JP2005276465A - 超電導線材 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に結晶配向性を有する基板、中間層および超電導層の各層間における結晶格子の不整合が小さく、超電導特性に優れた超電導線材を提供する。
【解決手段】 超電導層と２つ以上の中間層と表面に結晶配向性を有する基板とを含む超電導線材であって、上記超電導層、表面に結晶配向性を有する基板および２つ以上の中間層において、それらの平面に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数を、それぞれａ_sc、ａ_sub、ａ₁、・・・ａ_k（ｋは２以上の整数）とし、２つ以上の中間層の換算格子定数をａ₁’、・・・ａ_k’とするとき、ａ_sub＜ａ₁’＜・・・＜ａ_k’＜ａ_scまたはａ_sub＞ａ₁’＞・・・＞ａ_k’＞ａ_scの関係を満たす超電導線材。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導線材に関し、より詳しくは、超電導層と２つ以上の中間層と表面に結晶配向性を有する基板とを有する超電導線材に関する。

高温超電導体の発見以来、ケーブル、限流器、マグネットなどの電力機器への応用を目指した高温超電導線材の開発が活発に行なわれている。ここで、優れた高温超電導線材を得るためには、配向性の高い超電導層を形成する必要がある。

超電導層の配向性を向上させるためには、表面に結晶配向性を有する基板上に、中間層を形成し、さらにその中間層上に超電導層を形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献１〜２参照。）。

しかし、中間層および超電導層として異種の材料を用いるため、これらの層の格子定数は互いに一致することがないことから、各層間における結晶格子の不整合により、中間層および超電導層に部分的な結晶ひずみまたは部分的な結晶欠陥などによる結晶性の低下が生じ、超電導臨界電流（Ｉｃ）または超電導臨界温度（Ｔｃ）などの超電導特性の向上が妨げられるという問題があった。
特開平１１−０５３９６７号公報 特開平１１−１１１０８０号公報

本発明は、上記問題点を解決するため、表面に結晶配向性を有する基板、中間層および超電導層の各層間における結晶格子の不整合が小さく、超電導特性に優れた超電導線材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる超電導線材は、超電導層と２つ以上の中間層と表面に結晶配向性を有する基板とを含む超電導線材であって、上記超電導層の超電導層平面に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をａ_sc、上記の表面に結晶配向性を有する基板の基板平面に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をａ_sub、２以上の中間層の中間層平面に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をそれぞれａ₁，・・・ａ_kとし、ｍおよびｎが１以上の整数、ｋが２以上の整数であるとき、ａ₁／ｍ、ｎａ₁、ａ₁／（√２・ｍ）またはｎａ₁／（√２）のいずれかの数値であって、ａ_scとａ_subとの間にある換算格子定数ａ₁’、および、ａ_k／ｍ、ｎａ_k、ａ_k／（√２・ｍ）またはｎａ_k／（√２）のいずれかの数値であって、ａ_scとａ_subとの間にある換算格子定数ａ_k’が、ａ_sub＜ａ₁’＜・・・＜ａ_k’＜ａ_scまたはａ_sub＞ａ₁’＞・・・＞ａ_k’＞ａ_scの関係を満たすことを特徴とする。

また、本発明にかかる上記超電導線材において、超電導層と中間層との格子不整合率Δ｜ａ_sc−ａ_k’｜、隣接する中間層間の格子不整合率Δ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜および中間層と表面に結晶配向性を有する基板との格子不整合率Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜を、６％以下とすることができる。

さらに、本発明にかかる上記超電導線材が、超電導層と２つの中間層と表面に結晶配向性を有する基板とを含む場合には、上記の表面に結晶配向性を有する基板をＮｉ金属またはＮｉを含有する合金を含む配向金属基板とし、上記の表面に結晶配向性を有する基板に隣接する中間層である第１中間層をイットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺという）およびＹｂ₂Ｏ₃の中から選ばれる１の化合物からなるものとし、上記第１中間層および超電導体に隣接する中間層である第２中間層をＣｅＯ₂、ＬａＡｌＯ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇およびＧｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇の中から選ばれる１の化合物からなるものとし、上記超電導層をＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（ＲＥは希土類元素）からなるものとすることができる。

また、本発明にかかる上記超電導線材が、超電導層と３つの中間層と表面に結晶配向性を有する基板とを含む場合には、上記の表面に結晶配向性を有する基板が、Ｎｉ金属またはＮｉを含有する合金を含む配向金属基板とし、上記の表面に結晶配向性を有する基板に隣接する中間層である第１中間層をＹＳＺおよびＹｂ₂Ｏ₃の中から選ばれる１の化合物からなるものとし、上記第１中間層に隣接する中間層である第２中間層をＨｏ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇およびＧｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇の中から選ばれる１の化合物からなるものとし、上記第２中間層および超電導層に隣接する中間層である第３中間層をＣｅＯ₂およびＬａＡｌＯ₃の中から選ばれる１の化合物からなるものとし、上記超電導層をＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（ここで、ＲＥは希土類元素を示す。以下同じ。）からなるものとすることができる。

上記のように、本発明によれば、超電導層の格子定数ａ_sc、２以上の中間層の換算格子定数ａ₁’、・・・、ａ_k’および表面に結晶配向性を有する基板の格子定数ａ_subが、ａ_sub＜ａ₁’＜・・・＜ａ_k’＜ａ_scまたはａ_sub＞ａ₁’＞・・・＞ａ_k’＞ａ_scの関係を満たすことにより、超電導層、２以上の中間層、および表面に結晶配向性を有する基板の各層間の結晶格子の不整合を小さくすることができ、超電導特性に優れた超電導線材が得られる。

本発明にかかる一の超電導線材は、図１を参照して、超電導層３と２以上の中間層２と表面に結晶配向性を有する基板１とを含む超電導線材１００であって、上記超電導層３の超電導層平面に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をａ_sc、上記の表面に結晶配向性を有する基板１の基板平面に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をａ_sub、上記２以上の中間層２の中間層平面に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をそれぞれａ₁，・・・ａ_kとし、ｍおよびｎが１以上の整数、ｋが２以上の整数であるとき、ａ₁／ｍ、ｎａ₁、ａ₁／（√２・ｍ）またはｎａ₁／（√２）のいずれかの数値であって、ａ_scとａ_subとの間にある換算格子定数ａ₁’、および、ａ_k／ｍ、ｎａ_k、ａ_k／（√２・ｍ）またはｎａ_k／（√２）のいずれかの数値であって、ａ_scとａ_subとの間にある換算格子定数ａ_k’が、ａ_sub＜ａ₁’＜・・・＜ａ_k’＜ａ_scまたはａ_sub＞ａ₁’＞・・・＞ａ_k’＞ａ_scの関係を満たす。かかる関係を満たす２以上の中間層の換算格子定数ａ₁’、・・・、ａ_k’は、表面に結晶配向性を有する基板の格子定数と超電導層の格子定数との間で単調増加または単調減少するため、超電導層、２以上の中間層および表面に結晶配向性を有する基板の各層における結晶格子の不整合を効果的に低減することができる。

ここで、上記各層における各層平面格子定数に平行な方向における１つの結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数ａ_sc、ａ_sub、ａ₁、・・・ａ_kは、Ｘ線回折法を用いて測定することができる。たとえば、Ｘ線を各層の全反射近傍方向から入射回折させるインプレーン回折法は、表面に平行な結晶方位の格子定数を測定する一つの方法である。また、各層の構成元素および元素組成については、蛍光Ｘ線分析、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy；Ｘ線光電子分光法）、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analysis；電子プローブ微小分析）法、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy；２次イオン質量分析）法などにより定性的または定量的に同定することができる。さらに、既知の結晶の多くは、各層の構成元素または元素組成を同定することにより、格子定数を推定することができる。すなわち、上記各種の分析法を併用することによって、各層の構成元素および元素組成、各層における格子定数ａ_sc、ａ_sub、ａ₁、・・・ａ_kを同定することができる。

ここで、上記各層の結晶格子が立方晶または正方晶である場合および立方晶または正方晶で近似できる場合において、中間層に超電導層が堆積するときの両層における結晶格子の整合性について検討する。たとえば、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（ＲＥは希土類元素）などの超電導層は、通常ｃ軸方向に堆積するため、超電導層および中間層において、それぞれ超電導層平面および中間層平面と平行な方向における１の結晶軸をａ軸について結晶格子の整合性を評価することができる。

超電導層のａ軸の大きさを示す格子定数をａ_sc、上記超電導層に隣接するｋ番目（ｋは２以上の整数）の中間層である第ｋ中間層のａ軸の大きさを示す格子定数をａ_kとするとき、第ｋ中間層の結晶格子に完全に整合して超電導層が堆積する場合として、次の２つの場合がある。第１の場合は、両層のａ軸の方向が一致し、かつ、いずれかの層のａ軸の大きさを示す格子定数の１以上の整数倍が他方の層のａ軸の大きさを示す格子定数と一致する場合であり、この場合はｍａ_sc＝ａ_kまたはａ_sc＝ｎａ_kとなる（ここで、ｍおよびｎは１以上の整数）。第２の場合は、いずれかの層のａ軸の方向が他方の層のａ軸の方向に対して両層の平面方向に４５°傾いており、いずれかの層のａ軸の大きさを示す格子定数の１以上の整数倍が他方の層のａ軸の大きさを示す格子定数と一致する場合であり、この場合は√２・ｍａ_sc＝ａ_kまたは√２・ａ_sc＝ｎａ_kとなる（ここで、ｍおよびｎは１以上の整数）。

しかし、超電導層、中間層および表面に結晶配向性を有する基板は、その材質が異なっているため、各層のａ軸の大きさを示す上記格子定数は、通常一致しない。各層間の結晶格子の不整合は、上記格子定数の違いとして把握できる。ここで、ａ_k／ｍ、ｎａ_k、ａ_k／（√２・ｍ）またはｎａ_k／（√２）のいずれかの数値であって、ａ_subとａ_scとの間にあるものを換算格子定数ａ_k’と、また表面に結晶配向性を有する基板に隣接する第１中間層について、ａ₁／ｍ、ｎａ₁、ａ₁／（√２・ｍ）またはｎａ₁／（√２）のいずれかの数値であって、ａ_subとａ_scとの間にあるものを換算格子定数ａ₁’と定義するとき、ａ_sub、ａ₁’・・・ａ_k’、ａ_scが、ａ_sub＜ａ₁’＜・・・＜ａ_k’＜ａ_scまたはａ_sub＞ａ₁’＞・・・＞ａ_k’＞ａ_scの関係を満たす場合には、２以上の中間層の換算格子定数ａ₁’・・・ａ_k’は、表面に結晶配向性を有する基板の格子定数ａ_subと超電導層の格子定数ａ_scとの間で単調増加または単調減少するため、超電導層、２以上の中間層および表面に結晶配向性を有する基板の各層間における結晶格子の不整合を効率的に小さくすることができる。このようにして、各層間における結晶格子の不整合を緩和することにより、中間層および超電導層に結晶ひずみまたは結晶欠陥が起こりにくくなり、中間層および超電導層の結晶性が高く維持され、超電導性に優れた超電導線材が得られる。

また、本発明にかかる上記超電導線材において、超電導層と中間層との格子不整合率Δ｜ａ_sc−ａ_k’｜、隣接する中間層間の格子不整合率Δ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜および中間層と表面に結晶配向性を有する基板との格子不整合率Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜を、６％以下とすることが好ましい。ここで、Δ｜ａ_sc−ａ_k’｜はΔ｜ａ_sc−ａ_k’｜＝１００×｜ａ_sc−ａ_k’｜／（（ａ_sc＋ａ_k’）／２）で、Δ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜はΔ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜＝１００×｜ａ_k’−ａ_k-1’｜／（（ａ_k’＋ａ_k-1’）／２）で、Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜はΔ｜ａ₁’−ａ_sub｜＝１００×｜ａ₁’−ａ_sub｜／（（ａ₁’＋ａ_sub）／２）で定義される格子不整合率である。なお、上記各式において、｜ａ_sc−ａ_k’｜は（ａ_sc−ａ_k’）の絶対値を、｜ａ_k’−ａ_k-1’｜は（ａ_k’−ａ_k-1’）の絶対値を、｜ａ₁’−ａ_sub｜は（ａ₁’−ａ_sub）の絶対値をそれぞれ意味する。各層間における格子不整合率が小さくなるほど、各層間の格子定数または換算格子定数の違いが小さくかつ均等化されることによって、各層間の結晶格子の不整合をさらに低減することができる。かかる観点から、Δ｜ａ_sc−ａ_k’｜、Δ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜およびΔ｜ａ₁’−ａ_sub｜が、５％以下であることがより好ましく、４％以下であることがさらに好ましい。

ここで、本発明に用いられる表面に結晶配向性を有する基板１とは、少なくとも基板の表面に１軸以上の配向性を有する結晶を含有する基板をいい、好ましくは配向金属基板が用いられるが、これに限られず、金属または金属以外の単結晶基板であってもよい。ここで、配向金属基板とは、基板を構成する金属原子が２軸配向している金属基板をいい、完全な２軸配向基板のみならず、基板内における結晶軸のずれ角が２５°以下の基板が含まれる。ここで、２軸配向の２軸とは、基板面に垂直な方向の結晶軸と基板面に平行な方向の一の結晶軸とをいい、基板内における結晶軸のずれ角とは、基板面に平行な方向にある一の結晶軸の基板面に平行な面内におけるずれ角であって、基板内におけるずれ角の平均値で示したものをいう。

配向金属基板としては、上記のような２軸配向を有する基板であれば特に制限はないが、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕまたはこれらのうち２以上の金属からなる合金が好ましく用いられる。また、上記の金属または合金の単体だけでなく、上記の金属または合金を他の金属または合金と積層することもできる。たとえば、高強度材料であるＳＵＳなどの合金、またはさらに高強度の材料であるＴｉＢ₂／ＴｉＡｌ（ＴｉＢ₂粒子分散型ＴｉＡｌ）などの粒子分散強化合金に配向Ｎｉ薄膜層を設けて配向金属基板とすることもできる。

本発明に用いられる２以上の中間層２としては、パイロクロア型、螢石型、岩塩型またはペロブスカイト型の結晶構造をもつ、１種以上の金属元素を有する金属酸化物が好ましく用いられる。具体的には、Ｙ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｈｏ₂Ｏ₃またはＹｂ₂Ｏ₃などのの希土類元素酸化物、ＹＳＺ、ＢＺＯ（ＢａＺｒＯ₃）、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）、Ａｌ₂Ｏ₃、ＹＡｌＯ₃、ＬａＡｌＯ₃、ＭｇＯ、Ｓｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇またはＧｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇などのＬｎ−Ｍ−Ｏ系化合物（Ｌｎは１種以上のランタノイド元素、ＭはＳｒ、ＺｒおよびＧａの中から選ばれる１種以上の元素、Ｏは酸素）などが挙げられる。かかる酸化物は、結晶定数、結晶配向の観点から表面に結晶配向性を有する基板および超電導層の差を緩和するとともに、一般に高温で堆積される超電導層の堆積プロセスの間に、表面に結晶配向性を有する基板である配向金属基板から超電導層への金属原子の流出を防止する役割を果たす。

２層以上の中間層２の形成方法としては、本発明の目的に反さない限り特に制限はなく、スパッタ法、ＥＢＤ（電子線ビーム蒸着；Electron Beam Deposition）法、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着；Pulse Laser Deposition）法、熱蒸着法などの方法が好ましく用いられる。

本発明に用いられる超電導層３としては、特に制限はないが、ＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δなどが好ましく用いられる。超電導層の形成方法としては、本発明の目的に反さない限り特に制限はなく、ＰＬＤ法、ＭＯＤ（有機金属成膜；Metal Organic Deposition）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などの方法が好ましく用いられる。

さらに、図１を参照して、超電導層３を保護するとともに電流を安定して流すため、必要に応じて、超電導層３の上に安定化層４を形成することもできる。安定化層４としては、電導性が高く超電導層と反応しないものであれば特に制限はないが、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌまたはこれらの合金などが好ましく用いられる。安定化層の形成方法としては、特に制限はないが、スパッタ法、ＥＢＤ法、ＰＬＤ法、熱蒸着法、ＭＯＤ法、ＭＯＣＶＤ法、めっき法などの方法が好ましく用いられる。

ここで、たとえば、超電導層がＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δの一つであるＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ、表面に結晶配向性を有する基板が、Ｎｉ金属からなる配向金属基板である配向Ｎｉ基板の場合において、超電導層、２以上の中間層および表面に結晶配向性を有する基板の各層における格子整合性について検討する。表１に、超電導層であるＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δおよび表面に結晶配向性を有する基板である配向Ｎｉ基板のそれぞれの格子定数ａ_scおよびａ_sub、各種中間層の格子定数ａ_kおよび換算格子定数ａ_k’、超電導層の格子定数に対する各層の格子定数ａ_sub、ａ_scまたは換算格子定数ａ_k’の比である格子定数比を示す。

表１において、各中間層の換算格子定数は、たとえば以下のようにして算出される。ＹＳＺの格子定数は５．１４であるが、これを√２で除することにより換算格子定数が３．６３と算出される。Ｈｏ₂Ｏ₃の格子定数は１０．６１であるが、これを２√２で除することにより換算格子定数が３．７５と算出される。ＬａＡｌＯ₃の格子定数は３．７９であるが、これを１で除することにより換算格子定数が３．７９と算出される。ＣｅＯ₂の格子定数は５．４１であるが、これを√２で除することにより換算格子定数が３．８３と算出される。

本発明にかかる超電導線材が、図１を参照して、超電導層３と２つの中間層２と表面に結晶配向性を有する基板１を含む超電導線材１００であって、上記の表面に結晶配向性を有する基板１がＮｉ金属またはＮｉを含有する合金を含む配向金属基板であり、上記の表面に結晶配向性を有する基板に隣接する中間層である第１中間層２１がＹＳＺおよびＹｂ₂Ｏ₃の中から選ばれる１の化合物からなり、上記第１中間層２１および超電導層３に隣接する中間層である第２中間層２２がＣｅＯ₂、ＬａＡｌＯ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇およびＧｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇の中から選ばれる１の化合物からなり、上記超電導層をＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δからなることが好ましい。表１を参照して、第１中間層の換算格子定数ａ₁’は表面に結晶配向性を有する基板の格子定数ａ_subに近く、第２中間層の換算格子定数ａ₂’は超電導層の格子定数ａ_scに近いため、各層間の格子定数（または換算格子定数）の違いがより均等化するため、各層間の結晶格子の不整合をより低減することができる。

ここで、本発明にかかる超電導線材が、超電導層としてＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ、表面に結晶配向性を有する基板として配向Ｎｉ基板、および２の中間層を含む場合に、それぞれの格子定数および、または換算格子定数およびについて、ａ_sub＜ａ₁’＜ａ₂’＜ａ_scの関係を満たすいくつかの組合わせにおいて、各層間の格子不整合率Δ（Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜、Δ｜ａ₂’−ａ₁’｜またはΔ｜ａ_sc−ａ₂’｜）は、表２のように算出される。なお、表２において、Δ_sub-1はΔ｜ａ₁’−ａ_sub｜を、Δ_1-2はΔ｜ａ₂’−ａ₁’｜を、Δ_2-scはΔ｜ａ_sc−ａ₂’｜をそれぞれ示す。

表２に示すように、各層間の格子不整合率Δは、６％以下となった。中でも、第１中間層および第２中間層を、それぞれ、ＹＳＺおよびＨｏ₂Ｏ₃、ＹＳＺおよびＹ₂Ｏ₃、ＹＳＺおよびＳｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇とした場合は、各層間の格子不整合率Δは４％以下となった。

また、本発明にかかる超電導線材が、図２を参照して、超電導層３と３つの中間層２と表面に結晶配向性を有する基板１とを含む場合には、上記の表面に結晶配向性を有する基板１が、Ｎｉ金属またはＮｉを含有する合金を含む配向金属基板であり、上記の表面に結晶配向性を有する基板１に隣接する中間層である第１中間層２１がＹＳＺおよびＹｂ₂Ｏ₃の中から選ばれる１の化合物からなり、上記第１中間層２１に隣接する中間層である第２中間層２２がＨｏ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇およびＧｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇の中から選ばれる１の化合物からなり、上記第２中間層２２および超電導層３に隣接する中間層である第３中間層２３がＣｅＯ₂およびＬａＡｌＯ₃の中から選ばれる１の化合物からなり、上記超電導層３がＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δからなることが好ましい。表１を参照して、第１中間層の換算格子定数ａ₁’は表面に結晶配向性を有する基板の格子定数ａ_subに近く、第３中間層の換算格子定数ａ₃’は超電導層の格子定数ａ_scに近く、第２中間層の換算格子定数ａ₂’がａ₁’とａ₃’の間にあるため、各層間の格子定数（または換算格子定数）の違いがさらに均等化するため、各層間の結晶格子の不整合をさらに低減することができる。

ここで、本発明にかかる超電導線材が、超電導層としてＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ、表面に結晶配向性を有する基板として配向Ｎｉ基板、および３つの中間層を含む場合に、それぞれの格子定数および、または換算格子定数およびについて、ａ_sub＜ａ₁’＜ａ₂’＜ａ₃’＜ａ_scの関係を満たすいくつかの組合わせにおいて、各層間の格子不整合率Δ（Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜、Δ｜ａ₂’−ａ₁’｜、Δ｜ａ₃’−ａ₂’｜またはΔ｜ａ_sc−ａ₂’｜）は、表３のように算出される。なお、表３において、Δ_sub-1はΔ｜ａ₁’−ａ_sub｜を、Δ_1-2はΔ｜ａ₂’−ａ₁’｜を、Δ_2-3はΔ｜ａ₃’−ａ₂’｜を、Δ_3-scはΔ｜ａ_sc−ａ₃’｜をそれぞれ示す。

表３に示すように、各層間の格子不整合率Δは、６％以下となった。また、表３を表２に対比すると明らかなように、中間層が３つのものは、中間層が２つのものに比べて、各層間の格子不整合率Δがより小さくなる傾向にあった。

本発明にかかる超電導線材について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。

（実施例１）
図１を参照して、表面に結晶配向性を有する基板１として配向金属基板である幅１ｃｍ、厚さ１００μｍの配向Ｎｉ基板上に、第１中間層２としてＹＳＺ層をＰＬＤ法により０．８μｍ堆積させた。次に、この第１中間層２１上に、第２中間層２２としてＣｅＯ₂層をスパッタ法で０．１μｍ堆積させた。次いで、この第２中間層２２上に、超電導層３としてＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層をＰＬＤ法で１．０μｍ堆積させた。さらに、この超電導層３上に、安定化層４としてＡｇ層をスパッタ法で１．０μｍ堆積させた。その後、超電導層３であるＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層に酸素を取り込ませるとともに、Ｈｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層とＡｇ層との間の接触抵抗を下げるために、大気圧下の酸素雰囲気中で、５００℃で１時間の熱処理を行なった。こうして得られた超電導線材１００の超電導臨界温度（以下、Ｔｃという）および液体窒素中（７７Ｋ）における超電導臨界電流（以下、Ｉｃという）は、Ｔｃ＝８８Ｋ、Ｉｃ＝３５Ａであった。また、Ｈｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層の（１０３）面におけるＸ線回折φスキャンピークの半値幅は、１０°であった。ここで、実施例１における格子不整合率Δは、表１の格子定数または換算格子定数を用いて、Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜＝３．１％、Δ｜ａ₂’−ａ₁’｜＝５．４％、Δ｜ａ_sc−ａ₂’｜＝１．６％と算出される。

（比較例１）
図１を参照して、表面に結晶配向性を有する基板１である幅１ｃｍ、厚さ１００μｍの配向Ｎｉ基板上に、第１中間層２としてＣｅＯ₂層をスパッタ法で０．１μｍ堆積させた。次に、この第１中間層２１上に、第２中間層２２としてＹＳＺ層をＰＬＤ法により０．８μｍ堆積させた。次いで、この第２中間層２２上に、超電導層３としてＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層をＰＬＤ法で１．０μｍ堆積させた。さらに、この超電導層３上に、安定化層４としてＡｇ層をスパッタ法で１．０μｍ堆積させた。その後、実施例１と同様の条件で熱処理を行なった。こうして得られた超電導線材のＴｃおよびＩｃは、Ｔｃ＝８５Ｋ、Ｉｃ＝２５Ａであった。また、Ｈｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層の（１０３）面におけるＸ線回折φスキャンピークの半値幅は、１８°であったが、そのピーク強度は実施例１の場合に比べて約２／３となった。ここで、比較例１における格子不整合率Δは、表１の格子定数または換算格子定数を用いて、Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜＝８．４％、Δ｜ａ₂’−ａ₁’｜＝５．４％、Δ｜ａ_sc−ａ₂’｜＝６．９％と算出される。比較例１においては、２つの中間層を有するがａ_sub＜ａ₁’＜ａ_k2’＜ａ_scの関係を満たしていないため、各層間の格子不整合率が大きくなり、その結果として超電導層の結晶性が低下し、ＴｃおよびＩｃが低下したものと考えられる。

（比較例２）
図１を参照して、表面に結晶配向性を有する基板１である幅１ｃｍ、厚さ１００μｍの配向Ｎｉ基板上に、１つの中間層２としてＹＳＺ層をＰＬＤ法により０．９μｍ堆積させた。次いで、この中間層上２に、超電導層３としてＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層をＰＬＤ法で１．０μｍ堆積させた。さらに、この超電導層３上に、安定化層４としてＡｇ層をスパッタ法で１．０μｍ堆積させた。その後、実施例１と同様の条件で熱処理を行なった。こうして得られた超電導線材のＴｃおよびＩｃは、Ｔｃ＝８６Ｋ、Ｉｃ＝２８Ａであった。また、Ｈｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層の（１０３）面におけるＸ線回折φスキャンピークの半値幅は、１８°であり、そのピーク強度は実施例１の場合に比べて約２／３となった。ここで、比較例２における格子不整合率Δは、表１の格子定数または換算格子定数を用いて、Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜＝３．１％、Δ｜ａ_sc−ａ₂’｜＝６．９％と算出される。比較例２においては、１つの中間層しか有していないため、各層間の格子不整合率が大きくなり、その結果として超電導層の結晶性が低下し、ＴｃおよびＩｃが低下したものと考えられる。

（実施例２）
図２を参照して、表面に結晶配向性を有する基板１である幅１ｃｍ、厚さ１００μｍの配向Ｎｉ基板上に、第１中間層２１としてＰＬＤ法により０．８μｍのＹＳＺ層を、第２中間層２２としてＰＬＤ法により０．５μｍのＨｏ₂Ｏ₃層を、第３中間層２３としてスパッタ法により０．１μｍのＣｅＯ₂層を、超電導層３としてＰＬＤ法により１μｍのＨｏ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ層を、安定化層４としてスパッタ法により１μｍのＡｇ層を順次形成した。その後、実施例１と同様の条件で熱処理を行なった。こうして得られた超電導線材２００のＴｃおよびＩｃは、Ｔｃ＝８９Ｋ、Ｉｃ＝４５Ａであった。ここで、実施例３における格子不整合率Δは、表１の格子定数または換算格子定数を用いて、Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜＝０．８％、Δ｜ａ₂’−ａ₁’｜＝２．２％、Δ｜ａ₃’−ａ₂’｜＝５．４％、Δ｜ａ_sc−ａ₃’｜＝１．６％と算出される。本実施例においては、実施例１において最も格子不整合率が大きかったＹＳＺ層とＣｅＯ₂層との間にＨｏ₂Ｏ₃層が形成されているために、ＹＳＺ層とＣｅＯ₂層との格子不整合が緩和され、Ｉｃが著しく増大したものと考えられる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

以上のように、本発明は、超電導層と２つ以上の中間層と表面に結晶配向性を有する基板とを含む超電導線材に広く利用することができ、超電導層、２以上の中間層、および表面に結晶配向性を有する基板の各層間の格子不整合を緩和することにより、超電導特性に優れた超電導線材を提供することができる。

本発明にかかる一の超電導線材の概略断面図である。 本発明にかかる別の超電導線材の概略断面図である。

符号の説明

１ 表面に結晶配向性を有する基板、２ 中間層、３ 超電導層、４ 安定化層、２１ 第１中間層、２２ 第２中間層、２３ 第３中間層、１００，２００ 超電導線材。

Claims (4)

1. 超電導層と２つ以上の中間層と表面に結晶配向性を有する基板とを含む超電導線材であって、
   前記超電導層の超電導層平面に平行な方向における１の結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をａ_sc、前記表面に結晶配向性を有する基板の基板平面に平行な方向における１の結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をａ_sub、前記２つ以上の中間層の中間層平面に平行な方向における１の結晶軸であるａ軸の大きさを示す格子定数をそれぞれａ₁、・・・、ａ_kとし、ｍおよびｎが１以上の整数、ｋが２以上の整数であるとき、
   ａ₁／ｍ、ｎａ₁、ａ₁／（√２・ｍ）またはｎａ₁／（√２）のいずれかの数値であってａ_scとａ_subとの間にある換算格子定数ａ₁’および
   ａ_k／ｍ、ｎａ_k、ａ_k／（√２・ｍ）またはｎａ_k／（√２）のいずれかの数値であってａ_scとａ_subとの間にある換算格子定数ａ_k’が、
   ａ_sub＜ａ₁’＜・・・＜ａ_k’＜ａ_sc または ａ_sub＞ａ₁’＞・・・＞ａ_k’＞ａ_sc
   の関係を満たすことを特徴とする超電導線材。
2. 前記超電導層と前記中間層との格子不整合率Δ｜ａ_sc−ａ_k’｜を、
   Δ｜ａ_sc−ａ_k’｜＝１００×｜ａ_sc−ａ_k’｜／（（ａ_sc＋ａ_k’）／２）と、
   隣接する前記中間層間の格子不整合率Δ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜を、
   Δ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜＝１００×｜ａ_k’−ａ_k-1’｜／（（ａ_k’＋ａ_k-1’）／２）と、
   前記中間層と前記表面に結晶配向性を有する基板との格子不整合率Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜を、
   Δ｜ａ₁’−ａ_sub｜＝１００×｜ａ₁’−ａ_sub｜／（（ａ₁’＋ａ_sub）／２）と定義するとき、
   Δ｜ａ_sc−ａ_k’｜、Δ｜ａ_k’−ａ_k-1’｜およびΔ｜ａ₁’−ａ_sub｜が、６％以下である請求項１に記載の超電導線材。
3. 前記超電導層と２つの前記中間層と前記表面に結晶配向性を有する基板とを含む超電導線材であって、
   前記表面に結晶配向性を有する基板が、Ｎｉ金属またはＮｉを含有する合金を含む配向金属基板であり、
   前記表面に結晶配向性を有する基板に隣接する中間層である第１中間層が、イットリア安定化ジルコニアおよびＹｂ₂Ｏ₃からなる群から選ばれる１の化合物からなり、
   前記第１中間層および前記超電導体に隣接する中間層である第２中間層が、ＣｅＯ₂、ＬａＡｌＯ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇およびＧｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇からなる群から選ばれる１の化合物からなり、
   前記超電導層がＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（ＲＥは希土類元素）からなる請求項１または請求項２に記載の超電導線材。
4. 前記超電導層と３つの前記中間層と前記表面に結晶配向性を有する基板とを含む超電導線材であって、
   前記表面に結晶配向性を有する基板が、Ｎｉ金属またはＮｉを含有する合金を含む配向金属基板であり、
   前記表面に結晶配向性を有する基板に隣接する中間層である第１中間層が、イットリア安定化ジルコニアおよびＹｂ₂Ｏ₃からなる群から選ばれる１の化合物からなり、
   前記第１中間層に隣接する中間層である第２中間層が、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｚｒ₂Ｏ₇およびＧｄ₂Ｚｒ₂Ｏ₇からなる群から選ばれる１の化合物からなり、
   前記第２中間層および前記超電導層に隣接する中間層である第３中間層が、ＣｅＯ₂およびＬａＡｌＯ₃からなる群から選ばれる１の化合物からなり、
   前記超電導層がＲＥ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（ＲＥは希土類元素）からなる請求項１または請求項２に記載の超電導線材。

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