DE102008040087B4 - Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure and method for its production - Google Patents
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Abstract
Elektrisch leitfähiger Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau bestehend aus einem elektrisch leitfähigen, metallischen Substrat, mindestens einer darauf befindlichen elektrisch leitfähigen Keimschicht mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur aus Ta1-xNix, Ta1-xCox, Ta1-xFex, Nb1-xNix, Nb1-xCox oder Nb1-xFex, wobei x im Bereich von 0.1 bis 0.9 liegt, auf der mindestens eine mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte hochtexturierte, elektrisch leitfähige Schicht vorhanden ist, auf der wiederum mindestens eine hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht und darauf wiederum mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht vorhanden sind.Electrically conductive high-temperature superconductor layer structure consisting of an electrically conductive, metallic substrate, at least one electrically conductive seed layer located on it with an amorphous and / or nanocrystalline structure made of Ta1-xNix, Ta1-xCox, Ta1-xFex, Nb1-xNix, Nb1- xCox or Nb1-xFex, where x is in the range from 0.1 to 0.9, on which there is at least one highly textured, electrically conductive layer applied by means of the IBAD process, on which in turn at least one highly textured, electrically conductive barrier layer and on top of it at least one high temperature -Supconductor layer are present.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft einen elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau, wie sie beispielsweise als hochstromtragender Leiter zur Anwendung kommen kann und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to the field of materials science and relates to an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure, as it can be used for example as a high current-carrying conductor and a method for its preparation.
Für die Herstellung hochstromtragender Leiter auf der Basis der Hochtemperatursupraleiter REBa2Cu3O7-x (= REBCO), wobei RE sowohl Y als auch ein Element der Gruppe der seltenen Erden sein kann, werden Schichten mit einer biaxialen Textur auf langen Längen benötigt. Dies kann durch ein epitaktisches Wachstum des REBCO auf texturierten Unterlagen realisiert werden. Im Allgemeinen besteht dabei der Leiter aus einem metallischen Trägerband, auf dem zusätzlich eine oder mehrere Barriereschichten und anschließend der Supraleiter aufgebracht werden. Dies sind die so genannten REBCO-Bandleiter.For the fabrication of high-current superconducting conductors based on the high-temperature superconductors REBa 2 Cu 3 O 7-x (= REBCO), where RE can be both Y and a rare earth element, layers with a biaxial texture over long lengths are required. This can be realized by an epitaxial growth of the REBCO on textured documents. In general, the conductor consists of a metallic carrier tape on which additionally one or more barrier layers and then the superconductor are applied. These are the so-called REBCO band conductors.
Die gewünschte biaxiale Textur kann bekanntermaßen entweder direkt im metallischen Trägerband durch starke Verformung und anschließende Wärmebehandlung realisiert werden (sogenannte RABiTS – rolling assisted biaxial textured substrates; Goyal et al. Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1795) oder sie wird alternativ in einer der Barriereschichten durch ein spezielles Depositionsverfahren induziert.The desired biaxial texture can be known either directly in the metallic carrier tape by strong deformation and subsequent heat treatment can be realized (so-called RABiTS - rolling assisted biaxially textured substrates, Goyal et al., Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1795) or alternatively in one of the barrier layers induced by a special deposition method.
Eine Möglichkeit zur Herstellung hochtexturierter Barriereschichten auf beliebigen Unterlagen ist dabei die ionenstrahlunterstützte Deposition (ion-beam assisted deposition – IBAD; lijima et al., Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 769)
Es sind jedoch weitere Barriereschichten notwendig, um epitaktische REBCO-Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit zu erreichen.However, additional barrier layers are needed to achieve epitaxial REBCO layers with high current carrying capacity.
Weiterhin muss im Anwendungsfall ein hochstromtragendes Kabel auf der Basis von REBCO vor der Zerstörung des Supraleiters durch Überlast (z. B. verursacht durch Stromspitzen, lokale Erwärmung etc.) geschützt werden. In diesem Fall muss der Strom über eine elektrische Brücke abgeleitet werden, um eine Zerstörung des REBCO durch zu starke Erwärmung beim plötzlichen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu verhindern. Um solch eine elektrische Brücke zu realisieren, werden derzeit dicke metallische Schichten (z. B. Ag, Cu usw.) auf dem Supraleiter aufgebracht, die in der Lage sind, im berlastfall den entsprechenden Strom zu tragen.Furthermore, in the case of application, a high-current cable based on REBCO must be protected against destruction of the superconductor by overload (eg caused by current peaks, local heating, etc.). In this case, the current must be dissipated via an electrical bridge to prevent destruction of the REBCO due to excessive heating during the sudden transition from the superconducting to the normal conducting state. In order to realize such an electrical bridge, thick metallic layers (eg Ag, Cu, etc.) are currently applied to the superconductor, which are able to carry the corresponding current in the event of overloading.
Ein alternativer Ansatz dazu ist die Verwendung des metallischen Trägerbandes für diesen Zweck. In diesem Fall sind allerdings elektrisch leitfähige Barriereschichten notwendig, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Trägerband und der supraleitenden Schicht zu realisieren. Die standardmäßig verwendeten Pufferschichten wie Y2O3, YSZ, CeO2, MgO, La2Zr2O7 usw. sind dafür nicht geeignet.An alternative approach to this is the use of the metallic carrier tape for this purpose. In this case, however, electrically conductive barrier layers are necessary to realize an electrical contact between the carrier tape and the superconducting layer. The standard buffer layers used, such as Y 2 O 3 , YSZ, CeO 2 , MgO, La 2 Zr 2 O 7 , etc. are not suitable for this purpose.
Elektrisch leitfähige Barriereschichtarchitekturen wurden in der Vergangenheit für REBCO-Bandleiter auf der Basis des RABiTS-Ansatzes realisiert (
Unter Verwendung des IBAD-Verfahrens wurde bisher versucht, eine elektrisch leitfähige Barriereschichtarchitektur durch die Texturierung von Indiumzinnoxid (ITO) zu erhalten (Thiele et al. J. Mater. Res. 18 (2003) 442).Using the IBAD method, it has hitherto been attempted to obtain an electrically conductive barrier layer architecture by the texturing of indium tin oxide (ITO) (Thiele et al., J. Mater. Res. 18 (2003) 442).
Als alternatives Material für eine Texturierung mit Hilfe des IBAD-Prozesses ist das elektrisch leitfähige TiN bekannt (Hähne et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2744).As an alternative material for texturing using the IBAD process, the electrically conductive TiN is known (Hahn et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2744).
Unter anderem sind Ta1-xNix, Ta1-xFex oder Ta1-xCox als temperaturstabile, amorphe und elektrisch leitfähige Barriereschichten in der Mikroelektronik bekannt (Fang et al., J. Electr. Mater. 36 (2007) 614; Fang et al., J. Electr. Mater. 35 (2006) 15).Among others, Ta 1-x Nix, Ta 1-x Fe x or Ta 1-x Co x are known as temperature-stable, amorphous and electrically conductive barrier layers in microelectronics (Fang et al., J. Electr. Mater. 36 (2007) 614; Fang et al., J. Electr. Mater. 35 (2006) 15).
Aus der
Der Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass es bisher noch nicht gelungen ist, einen leitfähigen Schichtaufbau auf ein metallisches Trägerband mittels des IBAD-Verfahrens herzustellen.The disadvantage of the prior art is that it has not yet been possible to produce a conductive layer structure on a metallic carrier tape by means of the IBAD method.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbaus, bei dem im Falle von Überlast der Strom über den Schichtaufbau und das metallische Substrat abgeleitet werden kann und ein einfaches und gut reproduzierbares Verfahren zu seiner Herstellung. The object of the present invention is to specify an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure in which, in the case of overload, the current can be dissipated via the layer structure and the metallic substrate and a simple and easily reproducible method for its production.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau besteht aus einem elektrisch leitfähigen, metallischen Substrat, mindestens einer darauf befindlichen elektrisch leitfähigen Keimschicht mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur aus Ta1-xNix, Ta1-xCox, Ta1-xFex, Nb1-xNix, Nb1-xCox oder Nb1-xFex besteht, wobei x im Bereich von 0.1 bis 0.9 liegt, auf der mindestens eine mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte hochtexturierte, elektrisch leitfähige Schicht vorhanden ist, auf der wiederum mindestens eine hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht und darauf wiederum mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht vorhanden sind.The electrically conductive high-temperature superconductor layer structure according to the invention consists of an electrically conductive, metallic substrate, at least one electrically conductive seed layer having an amorphous and / or nanocrystalline structure made of Ta 1-x Ni x , Ta 1-x Co x , Ta 1 -x Fe x, Nb 1-x Ni x, Nb 1-x Co x or Nb 1-x Fe x, where x is in the range of 0.1 to 0.9, on the at least one deposited by the IBAD method highly-textured, electrically conductive layer is present, on which in turn at least one hochtexturierte, electrically conductive barrier layer and in turn at least one high-temperature superconductor layer are present.
Vorteilhafterweise besteht das elektrisch leitfähige, metallische Substrat aus Ni, Ni-Basislegierungen, Edelstahl, Cu oder Kupferlegierungen.Advantageously, the electrically conductive, metallic substrate consists of Ni, Ni-based alloys, stainless steel, Cu or copper alloys.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht die mittels des IBAD-Verfahrens aufgebrachte hochtexturierte, elektrisch leitfähige Schicht aus Nitriden mit einer NaCl-Struktur.Further advantageously, the highly textured, electrically conductive layer applied by means of the IBAD method consists of nitrides having a NaCl structure.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Schicht aus TiN, NbN, ZrN, HfN, CrN, VN oder Mischungen davon besteht.It is also advantageous if the layer consists of TiN, NbN, ZrN, HfN, CrN, VN or mixtures thereof.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht aus Au, Ag, Pt, Ir, Rh, Mo, Nb, Pd oder Legierungen davon besteht.It is also advantageous if the highly textured, electrically conductive barrier layer consists of Au, Ag, Pt, Ir, Rh, Mo, Nb, Pd or alloys thereof.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aus YBa2Cu3O7-x besteht.It is also advantageous if the high-temperature superconductor layer consists of YBa 2 Cu 3 O 7-x .
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aus REBa2Cu3O7-x besteht, wobei RE aus Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb oder Mischungen davon sind.It is also advantageous if the high temperature superconductor layer consists of REBa 2 Cu 3 O 7-x , where RE is of Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Yb or mixtures thereof.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn unter der Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht eine elektrisch leitfähige oxidische Deckschicht vorhanden ist, wobei es noch vorteilhafter ist, wenn die elektrisch leitfähige oxidische Deckschicht aus Nb- und/oder La- und/oder Au-dotiertem SrTiO3, SrRuO3, LaNiO3, (La, Sr)MnO3 oder Mischungen davon besteht.It is also advantageous if an electrically conductive oxide covering layer is present under the high-temperature superconductor layer, and it is even more advantageous if the electrically conductive oxide covering layer comprises Nb- and / or La- and / or Au-doped SrTiO 3 , SrRuO 3 , LaNiO 3 , (La, Sr) MnO 3 or mixtures thereof.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbaus wird auf ein elektrisch leitfähiges, metallisches Substrat mindestens eine Keimschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur aus Ta1-xNix, Ta1-xCox, Ta1-xFex, Nb1-xNix, Nb1-xCox oder Nb1-xFex besteht, wobei x im Bereich von 0.1 bis 0.9 liegt, aufgebracht und darauf mittels des IBAD-Verfahrens mindestens eine hochtexturierte elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht, auf die nachfolgend mindestens eine hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht und nachfolgend mindestens ein Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht aufgebracht wird.In the method according to the invention for producing an electrically conductive high-temperature superconductor layer structure, at least one seed layer of an electrically conductive material with an amorphous and / or nanocrystalline structure of Ta 1-x Ni x , Ta 1-x is deposited on an electrically conductive, metallic substrate Co x , Ta 1-x Fe x , Nb 1-x Ni x , Nb 1-x Co x or Nb 1-x Fe x where x is in the range of 0.1 to 0.9 are deposited and thereon by the IBAD method at least one highly textured electrically conductive layer is applied to which subsequently at least one highly textured, electrically conductive barrier layer and subsequently at least one high-temperature superconductor layer is applied.
Vorteilhafterweise wird auf ein elektrisch leitfähiges, metallisches Substrat eine Keimschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur mittels Sputtern, Verdampfen, Elektrodeposition oder Laserablation aufgebracht.Advantageously, a seed layer made of an electrically conductive material having an amorphous and / or nanocrystalline structure by means of sputtering, evaporation, electrodeposition or laser ablation is applied to an electrically conductive, metallic substrate.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die hochtexturierte elektrisch leitfähige Schicht mittels des IBAD-Verfahrens bei Ionenbeschuss unter einem Winkel von 35° bis 55° zur Substratnormalen und einer Ionenenergie von mehr als 400 eV aufgebracht.Also advantageously, the highly textured electrically conductive layer is deposited by ion bombardment using the IBAD method at an angle of 35 ° to 55 ° to the substrate normal and an ion energy of greater than 400 eV.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die hochtexturierte, elektrisch leitfähige Barriereschicht durch das IBAD-Verfahren oder mittels Sputtern, Verdampfen, chemischen Lösungsabscheidung, metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung oder Laserablation aufgebracht.Furthermore advantageously, the highly textured, electrically conductive barrier layer is applied by the IBAD process or by sputtering, evaporation, chemical solution deposition, metal-organic chemical vapor deposition or laser ablation.
Und auch vorteilhafterweise wird die hochtexturierte Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht durch das Verdampfen, die chemischen Lösungsabscheidung, die metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung oder die Laserablation aufgebracht.And also advantageously, the highly textured high temperature superconductor layer is deposited by evaporation, chemical solution deposition, organometallic chemical vapor deposition or laser ablation.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es erstmals möglich, einen durchgehend elektrisch leitfähigen Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau auf der Basis des IBAD-Verfahrens zu realisieren, bei dem der hochtexturierte Aufbau der Schichten ebenfalls durchgehend von der hochtexturierten, elektrisch leitfähigen Schicht, die mittels des IBAD-Verfahrens aufgebracht worden ist (IBAD-Schicht) bis mindestens zur supraleitenden Schicht realisiert ist. Der gesamte erfindungsgemäße, elektrisch leitfähige Hochtemperatur-Supraleiter-Schichtaufbau ist schematisch in
Bisher war es nicht möglich, eine hochtexturierte leitfähige Schicht auf ein elektrisch leitfähiges, metallisches Substrat (
Erfindungsgemäß ist es gelungen, eine elektrisch leitfähige Keimschicht mit einer amorphen und/oder nanokristallinen Struktur auf einem Substrat anzugeben und aufzubringen, auf welcher dann die hochtexturierte, leitfähige Schicht mittels des IBAD-Verfahrens aufwachsen kann.According to the invention, it has been possible to specify and apply an electrically conductive seed layer having an amorphous and / or nanocrystalline structure on a substrate, on which the highly textured, conductive layer can then be grown by means of the IBAD method.
Dabei kann vorteilhafterweise die Dicke der hochtexturierten leitfähigen Schicht, die durch das IBAD-Verfahren hergestellt wurde, durch das epitaktische Wachstum weiter erhöht werden. Um eine Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (
Derartige Barriereschichten können beispielsweise aus Au, Ag, Ir, Pt, Rh, Mo, Nb oder Pd oder deren Legierungen bestehen. Da die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (
Abschließend wird die Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
Dabei zeigt:Showing:
Beispiel 1example 1
Auf einem elektropolierten Substrat aus 57%Ni, 16%Mo, 15.5%Cr, 5.5%Fe, 4%W, 2.5%Co, 1%Mn (Hastelloy® C-276) wird durch Sputtern bei Raumtemperatur eine amorphe, elektrisch leitfähige Ta0.75Ni0.25-Schicht als elektrisch leitfähige Keimschicht mit einer Dicke von 50 nm aufgebracht. Anschließend wird das Substrat mit der Keimschicht in einer Hochvakuumkammer auf 350°C aufgeheizt, wobei die amorphe Struktur der Ta0.75Ni0.25-Keimschicht erhalten bleibt. Im nächsten Schritt wird bei dieser Temperatur die biaxial texturierte TiN-Schicht (IBAD-Schicht) durch reaktive Laserdeposition von einem Ti-Target in einer Stickstoffatmosphäre bei gleichzeitigem Ionenbeschuss (IBAD-Verfahren) mit Argon- und Stickstoffionen mit 800 eV Energie unter einem Winkel von 45° zur Substratnormalen hergestellt. Bei einer Schichtdicke zwischen 5 bis 10 nm wird der Ionenbeschuss abgestellt und das weitere Wachstum der TiN-Schicht erfolgt mittels fortlaufender reaktiver Laserdeposition bei einer Temperatur von 700°C bis zu einer Dicke von 40 nm. Im Anschluß werden als Barriereschichten eine 10 nm dicke Goldschicht und eine 20 nm dicke Iridiumschicht mittels gepulster Laserdeposition bei einer Temperatur von 600°C epitaktisch auf die TiN-Schicht aufgebracht. Während der gesamten Abscheidung wurde das Wachstum an der Oberfläche mit hochenergetischer Elektronenbeugung (RHEED) beobachtet. Damit konnte sowohl die amorphe Struktur der Keimschicht als auch das hochtexturierte Wachstum aller anderen Schichten nachgewiesen werden (
Beispiel 2Example 2
Auf einem elektropolierten nichtmagnetischen Edelstahl mit einer amorphen Keimschicht aus Ta0.5Co0.5 wird eine biaxial texturierte, elektrisch leitfähige TiN-Schicht durch den IBAD-Prozess hergestellt. Dazu wird eine reaktive Abscheidung mittels gepulster Laserdeposition von einem Ti-Target in einer Stickstoffatmosphäre bei gleichzeitigem Ionenbeschuss (Argon- und Stickstoffionen mit einer Energie von 800 eV) unter einem Winkel von 45° zur Substratnormalen bei einer Temperatur von 400°C verwendet. Bei einer Schichtdicke zwischen 5 bis 10 nm wird der Ionenstrahl abgestellt und das weitere Wachstum der TiN-Schicht erfolgt mittels fortlaufender reaktiver Laserdeposition bei einer Temperatur von 700°C bis zu einer Dicke von 40 nm. Im Anschluß werden als Barriereschichten eine 10 nm dicke Goldschicht und eine 20 nm dicke Iridiumschicht mittels gepulster Laserdeposition epitaktisch auf die TiN-Schicht aufgebracht.On a electropolished non-magnetic stainless steel with an amorphous seed layer of Ta 0.5 Co 0.5 , a biaxially textured, electrically conductive TiN layer is produced by the IBAD process. For this purpose, a reactive deposition by pulsed laser deposition of a Ti target in a nitrogen atmosphere with simultaneous ion bombardment (argon and nitrogen ions with an energy of 800 eV) at an angle of 45 ° to the substrate normal at a temperature of 400 ° C is used. At a layer thickness between 5 to 10 nm, the ion beam is turned off and the further growth of the TiN layer by means of continuous reactive laser deposition at a temperature of 700 ° C to a thickness of 40 nm. Subsequently, as a barrier layers, a 10 nm thick gold layer and a 20 nm thick iridium layer is epitaxially deposited on the TiN layer by pulsed laser deposition.
Im Weiteren wird bei einer Temperatur von 550°C eine 200 nm dicke SrRuO3-Deckschicht mit gepulster Laserdeposition abgeschieden. Im abschließenden Schritt wird eine 300 nm dicke Hochtemperatur-Supraleiter-Schicht (GdBa2Cu3O7-x) mittels gepulster Laserdeposition bei einer Temperatur von 800°C und einem Sauerstoffdruck von 300 Pa hergestellt. Alle Schichten weisen nach der Abscheidung eine gute elektrische Leitfähigkeit auf.Furthermore, a 200 nm thick SrRuO 3 cover layer with pulsed laser deposition is deposited at a temperature of 550 ° C. In the final step, a 300 nm thick high-temperature superconductor layer (GdBa 2 Cu 3 O 7-x ) is produced by means of pulsed laser deposition at a temperature of 800 ° C. and an oxygen pressure of 300 Pa. All layers have a good electrical conductivity after deposition.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- elektrisch leitfähiges Substratelectrically conductive substrate
- 22
- elektrisch leitfähige Keimschichtelectrically conductive germ layer
- 33
- hochtexturierte elektrisch leitfähige IBAD-Schichthighly textured electrically conductive IBAD layer
- 44
- hochtexturierte elektrisch leitfähige Barriereschichthighly textured electrically conductive barrier layer
- 55
- oxidische Deckschichtoxide cover layer
- 66
- Hochtemperatur-Supraleiter-SchichtHigh temperature superconductor layer
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