JP2002198579A - Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜及びその製造方法 - Google Patents
Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜及びその製造方法Info
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Abstract
うな基板を用いた場合においても高品質なNd−Ba−
Cu−O系高温超伝導膜を提供すること。 【解決手段】 基板21上に位置するNd−Ba−Cu
−O系高温超伝導材料の第1層25と、その上に位置す
るNd−Ba−Cu−O系高温超伝導材料の第2層27
からなり、第1層25におけるCu組成が第2層27に
おけるそれより大きい膜とする。このような膜は、第1
層用の原料を用い650〜700℃の温度で第1層25
を基板21上に形成し、次いでこの第1層25の上に、
Cu組成が第1層用の原料におけるCu組成より小さい
第2層用の原料を用い800〜850℃の温度で第2層
27を形成する方法により製造することができる。
Description
Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜とその製造方法に
関する。本発明のNd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜
は、特に、移動体通信や衛星通信分野などの通信機器に
用いられる高温超伝導フィルタヘ適用するのに好適であ
る。
(以下「NBCO膜」)は、同種の比較的高品質な膜が
得られやすいY−Ba−Cu−O系高温超伝導膜(以下
「YBCO膜」)に比べ、超伝導現象を発現する臨界温
度Tcが高く、表面が平坦であり、水分による劣化が起
こりにくい利点がある。
パルスレーザ蒸着法やスパッタ法などにより、NBCO
膜との格子マッチングのよいSrTiO3やLaA1O3
などの単結晶基板上に形成する。ただし、その成膜温度
は、YBCO膜に比べて約100℃高い800℃程度に
する必要があり、それによって、基板面に対して、c軸
(結晶格子の長軸方向)配向した高品質なNBCO膜が
形成できる。
チングが劣るものの、形成したNBCO膜中のクラック
の発生が抑制でき、誘電損失が小さいなど、高周波特性
に優れたMgO基板があり、通信機器に用いられる高温
超伝導フィルタなどで比較的よく使用される。
晶基板にNBCO膜を形成する場合には、上述のように
成膜温度が高いため、図1に模式的に示したように膜面
内において一部にMgOのa軸方向に対して約25.5
°や45°の傾角をもった結晶粒が成長してしまう。図
1において、11はMgO単結晶基板であり、13aは
MgOのa軸方向に配向したNBCO結晶粒、13bは
MgOのa軸方向に対して傾角をもったNBCO結晶
粒、15は傾角粒界を表している。
流の流れが阻害され、高周波特性の表面抵抗が増加して
しまうといった問題があった。本発明は、この問題点を
解消し、NBCO膜との格子マッチングが劣るMgO単
結晶基板のような基板を用いた場合においても高品質な
NBCO系高温超伝導膜を提供することを目的とする。
高温超伝導膜は、基板上に位置するNd−Ba−Cu−
O系高温超伝導材料の第1層と、その上に位置するNd
−Ba−Cu−O系高温超伝導材料の第2層からなり、
第1層におけるCu組成が第2層におけるそれより大き
いことを特徴とする。
超伝導膜(NBCO膜)は、第1層用の原料を用い65
0〜700℃の温度でNd−Ba−Cu−O系高温超伝
導材料の第1層を基板上に形成し、次いでこの第1層の
上に、Cu組成が第1層用の原料におけるCu組成より
小さい第2層用の原料を用い800〜850℃の温度で
Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導材料の第2層を形成
する方法により製造することができる。
高温超伝導膜(NBCO膜)は、基板上に位置する第1
層とその上の第2層の2層構造を有する。第1層のNB
CO膜をその上にエピタキシャル成長させる基板として
は、誘電体基板を使用することができ、好ましくはMg
O、サファイア、LaAlO3、又はSrTiO3等の酸
化物単結晶基板を用いることができる。サファイア基板
やLaAlO3基板を用いる場合には、その上に成長さ
せる第1層のNBCO膜との格子マッチングを向上させ
る目的で、基板と第1層のNBCO膜との間にMgOの
バッファー層を挿入するのが有利である。この場合のバ
ッファー層はMgO(100)配向膜層として形成さ
れ、その膜厚は5〜60nm程度が好適である。
CucOd(化学量論上は、a=1、b=2、c=3、d
=7)の組成式で表される。本発明においては、この材
料の構成元素のうちのCuの組成が、第1層において第
2層におけるそれより大きくなるようにする。より具体
的に言えば、上記の組成式中のCu組成cが、第1層に
おいてはc=3.0〜3.2、第2層においてはc=
2.9〜3.1となるようにするのが好ましい。このよ
うにCu組成を異にする二つの層は、それぞれの層の組
成に対応する組成の原料を用いるパルスレーザ蒸着法や
スパッタ法等の方法によりエピタキシャル成長させるこ
とで、容易に形成することができる。各層のCu組成を
上記の範囲からはずれたものにすることは可能である
が、その場合はNBCO系高温超伝導材料の化学量論上
の組成からより大きくはずれることになり、形成した膜
の特性が低下しかねない。一方、形成した膜の特性が有
意に低下しない限りにおいて、Cu以外のNd、Ba、
Oの組成が上記の化学量論上の組成からはずれでも差し
支えはない。
及び第2層のNBCO膜の製膜時に重要なことは、第1
層のNBCO膜の製膜温度を、良好なNBCO膜の形成
に従来から用いられている800℃前後の製膜温度より
も100〜150℃低い650〜700℃にすることで
ある。第1層の製膜温度が650℃未満では、NBCO
膜の形成が困難であり、700℃を超えると第1層上に
形成する第2層のNBCO膜の特性が低下してしまう。
第1層形成後は、製膜温度を第2層の製膜温度まで上昇
させることができる。
に形成するのが好ましい。5nmに満たなければ、たと
え上記の製膜温度で第1層を形成したとしても、第2層
の膜の特性が低下してしまう。60nmより厚くなる
と、全厚みに対して第1層の厚みが増大することや第2
層のc軸配向性の低下によって表面抵抗が増大する。一
方、第2層の膜厚は0.5〜1μmが適当である。0.
5μm未満では、超伝導電流の流れる厚みの磁気侵入長
(約0.25μm)の2倍以下になるため有効電流密度
が増大し、表面抵抗が増大してしまう。1μmより厚く
なると、表面の凹凸が顕著になり、表面抵抗が増大し、
積層デバイスの作製に悪影響を及ぼす。
のように異なる製膜温度でエピタキシャル成長させ、且
つ、第1層と第2層におけるCu組成を上述の如く変化
させることによって、MgO基板のようにNBCO膜と
の格子マッチングが劣る基板を用いても、面内配向性及
び品質とも良好なNBCO高温超伝導膜を得ることがで
きる。
に示す。図2(a)において、21はMgO等の単結晶
基板であり、23は図中の矢印で示した基板のa軸方向
に配向したNBCO結晶粒である。図1に示した従来の
NBCO膜と対照的に、本発明によるNBCO膜におけ
るNBCO結晶粒23のうちにa軸方向に対して傾角を
もったものは見られない。また、図2(b)の拡大断面
図に示したように、本発明のNBCO膜は基板21上の
第1層25及びその上の第2層27の2層構造をもつ。
体通信や衛星通信分野などの通信機器に用いられる高温
超伝導フィルタに適用することができる。このほかに
も、本発明のNBCO系高温超伝導膜は、膜の形態で超
伝導効果を利用する各種の用途、例えばデジタル配線類
や、ジョセフソン素子等に適用することも可能である。
とにするが、本発明はこれらの実施例にいささかも限定
されるものではない。
を説明する図と成膜温度プロファイルをそれぞれ図3、
図4に示す。パルスレーザ蒸着装置に、Cu組成の違う
2種類のNBCO超伝導体の焼結体ターゲツト(Nda
BabCucOdで表される組成式におけるCu組成がc
=3.1のもの及びc=3.0のもの)とMgO基板を
セットした。ランプヒータにより、基板温度を700℃
まで60℃/minの速度で上昇させた。装置内を酸素
ガス圧力6.7Pa(50mTorr)の雰囲気とし、
KrFレーザでCu組成の多い方のNBCOターゲット
をアブレートすることにより、図3(a)に示したよう
に、MgO基板31上に厚さ約40nmの第1層33a
を形成した。その後、基板温度を800℃まで10℃/
minの速度で上昇させ、Cu組成の少ない方のNBC
Oターゲットをアブレートすることにより、図3(b)
に示したように、厚さ約500nmの第2層33bを形
成した。第2層形成後、酸素雰囲気中で基板温度を60
℃/minの速度で200℃まで冷却し、その後自然冷
却して、NBCO膜33(図3(b))が得られた。こ
のNBCO膜33をX線回折と偏光顕微鏡で観測し、傾
角粒界のないことを確認した。
を説明する図と成膜温度プロファイルをそれぞれ図5、
図6に示す。パルスレーザ蒸着装置に、MgOターゲッ
トとCu組成の違う2種類のNBCO超伝導体の焼結体
ターゲツト(NdaBabCucOdで表される組成式にお
けるCu組成がc=3.1のものとc=3.0のも
の)、及びサファイア基板をセットした。ランプヒータ
により、基板温度を700℃まで60℃/minの速度
で上昇させた。装置内を酸素ガス圧力6.7Pa(50
mTorr)の雰囲気とし、KrFレーザでMgOター
ゲットをアブレートし、図5(a)に示したように、サ
ファイア基板51の上に厚さ約50nmのMgO膜のバ
ッファー層52を形成した。引き続き、同じ温度におい
て、同じくKrFレーザでCu組成の多い方のNBCO
ターゲットをアブレートすることにより、図5(b)に
示したように、MgOバッファー層52の上に厚さ約4
0nmのNBCOの第1層53aを形成した。その後、
基板温度を800℃まで10℃/minの速度で上昇さ
せ、Cu組成の少ない方のNBCOターゲットをアブレ
ートして、図5(c)に示したように、厚さ約500n
mのNBCOの第2層53bを形成した。第2層形成
後、酸素雰囲気中で基板温度を60℃/minの速度で
200℃まで冷却し、その後自然冷却して、NBCO膜
53(図5(c))が得られた。このNBCO膜53を
X線回折と偏光顕微鏡で観測し、やはり傾角粒界のない
ことを確認した。
その特徴を種々の態様ととも付記すれば、次のとおりで
ある。 (付記1)基板上に位置するNd−Ba−Cu−O系高
温超伝導材料の第1層と、その上に位置するNd−Ba
−Cu−O系高温超伝導材料の第2層からなり、第1層
におけるCu組成が第2層におけるそれより大きいこと
を特徴とするNd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜。 (付記2)前記Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導材料
が化学量論上NdBa 2Cu3O7の組成式で表され、第
1層の材料のCu組成がc=3.0〜3.2、第2層の
材料のCu組成がc=2.9〜3.1で表される、付記
1記載のNd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜。 (付記3)前記第1層の膜厚が5〜60nm、前記第2
層の膜厚が0.5〜1μmである、付記1又は2記載の
Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜。 (付記4)前記基板がMgO、サファイア、LaAlO
3又はSrTiO3である、付記1から3までのいずれか
一つに記載のNd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜。 (付記5)前記基板がサファイア又はLaAlO3であ
り、当該基板と前記第1層との間にMgOのバッファー
層が存在する、付記4記載のNd−Ba−Cu−O系高
温超伝導膜。 (付記6)基板上に、第1層用の原料を用い650〜7
00℃の温度でNd−Ba−Cu−O系高温超伝導材料
の第1層を形成し、次いでこの第1層の上に、Cu組成
が第1層用の原料におけるCu組成より小さい第2層用
の原料を用い800〜850℃の温度でNd−Ba−C
u−O系高温超伝導材料の第2層を形成することを特徴
とする、Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜の製造方
法。 (付記7)前記Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導材料
が化学量論上NdBa 2Cu3O7の組成式で表され、第
1層用の原料としてCu組成がc=3.0〜3.2で表
されるもの、第2層用の原料としてCu組成がc=2.
9〜3.1で表されるものを使用する、付記6記載の製
造方法。 (付記8)前記第1層の膜厚を5〜60nm、前記第2
層の膜厚を0.5〜1μmとする、付記6又は7記載の
製造方法。 (付記9)前記基板がMgO、サファイア、LaAlO
3又はSrTiO3である、付記6から8までのいずれか
一つに記載の製造方法。
MgO基板などの上に形成した面内配向性の良好な高品
質のNBCO系高温超伝導膜の利用が可能になり、それ
により移動体通信や衛星通信分野などの通信機器に用い
られる高温超伝導フィルタなどの特性向上に大きく寄与
するところができる。
る。
る。
る。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 基板上に位置するNd−Ba−Cu−O
系高温超伝導材料の第1層と、その上に位置するNd−
Ba−Cu−O系高温超伝導材料の第2層からなり、第
1層におけるCu組成が第2層におけるそれより大きい
ことを特徴とするNd−Ba−Cu−O系高温超伝導
膜。 - 【請求項2】 前記Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導
材料が化学量論上NdBa2Cu3O7の組成式で表さ
れ、第1層の材料のCu組成がc=3.0〜3.2、第
2層の材料のCu組成がc=2.9〜3.1で表され
る、請求項1記載のNd−Ba−Cu−O系高温超伝導
膜。 - 【請求項3】 前記第1層の膜厚が5〜60nm、前記
第2層の膜厚が0.5〜1μmである、請求項1又は2
記載のNd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜。 - 【請求項4】 前記基板がMgO、サファイア、LaA
lO3又はSrTiO3である、請求項1から3までのい
ずれか一つに記載のNd−Ba−Cu−O系高温超伝導
膜。 - 【請求項5】 基板上に、第1層用の原料を用い650
〜700℃の温度でNd−Ba−Cu−O系高温超伝導
材料の第1層を形成し、次いでこの第1層の上に、Cu
組成が第1層用の原料におけるCu組成より小さい第2
層用の原料を用い800〜850℃の温度でNd−Ba
−Cu−O系高温超伝導材料の第2層を形成することを
特徴とする、Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜の製
造方法。
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JP2000393393A JP4781526B2 (ja) | 2000-12-25 | 2000-12-25 | Nd−Ba−Cu−O系高温超伝導膜及びその製造方法 |
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