Preisträger
Dr. Ralph Delmdahl, Rainer Pätzel, Dr. Kai Schmidt, Coherent GmbH, Deutschland, Dr. Alexander Usoskin, Bruker HTS GmbH, Deutschland
Thema
"UV-Excimer-Lasertechnologie: Schlüssel zur Großserienfertigung von keramischen Hochtemperatur-Supra-Bandleitern" |
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| Dr. Alexander Usoskin, Dr. Ralph Delmdahl und Dr. Kai Schmidt mit einem Supraleiter der zweiten Generation. |
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| | Verlustfrei Strom leiten, das ist dank Quantenphysik schon lange kein Traum mehr. Schon Anfang des letzten Jahrhunderts war der Effekt der Supraleitung bekannt. Die 1986 entdeckten Hochtemperatur-Supraleiter der ersten Generation erweiterten die potenziellen Einsatzmöglichkeiten. Mit leistungsfähigen Excimerlasern vom Göttinger Standort des Laserherstellers Coherent baut die Bruker Corporation in der Sparte Supraleiter nun eine neue Fertigung für die zweite Generation der Hochtemperatur-Supraleiter auf. |
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Diese lassen sich wesentlich kostengünstiger herstellen, als die der ersten Generation, wodurch sie zum Hoffnungsträger für die widerstandsfreie Übertragung von Strom im sogenannten Smart Grid avancieren. Die zweite Generation verträgt auch höhere Magnetfelder und soll daher die aufwendig zu kühlenden Niedrigtemperatur-Supraleiter in Kernspintomographen ersetzen.
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Mit der Tochtergesellschaft Bruker HTS in Alzenau ist Bruker das erste Unternehmen weltweit, welches die sogenannte Pulsed-Laser-Deposition-Technologie zur Massenfertigung von Supraleitern beherrscht. Verantwortlich für die Weiterentwicklung des Verfahrens vom Labormaßstab zur Massenfertigung sind Dr. Alexander Usoskin von Bruker HTS und drei Mitarbeiter von Coherent, Dr. Ralph Delmdahl, Rainer Pätzel und Dr. Kai Schmidt. | |
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| Das Target (YBCO), welches bei Bestrahlung mit gepulstem UV-Laserlicht … |
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Bei dem Verfahren der Pulsed-Laser-Deposition (PLD) verdampft ein UV-Laserpuls hoher Energie in einer Vakuumkammer ein “Target” so, dass sich ein Plasma bildet. Atom für Atom setzt sich das atomisierte Material des Targets auf der Zieloberfläche ab. So lassen sich sehr genaue und hochreine Schichten erzeugen, zum Beispiel aus Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), einem Hochtemperatur-Supraleiter. Wird dieses auf einem Tape aufgetragen, entsteht ein Band aus einem Quasi-Einkristall. In der lediglich einen Mikrometer dicken Schicht leitet er Stromstärken verlustfrei, für die konventionell fingerdicke Kupferdrähte erforderlich sind. Doch die PLD erlaubte bisher weder die erforderliche Abscheiderate noch die homogene Beschichtung großer Flächen, um größere Mengen dieser Bandleiter herzustellen.
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| …verdampft und ein Plasma bildet. Aus diesem setzt sich das Material Atom für Atom auf dem Substrat nieder. |
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| | Die PLD galt allgemein als „nicht skalierbar“. Mittels zahlreicher patentierter Erfindungen rund um den Prozess und die Strahlführung gelang es der Kooperation, das Verfahren zu skalieren. Neben der PLD-Vakuum-Prozesskammer für große Flächen und hohen Durchsatz ist auch die UV-Laserstrahlquelle von zentraler Bedeutung. Sie liefert die erforderliche Energie für den Prozess. |
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Damit das Verfahren wirtschaftlich ist, muss der Excimerlaser die für den Prozess erforderliche Pulsstabilität mit möglichst hoher Pulsenergie und langer Lebensdauer vereinen. Da der Prozess des Auftragens per PLD nicht beliebig beschleunigt werden kann, lässt sich die Geschwindigkeit nur durch das Einsetzen mehrerer Strahlen und entsprechend die Erzeugung mehrerer Plasma-Plumes erhöhen. Die aktuelle Anlage besitzt eine sechsfache Strahlteilung und einen Excimerlaser mit der stabilisierten durchschnittlichen Leistung von 600 Watt. Coherent ist weltweit der einzige Anbieter von Excimerlasern, die eine Skalierung der PLD hin zur Massenfertigung erlauben. | |
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| Der konventionelle Kupferleiter (rechts) und das supraleitende tape (links) können den gleichen Strom leiten. |
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