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Info
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Abstract
の極めて少ない酸化物高温超伝導体Bi2 Sr2 Ca2
Cu3 O10(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
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。
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。
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。
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 O8 (Bi
−2212)の結晶構造と、超伝導臨界温度が約110
KのBi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10(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)。
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。
物高温超伝導体Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10(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。
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。
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。
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 S
r2 Ca2 Cu3 O10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 C
a2 Cu3 O10結晶構造の針状結晶を具備する。
構造の針状結晶の製造方法において、Bi2 Sr2 Ca
2 Cu3 O10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 O10結晶
構造の針状結晶を育成することを特徴とする。
て、Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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 O10結晶構造の針状結晶を具備する。
構造の針状結晶の製造方法において、Bi2 Sr2 Ca
2 Cu3 O10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 O10結晶構造の針状結晶を育成す
ることを特徴とする。
て、Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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 O10結晶構造の針状結晶を具備する。
構造の針状結晶の製造方法において、Bi2 Sr2 Ca
2 Cu3 O10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 O10結晶構造の針状結晶を育成す
ることを特徴とする。
i2 Sr2 Ca2 Cu3 O10(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。
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。
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。
説明する。
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。
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 O10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。
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。
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 O10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。
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 O10とすることが必要である。
成は、詳しくは、Bi1.6-1.8 Pb 0.3-0.4 Sr1.9 C
a2.1 Cu3.0 Ox である。
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
i2Sr2 Ca2 Cu3 O10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。
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。
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。
の複合含有の効果 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10結晶構造の酸化物にTe
O2 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。
i2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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。
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。
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。
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。
i2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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。
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。
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。
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。
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。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
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。
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。
Claims (6)
- 【請求項1】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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 O10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。 - 【請求項2】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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 O10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。 - 【請求項3】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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 O10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。 - 【請求項4】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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 O10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。 - 【請求項5】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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 C
a2 Cu3 O10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。 - 【請求項6】 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10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
O10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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