超電導体膜及びその製造方法
【課題】臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を提供する。
【解決手段】
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質からなる超電導体層中に、Baを含む常電導物質からなり、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶が形成されている。
【解決手段】
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質からなる超電導体層中に、Baを含む常電導物質からなり、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導線材又は超電導デバイスの分野において使用できる超電導体膜及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
Y−Ba−Cu−O系に代表される酸化物超電導体は液体窒素よりも高い臨界温度Tcを示すことから、超電導線材や超電導デバイスの分野への応用が期待されている。しかしながら、このような酸化物超電導体をこれらの分野に応用するためには、酸化物超電導体の臨界電流密度Jcを向上させると共に、酸化物超電導体中の量子化磁束の動きを止めるピンニング点を導入して磁場中における臨界電流密度Jcの低下を防ぐ必要がある。
【0003】
特に、Y−Ba−Cu−O系酸化物超電導体では、超電導特性の異方性(強い結晶異方性)により、a軸に平行な磁場が印加された場合に臨界電流密度Jcは最大となり、a軸と印加された磁場とがなす角が大きくなるにつれて臨界電流密度Jcは単調に減少し、c軸に平行な磁場が印加された場合に臨界電流密度Jcは最小となる。そこで、c軸に平行な磁場が印加された際の臨界電流密度Jcを向上させるために、超電導体へのピンニング点の導入に関する様々な研究がなされてきた。
【0004】
それらの1つに、Y−Ba−Cu−O系酸化物超電導体膜中に、常電導物質であるBaZrO3で構成され、膜厚方向に延びたナノロッドを複数形成し、そのナノロッドをピンニング点とした超電導体膜がある(非特許文献1及び2参照)。この超電導体膜は、内部に形成されたBaZrO3のナノロッドが強力なピンニングセンターとして作用することにより高い臨界電流密度Jcを有することが知られている。
【0005】
【非特許文献1】M.MUKAIDA,T.HORIDE,R.KITA,S.HORII,A.ICHINOSE,Y.YOSHIDA,O.MIURA,K.MATSUMOTO,K.YAMADA,N.MORI:Jpn.J.Appl.Phys.44(2005)L952.
【非特許文献2】J.L.Macmanus-Driscoll,S.R.Foltyn,W.X.Jia,A.Serquis,B.Maiorov,L.Civale,M.E.Hawley,M.P.Maley,D.E.Peterson:Nature Materials 3(2004)439.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上述した超電導体膜は高い臨界電流密度Jcを有する一方で、その臨界電流密度Jcが磁場の印加方向に対して強い依存性(磁場角度依存性)を有するために、超電導線材や超電導デバイスに適用することができないという問題があった。具体的には、超電導線材及び超電導デバイスの特性は、使用する環境の下で最も低い臨界電流密度Jcによって決定されるために、例え所定の磁場角度において高い臨界電流密度Jcを有する超電導体膜であっても、その角度以外の磁場角度において低い臨界電流密度Jcを有する場合には超電導線材や超電導デバイスに適用することができなかった。
【0007】
本発明は、上述した事情に鑑み、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質からなる超電導体層中に、Baを含む常電導物質からなり、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶が形成されていることを特徴とする超電導体膜にある。
【0009】
かかる第1の態様では、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を提供することができる。
【0010】
本発明の第2の態様は、前記超電導物質と前記柱状結晶を構成する物質との重量比が99.5:0.5〜70.0:30.0の範囲にあることを特徴とする第1の態様に記載の超電導体膜にある。
【0011】
かかる第2の態様では、磁場角度依存性がさらに小さい超電導体膜を提供することができる。
【0012】
本発明の第3の態様は、前記柱状結晶の軸方向の長さが5〜200nmの範囲にあることを特徴とする第1又は2の態様に記載の超電導体膜にある。
【0013】
かかる第3の態様では、臨界電流密度Jcがより高く、かつ磁場角度依存性がより小さい超電導体膜を提供することができる。
【0014】
本発明の第4の態様は、前記柱状結晶間の膜厚方向の距離が5〜200nmの範囲にあることを特徴とする第1〜3の何れか一つの態様に記載の超電導体膜にある。
【0015】
本発明の第5の態様は、前記柱状結晶がBaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3、BaHfO3、又はBaTiO3の何れか1つからなることを特徴とする第1〜4の何れか一つの態様に記載の超電導体膜にある。
【0016】
かかる第5の態様では、臨界電流密度Jcがより高く、かつ磁場角度依存性がより小さい超電導体膜を提供することができる。
【0017】
本発明の第6の態様は、前記超電導体層がYBa2Cu3OX(式中、6.5<X<7.1である)で構成され、前記柱状結晶がBaZrO3で構成されることを特徴とする第1〜5の何れか一つの態様に記載の超電導体膜にある。
【0018】
かかる第6の態様では、臨界電流密度Jcがさらに高く、かつ磁場角度依存性がさらに小さい超電導体膜を提供することができる。
【0019】
本発明の第7の態様は、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される物質と、Baを含む常電導物質とで構成される第1のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第1の超電導体層を形成する工程と、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される前記物質で構成される第2のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第2の超電導体層を形成する工程とを有し、それらの工程を交互に繰り返して前記第1の超電導体層と前記第2の超電導体層とを交互に積層することを特徴とする超電導体膜の製造方法にある。
【0020】
かかる第7の態様では、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を作製することができる。
【0021】
本発明の第8の態様は、前記第1のターゲット及び前記第2のターゲットは、1つのターゲットを第1のターゲットを構成する物質からなる領域と第2のターゲットを構成する物質からなる領域とに分割することにより形成されることを特徴とする第7の態様に記載の超電導体膜の製造方法にある。
【0022】
かかる第8の態様では、容易に超電導体膜を作製することができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明に係る超電導体膜及びその製造方法によれば、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【0025】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る超電導体膜を示す概略断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る超電導体膜1は基板100上に形成されており、超電導物質からなる超電導体層10中に、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶20が複数形成されている。すなわち、超電導体膜1は、超電導物質からなる超電導体層10中に、基板100の表面から超電導体層10の表面まで延びた長柱状結晶を複数回切断したような複数の柱状結晶20が形成されている。
【0026】
なお、基板100としては、例えばSrTiO3やLaAlO3などのペロブスカイト型結晶、MgOやNiOなどの岩塩型結晶、MgAl2O4などのスピネル型結晶、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)やCeO2などの蛍石型結晶、希土類c型結晶、バイクロア型結晶及び金属基板(Ni,Ni−Cr,Ni−WなどからなるNi基合金基板や、Cu,Cu−NiなどからなるCu基合成基板、Fe−Si,ステンレスなどからなるFe基合成基板)などを用いることができる。
【0027】
超電導体層10を構成する超電導物質としては、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質であれば特に限定されないが、YBa2Cu3OX、ErBa2Cu3OX、GdBa2Cu3OXが好ましい。
【0028】
次に、柱状結晶20を構成する物質としては、Baを含む常電導物質であれば特に限定されないが、BaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3、BaHfO3、BaTiO3が好ましく、BaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3がさらに好ましく、BaZrO3が特に好ましい。
【0029】
そして、超電導物質と柱状結晶20を構成する物質との重量比は特に限定されないが、99.5:0.5〜70.0:30.0の範囲にあるものが好ましい。超電導物質と柱状結晶20を構成する物質との重量比を調整することにより、所望の臨界電流密度Jc及び磁場角度依存性を有する超電導体膜を作製することができる。なお、超電導物質に対する柱状結晶20を構成する物質の重量比が0.5/99.5よりも小さい場合には、超電導体膜1の臨界電流密度Jcが低下する。また、超電導物質に対する柱状結晶20を構成する物質の重量比が30.0/70.0よりも大きい場合には、超電導体膜1の超電導性が低下することになる。
【0030】
また、柱状結晶20の軸方向の長さLは特に限定されないが、5〜200nmの範囲が好ましい。柱状結晶20の長さLを調整することにより、所望の磁場角度依存性を有する超電導体膜1を作製することができる。なお、柱状結晶20の長さLが5nmよりも小さくなると、超電導体膜1の臨界電流密度Jcが低下する。また、柱状結晶20の長さLが200nmよりも大きくなると、超電導体膜1の磁場角度依存性が大きくなる。
【0031】
さらに、各柱状結晶20間の距離Dは特に限定されないが、5〜200nmの範囲が好ましい。各柱状結晶20間の距離Dを調整することにより、所望の磁場角度依存性を有する超電導体膜1を作製することができる。なお、各柱状結晶20間の距離Dが5nmよりも小さくなると、超電導体膜1の磁場角度依存性が大きくなる。また、各柱状結晶20間の距離Dが200nmよりも大きくなると、同様に超電導体膜1の臨界電流密度Jcが低下する。
【0032】
以上説明したように超電導体膜1を構成することにより、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜1を提供することができる。
【0033】
次に、上述した超電導体膜1を製造する方法を説明する。上述した超電導体膜1の製造方法としては、図2に示したように、基板100上に、上述した超電導物質と柱状結晶20を構成する物質とで構成される第1のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第1の超電導体層を形成する工程と、上述した超電導物質のみで構成された第2のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第2の超電体層を形成する工程とを有し、それらの工程を交互に繰り返して前記第1の超電導体層と前記第2の超電導体層とを交互に積層することができる方法であれば特に限定されない。この方法に用いられる物理的蒸着法としては、例えばパルスレーザー蒸着法(PLD)、スパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
【0034】
具体的には、例えば超電導物質と柱状結晶を構成する物質とを所定の割合で混合させて焼結した第1のターゲットと、超電導物質のみからなる第2のターゲットとを用意し、それらのターゲットをパルスレーザー蒸着装置の中に取り付ける。
【0035】
そして、パルスレーザー蒸着装置の中に取り付けられた基板100を減圧された酸素雰囲気下で加熱しつつ、後述するようにして、基板100上に上述した第1の超電導体層10aと超電導体層10bとを交互に積層する。
【0036】
まず、ターゲットとして第1のターゲットを用いることにより、図3(a)に示すように、基板100上に、膜方向に延びた柱状結晶が複数形成された第1の超電導体層10aを作製する。次に、ターゲットとして第2のターゲットを用いることにより、図3(b)に示すように、第1の超電導体層10a上に第2の超電導体層10bを作製する。さらに、ターゲットとして第1のターゲットを用いることにより、図3(c)に示すように、第2の超電導体層10b上に第1の超電導体層10aをさらに作製する。そして、これらの工程を交互に複数回繰り返すことによって、図1に示したような超電導体膜1を形成することができる。
【0037】
すなわち、超電導物質からなる超電導体層中に膜厚方向に延びた柱状結晶20が形成された第1の超電導体層10aと、超電導物質のみからなる第2の超電導体層10bとを基板100上に交互に積層することによって、図1に示すように、超電導体層10中に膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶20が形成された超電導体膜1を形成することができる。なお、柱状結晶20の内部応力によるものかどうか理由は不明であるが、基板100上の第1の超電導体層10aに形成された柱状結晶20と、その上方の第1の超電導体層10aに形成された柱状結晶20とは膜厚方向に並ぶように形成される。
【0038】
ここで、上述したようにして超電導体膜1が形成されるので、本実施形態に係る超電導体膜の製造方法によれば、第1の超電導体層10aの厚さを調整することによって柱状結晶20の長さLを調整することができると共に、第2の超電導体層10bの厚さを調整することによって各柱状結晶20間の距離Dを容易に調整することができ、結果として臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を作製することができる。
【0039】
(他の実施形態)
実施形態1では、各柱状結晶20の長さLはすべて同じであったが、基板100の表面からの膜厚方向の距離に応じて異なっていてもよい。すなわち、図4に示すように、超電導体層10中に異なる長さLの柱状結晶20が形成されていてもよい。なお、このような超電導体膜1Aは、上述した各第1の超電導体層10aの厚さを変えることにより容易に作製することができる。
【0040】
また、実施形態1では、各柱状結晶20間の距離Dについても同様に、すべて同じであったが、基板100の表面からの膜厚方向の距離に応じて異なっていてもよい。すなわち、超電導体層10中の各柱状結晶20間の距離Dが異なっていてもよい。なお、このような超電導体膜は、上述した各第2の超電導体層10bの厚さを変えることにより容易に作製することができる。
【0041】
さらに、実施形態1では、2つのターゲット(第1のターゲット及び第2のターゲット)、いわゆるマルチターゲットを用いて第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bを形成したが、図5(a)〜図5(c)に示すように、第1のターゲットと同じ組成の物質からなる部分210と、第2のターゲットと同じ組成の物質からなる部分220とからなる混合ターゲット200、200A、200Bを用いて第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bを形成してもよい。特に図5(b)及び図5(c)に示す混合ターゲット200A、200Bを用いると、混合ターゲット200A、200Bのレーザー照射位置(混合ターゲットの中心からの径方向の距離)を変化させることにより、幅広い範囲で所望の重量比率となるような第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bを容易に形成することができる。なお、部分210と部分220との面積比率は、形成する第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bの厚さに応じて適宜調整すべきであることはいうまでもない。
【0042】
<実施例1>
YBa2Cu3OX(6.5<X<7.1)とBaZrO3とを重量比が98.5:1.5となるように混合してターゲット1を作製すると共に、YBa2Cu3OX(6.5<X<7.1)のみからなるターゲット2を作製し、それらのターゲットをスパッタ装置に取り付けた。そして、スパッタ装置内を10−5Torrの真空度にした後で酸素を導入し、200mTorrの酸素雰囲気下で基板100を820℃に加熱しつつ、上述したターゲットを用いて超電導体膜を作製した。
【0043】
図6に、透過型電子顕微鏡(TEM)により得られた超電導体膜の拡大断面写真を示す。なお、超電導体薄膜の薄片化には、FIB(Focused-Ion Beam)装置を用いた。得られた超電導体膜には、超電導体層中に、膜厚方向(c軸方向)に並んで間欠的に繋がった柱状結晶が形成されていることが分かる。この超電導体膜の膜厚は300nmであり、柱状結晶の長さLは50nmで、各柱状結晶間の距離Dが10nmであった。
【0044】
<実施例2>
柱状結晶を構成する各柱状結晶の長さLと各柱状結晶間の距離Dとが共に10nmであること以外は実施例1と同様にして超電導体膜を作製した。
【0045】
図7に、透過型電子顕微鏡(TEM)により得られた超電導体膜の拡大断面写真を示す。得られた超電導体膜には、超電導体層中に、膜厚方向(c軸方向)に並んで間欠的に繋がった柱状結晶が形成されていることが分かる。この超電導体膜の膜厚は300nmであり、柱状結晶の長さLは10nmで、各柱状結晶間の距離Dは10nmであった。
【0046】
<比較例1>
ターゲット1のみを用いたこと以外は実施例1と同様にして超電導体膜を作製した。図8に、透過型電子顕微鏡(TEM)により得られた超電導体膜の拡大断面写真を示す。得られた超電導体膜には、超電導体層中に、膜厚方向に延びた柱状結晶が形成されている。
【0047】
<試験例1>
実施例1及び2で得られた超電導体膜と比較例1で得られた超電導体膜に対して、磁場(磁束密度:3T)の印加方向に対する臨界電流密度Jcを測定した。実施例1、2及び比較例1で得られた超電導体膜の測定結果を図9に示す。なお、図9では、膜厚方向に平行な磁場の印加方向を90°とした。
【0048】
図9に示すように、磁場の印加方向が90°近傍以外の領域において、実施例1及び2で得られた超電導体膜は、比較例1で得られた超電導体膜と比較して磁場角度依存性が低いことが分かった。なお、この特性の強弱は印加される磁場の強さによって変化するので、印加される磁場の強さによってはこの特性がより顕著に現れる場合もある。
【0049】
また、実施例1及び2で得られた超電導体膜は、比較例1で得られた超電導体膜と同程度の臨界電流密度Jcを有することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】実施形態1に係る超電導体膜を示す概略断面図である。
【図2】実施形態1に係る超電導体膜の製造工程を示す図である。
【図3】実施形態1に係る超電導体膜の製造工程を示す図である。
【図4】他の実施形態に係る超電導体膜の概略断面図である。
【図5】他の実施形態に係る混合ターゲットの概略図である。
【図6】実施例1で得られた超電導体膜の拡大断面写真である。
【図7】実施例2で得られた超電導体膜の拡大断面写真である。
【図8】比較例1で得られた超電導体膜の拡大断面写真である。
【図9】実施例1、2及び比較例1で得られた超電導体膜の磁場の印加方向に対する臨界電流密度Jcを示すグラフである。
【符号の説明】
【0051】
1、1A 超電導体膜
10、10a、10b 超電導体層
20 柱状結晶
100 基板
200、200A、200B 混合ターゲット
210 第1のターゲットと同じ組成の物質からなる部分
220 第2のターゲットと同じ組成の物質からなる部分
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導線材又は超電導デバイスの分野において使用できる超電導体膜及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
Y−Ba−Cu−O系に代表される酸化物超電導体は液体窒素よりも高い臨界温度Tcを示すことから、超電導線材や超電導デバイスの分野への応用が期待されている。しかしながら、このような酸化物超電導体をこれらの分野に応用するためには、酸化物超電導体の臨界電流密度Jcを向上させると共に、酸化物超電導体中の量子化磁束の動きを止めるピンニング点を導入して磁場中における臨界電流密度Jcの低下を防ぐ必要がある。
【0003】
特に、Y−Ba−Cu−O系酸化物超電導体では、超電導特性の異方性(強い結晶異方性)により、a軸に平行な磁場が印加された場合に臨界電流密度Jcは最大となり、a軸と印加された磁場とがなす角が大きくなるにつれて臨界電流密度Jcは単調に減少し、c軸に平行な磁場が印加された場合に臨界電流密度Jcは最小となる。そこで、c軸に平行な磁場が印加された際の臨界電流密度Jcを向上させるために、超電導体へのピンニング点の導入に関する様々な研究がなされてきた。
【0004】
それらの1つに、Y−Ba−Cu−O系酸化物超電導体膜中に、常電導物質であるBaZrO3で構成され、膜厚方向に延びたナノロッドを複数形成し、そのナノロッドをピンニング点とした超電導体膜がある(非特許文献1及び2参照)。この超電導体膜は、内部に形成されたBaZrO3のナノロッドが強力なピンニングセンターとして作用することにより高い臨界電流密度Jcを有することが知られている。
【0005】
【非特許文献1】M.MUKAIDA,T.HORIDE,R.KITA,S.HORII,A.ICHINOSE,Y.YOSHIDA,O.MIURA,K.MATSUMOTO,K.YAMADA,N.MORI:Jpn.J.Appl.Phys.44(2005)L952.
【非特許文献2】J.L.Macmanus-Driscoll,S.R.Foltyn,W.X.Jia,A.Serquis,B.Maiorov,L.Civale,M.E.Hawley,M.P.Maley,D.E.Peterson:Nature Materials 3(2004)439.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上述した超電導体膜は高い臨界電流密度Jcを有する一方で、その臨界電流密度Jcが磁場の印加方向に対して強い依存性(磁場角度依存性)を有するために、超電導線材や超電導デバイスに適用することができないという問題があった。具体的には、超電導線材及び超電導デバイスの特性は、使用する環境の下で最も低い臨界電流密度Jcによって決定されるために、例え所定の磁場角度において高い臨界電流密度Jcを有する超電導体膜であっても、その角度以外の磁場角度において低い臨界電流密度Jcを有する場合には超電導線材や超電導デバイスに適用することができなかった。
【0007】
本発明は、上述した事情に鑑み、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質からなる超電導体層中に、Baを含む常電導物質からなり、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶が形成されていることを特徴とする超電導体膜にある。
【0009】
かかる第1の態様では、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を提供することができる。
【0010】
本発明の第2の態様は、前記超電導物質と前記柱状結晶を構成する物質との重量比が99.5:0.5〜70.0:30.0の範囲にあることを特徴とする第1の態様に記載の超電導体膜にある。
【0011】
かかる第2の態様では、磁場角度依存性がさらに小さい超電導体膜を提供することができる。
【0012】
本発明の第3の態様は、前記柱状結晶の軸方向の長さが5〜200nmの範囲にあることを特徴とする第1又は2の態様に記載の超電導体膜にある。
【0013】
かかる第3の態様では、臨界電流密度Jcがより高く、かつ磁場角度依存性がより小さい超電導体膜を提供することができる。
【0014】
本発明の第4の態様は、前記柱状結晶間の膜厚方向の距離が5〜200nmの範囲にあることを特徴とする第1〜3の何れか一つの態様に記載の超電導体膜にある。
【0015】
本発明の第5の態様は、前記柱状結晶がBaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3、BaHfO3、又はBaTiO3の何れか1つからなることを特徴とする第1〜4の何れか一つの態様に記載の超電導体膜にある。
【0016】
かかる第5の態様では、臨界電流密度Jcがより高く、かつ磁場角度依存性がより小さい超電導体膜を提供することができる。
【0017】
本発明の第6の態様は、前記超電導体層がYBa2Cu3OX(式中、6.5<X<7.1である)で構成され、前記柱状結晶がBaZrO3で構成されることを特徴とする第1〜5の何れか一つの態様に記載の超電導体膜にある。
【0018】
かかる第6の態様では、臨界電流密度Jcがさらに高く、かつ磁場角度依存性がさらに小さい超電導体膜を提供することができる。
【0019】
本発明の第7の態様は、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される物質と、Baを含む常電導物質とで構成される第1のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第1の超電導体層を形成する工程と、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される前記物質で構成される第2のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第2の超電導体層を形成する工程とを有し、それらの工程を交互に繰り返して前記第1の超電導体層と前記第2の超電導体層とを交互に積層することを特徴とする超電導体膜の製造方法にある。
【0020】
かかる第7の態様では、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を作製することができる。
【0021】
本発明の第8の態様は、前記第1のターゲット及び前記第2のターゲットは、1つのターゲットを第1のターゲットを構成する物質からなる領域と第2のターゲットを構成する物質からなる領域とに分割することにより形成されることを特徴とする第7の態様に記載の超電導体膜の製造方法にある。
【0022】
かかる第8の態様では、容易に超電導体膜を作製することができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明に係る超電導体膜及びその製造方法によれば、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【0025】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る超電導体膜を示す概略断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る超電導体膜1は基板100上に形成されており、超電導物質からなる超電導体層10中に、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶20が複数形成されている。すなわち、超電導体膜1は、超電導物質からなる超電導体層10中に、基板100の表面から超電導体層10の表面まで延びた長柱状結晶を複数回切断したような複数の柱状結晶20が形成されている。
【0026】
なお、基板100としては、例えばSrTiO3やLaAlO3などのペロブスカイト型結晶、MgOやNiOなどの岩塩型結晶、MgAl2O4などのスピネル型結晶、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)やCeO2などの蛍石型結晶、希土類c型結晶、バイクロア型結晶及び金属基板(Ni,Ni−Cr,Ni−WなどからなるNi基合金基板や、Cu,Cu−NiなどからなるCu基合成基板、Fe−Si,ステンレスなどからなるFe基合成基板)などを用いることができる。
【0027】
超電導体層10を構成する超電導物質としては、一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質であれば特に限定されないが、YBa2Cu3OX、ErBa2Cu3OX、GdBa2Cu3OXが好ましい。
【0028】
次に、柱状結晶20を構成する物質としては、Baを含む常電導物質であれば特に限定されないが、BaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3、BaHfO3、BaTiO3が好ましく、BaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3がさらに好ましく、BaZrO3が特に好ましい。
【0029】
そして、超電導物質と柱状結晶20を構成する物質との重量比は特に限定されないが、99.5:0.5〜70.0:30.0の範囲にあるものが好ましい。超電導物質と柱状結晶20を構成する物質との重量比を調整することにより、所望の臨界電流密度Jc及び磁場角度依存性を有する超電導体膜を作製することができる。なお、超電導物質に対する柱状結晶20を構成する物質の重量比が0.5/99.5よりも小さい場合には、超電導体膜1の臨界電流密度Jcが低下する。また、超電導物質に対する柱状結晶20を構成する物質の重量比が30.0/70.0よりも大きい場合には、超電導体膜1の超電導性が低下することになる。
【0030】
また、柱状結晶20の軸方向の長さLは特に限定されないが、5〜200nmの範囲が好ましい。柱状結晶20の長さLを調整することにより、所望の磁場角度依存性を有する超電導体膜1を作製することができる。なお、柱状結晶20の長さLが5nmよりも小さくなると、超電導体膜1の臨界電流密度Jcが低下する。また、柱状結晶20の長さLが200nmよりも大きくなると、超電導体膜1の磁場角度依存性が大きくなる。
【0031】
さらに、各柱状結晶20間の距離Dは特に限定されないが、5〜200nmの範囲が好ましい。各柱状結晶20間の距離Dを調整することにより、所望の磁場角度依存性を有する超電導体膜1を作製することができる。なお、各柱状結晶20間の距離Dが5nmよりも小さくなると、超電導体膜1の磁場角度依存性が大きくなる。また、各柱状結晶20間の距離Dが200nmよりも大きくなると、同様に超電導体膜1の臨界電流密度Jcが低下する。
【0032】
以上説明したように超電導体膜1を構成することにより、臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜1を提供することができる。
【0033】
次に、上述した超電導体膜1を製造する方法を説明する。上述した超電導体膜1の製造方法としては、図2に示したように、基板100上に、上述した超電導物質と柱状結晶20を構成する物質とで構成される第1のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第1の超電導体層を形成する工程と、上述した超電導物質のみで構成された第2のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第2の超電体層を形成する工程とを有し、それらの工程を交互に繰り返して前記第1の超電導体層と前記第2の超電導体層とを交互に積層することができる方法であれば特に限定されない。この方法に用いられる物理的蒸着法としては、例えばパルスレーザー蒸着法(PLD)、スパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
【0034】
具体的には、例えば超電導物質と柱状結晶を構成する物質とを所定の割合で混合させて焼結した第1のターゲットと、超電導物質のみからなる第2のターゲットとを用意し、それらのターゲットをパルスレーザー蒸着装置の中に取り付ける。
【0035】
そして、パルスレーザー蒸着装置の中に取り付けられた基板100を減圧された酸素雰囲気下で加熱しつつ、後述するようにして、基板100上に上述した第1の超電導体層10aと超電導体層10bとを交互に積層する。
【0036】
まず、ターゲットとして第1のターゲットを用いることにより、図3(a)に示すように、基板100上に、膜方向に延びた柱状結晶が複数形成された第1の超電導体層10aを作製する。次に、ターゲットとして第2のターゲットを用いることにより、図3(b)に示すように、第1の超電導体層10a上に第2の超電導体層10bを作製する。さらに、ターゲットとして第1のターゲットを用いることにより、図3(c)に示すように、第2の超電導体層10b上に第1の超電導体層10aをさらに作製する。そして、これらの工程を交互に複数回繰り返すことによって、図1に示したような超電導体膜1を形成することができる。
【0037】
すなわち、超電導物質からなる超電導体層中に膜厚方向に延びた柱状結晶20が形成された第1の超電導体層10aと、超電導物質のみからなる第2の超電導体層10bとを基板100上に交互に積層することによって、図1に示すように、超電導体層10中に膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶20が形成された超電導体膜1を形成することができる。なお、柱状結晶20の内部応力によるものかどうか理由は不明であるが、基板100上の第1の超電導体層10aに形成された柱状結晶20と、その上方の第1の超電導体層10aに形成された柱状結晶20とは膜厚方向に並ぶように形成される。
【0038】
ここで、上述したようにして超電導体膜1が形成されるので、本実施形態に係る超電導体膜の製造方法によれば、第1の超電導体層10aの厚さを調整することによって柱状結晶20の長さLを調整することができると共に、第2の超電導体層10bの厚さを調整することによって各柱状結晶20間の距離Dを容易に調整することができ、結果として臨界電流密度Jcが高く、かつ磁場角度依存性が小さい超電導体膜を作製することができる。
【0039】
(他の実施形態)
実施形態1では、各柱状結晶20の長さLはすべて同じであったが、基板100の表面からの膜厚方向の距離に応じて異なっていてもよい。すなわち、図4に示すように、超電導体層10中に異なる長さLの柱状結晶20が形成されていてもよい。なお、このような超電導体膜1Aは、上述した各第1の超電導体層10aの厚さを変えることにより容易に作製することができる。
【0040】
また、実施形態1では、各柱状結晶20間の距離Dについても同様に、すべて同じであったが、基板100の表面からの膜厚方向の距離に応じて異なっていてもよい。すなわち、超電導体層10中の各柱状結晶20間の距離Dが異なっていてもよい。なお、このような超電導体膜は、上述した各第2の超電導体層10bの厚さを変えることにより容易に作製することができる。
【0041】
さらに、実施形態1では、2つのターゲット(第1のターゲット及び第2のターゲット)、いわゆるマルチターゲットを用いて第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bを形成したが、図5(a)〜図5(c)に示すように、第1のターゲットと同じ組成の物質からなる部分210と、第2のターゲットと同じ組成の物質からなる部分220とからなる混合ターゲット200、200A、200Bを用いて第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bを形成してもよい。特に図5(b)及び図5(c)に示す混合ターゲット200A、200Bを用いると、混合ターゲット200A、200Bのレーザー照射位置(混合ターゲットの中心からの径方向の距離)を変化させることにより、幅広い範囲で所望の重量比率となるような第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bを容易に形成することができる。なお、部分210と部分220との面積比率は、形成する第1の超電導体層10a及び第2の超電導体層10bの厚さに応じて適宜調整すべきであることはいうまでもない。
【0042】
<実施例1>
YBa2Cu3OX(6.5<X<7.1)とBaZrO3とを重量比が98.5:1.5となるように混合してターゲット1を作製すると共に、YBa2Cu3OX(6.5<X<7.1)のみからなるターゲット2を作製し、それらのターゲットをスパッタ装置に取り付けた。そして、スパッタ装置内を10−5Torrの真空度にした後で酸素を導入し、200mTorrの酸素雰囲気下で基板100を820℃に加熱しつつ、上述したターゲットを用いて超電導体膜を作製した。
【0043】
図6に、透過型電子顕微鏡(TEM)により得られた超電導体膜の拡大断面写真を示す。なお、超電導体薄膜の薄片化には、FIB(Focused-Ion Beam)装置を用いた。得られた超電導体膜には、超電導体層中に、膜厚方向(c軸方向)に並んで間欠的に繋がった柱状結晶が形成されていることが分かる。この超電導体膜の膜厚は300nmであり、柱状結晶の長さLは50nmで、各柱状結晶間の距離Dが10nmであった。
【0044】
<実施例2>
柱状結晶を構成する各柱状結晶の長さLと各柱状結晶間の距離Dとが共に10nmであること以外は実施例1と同様にして超電導体膜を作製した。
【0045】
図7に、透過型電子顕微鏡(TEM)により得られた超電導体膜の拡大断面写真を示す。得られた超電導体膜には、超電導体層中に、膜厚方向(c軸方向)に並んで間欠的に繋がった柱状結晶が形成されていることが分かる。この超電導体膜の膜厚は300nmであり、柱状結晶の長さLは10nmで、各柱状結晶間の距離Dは10nmであった。
【0046】
<比較例1>
ターゲット1のみを用いたこと以外は実施例1と同様にして超電導体膜を作製した。図8に、透過型電子顕微鏡(TEM)により得られた超電導体膜の拡大断面写真を示す。得られた超電導体膜には、超電導体層中に、膜厚方向に延びた柱状結晶が形成されている。
【0047】
<試験例1>
実施例1及び2で得られた超電導体膜と比較例1で得られた超電導体膜に対して、磁場(磁束密度:3T)の印加方向に対する臨界電流密度Jcを測定した。実施例1、2及び比較例1で得られた超電導体膜の測定結果を図9に示す。なお、図9では、膜厚方向に平行な磁場の印加方向を90°とした。
【0048】
図9に示すように、磁場の印加方向が90°近傍以外の領域において、実施例1及び2で得られた超電導体膜は、比較例1で得られた超電導体膜と比較して磁場角度依存性が低いことが分かった。なお、この特性の強弱は印加される磁場の強さによって変化するので、印加される磁場の強さによってはこの特性がより顕著に現れる場合もある。
【0049】
また、実施例1及び2で得られた超電導体膜は、比較例1で得られた超電導体膜と同程度の臨界電流密度Jcを有することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】実施形態1に係る超電導体膜を示す概略断面図である。
【図2】実施形態1に係る超電導体膜の製造工程を示す図である。
【図3】実施形態1に係る超電導体膜の製造工程を示す図である。
【図4】他の実施形態に係る超電導体膜の概略断面図である。
【図5】他の実施形態に係る混合ターゲットの概略図である。
【図6】実施例1で得られた超電導体膜の拡大断面写真である。
【図7】実施例2で得られた超電導体膜の拡大断面写真である。
【図8】比較例1で得られた超電導体膜の拡大断面写真である。
【図9】実施例1、2及び比較例1で得られた超電導体膜の磁場の印加方向に対する臨界電流密度Jcを示すグラフである。
【符号の説明】
【0051】
1、1A 超電導体膜
10、10a、10b 超電導体層
20 柱状結晶
100 基板
200、200A、200B 混合ターゲット
210 第1のターゲットと同じ組成の物質からなる部分
220 第2のターゲットと同じ組成の物質からなる部分
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質からなる超電導体層中に、Baを含む常電導物質からなり、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶が形成されていることを特徴とする超電導体膜。
【請求項2】
前記超電導物質と前記柱状結晶を構成する物質との重量比が99.5:0.5〜70.0:30.0の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の超電導体膜。
【請求項3】
前記柱状結晶の軸方向の長さが5〜200nmの範囲にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導体膜。
【請求項4】
前記柱状結晶間の膜厚方向の距離が5〜200nmの範囲にあることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の超電導体膜。
【請求項5】
前記柱状結晶がBaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3、BaHfO3、又はBaTiO3の何れか1つからなることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の超電導体膜。
【請求項6】
前記超電導体層がYBa2Cu3OX(式中、6.5<X<7.1である)で構成され、前記柱状結晶がBaZrO3で構成されることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の超電導体膜。
【請求項7】
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される物質と、Baを含む常電導物質とで構成される第1のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第1の超電導体層を形成する工程と、
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される前記物質で構成される第2のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第2の超電導体層を形成する工程とを有し、それらの工程を交互に繰り返して前記第1の超電導体層と前記第2の超電導体層とを交互に積層することを特徴とする超電導体膜の製造方法。
【請求項8】
前記第1のターゲット及び前記第2のターゲットは、1つのターゲットを第1のターゲットを構成する物質からなる領域と第2のターゲットを構成する物質からなる領域とに分割することにより形成されることを特徴とする請求項7に記載の超電導体膜の製造方法。
【請求項1】
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される超電導物質からなる超電導体層中に、Baを含む常電導物質からなり、膜厚方向に間欠的に並んだ柱状結晶が形成されていることを特徴とする超電導体膜。
【請求項2】
前記超電導物質と前記柱状結晶を構成する物質との重量比が99.5:0.5〜70.0:30.0の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の超電導体膜。
【請求項3】
前記柱状結晶の軸方向の長さが5〜200nmの範囲にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導体膜。
【請求項4】
前記柱状結晶間の膜厚方向の距離が5〜200nmの範囲にあることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の超電導体膜。
【請求項5】
前記柱状結晶がBaZrO3、BaWO4、BaNb2O6、BaSnO3、BaHfO3、又はBaTiO3の何れか1つからなることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の超電導体膜。
【請求項6】
前記超電導体層がYBa2Cu3OX(式中、6.5<X<7.1である)で構成され、前記柱状結晶がBaZrO3で構成されることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の超電導体膜。
【請求項7】
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される物質と、Baを含む常電導物質とで構成される第1のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第1の超電導体層を形成する工程と、
一般式REBa2Cu3OX(式中、REはPr及びCeを除く希土類元素のうち、少なくとも1種の元素であり、6.5<X<7.1である)で表される前記物質で構成される第2のターゲットを使用した物理的蒸着法を用いて第2の超電導体層を形成する工程とを有し、それらの工程を交互に繰り返して前記第1の超電導体層と前記第2の超電導体層とを交互に積層することを特徴とする超電導体膜の製造方法。
【請求項8】
前記第1のターゲット及び前記第2のターゲットは、1つのターゲットを第1のターゲットを構成する物質からなる領域と第2のターゲットを構成する物質からなる領域とに分割することにより形成されることを特徴とする請求項7に記載の超電導体膜の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【公開番号】特開2008−130291(P2008−130291A)
【公開日】平成20年6月5日(2008.6.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−312038(P2006−312038)
【出願日】平成18年11月17日(2006.11.17)
【出願人】(000173809)財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】(504132272)国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】(504145342)国立大学法人九州大学 (960)
【出願人】(504139662)国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】(504137912)国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】(304023318)国立大学法人静岡大学 (416)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年6月5日(2008.6.5)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年11月17日(2006.11.17)
【出願人】(000173809)財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】(504132272)国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】(504145342)国立大学法人九州大学 (960)
【出願人】(504139662)国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】(504137912)国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】(304023318)国立大学法人静岡大学 (416)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]