JP2015220231A - 超伝導膜ユニットおよびその製造方法 - Google Patents

超伝導膜ユニットおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】超伝導膜ユニットならびに、超伝導膜の効率を向上させるための当該ユニットの製造方法を提供する。
【解決手段】本開示は、超伝導膜ユニットおよびその製造方法に関する。超伝導膜ユニットは基板および超伝導膜を含む。基板の格子定数は５．０Å〜５．５Åである。超伝導膜は基板上に配設される。当該超伝導膜はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を含む。Ｙ2ＢａＣｕＯ5はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散される。
【選択図】図２Ａ

Description

本開示は、超伝導膜ユニットおよびその製造方法に関する。
超伝導発電機は、小型で、軽量で、高効率あるという利点を有する。したがって、超伝導発電機は、発電の分野において利用することができる。
現在、高温超伝導線のコストは高い。さらに、現在のプロセスによって製造される超伝導線の臨界電流密度は、依然として改良が必要である。したがって、高温超伝導線の利用においては、超伝導線の臨界電流密度を向上させることが重要である。
一般的に、超伝導線は、高磁場下において利用される。磁束は、渦として超伝導線を通過する。超伝導線に印加される電流と当該渦との間にローレンツ力が働くため、当該渦はローレンツ力によって移動し、それにより、超伝導線の効率が低下する。すなわち、ローレンツ力による磁束の渦の移動を減らすことが重要である。
さらに、ローレンツ力による磁束の渦の移動を減らすもしくは避けるために、超伝導線の超伝導体中に結晶学的欠陥または非超伝導相を形成することが開発されている。詳細には、結晶学的欠陥もしくは非超伝導相は、ピンニングセンターとしての役割を果たし、それにより、超伝導体における磁束の渦の移動が制限される。したがって、超伝導体中にピンニングセンターを形成することによって、超伝導線の効率が向上する。
超伝導線の超伝導体中に欠陥を形成するために、イオン照射を利用することができる。しかしながら、イオン照射は、欠陥の形成に対して高価な方法である。したがって、大量生産のためには、ピンニングセンターとしての役割を果たすナノ粒子の非超伝導相を超伝導体中に形成することが、より実現可能的である。したがって、超伝導線の効率を向上させるために、超伝導体中にナノ粒子の非超伝導相を製造するプロセスを改良することが重要である。
本開示は、超伝導膜ユニットならびに、超伝導膜の効率を向上させるための当該ユニットの製造方法を提供する。
本開示の一実施形態により、超伝導膜ユニットが提供される。基板の格子定数は、５．０Å〜５．５Åである。超伝導膜は、基板上に配設される。当該超伝導膜は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を含む。この場合、Ｙ2ＢａＣｕＯ5は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散されている。
本開示の一実施形態により、超伝導膜ユニットの製造方法が提供される。当該方法は以下の工程を含む。格子定数が５．０Å〜５．５Åである基板が提供される。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を含むターゲットが提供される。堆積工程が行われ、それにより、ターゲットが基板上に同時にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を形成し、この場合、Ｙ2ＢａＣｕＯ5はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散されている。
本開示の超伝導膜ユニットおよびその製造方法により、当該単一のターゲットによって、当該超伝導膜が基板上に堆積される。当該ターゲットは、基板上にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（超伝導相）およびＹ2ＢａＣｕＯ5（非超伝導相）を形成する。さらに、基板の格子定数は５．０Å〜５．５Åであり、そのため、基板の格子定数と超伝導膜の格子定数との差はより大きい。したがって、Ｙ2ＢａＣｕＯ5は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に均一に分散された粒子として形成される。これにより、ピンニングセンターの最小化および非集中化が達成され、それにより、ピンニングセンターの量が増加され、磁束の渦は、より均一に超伝導体中に分配される。結果として、渦の間の反発力が低くなり、ピンニングの効果が向上し、これは、臨界電流密度が高められることを意味する。
本開示は、以下において提供される詳細な説明と、単なる例示であって本開示の限定ではない添付の図面とにより、より完全に理解されるであろう。
本開示の実施形態による超伝導膜ユニットの製造方法のフローチャート。 本開示の実施形態による超伝導膜ユニットの模式図。 本開示の実施形態による超伝導線の模式図。 本開示の実施例１における超伝導膜のＴＥＭ分析。 本開示の比較例１における超伝導膜のＴＥＭ分析。 本開示の比較例３における超伝導膜のＴＥＭ分析。 ７７Ｋおよび様々な磁場の下での、実施例１および２、比較例１および２における超伝導膜の臨界電流密度のダイヤグラム。
以下の詳細な記述において、説明目的のため、開示される実施形態の十分な理解を提供するために多くの特定の詳細について説明する。しかしながら、これらの特定の詳細がなくても、１つまたは複数の実施形態を実施することができるということは明かであろう。他の例において、周知の構造体および装置は、図面を簡素化するために、図式的に示される。
最初に、本開示の実施形態による超伝導膜ユニットの製造方法のフローチャートである図１を参照されたい。最初に、基板が提供される（Ｓ１０１）。当該基板の格子定数は、５．０Å〜５．５Åである。基板の材料は、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ、ＹＳＺの格子定数は５．１３９Å）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ3、ＬＡＯ、ＬＡＯの格子定数は５．３６４Å）、Ｙ3ＮｂＯ7（Ｙ3ＮｂＯ7の格子定数は５．２５０Å）、Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7（Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7の格子定数は５．２６４Å）、ＣｅＯ2（ＣｅＯ2の格子定数は５．４１１Å）、またはＮｄＧａＯ3（ＮｄＧａＯ3の格子定数は５．４３１Å）である。ただし、本開示は、これらに限定されるわけではない。
次いで、ターゲットが提供される（Ｓ１０２）。当該ターゲットは、イットリウム、バリウム、および銅を含む。当該ターゲットの構成元素は、製造される超伝導膜に対応している。本開示の別の実施形態において、当該ターゲットは、例えば、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を含み、この場合、当該Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率は５質量％〜１５質量％であり、これはターゲットの総質量に対するものである。いくつかの他の実施形態において、Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率は８質量％であり、これはターゲットの総質量に対するものである。この実施形態において、製造される超伝導膜の材料はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（超伝導相）およびＹ2ＢａＣｕＯ5（非超伝導相）を含み、Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率は５質量％〜１５質量％であり、これは超伝導膜の総質量に対するものである。いくつかの他の実施形態において、Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率は８質量％であり、これは超伝導膜の総質量に対するものである。この実施形態において、ターゲットは、例えば、上部種付け種溶融凝固法または焼結法などによって形成される。したがって、当該ターゲットはよりコンパクトでかつより良質であり、その結果、製造される超伝導膜の臨界電流密度（Ｊｃ）が向上する。
この実施形態および他の実施形態において、本開示は、基板を提供する工程（Ｓ１０１）およびターゲットを提供する工程（Ｓ１０２）の順序に限定されない。いくつかの他の実施形態において、ターゲットが提供され、次いで、基板が提供される。
最後に、堆積工程が行われる（Ｓ１０３）。それにより、当該ターゲットは、基板上にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を同時に形成する。この実施形態において、堆積工程は、パルスレーザーデポジションであり、当該パルスレーザーデポジションのレーザーの平均波長は２４８ｎｍである。この実施形態および他の実施形態において、パルスレーザーデポジションのレーザーのエネルギー密度は、１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。この実施形態および他の実施形態において、堆積工程の間の基板の温度は、７８０℃〜８５０℃である。
当該堆積工程の際に、ターゲットは、それぞれＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を形成する。さらに、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5は基板に接触しており、ならびに基板の格子定数（５．０Å〜５．５Å）と超伝導相ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の格子定数（ａ＝３．８２１Å、ｂ＝３．８８５Å）の差はより大きい。したがって、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5は、堆積工程の際に同時に基板上に形成されるが、Ｙ2ＢａＣｕＯ5は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に均一に分散されたナノ粒子として形成される。その結果、ピンニングセンターの最小化および非集中化が達成される。
ピンニングセンターがより小さく、ならびにより非集中化される場合、ピンニングセンターの量は増加し、磁束の渦は、より均一に超伝導体中に分配される。それにより、渦の間の反発力が低くなり、ピンニングの効果が向上し、これは、臨界電流密度が高められることを意味する。
以下において、本開示の超伝導膜ユニットについて説明する。本開示の実施形態による超伝導膜ユニットの模式図である図２を参照されたい。超伝導膜ユニット１０は、基板１００および超伝導膜２００を含む。本開示において、本明細書で説明される基板１００は、例えば、超伝導線におけるバッファ層と見なされ、とりわけ、基板１００は、超伝導膜が接触しかつ超伝導膜が配設されるバッファ層と見なされる。基板１００の格子定数は、５．０Å〜５．５Åである。超伝導膜２００は、基板１００の上に配設される。超伝導膜２００の材料は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（超伝導相）およびＹ2ＢａＣｕＯ5（非超伝導相）を含む。Ｙ2ＢａＣｕＯ5は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散される。さらに、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5は、基板１００に接触している。
本開示のいくつかの他の実施形態において、Ｙ2ＢａＣｕＯ5はナノ粒子である。
本開示のいくつかの他の実施形態において、Ｙ2ＢａＣｕＯ5の直径は１５ｎｍ〜３０ｎｍである。
本開示のいくつかの他の実施形態において、Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率は５質量％〜１５質量％であり、これは超伝導膜２００の総質量に対するものである。本開示のいくつかの他の実施形態において、Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率は８質量％であり、これは超伝導膜２００の総質量に対するものである。
いくつかの他の実施形態において、基板１００の材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ、ＹＳＺの格子定数は５．１３９Å）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ3、ＬＡＯ、ＬＡＯの格子定数は５．３６４Å）、Ｙ3ＮｂＯ7（Ｙ3ＮｂＯ7の格子定数は５．２５０Å）、Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7（Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7の格子定数は５．２６４Å）、ＣｅＯ2（ＣｅＯ2の格子定数は５．４１１Å）、またはＮｄＧａＯ3（ＮｄＧａＯ3の格子定数は５．４３１Å）である。ただし、本開示はこれらに限定されるわけではない。
いくつかの他の実施形態において、超伝導膜２００の厚さは１５０ｎｍ〜３５０ｎｍである。
超伝導膜ユニット１０は超伝導線に利用することができる。本開示の実施形態による超伝導線の模式図である図２Ｂを参照されたい。当該図に示されているように、超伝導線９は超伝導膜ユニット１０と担持体２０とを含む。超伝導膜ユニット１０は担持体２０上に配設される。超伝導線９は本開示の超伝導膜ユニット１０を含むので、超伝導線９の性能は向上する。
以下の実施例および比較例により、本開示の超伝導膜ユニットの製造方法を説明する。
実施例１（ＬＡＯ）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、それぞれ、１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を、９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を、２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を、当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＬＡＯ基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は、１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。しかしながら、本開示は、薄膜の当該厚さに限定されない。次いで、０．８〜１気圧（ａｔｍ）の酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、実施例１の超伝導膜の製造が完了する。本開示の実施例１の超伝導膜のＴＥＭ分析である図３を参照されたい。図３に示されているように、Ｙ2ＢａＣｕＯ5はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に均一に分散された粒子として形成されており、Ｙ2ＢａＣｕＯ5の直径は１５ｎｍ〜３０ｎｍである。
実施例２（ＹＳＺ）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末をそれぞれ１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を、９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を、２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を、当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＹＳＺ基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は、１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。しかしながら、本開示は、薄膜の当該厚さに限定されない。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、実施例２の超伝導膜の製造が完了する。
実施例３（Ｙ3ＮｂＯ7）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、それぞれ１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を、９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を、２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を、当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を、４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＹ3ＮｂＯ7基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。しかしながら、本開示は薄膜の当該厚さに限定されない。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、実施例３の超伝導膜の製造が完了する。
実施例４（Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、それぞれ１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を、９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を、２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を、当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＧｄ2Ｚｒ2Ｏ7基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は、１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。しかしながら、本開示は薄膜の当該厚さに限定されない。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、実施例４の超伝導膜の製造が完了する。
実施例５（ＣｅＯ2）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、それぞれ１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＣｅＯ2基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は、１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。しかしながら、本開示は、薄膜の当該厚さに限定されない。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、実施例５の超伝導膜の製造が完了する。
実施例６（ＮｄＧａＯ3）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、それぞれ１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末である出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を、９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＮｄＧａＯ3基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は、１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。しかしながら、本開示は薄膜の当該厚さに限定されない。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、実施例６の超伝導膜の製造が完了する。
比較例１（ＳＴＯ）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、それぞれ１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末である出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力をポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。しかしながら、本開示は薄膜の当該厚さに限定されない。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、比較例１の超伝導膜の製造が完了する。本開示の比較例１の超伝導膜のＴＥＭ分析である図４を参照されたい。図に示されるように、黒い部分はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7を表しており、白い部分はＹ2ＢａＣｕＯ5を表している。比較例１の超伝導膜におけるＹ2ＢａＣｕＯ5は、層状に凝集している。
比較例２（ＳＴＯ）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、１：２：３のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を、９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の粉末の出発材料が得られる。次に、当該混合物を、２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、当該混合物を、９００℃で８時間焼結する。最後に、温度を室温まで下げて、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットの製造が完了する。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を７８０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、比較例２の超伝導膜の製造が完了する。
比較例３（ＭｇＯ）
最初に、出発材料として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末を調製する。Ｙ2Ｏ3、ＢａＣＯ3、およびＣｕＯの粉末を、それぞれ１：２：３および２：１：１のモル比で均一に混合する。次いで、当該混合物を９００℃で８時間焼結する。その後、当該混合物を粉砕し、次いで、焼結を２回行う。すなわち、焼結プロセスは３回行われる。それにより、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料が得られる。次に、当該ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5の粉末の出発材料を、９２：８の質量比で均一に混合する。次いで、当該混合物を、２５〜３５ＭＰａの圧力下で押し固める。その後、種結晶としての役割を果たさせるために、ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の結晶を、当該混合物の表面の中央に位置する。次いで、温度を上げて、９０８℃で４時間維持する。次いで、温度を１０４５℃まで上げて、１時間維持する。その後、温度を、４℃／時の冷却速度以内で１０４５℃から９９２℃まで冷却する。次いで、温度を０．２℃／時の冷却速度以内で９９２℃から９８２℃まで冷却する。最後に、温度を室温まで下げて、ターゲットの製造が完了する。８質量％のＹ2ＢａＣｕＯ5を伴うＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のターゲットとＭｇＯ基板とを、堆積装置のチャンバー内に配置する。次いで、当該チャンバーの圧力を、ポンプで約１×１０-6ｍｂａｒまで下げる。次に、チャンバー内の基板の温度を８５０℃まで上げる。次いで、３００ｍＴｏｒｒの酸素をチャンバー内に導入する。その後、２４８ｎｍの平均波長を有するレーザー光源によって堆積工程を行う。それにより、ターゲットが基板上に堆積され、その結果、薄膜が基板上に形成される。レーザーのエネルギー密度は１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である。薄膜（すなわち、超伝導膜）の厚さが１５０〜３５０ｎｍに達した後、チャンバー内の基板の温度を５００℃まで下げる。次いで、０．８〜１ａｔｍの酸素をチャンバー内に導入し、当該圧力を０．５〜１時間維持する。最後に、温度を室温まで下げて、比較例３の超伝導膜の製造が完了する。本開示の比較例３の超伝導膜のＴＥＭ分析である図５を参照されたい。図５に示されるように、基板のマグネシウムは超伝導膜へと拡散する。
第１〜２表を参照されたい。第１表は、実施例１〜２の間での基板、格子定数、ターゲット、および超伝導膜の臨界電流密度の比較を示している。第２表は、比較例１〜３の間での基板、格子定数、ターゲット、および超伝導膜の臨界電流密度の比較を示している。実施例１〜２、比較例１、および比較例３におけるターゲットは、同一であるが（ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5）、実施例１〜２、比較例１、および比較例３の基板は異なっている。比較例２において、ターゲットはＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7である。
実施例１〜２の基板の格子定数とＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の格子定数（ａ＝３．８２１Å、ｂ＝３．８８５Å）との差が大きいため、堆積工程の間にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5は同時に基板上に形成されるが、Ｙ2ＢａＣｕＯ5は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に均一に分散されたナノ粒子として形成される。それにより、ピンニングセンターの最小化および非集中化が達成される。上記の結果は、図３のＴＥＭ分析において確認することができる。比較例１に関して、比較例１と実施例１〜２との違いは、比較例１において使用される基板がＳＴＯであることであり、これは３．９０５Åの格子定数を有し、超伝導膜におけるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の格子定数に近い。図４のＴＥＭ分析において、黒い領域はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7を表しており、白い領域はＹ2ＢａＣｕＯ5を表している。図３と比較した場合、図４のＴＥＭ分析では、比較例１において使用されるＳＴＯ基板の格子定数と超伝導膜におけるＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7の格子定数との差が小さいため、Ｙ2ＢａＣｕＯ5は、図３に示されるようなＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散されるナノ粒子として形成されるのではなく、層状に凝集している。換言すれば、ピンニングセンターがより小さく、より非集中化される場合、ピンニングセンターの量は増加し、磁束の渦は、より均一に超伝導体中に分配される。それにより、渦の間の反発力が低くなり、ピンニングの効果が向上し、これは、臨界電流密度が高められることを意味する。第１表に示されるように、実施例１の臨界電流密度（３．２６ＭＡ／ｃｍ2）および実施例２の臨界電流密度（２．０６ＭＡ／ｃｍ2）は、比較例１の電流密度（０．９９ＭＡ／ｃｍ2）よりも著しく大きい。
比較例２において、比較例２のターゲットはＹ2ＢａＣｕＯ5を有さないため、比較例２の臨界電流密度は非常に小さい（０．１１ＭＡ／ｃｍ2）。
比較例３に関して、堆積工程の間の基板温度は７８０℃〜８５０℃であるため、ＭｇＯ基板中のマグネシウムは当該堆積工程中に超伝導膜へと拡散する。図５に示されているように、マグネシウムが超伝導膜中へと拡散し、それにより、超伝導膜における超伝導相の超伝導性が損なわれる。７７Ｋおよび様々な磁場の下での、実施例１および２、比較例１および２における超伝導膜の臨界電流密度のダイヤグラムである図６を参照されたい。図に示されているように、実施例１の超伝導膜の臨界電流密度（Ｊｃ）は、７７Ｋおよび１Ｔの下において３．２６ＭＡ／ｃｍ2であり、実施例２の超伝導膜の臨界電流密度（Ｊｃ）は、７７Ｋおよび１Ｔの下において２．０６ＭＡ／ｃｍ2である。ただし、同じ条件下において、比較例１および比較例２の超伝導膜の臨界電流密度はそれぞれ０．９９ＭＡ／ｃｍ2および０．１１ＭＡ／ｃｍ2である。
本開示の超伝導膜ユニットおよびその製造方法により、当該単一のターゲットによって、当該超伝導膜が基板上に堆積される。当該ターゲットは、基板上にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（超伝導相）およびＹ2ＢａＣｕＯ5（非超伝導相）を形成する。さらに、基板の格子定数は５．０Å〜５．５Åであり、そのため、基板の格子定数と超伝導膜の格子定数との差はより大きい。したがって、Ｙ2ＢａＣｕＯ5は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に均一に分散された粒子として形成される。ピンニングセンターの最小化および非集中化が達成され、それにより、ピンニングセンターの量が増加され、磁束の渦は、より均一に超伝導体中に分配される。結果として、渦の間の反発力が低くなり、ピンニングの効果が向上し、これは、臨界電流密度が高められることを意味する。
本開示のいくつかの他の実施形態において、ターゲットは、上部種付け溶融凝固法または焼結法などによって形成される。したがって、当該ターゲットはよりコンパクトであり、それにより製造される超伝導膜の品質が向上する。
開示される実施形態に対し、様々な変更および変形を為すことが可能であることは、当業者に明らかであろう。本明細書および実施例は、単なる例示と見なされるべきであり、本開示の真の範囲は以下の特許請求項およびそれらの等価物によって示されることが意図される。

Claims (18)

  1. 格子定数が５．０Å〜５．５Åである基板と、
    前記基板上に配設された、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を含む超伝導膜と、を含み、
    前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5が前記ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散されている、超伝導膜ユニット。
  2. 前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5および前記ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7が前記基板に接触している、請求項１に記載の超伝導膜ユニット。
  3. 前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率が、前記超伝導膜の総質量に対して５質量％〜１５質量％である、請求項１に記載の超伝導膜ユニット。
  4. 前記基板が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ランタンアルミネート（ＬＡＯ）、Ｙ3ＮｂＯ7、Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7、ＣｅＯ2、またはＮｄＧａＯ3である、請求項１に記載の超伝導膜ユニット。
  5. 前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5が、前記ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散された粒子として形成される、請求項１に記載の超伝導膜ユニット。
  6. 前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5の直径が１５ｎｍ〜３０ｎｍである、請求項５に記載の超伝導膜ユニット。
  7. 前記超伝導膜の厚さが１５０ｎｍ〜３５０ｎｍである、請求項１に記載の超伝導膜ユニット。
  8. 超伝導線に利用される、請求項１に記載の超伝導膜ユニット。
  9. 基板の格子定数が５．０Å〜５．５Åである基板を準備し、
    ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7およびＹ2ＢａＣｕＯ5を含むターゲット、であるターゲットを準備し、
    前記ターゲットで前記基板上に同時に前記ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7および前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5を形成する、堆積工程を行い、前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5が前記ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散されている、超伝導膜ユニットの製造方法。
  10. 前記堆積工程における前記基板の温度が７８０℃〜８５０℃である、請求項９に記載の方法。
  11. 前記堆積工程がパルスレーザーデポジションである、請求項９に記載の方法。
  12. 前記パルスレーザーデポジションのレーザーのエネルギー密度が１．５Ｊ／ｃｍ2〜２．０Ｊ／ｃｍ2である、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記パルスレーザーデポジションのレーザーの平均波長が２４８ｎｍである、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記堆積工程の前に、さらに、
    上部種付け溶融凝固法または焼結法を行うことを含む、請求項９に記載の方法。
  15. 前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5の質量百分率が、前記ターゲットの総質量に対して５質量％〜１５質量％である、請求項９に記載の方法。
  16. 前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5が、前記堆積工程中に、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7中に分散された粒子として形成される、請求項９に記載の方法。
  17. 前記基板が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ランタンアルミネート（ＬＡＯ）、Ｙ3ＮｂＯ7、Ｇｄ2Ｚｒ2Ｏ7、ＣｅＯ2、またはＮｄＧａＯ3である、請求項９に記載の方法。
  18. 前記Ｙ2ＢａＣｕＯ5および前記ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7が前記基板に接触している、請求項９に記載の方法。
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