JP2011018599A - 基板、基板の製造方法、超電導線材および超電導線材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超電導線材の交流損失を低減することができる基板、基板の製造方法、超電導線材および超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の基板は、銅層と、銅層上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層と、合金層上に形成されたニッケル層と、ニッケル層上に形成された中間層とを備えている。合金層とニッケル層との界面における合金層のニッケルの濃度よりも、合金層と銅層との界面における合金層のニッケルの濃度が小さい。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の基板は、銅層と、銅層上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層と、合金層上に形成されたニッケル層と、ニッケル層上に形成された中間層とを備えている。合金層とニッケル層との界面における合金層のニッケルの濃度よりも、合金層と銅層との界面における合金層のニッケルの濃度が小さい。
【選択図】図１
Description
本発明は、基板、基板の製造方法、超電導線材および超電導線材の製造方法に関する。
高温超電導体の発見以来、ケーブル、マグネット、限流器等の電力機器用途への適用を目指して高温超電導線材の開発が活発に行われている。高温超電導線材としては、大別してビスマス系銀シース線材とＲＥ１２３系の薄膜線材（ＲＥ＝希土類元素）の２種類がある。
ＲＥ１２３系薄膜超電導線材は、（１）液体窒素温度（７７．３Ｋ）での臨界電流密度が、ビスマス系銀シース線材と比較して約２桁高い１０6Ａ／ｃｍ2程度の性能を有する、（２）磁場下での臨界電流密度が高い、という利点のために次世代の高温超電導線材として開発が期待されている。
薄膜超電導線材の一般的な構造としては、金属基板の上にセラミックスの薄膜中間層が形成され、その上に超電導層が形成される。薄膜超電導線材において、優れた超電導特性を引き出すためには、超電導層の結晶方位を三次元的に揃える事が必要である。そのためには、前記の薄膜中間層について配向性の高い薄膜を形成する必要がある。
特許文献１には、配向金属基板表面の酸化層を除去して、配向金属基板の２軸配向性を維持したまま、中間層および超電導層などの薄膜をエピタキシャル成長する方法が記載されている。
しかし、特許文献１のように、配向金属基板としてＮｉなどの強磁性体を用いて超電導線材を作製した場合、得られた超電導線材に電流を流すと、基板の飽和磁化が大きく、ヒステリシス損失による交流損失が増加するという問題があった。
したがって本発明の目的は、超電導線材の交流損失を低減することができる基板、基板の製造方法、超電導線材および超電導線材の製造方法を提供することである。
本発明の基板は、銅層と、銅層上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層と、合金層上に形成されたニッケル層と、ニッケル層上に形成された中間層とを備えている。合金層とニッケル層との界面における合金層のニッケルの濃度よりも、合金層と銅層との界面における合金層のニッケルの濃度が小さい。
本発明の基板において好ましくは、合金層とニッケル層との界面から、合金層と銅層との界面に向かって合金層のニッケルの濃度が単調減少している。
本発明の基板の製造方法は以下の工程を備えている。めっき法を用いて銅層上にニッケル層が形成された基材を準備する。ニッケル層の一部を残しつつニッケル層の他の部分を合金化する。ニッケル層を合金化する工程の後にニッケル層上に中間層をエピタキシャル成長させる。
本発明の超電導線材は、銅層と、銅層上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層と、合金層上に形成されたニッケル層と、ニッケル層上に形成された中間層と、中間層上形成された超電導層とを備えている。合金層とニッケル層との界面における合金層のニッケルの濃度よりも、合金層と銅層との界面における合金層のニッケルの濃度が小さい。
本発明の超電導線材において好ましくは、合金層とニッケル層との界面から、合金層と銅層との界面に向かって合金層のニッケルの濃度が単調減少している。
本発明の超電導線材の製造方法は以下の工程を備えている。めっき法を用いて銅層上にニッケル層が形成された基材を準備する。ニッケル層の一部を残しつつニッケル層の他の部分を合金化する。ニッケル層を合金化する工程の後にニッケル層上に中間層をエピタキシャル成長させる。中間層上に超電導層を形成する。
本発明の基板、基板の製造方法、超電導線材および超電導線材の製造方法によれば、基板に含まれるニッケルの一部が合金化されて非磁性体となっている。このため、基板のヒステリシス損失が減少し、超電導線材の交流損失を低減することができる。
本発明の基板の製造方法において好ましくは、ニッケル層を合金化する工程を水素ガスを含まない減圧下にて行う。
本発明の超電導線材の製造方法において好ましくは、ニッケル層を合金化する工程を水素ガスを含まない減圧下にて行う。
ニッケル層を合金化する工程を水素ガスを含まない減圧下にて行うことで、中間層形成直前までＮｉ表面の酸化層を残し、中間層形成時に還元することで中間層と格子マッチングが良好なＮｉを表面に露出させつつ基板近くにＨ2Ｏを存在させ、中間層である金属酸化物の酸素欠損を防ぎ、配向を助けることができる。
本発明によれば、超電導線材の交流損失を低減することができる基板および超電導線材を得ることができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
＜実施の形態１＞
（基板）
図１は、本発明の一実施の形態における基板１を概略的に示す断面図である。図１を参照して、本発明の一実施の形態における基板１は、銅層（以下Ｃｕ層ともいう）２と、銅層２上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層３と、合金層３上に形成されたニッケル層４（以下Ｎｉ層ともいう）と、ニッケル層４上に形成された中間層５とを備えている。
（基板）
図１は、本発明の一実施の形態における基板１を概略的に示す断面図である。図１を参照して、本発明の一実施の形態における基板１は、銅層（以下Ｃｕ層ともいう）２と、銅層２上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層３と、合金層３上に形成されたニッケル層４（以下Ｎｉ層ともいう）と、ニッケル層４上に形成された中間層５とを備えている。
基板１は、長尺なテープ状の形状を有することができる。
（銅層）
Ｃｕ層２は、Ｃｕ原子が２軸配向しているため、配向基板に適している。なお２軸配向しているとは、完全な２軸配向のみならず、結晶軸のずれ角が２５°以下の場合も含まれる。また、配向の方向は、＜１００＞軸が基板面に垂直な方向に、＜０１０＞軸が基板の長さ方向に配向していることが好ましい。
（銅層）
Ｃｕ層２は、Ｃｕ原子が２軸配向しているため、配向基板に適している。なお２軸配向しているとは、完全な２軸配向のみならず、結晶軸のずれ角が２５°以下の場合も含まれる。また、配向の方向は、＜１００＞軸が基板面に垂直な方向に、＜０１０＞軸が基板の長さ方向に配向していることが好ましい。
Ｃｕ層２は、他の金属または合金上に積層することもできる。たとえば、高強度材料であるステンレス鋼（以下ＳＵＳともいう）上にＣｕ層２を設けることもできる。
Ｃｕ層２は、長尺なテープ状の形状を有することができる。
Ｃｕ層２の厚みは、たとえば１５〜１８μｍである。
Ｃｕ層２の厚みは、たとえば１５〜１８μｍである。
（合金層）
合金層３は、ニッケルおよび銅を含む非磁性金属である。合金層３は配向していることが好ましい。
合金層３は、ニッケルおよび銅を含む非磁性金属である。合金層３は配向していることが好ましい。
合金層３の飽和磁化は、Ｎｉ単体の飽和磁化よりも小さい。つまり、磁束密度が０Ｔの場合と、磁束密度が０Ｔを超えてＮｉ単体の磁束密度よりも低い場合とを含む。
合金層３の磁性は、Ｎｉ単体の磁性よりも小さい。つまり、最大エネルギー（BHmax）が０Ｊ／ｍ3の場合と、最大エネルギーが０Ｊ／ｍ3を超えてＮｉ単体の最大エネルギーよりも小さい場合とを含む。
合金層３内には、Ｎｉ濃度分布がある。具体的には、図１および図２のＡで示す合金層とニッケル層との界面における合金層のニッケルの濃度よりも、図１および図２のＢで示す合金層と銅層との界面における合金層のニッケルの濃度が小さい。
さらに、合金層３において、図１および図２のＡで示す合金層３とＮｉ層４との界面から、図１および図２のＢで示す合金層３とＣｕ層２との界面に向かって合金層３のＮｉの濃度が単調減少していることが好ましい。
図４を用いて単調減少について説明する。単調減少の一例は、図４（ａ）のｃ，ｄ，ｅに示すように、Ａで示す合金層３とＮｉ層４との界面から、Ｂで示す合金層３とＣｕ層２との界面に向かって合金層３のＮｉの濃度が常に減少する。単調減少の他の一例は、図４（ｂ）のｆに示すように、Ａで示す合金層３とＮｉ層４との界面から、Ｂで示す合金層３とＣｕ層２との界面に向かって合金層３のＮｉの濃度が減少するかまたは同じである。つまり、単調減少とは、Ａで示す合金層３とＮｉ層４との界面から、Ｂで示す合金層３とＣｕ層２との界面に向かってＮｉ濃度が増加している部分が含まれていないことを意味する。
合金層３の厚みは、たとえば１．０〜２．１μｍである。
（ニッケル層）
Ｎｉ層４は、中間層５を形成する際に、酸化を防止するための層である。Ｃｕ層２が配向している場合には、Ｎｉ層４も配向する。
（ニッケル層）
Ｎｉ層４は、中間層５を形成する際に、酸化を防止するための層である。Ｃｕ層２が配向している場合には、Ｎｉ層４も配向する。
Ｎｉ層３の厚みは、０．３〜１．５μｍであることが好ましい。
（中間層）
中間層５は、この表面上に超電導層６が形成されるための層である。中間層５は、１層または２層以上からなる。中間層５が複数の層により構成されている場合、中間層５を構成するそれぞれの層は互いに異なる材質により構成されていてもよい。
（中間層）
中間層５は、この表面上に超電導層６が形成されるための層である。中間層５は、１層または２層以上からなる。中間層５が複数の層により構成されている場合、中間層５を構成するそれぞれの層は互いに異なる材質により構成されていてもよい。
中間層５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、ＣｅＯ2などの希土類元素酸化物、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＢＺＯ（ＢａＺｒＯ3）、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）、Ａｌ2Ｏ3、ＹＡｌＯ3、ＭｇＯ、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、配向金属基板であるＣｕ層２と、中間層５上に形成される超電導層６の、結晶定数および結晶配向の差を緩和するとともに、Ｃｕ層２から超電導層６への金属原子の流出を防止する役割を果たす。このような材料としては、たとえばＣｅＯ2が挙げられる。
＜実施の形態２＞
（超電導線材）
図２は、本発明の一実施の形態における超電導線材７を概略的に示す断面図である。図２を参照して、本発明の一実施の形態における超電導線材７は、銅層２と、銅層２上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層３と、合金層３上に形成されたニッケル層４と、ニッケル層４上に形成された中間層５と、中間層５上形成された超電導層６とを備えている。
（超電導線材）
図２は、本発明の一実施の形態における超電導線材７を概略的に示す断面図である。図２を参照して、本発明の一実施の形態における超電導線材７は、銅層２と、銅層２上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層３と、合金層３上に形成されたニッケル層４と、ニッケル層４上に形成された中間層５と、中間層５上形成された超電導層６とを備えている。
超電導線材７は、長尺なテープ状の形状を有することができる。
超電導線材７における銅層２、合金層３、ニッケル層４および中間層５は、基板１に用いたものと同じである。
超電導線材７における銅層２、合金層３、ニッケル層４および中間層５は、基板１に用いたものと同じである。
（超電導層）
超電導層６は、長尺なテープ状の形状を有している。超電導層６は、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ｙは６〜８、より好ましくはほぼ７、ＲＥとはＹ（イットリウム）、またはＧｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）などの希土類元素を意味する）として表される超電導体などであり、たとえばＧｄＢＣＯからなることが好ましい。ＧｄＢＣＯとは、ＧｄＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ｙは６〜８、より好ましくはほぼ７）として表される。
超電導層６は、長尺なテープ状の形状を有している。超電導層６は、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ｙは６〜８、より好ましくはほぼ７、ＲＥとはＹ（イットリウム）、またはＧｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）などの希土類元素を意味する）として表される超電導体などであり、たとえばＧｄＢＣＯからなることが好ましい。ＧｄＢＣＯとは、ＧｄＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ｙは６〜８、より好ましくはほぼ７）として表される。
なお、超電導線材７は、超電導層６上に形成された保護層（図示せず）をさらに備えていてもよい。保護層は、超電導層６を保護するとともに、外部電極との接触部である。保護層としては、電導性の高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。
＜実施の形態３＞
（基板の製造方法）
図３は、本発明の一実施の形態における基板１および超電導線材７の製造方法を概略的に示す断面図である。図３を参照して、本発明の一実施の形態における基板１の製造方法は、図３（ａ）に示すようなＣｕ層２上に、図３（ｂ）に示すようにめっき法を用いてＮｉ層４が形成された基材を準備する工程と、図３（ｃ）に示すようにＮｉ層４の一部を残しつつＮｉ層４の他の部分を合金化する工程と、図３（ｄ）に示すようにＮｉ層４を合金化する工程の後にＮｉ層４上に中間層５をエピタキシャル成長させる工程とを備える。さらに図３を参照して、本発明の一実施の形態における超電導線材７の製造方法は、図３（ｅ）に示すように、中間層５上に超電導層６を形成する工程を備える。
（基板の製造方法）
図３は、本発明の一実施の形態における基板１および超電導線材７の製造方法を概略的に示す断面図である。図３を参照して、本発明の一実施の形態における基板１の製造方法は、図３（ａ）に示すようなＣｕ層２上に、図３（ｂ）に示すようにめっき法を用いてＮｉ層４が形成された基材を準備する工程と、図３（ｃ）に示すようにＮｉ層４の一部を残しつつＮｉ層４の他の部分を合金化する工程と、図３（ｄ）に示すようにＮｉ層４を合金化する工程の後にＮｉ層４上に中間層５をエピタキシャル成長させる工程とを備える。さらに図３を参照して、本発明の一実施の形態における超電導線材７の製造方法は、図３（ｅ）に示すように、中間層５上に超電導層６を形成する工程を備える。
（ニッケル層を形成する工程）
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、具体的には、まず、Ｃｕ層２上に、めっき法を用いてＮｉ層４ａが形成された基板を準備する。めっき法は例えばＣｕ層２を塩化ニッケル、硫酸ニッケルなどを含む溶液中で電解ニッケルめっき処理する方法が挙げられる。
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、具体的には、まず、Ｃｕ層２上に、めっき法を用いてＮｉ層４ａが形成された基板を準備する。めっき法は例えばＣｕ層２を塩化ニッケル、硫酸ニッケルなどを含む溶液中で電解ニッケルめっき処理する方法が挙げられる。
図３（ｂ）に示すように、Ｃｕ層２上にめっき法を用いて形成されるＮｉ層４ａの厚みは、１．３〜３．６μｍであることが好ましく、１．３〜３．０μｍであることがより好ましい。１．３μｍ以上の場合、後述するＮｉ層４ａの一部を残しつつＮｉ層４ａの他の部分を合金化する工程において８００〜１０００℃程度の熱が加えられても、すべてのＮｉ原子がＣｕ層２に拡散することを抑制できる。このため、Ｎｉ層４の、酸化されにくく、かつ中間層５との格子のマッチングが良好である機能を効果的に発現できる。３．６μｍ以下の場合、合金化する工程において、Ｎｉ層４ａを構成するＮｉがＣｕ層２へ容易に拡散するので合金化を効率的に行うことができる。
（合金化する工程）
図３（ｃ）に示すように、次に、Ｎｉ層４の一部を残しつつＮｉ層４の他の部分を合金化する。この工程により、Ｎｉ層４を構成するＮｉと、Ｃｕ層２を構成するＣｕとが合金化され、Ｃｕ−Ｎｉ合金を含む合金層３を形成することができる。Ｃｕ−Ｎｉ合金の磁性は、Ｎｉ単体の場合よりも小さい。このため、合金層３を有する基板１を用いて超電導線材７を製造すると、超電導線材７の幅方向端部への磁界の集中を緩和することができる。したがって、超電導線材７を流れる電流に影響を及ぼす磁場が低減し、超電導線材の交流損失を低減することができる。
図３（ｃ）に示すように、次に、Ｎｉ層４の一部を残しつつＮｉ層４の他の部分を合金化する。この工程により、Ｎｉ層４を構成するＮｉと、Ｃｕ層２を構成するＣｕとが合金化され、Ｃｕ−Ｎｉ合金を含む合金層３を形成することができる。Ｃｕ−Ｎｉ合金の磁性は、Ｎｉ単体の場合よりも小さい。このため、合金層３を有する基板１を用いて超電導線材７を製造すると、超電導線材７の幅方向端部への磁界の集中を緩和することができる。したがって、超電導線材７を流れる電流に影響を及ぼす磁場が低減し、超電導線材の交流損失を低減することができる。
また、この工程では、Ｎｉ層４表面の一部を残しているため、Ｎｉ層４の配向性を維持することができる。
ニッケル層４を合金化する工程は、水素ガスを含まない減圧下にて行うことが好ましい。雰囲気ガスとしてはたとえばＡｒ、Ｎ2などを使用することができる。減圧下とは、大気圧より低い圧力のことであり、たとえば０．１〜１０Ｐａが好ましい。
ニッケル層４を合金化する工程は、たとえばＮｉ層４を８００〜１０００℃の温度で熱処理することが好ましい。温度が８００℃未満であるとニッケルの合金化が進まず、十分な磁性低減効果が得られない。１０００℃を超えると、ＮｉとＣｕが拡散して完全合金化するため、Ｎｉ層表面にＣｕが拡散する。Ｃｕは酸化されやすいため、Ｎｉ層４表面の配向性を向上することができない。
Ｎｉ層４を合金化する工程は、たとえばＮｉ層を８００〜１０００℃の温度で１５分〜２５分間熱処理することが好ましい。熱処理時間が１５分未満であると合金化が十分進まず、磁性低減効果が望めない。２５分を超えると、ＮｉとＣｕが拡散して完全合金化するため、Ｎｉ層表面にＣｕが拡散する。Ｃｕは酸化されやすいため、Ｎｉ層４表面の配向性を向上することができない。
（中間層をエピタキシャル成長させる工程）
図３（４）に示すように、次に、Ｎｉ層４上に中間層５をエピタキシャル成長させて、基板１を得る。中間層５となる酸化物薄膜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。
図３（４）に示すように、次に、Ｎｉ層４上に中間層５をエピタキシャル成長させて、基板１を得る。中間層５となる酸化物薄膜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。
たとえば、合金化工程後の＜１００＞軸が基板面に垂直な方向に、＜０１０＞軸が基板の長さ方向に、２軸配向しているＮｉ層４上に、中間層５としてＣｅＯ2薄膜をエピタキシャルに成長させると、＜１００＞軸が基板面に垂直な方向に、＜０１１＞軸が基板の長さ方向に配向したＣｅＯ2薄膜が形成され、２軸配向性の高いＣｅＯ2薄膜が得られる。
中間層が複数の層から構成されている場合は、たとえば第１中間層上に第２中間層をエピタキシャル成長させることで配向性を維持することができる。
＜実施の形態４＞
（超電導線材の製造方法）
図３は、本発明の一実施の形態における基板１および超電導線材７の製造方法を概略的に示す断面図である。図３を参照して、本発明の一実施の形態における超電導線材７の製造方法は、図３（ａ）に示すようなＣｕ層２上に、図３（ｂ）に示すようにめっき法を用いてＮｉ層４が形成された基材を準備する工程と、図３（ｃ）に示すようにＮｉ層４の一部を残しつつＮｉ層４の他の部分を合金化する工程と、図３（ｄ）に示すようにＮｉ層４を合金化する工程の後にＮｉ層４上に中間層５をエピタキシャル成長させる工程と、図３（ｅ）に示すように、中間層５上に超電導層６を形成する工程とを備える。
（超電導線材の製造方法）
図３は、本発明の一実施の形態における基板１および超電導線材７の製造方法を概略的に示す断面図である。図３を参照して、本発明の一実施の形態における超電導線材７の製造方法は、図３（ａ）に示すようなＣｕ層２上に、図３（ｂ）に示すようにめっき法を用いてＮｉ層４が形成された基材を準備する工程と、図３（ｃ）に示すようにＮｉ層４の一部を残しつつＮｉ層４の他の部分を合金化する工程と、図３（ｄ）に示すようにＮｉ層４を合金化する工程の後にＮｉ層４上に中間層５をエピタキシャル成長させる工程と、図３（ｅ）に示すように、中間層５上に超電導層６を形成する工程とを備える。
ニッケル層を形成する工程、合金化する工程および中間層をエピタキシャル成長させる工程は基板の製造方法と同じである。
＜超電導層の形成＞
たとえば実施の形態４で得られた基板１の中間層５の上に超電導層６を形成した場合、中間層５は配向性が良好であるため、２軸配向性の高い超電導層６を得ることができる。
たとえば実施の形態４で得られた基板１の中間層５の上に超電導層６を形成した場合、中間層５は配向性が良好であるため、２軸配向性の高い超電導層６を得ることができる。
超電導層６となる酸化物薄膜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、超電導層６を保護するため、必要に応じて、超電導層６の上に保護層（図示せず）を形成することもできる。保護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。
（実施例１）
まず、１００μｍ厚さのＳＵＳ基板上に１８μｍの厚みのＣｕ層を有する基板を準備した。前記Ｃｕ層を有する基板を塩酸ニッケルを含む溶液中で電解ニッケルめっきを行い、２．４μｍの厚みのＮｉ層を形成した。
まず、１００μｍ厚さのＳＵＳ基板上に１８μｍの厚みのＣｕ層を有する基板を準備した。前記Ｃｕ層を有する基板を塩酸ニッケルを含む溶液中で電解ニッケルめっきを行い、２．４μｍの厚みのＮｉ層を形成した。
次に、上記Ｎｉ層を、Ａｒガスを用いて、圧力０．１Ｐａ〜１０Ｐａ雰囲気下で、８５０℃〜１０００℃の熱処理温度で１５分間で熱処理を行った。これにより、Ｎｉ層およびＣｕ層からＣｕ−Ｎｉ合金層を形成した。
その直後に、スパッタ法により、還元性ガスとしてＨ2ガスとＡｒガスの混合ガス（組成：Ｈ2ガス３モル％、Ａｒガス９７モル％）を用いて、圧力５．２Ｐａ雰囲気下、基板温度７００℃で、上記Ｎｉ層上に中間層としてＣｅＯ2薄膜を、０．１５μｍの厚さで形成した。その上に、混合ガスを変更（組成：Ｏ2ガス０．５モル％、Ａｒガス９９．５モル％）し、圧力２．６Ｐａ雰囲気下、基板温度９００℃で、上記ＣｅＯ2層上に第２中間層としてＹＳＺ薄膜を０．２６μｍの厚さで形成した。最後に、混合ガスを変更（組成：Ｏ2ガス１モル％、Ａｒガス９９モル％）し、圧力２．６Ｐａ雰囲気下、基板温度８００℃で、上記ＹＳＺ層上に第３中間層としてＣｅＯ2薄膜を０．０５μｍの厚さで形成した。これにより実施例１の基板を得た。
次に、中間層上に、ＰＬＤ法により、超電導層としてＧｄＢＣＯを形成した。これにより実施例１の超電導線材を得た。
（比較例１）
Ｎｉ層の熱処理を行わない以外は、上記実施例１と同様にして、基板および超電導線材を得た。
Ｎｉ層の熱処理を行わない以外は、上記実施例１と同様にして、基板および超電導線材を得た。
（比較例２）
Ｎｉ層の熱処理時間を３０分間とする以外は、上記実施例１と同様にして、基板および超電導線材を得た。
Ｎｉ層の熱処理時間を３０分間とする以外は、上記実施例１と同様にして、基板および超電導線材を得た。
（測定方法）
実施例１、比較例１および２の基板について、Ｎｉ層、Ｃｕ−Ｎｉ層（合金層）、Ｃｕ層の各層の厚みおよびＣｅＯ2薄膜の２軸配向性について測定した。さらに実施例１、比較例１および２の超電導線材について、ヒステリシス損失を測定した。結果を表１に示す。
実施例１、比較例１および２の基板について、Ｎｉ層、Ｃｕ−Ｎｉ層（合金層）、Ｃｕ層の各層の厚みおよびＣｅＯ2薄膜の２軸配向性について測定した。さらに実施例１、比較例１および２の超電導線材について、ヒステリシス損失を測定した。結果を表１に示す。
基板の各層の厚みは、電子マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ；Electron Probe Micro-Analyzer）分析により測定した。
基板上のＣｅＯ2薄膜のｃ軸配向性は、ＣｅＯ2薄膜の（２００）面および（１１１）面からのＸ線回折ピーク強度（Ｉ（２００）およびＩ（１１１））を測定し、Ｉ（２００）／（Ｉ（２００）＋Ｉ（１１１））の数値により評価した。かかる数値が大きいほど、中間層たるＣｅＯ2薄膜のｃ軸配向性が高く、好ましい。なお、（２００）面からのＸ線回折ピーク強度は、＜１００＞軸が基板面に垂直な方向に配向している結晶量を、（１１１）面からのＸ線回折ピーク強度は、＜１１１＞軸が基板面に垂直な方向に１軸配向している結晶量を示す。
超電導線材のヒステリシス損失は、超電導線材を室温で、超電導線材のテープ面に平行な方向に磁場を印加したときのヒステリシス損失を、振動磁化型磁力計（ＶＳＭ）を用いて測定した。
（測定結果）
実施例１は、Ｎｉ層を１５分間熱処理することで、厚さ１．３μｍのＮｉ層を残しつつ、厚さ１．７μｍのＣｕ−Ｎｉ合金層が形成された。ＥＰＭＡ分析結果より、合金層中のＮｉ濃度が合金層とニッケル層との界面から、合金層と銅層との界面に向かって単調減少していることが確認された。ＣｕとＮｉは一部のみ合金化し、Ｎｉ層表面にＣｕは拡散しなかったため、ＣｅＯ2薄膜の２軸配向性が優れていた。また、Ｎｉ層の熱処理を行わない比較例１に比べてヒステリシス損失を低減することができた。
比較例１は、Ｎｉ層の熱処理を行わなかったため、ＮｉとＣｕが合金化されず、超電導線材のヒステリシス損失が大きかった。
比較例２は、Ｎｉ層を３０分間熱処理することで、ＮｉとＣｕが完全合金化し、超電導線材のヒステリシス損失は低減した。しかし、Ｎｉ層表面にＣｕが拡散したため、Ｎｉ層の熱処理を行わない比較例１に比べて、ＣｅＯ2薄膜の２軸配向性が悪化した。
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は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でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 基板、２ 銅層、３ 合金層、４，４ａ ニッケル層、５ 中間層、６ 超電導層、７ 超電導線材。
Claims (8)
- 銅層と、
前記銅層上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層と、
前記合金層上に形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に形成された中間層とを備え、
前記合金層と前記ニッケル層との界面における前記合金層のニッケルの濃度よりも、前記合金層と前記銅層との界面における前記合金層のニッケルの濃度が小さい、基板。 - 前記合金層と前記ニッケル層との界面から、前記合金層と前記銅層との界面に向かって前記合金層のニッケルの濃度が単調減少している、請求項１に記載の基板。
- めっき法を用いて銅層上にニッケル層が形成された基材を準備する工程と、
前記ニッケル層の一部を残しつつ前記ニッケル層の他の部分を合金化する工程と、
前記ニッケル層を合金化する工程の後に前記ニッケル層上に中間層をエピタキシャル成長させる工程とを備えた、基板の製造方法。 - 前記ニッケル層を合金化する工程を水素ガスを含まない減圧下にて行う、請求項３に記載の基板の製造方法。
- 銅層と、
前記銅層上に形成され、かつ銅およびニッケルを含む合金層と、
前記合金層上に形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に形成された中間層と、
前記中間層上形成された超電導層とを備え、
前記合金層と前記ニッケル層との界面における前記合金層のニッケルの濃度よりも、前記合金層と前記銅層との界面における前記合金層のニッケルの濃度が小さい、超電導線材。 - 前記合金層と前記ニッケル層との界面から、前記合金層と前記銅層との界面に向かって前記合金層のニッケルの濃度が単調減少している、請求項５に記載の超電導線材。
- めっき法を用いて銅層上にニッケル層が形成された基材を準備する工程と、
前記ニッケル層の一部を残しつつ前記ニッケル層の他の部分を合金化する工程と、
前記ニッケル層を合金化する工程の後に前記ニッケル層上に中間層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記中間層上に超電導層を形成する工程とを備えた、超電導線材の製造方法。 - 前記ニッケル層を合金化する工程を水素ガスを含まない減圧下にて行う、請求項７に記載の超電導線材の製造方法。
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