JP2014010978A - Thin film superconducting wire rod and production method of the same - Google Patents

Thin film superconducting wire rod and production method of the same Download PDF

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一也 大松
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film superconducting wire rod having a higher Ic than that of a conventional art, and a production method of the same.SOLUTION: A production method of a rare earth based thin film superconducting wire rod includes: a superconducting layer forming process that forms a rare earth based thin film superconducting layer on an oriented metal substrate by using a physical vapor deposition method; and an oxygen anneal process in which the rare earth based thin film superconducting layer is performed by oxygen anneal, and in the production method of the rare earth based thin film superconducting wire rod, a high temperature low oxygen anneal process in which a rare earth based thin film superconducting layer formed by the superconducting layer forming process is performed by anneal under a high temperature low oxygen atmosphere at a temperature of 600-1,000°C and of an Oconcentration of at most 1,000 ppm, is included between the superconducting layer forming process and the oxygen anneal process. The rare earth based thin film superconducting wire rod is produced by using the production method of the rare earth based thin film superconducting wire rod.

Description

本発明は、薄膜超電導線材、特に、レア・アース系薄膜超電導線材およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film superconducting wire, and more particularly to a rare earth thin film superconducting wire and a method for producing the same.

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、基板上にレア・アース系の酸化物超電導層の薄膜を形成させた薄膜超電導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. In particular, a thin film superconducting wire in which a thin film of a rare earth oxide superconducting layer is formed on a substrate has attracted attention.

このようなレア・アース系薄膜超電導線材は、一般に、Ni(ニッケル)合金などからなる2軸配向性の金属基板上に、中間層としてCeO(酸化セリウム)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Y(酸化イットリウム)などの酸化物層をスパッタ法などにより形成させ、さらにその上に、REBCO(REBaCu7−δ:REはレア・アース)で示される酸化物超電導体などからなるレア・アース系の酸化物超電導層を形成させることによって作製される。 Such a rare earth-based thin film superconducting wire generally includes a biaxially oriented metal substrate made of a Ni (nickel) alloy or the like, and CeO 2 (cerium oxide), YSZ (yttria stabilized zirconia), An oxide layer such as Y 2 O 3 (yttrium oxide) is formed by sputtering or the like, and further, an oxide superconductor represented by REBCO (REBa 2 Cu 3 O 7-δ : RE is a rare earth) It is produced by forming a rare earth-based oxide superconducting layer made of, for example.

そして、具体的な製造方法として、基材の表面にレア・アース系の酸化物超電導体を蒸着させて、レア・アース系の酸化物超電導層を連続的に形成するいわゆる物理蒸着法が一般的に用いられている(例えば、特許文献1)。   As a specific manufacturing method, a so-called physical vapor deposition method is generally used in which a rare earth oxide superconductor is vapor-deposited on the surface of a substrate to continuously form a rare earth oxide superconductor layer. (For example, Patent Document 1).

このような物理蒸着法としては、例えば、ターゲット上にレーザー光を収束させて照射することにより、ターゲット表面の超電導薄膜材料を剥離、分解して、プルームと言われるプラズマを発生させ、ターゲットに対向して配置されているテープ状の基材上に、発生させたプルーム中の超電導薄膜材料を蒸着、堆積させて超電導層を形成するPLD法(Pulse Laser Deposition)などがあり、テープ状の基材を搬送しながらその表面に超電導層を連続的に形成させることにより薄膜超電導線材が製造される。   As such a physical vapor deposition method, for example, by converging and irradiating a laser beam on a target, the superconducting thin film material on the target surface is peeled off and decomposed to generate a plasma called a plume, which faces the target. There is a PLD method (Pulse Laser Deposition), in which a superconducting thin film material in a generated plume is vapor-deposited and deposited on a tape-like base material arranged in the form of a tape-like base material. A thin film superconducting wire is manufactured by continuously forming a superconducting layer on the surface of the superconducting layer.

特開平07−037444号公報JP 07-037444 A

しかしながら、従来の物理蒸着法により作製された薄膜超電導線材は、上記した用途に好適な高いIcを充分有しているとは未だ言えず、さらなるIcの向上が求められている。   However, it cannot be said that the thin film superconducting wire produced by the conventional physical vapor deposition has sufficient high Ic suitable for the above-mentioned use, and further improvement of Ic is demanded.

そこで、本発明は、従来に比べより高いIcを有する薄膜超電導線材とその製造方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the thin film superconducting wire which has higher Ic compared with the past, and its manufacturing method.

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明により上記の課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求項毎に説明する。   As a result of intensive studies, the present inventor has found that the above-described problems can be solved by the invention shown below, and has completed the present invention. Hereinafter, each claim will be described.

請求項1に記載の発明は、
物理蒸着法を用いて、配向性金属基板上にレア・アース系薄膜超電導層を形成させる超電導層形成工程と、前記レア・アース系薄膜超電導層に対して酸素アニールを施す酸素アニール工程とが設けられているレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法であって、
前記超電導層形成工程と前記酸素アニール工程との間に、前記超電導層形成工程により形成された前記レア・アース系薄膜超電導層を、温度600〜1000℃、O濃度1000ppm以下の高温低酸素雰囲気でアニールする高温低酸素アニール工程が設けられていることを特徴とするレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法である。
The invention described in claim 1
A superconducting layer forming step for forming a rare earth-based thin film superconducting layer on an oriented metal substrate using a physical vapor deposition method, and an oxygen annealing step for subjecting the rare earth-based thin film superconducting layer to oxygen annealing are provided. A rare earth-based thin film superconducting wire manufacturing method,
Between the superconducting layer forming step and the oxygen annealing step, the rare earth-based thin film superconducting layer formed by the superconducting layer forming step is heated to a high temperature and low oxygen atmosphere at a temperature of 600 to 1000 ° C. and an O 2 concentration of 1000 ppm or less. A method for producing a rare earth-based thin film superconducting wire characterized by being provided with a high-temperature low-oxygen annealing step for annealing at a low temperature.

本発明者は、物理蒸着法を用いて配向性金属基板上にレア・アース系薄膜超電導層を形成させる超電導層形成工程と、形成された薄膜超電導層に対して酸素アニールを施す酸素アニール工程との間に、薄膜超電導層に対して高温低酸素雰囲気下でアニールを施す高温低酸素アニール工程を設けることにより、超電導層を形成した後そのまま酸素アニールを施す従来の薄膜超電導線材の製造方法を用いた場合に比べて、より高いIcの薄膜超電導線材が得られることを見出した。   The inventor has a superconducting layer forming step of forming a rare earth-based thin film superconducting layer on an oriented metal substrate using a physical vapor deposition method, and an oxygen annealing step of subjecting the formed thin film superconducting layer to oxygen annealing. A conventional thin-film superconducting wire manufacturing method in which oxygen annealing is performed after forming the superconducting layer is provided by providing a high-temperature and low-oxygen annealing step in which the thin film superconducting layer is annealed in a high-temperature and low-oxygen atmosphere. It was found that a thin film superconducting wire having a higher Ic can be obtained as compared with the case of the above.

即ち、上記した通り、従来の物理蒸着法を用いた薄膜超電導線材の製造方法の場合、物理蒸着法を用いて形成された薄膜超電導層に対して、そのまま酸素アニールが施されていた。しかし、物理蒸着法は、ターゲットから超電導薄膜材料を蒸発させて基材上に堆積させる方法であるため、形成された薄膜超電導層には空隙が多く、表面を平滑な状態に形成させることが困難であった。   That is, as described above, in the case of a method for manufacturing a thin film superconducting wire using a conventional physical vapor deposition method, oxygen annealing is performed as it is on the thin film superconducting layer formed using the physical vapor deposition method. However, the physical vapor deposition method is a method of evaporating the superconducting thin film material from the target and depositing it on the substrate, so that the formed thin film superconducting layer has many voids and it is difficult to form a smooth surface. Met.

また、PLD法などの物理蒸着法は、MOD法やCVD法などの化学的成膜法に比べて比較的短時間で柱状の結晶粒を成長させる手法であるため、薄膜超電導層における結晶粒の結合を充分に形成させることが困難であった。   In addition, physical vapor deposition such as PLD is a method for growing columnar crystal grains in a relatively short time compared with chemical film formation such as MOD or CVD. It was difficult to form sufficient bonds.

このため、そのまま酸素アニールを施した場合、超電導体の結晶粒は酸素を取り込んで整列しようとするが、結晶粒の結合が弱い箇所ではクラックが発生するため、平滑な表面状態が得られず、Icの向上も充分には望めない。   For this reason, when oxygen annealing is performed as it is, the superconductor crystal grains take in oxygen and try to align them, but cracks occur in places where the bonding of the crystal grains is weak, so a smooth surface state cannot be obtained, Ic cannot be fully improved.

これに対して、本請求項の発明のように、酸素アニールを施す前に、予め、薄膜超電導層に対して所定の条件の高温低酸素アニールを施した場合には、結晶粒の再配列や粗大化や粒間の拡散接合によって上記のようなクラックの発生が抑制されて、平滑な表面状態を得ることができ、また、結晶粒の結合を充分に形成させることができることが分かった。この結果、同じ厚みの薄膜超電導層でありながら、より高いIcを得ることができる。また、表面状態が平滑な薄膜超電導層が形成されていると、容易に薄膜超電導層を積層することができるため、さらにIcの向上を図ることができる。   On the other hand, when the high-temperature low-oxygen annealing under predetermined conditions is performed on the thin film superconducting layer in advance before the oxygen annealing as in the invention of the present claim, the rearrangement of crystal grains and It has been found that the occurrence of cracks as described above is suppressed by coarsening and diffusion bonding between grains, a smooth surface state can be obtained, and crystal grain bonds can be sufficiently formed. As a result, a higher Ic can be obtained while the thin film superconducting layer has the same thickness. In addition, when a thin film superconducting layer having a smooth surface state is formed, the thin film superconducting layer can be easily laminated, so that Ic can be further improved.

高温低酸素アニールは、具体的には、温度600〜1000℃、O濃度1000ppm以下の高温低酸素雰囲気で行われる。 Specifically, the high temperature and low oxygen annealing is performed in a high temperature and low oxygen atmosphere at a temperature of 600 to 1000 ° C. and an O 2 concentration of 1000 ppm or less.

温度が低すぎる場合には超電導体の結晶粒の相転移が起こらず、高すぎる場合には超電導体の結晶粒の分解が発生する恐れがある。また、物理蒸着した薄膜超電導層の平滑化やクラック抑制のための結晶流動や結晶粒結合を生じるためには1000℃を超える熱処理温度が必要になるが、1000℃以上では超電導層に中間層や基板金属層との拡散反応が生じてしまい、臨界電流や臨界温度が著しく低下する等の問題が発生する恐れがある。   When the temperature is too low, the phase transition of the superconductor crystal grains does not occur, and when it is too high, the superconductor crystal grains may be decomposed. In addition, in order to produce crystal flow and crystal grain bonding for smoothing and suppressing cracks in a physically vapor-deposited thin film superconducting layer, a heat treatment temperature exceeding 1000 ° C. is required. A diffusion reaction with the substrate metal layer may occur, and problems such as a significant decrease in critical current and critical temperature may occur.

濃度が高すぎる場合には、温度600〜1000℃の領域では薄膜超電導層における結晶粒の結合を充分に形成させることが困難である。一方、1000℃以上の領域では、O濃度が高くても結晶粒結合は可能となるが、この場合には超電導特性を発揮させるための組成ずれが生じてしまい、最適な結晶形態の分解が生じる。 When the O 2 concentration is too high, it is difficult to sufficiently form crystal grain bonds in the thin film superconducting layer in the temperature range of 600 to 1000 ° C. On the other hand, in the region of 1000 ° C. or higher, crystal grain bonding is possible even when the O 2 concentration is high. In this case, however, a composition shift occurs in order to exhibit superconducting characteristics, and the optimal crystal form is decomposed. Arise.

請求項2に記載の発明は、
前記超電導層形成工程において、前記レア・アース系薄膜超電導層が、2軸結晶配向性を有する金属基板と、その上に形成された中間層とからなる基材上に形成されることを特徴とする請求項1に記載のレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法である。
The invention described in claim 2
In the superconducting layer forming step, the rare earth-based thin film superconducting layer is formed on a base material comprising a metal substrate having biaxial crystal orientation and an intermediate layer formed thereon. The method for producing a rare earth thin film superconducting wire according to claim 1.

2軸結晶配向性を有する金属基板と、その上に形成された中間層とからなる基材上にレア・アース系薄膜超電導層を形成させることにより、充分にc軸配向した結晶粒を成長させることができる。   By forming a rare earth-based thin film superconducting layer on a base material composed of a metal substrate having biaxial crystal orientation and an intermediate layer formed thereon, sufficiently c-axis oriented crystal grains are grown. be able to.

請求項3に記載の発明は、
前記超電導層形成工程において形成されたレア・アース系薄膜超電導層の上に、フッ素フリーMOD法を用いてレア・アース系薄膜超電導層をさらに形成した後、前記高温低酸素アニール工程による高温低酸素アニールを施すことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法である。
The invention according to claim 3
A rare earth-based thin film superconducting layer is further formed on the rare earth-based thin film superconducting layer formed in the superconducting layer forming step using a fluorine-free MOD method, and then the high-temperature low-oxygen by the high-temperature low-oxygen annealing step is performed. The method for producing a rare earth-based thin film superconducting wire according to claim 1 or 2, wherein annealing is performed.

本発明においては、上記したように、物理蒸着法を用いて形成されたレア・アース系薄膜超電導層の表面状態をより平滑にすることができるため、フッ素フリーMOD法を用いて容易にレア・アース系薄膜超電導層を積層することができ、よりIcの向上を図ることができる。   In the present invention, as described above, the surface state of the rare earth-based thin film superconducting layer formed using physical vapor deposition can be made smoother. An earth-based thin film superconducting layer can be laminated, and Ic can be further improved.

請求項4に記載の発明は、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法を用いて製造されていることを特徴とするレア・アース系薄膜超電導線材である。
The invention according to claim 4
A rare earth thin film superconducting wire manufactured using the method of manufacturing a rare earth thin film superconducting wire according to any one of claims 1 to 3.

上記の各レア・アース系薄膜超電導線材の製造方法を用いることにより、より高いIcを有する薄膜超電導線材を提供することができる。   By using each of the above rare earth-based thin film superconducting wire manufacturing methods, a thin film superconducting wire having a higher Ic can be provided.

本発明によれば、従来に比べより高いIcを有する薄膜超電導線材とその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thin film superconducting wire which has higher Ic compared with the past, and its manufacturing method can be provided.

比較例における酸化物超電導層表面のSEM写真である。It is a SEM photograph of the oxide superconducting layer surface in a comparative example. 実施例1における酸化物超電導層表面のSEM写真である。2 is a SEM photograph of the surface of an oxide superconducting layer in Example 1. 実施例2における酸化物超電導層表面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the surface of an oxide superconducting layer in Example 2. 比較例および実施例1、2のXRD測定結果を示す図である。It is a figure which shows the XRD measurement result of a comparative example and Examples 1, 2.

以下、本発明を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.金属基材の作製
まず、2軸配向金属基板を用意し、その上に中間層を形成することにより、金属基材を作製する。
1. Preparation of metal substrate First, a biaxially oriented metal substrate is prepared, and an intermediate layer is formed thereon, thereby preparing a metal substrate.

2軸配向金属基板としては、IBAD基材、Ni−W合金基材、SUS等をベース金属としたクラッドタイプの金属基板材等を用いることができる。   As the biaxially oriented metal substrate, an IBAD base material, a Ni—W alloy base material, a clad type metal substrate material based on SUS or the like can be used.

中間層としては、一般的には、CeO、YSZ、Yの他、安定化ジルコニア、BaZrO(バリウムジルコネート)、LaAlO(アルミン酸ランタン)、GdZr、SmGdO、RE(RE:Y、ランタノイド)等を用いることができ、通常、金属基板側から、種層/拡散防止層/結晶格子整合層の順に形成された3層構造の中間層が設けられる。形成方法としては、通常、スパッタ法が用いられる。 As the intermediate layer, in general, CeO 2 , YSZ, Y 2 O 3 , stabilized zirconia, BaZrO 3 (barium zirconate), LaAlO 3 (lanthanum aluminate), Gd 2 Zr 2 O 7 , SmGdO 3 , RE 2 O 3 (RE: Y, lanthanoid), etc., and usually an intermediate layer having a three-layer structure formed in the order of seed layer / diffusion prevention layer / crystal lattice matching layer from the metal substrate side. Provided. As a forming method, a sputtering method is usually used.

2.物理蒸着法による薄膜超電導層の形成
次に、金属基材上に、PLD法などの物理蒸着法を用いて、レア・アース系の酸化物超電導体からなる薄膜超電導層を形成させる。形成方法としては、従来と同様の方法が採用される。
2. Formation of Thin Film Superconducting Layer by Physical Vapor Deposition Next, a thin film superconducting layer made of a rare earth oxide superconductor is formed on a metal substrate using a physical vapor deposition method such as a PLD method. As a forming method, a method similar to the conventional method is employed.

具体的なレア・アース系の酸化物超電導体としては、REBCO(REBaCu7−δ:REはレア・アース)で示される酸化物超電導体を挙げることができ、REとしては、イットリウム(Y)、プラセオジウム(Pr)、ネオジウム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリウム(Gd)、ホルミウム(Ho)、イッテルビウム(Yb)などを挙げることができる。 Specific examples of the rare earth-based oxide superconductor include an oxide superconductor represented by REBCO (REBa 2 Cu 3 O 7-δ : RE is a rare earth). (Y), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), holmium (Ho), ytterbium (Yb), and the like.

また、物理蒸着法としては、上記したPLD法の他に、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法などを挙げることができる。   Examples of the physical vapor deposition method include a sputtering method, a vacuum vapor deposition method, and an ion plating method in addition to the PLD method described above.

3.高温低酸素アニール
従来の物理蒸着法による酸化物超電導薄膜線材の製造においては、前記した通り、薄膜超電導層の形成後、そのまま酸素アニールが施されていたが、本発明においては、酸素アニールを施す前に、まず、温度600〜1000℃、O濃度1000ppm以下の高温低酸素雰囲気下で、高温低酸素アニールを施している。
3. High-temperature and low-oxygen annealing In the production of oxide superconducting thin film wires by conventional physical vapor deposition, as described above, oxygen annealing is performed as it is after the formation of the thin film superconducting layer. In the present invention, however, oxygen annealing is performed. First, high-temperature and low-oxygen annealing is first performed in a high-temperature and low-oxygen atmosphere at a temperature of 600 to 1000 ° C. and an O 2 concentration of 1000 ppm or less.

高温低酸素雰囲気下で高温低酸素アニールを施すことにより、前記したように、結晶粒の結合が改善され、平滑な表面状態を得ることができる。   By performing high temperature and low oxygen annealing in a high temperature and low oxygen atmosphere, as described above, the bonding of crystal grains is improved, and a smooth surface state can be obtained.

なお、高温低酸素アニールを施す時間は、物理蒸着法により形成された薄膜超電導層の厚みなどを考慮して、適宜設定される。   The time for performing the high temperature low oxygen annealing is appropriately set in consideration of the thickness of the thin film superconducting layer formed by physical vapor deposition.

4.酸素アニール
次に、従来と同様に、薄膜超電導層に対して酸素アニールを施す。このとき、本実施の形態においては、結晶粒の結合が改善されているため、酸素アニールにおいてより充分に酸素を取り込むことができ、Icをより向上させることができる。
4). Oxygen annealing Next, oxygen annealing is performed on the thin film superconducting layer as in the conventional case. At this time, in this embodiment, since the bonding of crystal grains is improved, oxygen can be more sufficiently taken in oxygen annealing, and Ic can be further improved.

以下、PLD法を用いてレア・アース系薄膜超電導層を形成した例を実施例として、本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples in which a rare earth thin film superconducting layer is formed using the PLD method.

(比較例)
最初に、PLD法を用いて薄膜超電導層を形成した後、そのまま酸素アニールを施す従来の製造方法に基づいて、比較例のレア・アース系薄膜超電導線材を製造した。
(Comparative example)
First, after forming a thin film superconducting layer using the PLD method, a rare earth thin film superconducting wire of a comparative example was manufactured based on a conventional manufacturing method in which oxygen annealing is performed as it is.

1.金属基材の作製
金属基材として、NiW合金系2軸配向基板(厚み120μm×幅30mm×長さ250m)を用意し、その上に、スパッタ法を用いて、Y種層(厚み70nm)/YSZ拡散防止層(厚み200nm)/CeO結晶格子整合層(厚み120nm)の順に、3層構造の中間層を形成して、金属基材を形成した。
1. Preparation of metal base material As a metal base material, a NiW alloy-based biaxially oriented substrate (thickness 120 μm × width 30 mm × length 250 m) is prepared, and a Y 2 O 3 seed layer (thickness) is formed thereon by sputtering. 70 nm) / YSZ diffusion prevention layer (thickness 200 nm) / CeO 2 crystal lattice matching layer (thickness 120 nm) in this order, an intermediate layer having a three-layer structure was formed to form a metal substrate.

2.PLD法による薄膜超電導層の形成
上記で作製された金属基材の中間層上に、PLD法を用いて厚み2.8μmのGdBCO超電導層を形成した。
2. Formation of Thin Film Superconducting Layer by PLD Method A GdBCO superconducting layer having a thickness of 2.8 μm was formed by using the PLD method on the intermediate layer of the metal substrate produced as described above.

なお、PLD法における成膜条件は、以下の通りで行った。
レーザー:Kr−Fエキシマレーザー
周波数:250Hz
出力 :1J
波長 :248nm
酸素雰囲気:20Pa
ターゲット:GdBCO
The film forming conditions in the PLD method were as follows.
Laser: Kr-F excimer laser
Frequency: 250Hz
Output: 1J
Wavelength: 248nm
Oxygen atmosphere: 20 Pa
Target: GdBCO

3.酸素アニール
最後に、O濃度98%の雰囲気中、550℃に120分保持した後、室温まで20時間かけて炉冷却を行い(酸素アニール)、比較例のレア・アース系薄膜超電導線材を得た。
3. Oxygen annealing Finally, after holding at 550 ° C. for 120 minutes in an atmosphere with an O 2 concentration of 98%, the furnace was cooled to room temperature over 20 hours (oxygen annealing) to obtain a rare earth thin film superconducting wire as a comparative example. It was.

(実施例1)
比較例と同様にしてPLD法を用いて形成されたGdBCO超電導層に対して酸素アニールを施す前に、O濃度100ppmの雰囲気下、800℃に120分保持した後、500℃まで1時間かけて炉冷却して、高温低酸素アニールを施した。その後、比較例と同様の条件で酸素アニールを施し、実施例1のレア・アース系薄膜超電導線材を得た。
Example 1
Before performing oxygen annealing on the GdBCO superconducting layer formed by the PLD method in the same manner as in the comparative example, it was held at 800 ° C. for 120 minutes in an atmosphere with an O 2 concentration of 100 ppm and then taken to 500 ° C. over 1 hour. Then, the furnace was cooled and subjected to high temperature and low oxygen annealing. Thereafter, oxygen annealing was performed under the same conditions as in the comparative example, and the rare earth thin film superconducting wire of Example 1 was obtained.

(実施例2)
比較例と同様にしてPLD法を用いて形成されたGdBCO超電導層上に、YBCO組成のFF−MOD溶液をダイコートを用いて塗布した後、O濃度100%、露点19℃の雰囲気下、505℃に120分保持して仮焼成を行った。その後、O濃度100ppmの雰囲気下、680℃に45分および850℃で30分保持して、500℃まで1時間かけて急冷して本焼成を行い、厚み0.6μmのFF−MOD超電導層(YBCO超電導層)を形成した。その後、実施例1と同様の条件で高温低酸素アニールを施し、さらに、比較例と同様の条件で酸素アニールを施して、実施例2のレア・アース系薄膜超電導線材を得た。
(Example 2)
A FF-MOD solution having a YBCO composition was applied using a die coat on a GdBCO superconducting layer formed by the PLD method in the same manner as in the comparative example, and then 505 in an atmosphere having an O 2 concentration of 100% and a dew point of 19 ° C. Pre-baking was carried out by maintaining at 120 ° C. for 120 minutes. Thereafter, holding at 680 ° C. for 45 minutes and 850 ° C. for 30 minutes in an atmosphere with an O 2 concentration of 100 ppm, quenching to 500 ° C. over 1 hour, followed by firing, and a 0.6 μm thick FF-MOD superconducting layer (YBCO superconducting layer) was formed. Thereafter, high-temperature and low-oxygen annealing was performed under the same conditions as in Example 1, and further, oxygen annealing was performed under the same conditions as in the comparative example to obtain the rare earth thin film superconducting wire of Example 2.

(結晶性の評価)
GdBCO超電導層の結晶性を評価するために、実施例1、2、比較例の酸素アニール前における面内配向性を、X線回折(θ―2θスキャン法、およびポールフィギュア法)を用いて測定した。なお、併せて、2軸配向基板、金属基材における面内配向性も測定した。測定結果を表1に示す。
(Evaluation of crystallinity)
In order to evaluate the crystallinity of the GdBCO superconducting layer, the in-plane orientations of Examples 1 and 2 and the comparative example before oxygen annealing were measured using X-ray diffraction (θ-2θ scan method and pole figure method). did. In addition, the in-plane orientation in the biaxially oriented substrate and the metal substrate was also measured. The measurement results are shown in Table 1.

また、比較例および実施例1、2の表面SEM写真を撮影し、表面の平滑性を観察した。比較例におけるSEM写真を図1に、実施例1におけるSEM写真を図2に、実施例2におけるSEM写真を図3に示す。   Moreover, the surface SEM photograph of a comparative example and Example 1, 2 was image | photographed, and the smoothness of the surface was observed. The SEM photograph in the comparative example is shown in FIG. 1, the SEM photograph in Example 1 is shown in FIG. 2, and the SEM photograph in Example 2 is shown in FIG.

そして、比較例および実施例1、2のXRD測定を行った。結果を図4に示す。   And the XRD measurement of the comparative example and Examples 1 and 2 was performed. The results are shown in FIG.

(超電導特性の評価)
比較例および実施例1、2の酸素アニール後におけるIcを4端子法により測定した(77.3K、自己磁場下)。結果を表1に示す。
(Evaluation of superconducting properties)
Ic after oxygen annealing of Comparative Example and Examples 1 and 2 was measured by the 4-terminal method (77.3K, under self-magnetic field). The results are shown in Table 1.

表1より、高温低酸素アニールを施すことにより、ΔΦが小さくなっており、面内配向性が改善されていることが分かる。また、高温低酸素アニールを施すことにより、Icが大幅に増加していることが分かる。   From Table 1, it can be seen that ΔΦ is reduced by performing high temperature low oxygen annealing, and the in-plane orientation is improved. It can also be seen that Ic is significantly increased by performing high temperature low oxygen annealing.

また、図1(比較例)と図2(実施例1)の比較より、高温低酸素アニールを施すことにより、図2においては超電導層の結晶粒の結合が改善されると共に、粒成長して平滑な表面状態となっており、高温低酸素アニールによって結晶成長の形成跡が認められる。さらに図3(実施例2)においては、PLD法による超電導層上にFF−MOD法によってエピタキシャルに成長している様子が伺える。   Further, from the comparison between FIG. 1 (Comparative Example) and FIG. 2 (Example 1), the high-temperature low oxygen annealing improves the bonding of crystal grains in the superconducting layer in FIG. It has a smooth surface state, and the formation trace of crystal growth is recognized by high temperature low oxygen annealing. Furthermore, in FIG. 3 (Example 2), it can be seen that the epitaxial growth is performed on the superconducting layer by the PLD method by the FF-MOD method.

そして、図4に示すように、比較例に比べて、実施例1,実施例2はいずれも超電導層のピーク強度に変化が無く、結晶性が維持されていることが分かる。これは、高温低酸素アニールを施しても、超電導層が破壊されることなく維持されていることを示している。   And as shown in FIG. 4, compared with a comparative example, all of Example 1 and Example 2 show that there is no change in the peak intensity of a superconducting layer, and crystallinity is maintained. This indicates that the superconducting layer is maintained without being destroyed even when the high temperature low oxygen annealing is performed.

さらには、実施例1、2では、2θ=37°におけるNiOピークと、2θ=38°におけるGdBCO(005)ピークとが明確に区分されており、薄膜超電導層へのアニールを行うことにより、酸素が充分に取り込まれて結晶格子が縮まって、GdBCO(005)ピークが右へずれることが分かる。 Furthermore, in Examples 1 and 2, the NiO 2 peak at 2θ = 37 ° and the GdBCO (005) peak at 2θ = 38 ° are clearly separated, and by annealing the thin film superconducting layer, It can be seen that oxygen is sufficiently taken in and the crystal lattice shrinks, and the GdBCO (005) peak shifts to the right.

(実施例3)
実施例1と同様に、PLD法を用いて形成されたGdBCO超電導層に対して酸素アニールを施す前に、O濃度100ppmの雰囲気下、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃の各々の温度条件に90分保持した後、500℃まで1時間かけて炉冷却して、高温低酸素アニールを施した。その後、比較例と同様の条件で酸素アニールを施し、実施例3のレア・アース系薄膜超電導線材を得た。
(Example 3)
Similar to Example 1, before performing oxygen annealing on the GdBCO superconducting layer formed by using the PLD method, 500 ° C., 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C. in an atmosphere of 100 ppm O 2 concentration. , 1000 ° C., 1100 ° C., and 1200 ° C. for 90 minutes, followed by furnace cooling to 500 ° C. over 1 hour and high-temperature low oxygen annealing. Thereafter, oxygen annealing was performed under the same conditions as in the comparative example, and the rare earth thin film superconducting wire of Example 3 was obtained.

実施例3によって製作した8種類の試料について、実施例1と同様の方法により、結晶性(面内配向性)およびIc(77.3K、自己磁場下)の評価を行った。   The eight samples prepared in Example 3 were evaluated for crystallinity (in-plane orientation) and Ic (77.3K under self-magnetic field) by the same method as in Example 1.

結果を表2に示す。なお、表2には、表1の比較例の結果も合わせて記載した。   The results are shown in Table 2. In Table 2, the results of the comparative examples in Table 1 are also shown.

表2より、600℃から1000℃の温度領域では、高温低酸素アニールを施すことによって、比較例よりもΔΦが小さくなっており、結晶性(面内配向性)が改善されていることが分かる。また、Icが向上していることが分かる。   From Table 2, it can be seen that ΔΦ is smaller than that of the comparative example and the crystallinity (in-plane orientation) is improved by performing high temperature low oxygen annealing in the temperature range of 600 ° C. to 1000 ° C. . It can also be seen that Ic is improved.

しかしながら、1000℃を超える温度では、結晶性が低下して、Icも著しく低下していることが分かる。一方、600℃を下回る温度では、低酸素アニールの効果が見られず、結晶性もIcも比較例と同等の特性に留まっていることが分かる。   However, it can be seen that at temperatures exceeding 1000 ° C., the crystallinity decreases and Ic also decreases significantly. On the other hand, at temperatures below 600 ° C., the effect of low oxygen annealing is not observed, and it can be seen that both the crystallinity and Ic remain the same as those of the comparative example.

(実施例4)
実施例2と同様に、PLD法を用いて形成されたGdBCO超電導層上に、YBCO組成のFF−MOD溶液をダイコートを用いて塗布した後、O濃度を100%、露点19℃の雰囲気下、505℃に120分保持して仮焼成を行った。その後、O濃度100ppmの雰囲気下、680℃に45分および850℃で30分保持して、500℃まで1時間かけて急冷して本焼成を行い、厚み0.6μmのFF−MOD超電導層(YBCO超電導層)を形成した。その後、50ppm、100ppm、200ppm、500ppm、1000ppm、2000ppm、5000ppmの各々のO濃度雰囲気下、850℃に90分保持した後、500℃まで1時間かけて炉冷却して、高温低酸素アニールを施した。その後、実施例1と同様の条件で酸素アニールを施して、実施例4のレア・アース系薄膜超電導線材を得た。
Example 4
As in Example 2, after applying a FF-MOD solution having a YBCO composition on a GdBCO superconducting layer formed by using the PLD method using a die coat, in an atmosphere having an O 2 concentration of 100% and a dew point of 19 ° C. And calcination was performed at 505 ° C. for 120 minutes. Thereafter, holding at 680 ° C. for 45 minutes and 850 ° C. for 30 minutes in an atmosphere with an O 2 concentration of 100 ppm, quenching to 500 ° C. over 1 hour, followed by firing, and a 0.6 μm thick FF-MOD superconducting layer (YBCO superconducting layer) was formed. Then, after holding at 850 ° C. for 90 minutes in each O 2 concentration atmosphere of 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm, 500 ppm, 1000 ppm, 2000 ppm and 5000 ppm, the furnace was cooled to 500 ° C. over 1 hour, and high temperature low oxygen annealing was performed. gave. Thereafter, oxygen annealing was performed under the same conditions as in Example 1 to obtain a rare earth thin film superconducting wire of Example 4.

実施例4によって製作した7種類の試料について、実施例1と同様の方法により、結晶性(面内配向性)およびIc(77.3K、自己磁場下)の評価を行った。結果を表3に示す。   Seven types of samples produced in Example 4 were evaluated for crystallinity (in-plane orientation) and Ic (77.3K, under self-magnetic field) by the same method as in Example 1. The results are shown in Table 3.

表3より、100ppmから1000ppmの酸素濃度領域では、高温低酸素アニールを施すことによってIcの向上が著しく、この内でも100ppmから500ppmの酸素濃度領域では、特に、結晶性が向上すると共に、Icが向上していることが分かる。特に本実施例では850℃で90分保持の条件で上記の酸素濃度の最適領域が判明したが、温度と酸素濃度の相関は明らかであり、本発明である高温低酸素アニールの効果が示された。   From Table 3, the oxygen concentration range of 100 ppm to 1000 ppm is markedly improved by high temperature and low oxygen annealing, and among these, the oxygen concentration region of 100 ppm to 500 ppm improves crystallinity and Ic is particularly high. It can be seen that it has improved. In particular, in this example, the optimum region for the oxygen concentration was found under the condition of holding at 850 ° C. for 90 minutes. It was.

以上、実施の形態に基づいて本発明を説明したが、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可能である。   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 embodiment within the same and equivalent scope as the present invention.

Claims (4)

物理蒸着法を用いて、配向性金属基板上にレア・アース系薄膜超電導層を形成させる超電導層形成工程と、前記レア・アース系薄膜超電導層に対して酸素アニールを施す酸素アニール工程とが設けられているレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法であって、
前記超電導層形成工程と前記酸素アニール工程との間に、前記超電導層形成工程により形成された前記レア・アース系薄膜超電導層を、温度600〜1000℃、O濃度1000ppm以下の高温低酸素雰囲気でアニールする高温低酸素アニール工程が設けられていることを特徴とするレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法。
A superconducting layer forming step for forming a rare earth-based thin film superconducting layer on an oriented metal substrate using a physical vapor deposition method, and an oxygen annealing step for subjecting the rare earth-based thin film superconducting layer to oxygen annealing are provided. A rare earth-based thin film superconducting wire manufacturing method,
Between the superconducting layer forming step and the oxygen annealing step, the rare earth-based thin film superconducting layer formed by the superconducting layer forming step is heated to a high temperature and low oxygen atmosphere at a temperature of 600 to 1000 ° C. and an O 2 concentration of 1000 ppm or less. A method for producing a rare earth-based thin film superconducting wire, characterized in that a high-temperature low-oxygen annealing step for annealing is provided.
前記超電導層形成工程において、前記レア・アース系薄膜超電導層が、2軸結晶配向性を有する金属基板と、その上に形成された中間層とからなる基材上に形成されることを特徴とする請求項1に記載のレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法。   In the superconducting layer forming step, the rare earth-based thin film superconducting layer is formed on a base material comprising a metal substrate having biaxial crystal orientation and an intermediate layer formed thereon. The method for producing a rare earth thin film superconducting wire according to claim 1. 前記超電導層形成工程において形成されたレア・アース系薄膜超電導層の上に、フッ素フリーMOD法を用いてレア・アース系薄膜超電導層をさらに形成した後、前記高温低酸素アニール工程による高温低酸素アニールを施すことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法。   A rare earth-based thin film superconducting layer is further formed on the rare earth-based thin film superconducting layer formed in the superconducting layer forming step using a fluorine-free MOD method, and then the high-temperature low-oxygen by the high-temperature low-oxygen annealing step The method for producing a rare earth-based thin film superconducting wire according to claim 1 or 2, wherein annealing is performed. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレア・アース系薄膜超電導線材の製造方法を用いて製造されていることを特徴とするレア・アース系薄膜超電導線材。   A rare earth thin film superconducting wire manufactured using the method of manufacturing a rare earth thin film superconducting wire according to any one of claims 1 to 3.
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