JP2005219976A - Oxide superconductor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は酸化物超伝導体及びその製造方法、さらに詳細にはNd2CuO4構造を有するLa2CuO4に対して、価数3価の元素のドーピングにより、超伝導を発現させる新しい酸化物超伝導体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an oxide superconductor and a method for producing the same, and more specifically, a new oxide that exhibits superconductivity by doping a trivalent element with La 2 CuO 4 having an Nd 2 CuO 4 structure. The present invention relates to a superconductor and a method for manufacturing the same.
Nd2CuO4構造をとる酸化物超伝導体としては、一般式で(RE,Th)2CuO4(非特許文献1、2)、(RE,Ce)2CuO4(非特許文献3、4)で表される物質が過去に知られていた。ここでREはLa、Pr、Nd、Sm、Euのいずれかの希土類元素またはそれらの元素の混合物を表す。価数が4価のTh及びCeが3価の希土類元素を置換し、n型キャリヤを供給することにより、超伝導が発現するとされてきた。
従来の技術では、Nd2CuO4構造を有するRE2CuO4(REはLa、Pr、Nd、Sm、Eu)の超伝導発現に価数4価の元素のドーピングが必要であった。このため、ドーパントがThとCeに限られていた。 In the prior art, doping of a tetravalent element was necessary for the superconductivity of RE 2 CuO 4 (RE is La, Pr, Nd, Sm, Eu) having an Nd 2 CuO 4 structure. For this reason, the dopant was limited to Th and Ce.
上記課題を解決するために、本発明による酸化物超伝導体は、化学式La2−xMxCuO4(0<x<2;MをPr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yの1種以上)で表され、結晶構造がNd2CuO4構造をとることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the oxide superconductor according to the present invention has a chemical formula La 2-x M x CuO 4 (0 <x <2; M represents Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, One or more of Er, Tm, Yb, Lu, and Y), and the crystal structure has an Nd 2 CuO 4 structure.
また本発明による酸化物超伝導体の製造方法は、化学式La2−xMxCuO4(0<x<2;MをPr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yの1種以上)を生成するための化学量論比に秤量した金属La、金属M、金属Cuを超高真空チャンバーに設置し、基板を加熱するとともに活性酸素を導入して前記基板上に金属酸化物薄膜を形成させることを特徴とする。 In addition, the method for producing an oxide superconductor according to the present invention has a chemical formula La 2-x M x CuO 4 (0 <x <2; M is Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, The metal La, metal M, and metal Cu weighed in a stoichiometric ratio for generating Yb, Lu, and Y) are placed in an ultra-high vacuum chamber, the substrate is heated, and active oxygen is introduced. A metal oxide thin film is formed on the substrate.
すなわち、本発明はNd2CuO4構造を有するLa2CuO4に対して、価数3価の元素のドーピングにより、超伝導を発現させることを目的とする。価数3価の元素としては、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yのいずれか、又は、その混合とすることができる。 That is, an object of the present invention is to develop superconductivity for La 2 CuO 4 having an Nd 2 CuO 4 structure by doping a valence trivalent element. As the valence trivalent element, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y, or a mixture thereof can be used.
Nd2CuO4構造を有するLa2CuO4は、通常のバルク合成では安定化することができないが、低温薄膜合成により安定化できる。得られたLa2CuO4薄膜は金属的であるものの、結晶性が完全でないために、超伝導は示さない。しかし、少量のPr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yの1種以上をLa2CuO4に添加することにより、結晶性を向上させ、超伝導を発現することができる。 La 2 CuO 4 having an Nd 2 CuO 4 structure cannot be stabilized by ordinary bulk synthesis, but can be stabilized by low-temperature thin film synthesis. Although the obtained La 2 CuO 4 thin film is metallic, it does not exhibit superconductivity due to incomplete crystallinity. However, by adding a small amount of one or more of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and Y to La 2 CuO 4 , the crystallinity is improved and superconductivity is improved. Can be expressed.
従来、Nd2CuO4構造を有するRE2CuO4の超伝導発現には価数4価の元素のドーピングにより、n型キャリヤの供給が必須であると考えられてきた。本発明は、この従来概念を覆し、中性のドーピングによっても超伝導発現が可能なことを示した。 Conventionally, it has been considered that supply of n-type carriers is indispensable for the development of superconductivity of RE 2 CuO 4 having an Nd 2 CuO 4 structure by doping with a tetravalent element. The present invention overturns this conventional concept and shows that superconductivity can be developed even by neutral doping.
本発明によれば、化学式La2−xMxCuO4(0<x<2;MをPr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yの1種以上)で表され、結晶構造がNd2CuO4構造をとることを特徴とする。 According to the present invention, the chemical formula La 2-x M x CuO 4 (0 <x <2; M is Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y. The crystal structure is an Nd 2 CuO 4 structure.
また、前述のように少量のPr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yの1種以上をLa2CuO4に添加することにより、結晶性を向上させ、超伝導を発現することができる。 In addition, as described above, crystallinity is improved by adding a small amount of one or more of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and Y to La 2 CuO 4. And superconductivity can be developed.
本発明による酸化物超伝導体の製造方法によれば、化学式La2−xMxCuO4(0<x<2;MをPr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yのいずれか)を生成するための化学量論比に秤量した金属La、金属M、金属Cuを超高真空チャンバーに設置し、基板を加熱するとともに活性酸素を導入して前記基板上に金属酸化物薄膜を形成させる(図1参照)。これによって反応性共蒸着によってLa2−xMxCuO4(0<x<2;MをPr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Yの1種以上)薄膜が形成される。 According to the method of manufacturing an oxide superconductor according to the present invention, the chemical formula La 2-x M x CuO 4 (0 <x <2; M is Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm. , Yb, Lu, or Y) are placed in an ultra-high vacuum chamber with metal La, metal M, and metal Cu weighed in a stoichiometric ratio to heat the substrate and introduce active oxygen. A metal oxide thin film is formed on the substrate (see FIG. 1). Thus, La 2 -x M x CuO 4 (0 <x <2; M is Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y by reactive co-evaporation. Thus, a thin film is formed.
基板としては、たとえばチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、アルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板及びアルミ酸イットリウム(YAlO3)基板を有効に使用することができる。基板温度は好ましくは450〜800℃である。450℃未満であると、結晶化しない恐れがあり、一方800℃を越えると、La2−xMxCuO4相が形成されない恐れがある。最も好ましくは600〜700℃である。 As the substrate, for example, a strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate, a neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate, and an yttrium aluminate (YAlO 3 ) substrate can be effectively used. The substrate temperature is preferably 450 to 800 ° C. If it is lower than 450 ° C., it may not be crystallized, while if it exceeds 800 ° C., the La 2−x M x CuO 4 phase may not be formed. Most preferably, it is 600-700 degreeC.
さらに活性酸素としては、たとえばオゾンまたは原子酸素が好ましく用いられる。この活性酸素の流量は、0.1〜10cc/分、好ましくは0.5〜5cc/分であるのがよい。0.1cc/分未満であると、La2−xMxCuO4の相ができない。一般に、銅酸化物高温超伝導体ではCuは2+の高酸化状態にあるので、所望の相を得るためには、成長時に照射する活性酸素量の下限が存在する。5cc/分を越えると、結晶性が徐々に悪くなり、10cc/分を越えると使用可能な結晶性ではなくなると推定される。 Further, as active oxygen, for example, ozone or atomic oxygen is preferably used. The flow rate of this active oxygen is 0.1 to 10 cc / min, preferably 0.5 to 5 cc / min. If it is less than 0.1 cc / min, a phase of La 2-x M x CuO 4 cannot be formed. In general, Cu is in a high oxidation state of 2+ in a copper oxide high-temperature superconductor. Therefore, in order to obtain a desired phase, there is a lower limit of the amount of active oxygen irradiated during growth. If it exceeds 5 cc / min, the crystallinity gradually deteriorates, and if it exceeds 10 cc / min, it is estimated that the crystallinity is not usable.
以下実施例を説明する。後述の実施例は、本発明の例示であり、これによって限定されるものではない。 Examples will be described below. The following examples are illustrative of the present invention and are not limited thereby.
(1)M=Sm
オゾンを用いた反応性共蒸着法により、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、アルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板及びアルミ酸イットリウム(YAlO3)基板上にLa2−xSmxCuO4薄膜を作製した。ここで、基板温度は650℃で、オゾン流量1cc/分とした。
(1) M = Sm
La 2-x Sm x CuO 4 thin film was formed on a strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate, neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate, and yttrium aluminate (YAlO 3 ) substrate by a reactive co-evaporation method using ozone. Produced. Here, the substrate temperature was 650 ° C., and the ozone flow rate was 1 cc / min.
図2は、同薄膜のx=0.15における超伝導転移を示したものであり、薄膜がTc〜21Kの超伝導体であることを示している。図3は、同薄膜のx=0.30におけるX線回折パターンであり、薄膜がNd2CuO4構造をとっていることを示している。ここで*印はYAlO3基板からのピークを示している。 FIG. 2 shows the superconducting transition of the thin film at x = 0.15, indicating that the thin film is a superconductor of Tc to 21K. FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern of the thin film at x = 0.30, which shows that the thin film has an Nd 2 CuO 4 structure. Here, * indicates a peak from the YAlO 3 substrate.
さらに、Smドープ量を系統的に変える実験を行い、超伝導が出現する組成範囲を調べた。図4に超伝導転移温度のx依存性を示す。図4はLa2−xSmxCuO4薄膜の超伝導転移温度(Tc)をSmの組成の関数としてプロットしたものである。○、□及び△は、それぞれチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、アルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板及びアルミ酸イットリウム(YAlO3)基板上に作製した薄膜の結果を示している。0.15≦x≦0.30の範囲で超伝導が観測され、x=0.15近傍でTcは最高値の21.0Kとなる。 Furthermore, an experiment was conducted to systematically change the amount of Sm doping, and the composition range where superconductivity appeared was examined. FIG. 4 shows the x dependence of the superconducting transition temperature. FIG. 4 is a plot of the superconducting transition temperature (Tc) of a La 2-x Sm x CuO 4 thin film as a function of Sm composition. ○, □, and Δ show the results of the thin films formed on the strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate, the neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate, and the yttrium aluminate (YAlO 3 ) substrate, respectively. Superconductivity is observed in the range of 0.15 ≦ x ≦ 0.30, and Tc reaches the maximum value of 21.0K in the vicinity of x = 0.15.
(2)M=Eu
オゾンを用いた反応性共蒸着法により、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、アルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板及びアルミ酸イットリウム(YAlO3)基板上にLa2−xEuxCuO4薄膜を作製した。ここで、基板温度は650℃で、オゾン流量1.5cc/分とした。図5は、同薄膜のx=0.15における超伝導転移を示したものであり、薄膜がTc〜20Kの超伝導体であることを示している。さらに、Euドープ量を系統的に変える実験を行い、超伝導が出現する組成範囲を調べた。図6に超伝導転移温度のx依存性を示す。図6はLa2−xEuxCuO4薄膜の超伝導転移温度(Tc)をEuの組成の関数としてプロットしたものである。○、□及び△は、それぞれチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、アルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板及びアルミ酸イットリウム(YAlO3)基板上に作製した薄膜の結果を示している。0.15≦x≦0.30で超伝導が観測され、x=0.15付近で最高のTc=20.2Kが得られた。
(2) M = Eu
La 2-x Eu x CuO 4 thin film was formed on a strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate, neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate, and yttrium aluminate (YAlO 3 ) substrate by a reactive co-evaporation method using ozone. Produced. Here, the substrate temperature was 650 ° C., and the ozone flow rate was 1.5 cc / min. FIG. 5 shows the superconducting transition of the thin film at x = 0.15, indicating that the thin film is a superconductor of Tc to 20K. Furthermore, an experiment was conducted to systematically change the Eu doping amount, and the composition range in which superconductivity appeared was examined. FIG. 6 shows the x dependence of the superconducting transition temperature. FIG. 6 is a plot of the superconducting transition temperature (Tc) of a La 2-x Eu x CuO 4 thin film as a function of Eu composition. ◯, □, and Δ show the results of the thin films formed on the strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate, the neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate, and the yttrium aluminate (YAlO 3 ) substrate, respectively. Superconductivity was observed at 0.15 ≦ x ≦ 0.30, and the highest Tc = 20.2 K was obtained near x = 0.15.
(3)M=Y
オゾンを用いた反応性共蒸着法により、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板、アルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板及びアルミ酸イットリウム(YAlO3)基板上にLa2−xYxCuO4薄膜を作製した。ここで、基板温度は650℃で、オゾン流量2cc/分とした。図7は、同薄膜のx=0.09における超伝導転移を示したものであり、薄膜がTc〜19Kの超伝導体であることを示している。さらに、Yドープ量を系統的に変える実験を行い、超伝導が出現する組成範囲を調べた。図8に超伝導転移温度のx依存性を示す。図8はLa2−xYxCuO4薄膜の超伝導転移温度(Tc)をYの組成の関数としてプロットしたものである。○、□及び△は、それぞれチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板。アルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板及びアルミ酸イットリウム(YAlO3)基板上に作製した薄膜の結果を示している。0.09≦x≦0.15で超伝導が観測され、x=0.09付近で最高のTc=19.3Kが得られた。
(3) M = Y
La 2-x Y x CuO 4 thin film is formed on a strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate, neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate, and yttrium aluminate (YAlO 3 ) substrate by a reactive co-evaporation method using ozone. Produced. Here, the substrate temperature was 650 ° C., and the ozone flow rate was 2 cc / min. FIG. 7 shows the superconducting transition of the thin film at x = 0.09, indicating that the thin film is a superconductor of Tc to 19K. Furthermore, an experiment was conducted to systematically change the Y-doping amount, and the composition range in which superconductivity appeared was investigated. FIG. 8 shows the x dependence of the superconducting transition temperature. FIG. 8 is a plot of the superconducting transition temperature (Tc) of a La 2 -x Y x CuO 4 thin film as a function of Y composition. ○, □ and Δ are strontium titanate (SrTiO 3 ) substrates, respectively. Shows the aluminum neodymium calcium (NdCaAlO 4) substrate and an aluminum yttrium (YAlO 3) results of films prepared on a substrate. Superconductivity was observed at 0.09 ≦ x ≦ 0.15, and the highest Tc = 19.3K was obtained near x = 0.09.
(4)M=Lu
オゾンを用いた反応性共蒸着法により、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板及びアルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板上にLa2−xLuxCuO4薄膜を作製した。ここで、基板温度は650℃で、オゾン流量3cc/分とした。図8は、同薄膜のx=0.06における超伝導転移を示したものであり、薄膜がTc〜12Kの超伝導体であることを示している。さらに、Luドープ量を系統的に変える実験を行い、超伝導が出現する組成範囲を調べた。図10に超伝導転移温度のx依存性を示す。図10はLa2−xLuxCuO4薄膜の超伝導転移温度(Tc)をLuの組成の関数としてプロットしたものである。○及び□は、それぞれチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板及びアルミ酸ネオジムカルシウム(NdCaAlO4)基板上に作製した薄膜の結果を示している。0.03≦x≦0.09で超伝導が観測され、x=0.06付近で最高のTc=11.7Kが得られた。
(4) M = Lu
La 2-x Lu x CuO 4 thin films were formed on a strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate and a neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate by a reactive co-evaporation method using ozone. Here, the substrate temperature was 650 ° C., and the ozone flow rate was 3 cc / min. FIG. 8 shows the superconducting transition of the thin film at x = 0.06, indicating that the thin film is a superconductor of Tc to 12K. Furthermore, an experiment was conducted to systematically change the Lu doping amount, and the composition range in which superconductivity appeared was examined. FIG. 10 shows the x dependence of the superconducting transition temperature. FIG. 10 is a plot of the superconducting transition temperature (Tc) of a La 2-x Lu x CuO 4 thin film as a function of Lu composition. ○ and □ show the results of the thin films formed on the strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate and the neodymium calcium aluminate (NdCaAlO 4 ) substrate, respectively. Superconductivity was observed at 0.03 ≦ x ≦ 0.09, and the highest Tc = 11.7 K was obtained near x = 0.06.
従来、Nd2CuO4構造を有するRE2CuO4の超伝導発現には価数4価の元素のドーピングにより、n型キャリヤの供給が必須であると考えられてきた。本発明は、この従来概念を覆し、中性のドーピングによっても超伝導発現が可能なことを示した。すなわち、新しい酸化物超伝導体およびその製造方法を提供する。 Conventionally, it has been considered that supply of n-type carriers is indispensable for the development of superconductivity of RE 2 CuO 4 having an Nd 2 CuO 4 structure by doping with a tetravalent element. The present invention overturns this conventional concept and shows that superconductivity can be developed even by neutral doping. That is, a new oxide superconductor and a manufacturing method thereof are provided.
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JP2009107882A (en) * | 2007-10-30 | 2009-05-21 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Superconductor and its manufacturing method |
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