Vorrichtung zur Strombegrenzung vom resistiven Typ mit band¬ förmigem Hoch-T _c -Supraleiter

Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung mit einer Leiterbahn aus einem bandförmigen Supraleiter, dessen Leiteraufbau zumindest ein Substratband aus einem normalleitenden Substratmetall, eine supraleitende Schicht aus einem oxidischen Hoch-T _c -Supralei- termaterial vom AB ₂ Cu ₃ θ _x -Typ mit A zumindest einem Seltenen Erdmetall einschließlich Yttrium und B mindestens einem Erd¬ alkalimetall, eine dazwischen angeordnete Pufferschicht aus einem oxidischen Puffermaterial mit angepassten kristallinen Abmessungen sowie eine auf der supraleitenden Schicht aufge¬ brachte Deckschicht aus einem normalleitenden Deckschichtma¬ terial enthält. Eine entsprechende Strombegrenzungsvorrich¬ tung geht aus der DE 199 09 266 Al hervor.

Seit 1986 sind supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtemperaturen T _c von über 77 K bekannt, die deshalb auch als Hoch-T _c -Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien be¬ zeichnet werden und insbesondere eine Flüssig-Stickstoff (LN ₂ ) -Kühltechnik erlauben. Unter solche Metalloxidverbindun- gen fallen insbesondere Cuprate auf Basis spezieller Stoff¬ systeme wie z.B. vom Typ AB ₂ Cu ₃ O _x , wobei A zumindest ein Sel¬ tenes Erdmetall einschließlich Yttrium und B mindestens ein Erdalkalimetall sind. Hauptvertreter dieses Stoffsystems vom sogenannten 1-2-3-HTS-Typ ist das sogenannte YBCO (YiBa ₂ Cu ₃ O _x mit 6,5 < x < 7) .

Dieses bekannte HTS-Material versucht man, auf verschiedenen Substraten für unterschiedliche Anwendungszwecke abzuschei¬ den, wobei im Allgemeinen nach möglichst phasenreinem Supra- leitermaterial getrachtet wird. So werden insbesondere metal¬ lische Substrate für Leiteranwendungen vorgesehen (vgl. z.B. EP 0 292 959 Al) .

Bei einem entsprechenden Leiteraufbau wird das HTS-Material im Allgemeinen nicht unmittelbar auf einem als Substrat die¬ nenden Trägerband abgeschieden; sondern dieses Substratband wird zunächst mit wenigstens einer dünnen Zwischenschicht, die auch als Pufferschicht (bzw. „Buffer"-Schicht) bezeichnet wird, abgedeckt. Diese Pufferschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 μm soll einerseits das Eindiffundieren von Metallatomen aus dem Substrat in das HTS-Material verhin¬ dern, welche die supraleitenden Eigenschaften verschlechtern könnten. Zum anderen soll die Pufferschicht eine texturierte Ausbildung des HTS-Materials ermöglichen. Entsprechende Puf¬ ferschichten bestehen im Allgemeinen aus Oxiden von Metallen wie Zirkon, Cer, Yttrium, Aluminium, Strontium oder Magnesium oder Mischkristallen mit mehreren dieser Metalle und sind so- mit elektrisch isolierend. In einer entsprechenden stromlei¬ tenden Leiterbahn ergibt sich dadurch eine Problematik, so¬ bald das supraleitende Material in den normalleitenden Zu¬ stand übergeht (sogenanntes „Quenchen") . Dabei wird der Sup¬ raleiter zunächst streckenweise resistiv und nimmt so einen Widerstand R an, z.B. indem er sich über die Sprungtemperatur T _c seines Supraleitermaterial erwärmt (in sogenannten „Hot Spots" oder Teilquenchbereichen) und sich meist weiter er¬ hitzt, so dass die Schicht durchbrennen kann.

Auf Grund dieser Problematik ist es bekannt, direkt auf der HTS-Leitungsschicht eine zusätzliche metallische Deckschicht aus einem elektrisch gut leitenden, mit dem HTS-Material ver¬ träglichen Material wie Au oder Ag als Shunt gegen ein Durch¬ brennen aufzubringen. Das HTS-Material steht also in einem elektrisch leitenden, flächenhaften Kontakt mit der metalli¬ schen Deckschicht (vgl. DE 44 34 819 C) .

Wegen der auch mit Shunts vorhandenen Hot-Spots oder Teil- quenchbereiche verteilt sich die Spannung ungleichmäßig längs der Supraleiterschicht. In dem die supraleitende Schicht tra¬ genden Substratband fällt hingegen die an den Enden angelegte Spannung U gleichmäßig über die gesamte Länge ab bzw. es be-

findet sich auf einem Undefinierten Zwischenpotential, falls die Enden von der angelegten Spannung isoliert sind. Die Fol¬ ge davon können unter Umständen Spannungsdifferenzen von der Leiterbahn über die Pufferschicht zum Substrat sein. Dies führt wegen der geringen Dicke dieser Schicht unvermeidlich zu elektrischen Durchschlägen und so zu punktueller Zerstö¬ rung der Pufferschicht und gegebenenfalls der Supraleitungs¬ schicht. Für einen Durchschlag reichen typischerweise Span¬ nungen in der Größenordnung von 20 bis 100 Volt für Puffer- schichtdicken von 1 μm aus. Eine entsprechende Problematik ergibt sich insbesondere dann, wenn mit entsprechenden Lei¬ terbändern resistive Strombegrenzungsvorrichtungen erstellt werden sollen. Bei einer solchen Vorrichtung wird nämlich der Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zur Strombegrenzung im Kurzschlussfall ausgenutzt. Es ist hier nicht ohne weiteres möglich, die Pufferschicht ausrei¬ chend spannungsfest für die für solche Einrichtungen üblichen Betriebsspannungen im kV-Bereich zu machen.

Bei der aus der eingangs genannten DE-Al-Schrift zu entneh¬ menden Strombegrenzungsvorrichtung wird ein bandförmiger Sup¬ raleiter mit einem entsprechenden Aufbau verwendet. Bei die¬ sem Aufbau besteht die angesprochene Gefahr von elektrischen Durchschlägen über die Pufferschicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer resisti- ven supraleitenden Strombegrenzungsvorrichtung mit den ein¬ gangs genannten Merkmalen diese Gefahr eines elektrischen Durchschlags bei einem Quenchen im Strombegrenzungsfall aus- zuschließen.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah¬ men gelöst. Demgemäß soll bei der Strombegrenzungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen die wenigstens eine Puf- ferschicht derart ausgebildet sein, dass zwischen der supra¬ leitenden Schicht und dem Substratband zumindest in Teilbe-

reichen ein Übergangswiderstand von höchstens 10 ³ Ω-cm ² , vor¬ zugsweise von höchstens 10 ^~5 Ω-cm ² ausgebildet ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die er- wähnte, für Strombegrenzungsvorrichtungen spezifische Proble¬ matik sich mit bestimmten Pufferschichtmaterialien lösen lässt. Es wurde erkannt, dass mit der erfindungsgemäßen Be¬ messung des auf die Flächeneinheit bezogenen Übergangswider¬ standes (bei Betriebstemperatur des Supraleitermaterials von etwa 77 K) der angestrebten Potentialausgleich zu gewährleis¬ ten ist. Die hier verwendete physikalische Größe "Übergangs¬ widerstand" wird in Ohm • cm ² (Ω • cm ² ) oder in Ohm • m ² ange¬ geben. Sie wird vielfach auch als "Kontaktflächenwiderstand" bezeichnet (vgl. z.B. "Applied Physics Letters", Vol. 52, No. 4, 25.01.1988, Seiten 331 bis 333 oder EP 0 315 460 A2) . Dieser Übergangswiderstand stellt dabei den elektrischen (Ohm ^s sehen) Widerstand R (gemessen in Ω) einer flächigen Verbindung mit 1 cm ² bzw. 1 m ² Übertrittsfläche A zwischen zwei insbesondere elektrisch leitenden Teilen dar. Das Pro- dukt R-A ist von der Übertrittsfläche unabhängig. Es kenn¬ zeichnet die Güte einer elektrischen flächenhaften Verbindung zwischen zwei verbundenen Teilen wie z.B. bei einer Lötver¬ bindung zwischen zwei Leitern oder bei Kontakten eines Schal¬ ters zwischen dessen Kontaktstücken.

Die mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Strombegren¬ zungsvorrichtung verbundenen Vorteile sind demnach darin zu sehen, dass das metallische Substratband und die normallei¬ tende Deckschicht und damit auch die mit ihr galvanisch ver- bundene supraleitende Schicht über die wenigstens eine Puf¬ ferschicht zumindest in Teilbereichen in gegenseitigen elekt¬ rischen Kontakt zu bringen sind und somit auf ein gemeinsames elektrisches Potential auch im Falle eines Quenches zu legen sind. Auf diese Weise wird ein Durchschlag über eine Puffer- schicht unterbunden, wie er bei den bekannten Strombegren¬ zungsvorrichtungen auftreten kann.

Bei der vorgeschlagenen Strombegrenzungsvorrichtung können insbesondere noch folgende Maßnahmen im Einzelnen oder auch in Kombination zusätzlich vorgesehen werden:

So kann für das Material der Pufferschicht bevorzugt ein sol¬ ches gewählt werden, das einen mittleren spezifischen Wider¬ stand von höchstens 5000 μΩ-cm, vorzugsweise von höchstens 500 μΩ-cm, aufweist.

Wird für das Material der Pufferschicht eine oxidische Ver¬ bindung vom Typ La-Mn-O oder Sr-Ru-O oder La-Ni-O oder In-Sn-O gewählt, so ist die erfindungsgemäße Bemessung des Übergangswiderstandes ohne weiteres einzuhalten.

Der Leiteraufbau des Supraleiters ist selbstverständlich nicht auf die genannten vier Schichten oder Lagen beschränkt, So kann man für die Deckschicht und/oder die Pufferschicht jeweils auch ein Schichtensystem aus mehreren Lagen vorsehen,

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Strombegrenzungsvor¬ richtung nach der Erfindung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiele einer Strombegrenzungsvorrichtungen er¬ läutert ist. Dabei zeigt in stark schematisierter Form deren einzige Figur den Aufbau eines YBCO-Bandleiters der Strombegrenzungsvorrichtung in Schrägansicht.

Bei dem in der Figur angedeuteten, allgemein mit 2 bezeichne¬ ten Bandleiter wird von an sich bekannten Ausführungsformen von sogenannten YBCO-Bandleitern oder „YBCO Coated Conduc- tors" ausgegangen. In der Figur sind bezeichnet mit 3 ein Substratband aus einem normalleitenden Substratmetall der Dicke d3,

4 wenigstens eine darauf aufgebrachte Pufferschicht aus einem besonderen oxidischen Puffermaterial der Dicke d4,

5 wenigstens eine HTS-Schicht aus YBCO der Dicke d5,

6 wenigstens eine Deckschicht aus einem normalleitenden Deck- metall der Dicke dβ als eine Schutz- und/oder Kontakt¬ schicht sowie

7 der Leiteraufbau aus diesen vier Teilen.

Dabei kann man diese Teile wie folgt ausbilden:

- Ein metallisches Substratband 3 aus Ni, Ni-Legierungen oder Edelstahl mit einer Dicke d3 von etwa 50 bis

250 μm,

- wenigstens eine Pufferschicht oder ein Pufferschichten- System aus einer oder mehreren Lagen von besonders zu wählenden Oxiden mit einer Dicke d4 von etwa 0,1 bis 1, 5μm,

- wenigstens eine HTS-Schicht 5 aus YBCO mit einer Dicke d5 zwischen etwa 0,3 und 3 μm, und

- wenigstens eine metallische Deckschicht 6 aus Ag, Au oder Cu mit einer Dicke dβ zwischen etwa 0,1μm und lmm. Die Deckschicht kann dabei auch aus mehreren Lagen aus metallischem Material, gegebenenfalls verschiedenen Me- tallen zusammengesetzt sein.

Ein entsprechender Bandleiter ist einige Millimeter bis weni¬ ge Zentimeter breit. Seine supraleitende Stromfähigkeit wird von der YBCO-Schicht 5, d.h. von deren kritischer Stromdichte bestimmt, während die thermischen, mechanischen und normal¬ leitenden Eigenschaften wegen der größeren Dicke d3 von dem Substratband 3 dominiert werden. Dabei bildet das Substrat¬ band zusammen mit der Pufferschicht eine Unterlage für ein quasi einkristallines Wachstum des YBCO. Substratbandmaterial und Pufferschichtmaterial dürfen im thermischen Ausdehnungs¬ koeffizienten und in ihren kristallographischen Gitterkon¬ stanten nicht zu weit vom YBCO abweichen. Je besser die An-

passung desto höher ist die rissfreie Schichtdicke und desto besser die Kristallinität des YBCO. Darüber hinaus ist für hohe kritische Stromdichten im MA/cm ² -Bereich eine möglichst parallele Ausrichtung der Kristallachsen in benachbarten Kristalliten gewünscht. Dies erfordert eine eben solche Aus¬ richtung zumindest in der obersten Pufferschicht, damit das YBCO heteroepitaktisch aufwachsen kann. Die Präparation sol¬ cher quasi einkristalliner flexibler Substrat-Puffersysteme gelingt bevorzugt mit drei Verfahren: - Sogenanntes „Ion Beam Assisted Deposition (IBAD)" von meist YSZ oder MgO auf untexturierten Metallbändern, sogenannte „Inclined Substrate Deposition (ISD)" von YSZ oder MgO auf untexturierten Metallbändern, sogenannte „Rolling Assisted Biaxially Textured Substra- tes (RABiTS)", d.h. durch Walz- und Glühbehandlung in Würfellage gebrachte Substrate mit heteroepitaktischem Puffersystem.

Die auf dem Substratband abzuscheidenden Funktionsschichten 4 bis 6 werden in an sich bekannter Weise mit Vakummbeschich¬ tungsverfahren (PVD) , chemischer Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder aus chemischen Lösungen (CSD) hergestellt.

Selbstverständlich können an der Grenzfläche zwischen den einzelnen Schichten des Aufbaus 7 noch vergleichsweise dünne¬ re, sich bei der Herstellung des Aufbaus bzw. der Abscheidung der einzelnen Schichten insbesondere durch Diffusions- und/ oder Reaktionsvorgänge ausbildende Zwischenschichten vorhan¬ den sein.

Im Vergleich zu den für YBCO-Dünnschicht-Strombegrenzungsvor- richtungen bekannten keramischen Plattenleitern ist bei Band¬ leitern des vorstehend geschilderten Typs das Substratband 3 elektrisch leitfähig, d.h. es kann den begrenzten Strom tra- gen und als Shunt wirken. Mit dem in der Figur gezeigten Lei¬ teraufbau 7 wären jedoch die HTS-Schicht 5 und das Substrat¬ band 3 voneinander isoliert, falls man die für bekannte

Strombegrenzungsvorrichtungen üblichen Pufferschichtmateria¬ lien wie CeO ₂ oder YSZ wählt. Sobald die Strombegrenzungsein¬ richtung in ihren begrenzenden Zustand übergeht, d.h. normal¬ leitend wird und sich eine Spannung längs der Leiterbahn auf- baut, wird die Durchschlagsfeldstärke der bekannten Puffer¬ schichtmaterialien, die in der Größenordnung von 100 kV/mm = 10 V/0,1 μm liegen, schnell überschritten. D.h., die Pufferschicht 4 würde dann unkontrolliert durchschlagen. Daher ist erfindungsgemäß ein besonders auszuwählendes Puf- ferschichtmaterial für den Einsatz von YBCO-Bandleitern in Strombegrenzungsvorrichtungen vorteilhaft. Dabei müssen selbstverständlich auch die vorstehend angesprochenen Ge¬ sichtspunkte einer hinreichenden Anpassung der kristallinen Abmessungen des verwendeten HTS-Materials und des Puffer- Schichtmaterials berücksichtigt werden.

Unter dem weiteren Gesichtspunkt eines Potentialausgleichs zwischen supraleitender Schicht 5 und damit auch Deckschicht 6 einerseits und dem Substratband 3 andererseits wird für die wenigstens eine Pufferschicht 4 ein solches oxidisches Mate¬ rial gewählt, dass zwischen der supraleitenden Schicht 5 und dem Substratband 3 ein Übergangswiderstand zumindest an ein¬ zelnen beispielsweise inselartigen Stellen, vorzugsweise über die gesamte gemeinsame Flächenausdehnung von höchstens 10 ^~3 Ω-cm ² , vorzugsweise von höchstens 10 ^~5 Ω-cm ² ausgebildet ist. Unter Einhaltung dieser Werte ist dann der gewünschte Potentialausgleich zu realisieren.

Insbesondere kann man für die Pufferschicht 4 ein Material wählen, das einen mittleren spezifischen Widerstand von höchstens 5000 μΩ-cm, vorzugsweise von höchstens 500 μΩ-cm, aufweist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass mit oxidischen Materialien, die dieser Bedingung genügen, die vorstehend ge¬ nannten Übergangswiderstände zu erreichen sind und damit der gewünschte Potentialausgleich ermöglicht wird.

Beispiele für Materialien, die alle genannten Voraussetzungen erfüllen, sind an sich bekannte oxidische Materialien vom Typ La-Mn-O oder Sr-Ru-O oder La-Ni-O oder In-Sn-O (das sogenann¬ te „ITO") .

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde YBCO als HTS- Material für die supraleitende Schicht 5 zugrunde gelegt. Selbstverständlich sind auch andere HTS-Materialien vom soge¬ nannten 1-2-3-Typ mit anderen Seltenen Erdmetallen und/oder anderen Erdalkalimetallen einsetzbar. Die einzelnen Komponen¬ ten dieser Materialien können auch in an sich bekannter Weise teilweise durch weitere/andere Komponenten substituiert sein.