DE19909266A1

DE19909266A1 - Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung

Info

Publication number: DE19909266A1
Application number: DE19909266A
Authority: DE
Inventors: Makan Chen; Willi Paul
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-07
Also published as: WO2000052767A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung mit einer supraleitenden Schicht (3) aus YBa¶2¶Cu¶3¶O¶7-x¶. Als Schutz gegen die Bildung von Hot-Spots ist in gutem Wärmekontakt zur supraleitenden Schicht (3) ein elektrisch nichtleitender thermischer Bypass (5) mit einer überdurchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Der thermische Bypass (5) ermöglicht die Verteilung von lokal erzeugter Joulscher Wärme auf einen großen Bereich, verringert somit Temperaturgradienten in der supraleitenden Schicht (3) und favorisiert ein homogenes Quenchen. Der thermische Bypass (5) ist vorzugsweise eine Diamantschicht, welche mittels CVD (chemical vapor deposition) Techniken auf die supraleitende Schicht (3) aufgebracht wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der technischen Anwendung von Hochtemperatursupraleitern. Sie geht aus von einer Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiter anordnung welcher eine auf einem tragenden Substrat aufge brachte supraleitende Schicht umfasst.

STAND DER TECHNIK

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschicht-Hochtempe ratursupraleiteranordnung, wie sie aus dem Artikel von B. Gromoll et al., "Resistive Current Limiters with YBCO Films", IEEE Transactions on Applied Superconductivity Vol. 7 No. 2, 1997, p 828-831, bekannt ist. Ein Substrat dient dabei als Unterlage für eine dünne Schicht aus einem keramischen Hoch temperatursupraleitermaterial. Derartige Anordnungen finden beispielsweise Verwendung in supraleitenden Strombegrenzern für ein elektrisches Energieverteilungsnetz. Bei einem sol chen Strombegrenzer wird ausgenutzt, dass ein Supraleiter bei entsprechend tiefer Temperatur seine Supraleitfähigkeit nur solange beibehält, als die Stromdichte eines ihn durchflies senden Stromes unterhalb eines gewissen Grenzwertes bleibt. Dieser Grenzwert wird herkömmlich als kritische Stromdichte (j_c) bezeichnet und ist grundsätzlich abhängig von der Tempe ratur des Supraleiters und dem ihn durchsetzenden Magnetfeld.

Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnungen wie die ein gangs erwähnte umfassen ein normalerweise polykristallines, untexturiertes Substrat, eine qualitativ hochwertige dünne supraleitende Schicht und dazwischen eine möglicherweise texturierte Pufferschicht. Die Pufferschicht stimmt in ihren thermomechanischen Eigenschaften, insbesondere dem Wärmeaus dehnungskoeffizienten, mit dem Hochtemperatursupraleiter gut überein. Im eingangs genannten Artikel wird als Hochtempera tursupraleitermaterial insbesondere eine Verbindung mit der chemischen Formel YBa₂Cu₃O_7-x mit einer kritischen Stromdichte von 10⁶ A/cm² in Betracht gezogen. Als Pufferschicht für Hochtemperatursupraleiter bewährt hat sich vollstabilisiertes Zirkonoxid, in welchem einige Mol% Yttriumoxid zu reinem Zirkonoxid beigefügt werden. Als Substrat kommen metallische Legierungen (z. B. Hastelloy), teilstabilisiertes Zirkonoxid oder Saphir in Frage.

Zur Aufbringung der Pufferschicht und der supraleitenden Schicht werden spezielle PVD (Physical Vapor Deposition) oder CVD (Chemical Vapor Deposition) Prozesse verwendet. Dabei wird durch Bestrahlung mit Ionen, Elektronen oder einem Laser aus einem Target Material in Form einer Plasmawolke heraus gelöst. Die gegebenenfalls ionisierten Atome oder Moleküle gelangen zum Substrat und scheiden sich dort ab. Bevorzugte Verfahren zur Abscheidung der Pufferschicht sind Sputterver fahren, bei denen das Target durch Ionen bombardiert wird. Das Aufwachsen der supraleitenden Schicht erfolgt durch ther mische Co-Verdampfung (co-evaporation) oder mittels eines Laserablationsverfahrens. Die Dicke der dergestalt präparier ten supraleitenden Schicht beträgt bis 5 µm.

Verfahren zur Herstellung von Diamantbeschichtungen haben in letzter Zeit enorme Fortschritte gemacht. So ist es bereits möglich, mittels CVD (chemical vapor deposition) Verfahren dicke Schichten aus Diamant abzuscheiden, und dies bei Wachs tumsgeschwindigkeiten von über 100 µm/h. Die CVD-Diamant schichten lassen sich auf einer Vielzahl von Substraten aufbringen, welche dazu allerdings auf Temperaturen zwischen 700°C und 1100°C geheizt werden müssen. Eine Übersicht über verschiedene CVD Techniken ist in H. Liu and D. S. Dandy, "Diamond chemical vapor deposition", noyes publications, Park Ridge NJ, 1995, p. 14-19, gegeben.

Die Eigenschaften dieser, im folgenden CVD-Diamant genannten Schichten sind vergleichbar mit denjenigen von Diamant-Ein kristallen. Eine CVD-Diamantschicht weist beispielsweise ebenfalls eine herausragende Wärmeleitfähigkeit auf. Der Wärmeleitkoeffizient beträgt bei Raumtemperatur λ(300 K) = 2000 W/mK (zum Vergleich λ_Ag = 420 W/mK) und bei den im Wei teren interessierenden Temperaturen sogar λ(77 K) = 3400 W/mK (zum Vergleich λ_SL = 2 W/mK).

Für Anwendungen von Supraleitern bei hohen elektrischen Leistungen, beispielsweise in einem Kurzschluss-Strombegren zer, muss die Problematik der sogenannten "Hot-Spots" gebüh rend berücksichtigt werden. Infolge von unvermeidlichen Mate rialinhomogenitäten im Supraleiter oder wegen lokalen ther mischen Fluktuationen ist die kritische Stromdichte nicht über den ganzen Supraleiter konstant. Folglich wird im Kurz schlussfall bei der anfänglichen Zunahme des Kurzschlussstro mes die Stromdichte an der schwächsten Stelle des Supralei ters die lokale kritische Stromdichte zuerst überschreiten. An dieser Stelle des Supraleiters beginnt sich also ein Span nungsabfall aufzubauen. Dabei wird Joule'sche Wärme erzeugt, welche den Supraleiter in einem kleinen Bereich aufheizt und die Supraleitung lokal zusammenbrechen lässt. Wird die dissi pierte Energie nicht rasch genug weggeführt, entsteht ein Hot-Spot welcher letztendlich zu einer Zerstörung des Supra leiters führt.

Bei einem idealen Strombegrenzer mit perfekt konstanter kri tischer Stromdichte j_c und uniformer Stromverteilung im Supraleiter wird letzterer im Kurzschlussfall homogen über seine ganze Länge "quenchen", d. h. in den resistiven Zustand übergehen. Dadurch fällt die am entsprechenden Netzabschnitt anliegende Spannung über die ganze Länge des Supraleiters ab, was zu kleinen elektrischen Feldern und entsprechend unter kritischen Energiedichten führt. Bei realen Strombegrenzern auf Supraleiterbasis stellt sich also die Frage, wie Hot- Spots vermieden werden können beziehungsweise ein homogener Quench herbeigeführt werden kann.

Erste Abhilfe bietet zumindest ein elektrischer Bypass, wie er beispielsweise aus dem eingangs genannten Artikel bekannt ist. Dieser elektrische Bypass steht über die ganze Länge eines Hochtemperatursupraleiters mit diesem in elektrischem Kontakt und liegt somit parallel zu jedem potentiellen Hot- Spot. Der elektrische Bypass stellt einen alternativen Strom pfad dar, durch welchen der Kurzschlussstrom den Hot-Spot umgehen kann, wodurch die Spannungsverteilung homogenisiert wird.

Der elektrische Bypass ist typischerweise eine Schicht aus einem auch bei Wärmebehandlungen gegenüber dem Hochtempera tursupraleiter inerten Edelmetall wie Silber oder Gold. Um die Begrenzungseigenschaften des betrachteten Strombegrenzers nicht einzuschränken, darf der Bypasswiderstand pro Länge nicht zu klein sein. Die genannte Schicht darf also nicht zu gut leiten oder muss einen entsprechend geringen Querschnitt aufweisen. Der vom Hot-Spot übernommene Kurzschlussstrom wird auch im Bypass Joule'sche Wärme erzeugen, wodurch sich auch der elektrische Bypass mehr oder weniger schnell aufheizt und letztendlich Schaden nimmt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Dünn schicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung der eingangs ge nannten Art die Ausbildung von Hot-Spots zu verhindern.

Die Aufgabe wird durch eine Dünnschicht-Hochtemperatursupra leiteranordnung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es, die lokal konzentrierte Energie dissipation im Bereich eines potentiellen Hot-Spots möglichst schnell zu unterbinden indem die dort erzeugte Wärme in ande re Bereiche der supraleitenden Schicht geleitet wird und diese sich grossflächig erwärmt und homogen zum Quenchen gebracht wird. Da die Wärmeleitfähigkeit der supraleitenden Schicht selbst dazu nicht ausreicht, wird ein thermischer Bypass mit einer effizienten Wärmeleitfähigkeit in guten thermischen Kontakt mit der supraleitenden Schicht gebracht. In Verbindung mit einem hinreichend geringen thermischen Widerstand zwischen der supraleitenden Schicht und dem ther mischen Bypass wird lokal entstehende Wärmeenergie durch den Bypass an benachbarte Abschnitte der supraleitenden Schicht weitergeleitet. Temperaturunterschiede innerhalb der supra leitenden Schicht werden somit verringert und ein lokales Quenchen verhindert.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Dünn schicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der thermische Bypass direkt auf die supraleitende Schicht aufgebracht ist.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform sieht eine Zwischen schicht zwischen der supraleitenden Schicht und dem thermi schen Bypass vor. Diese Zwischenschicht kann sowohl (analog zur erwähnten Pufferschicht) das Aufbringen des thermischen Bypasses unterstützen oder auch als elektrische Bypassschicht dienen.

Infolge seiner exzellenten Wärmeleitfähigkeit und seiner er probten Herstellungsverfahren bietet sich eine Schicht aus CVD-Diamant als thermischer Bypass an.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen jeweils im Schnitt den Aufbau einer Dünnschicht- Hochtemperatursupraleiteranordnung, nämlich

Fig. 1 gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem thermischen Bypass, welcher unmittelbar auf der supraleitenden Schicht aufliegt,

Fig. 2 gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem sich zwischen zwei supraleitenden Schichten befindlichen thermischen Bypass,

Fig. 3 gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Zwischenschicht zwischen Supraleiter und thermischem Bypass.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Dünnschicht-Hochtem peratursupraleiteranordnung nach der Erfindung gezeigt. Diese umfasst eine dünne supraleitende Schicht 3, die mittels eines der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf ein Substrat 1 aufgebracht wurde. Zwischen dem Substrat 1 und der supraleitenden Schicht 3 befindet sich eine Pufferschicht 2, und auf der supraleitenden Schicht 3 ist ein schichtartiger thermischer Bypass 5 aufgebracht.

Die Pufferschicht 2 ist einerseits texturiert ist und ande rerseits in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an denjenigen der supraleitenden Schicht 3 angeglichen. Die Puf ferschicht 2 kann auch die Aufgabe haben, eine chemische Reaktion zwischen der supraleitenden Schicht 3 und dem Sub strat 1 zu verhindern oder die supraleitende Schicht 3 elekt risch von einem metallischen Substrat 1 zu isolieren. Es ist auch durchaus denkbar, die Pufferschicht 2 als thermischen Bypass vorzusehen, d. h. den thermischen Bypass zwischen Sub strat 1 und supraleitender Schicht 3 einzubauen. Es versteht sich, dass die Erfindung unabhängig ist vom Aufbau und der Herstellung der supraleitenden Schicht 3 und insbesondere nicht auf das Vorhandensein einer oder gar mehrerer Puffer schichten 2 angewiesen ist.

Der thermische Bypass 5 ist als Schicht ausgebildet, deren erste Hauptfläche 51 unmittelbar auf der supraleitenden Schicht 3 aufliegt. Der thermische Bypass 5 steht also in flächenhaftem Kontakt zur supraleitenden Schicht 3, wobei dieser Kontakt einen geringen Wärmeübergangswiderstand auf weist. Die in der supraleitenden Schicht 3 (oder in einem allfällig vorhandenen elektrischen Bypass, siehe unten) er zeugte Joulsche Wärme muss effizient in den thermischen By pass 5 übergehen können. Der thermische Bypass 5 ist elekt risch nichtleitend, da die Strombegrenzungseigenschaft der supraleitenden Schicht 3 nicht durch einen dazu parallelge schalteten guten elektrischen Leiter unwirksam gemacht werden soll.

Sobald nun die Kurzschlussstromdichte an der schwächsten Stelle der supraleitenden Schicht 3 die lokale kritische Stromdichte überschreitet, baut sich ein Spannungsabfall auf und Joulsche Wärme wird erzeugt. Diese Energie tritt in den benachbarten thermischen Bypass 5 über und wird dort weiter geleitet. Dadurch werden auch andere Bereiche der supralei tenden Schicht 3, in denen die kritische Stromdichte noch nicht erreicht ist, erwärmt und treten in den resistiven Zu stand über (sie "quenchen"). Dadurch fällt die am Strombe grenzer anliegende Spannung nicht nur lokal an einer einzigen Stelle ab und die Energiedissipation führt nicht zu seiner thermischen Zerstörung.

In Fig. 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Er findung dargestellt, bei welcher von der elektrischen Isola tionsfestigkeit des thermischen Bypasses 5 profitiert wird. Eine weitere supraleitende Schicht 3' ist auf der der ersten supraleitenden Schicht 3 gegenüberliegenden Seite des ther mischen Bypass 5 vorgesehen und kontaktiert diesen über seine zweite Hauptfläche 52. In dieser zweiten supraleitenden Schicht 3' fliesst der Strom I vorzugsweise in die zur Strom richtung in der ersten supraleitenden Schicht 3 entgegenge setzten Richtung. In dieser Anordnung wird auch die Wärme leitfähigkeit des thermischen Bypass 5 senkrecht zur Ebene der supraleitenden Schicht 3 optimal ausgenützt.

Solange der Wärmeübergang in den thermischen Bypass 5 gewähr leistet bleibt, können, wie in Fig. 3 dargestellt, zwischen der supraleitenden Schicht 3 und dem thermischen Bypass 5 eine oder mehrere Zwischenschichten 4 vorgesehen sein. Eine solche Zwischenschicht 4 kann sich zur Aufbringung des ther mischen Bypass 5 als vorteilhaft erweisen und eine Funktion analog zur Rolle, welche die Pufferschicht 2 für die supra leitende Schicht 3 spielt, übernehmen. Oder sie können als elektrische Bypassschicht ausgebildet sein zwecks elektri scher Stabilisierung der supraleitenden Schicht 3. Gute elektrische und somit auch thermische metallische Leiter sind wie eingangs dargelegt relativ dünn und bilden somit nur einen kleinen thermischen Übergangswiderstand, selbst sind sie aber als thermischer Bypass nicht geeignet.

Als thermischer Bypass 5 geeignet ist insbesondere eine CVD- Diamantschicht, wie sie eingangs erwähnt wurde und welche sich durch eine herausragende Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Das Aufwachsen einer CVD-Diamantschicht auf einer Hochtempe ratursupraleiter-Dünnschicht geschieht mittels einer der bekannten CVD-Techniken. Die Temperatur, auf welche das Sub strat inklusive des Hochtemperatursupraleiters dazu erwärmt wird, muss unterhalb der Zersetzungstemperatur des letzteren bleiben, sollte also für die Hochtemperatursupraleiter der YBa₂Cu₃O_7-x-Familie 900°C nicht übersteigen. Dies ist bei einigen der bekannten CVD Diamant-Beschichtungstechniken bereits gewährleistet und wird bei weiterentwickelten Verfahren eine immer geringere Anforderung bilden. Die Supraleiteranordnung kann vor oder nach dem Aufbringen der CVD-Diamantschicht noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

Zur Dimensionierung können die folgenden Angaben gemacht wer den. Die Dicke der supraleitenden Schicht 3 reicht vorzugs weise bis zu 5 µm, diejenige einer als elektrischer Bypass konzipierten Zwischenschicht 4 liegt vorzugsweise zwischen 10 nm und einigen 100 nm. Für den thermischen Bypass 5 gilt, dass die Wärmeleitung parallel zur Ebene der supraleitenden Schicht 3 umso besser ist, je dicker der thermische Bypass 5 ist. Vorzugsweise 10 µm-50 µm sind daher ausreichend.

Man beachte dass bei angewandten Tieftemperatursupraleitern die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Hot-Spots sehr gross ist (einige hundert m/s), da dort die supraleitenden Filamen te in einer Matrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingebaut sind. Weiter sei bemerkt dass der gelegentlich als Substrat 1 zur Anwendung gelangende Saphir eine stark anisotrope Wärme leitfähigkeit aufweist, welche viel ausgeprägter ist in einer Richtung senkrecht zur supraleitenden Schicht 3 als in einer Ebene parallel dazu.

Insgesamt ergibt sich unter Verwendung eines erfindungsgemäs sen thermischen Bypasses 5 ein wirksamer Schutz einer Hoch temperatursupraleiter-Dünnschicht 3 gegen die Bildung von Hot-Spots und der ihrer darauffolgenden thermischen Zerstö rung. Die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit des thermischen Bypasses 5 ermöglicht die Verteilung von lokal erzeugter Joulscher Wärme auf einen grossen Bereich, verringert somit Temperaturgradienten in der supraleitenden Schicht 3 und favorisiert ein homogenes Quenchen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Substrat

2

Pufferschicht

3

Supraleitende Schicht

4

Zwischenschicht

5

Thermischer Bypass

51

1. Hauptfläche

52

2. Hauptfläche

Claims

1. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung mit einer supraleitenden Schicht (3), welche auf ein Substrat (1) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elekt risch nichtleitender thermischer Bypass (5) vorhanden ist, welcher mit der supraleitenden Schicht (3) in Wirkverbin dung steht.

2. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Bypass (5) über eine erste Hauptfläche (51) mit der dem Substrat (1) abgewandten Seite der supraleitenden Schicht (3) in flächenhaftem wärmeleitendem Kontakt steht.

3. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Bypass (5) über eine zweite Hauptfläche (52) mit einer weiteren supraleitenden Schicht (3') in wärmeleitendem Kontakt steht.

4. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (3) aus einem keramischen Hoch temperatursupraleiter, insbesondere aus einer Verbindung gemäss der Formel YBa₂Cu₃O_7-x, besteht.

5. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Bypass (5) eine CVD-Diamantschicht ist.

6. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Bypass (5) in unmittelbarem Kontakt mit der supraleitenden Schicht (3) steht.

7. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der supraleitenden Schicht (3) und dem thermischen Bypass (5) mindestens eine Zwischenschicht (4) vorgesehen ist.

8. Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (4) eine elektrisch leitende Schicht, vorzugsweise aus Silber oder Gold, ist.