JP2003040698A - 酸化物高温超伝導体針状結晶及びその製造方法 - Google Patents

酸化物高温超伝導体針状結晶及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超伝導デバイス素子の実現に不可欠な、欠陥
の極めて少ない酸化物高温超伝導体Bi2 Sr2 Ca2
Cu3 10(Bi−2223)の針状単結晶を備えた酸
化物高温超伝導体針状結晶及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 Bi−2223結晶構造の酸化物に対し
て、TeO2 ,CaO,(SrCa)3 TeO6 等を含
有する圧粉成形体を、酸素雰囲気中にて、熱処理し、成
形体からBi−2223結晶構造の針状単結晶を育成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超伝導エレクトロ
ニクス素子を実現するために不可欠な酸化物高温超伝導
体の、欠陥のほとんどない単結晶、すなわち完全結晶に
近い酸化物高温超伝導体針状結晶及びその製造方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】酸化物高温超伝導体の単結晶は、導電層
と非導電層が交互に積層した結晶構造を持ち、各層間が
固有ジョセフソン結合している。近年、この固有ジョセ
フソン効果を用いた単結晶スイッチング素子デバイスが
提案されている。この新しい単結晶スイッチング素子
は、従来のジョセフソン接合よりほぼ1/100に小型
化することができ、スイッチング速度も100倍程度速
く、作動周波数は、THz(テラヘルツ)の高周波が期
待されている。
【0003】現在、Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10針状
結晶を用いて作製したサブミクロン結晶素子において、
電子対が1個ずつ通過する超伝導単電子トンネル現象が
起こることが明らかにされている。この現象を起こすに
は、液体ヘリウム温度(4.2K)で作動する必要があ
るが、結晶のユニットセルの積層数を1000程度にす
ると、液体窒素温度(77K)で作動する超伝導単電子
対素子が実現できるものと予想されている。
【0004】これらの素子の実現には、無欠陥もしくは
欠陥の極めて少ない単結晶が要求される。現在のとこ
ろ、Bi系酸化物超伝導体の針状結晶が最も性能が良い
と言われている。この酸化物超伝導体には、超伝導臨界
温度が約85KのBi2 Sr2Ca1 Cu2 8 (Bi
−2212)の結晶構造と、超伝導臨界温度が約110
KのBi2 Sr2 Ca2 Cu3 10(Bi−2223)
結晶構造の2種類の結晶構造がある。開発・研究には、
育成が実現しているBi−2212結晶構造の針状結晶
が使用されている。本発明者らは、Bi−2212結晶
構造の針状結晶を育成するための仕込み組成に、その融
点を低くする元素を含有する圧粉成形体から、急冷、非
晶質化を経ることなく、極めて結晶性の良いBi−22
12結晶構造の針状結晶を育成することに成功し、既に
特許出願をした(特願2001−38170)。
【0005】超伝導臨界温度が85KのBi−2212
結晶構造より、超伝導臨界温度が110Kと液体窒素温
度77Kよりはるかに高いBi−2223結晶構造の針
状結晶は、実用の観点から極めて有利である。しかし、
これまでに育成されている針状結晶はBi−2212結
晶構造のみであり、Bi−2223結晶構造の針状結晶
の育成には成功していない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、酸化
物高温超伝導体Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10(Bi−
2223)結晶構造の欠陥のない針状結晶の製造方法を
確立し、高品位針状結晶を作製することは未だ実現され
ていない。
【0007】そこで、Bi−2223結晶構造の欠陥の
ない針状結晶の製造方法を確立し、高品位針状結晶を作
製して、現在理論的に提案されているが未だ実現してい
ない超伝導エレクトロニクス素子実用化への道を拓くこ
とが課題である。
【0008】本発明は、上記状況に鑑み、超伝導デバイ
ス素子の実現に不可欠な、欠陥の極めて少ない酸化物高
温超伝導体Bi−2223結晶構造の酸化物高温超伝導
体針状結晶及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕酸化物高温超伝導体針状結晶において、Bi2
2 Ca2 Cu3 10結晶構造の酸化物1モルに対し
て、TeO2 を0.2〜0.8モル含有する圧粉成形体
を、5〜100%酸素雰囲気中にて、840〜890℃
で熱処理し、前記成形体から育成されるBi2 Sr2
2 Cu3 10結晶構造の針状結晶を具備する。
【0010】〔2〕Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶
構造の針状結晶の製造方法において、Bi2 Sr2 Ca
2 Cu3 10結晶構造の酸化物1モルに対して、TeO
2 を0.2〜0.8モル含有する圧粉成形体を、5〜1
00%酸素雰囲気中にて、840〜890℃で熱処理
し、前記成形体からBi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶
構造の針状結晶を育成することを特徴とする。
【0011】〔3〕酸化物高温超伝導体針状結晶におい
て、Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の酸化物1
モルに対してTeO2 を0.2〜0.8モル、CaOを
0.1〜2.0モル複合含有する圧粉成形体を、5〜1
00%酸素雰囲気中にて、840〜890℃で熱処理
し、前記成形体から育成されるBi2 Sr2 Ca2 Cu
3 10結晶構造の針状結晶を具備する。
【0012】〔4〕Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶
構造の針状結晶の製造方法において、Bi2 Sr2 Ca
2 Cu3 10結晶構造の酸化物1モルに対してTeO2
を0.2〜0.8モル、CaOを0.1〜2.0モル複
合含有する圧粉成形体を、5〜100%酸素雰囲気中に
て、840〜890℃で熱処理し、前記成形体からBi
2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の針状結晶を育成す
ることを特徴とする。
【0013】〔5〕酸化物高温超伝導体針状結晶におい
て、Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の酸化物1
モルに対して、(SrCa)3 TeO6 結晶構造の酸化
物を0.2〜0.8モル含有する圧粉成形体を、5〜1
00%酸素雰囲気中にて、840〜890℃で熱処理
し、前記成形体から育成されるBi2 Sr2 Ca2 Cu
3 10結晶構造の針状結晶を具備する。
【0014】〔6〕Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶
構造の針状結晶の製造方法において、Bi2 Sr2 Ca
2 Cu3 10結晶構造の酸化物1モルに対して、(Sr
Ca)3 TeO6 結晶構造の酸化物を0.2〜0.8モ
ル含有する圧粉成形体を、5〜100%酸素雰囲気中に
て、840〜890℃で熱処理し、前記成形体からBi
2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の針状結晶を育成す
ることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明は、酸化物高温超伝導体B
2 Sr2 Ca2 Cu3 10(Bi−2223)結晶構
造の粉末にTeO2 ,CaOなどの粉末を含有させた圧
粉成形体を酸素分圧を変えた雰囲気中で熱処理し、成形
体から直接Bi−2223結晶構造の針状結晶を作製す
ることに成功した。
【0016】これまでの針状結晶の育成は、多相の仮焼
粉末を用いて行われていた。そのためBi−2223結
晶構造の針状結晶の育成は不可能であった。
【0017】本発明は、あらかじめBi−2223結晶
構造の単相粉末を特殊な方法で作製し、針状結晶の成長
を可能にするTeO2 の粉末、TeO2 とCaOの粉
末、あるいは(SrCa)3 TeO6 の粉末をその単相
粉末に含有させた圧粉成形体から直接Bi−2223構
造の針状結晶を育成するものである。この製造方法と、
これによって育成された針状結晶は全く新しいもので、
これにより超伝導臨界温度が110Kの針状結晶が実現
できた。
【0018】以下、本発明の実施の形態について詳細に
説明する。
【0019】(1)Bi−2223結晶構造の単相化の
効果 超伝導臨界温度が、20K以下のBi−2201、85
K近傍のBi−2212、110K近傍のBi−222
3結晶構造の針状結晶の育成の研究過程で、針状結晶の
結晶構造は、圧粉成形体すなわち母相の結晶構造に支配
されることを見いだした。欠陥のない単相のBi−22
23結晶構造の針状結晶は、単相のBi−2223結晶
構造の母相圧粉成形体からの育成が不可欠である。
【0020】(2)TeO2 の含有とTeO2 とCaO
の複合含有の効果 針状結晶は、酸化物高温超伝導体と仕込み組成の母相と
の融点の差が大きいほど成長が促進される。そこで、母
相の融点を低くするTeO2 を仕込み組成に含有させる
ことが極めて有効である。Bi−2223結晶構造の針
状結晶は、Bi 2 Sr2 Ca2 Cu3 10の酸化物1モ
ルに対して、TeO2 の含有量が0.2〜0.8モルの
場合において成長し、0.5モル近傍でその効果が最も
大きい。ここで、育成した針状結晶には、Teが含まれ
ていない。
【0021】さらに、針状結晶は、TeO2 とCaOの
複合含有によって、より母相の融点が低くなり、成長が
促進される。そこで、TeO2 の含有、TeO2 とCa
Oの複合含有ともに、母相には、(SrCa)3 TeO
6 結晶構造が生成されている。
【0022】(3)(SrCa)3 TeO6 含有の効果 Bi−2223結晶構造の針状結晶の育成には、母相に
それを成長させるための拡散の駆動力が必要である。母
相に含有される(SrCa)3 TeO6 がこの駆動力の
役割を果たしている。Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10
晶構造の酸化物1モルに対して(SrCa)3 TeO6
結晶構造の酸化物が0.2〜0.8モル含有する圧粉成
形体において針状結晶が成長し、0.5モル近傍でその
効果が最も大きい。
【0023】(4)熱処理の温度と雰囲気の効果 針状結晶の育成には、熱処理の温度と雰囲気の最適化が
必要である。Bi−2223結晶構造の針状結晶は、熱
処理の温度840〜890℃、雰囲気の酸素割合5〜1
00%において成長する。その最適条件は、熱処理の温
度860℃、雰囲気の酸素割合10%である。 〔実施例〕 (1)Bi−2223結晶構造の単相化の効果 Bi−2223仕込み組成の粉末を、化学的共沈法によ
って作製した。その圧粉成形体を20%O2 中にて、8
45℃〜850℃で100h熱処理して、Bi−222
3結晶構造の単相ペレットを得た。このペレットを加水
分解しないように無水アルコール中で粉砕をボールミル
で行い、Bi−2223結晶構造の単相粉末を作製し
た。ここで、Bi−2223構造の単相化には、Biの
一部をPbで置換した(BiPb)2 Sr2 Ca2 Cu
3 10とすることが必要である。
【0024】すでに知られているように、その仕込み組
成は、詳しくは、Bi1.6-1.8 Pb 0.3-0.4 Sr1.9
2.1 Cu3.0 x である。
【0025】一方、同じ仕込み組成であるがBi−22
12結晶構造にCa2 CuO3 ,Ca2 PbO4 などが
含まれる多相の仮焼粉末を用意した。これらの粉末にB
2Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の酸化物1モルに
対してTeO2 を0.5モル、CaOを1.0モル複合
含有させた混合粉末を820℃で10h仮焼した後、圧
粉成形体、直径φ15mm、厚さ2mmを作製した。
【0026】この圧粉成形体を10%酸素雰囲気中に
て、860℃で100h熱処理し、成形体から針状結晶
を育成した。表1に、圧粉成形体、すなわち、母相の結
晶構造と針状結晶の結晶構造について示す。
【0027】
【表1】
【0028】Bi−2212結晶構造の母相からは、B
i−2212結晶構造の針状結晶が、Bi−2223結
晶構造の母相からは、Bi−2223結晶構造の針状結
晶が成長する。すなわち、針状結晶の結晶構造は、母相
内超伝導体の結晶構造に支配される。単相のBi−22
23結晶構造の針状結晶は、Bi−2223結晶構造の
母相圧粉成形体からのみで育成が可能である。
【0029】(2)TeO2 の含有とTeO2 とCaO
の複合含有の効果 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の酸化物にTe
2 の含有、TeO2とCaOの複合含有において、そ
の含有量を変えた混合粉末を820℃で10h仮焼した
後、直径φ15mm、厚さ2mmの圧粉成形体を作製し
た。この圧粉成形体を10%酸素雰囲気中にて、860
℃で100h熱処理し、成形体から針状結晶を育成し
た。表2にTeO2 の含有量とTeO2 とCaOの複合
含有量を変化させたときのBi−2223結晶構造の針
状結晶の長さについて示す。
【0030】
【表2】
【0031】Bi−2223結晶構造の針状結晶は、B
2 Sr2 Ca2 Cu3 10の酸化物1モルに対してT
eO2 の含有量が0.2〜0.8モルの場合において成
長し、0.5モル近傍でその効果が最も大きく、長さ6
〜8mmに成長する。さらに、最も効果的であった0.
5モルのTeO2 とCaOとの複合含有については、C
aOの含有量が0.1〜2.0モルの複合含有の場合に
おいて成長し、Ca1.0モル近傍でその効果が最も大
きく、長さ9〜12mmに成長する。針状結晶はTeO
2 とCaOの複合含有によって、より成長が促進され
る。
【0032】また、Teを含有しない成形体では、針状
結晶の成長が観察されなかった。育成した針状結晶に
は、Teが含まれていない。
【0033】さらに、TeO2 の含有、TeO2 とCa
Oの複合含有ともに、母相には(SrCa)3 TeO6
結晶構造が生成されている。
【0034】(3)(SrCa)3 TeO6 含有の効果 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の酸化物に(S
rCa)3 TeO6 の含有において、その含有量を変え
た混合粉末を820℃で10h仮焼した後、圧粉成形
体、直径φ15mm、厚さ2mmを作製した。この圧粉
成形体を10%酸素雰囲気中にて、870℃で100h
熱処理し、成形体から針状結晶を育成した。表3に(S
rCa)3 TeO6 の含有量を変化させたときのBi−
2223結晶構造の針状結晶の長さについて示す。
【0035】
【表3】
【0036】Bi−2223結晶構造の針状結晶は、B
2 Sr2 Ca2 Cu3 10の酸化物1モルに対して
(SrCa)3 TeO6 の含有量が0.2〜0.8モル
の場合において成長し、0.5モル近傍でその効果が最
も大きく、長さ5〜7mmに成長する。なお、育成した
針状結晶にはTeが含まれていない。
【0037】(4)熱処理の温度と雰囲気の効果 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の酸化物1モル
に対して、TeO2 を0.5モル、CaOを1.0モル
複合含有させた混合粉末を、820℃で10h仮焼した
後、直径φ15mm、厚さ2mmの圧粉成形体を作製し
た。この圧粉成形体を温度と雰囲気の酸素割合を変えて
100h熱処理し、成形体から針状結晶を育成した。こ
こで、酸素割合は、アルゴンとの混合によって制御し
た。表4に熱処理の温度と雰囲気の酸素割合を変化させ
たときのBi−2223結晶構造の針状結晶の長さにつ
いて示す。
【0038】
【表4】
【0039】Bi−2223結晶構造の針状結晶は、雰
囲気の酸素割合10%のとき、熱処理温度840〜89
0℃において成長し、860℃で長さ9〜12mmに成
長する。さらに、成長の最も良かった熱処理温度860
℃のとき、針状結晶は、雰囲気の酸素割合5〜100%
において成長し、10%で長さ9〜12mmに成長す
る。熱処理の最適条件は、温度860℃、雰囲気の酸素
割合10%である。
【0040】育成された針状結晶は、X線回折法、電子
線マイクロアナライザー、エネルギー分散スペクトロメ
ーターで調べた。針状結晶は、全てBi−2223相の
単結晶で母相の融点を低くする元素Teが含有していな
かった。
【0041】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0042】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【0043】(A)Bi−2223結晶構造の、欠陥の
ない針状結晶の製造方法を確立し、高品位針状結晶を育
成することができる。
【0044】(B)そのBi−2223結晶構造の針状
結晶の提供によって、現在理論的に提案されているが、
未だ実現されていない超伝導エレクトロニクス素子の開
発に貢献することができる。すなわち、これまで不可能
な領域であった高周波・高速スイッチング素子が実現さ
れ、特に、情報関連技術に大きな影響をもたらすことが
できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金 相宰 宮城県仙台市太白区茂庭台4−25−3− 505 (72)発明者 長尾 雅則 北海道北見市田端町32−24 田端荘6号室 Fターム(参考) 4G047 JA06 JB02 JB03 JC10 KB04 KB14 KB17 LB02 4G048 AA05 AB01 AB05 AC04 AD04 AD06 AD07 AE05 4G077 AA04 BC58 CA04 CA08 EC05

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造
    の酸化物1モルに対して、TeO2 を0.2〜0.8モ
    ル含有する圧粉成形体を、5〜100%酸素雰囲気中に
    て、840〜890℃で熱処理し、前記成形体から育成
    されるBi2Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造の針状結
    晶を具備する酸化物高温超伝導体針状結晶。
  2. 【請求項2】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造
    の酸化物1モルに対して、TeO2 を0.2〜0.8モ
    ル含有する圧粉成形体を、5〜100%酸素雰囲気中に
    て、840〜890℃で熱処理し、前記成形体からBi
    2 Sr2 Ca 2 Cu3 10結晶構造の針状結晶を育成す
    ることを特徴とする酸化物高温超伝導体針状結晶の製造
    方法。
  3. 【請求項3】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造
    の酸化物1モルに対してTeO2 を0.2〜0.8モ
    ル、CaOを0.1〜2.0モル複合含有する圧粉成形
    体を、5〜100%酸素雰囲気中にて、840〜890
    ℃で熱処理し、前記成形体から育成されるBi2 Sr2
    Ca2 Cu3 10結晶構造の針状結晶を具備する酸化物
    高温超伝導体針状結晶。
  4. 【請求項4】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造
    の酸化物1モルに対してTeO2 を0.2〜0.8モ
    ル、CaOを0.1〜2.0モル複合含有する圧粉成形
    体を、5〜100%酸素雰囲気中にて、840〜890
    ℃で熱処理し、前記成形体からBi2 Sr2 Ca2 Cu
    3 10結晶構造の針状結晶を育成することを特徴とする
    酸化物高温超伝導体針状結晶の製造方法。
  5. 【請求項5】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造
    の酸化物1モルに対して、(SrCa)3 TeO6 結晶
    構造の酸化物を0.2〜0.8モル含有する圧粉成形体
    を、5〜100%酸素雰囲気中にて、840〜890℃
    で熱処理し、前記成形体から育成されるBi2 Sr2
    2 Cu3 10結晶構造の針状結晶を具備する酸化物高
    温超伝導体針状結晶。
  6. 【請求項6】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10結晶構造
    の酸化物1モルに対して、(SrCa)3 TeO6 結晶
    構造の酸化物を0.2〜0.8モル含有する圧粉成形体
    を、5〜100%酸素雰囲気中にて、840〜890℃
    で熱処理し、前記成形体からBi2 Sr2 Ca2 Cu3
    10結晶構造の針状結晶を育成することを特徴とする酸
    化物高温超伝導体針状結晶の製造方法。
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