Método de producción de un conductor recubierto de HTS y conducto recubiertor de HTS con pérdidas reducidas.

Método para producir un conductor (12) recubierto de superconductor de alta temperatura (HTS),

en el que unacapa (2: 22) de material separador y una capa (4; 24; 65) de HTS son depositadas sobre un substrato (1; 21), conlas siguientes etapas:

a) tras el depósito de la capa (2; 22) de material separador, la superficie (2a) es localmente desbastada, dandocomo resultado una superficie (13) rugosa,

b) una capa (3; 23) intermedia compacta, no superconductora, es depositada sobre la parte superior de lasuperficie (13) rugosa, y

c) La capa (4; 24; 65) de HTS se deposita sobre la parte superior de la capa (3; 23) intermedia.

Método de producción de un conductor recubierto de HTS y conductor recubierto de HTS con pérdidas reducidas La invención se refiere a un método de producción de un conductor recubierto de superconductor de alta temperatura (HTS) , en el que una capa de material separador y una capa de HTS han sido depositadas sobre un substrato.

Un método de ese tipo es conocido a partir del documento US 7.491.678 B2.

Los superconductores se utilizan para transportar corriente eléctrica a baja resistencia, y por ello con bajas pérdidas. Los superconductores requieren enfriamiento criogénico con el fin de asegurar el estado de superconducción. Los materiales superconductores de alta temperatura (HTS) tienen una temperatura crítica Tc relativamente alta en comparación con los superconductores convencionales, y por lo tanto son menos caros de enfriar. En particular, algunos materiales de HTS permiten el uso de nitrógeno líquido para su enfriamiento. Por otra parte, los materiales de HTS presentan en cambio altas densidades críticas de corriente a temperaturas bajas de 3 a 20 ºK. Este comportamiento es importante para imanes de campo intenso, por ejemplo en NMR, donde los campos son tan altos que el comportamiento en corriente de los superconductores de baja temperatura (utilizados típicamente en esta área) resulta ser insuficiente.

Materiales de HTS conocidos son los cerámicos, y pueden ser (y típicamente lo son) preparados como películas delgadas sobre un substrato para aplicaciones prácticas (de “tipo conductor recubierto”) . En general, con el fin de conseguir una capacidad alta de transporte de corriente, las películas delgadas de HTS deben ser altamente texturadas, prácticamente monocristalinas, con una densidad de defectos tan pequeña como sea posible. Se conoce el hecho de usar capas de material separador entre un substrato y una película delgada de HTS con el fin de proporcionar la estructura cristalina de la película delgada de HTS, o para mejorar la calidad del cristal de la película delgada de HTS.

Sin embargo, en el régimen de uso de materiales de HTS, los materiales de HTS actúan como superconductores de tipo II, lo que significa que el flujo magnético puede penetrar en una capa de HTS, típicamente a modo de “conductos de flujo” (en alemán, “Flussschlauche”) aislados. La densidad y la posición de los conductos de flujo dependen del campo magnético presente (el cual puede ser un campo externo y/o un campo que se origina a partir de la corriente eléctrica que circula a través de la capa de HTS, un “auto campo”) . Durante el uso del conductor recubierto de HTS, el campo magnético varía típicamente, y los conductos de flujo se redistribuyen de manera correspondiente. Esta redistribución o movimiento de los conductos de flujo provoca pérdidas eléctricas, y puede reducir la corriente crítica y el campo magnético crítico del conductor recubierto de HTS al que se extingue el material de HTS (es decir, se vuelve normalmente conductor) .

Se sabe que los “centros de sujeción” pueden reducir las pérdidas e incrementar la corriente crítica y el campo magnético crítico en un superconductor de tipo II. Los centros de sujeción hacen que los conductos de flujo permanezcan en los centros de sujeción cuando el campo magnético varía.

El documento US 7.491.678 B2 propone depositar nano puntos aisladamente, hechos típicamente de Ag, Mg o Zn, sobre una superficie de substrato plano, de material separador, y a continuación depositar una película de HTS sobre la parte superior de la superficie de substrato de material separador equipada con los nano puntos. La película de HTS crece con los defectos columnares por encima de los nano puntos, y los defectos columnares actúan como centros de sujeción para el flujo magnético. Sin embargo, los nano puntos pueden introducir fácilmente más defectos en la película de HTS que los deseados, lo que reduce la corriente crítica y el campo magnético crítico de nuevo.

El documento US 7.642.222 B1 describe un substrato de material de óxido cúbico equipado con una capa de material separador del tipo de la sal de roca que incluye excrecencias particuladas, dando como resultado una morfología superficial rugosa de la capa de material separador. La película de HTS se hace crecer sobre la parte superior, en la que las excrecencias particuladas sirven como centros de sujeción. En este método, la morfología superficial de la capa de material separador es difícil de controlar, y los defectos extendidos se introducen en la película de HTS, lo que limita el efecto positivo de los centros de sujeción de nuevo.

Además, el documento EP-1777324 divulga un conductor que comprende un substrato y una capa intermedia que comprende una o dos capas entre el substrato y la capa superconductora.

El documento EP-0488717 divulga un proceso en el que un substrato es desbastado para mejorar la unión entre la capa de material separador y el substrato.

Objeto de la invención El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un método simple para producir un conductor recubierto de HTS con pérdidas reducidas, y con corriente crítica y campo magnético crítico mejorados.

Breve descripción de la invención Este objeto se ha conseguido, de acuerdo con la invención, por medio de un método para producir un conductor recubierto de superconductor de alta temperatura (HTS) , en el que una capa de material separador y una capa de HTS se depositan sobre un substrato, con las siguientes etapas:

a) tras depositar la capa de material separador, la superficie es desbastada localmente, dando como resultado una superficie rugosa,

b) una capa intermedia compacta de material no superconductor, que se deposita sobre la parte superior de la superficie rugosa,

c) y la capa de HTS se deposita sobre la parte superior de la capa intermedia.

De acuerdo con la invención, los centros de sujeción son introducidos mediante una preparación particular de la capa de material separador después de su deposición. La capa de material separador es básicamente plana tras la deposición, típicamente con una rugosidad superficial de menos de 1 nm. A continuación, de acuerdo con la invención, se lleva a cabo una etapa de desbastado. Este desbastado puede incluir retirar localmente material, o depositar localmente material (que no sea típicamente idéntico al material de la capa de material separador) , y da como resultado una superficie estructurada (“superficie rugosa”) . El desbastado incrementa la rugosidad superficial significativamente (típicamente en un factor de al menos 2, con preferencia de al menos 10) , en comparación con la capa de material separador según se haya depositado.

A continuación de este desbastado, se deposita una capa intermedia compacta sobre la parte superior de la superficie estructurada. De esta manera, se proporciona una superficie definida para la deposición de la capa de HTS, de modo que la densidad de defectos y los centros de sujeción de la capa de HTS pueden ser bien controlados. En particular, tras la deposición de la capa intermedia, solamente se muestra en la capa de HTS un tipo de material, de modo que la deposición (en particular, deposición epitaxial) del material de HTS es extremadamente simple. Además, los flancos escarpados de la superficie rugosa son suavizados en alguna medida por la capa intermedia.

Debido a la superficie rugosa subyacente, la superficie de la capa intermedia es ondulada. La capa de HTS depositada sobre la parte superior de la capa intermedia crecerá orientada con respecto a la superficie local de la capa intermedia, lo que da como resultado una salida local de desorientación del plano (típicamente el eje c no es perpendicular al plano del substrato) de la capa de HTS en áreas donde la capa intermedia no es paralela al plano del substrato. Las interconexiones de los granos de HTS desorientados (“inclinados”) y perfectamente orientados (en el plano) proporcionan defectos, que aumentan el sujeción del flujo magnético.

La capa intermedia puede ser denominada “segunda” capa de material separador, puesto que la capa de HTS se deposita sobre esta capa intermedia, y la cual actúa así como moderador entre la capa de HTS y la estructura de debajo. La capa intermedia es típicamente de mismo material que la capa de material separador (típicamente de CeO2, mencionado también como CeO) .

De acuerdo con la invención, un material de HTS tiene una temperatura crítica Tc de 40 ºK o más alta, con preferencia de 85 ºK o más alta.

Variantes preferidas de la invención En una variante altamente preferida del método de la invención, en la etapa... [Seguir leyendo]

1. Método para producir un conductor (12) recubierto de superconductor de alta temperatura (HTS) , en el que una capa (2: 22) de material separador y una capa (4; 24; 65) de HTS son depositadas sobre un substrato (1; 21) , con las siguientes etapas:

a) tras el depósito de la capa (2; 22) de material separador, la superficie (2a) es localmente desbastada, dando como resultado una superficie (13) rugosa,

b) una capa (3; 23) intermedia compacta, no superconductora, es depositada sobre la parte superior de la superficie (13) rugosa, y

c) La capa (4; 24; 65) de HTS se deposita sobre la parte superior de la capa (3; 23) intermedia.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa a) , una primera parte del área superficial se mantiene plana, y una segunda parte del área superficial ha sido dotada de estructuras (7; 27) con rugosidad, en particular con rebajes tales como rayas, abolladuras o ranuras, y/o con protuberancias tales como crestas, islotes, paredes o nervios.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la primera parte del área superficial que se mantiene plana es de al menos un 80%, con preferencia al menos un 95%, y la segunda parte del área superficial dotada de estructuras (7; 27) con rugosidad es menor de un 20%, con preferencia menor de un 5% del área superficial total de la capa (2; 22) de material separador.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque las estructuras (7; 27) con rugosidad están separadas por una distancia de entre 5 y 200 nm por término medio.

5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la etapa a) , el desbastado de la superficie (2a) incluye retirar localmente material de la capa de material separador de tal modo que en las áreas respectivas, el espesor de la capa (2; 22) de material separador se reduce.

6. Método de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la retirada del material de la capa de material separador incluye el raspado y/o el decapado mecánico, en particular el decapado selectivo por haz de iones o el decapado por haz láser.

7. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la etapa a) , el desbastado de la superficie (2a) incluye realizar depósitos (27a) locales sobre la parte superior de la capa (2; 22) de material separador.

8. Método de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el material de los depósitos (27a) locales es diferente del material de la capa (2; 22) de material separador.

9. Método de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque el material de los depósitos (27a) locales es diferente del material de la capa (3; 23) intermedia.

10. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque los depósitos (27a) locales se forman como resultado de una difusión, en particular una difusión superficial que tiene como consecuencia el crecimiento de islotes, durante o después de su proceso de deposición.

11. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque los depósitos (27a) locales se realizan por medio del depósito de partículas sobre la superficie (2a) de la capa (2; 22) de material separador directamente.

12. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material de la capa intermedia y el material de la capa de HTS tienen básicamente la misma estequiometria.

13. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa a) se lleva a cabo de tal modo que la superficie (13) rugosa tenga una periodicidad de una o dos dimensiones.

14. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa a) se lleva a cabo de tal modo que la rugosidad superficial de la superficie (13) rugosa está comprendida entre 1 nm y 500 nm, con preferencia entre 2 nm y 30 nm.

15. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque,

d) tras el depósito de la capa (4; 24; 65) de HTS, la superficie es desbastada, dando como resultado una superficie (15) rugosa adicional,

e) se deposita una capa (67) intermedia adicional compacta, no superconductora, sobre la parte superior de la superficie (15) rugosa adicional, y

f) se deposita una capa (68) de HTS adicional sobre la parte superior de la capa (67) intermedia adicional,

en particular en la que las etapas d) a f) son repetidas al menos una vez.

16. Un conductor (12) recubierto de HTS, producido en particular mediante un método conforme a una de las reivindicaciones anteriores, que comprende:

- un substrato (1; 21) ,

- una capa (2; 22) de material separador depositada sobre la parte superior del substrato (1; 21) , en particular de CeO, que presenta una superficie (13) rugosa,

- una capa (3; 23) intermedia compacta, no superconductora, en particular de CeO, depositada sobre la parte superior de la superficie (13) rugosa,

- una capa (4; 24; 65) de HTS, en particular de tipo ReBCO, depositada sobre la parte superior de la capa (3; 23) intermedia.

17. Conductor (12) recubierto de HTS de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque el conductor (12) recubierto de HTS comprende además,

- una capa (67) intermedia adicional compacta, no superconductora, en particular de CeO, depositada sobre la parte superior de la capa (4; 24; 65) de HTS que presenta una superficie (15) rugosa adicional, y

- una capa (68) de HTS adicional, en particular de tipo ReBCO, depositada sobre la parte superior de la capa

(67) intermedia adicional,

en particular en la que sigue uno o más conjuntos (82, 83) adicionales de capas (67) intermedias adicionales y capas

(68) de HTS adicionales.

18. Conductor (12) recubierto de HTS de acuerdo con la reivindicación 16 ó 17, caracterizado porque la superficie

(13) rugosa y/o una o una pluralidad de superficies (15) rugosas adicionales comprenden rebajes y/o protuberancias, en particular protuberancias de depósitos (27a; 66a) locales.

19. Uso de un conductor (12) recubierto de HTS de acuerdo con una de las reivindicaciones 16 a 18, en el que una corriente eléctrica es transportada a través de la capa (4; 24; 65) de HTS y/o de una o de una pluralidad de capas

(68) de HTS adicionales en estado de superconducción, y en el que líneas de flujo magnético están sujetas a estructuras (7; 27; 66) con rugosidad de la superficie (13) rugosa y/o de una o de una pluralidad de superficies (15) rugosas adicionales.