JP2013201114A - Intermediate layer having substrate for superconducting thin film wire material and superconducting thin film wire material - Google Patents

Intermediate layer having substrate for superconducting thin film wire material and superconducting thin film wire material Download PDF

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康太郎 大木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for obtaining, by means of a MOD method, an oxide superconducting wire material which does not degrade in Jc even when a calcination film is laminated and which is excellent in superconducting characteristics (having high Jc and high Ic).SOLUTION: An intermediate layer having substrate is used for a production of a superconducting thin film wire material by a coating thermal decomposition method. In the intermediate layer having substrate for the superconducting thin film wire material, an intermediate layer is provided on an oriented metal substrate, and the intermediate layer having a four-layer structure in which a CeOlayer, a YSZ layer, a YOlayer, a CeOlayer are arranged in this order from a surface toward the oriented metal substrate. The oriented metal substrate is a clad substrate in the intermediate layer having substrate for the superconducting thin film wire material. An oxide superconducting layer is formed on the intermediate layer having substrate for the superconducting thin film wire material by a coating thermal decomposition method in a superconducting thin film wire material.

Description

本発明は、塗布熱分解法により超電導薄膜線材を作製する際に使用される中間層付基板および前記中間層付基板を用いて塗布熱分解法により作製された超電導薄膜線材に関する。   The present invention relates to a substrate with an intermediate layer used when producing a superconducting thin film wire by a coating pyrolysis method and a superconducting thin film wire produced by a coating pyrolysis method using the substrate with an intermediate layer.

液体窒素の温度で超電導性を有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われている。中でも、基板上に酸化物超電導層が形成された超電導薄膜線材が注目されている。   Since the discovery of high-temperature superconductors that have superconductivity at the temperature of liquid nitrogen, development of high-temperature superconducting wires aimed at application to power devices such as cables, current limiters, and magnets has been actively conducted. Among these, a superconducting thin film wire in which an oxide superconducting layer is formed on a substrate has attracted attention.

このような酸化物超電導線材の製造方法の1つに、塗布熱分解法(Metal Organic Deposition、略称:MOD法)と言われる方法がある(特許文献1)。MOD法は、RE(希土類元素)、Ba(バリウム)およびCu(銅)の各有機金属化合物を溶媒に溶解して製造された原料溶液(MOD溶液)を配向金属基板に塗布して塗膜を形成した後、例えば、500℃付近で仮焼熱処理して、有機金属化合物を熱分解させて酸化物超電導体の前駆体である仮焼膜を作製し、作製した仮焼膜をさらに高温(例えば750〜800℃付近)で本焼熱処理することにより結晶化を行って、REBaCu7−Xで表されるREBCO系の酸化物超電導層を形成させて酸化物超電導線材を製造する方法であり、主に真空中で製造される気相法(蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法等)に比較して製造設備のコストを下げやすく、また大面積や複雑な形状への対応が容易である等の特徴を有しているため、広く用いられている。 One method for producing such an oxide superconducting wire is a so-called coating pyrolysis method (Metal Organic Deposition, abbreviated as MOD method) (Patent Document 1). In the MOD method, a raw material solution (MOD solution) produced by dissolving each organic metal compound of RE (rare earth element), Ba (barium) and Cu (copper) in a solvent is applied to an oriented metal substrate to form a coating film. After the formation, for example, a calcining heat treatment is performed at around 500 ° C. to thermally decompose the organometallic compound to produce a calcined film that is a precursor of the oxide superconductor. A method of manufacturing an oxide superconducting wire by forming a REBCO-based oxide superconducting layer represented by REBa 2 Cu 3 O 7-X by performing crystallization by performing a main annealing heat treatment at around 750 to 800 ° C. Compared to vapor phase methods (evaporation method, sputtering method, pulsed laser deposition method, etc.) that are mainly manufactured in a vacuum, it is easy to reduce the cost of manufacturing equipment, and it can handle large areas and complex shapes. With features such as easy Order, are widely used.

そして、MOD溶液の塗布、仮焼熱処理、本焼熱処理を繰り返して、酸化物超電導薄膜層を積層することにより、酸化物超電導薄膜層を厚膜化して超電導特性(臨界電流密度Jcや臨界電流値Icなど)の向上を図ることが行われている。   Then, the oxide superconducting thin film layer is laminated by repeating the application of the MOD solution, the calcination heat treatment, and the main baking heat treatment, thereby increasing the thickness of the oxide superconducting thin film layer to the superconducting characteristics (critical current density Jc and critical current value). Ic and the like) are being improved.

特開2007−165153号公報JP 2007-165153 A

しかしながら、このようにMOD法により本焼膜を積層し厚膜化しても、Jcが低下してIcが充分に伸びないという問題があった。このため、本焼膜を積層してもJcが低下せず、MOD法を用いて超電導特性に優れた(高いJcやIcを有する)酸化物超電導線材を得ることができる技術が望まれていた。   However, there is a problem that even if the main film is laminated and thickened by the MOD method as described above, Jc is lowered and Ic is not sufficiently extended. For this reason, there is a demand for a technique capable of obtaining an oxide superconducting wire excellent in superconducting characteristics (having high Jc and Ic) by using the MOD method without Jc being lowered even when the fired film is laminated. .

本発明者は、上記課題の解決について鋭意検討を行い、酸化物超電導薄膜層の厚膜化によりJcが低下する原因が本焼膜を積層する際に行われる本焼熱処理の繰り返しにあり、配向金属基板上に形成された中間層の構成を変更することにより、本焼熱処理を繰り返して本焼膜を積層してもJcが低下せず、超電導特性に優れた酸化物超電導線材を得ることができることを見出した。   The present inventor has intensively studied to solve the above-mentioned problems, and the cause of the decrease in Jc due to the increase in the thickness of the oxide superconducting thin film layer lies in the repetition of the main annealing heat treatment performed when the main sintering film is laminated. By changing the structure of the intermediate layer formed on the metal substrate, Jc does not decrease even when the main-fired heat treatment is repeated to laminate the main-fired film, and an oxide superconducting wire excellent in superconducting characteristics can be obtained. I found out that I can do it.

即ち、従来のMOD法の場合、通常、図3に示すように、配向金属基板上に中間層が設けられている。図3は、配向金属基板11上に中間層31が設けられた従来の中間層付基板3を模式的に示す図である。この中間層31は、配向金属基板11上にc軸配向した酸化物超電導体の結晶を成長させて酸化物超電導層を形成させるために設けられるセラミック層であり、一般に、RFスパッタ法を用いて、配向金属基板11上に、c軸配向したセラミック層を形成させるためのシード層(種膜層)31aとしてのY層またはCeO層、配向金属基板11中に含まれる金属元素の拡散を防止するためのバリア層(拡散防止層)31bとしてのYSZ層、配向金属基板11を構成する金属と酸化物超電導体との格子定数をマッチングさせるためのキャップ層(格子マッチング層)31cとしてのCeO層の順に形成された3層構造の中間層3が用いられている。 That is, in the case of the conventional MOD method, the intermediate layer is usually provided on the oriented metal substrate as shown in FIG. FIG. 3 is a diagram schematically showing a conventional substrate 3 with an intermediate layer in which an intermediate layer 31 is provided on an oriented metal substrate 11. The intermediate layer 31 is a ceramic layer provided for growing a c-axis oriented oxide superconductor crystal on the oriented metal substrate 11 to form an oxide superconducting layer, and generally using an RF sputtering method. A Y 2 O 3 layer or a CeO 2 layer as a seed layer (seed film layer) 31 a for forming a c-axis oriented ceramic layer on the oriented metal substrate 11, a metal element contained in the oriented metal substrate 11 As a YSZ layer as a barrier layer (diffusion prevention layer) 31b for preventing diffusion, and as a cap layer (lattice matching layer) 31c for matching the lattice constant of the metal constituting the oriented metal substrate 11 and the oxide superconductor The intermediate layer 3 having a three-layer structure formed in the order of the two CeO layers is used.

しかし、シード層31aであるY層やCeO層は以下に示すような特性を有している。即ち、Y層は、配向金属基板に対して高い酸素拡散抑制機能を有するため、後の工程における配向金属基板の最表面の酸化が抑えられる一方、配向金属基板上における結晶配向性が充分ではない。逆に、CeO層は配向金属基板上における酸化物超電導体の結晶配向性は良好である一方、酸素透過性が高いため、後工程において配向金属基板最表面が酸化してしまう。 However, the Y 2 O 3 layer and the CeO 2 layer that are the seed layer 31a have the following characteristics. That is, since the Y 2 O 3 layer has a high oxygen diffusion suppressing function with respect to the oriented metal substrate, oxidation of the outermost surface of the oriented metal substrate in the subsequent process can be suppressed, while the crystal orientation on the oriented metal substrate is reduced. Not enough. On the contrary, the CeO 2 layer has good crystal orientation of the oxide superconductor on the oriented metal substrate, but has high oxygen permeability, so that the outermost surface of the oriented metal substrate is oxidized in the subsequent step.

このように、Y層やCeO層は利点と共に欠点を有するシード層であるが、本焼膜の積層を行わない従来のMOD法の場合には、これらの欠点が問題となることは殆どなかった。しかし、本焼熱処理の繰り返しにより本焼膜の積層を行おうとした場合には、本焼熱処理の繰り返しにより、酸素雰囲気下、800℃前後という高温に長時間曝されることとなり、これらの欠点による悪影響が大きく現れるようになった。 As described above, the Y 2 O 3 layer and the CeO 2 layer are seed layers having advantages and disadvantages. However, in the case of the conventional MOD method that does not perform the lamination of the fired film, these disadvantages become a problem. There was almost no. However, if the main-fired film is to be laminated by repeating the main heat treatment, the main heat-treatment is repeated and exposed to a high temperature of about 800 ° C. for a long time in an oxygen atmosphere. Adverse effects began to appear.

即ち、シード層31aがY層の場合には、結晶配向性が低いので、エピタキシャル成長した酸化物超電導層の結晶配向性も低くなり、高いJcが得られない。 That is, when the seed layer 31a is a Y 2 O 3 layer, since the crystal orientation is low, the crystal orientation of the epitaxially grown oxide superconducting layer is also low, and high Jc cannot be obtained.

一方、シード層31aがCeO層の場合には、配向金属基板上に酸素が多く拡散して配向金属基板表面が酸化されるため、粒界の隆起や粗度の増加を招いて超電導特性の低下を招いてしまう。 On the other hand, when the seed layer 31a is a CeO 2 layer, a large amount of oxygen is diffused on the oriented metal substrate and the surface of the oriented metal substrate is oxidized, leading to a rise in grain boundaries and an increase in roughness, resulting in superconducting characteristics. It will cause a decline.

そこで、本発明者は、シード層を従来の1層ではなく、Y層とCeO層におけるそれぞれの欠点を他方の利点により補完すべく、シード層を2層で構成させることを考え、種々の実験を行った。その結果、Y層とCeO層を単に積層するだけでは、優れた超電導特性を得ることができないが、Y層とCeO層との積層に際して、積層の順序を特定することにより、優れた超電導特性を有した酸化物超電導線材を得ることができることが分かった。 Therefore, the present inventor considered that the seed layer is composed of two layers in order to supplement each defect in the Y 2 O 3 layer and the CeO 2 layer with the other advantage instead of the conventional one layer. Various experiments were conducted. As a result, the simply stacking the Y 2 O 3 layer and CeO 2 layer, but it is impossible to obtain excellent superconductivity, upon lamination of the Y 2 O 3 layer and CeO 2 layer, identifies an order of lamination Thus, it was found that an oxide superconducting wire having excellent superconducting characteristics can be obtained.

即ち、配向金属基板上にCeO層を設けその上にY層を設けた場合には、第1層目のCeO層により、配向金属基板の結晶配向が充分にCeO層に引き継がれ、第2層目のY層により、配向金属基板への酸素拡散を充分に抑制することができる。そして、Y層とCeO層とは互いにセラミック層であるため、CeO層の結晶配向性は低下することなく、Y層に引き継がれる。この結果、シード層に低酸素透過性と良好な結晶配向性、2つの特性を充分に発揮させることができ、本焼熱処理を繰り返して本焼膜を積層、厚膜化してもJcが低下しないことが分かった。 That is, when a CeO 2 layer is provided on an oriented metal substrate and a Y 2 O 3 layer is provided on the CeO 2 layer, the first CeO 2 layer allows the crystal orientation of the oriented metal substrate to be sufficiently changed to a CeO 2 layer. As a result, the second Y 2 O 3 layer can sufficiently suppress oxygen diffusion into the oriented metal substrate. Since the Y 2 O 3 layer and the CeO 2 layer are ceramic layers, the crystal orientation of the CeO 2 layer is not lowered and is inherited by the Y 2 O 3 layer. As a result, the seed layer can fully exhibit the low oxygen permeability, good crystal orientation, and two characteristics, and Jc does not decrease even if the main-fired heat treatment is repeated to stack and increase the thickness of the main-fired film. I understood that.

これに対して、配向金属基板上にY層を設けその上にCeO層を設けた場合には、第1層目のY層は配向金属基板の結晶配向を充分に引き継ぐことができないため、Jcの低下を抑制することができないことが分かった。 On the other hand, when the Y 2 O 3 layer is provided on the oriented metal substrate and the CeO 2 layer is provided thereon, the first Y 2 O 3 layer has sufficient crystal orientation of the oriented metal substrate. It was found that the decrease in Jc cannot be suppressed because it cannot be taken over.

本発明は上記の知見に基づくものであり、請求項1に記載の発明は、
塗布熱分解法により超電導薄膜線材を作製する際に使用される中間層付基板であって、
配向金属基板上に中間層が設けられており、
前記中間層が、表面側から配向金属基板側に向けて、順に、CeO層、YSZ層、Y層、CeO層の4層構造で構成されている
ことを特徴とする超電導薄膜線材用の中間層付基板である。
The present invention is based on the above findings, and the invention according to claim 1
A substrate with an intermediate layer used when producing a superconducting thin film wire by a coating pyrolysis method,
An intermediate layer is provided on the oriented metal substrate,
A superconducting thin film characterized in that the intermediate layer has a four-layer structure of a CeO 2 layer, a YSZ layer, a Y 2 O 3 layer, and a CeO 2 layer in order from the surface side to the oriented metal substrate side. It is a board | substrate with an intermediate | middle layer for wires.

なお、上記した4層構造の中間層は、前記したように、シード層に低酸素透過性と良好な結晶配向性、2つの特性を充分に発揮させることができるため、本焼膜を積層しない、単層の本焼膜の形成に際しても、その効果が充分に発揮される。   As described above, the intermediate layer having the four-layer structure described above does not stack the fired film because the seed layer can sufficiently exhibit the low oxygen permeability, good crystal orientation, and two characteristics. Also, the effect is sufficiently exerted in the formation of the single-layered fired film.

請求項2に記載の発明は、
前記配向金属基板が、クラッド基板であることを特徴とする請求項1に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板である。
The invention described in claim 2
2. The substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to claim 1, wherein the oriented metal substrate is a clad substrate.

前記配向金属基板の内でも、クラッド基板は、表面が結晶配向しており、長尺にした場合に充分な機械的強度を有すると共にフレキシブルであるため好ましい。そして、クラッド基板としては、表面の配向性、機械的強度が優れるNi−Cu−SUSクラッド基板が好ましい。   Among the above-mentioned oriented metal substrates, the clad substrate is preferable because the surface thereof is crystal-oriented and has sufficient mechanical strength and is flexible when made long. And as a clad substrate, the Ni-Cu-SUS clad substrate which is excellent in surface orientation and mechanical strength is preferable.

請求項3に記載の発明は、
前記配向金属基板側のCeO層の厚みが、5〜80nmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板である。
The invention according to claim 3
3. The substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to claim 1, wherein the CeO 2 layer on the side of the oriented metal substrate has a thickness of 5 to 80 nm.

配向金属基板側に設けられるCeO層は、配向金属基板の結晶配向を充分にCeO層に引き継ぐことができるが、厚すぎると、マイクロクラックが発生するため、配向金属基板表面が酸素拡散により酸化される恐れがある。好ましい厚みは5〜80nmであり、5〜50nmであるとより好ましい。 The CeO 2 layer provided on the oriented metal substrate side can sufficiently inherit the crystal orientation of the oriented metal substrate to the CeO 2 layer, but if it is too thick, microcracks are generated, so the surface of the oriented metal substrate is caused by oxygen diffusion. There is a risk of oxidation. The preferred thickness is 5 to 80 nm, and more preferably 5 to 50 nm.

請求項4に記載の発明は、
前記Y層の厚みが、10〜400nmであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板である。
The invention according to claim 4
4. The substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to claim 1, wherein the Y 2 O 3 layer has a thickness of 10 to 400 nm. 5.

層は、配向金属基板表面への酸素拡散を充分に抑制することができる厚みが必要であり、10nm以上が好ましく、50nm以上であるとより好ましい。一方、厚みが400nmを超えると、酸素拡散抑制機能が飽和するため、400nm以下であることが好ましい。 The Y 2 O 3 layer needs to have a thickness that can sufficiently suppress oxygen diffusion to the surface of the oriented metal substrate, preferably 10 nm or more, and more preferably 50 nm or more. On the other hand, when the thickness exceeds 400 nm, the oxygen diffusion suppressing function is saturated, and therefore, the thickness is preferably 400 nm or less.

請求項5に記載の発明は、
前記中間層を構成する各層において、以下に定義されるΔχが各層の下地層のΔχの110%以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板である。
但し、Δχとは、長尺方向に沿いかつ長尺方向と所定の角度θを成すθ方向からX線を測定対象に入射させ、回折したX線が2次元ディテクターで検出されたときのχ方向のピーク半価幅を角度で表した指標をいう。ここで、χ方向はθ方向に対して垂直方向を指す。
The invention described in claim 5
5. The superconducting thin film according to claim 1, wherein Δχ defined below is 110% or less of Δχ of each underlayer in each layer constituting the intermediate layer. 6. It is a board | substrate with an intermediate | middle layer for wires.
However, Δχ is the χ direction when X-rays are incident on the measurement object from the θ direction along the long direction and at a predetermined angle θ with the long direction, and the diffracted X-ray is detected by the two-dimensional detector. This is an index that expresses the half width of the peak in angle. Here, the χ direction indicates a direction perpendicular to the θ direction.

中間層等の配向性については、従来より測定対象にX線を入射させ、回折したX線を測定(X線回折法)した値を測定対象の配向性を示す指標としていた。具体的には、測定対象から試料を切り取り、切り取った試料を試料台に載置して入射X線、試料、検出器の位置を動かしながら測定するΔω(面外配向性の指標)や、Δφ(面内配向性の指標)が用いられていた。   Regarding the orientation of the intermediate layer or the like, conventionally, a value obtained by making X-rays incident on a measurement target and measuring the diffracted X-rays (X-ray diffraction method) has been used as an index indicating the orientation of the measurement target. Specifically, a sample is cut from a measurement target, the cut sample is placed on a sample stage, and measured while moving the position of incident X-rays, the sample, and the detector, Δω (out-of-plane orientation index), Δφ (In-plane orientation index) was used.

しかし、これらの指標の測定に際しては、測定用の試料をサンプリングする(切り取る)必要があり、またサンプリングした箇所の配向性しか分からないため、長尺の中間層付基板における配向性の指標としては必ずしも適切とは言えなかった。   However, when measuring these indicators, it is necessary to sample (cut out) the sample for measurement, and since only the orientation of the sampled portion is known, as an indicator of orientation in a long substrate with an intermediate layer, It was not always appropriate.

そこで、このような試料のサンプリングを必要とせず、連続的に配向性を測定する方法について検討した。   Therefore, a method for continuously measuring the orientation was examined without requiring such sample sampling.

その結果、前記したX線回折法による測定において、長尺方向に沿いかつ長尺方向と所定の角度θを成すθ方向からX線を測定対象に入射させ、回折したX線が2次元ディテクターで検出されたときのχ方向のピーク半価幅を測定することにより配向性を連続的に適切に測定できることが分かり、このピーク半価幅を角度で表した値をΔχと定義した。ここで、χ方向はθ方向に対して垂直方向を指す。   As a result, in the measurement by the X-ray diffraction method described above, X-rays are incident on the measuring object along the longitudinal direction and from the θ direction that forms a predetermined angle θ with the longitudinal direction, and the diffracted X-rays are detected by a two-dimensional detector. It was found that the orientation could be measured continuously and appropriately by measuring the peak half width in the χ direction when detected, and the value representing the peak half width in angle was defined as Δχ. Here, the χ direction indicates a direction perpendicular to the θ direction.

この指標Δχは、前記したΔωやΔφと同様に値が小さいほど配向性が良いことを示しており、ΔωやΔφの測定のように、試料やディテクターを回転させる必要がないため、配向性を容易に的確に把握することができる。また、中間層付基板の長尺方向に搬送しながら測定することによって、100μm以上の大きな結晶粒径を有する配向金属基板でも充分な数の結晶粒を評価することができ、繰り返し測定することにより長尺方向の配向性のばらつきを知ることができる。   This index Δχ indicates that the smaller the value as in the above-described Δω and Δφ, the better the orientation, and unlike the measurement of Δω and Δφ, it is not necessary to rotate the sample or detector, so the orientation is improved. It can be easily and accurately grasped. In addition, by measuring while transporting in the longitudinal direction of the substrate with an intermediate layer, a sufficient number of crystal grains can be evaluated even on an oriented metal substrate having a large crystal grain size of 100 μm or more. Variations in orientation in the long direction can be known.

そして、このようなΔχを指標として用い、中間層の各層の指標Δχがそれぞれの下地層のΔχの一定の範囲以下の範囲、具体的にはそれぞれの下地層の110%以下の範囲となるように管理することにより、超電導特性に優れた酸化物超電導線材用の中間層付基板を提供することができる。   Then, using such Δχ as an index, the index Δχ of each layer of the intermediate layer is within a certain range of Δχ of each underlayer, specifically, a range of 110% or less of each underlayer. By managing in this way, it is possible to provide a substrate with an intermediate layer for an oxide superconducting wire excellent in superconducting properties.

なお、中間層を構成する層の最下層に対する下地層は、配向金属基板を指す。   In addition, the base layer with respect to the lowest layer of the layer which comprises an intermediate | middle layer points out an oriented metal substrate.

請求項6に記載の発明は、
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板を用いて、塗布熱分解法により、前記中間層付基板上に酸化物超電導層が形成されていることを特徴とする超電導薄膜線材である。
The invention described in claim 6
An oxide superconducting layer is formed on the substrate with an intermediate layer by a coating pyrolysis method using the substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to any one of claims 1 to 5. This is a superconducting thin film wire.

CeO/YSZ/Y/CeOの4層構造の中間層とすることにより、前記の通り、良好な結晶配向性の酸化物超電導層を積層することができるため、厚膜の酸化物超電導層であってもJcが低下せず、高いIcの超電導薄膜線材を提供することができる。 By using CeO 2 / YSZ / Y 2 O 3 / CeO 2 as an intermediate layer having a four-layer structure, an oxide superconducting layer having a good crystal orientation can be stacked as described above. Even if it is a physical superconducting layer, Jc does not fall, and a high Ic superconducting thin film wire can be provided.

請求項7に記載の発明は、
前記塗布熱分解法が、フッ素フリーMOD法であることを特徴とする請求項6に記載の超電導薄膜線材である。
The invention described in claim 7
The superconducting thin film wire according to claim 6, wherein the coating pyrolysis method is a fluorine-free MOD method.

MOD法としては、原料溶液にフッ素を含む有機金属化合物を用いるTFA−MOD法とフッ素を含まない有機金属化合物を用いるフッ素フリーMOD法(FF−MOD法)とがあるが、FF−MOD法は、TFA−MOD法と異なり、フッ化水素ガスなどの危険なガスを発生することがなく、環境にやさしく、また処理設備が不要であるため好ましい。   As the MOD method, there are a TFA-MOD method using an organometallic compound containing fluorine in a raw material solution and a fluorine-free MOD method (FF-MOD method) using an organometallic compound not containing fluorine. Unlike the TFA-MOD method, it is preferable because it does not generate dangerous gas such as hydrogen fluoride gas, is environmentally friendly, and does not require processing equipment.

本発明によれば、本焼膜を積層してもJcが低下せず、MOD法を用いて超電導特性に優れた酸化物超電導線材を得ることができる技術を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a technique capable of obtaining an oxide superconducting wire excellent in superconducting characteristics by using the MOD method without causing a decrease in Jc even when a main-fired film is laminated.

本発明の一実施の形態における超電導薄膜線材用の中間層付基板の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the board | substrate with an intermediate | middle layer for the superconducting thin film wire in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における超電導薄膜線材の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the superconducting thin film wire in one embodiment of this invention. 従来の超電導薄膜線材用の中間層付基板の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the board | substrate with an intermediate | middle layer for the conventional superconducting thin film wire.

以下、実施の形態に基づき、本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on embodiments.

1.超電導薄膜線材用の中間層付基板
はじめに、本実施の形態における超電導薄膜線材用の中間層付基板について説明する。図1は、本実施の形態における超電導薄膜線材用の中間層付基板の構成を模式的に示す断面図であり、11は配向金属基板、21は中間層である。そして、中間層21は、CeO層21a、Y層21b、YSZ層21c、およびCeO層21dの4層構造となっている。
1. First, a substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire in the present embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to the present embodiment, in which 11 is an oriented metal substrate and 21 is an intermediate layer. The intermediate layer 21 has a four-layer structure including a CeO 2 layer 21a, a Y 2 O 3 layer 21b, a YSZ layer 21c, and a CeO 2 layer 21d.

(1)配向金属基板
配向金属基板11としては、長尺でフレキシブルな結晶配向金属基板が好ましい。具体的には、Ni−Fe合金、ステンレス、その他Niを含む合金、Cuや銅合金、これらを複合させたクラッド基板などが用いられるが、前記したように、これらの内でもクラッド基板が好ましく、特に、Cuを下地としてその上にNiの層を設けた例えばNi−Cu−SUSクラッド基板が好ましい。
(1) Oriented Metal Substrate As the oriented metal substrate 11, a long and flexible crystal oriented metal substrate is preferable. Specifically, Ni—Fe alloy, stainless steel, other alloys containing Ni, Cu and copper alloys, a clad substrate in which these are combined, etc., as described above, a clad substrate is preferable among these, In particular, for example, a Ni—Cu—SUS clad substrate in which a Ni layer is provided on a Cu base is preferable.

(2)中間層
中間層21は、金属基板21側から順に、CeO層21a、Y層21b、YSZ層21c、CeO層21dが、RFスパッタ法等を用いて形成される。各層の厚みとしては、順に、それぞれ5〜50nm、50〜400nm、100〜400nm、50〜100nmであることが好ましい。
(2) Intermediate layer The intermediate layer 21 is formed with the CeO 2 layer 21a, the Y 2 O 3 layer 21b, the YSZ layer 21c, and the CeO 2 layer 21d in this order from the metal substrate 21 side using an RF sputtering method or the like. The thickness of each layer is preferably 5 to 50 nm, 50 to 400 nm, 100 to 400 nm, and 50 to 100 nm, respectively.

また、前記したそれぞれの層のX線回折ピークの半価幅(Δχ)が、それぞれの層の下地層の半価幅(Δχ)の110%以下となるようにすることが好ましい。   In addition, it is preferable that the half width (Δχ) of the X-ray diffraction peak of each of the layers is 110% or less of the half width (Δχ) of the underlying layer of each layer.

2.超電導薄膜線材
次に、本実施の形態における超電導薄膜線材について説明する。図2は、本実施の形態における超電導薄膜線材の構成を模式的に示す断面図であり、22は中間層21の上に形成された酸化物超電導層である。
2. Superconducting thin film wire Next, the superconducting thin film wire in the present embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the superconducting thin film wire in the present embodiment, and 22 is an oxide superconducting layer formed on the intermediate layer 21.

(1)酸化物超電導層
酸化物超電導層22としては、前記したREBCO(REBaCu7−X:REは希土類元素)系酸化物超電導層が好ましい。なお、REとしては、イットリイウム(Y)、ガドリウム(Gd)、ホルミウム(Ho)などが好ましく用いられる。
(1) Oxide Superconducting Layer The oxide superconducting layer 22 is preferably the REBCO (REBa 2 Cu 3 O 7-X : RE is a rare earth element) -based oxide superconducting layer. As RE, yttrium (Y), gadolinium (Gd), holmium (Ho), or the like is preferably used.

酸化物超電導層22の膜厚は必要に応じて適宜設定されるが、前記したように、FF−MOD法により形成されることが好ましい。   Although the film thickness of the oxide superconducting layer 22 is appropriately set as necessary, it is preferably formed by the FF-MOD method as described above.

なお、酸化物超電導層22として厚膜が必要な場合には、原料溶液(MOD溶液)を塗布・乾燥して塗膜を形成する塗膜形成工程と金属有機化合物を熱分解させる仮焼熱処理工程とを繰り返し行って中間層21上に複数の仮焼膜を積層した後、本焼熱処理を行ってもよく、このように、複数の酸化物超電導層(本焼膜)を積層した場合、本発明による効果がより顕著に発揮される。   In addition, when a thick film is required as the oxide superconducting layer 22, a coating film forming process for forming a coating film by applying and drying a raw material solution (MOD solution) and a calcination heat treatment process for thermally decomposing a metal organic compound And repeating the above and laminating a plurality of calcined films on the intermediate layer 21, followed by a main heat treatment. Thus, when a plurality of oxide superconducting layers (mainly calcined films) are laminated, The effect of the invention is more remarkably exhibited.

(2)保護層、安定化層
次に、形成された酸化物超電導層22上に、Ag保護層を形成後、外周にCu安定化層が形成されて、超電導薄膜線材が作製される。
(2) Protective layer and stabilizing layer Next, after forming an Ag protective layer on the formed oxide superconducting layer 22, a Cu stabilizing layer is formed on the outer periphery to produce a superconducting thin film wire.

次に、実施例に基づき、本発明をより具体的に説明する。なお、本実施例においては、2層の酸化物超電導層(本焼膜)を積層した。   Next, based on an Example, this invention is demonstrated more concretely. In this example, two oxide superconducting layers (fired films) were stacked.

1.中間層付基板の作製
(1)配向金属基板の準備
配向金属基板として、Ni層、Cu層、SUS層の厚みがそれぞれ3μm、20μm、100μmのNi/Cu/SUSクラッド基板(幅30mm×長さ200mm)を準備した。
1. Preparation of substrate with intermediate layer (1) Preparation of oriented metal substrate As oriented metal substrates, Ni / Cu / SUS clad substrates having a thickness of 3 μm, 20 μm and 100 μm, respectively (width 30 mm × length) 200 mm).

(2)中間層の形成
(実施例)
次に、クラッド基板のNi層上に、RFスパッタリング法を用いて、CeO/YSZ/Y/CeOの4層構造であり、表面側のCeOとYSZ各層の厚みがそれぞれ100nm、200nmで一定であり、Yと配向金属基板側のCeO各層の厚みがそれぞれ表1に示す厚みの中間層を形成し、実施例1〜13の中間層付基板を作製した。
(2) Formation of intermediate layer
(Example)
Next, a four-layer structure of CeO 2 / YSZ / Y 2 O 3 / CeO 2 is formed on the Ni layer of the clad substrate using an RF sputtering method, and the thickness of each layer of CeO 2 and YSZ on the surface side is 100 nm. The intermediate layers having the thicknesses shown in Table 1 were formed, with the thickness of each layer being constant at 200 nm and Y 2 O 3 and the thickness of each layer of CeO 2 on the oriented metal substrate side.

(比較例1)
CeO/YSZ/Yの3層構造とし、Y層の厚みを表1に示す厚みにしたこと以外は実施例と同様にして中間層付基板を作製した。
(Comparative Example 1)
A substrate with an intermediate layer was produced in the same manner as in the example except that a three-layer structure of CeO 2 / YSZ / Y 2 O 3 was used and the thickness of the Y 2 O 3 layer was changed to the thickness shown in Table 1.

(比較例2)
CeO/YSZ/CeOの3層構造とし、配向金属基板側のCeO層の厚みを表1に示す厚みにしたこと以外は実施例と同様にして中間層付基板を作製した。
(Comparative Example 2)
A substrate with an intermediate layer was produced in the same manner as in the example except that a three-layer structure of CeO 2 / YSZ / CeO 2 was used and the thickness of the CeO 2 layer on the oriented metal substrate side was changed to the thickness shown in Table 1.

(比較例3)
CeO(厚み50nm)とY層(厚み100nm)の順序を逆にし、CeO/YSZ/CeO/Yの4層構造としたこと以外は実施例と同様にして中間層付基板を作製した。
(Comparative Example 3)
The order of CeO 2 (thickness 50 nm) and Y 2 O 3 layer (thickness 100 nm) was reversed to obtain a four-layer structure of CeO 2 / YSZ / CeO 2 / Y 2 O 3. A layered substrate was produced.

2.酸化物超電導層の形成
各中間層付基板の中間層上に、FF−MOD法を用いて、以下の手順を繰り返すことによって、2層の本焼膜が積層された厚み0.5μmのYBCO酸化物電導層を形成した。
2. Formation of oxide superconducting layer On the intermediate layer of each intermediate layer-attached substrate, by repeating the following procedure using the FF-MOD method, YBCO oxidation with a thickness of 0.5 μm, in which two layers of the fired film were laminated, A physical conductive layer was formed.

(1)塗膜の形成および仮焼
Y、Ba、Cuの各アセチルアセトナート錯体を、Y:Ba:Cuのモル比が1:2:3で全金属イオン濃度が1mol/Lとなるように調整して溶媒に溶解させてMOD溶液を作製し、中間層付基板上に塗布・乾燥後、露点制御したAr雰囲気下、10℃/minの昇温速度で500℃まで昇温後、同温度で60分間保持して仮焼した。この操作を2回繰り返し行い、厚み2.5μmの仮焼膜を形成した。
(1) Formation and calcination of coating film Each acetylacetonate complex of Y, Ba and Cu is adjusted so that the molar ratio of Y: Ba: Cu is 1: 2: 3 and the total metal ion concentration is 1 mol / L. The MOD solution is prepared by adjusting and dissolving in a solvent. After coating and drying on the substrate with the intermediate layer, the temperature is raised to 500 ° C. at a rate of 10 ° C./min. Held for 60 minutes and calcined. This operation was repeated twice to form a calcined film having a thickness of 2.5 μm.

(2)本焼
次に、酸素濃度100ppmのアルゴン/酸素混合ガス雰囲気下、50℃/minの昇温速度で800℃まで昇温後、同温度で10分間保持して本焼した。本焼後、酸素濃度100%の雰囲気下で炉冷し、厚み0.5μmの本焼膜を形成した。
(2) Main firing Next, the temperature was increased to 800 ° C. at a temperature increase rate of 50 ° C./min in an argon / oxygen mixed gas atmosphere having an oxygen concentration of 100 ppm, and then the main firing was carried out at the same temperature for 10 minutes. After the firing, the furnace was cooled in an atmosphere having an oxygen concentration of 100% to form a fired film having a thickness of 0.5 μm.

3.評価
(1)酸化物超電導線材の評価
(イ)酸素拡散の評価
酸化物超電導層を形成後、X線回折法を用いてNiOのピーク強度を測定し、酸素拡散の状況を評価した。
3. Evaluation (1) Evaluation of oxide superconducting wire (a) Evaluation of oxygen diffusion After forming the oxide superconducting layer, the peak intensity of NiO was measured using an X-ray diffraction method to evaluate the state of oxygen diffusion.

(ロ)結晶配向性の評価
酸化物超電導層の結晶配向性について、前記したX線回折法を用いて10cm区間を連続測定して得られたΔχにより評価した。なお、X線源にはCuを用い、θ−2θ法で測定した。ディテクターには球面状のディテクターを用いた。
(B) Evaluation of crystal orientation The crystal orientation of the oxide superconducting layer was evaluated by Δχ obtained by continuously measuring a 10 cm section using the X-ray diffraction method described above. Note that Cu was used as the X-ray source, and measurement was performed by the θ-2θ method. A spherical detector was used as the detector.

(ハ)超電導特性の評価
温度77Kにおいて四端子法を用いてJcを測定し、超電導特性を評価した。
(C) Evaluation of superconducting characteristics Jc was measured at a temperature of 77K using a four-terminal method to evaluate the superconducting characteristics.

(ニ)評価結果
実施例1〜13、比較例1〜3、の中間層付評価結果をまとめて表1に示す。
(D) Evaluation results Table 1 summarizes the evaluation results with intermediate layers of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 2013201114
Figure 2013201114

表1より、表面側からCeO/YSZ/Y/CeOの4層構造の中間層が設けられた実施例1〜実施例13、および表面側からCeO/YSZ/Yの3層構造の中間層が設けられた比較例1の場合には、表面側からCeO/YSZ/CeOの3層構造の中間層が設けられた比較例2の場合に比べて、酸素拡散が少なくなっていることが分かる。 From Table 1, Examples 1 to 13 in which an intermediate layer having a four-layer structure of CeO 2 / YSZ / Y 2 O 3 / CeO 2 was provided from the surface side, and CeO 2 / YSZ / Y 2 O from the surface side. In the case of Comparative Example 1 in which an intermediate layer having a three-layer structure of 3 was provided, compared to the case of Comparative Example 2 in which an intermediate layer having a three-layer structure of CeO 2 / YSZ / CeO 2 was provided from the surface side, It can be seen that oxygen diffusion is reduced.

また、実施例1〜実施例13の場合には、比較例1、3の場合と比べてΔχが小さく酸化物超電導層の結晶配向性が高くなっていることが分かる。   Further, in the case of Examples 1 to 13, it can be seen that Δχ is small and the crystal orientation of the oxide superconducting layer is high as compared with Comparative Examples 1 and 3.

そして、実施例1〜実施例13の場合には、比較例1〜3のいずれの場合と比べても、Jcが高くなっており、酸素拡散が少なく、結晶配向性が高くなることにより、Jcが向上することが分かる。   In the case of Example 1 to Example 13, as compared with any of Comparative Examples 1 to 3, Jc is high, oxygen diffusion is small, and crystal orientation is high. Can be seen to improve.

さらに、表1より、実施例の中でも、Y層およびCeO層の厚みをそれぞれ100〜200nm、5〜50nmにした場合(実施例3、4、7、8)はJcが特に高くなっており、特に優れた超電導特性を有していることが分かる。 Furthermore, from Table 1, among the examples, when the thicknesses of the Y 2 O 3 layer and the CeO 2 layer were 100 to 200 nm and 5 to 50 nm, respectively (Examples 3, 4, 7, and 8), Jc was particularly high. It can be seen that it has particularly excellent superconducting properties.

また、Y層およびCeO層の厚みが同じ実施例8と比較例3とを比べた場合、配向金属基板側にCeO層が設けられた実施例8では結晶配向性が高くなっているのに対して、配向金属基板側にY層が設けられた比較例3では結晶配向性が低くなっており、Jcも低下している。この結果より、4層構造の中間層において、Y層とCeO層の形成順序が重要であることが分かる。 Further, when Example 8 and Comparative Example 3 having the same thickness of the Y 2 O 3 layer and the CeO 2 layer are compared, the crystal orientation becomes higher in Example 8 in which the CeO 2 layer is provided on the oriented metal substrate side. On the other hand, in Comparative Example 3 in which the Y 2 O 3 layer is provided on the oriented metal substrate side, the crystal orientation is low and Jc is also low. From this result, it is understood that the order of forming the Y 2 O 3 layer and the CeO 2 layer is important in the intermediate layer having the four-layer structure.

この結果より、表面側からCeO/YSZ/Y/CeOの4層構造の中間層を設けることにより、酸素拡散が少なく、結晶配向性が高くなることが分かる。 From this result, it can be seen that by providing an intermediate layer having a four-layer structure of CeO 2 / YSZ / Y 2 O 3 / CeO 2 from the surface side, oxygen diffusion is small and crystal orientation is enhanced.

(2)中間層付基板の評価
(イ)評価方法
スパッタリングの条件を変化させて、各層の結晶度を変化させたこと以外は実施例4と同様にして実施例14〜16の中間層付基板を作製した。そして配向金属基板および中間層各層のΔχを測定し、下地層のΔχに対する比率を求めた。
(2) Evaluation of substrate with intermediate layer (a) Evaluation method Substrate with intermediate layer of Examples 14 to 16 in the same manner as in Example 4 except that the sputtering conditions were changed and the crystallinity of each layer was changed. Was made. Then, Δχ of each of the oriented metal substrate and each intermediate layer was measured, and the ratio of the underlayer to Δχ was obtained.

また、実施例7の中間層付基板に対して、同様に実施例17〜19の中間層付基板を作製し、同様の測定を行った。   Moreover, the board | substrate with an intermediate | middle layer of Examples 17-19 was similarly produced with respect to the board | substrate with an intermediate | middle layer of Example 7, and the same measurement was performed.

(ロ)評価結果
実施例4、14〜16の測定結果を表2に、実施例7、17〜19の測定結果を表3に示す。
(B) Evaluation results Table 2 shows the measurement results of Examples 4 and 14 to 16, and Table 3 shows the measurement results of Examples 7 and 17 to 19.

Figure 2013201114
Figure 2013201114

Figure 2013201114
Figure 2013201114

表2より実施例4、実施例14〜実施例16のいずれも高いJcを示しているが、下地層に対するΔχの比率が全て110%以下である実施例4、14の方が、下地層に対するΔχの比率の一部が110%を超えている実施例15、16よりJcが高いことが分かる。   From Table 2, Example 4 and Examples 14 to 16 all show high Jc, but Examples 4 and 14 in which the ratio of Δχ to the underlayer is 110% or less are all relative to the underlayer. It can be seen that Jc is higher than Examples 15 and 16 in which a part of the ratio Δχ exceeds 110%.

また、同様に、表3より実施例7、実施例17〜実施例19のいずれも高いJcを示しているが、下地層に対するΔχの比率が全て110%以下である実施例7、17は、下地層に対するΔχの比率の一部が110%を超えている実施例18、19よりJcが高いことが確認できる。   Similarly, Example 7 and Examples 17 to 19 all show high Jc from Table 3, but Examples 7 and 17 in which the ratios of Δχ to the underlayer are all 110% or less are as follows. It can be confirmed that Jc is higher than those of Examples 18 and 19 in which a part of the ratio of Δχ to the underlayer exceeds 110%.

このように、下地層に対するΔχの比率が110%以下になるように管理することにより、超電導特性に優れた酸化物超電導線材を提供できることが確認できた。   As described above, it was confirmed that an oxide superconducting wire excellent in superconducting characteristics can be provided by controlling the ratio of Δχ to the base layer to be 110% or less.

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。   While the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications can be made to the above-described embodiments within the same and equivalent scope as the present invention.

1、3 中間層付基板
2 超電導薄膜線材
11 配向金属基板
21、31 中間層
21a CeO
21b Y
21c YSZ層
21d CeO
22 酸化物超電導層
31a シード層(種膜層)
31b バリア層(拡散防止層)
31c キャップ層(格子マッチング層)
1, 3 Substrate with intermediate layer 2 Superconducting thin film wire 11 Oriented metal substrate 21, 31 Intermediate layer 21a CeO 2 layer 21b Y 2 O 3 layer 21c YSZ layer 21d CeO 2 layer 22 Oxide superconducting layer 31a Seed layer (seed film layer)
31b Barrier layer (diffusion prevention layer)
31c Cap layer (lattice matching layer)

Claims (7)

塗布熱分解法により超電導薄膜線材を作製する際に使用される中間層付基板であって、
配向金属基板上に中間層が設けられており、
前記中間層が、表面側から配向金属基板側に向けて、順に、CeO層、YSZ層、Y層、CeO層の4層構造で構成されている
ことを特徴とする超電導薄膜線材用の中間層付基板。
A substrate with an intermediate layer used when producing a superconducting thin film wire by a coating pyrolysis method,
An intermediate layer is provided on the oriented metal substrate,
A superconducting thin film characterized in that the intermediate layer has a four-layer structure of a CeO 2 layer, a YSZ layer, a Y 2 O 3 layer, and a CeO 2 layer in order from the surface side to the oriented metal substrate side. Substrate with an intermediate layer for wire.
前記配向金属基板が、クラッド基板であることを特徴とする請求項1に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板。   2. The substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to claim 1, wherein the oriented metal substrate is a clad substrate. 前記配向金属基板側のCeO層の厚みが、5〜80nmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板。 3. The substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to claim 1, wherein the CeO 2 layer on the side of the oriented metal substrate has a thickness of 5 to 80 nm. 前記Y層の厚みが、10〜400nmであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板。 4. The substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to claim 1, wherein the Y 2 O 3 layer has a thickness of 10 to 400 nm. 5. 前記中間層を構成する各層において、以下に定義されるΔχが各層の下地層のΔχの110%以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板。
但し、Δχとは、長尺方向に沿いかつ長尺方向と所定の角度θを成すθ方向からX線を測定対象に入射させ、回折したX線が2次元ディテクターで検出されたときのχ方向のピーク半価幅を角度で表した指標をいう。ここで、χ方向はθ方向に対して垂直方向を指す。
5. The superconducting thin film according to claim 1, wherein Δχ defined below is 110% or less of Δχ of each underlayer in each layer constituting the intermediate layer. 6. Substrate with an intermediate layer for wire.
However, Δχ is the χ direction when X-rays are incident on the measurement object from the θ direction along the long direction and at a predetermined angle θ with the long direction, and the diffracted X-ray is detected by the two-dimensional detector. This is an index that expresses the half width of the peak in angle. Here, the χ direction indicates a direction perpendicular to the θ direction.
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の超電導薄膜線材用の中間層付基板を用いて、塗布熱分解法により、前記中間層付基板上に酸化物超電導層が形成されていることを特徴とする超電導薄膜線材。   An oxide superconducting layer is formed on the substrate with an intermediate layer by a coating pyrolysis method using the substrate with an intermediate layer for a superconducting thin film wire according to any one of claims 1 to 5. A superconducting thin film wire. 前記塗布熱分解法が、フッ素フリーMOD法であることを特徴とする請求項6に記載の超電導薄膜線材。   The superconducting thin film wire according to claim 6, wherein the coating pyrolysis method is a fluorine-free MOD method.
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