專利名稱：超導膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在磁場中具有高臨界電流密度的超導薄膜和厚膜，以及其制造方法，該膜可應(yīng)用于電纜、磁體、防護體、限流器、微波設(shè)備以及這些制品的半成品等中。
背景技術(shù)：
不低于較低臨界磁場Hcl的磁場施加于超導體時，形成量子化磁通線(φ0＝2.07×10-15Wb)并且穿入超導體。該狀態(tài)下引起電流流動時，洛侖茲力作用于量子化磁通線。該量子化磁通線開始移動時，產(chǎn)生電壓且超導狀態(tài)被破壞。已知，例如在由高溫氧化物超導體YBa2Cu3O7-x(YBCO)構(gòu)成的超導膜中，如自然引入的氧缺位和細小雜質(zhì)那樣的點狀缺陷起到量子化磁通線釘扎中心的作用。此外，已知如位錯那樣的一維缺陷和如晶界那樣的二維缺陷也可作為釘扎中心。在YBCO的情況下，這些晶體缺陷以垂直于膜平面的方向存在是很重要的。通常，YBCO基高溫超導體是具有高度晶體各向異性的材料，因而，與外加磁場垂直于晶體c軸的情況相比，外加磁場平行于晶體c軸時，Jc趨于大大地降低。通常使用的YBCO薄膜以使c軸垂直于膜平面(表面)地形成，因此外加磁場垂直于膜平面(表面)時，Jc大大降低。當由YBCO薄膜制造的超導帶用于形成線圈時，由于平行磁場及垂直磁場作用于該超導帶上，因此平行于c軸的低Jc的磁場成分決定了線圈的性能。然而，當在平行于c軸的方向上存在一維缺陷或晶界時，它們成為量子化磁通線的釘扎中心，并且在該方向上，Jc增加。因此，一維缺陷或晶界的晶體取向?qū)τ诰€圈性能的提高非常重要。相反，由于點狀缺陷等為各向同性，因此這種情況不適用于點狀缺陷等。
Dam已報道了YBCO膜中的位錯密度與Jc的相互關(guān)系(參見B.Dam等，Nature，Vol.399，p439，1999)。根據(jù)該報導，盡管難以控制膜生長過程中自然引入的位錯的單位面積密度，但以不同的方式改變膜的形成條件，可獲得10μm-2至100μm-2的位錯密度，而且Jc隨位錯密度的增加而增加。
晶界不僅起到釘扎中心的作用，還起到超導電流壁壘的作用。事實上，在YBCO等高溫超導膜中，在具有大傾角(晶界對YBCO平面的法線的角度)的晶界上，Jc很小，但當傾角小時，可保持大的Jc。小角晶界可視為位錯陣列。盡管位錯是絕緣體(非超導體)，但在位錯間具有大間距的小角晶界中，位錯間存在強耦合的超導部分并且有大的超導電流流過小角晶界。然而，當傾角增加并且位錯應(yīng)變開始交疊，電流幾乎不可能流動。如果晶界平面平行于電流方向，則其成為非常有效的釘扎中心。然而，通常晶界平面無序存在，難以通過控制晶界傾角來控制Jc。
另一方面，大小接近于超導體相干長度的細小沉淀物作為釘扎中心也有效。此外，由平板印刷引入的人工缺陷以及由電子束輻射和重離子輻射引入的柱狀晶體缺陷也成為釘扎中心。有可能通過平板印刷在膜中引入預(yù)期的釘扎中心。
盡管還未能將釘扎直徑減小到納米級，但在采用電子束照射的情況時，有報導稱釘扎直徑可降低到10nm至20nm數(shù)量級。釘扎間隔也可調(diào)整至相同的范圍。臨界電流測量實驗的實例表明，在磁場中出現(xiàn)超導性能的某些峰，其取決于量子化磁通線與釘扎排列間的相互關(guān)系(參見J.Y.Lin等，Phys.Rev.B54，R12712，1996)。盡管該方法在人工釘扎引入方面是有效的，但從實用的觀點出發(fā)，其生產(chǎn)能力低，并且對于大面積生產(chǎn)和金屬線生產(chǎn)成本過高。在重離子輻射等情況時，在超導晶體中形成柱狀缺陷，并可有效地提高Jc。然而，設(shè)備成本與離子加速的成本非常高。此外，在某些情況下，材料是放射性的，因而這些方法不實用。
為了在膜中引入如位錯那樣的晶體缺陷，也有可利用的方法，通過該方法，在基底表面形成如納米點那樣的島狀晶體，并在此島狀晶體上形成超導膜。有一個典型的報導，在該情況下，通過在基底上形成銀納米點來提高Jc(參見A.Crisan等，Appl.Phys.Lett.，Vol.79，p 4547，2001)。Dam的文獻提出一原則，即膜在基底上生長的過程中存在細小的沉淀物時，在細小的沉淀物上，膜的生長失去連續(xù)性，造成晶體缺陷、位錯和晶界(參見B.Dam等，Physica C341-348，p2327，2000)。然而，根據(jù)這些技術(shù)，所引入的缺陷隨機排列并且釘扎力平均。因此，這些技術(shù)在顯著提高Jc方面有其局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在基底上形成的超導膜中提供理想的釘扎中心結(jié)構(gòu)以及引入釘扎中心的方法。本發(fā)明的另一目的是提供以低成本提高Jc的技術(shù)，該技術(shù)可用于所有膜狀的II型超導體。
本發(fā)明第一實施方式的超導膜具有基底及形成在基底上的超導層，其中，在基底表面形成平行于電流方向的納米凹槽，在該基底表面形成超導層，并且在位于納米凹槽上的超導層中引入二維晶體缺陷。該二維晶體缺陷的每一個在電流方向上可能是連續(xù)的，可能是不連續(xù)的二維晶體缺陷陣列，或其可能是在基底上呈不規(guī)則分布。二維晶體缺陷可為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。優(yōu)選納米凹槽的寬度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于電流的方向上，相鄰納米凹槽間平均中心間距不大于500nm。基底可以是具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)、燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)等的氧化物基底。作為選擇，基底可以是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。超導層可由選自下組中的超導材料形成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。同樣，超導層可以由多層形成，并且除頂層外，在多層的各層中可形成納米凹槽。
本發(fā)明第二實施方式的超導膜具有基底及形成在該基底上的超導層，其中，在基底表面上形成平行于電流方向的納米凹槽，在該基底表面形成超導層，在納米凹槽上形成缺陷引導部分，在位于缺陷引導部分的超導層中引入二維晶體缺陷。該二維晶體缺陷的每一個在電流方向上可能是連續(xù)的，其可能是不連續(xù)的二維晶體缺陷陣列，或其可能是在基底上呈不規(guī)則分布。二維晶體缺陷可為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。優(yōu)選納米凹槽的寬度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于電流的方向上，相鄰納米凹槽間平均中心間距不大于500nm?；卓梢允蔷哂锈}鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)、燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物基底。作為選擇，基底可以是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。超導層可由從選自下組中的超導材料形成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。缺陷引導部分可由金屬、金屬間化合物，氮化物或氧化物形成。同樣，超導層可由多層形成，并且除頂層外，在該多層的各層中均可形成納米凹槽。
本發(fā)明第三實施方式的超導膜具有基底及形成在該基底上的超導層，其中，在基底表面形成平行于電流方向的納米孔列，在該基底表面形成超導層，且在位于納米孔上的超導層中引入一維晶體缺陷列。該一維晶體缺陷列的每一個可在電流方向上連續(xù)，其可為不連續(xù)的一維晶體缺陷列，或可在基底上呈不規(guī)則分布。一維晶體缺陷可為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。優(yōu)選納米孔的直徑不大于100nm，并且在垂直于電流的方向上，相鄰納米孔間中心間距不大于500nm。基底可為具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)、燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物基底。作為選擇，基底可為在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。超導層可由選自下組中的超導材料形成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。同樣，超導層可由多層形成，并且除頂層外，在該多層的各層中均可形成納米孔。
本發(fā)明第四實施方式的超導膜具有基底及形成在該基底上的超導層，其中，在基底表面上形成平行于電流方向的納米孔列，在該基底表面形成超導層。在納米孔上形成缺陷引導部分，并且在位于缺陷引導部分上的超導層中引入一維晶體缺陷列。一維晶體缺陷列的每一個可在電流方向上連續(xù)，其可為不連續(xù)的一維晶體缺陷陣列，或其可在基底上呈不規(guī)則分布。一維晶體缺陷可為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。優(yōu)選納米孔的直徑不大于100nm，并且在垂直于電流的方向上，相鄰納米孔間平均中心間距不大于500nm?；卓蔀榫哂锈}鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)、燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物基底。作為選擇，基底可為在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。超導層可由選自下組中的超導材料形成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。缺陷引導部分可以由金屬、金屬間化合物、氮化物或氧化物形成。同樣，超導層可以由多層形成，并且除頂層外，在該多層的各層中形成納米孔。
本發(fā)明的第一與第二實施方式的超導膜可通過下述方法制造，該方法包括以下步驟在基底上形成納米凹槽，在納米凹槽上任意地形成缺陷引導部分，并在該基底上生長超導層。可通過機械拋光、刻蝕、納米刻印、加工模式的AFM或納米平板印刷完成形成納米凹槽的步驟。優(yōu)選地，納米凹槽以這樣的方式形成該納米凹槽寬度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于電流流動方向的方向上，相鄰納米凹槽間平均中心間距不大于500nm。另一方面，形成超導層的步驟可通過PLD、蒸鍍、濺射、CVD和MBE或MOD方法來完成。此外，形成缺陷引導部分的步驟可通過PLD、蒸鍍、濺射、CVD、或MBE方法來完成。
本發(fā)明的第三與第四實施方式的超導膜可通過下述方法制造，該方法包括以下步驟在基底上形成納米孔列，在納米孔上任意地形成缺陷引導部分，并且在該基底上生長超導層。形成納米孔列的步驟可通過機械拋光、刻蝕、納米刻印、加工模式的原子力顯微術(shù)(AFM)或納米平板印刷來完成。優(yōu)選地，納米孔以這樣的方式形成該納米孔直徑不大于100nm，并且在垂直于電流流動方向的方向上，相鄰納米孔陣列間的平均中心間距不大于500nm。另一方面，形成超導層的步驟可通過脈沖激光沉積(PLD)、蒸鍍、濺射、化學氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)或金屬有機沉積(MOD)方法來完成。此外，形成缺陷引導部分的步驟可通過PLD、蒸鍍、濺射、CVD或MBE方法來完成。
根據(jù)具體如上所述的本發(fā)明，可在超導膜中引入具有良好釘扎效率的強釘扎中心，并且可以以低成本制造具有很高Jc的超導膜。由于引入本發(fā)明超導膜中的釘扎中心沿電流流動方向排列，因此釘扎中心不會阻礙電流流通的路徑。因此，本發(fā)明的超導膜在要求流通大電流的應(yīng)用，如電纜、磁體、防護體、限流器、微波設(shè)備以及這些制品的半成品中是有用的。
根據(jù)下述具體實施方式
并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述以及其它目的、效果、特點和優(yōu)點會更加顯而易見。


圖1為本發(fā)明第一實施方式的超導膜的透視剖面圖；圖2為本發(fā)明第二實施方式的超導膜的透視剖面圖；圖3為本發(fā)明第三實施方式的超導膜的透視剖面圖；圖4為本發(fā)明第四實施方式的超導膜的透視剖面圖；圖5A為本發(fā)明超導膜中納米凹槽排列的一個實例的示意性俯視圖，該納米凹槽是連續(xù)的；圖5B為本發(fā)明超導膜中納米凹槽排列的一個實例的示意性俯視圖，該納米凹槽是不連續(xù)的；圖5C為本發(fā)明超導膜納米凹槽排列的一個實例的示意性俯視圖，該納米凹槽呈不規(guī)則排列；圖6A為本發(fā)明超導膜中納米孔排列的一個實例的示意性俯視圖，該納米孔是連續(xù)的；圖6B為本發(fā)明超導膜中納米孔排列的一個實例的示意性俯視圖，該納米孔是不連續(xù)的；以及圖6C為本發(fā)明超導膜中納米孔排列的一個實例的示意性俯視圖，該納米孔呈不規(guī)則排列。
具體實施例方式
本發(fā)明第一實施方式的超導膜如圖1所示。圖1的超導膜具有基底1和形成在基底1上的超導層3。在形成有超導層3的基底表面上，形成平行于電流流動方向的納米凹槽2，并且在位于納米凹槽2上的超導層中引入二維晶體缺陷4。二維晶體缺陷4起到二維釘扎中心的作用。
基底1可使用氧化物基底，該氧化物具有鈣鈦礦型晶體，如SrTiO3和LaAlO3；鹽巖型晶體，如MgO，NiO；尖晶石型晶體，如MgAl2O4；釔穩(wěn)定的氧化鋯；螢石型晶體，如CeO2；稀土C型晶體和燒綠石型晶體。作為選擇，可采用具有緩沖層的基底作為基底1其中，其上形成有緩沖層的基底可以是上述氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、純鎳基底、Ni-Cr和Ni-W等的鎳基合金基底、純銅基底、Cu-Ni等的銅基合金基底或Fe-Si的鐵基合金基底、不銹鋼等；其中，形成在基底表面上的緩沖層可以由上述的氧化物或硼化物(MgB2等)制成。通過使用這樣的基底，可在基底1的表面上形成含有c-軸取向超導體的超導層。
納米凹槽2是形成在基底1中的許多槽，并且寬度不大于100nm，并優(yōu)選為5nm至50nm，深度不大于100nm，并優(yōu)選為5nm至50nm。納米凹槽的寬度最好大于量子化磁通線的直徑(超導材料相干長度ξ的2倍)，其取決于組成超導層3的超導材料。垂直于電流流動方向的納米凹槽間的平均中心間距最好小于量子化磁通線點陣的晶格常數(shù)af(＝1.07×(f0/B)1/2，B表示施加于超導層3的磁場)。納米凹槽間的平均中心間距通常不大于500nm，優(yōu)選為15nm至300nm，特別優(yōu)選為20nm至200nm，其取決于外加磁場B。當納米凹槽的寬度、深度和平均中心間距在上述范圍內(nèi)時，超導層中的量子化磁通線可被有效地釘扎。
各納米凹槽2在超導膜的電流流動方向上可以是連續(xù)的(參見圖5A)或可以是不連續(xù)凹槽陣列(參見圖5B)。電流流動方向上不連續(xù)部分的兩納米凹槽間的距離最好小于超導層3中量子化磁通線點陣的晶格常數(shù)。通常該距離不大于500nm，優(yōu)選為15nm至300nm，更優(yōu)選為20nm至200nm，其取決于施加于超導層的磁場B。作為選擇，若納米凹槽的主軸平行于電流方向(參見圖5C)，多數(shù)納米凹槽2可在基底1上呈不規(guī)則排列。同樣在該情況下，納米凹槽間的平均中心間距最好在上述范圍內(nèi)。此外，當納米凹槽2不連續(xù)或呈不規(guī)則排列時，不連續(xù)部分最好在垂直于電流方向的方向上不對齊。這是因為若不連續(xù)部分在該方向上對齊，則量子化磁通線在該部分的釘扎效果會降低。
組成超導層3的材料可以是具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素(具有原子數(shù)57至71的元素)中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。本發(fā)明中含有MgB2作為其主要組分的超導材料意指可含有碳、氧或SiC等雜質(zhì)的MgB2。這些材料以c軸取向的狀態(tài)(這些材料的c軸平行于基片表面的法線)沉積在基底1的表面上，形成超導層3，其具有平行于基底平面的超導平面。超導層3的膜厚通常在0.1μm至10μm的范圍內(nèi)，并優(yōu)選在0.1μm至5μm的范圍內(nèi)。
基底1上的納米凹槽2可采用機械拋光(納米刮痕)、刻蝕、納米刻印、加工模式的AFM或納米平板印刷形成。優(yōu)選的方法包括納米刮痕、納米刻印、加工模式的AFM。例如，納米刮痕和納米刻印可利用金剛石等磨粒沿電流方向拋光來完成；或者用具有顯微突起的夾具緊壓住基底1，該顯微突起具有預(yù)期的形狀和間隔，然后沿電流方向移動夾具。作為選擇，可通過使用AFM對基底進行連續(xù)處理來形成納米凹槽2，其中，在該AFM的探針上施有高壓。
超導層3可通過使用PLD、蒸鍍、濺射、CVD、MBE或MOD方法來形成。當超導層3在具有納米凹槽2的基底1表面上形成時，在平坦部分生長的膜與在納米凹槽2上形成的膜具有不同的晶體取向。因此，由此可見在二者相遇的區(qū)域形成位錯和/或晶界。此外，在納米凹槽上，有可能形成無定形體，或作為選擇，由于組成差異的存在而形成具有很多缺陷的晶體。因此，在納米凹槽2上形成非超導層或低臨界溫度超導層。在本說明書中，超導層3中的位錯、晶界、無定形體、非超導體和低臨界溫度超導體統(tǒng)稱為“晶體缺陷”。這些晶體缺陷不會隨膜的生長而消失并形成從基底上的納米凹槽2至超導層3表面連續(xù)的二維晶體缺陷4。盡管對于二維晶體缺陷4，不總是必須垂直于基底平面，但其最好以近于垂直基底平面的角度存在。這些不具有超導性能或具有弱超導性能的二維晶體缺陷4起到二維釘扎中心的作用。
按照這樣的排列，二維晶體缺陷4平行于電流方向排列，因而它們不阻礙電流的流動。當磁場垂直地施加于超導層3時，量子化磁通線趨于向二維晶體缺陷4移動。這是因為作用于量子化磁通線的洛侖茲力在平行于基底平面且垂直于電流流動的方向上起作用。然而，由于通過克服磁通線點陣中的相互作用，本發(fā)明的二維晶體缺陷4甚至可釘扎趨于移動的量子化磁通線，因此，二維釘扎中心(二維晶體缺陷4)可釘扎所有量子化磁通線。與隨機分布的點狀釘扎中心如氧缺陷和雜質(zhì)或一維釘扎中心如位錯或柱狀缺陷相比，本發(fā)明的二維釘扎中心具有很高的釘扎效率，其沿電流流動方向規(guī)則排列。
上述結(jié)果歸因于維數(shù)的問題，在釘扎線狀的量子化磁通線時，以二維釘扎中心釘扎較好。由于本發(fā)明的二維釘扎中心(二維晶體缺陷4)能以少量的釘扎中心釘扎更大量的量子化磁通線，從而增大了磁場中的Jc。此外，與一般的在超導層中隨機出現(xiàn)的晶界相反，由于二維晶體缺陷4平行于電流流動方向，因此其能有效地作用而不阻斷電流通路。盡管期望二維晶體缺陷4在電流流動方向上連續(xù)擴展，但其連續(xù)并不總是必要的，并且如上所述其可為不連續(xù)的。若不連續(xù)的二維缺陷的主軸方向平行于電流流動方向，甚至當不連續(xù)的二維缺陷不規(guī)則地分布在基底上時，也可獲得相同的效果。
二維晶體缺陷4的厚度可通過調(diào)節(jié)納米凹槽2的寬度來控制。因為二維晶體缺陷4是位錯、晶界、無定形體、非超導體或具有低臨界溫度的超導體，因此其具有量子化磁通線的釘扎交互作用。此外，可通過控制二維晶體缺陷4的尺寸調(diào)節(jié)釘扎勢深度與勢陡度來控制釘扎力的大小。每單位長度的量子化磁通線的釘扎能可表示為(1/2μ0)Bc2×πξ2其中μ0是真空磁導率，Bc是用于超導層3的材料的熱力學臨界磁場，ξ是相干長度。ξ的長度取決于溫度。因此，當最優(yōu)的釘扎中心(二維晶體缺陷4)的尺寸隨超導膜的工作溫度變化時，釘扎力的最優(yōu)值可通過改變納米凹槽的寬度和平均中心間距來選擇。
作為該第一實施方式的一種備選方案，超導材料可用作緩沖層。即，首先在基底1上形成超導材料的薄緩沖層，隨后以如上所述相同的方法形成納米凹槽2并可形成超導層3。同樣在該情況下，在位于納米凹槽2上的超導層3中形成二維晶體缺陷4。優(yōu)選可用的超導材料是與用于超導層3的材料相同的氧化物或硼化物。例如，當超導層3由LnBa2Cu3O7+x形成時，緩沖層可由相同的LnBa2Cu3O7+x形成或可由其中僅Ln被替換的材料形成。由于緩沖層是與超導層3相同類型的超導膜，因此在沒有納米凹槽形成的區(qū)域，該緩沖層具有有利于該區(qū)域超導層3外延生長的效果。
作為該第一實施方式的另一備選方案，超導層3可由多層形成，并且除頂層外，在多層的各層中形成納米凹槽。在超導層厚且二維晶體缺陷的分布隨形成超導層3的進行而降低的情況下，該備選的實施方式適于引入預(yù)定密度的二維晶體缺陷4。
本發(fā)明第二實施方式的超導膜如圖2所示。圖2的超導膜具有基底1，其中在其表面上形成平行于電流流動方向的納米凹槽2，在該表面上形成超導層3，缺陷引導部分5在納米凹槽2上形成并且超導層3在基底1和缺陷引導部分5上形成，在位于缺陷引導部分5上的超導層3中引入二維晶體缺陷4。二維晶體缺陷4起到二維釘扎中心的作用?；?、納米凹槽2與超導層3與在第一實施方式中相同。
缺陷引導部分5由板狀晶體或島狀晶體族形成。納米凹槽2作為優(yōu)選的成核位置，從而在其上形成缺陷引導部分5?？捎玫牟牧习ǎ?，金屬，如Ag和Pt(該金屬最好具有高熔點)；金屬間化合物，如AgY和Pt3Y；氮化物，如GdN和YN；以及氧化物，如Y2O3和CeO2。盡管在本發(fā)明中，優(yōu)選缺陷引導部分5由不同于基底1的材料形成，但缺陷引導部分5可由與基底1同類但具有不同晶體取向的材料形成。缺陷引導部分5通過選自PLD、蒸鍍、濺射、CVD和MBE中的方法，將上述材料沉積在基底1上而形成。在該情況下，由于納米凹槽2與平坦的基底1相比，是優(yōu)選的成核位置，因此這樣的材料在納米凹槽2上成核和生長。通過調(diào)節(jié)材料的供應(yīng)時間、膜形成時間和膜形成溫度，可在納米凹槽2上形成適當尺寸的板狀晶體或島狀晶體族。通過適當選擇基底1與上述材料的潤濕能力，可調(diào)節(jié)晶體是以片狀形式還是以島狀形式生長。
不像納米點在基底上隨機地形成，缺陷引導部分5規(guī)則地排列使得其形狀平行于電流流動方向，并且在這方面，本發(fā)明與現(xiàn)有工藝大大地不同。由于缺陷引導部分5表面的光滑度，和/或缺陷引導部分5的表面上超導材料的沉積速度、晶體取向等與基底1的不同，二維晶體缺陷4在形成于缺陷引導部分5上的超導層3中形成。這些二維晶體缺陷4以與在第一實施方式中相同的方式起著二維釘扎中心的作用，其提供了優(yōu)良的釘扎效率。
同樣在該結(jié)構(gòu)中，由于二維晶體缺陷4平行于電流流動方向排列，因此通過克服磁通線點陣間的相互作用甚至可以釘扎趨于移動的量子化磁通線。因此，能獲得具有很高釘扎效率的二維釘扎中心。
二維晶體缺陷4的厚度可通過調(diào)節(jié)缺陷引導部分5的寬度(即納米凹槽2的寬度)來控制。此外，釘扎力的大小可通過控制二維晶體缺陷4的尺寸以調(diào)節(jié)釘扎勢的深度和勢的陡度來控制。當最優(yōu)的釘扎中心(二維晶體缺陷4)的尺寸隨超導膜的工作溫度變化時，釘扎力的最優(yōu)值可通過改變納米凹槽的寬度和平均中心間隙來選擇。
作為這第二實施方式的備選方案，以與第一實施方式相同的方式，超導材料可用作緩沖層。同樣在該情況下，二維晶體缺陷4在缺陷引導部分5上形成。可使用的超導材料與第一實施方式中的相同，并且由于緩沖層是與超導層3相同類型的超導膜，在無缺陷引導部分5形成的區(qū)域，該緩沖層具有有利于該區(qū)域超導層3外延生長的效果。
作為這個第二實施方式的另一備選方案，超導層3可由多層形成，并且除頂層外，在多層的各層中均可形成納米凹槽。在超導層厚且二維晶體缺陷的分布隨超導層3的形成而降低的情況下，該備選的實施方式適于引入預(yù)定密度的二維晶體缺陷4。
本發(fā)明第三實施方式的超導膜如圖3所示。圖3的超導膜具有基底1和形成于基底1上的超導層3。在基底表面平行于電流流動方向上形成納米孔列6，在該基底表面形成超導層3，并且在位于納米孔6上的超導層中引入一維晶體缺陷7。一維晶體缺陷7起到釘扎中心的作用?；?與超導層3與第一實施方式中的相同。
納米孔6是在基底上形成的許多不貫通孔，并且在基底1上形成平行于電流流動方向的列?！凹{米孔6列”意指在平行于電流流動方向的方向上相鄰納米孔6之間的間距小于超導層3中的量子化磁通線點陣的晶格常數(shù)af。在平行于電流流動方向的方向上，相鄰納米孔6的間距通常不大于250nm，并且優(yōu)選在20nm至150nm的范圍內(nèi)，其取決于施加于超導層3的磁場B。一維晶體缺陷列7由具有這樣間距的納米孔列6形成，一維晶體缺陷列7相對于量子化磁通線是稠密的并且具有與二維釘扎中心同樣的效果。即可有效地阻止量子化磁通線通過一維晶體缺陷列7而移動。
納米孔6的直徑最好大于構(gòu)成超導層3的量子化磁通線的直徑(超導材料相干長度ξ的二倍)。納米孔6的直徑最好不大于100nm，并優(yōu)選在5nm至50nm的范圍內(nèi)，其取決于超導層3的材料。納米孔陣列6之間的平均中心間距通常不大于500nm，優(yōu)選15nm至300nm，更優(yōu)選20nm至200nm，其取決于外加磁場B。當納米孔陣列6的寬度、深度和中心間距在上述范圍內(nèi)，超導層3中的量子化磁通線可有效地被釘扎。
納米孔列6的各列可以在超導膜的電流流動方向上是連續(xù)的(參見圖6A)或可以是不連續(xù)的列(參見圖6B)。在電流流動方向不連續(xù)部分的兩列納米孔之間的距離最好小于超導層3中量子化磁通線點陣的晶格常數(shù)af。該距離通常不大于500nm，優(yōu)選15nm至300nm，更優(yōu)選20nm至200nm，其取決于施加于超導層3的磁場B。作為選擇，若納米孔的主軸平行于電流流動方向(參見圖6C)，多個納米孔列6可不規(guī)則地排列在基底1上。同樣在該情況下，沿電流流動方向相鄰納米孔列6間的距離以及平行于電流流動方向的中心間距最好在上述范圍內(nèi)。在圖6B和圖6C的情況下，不連續(xù)部分最好不以垂直于電流流動的方向?qū)R。這是因為如果在不連續(xù)部分以該方向?qū)R，量子化磁通線的釘扎效果在此部分會降低。在圖6A至圖6C的情況下，在垂直于電流流動的方向上，鄰近的兩列納米孔中，納米孔可能以相互嵌套的狀態(tài)排列(即一列納米孔的位置相應(yīng)于另一列的間隔位置，反之亦然，圖6A和圖6B的狀態(tài))，或在垂直于電流流動的方向上排列納米孔。
基底1上的納米孔6可通過使用機械拋光(納米刮痕)、刻蝕、納米刻印、加工模式的AFM或納米平板印刷形成。優(yōu)選的方法包括納米刻印和加工模式的AFM。例如，納米刻印可通過用具有顯微突起的夾具緊壓住基底1來完成，該顯微突起具有期望的形狀和間距。作為選擇，納米孔6可通過使用AFM對基底進行間歇處理而形成，該AFM的探針上施有高壓。
當超導層3在具有納米孔6的基底表面上形成時，一維“晶體缺陷”以與具有納米凹槽2的情況下相同的方式在納米孔6上形成。除了納米孔6上的晶體缺陷7在形狀上是一維的而不是二維的之外，在納米孔6上的晶體缺陷7與第一實施方式的“晶體缺陷”一樣。納米孔6上的晶體缺陷隨膜的生長不會消失并且形成從基底上的納米孔6到超導層3表面連續(xù)的一維晶體缺陷7。該不具有超導性能或具有弱超導性能的一維晶體缺陷7成為一維釘扎中心。盡管一維晶體缺陷7垂直于基底平面并不總是必需的，但一維晶體缺陷最好以近于垂直于基底平面的角度存在。
根據(jù)該實施方式的排列，一維晶體缺陷列7由于平行于電流流動方向排列，因而其不阻礙電流。當磁場垂直地施加于超導層3時，量子化磁通線趨于移向一維晶體缺陷7的端部。這是因為洛侖茲力是在平行于基底表面且垂直于電流流動的方向上。然而，本發(fā)明的一維晶體缺陷7是稠密的，通過克服磁通線點陣間的相互作用，該一維晶體缺陷列7甚至能釘扎趨于移動的量子化磁通線，因此該一維晶體缺陷7列能對所有量子化磁通線起釘扎作用。本發(fā)明的釘扎中心的結(jié)構(gòu)具有很高的釘扎效率。
一維晶體缺陷7的直徑可通過調(diào)節(jié)納米孔6的直徑來控制。因為一維晶體缺陷7是位錯、晶界、無定形體、非超導體或具有低臨界溫度的超導體，因此其具有量子化磁通線的釘扎相互作用。此外，釘扎力的大小可通過控制納米孔6的尺寸以調(diào)節(jié)釘扎勢的深度和勢的陡度來控制。當最優(yōu)的釘扎中心(一維晶體缺陷7)尺寸隨超導膜的工作溫度變化時，可通過改變納米孔的直徑、沿電流流動方向納米孔之間的間隔和垂直于電流流動的方向上納米孔列的平均中心間隔來選擇。
作為該第三實施方式的備選方案，超導材料可用作緩沖層。即，首先在基底1上形成超導材料的薄緩沖層后，隨后通過與如上所述相同的方法形成納米孔6并形成超導層3。同樣在該情況下，在位于納米孔6上的超導層3中形成一維晶體缺陷7。優(yōu)選可用的超導材料為與用作超導層3的材料相同的氧化物或硼化物。例如，當超導層3由LnBa2Cu3O7+x形成時，緩沖層可由相同的LnBa2Cu3O7+x形成或可由其中僅有Ln被替換的材料形成。由于緩沖層是與超導層3相同類型的超導膜，在沒有納米孔形成的區(qū)域，該緩沖層具有有利于該區(qū)域超導層3外延生長的效果。
作為該第三實施方式的另一備選方案，超導層3可由多層形成，并且除頂層外，在多層的各層中均可形成納米孔。在超導層3厚且一維晶體缺陷的分布隨形成超導層3的進行而降低的情況下，該備選的實施方式適于引入預(yù)定密度的一維晶體缺陷7。
本發(fā)明第四實施方式的超導膜如圖4所示。圖4的超導膜具有基底1，其中，在其表面形成平行于電流流動方向的納米孔列6，在該表面上形成超導層3，缺陷引導部分8在納米孔列6上形成，且在位于缺陷引導部分8上的超導層中引入一維晶體缺陷7。一維晶體缺陷7起釘扎中心的作用?；?、納米孔6和超導層3與第三實施方式中的相同。
除了形狀為島狀晶體以外，缺陷引導部分8與第二實施方式的缺陷引導部分5相同?？捎玫牟牧习ǎ?，金屬，如Ag和Pt(金屬最好具有高熔點)；金屬間化合物，如AgY和Pt3Y；氮化物，如GdN和YN；氧化物，如RE2O3(RE稀土元素)和CeO2。盡管在本發(fā)明中，優(yōu)選缺陷引導部分8由與基底1不同的材料形成，但缺陷引導部分8可由與基底1同類但具有不同晶體取向的材料形成。缺陷引導部分8通過選自PLD、蒸鍍、濺射、CVD和MBE中的方法，將上述的材料沉積在基底1上而形成。在該情況下，與平坦的基底1相比，納米孔6是優(yōu)選的成核位置，因而上述材料在納米孔6上成核和生長。通過調(diào)節(jié)材料的供應(yīng)量、膜形成時間和膜形成溫度，可能在納米孔6上形成適當尺寸的島狀晶體。
不像納米點在基底上隨機地形成，成列的缺陷引導部分8規(guī)則地排列以致平行于電流流動方向，并且在該這方面，本發(fā)明與現(xiàn)有工藝大大地不同。由于缺陷引導部分8的表面光滑度，和/或缺陷引導部分8表面上的超導材料的沉積速度、晶體取向等與基底1的不同，一維晶體缺陷7在位于缺陷引導部分8上的超導層3中形成。該一維晶體缺陷列7以與第三實施方式中相同的方式起著一維釘扎中心的作用。因為一維晶體缺陷列7平行于電流流動方向排列，其將不阻礙電流。因此，該實施方式的一維晶體缺陷陣列能提供具有優(yōu)良釘扎效率的一維釘扎中心。
通過調(diào)節(jié)缺陷引導部分8的直徑(即納米孔6的寬度)可控制一維晶體缺陷7的直徑。此外，釘扎力的大小可通過控制一維晶體缺陷7的尺寸以調(diào)節(jié)釘扎勢的深度和勢的陡度來控制。當最優(yōu)的釘扎中心(一維晶體缺陷7)尺寸隨超導膜的工作溫度變化時，釘扎力的最優(yōu)值可通過改變納米孔6的直徑和納米孔6列的平均中心間隔來選擇。
作為該第四實施方式的備選方案，超導材料可以與第三實施方式中相同的方式用作緩沖層。同樣在該情況下，一維晶體缺陷7在缺陷引導部分8上形成。優(yōu)選可用的超導材料是與用作超導層3的材料相同的氧化物或硼化物。例如，當超導層3由LnBa2Cu3O7+x形成時，緩沖層可由相同的LnBa2Cu3O7+x形成或可由其中僅有Ln被替換的材料形成。由于緩沖層是與超導層3相同類型的超導膜，在沒有缺陷引導部分形成的區(qū)域，該緩沖層具有有利于該部分中超導層3外延生長的效果。
作為該第四實施方式的另一備選方案，超導層3可由多層形成，并且除頂層外，在多層的各層中均可形成納米孔陣列6。在超導層3厚且一維晶體缺陷7的分布隨形成超導層3的進行而降低的情況下，該備選的實施方式適于引入預(yù)定密度的一維晶體缺陷7。
實施例1首先，在單晶基底上形成納米凹槽。制備3mm寬×10mm長×0.5mm厚的SrTiO3基底作為單晶基底，其(100)面經(jīng)鏡面拋光。隨后，利用加工模式的AFM，在該基底表面的中心部分60μm×60μm的區(qū)域內(nèi)形成納米凹槽。納米凹槽的寬度和深度分別為30nm，且納米凹槽的長度為60μm，在如上所述的區(qū)域中形成等間距的330條納米凹槽以使納米凹槽平行于基底的長度方向。納米凹槽的平均中心間距為150nm。基底固定在真空室內(nèi)的加熱器上，通過準分子脈沖激光沉積法在基底上形成YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜并且獲得超導膜(I-1)。此時，沒有納米凹槽形成的3mm寬×10mm長×0.5mm厚的平坦的SrTiO3基底固定在具有納米凹槽的基底旁并且獲得超導膜(C-1)。超導膜(I-1)是本發(fā)明的實施例，超導膜(C-1)是本發(fā)明范圍外的對比例。在上述PLD方法中采用化學計量組成的經(jīng)煅燒的YBCO靶。膜沉積過程中的基底溫度為780℃。氧分壓為200mTorr，并且在膜冷卻過程中引入足夠體積的氧。獲得的YBCO的薄膜厚度為0.5μm。
通過X-射線衍射評定兩膜(I-1)和(C-1)的晶體取向且確定都為高度c-軸取向的膜。此外，當通過φ掃描研究膜的面內(nèi)晶體取向時，發(fā)現(xiàn)兩者都是高度的面內(nèi)取向。從這些研究中可以確定兩膜是相同程度的雙軸取向。
為了研究所獲膜的超導性能，通過平板印刷術(shù)在YBCO膜上形成橋接模式。橋的寬度為40μm，長度為40μm。此時，在超導膜(I-1)中，在如上所述的60μm×60μm的形成納米凹槽的區(qū)域上形成橋接模式。因此，當通電時，電流平行于納米凹槽流動。對于圖案化的兩試樣，可通過四端法評價電性能。正如電阻系數(shù)溫度差確定的，試樣的臨界溫度Tc對于具有納米凹槽的超導膜(I-1)為90K，對于沒有納米凹槽的超導膜(C-1)為91K。在零磁場下，超導膜(I-1)77K下的臨界電流密度Jc為5000000A/cm2，超導膜(C-1)77K下的臨界電流密度Jc為4500000A/cm2。此外，在平行于c-軸(垂直于基片平面)的1T(tesla)磁場下，超導膜(I-1)在77K溫度下的Jc為1100000A/cm2，超導膜(C-1)在77K溫度下的Jc為580000A/cm2。
實施例2納米凹槽以與實施例1相同的方式在SrTiO3基底上形成。接著，其上已形成納米凹槽的基底被固定在PLD真空加熱器內(nèi)的加熱器上，并且通過PLD方法在納米凹槽上形成缺陷引導部分。Y2O3用作缺陷引導部分的材料。使用準離子激光器的30脈沖將Y2O3經(jīng)煅燒的壓塊靶燒蝕，并將Y2O3沉積在SrTiO3基底上。此時，基底溫度為700℃且氧分壓為10-5Torr(1.33×10-3Pa)。在這些條件下，Y2O3僅沉積在納米凹槽上形成缺陷引導部分。然后，溫度降低至室溫并以與實施例1相同的方法，在具有納米凹槽和缺陷引導部分樣品旁，將沒有納米凹槽的SrTiO3基底固定到加熱器上。然后，以與實施例1相同的方式，使用經(jīng)煅燒的YBCO靶，通過PLD方法形成YBCO膜。超導膜(I-2)是具有缺陷引導部分的本發(fā)明實施例，超導膜(C-2)是本發(fā)明范圍外的對比例。膜沉積的條件與實施例1中的相同。
根據(jù)X-射線衍射分析，兩試樣同樣顯示了高度的c-軸取向和高度的面內(nèi)取向。隨后，為研究所獲膜的超導性能，通過平板印刷術(shù)在YBCO膜上形成橋接模式。橋的寬度為40μm，長度為40μm。此時，在超導膜(I-2)中，在形成納米凹槽的如上所述的60μm×60μm的區(qū)域上形成橋接模式。兩圖案化試樣的臨界溫度Tc對于超導膜(I-2)測定為89.5K，對于超導膜(C-2)為90.5K。在零磁場下，超導膜(I-2)77K的臨界電流密度Jc為5200000A/cm2，超導膜(C-2)77K的臨界電流密度Jc為4300000A/cm2。此外，在平行于c-軸(垂直于基片平面)的1T磁場下，超導膜(I-2)77K溫度下的Jc為1300000A/cm2，超導膜(C-2)77K溫度下的Jc為550000A/cm2。
實施例3首先，在單晶基底上形成納米孔在單晶基底上形成。制備3mm寬×10mm長×0.5mm厚的SrTiO3基底3作為單晶基底，其(100)面經(jīng)鏡面拋光。使用電子束平板印刷術(shù)，在該基底表面的中心部分60μm×60μm的區(qū)域中形成納米孔列。納米孔的寬度和深度分別為40nm和20nm。該納米孔列如此排列以致于平行于基底的長度方向，所以該列的長度為60μm。沿基底的縱向長度方向，納米孔的間距為100nm，具有等間距的330納米孔列在上述的60μm×60μm的區(qū)域中形成。納米孔列間的中心平均間距為150nm?；坠潭ㄔ谡婵帐覂?nèi)的加熱器上，通過準分子脈沖激光沉積法在基底上形成YBa2Cu3O7-x(YBCO)薄膜通過準分子脈沖激光沉積法在基底上形成并且獲得超導膜(I-3)。此時，沒有納米孔形成的3mm寬×10mm長×0.5mm厚的平坦的SrTiO3基底固定在其上形成有納米孔的基底旁邊并且獲得超導膜(C-3)。膜的沉積條件與實施例1相同。
根據(jù)X-射線衍射分析，兩試樣同樣顯示了高度的c-軸取向和高度的面內(nèi)取向。隨后，為研究所獲膜的超導性能，通過平板印刷術(shù)，在YBCO膜上形成橋接模式。橋的寬度為40μm，長度為40μm。此時，在超導膜(I-3)中，在形成納米孔列的如上所述的60μ×60μm的區(qū)域上形成橋接模式。兩圖案化試樣的臨界溫度Tc對于超導膜(I-3)測定為90.5K，對于超導膜(C-3)為91K。在零磁場下，超導膜(I-3)于77K的臨界電流密度Jc為5100000A/cm2，超導膜(C-3)于77K的臨界電流密度Jc為4000000A/cm2。此外，在平行于c-軸的1T磁場下，超導膜(I-3)在77K溫度下的Jc為1000000A/cm2，超導膜(C-3)在77K溫度下的Jc為450000A/cm2。
實施例4以與實施例3相同的方式在SrTiO3基底上形成納米孔。接著，其上已形成納米孔的基底被固定在PLD真空加熱器內(nèi)的加熱器上，并且通過PLD方法在納米孔上形成缺陷引導部分。Y2O3用作缺陷引導部分的材料。使用準分子激光器的15脈沖將Y2O3經(jīng)煅燒的壓塊靶燒蝕，并將Y2O3沉積在SrTiO3基底上。此時，基底溫度為700℃且氧分壓為10-5Torr(1.33×10-3Pa)。在這些條件下，Y2O3僅沉積在納米孔上形成缺陷引導部分。然后，溫度降低至室溫并以與實施例3相同的方法，在具有缺陷引導部分樣品的旁邊，將沒有納米孔的平坦的SrTiO3基底固定在加熱器上。然后，以與實施例3相同的方式，使用經(jīng)煅燒的YBCO靶，通過PLD方法形成YBCO膜，獲得超導膜(I-4)和(C-4)。超導膜(I-4)是具有缺陷引導部分的本發(fā)明的實施例，超導膜(C-4)是本發(fā)明范圍之外的比較例。
根據(jù)X-射線衍射分析，兩試樣同樣顯示了高度的c-軸取向和高度的面內(nèi)取向。隨后，為研究所獲膜的超導性能，通過平板印刷術(shù)在YBCO膜上形成橋接模式。橋的寬度為40μm，長度為40μm。此時，在超導膜(I-4)中，在形成缺陷引導部分(納米孔)的如上所述的60μm×60μm的區(qū)域上形成橋接模式。兩圖案化試樣的臨界溫度Tc對于超導膜(I-4)測定為90K，對于超導膜(C-4)為90.5K。在零磁場下，超導膜(I-4)在77K下的臨界電流密度Jc為4800000A/cm2，超導膜(C-4)在77K下的臨界電流密度Jc為4500000A/cm2。此外，在平行于c-軸的1T磁場下，超導膜(I-4)在77K溫度下的Jc為1200000A/cm2，超導膜(C-4)在77K溫度下的Jc為600000A/cm2。
表1超導膜的超導性能評價

如上所述，本發(fā)明的超導膜顯示了與常規(guī)超導膜相同的臨界溫度Tc，并且提供了零磁場下相等或大于常規(guī)膜的臨界電流密度。此外，在1T磁場下，本發(fā)明的超導膜顯示了遠高于常規(guī)超導膜的臨界電流密度。因此，本發(fā)明的超導膜在磁場的影響下工作時，可允許更大的電流流動，并且不僅適于作為此環(huán)境下工作的設(shè)備，而且適用于如電纜、磁體、防護體、限流器、微波設(shè)備以及這些制品的半成品的應(yīng)用中。
關(guān)于各種實施方式，本發(fā)明已詳細地敘述，并且對于精通該技術(shù)者，在更廣泛的情況下，可以做出改變和改進而不脫離本發(fā)明，這現(xiàn)在從上文中是顯而易見的，因此，在從屬權(quán)利要求中，本發(fā)明包括落在本發(fā)明真正精神內(nèi)的所有這樣的變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種超導膜，其具有基底以及在該基底上形成的超導層，其中，基底表面形成了平行于電流方向的納米凹槽，該基底表面上具有超導層，并在該納米凹槽上的超導層中引入了二維晶體缺陷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，每個所述的二維晶體缺陷為在電流方向上連續(xù)的二維晶體缺陷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，每個所述的二維晶體缺陷為不連續(xù)的二維晶體缺陷陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，所述二維晶體缺陷在基底上呈不規(guī)則分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，所述二維晶體缺陷為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成所述超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，所述納米凹槽的寬度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于電流方向的方向上，相鄰納米凹槽間平均中心間距不大于500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，所述基底是具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)或燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，所述超導層由選自下組中的超導材料構(gòu)成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導膜，其中，所述超導層由多層構(gòu)成，并且除頂層外，在所述多層的各層中形成納米凹槽。
10.一種超導膜，其具有基底以及在該基底上形成的超導層，其中，在基底表面形成了平行于電流方向的納米凹槽，在該基底表面上形成超導層；在納米凹槽上形成缺陷引導部分；在位于缺陷引導部分上的超導層中引入二維晶體缺陷。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，每個所述的二維晶體缺陷為在電流方向上連續(xù)的二維晶體缺陷。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，每個所述的二維晶體缺陷為不連續(xù)的二維晶體缺陷陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，所述二維晶體缺陷在基底上呈不規(guī)則分布。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，所述二維晶體缺陷為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成所述超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，所述納米凹槽的寬度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于電流方向的方向上，相鄰納米凹槽間平均中心間距不大于500nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，所述基底是具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)或燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，所述超導層由選自下組中的超導材料構(gòu)成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，所述缺陷引導部分由金屬、金屬間化合物、氮化物或硼化物形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超導膜，其中，所述超導層由多層組成，并且除頂層外，在所述多層的各層中形成納米凹槽。
20.一種超導膜，其具有基底以及在該基底上形成的超導層，其中，在基底表面形成平行于電流方向的納米孔列，在該基底表面上形成超導層，并且在納米孔列上的超導層中引入一維晶體缺陷列。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，每個所述的一維晶體缺陷列為在電流方向上連續(xù)的一維晶體缺陷列。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，每個所述的一維晶體缺陷列為不連續(xù)的一維晶體缺陷列。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，所述一維晶體缺陷列在基底上呈不規(guī)則分布。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，所述一維晶體缺陷為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成所述超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，所述納米孔的直徑不大于100nm，并且在垂直于電流方向的方向上，相鄰列納米孔間的平均中心間距不大于500nm。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，所述基底是具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)或燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，所述超導層由選自下組中的超導材料構(gòu)成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超導膜，其中，所述超導層由多層組成，并且除頂層外，在所述多層的各層中形成納米孔列。
29.一種超導膜，其具有基底以及在該基底上形成的超導層，其中，在基底表面形成平行于電流方向的納米孔列，在該基底表面上形成超導層；在所述納米孔上形成缺陷引導部分；并且在位于所述缺陷引導部分列上的超導層中引入一維晶體缺陷列。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，每個所述的一維晶體缺陷為在電流方向上連續(xù)的一維晶體缺陷列。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，每個所述的一維晶體缺陷列為不連續(xù)的一維晶體缺陷列。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，所述一維晶體缺陷列在基底上呈不規(guī)則分布。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，所述一維晶體缺陷為晶界、位錯陣列、由構(gòu)成所述超導層的元素形成的無定形體、非超導體或低臨界溫度超導體。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，所述納米孔的直徑不大于100nm，并且在垂直于電流方向的方向上，相鄰納米孔列間平均中心間距不大于500nm。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，所述基底是具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)、巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)、尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)、釔穩(wěn)定的氧化鋯型結(jié)構(gòu)、螢石型晶體結(jié)構(gòu)、稀土C型晶體結(jié)構(gòu)或燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)的氧化物基底；或是在其表面形成有由上述氧化物或硼化物構(gòu)成的緩沖層的氧化物基底、氮化物基底、半導體基底、鎳基合金基底、銅基合金基底或鐵基合金基底。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，所述超導層由選自下組中的超導材料構(gòu)成，該組包括具有化學式LnBa2Cu3O7+x的銅氧化物基高溫超導材料，其中Ln是選自Y元素和稀土元素中的一種或多種元素，并且-0.5＜x＜0.2；具有化學式(Bi1-xPbx)2Sr2Can-1CunO2n+4+y的銅氧化物基高溫超導材料，其中0＜x＜0.4，-0.5＜y＜0.5并且n＝1，2或3；以及含有化學式MgB2作為主要組分的超導材料。
37.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，所述缺陷引導部分由金屬、金屬間化合物，氮化物或氧化物形成。
38.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超導膜，其中，所述超導層由多層組成，并且除頂層外，所述多層的各層中形成納米孔列。
39.一種制造超導膜的方法，該法包括以下步驟在基底上形成納米凹槽；在基底上生長超導層。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的制造超導膜的方法，其中，所述形成納米凹槽的步驟通過采用下組中的方法進行，該組包括機械拋光、刻蝕、納米刻印、加工模式的AFM以及納米平板印刷。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的制造超導膜的生產(chǎn)方法，其中，所述納米凹槽以這樣的方式形成納米凹槽的寬度不大于100nm，深度不大于100nm，并且在垂直于電流方向的方向上，相鄰納米凹槽間平均中心間距不大于500nm。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的制造超導膜的方法，其中，所述的形成超導層的步驟通過采用選自下組中的方法進行，該組包括PLD、蒸鍍、濺射、CVD、MBE和MOD。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的制造超導膜的方法，其中，該制造方法可進一步包含在所述的凹槽上形成缺陷引導部分的步驟。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的制造超導膜的方法，其中，所述的形成缺陷引導部分的步驟通過采用選自下組中的方法進行，該組包括PLD、蒸鍍、濺射、CVD和MBE。
45.一種制造超導膜的方法，該方法包括以下步驟在基底上形成納米孔列；和在基底上生長超導膜。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造超導膜的方法，其中，所述的形成納米孔列的步驟通過采用選自下組中的方法進行，該組包括機械拋光、刻蝕、納米刻印、加工模式的AFM以及納米平板印刷。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造超導膜的方法，其中，所述納米孔這樣的方式形成納米孔直徑不大于100nm，并且在垂直于電流方向的方向上，相鄰納米孔列間平均中心間距不大于500nm。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造超導膜的方法，其中，所述的形成超導層的步驟通過采用下組中的方法進行，該組包括PLD、蒸鍍、濺射、CVD、MBE和MOD。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造超導膜的方法，其中，該制造方法可進一步包含在所述的納米孔上形成缺陷引導部分的步驟。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的制造超導膜的方法，其中，所述的形成缺陷引導部分的步驟通過采用選自下組中的方法進行，該組包括PLD、蒸鍍、濺射、CVD和MBE。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超導膜及其制造方法，該超導膜包括基底以及在基底上形成的超導層，其中，在該基底表面形成了平行于電流方向的納米凹槽，并在位于該納米凹槽上的超導層中引入了二維晶體缺陷。本發(fā)明的超導膜以低成本獲得且具有很高的Jc，可應(yīng)用于電纜、磁體、防護體、限流器、微波設(shè)備以及這些制品的半成品中。
文檔編號C01G3/00GK1842878SQ20048002481
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者松本要, 向田昌志, 吉田隆, 一瀨中, 堀井滋 申請人:獨立行政法人科學技術(shù)振興機構(gòu), 財團法人電力中央研究所