JP2003529201A - 長寸の超伝導構造とその製造方法 - Google Patents
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
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- H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
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- H10N60/0632—Intermediate layers, e.g. for growth control
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- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
超伝導構造（２）は金属製の二軸方向にテクスチュアされた支持板（３）、この支持板上に析出された、異なる酸化物から成る少なくとも２つの中間層（４、５）及びその上に（ＲＥ）Ｍ2Ｃｕ3ＯX（ＲＥ＝希土類、Ｍ＝アルカリ土類金属） 型の高温超伝導層（７）を有する。その際支持板（３）に面する中間層（４）はＹ2Ｏ3から成り、超伝導層（７）に面する比較的薄い中間層（５）はＣｅＯ2から成る。これらの層（４、５、７）は特にヘテロエピタキシャルに成長させてある。
Description
【０００１】
本発明は設定方向に電流を通すための長寸の超伝導構造に関する。この構造は
以下に記載する部分、即ち二軸方向にテクスチュアされた金属材料からなる支持
板、この支持板上に析出された互いに異なる酸化物材料から成る少なくとも２つ
の中間層を有する中間層組織及びこの中間層組織上に析出された（ＲＥ）Ｍ2Ｃ
ｕ3ＯX型（ＲＥはイットリウムを含む少なくとも１つの希土類金属、Ｍは少なく
とも１つのアルカリ土類金属）の高温超伝導材料から成る超伝導層を有する。更
に本発明はこのような超伝導構造の製造方法に関する。対応する超伝導構造及び
その製造方法は「応用超伝導（Applied Superconductivity）」１９９６年、第
４巻、第１０〜１１号、第４０３〜４２７頁に記載されている。
以下に記載する部分、即ち二軸方向にテクスチュアされた金属材料からなる支持
板、この支持板上に析出された互いに異なる酸化物材料から成る少なくとも２つ
の中間層を有する中間層組織及びこの中間層組織上に析出された（ＲＥ）Ｍ2Ｃ
ｕ3ＯX型（ＲＥはイットリウムを含む少なくとも１つの希土類金属、Ｍは少なく
とも１つのアルカリ土類金属）の高温超伝導材料から成る超伝導層を有する。更
に本発明はこのような超伝導構造の製造方法に関する。対応する超伝導構造及び
その製造方法は「応用超伝導（Applied Superconductivity）」１９９６年、第
４巻、第１０〜１１号、第４０３〜４２７頁に記載されている。
【０００２】
７７Ｋ以上の高い転移温度Ｔｃを有し、従って高温超伝導材料又はＨＴＳ材料
とも呼ばれ、特に液体窒素（ＬＮ2）冷却法を可能にする、超伝導性の金属酸化
化合物は公知である。このような金属酸化化合物には、特に（ＲＥ）−Ｍ−Ｃｕ
−Ｏ型のような特殊な物質系をベースとする銅酸塩がある。ここにＲＥはイット
リウムを含む少なくとも１つの希土類金属を、またＭは少なくとも１つのアルカ
リ土類金属を意味する。この型の代表例には、ＹＢａ2Ｃｕ3ＯXの材料、所謂「
ＹＢＣＯ」がある。
とも呼ばれ、特に液体窒素（ＬＮ2）冷却法を可能にする、超伝導性の金属酸化
化合物は公知である。このような金属酸化化合物には、特に（ＲＥ）−Ｍ−Ｃｕ
−Ｏ型のような特殊な物質系をベースとする銅酸塩がある。ここにＲＥはイット
リウムを含む少なくとも１つの希土類金属を、またＭは少なくとも１つのアルカ
リ土類金属を意味する。この型の代表例には、ＹＢａ2Ｃｕ3ＯXの材料、所謂「
ＹＢＣＯ」がある。
【０００３】
この公知のＨＴＳ材料を、種々の使用目的のために種々の支持板（基板）上に
析出することが試みられており、その際一般に高い通流容量に関して、できるだ
け位相の均一なテクスチュアを有する超伝導材料を得ようと努力されている。こ
の場合テクスチュアとは、多結晶組織の結晶子が整列することを意味する。特に
長寸の金属製支持板は導体用途に備えられる（例えば欧州特許出願公開第０２９
２９５９号明細書参照）。
析出することが試みられており、その際一般に高い通流容量に関して、できるだ
け位相の均一なテクスチュアを有する超伝導材料を得ようと努力されている。こ
の場合テクスチュアとは、多結晶組織の結晶子が整列することを意味する。特に
長寸の金属製支持板は導体用途に備えられる（例えば欧州特許出願公開第０２９
２９５９号明細書参照）。
【０００４】
導体用途に適した超伝導構造の場合、この高温超伝導材料（以後ＨＴＳ材料と
記載する）を一般に基板の役目をする金属製の支持帯上に直接析出するのではな
く、この支持帯をまず緩衝層（バッファ層）とも云われる少なくとも１つの薄い
中間層で覆う。約１μm程度の厚さを有するこの中間層は、支持材料からの金属
原子がＨＴＳ材料に結合してその超伝導性が劣化するのを回避するために、金属
原子がＨＴＳ材料中に拡散侵入するのを阻止する。同時にこのような拡散バリヤ
の作用をする中間層で表面を平滑化し、ＨＴＳ材料の接着を改善することもでき
る。対応する中間層は特にジルコン、セリウム、イットリウム、アルミニウム、
ストロンチウム又はマグネシウムの酸化物又はこれらの金属との合金から成り、
従って通常電気絶縁性である。
記載する）を一般に基板の役目をする金属製の支持帯上に直接析出するのではな
く、この支持帯をまず緩衝層（バッファ層）とも云われる少なくとも１つの薄い
中間層で覆う。約１μm程度の厚さを有するこの中間層は、支持材料からの金属
原子がＨＴＳ材料に結合してその超伝導性が劣化するのを回避するために、金属
原子がＨＴＳ材料中に拡散侵入するのを阻止する。同時にこのような拡散バリヤ
の作用をする中間層で表面を平滑化し、ＨＴＳ材料の接着を改善することもでき
る。対応する中間層は特にジルコン、セリウム、イットリウム、アルミニウム、
ストロンチウム又はマグネシウムの酸化物又はこれらの金属との合金から成り、
従って通常電気絶縁性である。
【０００５】
拡散バリヤとしての特質の他に、この中間層の少なくとも１つは、その上に施
されるＨＴＳ材料のテクスチュアされた成長を可能にするという要件を満たす必
要がある。従ってこの中間層自体が相応しいテクスチュアを有さねばならない。
化学的に別種の土台上に層を成長させる際の結晶学上の方位の転写は「ヘテロエ
ピタキシー」の概念で公知である。その際この中間層は、ＨＴＳ材料の格子定数
にできるだけよくマッチした単位格子定数を有さなければならない。更に、超伝
導技術及び層の準備に不可欠な温度サイクルで使用する場合の不所望な機械的応
力及び場合によりその際生じる破裂等の損傷を回避するため、中間層はＨＴＳ材
料の熱膨張率と少なくともほぼ合致する熱膨張率を有さねばならない。
されるＨＴＳ材料のテクスチュアされた成長を可能にするという要件を満たす必
要がある。従ってこの中間層自体が相応しいテクスチュアを有さねばならない。
化学的に別種の土台上に層を成長させる際の結晶学上の方位の転写は「ヘテロエ
ピタキシー」の概念で公知である。その際この中間層は、ＨＴＳ材料の格子定数
にできるだけよくマッチした単位格子定数を有さなければならない。更に、超伝
導技術及び層の準備に不可欠な温度サイクルで使用する場合の不所望な機械的応
力及び場合によりその際生じる破裂等の損傷を回避するため、中間層はＨＴＳ材
料の熱膨張率と少なくともほぼ合致する熱膨張率を有さねばならない。
【０００６】
同様のことは、「支持板−中間層」系の選択においても要求される。この場合
も良好な接着特性が求められ、同時に中間層とその上に成長させるＨＴＳ層との
間に望まれるヘテロエピタキシーが悪影響を蒙ってはならない。
も良好な接着特性が求められ、同時に中間層とその上に成長させるＨＴＳ層との
間に望まれるヘテロエピタキシーが悪影響を蒙ってはならない。
【０００７】
上述の理由から冒頭に挙げた文献では、圧延工程によりその表面がテクスチュ
アされた銅又はニッケルからなる金属帯が支持帯として備えられ、その上に第１
の緩衝層としてＣｅＯ2層の中間層が、また第２の緩衝層としてイットリウムで
安定化されたＺｒＯ2から成り、一層厚いＺｒ（Ｙ）Ｏ2層が析出される。この組
合わせは、金属表面が酸化するのを回避するため還元雰囲気で、ＣｅＯ2がテク
スチュアされたニッケル上にヘテロエピタキシーに析出可能なことから選択され
たものである。しかしその際ＣｅＯ2中に起こる酸素の欠乏及びこれと関連する
格子定数の増加により層が亀裂を生ずる傾向がある。従って亀裂の面密度を制限
するべく、最大限度で１００nm迄の厚さのＣｅＯ2層が使用される。 即ちそれよ
り厚いＣｅＯ2層は、薄い層よりも容易に亀裂を生ずる。このため、 万一生じた
亀裂又はその他の機械的損傷をカバーするべく、Ｚｒ（Ｙ）Ｏ2からなる第２の
層が必要となる。この第２の層は、実際の拡散を遮断するように、例えば１μm
迄の厚さに形成しなければならない。これに相応する中間層組織は特に米国特許
第５７３９０８６号又は同第５７４１３７７号明細書に記載されている。
アされた銅又はニッケルからなる金属帯が支持帯として備えられ、その上に第１
の緩衝層としてＣｅＯ2層の中間層が、また第２の緩衝層としてイットリウムで
安定化されたＺｒＯ2から成り、一層厚いＺｒ（Ｙ）Ｏ2層が析出される。この組
合わせは、金属表面が酸化するのを回避するため還元雰囲気で、ＣｅＯ2がテク
スチュアされたニッケル上にヘテロエピタキシーに析出可能なことから選択され
たものである。しかしその際ＣｅＯ2中に起こる酸素の欠乏及びこれと関連する
格子定数の増加により層が亀裂を生ずる傾向がある。従って亀裂の面密度を制限
するべく、最大限度で１００nm迄の厚さのＣｅＯ2層が使用される。 即ちそれよ
り厚いＣｅＯ2層は、薄い層よりも容易に亀裂を生ずる。このため、 万一生じた
亀裂又はその他の機械的損傷をカバーするべく、Ｚｒ（Ｙ）Ｏ2からなる第２の
層が必要となる。この第２の層は、実際の拡散を遮断するように、例えば１μm
迄の厚さに形成しなければならない。これに相応する中間層組織は特に米国特許
第５７３９０８６号又は同第５７４１３７７号明細書に記載されている。
【０００８】
つまりこのような導体構造には、金属帯上に亀裂がなく、かつ拡散を妨げる緊
密な中間層を析出することが要求される。加えて高い臨界電流密度Ｊｃにとって
重要なヘテロエピタキシーに関して、金属帯のテクスチュアを超伝導材料中に転
写できるように、二軸方向にテクスチュアされた金属帯から出発しなければなら
ない。従って超伝導性のＹＢＣＯ材料又は相応するＨＴＳ材料で被覆された長さ
の大きな帯状の導体を製造する必要がある。
密な中間層を析出することが要求される。加えて高い臨界電流密度Ｊｃにとって
重要なヘテロエピタキシーに関して、金属帯のテクスチュアを超伝導材料中に転
写できるように、二軸方向にテクスチュアされた金属帯から出発しなければなら
ない。従って超伝導性のＹＢＣＯ材料又は相応するＨＴＳ材料で被覆された長さ
の大きな帯状の導体を製造する必要がある。
【０００９】
従来考案された大電流の無損失送電用途、例えば強い磁界に曝される磁気コイ
ル又は変圧器での巻回した帯状導体の形での使用には、例えば０．８μmの ＹＢ
ＣＯ材料の層厚で、ＹＢＣＯ層中に少なくとも１×１０5Ａ／ｃｍ2の高い臨界電
流密度Ｊｃを必要とする。その場合、これは周知の通り、小角粒界が結果として
高い電流容量をもたらすので、ＹＢＣＯ層の結晶子が結晶のａ−ｂ面内で画一的
に整列している場合にのみ達成できるものである。ここでは二軸方向のテクスチ
ュアも指す。このことから、支持板中に既に存在する二軸方向のテクスチュアを
中間層によりＹＢＣＯ層上に転写せねばならなくなる。二軸方向のテクスチュア
の品質等級の尺度として所謂Ｘ線写真技術の「Phi Scan 」における所謂半値幅
（ＦＷＨＭ）が使用される。即ち中間層組織の半値幅は１０°を著しく越えては
ならない。相応する研究は「材料研究ジャーナル」第７巻、第７号、１９９２年
７月、第１６４１〜１６５１頁、特に１６４４〜１６４５頁に記載されている。
ル又は変圧器での巻回した帯状導体の形での使用には、例えば０．８μmの ＹＢ
ＣＯ材料の層厚で、ＹＢＣＯ層中に少なくとも１×１０5Ａ／ｃｍ2の高い臨界電
流密度Ｊｃを必要とする。その場合、これは周知の通り、小角粒界が結果として
高い電流容量をもたらすので、ＹＢＣＯ層の結晶子が結晶のａ−ｂ面内で画一的
に整列している場合にのみ達成できるものである。ここでは二軸方向のテクスチ
ュアも指す。このことから、支持板中に既に存在する二軸方向のテクスチュアを
中間層によりＹＢＣＯ層上に転写せねばならなくなる。二軸方向のテクスチュア
の品質等級の尺度として所謂Ｘ線写真技術の「Phi Scan 」における所謂半値幅
（ＦＷＨＭ）が使用される。即ち中間層組織の半値幅は１０°を著しく越えては
ならない。相応する研究は「材料研究ジャーナル」第７巻、第７号、１９９２年
７月、第１６４１〜１６５１頁、特に１６４４〜１６４５頁に記載されている。
【００１０】
本発明の課題は、比較的長い、特に１ｍ以上、有利には１００ｍ以上の支持部
品でも変わることのない品質で被覆することができ、上記の要件を満たす中間層
組織を提供することにある。その際、支持板材料からＹＢＣＯ層中への金属原子
の拡散は、ＹＢＣＯの析出及び形成に必要な酸素が金属表面に拡散するのと同様
に阻止せねばならない。即ちかかる酸素の拡散は、ＹＢＣＯ材料の約６００〜８
００℃の範囲の通常の析出温度及び焼鈍温度で金属を酸化させ、そのため中間層
の接着強度を低下させることになる。この理由から、一般に約０．５〜２μmの
中間層組織厚さが必要であり、その際この厚さは中間層の材料に依存する。
品でも変わることのない品質で被覆することができ、上記の要件を満たす中間層
組織を提供することにある。その際、支持板材料からＹＢＣＯ層中への金属原子
の拡散は、ＹＢＣＯの析出及び形成に必要な酸素が金属表面に拡散するのと同様
に阻止せねばならない。即ちかかる酸素の拡散は、ＹＢＣＯ材料の約６００〜８
００℃の範囲の通常の析出温度及び焼鈍温度で金属を酸化させ、そのため中間層
の接着強度を低下させることになる。この理由から、一般に約０．５〜２μmの
中間層組織厚さが必要であり、その際この厚さは中間層の材料に依存する。
【００１１】
この課題は冒頭に記載した特徴を有する超伝導構造に関し、本発明により中間
層組織が支持板に面するイットリウムの酸化物から成る中間層と、超伝導層に面
する比較的に薄い方のセリウムの酸化物から成る中間層とを有することにより解
決される。この酸化物の代表例はＹ2Ｏ3又はＣｅＯ2である。但し僅かな不純物
や混入物、特に他の金属酸化物を５重量％迄の量で各々含ませる必要がある。
層組織が支持板に面するイットリウムの酸化物から成る中間層と、超伝導層に面
する比較的に薄い方のセリウムの酸化物から成る中間層とを有することにより解
決される。この酸化物の代表例はＹ2Ｏ3又はＣｅＯ2である。但し僅かな不純物
や混入物、特に他の金属酸化物を５重量％迄の量で各々含ませる必要がある。
【００１２】
中間層組織のこの形態に関連する利点は、特に以下に記載する点に見られる。
即ち、 −支持板に面する（第１の）中間層をヘテロエピタキシーに金属製支持板上に 成長させることができる。これは金属表面上に酸化物の形成が阻止されると きに保証される。それには第１の中間層の金属酸化物を還元雰囲気又は酸素 欠乏雰囲気で析出させ、しかもこの中間層が支持板材料の金属酸化物よりも 明らかに高い結合エネルギーを有するようにせねばならない。これらの要求 は選択されたＹ2Ｏ3で満たされるものである。 −超伝導材料に面する（第２の）中間層は、選択された超伝導材料に極めてよ くマッチした格子定数を有する。即ち相応しい格子欠陥（所謂格子不整合） は使用されるＣｅＯ2の場合１．６％以下であり、一方イットリウム安定化 されたＺｒＯ2では５．５％である。 −この中間層組織全体は、必要な支持板の被覆工程中に支持板の材料の金属と 超伝導材料との化学反応を阻止する。即ちこれは関与する元素に対して僅か な拡散率を示す。更に中間層の大きな長さについても再生可能に形成するこ とができ、その際例えば亀裂のような「巨視的」欠陥を生じることはない。 従って選択された中間層の材料の組合わせは、その支持板及びその超伝導体 に上記の材料を使用した長寸の導体構造の製造に特に適している。
即ち、 −支持板に面する（第１の）中間層をヘテロエピタキシーに金属製支持板上に 成長させることができる。これは金属表面上に酸化物の形成が阻止されると きに保証される。それには第１の中間層の金属酸化物を還元雰囲気又は酸素 欠乏雰囲気で析出させ、しかもこの中間層が支持板材料の金属酸化物よりも 明らかに高い結合エネルギーを有するようにせねばならない。これらの要求 は選択されたＹ2Ｏ3で満たされるものである。 −超伝導材料に面する（第２の）中間層は、選択された超伝導材料に極めてよ くマッチした格子定数を有する。即ち相応しい格子欠陥（所謂格子不整合） は使用されるＣｅＯ2の場合１．６％以下であり、一方イットリウム安定化 されたＺｒＯ2では５．５％である。 −この中間層組織全体は、必要な支持板の被覆工程中に支持板の材料の金属と 超伝導材料との化学反応を阻止する。即ちこれは関与する元素に対して僅か な拡散率を示す。更に中間層の大きな長さについても再生可能に形成するこ とができ、その際例えば亀裂のような「巨視的」欠陥を生じることはない。 従って選択された中間層の材料の組合わせは、その支持板及びその超伝導体 に上記の材料を使用した長寸の導体構造の製造に特に適している。
【００１３】
本発明による超伝導構造の有利な実施態様を従属請求項に示す。
【００１４】
その際ニッケル又はニッケル合金から成る支持板を選択すると有利である。即
ちこの種材料から成る支持板は、一方ではＹ2Ｏ3程度の熱膨張率を有する。他方
ではこの支持板の被覆しようとする表面にそれ自体公知の方法（冒頭に掲げた文
献を参照のこと）により、比較的簡単に必要な二軸方向のテクスチュアを形成す
ることができる。
ちこの種材料から成る支持板は、一方ではＹ2Ｏ3程度の熱膨張率を有する。他方
ではこの支持板の被覆しようとする表面にそれ自体公知の方法（冒頭に掲げた文
献を参照のこと）により、比較的簡単に必要な二軸方向のテクスチュアを形成す
ることができる。
【００１５】
それに応じてこの支持板の中間層組織に面する表面に、圧延によりテクスチュ
アを施すと有利である。
アを施すと有利である。
【００１６】
ＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）型の超伝導材料が有利である。
【００１７】
この成分Ｙ及び／又は成分Ｂａを、少なくとも部分的にそれぞれ相応する群か
らの原子で置換したＹＢＣＯ系の材料を同様に使用することができる。
らの原子で置換したＹＢＣＯ系の材料を同様に使用することができる。
【００１８】
ＣｅＯ2の中間層が２００ｎｍ以下の厚さ、好ましくは１００ｎｍそして少な
くとも１０ｎｍの厚さを有すると有利である。このような層厚の場合、良好なヘ
テロエピタキシーを保証することができる。更に亀裂の発生も阻止できる。
くとも１０ｎｍの厚さを有すると有利である。このような層厚の場合、良好なヘ
テロエピタキシーを保証することができる。更に亀裂の発生も阻止できる。
【００１９】
更にＹ2Ｏ3の中間層が２００ｎｍ〜２μmの厚さを持つとよい。この比較的厚
い中間層は、中間層組織全体の緊密化を長寸の超伝導構造においても保証する。
い中間層は、中間層組織全体の緊密化を長寸の超伝導構造においても保証する。
【００２０】
超伝導構造の製造に、中間層と超伝導層との少なくとも十分にヘテロエピタキ
シャルな成長を保証すると極めて有利である。その際X線写真技術のPhi Scanに
おける半値幅（ＦＷＨＭ）は、超伝導層の高い臨界電流密度Ｊｃを達成できるの
で、２０°以下、好ましくは１５°以下の方がよい。即ちそれにより超伝導層の
高い臨界電流密度Ｊｃを達成できるからである。
シャルな成長を保証すると極めて有利である。その際X線写真技術のPhi Scanに
おける半値幅（ＦＷＨＭ）は、超伝導層の高い臨界電流密度Ｊｃを達成できるの
で、２０°以下、好ましくは１５°以下の方がよい。即ちそれにより超伝導層の
高い臨界電流密度Ｊｃを達成できるからである。
【００２１】
本発明を更に図面に基づき以下に詳述する。図面の個々の図形は、実施例とし
て本発明の１つの超伝導構造の原理上の形成可能性を示すものである。
て本発明の１つの超伝導構造の原理上の形成可能性を示すものである。
【００２２】
本発明による超伝導構造の形態の場合、それ自体公知の実施形態から出発する
（冒頭に挙げた文献又は欧州特許出願公開第０２９２９５９号明細書参照された
い）。図中全体を２と記した超伝導構造は、従って基板とも云われる長寸で厚さ
ｄ１の少なくとも１つの支持板３を含んでいる。この支持板３上に緩衝層とも云
われ、厚さｄ２とｄ３有する少なくとも２つの中間層４と５が析出されている。
このように形成された中間層組織６上に、厚さｄ４の特殊なＨＴＳ材料から成る
層７が施されている。この支持板３には、元来任意の厚さｄ１及び各用途で必要
とされるその表面寸法を有する金属材料から成る板又は帯又はその他の長寸の構
造が使用される。その際支持板は、図示しない少なくとももう１つの別の素子を
有する複合体の部品であってもよい。この素子は機械的強化のため及び／又は電
気的な安定化のために設けられ、例えば中間層組織６に面する支持板３の側面上
にあってもよい。このような別の素子は例えば銅でできていてもよい。
（冒頭に挙げた文献又は欧州特許出願公開第０２９２９５９号明細書参照された
い）。図中全体を２と記した超伝導構造は、従って基板とも云われる長寸で厚さ
ｄ１の少なくとも１つの支持板３を含んでいる。この支持板３上に緩衝層とも云
われ、厚さｄ２とｄ３有する少なくとも２つの中間層４と５が析出されている。
このように形成された中間層組織６上に、厚さｄ４の特殊なＨＴＳ材料から成る
層７が施されている。この支持板３には、元来任意の厚さｄ１及び各用途で必要
とされるその表面寸法を有する金属材料から成る板又は帯又はその他の長寸の構
造が使用される。その際支持板は、図示しない少なくとももう１つの別の素子を
有する複合体の部品であってもよい。この素子は機械的強化のため及び／又は電
気的な安定化のために設けられ、例えば中間層組織６に面する支持板３の側面上
にあってもよい。このような別の素子は例えば銅でできていてもよい。
【００２３】
支持板３用の金属材料としては、この場合ニッケル（Ｎｉ）又はＮｉ合金を選
択すべきである。例えば特殊なＮｉ−Ｃｕ−Ｆｅ合金、特に商品名「モネル」を
有するもの、又は合金成分としてＶ、Ｃｒ、Ｍｏの少なくとも１つを含むＮｉ合
金又はＦｅの組成比が最大で８０原子％のＮｉＦｅ合金が好適である。
択すべきである。例えば特殊なＮｉ−Ｃｕ−Ｆｅ合金、特に商品名「モネル」を
有するもの、又は合金成分としてＶ、Ｃｒ、Ｍｏの少なくとも１つを含むＮｉ合
金又はＦｅの組成比が最大で８０原子％のＮｉＦｅ合金が好適である。
【００２４】
この支持板上に亀裂のない、拡散を妨げる緊密な中間層をヘテロエピタキシャ
ルに析出することを可能にするため、少なくとも中間層組織６に面するその表面
を二軸方向にテクスチュアする必要がある。相応するテクスチュアは「立方体の
縞状テクスチュア」とも呼ばれる。このテクスチュアはそれ自体公知の方法で圧
延工程により引続いての再結晶化のための焼鈍により形成される（冒頭に挙げた
文献の「応用超伝導」を参照されたい）。相応する帯状の基板は、商品名「ＲＡ
ＢｉＴＳ」（圧延補助された二軸方向にテクスチュア処理した基板（Rolling‐A ssisted Biaxially‐Textured‐Substrates ）の名で公知である。その際この支
持板の全長にわたり変わらない、高いテクスチュアの品質が保証されなければな
らず、これは粒子の大きさによるものである。粒子が大き過ぎると粗悪に方位付
けられた粒界が電流容量を導体の幅全体にまで悪影響を及ぼしかねない。
ルに析出することを可能にするため、少なくとも中間層組織６に面するその表面
を二軸方向にテクスチュアする必要がある。相応するテクスチュアは「立方体の
縞状テクスチュア」とも呼ばれる。このテクスチュアはそれ自体公知の方法で圧
延工程により引続いての再結晶化のための焼鈍により形成される（冒頭に挙げた
文献の「応用超伝導」を参照されたい）。相応する帯状の基板は、商品名「ＲＡ
ＢｉＴＳ」（圧延補助された二軸方向にテクスチュア処理した基板（Rolling‐A ssisted Biaxially‐Textured‐Substrates ）の名で公知である。その際この支
持板の全長にわたり変わらない、高いテクスチュアの品質が保証されなければな
らず、これは粒子の大きさによるものである。粒子が大き過ぎると粗悪に方位付
けられた粒界が電流容量を導体の幅全体にまで悪影響を及ぼしかねない。
【００２５】
ＨＴＳ材料としては、（ＲＥ）1Ｍ2Ｃｕ3ＯXの型から導き出される公知の全金
属酸化物の高温超伝導材料が対象となる。その際ＲＥ（希土類）成分は、例えば
イットリウムのような、少なくとも１つの希土類元素（イットリウムを含む）を
含んでいる。Ｍ成分としては、例えばバリウムのような、少なくとも１つのアル
カリ土類元素が重要である。この型の代表例はＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ここにＸ＝７
−８であり、所謂ＹＢＣＯである）。もちろんこの材料の成分の少なくとも１つ
を、各々の群からの他の１つと少なくとも一部置換することも可能である。
属酸化物の高温超伝導材料が対象となる。その際ＲＥ（希土類）成分は、例えば
イットリウムのような、少なくとも１つの希土類元素（イットリウムを含む）を
含んでいる。Ｍ成分としては、例えばバリウムのような、少なくとも１つのアル
カリ土類元素が重要である。この型の代表例はＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ここにＸ＝７
−８であり、所謂ＹＢＣＯである）。もちろんこの材料の成分の少なくとも１つ
を、各々の群からの他の１つと少なくとも一部置換することも可能である。
【００２６】
ＨＴＳ層の厚さｄ４は非臨界的なものであり、一般に２μm以下である。
【００２７】
場合によってはＨＴＳ層７を、例えば特に銀又は銀合金製の保護層又は安定化
層のような少なくとももう１つの層で更に覆うこともできる。
層のような少なくとももう１つの層で更に覆うこともできる。
【００２８】
ＨＴＳ材料の高い臨界電流密度Ｊｃにとって必要なテクスチュアされた、特に
エピタキシャルな成長を可能にするために、ＨＴＳ材料に面する中間層５はこの
ような成長を保証する材料からできている。従ってＨＴＳ材料のその結晶の寸法
に適合する単位格子を有するＣｅＯ2が特に適している。ＣｅＯ2の単位格子のエ
ッジ長さは５．４１Åであり、従ってその対角線は７．６５Åの長さを持つ。こ
れはＹＢＣＯ単位格子の２倍のエッジ長さの０．３％又は１．６％の偏差を生じ
る（ａ軸の長さ：３．８２Å、ｂ軸の長さ：３．８９Å）。
エピタキシャルな成長を可能にするために、ＨＴＳ材料に面する中間層５はこの
ような成長を保証する材料からできている。従ってＨＴＳ材料のその結晶の寸法
に適合する単位格子を有するＣｅＯ2が特に適している。ＣｅＯ2の単位格子のエ
ッジ長さは５．４１Åであり、従ってその対角線は７．６５Åの長さを持つ。こ
れはＹＢＣＯ単位格子の２倍のエッジ長さの０．３％又は１．６％の偏差を生じ
る（ａ軸の長さ：３．８２Å、ｂ軸の長さ：３．８９Å）。
【００２９】
有利には１０ｎｍ〜２００ｎｍ、好ましくは１５０ｎｍ、特に１００ｎｍを越
えない厚さｄ３を有するこの層５は、支持板３に面する中間層４上にある。この
下方の中間層には、材料として比較的厚いＹ2Ｏ3を選択すべきである。その際、
この厚さは一般に２００ｎｍ〜２μm、例えば約１μmである。相応して１μmの
厚さでヘテロエピタキシャルに約８°の半値幅で支持板上に析出された層が、亀
裂がない点で有利であり、加えて約８°の半値幅の所謂インプレーンテクスチュ
アを有する。しかし直接その上に析出されるＹＢＣＯは更に不十分な超伝導特性
を示す。この特性は、もう１つのＣｅＯ2から成る中間層５ により明らかに改善
することができる。即ち相応する層５をＹ2Ｏ3層４上に析出するならば、ＣｅＯ2 層上に正斜方晶系の、二軸方向にテクスチュアされたＹＢＣＯが生じる。その
際このテクスチュアの半値幅は約１１°であり、一方転移温度Ｔｃは、約３Ｋの
ΔＴｃにおいて約８５Ｋである。Ｔｅｔａ−２−Ｔｅｔａスキャンも、ＣｅＯ2
層の（１１１面）の極点図も、ＣｅＯ2粒子が専ら（１００面）の方位並びに約
１０°の半値幅を有する二軸方向のテクスチュアを示す。明らかに１００ｎｍ以
上の層厚で初めて再びＣｅＯ2内に亀裂が生じる。
えない厚さｄ３を有するこの層５は、支持板３に面する中間層４上にある。この
下方の中間層には、材料として比較的厚いＹ2Ｏ3を選択すべきである。その際、
この厚さは一般に２００ｎｍ〜２μm、例えば約１μmである。相応して１μmの
厚さでヘテロエピタキシャルに約８°の半値幅で支持板上に析出された層が、亀
裂がない点で有利であり、加えて約８°の半値幅の所謂インプレーンテクスチュ
アを有する。しかし直接その上に析出されるＹＢＣＯは更に不十分な超伝導特性
を示す。この特性は、もう１つのＣｅＯ2から成る中間層５ により明らかに改善
することができる。即ち相応する層５をＹ2Ｏ3層４上に析出するならば、ＣｅＯ2 層上に正斜方晶系の、二軸方向にテクスチュアされたＹＢＣＯが生じる。その
際このテクスチュアの半値幅は約１１°であり、一方転移温度Ｔｃは、約３Ｋの
ΔＴｃにおいて約８５Ｋである。Ｔｅｔａ−２−Ｔｅｔａスキャンも、ＣｅＯ2
層の（１１１面）の極点図も、ＣｅＯ2粒子が専ら（１００面）の方位並びに約
１０°の半値幅を有する二軸方向のテクスチュアを示す。明らかに１００ｎｍ以
上の層厚で初めて再びＣｅＯ2内に亀裂が生じる。
【００３０】
場合により２つの中間層４、５間に、同様に酸化物材料から成り、所望のヘテ
ロエピタキシーを妨げることのない更にもう１つの薄い層を設けてもよい。相当
例には厚さ５〜２０ｎｍのＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3又はＺｒ（Ｙ）Ｏ2か
ら成る層が考えられる。この層は一般にエピタキシャル成長を可能にする、良好
に規定された相応しい格子定数を有する不連続層でなければならない。
ロエピタキシーを妨げることのない更にもう１つの薄い層を設けてもよい。相当
例には厚さ５〜２０ｎｍのＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3又はＺｒ（Ｙ）Ｏ2か
ら成る層が考えられる。この層は一般にエピタキシャル成長を可能にする、良好
に規定された相応しい格子定数を有する不連続層でなければならない。
【００３１】
中間層４及び５はそれ自体公知の方法で支持板上に連続して析出される。それ
には、例えばスパッタリング、熱的蒸着又はレーザアブレーションなどのような
慣用の全ての方法が適している。その際中間層の材料の析出は多くの場合支持板
の温度を高めて行われる。
には、例えばスパッタリング、熱的蒸着又はレーザアブレーションなどのような
慣用の全ての方法が適している。その際中間層の材料の析出は多くの場合支持板
の温度を高めて行われる。
【００３２】
中間層組織６上に引続きＨＴＳ材料が公知の析出方法により支持板を加熱して
施される。それに適する最も慣用であるＰＶＤ（物理蒸着）法は、パルスレーザ
を使用したレーザアブレーション、マグネトロンスパッタ又は好ましくは熱によ
る共蒸着（＝酸素の供給下にＨＴＳ材料の成分を同時に蒸着する）である。特に
粉末冶金による出発材料を使用したＣＶＤ（化学蒸着）法も適している。その際
本方法は特にヘテロエピタキシャルな析出を保証するように選択する。
施される。それに適する最も慣用であるＰＶＤ（物理蒸着）法は、パルスレーザ
を使用したレーザアブレーション、マグネトロンスパッタ又は好ましくは熱によ
る共蒸着（＝酸素の供給下にＨＴＳ材料の成分を同時に蒸着する）である。特に
粉末冶金による出発材料を使用したＣＶＤ（化学蒸着）法も適している。その際
本方法は特にヘテロエピタキシャルな析出を保証するように選択する。
【００３３】
本発明による具体的実施例を、図示の導体構造に基づき以下に記載する。
【００３４】
厚さｄ１が０．１ｍｍ、幅が１０ｍｍの少なくとも１０ｃｍの長さの帯状のＮ
ｉ50Ｆｅ50から成る立方体のテクスチュアされた支持板３の表面上に８００℃で
レーザアブレーションにより、まず０．９μmの厚さｄ２を有し、第１のＹ2Ｏ3
から成る第１の中間層４を、次いで０．１μmの厚さｄ３を有するＣｅＯ2から成
る第２の中間層５を析出した。こうして形成した中間層組織６上に引続き７８０
℃でレーザアブレーションにより０．５μmの厚さｄ４を有するＹＢＣＯ層７を
施した。この導体構造２を引続き約７００℃で被覆室の純酸素中で約３０分間加
熱し、引続きこの室内で２０分以内で室温に冷却した。こうして得られた導体構
造の臨界電流密度Ｊｃは約１×１０5Ａ／ｃｍ2であった。
ｉ50Ｆｅ50から成る立方体のテクスチュアされた支持板３の表面上に８００℃で
レーザアブレーションにより、まず０．９μmの厚さｄ２を有し、第１のＹ2Ｏ3
から成る第１の中間層４を、次いで０．１μmの厚さｄ３を有するＣｅＯ2から成
る第２の中間層５を析出した。こうして形成した中間層組織６上に引続き７８０
℃でレーザアブレーションにより０．５μmの厚さｄ４を有するＹＢＣＯ層７を
施した。この導体構造２を引続き約７００℃で被覆室の純酸素中で約３０分間加
熱し、引続きこの室内で２０分以内で室温に冷却した。こうして得られた導体構
造の臨界電流密度Ｊｃは約１×１０5Ａ／ｃｍ2であった。
【００３５】
もちろん本発明による上述の導体構造に更に少なくとも１つの、ＨＴＳ層を電
気的に安定化する層又は相応する本体又は例えば銀又は銀合金のような常伝導性
の材料から成る要素を設けることも可能である。
気的に安定化する層又は相応する本体又は例えば銀又は銀合金のような常伝導性
の材料から成る要素を設けることも可能である。
【図１】
本発明による超伝導構造の原理上の形成可能性を示す断面図。
２ 高温超伝導構造
３ 支持板（基板）
４ Ｙ2Ｏ3中間層
５ ＣｅＯ2中間層
６ 中間層組織（緩衝層）
７ ＨＴＳ層
ｄ１ 支持板の厚さ
ｄ２ 中間層４の厚さ
ｄ３ 中間層５の厚さ
ｄ４ ＨＴＳ層の厚さ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 シュミット、ヴォルフガング
ドイツ連邦共和国 デー‐91056 エルラ
ンゲン メーレンドルファー シュトラー
セ ６
Ｆターム(参考） 4M113 AD35 AD36 AD68 BA04 BA06
BA12 BA15 CA34
Claims (12)
- 【請求項１】 少なくとも以下の部分、即ち −金属材料から成り、二軸方向にテクスチュアされた支持板（３） −この支持板上に析出された互いに異なる酸化物から成る少なくとも２つの中間 層（４、５）を有する中間層組織（６）及び −（ＲＥ）Ｍ2Ｃｕ3ＯX型（ＲＥはイットリウムを含む少なくとも１つの希土類 金属、Ｍは少なくとも１つのアルカリ土類金属）の超伝導材料から成るこの中 間層組織（６）上に析出された超伝導層（７） を有し設定方向に電流を通すための長寸の超伝導構造（２）において、 中間層組織（６）が支持板（３）に面するイットリウムの酸化物から成る中間
層（４）と、超伝導層（７）に面する比較的薄い方のセリウムの酸化物から成る
中間層（５）とを有することを特徴とする長寸の超伝導構造。 - 【請求項２】 ＹＢａ2Ｃｕ3ＯX型の超伝導材料であることを特徴とする請
求項１記載の超伝導構造。 - 【請求項３】 Ｙ成分及び／又はＢａ成分の少なくとも一部が、各々相応す
る群からの元素により置換されたことを特徴とする請求項２記載の超伝導構造。 - 【請求項４】 特にＣｅＯ2から成るセリウム酸化物の中間層が２００ｎｍ
以下、好ましくは１００ｎｍ以下でかつ少なくとも１０ｎｍの厚さ（ｄ３）を有
することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の超伝導構造。 - 【請求項５】 特にＹ2Ｏ3から成るイットリウム酸化物の中間層（４）が、
２００ｎｍ〜２μmの厚さ（ｄ２）を有することを特徴とする請求項１乃至４の
１ つに記載の超伝導構造。 - 【請求項６】 最大で２μmの厚さ（ｄ４）を有する超伝導層（７）を特徴
とする請求項１乃至５の１つに記載の超伝導構造。 - 【請求項７】 ニッケル又はニッケル合金から成る支持板（３）を特徴とす
る請求項１乃至６の１つに記載の超伝導構造。 - 【請求項８】 少なくとも中間層組織（６）に面する表面に、圧延によるテ
クスチュアを有することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の超伝導構造
。 - 【請求項９】 支持板（３）が帯状であることを特徴とする請求項１乃至８
の１つに記載の超伝導構造。 - 【請求項１０】 支持板（３）が、少なくとももう１つの素子を有する複合
体の一部であることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の超伝導構造。 - 【請求項１１】 超伝導層（７）に、電気的な安定化のために特に銀又は銀
合金から成る常伝導材料を添加することを特徴とする請求項１乃至１０の１つに
記載の超伝導構造。 - 【請求項１２】 中間層（４、５）と超伝導層（７）との十分にエピタキシ
ャルな成長を特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19903871 | 1999-02-01 | ||
| DE19903871.6 | 1999-02-01 | ||
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=7895996
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