrennt, bis sich der epitaxiale Charakter des abgeschiedenen Films eingestellt hat. Die Verwendung vorübergehender Intermediat-Schichten kann bevorzugt sein, wenn die Intermediat-Schicht einige unerwünschte Eigenschaften besitzt, wie wenn die Intermediat-Schicht zum Beispiel magnetisch ist, wie beispielsweise Nickel.
Beispielhafte Intermediat-Metallschichten schließen Nickel, Gold, Silber, Palladium und deren Legierungen ein. Weitere Metalle oder Legierungen können Legierungen aus Nickel und/oder Kupfer einschließen. Epitaxiale Filme oder Schichten, die auf der Intermediat-Schicht abgeschieden wurden, können Metalloxide, Chalkogenide, Halogenide und Nitride einschließen. In einigen Ausführungsformen wird die Intermediat-Metallschicht unter den Bedingungen für die Abscheidung des epitaxialen Films nicht oxidiert.
Es sollte Sorgfalt darauf angewendet werden, dass die abgeschiedene Intermediat-Schicht nicht vollständig in das Substrat eingeschlossen wird oder nicht vollständig in das Substrat diffundiert, bevor Keimbildung und Wachstum der anfänglichen Pufferschichtstruktur den Aufbau der epitaxialen Schicht bewirken. Das bedeutet, dass nach dem Auswählen des Metalls (oder der Legierung) mit geeigneten Eigenschaften, wie beispielsweise konstante Diffusion in die Substratlegierung, thermodynamische Stabilität gegen Oxidation unter den praktischen Wachstumsbedingungen für die epitaxiale Pufferschicht und Gitteranpassung mit der epitaxialen Schicht, die Dicke der abgeschiedenen Metallschicht an die Bedingungen für die Abscheidung der epitaxialen Schicht, insbesondere an die Temperatur, angepasst werden muss.
Die Abscheidung der Intermediat-Metallschicht kann in einem Verfahren im Vakuum, wie beispielsweise Verdampfung oder Zerstäuben, oder mit elektrochemischen Mitteln, wie beispielsweise Galvanisierung (mit oder ohne Elektroden) vorgenommen werden. Diese abgeschiedenen Intermediat-Metallschichten können nach der Abscheidung epitaxial sein oder nicht (abhängig von der Substrattemperatur während der Abscheidung), eine epitaxiale Ausrichtung kann jedoch auch anschließend während einer nach der Abscheidung erfolgenden Hitzebehandlung erhalten werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Substrat 12 in Form eines Gegenstandes mit relativ großer Oberfläche (z.B. eines Bandes oder einer Scheibe) vorliegen. In diesen Ausführungsformen wird das Substrat 12 vorzugsweise aus einem relativ biegsamen Material (z.B. unter Verformung strukturiertem Nickel oder einer unter Verformung strukturierten Nickellegierung) ausgebildet.
Die Oberfläche 13 der Schicht 12 hat vorzugsweise eine relativ genau definierte Kristallorientierung. Die Oberfläche 13 kann beispielsweise eine biaxial strukturierte Oberfläche (z.B. eine (113)[211]-Oberfläche) oder eine würfelförmig strukturierte Oberfläche (z.B. eine (100)[011]-Oberfläche oder eine (100)[001]-Oberfläche) sein. Die Peaks in der Polfigur einer Röntgenstrahlbeugung der Oberfläche 13 haben eine volle Halbwertsbreite (FHWM) von weniger als ungefähr 20° (z.B. weniger als ungefähr 15°, weniger als ungefähr 10° oder zwischen ungefähr 5° und ungefähr 10°).
Die Schicht 14 kann unter Verwenden von einer oder mehreren einer Vielzahl von Techniken hergestellt werden.
Die Schicht 14 wird in der Regel unter Verwenden der oben beschriebenen Supraleiter-Vorläuferlösung hergestellt. Die Vorläuferlösung wird beispielsweise mittels Spin-Coating oder anderen, Fachleuten bekannten Techniken auf eine Oberfläche (z.B. die Oberfläche einer Pufferschicht) aufgebracht und anschließend erhitzt. Der Vorläufer wird zunächst in einer relativ kurzen Zeit (z.B. in weniger als ungefähr fünf Stunden, weniger als ungefähr zwei Stunden, weniger als ungefähr einer Stunde, weniger als ungefähr 30 Minuten, weniger als ungefähr 10 Minuten) in ein Supraleiter-Intermediat (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) umgewandelt. Das Supraleiter-Intermediat kann relativ dick sein (z.B. mehr als ungefähr einen Mikrometer dick, mehr als ungefähr zwei Mikrometer dick, mehr als ungefähr drei Mikrometer dick, mehr als ungefähr vier Mikrometer dick, mehr als ungefähr fünf Mikrometer dick, mehr als ungefähr sechs Mikrometer dick, mehr als ungefähr sieben Mikrometer dick, mehr als ungefähr acht Mikrometer dick, mehr als ungefähr neun Mikrometer dick, mehr als ungefähr 10 Mikrometer dick). Das Supraleiter-Intermediat kann eine relativ niedrige Defektdichte aufweisen. Beispielsweise kann das Supraleiter-Intermediat im Wesentlichen frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 200 Mikrometern sein und die Defekte können weniger als ungefähr 20 Prozent irgendeines Volumenelements des Supraleiter-Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters der Oberfläche des Supraleiter-Intermediats definiert ist, ausmachen (z.B. weniger als ungefähr 10 Prozent irgendeines Volumenelements des Vorläufer-Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters der Oberfläche des Supraleiter-Intermediats definiert ist, weniger als ungefähr fünf Prozent irgendeines Volumenelements der Zusammensetzung, das durch die Projektion eines Quadratzentimeters der Oberfläche des Supraleiter-Intermediats definiert ist).
Ein Volumenelement einer Schicht aus Material, das durch die Projektion einer gegebenen Fläche einer Oberfläche der Schicht aus Material definiert ist, entspricht dem Volumen der Schicht aus Material, dessen Ränder senkrecht zu der gegebenen Fläche der Oberfläche der Schicht aus Material stehen.
Die Vorläufer können unter Verwenden einer Vielzahl von Reaktionsbedingungen, einschließlich Gasumgebung und Temperatur, verarbeitet werden. In der Regel sind die ausgewählten Bedingungen so, dass die Vorläuferlösung in relativ kurzer Zeit (z.B. in weniger als ungefähr fünf Stunden, weniger als ungefähr drei Stunden, weniger als ungefähr zwei Stunden, weniger als ungefähr einer Stunde, weniger als ungefähr 30 Minuten, weniger als ungefähr 10 Minuten) in ein Intermediat (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) mit niedriger Defektdichte umgewandelt wird.
In bestimmten Ausführungsformen, wenn ein Intermediat-Film (z.B. ein Metalloxihalogenid-Film) mit einer Dicke von mindestens ungefähr einem Mikrometer (z.B. mindestens ungefähr zwei Mikrometern, mindestens ungefähr drei Mikrometern, mindestens ungefähr vier Mikrometern, mindestens ungefähr fünf Mikrometern, mindestens ungefähr sechs Mikrometern, mindestens ungefähr sieben Mikrometern, mindestens ungefähr acht Mikrometern, mindestens ungefähr neun Mikrometern, mindestens ungefähr 10 Mikrometern) ausgebildet wird, kann die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von mindestens ungefähr 0,5°C pro Minute (z.B. mindestens ungefähr 1°C pro Minute, mindestens ungefähr 2°C pro Minute, mindestens ungefähr 5°C pro Minute, mindestens ungefähr 10°C pro Minute, mindestens ungefähr 15°C pro Minute, mindestens ungefähr 20°C pro Minute) von ungefähr 200°C auf ungefähr 220°C hochgefahren werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorläuferlösung in weniger als ungefähr fünf Stunden (z.B. in weniger als ungefähr zwei Stunden, in weniger als ungefähr einer Stunde, in weniger als ungefähr 30 Minuten, in weniger als ungefähr 10 Minuten) in ein Intermediat (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) mit einer Dicke von mindestens ungefähr einem Mikrometer (z.B. mindestens ungefähr zwei Mikrometern, mindestens ungefähr drei Mikrometern, mindestens ungefähr vier Mikrometern, mindestens ungefähr fünf Mikrometern, mindestens ungefähr sechs Mikrometern, mindestens ungefähr sieben Mikrometern, mindestens ungefähr acht Mikrometern, mindestens ungefähr neun Mikrometern, mindestens ungefähr 10 Mikrometern) umgewandelt werden. Defekte, die in dem Film aus dem Intermediat enthalten sind, können weniger als ungefähr 20 Prozent (z.B. weniger als ungefähr 10 Prozent, weniger als ungefähr fünf Prozent, weniger als ungefähr ein Prozent) irgendeines Volumenelements des Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters der Oberfläche des Intermediats definiert ist, ausmachen und das Intermediat ist frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Abmessung von mehr als ungefähr 200 Mikrometern (z.B. frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 100 Mikrometern, frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 50 Mikrometern).
In einigen Ausführungsformen, wenn ein Intermediat-Film (z.B. ein Metalloxihalogenid-Film) mit einer Dicke von weniger als ungefähr einem Mikrometer ausgebildet wird, kann die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von mindestens ungefähr 1°C pro Minute (z.B. mindestens ungefähr 5°C pro Minute, mindestens ungefähr 10°C pro Minute, mindestens ungefähr 15°C pro Minute, mindestens ungefähr 20°C pro Minute) von ungefähr 200°C auf ungefähr 220°C hochgefahren werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorläuferlösung in weniger als ungefähr fünf Stunden (z.B. in weniger als ungefähr zwei Stunden, in weniger als ungefähr einer Stunde, in weniger als ungefähr 30 Minuten, in weniger als ungefähr 10 Minuten) in ein Intermediat (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) mit einer Dicke von weniger als ungefähr einem Mikrometer umgewandelt werden. Defekte, die in dem Film aus dem Intermediat enthalten sind, können weniger als ungefähr 20 Prozent (z.B. weniger als ungefähr 10 Prozent, weniger als ungefähr fünf Prozent, weniger als ungefähr ein Prozent) irgendeines Volumenelements des Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters der Oberfläche des Intermediats definiert ist, ausmachen und das Intermediat ist frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 200 Mikrometern (z.B. frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 100 Mikrometern, frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 50 Mikrometern).
In einigen Ausführungsformen kann die Vorläuferlösung eine geeignete Zeit lang (z.B. für ungefähr 10 Minuten bis ungefähr fünf Stunden, für ungefähr 10 Minuten bis ungefähr zwei Stunden, für ungefähr 10 Minuten bis ungefähr eine Stunde, ungefähr 30 Minuten) bei einer geeigneten Temperatur (z.B. mindestens ungefähr 300°C, zwischen mindestens ungefähr 300°C und ungefähr 400°C, ungefähr 350°C) in einen vorgeheizten Ofen gestellt werden, um so ein Intermediat (z.B. ein Metalloxihalogenid-Intermediat) auszubilden. Das Intermediat kann relativ dick sein (z.B. mindestens ungefähr einen Mikrometer, mindestens ungefähr zwei Mikrometer, mindestens ungefähr drei Mikrometer, mindestens ungefähr vier Mikrometer, mindestens ungefähr fünf Mikrometer, mindestens ungefähr sechs Mikrometer, mindestens ungefähr sieben Mikrometer, mindestens ungefähr acht Mikrometer, mindestens ungefähr neun Mikrometer, mindestens ungefähr 10 Mikrometer). Das Intermediat kann eine relativ niedrige Defektdichte aufweisen. Die Defekte, die in dem Film aus dem Intermediat enthalten sind, können beispielsweise weniger als ungefähr 20 Prozent (z.B. weniger als ungefähr 10 Prozent, weniger als ungefähr fünf Prozent, weniger als ungefähr ein Prozent) irgendeines Volumenelements des Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters der Oberfläche des Intermediats definiert ist, ausmachen und das Intermediat ist frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 200 Mikrometern (z.B. frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 100 Mikrometern, frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von mehr als ungefähr 50 Mikrometern).
Gewöhnlich werden diese Verfahren in einer Gasumgebung durchgeführt, die ausreichend Sauerstoff enthält, so dass die gebildeten organischen Moleküle in Form oxidierter Kohlenwasserstoffe entfernt werden. In einigen Ausführungsformen kann die während des Erhitzens der Vorläuferlösung verwendete Gasumgebung wie folgt sein.
In bestimmten dieser Ausführungsformen wird die Lösung zunächst in feuchtem Sauerstoff (z.B. mit einem Taupunkt zwischen ungefähr 20°C und ungefähr 75°C) auf eine Temperatur von ungefähr 300°C bis ungefähr 500°C erhitzt. Die Beschichtung wird dann ungefähr eine Stunde lang in einer feuchten Stickstoff-Sauerstoff-Gasmischung (z.B. mit einer Zusammensetzung, die ungefähr 0,5 % bis ungefähr 5 % Sauerstoff enthält) auf eine Temperatur von weniger als ungefähr 860°C (z.B. weniger als ungefähr 810°C) erhitzt. Gegebenenfalls kann die Beschichtung für ungefähr fünf bis ungefähr 25 Minuten weiter auf eine Temperatur von ungefähr 860°C bis ungefähr 950°C erhitzt werden. Danach wird die Beschichtung mindestens ungefähr acht Stunden lang in trockenem Sauerstoff auf eine Temperatur von ungefähr 400°C bis ungefähr 500°C erhitzt. Anschließend kann die Beschichtung in trockenem Sauerstoff auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Diese Verfahren sind im U.S. Patent Nr. 5,231,074, das am 27. Juli 1993 ausgegeben wurde und den Titel „Preparation of Highly Textured Oxide Superconducting Films from MOD Precuror Solutions" trägt, beschrieben.
In alternativen Ausführungsformen wird die Vorläuferlösung bei einem Wasserdampfdruck von ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) bis ungefähr 66 hPa (50 Torr) Wasserdampf (z.B. von ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) bis ungefähr 40 hPa (30 Torr) Wasserdampf oder von ungefähr 13,3 hPa (10 Torr) bis ungefähr 33,3 hPa (25 Torr) Wasserdampf) von einer Anfangstemperatur (z.B. Raumtemperatur) auf eine Temperatur von ungefähr 190°C bis ungefähr 215°C (z.B. ungefähr 210°C) erhitzt. Der nominale Sauerstoffpartialdruck kann beispielsweise zwischen ungefähr 0,13 hPa (0,1 Torr) und ungefähr 1013 hPa (760 Torr) liegen. Bei diesen Ausführungsformen kann das Erhitzen bei einem Wasserdampfdruck von ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) bis ungefähr 66 hPa (50 Torr) Wasserdampf (z.B. von ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) bis auf ungefähr 40 hPa (30 Torr) Wasserdampf oder von ungefähr 13,3 hPa (10 Torr) bis auf ungefähr 33,3 hPa (25 Torr) Wasserdampf) weiter bis auf eine Temperatur von ungefähr 220°C bis ungefähr 290°C (z.B. ungefähr 220°C) fortgesetzt werden. Der nominale Sauerstoffpartialdruck kann beispielsweise zwischen ungefähr 0,13 hPa (0,1 Torr) und ungefähr 1013 hPa (760 Ton) liegen. Darauf folgt ein Erhitzen auf ungefähr 400°C mit einer Geschwindigkeit von mindestens ungefähr 2°C pro Minute (z.B. mindestens ungefähr 3°C pro Minute oder mindestens ungefähr 5°C pro Minute) bei einem Wasserdampfdruck von ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) bis ungefähr 66,6 hPa (50 Torr) Wasserdampf (z.B. von ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) bis ungefähr 40 hPa (30 Torr) Wasserdampf oder von ungefähr 13,3 hPa (10 Torr) bis ungefähr 33,3 hPa (25 Torr) Wasserdampf), um ein Intermediat aus dem Supraleitermaterial (z.B. ein Metalloxifluorid-Intermediat) auszubilden. Der nominale Sauerstoffpartialdruck kann beispielsweise zwischen ungefähr 0,13 hPa (0,1 Torr) und 1013 hPa (760 Torr) liegen.
In anderen Ausführungsformen schließt das Erhitzen der Vorläuferlösung einen oder mehrere Schritte ein, in denen die Temperatur, nach einer ersten Temperaturstufe auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, für eine relativ lange Zeit (z.B. mehr als ungefähr eine Minute, mehr als ungefähr fünf Minuten, mehr als ungefähr 30 Minuten, mehr als ungefähr eine Stunde, mehr als ungefähr zwei Stunden, mehr als ungefähr vier Stunden) im Wesentlichen konstant (z.B. konstant auf ungefähr 10°C, auf ungefähr 5°C, auf ungefähr 2°C, auf ungefähr 1°C) gehalten wird. Bei diesen Ausführungsformen kann das Erhitzen der Vorläuferlösung das Verwenden von mehr als einer Gasumgebung (z.B. einer Gasumgebung mit relativ hoher Wasserdampfdruck und einer Gasumgebung mit relativ niedrigem Wasserdampfdruck), während des im Wesentlichen Konstanthaltens der Temperatur (z.B. konstant auf ungefähr 10°C, auf ungefähr 5°C, auf ungefähr 2°C, auf ungefähr 1°C) für eine relativ lange Zeit (z.B. mehr als ungefähr eine Minute, mehr als ungefähr fünf Minuten, mehr als ungefähr 30 Minuten, mehr als ungefähr eine Stunde, mehr als ungefähr zwei Stunden, mehr als ungefähr vier Stunden) beinhalten. In einer Umgebung mit hohem Wasserdampfdruck kann der Wasserdampfdruck beispielsweise zwischen ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) und ungefähr 53,3 hPa (40 Torr) (z.B. zwischen ungefähr 33,3 hPa (25 Torr) und ungefähr 50,7 hPa (32 Torr), wie beispielsweise ungefähr 42,7 hPa (32 Torr)) liegen. Eine Umgebung mit niedrigem Wasserdampfdruck kann einen Wasserdampfdruck von weniger als ungefähr 1,3 hPa (1 Torr) (z.B. weniger als ungefähr 0,13 hPa (0,1 Torr), weniger als ungefähr 1,3 Pa (10 Millitorr), ungefähr 0,66 Pa (fünf Millitorr) haben.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Erhitzen der Vorläuferlösung das Einstellen der beschichteten Probe in einen vorgeheizten Ofen (z.B. bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 100°C, mindestens ungefähr 150°C, mindestens ungefähr 200°C, höchstens ungefähr 300°C, höchstens ungefähr 250°C, ungefähr 200°C) einschließen. Die Gasumgebung in dem Ofen kann beispielsweise einen Gasgesamtdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr), einen vorher bestimmten Wasserdampfpartialdruck (z.B. mindestens ungefähr 13,3 hPa (10 Torr), mindestens ungefähr 20 hPa (15 Torr), höchstens ungefähr 33,33 hPa (25 Torr), höchstens ungefähr 26,7 hPa (20 Torr), ungefähr 22,7 hPa (17 Torr) und den Rest als molekularen Sauerstoff haben. Nachdem die beschichtete Probe die Ofentemperatur erreicht hat, kann die Ofentemperatur mit einer vorher bestimmten Geschwindigkeit zum Hochfahren der Temperatur (z.B. mindestens ungefähr 0,5°C pro Minute, mindestens ungefähr 0,75°C pro Minute, höchstens ungefähr 2°C pro Minute, höchstens ungefähr 1,5°C pro Minute, ungefähr 1°C pro Minute) erhöht werden (z.B. auf mindestens ungefähr 225°C, mindestens ungefähr 240°C, höchstens ungefähr 275°C, höchstens ungefähr 260°C, ungefähr 250°C). Dieser Schritt kann mit der gleichen nominalen Gasumgebung durchgeführt werden, die in dem ersten Schritt des Erhitzens verwendet wird. Die Temperatur des Ofens kann anschließend mit einer vorher festgelegten Geschwindigkeit zum Hochfahren der Temperatur (z.B. mindestens ungefähr 5°C pro Minute, mindestens ungefähr 8°C pro Minute, höchstens ungefähr 20°C pro Minute, höchstens ungefähr 12°C pro Minute, ungefähr 10°C pro Minute) weiter erhöht werden (z.B. auf mindestens ungefähr 350°C, mindestens ungefähr 375°C, höchstens ungefähr 450°C, höchstens ungefähr 425°C, ungefähr 450°C). Dieser Schritt kann mit der gleichen nominalen Gasumgebung durchgeführt werden, die im ersten Schritt des Erhitzens verwendet wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Herstellung eines Supraleitermaterials das Auftragen der Beschichtung mit Vorläuferlösung mittels Slot-Coating beinhalten (z.B. auf ein Band, wie zum Beispiel ein Band, das aus einem strukturierten Nickelband, auf das nacheinander folgend epitaxiale Puffer- und/oder Deckelschichten, wie beispielsweise Gd₂O₃, YSZ und CeO₂, aufgetragen wurden, ausgebildet wurde). Der aufgetragene Vorläuferfilm kann in einer H₂O enthaltenden Atmosphäre (z.B. zwischen ungefähr 6,6 hPa (5 Torr) H₂O und ungefähr 20 hPa (15 Torr) H₂O, zwischen ungefähr 12 hPa (9 Torr) H₂O und ungefähr 17,3 hPa (13 Torr) H₂O, ungefähr 14,7 hPa (11 Torr) H₂O) abgeschieden werden. Der Rest der Atmosphäre kann ein inertes Gas (z.B. Stickstoff) sein. Der Gesamtdruck während der Abscheidung des Films kann bei beispielsweise ungefähr 1013 hPa (760 Torr) liegen. Der Vorläuferfilm kann aufgeschlossen werden, indem beispielsweise das beschichtete Band durch einen Rohrofen (z.B. einen Rohrofen mit einem Durchmesser von ungefähr 6,35 cm (2,5 Inch) mit einem Temperaturgradienten transportiert wird. Die entsprechenden Temperaturen und Gasatmosphären der Gradienten in dem Ofen, sowie die Transportgeschwindigkeit der Probe durch jeden Gradienten, können so ausgewählt sein, dass die Verarbeitung des Films im Wesentlichen den oben genannten Verfahren entspricht.
Die vorhergehenden Behandlungen einer Vorläuferlösung können zu einem Metalloxihalogenid-Intermediat führen. Das Metalloxihalogenid-Intermediat weist vorzugsweise eine relativ geringe Defektdichte auf. Das Metalloxihalogenid-Intermediat kann weiter erhitzt werden, um so die gewünschte Supraleiter-Schicht auszubilden. Dieser Schritt wird üblicherweise durchgeführt, indem auf eine Temperatur von ungefähr 700°C bis ungefähr 825°C erhitzt wird. Während dieses Schrittes kann die nominale Gasumgebung in der Regel zwischen ungefähr 0,13 hPa (0,1 Torr) und ungefähr 66,7 hPa (50 Torr) Sauerstoff und zwischen ungefähr 0,13 hPa (0,1 Torr) und ungefähr 200 hPa (150 Torr) (z.B. ungefähr 16 hPa (12 Torr)) Wasserdampf und den Rest als Stickstoff und/oder Argon enthalten.
Alternativ dazu wird das Intermediat anschließend ungefähr eine Stunde lang in einer feuchten, reduzierenden, Sickstoff-Sauerstoff-Gasmischung (z.B. mit einer Zusammensetzung, die zwischen ungefähr 0,5 % und ungefähr 5 % Sauerstoff enthält) auf eine Temperatur von weniger als ungefähr 860°C (z.B. weniger als ungefähr 810°C) erhitzt. Gegebenenfalls kann die Beschichtung ungefähr 5 bis ungefähr 25 Minuten lang weiter auf eine Temperatur von ungefähr 860°C bis ungefähr 950°C erhitzt werden. Anschließend wird die Beschichtung für mindestens ungefähr 8 Stunden in trockenem Sauerstoff auf eine Temperatur von ungefähr 400°C bis ungefähr 500°C erhitzt. Dann kann die Beschichtung in einer stationären Atmosphäre aus trockenem Sauerstoff auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Dieser Ansatz ist im U.S. Patent Nr. 5,231,074 beschrieben.
In anderen Ausführungsformen wird das Metalloxihalogenid mit einer Umwandlungsgeschwindigkeit, die über die Einstellung der Temperatur, des Dampfdrucks des gasförmigen Wassers oder von beiden ausgewählt ist, in einen Oxid-Supraleiter umgewandelt. Das Metalloxihalogenid kann beispielsweise bei 25°C in einem Prozessgas mit einem Feuchtegehalt von weniger als 100 % relative Feuchte (z.B. weniger als ungefähr 95 % relative Feuchte, weniger als ungefähr 50 % relative Feuchte oder weniger als ungefähr 3 % relative Feuchte) umgewandelt werden, um so etwas Oxid-Supraleiter auszubilden, wobei die Umwandlung dann unter Verwenden eines Prozessgases mit einem höheren Feuchtegehalt (z.B. zwischen ungefähr 95 % relativer Feuchte und ungefähr 100 % relativer Feuchte bei 25°C) vollendet wird. Die Temperatur zum Umwandeln des Metalloxihalogenids kann zwischen ungefähr 700°C und ungefähr 900°C (z.B. zwischen ungefähr 700°C und ungefähr 835°C) liegen. Das Prozessgas kann zwischen ungefähr 1 Volumenprozent Sauerstoffgas und ungefähr 10 Volumenprozent Sauerstoffgas enthalten.
In bestimmten Ausführungsformen können die Verfahren zum Behandeln der Lösung dazu verwendet werden, die Bildung unerwünschter, an der a-Achse ausgerichteter Körner in der Oxidschicht zu minimieren, indem sie die Bildung der Oxidschicht solange hemmen, bis die erforderlichen Reaktionsbedingungen erreicht wurden.
Herkömmliche Verfahren, die für den Aufschluss und die Umsetzung Fluorid enthaltender Vorläufer entwickelt wurden, verwenden eine konstante und niedrige, nicht turbulente Strömung des Prozessgases, das in den Ofen für den Aufschluss in einer Richtung eingeführt wird, die parallel zu der Oberfläche des Films verläuft, so dass eine stabile Grenzschicht an der Übergangsstelle zwischen Film und Gas entsteht. Bei den Vorrichtungstypen, die gewöhnlich zum Aufschluss und zur Umsetzung der Oxidschicht-Vorläufer verwendet werden, scheint die Diffusion der gasförmigen Reaktanten und Produkte durch die Grenzschicht zwischen Gas und Film die gesamten Reaktionsgeschwindigkeiten zu kontrollieren. Bei dünnen, kleinen Filmen (zum Beispiel weniger als ungefähr 0,4 Mikrometer dick und weniger als ungefähr ein Quadratzentimeter groß) treten die Diffusion von H₂O in den Film und die Diffusion von HF aus dem Film heraus bei solchen Geschwindigkeiten auf, bei denen die Ausbildung der YBa₂Cu₃O_7-x-Phase solange nicht mit einer signifikanten Geschwindigkeit startet, bis die Probe die Prozesstemperatur erreicht. Wenn jedoch die Dicke oder Fläche des Films zunehmen, nehmen die Diffusionsgeschwindigkeiten der gasförmigen Stoffe in den Film und aus dem Film heraus ab und alle anderen Parameter bleiben gleich. Dies führt zu längeren Reaktionszeiten und/oder einer unvollständigen Ausbildung der YBa₂Cu₃O_7-x-Phase und damit zu einer verminderten kristallographischen Strukturierung, einer geringeren Dichte und einer vermindertem kritischen Stromdichte. Somit wird die Gesamtgeschwindigkeit der Ausbildung der YBa₂Cu₃O_7-x-Phase, bis zu einem hohen Grad, von der Diffusion der Gase durch die Grenzschicht an der Oberfläche des Films bestimmt.
Ein Ansatz zur Beseitigung dieser Grenzschichten ist die Erzeugung einer turbulenten Strömung an der Oberfläche des Films. Unter solchen Bedingungen wird die lokale Gaszusammensetzung an der Übergangsstelle im Wesentlichen zu der des Gases im Großen gleichgehalten (dass heißt, dass der p_H2O konstant ist und der p_HF nahezu null ist). Die Konzentration der gasförmigen Produkte/Reaktanten in dem Film wird somit nicht von der Bedingung der Diffusion durch die Grenzschicht zwischen dem Gas und der Oberfläche des Films kontrolliert, sondern von der Diffusion durch den Film. Um die Keimbildung von an der a-Achse ausgerichteten Körner von YBa₂Cu₃O_7-x auf einer Substratoberfläche zu minimieren, wird die Ausbildung der YBa₂Cu₃O_7-x-Phase so lange gehemmt, bis die gewünschten Prozessbedingungen erreicht wurden. Beispielsweise kann die Ausbildung der YB₂Cu₃O_7-x-Phase so lange gehemmt werden, bis die gewünschte Prozesstemperatur erreicht wird.
In einer Ausführungsform wird eine Kombination aus: 1) niedriger (nicht-turbulenter) Strömung des Prozessgases, so dass eine stabile Grenzschicht an der Übergangsstelle zwischen Film und Gas während des Hochfahrens der Temperatur aufgebaut wird, und 2) eine hohe (turbulente) Strömung des Prozessgases, so dass die Grenzschicht an der Übergangsstelle zwischen Film und Gas unterbrochen wird, verwendet. Die Strömung in einem beispielsweise 7,62 cm- (drei Inch) Rohrofen kann während des Hochfahrens der Temperatur von Raumtemperatur auf die gewünschte Prozesstemperatur zwischen ungefähr 0,5 bis ungefähr 2,0 l/min liegen. Danach kann die Strömung auf einen Wert von ungefähr 4 bis ungefähr 15 l/min erhöht werden, währenddessen der Film verarbeitet wird. Die Geschwindigkeit der Ausbildung von YBa₂Cu₃O_7-x und der Ausbildung einer epitaxialen Strukturierung kann somit bei einer hohen Temperatur erhöht werden, während die Menge an unerwünschter Keimbildung in Richtung der a-Achse und das Wachstum bei einer niedrigen Temperatur während des Hochfahrens der Temperatur minimiert wird. Entsprechend diesen Prozessen sind die in Richtung der a-Achse ausgebildeten Körner wünschenswerter Weise in einer Menge von weniger als ungefähr 1 % vorhanden, wie mit Rasterelektronenmikroskopie bestimmt wird.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Schicht 14 eine relativ hohe kritische Stromdichte (z.B. mindestens ungefähr 0,5 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter) auf. Die Schicht 14 hat vorzugsweise eine kritische Stromdichte von mindestens ungefähr 0,5 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter, besonders bevorzugt mindestens ungefähr 1 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter, und ganz besonders bevorzugt mindestens ungefähr 2 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter, wie mit einer Transportmessung bei 77 K im Selbstfeld (d.h. kein angelegtes Feld) unter Verwenden eines Kriteriums von 1 Mikrovolt pro Zentimeter bestimmt wurde.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Schicht 14 einen relativ hohen kritischen Strom bereitstellen, der in der Einheit Ampere pro Einheit Breite gemessen wird. Zum Beispiel kann der kritische Strom in der Einheit Ampere pro Zentimeter Breite ausgedrückt sein. Natürlich muss die Schicht 14 keinen ganzen Zentimeter breit sein. Dieser Wert kann vielmehr der Einfachheit halber dazu verwendet werden, den Strom für Materialien mit verschiedenen Breiten, auf Werte von Breitenverhältnissen zu normieren. Beispielsweise würde eine Probe, die einen Strom von 100 Ampere aufweist und 0,5 Zentimeter breit ist, einen kritischen Strom von 200 Ampere pro Zentimeter Breite haben. Eine Probe die einen Strom von 200 Ampere bereitstellt und einen Zentimeter breit ist, würde ebenso einen kritischen Strom von 200 Ampere pro Zentimeter Breite haben. In bevorzugten Ausführungsformen weist die Schicht 14 einen kritischen Strom von mindestens ungefähr 200 Ampere pro Zentimeter Breite (z.B. mindestens ungefähr 300 Ampere pro Zentimeter Breite, mindestens ungefähr 500 Ampere pro Zentimeter Breite) auf.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Schicht 14 exakt geordnet (z.B. biaxial strukturiert oder würfelförmig strukturiert). Die Schicht 14 kann mindestens ungefähr einen Mikrometer dick (z.B. mindestens ungefähr zwei Mikrometer dick, mindestens ungefähr drei Mikrometer dick, mindestens ungefähr vier Mikrometer dick, mindestens ungefähr fünf Mikrometer dick) sein.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Artikels 20, der mit den erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet werden kann. Artikel 20 umfasst die Schichten 12 und 14. Der Artikel 20 schließt auch eine Schicht 16 ein, die so zwischen den Schichten 12 und 14 aufgebracht ist, dass die Schicht 16 auf eine Oberfläche 13 aufgebracht ist und die Schicht 14 auf eine Oberfläche 17 der Schicht 16 aufgebracht ist.
Die Schicht 16 kann aus irgendeinem, zum Trägern der Schicht 14 geeigneten Material ausgebildet sein. Die Schicht 16 kann beispielsweise aus einer oder mehreren Schichten aus Pufferschichtmaterial ausgebildet werden. Beispiele für Pufferschichtmaterialien schließen Metalle und Metalloxide, wie beispielsweise Silber, Nickel, TbO_x, GaO_x, CeO₂, mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), Y₂O₃, LaAlO₃, SrTiO₃, Gd₂O₃, LaNiO₃, LaCuO₃, SrRuO₃, NdGaO₃, NdAlO₃ und/oder einige Nitride, wie sie Fachleuten bekannt sind, ein. Ein Puffermaterial kann unter Verwenden von Techniken in der Lösungsphase, einschließlich metallorganischer Abscheidung, wie sie beispielsweise bei S.S. Shoup et al., J. Am. Cer. Soc., Ausg. 81, 3019; D. Beach et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Ausg. 495, 263 (1988); M. Paranthaman et al., Superconductor Sci. Tech., Ausg. 12, 319 (1999); D.J. Lee et al., Japanese J. Appl. Phys., Ausg. 38, L178 (1999) und M.W. Rupich et al., I.E.E.E. Trans. On Appl. Supercon., Ausg. 9, 1527, offenbart ist, hergestellt werden.
In bestimmten Ausführungsformen können Beschichtungs-Verfahren in Lösung zur Abscheidung einer oder einer Kombination von irgendwelchen der Oxidschichten auf den strukturierten Substraten verwendet werden; sie können jedoch auch insbesondere zur Abscheidung der anfänglichen (Keim-) Schicht auf einem strukturierten Metallsubstrat anwendbar sein. Die Rolle der Keimschicht ist es, 1) einen Schutz des Substrats vor Oxidation während der Abscheidung der nächsten Oxidschicht, bei der Durchführung in einer bezogen auf das Substrat oxidierenden Atmosphäre (z.B. Abscheidung mittels Magnetronzerstäuben von mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid von einem Oxid-Target); und 2) eine epitaxiale Matrize für das Wachstum nachfolgender Oxidschichten bereitzustellen. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, sollte die Keimschicht epitaxial über die gesamte Oberfläche des Metallsubstrats wachsen und frei von irgendwelchen Verunreinigungen sein, die die Abscheidung der nachfolgenden, epitaxialen Oxidschichten stören könnten.
Die Ausbildung von Oxidpufferschichten kann so ausgeführt werden, dass die Benetzung einer darunter liegenden Substratschicht begünstigt wird. Daneben kann die Ausbildung von Metalloxidschichten in bestimmten Ausführungsformen unter Verwenden von Metallalkoxidvorläufern (z.B. „Solgel"-Vorläufern) durchgeführt werden, bei denen die Menge an Kohlenstoff-Verunreinigungen in anderen bekannten Verfahren, die Metallalkoxidvorläufer verwenden, größtenteils reduziert werden kann.
Wenn das unter einer Oxidschicht liegende Substrat unzureichend mit einer Vorläuferlösung, die zur Herstellung der Oxidschicht verwendet wurde, bedeckt ist, wird die Oxidschicht nicht den gewünschten Schutz des Substrats vor Oxidation während der Abscheidung der nachfolgenden Oxidschichten bei Durchführung in einer bezogen auf das Substrat oxidierenden Atmosphäre bereitstellen, und sie wird keine vollständige Matrize für das epitaxiale Wachstum nachfolgender Schichten bereitstellen. Indem ein Solgel-Vorläuferfilm erhitzt wird und dadurch zulässt, dass der Vorläufer in die Grenzflächen zwischen den Substratkörnern fließt, kann eine vollständige Bedeckung erreicht werden. Das Erhitzen kann bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei ungefähr 80°C bis ungefähr 320°C, zum Beispiel bei ungefähr 100°C bis ungefähr 300°C oder bei ungefähr 100°C bis ungefähr 200°C, erfolgen. Entsprechende Temperaturen können ungefähr 1 bis ungefähr 60 Minuten lang, beispielsweise ungefähr 2 bis ungefähr 45 Minuten lang oder ungefähr 15 bis ungefähr 45 Minuten lang gehalten werden. Der Schritt des Erhitzens kann auch unter Verwenden von höheren Temperaturen für eine kürzere Zeitdauer durchgeführt werden, zum Beispiel kann ein Film innerhalb von zwei Minuten bei einer Temperatur von 300°C verarbeitet werden.
Dieser Schritt des Erhitzens kann nach oder gleichzeitig mit dem Trocknen des überschüssigen Lösungsmittels aus dem Solgel-Vorläuferfilm durchgeführt werden. Er muss jedoch vor dem Aufschluss des Vorläuferfilms erfolgen.
Die Kohlenstoff-Verunreinigung, die mit der herkömmlichen Herstellung von Oxidfilmen in einer reduzierenden Umgebung (z.B. 4 % H₂-Ar) einhergeht, ist vermutlich das Ergebnis einer unvollständigen Entfernung der organischen Bestandteile des Vorläuferfilms.
Das Auftreten von Kohlenstoff enthaltenden Verunreinigungen C_xH_y und C_aH_bO_c in oder nahe der Oxidschicht kann von Nachteil sein, weil es die epitaxiale Abscheidung nachfolgender Oxidschichten verändert. Daneben ist es wahrscheinlich, dass die eingeschlossenen, Kohlenstoff enthaltenden Verunreinigungen, die in dem Film verborgen sind, während der Verfahrensschritte für nachfolgende Oxidschichten, bei denen oxidierende Atmosphären verwendet werden können, oxidiert werden können. Die Oxidation der Kohlenstoff enthaltenden Verunreinigungen kann zur Bildung von CO₂ und einer nachfolgenden Blasenbildung im Film und zu einer möglichen Delaminierung des Films oder anderen Defekten in der Verbundstruktur führen. Daher ist es nicht erwünscht zuzulassen, dass Kohlenstoff enthaltende Verunreinigungen aus dem Aufschluss des Metallalkoxids nur nach der Ausbildung der Oxidschicht oxidiert werden. Die Kohlenstoff enthaltenden Verunreinigungen werden vorzugsweise oxidiert (und damit als CO₂ aus der Struktur des Films entfernt), während der Aufschluss erfolgt. Auch das Vorhandensein von Kohlenstoff enthaltenden Spezies auf oder nahe von Filmoberflächen kann das epitaxiale Wachstum nachfolgender Oxidschichten hemmen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Vorläuferlösung, nach Beschichtung eines Metallsubstrats oder einer Pufferschicht, an der Luft getrocknet werden und anschließend in einem ersten Schritt des Aufschlusses erhitzt werden. Alternativ dazu kann die Vorläuferlösung direkt in einem ersten Schritt des Aufschlusses, unter einer Atmosphäre, die, bezogen auf das Metallsubstrat reduzierend wirkt, erhitzt werden. Wenn die Oxidschicht einmal mit der Ausbildung von Keimen auf dem Metallsubstrat in der gewünschten epitaxialen Ausrichtung begonnen hat, wird die Menge an Sauerstoff in dem Prozess durch beispielsweise Zugeben von Wasserdampf oder Sauerstoff erhöht. Unter den üblichen Bedingungen benötigt der Schritt der Keimbildung zwischen ungefähr 5 Minuten und ungefähr 30 Minuten.
In bestimmten Ausführungsformen kann eine epitaxiale Pufferschicht unter Verwenden eines Abscheidungsverfahrens bei niedrigem Vakuumdampf (z.B. eines Verfahrens, das bei einem Druck von mindestens ungefähr 0,13 Pa (1 × 10^–3 Torr) durchgeführt wird) ausgebildet werden. Das Verfahren kann das Ausbilden der epitaxialen Schicht unter Verwenden einer relativ hohen Geschwindigkeit und/oder eines gerichteten Gasstrahls aus Pufferschichtmaterial einschließen.
Das Pufferschichtmaterial in dem Gasstrahl kann eine Geschwindigkeit von mehr als ungefähr einen Meter pro Sekunde (z.B. mehr als ungefähr 10 Meter pro Sekunde oder mehr als ungefähr 100 Meter pro Sekunde) haben. Mindestens ungefähr 50 % des Pufferschichtmaterials in dem Strahl können auf die Target-Oberfläche einfallen (z.B. mindestens ungefähr 75 % des Pufferschichtmaterials in dem Strahl können auf die Target-Oberfläche einfallen oder mindestens ungefähr 90 % des Pufferschichtmaterials in dem Strahl können auf die Target-Oberfläche einfallen).
Das Verfahren kann das Platzieren einer Target-Oberfläche (z.B. einer Substratoberfläche oder einer Pufferschichtoberfläche) in einer Umgebung mit geringem Vakuum und das Erhitzen der Target-Oberfläche auf eine Temperatur, die größer als die Schwellenwertemperatur zum Ausbilden einer epitaxialen Schicht des gewünschten Materials auf der Target-Oberfläche in einer Umgebung mit hohem Vakuum (z.B. weniger als ungefähr 0,13 Pa (1 × 10^–3 Torr), wie beispielsweise weniger als ungefähr 0,013 Pa (1 × 10^–4 Torr)) ist, unter ansonsten identischen Bedingungen, umfassen. Ein das Pufferschichtmaterial und gegebenenfalls ein inertes Trägergas enthaltender Gasstrahl wird mit einer Geschwindigkeit von mindestens ungefähr einem Meter pro Sekunde auf die Target-Oberfläche gerichtet. Ein konditionierendes Gas wird in der Umgebung mit niedrigem Vakuum bereitgestellt. Das konditionierende Gas kann in dem Gasstrahl enthalten sein oder das konditionierende Gas kann auf andere Weise in die Umgebung mit niedrigem Vakuum (z.B. in die Umgebung entwichen) eingeführt werden. Das konditionierende Gas kann mit auf der Target-Oberfläche vorhandenen Spezies (z.B. Verunreinigungen) reagieren, so dass die Spezies entfernt werden und die Keimbildung der epitaxialen Pufferschicht begünstigt werden kann.
Die epitaxiale Pufferschicht kann unter Verwenden eines niedrigen Vakuums (z.B. mindestens ungefähr 0,13 Pa (1 × 10^–3 Torr), mindestens ungefähr 13,3 Pa (0,1 Torr) oder mindestens ungefähr 1,3 hPa (1 Torr)) bei einer Oberflächentemperatur oberhalb der Temperatur, die zum Wachsenlassen der epitaxialen Schicht unter Verwenden von physikalischer Dampfabscheidung bei hohem Vakuum (z.B. höchstens ungefähr 0,013 Pa (1 × 10^–4 Torr) verwendet wird, auf einer Target-Oberfläche anwachsen gelassen werden. Die Temperatur der Target-Oberfläche kann zum Beispiel zwischen ungefähr 25°C und ungefähr 800°C (z.B. zwischen ungefähr 500°C und ungefähr 800°C oder zwischen ungefähr 50°C und ungefähr 650°C) liegen.
Die epitaxiale Schicht kann mit relativ schneller Geschwindigkeit, wie mit beispielsweise mindestens ungefähr 5 nm (50 Angström) pro Sekunde, anwachsen gelassen werden.
Diese Verfahren sind im U.S. Patent Nr. 6,027,564, das am 22. Februar 2000 ausgegeben wurde und den Titel „Low Vacuum Process for Producing Epitaxial Layers"; trägt; im U.S. Patent Nr. 6,022,832, das am 8. Februar 2000 ausgegeben wurde und den Titel „Low Vacuum Process for Producing Superconductor Articles with Epitaxial Layers" trägt, beschrieben.
In anderen Ausführungsformen kann eine epitaxiale Pufferschicht durch Zerstäuben eines Metall- oder Metalloxid-Targets mit hohem Durchsatz abgeschieden werden. Das Erhitzen des Substrats kann durch Heizen mit einer Widerstandsheizung oder durch Vorspannen und elektrischem Potential erfolgen, um so eine epitaxiale Morphologie zu erhalten. Eine Verweilzeit der Abscheidung kann zur Ausbildung eines epitaxialen Oxidfilms aus einem Metall- oder Metalloxid-Target verwendet werden.
Die üblicherweise auf Substraten vorhandene Oxidschicht kann durch Aussetzen der Substratoberfläche gegen energetische Ionen in einer reduzierenden Umgebung, was auch als Ionenstrahlätzen bekannt ist, entfernt werden. Ionenstrahlätzen kann dazu verwendet werden, das Substrat vor der Abscheidung des Films zu reinigen, wobei Oxidrückstände oder Unreinheiten von dem Substrat entfernt werden und so eine im Wesentlichen oxid-freie, vorzugsweise biaxial strukturierte Substratoberfläche bereitgestellt wird. Dies verbessert den Kontakt zwischen dem Substrat und dem nachfolgend abgeschiedenen Material. Energetische Ionen können mit verschiedenen Ionenkanonen, wie zum Beispiel solchen, die Ionen, wie beispielsweise Ar⁺, zu einer Substratoberfläche hin beschleunigen, erzeugt werden. Vorzugsweise werden Gitterionenquellen mit Strahlspannungen von mehr als 150 eV verwendet. Alternativ dazu kann in einem Bereich nahe der Substratoberfläche ein Plasma erzeugt werden. Innerhalb dieses Bereichs treten die Ionen chemisch mit einer Substratoberfläche in Wechselwirkung, so dass sie Material von der Oberfläche, einschließlich Metalloxiden, entfernen, und damit eine im Wesentlichen oxid-freie Metalloberfläche erzeugen.
Ein weiteres Verfahren zum Entfernen von Oxidschichten von einem Substrat ist, das Substrat elektrisch vorzuspannen. Wenn das Substratband oder das Substratkabel in Bezug auf das Anodenpotential negativ gemacht wird, wird es vor der Abscheidung (wenn das Target umschalt ist) oder während der Abscheidung des gesamten Films einer stetigen Bombardierung mit Ionen aus dem Gas unterworfen. Diese Bombardierung mit Ionen kann die Oberfläche des Kabels oder des Bandes von adsorbierten Gasen reinigen, die ansonsten in den Film eingeschlossen werden könnten und auch das Substrat auf erhöhte Temperaturen für die Abscheidung erhitzen. Eine solche Bombardierung mit Ionen kann des Weiteren auch vorteilhaft sein, um die Dichte oder Glätte des epitaxialen Films zu verbessern.
Nach der Ausbildung einer geeignet strukturierten, im Wesentlichen oxid-freien Substratoberfläche kann die Abscheidung einer Pufferschicht beginnen. Es können ein oder mehrere Pufferschichten, von denen jede eine Einzelmetall- oder Oxidschicht umfasst, verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen wird das Substrat durch eine Vorrichtung treten gelassen, die an die Durchführung der Schritte des Abscheidungsverfahrens dieser Ausführungsformen angepasst wurde. Wenn das Substrat die Form eines Kabels oder eines Bandes hat, kann das Substrat zum Beispiel linear von einer Abwickelspule zu einer Aufwickelspule laufen gelassen werden und die Schritte können, während das Substrat zwischen den Spulen läuft, ausgeführt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen werden die Substratmaterialien auf erhöhte Temperaturen erhitzt, die tiefer als ungefähr 90 % des Schmelzpunkts des Substratmaterials, aber höher als die Schwellenwerttemperatur zum Ausbilden einer epitaxialen Schicht des gewünschten Materials auf dem Substratmaterial in einer Vakuumumgebung mit der vorher festgelegten Abscheidungsgeschwindigkeit sind. Um die geeignete Kristallstruktur der Pufferschicht und Glätte der Pufferschicht auszubilden, werden in der Regel hohe Substrattemperaturen bevorzugt. Übliche Temperaturen für das Anwachsenlassen von Oxidschichten auf Metall an der unteren Grenze liegen bei annähernd 200°C bis 800°C, vorzugsweise 500°C und 800°C und besonders bevorzugt bei 650°C bis 800°C. Verschiedene gut bekannte Verfahren, wie beispielsweise Strahlungsheizen, Konvektionsheizen und Konduktionsheizen sind für kurze (2 cm bis 10 cm) Substratlängen geeignet, für längere (1 m bis 100 m) Längen können sich diese Techniken jedoch nicht so gut eignen. Um auch die gewünschten Hochdurchsatzgeschwindigkeiten in einem Herstellungsverfahrens zu erhalten, muss sich das Substratkabel oder band während des Verfahrens auch zwischen den Abscheidungsstationen bewegen oder zwischen diesen übertragen werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden die Substrate durch Heizen mit einer Widerstandsheizung, das heißt, durch Leiten eines Stromes durch das Metallsubstrat, was leicht an Herstellungsverfahren für lange Längen angepasst werden kann, erhitzt. Dieser Ansatz funktioniert insofern gut, als er ohne Verzögerung eine schnelle Bewegung zwischen diesen Zonen zulässt. Eine Temperaturkontrolle kann durch Verwenden optischer Pyrometer und geschlossener Rückkopplungssysteme erfolgen, wobei die Leistung, die dem zu erhitzenden Substrat zugeführt wird, kontrolliert wird. Der Strom kann dem Substrat über Elektroden, die mit dem Substrat an mindestens zwei verschiedenen Abschnitten des Substrats in Kontakt stehen, zugeführt werden. Wenn das Substrat, in Form eines Bandes oder Kabels, zwischen Spulen läuft, können diese Spulen zum Beispiel selbst als Elektroden fungieren. Alternativ dazu können, wenn Führungsschienen zur Übertragung des Substrats zwischen den Spulen verwendet werden, diese Führungsschienen als Elektroden fungieren. Die Elektroden könnten jedoch auch vollständig unabhängig von irgendwelchen Führungsschienen oder Spulen sein. In manchen Ausführungsformen wird der Strom zwischen Stromspulen auf das Band aufgebracht.
Damit die Abscheidung auf einem Band mit der geeigneten Temperatur ausgeführt wird, wird das Metall- oder Oxidmaterial, das auf dem Band abgeschieden wurde, wünschenswerter Weise in einem Bereich zwischen den Stromspulen abgeschieden. Da die Stromspulen effiziente Kühlkörper sein könnten und daher das Band in Bereichen nahe der Rollen abkühlen können, wird das Material wünschenswerter Weise nicht in Bereichen nahe dieser Rollen abgeschieden. Falls Zerstäubung verwendet wird, sollte das geladene Material, das auf dem Band abgeschieden wird, wünschenswerter Weise nicht von anderen geladenen Oberflächen oder Materialien nahe dem Fließweg des Zerstäubers beeinflusst werden. Aus diesem Grund ist die Zerstäuberkammer vorzugsweise so aufgebaut, dass Bestandteile und Oberflächen, die den Zerstäuberfluss beeinflussen oder umlenken könnten, einschließlich den Kammerwänden, und anderen Elementen zur Abscheidung, an Positionen angeordnet sind, die von der Abscheidungszone entfernt sind, so dass sie nicht den gewünschten linearen Fließweg und die Abscheidung von Metall oder Metalloxid in Bereichen des Bandes mit der geeigneten Abscheidungstemperatur verändern.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Schicht 16 so konditioniert (z.B. thermisch konditioniert und/oder chemisch konditioniert) sein, dass die Schicht 14 auf einer konditionierten Oberfläche ausgebildet wird. Die konditionierte Oberfläche der Schicht 16 kann biaxial strukturiert sein (z.B. (113)[211]) oder würfelförmig strukturiert sein (z.B. (100)[011] oder (100)[011]), Peaks in der Polfigur einer Röntgenstrahlbeugung aufweisen, die ein volle Halbwertsbreite von weniger als ungefähr 20° (z.B. weniger als ungefähr 15°, weniger als ungefähr 10° oder weniger als ungefähr 5° bis ungefähr 10°) haben, glatter sein als vor der Konditionierung, wie durch hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie oder Atomkraftmikroskopie bestimmt wurde, eine relativ hohe Dichte haben, eine relativ geringe Dichte an Unreinheiten aufweisen, verbesserte Adhäsion an andere Materialschichten (z.B. eine Supraleiter-Schicht oder eine Pufferschicht) zeigen und/oder eine relativ wenig pendelnde Kurvenbreite zeigen, wie mittels Röntgenstrahlbeugung gemessen wurde.
„Chemisches Konditionieren", wie es hierin verwendet wird, bezeichnet ein Verfahren, das eine oder mehrere chemische Spezies (z.B. chemische Spezies in der Gasphase und/oder chemische Spezies in der Lösungsphase) verwendet, um so Veränderungen in der Oberfläche einer Materialschicht, wie beispielsweise einer Pufferschicht oder einer Schicht aus Supraleitermaterial, zu bewirken, damit die resultierende Oberfläche eine oder mehrere der oben genannten Eigenschaften aufweist.
„Thermisches Konditionieren", wie es hierin verwendet wird, bezeichnet ein Verfahren, das erhöhte Temperaturen dazu verwendet, mit oder ohne chemischem Konditionieren, Veränderungen in der Oberfläche einer Materialschicht, wie beispielsweise einer Pufferschicht oder einer Schicht aus Supraleitermaterial, zu bewirken, so dass die resultierende Oberfläche eine oder mehrere der oben genannten Eigenschaften aufweist. Ein thermisches Konditionieren kann mit oder ohne Verwendung von chemischem Konditionieren durchgeführt werden. Vorzugsweise findet das thermische Konditionieren in einer kontrollierten Umgebung (z.B. bei kontrolliertem Gasdruck, kontrollierter Gasumgebung und/oder kontrollierter Temperatur) statt.
Thermisches Konditionieren kann das Erhitzen der Oberfläche der Schicht 16 auf eine Temperatur von mindestens ungefähr 5°C oberhalb der Abscheidungstemperatur oder der Kristallisationstemperatur der darunter liegenden Schicht (z.B. von ungefähr 15°C bis ungefähr 500°C oberhalb der Abscheidungstemperatur oder der Kristallisationstemperatur der darunter liegenden Schicht, von ungefähr 75°C bis ungefähr 300°C oberhalb der Abscheidungstemperatur oder der Kristallisationstemperatur der darunter liegenden Schicht oder von ungefähr 150°C bis ungefähr 300°C oberhalb der Abscheidungstemperatur oder der Kristallisationstemperatur der darunter liegenden Schicht) umfassen. Beispiele für solche Temperaturen liegen bei ungefähr 500°C bis ungefähr 1200°C (z.B. bei ungefähr 800°C bis ungefähr 1050°C). Thermisches Konditionieren kann unter vielerlei Druckbedingungen, wie beispielsweise oberhalb von Atmosphärendruck, unterhalb von Atmosphärendruck oder bei Atmosphärendruck, durchgeführt werden. Das thermische Konditionieren kann auch unter Verwenden einer Vielzahl von Gasumgebungen, wie beispielsweise einer Umgebung zum chemischen Konditionieren (z.B. einer oxidierenden Gasumgebung, einer reduzierenden Gasumgebung) oder einer inerten Gasumgebung, durchgeführt werden.
Die „Abscheidungstemperatur", wie sie hierin verwendet wird, bezeichnet die Temperatur, bei der konditionierte Schicht abgeschieden wurde.
Die „Kristallisationstemperatur", wie sie hierin verwendet wird, bezeichnet die Temperatur, bei der eine Schicht aus Material (z.B. die darunter liegende Schicht) eine kristalline Form annimmt.
Chemisches Konditionieren kann Techniken im Vakuum (z.B. reaktives Ionenätzen, Plasmaätzen und/oder Ätzen mit Fluorverbindungen, wie beispielsweise BF₃ und/oder CF₄) einschließen. Techniken zum chemischen Konditionieren sind beispielsweise in Silicon Processing for the VLSI Era, Ausg. 1, Hrsg. S. Wolf und R.N. Tanber, S. 539-574, Lattice Press, Sunset Park, CA, 1986, offenbart.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann chemisches Konditionieren Techniken in der Lösungsphase umfassen, wie sie beispielsweise in Mettalurgy and Mettalurgical Engineering Series, 3. Ausg, George L. Kehl, McGraw-Hill, 1949, offenbart sind. Entsprechende Techniken können das In-Kontakt-Bringen der Oberfläche der darunter liegenden Schicht mit einer relativ milden Säurelösung (z.B. einer Säurelösung, die weniger als ungefähr 10 Prozent Säure, weniger als ungefähr zwei Prozent Säure oder weniger als ungefähr ein Prozent Säure enthält) umfassen. Beispiele für milde Säurelösungen schließen Perchlorsäure, Salpetersäure, Flusssäure, Salzsäure, Essigsäure und gepufferte Säurelösungen ein. In einer Ausführungsform ist die milde Säurelösung ungefähr einprozentige wässrige Salpetersäure. In bestimmten Ausführungsformen können Bromid enthaltende und/oder Brom enthaltende Zusammensetzungen (z.B. eine flüssige Bromlösung) zur Konditionierung der Oberfläche einer Pufferschicht oder einer Supraleiter-Schicht verwendet werden.
Alternativ dazu kann die Schicht 16 aus einem Supraleitermaterial ausgebildet werden, das, wie oben beschrieben wurde, hergestellt werden kann. In Ausführungsformen, in denen die Schicht 16 aus einem Supraleitermaterial ausgebildet wird, kann die relative Dicke der Schichten 16 und 14 je nach dem zur Herstellung des Artikels 20 verwendeten Verfahren und/oder der angestrebten Verwendung des Artikels 20 variieren. Beispielsweise kann die Schicht 14 dicker sein als die Schicht 16 oder die Schicht 16 kann dicker sein als die Schicht 14.
In manchen Ausführungsformen kann die Schicht 16 beispielsweise eine Dicke von weniger als ungefähr einem Mikrometer (z.B. weniger als ungefähr 0,5 Mikrometer, wie zum Beispiel zwischen ungefähr 0,005 Mikrometer und ungefähr 0,2 Mikrometer) haben, und die Schicht 14 kann eine Dicke von mehr als ungefähr einem Mikrometer (z.B. mehr als ungefähr zwei Mikrometern, mehr als ungefähr drei Mikrometern, mehr als ungefähr vier Mikrometern, mehr als ungefähr fünf Mikrometern) haben.
Bei Ausführungsformen, in denen die Schicht 16 aus einem Supraleitermaterial ausgebildet wird, kann die Dicke der Schichten 14 und 16 zusammen je nach den zur Herstellung des Artikels 20 verwendeten Verfahren und/oder der angestrebten Verwendung des Artikels 20 variieren. Beispielsweise kann die Dicke der Schichten 14 und 16 zusammen weniger als zwei Mikrometer oder mehr als zwei Mikrometer sein. Vorzugsweise ist die Dicke der Schichten 14 und 16 zusammen größer als ungefähr ein Mikrometer (z.B, größer als ungefähr zwei Mikrometer, größer als ungefähr drei Mikrometer, größer als ungefähr vier Mikrometer, größer als ungefähr fünf Mikrometer, größer als ungefähr sechs Mikrometer, größer als ungefähr sieben Mikrometer, größer als ungefähr acht Mikrometer, größer als ungefähr neun Mikrometer, größer als ungefähr 10 Mikrometer).
In Ausführungsformen, in denen die Schicht 16 aus einem Supraleitermaterial ausgebildet ist, kann die Oberfläche der Schicht 16, wie oben beschrieben ist, chemisch und/oder thermisch konditioniert sein.
In bestimmten Ausführungsformen, in denen die Schicht 16 aus einem Supraleitermaterial ausgebildet ist, kann die Schicht 14 aus festen, oder halbfesten, Vorläufermaterialien bestehen, die in Form einer Dispersion abgeschieden werden. Diese Vorläuferlösungen lassen zum Beispiel die wesentliche Beseitigung von BaCO₃-Bildung in den finalen supraleitenden YBCO-Schichten zu und lassen daneben auch eine Kontrolle der Keimbildung und des Wachstums des Films zu.
Für die Formulierung von Vorläuferlösungen werden zwei allgemeine Ansätze angegeben. In einem Ansatz werden die kationischen Bestandteile der Vorläuferlösung in Bestandteilen, die eine feste Form, entweder als Elemente, oder, vorzugsweise, in Verbindungen mit anderen Elementen, einnehmen, bereitgestellt. Die Vorläuferlösung wird in Form von ultrafeinen Teilchen bereitgestellt, die so verteilt sind, dass sie auf eine Oberfläche eines geeigneten Substrats, eines mit Intermediat beschichteten Substrats oder eines mit Puffer beschichteten Substrats aufgebracht werden können und daran haften bleiben. Diese ultrafeinen Teilchen können mit Hilfe eines Aerosol-Sprays, durch Verdampfen und ähnliche Techniken, die in der Bereitstellung der gewünschten chemischen Zusammensetzungen und Größen kontrollierbar sind, erzeugt werden. Die ultrafeinen Teilchen sind kleiner als ungefähr 500 nm, vorzugsweise kleiner als ungefähr 250 nm, besonders bevorzugt kleiner als ungefähr 100 nm und ganz besonders bevorzugt kleiner als ungefähr 50 nm. In der Regel besitzen die Teilchen eine Dicke von weniger als ungefähr 50 % der gewünschten Dicke des finalen Films, vorzugsweise von weniger als ungefähr 30 %, ganz besonders bevorzugt von weniger als ungefähr 10 % der gewünschten Dicke des finalen Films. Die Vorläuferlösung kann beispielsweise ultrafeine Teilchen aus einem oder mehreren Bestandteilen der supraleitenden Schicht in einer im Wesentlichen stöchiometrischen Mischung, die auf in einem Träger vorliegt, umfassen. Dieser Träger umfasst ein Lösungsmittel, einen Weichmacher, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel oder ein ähnliches, im Stand der Technik bekanntes System zur Ausbildung einer Dispersion solcher Teilchen. Jedes ultrafeine Teilchen kann eine im Wesentlichen von der Zusammensetzung her einheitliche, homogene Mischung aus solchen Bestandteilen enthalten. Beispielsweise kann jedes Teilchen BaF₂ und Seltenerdoxid und Kupferoxid oder Seltenerd/Barium/Kupferoxihalogenid in einer im Wesentlichen stöchiometrischen Mischung umfassen. Eine Analyse solcher Teilchen würde wünschenswerter Weise ein Verhältnis von Seltenerd:Barium:Kupfer von im Wesentlichen 1:2:3 in der Stöchiometrie mit einem Verhältnis von Fluor:Barium von im Wesentlichen 2:1 in der Stöchiometrie offenbaren. Die Teilchen können entweder eine kristalline oder eine amorphe Form aufweisen.
In einem zweiten Ansatz können die Bestandteile des Vorläufers aus elementaren Quellen oder aus einer im Wesentlichen stöchiometrischen Verbindung, welche die gewünschten Bestandteile enthält, hergestellt werden. Beispielsweise könnte die Verdampfung eines Feststoffs, der eine im Wesentlichen stöchiometrische Verbindung aus gewünschten REBCO-Bestandteilen (beispielsweise YBa₂Cu₃O_7-x) oder eine Reihe von Feststoffen, von denen jeder einen bestimmten Bestandteil der gewünschten, finalen supraleitenden Schicht (beispielsweise Y₂O₃, BaF₂, CuO) umfasst, enthält, dazu verwendet werden, die ultrafeinen Teilchen zur Herstellung der Vorläuferlösungen herzustellen. Alternativ dazu könnte Sprühtrocknen oder Aerosolisierung einer metallorganischen Lösung, die eine im Wesentlichen stöchiometrische Mischung aus den gewünschten REBCO-Bestandteilen umfasst, zum Herstellen der in den Vorläuferlösungen verwendeten, ultrafeinen Teilchen verwendet werden. Alternativ dazu können einer oder mehrere kationische Bestandteile in der Vorläuferlösung als ein metallorganisches Salz oder eine metallorganische Verbindung bereitgestellt werden und in Lösung vorliegen. Die metallorganische Lösung kann als Lösungsmittel, oder Träger, für die anderen festen Elemente oder Verbindungen dienen. Gemäß dieser Ausführungsform können Dispergiermittel und/oder Bindemittel im Wesentlichen aus der Vorläuferlösung entfernt werden. Die Vorläuferlösung kann zum Beispiel ultrafeine Teilchen aus Seltenerdoxid und Kupferoxid in einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verhältnis von 1:3, zusammen mit einem solubilisierten, Barium enthaltenden Salz, wie beispielsweise in einem organischen Lösungsmittel, wie zum Beispiel Methanol, gelöstes Bariumtrifluoracetat, umfassen.
Die Vorläuferlösungen können mit einer Reihe von Verfahren, die auf die Erzeugung von Beschichtungen mit im Wesentlichen homogener Dicke gerichtet sind, auf ein Substrat oder mit Puffer behandelte Substrate aufgebracht werden. Die Vorläuferlösungen können beispielsweise unter Verwenden von Spin-Coating, Slot-Coating, Gravurbeschichtung (gravure coating), Dip-Coating, Band-Spritzguss oder Sprayen aufgebracht werden. Das Substrat ist wünschenswerter Weise einheitlich beschichtet, so dass ein supraleitender Film mit ungefähr einem bis 10 Mikrometern (z.B. mindestens ungefähr einem Mikrometer, mindestens ungefähr zwei Mikrometern, mindestens ungefähr drei Mikrometern, mindestens ungefähr vier Mikrometern, mindestens ungefähr fünf Mikrometern) erhalten wird.
In Ausführungsformen, in denen die Schicht 16 aus einem Supraleitermaterial ausgebildet ist, kann die kritische Stromdichte der Schichten 14 und 16 in Artikel 20 zusammen relativ hoch sein. Vorzugsweise beträgt die kritische Stromdichte der Schichten 14 und 16 in Artikel 20 zusammen mindestens ungefähr 5 × 10⁵ Ampere pro Quadratzentimeter, besonders bevorzugt mindestens ungefähr 1 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter, wie zum Beispiel mindestens ungefähr 2 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter, wie in einer Transportmessung bei 77 K im Selbstfeld unter Verwenden eines Kriteriums von 1 Mikrovolt pro Zentimeter bestimmt wurde.
Während in der vorhergehenden Diskussion mehrschichtige Artikel mit zwei Schichten aus Material (d.h. ohne Intermediat-Schicht) und mit drei Schichten aus Material (d.h. mit einer Intermediat-Schicht) beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht in diesem Sinne beschränkt. Stattdessen können mehrere Intermediat-Schichten verwendet werden. Jede dieser Intermediat-Schichten kann aus einem Pufferschichtmaterial oder einem Supraleitermaterial ausgebildet werden. 3 zeigt beispielsweise einen mehrschichtigen Supraleiter 30 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Artikel 30 schließt die Schichten 12, 14 und 16 ein. Artikel 30 umfasst ferner eine zusätzliche Intermediat-Schicht(en) 18 und 22 mit den Oberflächen 19 bzw. 23. Die Schichten 18 und 22 werden zwischen den Schichten 16 und 14 aufgebracht. Jede der Schichten 16, 18 und 22 kann aus einem Pufferschichtmaterial oder einem Supraleitermaterial ausgebildet werden. Des Weiteren können die Oberflächen 19 und 23 unter Verwenden der hierin diskutierten Verfahren hergestellt werden.
In einigen Ausführungsformen schließt ein Supraleiter-Artikel drei Pufferschichten zwischen dem Substrat und dem Supraleitermaterial ein. Eine Schicht aus Y₂O₃ oder CeO₂ (z.B. zwischen ungefähr 20 Nanometer und ungefähr 50 Nanometer dick) wird auf der Substratoberfläche (z.B. unter Verwenden von Elektronenstrahlverdampfung) abgeschieden oder eine Schicht aus Gd₂O₃ wird aus der Lösung abgeschieden. Eine Schicht aus YSZ (z.B. zwischen ungefähr 0,2 Mirkometer und ungefähr 1 Mikrometer dick, wie zum Beispiel ungefähr 0,5 Mikrometer dick) wird unter Verwenden von Zerstäuben (z.B. unter Verwenden von Magnetronzerstäuben) auf der Oberfläche der Y₂O₃-, CeO₂ oder Gd₂O₃-Schicht abgeschieden. Eine CeO₂-Schicht (z.B. ungefähr 20 Nanometer dick) wird auf der YSZ-Oberfläche (z.B. unter Verwenden von Magnetronzerstäuben) abgeschieden oder eine Schicht aus Gd₂O₃ wird aus der Lösung auf der YSZ-Oberfläche abgeschieden. Eine oder mehrere der Pufferschichten können so, wie es hierin beschrieben ist, chemisch und/oder thermisch konditioniert sein.
Erfindungsgemäße Supraleiter-Artikel können auch eine Schicht aus einem Deckelmaterial umfassen, das aus einem Metall oder einer Legierung ausgebildet sein kann, deren Reaktionsprodukte mit dem Supraleitermaterial (z.B. YBa₂Cu₃O_7-x) unter den zum Ausbilden der Schicht aus Deckelmaterial verwendeten Reaktionsbedingungen thermodynamisch instabil sind. Beispiele für Deckelmaterialien schließen Silber, Gold, Palladium und Platin ein.
Während in der vorhergehenden Diskussion mehrschichtige Artikel mit bestimmten Strukturen beschrieben wurden, ist die Erfindung in diesem Sinne nicht beschränkt. In einigen Ausführungsformen werden beispielsweise mehrschichtige Hochtemperatur-Supraleiter bereitgestellt, die erste und zweite mit Hochtemperatur-Supraleitern beschichtete Elemente einschließen. Jedes Element schließt ein Substrat, mindestens eine auf dem Substrat abgeschiedene Pufferschicht, eine Schicht aus Hochtemperatur-Supraleiter und gegebenenfalls eine Deckelschicht ein. Die ersten und zweiten mit Hochtemperatur-Supraleitern beschichteten Elemente können an den ersten und zweiten Deckelschichten oder an der Zwischen-, vorzugsweise metallischen, Schicht miteinander verbunden sein. Beispiele für Verbindungstechniken schließen Löten und Diffusionsverbinden ein.
Ein solcher mehrschichtiger Aufbau kann eine verbesserte Stromausnutzung, geringere Hystereseverluste bei Wechselstrombedingungen, eine verstärkte elektrische und thermische Stabilität sowie verbesserte mechanische Eigenschaften bereitstellen. Nützliche Leiter mit mehreren, bezogen aufeinander gestapelten und/oder laminierten Bändern können hergestellt werden, um so eine ausreichende Strombelastbarkeit, Formbeständigkeit und mechanische Festigkeit bereitzustellen. Solche Ausführungsformen stellen auch ein Mittel zum Verbinden von Fragmenten des beschichteten Bandes und zum Beenden von Stapeln oder Leiterelementen aus dem beschichteten Band bereit.
Des Weiteren wird erwartet, dass dieser Aufbau einen signifikanten Nutzen für Wechselstrom-(AC-)anwendungen bereitstellen kann. Es wird gezeigt, dass die AC-Verluste umgekehrt proportional zu der effektiven kritischen Stromdichte im Leiter, insbesondere in der Querschnittsfläche, über die der Strom geführt wird, sind. Bei einem mehradrigen Leiter würde dies die Fläche des „Bündels" aus supraleitenden Adern, ausschließlich irgendwelchen Hüllmaterials um das Bündel herum, sein. Bei einem „face-to-face"-Aufbau würde die kritische Stromdichte des „Bündels" nur die Filme aus Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) und die Dicke der Deckelschichtstruktur umfassen. Die Deckelschicht kann aus einer oder mehreren Schichten ausgebildet werden und schließt vorzugsweise mindestens eine Schicht aus Edelmetall ein. Ein „Edelmetall", wie es hierin verwendet wird, ist ein Metall, dessen Reaktionsprodukte unter den zur Herstellung des HTS-Bandes verwendeten Reaktionsbedingungen thermodynamisch instabil sind. Beispiele für Edelmetalle schließen, zum Beispiel Silber, Gold, Palladium und Platin ein. Edelmetalle stellen einen geringen Widerstand zwischen den beiden Flächen der HTS-Schicht und der Deckelschicht bereit. Daneben kann die Deckelschicht eine zweite Schicht aus normalem Metall (beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder Legierungen aus normalen Metallen) umfassen. Bei Gleichspannungsanwendungen würden weitere „face-to-face"-Drähte gebündelt oder gestapelt werden, um so die erforderliche Strombelastbarkeit und Geometrie für eine gegebene Anwendung bereitzustellen.
Zusätzlich könnte der Film aus Hochtemperatur-Supraleiter an der Oberfläche der Bänder so behandelt werden, dass lokale Unterbrechungen, d.h. nicht-supraleitende Bereiche oder Streifen in dem Film entlang der Länge des Bandes (in der Richtung des Stromflusses) erzeugt werden. Die auf dem Film aus Hochtemperatur-Supraleiter abgeschiedene Deckelschicht würde dann dazu dienen, die nicht-supraleitenden Zonen mit einem duktilen, normalen Metallbereich zu überbrücken. Ein Versatz in der Ausrichtung der Ränder der schmalen Streifen oder Adern, ähnlich dem Ziegelmuster eines laufenden Bandes, würde eine Stromübertragung auf verschiedene schmale, supraleitende Adern sowohl über die Deckelschichten als auch auf benachbarte Adern zulassen, was die Redundanz weiter erhöht und die Stabilität verbessert.
In allen Ausführungsformen könnte eine normale Metallschicht entlang des Randes des Leiters eingeschlossen werden, um so die Filme aus Hochtemperatur-Supraleiter hermetisch abzudichten und eine Stromübertragung in den Film, und je nach Bedarf, von dem Film in das Substrat bereitzustellen.
In manchen Ausführungsformen können beschichtete Leiter so hergestellt werden, das die bei Wechselstromanwendungen auftretenden Verluste minimiert werden. Die Leiter werden mit mehrfachen Leiterbahnen hergestellt, von denen jede Bahnabschnitte umfasst, die über mindestens zwei leitende Schichten und weiter zwischen diesen Schichten hervorstehen.
Jede supraleitende Schicht besitzt eine Mehrzahl von Abschnitten aus leitenden Bahnen, die über die Breite der Schicht, von einem Rand zum anderen, hervorstehen und die Bahnabschnitte besitzen auch ein Bauteil zur Verbindung entlang der Länge der supraleitenden Schicht. Die Bahnabschnitte in der Oberfläche der supraleitenden Schicht sind in elektrisch leitender Verbindung mit den Zwischenschicht-Verbindungen, die dazu dienen, einen Stromfluss von einer supraleitenden Schicht zur anderen zuzulassen. Bahnen, die aus Bahnabschnitten hergestellt wurden, sind regelmäßig aufgebaut, so dass der Stromfluss in der Regel zwischen zwei supraleitenden Schichten in zweischichtigen Ausführungsformen wechselt und die Schichten über Zwischenschicht-Verbindungen überquert.
Supraleitende Schichten können so konstruiert sein, dass sie eine Mehrzahl an Bahnabschnitten enthalten, die sowohl über ihre Breiten als auch über ihre Längen hervorstehen. Supraleitende Schichten können zum Beispiel so mit Mustern ausgebildet sein, dass ein hoher spezifischer Widerstand oder eine vollständig isolierende Barriere zwischen jeder Mehrzahl an Bahnabschnitten erreicht wird. Eine gleichmäßige, regelmäßige Anordnung von diagonalen Bahnabschnitten kann beispielsweise auf die Schicht entlang der gesamten Länge des Bandes aufgebracht werden. Eine Ausbildung von Mustern auf den supraleitenden Schichten zur Erzeugung solcher Anordnungen kann mit einer Vielfalt an Fachleuten bekannten Mitteln, einschließlich beispielsweise Laserritzen, mechanisches Stanzen, Implantation, lokalisierte, chemische Behandlung durch eine Maske und anderen bekannten Verfahren, vorgenommen werden. Ferner werden die supraleitenden Schichten daran angepasst, eine elektrische Verbindung der Abschnitte aus leitenden Bahnen in ihren Oberflächen mit den leitenden Zwischenschicht-Verbindungen, die zwischen den Schichten verlaufen, an oder nahe ihrer Ränder zuzulassen. Die Zwischenschicht-Verbindungen werden in der Regel normal leitend (nicht supraleitend) sein, könnten aber in speziellen Anordnungen supraleitend sein. Die Zwischenschicht-Verbindungen stellen eine elektrische Kommunikation zwischen supraleitenden Schichten, die durch nicht-leitendes oder hochohmiges Material, das zwischen den supraleitenden Schichten angeordnet ist, getrennt sind, bereit. Solche nicht-leitenden oder hochohmigen Materialien können auf einer supraleitenden Schicht abgeschieden werden. An den Rändern des isolierenden Materials können Durchgänge erzeugt werden, die das Einführen von Zwischenschicht-Verbindungen zulassen, und darauf kann die Abscheidung einer weiteren supraleitenden Schicht erfolgen. Eine umgedrehte Anordnung mit beschichteten Leitern kann erreicht werden, indem eine supraleitende Schicht mit einem Muster aus Adern, die parallel zu der Achse des Bandes verlaufen, versehen wird und das Band spiralförmig um eine zylindrische Form gewunden wird.
Die folgenden Beispiele sind nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht.
Beispiel I (keine Ausführungsform der Erfindung)
Eine Vorläuferlösung wurde wie folgt hergestellt. Ungefähr 1,36 Gramm Y(CF₃CO₂)₃ 4 H₂O, ungefähr 2,46 Gramm Ba(CF₃CO₂)₂ und ungefähr 2,51 Gramm Cu(CF₃CO₂)₂ 2H₂O wurden in ungefähr 5 Milliliter CH₃OH gelöst. Dann wurden ungefähr 0,86 Milliliter Wasser dazugegeben und das Gesamtvolumen der Lösung wurde mit Methanol auf ungefähr 10 Milliliter eingestellt.
Die Vorläuferlösung wurde, wie folgt, mittels Spin-Coating auf die (100)-Oberfläche eines Einkristall-SrTiO₃-Substrats aufgebracht. Das Substrat wurde in ungefähr 0,5 Sekunden von ungefähr null Drehzahlen pro Minute (revolutions per minute, RPM) auf ungefähr 2000 RPM hochgefahren. Die Rotationsgeschwindigkeit wurde ungefähr fünf Sekunden lang auf ungefähr 2000 RPM gehalten und dann in ungefähr 0,5 Sekunden auf ungefähr 4000 RPM hochgefahren. Die Rotationsgeschwindigkeit wurde ungefähr 60 Sekunden lang auf ungefähr 4000 RPM gehalten und dann auf ungefähr null RPM reduziert.
Die beschichtete Probe wurde wie folgt aufgeschlossen. Die Probe wurde in einer nominalen Gasumgebung mit einem Gesamtgasdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr) (Wasserdampfdruck von ungefähr 32 hPa (24 Torr) und der Rest als Sauerstoff) mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10°C pro Minute von Raumtemperatur auf ungefähr 210°C erhitzt. Das Erhitzen wurde in einem Ofen mit einem Durchmesser von ungefähr 2,25'' unter Verwenden einer Fließgeschwindigkeit des Gases von ungefähr 0,127 m³/h (4,5 Standardkubikfuß pro Stunde) durchgeführt. Während die im Wesentlichen gleiche nominale Gasumgebung beibehalten wurde, wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,5°C pro Minute auf ungefähr 220°C erhöht, worauf ein Erhitzen auf ungefähr 400°C mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 5°C pro Minute folgte, um so einen dünnen Intermediat-Film auszubilden.
Nach dem Aufschluss wurde der Intermediat-Film mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10°C pro Minute auf ungefähr 725°C erhitzt und ungefähr drei Stunden lang in einer Umgebung mit einem nominalen Gesamtgasdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr) (Wasserdampfdruck von ungefähr 22,7 hPa (17 Torr), Sauerstoffgasdruck von ungefähr 0,1 hPa (76 Millitorr) und der Rest als Sauerstoff) gehalten, worauf das Halten der Temperatur bei ungefähr 725°C für ungefähr 10 Minuten in einer Umgebung mit einem nominalen Gasgesamtdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr) (Sauerstoffgasdruck von ungefähr 0,1 hPa (76 Millitorr) und der Rest als Stickstoff) folgte. Der Film wurde in der gleichen nominalen Gasumgebung auf ungefähr 450°C abgekühlt und ungefähr eine Stunde lang in einer Gasumgebung mit einem nominalen Gesamtgasdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr) (ungefähr 1013 hPa (760 Torr) Sauerstoff) auf dieser Temperatur gehalten und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die resultierende Schicht war (001)-strukturiertes YBa₂Cu₃O_7-x und ungefähr 0,4 Mikrometer dick.
Beispiel II
Eine Vorläuferlösung wurde wie folgt hergestellt. Ungefähr 1,41 Gramm Y(CF₃CO₂)₃, ungefähr 2,39 Gramm Ba(CF₃CO₂)₂ und ungefähr 1,97 Gramm Cu(CH₃CO₂)₂ 2H₂O wurden in ungefähr 20 Milliliter CH₃OH, ungefähr 10 Milliliter Wasser und ungefähr 0,5 Milliliter NH₄OH gelöst. Die Lösung wurde dann durch Abziehen des Lösungsmittels unter Vakuum auf ungefähr 20 Milliliter eingeengt.
Die eingeengte Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating auf die (100)-Oberfläche eines Einzelkritall-SrTiO₃-Substrats aufgebracht und, wie in Beispiel I beschrieben ist, aufgeschlossen, um so einen Film aus einem Intermediat auszubilden.
Die Dicke des Films des Intermediats betrug ungefähr 0,95 Mikrometer. 4 zeigt eine optisches Mikroaufnahme des Films (750fache Vergrößerung), das zeigt, dass der Film keine sichtbaren Risse oder Blasen hat.
Der aufgeschlossene Film wurde dann wie in Beispiel I umgesetzt, um einen YBa₂Cu₃O_7-x-Film auszubilden.
Beispiel III
Das Beispiel II wurde wiederholt, außer dass statt Rotationsgeschwindigkeiten von 2000 RPM 500 RPM und statt 4000 RPM 1000 RPM verwendet wurden. Nach dem Aufschluss des Vorläuferfilms war der Intermediat-Film ungefähr 1,4 Mikrometer dick. Der Film wurde wie in Beispiel I weiter umgesetzt, um so einen YBa₂Cu₃O_7-x-Film auszubilden. 5 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung eines YBa₂Cu₃O_7-x-Films, der die wesentliche Ausbildung von strukturiertem YBa₂Cu₃O_7-x neben kleineren, nicht identifizierten unreinen Phasen zeigt.
Beispiel IV (keine Ausführungsform der Erfindung)
Eine Vorläuferlösung wurde wie folgt hergestellt. Ungefähr 1,98 Gramm Cu(CCl₃CO₂)₂ xH₂O wurden in ungefähr 10 Millilitern Methanol gelöst. Ungefähr 2,46 Gramm Y(CF₃CO₂)₃ und ungefähr 1,20 Gramm Ba(CF₃CO₂)₂ wurden unter Rühren hinzu gegeben. Die Lösung wurde durch Abziehen des Lösungsmittels unter Vakuum auf ungefähr fünf Milliliter eingeengt. Die eingeengte Lösung war viskos und tiefblau.
Die eingeengte Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating auf die (100)-Oberfläche eines Einkristall-SrTiO₃-Substrats, wie in Beispiel III beschrieben ist, aufgebracht, außer, dass statt Rotationsgeschwindigkeiten von 500 RPM 1000 RPM und statt 1000 RPM 2000 RPM verwendet wurden. Der Vorläuferfilm wurde dann, wie in Beispiel I beschrieben, aufgeschlossen.
Nach dem Aufschluss des Vorläuferfilms war der Intermediat-Film ungefähr drei bis ungefähr vier Mikrometer dick und wies keine sichtbaren Defekte auf. Der Intermediat-Film wurde wie in Beispiel I weiter umgesetzt, um so einen YBa₂Cu₃O_7-x-Film auszubilden. 6 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung eines YBa₂Cu₃O_7-x-Films, der die wesentliche Ausbildung von strukturiertem YBa₂Cu₃O_7-x neben kleineren, nicht identifizierten unreinen Phasen zeigt.
Beispiel V (keine Ausführungsform der Erfindung)
Das Beispiel IV wurde wiederholt, außer dass statt Rotationsgeschwindigkeiten von 1000 RPM 500 RPM und statt 2000 RPM 1000 RPM verwendet wurden. Nach dem Aufschluss des Vorläuferfilms war der Intermediat-Film mehr als ungefähr vier Mikrometer dick. Der Intermediat-Film wurde wie in Beispiel I weiter umgesetzt, um so einen YBa₂CuO_7-x-Film auszubilden.
Beispiel VI (keine Ausführungsform der Erfindung)
Eine wie in Beispiel I hergestellte Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat, wie in Beispiel I beschrieben ist, aufgebracht, wobei jedoch statt Rotationsgeschwindigkeiten von 2000 RPM 1000 RPM und statt 4000 RPM 2000 RPM verwendet wurden. Der Vorläuferfilm wurde aufgeschlossen, indem der Vorläufer bei 100°C unter einer Gasumgebung mit einem Gesamtdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr) (ungefähr 38,7 hPa (29 Torr) H₂O und den Rest als O₂) in den Ofen eingeführt wurde. Der Ofen wurde mit ungefähr 5°C pro Minute auf 400°C erhitzt und für ungefähr 30 Minuten auf 400°C gehalten, dann auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei sich ein Film aus einem Intermediat-Material ausbildete. 7 zeigt eine optische Mikroaufnahme des Films aus dem Intermediat-Material (750fache Vergrößerung), das zeigt, dass der Film viele sichtbare Defekte enthält.
Beispiel VII (keine Ausführungsform der Erfindung)
Eine wie in Beispiel IV hergestellte Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat, wie in Beispiel IV beschrieben ist, aufgebracht. Der Vorläuferfilm wurde aufgeschlossen, indem der Vorläufer bei 300 °C unter einer Gasumgebung mit einem Gesamtdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr) (ungefähr 38,7 hPa (29 Torr) H₂O und den Rest als O₂) in den Ofen eingeführt wurde. Der Ofen wurde mit ungefähr 5°C pro Minute auf 400°C erhitzt und für ungefähr 30 Minuten auf 400°C gehalten, dann auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei sich ein Film aus einem Intermediat-Material ausbildete. 8 zeigt eine optische Mikroaufnahme des Films aus dem Intermediat-Material (750fache Vergrößerung), das zeigt, dass der Film keine sichtbaren Defekte enthält.
Beispiel VIII (keine Ausführungsform der Erfindung)
Eine wie in Beispiel IV hergestellte Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat, wie in Beispiel IV beschrieben ist, aufgebracht. Der Vorläuferfilm wurde aufgeschlossen, indem der Vorläufer bei 400°C unter der in Beispiel VI beschrieben Gasumgebung in den Ofen eingeführt wurde.
Der Ofen wurde für ungefähr 30 Minuten auf 400°C gehalten, dann auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei sich ein Film aus einem Intermediat-Material ausbildete. 9 zeigt eine optische Mikroaufnahme des Films aus dem Intermediat-Material (750fache Vergrößerung), das zeigt, dass der Film keine sichtbaren Defekte enthält.
Beispiel IX (keine Ausführungsform der Erfindung)
Eine Vorläuferlösung wurde wie folgt hergestellt. Ungefähr fünf Gramm Trichloressigsäure (CCl₃CO₂)H wurden in ungefähr fünf Milliliter Methanol gelöst. Ungefähr 1,974 Gramm Cu(O₂C-CH₃)₂ 2H₂O, ungefähr 1,022 Gramm Ba(O₂C-CH₃)₂ und ungefähr 0,6762 Gramm Y(O₂C-CH₃)₃ 4H₂O wurden nacheinander zu der Mischung aus Trichloracetat und Methanol gegeben. Die Mischung wurde dann unter Vakuum getrocknet und drei Gramm des getrockneten Feststoffs wurden in ungefähr fünf Millilitern Methanol gelöst, um so die Vorläuferlösung zu erhalten.
Die Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat, wie in Beispiel IV beschrieben ist, aufgebracht. Der Vorläuferfilm wurde dann, wie in Beispiel I beschrieben ist, aufgeschlossen, um so einen Film aus einem Intermediat-Material auszubilden. 10 zeigt eine optische Mikroaufnahme des Films aus dem Intermediat-Material (37fache Vergrößerung), das zeigt, dass der Film keine sichtbaren Defekte enthält.
Beispiel X
Eine Vorläuferlösung wurde wie folgt hergestellt.
Ungefähr 8,55 Gramm Y(CF₃CO₂)₃ und ungefähr 14,5321 Gramm Ba(CF₃CO₂)₂ wurden in ungefähr 50 Milliliter Methanol gelöst, um eine Lösung auszubilden.
Eine weitere Lösung wurde wie folgt hergestellt. Ungefähr 11,98 Gramm Cu(CH₃CO₂)₂ H₂O wurden in ungefähr 10 Milliliter Methanol verteilt und unter Rückfluss für ungefähr 10 Minuten erhitzt. Dann wurden ungefähr 20 Milliliter C₂H₅COOH zugetropft und unter Rückfluss 30 Minuten lang gekocht, worauf ein Abkühlen auf ungefähr Raumtemperatur erfolgte.
Die obigen zwei Lösungen wurden zusammen unter 10-minütigem Rühren vermischt und dann durch Abziehen des Lösungsmittels unter Vakuum auf ungefähr 50 Milliliter eingeengt.
Die resultierende eingeengte Lösung wurde mittels Spin-Coating unter Verwenden der in Beispiel I beschriebenen Parameter für das Spin-Coating auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat aufgebracht.
Die beschichtete Probe wurde wie folgt aufgeschlossen. Die Probe wurde in den Ofen eingeführt, indem sie, wie in Beispiel I beschrieben, bei ungefähr 200°C unter einer nominalen Gasumgebung mit einem Gesamtdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr) (ungefähr 22,67 hPa (17 Torr) H₂O und der Rest als Sauerstoff) in den Ofen eingeführt wurde. Dann wurde der Ofen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1°C pro Minute auf ungefähr 250°C erhitzt. Die Probe wurde mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10°C pro Minute (in der gleichen nominalen Gasumgebung) weiter auf ungefähr 400°C erhitzt und dann (in der gleichen nominalen Gasumgebung) auf Raumtemperatur abgekühlt, um so einen Film aus einem Intermediat-Material auszubilden.
Nach dem Aufschluss wurde der Intermediat-Film, wie in Beispiel I beschrieben ist, weiter umgesetzt, um so eine YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht auszubilden. 11 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung der YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht, der die Ausbildung einer hochqualitativen, (001)-strukturiertem YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht, die ungefähr 0,41 Mikrometer dick ist, zeigt. Die YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht hat bei 77 K (Selbstfeld) eine kritische Stromdichte von ungefähr 4,2 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter.
Beispiel XI
Eine eingeengte Vorläuferlösung wurde, wie in Beispiel X beschrieben ist, hergestellt. Die eingeengte Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating unter Verwenden der in Beispiel I beschriebenen Parameter für das Spin-Coating, außer dass statt Rotationsgeschwindigkeiten von 2000 RPM 1500 RPM und statt 4000 RPM 3000 RPM verwendet wurden, auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat, aufgebracht. Der mittels Spin-Coating aufgetragene Film wurde, wie in Beispiel X beschrieben ist, aufgeschlossen und der Intermediat-Film wurde, wie in Beispiel I beschrieben ist, weiter umgesetzt. Die resultierende Schicht bestand aus (001)-strukturiertem YBa₂Cu₃O_7-x und war ungefähr 0,5 Mikrometer dick. Die YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht hatte bei 77 K (Selbstfeld) eine kritische Stromdichte von ungefähr 3,2 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter.
Beispiel XII
Eine Vorläuferlösung wurde wie folgt hergestellt.
Eine erste Lösung wurde ausgebildet, indem ungefähr 1,35 Gramm Y(CH₃CO₂)₃ 4H₂O in ungefähr 10 Milliliter Methanol verteilt wurden. Ungefähr fünf Milliliter C₂H₅COOH und ungefähr drei Milliliter NH₄OH wurden dazugegeben, wobei solange gerührt wurde, bis die Lösung klar wurde.
Eine zweite Lösung wurde ausgebildet, indem ungefähr 2,9 Gramm Ba(CF₃CO₂)₂ in ungefähr 10 Milliliter CH₃OH gelöst wurden.
Eine dritte Lösung wurde ausgebildet, indem ungefähr 2,4 Gramm Cu(CH₃CO₂)₂ H₂O in ungefähr 10 ml Methanol verteilt wurden. Ungefähr fünf Milliliter C₂H₅COOH und ungefähr drei Milliliter NH₄OH wurden solange zugetropft, bis die Lösung klar wurde.
Die obigen drei Lösungen wurden zusammen unter 10-minütigem Rühren vermischt und dann durch Abziehen des Lösungsmittels unter Vakuum auf ungefähr 10 Milliliter eingeengt.
Die resultierende eingeengte Lösung wurde mittels Spin-Coating unter Verwenden der in Beispiel I beschriebenen Parameter für das Spin-Coating auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat aufgebracht. Der beschichtete Film wurde, wie in Beispiel X beschrieben ist, aufgeschlossen. Nach dem Aufschluss wurde der Intermediat-Film, wie in Beispiel I beschrieben ist, weiter umgesetzt, um so eine YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht auszubilden. 12 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung der YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht. Die YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht besaß eine (001)-Strukturierung von hoher Qualität und war ungefähr 0,3 Mikrometer dick. Die YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht hatte bei 77 K (Selbstfeld) eine kritische Stromdichte von ungefähr 4,8 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter.
Beispiel XIII
Eine Vorläuferlösung wurde wie folgt hergestellt. Ungefähr 8,55 Gramm Y(CF₃CO₂)₃, ungefähr 14,53 Gramm Ba(CF₃CO₂)₂ und ungefähr 12,87 Gramm Cu(CH₅CO₂)₂ wurden in ungefähr 60 Milliliter Methanol gelöst. Die Lösung wurde dann durch Abziehen des Lösungsmittels unter Vakuum auf ungefähr 50 Milliliter eingeengt.
Die eingeengte Vorläuferlösung wurde mittels Spin-Coating unter Verwenden der in Beispiel I beschriebenen Parameter für das Spin-Coating auf ein mit CeO₂ als Deckelschicht versehenes YSZ-Einkristallsubstrat aufgebracht. Der beschichtete Film wurde, wie in Beispiel X beschrieben ist, aufgeschlossen. Nach dem Aufschluss wurde der Intermediat-Film, wie in Beispiel I beschrieben ist, weiter umgesetzt, um so eine YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht auszubilden. 13 zeigt den θ-2θ-Durchlauf einer Röntgenstrahlbeugung der YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht. Die YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht besaß eine (001)-Strukturierung von hoher Qualität und war ungefähr 0,8 Mikrometer dick. Die YBa₂Cu₃O_7-x-Schicht hatte bei 77 K (Selbstfeld) eine kritische Stromdichte von ungefähr 3,8 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter und einen kritischen Strom von ungefähr 300 Ampere pro Zentimeter Breite.
Beispiel XIV
Eine Vorläuferlösung wurde, wie in Beispiel XIII beschrieben ist, hergestellt. Die Vorläuferlösung wurde auf einer fortlaufenden Länge eines Metallbandsubstrats unter Verwenden einer Beschichtungsvorrichtung mit Schlitzdüse abgeschieden.
Das Metallbandsubstrat wurde aus vier Schichten ausgebildet. Die erste Schicht war unter Verformung strukturiertes Nickel mit einer Dicke von ungefähr 50 Mikrometern und einer Dicke von ungefähr 10 Millimetern. Eine ungefähr 50 Nanometer dicke, epitaxiale Schicht aus Gd₂O₃ wurde auf die strukturierte Oberfläche des Nickels aufgebracht. Eine ungefähr 250 Nanometer dicke, epitaxiale Schicht aus YSZ wurde auf die Gd₂O₃-Schicht aufgebracht. Eine ungefähr 24 Nanometer dicke, epitaxiale Schicht aus CeO₂-Schicht wurde auf die YSZ-Schicht aufgebracht.
Der Vorläuferfilm wurde in einer ungefähr 14,67 hPa (11 Torr) H₂O und den Rest als Stickstoff (Gesamtdruck von ungefähr 1013 hPa (760 Torr)) enthaltenden Atmosphäre abgeschieden.
Der aufgebrachte Vorläuferfilm wurde aufgeschlossen, indem das beschichtete Band durch einen Rohrofen mit einem Durchmesser von ungefähr 6,35 cm (2,5 Inch) transportiert wurde. Der Rohrofen hatte Temperatur- und Gasumgebungsgradienten. Die Probe wurde mit einer solchen Transportgeschwindigkeit durch den Rohrofen geleitet, dass die Verarbeitung der Probe (d.h. die Temperaturen und Gasumgebungen, denen die Probe während der Verarbeitung ausgesetzt war) im Wesentlichen derjenigen, die in Beispiel X beschrieben ist, glich.
Der resultierende YBa₂Cu₃O_7-x-Film war ungefähr 0,8 Mikrometer dick und hatte keine sichtbaren Defekte.
Obwohl hierin bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen sind in den Ansprüchen zu finden.

Claims

Verfahren umfassend: Aufbringen einer Vorläuferlösung auf eine Oberfläche einer Schicht, um einen Vorläuferfilm auszubilden, wobei der Vorläuferfilm ein Carboxylatsalz eines Seltenerdmetalls, ein fluoriertes Carboxylatsalz eines Erdalkalimetalls und ein nicht-halogeniertes Carboxylatsalz eines Übergangsmetalls einschließt; und Behandeln des Vorläuferfilms, um ein Intermediat eines Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxides auszubilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Vorläuferfilm über weniger als ungefähr fünf Stunden behandelt wird und/oder wobei die Vorläuferlösung des Weiteren eine Lewis-Base umfasst und/oder das des Weiteren das Behandeln des Intermediats umfasst, um eine Schicht eines Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxides mit einer kritischen Stromdichte von mindestens ungefähr 0,5 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter auszubilden, und/oder wobei Defekte, die innerhalb des Intermediats enthalten sind, weniger als ungefähr 20% irgendeines Volumenelements des Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters einer Oberfläche des Intermediats definiert ist, ausmachen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Carboxylatsalz des Übergangsmetalls Cu(O₂CC₂H₅)₂ umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Übergangsmetall Kupfer ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Vorläuferfilm über weniger als ungefähr fünf Stunden behandelt wird und/oder wobei die Vorläuferlösung des Weiteren eine Lewis-Base umfasst und/oder das des Weiteren das Behandeln des Intermediats umfasst, um eine Schicht eines Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxidmaterials mit einer kritischen Stromdichte von mindestens ungefähr 0,5 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter auszubilden, und/oder wobei Defekte, die innerhalb des Intermediats enthalten sind, weniger als ungefähr 20% irgendeines Volumenelements des Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters einer Oberfläche des Intermediats definiert ist, ausmachen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Carboxylatsalz aus Kupfer Cu(O₂CC₂H₅)₂ umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Vorläuferfilm des Weiteren eine Lewis-Base umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Vorläuferfilm weniger als ungefähr fünf Stunden behandelt wird und/oder wobei die Lewis-Base eine Stickstoff enthaltende Verbindung umfasst und/oder wobei das Supraleitermaterial eine kritische Stromdichte von mindestens ungefähr 1 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter besitzt und/oder wobei das Carboxylatsalz des Übergangsmetalls Cu(O₂CCH₅)₂ umfasst.
Zusammensetzung, umfassend: ein Carboxylatsalz eines Seltenerdmetalls; ein fluoriertes Carboxylatsalz eines Erdalkalimetalls; und ein nicht-halogeniertes Carboxylatsalz eines Übergangsmetalls mit einer Formel von M''(O₂C-(CH₂)_n-CXX'X'')(O₂C-(CH₂)_m-CX'''X''''X'''''), wobei M'' ein Übergangsmetall, n eine ganze Zahl mit einem Wert von mindestens eins und höchstens zehn, m eine ganze Zahl mit einem Wert von mindestens eins und höchstens zehn ist, und jeweils X, X', X'', X''', X'''', X''''' H oder eine nicht-halogenierte Alkylgruppe umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das des Weiteren das Behandeln des Intermediats umfasst, um ein Supraleitermaterial mit einem kritischen Strom von mindestens ungefähr 200 Ampere pro Zentimeter einer Breite auszubilden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Supraleitermaterial einen kritischen Strom von mindestens ungefähr 300 Ampere pro Zentimeter einer Breite besitzt und/oder wobei das Supraleitermaterial ein Seltenerdmetall-Erdalkalimetall- Übergangsmetalloxid umfasst und/oder wobei das Verfahren das Ausbilden eines Intermediats des Supraleitermaterials einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 7, wobei das Intermediat aus dem Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetall des Weiteren behandelt wird, um ein Supraleitermaterial mit einem kritischen Strom von mindestens ungefähr 200 Ampere pro Zentimeter einer Breite auszubilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 4 oder 7, wobei das Carboxylatsalz des Übergangsmetalls ein Propionatsalz des Übergangsmetalls umfasst.
Zusammensetzung gemäß Anspruch 9, wobei das Carboxylatsalz aus Kupfer ein Propionatsalz des Kupfers umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Behandeln des Vorläuferfilms über weniger als ungefähr fünf Stunden durchgeführt wird, um das Intermediat des Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxides auszubilden, wobei das Intermediat eine Oberfläche angrenzend an die Oberfläche der Schicht und eine Vielzahl von Volumenelementen besitzt, wobei Defekte, die innerhalb des Intermediats enthalten sind, weniger als ungefähr 20% irgendeines Volumenelements des Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters der Oberfläche des Intermediats definiert ist, ausmachen, und das Intermediat frei von irgendwelchen Defekten mit einer maximalen Ausdehnung von größer als ungefähr 200 Mikrometern ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, das des Weiteren das Behandeln der Schicht des Intermediats umfasst, um eine Schicht eines Seltenerdmetall-Erdalkalimetall-Übergangsmetalloxides mit einer kritischen Stromdichte von mindestens ungefähr 0,5 × 10⁶ Ampere pro Quadratzentimeter auszubilden, und/oder wobei Defekte, die innerhalb der Schicht des Intermediats enthalten sind, weniger als ungefähr 10% irgendeines Volumenelements des Intermediats, das durch eine Projektion eines Quadratzentimeters auf eine Oberfläche des Intermediats definiert ist, ausmachen.