Polykrystalický terč vysokoteplotního supravodiče na bázi směsných oxidů vzácných zemin, barya a mědi optimalizovaný pro nanášení supravodivých vrstev pomocí pulzní iontové depozice

Kód výsledku v IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F25620312%3A_____%2F21%3AN0000001" target="_blank" >RIV/25620312:_____/21:N0000001 - isvavai.cz</a>

Výsledek na webu

<a href="https://upv.gov.cz/" target="_blank" >https://upv.gov.cz/</a>

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Polykrystalický terč vysokoteplotního supravodiče na bázi směsných oxidů vzácných zemin, barya a mědi optimalizovaný pro nanášení supravodivých vrstev pomocí pulzní iontové depozice

Popis výsledku v původním jazyce

Technické řešení se týká polykrystalického materiálu vysokoteplotního supravodiče na bázi směsného oxidu mědi ReBa2Cu3O7-d (ReBCO, Re = Y, Gd, Sm, Nd, Eu) s vysokou hustotou. Supravodivost materiálů je jev, při kterém materiály vykazují neměřitelný elektrický odpor a zároveň supravodivost významně ovlivňuje magnetické vlastnosti látek. Vysokoteplotní supravodivost, je jev, kdy k supravodivosti dochází za vyšších teplot (tzv. vysokoteplotní supravodiče), u těchto materiálů je teplota supravodivého přechodu obvykle nad 70 K. Mezi vysokoteplotní supravodiče patří různé směsné oxidy mědi, tzv. kupráty, mezi tyto látky patří i směsné oxidy vzácných zemin (z anglického Rare Earth - RE), barya a mědi se stechiometrií ReBa2Cu3O7 (tzv. ReBCO nebo Re-123). Mezi nejčastěji používané materiály patří YBa2Cu3O7 (tzv. YBCO, teoretická hustota 6.4 g/cm3), EuBa2Cu3O7 (tzv. EuBCO, teoretická hustota 6.9 g/cm3) a GdBa2Cu3O7 (tzv. GdBCO, teoretická hustota 6.8 g/cm3). Další velmi důležitou formou supravodičů jsou polykrystalické jednofázové terčíky, které jsou určeny pro odprašování a přípravu tenkých vrstev. Tyto terčíky (nebo targety z angl. targets) jsou tvořeny pouze ReBa2Cu3O7 fází. Tenké vrstvy vysokoteplotních supravodičů byly v minulosti připraveny různými metodami na několik různých typů substrátů. Tenké vrstvy obecně zachovávají vlastnosti bulkových materiálů, navíc jsou tyto materiály vysoce flexibilní. K přípravě tenkých vrstev je možné využít např. metodu iontové depozice (IJD, z angl. Ionizes Jet Deposition), která spadá do kategorie pulzních elektronových metod. Tato metoda může být využita pro přípravu širokého spektra materiálů na různě zvolené substráty. Tato metoda je znázorněna na Obr. 1. Hlavními nedostatky u komerčních terčů je nehomogenní mikrostruktura, celkově nízká hustota terčů i nevhodné prvkové složení (nejčastěji optimalizované pro pulzní laserovou depozici nebo sputtering). Obvykle hustota terčů u YBCO dosahuje pouze 5.5 g/cm3, což odpovídá 86 % teoretické hustoty. Použití čistých stechiometrických fází ReBa2Cu3O7 není vhodné, neboť během depozice dochází ke změně stechiometrie (na substrátu dojde ke snížení obsahu mědi. Uvedené nedostatky odstraňuje nová metoda přípravy polykrystalických terčíků ReBCO o vysoké hustotě s optimalizovanou stechiometrií. Na základě řady experimentů byl zvolen jiný poměr prekurzorů oxidu vzácných zemin (Re2O3), uhličitanu barnatého (BaCO3) a oxidu měďnatého (CuO). Jako nejvhodnější složení, se ukázalo použít nadbytek CuO oproti stechiometrii odpovídající čisté fázi Re-123. Prekurzory s vyšším obsahem oxidů mědi byly homogenizovány a následně opakovaně kalcinovány v peci. Následně byl prášek opětovně zhomogenizován a kompaktován do pelet. Tyto pelety byly v oscilátoru nadrceny na malé granule, které byly následně sintrovány v peci. Sintrované granule byly umlety najemno a následně lisovány hydraulickým lisem (jednoosým či izostatickým) do požadovaného tvaru. Dalším krokem přípravy je sintrace v peci po dlouhou dobu s definovaným teplotním programem pro zajištění ideální mikrostruktury. Finálním krokem je obroušení do požadovaných rozměrů za vzniku polykrystalického ReBCO terče s optimalizovanou mikrostrukturou i fázovým složením. V průmyslu lze tento typ materiálu využít pro přípravu supravodivých vrstev na různých substrátech metodou iontové depozice zejména pro energetické aplikace.

Název v anglickém jazyce

Polycrystalline target of high temperature superconductor based on mixed rare earth oxides, barium and copper optimized for deposition of superconducting layers by pulsed ion deposition

Popis výsledku anglicky

The technical solution concerns a high-temperature polycrystalline mixed copper oxide-based superconductor material ReBa2Cu3O7-d (ReBCO, Re = Y, Gd, Sm, Nd, Eu) with high density. Superconductivity of materials is a phenomenon in which materials exhibit unmeasurable electrical resistivity and at the same time superconductivity significantly affects the magnetic properties of materials. High-temperature superconductivity, is a phenomenon where superconductivity occurs at higher temperatures (so-called high-temperature superconductors), for these materials the superconducting transition temperature is usually above 70 K. High-temperature superconductors include various mixed copper oxides, called cuprates, which include mixed rare earth (RE), barium and copper oxides with stoichiometry ReBa2Cu3O7 (called ReBCO or Re-123). The most commonly used materials are YBa2Cu3O7 (called YBCO, theoretical density 6.4 g/cm3), EuBa2Cu3O7 (called EuBCO, theoretical density 6.9 g/cm3) and GdBa2Cu3O7 (called GdBCO, theoretical density 6.8 g/cm3). Another very important form of superconductors are polycrystalline single-phase targets, which are used for dedusting and thin film preparation. These targets (or targets from the English targets) are composed of only ReBa2Cu3O7 phase. Thin films of high temperature superconductors have been prepared in the past by various methods on several different types of substrates. Thin films generally retain the properties of bulge materials; moreover, these materials are highly flexible. For example, the Ionizes Jet Deposition (IJD) method, which falls into the category of pulsed electron methods, can be used to prepare thin films. This method can be used to prepare a wide range of materials on a variety of substrates. This method is illustrated in Fig. 1. The main shortcomings of commercial targets are inhomogeneous microstructure, overall low target density as well as unsuitable elemental composition (most often optimized for pulsed laser deposition or sputtering). Typically, the target density for YBCO is only 5.5 g/cm3, which corresponds to 86% of the theoretical density. The use of pure ReBa2Cu3O7 stoichiometric phases is not suitable as the stoichiometry changes during deposition (the copper content on the substrate is reduced. These shortcomings are eliminated by a new method for the preparation of high density polycrystalline ReBCO targets with optimized stoichiometry. Based on a series of experiments, a different ratio of rare earth oxide (Re2O3), barium carbonate (BaCO3) and copper oxide (CuO) precursors was chosen. As the most suitable composition, it turned out to use an excess of CuO compared to the stoichiometry corresponding to the pure Re-123 phase. The precursors with higher copper oxide content were homogenized and then repeatedly calcined in a furnace. Subsequently, the powder was re-homogenized and compacted into pellets. These pellets were crushed into small granules in an oscillator, which were subsequently sintered in a furnace. The sintered granules were ground finely and then pressed by a hydraulic press (uniaxial or isostatic) to the desired shape. The next step of preparation is sintering in a furnace for a long time with a defined temperature program to ensure an ideal microstructure. The final step is grinding to the desired dimensions to form a polycrystalline ReBCO target with optimized microstructure and phase composition. In industry, this type of material can be used to prepare superconducting layers on various substrates by ion deposition, especially for energy applications.

Druh

F_uzit - Užitný vzor

CEP obor

—

OECD FORD obor

20506 - Coating and films

Projekt

<a href="/cs/project/FV40201" target="_blank" >FV40201: Výzkum a vývoj primárních materiálů pro depozici supravodivých tenkých vrstev</a><br>

Návaznosti

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Rok uplatnění

2021

Kód důvěrnosti údajů

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů

Číslo patentu nebo vzoru

35398

Vydavatel

CZ001 -

Název vydavatele

Industrial Property Office

Místo vydání

Prague

Stát vydání

CZ - Česká republika

Datum přijetí

—

Název vlastníka

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, CAN SUPERCONDUCTORS, s.r.o.

Způsob využití

A - Výsledek využívá pouze poskytovatel

Druh možnosti využití

V - Výsledek je využíván vlastníkem