利用紫外线辐射的氧化物的快速固态反应制造技术

本发明专利技术涉及一种用于陶瓷材料的固态合成的方法，所述陶瓷材料特别地为氧化物材料或铜酸盐，该方法包括如下步骤或由如下步骤组成：提供有效量的起始材料以制造陶瓷材料，并且此后，通过利用在起始材料中的固态反应来对所述材料实施处理，通过具有紫外光的至少一个光源对所述材料进行辐照来执行所述反应。本发明专利技术还涉及用于制造薄膜的方法以及涉及该方法用于制造高温超导体的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种根据权利要求1所述的用于制备陶瓷材料的方法。根据本专利技术的方法的目的尤其在于提供用于氧化物材料或铜酸盐合成的快速、简单并且便宜的方法。重要的是，本专利技术提出了一种方法，该方法可以容易地在现有的生产线中实施，显著提高产量和质量，同时减少制造时间和能耗。
技术介绍
如今，有效的能量传输是任何经济系统的成功绝对关键。特别地，通常需要将电力从制造地转移至消费地，有时跨越数千公里的距离。从二十世纪80年代后期开始，用于这样的电力传输的材料的选择已知为:高温超导体。然而，即使在发现铜酸盐超导性之后的二十多年之后，工业上仍然在努力实现这些易碎的陶瓷化合物的大规模合成及加工。例如，尽管具有巨大的商业和环境关联性，但是由这些特殊材料经济地大量制造长的线缆或带仍然是主要的挑战。通常通过耗时且耗能的固态合成来获得高温超导体、具有巨大磁阻的亚锰酸盐、以及许多其他先进的且对于现代技术完全必不可少的氧化物材料。这些材料不仅用于前述的电力传输，而且还用于包括例如高磁场或计算机科学技术等的应用。当前的方法是在炉中在高温下(800摄氏度至1200摄氏度)对前驱体薄膜或以粉末形式混合均匀的反应物进行连续加热数十小时甚至数百小时。在这个过程期间，发生固态合成反应(参见 L.C.Pathak 和 S.K.Mishra 的综述:Supercond.Sc1.Techno 1 18，R67-R89(2005))。似乎以这样的高温加热和回火的持续时间与过程产物质量相关联。但是高质量的产物不仅需要大量的反应时间，它还需要高能量强度。此外，在前述的长期高温加热期间，存在如下重大风险:一些陶瓷部件气化(这导致化学计量上的不利变化)，并且最终导致产物质量低劣。对于一些含氧敏感材料，如现有技术中已知并且广泛使用的高温加热甚至会引起氧不足，而这将需要额外的处理阶段以便恢复保证最低材料质量所需要的期望氧含量。因此，所述陶瓷材料的制造成本高。近年来，对于无机材料的快速固态合成，已经开发了微波加热法作为新工具。截至目前，已经借助于微波辐照制备了不同的无机固体。已经发现这些反应需要短得多的反应时间(参见K.J.Rao等人，Chem.Mater.11，882-895 (1999))。这种新的微波方法导致了合成时间和能耗的显著降低(参见EP 0336306)。然而，为了使通过微波辐照的加热有效，起始氧化物必须具有合适的吸收特性，而合适的吸收特性不是每种陶瓷材料所固有的。因此难以借助微波能量获得宽范围的陶瓷产物。通常与微波加热相关的另一不期望特征为“热失控”现象，其中经受恒定微波功率源的样品在开始阶段缓慢升温，然后温度突然以非常高的速率上升，最终损坏样品。该影响使得过程更加需小心处理(delicate)，通常，在微波辐照过程期间难以控制温度，这也将导致整个制造过程的可重复性问题。已经进行了使用微波辐照的一些尝试以合成技术上重要的高温超导体例如YBa2Cu307 χ0发现了的确可以在3.5小时内合成该化合物，这与在炉设备中的常规加热相比快得多。然而，所获得的超导体材料的质量差(参见A.Agostino等人，Supercond.Sc1.Technol.17，685(2004))。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是进一步改善陶瓷材料的合成，尤其是例如铜酸盐或亚锰酸盐等的氧化物材料。目的在于降低制造时间以及进一步提尚加工效率同时保持最终加工广品的尚质量。通过根据权利要求1所述的用于陶瓷材料的固态合成的方法来实现这些目的以及其他目的，所述陶瓷材料尤其是氧化物材料或铜酸盐。根据本专利技术的方法包含或包括如下步骤，或由如下步骤组成:在提供步骤(a)中提供有效制造陶瓷材料的量的起始材料；此后，在处理步骤(b)中通过利用其中的固态反应来对所述材料实施处理，通过由至少一个光源对所述材料进行辐照来执行所述反应，其中所述光源具有落入约0.2 μπι至约4.0 μπι的波长范围内的辐射光谱范围，并且具有足以引发起始氧化物材料的固态反应的辐射通量密度。优选地，所述方法包括混合起始材料的另外的步骤。起始材料优选地为氧化物材料粉末。可以通过对起始材料粉末进行混合来制备起始材料的粉末混合物。在制备所述粉末混合物之后，可以借助于标准压制来将所述粉末混合物压制成团粒(pellet)，其中团粒优选地具有约2毫米至30毫米的直径以及约0.5毫米至3毫米的厚度。在下文中，可以将处理步骤(b)应用于这样的团粒。起始材料应被理解为前驱体材料或前驱体，其通常为氧化物例如金属氧化物。可替代地，可以将起始材料以例如10纳米至1微米的薄层沉积在适当的缓冲层上。优选地，薄层或薄膜为至少一个单层厚或多个单层厚。优选地，由在结构化基底上沉积所述起始材料而得到的薄膜涂层为所得到的材料的至少一个单层厚或多个单层厚。作为实例，可以在基底上外延沉积铜酸盐超导体，其中基底优选地为纹理化的以使电流密度最优化。纹理化基底可以包括沉积在合金基底上的钇氧化物层、钇稳定氧化锆层、和/或铈氧化物的顶层。在合金基底上的这样的三个层的每层可以为50nm或75nm至lOOnm厚。可以通过合适的方法如液相外延或分子束外延、脉冲激光沉积(PLD)、金属-有机物化学气相沉积(M0CVD)、金属-有机物沉积(MOD)或其他合适的方法(例如最近在第二代高温超导带产物中使用的如离子束辅助沉积(IBAD)方法)来沉积起始材料。根据本专利技术的优选实施方案的方法，或者如上所述的方法的提供步骤(a)，包括:为有效制造预定的陶瓷材料的量的起始材料提供至加热设备；其中处理步骤(b)包括:借助于在加热步骤(c)中的加热设备将起始材料加热至第一反应温度，其中第一反应温度在650摄氏度至1200摄氏度的范围内，优选地在750摄氏度至1000摄氏度的范围内，更优选地在850摄氏度至950摄氏度的范围内，并且特别地为约900摄氏度，并且处理步骤(b)包括:在加热步骤(c)之前、在加热步骤(c)的至少部分期间、和/或在加热步骤(c)之后的辐照步骤(d)中在至少第一预定时间段期间用紫外光对所述材料进行辐照。根据又一优选实施方案，在辐照步骤(d)中在至少第一预定时间段期间以下述光辐照度辐照紫外光，所述光辐照度在0.5瓦特每平方厘米至5瓦特每平方厘米(W/cm2)的范围内，优选地在lW/cm2至4W/cm2的范围内，更优选地在1.5W/cm2至3W/cm 2的范围内，并且特别地为约2W/cm2。出人意料地发现在加热和/或合成期间的起始材料的紫外光辐照不仅导致快得多且更有效的制造方法，而且导致具有高质量的加工产品即陶瓷材料(如铜酸盐)。近来，提出了紫外线辅助金属有机化学气相沉积(M0CVD)工艺和金属有机物沉积(MOD)工艺，并且这些工艺被应用于YBC0薄膜的沉积。然而，在这些工艺中，紫外线辐照的作用仅是辅助金属有机前驱体化合物的分解，并且因此在薄膜的合成之前使用紫外光。然后通过在炉中的常规热退火来执行固态合成。然而，本专利技术与这样的步骤明显不同，如所发现的，在合成期间起始材料的紫外线辐照在显著改善合成方面具有出乎意料的效果Ο该见解导致了本专利技术的实施方案，其中本实施方案涉及一种包括在材料的合成期间的过程步骤的方法，在所述过程步骤期间，紫外线直接辐照样品与热处理(例如利用卤素灯辐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于陶瓷材料的固态合成的方法，所述陶瓷材料特别地为氧化物材料或铜酸盐，所述方法包括如下步骤或由如下步骤组成：在提供步骤(a)中提供有效制备所述陶瓷材料的量的起始材料(A、B、C)；此后，在处理步骤(b)中通过利用其中的固态反应来对所述材料(A、B、C)实施处理，通过由至少一个光源辐照所述材料来执行所述反应，所述至少一个光源具有落入从约0.2μm至约4.0μm的波长范围内的辐照光谱范围，并且具有足以实现起始氧化物材料的固态反应的辐射通量密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：卡尔·亚历克斯·穆勒，亚历山大·申格拉亚，迪米特里·达拉谢利亚，祖拉布·吉布季，大卫·亚帕里泽，
申请(专利权)人：卡尔·亚历克斯·穆勒，亚历山大·申格拉亚，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH