DD294122A5

DD294122A5 - Verfahren zur herstellung hochtemperatur-supraleitender schichten

Info

Publication number: DD294122A5
Application number: DD87310068A
Authority: DD
Inventors: Klaus Fischer
Original assignee: Zi F. Festkoerperphysik Uund Werkstofforschung Der Adw,De
Priority date: 1987-12-08
Filing date: 1987-12-08
Publication date: 1991-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten fuer die Elektrotechnik/Elektronik. Das Verfahren ist beispielsweise bei der Herstellung von Leitbahnen, Magnetspulen oder mikroelektronischen Schichtbauelementen anwendbar. Die Schichten werden, ausgehend von pulverfoermigem Material, gebildet, wobei nach der Erfindung fuer die Schichtbildung eine Metallegierung verwendet wird, welche aus den in der fertigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht enthaltenen Metallen besteht. Nach der Bildung wird die Schicht einer thermischen Behandlung unter Sauerstoffeinwirkung unterworfen. Das erfindungsgemaesze Verfahren ermoeglicht die Herstellung von Schichten, die eine schaerfere UEbergangskurve in den supraleitenden Zustand und hoehere Werte der kritischen Stromdichte aufweisen als die in bekannter Weise hergestellten Schichten.{Hochtemperatursupraleitung; Schicht; Elektrotechnik; Elektronik; Leitbahn; Magnetspule; Schichtbauelement; Metallpulver; Waermebehandlung; Sauerstoffeinwirkung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten für die Elektrotechnik und Elektronik. Das Verfahren ist beispielsweise für die Herstellung von Leitbahnen zum verlustlosen Transport von Strömen, insbesondere zur effektiven Übertragung elektrischer Energie, zur Herstellung von Magnetspulen mit hohen magnetischen Feldern für die Hochenergiephysik, die Medizintechnik, den Elektromaschinenbau und andere Anwendungen sowie bei der Herstellung mikrcelektronischer Schichtbauelemente und Sensoren anwendbar.

Charakteristik des bekannten Stande· dor Technik

Es ist bereits bekannt, hochtemperatur-supraleitende Schichten herzustellen, indem eine pastenförmige Dispersion, welche ein pulverförmiges hochtemperatur-supraleitendes Material enthält, auf einem Träger verdruckt und nachfolgend in oxidierender Atmosphäre eingerannt wird. Nachteilig ist, daß diese Schichten eine breite Übergangskurve in den supraleitenden Zustand und relativ niedrige Werte der kritischen Stromdichte aufweisen. Das resultiert aus einer schlechten Versinterung der hochtemperatur-supraleitenden Pulverkörner in der Schicht, welche zu einer großen Anzahl von Poren und Rissen, insbesondere an den Grenzen der Pulverkörner, führt. Risse entstehen besonders dann, wenn der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Unterlage von dem der Schicht abweicht. Daraus ergibt sich eine Einschränkung bezüglich der möglchen Trägermaterialien. So lassen sich z.B. auf für normale Schaltkreise üblichen AljO₃-Trägern keine hochtemperatur-supraleitenden Schichten herstellen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Voraussetzungen für die Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten, die eine scharfe Übergangskurve in den supraleitenden Zustand und hohe Werte der kritischen Stromdichte aufweisen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfii ,»'ing liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten, enthaltend ternäre oder kompliziertere Oxidverbindungen, die neben Kupfer ein oder mehrere Metalle der Gruppen III A oder III B des Periodensystems oder der Lanthaniden und/oder ein Erdalkalimetall enthalten, wobei die Schichten, ausgehend von pulverförmigem Material, gebildet werden, so zu gestalten, daß eine höhere Dichte sowie große Festigkeit der Schichten erreicht werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Schichtbildung eine Metallegierung verwendet wird, welche aus den in der fertigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht enthaltenen Metallen besteht, und daß die Schicht nach ihrer Bildung einer thermischen Behandlung unter Sauerstoffeinwirkung unterworfen wird.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird die Metallegierung als Bestandteil einer Dispersion verwendet, mti der die Schichten durch Verdrucken, Streichen oder Aufsprühen oder durch Tauchen der Schichtträger gebildet werden können. Die Metallegierung kann jedoch auch zweckrnäßigerweise mittels Flammspritzens oder elektromechanischer Verfahren aufgetragen werden. Vor dem erfindungsgemäß vorgesehenen thermischen Behandeln unter Sauerstoffeinwirkung kann die gebildete Schicht vorteilhaft in einer Inertatmosphäre gesintert und/oder auf ihrem Träger aufgeschmolzen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von hochtemperatur-supraleitendon Schichten, die eine schärfere Übergangskurve in den supraleitenden Zustand und höhere Werte der kritischen Stromdichte aufweisen als die nach dem Stand der Technik hergestellten Schichten. Diese Resultate sind Insofern überraschend, weil erfindungsgemäß nicht bereits supraleitende Oxidverbindungen, sondern Werkstoffe, die keine hochtemperatur-supraleitenden Eigenschaften besitzen, Verwendung finden. Besonders hervorzuheben sind auch die höhere Dichte sowie die größere Festigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Schichten. Vorteilhaft ist auch, daß die für normale Schaltkreise üblichen Träger, z. B. aus AI₂O₃, für die erfindungsgemäße Herstellung hochtemperatur-supraleitender Schichten geeignet sind.

Ausfuhrungsbelsplelo Die Erfindung Ist nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Beispiel 1

Die Metalle Y, Ba und Cu werden Im Verhältnis 1:2:3 Grammatome in einem ZrO₂-Tiegel unter einer Atmosphäre aus Reinstargon Induktiv erhitzt, bis sich die gesamte Metellmasse im schmelzflüssigen Zustand befindet. Zur guten Durchmischung wird die Masse 5 bis 10min im schmelzflüssigen Zustand gehalten und dann durch Abgießen in eine dickwandige, flache Kokille aus Kupfer zur schnellen Erstarrung gebracht. Nach Abkühlung auf Zimmertemperatur wird der spröde Ingot zunächst in gröbere Stücke zerschlagen und diese dann in einem Hartmetallmörser unter Argon in einer Schutzgasbox in Stücke von ca. 2 mm Durchmesser zerstoßen. Zur weiteren Verarbeitung zu Pulver wird das Granulat 15 min in einem Hartmetallbehälter unter Verwendung von Zyklohexan als Mahlflüssigkeit, die das metallische Granulat vor Oxidation schützt, in einer Planetmühle gemahlen. Das entstehende Metallpulver hat eine Korngröße von <30μιτ>. Durch Abdampfen unter Vakuum wird das Zyklohexan weitgehend aus dem Metallpulver entfernt. Das Metallpulver wird sofort in einer Lösung von 3% Ethylzellulose in Terpineol zunächst durch Rühren und dann mittels eines Dreirollenwalzwerkes dispergiert. Zur Vermeidung von Oxidation darf das Metallpulver nicht ungeschützt an Luft stehen.

Mit der so hergestellten, das Legierungspulver enthaltenden Paste werden nach dem bekannten Siebdruckverfahren auf ZrO₂-Substrate (60mm x 50mm x 1 mm³) Leitbahnen von 10mm Länge, 40Mm Breite und 30pm Dicke gedruckt. Die Leitbahnschichten werden in Inertatmosphäre (H₂) bol 970K gesintert bzw. aufgeschmolzen, so daß dichte metallische Schichten entstehen. Anschließend werden die Substrate in einem O₂-SUOm (150 l/h) bei einem Ofenquerschnitt von 0 70 mm mit 50 K/min bis auf 1200K aufgeheizt, 10min bei dieser Temperatur gehalten und anschließend mit 150K/min auf Zimmertemperatur abgekühlt. Bei dieser Wärmebehandlung wird die Metallegierung in der Leitbahn zu der Verbindung YBa₂Cu₃O₇-O oxidiert, die eine dichte, auf der ZrO₂-Unterlage festhaftende Schicht bildet. Eine Widerstandsmessung bei tiefen Temperaturen zeigt, daß diese Schicht unterhalb 9OK supraleitend ist.

Beispiel 2

Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wird ein Pulver der Y-Ba-Cu-Legierung hergestellt, das die genannten Metalle Y, Ba und Cu (im Verhältnis 1:2:3 Grammatome) im gleichen Verhältnis wie die Verbindung YBa₂Cu₃O₇-S enthält. Das Pulver wird unter Ar-Atmosphäre durch Plasmaspritzen in bekannter Weise auf eine ZrO₂-Unterlage von einigen mm Breite in 10cm Länge aufgesprüht, so daß eine 50pm dicke Schicht der Y-Ba-Cu-Leglerung auf der Zr-Unterlage entsteht. Die ZrO₂-Unterlage wird in gleicher Weise wie im Beispiel 1 im Sauerstoffstrom wärmebehandelt, wobei die Legierung zu der Verbindung YBa₂Cu₃O₇-S oxidiert wird und auf der ZrO₂-Unterlage eine dichte, festhaftende Schicht bildet. Eine Widerstandsmessung bei tiefen Temperaturen zeigt, daß diese Schicht unterhalb 90 K supraleitend ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von hochtemperatur-supraleitender Schichten, enthaltend ternäre oder kompliziertere Oxidverbindungen, die neben Kupfer ein oder mehrere Metalle der Gruppen III A oder III B des Periodensystems oder die Lanthaniden und/oder ein Erdalkalimetall enthalten, wobei die Schichten, ausgehend von pulverförmigem Material, gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schichtbildung eine Metallegierung verwendet wird, welche aus den in der fertigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht enthaltenen Metallen besteht, und daß die Schicht nach ihrer Bildung einer thermischen Behandlung unter Sauerstoff einwirkung unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung als Bestandteil einer Dispersion, mit der die Schichten durch Verdrucken, Streichen oder Aufsprühen oder durch Tauchen der Schichtträger gebildet werden können, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung mittels Flammspritzen oder elektrochemischer Verfahren aufgetragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete Schicht vor der thermischen Behandlung in einer Inertatmosphäre gesintert und/oder auf ihren Träger aufgeschmolzen wird.