正在开发第二代超导带，例如基于Y1Ba2Cu3O7-δ(YBCO)膜的超导带， 以便负载大量电流而没有电阻。这类第二代高温超导体(HTS)通常包括沉积 在金属基材如挠性金属带上的双轴织构化(窄的面外(out-of-plane)和面内 (in-plane)晶粒取向分布)层。其中，已知双轴织构化层能够使YBCO膜等中 具有高电流密度(Jc)。
对于YBCO膜，晶粒界面特征对电流传输的影响已经得到证实(Dimos 等人，(1988)Phys.Rev.Lett.61：219；和Dimos等人(1990)Phys.Rev.Lett. 41：4038)。对于清洁的化学计量界面，临界电流密度似乎主要由晶粒界面取 向误差决定。
已经作了一些尝试，在挠性金属带上生长具有高临界电流密度的清晰 织构化(sharply-textured)的YBCO膜。在一种方法中，使用离子束辅助沉积 法(IBAD)在Ni基合金带如Hastelloy上沉积双轴织构化层(S.R.Foyltn等人， IEEI Transactions on Applied Superconductivity 9(1999)第1519页)。氧化钇 稳定的氧化锆(YSZ)的缓冲层的IBAD法是首先被证实的实现双轴织构化层 的方法，并且已经生产出了最长和性能最佳的YBCO超导体中的几个。普 遍认为，IBAD-YSZ中织构的发展是基于一种生长竞争机理。因此，该方 法的一个缺点是必需生长厚层以实现良好的面内织构。通常，厚度超过约 1000纳米的双轴织构化层可以实现半宽度(FWHM)小于15°的面内织构。 沉积速率(约0.1纳米/秒)必需极低才能生长高品质IBAD-YSZ使该问题进 一步恶化。厚膜和低沉积速率的组合使得要生长厚度超过约1000纳米的双 照织构化层必需花费较长的沉积时间(通常需数小时)。因此，该方法不适用 于快速、大规模工业应用。
氧化镁(MgO)的IBAD已经被用于得到膜中极佳的双轴织构化结构，厚 度约为10纳米，沉积速率约为0.1纳米/秒(J.R.Groves等人，Proc.2001 Intl.Workshop on Superconductivity，Honolulu，HI(2001年6月24-27日)， 第3页)。这种IBAD-MgO法比IBAD-YSZ约快100倍。但是，这种 IBAD-MgO法需要在缓冲结构中至少有三个额外层；第一层是无定形晶种 层，第二层是厚的均匀外延生长的MgO层，第三层是为了与YBCO有更 好的点阵匹配而设的另一层。因为需要这三个额外层，在IBAD-MgO法中 必需花费额外的时间和努力去处理缓冲结构。而且，MgO的双轴织构对底 基材的粗糙度以及其它因素非常敏感。因此，在制造基于IBAD-MgO的层 时难以实现高产率。
没有离子束轰击辅助的倾斜基材沉积(ISD)已经显示可以实现高沉积 速率(K.Hasegawa等人，Proc.of 16th ICEC/ICMC，Amsterdam：Elsevier Science(1997)，第1077页；和M.Bauer等人IEEE Transactions on Applied Superconductivity 9(1999)第1502页)。这些高沉积速率可以将涂布长电线的 时间缩到最短。但是，由ISD生产的膜的品质比使用IBAD生产的膜的品 质差，而且这些ISD层的c轴偏离表面法线。这使得临界电流密度(Jc)各向 异性，临界电流沿着倾斜方向大幅度下降。通过ISD方法沉积的膜往往具 有粗糙表面，该表面具有与“屋瓦”类似的图案。
在另一种方法中，YSZ的离子束纳米织构化(ITEX)已经显示出可以在 几分钟内生产双轴织构化YSZ(R.P.Reade等人，Applied Physics Letters，第 80卷，No.8(2002)，第1352页)。ITEX类似于IBAD，不同的是在ITEX 方法中，首先沉积一无定形YSZ层，然后用角度约为55°的斜离子(Ar+) 束在腔内O2气氛下轰击该无定形膜。结果是在无定形层顶面得到晶体织构。 该方法非常迅速，但是非常差的约45°的面内织构。当YBCO层沉积在双 轴织构化层上时，为了得到YBCO层中良好的性质，约等于或小于15°的 面内织构是必需的。
氧化铈(CeO2)双轴织构化层的快速离子束辅助沉积(快速IBAD)已经显 示可以实现比IBAD-YSZ更高的沉积速率(X.Xiong等人，″Rapid Deposition of Biaxially-Textured CeO2 Buffer Layers on Polycrystalline Nickel Alloy for Superconducting Tapes by Ion Assisted Pulsed Laser Deposition″，Physica C， 336(2000)70)。在快速IBAD中，沉积速率与ISD方法差不多，但是IBAD 得到更好的膜品质，并且在快速IBAD导体中c轴(z轴)也不像在ISD基导 体中一样偏离法线。但是，通过该快速IBAD方法得到的Jc不如IBAD-YSZ。 通过快速IBAD沉积的双轴织构化层的织构，尤其是YBCO的织构，需要 进一步改善。
因此，本领域中需要一种新颖且可靠的方法，用于以极高沉积速率在 连续移动的金属带上沉积双轴织构化膜。这类方法应该可以将沉积速率提 高到约为0.1纳米/秒的IBAD-YSZ的常规沉积速率的至少10倍，达到沉积 速率约等于或大于1.0纳米/秒。这类方法应该明显缩短生产时间。这类方 法应该得到大规模基础上的晶粒对齐。这类方法应该用于开发价格和性能 达到各种应用所需水平的生产千米级长度HTS涂布导体的制造设施。这类 方法应该能得到密集的低角度晶粒界面。

为了实现前述和其它目的，并且依据本发明的意图，如本文所包含且 宽泛描述的，本发明提供第二代高温超导体的处理方法。在各个不同的实 施方式中，本发明提供以极高沉积速率在连续移动的金属带上沉积双轴织 构化膜的方法。
广义上说，本发明包括在基材上沉积双轴织构化膜的方法，其包括：
用沉积流以斜入射角在基材(诸如金属带)上沉积(直接地或间接地)一 膜，同时用离子束轰击所沉积的膜，其中离子束的离子束入射角沿膜的最 佳离子织构方向(BITD)或沿第二最佳织构方向设置，从而形成双照织构化 膜，其中沉积流入射面设置为平行于双轴织构化膜沿其具有最快面内生长 速率的方向。
广义上说，本发明包括一种在基材上沉积双轴织构化膜的方法，其包 括：
用沉积流以斜入射角在基材上沉积具有强各向异性生长速率的材料的 膜，同时在沉积的过程中可使用辅助离子束来轰击所沉积的膜，从而形成 双轴织构化膜，或
用沉积流沿基材法线在基材上沉积具有强各向异性生长速率的材料的 膜，同时使用斜角离子束轰击所沉积的膜，从而形成双轴织构化膜，
其中双轴织构化膜包括在c轴和a-b面之间具有强各向异性生长速率 的非立方层状结构材料，沿a-b面的生长速率比沿c-轴的生长速率高得多。
广义上说，本发明还包括：高温超导制件，其包括：基材，诸如金属 带；通过上述方法沉积在所述基材上的双轴织构化膜；和沉积在所述双轴 织构化膜上的超导层。
通过以下描述，本领域技术人员将更容易理解本发明的其它特点、方 面和优点，在描述时参考以下说明本发明某些优选形式的附图，在全部附 图中，相同的附图标记表示相同的部件。
附图简要说明
参考各附图描述本发明的系统和方法，其中：
图1表示荧石类材料、烧绿石类材料、稀土C类材料、ReO3类材料(其 中，Re是铼)、钙钛矿类材料或岩盐类材料的晶体学方向；
图2表示用于荧石类、烧绿石类或稀土C类材料的离子束、沉积流和 基材的构型；
图3表示用于荧石类、烧绿石类或稀土C类材料的离子束、沉积流和 基材的另一种构型；
图4表示用于岩盐类材料、ReO3类材料和钙钛矿类材料的离子束、沉 积流和基材之间的一种构型；
图5表示用于岩盐类材料、ReO3类材料和钙钛矿类材料的离子束、沉 积流和基材之间的另一种构型；
图6表示层状结构材料，它的晶体学方向，和离子束方向；
图7表示用于图6所示的层状结构材料的离子束、沉积流和基材之间 的构型；
图8表示利用层状结构材料得到双轴织构的超导带结构；
图9表示用于以斜入射角沉积流沉积双轴织构化膜的示例性快速 IBAD系统；和
图10表示使用本发明方法沉积的双轴织构化膜的Φ-扫描(phi-scan)。
本发明具体实施方式
为了促进对本发明的理解，现在将参考图1-10所示的本发明的优选实 施方式和用于描述该优选实施方式的特定语言。文中所用的术语是为了说 明的目的，而非限制性的。文中所描述的特定结构和功能细节不是作为限 制性描述而阐述的，仅仅作为权利要求书的基础，作为教导本领域技术人 员以不同方式实施本发明的代表性基础。本领域技术人员通常想到的所述 结构和制造所述结构的方法的任何修改或变化，以及文中所述的本发明原 理的其它应用，被认为在本发明的精神范围内。
本发明描述了沉积高品质双轴织构化膜的方法，该膜用作具有高临界 电流密度的第二代高温超导带的缓冲层。文中所述的“临界电流密度”指 载流能力的量度，简写为Jc，单位为安培/平方厘米(A/cm2，在0T和77K)。 如同本领域中已知的，氧化物膜的临界电流密度部分地取决于晶粒与晶粒 之间的错位(misalignment)。与高Jc值相关联的是小错位角。用于实施本发 明的设备需要对其中的材料的晶粒对齐有良好的控制。频繁的高角度界面 阻碍了电流。使用下述方法产生的高温超导体具有非常高的临界电流密度。
文中所述的“基材法线”是垂直于基材表面平面的方向；“沉积流入 射面”是由基材法线和沉积流方向定义的平面；“离子束入射面”是由基 材法线和离子束方向定义的平面。
为了在材料中产生低角度晶粒界面，必需在材料中产生双轴织构。根 据定义，双轴织构化膜具有面内和面外的晶体织构。双轴织构化膜在文中 定义为一种多晶材料，该多晶材料表面的晶体学面内和面外晶粒与晶粒之 间的取向误差小于约30°，例如小于约20°、15°、10°或5°，但是一 般约大于1°。双轴织构的程度可以通过确定由X射线衍射得到的面内和 面外取向的晶粒分布来进行描述。可以确定面外(Δ□)和面内(Δφ)反射的 摇摆曲线的半宽度(FWHM)。因此，可以通过确定给定样品的Δ□和Δφ的 范围来定义双轴织构的程度。对于清晰织构化层，优选(Δφ)可以小于约 15°，(Δ□)小于约10°。
本发明描述了提高双轴织构化膜的沉积速率超过常规IBAD-YSZ法的 沉积速率的方法。通常，为了得到清晰织构化层，常规IBAD-YSZ沉积以 约0.1纳米/秒的速率进行。用于本发明的清晰织构化层的沉积速率约等于 或大于1纳米/秒，优选约大于2.0纳米/秒，更优选约大于3.0纳米/秒。结 果是速率被提高为常规方法的约三十倍，这可用于大规模制造超导带。
在常规IBAD方法中，沉积流的取向垂直于膜表面。在本发明中，沉 积流与膜表面之间有一斜入射角，这有助于实现更快速的织构发展，得到 更好的膜织构。此外，在本发明中，离子束轰击以与膜表面成一定入射角 的情况进行。
在常规的ISD方法中，沉积流与膜表面之间有一斜入射角，但是ISD 层中的<001>轴倾斜偏离膜法线，产生不利的面外取向和类似于“屋瓦”的 粗糙膜表面。在本发明中，沉积速率类似于或大于常规ISD法的沉积速率， 但是本发明的双轴织构化缓冲层的<001>轴不偏离法线，而且，本发明中通 过离子轰击导致的各向异性生长速率有助于实现更好的织构。本发明的离 子束轰击还提高了膜表面中的原子迁移率，有助于得到更密集、更平整的 膜。
众所周知，在离子束辅助沉积(IBAD)中，当离子束以通常与膜的低指 标(low index)晶体学方向之一如<111>、<110>或<100>有关的一定角度轰击 正在生长的膜时，可以在该入射角得到清晰双轴织构，因为沿该方向入射 的离子束具有隧道效应和/或对生长中的膜造成的损害最小。该入射角称为 最佳离子织构方向(BITD)，而该角度会材料不同和/或沉积参数如离子与原 子的到达比不同而变化。在本发明中，使离子束入射角沿BITD，与此同时， 沉积流入射面平行于缓冲层沿其具有快速面内生长速率的方向。取决于材 料，沉积流与膜法线所成的入射角约为5°至80°。根据材料，离子束与 膜法线所成的入射角为10-60°，或者处于掠射角(glancing angle)(与基材表 面之间接近0°)，或者基本沿基材法线(与基材法线之间接近0°)。
在本发明中，用于双轴织构化膜的材料沿某个低指标晶体学方向具有 快速生长速率，而沿其它晶体学方向具有慢速生长速率。众所周知，采用 离子束辅助沉积，当离子束以某个特定角度轰击生长中的膜时，可以得到 最清晰的双轴织构。在本发明中，使离子束入射角沿产生最清晰织构的方 向，与此同时，沉积流入射面平行于双轴织构化膜沿其具有快速面内生长 速率的方向。由斜沉积流引入的生长各向异性和由离子轰击引入的生长各 向异性的重叠产生快速织构发展速率。
在一个示例性实施方式中，高速蒸发法如电子束蒸发(e-束蒸发)可用于 提供沉积流。在X.Xiong等人的现有技术方法(″Rapid Deposition of Biaxially-Textured CeO2 Buffer Layers on Polycrystalline Nickel Alloy for Superconducting Tapes by Ion Assisted Pulsed Laser Deposition″，Physica C， 336(2000)70)中，使用准分子激光器提供沉积流。准分子激光器非常昂贵， 对于大规模生产方法来说成本太高。相反，高速蒸发法节省成本，用于大 规模工业应用非常好。
任何合适的双轴织构化膜材料可用于本发明，前提是该双轴织构化膜 不会不利地与超导膜或基材发生反应。在本发明的一个实施方式中，具有 沿<100>、<001>或<010>晶轴的快速生长速率方向的立方结构的材料用于 IBAD双轴织构化膜沉积。这类材料包括，但不限于：荧石类材料，诸如氧 化铈(CeO2)、RE掺杂的氧化铈(RECe)O2-其中RE是钐、铕、铒、镧、和 氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；烧绿石类材料，诸如Eu2Zr2O7和Gd2Zr2O7； 和稀土C类材料，诸如氧化钇(Y2O3)。图1表示这些种类的材料的晶体学 方向。对于这些材料，如图2中进一步说明的，膜的面外方向沿<001>轴， 这是由于沿该轴生长速率快，BITD应该沿<111>轴。因此，离子束50沿 BITD(即，沿<111>轴)行进，与基材及膜的法线55之间的角度约为55°， 如图2所示。因为膜的快速面内生长方向是沿晶轴<100>的方向，沉积流入 射面53被设置为与该方向平行，沉积流入射面53和离子束入射面54之间 的角度约为45°或135°，如图2所示的。在离子束50、沉积流51和基材 52的构型中，沉积流51与基材法线55之间的斜入射角的角度约为5°至 80°、优选约20°至55°。按照此方式配置离子束50、沉积流51和基材 52，使由离子束引入的各向异性生长与由斜沉积流引入的各向异性生长的 发生重叠，从而产生快速双轴织构发展。这些立方结构的材料的离子与原 子的到达比(I/A)约为0.2至3，优选约为0.5至1.0。离子束的能量约为150eV 至1500eV。沉积速率约大于1纳米/秒，优选约大于3纳米/秒。双轴织构 化膜的厚度约大于0.2微米。
现在参考图3，说明用于图1所示荧石类、烧绿石类或稀土C类材料 的离子束50、沉积流51和基材52的另一种构型。此类材料包括，但不限 于：荧石类材料，诸如氧化铈(CeO2)、RE掺杂的氧化铈(RECe)O2-其中 RE是钐、铕、铒、镧、和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；烧绿石类材料，诸 如Eu2Zr2O7和Gd2Zr2O7；和稀土C类材料，诸如氧化钇(Y2O3)。在本实施 方式中，膜的面外方向沿<001>轴，由于沿<100>、<010>或<001>生长速率 快，这与上述实施方式中一样，但是离子与原子的到达比低。在离子与原 子的低到达比小于约0.5时，BITD或第二最佳离子织构方向(第二BITD) 沿<110>晶轴。因此，在这些实施方式中，离子束入射角50沿<110>晶轴， 与基材法线之间约为45°。在这些实施方式中，沉积流入射面53平行于膜 快速面内生长方向<100>，或者在某些生长条件下，垂直于膜快速面内生长 方向，离子束入射面54也平行于<100>轴，所以沉积流入射面53和离子束 入射面之间的角度如图3所示约为0°或180°，或者约为90°。离子束相 与基材法线55所成的入射角约为10°至60°，优选约为45°。沉积流51 与基材法线55所成的入射角约为5°至80°，优选约为20°至55°。在 此构型中，离子与原子的到达比(I/A)需要小于约0.5，优选在约0.05至0.3 之间；离子能约为150eV至1500eV，优选约为500eV至900eV。在此实施 方式中，沉积速率可以超过约1纳米/秒，优选超过约3纳米/秒。双轴织构 化膜的厚度约超过0.2微米。
在其它实施方式中，具有岩盐晶体结构的材料如MgO(氧化镁)、BaO(氧化钡)或NiO(氧化镍)或具有ReO3(氧化铼)类结构的材料如WO3(三氧化 钨)或具有钙钛矿结构的材料如LaAlO3(铝酸镧)或SrTiO3(钛酸锶)用于双 轴织构化膜沉积。图1同样说明了这类材料的晶体学方向。与上述荧石类 材料相比，具有岩盐晶体结构的材料沿不同低指标晶轴(low index axis)具有 较大的各向异性溅射收益/损失(yield/damage)，这对于由IBAD形成织构是 有利的。但是，在具有岩盐晶体结构的材料中，在动态生长条件下难以得 到<001>面外取向，这是因为沿<111>和<110>轴的生长速率大于沿<001>轴 的生长速率。一般来说，在这些材料中得到<001>面外取向的唯一方法是施 加热力学条件(即高温)。但是，有一种特殊情况可以在低温条件下实现这些 材料中的<001>面外取向—在初始成核阶段。在离子型晶体如MgO或NiO的初始膜生长过程中，电荷效应在成核阶段起到主要作用。MgO或NiO的 电荷平衡的<001>面具有最低的成核能量，所以得到的膜将具有<001>面外 取向。随着膜越长越厚，电荷效应的重要性下降，膜的面外取向变化到<111> 或<110>轴，具体取决于沉积条件。因此，为了防止这种面外取向的变化， 在达到一定厚度后必需终止膜的生长。该机理被用在了IBADMgO法中。 在本发明中，因为假定此类材料的快速生长方向是沿着<111>晶轴，假定 BITD是沿着<100>、<001>、<010>轴，为了得到<001>面外取向，如图4 所示，离子束50以约300ev至1500ev的能量沿着基材法线55轰击膜52， 迫使该膜具有<001>面外取向，同时，沉积流51与基材法线55之间的斜入 射角的角度约为20°至80°，优选约为45°至65°，沿着<111>方向。因 为本发明的离子束50沿着基材法线55轰击该膜，所以离子轰击不会引入 面内各向异性生长。这里所述的各向异性生长仅由斜入射角的沉积流51引 入，如同ISD方法中。但是，不同于ISD方法，在本发明中，<001>轴不 是倾斜偏离基材法线55，而是基本上与基材法线55平行。在此实施方式中， 沉积速率可以约大于1纳米/秒，优选约大于3纳米/秒。
在岩盐类材料或ReO3类材料或钙钛矿类材料的其它实施方式中，为了 通过斜离子束轰击引入面内各向异性生长，如图5所示，离子束50以一掠 射角度(与膜表面之间有很小的角度，通常约为5°)轰击膜52，并且离子束 入射面54和沉积流入射面53之间的角度约为45°或135°。在此情况下， 离子束50大致沿着<010>方向，<111>轴在沉积流入射面53内，沉积流51 与基材法线之间的斜入射角的角度约为5°至80°，优选约为45°至65°， 沿着<111>方向。离子能约为300eV至1500eV，优选在约700eV至900eV 之间。在该实施方式中，所沉积的膜的双轴织构可以是因为生长选择机理， 类似于常规IBAD YSZ或ISDMgO中的，或/和是因为双轴成核机理，类似 于IBADMgO中的。在此实施方式中，与IBADMgO不同，当膜生长到厚 度超过约10纳米时，膜的面外取向不会变化到<111>或<110>轴，得到比 IBADMgO法更清晰的双轴织构和更高的清晰织构收益。该实施方式的另 一优点是对基材表面粗糙度的要求不高，而且也不需要有其它均匀外延 (homo-epitaxial)层。
在沿晶轴<111>具有最快生长速率方向、沿<110>晶轴方向具有最佳离 子织构方向(BITD)或第二最佳离子织构方向的岩盐、ReO3或钙钛矿材料的 另一个实施方式中，利用离子束入射角和沉积流入射角产生双轴织构化膜， 其中离子束入射线与膜法线之间的角度约为45°，沉积流入射线与膜法线 之间的角度约在45°至65°之间。在此情况下，离子与原子的到达比(I/A) 约为0.2至3，优选约在0.5至1之间。
在另一个实施方式中，具有强各向异性生长速率的非立方层状结构材 料用于IBAD双轴织构化膜沉积，以斜入射沉积流实现清晰织构。这类材 料包括，但不限于：变形钙钛矿结构化材料如REBa2Cu3O7-δ(其中，RE是 钇、钆、铽、镝、镧、钕、钐、铕、钬、铒、铥和/或镱)，和金红石类材料 如TiO2、SnO2、WO2、RuO2、MnO2、NbO2、VO2、IrO2。图6表示一种层 状结构材料、其晶体学方向和离子束方向。在这些实施方式中，沿a轴(即 <100>晶轴)和b轴(即<010>晶轴)的生长速率比沿c轴(即<001>晶轴)的生长 速率快好几倍。在动力学支配性生长中，所得膜的面外取向将沿a轴，因 为该方向是最快的生长方向。慢生长c轴和另一快速生长b轴位于膜平面 52内。c轴和b轴之间的强面内生长各向异性将非常有利于双轴织构在斜 沉积流作用下发展。由于层状结构的特征，此类材料中的BITD与层平面(即 a-b平面)平行，如图6所示。如图7所示，在这些实施方式中，离子束50 以与基材法线55成约45°的入射角轰击膜52，并且离子束入射面54与沉 积流入射面53之间的角度约为0°(或约180°)，或者在某些生长条件下约 为90°(或约270°)。离子束与基材法线55所成的入射角51的角度范围约 在35°至60°之间，优选为45°，或者基本上沿着基材法线(约0°)，或 者与基材表面之间有一掠射角，具体取决于所使用的不同材料。沉积流与 基材法线所成的入射角的角度约在10°至65°之间。按此方式配置离子束 50、沉积流51和基材52，使离子束引入的各向异性生长与斜沉积流引入的 各向异性生长重叠，从而产生快速双轴织构发展。在此实施方式中，沉积 速率可以约大于1纳米/秒，优选约大于3纳米/秒。
层状结构材料通常是多组分材料。因此，为了在此多组分沉积过程中 得到恰当的组成和化学计量，有时将基材温度升到高于层状结构组合物稳 定的温度，优选基材温度(和相应的沉积温度)约为200℃至600℃。可以通 过相图确定用于得到多组分材料的恰当组成和化学计量的沉积温度。活性 氧，例如原子氧、臭氧、氧离子、N2O等，可用于降低所需的沉积温度。
在本发明的所有实施方式中，特别是在岩盐类材料、REO3类材料、钙 钛矿类材料和非立方层状结构材料的实施方式中，为了防止从基材的外延 生长和基材的氧化，如果需要的话，可以在沉积所述双轴织构化膜前先在 所述基材上沉积中间层。中间层的作用是通过使用在所述中间缓冲层和所 述双轴织构化膜之间晶格失配大的材料、和/或通过将所述中间缓冲层的晶 粒尺寸控制到尽可能小(优选为纳米级别)来实现的。晶格失配约大于10％， 优选约大于20％。为了得到小晶粒尺寸，所述中间层的材料通常选自具有 大生成自由能的材料。尽管现有技术方法在沉积双轴织构化膜之前利用无 定形层，例如，IBADMgO法，但是这里所用的中间层不必一定是无定形， 所以可以从具有各种不同性质的许多材料中选择，并且对沉积条件的要求 也较低。
参考图8，说明了利用非立方层状结构材料得到双轴织构的超导金属 基材，例如带结构20。为了防止基材10上的外延生长，也为了防止金属基 材在高温下的氧化，可任选地在离子束辅助沉积双轴织构化膜14之前，在 金属基材10上沉积中间层12(具有纳米晶粒尺寸，并且与双轴织构化膜的 晶格失配大)。中间层12可包括稀土C类材料，诸如Y2O3、Eu2O3或Pr2O3； 或氧化物，诸如钇稳定的氧化锆(YSZ)；或氮化物，诸如氮化硅(Si3N4)。该 中间层12的厚度可以约为10纳米至300纳米。如果需要的话，在沉积超 导层YBCO 18之前，可任选地将与YBCO具有良好晶格匹配的立方结构材 料的外延缓冲层16沉积在双轴织构化膜14的上表面。一些示例性的立方 结构材料16包括CeO2、SrTiO3、LaMnO3、LaZrO3和/或GaZrO3。然后可 将高温超导层18涂布在外延缓冲层16上。尽管现有技术方法在沉积双轴 织构化膜之前利用无定形层，例如IBADMgO法，但是这里所用的中间层 对基材表面的粗糙度要求不高，并且也不必需有额外的均匀外延层。
产生上述荧石类材料的双轴织构化膜的一种示例性方法如下：
(1.)将金属带如Ni基合金电抛光或化学机械抛光到平均粗糙度小于约 10纳米。
(2.)接着，通过高速蒸发法(例如电子束蒸发)以高沉积速率(约大于1纳 米/秒，优选约大于3纳米/秒)在金属带上沉积荧石类材料的双轴织构化膜， 且同时以与带法线成约45°的斜角进行离子束轰击。沉积流设置为与带法 线之间的斜入射角的角度为25°。沉积流入射面与离子束入射面平行。离 子与原子的到达比控制在0.1左右。双轴织构化膜的厚度约为1500-2000纳 米。
(3.)然后，在双轴织构化膜上沉积一个薄的外延缓冲层(小于约100纳 米)。根据用于双轴织构化膜的材料，如果合适的话，可以省去薄外延膜。 外延缓冲层材料可包括，但不限于：氧化铈(CeO2)和/或钛酸锶(SrTiO3)。
(4.)最后，在缓冲层结构上生长一个厚度约大于1000纳米的YBCO层。 因此，缓冲层结构可由所需的双轴织构化膜和任选的外延膜组成。
本发明的高温超导体一般至少包括：基材；在本发明、权利要求1、 权利要求41、权利要求53、权利要求66中所述的方法制备的双轴织构化 膜；和超导层。在本发明的不同实施方式中，基材可包括，但不限于，任 何多晶金属或金属合金，诸如镍合金等。优选的是镍合金，因为它强度高， 并具有耐温度性。在超导层沉积的过程中，温度必需达到800℃以上。各种 不同合金，诸如Hastelloy(Ni-Cr-Mo合金)和Inconel(Ni-Cr-V合金)，具有 耐氧性，适合用于本发明中。双轴织构化膜沉积在其上的金属基材应该优 选能给整个结构提供挠性，使得该结构可以成形和弯曲为带状、缆形或卷 形，用于所有电力用品中。金属基材应该尽可能薄，优选小于约0.15毫米， 尽可能有挠性。
如前文所讨论的，双轴织构化膜可包含任何不与超导层或基材发生不 利反应的合适材料。用于这些双轴织构化膜的材料沿某些低指标晶体学方 向生长速率快，而沿其它晶体学方向生长速率慢。同时，在离子束、沉积 流和基材法线的各种构型条件下，可用离子束轰击正在生长中的膜；构型 取决于所用的材料和沉积条件。用于这些双轴织构化膜的材料可包括，但 不限于：荧石类材料，诸如氧化铈(CeO2)和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)； 烧绿石类材料，诸如Eu2Zr2O7和Gd2Zr2O7；稀土C类材料，诸如氧化钇 (Y2O3)；岩盐类材料；ReO3类材料；钙钛矿类材料；具有强各向异性生长 速率的非立方材料。可通过各种常规方法中的任何方法、使用以下蒸发方 法中的至少一种施加双轴织构化膜：电阻加热蒸发、共蒸发、电子束蒸发、 磁控溅射、脉冲激光烧蚀、离子束溅射、分子束外延。
随后可将超导层沉积在缓冲层结构上。可通过各种常规方法中的任何 方法施加超导层，这些方法包括，但不限于：蒸发，包括共蒸发、电子束 蒸发；溅射，包括磁控溅射、离子束溅射和离子辅助溅射；化学气相沉积； 金属有机化学气相沉积；等离子体增强化学气相沉积；分子束外延；溶胶 凝胶法；溶液法和/或液相外延。
超导体材料的合适例子包括，但不限于，氧化物超导体材料如钇钡铜 氧化物(YBa2Cu3O7-δ)，稀土钡铜氧化物，和这两种材料的混合物。在使用 稀土钡铜氧化物的情况下，YBCO的钇可以部分或全部被元素周期表中的 稀土金属替代，这些稀土金属例如，但不限于，钆、铽、镝、镧、钕、钐、 铕、钬、铒、铥和镱。超导材料优选为YBCO，尽管可以使用该基本超导 材料稍微变化后的其它材料。超导层的厚度一般约为1.0微米至20.0微米， 更优选约为1.0微米至10.0微米。超导层的厚度可以根据选择的应用而变 化。
图9是具有斜沉积流的快速IBAD系统(FIBAD/ODF)的一个例子。一 个6×66厘米的RF离子枪38被安装在基本压力最好超过5×10-6托的真空 系统中，该系统以离子束44与带法线43之间约45°的入射角轰击带42。 离子枪和中和器中使用氩气。在接近带42处提供氧，优选为活性氧。工作 压力约为1.4×10-4托。标准离子能(normal ion energy)约为760eV。带处的 离子流密度约为0.52安培/平方厘米。由隙缝限定出的沉积区约为8.8厘米 ×60厘米。三个沿沉积区长度方向排成一行的棒-进料(rod-feed)电子束蒸发 源40，在带沉积区提供均一的约4.1纳米/秒的CeO2沉积速率。离子与原 子比例约为0.13。带固定器36约倾斜45°，所以电子束沉积流与带法线 43之间的斜角度约为45°。将带42电抛光或化学机械抛光到平均粗糙度 小于约10纳米。带42以与绘图纸正交、与离子束44和沉积流都垂直的方 向移动。带42与带固定器36接触良好，可以被带固定器水冷却或加热。 沉积流、离子束和带法线都在同一平面内。以一次性通过或多次往返的方 式移动通过沉积区，将双轴织构化膜沉积到厚度约为1800纳米。所得膜的 <002>晶轴沿着带法线，所得膜的<020>晶轴在离子束入射面内。双轴织构 化膜的Φ-扫描的FWHM约为11°，如图10所示，给超导层，即临界电流 密度约大于1MA/cm2的层的外延生长提供良好的模板，
超导体制件可用于电力电缆中。在一个实施方式中，电缆可包括多个 超导带，其中每一个超导带包括：基材；由本发明所述方法生产的双轴织 构化膜；和超导层。在另一个实施方式中，电力电缆可包括用于让冷却液 通过的管道，超导带可以包裹在该管道上。
超导体制件可用于电力变压器中。在一个实施方式中，电力变压器可 包括多个绕组，其中每个绕组包括超导带绕的线圈，其中各带包括基材； 由本发明描述的方法生产的双轴织构化膜；和超导层。
超导体制件可用于发电机中。在一个实施方式中，发电机可包括一个 与转子连接的轴，转子包括电磁铁，电磁铁包括至少一个转子线圈；和定 子，其包括环绕着转子的导电绕组，其中绕组和至少一个转子线圈中的至 少一种包括超导带。如上所述，各超导带包括基材；由本发明描述的方法 生产的双轴织构化膜；和超导层。
超导制件可用于电力网中。在一个实施方式中，电力网可包括包含发 电机的电站、包括多个电力变压器的输电变电所、至少一个输电电缆、变 电所和至少一个配电电缆。多个变压器可运行用于接受来自发电站的电力， 然后升高电压用于传输。输电电缆可运行用于输送来自输电变电所的电力。 变电所运行用于接受来自输电电缆的电力，且包括多个变压器，用于降低 电压以供配电。至少一个配电电缆运行用于将电力配送到终端用户。输电 电缆、配电电缆、变电所的变压器、输电变压所的变压器和发电机可包括 多个超导带。各超导带包括基材；由本发明描述的方法生产的双轴织构化 膜；和超导层。
前文是本发明一些优选实施方式的说明，它们只是示例性的。尽管已 经结合优选实施方式及其实施例对本发明的双轴织构化膜沉积方法进行干 了描述，但是其它实施方式和实施例可以类似的功能进行和/或得到类似的 结果。所有这些等同实施方式和实施例在本发明的精神和范围内，并旨在 被所附权利要求所覆盖。