JP2004071359A - 酸化物超電導線材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属基板、該金属基板上にイオンビームアシスト法(IBAD法)により蒸着した中間層、該中間層上にPLD法等により蒸着したCeO2からなるキャップ層及び該キャップ層上に形成した酸化物超電導体膜からなる酸化物超電導線材において、該中間層の厚さが2000nm以下とし、かつ、該キャップ層の厚さを50nm以上とする。上記のようにIBAD法で製造する中間膜の厚さを薄くすると共にキャップ層を厚くすることにより、IBAD法による成膜時間を短縮し、得られる超電導膜の配向性を良好なものとすることができる。
【選択図】 なし
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導線材に係るものであり、特に、基板と酸化物超電導体膜との間に中間層を有する酸化物超電導線材に関するものである。
【0002】
【従来技術】
RE−123系酸化物超電導体(REBa2Cu3O7−X:REはYを含む希土類元素)は、液体窒素温度以上で超電導性を示すことから実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体として用いることが強く要望されている。
【0003】
そして、酸化物超電導体を線材に加工するための方法としては、強度が高く、耐熱性もあり、線材に加工することが容易な金属を長尺のテープ状に加工し、この金属テープ基板上に酸化物超電導体を薄膜状に形成する方法が検討されている。
【0004】
ところで、酸化物超電導体はその結晶自体は結晶軸のa軸方向とb軸方向には電気を流し易いが、c軸方向には電気を流しにくいという電気的異方性を有している。従って、基板上に酸化物超電導体を形成する場合には、電気を流す方向にa軸あるいはb軸を配向させ、c軸をその他の方向に配向させる必要がある。
【0005】
しかしながら、金属テープ基板自体は非結晶もしくは多結晶体であり、その結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、基板上に上記のような結晶配向性の良好な酸化物超電導体膜を形成することは困難である。また、基板と超電導体との間には熱膨張率及び格子定数の差があるため、超電導臨界温度までの冷却の過程で、超電導体に歪みが生じたり、酸化物超電導体膜が基板から剥離する等の問題もある。
【0006】
そこで、上記のような問題を解決するために、まず金属テープ基板上に熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基板と超電導体との中間的な値を示すMgO、YSZ(イットリア安定化ジルコニウム)、SrTiO3等の材料から成る中間層(バッファー層)を形成し、この中間層の上に酸化物超電導体膜を形成することが行われている。
【0007】
しかしながら、上記のような中間層を形成した場合においても、得られる酸化物超電導体膜は臨界電流密度が低く、実用には供し得ないものである。これは、得られる酸化物超電導体膜が、多くの単結晶粒が基板の平面方向に結合して多結晶膜を形成した状態となっており、個々の結晶粒のc軸は基板表面に対して垂直に配向してはいるが、a軸とb軸の向きは図1(A)に示すように未だ無秩序な方向を向いているため、結晶の配向性が悪くなっていることに起因している。
【0008】
そこで、この結晶の配向性を良くするための方法が提案された(特許第2721595号公報参照)。この方法は、一般にIBAD(Ion−Beam−Assisted Deposition)法と呼ばれているものであり、この方法の概略を図2に基づいて説明する。
【0009】
図2に示されるように、超電導薄膜が形成される金属基板1、この金属基板1の表面に斜めに向いて対向配置されたターゲット2、前記ターゲット2の構成粒子をスパッタするスパッタビーム照射装置3及び前記基板の表面に対して斜め方向から希ガスのイオンを照射するイオン源4を真空容器内に配置する。
【0010】
容器の内部を真空引きして減圧雰囲気とし、イオン源4とスパッタビーム照射装置3を作動させる。スパッタビーム照射装置3からターゲット2にイオンを照射して、ターゲット2の構成粒子をスパッタして金属基板1上に、ターゲットの構成粒子を堆積させると同時に、イオン源4から希ガスイオンと酸素イオンとの混合イオンを基板表面に対して所定の照射角度(θ)で照射する。
このように、所定の照射角度でイオン照射を行いながらスパッタリングすることによって、中間層の多結晶薄膜の結晶軸のa軸とb軸とを配向させることができる。
【0011】
このようにして形成された中間層の上に酸化物超電導体膜をスパッタリング法やレーザー蒸着法によって成膜すると、得られる超電導体膜も中間層の結晶配向に整合するように堆積して超電導体膜の結晶が成長するので、臨界電流密度の大きなものとなる。この状態を図1(B)に示す。
【0012】
ところが、上記のようにして、IBAD法によって形成されたYSZ層上に、例えばYBa2Cu3O7− y(以下、「YBCO」ともいう。)を形成すると、YBCO層からYSZ層にBaが拡散してYSZ層上にBaZrO3が形成され、臨界温度(Tc)及び臨界電流密度(Jc)が低下するという問題が生じる。
【0013】
また、酸化物超電導体膜を低コストで製造する方法として、酸化物超電導体を構成する金属元素のトリフルオロ酢酸塩(TFA)を化学量論量で含む溶液を基板表面にコーティングして、これを加熱分解することによって酸化物超電導体膜とする方法(TFA−MOD法)があるが、この方法によってYSZ層の上にYBCO膜を形成する場合、加熱分解の過程でフッ化水素ガスが生成し、これがYSZと反応するため、良好な超電導特性が得られないという問題がある。
【0014】
そこで、上記のような問題を解決するために、YBCO層からYSZ層へのBa拡散あるいは、YSZとフッ化水素との反応を抑制し、しかもYBCOと熱膨張率が近似し、YBCOとの反応性の小さい化合物であるCeO2の層を形成し、この上にYBCO膜を形成するという方法が提案されている。このCeO2 層を本明細書においては、中間層と区別するためにキャップ層という。このキャップ層を設けた例を以下に挙げる。
【0015】
IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY.VOL.11.NO.1,(MARCH 2001)2927−2930には、CeO2/YSZ/CeO2/Ni基板上に金属トリフルオロアセテートからなるYBCO前駆体の溶液を塗布した後、溶液を熱分解することによってYBCO膜を得たこと及びこのCeO2の膜厚を20nmとしたことが記載されている。
【0016】
IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY.VOL.11.NO.1,(MARCH 2001)3489−3492には、多結晶イットリウム−鉄−ガーネット(YIG)を基板としたものであり、超電導線材に関するものではないが、YIG基板の上にIBAD法によって成膜したYSZ層とレーザー蒸着法(Pulsed Laser Deposition法:以下「PLD法」という。)によって成膜したCeO2層との2層からなるバッファー層を形成し、この上にYBCO膜を形成したこと、及び、YSZ層の厚みは800±100nmであり、CeO2層の厚みは20nm程度であったことが記載されている。
【0017】
J.Mater.Res.,Vol.15,No.5,May 2000には、Ni基合金を基板とし、この上にIBAD法によってYSZ層を形成し、次いでこの上にCeO2層及びYBCO層をPLD法によって形成したこと、前記CeO2層の膜厚は30nmであり、YSZ層の膜厚は800nmであったことが記載されている。
【0018】
IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY.VOL.11.NO.1,(MARCH 2001)3359−3364には、Ni基合金を基板とし、この上にIBAD法によってYSZ層を形成し、次いでこの上にPLD法によってCeO2層及びYBCO層を順次形成したこと、YSZ層の膜厚を500nmとし、CeO2層を30nmとしたことが示されている。
【0019】
Physica C 357−360(2001)1003−1006には、ハステロイテープを基板とし、この上にIBAD法によってYSZ層を形成し、この上にPLD法によってCeO2層を形成し、次いで、TFA−MOD法によってYBCO膜を形成したこと及びCeO2層の膜厚を100〜2000nmとしたことが記載されている。(但し、YSZ層の厚みについては記載がない。)
【0020】
しかしながら、この中間層を形成するために用いられるIBAD法は、成膜速度が遅いという欠点を有している。そしてIBAD法によってYSZ層を基板に堆積させた場合、膜厚が薄いときはその配向性は充分ではなく、所望の配向性を有するには1000nm程度の膜厚が必要である。そして、IBAD法によって1000nmの膜厚を得るためにはかなりの時間を要し、このため、生産性の点で問題があった。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、基板−中間層−キャップ層−酸化物超電導体膜からなる超電導線材を製造するに際し、IBAD法に要する時間を短縮して、超電導線材の生産性を上げることを目的とする。
また、本発明は、酸化物超電導体膜が形成されるキャップ層の配向度を高めると共に表面粗さを小さくすることにより酸化物超電導線材の臨界電流密度を大きくすることを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、IBAD法によって形成された中間層の上にキャップ層としてCeO2層を設ける場合において、中間層を薄くしても、キャップ層を厚くすることにより、配向度の高い超電導体膜が得られることを見出して本発明を完成したものである。
すなわち、課題を解決するための本発明の具体的構成は次の通りである。
【0023】
(1)金属基板、該金属基板上にイオンビームアシスト法(IBAD法)により蒸着した中間層、該中間層上に蒸着したCeO2のキャップ層及び該キャップ層上に形成した酸化物超電導体膜からなる酸化物超電導線材において、該中間層の厚さが2000nm以下であり、かつ、該キャップ層の厚さが50nm以上であることを特徴とする酸化物超電導線材。
(2)前記酸化物超電導体膜がRE−123系酸化物超電導体(REBa2Cu3O7−X:REはYを含む希土類元素)からなることを特徴とする上記(1)に記載の酸化物超電導線材。
【0024】
(3)前記中間層がGd2Zr2O7、YSZ(イットリア安定化ジルコニウム)及びMgOから選ばれた一種であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の酸化物超電導線材。
(4)前記中間層の厚さが10nm以上であることを特徴とする上記(1)〜(3)に記載の酸化物超電導線材。
(5)前記中間層の配向度(ΔΦ)が10度以上であることを特徴とする上記(1)〜(4)に記載の酸化物超電導線材。
(6)前記キャップ層の配向度(ΔΦ)が前記中間層の配向度(ΔΦ)よりも良いことを特徴とする上記(1)〜(5)に記載の酸化物超電導線材。
【0025】
(7)前記キャップ層の厚さが5000nm以下であることを特徴とする上記(1)〜(6)に記載の酸化物超電導線材。
(8)前記キャップ層の配向度(ΔΦ)が10度以下であることを特徴とする上記(1)〜(7)に記載の酸化物超電導線材。
【0026】
(9)前記キャップ層が、レーザー蒸着法(PLD法)により成膜されたものであることを特徴とする上記(1)〜(8)に記載の酸化物超電導線材。
(10)前記キャップ層が中間層の成膜速度よりも速い成膜速度で成膜されたものであることを特徴とする上記(1)〜(9)に記載の酸化物超電導線材。
(11)前記キャップ層が、1〜5000nm/minの成膜速度で成膜されたものであることを特徴とする上記(1)〜(10)に記載の酸化物超電導線材。
(12)前記キャップ層が、PLD法のレーザーのエネルギー密度が1〜5J/cm2で成膜されたものであることを特徴とする上記(1)〜(11)に記載の酸化物超電導線材。
【0027】
(13)前記酸化物超電導体膜がY123相、Sm123相またはNd123相であることを特徴とする上記(1)〜(12)に記載の酸化物超電導線材。
(14)前記酸化物超電導体膜が、レーザー蒸着法(PLD法)または塗布熱分解法(MOD法)により成膜されたものであることを特徴とする(1)〜(13)に記載の酸化物超電導線材。
(15)前記金属基板がハステロイ、ステンレス、Ni系合金、Ag及びAg系合金から選ばれた一種であることを特徴とする(1)〜(14)に記載の酸化物超電導線材。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下説明する。
本発明の超電導線材は、図3に示すように酸化物超電導体膜/キャップ層(CeO2層)/IBAD中間層/金属基板という層構成を有している。
以下では、上記各層を形成する材料について詳述する。
【0029】
<基板材料について>
本発明の酸化物超電導線材に用いる金属基板としては、強度及び耐熱性に優れた、Cu、Ni、Ti、Mo、Nb、Ta、W、Mn、Fe、Ag等の金属又はこれらの合金を用いることができる。特に好ましいのは、耐食性及び耐熱性の点で優れているステンレス、ハステロイ、その他のニッケル系合金である。
【0030】
<中間層について>
[材料]
中間層はIBAD法によって形成する。
この中間層を形成する材料としては、YSZ、MgO、SrTiO3、Gd2Zr2O7等を挙げることができ、その他、パイロクロア構造、希土類−C構造、ペロブスカイト型構造又は蛍石型構造を有する適宜の化合物を用いることができるが、中でもYSZ又はGd2Zr2O7を用いることが好ましい。特にGd2Zr2O7はIBAD成膜速度がYSZよりも速いだけでなく、配向度を表す指標であるΔΦ(FWHM:半値全幅)の値もより小さくなるため、中間層材料としては特に適している。図4にGd2Zr2O7 とYSZをそれぞれ成膜した場合の膜厚とΔΦとの関係を示す。この図は、YSZに比べてGd2Zr2O7の方が配向速度が速く、しかもΔΦが小さいことを示している。
【0031】
[膜厚]
従来、IBAD法によって成膜された中間層(以下、「IBAD膜」ともいう。)は、1000nm程度の膜厚がないと良好な配向性が得られないとされていた。一方、IBAD法は蒸着速度が3nm/分程度と遅いため成膜に時間が掛かり、生産性の点で問題があった。
【0032】
しかしながら、IBAD層の上に所定厚さ以上のCeO2層を形成すると、IBAD膜が1000nm以下であっても良好な配向性を有するCeO2層が得られ、このCeO2層の上に酸化物超電導体膜を形成すると、この酸化物超電導体膜は高い臨界電流密度を示す。そして、このCeO2層はPLD法によって成膜することができ、PLD法は高速成膜(例えば5000nm/分)が可能であるので、IBAD膜の膜厚を薄くして、CeO2層の膜厚を厚くしても、トータルの成膜速度は大幅に向上し、生産性を上げることができる。
【0033】
本発明においては、上記の理由から、中間層の膜厚は1000nm以下が良い。1000nmを超えてもよいが、前記のように、IBAD法は成膜時間がかかるため1000nmを超える膜厚とすることは生産性の点で望ましくない。更に2000nmを超えると表面粗さが大きくなり、臨界電流密度が低下するので好ましくない。
【0034】
また、中間層の膜厚の下限値は、その上に形成されるCeO2層の膜厚にも依存し、10nm以上あればよいが、好ましくは50nm以上、更に好ましくは100nm以上である。10nm未満であるとこの上にCeO2層を蒸着しても、配向度が10度以上となり、十分な臨界電流が流れない。
【0035】
<キャップ層について>
キャップ層はCeO2層で構成する。また、このCeO2層は、全てがCeO2からなる必要はなく、Ceの一部が他の金属原子又は金属イオンで一部置換されたCe−M−O系酸化物を含んでいてもよい。このCeO2層は、PLD法、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でPLD法を用いることが望ましい。PLD法によるCeO2層の成膜条件としては、基板温度約500〜800℃、約0.6〜40Paの酸素ガス雰囲気中で、レーザーエネルギー密度が1〜5J/cm2で行うことができる。
【0036】
CeO2層の膜厚は、50nm以上であればよいが、十分な配向性を得るには100nm以上が好ましく、500nm以上であれば更に好ましい。但し、5000nmを超えると結晶配向性が悪くなるので、5000nm以下とすることが好ましい。
【0037】
<酸化物超電導体膜について>
酸化物超電導体膜の材料としては、RE−123系酸化物超電導体(REBa2Cu3O7−X:REはY、La、Nd、Sm、Eu、Gd等の希土類元素)を用いることができる.
RE−123系酸化物として好ましいのは、Y123(YBa2Cu3O7−X:以下では「YBCO」という。)又はSm123(SmBa2Cu3O7−X、以下では「SmBCO」という。)である。
酸化物超電導体膜は、通常の成膜法によって成膜することが出来るが、生産性の点から、TFA−MOD法又はPLD法を用いることが好ましい。
【0038】
【実施例】
以下に、本件発明の実施例を比較例と共に示すが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0039】
【実施例1】
ハステロイ金属基板上にIBAD法によりGd2Zr2O7膜を種々の膜厚で蒸着した基板(以下、「IBAD基板」という。)を用意した。この上に通常のPLD法により、CeO2層を厚さ500nm蒸着した。
【0040】
PLD法によるCeO2層の蒸着は、温度約650℃、約4PaのO2ガス雰囲気中で、レーザー密度3J/cm2、レーザー周波数17Hzの条件で行った。まず、CeO2の直径3cmのペレットを真空チャンバーに取り付け、これを真空排気し、その後、上記O2ガスを流し、圧力を調整した。KrFエキシマレーザーをペレット上に照射し、それにより、ペレットに対向して設置されたIBAD基板上にCeO2層を蒸着した。YBCO超電導体膜は、TFA−MOD法(トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法)により厚さ250nmで成膜した。
【0041】
これらの試料について、面内配向度(ΔΦ)をX線回折法により調べた。図5に種々の膜厚のIBAD−Gd2Zr2O7膜の上につけた厚さ500nmのCeO2層の配向度を測定した結果を示す。比較のためにCeO2層なし、すなわちIBAD−Gd2Zr2O7層のみの配向度も示した。図5(A)はIBAD膜の厚さとΔΦとの関係を示した図であり、図5(B)はIBAD厚100〜1000nmのデータを詳細に示した図である。
【0042】
図5に示された結果によれば、CeO2層を蒸着したものでは配向度が向上していることがわかる。特に、IBAD層の厚みが1000nm以下の所ではその効果が著しい。1000〜2000nmの厚さのIABD−Gd2Zr2O7膜上にCeO2層を厚さ500nm蒸着した場合には、IBAD単独では困難な配向度4度が得られた。この試料の上に超電導層のYBCO(YBa2Cu3O7−x)をTFA−MOD法で成膜し、臨界電流を測定したところ、77K、0Tで3MA/cm2の高い臨界電流密度が得られた。
図6に、本実験により得られた各試料の臨界電流密度を示す。図6から明らかなように、配向度の優れたものが高い臨界電流密度を示し、実用上有利である。
【0043】
また、膜厚が2500,3000nmのIBAD−Gd2Zr2O7層上にも同様に厚さ500nmのCeO2酸化物層を蒸着した。厚みが2000nm以上であると表面粗さRaをAFM(atomic force microscope)を用いて「0.1mm×0.1mm」の範囲で測定すると、100nm以上の粗さになり実用的でなかった。すなわち、2000nm以下の膜厚では、上記と同様1MA/cm2以上の臨界電流密度であったが、2000nmを超えると図6に示したように表面粗さが増大するために臨界電流密度が0.7MA/cm2と大幅に落ちた。
【0044】
他方、IBAD層の厚みが10nm以下になると、PLD−CeO2層を蒸着しても、配向度が10度以上であり、十分な臨界電流が流れない。これは配向度が10度以上であると、各YBCO結晶同士の電気的つながりが不十分(弱結合)になるためである。しかし、CeO2層が70nmを超えるとCeO2層の配向度が10度以下になり十分な電流が流れる。IBAD法は蒸着速度が3nm/分程度と遅く、製造に時間が掛かるが、本発明のようにIBAD膜を薄くし、CeO2層をPLD法により厚めに形成することによって蒸着製造時間を短縮できる。
【0045】
この観点からすると、図5、6に示された結果から、上記IBAD膜厚としては、2000nm以下が好ましく、製造速度向上の観点からみると効果が著しい。すなわち、IBAD層の厚みが2000nm以下の場合に、本PLD―CeO2層の効果があるが、IBAD層の厚みは好ましくは1000nm以下であり、さらに好ましくは500nm以下であることが望ましい。また、最終到達配向度、臨界電流密度の点でIBAD層の厚みは100nm以上であることが望ましい。
【0046】
【実施例2】
実施例1と同様に、ハステロイ金属基板上にIBAD法によりGd2Zr2O7膜を500nm蒸着したIBAD基板を複数本用意した。PLD法により、CeO2酸化物層を種々の厚さで蒸着した。また、同様にYBCOはTFA‐MOD法により成膜した。
【0047】
図7は、9種類のCeO2膜の厚さ20nm、50nm、100nm、300nm、600nm、1000nm、300nm、5000nm、7000nmに対しての各CeO2膜のΔΦの値を示したものである。ΔΦの値は小さいほど結晶配向性が良いことを示すが、図7に示された結果によると、7000nmでは(すなわち5000nmを超えると)、結晶配向性がやや悪くなる。厚さ100〜5000nmの間ではΔΦは10度より小さくなる。この試料の上に超電導層のYBCOを実施例1と同様にTFA−MOD法で成膜し、臨界電流を測定したところ、77K、0Tで、CeO2膜の厚さ50nm〜7000nmで1MA/cm2以上のJcが得られ、特に100nm〜5000nmの間では2MA/cm2以上のJcが得られ、最高で3MA/cm2の高い臨界電流密度が得られた。
【0048】
以上の結果から、CeO2層を50nm以上の厚みでつけると効果が大きいことがわかる。さらに好ましくは十分な配向度をとるために、100nm以上、さらに好ましくは500nm以上の膜厚のCeO2層をつけると高い配向度と十分大きな臨界電流密度が得られることがわかる。
また、上記IBAD中間層としてGd2Zr2O7に代えて、YSZ及びMgOを採用した場合についても同様の試験を行ったところ、CeO2層のΔΦ及びYBCO膜のJcについては同様な結果が得られた。
【0049】
【実施例3】
実施例1において、超電導体膜としてYBCO膜に代えてSmBCO(SmBa2Cu3O7−x)膜を成膜した以外は実施例1と同様にして試験を行ったところ、実施例1と同様な結果が得られた。但し、JcはYBCO膜を形成した場合よりも少し低く、最高で2MA/cm2の値であった。
【0050】
【実施例4】
実施例1において、超電導体膜としてYBCO膜に代えてNdBCO(NdBa2Cu3O7−x)膜を成膜した以外は実施例1と同様にして試験を行ったところ、実施例1と同様な結果が得られた。但し、JcはYBCO膜を形成した場合よりも少し低く、最高で2MA/cm2の値であった。
【0051】
【実施例5】
実施例1において、CeO2層の厚みを5000nmとして実施例1と同様な試験を行った。この結果、実施例1と同様に、CeO2層を蒸着したものでは配向度が向上した。特に、IBAD層の厚みが1000nm以下の所ではその効果が著しかった。1000〜2000nmの厚さのIABD−Gd2Zr2O7膜上にCeO2層を厚さ5000nm蒸着した場合にも、IBAD単独では困難な配向度4度(ΔΦ)が得られた。この試料の上に超電導層のYBCOをTFA−MOD法で成膜し、臨界電流を測定したところ、77K、0Tで最高で約3MA/cm2の高い臨界電流密度が得られた。本結果でも、実施例1と同様に配向度が優れたものが高い臨界電流密度を示し、実用上有利である。
【0052】
【実施例6】
実施例1において、金属基板としてハステロイに代えて、ステンレス及びNi系合金を用いた以外は実施例1と同様にして試験を行った。この場合にも、CeO2層のΔΦ及びYBCO膜のJcについては同様な結果が得られた。
【0053】
【実施例7】
実施例1において、YBCO膜の製造方法をTFA−MOD法に代えてPLD法とした以外は実施例1と同様にして試験を行ったところ、CeO2層のΔΦ及びYBCO膜のJc共に実施例1と同様な結果が得られた。
【0054】
【実施例8】
実施例1で用いたIBAD基板(Gd2Zr2O7:膜厚300nm)の上に、PLD法を用いて、500nm厚のCeO2層を、その成膜速度が厚さ基準で0.5〜10,000nm/分となるようにして成膜した。図8は各成膜速度によって成膜して得られたCeO2層の表面粗さ(Ra)を測定した結果を示す図である。
【0055】
成膜速度が0.5nm/分および10000nm/分では、Raが大きくなるため実用的でない。一方、1nm/分〜5000nm/分の間ではRaが20nm以下であり、良好な表面状態が得られた。この試料の上にYBCO膜を実施例1と同様にTFA−MOD法で成膜し、臨界電流を測定したところ、1nm/分〜5000nm/分の成膜速度のCeO2層上で、77K、0Tで1.5MA/cm2以上のJcが得られた。特に10nm/分のCeO2層上のYBCO膜では、3MA/cm2のJcが得られた。
【0056】
本発明の特徴は従来のIBAD膜の成膜法に比べて成膜速度が格段に速くなることにある。すなわち、IBAD膜の成膜速度を3nm/分、CeO2層の成膜速度を50nm/分とすると、従来法では、2000nmの厚さのIBAD膜の上に100nmの厚さのCeO2層を形成する場合、トータル時間は、668分である(2000[nm]÷3[nm/分]+100[nm]÷50[nm/分]=668分)。これに対して、本発明によると、300nmの厚さのIBAD膜の上に500nmのCeO2層を形成する場合、トータル時間は、110分である(300[nm]÷3[nm/分]+500[nm]÷50[nm/分]=110分)。
上記のように、本発明の酸化物超電導線材は、従来のものに比べると短時間で製造できることに加えて、図5及び図7に示されているようにその配向度は従来のものと同程度以上のものが得られるという大きなメリットを有している。
【0057】
【実施例9】
実施例1で用いたIBAD基板(Gd2Zr2O7膜厚300nm)の上に、PLD法を用いて、CeO2層をレーザーのエネルギー密度0.7〜6J/cm2で成膜した。CeO2層の膜厚は500nmとした。図9はレーザーの各エネルギー密度に対する結晶配向度ΔΦの測定結果である。0.7J/cm2および6J/cm2とのきのΔΦが10度以上になるため、実施例1で述べた理由から実用的でない。一方、1〜5J/cm2では10度以下のΔΦが得られた。
【0058】
この試料の上に超電導層のYBCOを実施例1と同様にTFA−MOD法で成膜し、臨界電流を測定したところ、1〜5J/cm2のCeO2層上で、77K、0Tで1MA/cm2以上のJcが得られた。特に1.5〜4J/cm2のCeO2層上のYBCO膜では、2MA/cm2以上Jcが得られ、1.5J/cm 2で成膜したCeO2層上のYBCO膜で、実施例1と同様に最高で3MA/cm2のJcが得られた。
【0059】
【発明の効果】
本発明によれば、中間層のIBAD膜の膜厚を薄くできるので、IBAD法に要する時間を短縮して、超電導線材の生産性を上げることができる。また、キャップ層として設けるCeO2層の厚みを厚くすることによりCeO2層の表面粗さが小さく、配向度の高い表面が得られるため、この上に酸化物超電導膜を形成すると高い臨界電流密度の超電導膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は、酸化物超電導体膜を構成する個々の結晶粒のa軸が配向していない様子を示す図であり、(B)は結晶粒のa軸が配向している図を示す。
【図2】IBAD法による成膜プロセスを示す概略図である。
【図3】本発明の超電導線材の層構成を示す図である。
【図4】Gd2Zr2O7とYSZの膜厚とΔΦとの関係及び成膜速度を示す図である。
【図5】IBAD膜厚とこの上に形成されたCeO2層のΔΦとの関係を示した図である。
【図6】IBAD膜の厚さと得られた超電導体膜の臨界電流密度の関係を示す図である。
【図7】CeO2膜の厚さに対するCeO2膜のΔΦの値を示した図である。
【図8】CeO2膜の成膜速度と得られたCeO2層の表面粗さ(Ra)との関係を示す図である。
【図9】レーザーのエネルギー密度と得られたCeO2層の結晶配向度ΔΦとの関係を示す図である。
【符号の説明】
1 基板
2 ターゲット
3 スパッタビーム照射装置
4 イオン源4
Claims (15)
- 金属基板、該金属基板上にイオンビームアシスト法(IBAD法)により蒸着した中間層、該中間層上に蒸着したCeO2のキャップ層及び該キャップ層上に形成した酸化物超電導体膜からなる酸化物超電導線材において、該中間層の厚さが2000nm以下であり、かつ、該キャップ層の厚さが50nm以上であることを特徴とする酸化物超電導線材。
- 前記酸化物超電導体膜がRE−123系酸化物超電導体(REBa2Cu3O7−X:REはYを含む希土類元素)からなることを特徴とする請求項1記載の酸化物超電導線材。
- 前記中間層がGd2Zr2O7、YSZ(イットリア安定化ジルコニウム)及びMgOから選ばれた一種であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の酸化物超電導線材。
- 前記中間層の厚さが10nm以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記中間層の配向度(ΔΦ)が10度以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層の配向度(ΔΦ)が前記中間層の配向度(ΔΦ)よりも良いことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層の厚さが5000nm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層の配向度(ΔΦ)が10度以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層が、レーザー蒸着法(PLD法)により成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層が中間層の成膜速度よりも速い成膜速度で成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層が、1〜5000nm/minの成膜速度で成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層が、PLD法のレーザーのエネルギー密度が1〜5J/cm2で成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜11記載の酸化物超電導線材。
- 前記酸化物超電導体膜がY123相、Sm123相またはNd123相であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記酸化物超電導体膜が、レーザー蒸着法(PLD法)または塗布熱分解法(MOD法)により成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
- 前記金属基板がハステロイ、ステンレス、Ni系合金、Ag又はAg系合金から選ばれた一種であることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の酸化物超電導線材。
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