JP2010245430A - 超電導素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明は、従来の概念では想起し得なかった構造を持つ超電導デバイスを提供するものである。
【解決手段】
本発明の超電導素子は、導電性材料からなる導電部材と、この表面を被覆する絶縁性材料からなる被覆層と、この被覆層中に埋め込まれている超導電性材料からなる多数のナノ細線からなり、前記ナノ細線の一端が前記導電部材に電気的に接続され、他端が前記被覆層中に埋没されてなることを特徴とする。
本発明は、前記の超電導素子において、前記ナノ細線が、幹より多数の枝が分岐されてなる樹木状であることを特徴とし、前記の超電導素子において、前記超導電性材料がＭｇＢ２であり、絶縁性材料がＭｇＯであることを特徴とする。
【選択図】図５
本発明は、従来の概念では想起し得なかった構造を持つ超電導デバイスを提供するものである。
【解決手段】
本発明の超電導素子は、導電性材料からなる導電部材と、この表面を被覆する絶縁性材料からなる被覆層と、この被覆層中に埋め込まれている超導電性材料からなる多数のナノ細線からなり、前記ナノ細線の一端が前記導電部材に電気的に接続され、他端が前記被覆層中に埋没されてなることを特徴とする。
本発明は、前記の超電導素子において、前記ナノ細線が、幹より多数の枝が分岐されてなる樹木状であることを特徴とし、前記の超電導素子において、前記超導電性材料がＭｇＢ２であり、絶縁性材料がＭｇＯであることを特徴とする。
【選択図】図５
Description
本発明は、導電性材料と超電導材料と絶縁材料によって構成される電導素子に関する。
ＭｇＢ２の細線が超電導特性を発現することは、特許文献１に示されるように従来より知られている事実である。しかしながら、特許文献１の発明の詳細な説明に記載されているように、従来行われてきたＭｇＢ２ナノ細線に関する評価は、その磁気的性質に限定されてきた。電流を通すことにより、ＭｇＢ２ナノ細線がどのような挙動を示すかについては、全く明らかにされていない。
また特許文献２にも、ＭｇＢ２ナノ細線の超電導特性として磁化測定データが示されているのみである。 これらの知見は、ＭｇＢ２ナノ細線を、特許文献３、４に示されるような超電導素子に使用することを想定しているものと思われる。
これら従来技術では、超電導体自身は、その電流の流れ方向に長いものであるとの概念のもとに作られたものである。
また特許文献２にも、ＭｇＢ２ナノ細線の超電導特性として磁化測定データが示されているのみである。 これらの知見は、ＭｇＢ２ナノ細線を、特許文献３、４に示されるような超電導素子に使用することを想定しているものと思われる。
これら従来技術では、超電導体自身は、その電流の流れ方向に長いものであるとの概念のもとに作られたものである。
本発明は、このような従来の概念では想起し得なかった構造を持つ超電導デバイスを提供するものである。
発明１の超電導素子は、導電性材料からなる導電部材と、この表面を被覆する絶縁性材料からなる被覆層と、この被覆層中に埋め込まれている超導電性材料からなる多数のナノ細線からなり、前記ナノ細線の一端が前記導電部材に電気的に接続され、他端が前記被覆層中に埋没されてなることを特徴とする。
発明２は、発明１の超電導素子において、前記ナノ細線が、幹より多数の枝が分岐されてなる樹木状であることを特徴とする。
発明３は、発明１または２の超電導素子において、前記超導電性材料がＭｇＢ２であり、絶縁性材料がＭｇＯであることを特徴とする。
発明２は、発明１の超電導素子において、前記ナノ細線が、幹より多数の枝が分岐されてなる樹木状であることを特徴とする。
発明３は、発明１または２の超電導素子において、前記超導電性材料がＭｇＢ２であり、絶縁性材料がＭｇＯであることを特徴とする。
本発明の超電導素子では、超電導細線の方向性に関係なく、前記導電性材料への通電特性に、前記ナノ細線の一次元性を反映した超電導特性を発現させることができた。
具体的には、転移幅１ Ｋ以下の鋭い超電導転移を示すことが可能である。
ナノ細線への磁束線の侵入が抑えられる結果、見掛け上極めて高い臨界電流密度を示す。
そして、本発明の素子は、導電性部材へ電気配線を施すだけで、ナノ細線の一次元超電導性を反映した電流輸送特性を得ることができるため、一次元超電導デバイス用の素子として高い利用価値を備えている。
また、その製造についても、化学的な合成法を用いることで、本発明の主要な構造を形成することができるので、従来のようなナノ成型技術に伴う問題を生じることなく、複雑なナノ構造を得ることが出来得る。
具体的には、転移幅１ Ｋ以下の鋭い超電導転移を示すことが可能である。
ナノ細線への磁束線の侵入が抑えられる結果、見掛け上極めて高い臨界電流密度を示す。
そして、本発明の素子は、導電性部材へ電気配線を施すだけで、ナノ細線の一次元超電導性を反映した電流輸送特性を得ることができるため、一次元超電導デバイス用の素子として高い利用価値を備えている。
また、その製造についても、化学的な合成法を用いることで、本発明の主要な構造を形成することができるので、従来のようなナノ成型技術に伴う問題を生じることなく、複雑なナノ構造を得ることが出来得る。
本明細書に記載の参考文献からも明らかな通り、本発明に用いられる材料としては、下記実施例のものに限らず各種のものが知られており、これらより適宜して、実施例に示す構造と同様な構造を有さしめることに何らの問題はない。
また、その形状を板状、リボン状あるいは線状とすることも可能である。
また、その形状を板状、リボン状あるいは線状とすることも可能である。
塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２、９９．９％、高純度化学）、塩化カリウム（ＫＣｌ、９９％、高純度化学）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ、９９ ％、Ａｌｄｒｉｃｈ）、およびホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ２Ｏ４、キシダ化学）を表1に示す割合で混合して、高純度アルゴンガス（９９．９９９９ ％）気流下、６００ ℃に加熱し、溶融塩（１）とする。機械攪拌により、常に溶融塩組成の均一性を保つ。
一方、表面酸化被膜を除去した純鉄板（幅１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ）を飽和ホウ酸水溶液に浸潤後、大気中で十分に乾燥させて導電部材を生成する。
この導電部材を、太さ１ｍｍのグラファイト棒とともに、前記溶融塩中に挿入する。グラファイト棒を正極、鉄基板を負極として、表1の電着条件で処理することにより、導電部材の表面に絶縁性被膜を形成した。導電部材を溶融塩から取り出し、メタノール洗浄を行うと、その表面は、表1に示す厚さの黒色電着膜（絶縁性被膜）によって被覆されていた。
そして、下記する分析結果から、その絶縁性被膜内には、表1に示すような超電導ナノ細線が形成されていた。
一方、表面酸化被膜を除去した純鉄板（幅１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ）を飽和ホウ酸水溶液に浸潤後、大気中で十分に乾燥させて導電部材を生成する。
この導電部材を、太さ１ｍｍのグラファイト棒とともに、前記溶融塩中に挿入する。グラファイト棒を正極、鉄基板を負極として、表1の電着条件で処理することにより、導電部材の表面に絶縁性被膜を形成した。導電部材を溶融塩から取り出し、メタノール洗浄を行うと、その表面は、表1に示す厚さの黒色電着膜（絶縁性被膜）によって被覆されていた。
そして、下記する分析結果から、その絶縁性被膜内には、表1に示すような超電導ナノ細線が形成されていた。
絶縁性被膜層によって被覆された導電部材表面から得られたＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示す（図１）。
導電材料である鉄の回折ピーク以外に、ＭｇＯに帰属される複数の回折ピークが認められる。一方、ＭｇＢ２ １０１回折のピークが、ＭｇＯ ２００回折ピークの肩として観察される。
絶縁性被膜層は、主相のＭｇＯと、副相のＭｇＢ２（体積分率 ＜２０％）によって構成されていることが分かる。
図２の導電部材表面から剥離した絶縁性被膜層の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像と、図3の導電部材表面に平行に切断した絶縁性被膜層の横断面のTEM像から、以下の事実が明らかとなった。
中間的なコントラストを持つ不定形相（Ａ相）と共に、低いコントラストを持つ幹の太さ約１×102ｎｍの樹木状のナノ細線が多数並立する組織（Ｂ相）が認められる。
電子線回折（ＴＥＤ）観測の結果、ＡおよびＢ相はそれぞれ、単相ＭｇＯおよび単相ＭｇＢ２に帰属された。
ＴＥＤの回折点の鋭さから、ＭｇＢ２ナノ細線は高い結晶性を備えているものと結論される。
絶縁性被膜層は、ナノ細線状のＭｇＢ２相と、バルク状のＭｇＯ相（以後、ＭｇＯマトリックスと呼ぶ）とが混じり合った、特殊なナノ構造を備えていることが分かる。
その結果を模式的に図5に示す。
導電材料である鉄の回折ピーク以外に、ＭｇＯに帰属される複数の回折ピークが認められる。一方、ＭｇＢ２ １０１回折のピークが、ＭｇＯ ２００回折ピークの肩として観察される。
絶縁性被膜層は、主相のＭｇＯと、副相のＭｇＢ２（体積分率 ＜２０％）によって構成されていることが分かる。
図２の導電部材表面から剥離した絶縁性被膜層の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像と、図3の導電部材表面に平行に切断した絶縁性被膜層の横断面のTEM像から、以下の事実が明らかとなった。
中間的なコントラストを持つ不定形相（Ａ相）と共に、低いコントラストを持つ幹の太さ約１×102ｎｍの樹木状のナノ細線が多数並立する組織（Ｂ相）が認められる。
電子線回折（ＴＥＤ）観測の結果、ＡおよびＢ相はそれぞれ、単相ＭｇＯおよび単相ＭｇＢ２に帰属された。
ＴＥＤの回折点の鋭さから、ＭｇＢ２ナノ細線は高い結晶性を備えているものと結論される。
絶縁性被膜層は、ナノ細線状のＭｇＢ２相と、バルク状のＭｇＯ相（以後、ＭｇＯマトリックスと呼ぶ）とが混じり合った、特殊なナノ構造を備えていることが分かる。
その結果を模式的に図5に示す。
絶縁性被膜層を導電部材表面平行に切断・薄片化し、断面ＴＥＭ試料を作製した。絶縁性被膜層横断面の高分解能ＴＥＭ像を示す図３において、画面中央、１００ｎｍ２程度の多角形領域に、周囲のＭｇＯ（２００）原子列像に埋め込まれる形で、ＭｇＢ２（００１）原子列像が認められる。これは、基板表面垂直に伸長したＭｇＢ２ナノ細線の垂直断面像と見做すことができる。
導電部材表面に垂直に切断した電着膜断面に対し、電子線プローブマイクロアナライザ （ＥＰＭＡ）を用い、ホウ素の空間分布マッピングを行った結果をしめす図４では、ＭｇＯマトリックス中に埋め込まれたＭｇＢ２ナノ細線が、導電部材表面に垂直な方向に伸びる樹枝状構造として観察されている。
上記結果を総合して、導電部材表面に対して垂直に伸長した超電導ＭｇＢ２ナノ細線が、絶縁体ＭｇＯ内部に埋め込まれた形態を持つ、金属・超電導・絶縁体複合材料であると結論できる。（図５）。
導電部材表面に垂直に切断した電着膜断面に対し、電子線プローブマイクロアナライザ （ＥＰＭＡ）を用い、ホウ素の空間分布マッピングを行った結果をしめす図４では、ＭｇＯマトリックス中に埋め込まれたＭｇＢ２ナノ細線が、導電部材表面に垂直な方向に伸びる樹枝状構造として観察されている。
上記結果を総合して、導電部材表面に対して垂直に伸長した超電導ＭｇＢ２ナノ細線が、絶縁体ＭｇＯ内部に埋め込まれた形態を持つ、金属・超電導・絶縁体複合材料であると結論できる。（図５）。
導電部材に電流・電圧端子を取り付け、四端子法によって電気輸送特性を評価した。
電気抵抗率の温度依存性を示す図６より、３４Ｋにおいて、ＭｇＢ２ナノ細線の超電導転移に伴う鋭い（遷移温度＜１Ｋ）電気抵抗率の温度変化が認められる。ＭｇＢ２ナノ細線は、導電部材と高い電気的導通を保っていることが分かる。
有限磁場下での超電導臨界電流測定結果を示す図７では、５Ｋおよび２０Ｋそれぞれの測定温度において、絶縁性被膜層全体の臨界電流密度として、１×１０５Ａｃｍ−２および４×１０４Ａｃｍ−２という値が得られた。絶縁性被膜層中のＭｇＢ２相の体積分率の低さ（＜２０％）を考慮すると、ＭｇＢ２ナノ細線は全体として、極めて高い臨界電流密度（＞５×１０５Ａｃｍ−２ ＠５ Ｋ；＞２×１０５Ａｃｍ−２＠２０ Ｋ）を備えていることが分かる。
電気抵抗率の温度依存性を示す図６より、３４Ｋにおいて、ＭｇＢ２ナノ細線の超電導転移に伴う鋭い（遷移温度＜１Ｋ）電気抵抗率の温度変化が認められる。ＭｇＢ２ナノ細線は、導電部材と高い電気的導通を保っていることが分かる。
有限磁場下での超電導臨界電流測定結果を示す図７では、５Ｋおよび２０Ｋそれぞれの測定温度において、絶縁性被膜層全体の臨界電流密度として、１×１０５Ａｃｍ−２および４×１０４Ａｃｍ−２という値が得られた。絶縁性被膜層中のＭｇＢ２相の体積分率の低さ（＜２０％）を考慮すると、ＭｇＢ２ナノ細線は全体として、極めて高い臨界電流密度（＞５×１０５Ａｃｍ−２ ＠５ Ｋ；＞２×１０５Ａｃｍ−２＠２０ Ｋ）を備えていることが分かる。
図１は、電着膜表面から得られたＸＲＤ測定結果であり、ピーク位置に対応する面指数を記す。挿入図は、ＭｇＯ ２００反射近傍の拡大図である。
図２は、剥離電着膜のＴＥＭ像。挿入図Ａ・Ｂはそれぞれ、ＴＥＭ像中Ａ・Ｂで示した部分から得られたＴＥＤ像である。挿入図中に、回折点に対応する面指数を記す。
図３は、基板表面平行に切断した電着膜の断面ＴＥＭ像。収束イオン線（ＦＩＢ）を用い、超高真空下で切断・成形作業を行った。試料厚さは ＜ ５０ ｎｍである。
図４は、基板表面垂直に切断した電着膜の断面ＥＰＭＡ像。ホウ素の特性Ｘ線を用い、元素マッピングを行った。
図６は、材料全体の電気抵抗率の温度依存性。電流端子、電圧端子ともに、金属基板に取り付けられた。測定電流の方向は、金属基板表面に平行である。
図７は、電着膜全体の臨界電流密度の磁場依存性。電流端子、電圧端子ともに、金属基板に取り付けられた。測定電流方向は金属基板表面に平行、磁場の方向は、金属基板表面に垂直である。臨界電流密度は、測定された臨界電流を、電着膜の厚みと幅で割ることによって求められた。
図２は、剥離電着膜のＴＥＭ像。挿入図Ａ・Ｂはそれぞれ、ＴＥＭ像中Ａ・Ｂで示した部分から得られたＴＥＤ像である。挿入図中に、回折点に対応する面指数を記す。
図３は、基板表面平行に切断した電着膜の断面ＴＥＭ像。収束イオン線（ＦＩＢ）を用い、超高真空下で切断・成形作業を行った。試料厚さは ＜ ５０ ｎｍである。
図４は、基板表面垂直に切断した電着膜の断面ＥＰＭＡ像。ホウ素の特性Ｘ線を用い、元素マッピングを行った。
図６は、材料全体の電気抵抗率の温度依存性。電流端子、電圧端子ともに、金属基板に取り付けられた。測定電流の方向は、金属基板表面に平行である。
図７は、電着膜全体の臨界電流密度の磁場依存性。電流端子、電圧端子ともに、金属基板に取り付けられた。測定電流方向は金属基板表面に平行、磁場の方向は、金属基板表面に垂直である。臨界電流密度は、測定された臨界電流を、電着膜の厚みと幅で割ることによって求められた。
Claims (3)
- 導電性材料と超電導材料と絶縁材料とからなる超電導素子であって、前記導電性材料からなる導電部材と、この表面を被覆する絶縁性材料からなる被覆層と、この被覆層中に埋め込まれている超導電性材料からなる多数のナノ細線からなり、前記ナノ細線の一端が前記導電部材に電気的に接続され、他端が前記被覆層中に埋没されてなることを特徴とする超電導素子。
- 請求項1に記載の超電導素子において、ナノ細線が、幹より多数の枝が分岐されてなる樹木状であることを特徴とする超電導素子。
- 請求項１または2に記載の超電導素子において、前記超導電性材料がMgB2であり、絶縁性材料がMgOであることを特徴とする超電導素子。
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Citations (2)
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| JP2007521664A (ja) * | 2003-12-11 | 2007-08-02 | イエール ユニバーシティ | 制御された直径を有するホウ素ナノ構造体の成長 |
| JP2007251028A (ja) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Japan Science & Technology Agency | 超伝導素子及びその作製方法 |
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