JP2010070441A - 超電導体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の超伝導体と比して、安価で、且つ供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を実現する。
【解決手段】超伝導体は、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを含む。１５族の元素及び１６族の元素の合計モル数が、８族の元素のモル数と等しくなる組成比となるように混合を行うことが好ましい。更には、上記混合工程では、８族の元素：１５族の元素：１６族の元素のモル比が３：２：１〜５：４：１の範囲内となるように混合を行うことがより好ましく、更に好ましくは１０：６：４〜１０：７：３の範囲内であり、最も好ましくは４：３：１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、安価で、且つ資源供給量が安定している構成元素のみからなる超伝導体に関する。より詳しくは、アルカリ土類金属元素、及び希土類元素を含まず、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみからなる超伝導体に関する。

１９１１年に初めて超伝導現象が発見されて以来、多様な金属材料が極低温で超伝導現象を示すことが明らかとなってきた。超伝導状態では、物質の電気抵抗がなくなるため、強力な電磁石や低損失送電への利用など広い応用が期待できる。現在の超伝導体は、動作温度領域が低温にとどまっており、実用化のためにより高い転移温度の材料開発が望まれている。

これまでに発見された高温超電導体としては、銅酸化物系（超伝導転移温度Ｔｃは最高１３５Ｋ）やＭｇＢ_２（Ｔｃ=３９Ｋ）などが知られていた。

最近、東京工業大学の細野教授のグループによりＦｅＡｓ系の高温超伝導体が新たに発見され、この物質系の研究が急速に進展している。最初に発見されたのは、Ｌａ（Ｏ、Ｆ）ＦｅＡｓにおける超伝導（Ｔｃ＝２６Ｋ）であった（非特許文献１）。その後、Ｌａ（Ｏ、Ｆ）ＦｅＡｓのＬａをＮｄ、Ｓｍなどの他の希土類元素で置き換えると、Ｔｃが５０Ｋ以上まで上昇することが報告された（非特許文献２、３）。また、上記のＦｅＡｓ系とは構造が異なる（Ｂａ、Ｋ）Ｆｅ_２Ａｓ_２は、最高３８ＫのＴｃを示すことが報告されている（非特許文献４）。
Y. Kamihara et al., "Iron-Based Layered Superconductor La [O1-xFx] (x=0.05-0.12) with Tc=26K" J.AM.CHEM.SOC. 130, 3296-3297, (2008) ZHI-AN REN et al., "Superconductivity in the iron-based F-doped layerd quaternary compound Nd [O1-xFx] FeAs" EPL, 82 (2008) 57002 D. Johrendt and R. Pottgen., "Pnictide Oxides: A New Class of High-Tc Superconductors " Angew. Chem. Int. Ed., 47, 4782-4784, (2008) M.Rotter et al., "Superconductivity at 38K in the iron arsenide (Ba1-xKx) Fe2As2" arXiv:0805.4630v2 [cond-mat. supr-con] 17 Jul 2008

しかしながら、これらの超伝導体は、ＢａやＳｒ等のアルカリ土類金属元素や、ＬａやＮｄ等の希土類元素を必須に含んでいるため、コスト、資源供給の将来的安定性の面で問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高コストで資源供給の安定性に問題のあった従来の超伝導体と比べて、安価で、且つ供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を提供することである。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、アルカリ土類金属、希土類金属を含まず、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを構成元素とする超伝導体の作製が可能であることを新たに見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の超伝導体は、上記課題を解決するために、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを含むことを特徴としている。

上記構成によれば、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを含むため、安価で、且つ供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を提供することができるという効果を奏する。

本発明の超伝導体は、上記８族の元素はＦｅであり、上記１５族の元素はＡｓであり、上記１６族の元素はＯであることが好ましい。

上記構成によれば、より安価で、且つより供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を提供することができる。

本発明の超伝導体の製造方法は、上記課題を解決するために、構成元素が８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみである混合物を作製する混合工程と、上記混合物を焼成する焼成工程とを含むことを特徴としている。

上記方法によれば、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを含む原料から超伝導体を製造することができるため、安価で、且つ供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を製造することができるという効果を奏する。

本発明の超伝導体の製造方法において、上記混合工程では、８族の元素と、８族の元素及び１５族の元素の化合物と、８族の元素及び１６族の元素の化合物とを混合することが好ましい。

本発明の超伝導体の製造方法において、上記混合工程では、１５族の元素及び１６族の元素の合計モル数が、８族の元素のモル数と等しくなる組成比となるように混合を行うことが好ましい。

本発明の超伝導体の製造方法において、上記混合工程では、８族の元素：１５族の元素：１６族の元素のモル比が３：２：１〜５：４：１の範囲内となるように混合を行うことが好ましい。

本発明の超伝導体の製造方法では、上記８族の元素はＦｅであり、上記１５族の元素はＡｓであり、上記１６族の元素はＯであることが好ましい。

上記方法によれば、より安価で、且つより供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を製造することができる。

本発明の超伝導体は、上記課題を解決するために、本発明の超伝導体の製造方法により得られることを特徴としている。

上記構成のよれば、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを含む原料から製造されるため、安価で、且つ供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を提供することができるという効果を奏する。

本発明の超伝導体は、以上のように、安価で、且つ供給量が安定している構成元素のみで構成される超伝導体を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態について詳細に説明すれば以下のとおりであるが、本発明はこれに限定されるものではない。また本明細書中の「〜」は「以上、以下」を意味し、例えば明細書中で「Ａ〜Ｂ」と記載されていれば「Ａ以上、Ｂ以下」を示す。また本明細書中の「及び／又は」は、いずれか一方又は両方を意味する。

＜１．超伝導体の製造方法＞
本実施の形態に係る超伝導体の製造方法は、混合工程と、焼成工程とを含む。なお、超伝導体とは、ある温度以下で電気抵抗がゼロとなる物質である。

（１−１）混合工程
上記混合工程は、構成元素が８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみである混合物を作製する工程である。

上記混合物は、例えば、８族の元素、１５族の元素、１６族の元素、８族の元素及び１５族の元素の化合物、８族の元素及び１６族の元素の化合物、並びに１５族の元素及び１６族の元素の化合物からなる群から選択される物質を、得られる混合物の構成元素が、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素を全て含むように混合することにより得られる。

上記混合工程では、８族の元素と、８族の元素及び１５族の元素の化合物と、８族の元素及び１６族の元素の化合物とを混合することが好ましい。

上記８族の元素としては、Ｆｅ、Ｒｕが挙げられ、Ｆｅが好ましい。

また、上記１５族の元素としては、Ａｓ、Ｓｂが挙げられ、Ａｓが好ましい。

上記１６族の元素としては、Ｏ、Sが挙げられ、Ｏが好ましい。

上記８族の元素及び１６族の元素の化合物としては、例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４等のＦｅの酸化物が挙げられ、Ｆｅ_２Ｏ_３が好ましい。

上記８族の元素及び１５族の元素の化合物としては、ＦｅＡｓが挙げられる。

上記１５族の元素及び１６族の元素の化合物としては、例えば、Ａｓ_２Ｏ_３等のＡｓの酸化物が挙げられ、Ａｓ_２Ｏ_３が好ましい。

上記混合工程では、１５族の元素及び１６族の元素の合計モル数が、８族の元素のモル数と等しくなる組成比となるように混合を行うことが好ましい。更には、上記混合工程では、８族の元素：１５族の元素：１６族の元素のモル比が３：２：１〜５：４：１の範囲内となるように混合を行うことがより好ましく、更に好ましくは１０：６：４〜１０：７：３の範囲内であり、最も好ましくは４：３：１である。

上記混合物は、焼結工程前に成型することが好ましい。具体的には、上記混合物をプレス機を用いて棒状に押し固め、その後さらに熱処理を加えてもよい。また、金属管に上記混合物を詰め込み、成型加工後さらに熱処理を加えてもよい。

（１−２）焼成工程
上記焼成工程は、混合工程により得られる上記混合物を焼成する工程である。

上記焼成工程に使用する反応管としては、例えば石英ガラスが使用可能である。

反応管の加熱は、例えば、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中又は真空中において７００〜９００℃で２４〜４８時間行う。

＜２．超伝導体＞
本実施の形態に係る超伝導体は、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを含む。上記超伝導体は、上述した製造方法により得られる。

アルカリ土類金属及び希土類元素はコストが高く、将来的に資源供給量が安定しないことが予測されているが、従来の超伝導体の多くはアルカリ土類金属及び希土類金属を含んでいる。一方、本実施の形態に係る超伝導体は、アルカリ土類金属及び希土類金属を含まず、コストが低く、供給量も安定している８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみから作製可能である。

なお、８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを構成元素とする超伝導体はこれまでに当業者に知られておらず、本発明は、従来の課題を解決するための全く新しい物質を提供するものである。

なお、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種種の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以下、本発明の具体例を挙げてさらに詳細に説明するが、以下の例により本発明は限定されるものではない。

＜実施例１．超伝導体の作製＞
Ｆｅ、Ａｓ、及びＯの原料としては、それぞれＦｅ、Ｆｅ_２Ｏ_３、及びあらかじめ作製したＦｅＡｓを用いた。各試薬をＦｅ：Ａｓ：Ｏのモル比が４：３：１になるように秤量して混合し、プレス機によって棒状に押し固めた。これを、石英ガラスの管に少量のアルゴンガスと共に封じ、９００℃までの昇温によって焼成することによって、焼結体を得た。なお、焼成は２回以上行った。

上記のようにして得られた焼結体をMPMS（Quantum Design社）を用いて帯磁率を測定した。また、上記の焼結体の抵抗率を自作した装置を用いて交流４端子法により測定した。焼結体の帯磁率及び抵抗率の温度依存性の例を図１及び２に示す。

図1中の（ａ）はフィールドクール時の上記焼結体の帯磁率を示し、（ｂ）はゼロフィールドクール時の上記焼結体の帯磁率を示す。

図１の帯磁率（ｂ）では、５０Ｋ以下で超伝導の反磁性に起因すると考えられる帯磁率の減少が弱いながらも観測された。（なお、この焼結体には強磁性体であるＦｅ_３Ｏ_４が不純物として含まれており、大きなバックグラウンドの帯磁率とヴァーヴェイ転移に伴う１２５Ｋ付近での異常の両方を生じた。）
図２に示す抵抗率の振る舞いでは、約１５０Ｋから顕著に減少し、最終的に約２０Ｋでゼロ抵抗となった。帯磁率と抵抗率のデータを合わせて考えると、焼結体中に２０〜５０Ｋ程度のＴｃを有する超伝導相が存在していると考えられる。

以上のことから、上記焼結体は超伝導体であることが確認できた。

本発明の超伝導体は、安価であり、且つ資源供給の安定性に優れている。従って、超伝導電力ケーブル、リニアモーターカー、超伝導発電機、超伝導電力貯蔵装置、及び強力電磁石（ＮＭＲ用、ＭＲＩ用、加速機用、及び核融合炉用など）などの分野において実用化の範囲を拡大することができる。

本発明のＦｅ−Ａｓ−Ｏ超伝導体（Ｆｅ：Ａｓ：Ｏ＝４：３：１）の帯磁率の温度依存性を示す図である。 本発明のＦｅ−Ａｓ−Ｏ超伝導体（Ｆｅ：Ａｓ：Ｏ＝４：３：１）の抵抗率の温度依存性を示す図である。

Claims (8)

1. ８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみを含むことを特徴とする超伝導体。
2. 上記８族の元素はＦｅであり、上記１５族の元素はＡｓであり、上記１６族の元素はＯであることを特徴とする請求項１に記載の超伝導体。
3. 構成元素が８族の元素、１５族の元素、及び１６族の元素のみである混合物を作製する混合工程と、
   上記混合物を焼成する焼成工程と、
   を含むことを特徴とする超伝導体の製造方法。
4. 上記混合工程では、８族の元素と、８族の元素及び１５族の元素の化合物と、８族の元素及び１６族の元素の化合物とを混合することを特徴とする請求項３に記載の超伝導体の製造方法。
5. 上記混合工程では、１５族の元素及び１６族の元素の合計モル数が、８族の元素のモル数と等しくなる組成比となるように混合を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の製造方法。
6. 上記混合工程では、８族の元素：１５族の元素：１６族の元素のモル比が３：２：１〜５：４：１の範囲内となるように混合を行うことを特徴とする請求項３〜５に記載の製造方法。
7. 上記８族の元素はＦｅであり、上記１５族の元素はＡｓであり、上記１６族の元素はＯであることを特徴とする請求項３〜６の何れか１項に記載の超伝導体の製造方法。
8. 請求項３〜７の何れか１項に記載の方法により得られることを特徴とする超伝導体。

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