用于带基底上的超导材料的方法和设备技术

本发明专利技术在运动的带基底上连续沉积用于生长超导层的材料。本发明专利技术优选使用放线轴（４０１）和卷线轴（４０６）来分别以恒定的速度分送和缠绕带基底。本发明专利技术优选使用一系列级在带上形成超导层，并且包括至少一个反应器或反应室（６０１ｃ），在所述带基底上沉积一种或多种用于形成超导层的材料；以及一个或多个室（６０１ａ、６０１ｂ），在超导体和金属带基底之间或者在超导体层之间沉积缓冲层，并且用于沉积覆盖层。本发明专利技术还优选在各级之间使用过渡室（７０１）来彼此隔离各级。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及超导体，并且具体地说涉及用于形成带基底上的超导材料的方法和设备。
技术介绍
因为通过固体传播的电子因与理想平移对称的偏差而分散，金属电阻升高。这些偏差或者由杂质或者由声子晶格振动产生。杂质对电阻形成与温度无关的贡献，而振动形成温度相关的贡献。在某些应用中，电阻是非常不可取的。举例来说，在电力输送中，电阻引起功率耗散，即损失。在正常导线中功率耗散与电流成正比，即P＝I2R。因此，传输大电流的导线消散大量的能量。另外，因为导线的电阻与长度成正比，所以在或者较大的变压器，较大的马达或者较大的输送距离中使用的导线越长，耗散越多。因此，随着导线长度的增加，更多的能量在导线中损失，甚至是在较小的电流下。因此，因为一部分能量由于导线的电阻损失了，电力工厂生产比用户使用更多的能量。在冷却至其转变温度Tc以下的超导体中，因为散射机制不会妨碍载流子的运动，所以没有电阻。在大多数公知类型的超导材料中，电流通过称作库柏对(Cooper pairs)的电子对来传输。BCS(BardeenCooper Schrieffer)理论描述了两个负电荷的电子结合在一起的机制。在超导状态，即Tc以下中，电子对的结合能在固体的Ef，即费米能级或者最高占有能级下引起能谱间隙的开放。这将成对状态与“正常”的单电子状态分开。尽管在铜氧化物中库柏对可以小至30，但是其大小由相干长度给出，典型地为1000。一对库柏对占据的空间包括许多其它的库柏对，这就形成复杂的成对状态占有率的相互关联。因此，由于复杂的相互关联，翻转库柏对中一个电子的行进方向需要破坏所述库柏对和许多其它的库柏对，所以没有足够的热能来分散库柏对。因此，库柏对载流不受阻碍。超导理论的其它信息请参阅“Introduction to Superconductivity”，作者M.Tinkham，McGraw-Hill，New York，1975。许多不同的材料当其温度被冷却至Tc以下时会变成超导体。举例来说，一些经典的I型超导体(以及它们各自的Tc，单位开尔文(K))是碳15K、铅7.2K、镧4.9K、钽4.47K，以及汞4.47K。一些II型超导体，即部分新类型的高温超导体(以及它们各自的Tc，单位开尔文(K))是Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33138K、Bi2Sr2Ca2Cu3O10118k和YBa2Cu3O7-x93K。后者的超导体就其组分也被称作YBCO超导体，即钇、钡、铜和氧，并且被认为是最高性能且最稳定的高温超导体，尤其是对于电力应用。YBCO具有钙钛矿结构。这种结构在金属氧化物结构中具有复杂的原子分层。图1表示了YBa2Cu3O7的结构，其包括钇原子101、钡原子102、铜原子103和氧原子104。对于氧化物超导体的其它信息请参阅“Oxide Superconductors”，Robert J.Cava，J.Am.Ceram.Soc.，卷83，第1期，第5-28页，2000。具体地说YBCO超导体，以及总的地说氧化物超导体的问题是它们因为其氧化物性质而很难制备，并且因其复杂的原子结构，产生超导结构是有挑战性的。结构中最小的缺陷，例如原子结构的无序或者化学组成的变化都可能破坏或者显著降低它们的超导性质。缺陷可能来自许多来源，例如杂质、错误的材料浓度、错误的材料相、错误的温度、不良的原子结构、材料对基底的不适当输送等。薄膜YBCO超导体可以用许多种方法制造，包括脉冲激光沉积、溅射、金属有机沉积、物理气相沉积和化学气相沉积。此处作为实例描述两种沉积薄膜YBCO超导体的典型方法。在第一种方法中，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在如图2所示的反应室中的晶片基底上形成YBCO。这种制造方法与半导体器件相似。晶片(wafer)基底被放在夹具(holder)201上。基底由加热器202加热。晶片基底还可以旋转，这就允许在基底晶片上更均匀的沉积，以及基底更均匀的加热。借助入口204，通过喷头203将气态材料输送到基底上。喷头203向基底晶片上提供材料的层流。材料在加热的晶片上收集，生长成超导体。过量的材料借助与泵连接的排气口208从反应室200中除去。为了防止材料不可取地沉积到反应室200的壁上，冷却剂通过壁中的夹套205流动。为了防止材料在喷头203内堵塞，冷却剂通过喷头中的盘管206流动。门207允许进入反应室200内部从而插入和除去薄膜/基底样品。薄膜的加工可以通过光学端口209来监控。在第二种方法中，通过脉冲激光沉积在基底上形成YBCO，包括使用连续金属带基底301的可能性。带基底301由两个位于反应室300内部的滚轴302、303支载。滚轴302包括加热器304，用来将带基底301加热至允许YBCO生长的温度。通过典型地来自受激准分子激光器306的靶的辐射从YBCO靶中蒸发材料305成喷流(plume)。然后，喷流中蒸气在基底301上形成YBCO超导薄膜。滚轴302、303允许带基底连续运动通过激光靶，因此将YBCO材料连续地覆盖到带基底上。注意激光器306位于反应室300的外部，并且激光器306的光束借助光学端口307进入反应室300中。然后，切割所得的带基底，并且形成具有YBCO超导材料的带或条(ribbon)。上述形成薄膜高温超导体的方法都不能产生可以用来在电力应用中代替铜(或其它金属)线的很长长度的YBCO带或条。第一种方法只允许在晶片上生产小片的超导体材料，例如分批处理。第二种方法只能用来制造几英尺长度的带，并且使用多次通过来生产几微米厚的超导薄膜。第二种方法的实际极限约为5英尺。更大片的带需要更大的加热室。还需要更大的加热滚轴。带在离开滚轴302后冷却，因此将需要更多的时间重新加热至所需的温度。在反应室一面加热，并在反应室另一面冷却还可能引起在金属基底上形成的YBCO层和其它层的热裂纹。通过第二方法生产的较小片的带可以被叠接在一块，形成很长的带，但是当所述片为超导性时，叠接技术还没有达到实现高质量高温超导体的水平。因此，目前形成超导体的设备不能形成长的连续的超导材料带。
技术实现思路
本专利技术涉及一种技术中需要的系统和方法，其允许在金属条或带或线上以连续的方式形成超导体，优选为YBCO，从而形成连续的很长的超导体条或带或线。注意本文使用的术语“超导线”包括任何用于传导电流的超导元件。这些和其它目的、特征，以及技术优点可以通过在运动的带基底上连续沉积用于生长超导层材料的系统和方法来实现。本专利技术优选使用放线轴(pay-out reel)以恒定的速度分送带基底。然后，本专利技术优选在生长超导层之前使用初始级预热和/或预处理带基底。预热对于减小带基底的热冲击是可取的。预处理对于在生长超导层之前减少带基底的污染物是可取的。然后，本专利技术优选使用至少一个反应器或反应室在带基底上沉积一种或多种用于形成超导层的材料。本专利技术优选使用退火级来完成超导层并且冷却超导带。本专利技术优选使用卷线轴(take-upreel)来缠绕超导带。本专利技术可以任选地使用覆盖级，在超导带上沉积保护覆盖层。本专利技术还可以任选地使用质量控制级，确保超导带正确的特性。本专利技术再可以任选地使用预清洁级，在进入初始级之前从带上除去油脂和/或其它的污染物。本专利技术优选在初始级和反应室之间、在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成具有带基底的超导线的系统，包括：用于分送带基底的第一卷轴；至少一个沉积室，接收来自第一卷轴的带基底并且在所述带基底上形成超导材料层；及第二卷轴，缠绕来自至少一个沉积室的具有超导材料层的带基底。

【技术特征摘要】
US 2002-7-26 10/206,1231.一种形成具有带基底的超导线的系统，包括用于分送带基底的第一卷轴；至少一个沉积室，接收来自第一卷轴的带基底并且在所述带基底上形成超导材料层；及第二卷轴，缠绕来自至少一个沉积室的具有超导材料层的带基底。2.权利要求1的系统，还包括控制所述带基底张力的张力调节器。3.权利要求1的系统，其中所述带基底包括金属带。4.权利要求3的系统，其中所述金属带包括镍。5.权利要求1的系统，其中以可调节的恒定速度操作所述第一卷轴和第二卷轴。6.权利要求5的系统，其中所述速度为每分钟0.5至15厘米。7.权利要求5的系统，其中所述速度为每分钟3厘米。8.权利要求5的系统，还包括控制所述带基底速度的调速器。9.权利要求1的系统，还包括从所述带基底上除去油基污染物的预清洁级。10.权利要求9的系统，其中所述预清洁级包括蒸汽处理、机械处理、浴处理及其组合之一。11.权利要求1的系统，还包括在将所述带基底输送到至少一个沉积室之前使其接受处理的初始级。12.权利要求11的系统，其中所述处理是加热所述带基底至介于至少一个沉积室的操作温度与环境温度之间的温度。13.权利要求11的系统，其中所述温度为250-450摄氏度。14.权利要求12的系统，其中所述初始级将所述带基底的温度从室温升高至250-450摄氏度。15.权利要求11的系统，其中所述初始级具有由还原性材料组成的气氛。16.权利要求15的系统，其中所述还原性材料选自二氧化碳、氢气和氨气。17.权利要求11的系统，其中所述初始级具有由非反应性气体组成的气氛。18.权利要求17的系统，其中所述非反应性气体选自氩气、氖气、氙气及其组合。19.权利要求11的系统，其中所述初始级具有包括3-30％还原气体和97-70％非反应性气体的气氛。20.权利要求11的系统，其中所述初始级具有包括22-26％还原气体和78-74％非反应性气体的气氛。21.权利要求11的系统，其中所述初始级具有压力为1-500托的气氛。22.权利要求11的系统，其中所述处理是还原来自所述带基底的污染物。23.权利要求11的系统，其中所述处理是除去所述带基底上的氧化物层。24.权利要求11的系统，其中所述初始级包括至少一个支承所述带基底的支座。25.权利要求24的系统，其中所述至少一个支座由选自由下列材料构成的组之中的材料组成石英、不锈钢、金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3，以及金属氧化物材料。26.权利要求11的系统，其中所述初始级包括加热所述带基底至预定温度的加热元件。27.权利要求11的系统，其中所述初始级包括多个加热元件，其中每个加热元件逐渐加热所述带基底至预定的温度。28.权利要求11的系统，其中所述初始级包括使所述带基底进入初始级的输入口；及使所述带基底从初始级出来的输出口。29.权利要求28的系统，其中所述输入口和输出口每个都具有允许带基底进入、使漏出初始级的初始级的气氛最少，并且使漏入初始级的外部气氛最少的剖面。30.权利要求29的系统，其中所述输入口的剖面是狭缝，并且所述输出口的剖面是狭缝。31.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括至少一个支持所述带基底的支座。32.权利要求31的系统，其中所述至少一个沉积室包括至少三个支持所述带基底的支座。33.权利要求31的系统，其中所述至少一个支座由选自由下列材料构成的组之中的材料组成石英、不锈钢、金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3，以及金属氧化物材料。34.权利要求31的系统，其中所述初始级包括加热所述带基底的加热元件。35.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括使所述带基底进入所述至少一个沉积室的输入口；及使所述带基底从所述至少一个沉积室出来的输出口。36.权利要求35的系统，其中所述输入口和输出口每个都具有允许带基底进入、使漏出所述至少一个沉积室的所述至少一个沉积室的气氛最少，并且使漏入所述至少一个沉积室的外部气氛最少的剖面。37.权利要求35的系统，其中所述输入口的剖面是狭缝，并且所述输出口的剖面是狭缝。38.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括至少一个分配头，向所述带基底上提供用于形成超导材料的材料层流。39.权利要求1的系统，其中所述至少一个分配头由选自由下列材料构成的组之中的材料组成石英、不锈钢、金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3，以及金属氧化物材料。40.权利要求38的系统，还包括前体输运系统，向分配头提供用来形成超导材料的材料。41.权利要求39的系统，其中所述前体输送系统是气体、液体、固体和浆体系统之一。42.权利要求38的系统，其中所述至少一个沉积室进一步包括排气系统，从所述至少一个沉积室中除去用来形成超导材料的材料。43.权利要求38的系统，其中分配头在所述带基底行进方向上的长度小于沉积室内所述带基底的长度，并且所述系统进一步包括至少一个盖子，盖住不在分配头下方的所述带基底部分。44.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括加热所述带基底至预定温度的灯。45.权利要求44的系统，其中所述灯包括将热导向所述带基底的反射器。46.权利要求44的系统，其中所述灯包括至少一个降低灯温度的冷却夹套，减少材料在灯上形成。47.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括对所述带基底提供光的灯；其中所述光增加用来形成超导材料的材料在所述带基底上的生长速率。48.权利要求47的系统，其中所述灯包括将热导向所述带基底的反射器。49.权利要求47的系统，其中所述光包括可见光和紫外光至少之一。50.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括选自由下列材料构成的组之中的材料石英、不锈钢、金、铂、氧化铝、LaAlO3、SrTiO3，以及金属氧化物材料。51.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括降低所述至少一个沉积室外部至少一部分温度的冷却系统。52.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括冷却系统，其降低所述至少一个沉积室至少一部分的温度，减少材料在所述沉积室上形成。53.权利要求1的系统，其中所述至少一个沉积室包括至少一个质量控制端口，提供所述带基底的出口，进行至少一次质量控制测试。54.权利要求53的系统，其中所述至少一次质量控制测试是视觉检查所述带基底。55.权利要求53的系统，其中所述至少一次质量控制测试是测量所述带基底的特性。56.权利要求1的系统，其中所述沉积室具有2-4托压力的气氛。57.权利要求1的系统，其中所述沉积室具有1-10托压力的气氛。58.权利要求1的系统，其中所述沉积室加热所述带基底至550-900摄氏度的温度。59.权利要求1的系统，还包括另一个沉积室，其中所述另一个沉积室操作，在所述带基底上形成至少一层缓冲层，其中所述缓冲层包括选自由下列材料构成的组之中的材料CeO2、YSZ、Y2O3-ZrO2、Gd2O3、Eu2O3、Yb2O3、RuO2、LaSrCoO3、MgO、SiN、BaCeO2、NiO、Sr2O3、SrTiO3和BaSrTiO3。60.权利要求1的系统，其中所述缓冲层材料是YSZ；所述沉积室加热所述带基底至780-830摄氏度的温度；所述沉积室具有2-4托压力的气氛；且所述气氛包括氧气和氩气至少之一。61.权利要求1的系统，其中所述缓冲层材料是CeO2；所述沉积室加热所述带基底至600-700摄氏度的温度；所述沉积室具有2-4托压力的气氛；且所述气氛包括氧气、还原性气体和氩气至少之一。62.权利要求1的系统，其中所述超导材料选自由下列材料构成的组YBCO、YBa2Cu3O7-x、NbBa2Cu3O7-x、LaBa2Cu3O7-x、Bi2Sr2Ca2Cu3Oy、Pb2-xBixSr2Ca2Cu3Oy、Bi2Sr2Ca1Cu2Oz、Tl2Ba2CaCu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy、Tl1Ba2Ca2Cu3Oz、Tl1-xBixSr2-yBayCa2Cu4Oz、Tl1Ba2Ca1Cu2Oz、Hg1Ba2Ca1Cu2Oy、Hg1Ba2Ca2Cu3Oy、MgB2、氧化铜和稀土金属氧化物。63.权利要求1的系统，其中所述超导材料是来自固体前体的YBCO；所述沉积室加热所述带基底至780-835摄氏度的温度；所述沉积室具有2-4托压力的气氛；且所述气氛包括氧气、N2O和氩气至少之一。64.权利要求1的系统，其中所述超导材料是来自液体前体的YBCO；所述沉积室加热所述带基底至780-830摄氏度的温度；所述沉积室具有2-3托压力的气氛；且所述气氛包括氧气、N2O和氩气至少之一。65.权利要求1的系统，还包括至少一个分隔所述沉积室气氛与所述沉积室外部气氛的过渡室。66.权利要求65的系统，其中所述过渡级包括至少一个支持所述带基底的支座。67.权利要求66的系统，其中所述至少一个支座由选自由下列材...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历克斯伊格纳蒂尔弗，张欣，曾健明，刘佳树，周鹏初，路易斯D卡斯特拉尼，
申请(专利权)人：金属氧化物技术公司，休斯顿大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]