DE102014102497A1

DE102014102497A1 - Supraleitendes Material auf Eisenbasis, supraleitende Schicht auf Eisenbasis, supraleitendes Banddrahtmaterial auf Eisenbasis und supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis

Info

Publication number: DE102014102497A1
Application number: DE102014102497.4A
Authority: DE
Inventors: Masahi Miura; Seiji Adachi; Keiichi Tanabe; Hideo Hosono
Original assignee: International Superconductivity Technology Center
Current assignee: International Superconductivity Technology Center
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-11-27
Also published as: JP2014227329A; US20140349854A1; JP5757587B2

Abstract

Bereitgestellt wird ein supraleitendes Material auf Eisenbasis, das einen Supraleiter auf Eisenbasis mit einer Kristallstruktur von ThCr2Si2, und Nanoteilchen, die dargestellt sind durch BaXO3 (wobei X eine, zwei oder mehr Arten von Elementen darstellt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti) und eine Teilchengröße von 30 nm oder weniger aufweisen, einschließt. Die Nanoteilchen sind in einer Volumendichte von 1 × 1021 m–3 oder mehr verteilt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Material auf Eisenbasis, eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis, ein supraleitendes Banddrahtmaterial auf Eisenbasis und ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis.
Die Priorität der japanischen Patentanmeldung 2013-110254 , eingereicht am 24. Mai 2013, wird beansprucht, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Beschreibung des Stands der Technik
In letzter Zeit ist die Entwicklung von Kupferoxid-Supraleitern, wie Kupferoxidsupraleitern auf Bi-Basis und Kupferoxidsupraleitern auf V-Basis, aktiv durchgeführt worden. Zusätzlich ist ein Ansatz unternommen worden, für eine praktische Verwendung des Kupferoxid-Supraleiters, den Kupferoxid-Supraleiter als einen Leiter oder eine supraleitende Spule für eine Energieversorgung und dergleichen, nach Verarbeitung des Kupferoxid-Supraleiters in ein Drahtmaterial, zu verwenden.
Das supraleitende Kupferoxid-Drahtmaterial auf Bi-Basis weist eine Hülsendrahtmaterialstruktur auf, die erhalten wird durch Bedecken einer supraleitenden Schicht auf Bi-Basis mit einem Ag-Hülsenmaterial gemäß einem Pulver-in-Röhren-Verfahren (Powder In Tube(PIT)-Verfahren) und dergleichen. Im Gegensatz dazu verwendet das supraleitende Kupferoxid-Drahtmaterial auf V-Basis eine Banddrahtmaterialstruktur, in der eine supraleitende Kupferoxid-Schicht auf V-Basis auf einem bandförmigen, metallischen Basismaterial durch eine Zwischenschicht laminiert wird, gemäß einem Filmbildungsverfahren, wie einem Abscheidungsverfahren mit gepulstem Laser (PLD-Verfahren).
Auf der anderen Seite wurde, als eine neue Hochtemperatursupraleitergruppe nach dem Kupferoxid-Supraleiter, ein Supraleiter auf Eisenbasis im Jahre 2008 entwickelt. Wie in 1A bis 1C gezeigt ist, sind, als der Supraleiter auf Eisenbasis, verschiedene Supraleiter mit einer unterschiedlichen Struktur entwickelt worden, wie einer 1111-artigen Verbindung (NdFeAs(O, F) als ein Beispiel, sich beziehend auf 1A) mit einer ZrCuSiAs-Kristallstruktur, die die kritische Temperatur (Tc) von höchstens etwa 56 K zeigt, einer 122-artigen Verbindung ((Ba, K)Fe₂As₂ als ein Beispiel, sich beziehend auf 1B) mit einer ThCr₂Si₂-Kristallstruktur, die eine T_c von höchstens etwa 38 K zeigt, und einer 11-artigen Verbindung (Fe(Se, Te) als ein Beispiel, sich beziehend auf 1C) mit einer α-PbO-Kristallstruktur, die eine T_c von höchstens etwa 15 K zeigt. Zusätzlich stellt in 1A bis 1C Ln ein Lanthanoidelement dar, Pn stellt ein Pnictogenelement dar, wie P und As, Ae stellt ein Erdalkalielement dar, und Ch stellt ein Chalkogenelement dar.
Unter diesen Materialien zeigt die 1111-artige Verbindung oder die 122-artige Verbindung, die eine hohe T_c zeigt, ein hohes oberes kritisches Magnetfeld (H_c2), das mit demjenigen des Kupferoxid-Supraleiters vergleichbar ist. Demzufolge ist zur Anwendung der oben beschriebenen Verbindung als ein Drahtmaterial ein Ansatz unternommen worden, ein Hülsendrahtmaterial gemäß dem PIT-Verfahren herzustellen, und ein Banddrahtmaterial herzustellen, bei dem eine Dünnschicht einer supraleitenden Schicht gemäß einem Filmbildungsverfahren, wie dem PLD-Verfahren, laminiert wird.
Insbesondere eine 122-artige Verbindung weist Eigenschaften auf, die für eine Anwendung in Magnetfeldern geeignet sind, wie eine kleine Anisotropie in dem oberen Magnetfeld (H_c2), und welche in der Lage ist, eine epitaxiale Dünnschicht mit hoher Qualität verhältnismäßig leicht gemäß dem PLD-Verfahren zu bilden. Demzufolge ist ein Verfahren zum Herstellen einer Dünnschicht auf einem Metallsubstrat mit einer biaxial orientierten Zwischenschicht einschließend die gleiche IBAD-MgO-Schicht wie das Kupferoxiddrahtmaterial auf Y-Basis versucht worden. Beispielsweise ist in einem Co-substituierten BaFe₂As₂(Ba122)-Dünnfilm als eine kritische Stromdichte (J_c) in einem selbstmagnetischen Feld bei 4,2 K ein Wert von gleich oder höher als 1 MA/cm² berichtet worden (Katase et al., Applied Physics Letters, Band 98, 242510 (2011)).
In den oben beschriebenen Filmen, wie in 11A gezeigt, ist ein schichtförmiger Defekt 22, wie eine Kristallkornabgrenzung und eine Dislokation in einer Filmdickenrichtung (einer c-Achsensrichtung) einer supraleitenden Schicht 21, oder ein linienförmiger Defekt 23 vorhanden. Daher wird aufgezeigt, dass ein Pinning-Effekt, der in Bezug auf eine Beaufschlagung eines magnetischen Feldes in der c-Achsenrichtung schwach ist, vorhanden ist. Jedoch nimmt die J_c verhältnismäßig schnell aufgrund einer Beaufschlagung des magnetischen Feldes ab, und die J_c neigt dazu, gleich oder kleiner zu sein als 0,1 MA/cm² bei Beaufschlagung eines magnetischen Feldes von 7 T.
Daher wird von einigen supraleitenden Materialien auf Eisenbasis mit einem Pinning-Zentrum für magnetischen Fluss, das J_c in einem magnetischen Feld verbessert, berichtet. „Lee et al., Nature Materials, Band 9, 397 (2010)" und „Zhang et al., Applied Physics Letters, Band 98, 042509 (2011)" berichten von einem supraleitenden Material auf Eisenbasis, bei dem ein Pinning-Zentrum 25 des magnetischen Flusses in einer Stabform in der Filmdickenrichtung (c-Achsenrichtung) einer supraleitenden Schicht 24, gebildet aus einer 122-artigen Verbindung, wie in 11B gezeigt, gebildet ist. Spezifischer wird in einem Co-substituierten Ba122(Ba(Fe, Co)₂As₂-Dünnfilm, der hergestellt wird durch Wachsen auf einer SrTiO₃-Zwischenschicht gemäß dem PLD-Verfahren, eine Sauerstoffverunreinigung BaFeOx, die das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses wird, natürlicherweise gebildet gemäß dem obigen Bericht kann eine hohe J_c, gleich oder höher als 1 MA/cm², in einem magnetischen Feld von 7 T, das parallel mit der c-Achse beaufschlagt wird, erhalten werden.
Jedoch liegen die folgenden Probleme in dem zuvor erwähnten Film vor. Das heißt, in einem Falle der Beaufschlagung eines magnetischen Feldes in einer a-Achserrichtung und einer b-Achsenrichtung ist J_c so klein wie 1/5-mal oder weniger als J_c in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Feldes in der c-Achsenrichtung, und der Minimalwert von Je, wenn ein Winkel des magnetischen Feldes geändert wird, nimmt in großem Maße ab, wodurch ein Problem zur Beaufschlagung an einen supraleitenden Magneten verursacht wird.
In Bezug auf das supraleitende Kupferoxid-Drahtmaterial auf V-Basis wird auf der anderen Seite berichtet, dass der Minimalwert von J_c, wenn ein Winkel des magnetischen Feldes geändert wird, durch Verteilen von Nanoteilchen oder Nanostäben von Oxidverunreinigungen, wie BaZrO₃ und Y₂O₃, gemäß einem MOD-Verfahren oder dem PLD-Verfahren verbessert werden kann (Maiorov et al., Nature Materials, Band 8, 398 (2009) und dergleichen). In Bezug auf das supraleitende Material auf Eisenbasis des 122-Typs, das keinen Sauerstoff enthält, wird jedoch ein Dünnfilm typischerweise in einem Ultrahochvakuum oder Hochvakuum hergestellt. Daher tritt in einer Sauerstoffatomosphäre ein Problem, wie eine Verschlechterung der Kristallinität eines Dünnfilms, auf, und somit wird nicht berichtet, dass die Oxidnanoteilchen künstlich verteilt werden.
Ein herkömmliches supraleitendes Material auf Eisenbasis des 122-Typs weist ein Problem dahingehend auf, dass J_c schnell in Bezug auf die Beaufschlagung eines magnetischen Feldes abnimmt. Sogar wenn ein stabförmiges Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses in einem Film durch Verwendung einer Oxidpufferschicht (sich beziehend auf 11B) gebildet wird, wird J_c in Bezug auf die Beaufschlagung des magnetischen Feldes in der c-Achsenrichtung verbessert, jedoch gibt es ein Problem dahingehend, dass, wenn das magnetische Feld in Richtungen (der a-Achsenrichtung und der b-Achsenrichtung) senkrecht zu der c-Achse beaufschlagt wird, J_c in den meisten Fällen nicht verbessert wird und ungünstigerweise abnimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein supraleitendes Material auf Eisenbasis bereitzustellen, bei dem eine Abnahme der J_c in Bezug auf eine Beaufschlagung eines magnetischen Feldes in allen Richtungen klein ist und eine Abhängigkeit von J_c von einem Winkel eines magnetischen Feldes klein ist (d. h. eine Anisotropie ist klein), eine supraleitende Schicht unter Verwendung des supraleitenden Materials auf Eisenbasis bereitzustellen und ein Drahtmaterial, das die supraleitende Schicht einschließt, und welches in der Lage ist, bei einer niedrigen Temperatur und in einem hohen magnetischen Feld verwendet zu werden.
Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, wird gemäß einer ersten Erscheinung der Erfindung ein supraleitendes Material auf Eisenbasis bereitgestellt, das einen Supraleiter auf Eisenbasis mit einer Kristallstruktur von ThCr₂Si₂ und Nanoteilchen, die dargestellt sind durch BaXO₃ (wobei X eine, zwei oder mehr Arten von Elementen darstellt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti) und eine Teilchengröße von 30 nm oder weniger aufweisen, einschließt. Die Nanoteilchen sind in einer Volumendichte von 1 × 10²¹ m^–3 oder mehr verteilt.
Zusätzlich kann in dem supraleitenden Material auf Eisenbasis des ersten Aspekts der Erfindung der Supraleiter auf Eisenbasis mit der Kristallstruktur von ThCr₂Si₂ AFe_2+x(As_1-y, P)_2-z sein (wobei A eine oder zwei Arten von Elementen darstellt, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ba und Sr, und wobei –0,2 ≤ x ≤ 0,2, 0,2 ≤ y ≤ 0,45 und 0 ≤ z ≤ 0,2 ist).
Zusätzlich kann in dem supraleitenden Material auf Eisenbasis der ersten Erscheinung der Erfindung der Supraleiter auf Eisenbasis mit der Kristallstruktur von ThCr₂Si₂ (Al-α, K_α)Fe_2+βAs_2-y sein (wobei A wenigstens eines darstellt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ba und Sr, und wobei 0,25 ≤ α ≤ 0,65, –0,2 ≤ β ≤ 0,2 und 0 ≤ γ ≤ 0,2 ist).
Zusätzlich kann in dem supraleitenden Material auf Eisenbasis der ersten Erscheinung der Erfindung der Supraleiter auf Eisenbasis mit der Kristallstruktur ThCr₂Si₂ A(Fe_1-p, Co_p)_2+qAs_2-r sein (wobei A eine oder zwei Arten von Elementen darstellt, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ba und Sr, wobei 0,06 ≤ p ≤ 0,13, –0,2 ≤ q ≤ 0,2 und 0 ≤ r ≤ 0,2 ist).
Zusätzlich kann in dem supraleitenden Material auf Eisenbasis der ersten Erscheinung der Erfindung die Teilchengröße der Nanoteilchen 5 bis 15 nm sein.
Zusätzlich können in dem supraleitenden Material auf Eisenbasis der ersten Erscheinung der Erfindung die Nanoteilchen in einer Volumendichte von 1 × 10²² m^–3 bis 6 × 10²³ m^–3 verteilt sein.
Zusätzlich wird gemäß einer zweiten Erscheinung der Erfindung eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis bereitgestellt, die gebildet ist durch das supraleitende Material auf Eisenbasis nach der ersten Erscheinung.
Zusätzlich wird gemäß einer dritten Erscheinung der Erfindung ein supraleitendes Banddrahtmaterial auf Eisenbasis bereitgestellt, das eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis einschließt, die gebildet ist durch das supraleitende Material auf Eisenbasis gemäß der ersten Erscheinung.
Zusätzlich wird gemäß einer vierten Erscheinung der Erfindung ein supraleitendes Banddrahtmaterial auf Eisenbasis bereitgestellt, das das supraleitende Material auf Eisenbasis gemäß der ersten Erscheinung einschließt, das in einer Metallhülse eingefüllt ist.
In dem supraleitenden Material auf Eisenbasis gemäß der ersten Erscheinung der Erfindung sind Nanoteilchen, die dargestellt sind durch BaXO₃ (wobei X eine, zwei oder mehr Arten von Elementen darstellt, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti), und die eine Teilchengröße von 30 nm oder weniger aufweisen, in einem Supraleiter auf Eisenbasis mit einer Kristallstruktur von ThCr₂Si₂ enthalten, und somit ist es möglich, sogar wenn ein magnetisches Feld beaufschlagt wird, eine Abnahme in einer kritischen Stromdichte (J_c) zu unterdrücken. Ferner sind die Nanoteilchen mit der Teilchengröße von 30 nm oder kleiner in einer Volumendichte von 1 × 10²¹ m^–3 oder mehr verteilt, und somit ist es möglich, sogar wenn ein magnetisches Feld in Richtungen (einer a-Achsenrichtung und einer b-Achsenrichtung) senkrecht zu einer c-Achsenrichtung beaufschlagt wird, eine Abnahme in Je zu unterdrücken. Das heißt, es ist möglich, ein supraleitendes Material auf Eisenbasis bereitzustellen, bei dem eine Abhängigkeit von J_c von einem Winkel des magnetischen Feldes klein ist, eine supraleitende Schicht unter Verwendung des supraleitenden Materials auf Eisenbasis bereitzustellen und ein Drahtmaterial, das die supraleitende Schicht einschließt, und welches in der Lage ist, bei einer niedrigen Temperatur und in einem hohen magnetischen Feld verwendet zu werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Ansicht, die eine Kristallstruktur eines typischen Supraleiters auf Eisenbasis veranschaulicht.
1B ist eine Ansicht, die eine Kristallstruktur eines typischen Supraleiters auf Eisenbasis veranschaulicht.
1C ist eine Ansicht, die eine Kristallstruktur eines typischen Supraleiters auf Eisenbasis veranschaulicht.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines supraleitenden Banddrahtmaterials auf Eisenbasis gemäß der Erfindung veranschaulicht, und welche eine Struktur zeigt, bei der eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis, gebildet aus einem supraleitenden Material auf Eisenbasis, auf einem Bandbasismaterial gebildet ist.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines supraleitenden Materials auf Eisenbasis gemäß der Erfindung veranschaulicht, und welches eine Situation zeigt, in der Nanoteilchen in einem dünnen Film auf dem Supraleiter auf Eisenbasis verteilt sind.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines supraleitenden Drahtmaterials auf Eisenbasis gemäß der Erfindung veranschaulicht, und welche eine Struktur zeigt, bei der das supraleitende Material auf Eisenbasis in einer Metallhülse eingefüllt ist.
5A ist eine Ansicht, die ein Röntgendiagramm von Beispielen und Vergleichsbeispielen veranschaulicht.
5B ist eine Ansicht, die einen Verteilungszustand eines Zr-Elements in Beispielen veranschaulicht, welche erhalten wird durch Beobachtung unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM).
6 ist eine Ansicht, die ein Histogramm einer Teilchengröße der Nanoteilchen und die Anzahl der Nanoteilchen, die in einem Messbereich in den Beispielen beobachtet werden, veranschaulicht.
7 ist eine Ansicht, die eine Abhängigkeit des magnetischen Felds von einer kritischen Stromdichte in den Beispielen veranschaulicht.
8 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer magnetischen Flussdichte und einer maximalen Pinning-Kraft in den Beispielen veranschaulicht.
9 ist eine Ansicht, die eine Abhängigkeit des Winkels des magnetischen Feldes von der kritischen Stromdichte in den Beispielen veranschaulicht.
10A ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen magnetischer Flussdichte und einem Effekt zum Verbessern einer kritischen Stromdichte durch verteilte Nanoteilchen in den Beispielen veranschaulicht.
10B ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Volumendichte der Nanoteilchen und dem magnetischen Feld veranschaulicht, wo eine maximale Verbesserung der kritischen Stromdichte in den Beispielen erreicht wird.
11A ist eine schematische Ansicht, die ein herkömmliches supraleitendes Material auf Eisenbasis veranschaulicht, und welche eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis mit einem schichtförmigen oder linienförmigen Defekt zeigt.
11B ist eine schematische Ansicht, die ein herkömmliches supraleitendes Material auf Eisenbasis veranschaulicht, und welche eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis zeigt, bei der ein Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses in einer Stabform gebildet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im folgenden wird eine Ausführungsform eines supraleitenden Materials auf Eisenbasis gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Zusätzlich können in den Zeichnungen, die in der folgenden Beschreibung verwendet werden, aus Gründen der Zweckmäßigkeit, charakteristische Bereiche für ein leichtes Verständnis vergrößert sein und Dimensionsverhältnisse und dergleichen von Komponenten sind nicht beabsichtigt, um die gleichen zu sein wie die tatsächlichen Abmessungsverhältnisse und dergleichen. Zusätzlich ist die Erfindung nicht auf die folgende Ausführungsform beschränkt.
Supraleitendes Banddrahtmaterial auf Eisenbasis
2 zeigt ein supraleitendes Banddrahtmaterial 1 auf Eisenbasis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dem supraleitenden Banddrahtmaterial 1 auf Eisenbasis sind eine Zwischenschicht 8, eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis (supraleitendes Material auf Eisenbasis) 6 und eine Stabilisierungsschicht 7 auf einer Hauptfläche (Oberfläche) eines bandförmigen Basismaterials 2 laminiert. Zusätzlich ist die Zwischenschicht 8 ausgebildet durch eine Bettschicht 3, eine erste Ausrichtungsschicht 4 und eine zweite Ausrichtungsschicht 5.
Das Basismaterial 2 kann ein Element sein, das in der Lage ist, als ein typisches supraleitendes Drahtmaterial verwendet zu werden, und es ist bevorzugt, dass das Basismaterial 2 eine lange flexible Bandform aufweist. Zusätzlich ist, als ein Material, das für das Basismaterial 2 verwendet wird, ein Metall enthaltendes Material, das eine hohe mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweist, und welches leicht in ein Drahtmaterial zu verarbeiten ist, bevorzugt.
Als ein kommerziell erhältliches Produkt ist Hastelloy (Produktname, hergestellt von Haynes International Inc.) sehr geeignet, und jegliche Art von Hastelloy B, Hastelloy C, Hastelloy G, Hastelloy N, Hastelloy W und dergleichen, bei denen Komponentenmengen von Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Kobalt (Co) und dergleichen unterschiedlich sind, können verwendet werden. Zusätzlich kann ein ausgerichtetes Ni-Legierungsbandbasismaterial, bei dem eine Aggregatstruktur in eine Nickellegierung eingeführt ist, als das Basismaterial 2 verwendet werden.
Die Zwischenschicht 8 weist eine Funktion der Steuerung der Kristallausrichtung der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis und der Verbindung einer Diffusion von Metallelementen in das Basismaterial 2 zu einer supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis auf. Ferner fungiert die Zwischenschicht 8 als eine Pufferschicht, die einen Unterschied in physikalischen Eigenschaften (einen thermischen Expansionskoeffizienten, eine Gitterkonstante und dergleichen) zwischen dem Basismaterial 2 und der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis freigibt. Als ein Material der Zwischenschicht 8 ist ein Metalloxid, das physikalische Eigenschaften aufweist, die einen Zwischenwert zwischen dem Basismaterial 2 und der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis zeigen, bevorzugt.
Die Zwischenschicht 8 dieser Ausführungsform wird gebildet durch die Bettschicht 3, die erste Ausrichtungsschicht 4 und die zweite Ausrichtungsschicht 5, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Es ist möglich, eine Konfiguration einzusetzen, bei der eine Diffusionsverhinderungsschicht (gebildet aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminumoxid (Al₂O₃) und dergleichen, als ein Beispiel), die Bestandteilselemente des Basismaterials 2 verhindert, zwischen dem Basismaterial 2 und der Bettschicht 3 gebildet ist.
Die Bettschicht 3, die die Zwischenschicht 8 bildet, weist eine hohe Wärmebeständigkeit auf und weist eine Funktion der Reduzierung der Grenzflächenreaktivität auf, und somit wird die Bettschicht 3 verwendet, um eine Ausrichtung eines auf der Bettschicht 3 gebildeten Films zu erhalten. Die Bettschicht 3 ist gebildet durch Y₂O₃, Er₂O₃, CeO₂, Dy₂O₃, Er₂O₃, Eu₂O₃, Ho₂O₃, La₂O₃ und dergleichen. Die Bettschicht 3 ist gebildet gemäß einem Filmbildungsverfahren, wie einem Sputter-Verfahren. Zusätzlich kann die Bettschicht 3 weggelassen sein.
Die erste Ausrichtungsschicht 4 wird aus einem biaxial ausgerichteten Material gebildet, um eine Kristallausrichtung der zweiten Ausrichtungsschicht 5 zu steuern, die auf der ersten Ausrichtungsschicht 4 angeordnet ist. Spezifische Beispiele eines Materials der ersten Ausrichtungsschicht 4 schließen ein Metalloxid, wie MgO, ein.
Wenn die erste Ausrichtungsschicht 4 mit ausgezeichneter biaxialer Ausrichtung gemäß einem Eisenstrahl-unterstützten Abscheidungsverfahren (IBAD) gebildet ist, ist es möglich, eine Kristallausrichtung der zweiten Ausrichtungsschicht 5 in ausgezeichneter Weise vorzunehmen, und somit kann eine Kristallausrichtung der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis, die auf der zweiten Ausrichtungsschicht 5 gebildet ist, ausgezeichnet sein. Als ein Ergebnis können ausgezeichnete supraleitende Eigenschaften gezeigt werden.
Eine IBAD-MgO-Schicht, gebildet aus MgO gemäß dem IBAD-Verfahren, ist auf der ersten Ausrichtungsschicht 4 dieser Ausführungsform gebildet. Demzufolge wird in der folgenden Beschreibung die erste Ausrichtungsschicht 4 als die IBAD-MgO-Schicht angenommen, sofern es nicht anderweitig ausgeführt wird.
Die zweite Ausrichtungsschicht 5 ist gebildet durch ein Material, das einen Film auf einer Oberfläche der oben beschriebenen ersten Ausrichtungsschicht (IBAD-MgO-Schicht) 4 bildet, in der sich Kristallkörner in einer In-Plane-Richtung selbst ausrichten können. Ein MgO-Film, der durch Sputtern und dergleichen von MgO gebildet ist, ist als die zweite Ausrichtungsschicht 5 anwendbar. Wenn der MgO-Film durch Sputtern und dergleichen gebildet ist, kann der MgO-Film mit einer schnellen Filmbildungsrate gebildet werden, somit ist es möglich, eine ausgezeichnete Kristallausrichtung zu erhalten. Der zweite Ausrichtungsfilm 5 kann in einem Dickenbereich von 50 bis 500 nm gebildet werden.
Die gesputterte MgO-Schicht, die durch Sputtern gebildet ist und aus MgO gebildet ist, ist auf der zweiten Ausrichtungsschicht 5 dieser Ausführungsform aufgetragen. Demzufolge wird in der folgenden Beschreibung die zweite Ausrichtungsschicht 5 als die gesputterte MgO-Schicht angenommen, sofern es nicht anderweitig ausgeführt wird.
Unter Bezugnahme auf die supraleitende Schicht 6 auf Eisenbasis, die durch das supraleitende Material auf Eisenbasis dieser Ausführungsform gebildet ist, sind Nanoteilchen, die gebildet sind aus BaXO₃ (wobei X eine, zwei oder mehr Arten von Elementen darstellt, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti) und die eine Teilchengröße von 30 nm oder weniger aufweisen, in einem dünnen Film eines Supraleiters auf Eisenbasis (122-artige Verbindung) mit einer ThCr₂Si₂-Kristallstruktur, wie in 1B gezeigt, in einer Volumendichte von 1 × 10²¹ m^–3 oder höher verteilt.
3 zeigt schematisch eine interne Struktur der supraleitenden Schicht 5 auf Eisenbasis dieser Ausführungsform. Wie in 3 gezeigt ist, sind in Bezug auf die supraleitende Schicht auf Eisenbasis Nanoteilchen 10 in einem dünnen Film 9 eines Supraleiters auf Eisenbasis verteilt.
Die Nanoteilchen 10 sind aus BaXO₃ gebildet (wobei X eine, zwei oder mehr Arten von Elementen darstellt, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti), und die eine Teilchengröße von 30 nm oder weniger, und bevorzugter 5 bis 15 nm, aufweisen.
Zusätzlich sind die Nanoteilchen 10 in dem dünnen Film 9 des Supraleiters auf Eisenbasis in einer Volumendichte von 1 × 10²¹m^–3 oder mehr, und noch bevorzugter einer Volumendichte von 1 × 10²² m^–3 bis 6 × 10²³ m^–3, verteilt.
Sogar wenn die Teilchengröße von BaXO₃ 30 nm übersteigt, können die Nanoteilchen 10 mit einer Teilchengröße von 30 nm oder weniger zusätzlich effektiv als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses fungieren, solange die Nanoteilchen 10 mit einer Teilchengröße von 30 nm oder weniger in dem oben beschriebenen Volumendichtebereich verteilt sind.
Herkömmlicherweise ist eine einheitliche Verteilung eines Oxids in dem dünnen Film 9 des Supraleiters auf Eisenbasis, der keinen Sauerstoff enthält, als schwierig zu betrachten. Jedoch haben die vorliegenden Erfinder gefunden, dass ein Oxid mit Perovskit-Struktur (BaXO₃ (wobei X eine, zwei oder mehr Arten von Elementen darstellt, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti)), gebildet durch Ba und eine, zwei oder mehr Arten von Elementen ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti, die eine starke Bindungskraft mit Sauerstoff aufweisen, stabil als Nanoteilchen in einer Matrix eine 122-artigen Verbindung vorliegen kann, die ein Supraleiter auf Eisenbasis ist, der keinen Sauerstoff enthält. Das heißt, wenn BaXO₃ als die Nanoteilchen 10 in dem dünnen Film 9 des Supraleiters auf Eisenbasis dispergiert ist, kann BaXO₃ als Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses fungieren. Sogar wenn ein magnetisches Feld beaufschlagt wird, ist es demzufolge möglich, eine Abnahme der kritischen Stromdichte (J_c) des supraleitenden Materials auf Eisenbasis zu unterdrücken.
Zusätzlich wird in Oxiden in Bezug auf BaXO₃, insbesondere BaZrO₃ (BZO), BaHfO₃ (BHO) und BaTiO₃ (BTO) in dem dünnen Film 9 des Supraleiters auf Eisenbasis stabil, und somit ist ein Effekt als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses hoch. Demzufolge werden diese Oxide in geeigneter Weise eingesetzt.
Jedoch ist eine supraleitenden Kohärenzlänge ξ des 122-artigen Supraleiters auf Eisenbasis mit der Kristallstruktur von ThCr₂Si₂ in einer a-Achsenrichtung und einer b-Achsenrichtung etwa 2,5 nm bei einer niedrigen Temperatur (beispielsweise 5 K) und etwa 4 nm bei 15 bis 20 K.
Wenn die Teilchengröße d der Nanoteilchen 10, die in dem dünnen Film 9 des Supraleiters auf Eisenbasis verteilt sind, nicht wesentlich größer ist als die supraleitende Kohärenzlänge ξ können die Nanoteilchen 10 als ein effektives Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses fungieren.
Wenn spezifischerweise d/(2ξ), das heißt ein Verhältnis der Teilchengröße d der Nanoteilchen 10 zu dem zweifachen der supraleitenden Kohärenzlänge ξ, 1 bis 4 ist, fungieren die Nanoteilchen 10 als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses. Das heißt, es ist bevorzugt, dass die Teilchengröße d der Nanoteilchen 10 eine Beziehung von 2ξ ≤ d ≤ 8ξ erfüllt.
Wenn demzufolge unter Berücksichtigung, dass die supraleitende Kohärenzlänge ξ des 122-artigen Supraleiters auf Eisenbasis in der a-Achsenrichtung und der b-Achsenrichtung etwa 2,5 bis 4 nm bei 5 K bis 20 K ist, wenn die Teilchengröße d der Nanoteilchen 10 etwa 5 bis 30 nm ist, fungieren die Nanoteilchen 10 als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses.
Zusätzlich ist d/(2ξ), das heißt das Verhältnis der Teilchengröße d der Nanoteilchen 10 zum zweifachen der supraleitenden Kohärenzlänge ξ, bevorzugter 3 oder weniger bei einer niedrigen Temperatur (beispielsweise 5 K). Wenn d/(2ξ) 3 oder kleiner ist, kann eine starke magnetische Flusspinningkraft in einem weiten Temperaturbereich erhalten werden.
Das heißt, es ist bevorzugter, dass die Teilchengröße d der Nanoteilchen 10 eine Beziehung von 2ξ ≤ d ≤ 6ξ erfüllen. Da die supraleitende Kohärenzlänge ξ bei einer niedrigen Temperatur etwa 2,5 nm ist, ist die Teilchengröße d der Nanoteilchen 10 noch bevorzugter 15 nm oder kleiner.
Wenn die Nanoteilchen 10 einheitlich in dem dünnen Film 9 des Supraleiters auf Eisenbasis verteilt sind, ist es möglich, es den Nanoteilchen 10 zu erlauben, als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses gegen magnetische Felder, die in alle Richtungen beaufschlagt werden, zu fungieren.
Sogar wenn die Volumendichte der Nanoteilchen 10 so klein wie 1 × 10²¹ m^–3 in Bezug auf eine Verteilungsmenge ist, ist es möglich, eine Abnahme von J_c innerhalb eines magnetischen Feldes zu unterdrücken. Jedoch ist es bevorzugter, dass die Nanoteilchen 10 in einer Volumendichte von 1 × 10²² m^–3 bis 6 × 10²³ m^–3 verteilt werden. Wenn die Verteilung in der Volumendichte durchgeführt wird, kann ein durchschnittlicher Abstand zwischen den Nanoteilchen 10 etwa 20 bis 30 nm sein, und somit ist es möglich, magnetische Gesamtflusse gegen eine Beaufschlagung eines magnetischen Felds von mehreren T effizient zu pinnen.
In einem Fall, wo die Nanoteilchen 10 in einer Volumendichte übersteigend 6 × 10²³ m^–3 verteilt werden, gibt es eine Sorge, dass T_c abnimmt, oder ein Weg durch die ein Strom fließt, blockiert ist und somit J_c abnimmt. Demzufolge ist dieser Fall nicht bevorzugt.
Zusätzlich ist als der 122-artige Supraleiter auf Eisenbasis, der auf das supraleitende Material der Erfindung beaufschlagt wird, unter 122-artigen Supraleitern, es bevorzugt, einen Supraleiter zu verwenden, der eine hohe T von 25 K oder höher aufweist, und bei dem eine Hauptphase irgendeine ist von AFe₂(As, P)₂, (A, K)Fe₂As₂ und A(Fe, Co)₂As₂ (wobei A eine oder zwei Arten von Elementen darstellt, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ba und Sr).
Spezifischer ist es bevorzugt, dass eine Kombination einer Kristallstruktur des Supraleiters AFe_2+x(As_1-y, P_y)_2-z (wobei –0,2 ≤ x ≤ 0,2, 0,2 ≤ y ≤ 0,45 und 0 ≤ z ≤ 0,2 ist), (A_1-α, K_α)Fe_2+βAs_2-γ (0,25 ≤ α ≤ 0.65, –0.2 ≤ β ≤ 0,2 und 0 ≤ γ ≤ 0,2) oder A(Fe_1-p, Co_p)_2+qAs_2-r(0,06 ≤ p ≤ 0,13, –0,2 ≤ q ≤ 0,2 und 0 ≤ r ≤ 0,2) ist. Wenn die Kristallstruktur die Zusammensetzungen aufweist, ist es möglich, ein supraleitendes Material zu bilden, das stabil supraleitende Eigenschaften zeigt.
Die supraleitende Schicht 6 auf Eisenbasis, in der die Nanoteilchen 10 einheitlich in dem dünnen Film 9 des 122-artigen Supraleiters auf Eisenbasis verteilt sind, kann durch ein Abscheidungsverfahren mit gepulstem Laser (PLD) gebildet werden. Das PLD-Verfahren ist ein Laminierungsverfahren des Abscheidens eines Strahlflusses von Bestandteilsteilchen, die aus einem Ziel durch eine Laserlichtbestrahlung auf ein Objekt herausgeschlagen werden. Demzufolge wird in dieser Ausführungsform der Strahlfluss des Ziels in Richtung auf die Zwischenschicht 8 auf der Hauptfläche des Basismaterials 2 abgeschieden, um die supraleitende Schicht 6 auf Eisenbasis auf der Zwischenschicht 8 zu bilden.
Um die supraleitende Schicht 6 auf Eisenbasis zu bilden, kann ein gesinterter Körper eines Materials, das die gleiche oder nahezu die gleiche Zusammensetzung wie die supraleitende Schicht 6 auf Eisenbasis, die zu bilden ist, aufweist, oder welches eine große Menge an Komponenten enthält, die wahrscheinlich während der Filmbildung entweichen, als das Ziel verwendet werden.
In einem Fall des Bildens der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis gemäß dem PLD-Verfahren kann ein Material (BaXO₃), das eine Quelle der Nanoteilchen 10 wird, in das Ziel zur Filmbildung in Kombination mit einem Bestandteilsmaterial des dünnen Films 9 des Supraleiters auf Eisenbasis gemischt werden, und somit können die Nanoteilchen 10 gleichzeitig mit Kristallwachstum der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis eingeführt werden.
In dem supraleitenden Banddrahtmaterial 1 auf Eisenbasis wird die Stabilisierungsschicht 7 auf der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis laminiert. Die Stabilisierungsschicht 7 weist eine Funktion des Umgehens eines Überstroms auf, der während einer Schwierigkeit auftritt, einer Funktion des Unterdrückens einer chemischen Reaktion, die zwischen der supraleitenden Schicht 6 auf Eisenbasis und einer Schicht auftritt, die auf einer oberen Fläche in Bezug auf die supraleitende Schicht 6 auf Eisenbasis und dergleichen bereitgestellt ist.
Zusätzlich ist dieser Ausführungsform eine Beschreibung in Bezug auf das supraleitende Banddrahtmaterial 1 auf Eisenbasis gegeben worden, bei dem die supraleitende Schicht 6 auf Eisenbasis auf dem bandförmigen Basismaterial 2 durch die Zwischenschicht 8, wie in 2 gezeigt, gebildet ist. Jedoch ist das supraleitende Material auf Eisenbasis gemäß der Ausführungsform der Erfindung für ein supraleitendes Drahtmaterial 32 auf Eisenbasis anwendbar, bei dem ein supraleitendes Drahtmaterial 31 auf Eisenbasis innerhalb einer Hülse 30 eingeschlossen ist, die durch ein Stabilisierungsmaterial, wie Ag, wie in 4 gezeigt, gebildet ist.
Das heißt, für das supraleitende Drahtmaterial 31 auf Eisenbasis, eingefüllt innerhalb der Hülse 30, ist es möglich, den gleichen Effekt wie für die oben beschriebene Ausführungsform zu erhalten, wenn ein Material verwendet wird, dass erhalten wird durch Verteilen von Nanoteilchen, die gebildet sind aus BaXO₃ (wobei X eine, zwei oder mehr Arten von Elementen darstellt, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti), und die eine Teilchengröße von 30 nm oder weniger aufweisen in dem Supraleiter auf Eisenbasis (122-artiger Supraleiter) mit einer Kristallstruktur von ThCr₂Si₂ in einer Volumendichte von 1 × 10²¹ m^–3 oder mehr gebildet werden.
Beispiele
Im Folgenden wird die Erfindung im größeren Detail unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben werden, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele eingeschränkt.
Testbeispiel 1
Eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis von 80 nm wurde auf einem MgO(100)-Einkristallsubstrat gemäß dem PLD-Verfahren gebildet. Ein sekundär-harmonischer Nd:YAG-Laser (Wellenlänge: 532 nm) wurde als eine Laserlichtquelle verwendet, die Energiedichte des Laserlichts auf ein Ziel wurde auf 10 J/cm² eingestellt, und eine sich wiederholende Frequenz wurde auf 10 Hz eingestellt. Zusätzlich wurde eine Substrattemperatur während der Filmbildung auf 800°C eingestellt.
Als Beispiel A wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis, bei dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis unter Verwendung eines Ziels gebildet wurde, das erhalten wird durch enthaltend 1 mol% BaZrO₃ (BZO) in BaFe₂(As_0,67P_0,33)₂, hergestellt.
Als Beispiel B wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis, bei dem eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis unter Verwendung eines Ziels gebildet wurde, das erhalten wird durch enthaltend 3 mol% BaZrO₃ (BZO) in BaFe₂(As_0,67P_0,33)₂ hergestellt.
Als Vergleichsbeispiel A wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis, bei dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis gebildet wurde unter Verwendung eines Ziels, das kein BZO enthielt, hergestellt.
Zusätzlich ist BaFe₂(As_0,67P_0,33)₂ ein P-substituierter Ba122-artiger Supraleiter auf Eisenbasis und wird als „Ba122:P” in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen beschrieben.
5A zeigt Ergebnisse, die durch Durchführung einer Röntgenbeugungsanalyse in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel B (Ba122:P + 3 mol% BZO) und Vergleichsbeispiel A (Ba122:P) erhalten wurden.
In einem Röntgenbeugungsanalyseergebnis von Beispiel B, welches an einer oberen Seite von 5A gezeigt ist, wurde ein Diffraktionspeak von BaZrO₃ (BZO) zusammen mit einem c-Achsenausrichtungspeak von Ba122:P beobachtet. Das heißt, es wurde bestätigt, dass Teilchen von BZO innerhalb der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B gebildet wurden.
Auf der anderen Seite wurde in einem Röntgenbeugungsanalysenergebnis von Vergleichsbeispiel A, welches auf einer unteren Seite von 5A gezeigt ist, lediglich der c-Achsenausrichtungspeak von Ba122:P beobachtet.
Wenn zusätzlich die c-Achsenausrichtungspeaks von Ba122:P von Beispiel B und Vergleichsbeispiel A verglichen werden, wurde der c-Achsenausrichtungspeak von Beispiel B nicht signifikant in Vergleich zu Vergleichsbeispiel A abgesenkt. Das heißt, in Bezug auf einen c-Ausrichtungsgrad von Beispiel B wurde eine zusätzliche signifikante Verschlechterung in einem out-of-plane und einem in-plane-Ausrichtungsgrad nicht beobachtet.
Als nächstes zeigt 5B einen Zr-Elementverteilungszustand, der erhalten wird durch Beobachten eines Querschnitts von Beispiel B (Ba122:P + 3 mol% BZO) unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM). Zusätzlich stellt in 5B ein weißer Bereich in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis (Ba122:P + 3 mol% BZO) Zr dar.
In einem Fall (nicht gezeigt) des Beobachtens einer Verteilung von Fe-Elementen oder As-Elementen unter Verwendung des TEM auf dem gleichen Querschnitt wie der in 5B gezeigte Querschnitt wurde zusätzlich ein Bild beobachtet, das von der Verteilung der Zr-Elemente vertauscht ist. Aus dieser Beobachtung wurde bestätigt, dass BZO enthaltende Zr-Elemente innerhalb des Supraleiters Ba122:P, ausgebildet durch Fe-Elemente und As-Elemente, verteilt wurden.
Eine Element-Kartographierung von Zr wurde durch TEM-Beobachtung durchgeführt, um eine Teilchengröße und eine Volumendichte der BZO-Nanoteilchen zu messen, die in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B enthalten sind. Aus der Element-Kartographierung wurde bestätigt, dass zufällig ausgerichtete BZO-Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 8 nm in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B in einer Volumendichte von 6,7 × 10²² m^–3 verteilt waren. Es wurde zusätzlich bestätigt, dass die BZO-Nanoteilchen mit einer Teilchengröße von 5 bis 15 nm, die als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses hocheffektiv waren, in einer Volumendicht von 4,0 × 10²² m^–3 verteilt waren.
6 zeigt ein Histogramm der Teilchengröße der BZO-Nanoteilchen und der Anzahl der BZO-Nanoteilchen, die in einem Messbereich beobachtet wurden. Wie in 6 gezeigt ist, sind die BZO-Nanoteilchen in einem Bereich von 3 bis 15 nm verteilt.
Ein Querschnitt von Beispiel A (Ba122:P + 1 mol% BZO) wurde unter Verwendung des TEM in der gleichen Sequenz wie oben beschrieben beobachtet, und eine Element-Kartografierung wurde durchgeführt. Es wurde bestätigt, dass die zufällig ausgerichteten BZO-Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 8 nm in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel A in einer Volumendichte von 2,5 × 10²² m^–3 verteilt waren.
Zusätzlich war T_czero (Temperatur, bei der ein Widerstandswert Null wird) der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B (Ba122:P + 3 mol% BZO) 26,5 K, und eine Abnahme der T_c aufgrund der Einführung der aus BZO gebildeten Nanoteilchen wurde kaum beobachtet.
7 zeigt Messergebnisse der Abhängigkeit des magnetischen Feldes von J_c bei 5 K in Bezug auf supraleitende Schichten auf Eisenbasis von Beispiel A (Ba122:P + 1 mol% BZO), Beispiel B (Ba122:P + 3 mol% BZO) und Vergleichsbeispiel A (Ba122:P). Zusätzlich war eine Beaufschlagungsrichtung des magnetischen Feldes eine c-Achsenrichtung. In 7 zeigt die horizontale Achse eine magnetische Flussdichte (μ₀H) eines magnetischen Felds, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung, und die vertikale Achse zeigt eine kritische Stromdichte J_c.
Bei einem Vergleich der Messergebnisse von Beispiel A, Beispiel B und Vergleichsbeispiel A in einem Anwendungsbereich des magnetischen Feldes von 7 T oder kleiner wurde bestätigt, dass, wenn die Nanoteilchen, gebildet aus BZO, eingeführt wurden, eine Abnahme von Je der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis aufgrund der Beaufschlagung des magnetischen Feldes in der c-Achsenrichtung unterdrückt wurde. Zusätzlich war der Effekt des Unterdrückens der Abnahme von J_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B höher im Vergleich zu der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel A. Dieser Effekt liegt deshalb vor, da BZO-Nanoteilchen in der supraleitenden Schicht von Beispiel A in einer Volumendichte von 2,5 × 10²² m^–3 verteilt wurden, jedoch die BZO-Nanoteilchen in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B in einer Volumendichte von 6,7 × 10²² m^–3 verteilt wurden, und somit wurden die Nanoteilchen in einer höheren Dichte verteilt, und der Effekt des Unterdrückens der Abnahme von J_c ist erhöht.
Zusätzlich war J_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B (Ba122:P + 3 mol% BZO) bei 5 K und 7 T etwa 1 MA/cm², und dieser Wert war etwa das Dreifache desjenigen für die supraleitende Schicht auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel A.
Ferner wurde aus diesen Messergebnissen, die in 7 gezeigt sind, die maximale Pinning-Kraft (F_p), die als eine Referenz der magnetischen Flusspinningstärke dient, auf der Basis der folgenden Formel eingeschätzt.
[Formel 1]

F_p = J_c × μ₀H

8 zeigt eine Beziehung zwischen der magnetischen Flussdichte (μ₀H) eines magnetischen Felds, das in der c-Achsenrichtung beaufschlagt ist, und der maximalen Pinning-Kraft (Fr), welche aus der oben beschriebenen Formel abgeleitet wurde. Zusätzlich zeigt 8 eine Beziehung zwischen der magnetischen Flussdichte (μ₀H) eines magnetischen Felds und der maximalen Pinning-Kraft (F_p) in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Felds auf ein Drahtmaterial gebildet aus Nb₃Sn, NbTi und MgB₂, welches supraleitende Materialien auf Metallbasis sind, in der c-Achsenrichtung. Zusätzlich zeigen Nb₃Sn und NbTi Messwerte bei 4,2 K, und MgB₂ zeigt Messwerte bei 15 K.
Aus diesen Ergebnissen kann bei der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B (Ba122:P + 3 mol% BZO) erkannt werden, dass eine Pinning-Kraft von etwa 60 GN/m³ in einem Falle der Beaufschlagung eines magnetischen Felds von 3 T bis 9 T in der c-Achsenrichtung erhalten wurde. Es konnte erkannt werden, dass dieser Wert eine Pinning-Kraft war, der den Wert der maximalen Pinning-Kraft des Nb₃Sn-Drahtmaterials (4,2 K) um etwa 50% überstieg.
Es konnte ferner erkannt werden, dass die Pinning-Kraft in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel A (Ba122:P + 1 mol-% BZO) im Vergleich zu Beispiel B kleiner war, jedoch die Pinning-Kraft im Vergleich zu Vergleichsbeispiel A größer war.
Wie in 8 gezeigt ist, kann erkannt werden, dass sogar in einem Falle der Durchführung des oben beschriebenen Tests bei 15 K eine Pinning-Kraft erhalten wurde, die die maximale Pinning-Kraft des NbTi-Drahtmaterials (4,2 K) und des MgB₂-Drahtmaterials (15 K) überstieg.
9 zeigt Messergebnisse der Abhängigkeit des Winkels des magnetischen Feldes von J_c bei einer Temperatur von 15 K und einem magnetischen Feld von 1 T in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel A (Ba122:P + 1 mol-% BZO), Beispiel B (Ba122:P + 3 mol-% BZO) und Vergleichsbeispiel A (Ba122:P). In 9 zeigt die horizontale Achse einen Winkel (θ) eines magnetischen Felds, das beaufschlagt wird, und die vertikale Achse zeigt die kritische Stromdichte J. Zusätzlich ist beim Winkel (θ) des magnetischen Felds, das beaufschlagt wird, die c-Achsenrichtung als 0° eingestellt, und 90° stellt die a-Achsenrichtung oder b-Achsenrichtung dar.
Sich beziehend auf die Messergebnisse der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel A wird in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Felds in der c-Achsenrichtung (0°) J_c das Minimum, und in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Felds in einer Richtung (der a-Achsenrichtung und der b-Achsenrichtung, 90°) senkrecht zu der c-Achse wird J_c das Maximum. Zusätzlich wird ein Verhältnis von J_c in einem Falle der Beaufschlagung eines magnetischen Felds in der c-Achsenrichtung und Je in einem Falle einer Beaufschlagung in der a-Achsenrichtung und b-Achsenrichtung etwa die gleiche wie eine Anisotropie eines oberen kritischen magnetischen Felds und ist 1,6.
Zusätzlich, sich beziehend auf die Messergebnisse der supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel A und Beispiel B, ähnlich zu dem Messergebnis der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel A, in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Feldes in der c-Achsenrichtung, wird J_c das Minimum, und in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Felds in einer Richtung senkrecht zu der c-Achsenrichtung, wird Je das Maximum. Wenn auf der anderen Seite das Messergebnis von Vergleichsbeispiel A und die Messergebnisse von Beispiel A und Beispiel B verglichen werden, kann bestätigt werden, dass eine Abnahme von J_c aufgrund einer Einführung der aus BZO gebildeten Nanoteilchen bei allen magnetischen Feldwinkeln (θ) unterdrückt wird. Zusätzlich wies die supraleitende Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B einen höheren Effekt der Unterdrückung der Abnahme von Je im Vergleich zu der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel A auf. Es wird angenommen, dass dieser Effekt verursacht wird durch einen Unterschied in einer Volumendichte der BZO-Nanoteilchen zwischen den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel A und Beispiel B. Ferner war in Beispiel B ein Verhältnis zwischen J_c in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Felds in der c-Achsenrichtung und J_c in einem Falle der Beaufschlagung des magnetischen Felds in der a-Achsenrichtung und der b-Achsenrichtung 1,1, und somit wurde bestätigt, dass dieses Verhältnis in großem Maße im Vergleich zu 1,55 abgesenkt wird, welches das Verhältnis des oberen kritischen magnetischen Feldes ist.
10A und 10B zeigen Ansichten, die eine Beziehung zwischen einem Pinning-Effekt des magnetischen Flusses (d. h. ein Effekt zum Unterdrücken einer Abnahme einer kritischen Stromdichte) der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis und einer Verteilungsmenge der BZO-Nanoteilchen veranschaulichen.
10A zeigt eine Ansicht, die erhalten wird durch Auftragen von Messergebnissen der Abhängigkeit des magnetischen Feldes von J_c bei 5 K und 15 K in Bezug auf die supraleitende Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B (Ba122:P + 3 mol-% BZO). Jedoch zeigt in 10A die horizontale Achse die magnetische Flussdichte (μ₀H) des magnetischen Felds beaufschlagt in der c-Achsenrichtung, und die vertikale Achse zeigt ein Verhältnis (J_c,BZO/J_c, Standard) von J_c,BZO der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel B zur kritischen Stromdichte J_c,Standard der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel A (nicht enthaltend BZO-Teilchen).
Wie in 10A gezeigt ist, kann erkannt werden, dass in einem Falle der Beaufschlagung eines magnetischen Felds von etwa 3,5 T der Effekt als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis (Beispiel B) unter Verwendung eines Ziels zunimmt, das 3 mol-% BZO enthält. Auf diese Art und Weise wird die magnetische Flussdichte in der c-Achsenrichtung, die den höchsten Effekt als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses aufweist, B_max genannt.
Wenn die gleiche Zeichnung wie 10 in Bezug auf die supraleitende Schicht auf Eisenbasis von Beispiel A (Ba122:P + 1 mol-% BZO) aufgetragen wurde, war die magnetische Flussdichte B_max in der c-Achsenrichtung, bei der der Effekt als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses bei 15 K der höchste war, etwa 2,5 T.
10B zeigt eine Beziehung zwischen der Volumendichte der BZO-Nanoteilchen, die in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel A und Beispiel B verteilt waren, und B_max bei 15 K.
Wie in 10B gezeigt ist, kann erkannt werden, dass, wenn die Volumendichte der in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis verteilten BZO-Nanoteilchen zunimmt, das magnetische Feld (d. h. die magnetische Flussdichte B_max) in der c-Achsenrichtung, in der der Effekt als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses am höchsten ist, ebenfalls zunimmt.
Das heißt, wenn die Volumendichte der dispergierten BZO-Nanoteilchen zunimmt, ist es möglich, den Effekt als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses zu erhöhen.
Zusätzlich ist es bei einem supraleitenden Kupferoxidmaterial auf Basis von Seltenerdelement (beispielsweise ein supraleitendes Kupferoxid-Material auf V-Basis) bekannt, dass der Effekt als das Pinning-Zentrum des magnetischen Flusses aufgrund der Nanoteilchen von Oxidverunreinigungen proportional zur Volumendichte der Nanoteilchen der Oxidverunreinigungen hoch 1/2 oder 1/3 zunimmt.
In 10B wird aus der gleichen theoretischen Basis in Erwägung gezogen, dass der Pinning-Effekt des magnetischen Flusses proportional zur Volumendichte hoch 1/3 zunimmt.
Als nächstes wurde eine Vielzahl von Proben hergestellt, bei denen die Zusammensetzung der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis in jedem Falle verschieden war, und die Zusammensetzung der Bestandteilselemente von BaFe₂(As, P)₂ wurde auf verschiedene Weisen geändert, und dann wurde T_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis oder J_c in einem magnetischen Feld gemessen.
Zusätzlich wurde das gleiche Ziel wie das oben beschriebene Ziel verwendet, und die Filmbildungsbedingungen gemäß dem PLD-Verfahren wurden geändert, um die Zusammensetzung der Bestandteilselemente in verschiedenen Weisen zu ändern. Zusätzlich wurde die Zusammensetzung der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis, die hergestellt wurde, durch Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) analysiert.
Wenn ein Zusammensetzungsverhältnis zwischen Ba, Fe und As oder P eine stöchiometrische Zusammensetzung von 1:2:2 ist, und die Zusammensetzung von Fe in einem Bereich von ±10% abweicht und die Zusammensetzung von As oder P einen Bereich von –10 bis 0% auf der Basis von Ba abweicht, wurde aus dieser Analyse gefunden, dass T der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis oder J_c in einem magnetischen Feld nicht in großem Maße variiert. Das heißt, in einem Falle, wo die Zusammensetzung der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis als BaFe_2+x(As, P)_2-z ausgedrückt ist, wenn x und z Beziehungen von –0,2 ≤ x ≤ 0,2 und 0 ≤ z ≤ 0,2 erfüllen, wurde gefunden, dass T_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis oder J_' in einem magnetischen Feld nicht in großem Maße variiert.
Zusätzlich wurde eine Verbesserung von J_c in dem gleichen magnetischen Feld aufgrund einer Einführung der BZO-Nanoteilchen oder ein Effekt der Reduzierung der Anisotropie in J_c aufgrund einer magnetischen Feldrichtung beobachtet.
Testbeispiel 2
Als nächstes wurde lediglich die Zusammensetzung des Ziels im Vergleich zu Testbeispiel 1 geändert, um supraleitende Drahtmaterialien auf Eisenbasis von Beispiel C, Beispiel D und Beispiel E herzustellen.
Als Beispiel C wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis hergestellt, bei dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis unter Verwendung eines Ziels erhalten durch enthaltend 5 mol% BaZrO₃ (BZO) in BaFe₂(As_0,67P_0,33)₂ gebildet wurde.
Als Beispiel D wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis hergestellt, bei dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis unter Verwendung eines Ziels gebildet wurde, das erhalten wird durch enthaltend 10 mol% BaZrO₃ (BZO) in BaFe₂(As_0,67P_0,33)₂. Als Beispiel E wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis hergestellt, bei dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis gebildet wurde unter Verwendung eines Ziels, erhalten durch enthaltend 15 mol% BaZrO₃ (BZO) in BaFe₂(As_0,67P_0,33)₂. Eine Element-Kartographierung wurde in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel C, Beispiel D und Beispiel E durch TEM durchgeführt, um eine Teilchengröße und eine Volumendichte von BZO-Nanoteilchen, die in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel C, Beispiel D und Beispiel E enthalten sind, zu messen.
Als ein Ergebnis wurde bestätigt, dass die zufällig ausgerichteten BZO-Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 8 nm in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel C in einer Volumendichte von 1,2 × 10²³ m^–3 verteilt waren.
Zusätzlich wurde bestätigt, dass zufällig ausgerichtete BZO-Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 7 nm in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel D in einer Volumendichte von 3,9 × 10²³ m^–3 verteilt waren.
Zusätzlich wurde bestätigt, dass die zufällig ausgerichteten BZO-Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 6 nm in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel E in einer Volumendichte von 6,0 × 10²³ m^–3 verteilt waren.
Eine Messung von J_c in einem magnetischen Feld von 1 T, welches in der c-Achsenrichtung bei 5 K beaufschlagt wurde, wurde in Bezug auf die supraleitende Schicht auf Eisenbasis von Beispiel C, Beispiel D und Beispiel E durchgeführt. Aus der Messung war J_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel C 3,1 MA/cm², Je der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel D war 3,7 MA/cm², und J_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel E war 1,9 MA/cm².
Bei einem Vergleich mit Vergleichsbeispiel A in Testbeispiel 1, bei dem J_c in einem magnetischen Feld von 1 T, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung bei 5 K, 1,1 MA/c² war, war J_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel C 2,9-fach der J_c von Vergleichsbeispiel A, die J_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel D war 3,4-fach der J_c von Vergleichsbeispiel A und J_c der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel E war 1,7.fach derjenigen J_c von Vergleichsbeispiel A. Aus diesen Ergebnissen wurde bestätigt, dass es möglich war, eine Abnahme von J_c während einer Magnetfeldbeaufschlagung zu unterdrücken.
Bei einem Vergleich von Beispiel C, Beispiel D und Beispiel E kann erkannt werden, dass ein Effekt des Unterdrückens der Abnahme von J_c von Beispiel E, bei dem die Volumendichte der BZO-Nanoteilchen die höchste ist, abnimmt. Der Grund hierin wird gesehen, dass die Dichte der BZO-Nanoteilchen hoch ist und somit eine Kristallinität (c-Achsenausrichtungsgrad) der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis sich verschlechtert. Um diese Beobachtung zu bestätigen, wurde T_czero von Beispiel E gemessen. Bei der Messung betrug der Wert 21,5 K, und eine Abnahme von 5 K wurde bestätigt. Das heißt, bei der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel E wurde bestätigt, dass die Volumendichte der BZO-Nanoteilchen hoch war, und somit die Kristallinität verschlechtert war.
Testbeispiel 3
Als nächstes wurde lediglich die Zusammensetzung des Ziels im Vergleich zu Testbeispiel 1 geändert, um supraleitende Drahtmaterialien auf Eisenbasis von Beispiel a, Beispiel b, Beispiel c, Vergleichsbeispiel a, Vergleichsbeispiel b und Vergleichsbeispiel c herzustellen. Als ein Ziel in Testbeispiel 3 wurde ein Ziel verwendet, in dem ein Zusammensetzungverhältnis von As und P im Vergleich zu Testbeispiel 1 geändert wurde.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel a wurde ein Ziel enthaltend BaFe₂(As_0,75P_0,25)₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel a ein Ziel enthaltend 3 mol% BZO in BaFe₂(As_0,75P_0,25)₂ verwendet.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel b wurde ein Ziel enthaltend BaFe₂(As_0,60P_0,40)₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel b ein Ziel enthaltend 3 mol% BZO in BaFe₂(As_0,60P_0,40)₂ verwendet.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel c wurde ein Ziel enthaltend BaFe₂(As_0,5P_0,5)₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel c ein Ziel enthaltend 3 mol% BZO in BaFe₂(As_0,50P_0,50)₂ verwendet.
Eine Untersuchung an einer Zusammensetzung von P in einer Schicht wurde in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis, gebildet unter Verwendung der Ziele der Beispiele und Vergleichsbeispiele, gemäß einer EPMA-Analyse durchgeführt. Aus der Untersuchung konnte erkannt werden, dass ein Zusammensetzungverhältnis von P in Bezug auf As als die Zielzusammensetzung um etwa 0,05 kleiner war, unabhängig davon, ob BZO enthalten war oder nicht.
Insbesondere war das Zusammensetzungverhältnis von As und P 0,81:0,19 in Vergleichsbeispiel a und Beispiel a, das Zusammensetzungsverhältnis war 0,65:0,35 in Vergleichsbeispiel b und Beispiel b, und das Zusammensetzungverhältnis war 0,55:0,45 in Vergleichsbeispiel c und Beispiel c.
T_czero (Temperatur, wenn ein Widerstandswert Null wird) der supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der supraleitenden Drahtmaterialien auf Eisenbasis, die unter Verwendung der oben beschriebenen Ziele hergestellt wurden, wurde gemessen. Zusätzlich wurde eine Messung von J_c in einem magnetischen Feld von 1 T, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung bei 5 K, in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der Beispiele und Vergleichsbeispiele durchgeführt. Messergebnisse von Beispielen und Vergleichsbeispielen sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
Aus Tabelle 1 wurde bestätigt, dass, wenn BZO enthalten war, ein Phänomen, wie eine große Abnahme von T_czero, nicht gefunden wurde.
In den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel a und Beispiel a wurde J_c in einem magnetischen Feld von 1 T, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung bei 5 K, abgesenkt. Dies beruht darauf, dass eine Übergangsbreite aufgrund des Zusammensetzungsverhältnisses von As und P verbreitert wurde.
Im Falle eines Ausdruckens des Zusammensetzungsverhältnisses von As und P als As:P = 1-y:y ist es bevorzugt, dass die Zusammensetzung von As und P eine Beziehung 0,2 ≤ y ≤ 0,45 erfüllt. Demzufolge kann das supraleitende Material auf Eisenbasis stabile J_c und T_c zeigen. Jedoch wichen die supraleitenden Drahtmaterialien auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel a und Beispiel a vom oben beschriebenen Bereich ab, und als ein Ergebnis war J_c sehr gering.
Wenn Vergleichsbeispiel a und Beispiel a, Vergleichsbeispiel b und Beispiel b sowie Vergleichsbeispiel c und Beispiel c verglichen werden, kann erkannt werden, dass, wenn BZO enthalten ist, J_c von entsprechenden Beispielen höher wird. Das heißt, es wurde bestätigt, dass es möglich ist, eine Abnahme von J_c aufgrund einer Magnetfeldbeaufschlagung durch Einführung der BZO-Nanoteilchen in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis zu unterdrücken.
Testbeispiel 4
Als nächstes wurde lediglich die Zusammensetzung des Ziels im Vergleich zu Testbeispiel 1 geändert, um supraleitende Drahtmaterialien auf Eisenbasis von Beispiel d, Beispiel e, Vergleichsbeispiel d und Vergleichsbeispiel e herzustellen. Als ein Ziel in Testbeispiel 4 wurde ein Ziel verwendet, dass erhalten wurde durch Austauschen von Ba gegen Sr in einem Verhältnis von 50% oder 100%, im Vergleich zum Testbeispiel 1.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel d wurde ein Ziel enthaltend (Ba_0,5Sr_0,5)Fe₂(As_0,67P_0,33)₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel d ein Ziel enthaltend 3 mol% BZO in (Ba_0,5Sr_0,5)Fe₂(As_0,67P_0,33)₂ verwendet.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel e wurde ein Ziel enthaltend SrFe₂(As_0,67P_0,33)₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel e ein Ziel enthaltend 3 mol% BZO in SrFe₂(As_0,67P_0,33)₂ verwendet.
T_czero (Temperatur, wo ein Widerstandswert Null wird) der supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der supraleitenden Drahtmaterialien auf Eisenbasis, welche unter Verwendung der oben beschriebenen Ziele hergestellt wurden, wurde gemessen. Zusätzlich wurde eine Messung von J_c in einem Magnetfeld von 1 T, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung bei 5 K, in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispielen und Vergleichsbeispielen durchgeführt. Messergebnisse von Beispielen und Vergleichsbeispielen sind in Tabelle 2 gezeigt. [Tabelle 2]
Aus Tabelle 2 wird bestätigt, dass, wenn BZO enthalten war, ein Phänomen wie eine große Abnahme von T_czero nicht gefunden wurde.
Zusätzlich, bei einem Vergleich von Vergleichsbespiel d und Beispiel d bzw. Vergleichsbeispiel e und Beispiel e, kann erkannt werden, dass, wenn BZO enthalten ist, Je von entsprechenden Beispielen höher wird. Das heißt, es wurde bestätigt, dass es möglich ist, eine Abnahme von J_c aufgrund einer Magnetfeldbeaufschlagung durch Einführung der BZO-Nanoteilchen in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis zu unterdrücken.
Ferner wurde eine Messung der Abhängigkeit des Winkels des Magnetfelds von J_c durchgeführt, und eine Abnahme der Anisotropie aufgrund einer Einführung von BZO wurde bestätigt.
Testbeispiel 5
Als nächstes wurde die Zusammensetzung des Ziels im Vergleich zu Testbeispiel 1 geändert, um Beispiel f, Beispiel g und Beispiel h herzustellen, bei denen eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis mit einer Dicke von 100 nm gebildet wurde.
Als Beispiel f wurde ein supraleitenden Drahtmaterial auf Eisenbasis hergestellt, bei dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis unter Verwendung eines Ziels gebildet wurde, das 3 mol% BaSnO₃(BSO) in BaFe₂(As_0,67P_0,33)₂ enthielt.
Als Beispiel g wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis hergestellt, bei dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis gebildet wurde unter Verwendung eines Ziels, dass das 3 mol% BaHfO₃(BHO) enthielt.
Als Beispiel h wurde ein supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis hergestellt, in dem die supraleitende Schicht auf Eisenbasis gebildet wurde unter Verwendung eines Ziels enthaltend 3 mol% BaTiO₃(BTO).
Eine Röntgenbeugungsanalyse wurde in Bezug auf die supraleitende Schicht auf Eisenbasis von Beispiel f, Beispiel g und Beispiel h durchgeführt.
Aus dieser Analyse wurde in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der Beispiele bestätigt, dass der Supraleiter auf Eisenbasis (122-artige Verbindung) sich in der c-Achsenausrichtung und in-plane-Ausrichtung orientierte. Zusätzlich wurde in Beispiel g und Beispiel h, in denen BHO oder BTO in dem Ziel enthalten war, ein Diffraktionspeak des enthaltenden Materials (BHO oder BTO) beobachtet. Jedoch war in Beispiel f, bei dem BSO in dem Ziel enthalten war, ein Diffraktionspeak von BSO schwach.
Eine Element-Kartographierung wurde in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel f, Beispiel g und Beispiel h durch TEM durchgeführt, um eine Teilchengröße und eine Volumendichte von BZO-Nanoteilchen, enthaltend in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der Beispiele, zu messen.
Demzufolge wurde bestätigt, dass BSO-Nanoteilchen mit einer Teilchengröße von 5 nm oder mehr, welche effektiv für den Pinning-Effekt ist, in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel f in einer Volumendichte von 5 × 10²¹ m^–3 verteilt waren.
Zusätzlich wurde bestätigt, dass zufällig ausgerichtete BHO-Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 nm in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel g in einer Volumendichte von 7 × 10²² m^–3 verteilt waren.
Zusätzlich wurde bestätigt, dass zufällig ausgerichtete BTO-Nanoteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 15 nm in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel h in einer Volumendichte von 4 × 10²² m^–3 verteilt waren.
T_czero (Temperatur, wo ein Widerstandswert Null wird) der supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der supraleitenden Drahtmaterialien auf Eisenbasis von Beispiel f, Beispiel g und Beispiel h wurde gemessen. Zusätzlich wurde eine Messung von J_c in einem magnetischen Feld von 1 T, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung bei 5 K, in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der Beispiele durchgeführt. Messergebnisse der Beispiele sind in Tabelle 3 gezeigt. [Tabelle 3]
Aus Tabelle 3 wird bestätigt, dass, wenn BSO, BHO oder BTO enthalten war, ein Phänomen, wie eine große Abnahme von T_czero, nicht gefunden wurde.
Bei einem Vergleich mit Vergleichsbeispiel A in Testbeispiel 1, bei dem Je in einem Magnetfeld von 1 T, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung bei 5 K, 1,1 MA/cm² war, kann erkannt werden, dass, wenn BSO, BHO oder BTO enthalten ist, J_c der entsprechenden Beispiele höher wird. Das heißt, es wurde bestätigt, dass es möglich ist, eine Abnahme von J_c aufgrund einer Magnetfeldbeaufschlagung durch Einführung der BZO-Nanoteilchen in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis zu unterdrücken.
In Beispiel f wurden die BSO-Nanoteilchen mit einer Teilchengröße von 5 nm oder mehr, welche effektiv ist für den Pinning-Effekt, in einer Volumendichte von 5 × 10²¹ m^–3 verteilt, und somit wurde die Volumendichte der verbleibenden Nanoteilchen im Vergleich zu den BHO-Nanoteilchen von Beispiel g und den BTO-Nanoteilchen von Beispiel h geringer. Zusätzlich war die Volumendichte der verbleibenden Nanoteilchen im Vergleich zu den BZO-Nanoteilchen von Beispiel B in Testbeispiel 1 geringer. Demzufolge wird in Erwägung gezogen, dass die supraleitende Schicht auf Eisenbasis von Beispiel f den Effekt des Unterdrückens einer Abnahme von J_c aufweist, welcher geringer ist im Vergleich zu Beispiel g, Beispiel h und Beispiel B.
Testbeispiel 6
Als nächstes wurde die Zusammensetzung des Ziels im Vergleich zu Testbeispiel 1 geändert, um Beispiel 1, Beispiel 2, Beispiel 3, Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 herzustellen, bei denen eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis mit einer Dicke von 100 nm gebildet wurde.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel 1 wurde ein Ziel enthaltend Ba(Fe_0,93Co_0,07)₂As₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel 1 ein Ziel verwendet, das 3 mol-% BZO in Ba(Fe₀ _, ₉₃Co₀ _, ₀₇)₂As₂ enthielt.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Ziel enthaltend Ba(Fe_0,90Co_0,10)₂As₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel 2 ein Ziel verwendet, das 3 mol-% BZO in Ba(Fe_0,90Co_0,10)₂As₂ enthielt.
Als ein Ziel von Vergleichsbeispiel 3 wurde ein Ziel enthaltend Ba(Fe_0,86Co_0,14)₂As₂ verwendet.
Zusätzlich wurde als ein Ziel von Beispiel C ein Ziel verwendet, das 3 mol-% BZO in Ba(Fe_0,86Co_0,14)₂As₂ enthielt.
Eine Röntgenbeugungsanalyse wurde in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 durchgeführt.
Aus dieser Analyse wurde bestätigt, dass in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis der Vergleichsbeispiele der Supraleiter auf Eisenbasis (122-artige Verbindung) sich in der c-Achsenausrichtung und In-Plane-Ausrichtung orientierte.
Zusätzliche wurde eine Untersuchung bezüglich der Zusammensetzung von Co in einer Schicht in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 gemäß einer EPMA-Analyse durchgeführt, und es konnte erkannt werden, dass ein Zusammensetzungsverhältnis von Co in Bezug auf Fe im Vergleich zu der Zielzusammensetzung leicht abnahm. Spezifisch war das Zusammensetzungsverhältnis von Fe und Co in Vergleichsbeispiel 1 0,94:0,06, das Zusammensetzungsverhältnis in Vergleichsbeispiel 2 war 0,915:0,085, und das Zusammensetzungsverhältnis in Vergleichsbeispiel 3 war 0,87:0,13.
T_czero (Temperatur, wenn ein Widerstandswert Null wird) der supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel 1, Beispiel 2, Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 wurde gemessen. Zusätzlich wurde eine Messung von J_c in einem magnetischen Feld von 1 T, beaufschlagt in der c-Achsenrichtung bei 5 K, in Bezug auf die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis der Beispiele und Vergleichsbeispiele durchgeführt. Messergebnisse der Beispiele und Vergleichsbeispiele sind Tabelle 4 gezeigt. [Tabelle 4]
Aus Tabelle 4 wurde bestätigt, dass, wenn BZO enthalten war, ein Phänomen, wie eine große Abnahme von T_czero, nicht gefunden wurde.
In diesem Testbeispiel wurde eine Messung eines Zusammensetzungsverhältnisses von Fe und Co in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Beispiel 1, Beispiel 2 und Beispiel 3, in denen BZO enthalten war, nicht durchgeführt. Jedoch wurde in Testbeispiel 3 bestätigt, dass, ob BZO enthalten war oder nicht, dies keinen Effekt auf das Zusammensetzungsverhältnis des Supraleiters auf Eisenbasis in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis hatte. Demzufolge wurde in Erwägung gezogen, dass das Zusammensetzungsverhältnis von Beispiel 1 gleich zu dem Zusammensetzungsverhältnis von Fe und Co in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel 1 ist, das Zusammensetzungsverhältnis von Beispiel 2 gleich zu dem Zusammensetzungsverhältnis von Fe und Co in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel 2 ist, und das Zusammensetzungsverhältnis von Beispiel 3 gleich zum Zusammensetzungsverhältnis von Fe und Co in der supraleitenden Schicht auf Eisenbasis von Vergleichsbeispiel 3 ist.
Im Falle des Ausdruckens des Zusammensetzungsverhältnisses von Fe und Co als Fe:Co = 1-p:p, ist es bevorzugt, dass die Zusammensetzung von Fe und Co eine Beziehung 0,06 ≤ p ≤ 0,13 erfüllt. Demzufolge kann das supraleitende Material auf Eisenbasis stabile J_c und T_c nahe 20 K zeigen.
Die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis von Beispiel 1, Beispiel 2, Beispiel 3, Vergleichsbeispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 erfüllen die oben beschriebene Bedingung, und somit können die supraleitenden Schichten auf Eisenbasis stabile J_c und T_c zeigen.
Wie in Tabelle 4 gezeigt ist, wenn Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Beispiel 2, bzw. Vergleichsbeispiel 3 und Beispiel 3 verglichen werden, kann erkannt werden, dass wenn BZO enthalten ist, J_c entsprechender Beispiele höher wird. Das heißt, es wurde bestätigt, dass es möglich ist, eine Abnahme von Je aufgrund einer Magnetfeldbeaufschlagung durch Einführung der BZO-Nanoteilchen in den supraleitenden Schichten auf Eisenbasis zu unterdrücken.
Testbeispiel 7
Rohmaterialien von Ba, K, FeAs und Ag wurden in einem Molverhältnis von 0,7:0,48:2:0,5 gemischt, wobei das resultierende gemischte Material in einen Tiegel aus Bornitrid (BN) gefüllt wurde, wobei der Tiegel mit einem SUS-Stück vakuumversiegelt wurde, und das gemischte Material wurde bei 1.100°C gebacken, um eine polykristalline Substanz von (Ba, K)Fe₂As₂ herzustellen.
Die Zusammensetzung von K, das in der polykristallinen Substanz enthalten war, wurde bezüglich einer Zusammensetzungsanalyse gemäß einer ICP-Emissionsspektrometrieanalyse untersucht, und es konnte erkannt werden, dass die Zusammensetzung von K im Vergleich zu der Zusammensetzung von K, die in den Tiegel gefüllt worden war, leicht abnahm. Spezifisch war das Zusammensetzungsverhältnis von K zu Ba (Ba:K) 0,61:0,39.
Die polykristalline Substanz wies eine im wesentlichen Einzelzusammensetzung von Ba122 auf, und T_c, evaluiert durch Messung der magnetischen Suszeptibilität, war 36,6 K.
Als nächstes wurde die polykristalline Substanz pulverisiert und in ein Ag-Rohr mit einem inneren Durchmesser von 4 mm und einer Dicke von 1 mm gepackt. Die polykristalline Substanz wurde in einen Draht mit einem äußeren Durchmesser von etwa 2 mm in einem Ziehverfahren bei Raumtemperatur verarbeitet, und dann wurde ein linearer Körper, der durch das Verfahren erhalten wurde, in einer Länge von 4 cm geschnitten. Ferner wurde der nach dem Schneiden erhaltene lineare Körper mit einem SUS-Stück vakuumversiegelt, und eine Wärmebehandlung wurde bei 860°C für 36 Stunden durchgeführt, um einen supraleitenden Draht auf Eisenbasis mit Ag-Hülse für Vergleichsbeispiel 4 herzustellen.
Auf der anderen Seite wurden 10 mol-% eines Pulvers von BaSnO₃(BSO), das in ein feines Pulver pulverisiert wurde, mit der polykristallinen Substanz von (Ba, K)Fe₂As₂ unter Verwendung einer Kugelmühle gemischt, wobei das resultierende gemischte Material in ein Ag-Rohr mit einem inneren Durchmesser von 4 mm und einer Dicke von 1 mm auf die gleiche Art und Weise wie für Vergleichsbeispiel 4 gepackt wurde. Das gemischte Material wurde dann in einen Draht mit einem äußeren Durchmesser von etwa 2 mm in einem Ziehverfahren bei Raumtemperatur verarbeitet, und dann wurde ein durch das Verfahren erhaltener linearer Körper in einer Länge von 4 cm geschnitten. Ferner wurde der nach dem Schneiden erhaltene lineare Körper mit einem SUS-Stück vakuumversiegelt, und eine Wärmebehandlung wurde bei 860°C für 36 Stunden durchgeführt, um einen supraleitenden Draht auf Eisenbasis mit Ag-Hülse gemäß Beispiel 4 herzustellen.
Die kritische Stromdichte J_c des supraleitenden Drahts auf Eisenbasis mit Ag-Hülse nach Vergleichsbeispiel 4 wurde bei 4,2 K evaluiert, und ein Wert von 7.500 A/cm² wurde in einem Magnetfeld von 0 erhalten, und ein Wert von 800 A/cm² wurde in einem Magnetfeld von 5 T erhalten.
In ähnlicher Weise wurde die kritische Stromdichte J_c des supraleitenden Drahts auf Eisenbasis mit Ag-Hülse nach Vergleichsbeispiel 4 bei 4,2 K evaluiert, und ein Wert von 865 A/cm² in einem Magnetfeld von 5 T wurde erhalten. Das heißt, Je wurde verbessert.
Eine Mikrostruktur eines Kerns des supraleitenden Drahts auf Eisenbasis mit Ag-Hülse nach Beispiel 4 wurde beobachtet. Aus der Beobachtung konnte erkannt werden, dass eine Teilchengröße der meisten BSO-Nanoteilchen 100 nm oder höher war, jedoch Nanoteilchen mit einer Teilchengröße von 30 nm oder weniger in einer Volumendichte von 6 × 10²¹ m^–3 vorhanden waren. Es wird in Erwägung gezogen, dass eine Abnahme von J_c während einer Magnetfeldbeaufschlagung aufgrund der BSO-Nanoteilchen unterdrückt wurde.
Zusätzlich war T von Vergleichsbeispiel 4 36,1 K, und T von Beispiel 4 war 36,0 K. Eine signifikante Variation von T aufgrund einer Verteilung der BSO-Nanoteilchen wurde nicht gefunden.
Eine polykristalline Substanz mit einem Zusammensetzungsverhältnis von Ba:K = 0,76.0,26 und eine polykristalline Substanz mit einem Zusammensetzungsverhältnis von Ba:K = 0,35:0,66 wurden gebildet, in der gleichen Sequenz wie für Beispiel 4, und 10 mol-% BSO wurden in diese polykristallinen Substanzen eingemischt, um einen supraleitenden Draht auf Eisenbasis mit Ag-Hülse nach Beispiel 5 und einen supraleitenden Draht auf Eisenbasis mit Ag-Hülse nach Beispiel 6 herzustellen.
Die kritische Stromdichte J_c der supraleitenden Drähte auf Eisenbasis mit Ag-Hülse nach Beispiel 5 und Beispiel 6 wurde bei 4,2 K evaluiert. Aus der Evaluierung konnte erkannt werden, dass die kritische Stromdichte J_c von Beispiel 5 und Beispiel 6 im Vergleich zu der kritischen Stromdichte J_c des supraleitenden Drahts auf Eisenbasis mit Ag-Hülse von Vergleichsbeispiel 4 während einer Magnetfeldbeaufschlagung verbessert wurde.
Zusätzlich war die T_c von Beispiel 5 30,8 K, und die T_c von Beispiel 6 war 29,6 K.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben und veranschaulicht worden sind, sollte verstanden werden, dass diese beispielhaft für die Erfindung sind und nicht als begrenzend zu betrachten sind. Zusätze, Weglassungen, Substitutionen und andere Modifikationen können durchgeführt werden, ohne von dem Geist oder Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist die Erfindung nicht als begrenzend durch die vorangehende Beschreibung zu betrachten und wird lediglich durch den Umfang der angehängten Ansprüche begrenzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-110254 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Katase et al., Applied Physics Letters, Band 98, 242510 (2011) [0007]
„Lee et al., Nature Materials, Band 9, 397 (2010)” [0009]
„Zhang et al., Applied Physics Letters, Band 98, 042509 (2011)” [0009]
Maiorov et al., Nature Materials, Band 8, 398 (2009) [0011]

Claims

Supraleitendes Material auf Eisenbasis, welches umfasst: einen Supraleiter auf Eisenbasis mit einer Kristallstruktur von ThCr₂Si₂; und Nanoteilchen, die wiedergegeben sind durch BaXO₃ (X stellt eine, zwei oder mehr Arten von Elementen dar, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zr, Sn, Hf und Ti) und eine Teilchengröße von 30 nm oder weniger aufweisen, wobei die Nanoteilchen in einer Volumendichte von 1 × 10²¹ m^–3 oder mehr verteilt sind.
Supraleitendes Material auf Eisenbasis nach Anspruch 1, wobei der Supraleiter auf Eisenbasis mit der Kristallstruktur ThCr₂Si₂ AFe_2+x(As_1-y, P_y)_2-z ist (wobei A eine oder zwei Arten von Elementen darstellt, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ba und Sr, und wobei –0,2 ≤ x ≤ 0,2, 0,2 ≤ y ≤ 0,45 und 0 ≤ z ≤ 0,2 ist).
Supraleitendes Material auf Eisenbasis nach Anspruch 1, wobei der Supraleiter auf Eisenbasis mit der Kristallstruktur ThCr₂Si₂ (A_1-α, K_a)Fe_2+βAs_2-γ ist (wobei A wenigstens eines darstellt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ba und Sr, und wobei 0,25 ≤ α ≤ 0,65, –0,2 ≤ β ≤ 0,2 und 0 ≤ y ≤ 0,2 ist).
Supraleitendes Material auf Eisenbasis nach Anspruch 1, wobei der Supraleiter auf Eisenbasis mit der Kristallstruktur ThCr₂Si₂ A(Fe_1-p,Co_p)_2+qAs_2-r ist (wobei A eine oder zwei Arten von Elementen darstellt, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ba und Sr, und wobei 0,06 ≤ p ≤ 0,13, –0,2 ≤ q ≤ 0,2 und 0 ≤ r ≤ 0,2 ist).
Supraleitendes Material auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teilchengröße der Nanoteilchen 5 bis 15 nm ist.
Supraleitendes Material auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nanoteilchen in einer Volumendichte von 1 × 10²² m^–3 bis 6 × 10²³ m^–3 verteilt sind.
Supraleitende Schicht auf Eisenbasis, die gebildet ist durch das supraleitende Material auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Supraleitendes Banddrahtmaterial auf Eisenbasis, welches umfasst: eine supraleitende Schicht auf Eisenbasis, die gebildet ist durch das supraleitende Material auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und die auf einem Metallbandbasismaterial gebildet ist.
Supraleitendes Drahtmaterial auf Eisenbasis, welches umfasst: das supraleitende Material auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches in einer Metallhülse eingefüllt ist.