СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД И СПОСОБ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01B12/06 

Область техники

[1] Настоящее изобретение относится к сверхпроводящему проводу.

Уровень техники

[2] Сверхпроводник теряет все свое сопротивление ниже критической температуры, и через указанный сверхпроводник может проходить без потерь большое количество электрического тока. В последнее время был изучен высокотемпературный сверхпроводящий провод второго поколения (покрытый проводник, Coated Conductor), содержащий сверхпроводящую пленку на металлической подложке или на тонком буферном слое, содержащем биаксиально выровненную текстурированную структуру. По сравнению с металлическим проводником высокотемпературный сверхпроводник второго поколения может передавать намного больше электрического тока на единицу площади его сечения. Высокотемпературный сверхпроводник второго поколения может быть использован в сверхпроводящем силовом кабеле для передачи и распределения энергии с низкими энергетическими потерями, магнитно-резонансной томографии (МРТ), поезде на магнитной подвеске, судне со сверхпроводниковой двигательной установкой и т.п.

Сущность изобретения

Техническая задача

[3] Настоящее изобретение предоставляет сверхпроводящие провода, содержащие центры пиннинга магнитного потока.

[4] Настоящее раскрытие также предоставляет способ формирования сверхпроводящего провода, содержащего центры пиннинга магнитного потока.

Решение задачи.

[5] Варианты осуществления идеи настоящего изобретения предоставляют способы формирования сверхпроводящих проводов, включающих: формирование пиннингового затравочного слоя на подложке; осаждение исходной сверхпроводящей пленки на подложке, выполненной с пиннинговым затравочным слоем, и термическую обработку подложки, на которой осаждена указанная исходная сверхпроводящая пленка, для формирования сверхпроводящей пленки, содержащей центры пиннинга магнитного потока на подложке, причем указанные центры пиннинга магнитного потока содержат по меньшей мере один элемент, содержавшийся в пиннинговом затравочном слое, и по меньшей мере один элемент, содержавшийся в исходной сверхпроводящей пленке.

[6] Осаждение исходной сверхпроводящей пленки может содержать обеспечение на указанной подложке редкоземельного элемента, бария и меди.

[7] Исходная сверхпроводящая пленка может быть сформирована при помощи процесса реактивного совместного испарения.

[8] Пиннинговый затравочный слой может содержать оксид циркония, цирконий, оксид олова, оксид титана, титан, оксид гафния, гафний, оксид иттрия, оксид церия или церий.

[9] Центры пиннинга магнитного потока могут содержать бариево-циркониевый оксид, бариево-титановый оксид, бариево-гафниевый оксид или бариево-цериевый оксид.

[10] Подложка может содержать металл или оксидный буферный слой, содержащий текстурированную структуру на металлической подложке.

[11] Некоторые варианты осуществления идеи настоящего изобретения предоставляют сверхпроводящие провода, содержащие: пиннинговый затравочный слой на подложке; и сверхпроводящую пленку, непосредственно контактирующую с указанным пиннинговым затравочным слоем и содержащую центры пиннинга магнитного потока, расположенные вертикально на указанной подложке, причем указанные центры пиннинга магнитного потока содержат по меньшей мере один элемент, содержавшийся в пиннинговом затравочном слое, и по меньшей мере один элемент, содержавшийся в сверхпроводящей пленке.

[12] Сверхпроводящая пленка может содержать редкоземельный элемент, барий и медь.

[13] Центры пиннинга магнитного потока могут содержать бариево-металлический оксид.

[14] Подложка может содержать металл или оксидный буферный слой, содержащий текстурированную структуру на металлической подложке.

Полезный эффект настоящего изобретения

[15] В соответствии с настоящим изобретением могут быть легко сформированы центры пиннинга магнитного потока.

Краткое описание чертежей

[16] На фиг. 1-5 представлены виды в поперечном сечении, иллюстрирующие способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с вариантами осуществления идеи настоящего изобретения;

[17] На фиг. 6 представлена фазовая диаграмма системы иттриево-бариево-медного оксида (YBCO);

[18] На фиг. 7 представлена фазовая диаграмма, иллюстрирующая способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерным вариантом осуществления идеи настоящего изобретения;

[19] На фиг. 8 представлена фазовая диаграмма, иллюстрирующая способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с другим примерным вариантом осуществления идеи настоящего изобретения;

[20] На фиг. 9 представлена структурная схема, иллюстрирующая устройство для формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения;

[21] На фиг. 10 представлен вид в поперечном сечении, иллюстрирующий модуль для осаждения пленки указанного устройства для формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения;

[22] На фиг. 11 представлен вид сверху, иллюстрирующий катушечное устройство в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения;

[23] На фиг. 12 представлен вид в поперечном сечении, иллюстрирующий модуль для термической обработки указанного устройства для формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения; и

[24] На фиг. 13 представлен график, иллюстрирующий электрические и физические свойства сверхпроводящего провода, сформированного при помощи способа в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

[25] Примерные варианты осуществления идеи настоящего изобретения будут описаны ниже более подробно со ссылкой на сопутствующие чертежи. Однако идея настоящего изобретения может быть воплощена в различных формах и не должна быть истолкована, как ограниченная вариантами ее осуществления, изложенными в настоящем документе. Скорее, эти варианты осуществления предоставлены таким образом, чтобы это раскрытие было полным и завершенным и полностью передавало объем идеи настоящего изобретения для специалистов в области техники. Кроме того, поскольку описаны иллюстративные варианты осуществления изобретения, ссылочные позиции, раскрытые в соответствии с последовательностью описания, не ограничиваются указанной последовательностью.

[26] В нижеследующих вариантах осуществления изобретения в качестве примеров сверхпроводников будут описаны YBCO и SmBCO, но идея настоящего изобретения этим не ограничивается. Хотя в примерных вариантах осуществления идеи настоящего изобретения YBCO и SmBCO были описаны в качестве примеров сверхпроводников, идея настоящего изобретения не ограничивается сверхпроводником YBCO и сверхпроводником SmBCO. Сверхпроводник может содержать Re_1+xBa_2-xCu₃O_7-y, где 0≤x≤0,5 и 0≤y≤0,5. Редкоземельный элемент (Re) может содержать иттрий (Y), элементы из семейства лантаноидов или их комбинацию. Элементы семейства лантаноидов содержат лантан (La), неодим (Nd), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Hо), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb), лютеций (Lu) и т.д.

[27] На фиг. 1-5 представлены виды в поперечном сечении, иллюстрирующие способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с вариантами осуществления идеи настоящего изобретения. На фиг. 6 представлена фазовая диаграмма системы иттриево-бариево-медного оксида (YBCO). Способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с вариантами осуществления идеи настоящего изобретения будет кратко описан со ссылкой на фиг. 1-5.

[28] Со ссылкой на фиг. 1, на которой представлена подложка 10. Подложка 10 может иметь биаксиально выровненную текстурированную структуру. Подложка 10 может быть металлической подложкой. Металлическая подложка 10 может содержать металл с кубической кристаллической решеткой, такой как никель (Ni), никелевые сплавы (Ni-W, Ni-Cr, Ni-Cr-W и т.д.), нержавеющую сталь, серебро (Ag), серебряные сплавы, никелево-серебряные композиты, которые являются горячекатанными. Для покрытого проводника подложка 10 может иметь ленточную форму. Например, подложка 10 может быть металлическим проводом.

[29] Со ссылкой на фиг. 2, на подложке 10 может быть сформирован слой 20 IBAD. Слой 20 IBAD может содержать ограничивающий диффузию слой (например, Al₂O₃), затравочный слой (например, Y₂O₃) и слой MgO, расположенные последовательно один за другим. Слой 20 IBAD формируют при помощи способа IBAD (Ion Beam Assisted Deposition, осаждение с помощью ионного луча). На слое 20 IBAD дополнительно может быть сформирован эпитаксиально выращенный гомоэпитаксиальный слой MgO. Кроме того, на слое 20 IBAD может быть сформирован буферный слой 30. Указанный буферный слой может содержать LaMnO₃, LaAlO₃ или SrTiO₃ и т.д. Буферный слой может быть сформирован способом распыления. Слой 20 IBAD и буферный слой 30 могут предотвращать реакцию между подложкой и сверхпроводящим материалом на указанной подложке и передавать кристаллические свойства биаксиально выровненной текстурированной структуры.

[30] Со ссылкой на фиг. 3, на буферном слое 30 может быть сформирован пиннинговый затравочный слой 40. Пиннинговый затравочный слой 40 может содержать материал, способный индуцировать формирование центров пиннинга магнитного потока в сверхпроводящей пленке. Пиннинговый затравочный слой 40 может содержать, например, оксид циркония, цирконий, оксид олова, оксид титана, титан, оксид гафния, гафний, оксид иттрия, оксид церия, или церий. Металлические оксиды, такие как оксид циркония, оксид олова, оксид титана, оксид гафния, оксид иттрия, оксид церия и тому подобные, могут дополнительно содержать барий. Пиннинговый затравочный слой 40 может быть сформирован способом распыления или электроннолучевым способом. Пиннинговый затравочный слой 40 может иметь толщину, приблизительно равную нескольким десяткам нанометров.

[31] Со ссылкой на фиг. 4, на пиннинговом затравочном слое 40 может быть сформирована исходная сверхпроводящая пленка 50. Может быть понятно, что исходная сверхпроводящая пленка 50 находится в аморфном состоянии, которое не было подвергнуто кристаллизации. Исходная сверхпроводящая пленка 50 может содержать по меньшей мере один редкоземельный (Re) элемент, медь (Cu) и барий (Ва).

[32] Исходная сверхпроводящая пленка 50 может быть сформирована различными способами. Например, исходная сверхпроводящая пленка 50 может быть сформирована способом реактивного совместного испарения, способом лазерной абляции, способом химического парофазного осаждения (CVD, chemical vapor deposition), способом осаждения из паров металлоорганических соединений (MOD, metal organic deposition) или золь-гель способом.

[33] В примерном варианте осуществления изобретения исходная сверхпроводящая пленка 50 может быть сформирована способом реактивного совместного испарения. Для осаждения исходной сверхпроводящей пленки 50 способ реактивного совместного испарения может включать обеспечение металлических паров, сгенерированных посредством облучения электронным лучом тиглей, содержащих по меньшей мере один редкоземельный элемент, медь (Cu) и барий (Ва). Редкоземельный элемент может содержать иттрий (Y), элементы из семейства лантаноидов или их комбинацию. Элементы семейства лантаноидов содержат лантан (La), неодим (Nd), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Но), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb), лютеций (Lu) и т.д.

[34] В другом примерном варианте осуществления изобретения исходная сверхпроводящая пленка 50 может быть сформирована способом MOD. Например, исходный металлический раствор готовят посредством растворения ацетата редкоземельного элемента, ацетата бария и ацетата меди в растворителе, испарения и дистилляции указанного раствора и стекание дистиллированного пара. Исходный металлический раствор может быть нанесен на указанную подложку.

[35] Со ссылкой на фиг. 5, подложку 10, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка 50, термически обрабатывают таким образом, что на подложке 10 эпитаксиально растет сверхпроводящая пленка 51. Посредством термической обработки материал, содержащийся в пиннинговом затравочном слое 40, может перейти в исходную сверхпроводящую пленку 50. Материал, содержащийся в пиннинговом затравочном слое 40, может быстро вступать в реакцию с материалом, содержащимся в исходной сверхпроводящей пленке 50, для образования наноразмерных дефектов 53. Дефекты 53, образованные в эпитаксиально выращенной сверхпроводящей пленке 51, для указанного сверхпроводника могут функционировать в качестве центров пиннинга магнитного потока. Дефекты 53 могут быть расположены на подложке 10 вертикально в скоплениях, отделенных друг от друга. Дефекты 53 могут содержать по меньшей мере один элемент, содержащийся в пиннинговом затравочном слое 40, и по меньшей мере один элемент (например, Ва), содержащийся в исходной сверхпроводящей пленке 50. Дефекты 53 могут содержать бариево-металлический оксид, такой как бариево-циркониевый оксид, бариево-титановый оксид, бариево-гафиневый оксид или бариево-цериевый оксид. Хотя на чертежах показано, что пиннинговый затравочный слой 40 сохраняется даже после термической обработки, настоящее изобретение этим не ограничивается. То есть все материалы, содержащиеся в пиннинговом затравочном слое 40, могут переходить в дефекты 53 таким образом, что пиннинговый затравочный слой 40 может не сохраниться.

[36] Со ссылкой на фиг. 6, будет более подробно описана термическая обработка исходной сверхпроводящей пленки 50. Под REBCO, который является исходной сверхпроводящей пленкой 50, описанной со ссылкой на фиг. 1-4, понимается RE₂BaCuO₅ (здесь и далее именуемый ′211′), RE₂O₃ (здесь и далее именуемый ′100′), REBa₃Cu₂O₆ (здесь и далее именуемый ′132′) и жидкость (здесь и далее именуемая ′L′). ′L′ указывает на жидкость, содержащую в качестве основных компонентов Ва, Cu и О, и в которой может быть растворен RE. В серой области появляется REBCO, который является термодинамически стабильным.

[37] Подложку 10, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка 50, термически обрабатывают. Парциальным давлением кислорода и/или температурой термической обработки могут управлять таким образом, что среди компонентов разложения REBCO производится жидкое состояние ′L′, содержащее в качестве основных компонентов Ва, Cu и O, и в которой может быть растворен RE. В это же время, REBCO может быть сформирован по мере прохождения системой REBCO через совместную область для ′L′ и ′100′ (ссылаемся на область А, показанную на фиг. 6). Посредством управления парциальным давлением кислорода и/или температурой термической обработки при прохождении системы REBCO через границу I, может быть сформирована стабильная эпитаксиальная сверхпроводящая пленка посредством реакции ′100′ из ′L′ в жидком состоянии. В частности, из ′100′, сосуществующего в ′L′, на подложке 10 формируются ядра таким образом, что эпитаксиально растет сверхпроводящая пленка 51 (ссылаемся на область В, показанную на фиг. 6).

[38] Снова обратимся к фиг. 5, где на сверхпроводящей REBCO пленке 51 дополнительно может быть сформирована остаточная пленка 55, имеющая отличную от сверхпроводящей пленки 51 фазу. В сверхпроводящей REBCO пленке 51 отношение редкоземельного элемента, бария и меди приблизительно равно 1: 2: 3, а в остаточной пленке 55 отношение редкоземельного элемента, бария и меди может быть отличным от указанного отношения для сверхпроводящей REBCO пленки 51. Причина состоит в том, что в то время как сверхпроводящая REBCO пленка 51 эпитаксиально растет от ′100′ до ′L′, сверхпроводящий предшественник остается на этой сверхпроводящей REBCO пленке 51. Следовательно, остаточный слой 55, содержащий нестехиометрический оксид, который является следом указанного сверхпроводящего предшественника, может быть сформирован на сверхпроводящей REBCO пленке 51, сформированной в конечном итоге. Остаточная пленка 55 может содержать по меньшей мере одну фазу, которая имеет кристаллическую структуру, отличную от структуры сверхпроводящей REBCO пленки 51. Сверхпроводящая REBCO пленка 51 может дополнительно содержать мелкие частицы ′100′.

[39] В способе формирования сверхпроводящей REBCO пленки 51, как описано выше, исходная сверхпроводящая пленка 50 может быть сформирована таким образом, что отношение редкоземельного элемента, бария и меди приблизительно равно 1:х:3 (0<х<2). Например, исходная сверхпроводящая пленка может быть сформирована таким образом, что отношение редкоземельного элемента, бария и меди приблизительно равно 1:1,5:3. Поскольку REBCO предшественник, для которого отношение редкоземельного элемента, бария и меди приблизительно равно 1:2:3, разлагается на воздухе, то REBCO предшественник, указанное отношение которого приблизительно равно 1:2:3, является нестабильным. По сравнению с REBCO предшественником с отношением, приблизительно равным 1:2:3, REBCO предшественник, для которого отношение редкоземельного элемента, бария и меди приблизительно равно 1:1,5:3, стабилен на воздухе. Следовательно, не смотря на то, что REBCO предшественник с отношением, приблизительно равным 1:2:3, до термической обработки этой исходной REBCO пленки должен находится в вакууме, REBCO предшественник с отношением, приблизительно равным 1:1,5:3, до термической обработки этой исходной REBCO пленки может находиться на воздухе. Исходная REBCO пленка с отношением, равным 1:х:3 (1<х<2), может стать сверхпроводящей REBCO пленкой 51, для которой отношение редкоземельного элемента, бария и меди приблизительно равно 1:2:3, и остаточной пленкой 55, для которой отношение редкоземельного элемента, бария и меди отлично от соответствующего отношения для сверхпроводящей REBCO пленки 51, посредством процесса термической обработки, как описано выше. В этом случае, остаточная пленка 55 может содержать BaCu₂O₂ (здесь и далее именуемый ′012′) в твердом состоянии. ′100′ расходуется во время эпитаксиального выращивания сверхпроводящей REBCO пленки 51.

[40] Способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения будет подробно описан со ссылкой на примеры различных линий термической обработки на фазовой диаграмме YBCO на фиг. 6. На фиг. 7 и 8 представлены фазовые диаграммы, иллюстрирующие способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения.

[41] Способы формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на фиг. 7.

[42] Как описано выше, на подложке сформирована исходная сверхпроводящая пленка. Предшествующую сверхпроводящую пленку REBCO могут понимать, как разложенную на ′100′ и ′L′. ′L′ находится в твердом состоянии при низкой температуре, а основным компонентом твердого состояния является ′012′. То есть, во время процесса разложения REBCO появляется ′012′.

[43] Подложку, на которой осаждена исходная сверхпроводящая пленка, подвергают термической обработке. Процесс термической обработки могут выполнять в соответствии с линией фазовой диаграммы, изображенной на фиг. 7. Процесс термической обработки в соответствии с линией 1 может быть выполнен под относительно низким парциальным давлением кислорода (например, приблизительно от 1×10^-5 торр до 1×10^-4 торр). Температура процесса термической обработки может возрастать от комнатной температуры до приблизительно 800°С.

[44] Парциальным давлением кислорода и/или температурой термической обработки управляют в соответствии с линией 2 фазовой диаграммы, изображенной на фиг. 7, таким образом, что ′012′ из компонентов разложения REBCO находится в жидком состоянии. Например, парциальное давление кислорода могут увеличивать приблизительно от 1×10^-2 торр до 3×10^-1 торр. Температура процесса термической обработки может быть, например, выше 800°С. В это время REBCO может пониматься, как содержащая сосуществующие ′L′ ′100′.

[45] Поскольку парциальным давлением кислорода и/или температурой термической обработки управляют по линии 3 фазовой диаграммы, изображенной на фиг. 7, которая пересекает границу I, из ′L′ может быть сформирована стабильная эпитаксиальная REBCO пленка. Например, парциальное давление кислорода может быть в диапазоне от приблизительно 5×10^-2 торр до приблизительно 3×10^-1 торр. Температура процесса термической обработки может быть снижена до приблизительно 800°С или меньше, например, до комнатной температуры. В частности, на подложке из ′L′ и ′100′, сосуществующих в жидком состоянии, создаются ядра таким образом, что сверхпроводящая REBCO пленка эпитаксиально растет.

[46] На фиг. 8 представлена фазовая диаграмма, иллюстрирующая способ формирования сверхпроводящего провода в соответствии с другим примерным вариантом осуществления идеи настоящего изобретения.

[47] Способы формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на фиг. 8. Любые повторяющиеся объяснения, касающиеся технических признаков и функций, которые являются такими же, как и для описанных выше примерных вариантов осуществления, будут опущены.

[48] Таким же образом, как и в примерном варианте осуществления изобретения, описанном выше, на подложке формируют предшествующую сверхпроводящую пленку. Подложку, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка, подвергают термической обработке. Процесс термической обработки могут выполнять в соответствии с линией фазовой диаграммы, изображенной на фиг. 8. Например, процесс термической обработки в соответствии с линией 1 может быть выполнен под парциальным давлением кислорода от приблизительно 5×10^-2 торр до приблизительно 3×10^-1 торр). Температура процесса термической обработки может возрастать от комнатной температуры до примерно 800°С или выше. Парциальным давлением кислорода и/или температурой термической обработки управляют в соответствии с линией 1 таким образом, что ′012′ находится в жидком состоянии. В это время REBCO может пониматься, как содержащий сосуществующие ′L′ и ′100′ в жидком состоянии.

[49] Поскольку парциальным давлением кислорода и/или температурой термической обработки управляют по линии 2 фазовой диаграммы, изображенной на фиг. 8, которая пересекает границу I, может быть сформирована стабильная REBCO пленка. Например, парциальное давление кислорода может быть в диапазоне от приблизительно 5×10^-2 торр до приблизительно 3×10^-1 торр. Температура процесса термической обработки может быть снижена до приблизительно 800°С или меньше, например, до комнатной температуры. В частности, на подложке из ′100′, сосуществующих с ′L′ в жидком состоянии, создаются ядра таким образом, что сверхпроводящая REBCO пленка эпитаксиально растет.

[50] Процесс роста сверхпроводящей REBCO пленки в соответствии с примерными вариантами осуществления изобретения, описанными выше, подобен эпитаксии из жидкой фазы (LPE, liquid phase epitaxy). Поскольку на фиг. 6, 7 и 8 показаны фазовые диаграммы системы YBCO, парциальное давление кислорода и температура процесса термической обработки могут изменяться в соответствии с редкоземельными элементами.

[51] Система для формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения будет описана со ссылкой на фиг. 6-9. Система для формирования сверхпроводящего провода, описанная со ссылкой на фиг. 6-9, является одним примерным вариантом осуществления идеи настоящего изобретения, а идея настоящего изобретения не ограничивается этой системой для формирования сверхпроводящего провода, описанной со ссылкой на фиг. 6-9.

[52] На фиг. 9 представлена структурная схема, иллюстрирующая устройство для формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения. Со ссылкой на фиг. 9, устройство для формирования сверхпроводящего провода содержит модуль 100 для осаждения пленки, модуль 200 для термической обработки и модуль 300 для подачи/сбора провода. Модуль 100 для осаждения пленки формирует предшествующую сверхпроводящую пленку на подложке. Модуль 200 для термической обработки термически обрабатывает подложку, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка. Между модулем 100 для осаждения пленки, модулем 200 для термической обработки и модулем 300 для поставки/сбора провода дополнительно может быть обеспечена вакуумная трубка 20. Вакуумная трубка 20 поддерживает вакуумное состояние, а также через нее проходит основа 10 провода.

[53] На фиг. 10 представлен вид в поперечном сечении, иллюстрирующий модуль 100 для осаждения пленки указанного устройства для формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения. Со ссылкой на фиг. 9 и 10, модуль 100 для осаждения пленки содержит рабочую камеру 110, катушечное устройство 120 и осаждающий элемент 130. Например, рабочая камера 110 обеспечивает пространство, в котором выполняют процесс осаждения для формирования исходной сверхпроводящей пленки на подложке 10. Рабочая камера 110 содержит первую боковую стенку 111 и вторую боковую стенку 112, обращенные друг к другу. Первая боковая стенка 111 содержит входящую часть 113, которая соединена с модулем 300 для подачи/сбора провода. Вторая боковая стенка 112 содержит исходящую часть 114, которая соединена с модулем 200 для термической обработки. Подложку 10 транспортируют от модуля 300 для подачи/сбора провода к входу рабочей камеры 110 через входящую часть 113. Затем подложка 10 выходит из рабочей камеры 110 через исходящую часть 114 к входу модуля 200 для термической обработки.

[54] Под катушечным устройством 120 может быть обеспечен осаждающий элемент 130. Осаждающий элемент 130 обеспечивает пары сверхпроводящего материала на поверхность подложки 10. В примерном варианте осуществления изобретения осаждающий элемент 130 может обеспечивать предшествующую сверхпроводящую пленку на подложке 10, используя указанный способ совместного испарения. Осаждающий элемент 130 может содержать источники 131, 132 и 133 металлических паров, которые обеспечивают металлические пары на подложку 10, используя электронный луч. Источники металлических паров могут содержать источники редкоземельного элемента, бария и меди.

[55] На фиг. 11 представлен вид сверху, иллюстрирующий катушечное устройство в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения. Со ссылкой на фиг. 9 и 10, катушечное устройство содержит первый катушечный элемент 121 и второй катушечный элемент 122. Первый и второй катушечные элементы 121 и 122 обращены друг к другу и отделены друг от друга. Осаждающий элемент 130 размещен под подложкой, которая размещена между первым и вторым катушечным элементами 121 и 122. На первый и второй катушечные элементы 121 и 122 многократно накручена подложка 10 в области, в которой осаждают исходную сверхпроводящую пленку. Например, подложка 10 проходит между первым и вторым катушечными элементами 121 и 122 и прокручивается первым и вторым катушечными элементами 121 и 122. Первый катушечный элемент 121 расположен рядом с первой боковой стенкой 111 рабочей камеры 110, а второй катушечный элемент 122 расположен рядом со второй боковой стенкой 112 рабочей камеры 110. Конструкция первого катушечного элемента 121 может быть по существу такой же, как и конструкция второго катушечного элемента 122. Первый и второй катушечные элементы 121 и 122 могут проходить в направлении, которое пересекает направление прохождения подложки 10.

[56] Каждый из первого и второго катушечных элементов 121 и 122 может содержать катушки, расположенные по указанному направлению прохождения первого и второго катушечных элементов 121 и 122 и скомбинированные друг с другом. Подложка 10 прокручивается каждой из указанных катушек. Каждая из указанных катушек может приводиться независимо и проворачиваться посредством трения с подложкой 10. На виде сверху второй катушечный элемент 122 может быть слегка смещен по сравнению с первым катушечным элементом 121 таким образом, что подложка многократно прокручивается первым и вторым катушечными элементами 121 и 122. Подложка 10 проходит между первым и вторым катушечными элементами 121 и 122 вдоль указанного направления прохождения первого и второго катушечных элементов 121 и 122.

[57] На фиг. 12 представлен вид в поперечном сечении, иллюстрирующий модуль 200 для термической обработки для устройства для формирования сверхпроводящего провода в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения. Со ссылкой на фиг. 12, модуль 200 для термической обработки может содержать первый контейнер 210, второй контейнер 220 и третий контейнер 230, которые расположены последовательно рядом друг с другом. Подложка 10 может успешно проходить первый контейнер 210, второй контейнер 220 и третий контейнер 230. Первый контейнер 210 и третий контейнер 230 отделены друг от друга. Центральная часть второго контейнера может быть расположена таким образом, что соответствует области указанного разделения первого и третьего контейнеров 210 и 230. Второй контейнер 220 может окружать часть первого контейнера 210 и часть третьего контейнера 230. Первый контейнер 210, второй контейнер 220 и третий контейнер 230 могут содержать по существу цилиндрические трубки, которые сформированы с использованием кварца. Первый контейнер 210 может быть соединен с исходящей частью 114 модуля 100 для осаждения пленки. Первый контейнер 210 может содержать первую входящую часть 211 и первую исходящую часть 212 для прохождения подложки 10, которые соответственно сформированы на обоих концах первого контейнера 210, а третий контейнер 230 может содержать вторую входящую часть 231 и вторую исходящую часть 232 для прохождения подложки 10, которые соответственно сформированы на обоих концах первого контейнера 230. Подложка 10 входит в первый контейнер 210 через первую входящую часть 211 первого контейнера 210 и покидает первый контейнер 210 через первую исходящую часть 212 первого контейнера 210. Затем после прохождения подложки 10 через центральную часть второго контейнера 220 подложка 10 входит в третий контейнер 230 через вторую входящую часть 231 третьего контейнера 230 и покидает третий контейнер 230 через вторую исходящую часть 232 третьего контейнера 230.

[58] Первый, второй и третий контейнеры 210, 220 и 230 соответственно могут содержать насосные отверстия 214, 224 и 234. Следовательно, первый, второй и третий контейнеры 210, 220 и 230 могут независимо поддерживать вакуумное состояние. Поскольку кислород обеспечивают посредством линий 215, 225 и 235 снабжения кислородом, то парциальным давлением кислорода первого контейнера 210, парциальным давлением кислорода второго контейнера 220 и парциальным давлением кислорода третьего контейнера 230 могут управлять независимо. Например, парциальное давление кислорода первого контейнера 210 может быть ниже, чем парциальное давление кислорода третьего контейнера 230, а парциальное давление кислорода второго контейнера 220 может быть в промежутке между парциальным давлением кислорода первого контейнера 210 и парциальным давлением кислорода третьего контейнера 230. Во втором контейнере 220, по мере прохождения от первой части, смежной с первым контейнером 210, ко второй части, смежной с третьим контейнером 230, парциальное кислородное давление может увеличиваться.

[59] Первый контейнер 210, второй контейнер 220 и третий контейнер 230 могут быть обеспечены в термокамере, окружающей первый контейнер 210, второй контейнер 220 и третий контейнер 230. Указанная область разделения первого контейнера 210 и третьего контейнера 230 может быть расположена таким образом, чтобы соответствовать центральной части термокамеры. Соответственно, температура в центральной части второго контейнера 220 может быть выше, чем температуры первого и третьего контейнеров 210 и 230. Температура в первом контейнере 210 и температура в третьем контейнере 230 может уменьшаться по мере удаления от центральной части второго контейнера 220.

[60] Процесс термической обработки, описанный со ссылкой на фиг. 7, будет описан с помощью модуля 200 для термической обработки, иллюстрированного на фиг. 12. По мере того, как подложка 10 проходит через первый контейнер 210 модуля 200 для термической обработки, могут выполнять термический процесс по линии 1. Первый контейнер 210 может иметь относительно низкое парциальное давление кислорода. Например, парциальное давление кислорода первого контейнера 210 может быть в диапазоне от приблизительно 1×10^-5 торр до приблизительно 1×10^-4 торр. По мере прохождения от первой входящей части 211 к первой исходящей части 212 температура в первом контейнере 210 может увеличиваться. Например, в первом контейнере 210 в области первой исходящей части 212 температура может быть приблизительно равна 800°С. По мере того, как подложка 10 проходит через второй контейнер 220 модуля 200 для термической обработки, могут выполнять термический процесс по линии 2. Например, парциальное давление кислорода второго контейнера 210 может быть в диапазоне от приблизительно 1×10^-2 торр до приблизительно 3×10^-1 торр. Во втором контейнере 220, по мере прохождения от первой части, смежной с первым контейнером 210, ко второй части, смежной с третьим контейнером 230, парциальное кислородное давление может увеличиваться. Температура в центральной части второго контейнера 220 может быть такой же или выше чем 800°С. По мере того, как подложка 10 проходит через вторую часть второго контейнера 220 и третий контейнер 230 модуля 200 для термической обработки, могут выполнять термический процесс по линии 3. Например, парциальное давление кислорода третьего контейнера 230 может быть в диапазоне от приблизительно 5×10^-2 торр до приблизительно 3×10^-1 торр. В третьем контейнере 230, по мере прохождения от второй входящей части 231 ко второй исходящей части 232 температура может уменьшаться. Например, в третьем контейнере 210 в области второй входящей части 212 температура может быть приблизительно равна 800°С.

[61] Процесс термической обработки, описанный со ссылкой на фиг. 8, будет описан с помощью модуля 200 для термической обработки, иллюстрированного на фиг. 12. Первый, второй и третий контейнеры 210, 220 и 230 сконструированы с обеспечением возможности поддержания вакуумного состояния не независимо, а зависимо. В примерном варианте осуществления изобретения первый, второй и третий контейнеры 210, 220 и 230 могут поддерживать вакуумное состояние, используя единое насосное отверстие. В другом примерном варианте осуществления изобретения первый, второй и третий контейнеры 210, 220 и 230 могут быть сконструированы, как один цилиндрический контейнер.

[62] По мере прохождения подложки 10 от входящей части модуля 200 для термической обработки к центральной части модуля 200 для термической обработки могут выполнять термический процесс по линии 1. По мере прохождения подложки 10 от центральной части модуля 200 для термической обработки к исходящей части модуля 200 для термической обработки могут выполнять термический процесс по линии 2. Например, парциальное давление кислорода модуля 200 для термической обработки может быть в диапазоне от приблизительно 1×10^-2 торр до приблизительно 3×10^-1 торр. Температура в центральной части модуля 200 для термической обработки может быть 800°С или выше. В модуле 200 для термической обработки, по мере прохождения от центральной части к входящей части и от центральной части к исходящей части температура может увеличиваться.

[63] В примерном варианте осуществления изобретения, описанном выше, хотя модуль 100 для осаждения пленки, модуль 200 для термической обработки и модуль 300 для поставки/сбора провода сконструированы, как единые, таким образом, что подложку успешно транспортируют, идея настоящего изобретения этим примерным вариантом осуществления не ограничивается. Например, для каждого из модуля 100 для осаждения пленки и модуля 200 для термической обработки может быть обеспечен модуль 300 для подачи/сбора провода. Для модуля подачи/сбора провода для модуля 100 для осаждения пленки обеспечена катушка с намотанной подложкой 10. Модуль 100 для осаждения пленки формирует предшествующую сверхпроводящую пленку на подложке 10. Модуль 100 для осаждения пленки может иметь конструкцию, отличную от конструкции в примерном варианте осуществления изобретения, описанном выше. Например, модуль 100 для осаждения пленки может быть предназначен для осаждения из паров металлоорганических соединений (MOD, metal organic deposition). Катушка с намотанной подложкой 10, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка, отделена от модуля 100 для осаждения пленки. Для модуля 200 для термической обработки может быть обеспечена подложка 10, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка. Затем подложку 10, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка, нагревают.

[64] На фиг. 13 иллюстрированы свойства критического тока под воздействием внешнего магнитного поля для сверхпроводящих проводов, сформированных посредством способа в соответствии с примерными вариантами осуществления идеи настоящего изобретения, и сверхпроводящего провода, сформированного посредством обычного способа. В частности, на фиг. 13 (а) соответствует случаю, когда пиннинговый затравочный слой содержит гафний, (b) соответствует случаю, когда пиннинговый затравочный слой содержит цирконий, и (с) соответствует случаю, когда сверхпроводящий провод сформирован обычным способом. В этом исследовании сверхпроводящим материалом являлся SmBCO, температура сверхпроводящего провода была равна 77K, а магнитное поле было равно 6 300 Гаусс. Поддерживали постоянное значение магнитного поля, а критический ток измеряли в то время, как направление магнитного поля изменялось. На чертежах угол ′0′ указывает, что направление магнитного поля параллельно поверхности сверхпроводящего провода, а угол ′90′ указывает, что направление магнитного поля вертикально по отношению к поверхности сверхпроводящего провода. Критический ток сверхпроводящих проводов в соответствии с идеей настоящего изобретения изменяется в пределах 20% в зависимости от указанных углов, тогда как критический ток сверхпроводящего провода, сформированного обычным способом, изменяется более чем на 50%. Когда ток выше критического протекает через сверхпроводящий провод, он теряет свои сверхпроводящие свойства. В силовых устройствах, таких как двигатель, генератор и т.д., магнитное поле генерируют посредством тока, протекающего через него, и трудно управлять направлением сгенерированного магнитного поля. Следовательно, критический ток сверхпроводящего провода определяют наименьшим значением в зависимости от углов. Поскольку сверхпроводящие провода в соответствии с идеей настоящего изобретения имеют небольшие колебания значения критического тока, его преимущественно можно применять в силовых устройствах.

[65] В соответствии с настоящим изобретением легко могут быть сформированы центры пиннинга магнитного поля.

[66] Раскрытый выше объект изобретения следует считать иллюстративным, а не ограничительным, а прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций, усовершенствований и других вариантов его осуществления, которые попадают в пределы истинной сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, в максимальной степени, разрешенной законом, объем идеи настоящего изобретения должен быть определен в самой широкой допустимой интерпретации нижеследующей формулы изобретения и ее эквивалентов, и не должен быть сужен до вышеприведенного подробного описания или ограничен им.

Предоставлен способ формирования сверхпроводящего провода и сверхпроводящий провод. При реализации способа на подложке формируют пиннинговый затравочный слой. Затем на подложке, на которой сформирован пиннинговый затравочный слой, формируют исходную сверхпроводящую пленку. После чего подложку, на которой сформирована исходная сверхпроводящая пленка, нагревают, чтобы сформировать сверхпроводящую пленку, содержащую на подложке центры пиннинга магнитного потока. Центры пиннинга магнитного потока содержат по меньшей мере один элемент, который движется от пиннингового затравочного слоя во время термической обработки, и по меньшей мере один элемент, включенный в исходную сверхпроводящую пленку. Изобретение обеспечивает возможность легко сформировать центры пиннинга магнитного потока. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ формирования сверхпроводящего провода, включающий:
формирование пиннингового затравочного слоя на подложке;
осаждение исходной сверхпроводящей пленки на подложке, выполненной с пиннинговым затравочным слоем, и
термическую обработку подложки, на которой осаждена исходная сверхпроводящая пленка, таким образом, что сформирована сверхпроводящая пленка, содержащая центры пиннинга магнитного потока,
причем центры пиннинга магнитного потока включают в себя по меньшей мере один элемент, который движется от пиннингового затравочного слоя во время термической обработки, и по меньшей мере один элемент, включенный в исходную сверхпроводящую пленку.

2. Способ по п. 1, в котором осаждение исходной сверхпроводящей пленки включает обеспечение на подложке редкоземельного элемента, бария и меди.

3. Способ по п. 2, в котором исходная сверхпроводящая пленка сформирована при помощи процесса реактивного совместного испарения.

4. Способ по п. 1, в котором пиннинговый затравочный слой содержит оксид циркония, цирконий, оксид олова, оксид титана, титан, оксид гафния, гафний, оксид иттрия, оксид церия или церий.

5. Способ по п. 4, в котором центры пиннинга магнитного потока содержат бариево-циркониевый оксид, бариево-титановый оксид, бариево-гафниевый оксид или бариево-цериевый оксид.

6. Способ по п. 1, в котором подложка содержит металл или оксидный буферный слой, содержащий текстурированную структуру на металлической подложке.

7. Сверхпроводящий провод, содержащий:
подложку;
пиннинговый затравочный слой на указанной подложке, причем пиннинговый затравочный слой содержит гафний; и
сверхпроводящую пленку, непосредственно контактирующую с пиннинговым затравочным слоем и содержащую центры пиннинга магнитного потока, расположенные вертикально на указанной подложке,
причем центры пиннинга магнитного потока содержат гафний, включенный в пиннинговый затравочный слой, и по меньшей мере один элемент, включенный в сверхпроводящую пленку.

8. Сверхпроводящий провод по п. 7, в котором сверхпроводящая пленка содержит редкоземельный элемент, барий и медь.

9. Сверхпроводящий провод по п. 8, в котором центры пиннинга магнитного потока содержат бариево-металлический оксид.

10. Сверхпроводящий провод по п. 7, в котором подложка содержит металл или оксидный буферный слой, содержащий текстурированную структуру на металлической подложке.

11. Способ по п. 1, в котором термическая обработка подложки содержит:
повышение температуры подложки до первой температуры, которая выше комнатной температуры при первом давлении таким образом, что пиннинговый затравочный слой и исходная сверхпроводящая пленка находятся в жидком состоянии;
увеличение парциального давления кислорода перерабатывающей камеры, в которой предусмотрена подложка, таким образом, что центры пиннинга магнитного потока формируются в исходной сверхпроводящей пленке; и
снижение температуры подложки с образованием эпитаксиальной керамической пленки из указанной жидкой исходной сверхпроводящей пленки на подложке.

12. Способ по п. 11, в котором парциальное давление кислорода перерабатывающей камеры увеличивается от 1×10^-4 торр до 1×10^-2 торр.