(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１高温超伝導体被覆要素と第２高温超伝導体被覆要素とを含む多層高温超伝導体であって、
前記第１高温超伝導体被覆要素は、
第１基板と、
前記第１基板上に成膜された少なくとも１つの第１緩衝部と、
前記第１緩衝部に支持される少なくとも１つの第１高温超伝導体層と、
前記第１高温超伝導体層に支持される第１金属キャップ層と、を備え、
前記第２高温超伝導体被覆要素は、
第２基板と、
前記第２基板上に成膜された少なくとも１つの第２緩衝部と、
前記第２緩衝部に支持される少なくとも１つの第２高温超伝導体層と、
前記第２高温超伝導体層に支持される第２金属キャップ層と、を備え、
前記第１及び第２高温超伝導体被覆要素は前記第１及び第２金属キャップ層で接合されることを特徴とする多層高温超伝導体。
【請求項２】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１基板は双軸加工されていることを特徴とする超伝導体。
【請求項３】
請求項２に記載の超伝導体であって、前記双軸加工は変形加工によることを特徴とする超伝導体。
【請求項４】
請求項３に記載の超伝導体であって、前記第１基板はニッケルで構成されていることを特徴とする超伝導体。
【請求項５】
請求項４に記載の超伝導体であって、前記第１基板はニッケルクロム合金、ニッケル銅合金、又はニッケルバナジウム合金で構成されることを特徴とする超伝導体。
【請求項６】
請求項５に記載の超伝導体であって、前記第１基板はニッケルクロム合金で構成されることを特徴とする超伝導体。
【請求項７】
請求項２に記載の超伝導体であって、前記少なくとも１つの第１緩衝部はエピタクキシャル法で成膜されることを特徴とする超伝導体。
【請求項８】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記少なくとも１つの第１緩衝部は金属酸化物で構成されることを特徴とする超伝導体。
【請求項９】
請求項８に記載の超伝導体であって、前記金属酸化物はセリウム酸化物とガドリニウム酸化物を含むことを特徴とする超伝導体。
【請求項１０】
請求項８に記載の超伝導体であって、前記第１緩衝部は更にイットリア安定化ジルコニアで構成されることを特徴とする超伝導体。
【請求項１１】
請求項１に記載の超伝導体であって、少なくとも２つの緩衝部が前記第１基板上に順次成膜されることを特徴とする超伝導体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超伝導体であって、少なくとも３つの緩衝部が前記第１基板上に順次成膜されることを特徴とする超伝導体。
【請求項１３】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１高温超伝導体層は金属酸化物から構成されることを特徴とする超伝導体。
【請求項１４】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１高温超伝導体層は希土類酸化物から構成されることを特徴とする超伝導体。
【請求項１５】
請求項１４に記載の超伝導体であって、ＲＥは希土類元素とイットリウムから成る群から選択し、σはゼロより大きく１未満の数字とする時、前記希土類酸化物は、（ＲＥ）Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-σの化学式を有することを特徴とする超伝導体。
【請求項１６】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１金属キャップ層は前記第１高温超伝導体層上に成膜されることを特徴とする超伝導体。
【請求項１７】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２基板はほぼ同一の組成のものであることを特徴とする超伝導体。
【請求項１８】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２緩衝部はほぼ同一の組成のものであることを特徴とする超伝導体。
【請求項１９】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２高温超伝導体層はほぼ同一の組成のものであることを特徴とする超伝導体。
【請求項２０】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２金属キャップ層はほぼ同一の組成のものであることを特徴とする超伝導体。
【請求項２１】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２高温超伝導体被覆要素はほぼ同一の組成のものであることを特徴とする超伝導体。
【請求項２２】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２金属キャップ層は各々の最上部表面において連続的に接合されることを特徴とする超伝導体。
【請求項２３】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２金属キャップ層は単一連続層であることを特徴とする超伝導体。
【請求項２４】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記超伝導体はテープ形態であることを特徴とする超伝導体。
【請求項２５】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記基板は実質的に未加工の状態であり、緩衝部と高温超伝導体層は双軸加工されていることを特徴とする超伝導体。
【請求項２６】
請求項２４に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２高温超伝導体被覆要素はそれぞれの端部で揃えられることを特徴とする超伝導体。
【請求項２７】
請求項２４に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２高温超伝導体被覆要素はそれぞれ長手方向でずらしてあることを特徴とする超伝導体。
【請求項２８】
請求項２７に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２金属キャップ層の内少なくとも１つは、少なくとも前記第１及び第２高温超伝導体被覆要素の端部に沿って延在していることを特徴とする超伝導体。
【請求項２９】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記超伝導体は複数の糸状体構造から構成されていることを特徴とする超伝導体。
【請求項３０】
請求項２９に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２高温超伝導体層は複数の糸状体に分割されていることを特徴とする超伝導体。
【請求項３１】
請求項１に記載の超伝導体であって、更に、安定化剤を含み、前記第１及び第２金属キャップ層は、前記安定化剤の対向面に接合されることを特徴とする超伝導体。
【請求項３２】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１及び第２金属キャップ層の間に位置するはんだ層をさらに備えることを特徴とする超伝導体。
【請求項３３】
請求項３２に記載の超伝導体であって、前記第１金属キャップ層が、はんだ層に直接に接合されることを特徴とする超伝導体。
【請求項３４】
請求項３３に記載の超伝導体であって、前記第２金属キャップ層が、はんだ層に直接に接合されることを特徴とする超伝導体。
【請求項３５】
請求項１に記載の超伝導体であって、前記第１金属キャップ層が複数層であることを特徴とする超伝導体。
【請求項３６】
請求項３５に記載の超伝導体であって、前記複数層が第１金属層と第２金属層とを備えることを特徴とする超伝導体。
【請求項３７】
請求項３６に記載の超伝導体であって、前記第１金属層が銀を備え、第２金属層が銅を備えることを特徴とする超伝導体。
【請求項３８】
請求項３５に記載の超伝導体であって、前記第２金属層が第３金属層と第４金属層とを備えることを特徴とする超伝導体。
【請求項３９】
請求項３８に記載の超伝導体であって、前記第３金属層が銀を備え、第４金属層が銅を備えることを特徴とする超伝導体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項（１）に基づき、１９９９年７月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／１４５、４６８号・表題“強化型高温被覆超伝導体”に対する優先権を主張するものであり、これを本明細書中に参照のために引用する。
【０００２】
技術分野
本発明は、一般的に、被覆導体高温超伝導テープ及びそれに基づいて形成した製品の電流共有強化のための製造方法に関する。
【０００３】
背景
これまで、被覆型高温超伝導体（“ＨＴＳ”）の分野において、単一テープすなわち、加工可能な又は加工不可能な基板と、１つ又は複数の双軸加工緩衝層と、エピタキシャルＨＴＳ層と、キャップ層とを代表的に含むテープの製造に開発努力が払われてきた。特に、単一基板層から大電流容量テープを製造しようとする試みが行われてきた。これら提案された単一テープの総電流容量の改善努力において、高温超伝導体（ＨＴＳ）膜は、その厚さが非常に厚い必要があり、単一基板の両面に成膜する必要があった。更にこのような構造を利用して作られた製品は、臨界応力や歪パラメータを含むいくつかの重要なパラメータに関して好ましくない構造になる。
【０００４】
非常に厚い超伝導層を持つ単一テープの使用は、工業用途において実用的ではない。このことは、部分的には、ＨＴＳ層の厚さが増すにつれてＨＴＳ層に亀裂発生の可能性があるためである（すなわち、破壊強度の顕著な減少）。また厚さは、ＨＴＳ層が成長するにつれて、組成制御すなわち性能制御の難しさによって制限されることもある。
電流容量は、基板の各面への超伝導層の成膜により改善されるが、この手法は、潜在的な欠点を有する。例えば、そのようなテープの取扱い及び処理は、片面テープに比べて難しい。更に両面テープ用のＨＴＳ膜は、いくつかの重要な性能パラメータに対して最も好ましくない位置にある。
【０００５】
更にＨＴＳ糸状体と基板間に電流経路を設けるために利用できる導電性緩衝層についても広範に検討されてきた。この解決は可能であると思われるが、それには厳しい制限がある。導電性材料の選定が制限されるのは、その導電性材料が、超伝導体と基板に化学的親和性を付与し、基板からエピタキシャル成長を可能にする格子整合性を呈し、エピタキシャル超伝導体成長にテンプレートを提供し、また優れた機械的特性と物理的特性を有する必要があるためである。特に、緩衝部と他のいずれかの層間の界面での抵抗が電流の流れを支配するため、このことは確かである。この界面抵抗は、導電性緩衝層のバルク抵抗に比べて依然大きいことが多い。また基板と緩衝層間の抵抗率が更に大きくなってしまう基板材料固有の酸化物層の成長もまた起こり得る。
従って、ＨＴＳ被覆導体に関して、従来技術に関する欠点を克服する方法及び製品を提供することが望ましい。
【０００６】
発明の概要
本発明は、双軸加工された高温超伝導被覆に基づく実用的な超伝導導体に関する。特に、製品を製造する方法と、それに基づいて製造される製品について述べる。これによって、電流共有の改善、交流条件下でのヒステリシス損失の低減、電気的及び熱的な安定性の強化、被覆高温超伝導（ＨＴＳ）ワイヤにおける他の方法で絶縁された膜間の機械的特性の改善を行う。本発明はまた、被覆テープセグメントを接合する手段と、被覆テープの積層や導体要素を終端処理する手段も提供する。更に本発明は、複合テープが望ましい電気的、磁気的、熱的、及び機械的特性となるよう多層材料上に積層される積層材料を有し得る感度の高いＨＴＳ機能層を含む多層材料に関する。
【０００７】
１つの実施形態において、第１及び第２高温超伝導体被覆要素を含む多層高温超伝導体が提供される。各要素は、基板、基板に成膜される少なくとも１つの緩衝部、高温超伝導体層、キャップ層を含む。第１及び第２高温超伝導体被覆要素は、第１及び第２キャップ層において接合される。一方、キャップ層を設けない場合、第１及び第２ＨＴＳ被覆要素は、２つのＨＴＳ層間において通常は金属である仲介層で接合される。
【０００８】
１つの側面において、本発明は、多層高温超伝導体を提供する。この多層高温超伝導体には、（例えば、変形処理によって双軸加工可能な）第１基板を含む第１高温超伝導体被覆要素が含まれる。また、第１基板に成膜される少なくとも１つの第１緩衝層が含まれる（第１緩衝層は金属酸化物、例えば、セリウム酸化物及び／又はガドリニウム酸化物であり、更に随意イットリア安定化ジルコニアを含み、これら全てがエピタクキシャル法で成膜できる）。また、（ＲＥは希土類元素とイットリウムから成る群から選択され、σはゼロより大きく１未満の数字とする時、（ＲＥ）Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-σを含む希土類酸化物等の金属酸化物を含み得る）少なくとも１つの高温超伝導体層と、第１キャップ層とが含まれる。多層高温超伝導体にはまた、第２基板と、第２基板に成膜される少なくとも１つの緩衝部と、少なくとも１つの第２高温超伝導体層と、第２キャップ層とを含む第２高温超伝導体被覆要素が含まれる。ここで、第１及び第２高温超伝導体層被覆要素が第１及び第２キャップ層において接合される。第１又は第２基板は、例えば、ニッケルクロム合金、ニッケル銅合金、又はニッケルバナジウム合金等のニッケルを含み得る。少なくとも２つの緩衝部、例えば、３つの緩衝部が第１基板に順次成膜できる。第１キャップ層は、第１高温超伝導層に成膜できる。第１及び第２基板、第１及び第２緩衝部、第１及び第２高温超伝導層、第１及び第２キャップ層は、独立にほぼ同一の組成を有し得る。従って、第１及び第２高温超伝導体被覆要素は、ほぼ同一の組成を有し得る。第１及び第２キャップ層は、各々の最上部表面において連続的に接合できる。一方、第１及び第２キャップ層は、単一連続層であってもよい。超伝導体はテープ形態を取ることができる。基板はオプションとして実質的に未加工の状態でもよく、緩衝部と高温超伝導体層は双軸加工し得る。第１及び第２高温超伝導体被覆要素は、それぞれの端部で揃えることができる。第１及び第２高温超伝導体被覆要素は、各々長手方向でずらすことができる。第１及び第２キャップ層の内少なくとも１つは、少なくとも第１及び第２高温超伝導体被覆複数の糸状体に分割される場合等に、多糸状体構造を含み得る。更に超伝導体は要素の端部に沿って延在し得る。超伝導体は、第１及び第２高温超伝導層が安定化剤を含むことができ、ここで、第１及び第２キャップ層は、安定化剤の対向面に接合できる。
【０００９】
他の側面において、本発明は、第1 高温超伝導体被覆要素を含む他の多層高温超伝導体を提供する。第1 高温超伝導体被覆要素には、第１基板と、第１基板に成膜される少なくとも１つの第１緩衝部と、少なくとも１つの第１高温超伝導体層と、第１キャップ層とを含む。この超伝導体はまた、第２高温超伝導体被覆要素を含む。第２高温超伝導体被覆要素は、第２基板と、第２基板に成膜される少なくとも１つの第２緩衝部と、少なくとも１つの第２高温超伝導体層と、第２キャップ層とを含み、ここで、第１及び第２高温超伝導体被覆要素は、仲介金属層で接合される。
【００１０】
また更に他の側面において、本発明は上述したように多層高温超伝導体を提供するが、キャップ層は設けず、ここで、第１及び第２高温超伝導体被覆要素は、仲介金属層で接合される。
【００１１】
別途定義しない限り、本明細書中で用いる全ての技術用語と科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者が共通に理解する用語と同じ意味である。本明細書に記載されたものと類似の又は同等の方法及び材料は、本発明の実践又は試験に用い得るが、適切な方法及び材料については後述する。本明細書中で述べる全ての刊行物、特許公告、特許、及び他の参照文献は、それら全体を参照のために引用する。矛盾が生じる場合は、定義を含み本明細書が優先する。更に材料、方法、例は、説明用であり、制限することを意図するものではない。
【００１２】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明と請求項から明らかになるであろう。
本発明の理解を深めるために、添付図面に基づく以下の説明を参照されたい。
同様の参照記号は、該当図面の複数の図全体において同様の部分を指す。
【００１３】
詳細な説明
本発明は、双軸加工された高温超伝導被覆に基づく実用的な超伝導ワイヤに関する。具体的には、製品の製造方法と、それに基づいて製造した製品について述べる。これによって、電流共有の改善、交流条件下でのヒステリシス損失の低減、電気的及び熱的な安定性の強化、被覆高温超伝導（ＨＴＳ）ワイヤにおける他の方法で絶縁された膜間の機械的特性の改善を行う。この製品の固有の構造は、曲げ加工中、機能ＨＴＳ層の機械的劣化を実質的に回避するようになっている。この材料は、機能ＨＴＳ層を利用する様々な用途に用い得る。例えば、可撓性材料を高温超伝導テープに用いて、電気的、磁気的、電気光学的、誘電的、熱的、機械的、対環境（保護）的特性を改善し得る。本発明はまた、被覆テープセグメントを接合する手段と、被覆テープの積層や導体要素を終端処理する手段も提供する。
【００１４】
双軸加工ＨＴＳ膜の性能上の利点を有利に用い得る工業的に存続可能な導体を開発するために、多くの重要な問題を解決しなければならない。例えば、加工状態が良く高臨界電流密度のＨＴＳ膜は、平坦でむき出しの表面上でエピタキシャル成長によってのみ生成し得る。更にＨＴＳ酸化物膜は、破断や電気的導通の損失無しでは高レベルの歪に耐えられない。この歪を軽減する手段が望まれる。更に、電流輸送を共有できる多数の糸状体を含む第１世代のＨＴＳワイヤとは異なり、双軸加工膜は、幅の広い単一糸状体から成る。単一糸状体が損傷を受けると、局部的に加熱が起こり、熱暴走と超伝導状態の消失の危険性が増し、導体が使用不可能になる。更に絶縁したＨＴＳ層の内外へ電流を輸送することも、実用導体に対して考慮する必要がある。積層単一テープの導体用の層は、基板、酸化物緩衝層、キャップ層で分離し得ることを想起されたい。電流が流れるためには、導体を長手方向に接合し又導体終端部において電流が流れることが必要である。
【００１５】
従って、互いに積ね重ねた及び／又は積層した複数のテープを有する有用な導体を提供し、電流容量、寸法的な安定性、機械的強度を充分なものにすることが望ましい。上述の実用的課題の全てではないが、その多くは、互いに近接した２つ以上の超伝導層を利用するために、導体構造の適切な技術的検討により解決できる。本明細書中で述べるように、２つの超伝導層は、（好適には金属性の）仲介層により“対向”結合されるが、仲介層はキャップ層を含んでも含まなくてもよい。特に、２つの超伝導層において又はその付近で曲げ応力を受けた状態で機械的中立軸を保持するように新たな層を積層してもよい。
【００１６】
被覆ＨＴＳ（例えば、ＹＢＣＯ）テープに基づく実用的な超伝導ワイヤの工業的な生産は、可撓性金属基板上に生成される膜の高臨界電流密度の開示に従い実現可能であると思われる。Ｙ、Ｂａ、Ｃｕは、それぞれ化学量論的に１：２：３で存在する。
【００１７】
基板は、双軸加工（例えば、（１１３）［２１１］）、又は立方状加工（例えば、（１００）［００１］又は（１００）［０１１］）された１つ又は複数の表面を有する合金から形成できる。この合金は、比較的低いキューリ温度を有し得る（例えば、最大でも約８０Ｋ、約４０Ｋ、又は約２０Ｋ）。
【００１８】
ある実施形態において、基板は、以下の金属、すなわち銅、ニッケル、クロム、バナジウム、アルミニウム、銀、鉄、パラジウム、モリブデン、金、亜鉛の内２つを含む２元合金である。例えば、２元合金は、ニッケルとクロムから形成できる（例えば、ニッケルと最大２０原子百分率のクロム、ニッケルと約５乃至約１８原子百分率のクロム、又はニッケルと約１０乃至約１５原子百分率のクロム）。他の例として、２元合金は、ニッケルと銅から形成できる（例えば、銅と約５乃至約４５原子百分率のニッケル、銅と約１０乃至約４０原子百分率のニッケル、又は銅と約２５乃至約３５原子百分率のニッケル）。更に２元合金に含まれる不純物の量は比較的少ない（例えば、約０．１原子百分率未満の不純物、約０．０１原子百分率未満の不純物、又は約０．００５原子百分率未満の不純物）。
【００１９】
いくつかの実施形態において、基板は３つ以上の金属（例えば、３元合金又は４元合金）を含む。これらの実施形態において、合金は、１つ又は複数の酸化物形成体（例えば、Ａｌを好適な酸化物形成体として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｉ、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｌｕ、Ｔｈ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｂｅ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂ、及び／又はＬａ）と、以下の金属、すなわち銅、ニッケル、クロム、バナジウム、アルミニウム、銀、鉄、パラジウム、モリブデン、金、亜鉛の内２つを含み得る。この合金は、少なくとも約０．５原子百分率の酸化物形成体（例えば、少なくとも約１原子百分率の酸化物形成体、又は少なくとも約２原子百分率の酸化物形成体）と、少なくとも最大約２５原子百分率の酸化物形成体（例えば、最大約１０原子百分率の酸化物形成体、又は最大約４原子百分率の酸化物形成体）を含み得る。例えば、この合金は、約２５乃至約５５原子百分率のニッケル（例えば、約３５乃至約５５原子百分率のニッケル、又は約４０乃至約５５原子百分率のニッケル）と残りが銅である酸化物形成体（例えば、少なくとも約０．５原子百分率のアルミニウム）を含み得る。もう１つの例として、この合金は、約５乃至約２０原子百分率のクロム（例えば、約１０乃至約１８原子百分率のクロム、又は約１０乃至約１５原子百分率のクロム）と残りがニッケルである酸化物形成体（例えば、少なくとも約０．５原子百分率のアルミニウム）を含み得る。この合金には、含まれる不純物量が比較的少ない（例えば、約０．１原子百分率未満の不純物、約０．０１原子百分率未満の不純物、又は約０．００５原子百分率未満の不純物）。
【００２０】
合金は、例えば、粉末形態の成分を混合、溶解、冷却して生成でき、又例えば、固体の状態で粉末成分を共に拡散して生成できる。次に、この合金は、（双軸加工又は立方状加工された）加工表面を形成するために、変形加工（例えば、焼きなましと圧延、スエージ加工、押出し成形及び／又は絞り加工）によって形成できる。一方、合金成分は、ゼリーロール構造に積層され、変形加工される。いくつかの実施形態において、熱膨張係数が比較的低い材料（例えば、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｓｂ、ＮｂＴｉ、ＮｉＡｌ又はＮｉ3 Ａｌ等の金属間化合物、あるいはそれらの混合物）が、棒状に形成され、変形加工の前に合金内に埋め込まれる。
【００２１】
これらの方法は、１９９９年３月３１日出願の共同出願米国特許出願第０９／２８３、７７５号・表題“合金材料”、１９９９年３月３１日出願の共同出願米国特許出願第０９／２８３、７７７号・表題“合金材料”、１９９９年４月８日公告のＰＣＴ公告番号第ＷＯ９９／１７３０７号・表題“高酸化抵抗基板”、１９９９年４月８日公告のＰＣＴ公告番号第ＷＯ９９／１６９４１号・表題“超伝導体用基板”に記載されており、その全てを本明細書中に引用参照する。未加工基板は、加工プロセスが用いられる場合（下記参照）に用い得る。
【００２２】
いくつかの実施形態において、基板表面に成膜された中間層を用いて、第１エピタキシャル（例えば、緩衝）層が双軸加工合金表面上に形成されるまで、安定な酸化物の生成を緩和できる。本発明に適した中間層は、エピタキシャル金属や、エピタキシャル緩衝層膜の初期成長に必要なＰO2と温度により定められる状態になった時表面酸化物を形成しない合金層を含む。更に、緩衝層は、基板元素の中間層表面への移動とエピタキシャル層の初期成長中における酸化物の形成を防止するための障壁として機能する。この中間層が無いと、基板の１つ又は複数の元素が基板表面に熱機械的に安定した酸化物を形成すると考えられ、これによって、例えば、この酸化物層に組織が欠如するためエピタキシャル層の成膜が著しく妨げられる。
【００２３】
いくつかの実施形態において、中間層は一過性の性質を有する。本明細書中で用いる“一過性”とは、エピタキシャル膜の初期核形成と成長に続いて、全体的又は部分的に双軸加工基板に取り込まれたり、それと混ざり合ったりする中間層を指す。これらの状況下にあっても、中間層と双軸加工基板は、積層膜のエピタキシャル性が確立されるまで、別個のままである。例えば、中間層がニッケル等の磁性体であるような何らかの望ましくない特性を有している場合、一過性の中間層を用いることが好ましい場合がある。
【００２４】
例示の中間金属層は、ニッケル、金、銀、パラジウム、とそれらの合金を含む。不純物又は合金は、ニッケル及び／又は銅の合金を含んでもよい。中間層上に成膜されたエピタキシャル膜又は層は、金属酸化物、カルコゲニド、ハロゲン化合物、窒化物を含み得る。好適な実施形態において、中間金属層は、エピタキシャル膜成膜条件下で酸化しない。
【００２５】
初期緩衝層構造体の核形成と成長によりエピタキシャル層が確立される前に、成膜された中間層が基板内に完全に取り込まれないように、あるいは基板内に完全に拡散しないように注意すべきである。このことは、基板合金の拡散定数、実際のエピタキシャル緩衝層成長条件下での熱機械的な耐酸化安定性、エピタキシャル層との格子整合等の適切な特性に対して金属（又は合金）を選択した後、成膜された金属層の厚さが、エピタキシャル層成膜条件、特に温度に対して適合すべきことを意味する。
【００２６】
中間金属層の成膜は、蒸着法又はスパッタリング法等の真空プロセスにより、あるいは（電極有り又は無しの）電気めっき法等の電気化学的手段によって実行可能である。（成膜中の基板温度に依存する）成膜の後、これら成膜による中間金属層のエピタキシャル性の有無は問題ではないが、エピタキシャル方位は、その後、成膜後の熱処理中に得ることができる。
【００２７】
ある実施形態において、酸化物緩衝層は、下地基板層の濡れ性を促進するために形成できる。更に具体的な実施形態において、金属酸化物層は、金属アルコキシド前駆体（例えば、“ゾルゲル”前駆体）を用いて形成でき、ここで、炭素汚染レベルは金属アルコキシド前駆体を用いて他の公知のプロセスにおいて大幅に低減できる。
【００２８】
ある実施形態において、溶液被覆プロセスは、酸化物層の内１つ又はいずれかを組み合わせたものを加工基板上に成膜するために用い得るが、特にそれらは、初期（種）層を加工金属基板上に成膜するために適用できる。種層の役割は、１）基板に対して次の酸化物層の成膜（例えば、酸化物ターゲットからのイットリア安定化ジルコニアのマグネトロンスパッタ成膜）を酸化雰囲気中で行う間の基板の酸化防止と、２）後続の酸化物層成長用エピタキシャルテンプレートを提供することである。これらの要求を満たすために、種層は、金属基板の表面全体にエピタキシャル成長すべきであり、又後続のエピタキシャル酸化物層の成膜を妨げ得る汚染物質は皆無とすべきである。
【００２９】
酸化物緩衝層は、下地基板層の濡れ性を促進するために形成できる。更に具体的な実施形態において、金属酸化物層は、金属アルコキシド前駆体（例えば、“ゾルゲル”前駆体）を用いて形成でき、ここで、炭素汚染レベルは金属アルコキシド前駆体を用いて他の公知のプロセスにおいて大幅に低減できる。
【００３０】
この加熱工程は、ゾルゲル前駆体膜から過剰溶媒を乾燥させた後で又はそれと同時に実行できるが、前駆体膜の分解前に実行しなければならない。
還元環境（例えば、４％Ｈ2 −Ａｒ）における従来の酸化膜生成に伴う炭素汚染は、前駆体膜の有機成分の不完全な除去の結果であると思われる。酸化物層中又はこの付近に炭層含有汚染物質Ｃx Ｈy とＣa Ｈb Ｏc は、後続の酸化物層のエピタキシャル成膜を変え得るため、その存在は有害である。更に、トラップされ膜内に埋め込まれた炭素含有汚染物質は、後続の酸化物層の処理工程中に酸化することができ、これによって酸化雰囲気を利用できると考えられる。炭素含有汚染物質が酸化されると、ＣＯ2 の生成、その後の膜のふくれ、膜剥離、又は複合構造における他の欠陥が生じ得る。従って、金属アルコキシド分解から生じる炭素含有汚染物質が、酸化物層形成後にのみ酸化されることは望ましくない。炭素含有汚染物質は、分解が起こる際、酸化する（従って、膜構造からＣＯ2 として除去される）ことが好ましい。また膜表面上又はこの付近での炭素含有体の存在は、後続の酸化物層のエピタキシャル成長を阻害する。
【００３１】
具体的な実施形態によれば、金属基板又は緩衝層を被覆した後、前駆体溶液は空気乾燥し、そして初期分解工程において加熱し得る。あるいは、前駆体溶液は、金属基板の還元雰囲気下で、初期分解工程において直接加熱処理できる。一旦初期的に酸化物層が所望のエピタキシャル方位に金属基板上で核形成されると、例えば、水蒸気又は酸素の添加により、プロセスガスの酸素レベルが上昇する。核形成工程は、通常の条件下で約５分乃至約３０分を要する。
【００３２】
これらの方法については、本明細書と同日出願された米国特許出願第＿＿＿号・表題“高純度酸化物層生成”に記載されており、本明細書中において引用参照する。
【００３３】
ある実施形態において、エピタキシャル緩衝層は、低真空蒸着プロセス（例えば、少なくとも圧力約１×１０-3Ｔｏｒｒで実行されるプロセス）を用いて形成できる。このプロセスは、緩衝層材料の比較的高速度及び／又は絞り込んだガスビームを用いてエピタキシャル層を形成する段階を含む。
【００３４】
ガスビーム中の緩衝層材料は、約１メートル毎秒よりも高速である（例えば、約１０メートル毎秒より高速、又は約１００メートル毎秒より高速）。ビーム中の緩衝層材料の少なくとも約５０％が、ターゲット表面に入射し得る（例えば、ビーム中の緩衝層材料の少なくとも約７５％がターゲット表面に入射可能、又はビーム中の緩衝層材料の少なくとも約９０％が、ターゲット表面に入射可能）。
【００３５】
この方法は、ターゲット表面（例えば、基板表面又は緩衝層表面）を低真空環境に置き、他は同一条件として、（例えば、約１×１０-4Ｔｏｒｒ未満等、約１×１０-3Ｔｏｒｒ未満の）高真空環境下でターゲット表面上に所望の材料のエピタキシャル層を形成するための閾値温度を超える温度までターゲット表面を加熱する段階を含む。緩衝層材料を含むガスビームと任意の不活性搬送ガスを、少なくとも約１メートル毎秒の速度でターゲット表面に当てる。調整用ガスは、低真空環境において提供される。調整用ガスは、ガスビーム中に含むことができ、あるいは調整用ガスは、異なる方法で低真空環境中に導入し得る（例えば、低真空環境中にリークし得る）。調整用ガスは、ターゲット表面に存在する化学種（例えば、汚染物質）と反応して、この化学種を除去でき、これによって、エピタキシャル緩衝層の核形成を促し得る。
【００３６】
エピタキシャル緩衝層は、高真空（例えば、最大約１×１０-4Ｔｏｒｒ）で物理的蒸着法を用いたエピタキシャル層の成長に用いる温度よりも低い表面温度で、低真空（例えば、少なくとも約１×１０-3Ｔｏｒｒ、少なくとも約０．１Ｔｏｒｒ、又は少なくとも約１Ｔｏｒｒ）を用いてターゲット表面に成長し得る。ターゲット表面の温度は、例えば、約２５℃乃至約８００℃である（例えば、約５００℃乃至約８００℃、又は約５００℃乃至約６５０℃）。
【００３７】
エピタキシャル層は、例えば、少なくとも約５０オングストローム毎秒等の比較的早い速度で成長できる。
これらの方法については、２０００年２月２２日申請の米国特許番号第６、０２７、５６４号・表題“エピタキシャル層を成のための低真空プロセス”、２０００年２月８日申請の米国特許番号第６、０２２、８３２号・表題“エピタキシャル層を有する超伝導体物質生成のための低真空プロセス”、及び／又は共同所有であり１９９８年１月１５日申請の米国特許出願第０９／００７、３７２号・表題“半導体材料のエピタキシャル層生成のための低真空プロセス”に記載されており、これらは全て本明細書中に引用参照する。
【００３８】
いくつかの実施形態において、緩衝層は、イオンビーム支援蒸着法（ＩＢＡＤ）を用いて形成できる。この技術において、緩衝層材料は、イオンビーム（例えば、アルゴンイオンビーム）が、蒸着用緩衝層材料が成膜される基板の平滑非晶質表面に当てられながら、例えば、電子ビーム蒸着、スパッタ蒸着、又はパルスレーザ蒸着を用いて蒸着される。
【００３９】
例えば、緩衝層は、緩衝層材料が、面内でも又面外でもほぼ整合状態（例えば、約１３°以下）の表面を有するように、岩塩状構造を有する緩衝層材料（例えば、ＭｇＯを含む酸化物や窒化物等の岩塩構造を有する材料）を基板の平滑な非晶質表面（例えば、実効表面粗さが約１００オングストローム未満の表面）上に蒸着することによりイオンビーム支援蒸着方法で形成できる。
【００４０】
緩衝層材料の成膜中に用いる条件は、例えば、基板温度約０℃乃至約４００℃（例えば、ほぼ室温乃至約４００℃）、成膜速度約１．０オングストローム毎秒乃至約４．４オングストローム毎秒、イオンエネルギ約２００ｅＶ乃至約１２００ｅＶ、及び／又はイオン流束約１１０マイクロアンペア毎平方センチメートル乃至約１２０マイクロアンペア毎平方センチメートルを含み得る。
【００４１】
いくつかの実施形態において、基板は、異なる材料（例えば、Ｓｉ3 Ｎ4 ）で形成される平滑な非晶質表面を持つ多結晶の非晶質ではないベース構造（例えば、ニッケル合金等の金属合金）を有する材料から形成される。
【００４２】
ある実施形態において、複数の緩衝層は元のＩＢＡＤ表面上でエピタキシャル成長により成膜できる。各緩衝層は、面内でも又面外でもほぼ整合状態（例えば、約１３°以下）の表面を有し得る。
【００４３】
これらの方法については、１９９９年５月２７日公告のＰＣＴ公告第ＷＯ９９／２５９０８号・表題“岩塩状構造を有する薄膜の非晶質表面への成膜”に記載されており、本明細書中に引用参照する。
【００４４】
いくつかの実施形態において、エピタキシャル緩衝層は、高いスループットで金属又は金属酸化物ターゲットからのスパッタリングにより成膜できる。基板の加熱は、エピタキシャル形態構造を得るための抵抗加熱又はバイアス電位により実現できる。成膜ドエルを用いて、金属又は金属酸化物ターゲットから酸化物エピタキシャル膜を形成してもよい。
【００４５】
一般的に、基板上にある酸化物層は、基板表面を還元環境内でのエネルギイオンへの露出により除去できるが、これはイオンビームエッチング法としても公知である。イオンビームエッチング法は、残留酸化物や不純物を基板から除去し、本質的に酸化物の無い好適には双軸加工された基板表面の生成により、成膜前に基板を清浄にするために用い得る。これによって、基板と後続の成膜用材料間の接続が改善される。活性イオンは、例えば、Ａｒ+ 等のイオンを基板表面に向けて加速する様々なイオン銃によって生成できる。好適には、ビーム電圧が１５０ｅｖを超える格子状のイオン源が利用される。一方、プラズマを基板表面の近傍領域で生成し得る。この領域内において、イオンは化学的に基板表面と相互作用して、この表面から金属酸化物を含む金属を除去し、実質的に酸化物フリーの金属表面を生成する。
【００４６】
基板から酸化物層を除去する他の方法では、基板に電気的にバイアスをかける。基板テープ又はワイヤは、陽極電位に対して負である場合、（ターゲット閉じられた場合は）成膜に先立ち又は膜全体の成膜中、ガスからのイオンによる定常打込みを受ける。吸収されたガスのワイヤやテープ表面はこのイオン打込みにより清浄にできるが、さもなければ膜に取り込まれ又高い成膜温度まで基板を加熱することになる。このイオン打込みは、エピタキシャル膜の密度や平滑性の改善により更に利点をもたらす。
【００４７】
適切に加工しほぼ酸化物の無い基板表面の生成時、緩衝層の成膜を始め得る。各々単一金属又は酸化物層を含む１つ又は複数の緩衝層を用い得る。いくつかの好適な実施形態において、基板は、これら実施形態の成膜方法の工程を実行するようにした装置を通過する。例えば、基板がワイヤ又はテープ形状である場合、基板は、供給リールから巻取りリールまで直線的に通過でき、リール間を通る際基板上で工程を実行し得る。
【００４８】
いくつかの実施形態によれば、基板材料は、基板材料の融点の約９０％未満で、所定の成膜速度で真空環境において基板材料上に所望の材料のエピタキシャル層を形成するための閾値温度よりは高い高温まで加熱される。適切な緩衝層結晶構造と緩衝層平滑性を実現するために、基板温度は高いことが一般的に好ましい。金属上での酸化物層成長の一般的な最低温度は、約２００℃乃至８００℃であり、好適には５００℃乃至８００℃、更に好適には６５０℃乃至８００℃である。放射加熱、対流加熱、伝導加熱等の様々な良く知られた方法は、短い基板（２ｃｍ乃至１０ｃｍ）には適するが、長い（１ｍ乃至１００ｍ）ものには、これらの技術は適さない。また製造プロセスにおいて所望の高スループットレートを実現するには、基板ワイヤやテープは、プロセス中、成膜ステーション間を移動又は搬送する必要がある。具体的な実施形態によれば、基板は、抵抗加熱すなわち金属基板内に電流を流して加熱することで長い製造プロセスに容易に適応できる。この手法は、これら領域間の瞬時の移動を可能にしつつ良好に機能する。温度制御は、光高温計と閉ループ帰還系を用いて行い、加熱対象基板に供給されるパワーを制御する。電流は、少なくとも２つの異なる基板セグメントにおいて基板と接触する電極によって基板に供給できる。例えば、テープやワイヤ形状の基板がリール間を通過する際、リール自身が電極として機能し得る。一方、ガイドを用いて基板をリール間で搬送する場合、ガイドが電極として機能し得る。電極もまた、いずれのガイドやリールからも完全に独立し得る。いくつかの好適な実施形態において、電流は電流ホイール間にあるテープに印加される。
【００４９】
適切な温度のテープ上で成膜を実行するために、このテープ上に成膜される金属又は酸化物材料は、電流ホイール間の領域で成膜することが望ましい。電流ホイールは効率的に熱を吸収でき、従ってホイールの近傍領域のテープを冷却し得るため、材料は、ホイールの近傍領域では成膜しないことが望ましい。スパッタリング法の場合、テープ上に成膜される帯電材料が、スパッタ流束経路に隣接する他の帯電表面又は材料の影響を受けないことが望ましい。このことから、スパッタ室は、室壁を含み、スパッタ流束に影響を及ぼしそれを偏向し得る構成要素や表面部及び他の成膜元素を、成膜領域から離れた位置に配置し、それらによって適切な成膜温度でテープ領域において所望の金属又は金属酸化物の成膜状態を変えないように構成することが好ましい。
【００５０】
更に詳細は、共同所有の２０００年２月９日申請の米国特許出願第０９／５００、７０１号・表題“酸化物層法”と共同所有の本明細書と同日出願の米国特許出願第＿＿＿・表題“酸化物層法”に記載されており、この両者の全体を各々本明細書に引用参照する。
【００５１】
好適な実施形態において、３層の緩衝層が用いられる。Ｙ2 Ｏ3 又はＣｅＯ2 の層（例えば、約２０ナノメートル乃至約５０ナノメートル厚）は、基板表面に（例えば、電子ビーム蒸着法を用いて）成膜される。ＹＳＺ層（例えば、約０．５ミクロン厚等の約０．２ミクロン乃至約１ミクロン厚）は、スパッタリング法を用いて（例えば、マグネトロンスパッタリング法を用いて）Ｙ2 Ｏ3 又はＣｅＯ2 層の表面に成膜される。ＣｅＯ2 層（例えば、約２０ナノメートル厚）は、ＹＳＺ表面に（例えば、マグネトロンスパッタリング法を用いて）成膜される。これら層の１つ又は複数の層表面は、本明細書中に述べるように化学的及び／又は熱的に調整できる。
【００５２】
ある実施形態において、下地層（例えば、緩衝層又は異なる超伝導体層）は、超伝導体層が調整済み表面上に形成されるように調整できる（例えば、熱的に調整及び／又は化学的に調整できる）。下地層の調整済み表面は、双軸加工（例えば、（１１３）［２１１］）又は立方状加工（例えば、（１００）［０１１］又は（１００）［０１１］）が可能であり、半値全幅が約２０°未満（例えば、約１５°未満、約１０°未満、又は約５°乃至約１０°）であるＸ線回折の極点図においてピークを有し、高分解能走査電子顕微鏡検査法又は原子間力顕微鏡検査法により決定されるように調整前よりも平滑であり、比較的高濃度であり、不純物の濃度は比較的低く、他の材料層（例えば、超伝導体層又は緩衝層）に対して高い粘着性を呈し、及び／又はＸ線回折によって測定されるように比較的狭いロッキングカーブ幅を呈する。
【００５３】
本明細書中で用いる“化学的調整”とは、１つ又は複数の化学種（例えば、ガス相化学種及び／又は液相化学種）を用いて、緩衝層又は超伝導体材料層等の材料層の表面を変化させて、この結果生じる表面が１つ又は複数の上述の特性を呈するプロセスのことを指す。
【００５４】
本明細書中で用いる“熱的調整”とは、化学的調整は用いても用いなくてもよいが、高温を用いて、緩衝層又は超伝導体材料層等の材料層の表面を変化させて、この結果生じる表面が１つ又は複数の上述の特性を呈するプロセスのことを指す。好適には、熱的調整は環境制御（例えば、ガス圧制御、ガス環境制御及び／又は温度制御）において行う。
【００５５】
熱的調整は、下地層の表面を、下地層の成膜温度又は結晶化温度を少なくとも約５℃超える温度まで加熱することを含む（例えば、下地層の成膜温度又は結晶化温度を約１５℃乃至約５００℃超える、又は下地層の成膜温度又は結晶化温度を約７５℃乃至約３００℃超える、又は下地層の成膜温度又は結晶化温度を約１５０℃乃至約３００℃超える）。この温度の例は、約５００℃乃至約１２００℃である（例えば、約８００℃乃至約１０５０℃）。熱的調整は、大気圧を超えたり、大気圧を下回ったり、又は大気圧等の様々な圧力条件下で実行できる。熱的調整はまた、様々なガス環境（例えば、酸化ガス環境、還元ガス環境、又は不活性ガス環境）を用いても実行できる。
【００５６】
本明細書中で用いる“成膜温度”とは、調整される層が成膜された温度を指す。
本明細書中で用いる“結晶化温度”とは、材料の層（例えば、下地層）が結晶になる温度を指す。
【００５７】
化学的調整は、真空技術（例えば、反応性イオンエッチング法、プラズマエッチング法及び／又はＢＦ3 及び／又はＣＦ4 等のフッ素化合物によるエッチング法）を含み得る。化学的調整技術については、例えば、ＶＬＳＩ時代のシリコン処理、第１巻、Ｓ．ウルフ（Ｗｏｌｆ）とＲ．Ｎ．タンバ（Ｔａｎｂｅｒ）編、５３９−５７４ページ、１９８６年、カリフォルニア州、サンセットパーク（ＳｕｎｓｅｔＰａｒｋ）、ラチス出版（ＬａｔｔｉｃｅＰｒｅｓｓ）に開示されている。
【００５８】
一方更に、化学的調整は、冶金と冶金工学シリーズ、第３版、ジョージ（Ｇｅｏｒｇｅ）Ｌ．ケール（Ｋｅｈｌ）、１９４９年、マグローヒル社（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）に開示された液相技術を含み得る。この技術は、下地層の表面を、比較的弱酸性の溶液（例えば、約１０パーセント、約２パーセント、又は約１パーセント少ない酸を含む酸性溶液）に接触させることを含む。弱酸性溶液の例は、過塩素酸、硝酸、フッ化水素酸、酢酸、緩衝酸性溶液を含む。１つの実施形態において、弱酸性溶液は、約１パーセントの硝酸水溶液である。ある実施形態において、臭化物含有及び／又は臭素含有組成（例えば、液状臭素溶液）を用いて、緩衝層又は超伝導体層の表面を調整し得る。
【００５９】
この方法を用いると、多数の緩衝層（例えば、２層、３層、４層、又はそれ以上の数の緩衝層）が、この緩衝層の１つ又は複数の層表面が調整された状態で形成され得る。
【００６０】
この方法を用いると、複数の超伝導体層が、この超伝導体層の１つ又は複数の層表面が調整された状態で形成され得る。例えば、超伝導体層は、形成後、上述のように熱的に及び／又は化学的に調整できる。次に、新たな超伝導体層が最初の超伝導体層の調整済み表面に形成され得る。このプロセスは、所望の回数だけ繰返し得る。
【００６１】
これらの方法については、共同所有の１９９９年１１月１８日申請の米国暫定特許出願第６０／１６６、１４０号・表題“多層物とこの生成方法”と、共同所有の本明細書と同日出願の米国特許出願第＿＿＿号・表題“多層物とその生成方法”に記載されており、その両者を本明細書中に引用参照する。
【００６２】
ある実施形態において、超伝導体層は、比較的少量の遊離酸を有する前駆体構成物から形成できる。水溶性溶液中で、このことは、ｐＨが比較的中性である（例えば、強酸性でも強塩基性でもない）前駆体構成物に相当する。この前駆体構成物は、超伝導体層が形成される下地層として用い得る広く様々な材料を用いて、多層超伝導体を調製するために用い得る。
【００６３】
前駆体構成物の総遊離酸濃度は、約１×１０-3モル未満（例えば、約１×１０-5モル未満又は約１×１０-7モル未満）であり得る。前駆体構成物に含まれ得る遊離酸の例には、トリフルオロアセテート酸、酢酸、硝酸、硫酸、酸化ヨウ化物、酸化臭化物、酸化硫酸塩が含まれる。
【００６４】
前駆体構成物が水分を含んでいる場合、その前駆体構成物のｐＨは、少なくとも約３（例えば、少なくとも約５又は約７）となり得る。
いくつかの実施形態において、前駆体構成物は、比較的低い水分含有率を有し得る（例えば、約５０容量百分率未満の水分、約３５容量百分率未満の水分、約２５容量百分率未満の水分）。
【００６５】
前駆体構成物がトリフルオロアセテート酸とアルカリ土類金属（例えば、バリウム）を含有する実施形態において、トリフルオロアセテート酸の総量は、（例えば、トリフルオロアセテートの形態で）前駆体構成物に含有されるフッ素と前駆体構成物に含有されるアルカリ土類金属（例えば、バリウムイオン）とのモル比が、少なくとも約２：１（例えば、約２：１乃至約１８．５：１、又は約２：１乃至約１０：１）となるように選択できる。
【００６６】
この前駆体構成物から形成される超伝導体物は、２層以上の超伝導体層（例えば、互いに積層した２つの超伝導体層）を含み得る。これら超伝導体層の総厚は、少なくとも約１ミクロン（例えば、少なくとも約２ミクロン、少なくとも約３ミクロン、少なくとも約４ミクロン、少なくとも約５ミクロン、又は少なくとも約６ミクロン）であり得る。これら超伝導体層の総臨界電流密度は、少なくとも約５×１０5 アンペア毎平方センチメートル（例えば、少なくとも約１×１０6 又は少なくとも約２×１０6 アンペア毎平方センチメートル）であり得る。
【００６７】
一般的に、前駆体構成物は、第１金属（例えば、銅）、第２金属（例えば、アルカリ土類金属）、及び希土類金属の可溶性化合物を、１つ又は複数の所望の溶媒及び随意水と混合して調製できる。本明細書中で用いる第１金属、第２金属、及び希土類金属の“可溶性化合物”とは、前駆体構成物に含有される１つ又は複数の溶媒に溶解し得るこれら金属の化合物を指す。このような化合物には、例えば、塩（例えば、硝酸塩、酢酸塩、アルコキシド、ヨウ化物、硫酸塩、トリフルオロアセテート）、酸化物、及びこれらの金属の水酸化物がある。
【００６８】
これらの方法及び構成物については、１９９９年１１月１８日出願の共同所有の米国暫定特許出願第６０／１６６、２９７号・表題“超伝導体とその構成物及びその生成方法”と、本明細書と同日出願された共同所有の米国特許出願第＿＿＿号・表題“超伝導体とその構成物及びその生成方法”に記載されており、その両者を本明細書中に引用参照する。
【００６９】
ある実施形態において、前駆体溶液は、当業者には公知の方法を用いて混合と反応を行った粉末状のＢａＣＯ3 、ＹＣＯ3 ・３Ｈ2 Ｏ、Ｃｕ（ＯＨ）2 ＣＯ3 から調製された金属トリフルオロアセテートを含有する有機溶液から形成される。例えば、その粉末は、２：１：３の割合で、メチルアルコール中で２０−３０％（５．５−６．０Ｍ）の間の過剰トリフルオロアセテート酸と混合し、次に（例えば、約４乃至１０時間）還流させ、銅含有量に基づいて約０．９４Ｍの溶液を生成できる。
【００７０】
次に、この前駆体溶液は、スピン被膜法又は当業者には公知の他の技術等によって、表面（例えば、緩衝層表面）に塗布される。
この表面（例えば、緩衝層表面）に塗布を行った後、前駆体溶液は熱処理される。一般的に、この溶液は、（例えば、露点が約２０℃乃至約７５℃の範囲にある）湿度の高い酸素中で毎分約０．５℃乃至毎分約１０℃の速度で、約３００℃乃至約５００℃の範囲の温度まで加熱する。次に、被膜は、（例えば、約０．５％乃至約５％酸素を含む構成物を有する）低湿度の窒素−酸素ガス混合気体中で約８６０℃未満の温度（例えば、約８１０℃未満）まで、約１時間加熱する。更に、随意約８６０℃乃至約９５０℃の温度まで、約５乃至約２５分間加熱してもよい。引き続き、約４００℃乃至約５００℃の温度まで少なくとも約８時間、乾燥酸素中で加熱する。次に、静止乾燥酸素中で室温まで冷却する。
【００７１】
これらの方法については、１９９３年７月２７日発行の米国特許第５、２３１、０７４号・表題“ＭＯＤ前駆体溶液からの高度加工処理酸化物超伝導膜の調製”に記載されており、本明細書中に引用参照する。
【００７２】
いくつかの実施形態において、金属オキシフッ化物は、１つ又は複数の標準的な手法を用いて成膜するが、この技術は、有機金属溶液成膜法、有機金属化学気相蒸着法、反応蒸着法、プラズマ溶射法、分子線エピタキシ法、レーザアブレーション法、イオンビームスパッタリング法、電子線蒸着法、金属トリフルオロアセテート被膜の成膜、本明細書中で述べた被膜の分解等である。多層の金属オキシフッ化物を積層してもよい。
【００７３】
所望の酸化物超伝導体から成る他の組成の金属元素もまた、ほぼ化学量論的割合で成膜する。
金属オキシフッ化物は、気体状の水の温度、蒸気圧、又はこの両者を調整して選択した転化速度で、酸化物超伝導体に転化される。例えば、金属オキシフッ化物は、水分が２５℃で相対湿度１００％未満（例えば、相対湿度が約９５％未満、約５０％未満、又は約３％未満）である処理用ガス中で転化され、何らかの酸化物超伝導体を形成し、次いで、より高い水分含有量の処理用ガス（例えば、２５℃で相対湿度約９５％乃至約１００％）を用いて転化を完了する。金属オキシフッ化物を転化する温度は、約７００℃乃至約９００℃の範囲（例えば、約７００℃乃至約８３５℃）であり得る。好適には、処理用ガスは、体積百分率で約１パーセント乃至約１０パーセントの酸素ガスを含む。
【００７４】
これらの方法については、１９９８年１２月２３日公告のＰＣＴ公告第ＷＯ９８／５８４１５号・表題“金属オキシフッ化物から超伝導酸化物への転化制御”に記載されており、本明細書中に引用参照する。
【００７５】
ある実施形態において、超伝導体層の調製には、前駆体構成物を処理して超伝導体層の中間体（例えば、超伝導体層の金属オキシフッ化物中間体）を形成する時存在する１つ又は複数の金属のトリフルオロアセテート塩と被制御総水分含有率（例えば、前駆体構成物中の液体水分の被制御含有率と周囲環境中の水蒸気の被制御含有率）を含む前駆体構成物の使用が含まれる。例えば、前駆体構成物は、比較的低い水分含有率（例えば、容量百分率約５０パーセント未満の水分、容量百分率約３５パーセント未満の水分、又は容量百分率約２５パーセント未満の水分）及び／又は比較的高い固体含有率を有し得るのに対して、周囲ガス環境は、比較的高い水蒸気圧（例えば、約５Ｔｏｒｒ乃至約５０Ｔｏｒｒ水蒸気、約５Ｔｏｒｒ乃至約３０Ｔｏｒｒ水蒸気、又は約１０Ｔｏｒｒ乃至約２５Ｔｏｒｒ水蒸気）を有し得る。超伝導体層中間体（例えば、金属オキシフッ化物中間体）は、比較的短い期間（例えば、約５時間未満、約３時間未満、又は約１時間未満）で形成できる。
【００７６】
前駆体構成物の処理には、少なくとも毎分約５℃の速度（例えば、少なくとも毎分約８℃又は少なくとも毎分約１０℃）で、約５Ｔｏｒｒ乃至約５０Ｔｏｒｒの水蒸気圧中（例えば、約５Ｔｏｒｒ乃至約３０Ｔｏｒｒ水蒸気又は約１０Ｔｏｒｒ乃至約２５Ｔｏｒｒ水蒸気）で、初期温度（例えば、室温）から約１９０℃乃至約２１５℃の温度（例えば、約２１０℃）まで前駆体構成物を加熱することを含み得る。酸素の公称分圧は、例えば、約０．１Ｔｏｒｒ乃至約７６０Ｔｏｒｒでよい。
【００７７】
次に、加熱は、毎分約０．０５℃乃至毎分約０．４℃の速度（例えば、毎分約０．１℃乃至毎分約０．４℃）で、約５Ｔｏｒｒ乃至約５０Ｔｏｒｒの水蒸気圧中（例えば、約５Ｔｏｒｒ乃至約３０Ｔｏｒｒ水蒸気又は約１０Ｔｏｒｒ乃至約２５Ｔｏｒｒ水蒸気）で、約２２０℃乃至約２９０℃の温度（例えば、約２２０℃）まで継続する。酸素の公称分圧は、例えば、約０．１Ｔｏｒｒ乃至約７６０Ｔｏｒｒでよい。
【００７８】
これに続いて、少なくとも毎分約２℃（例えば、少なくとも毎分約３℃又は少なくとも毎分約５℃）で、約５Ｔｏｒｒ乃至約５０Ｔｏｒｒの水蒸気圧中（例えば、約５Ｔｏｒｒ乃至約３０Ｔｏｒｒ水蒸気又は約１０Ｔｏｒｒ乃至約２５Ｔｏｒｒ水蒸気）で、約４００℃まで加熱して、超伝導体材料の中間体（例えば、金属オキシフッ化物中間体）を形成する。酸素の公称分圧は、例えば、約０．１Ｔｏｒｒ乃至約７６０Ｔｏｒｒでよい。
【００７９】
中間体を加熱すると所望の超伝導体層を形成できる。例えば、中間体は、約０．１Ｔｏｒｒ乃至約５０Ｔｏｒｒの酸素と約０．１Ｔｏｒｒ乃至約１５０Ｔｏｒｒの水蒸気（例えば、約１２Ｔｏｒｒ水蒸気）を含み、例えば、残りが窒素及び／又はアルゴンである環境中で、約７００℃乃至約８２５℃の温度まで加熱できる。
【００８０】
この方法によって、比較的高い臨界電流密度（例えば、少なくとも約５×１０5 アンペア毎平方センチメートル）を有する（例えば、双軸加工又は立方状加工された）順序良く並んだ超伝導体層をもたらすことができる。
【００８１】
これらの方法については、１９９９年１１月１８日出願の共同所有の米国暫定特許出願第６０／１６６、１４５号・表題“多層体製造方法とその組成”と、本明細書と同日出願された共同所有の米国特許出願第＿＿＿号・表題“多層体製造方法とその組成”に記載されており、この両者を本明細書中に引用参照する。
【００８２】
ある実施形態において、超伝導体材料の金属オキシフッ化物中間体は、比較的少ない温度傾斜部（例えば、２傾斜部等３傾斜部未満）を含むプロセスを用いて調製できる。
【００８３】
他の選択肢として又は追加的に、金属オキシフッ化物の形成には、以下の１つ又は複数の段階を含み得る。この段階では、概ね室温を超える温度（例えば、少なくとも約５０℃、少なくとも約１００℃、少なくとも約２００℃、少なくとも約２１５℃、約２１５℃乃至約２２５℃、約２２０℃）までの第１温度傾斜の後、比較的長期間（例えば、約１分超、約５分超、約３０分超、約１時間超、約２時間超、約４時間超）、温度をほぼ一定に（例えば、約１０℃、約５℃、約２℃、約１℃の範囲内で一定に）保つ。
【００８４】
金属オキシフッ化物中間体の生成には、比較的長期間（例えば、約１分超、約５分超、約３０分超、約１時間超、約２時間超、約４時間超）、温度をほぼ一定に（例えば、約１０℃、約５℃、約２℃、約１℃の範囲内で一定に）保持しつつ、２つ以上のガス環境（例えば、水蒸気圧が比較的高いガス環境や水蒸気圧が比較的低いガス環境）を使用する段階を含み得る。一例として、水蒸気圧が高い環境において、水蒸気圧は約１７Ｔｏｒｒ乃至約４０Ｔｏｒｒ（例えば、約３２Ｔｏｒｒ等の約２５Ｔｏｒｒ乃至約３８Ｔｏｒｒ）である。水蒸気圧が低い環境では、水蒸気圧は約１Ｔｏｒｒ未満（例えば、約０．１Ｔｏｒｒ未満、約１０ミリＴｏｒｒ未満、約５ミリＴｏｒｒ）である。
【００８５】
通常、金属オキシフッ化物は、構成物（例えば、前駆体溶液）を表面（例えば、基板表面、緩衝層表面、又は超伝導体層表面）に積層し、この構成物を加熱して形成する。構成物を表面に積層する方法は、スピン被膜法、含浸被膜法、ウェブ被膜法、及びこの技術分野では公知の他の技術を含む。
【００８６】
通常、初期分解段階において、この段階の初期温度は概ね室温であり、最終温度は、毎分１０℃以下の温度傾斜で約２１５℃乃至約２２５℃である。この段階中、好適には、公称ガス環境中の水蒸気の分圧は、約１７Ｔｏｒｒ乃至約４０Ｔｏｒｒに保持する。公称ガス環境中の酸素の分圧は、約０．１Ｔｏｒｒ乃至約７６０Ｔｏｒｒに保持し得る。次に、温度と公称ガス環境は、比較的長期間ほぼ一定に保つ。
【００８７】
この期間の後、ガス環境を、温度をほぼ一定に保持しつつ、比較的乾燥状態のガス環境（例えば、約１Ｔｏｒｒ未満水蒸気、約０．１未満水蒸気、約１０ミリＴｏｒｒ未満水蒸気、５ミリＴｏｒｒ水蒸気）に変える。次に、温度と公称ガス環境は、比較的長期間、ほぼ一定に保つ。
【００８８】
この期間後、公称ガス環境をほぼ一定に保持し、金属オキシフッ化物中間体を形成するのに充分な温度（例えば、約４００℃）まで継続して加熱する。好適には、この段階は、毎分１０℃以下の温度傾斜で行う。
【００８９】
次に、金属オキシフッ化物中間体を加熱して所望の超伝導体層を形成できる。通常、この段階は、約７００℃乃至約８２５℃の温度まで加熱して行う。この段階中、通常、公称ガス環境は、約０．１Ｔｏｒｒ乃至約５０Ｔｏｒｒの酸素と、約０．１Ｔｏｒｒ乃至約１５０Ｔｏｒｒ（例えば、約１２Ｔｏｒｒ）の水蒸気を含み、残りは窒素及び／又はアルゴンであってよい。金属オキシフッ化物中間体は比較的小さい欠陥密度を有することが好ましい。
【００９０】
これらの方法については、本明細書と同日出願された共同所有の米国特許出願第＿＿＿号・表題“超伝導体製造方法”に記載されており、本明細書中に引用参照する。
【００９１】
ある実施形態において、超伝導層は、分散体の形態で、固体又は半固体の前駆体材料から形成できる。これらの前駆体構成物によって、例えば、膜の核形成及び成長を制御しつつ、最終ＹＢＣＯ超伝導層でのＢａＣＯ3 生成をほぼ排除し得る。
【００９２】
前駆体構成物の形成には、２つの一般的な手法が取られる。１つの手法において、前駆体構成物の陽イオン成分を、元素として又は好適には他の元素と化合した状態で固体形態を取る成分で提供する。前駆体構成物は、適切な基板、中間体被覆基板、又は緩衝部被覆基板の表面上に被覆及び粘着し得るように分散される超微粒子の形態で提供される。これらの超微粒子は、エアロゾル噴霧法、蒸着法、又は所望の化学組成やサイズを提供するように制御し得る同様な技術によって生成できる。超微粒子は、約５００ｎｍ未満、好適には約２５０ｎｍ未満、更に好適には約１００ｎｍ未満、また更に好適には約５０ｎｍ未満である。通常、粒子径は、所望の最終膜厚の約５０％未満、好適には約３０％未満、最も好適には所望の最終膜厚の約１０％未満である。例えば、前駆体構成物は、ほぼ化学量論的な混合物においてキャリア中に存在する超伝導層の１つ又は複数の成分である超微粒子から構成できる。このキャリアは、溶媒、可塑剤、結合剤、分散剤、又はこの技術分野では公知の同系のものから構成され、このような粒子の分散体を形成する。各超微粒子は、ほぼ組成的に均一で均質なこのような成分の混合物を含み得る。例えば、各微粒子は、ほぼ化学量論的な混合物において、ＢａＦ2 と、希土類酸化物と、酸化銅又は希土類／バリウム／銅オキシフッ化物を含み得る。このような微粒子を分析した場合、フッ素：バリウムの比率が化学量論的にほぼ２：１の状態で、希土類：バリウム：銅の比率は化学量論的にほぼ１：２：３であることが望ましい。これらの粒子は、結晶又は非晶質形態のいずれであってもよい。
【００９３】
第２の手法において、前駆体構成物は、元素ソース又は所望の成分から構成されるほぼ化学量論的な化合物から調製できる。例えば、所望のＲＥＢＣＯ成分（例えば、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x ）又は各々所望の最終超伝導層（例えば、Ｙ2 Ｏ3 、ＢａＦ2 、ＣｕＯ）の特定成分を含有する多くの固体のほぼ化学量論的な化合物から構成される固体の蒸着は、前駆体構成物生成用の超微粒子の生成に用い得る。一方、所望のＲＥＢＣＯ成分のほぼ化学量論的な混合物から構成される有機金属溶液の噴霧乾燥又はエアロゾル化は、前駆体構成物で用いる超微粒子の生成に用い得る。他方、１つ又は複数の陽イオン成分は、有機金属塩又は有機金属化合物として前駆体構成物に提供され、溶液中に存在し得る。有機金属溶液は、他の固体元素又は化合物に対して、溶媒すなわちキャリアとして機能し得る。この実施形態によれば、分散剤及び／又は結合剤は、前駆体構成物から実質的に排除し得る。例えば、前駆体構成物は、メタノール等の有機溶媒に溶解される可溶化バリウム含有塩、例えばバリウム−トリフルオロアセテートと共に、希土類酸化物と酸化銅の化学量論的比率がほぼ１：３である超微粒子から構成できる。
【００９４】
超伝導層がＲＥＢＣＯ型である場合、前駆体構成物は、希土類元素、バリウム、銅の各々酸化物の形態と、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物等のハロゲン化物；カルボン酸塩とアルコラート、例えば、トリフルオロアセタト、ギ酸塩、シュウ酸塩、乳酸塩、オキシフッ化物、プロピレン、クエン酸塩、アセチルアセトン等のトリフルオロアセトンを含むアセテート、及び塩素酸塩と硝酸塩を含み得る。前駆体構成物は、各々様々な形態でこの元素（希土類元素、バリウム、銅）のいずれかの化合物を含むことができ、バリウムハロゲン化物と希土類オキシフッ化物と銅（オキシフッ化物）を含む中間材に転化できるが、ここでは、他の分解工程なしで又は全成分が可溶化された前駆体に必要な工程よりも実質的に短い分解工程で、又ＢａＣｏ3 の生成を実質的に行わず転化できる。前駆体構成物は次に高温反応プロセスを用いて処理され、Ｔc が約８９Ｋ以上であり、Ｊc が膜厚１ミクロン以上において約５００、０００Ａ／ｃｍ2 を超えるエピタキシャルＲＥＢＣＯ膜が生成できる。例えば、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 超伝導層の場合、前駆体構成物は、バリウムハロゲン化物（例えば、バリウムフッ化物）、イットリウム酸化物（例えば、Ｙ2 Ｏ3 ）、酸化銅を含み；又はイットリウム酸化物、トリフルオロアセタ／メタノール溶液中のバリウムトリフルオロアセタト、トリフルオロアセタ／メタノール中の酸化銅と銅トリフルオロアセタトの混合物を含む。一方、前駆体構成物は、Ｂａ−トリフルオロアセタト、Ｙ2 Ｏ3 、ＣｕＯを含み得る。また一方、前駆体構成物は、メタノール中のバリウムトリフルオロアセタトとイットリウムトリフルオロアセタトと、ＣｕＯとを含む。また一方、前駆体構成物は、ＢａＦ2 とイットリウムアセテートとＣｕＯを含み得る。いくつかの好適な実施形態において、バリウム含有粒子は、ＢａＦ2 粒子すなわちバリウムフルオロアセテートとして存在する。いくつかの実施形態において、陽イオン成分を含有する化合物の１つの内少なくとも一部が固体形態で存在するならば、前駆体は実質的に、いくつかの又は全ての陽イオン成分を含有する可溶化有機金属塩であり得る。ある実施形態において、分散体中の前駆体は、結合剤及び／又は分散剤及び／又は１つ又は複数の溶媒を含む。
【００９５】
前駆体構成物は、ほぼ均等な厚さの被膜生成用の多くの方法によって、基板又は緩衝処理された基板に塗布できる。例えば、前駆体構成物は、スピン被膜法、スロット被膜法、グラビア被膜法、含浸被膜法、テープ成形法又は噴霧法を用いて塗布できる。基板は、均一に被覆し、約１乃至１０ミクロン、好適には約１乃至５ミクロン、更に好適には約２乃至４ミクロンの超伝導膜を生成することが望ましい。
【００９６】
更に詳細については、２０００年２月９日出願の共同所有の米国特許出願第０９／５００、７１７号・表題“被覆導体厚膜前駆体”に寄与されており、この全体を本明細書に引用参照する。
【００９７】
具体的な実施形態において、必要な反応条件に達するまで酸化物層の生成を抑制して、望ましくないａ軸方位の酸化物層粒子の形成を最小限にする方法を用い得る。
【００９８】
フッ化物含有前駆体の分解と反応用に開発された従来のプロセスでは、膜表面に平行な方位で分解炉内に導かれる一定の低乱流のプロセスガスを用いて、膜とガスの界面に安定した境界層が生じる。酸化物層前駆体の分解と反応に通常用いる種類の装置においては、このガスと膜の境界層を通るガス状反応物と生成物の拡散が全反応速度を支配する。小面積の薄膜（例えば、約０．４ミクロン厚未満で約１平方センチメートル未満）において、膜へのＨ2 Ｏの拡散と膜外へのＨＦの拡散は、試料が処理温度に達するまで、影響を及ぼし得る如何なる速度でもＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 相が形成し始めない速度で起こる。しかしながら、膜厚や膜面積が大きくなるにつれて、膜内と膜外へのガスの拡散速度は遅くなり、他の全てのパラメータは同じになる。これによって、反応時間が長くなり及び／又はＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 相の形成が不完全となり、この結果、結晶組織が縮小し、密度が小さくなり、臨界電流密度が減少する。従って、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 相の全生成速度は、大部分が膜表面の境界層を通過するガスの拡散により決定される。
【００９９】
これらの境界層を排除する１つの手法は、膜表面で乱流を生成することである。これらの条件下では、界面の局所ガス組成は、バルクガス中とほぼ同じに維持される（すなわち、ｐＨ2 Ｏは一定で、ｐＨＦがほぼゼロである）。従って、膜中のガス状生成物／反応物の濃度は、ガスと膜表面の境界層を通過する条件により支配されず、むしろ、膜を通過する拡散によって支配される。基板表面でのａ軸ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 方位粒子の核形成を最小限に抑えるために、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 相の生成は、所望のプロセス条件に達するまで抑制される。例えば、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 相の生成は、所望のプロセス温度に達するまで抑制できる。
【０１００】
１つの実施形態において、１）低（非乱流の）プロセスガス流量（これにより温度上昇過程で安定した境界層が膜とガスの界面に確立される）、２）高（乱流）プロセスガス流量（これにより境界層が膜とガスの界面で乱される）の組み合わせが用いられる。例えば、３インチの管炉において、周囲温度から所望のプロセス温度まで温度上昇過程で、流量は約０．５乃至２．０Ｌ／分となる。この後、膜の処理時間中、流量は約４乃至１５Ｌ／分の値に増加し得る。従って、上昇過程で低温時不要なａ軸の核形成と成長の量を最小限に抑えつつ、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x の生成とエピタキシャル組織の生成速度は高温時に大きくし得る。これらのプロセスによれば、ａ軸の核形成粒子の量は、走査電子顕微鏡検査法により決定されるように、約１％未満になることが望ましい。
【０１０１】
更に詳細は、本明細書と同日出願の共同所有の米国特許出願第＿＿＿・表題“酸化物層反応速度制御”に記載されており、本明細書中に引用参照する。
図１Ａ及び１Ｂに、本発明に基づき形成した導体１０を示す。図１は、これを最も簡単な構造で示し、ここで、２つのテープが対向して接合されている。前述のように、各テープは、金属又は合金であり得るが好適には非磁性合金である基板と、酸化物、窒化物及び／又は金属から形成される単層又は多層を含み得る緩衝層と、通常はＹＢＣＯ又はＹを希土類で置換した他の超伝導層を含む。キャップ層を新規に積層してもよいが、このキャップ層は、最も好適には銀であり、随意通常の金属層を取り入れ熱的及び電気的容量を提供する。この導体は、はんだ付け、拡散接合、又は他の同様のプロセスを用いて、鏡像関係にある他のテープのキャップ層に接合できる。
【０１０２】
更に詳細には、導体１０は、２つの被覆導体テープ１１ａ及び１１ｂで挟まれた構造で形成される。図１Ａ及び１Ｂに示すように、導体１１ａは、基板１２ａ、緩衝層１４ａ、ＨＴＳ層１６ａ、キャップ層１８ａを含む。同様に、導体１１ｂは、基板１２ｂ、緩衝層１４ｂ、ＨＴＳ層１６ｂ、キャップ層１８ｂを含む。
【０１０３】
導体１１ａ及び１１ｂは、例えば、ＩＢＡＤ、ＤｅＴｅｘ、及び上述のエピタキシャル成膜プロセス等公知のプロセスを用いて形成できる。基板１２ａ及び１２ｂは、非磁性体であり、上述のＤｅＴｅｘプロセスの１つを用いて形成することが好ましい。
【０１０４】
緩衝層１４ａ及び１４ｂは、上述の方法の１つを用いて、エピタキシャル法で成膜することが好ましい。緩衝層１４ａ及び１４ｂは各々１つ又は複数の層から形成してもよい。例示の緩衝層材料は、これに制限するものではないが、ＣｅＯ2 、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ2 Ｏ3 、ＳｒＴｉＯ3 を含む。
【０１０５】
層１４は、層１６を支持し得る如何なる材料からでも形成できる。例えば、層１４は緩衝層材料から形成できる。緩衝層材料の例には、この技術分野では公知である、銀、ニッケル、ＴｂＯx 、ＧａＯx 、ＣｅＯ2 、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、Ｙ2 Ｏ3 、ＬａＡｌＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、ＬａＮｉＯ3 、Ｇｄ2 Ｏ3 、ＬａＣｕＯ3 、ＳｒＲｕＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、ＮｄＡｌＯ3 、窒化物等の金属や金属酸化物を含む。緩衝材の材料は、例えば、Ｓ．Ｓ．シャウプ（Ｓｈｏｕｐ）らによるＪ．Ａｍ．Ｃｅｒ．Ｓｏｃ．第８１、３０１９版；Ｄ．ビーチ（Ｂｅａｃｈ）らによるＭａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．第４９５、２６３版（１９８８）；Ｍ．パランサマン（Ｐａｒａｎｔｈａｍａｎ）らによる超伝導科学技術・第１２、３１９版（１９９９）；Ｄ．Ｊ．リー（Ｌｅｅ）らによる日本応用物理学会報・第３８版１７８行（１９９９）；Ｍ．Ｗ．ラピッチ（Ｒｕｐｉｃｈ）らによる超伝導に関するＩ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．議事録・第９、１５２７版等に開示された有機金属成膜を含む液相技術を用いて調製できる。
【０１０６】
ＨＴＳ層１６ａ及び１６ｂもまた、上述の方法の１つを用いてエピタキシャル法により成膜することが好ましい。ＨＴＳ層１６ａ及び１６ｂは、何らかのＨＴＳ材料、例えば、イットリウム・バリウム・銅・酸化物の超伝導体（ＹＢＣＯ）、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物の超伝導体（ＢＳＣＣＯ）、タリウムベースの超伝導体を含む。
【０１０７】
キャップ層１８ａ及び１８ｂは各々、例として図１Ｂに示す１つ又は複数の層から形成できる。好適には、キャップ層１８ａ及び１８ｂは各々少なくとも１つの貴金属層を含む。本明細書中で用いる“貴金属”は金属であり、その反応生成物は、ＨＴＳテープの調製に用いられる反応条件下では熱力学的に不安定である。代表的な貴金属は、例えば、銀、金、パラジウム、白金を含む。貴金属によって、ＨＴＳ層とキャップ層の間の界面抵抗が低くなる。更にキャップ層１８ａ及び１８ｂは各々常伝導金属（例えば、Ｃｕ又はＡｌ又は通常の金属の合金）から成る第２層を含み得る。
【０１０８】
次に、個々の導体１１ａ及び１１ｂは、様々な方法の１つを用いてそれぞれの層において接合される。例えば、これに制限はしないが、例示の接合技術は、はんだ付けや拡散接合を含む。例示のはんだによる実施形態を図１Ａ及び１Ｂに示すが、ここで、結果として得られるキャップ層１８ａと１８ｂ間のはんだ層を参照番号２０として（又は拡散接合の場合その界面を）示す。一方、キャップ層を用いない場合、好適には金属性の仲介層を２つのＨＴＳ層に接合してもよい。
【０１０９】
ここで図２Ａ及び２Ｂにおいて、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態において、導体１０´は、段違い状態の（すなわち、図中に示すようにそれぞれの端部が揃っていない）導体１１ａ及び１１ｂを含む。この実施形態に示す段違い構造は状況によっては好ましい場合がある。この理由は、超伝導層１６ａ及び１６ｂの端部からの輸送に比べて、この構造を用いることで、例えば、接合部及び終端部において、キャップ層１８ａと１８ｂの幅広表面から超伝導糸状体又は超伝導層１６ａ及び１６ｂへそれぞれ電流移動可能になるためである。
【０１１０】
図２Ｃに本発明に基づく他の代替実施形態を示す。図２Ｃにおいて、図２Ａ及び２Ｂに示す段違い構造の利点を更に拡張して、個々のテープ１１ａ及び１１ｂそれぞれの端部に沿うキャップ層１８ａ及び１８ｂを延在することによって、基板１２ａ及び１２ｂへの電流移動を行う。このことは、基板への別の電流経路と熱移動を可能にし、更に導体１０´´が浸されたり曝されたりする冷凍剤への熱移動を可能にすることで、導体を更に安定させる。
【０１１１】
図３Ａ及び３Ｂに本発明の他の代替実施形態を示す。図３Ａ及び３Ｂに、超伝導層１６ａ及び１６ｂが各々複数の小さい糸状体１７ａ及び１７ｂにそれぞれ分割されている導体２０を示す。各層１６ａ及び１６ｂの糸状体幅について、各層内で寸法が同じである必要はないことが理解されよう。また対向する層の糸状体幅も等しい幅である必要はない。この糸状体は、例えば、超伝導層における常伝導（すなわち、非超伝導性）領域となり得る領域３０又は小さい糸状体間に挿入された常伝導（例えば、非超伝導性）金属によって互いに分離される。
【０１１２】
次に、超伝導層における常伝導領域の場合、領域３０の層は、ＨＴＳ層と同じ材料から形成されるが、例えばイオン打込みによって処理し、超伝導性を抑制する。これは、キャップ層１８ａ及び１８ｂを成膜する前に、例えばイオン打込みを行い達成できる。一方、イオン打込みはキャップ層の成膜に続き用い得る。
【０１１３】
領域３０に挿入される常伝導金属の場合、超伝導層の材料は、キャップ層を成膜する前に領域３０から除去でき、キャップ層材料をそこに挿入できる。通常、これはキャップ層の成膜と同時に行う。常伝導金属の代替電流経路の体積を大きくするために領域３０の幅のいくらか又は全てが（互いに独立して）変え得ることが理解されよう。
【０１１４】
対向層の糸状体は互いに段違いであることが好ましく、これによって多数の糸状体間で電流が共有される。これは、各層及び／又は対向層内で実施できる。
更に図３Ａ及び３Ｂに、本明細書中で上述したキャップ層材料から形成し得る端部層３２を示す。これは、図２Ｃを参照し検討したキャップ層１８ａ及び１８ｂの延在部と同様である。上述したように、このことは、基板への別の電流経路と熱移動を可能にし、更に導体１０´´が浸されたり曝されたりする冷凍剤への熱移動を可能にすることで、導体を更に安定させる。
【０１１５】
図４Ａ及び４Ｂに本発明の更に他の実施形態を示す。この実施形態において、新たに安定化材７０が、キャップ層１８ａ及び１８ｂと共に含まれる。これによって、新たに安定化材が望ましい又は必要な状況において、費用効果の優れた他の方法が可能になる。例えば、安定化材７０は、銅、アルミニウム等で形成できる。
【０１１６】
実際の導体は、導電性材料層１８が超伝導糸状体間に積層部外側で緩衝層と基板と共に配置されるように、２つの個別のテープを対向して貼ることにより形成できると考えられる。
【０１１７】
いくつかの実施形態において、被覆導体は、交流用途で生じる損失を最小限に抑える方法で製造し得る。この導体は複数の伝導経路を有し、各々少なくとも２つの伝導層を跨って延在する経路セグメントから構成され、そして更にこれらの層間に延在する。
【０１１８】
各超伝導層は、層の幅方向に一端部から他方の端部へ延在する複数の伝導性経路セグメントを有し、又この経路セグメントは超伝導層の長さ方向に沿う構成要素を有する。超伝導層表面の経路セグメントは、層間接続部と電気的伝導状態で連通しており、これにより電流が一方の超伝導層から他方に流れ得る。経路セグメントを含む経路は周期的な構成であり、電流は２層膜構造の実施形態において２つの超伝導層間で通常交互に流れ、層間接続部を通過して層を横断する。
【０１１９】
超伝導層は、各々の幅方向と長さ方向に延在する複数の経路セグメントを含むように構成し得る。例えば、超伝導層は、各複数の経路セグメント間に高い抵抗率又は完全な絶縁障壁を実現できるようにパターン化し得る。例えば、一定間隔で周期的に配列された経路セグメントをテープの全長方向に沿って層上に配置し得る。超伝導層のこのような配列へのパターン化は、当業者には公知である様々な手段で達成できるが、この手段は、例えば、レーザスクライブ、機械切削、注入法、マスクによる局部化学処理法及び他の公知の方法を含む。更に超伝導層は、各々の表面の伝導性経路セグメントが、各々の端部又はこの近傍で、層間を通過する伝導性層間接続部と電気的に連通し得る。通常、層間接続部は、通常、伝導性はある（超伝導性は無い）が、特別な構成の場合には超伝導性もあり得る。層間接続部によって、超伝導層間に配置される非超伝導性材料や高抵抗材料により分離された超伝導層間が電気的に連通する。この非超伝導性材料や高抵抗材料は１つの超伝導層上に成膜できる。層間接続部の導入のために絶縁性材料の端部に通路を形成し、この後更に超伝導層を成膜し得る。超伝導層をテープ軸に平行な糸状体にパターン化し又円筒形螺旋状にテープを巻くことにより被覆導体を交互に構成し得る。
【０１２０】
更に詳細については、２０００年２月９日申請の共同所有の米国特許出願第０９／５００、７１８号・表題“低ＡＣ損失の被覆導体”に記載されており、その全体を本明細書中に引用参照する。
【０１２１】
本発明に基づく基本的な“対向”構造は、多くの多大な利益をもたらす。例えば、ＨＴＳ膜は、導体断面の中心線付近に配置される。曲げ加工中、例えば、コイルの巻回中やケーブル製造中、ＨＴＳ膜は、導体中で最も歪が小さい領域付近にある。従来の固体力学計算によって、この構造の歪許容値は、面開放型のテープに比べて大きく改善されることがわかる。
【０１２２】
更に導体の電気的安定性は、単一ＨＴＳ層構造で大きく改善できる。電流輸送は、ＨＴＳ膜に比べて、常伝導金属（例えば、銀）では更に困難であるが、電流は、ある糸状体から他の糸状体までキャップ層構造を介して、ある計算可能な距離を移動できる。この電流移動によって、２つの対向糸状体が冗長電流経路を提供でき、超伝導状態消失に対する安定性を改善し、局所欠陥及び性能変化に対する弱さを低減する。
【０１２３】
更に、この構造もまた、磁場の方向が主に導体面と平行であり、磁束が導体全体を貫通するいくつかの交流用途に対して大きい利益を提供すると考えられる。例えば、超伝導変圧器等のａｃ超伝導コイルにおいて、コイル内の磁場は、コイル末端部を除いてテープ導体の表面と平行である。更に、通常、磁場の振幅は、超伝導層に対する貫通磁場よりも大きい。臨界状態モデルによれば、貫通する平行磁場における電流輸送の無い１組の超伝導層のヒステリシス損失は、３つの項の合計であり、この内の１つは、層の間の距離と層高さ及び層厚の比に比例する。以下の一般的なパラメータ（超伝導層２ミクロン、基板５０ミクロン、緩衝層０．６ミクロン、銀のキャップ層４ミクロン、はんだ層１５ミクロン、臨界電流密度１ＭＡ／ｃｍ2 、最高最低磁場振幅０．１テスラ）を用いて、対向構造の導体のヒステリシス損失と背面対向構造の導体のヒステリシス損失との比について計算を行うと、概ね０．２５になる。磁束が完全に外層の導体全体を貫通するように充分なレベルで電流が流れる場合、多層導体を有するａｃ用送電ケーブルにおいて、損失はより低くなるものと考えられる。
【０１２４】
次に、直流用途において、新たな対向構造のワイヤを束ねて又は積層して、必要な総電流容量と所定の用途に対する構造を提供する。
単純な対向構造は容易に拡張して新たな機能性と用途の利点を提供できる。他の層もまた、この対向構造の外側や基板に接合してもよい。成膜層すなわち層は、曲げ応力を受けた状態で機能ＨＴＳ層を機械的中立軸領域内に維持する場合、様々な目的に対して選定できる。これらの目的は、各々の電気的、磁気的、熱的、機械的、環境的、又は他の特性を含む。例えば、成膜層の導電性を高くすることができ、従って、この成膜層は有効な新たな電気的安定化剤として機能し、また超伝導体との電気的接触手段として機能し、コンパクトな終端部を提供し得る。一方、成膜層の抵抗性及び熱容量を高くして、正常な状態において電流制限をした場合、超伝導材料を短絡せずに熱的安定性を提供し得る。更に成膜層は、大きい機械的負荷の用途における高い強度に対して又は超伝導体を予圧するための特定の熱膨張特性に対して選定できる。特別な場合には、何らかの磁気特性が望ましい。例えば、多層成膜層もまた両側からの挿入物を機械的に又環境的に保護するために望ましい。成膜層は、はんだや接着剤（例えば、エポキシ樹脂）の薄膜層等の接合層によって、又は直接熱プロセスや機械的接合プロセスによって下地層に接合できる。図２Ａ及び２Ｂに示すように、テープの片方の端部にあるわずかな段違い部や重複部を用いて、膜表面への直接のアクセスを実現し、接合部及び／又は端部の終端部においてテープ内への電流の移動を大きくし得る。
【０１２５】
他の実施形態は、図３に示す段違い構造に基づいている。この場合、テープ表面のＨＴＳ膜を処理して、テープの長手方向（電流が流れる方向）のみに沿って局所破断、非超伝導性領域又はストライプをＨＴＳ膜に生成し得る。次に、ＨＴＳ膜上に成膜するキャップ層は、非超伝導性領域と延性のある常伝導金属領域との架橋の役割を果たす。長手積みされたレンガのパターンに似た、狭いストライプ又は糸状体の端部を揃える部分の段違いによって、電流は両キャップ層を介していくつかの狭い超伝導糸状体へ又隣接する糸状体へ移動でき、更に冗長性を増大しまた安定性を改善する。更にこの実施形態は、テープ幅全体に伝播し得る欠陥に対して新たな保護部を提供すると考えられる。糸状体端部は、亀裂が導体の幅全体に走らないように機能し得る。この機能はまた、基板／緩衝部／ＨＴＳ部／キャップ部の全積層から構成される狭い隣接テープを配列することにより達成し得る。更に、この実施形態は、テープ長手方向に沿い常伝導金属領域で１つ又は複数の超伝導ストライプを置換えるように拡張し得る。この常伝導金属帯によって、更に安定性が高まり、また接合部と終端部を設けるための新たな断面積を提供し得る。最後に、上述したように、図４に銅等の新たな安定化元素を有する長手方向の接合構造を示す。
【０１２６】
実施形態において、ＨＴＳ膜を気密封止し、ＨＴＳ膜内へ、また必要があればＨＴＳ膜から基板へ電流移動を行うために、常伝導金属層を導体の端部に沿って含み得る。
【０１２７】
従って、本発明は、被覆導体テープ要素の積層部のわずかな段違いを用いて、テープからテープへの実効的な電流移動を実現し得る新規の超伝導体を提供する。更に、界面で常伝導金属を挿入することから、糸状体全体における電流共有によって、導体の安定性が高められる。更に本発明によって、ＨＴＳ層を導体中心線付近に配置し、積層されたＨＴＳ被覆導体を分割せず接合や終端する能力によって、導体積層の機械的完成度を高め得る。
【０１２８】
本発明は、その詳細な説明と共に述べたが、前述の記述は説明を意図したものであって、本発明の範囲を制限するものではなく、添付の請求項の範囲によって定義される。他の側面、利点、変更も以下の請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  本発明に基づくＨＴＳ被覆導体の図。
【図１Ｂ】  図１Ａの拡大図。
【図２Ａ】  本発明に基づくＨＴＳ被覆導体の他の実施形態図。
【図２Ｂ】  図２Ａの拡大図。
【図２Ｃ】  本発明に基づくＨＴＳ被覆導体の更に他の実施形態図。
【図３Ａ】  本発明に基づくＨＴＳ被覆導体の更に他の実施形態図。
【図３Ｂ】  図３Ａの拡大図。
【図４Ａ】  本発明に基づくＨＴＳ被覆導体の更に他の実施形態図。
【図４Ｂ】  図４Ａの拡大図。
【図１Ａ】
0004041672.tif 000002
【図１Ｂ】
0004041672.tif 000003
【図２Ａ】
0004041672.tif 000004
【図２Ｂ】
0004041672.tif 000005
【図２Ｃ】
0004041672.tif 000006
【図３Ａ】
0004041672.tif 000007
【図３Ｂ】
0004041672.tif 000008
【図４Ａ】
0004041672.tif 000009
【図４Ｂ】
0004041672.tif 000010