Herstellung und Charakterisierung metallorganisch deponierter Pufferschichten für YBa2Cu3O7

Abstract

Eine interessante Eigenschaft von Supraleitern ist es, daß ihr elektrischer Widerstand unterhalb einer kritischen Temperatur T c verschwindet. Dadurch ergeben sich faszinierende Anwendungsmöglichkeiten in der Energie-und Meßtechnik. Schon heute werden in einigen Spezialanwendungen, die hohe Magnetfelder erfordern, wie Kernspintomographen und NMR, Supraleiter als Stromleiter zur Magnetfelderzeugung eingesetzt. Seit der Entdeckung im Jahr 1911 [1] ist Supraleitung daher Gegenstand intensiver Forschung. Allerdings war die technische Einsetzbarkeit aufgrund der niedrigen Sprungtemperaturen von 23.2 K in Nb 3 Ge sehr begrenzt. Mit der Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung (HTSL) im System La 1.85 Sr 0.15 CuO 4 [2] (T c ≈ 35 K) im Jahr 1986 und der darauffolgenden Entdeckung von Supraleitung bei 92 K in YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) [3] ergaben sich durch die Kühlbarkeit mit flüssigem Stickstoff (Siedetemperatur 77 K) kostengünstigere und energiesparende Kühlverfahren. Eine Besonderheit der Kuprat-Hochtemperatursupraleiter ist die Anisotropie ihrer stromtragenden Eigenschaften: Der Stromtransport findet in zweidimensionalen CuO 2 -Ebenen statt, die für gute stromtragende Eigenschaften parallel zur Richtung des Stromes ausgerichtet sein müssen. Darüberhinaus unterdrücken Korngrenzen im Supraleiter aufgrund der kleinen Kohärenzlänge in den HTSL die Stromtragfähigkeit. Die beobachteten Stromdichten in einkristallinen YBCO-Filmen von 5•10 6 A/cm 2 (77 K) werden für große Korngrenzwinkel um zwei bis drei Größenordnungen reduziert [4]. Gute supraleitende Eigenschaften lassen sich dadurch nur in einkristallinen oder nahezu einkristallinen Materialien erzielen. Bei den supraleitenden Bandleitern der zweiten Generation, den Coated Conductors, wird ein nahezu einkristalliner YBCO-Film durch epitaktisches Wachstum auf einem texturierten Substrat hergestellt. Die verwendeten YBCO-Schichtdicken liegen im Bereich von 1500-3000 nm. Dabei kommen zwei verschiedene Substrattypen zum Einsatz: • RABiTS [5]: hier werden durch Rekristallisation verformter Ni-Bänder biaxiale Texturen eingestellt. Nach Deposition epitaktischer Pufferschichten wie beispielsweise CeO 2 oder Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) wird der YBCO-Film mit gepulster Laserdeposition, Koverdampfen, MOCVD, MOD oder dem TFA-Prozeß abgeschieden. • IBAD: Mit ionenstrahlunterstützter Deposition (Ion-Beam-Assisted-Deposition (IBAD)) [6] können zwangstexturierte Funktionsschichten (z.B. IBAD-YSZ) mit einer biaxialen Textur auf polykristallinen, metallischen Substraten hergestellt werden, die sich dann als epitaktische Unterlage für die Abscheidung eines YBCO-Filmes eignen. Bei diesem Verfahren wird während der Deposition von YSZ durch Ionenstrahlsputtern mit einem zweiten Ionenstrahl unter schrägem Einfall die Schicht beschossen. Dadurch bildet sich eine biaxiale Textur, wobei der Grad der Texturierung mit wachsender Schichtdicke zunimmt [7].Bestandteil der Pufferarchitektur (Abb. 1.1) sind bei beiden Konzepten keramische Schichten wie YSZ und CeO 2 . Diese dienen als Texturv...