JP2022073173A - ルテニウム酸化物単結晶の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】溶融帯域法によってルテニウム酸化物単結晶を製造する方法であって、溶融帯を2000℃以上の温度にまで加熱できるランプ13、14を用い、単結晶育成工程中の溶融帯の長さを5mm以下としてルテニウム酸化物単結晶の育成を行う、ルテニウム酸化物単結晶の製造方法。好ましくは、ランプが複数のフィラメント23を備える場合において、複数のフィラメント23が水平方向に並置された単層型構成のものであり、さらに好ましくは、単層型構成の単層の厚みは1~3mmである。ルテニウム酸化物がSr2RuO4、Ca3Ru2O7、CaRuO3、SrRuO3、または、Sr3Ru2O7である。
【選択図】図1
Description
なお、特許文献1には、融点が1400℃程度の超伝導材料Bi2Sr2Ca2CuO8+δの良質な単結晶が得られることが記載されている(段落0013参照)。
図1は、本発明の実施形態に係るルテニウム酸化物単結晶製造装置の一例の縦断面図である。また、図2は、図1のルテニウム酸化物単結晶製造装置10におけるA-A線に沿う水平断面図を示す。
原料棒18としては例えば、その直径D2(図4参照)が4~8mm程度のものを用いることができる。
また、種結晶棒20としては例えば、その直径D1(図4参照)が3~8mm程度のものを用いることができる。
また、赤外線ランプ13,14が複数個のコイル状フィラメントを備える場合、図3には平面状に並置する単層型(1段型)構成のものを例示したが、2段に並置する二層型(2段型)構成のものでもよいし、3段以上に並置する複数層型(複数段型)構成のものでもよい。
2段に並置する二層型構成の場合、隣り合うコイル状フィラメントを互いに千鳥形に上下に配置した構成としてもよい。
3段以上に並置する複数層型の場合も、隣り合うコイル状フィラメントを互いに千鳥形に上下に配置した構成としてもよい。
この厚み範囲にすることよって、集光点での温度分布の拡がりを抑制して、単結晶育成中の溶融帯の長さを5mm以下にしやすくなる。
一方、直列接続された中央部のコイル状フィラメント23a,23bを通電状態にしたまま、両側(左右)のコイル状フィラメント23c,23dに、電源(V2)30により通電すると、中央部のコイル状フィラメント23a,23bの通電による輻射エネルギに、両側(左右)のコイル状フィラメント23c,23dの通電による輻射エネルギが加算されて、被加熱部15における加熱域の断面積を大きくすることができる。
本発明のルテニウム酸化物単結晶の製造方法は、溶融帯域法によってルテニウム酸化物単結晶を製造する方法であって、溶融帯を2000℃以上の温度にまで加熱できるランプを用い、単結晶育成工程中の溶融帯の長さを5mm以下としてルテニウム酸化物単結晶の育成を行う。
まず、石英管16内を不活性ガス(例えば、アルゴン)等適切な雰囲気で置換した後、回転楕円面鏡11,12の一方の焦点F1,F2近傍に配置された赤外線ランプ13,14の中央部のコイル状フィラメント23a,23bのみに電源(V1)29により通電して、赤外線ランプ13,14から照射される赤外線を、回転楕円面鏡11,12で反射させ、共通の他方の焦点F0に位置する被加熱部15に集光させて赤外線加熱する。この赤外線加熱による輻射エネルギにより、被加熱部15の原料棒18の下端および種結晶棒20の上端を加熱溶融させながら、円滑に接触させることにより、図4に示すように、原料棒18と種結晶棒20間の被加熱部15に、溶融帯(以下、FZということがある)31を形成させる。溶融帯を2000℃以上の温度にまで加熱することができる。
なお、フィラメント構成の厚みが3mmを超えた構成であっても、FZ31の長さLを5mm以下に調整することは可能であるが、3mm以下にした方がFZ31の長さLを5mm以下に調整することができる。
FZ31の長さLは、原料棒18側の固液界面18aから種結晶棒20側の固液界面20aまでの長さである。固液界面18a及び固液界面20aは、溶融液が目視で確認できる箇所として特定できる。図5に、単結晶育成中の溶融帯(FL)31の近傍の写真を示す。
ここで、Sr2RuO4、Ca3Ru2O7、CaRuO3、SrRuO3、Sr3Ru2O7の融点は2100℃程度である。
なお、Sr2RuO4の密度は5.92g/cm3であり、Ca3Ru2O7の密度は4.97g/cm3である。
(Sr2RuO4単結晶の育成)
図1に示した双楕円型のルテニウム酸化物単結晶製造装置において、赤外線ランプとしては図6(a)に示す4つのコイル状フィラメント(各フィラメントの直径:2mm、長さ:25mm)が横につながって単層型構成(厚み:2mm、平面視での幅:20mm:20mm)に配置されたハロゲンランプを用い、2Wの電力にて、図7(a)に示すようにルテニウム酸化物単結晶の育成工程中の溶融帯の長さを5mm以下として、Sr2RuO4単結晶を育成した。
種結晶棒の直径は6mmであり、原料棒の直径は6mmであった。得られるSr2RuO4単結晶の断面はおおよそ楕円状又は円状であることが多い。楕円状である場合、長軸は5mm以下であり、平均すると4mm程度であり、短軸は4mm以下であり、平均すると3mm程度であることが多い。
(1)X線ラウエ回折法による解析
図9に、育成した結晶について得られたX線ラウエ写真を示す。X線ラウエ写真から、高品質のSr2RuO4単結晶が育成できたことが確認できた。
このラウエ写真は、結晶の育成方法に対し、垂直方向に対しX線を照射して得られたものである。この写真から、照射方向が結晶の(001)面であること、さらに、結晶の育成方向の情報が得られる。それぞれの育成で得られた結晶のラウエ写真から、結晶は、(100)方向よりも15度程度ずれた方向に育成していることが多い。
図10に、育成した結晶について得られた比熱測定を行った結果を示す。グラフから、1.5Kで明確な超伝導転移が確認できる。Sr2RuO4は不純物依存性が高く、不純物濃度が高い場合に超伝導転移を確認できない。この結果は、不純物濃度が0.15%以下であることを示すものである。
図1に示した双楕円型のルテニウム酸化物単結晶製造装置において、赤外線ランプとしては図6(b)に示す8つのコイル状フィラメントを隣り合うコイル状フィラメントを互いに千鳥形に上下に配置した二層型構成(各フィラメントの直径:2mm、長さ:20mm、平面視での幅:20mm)に配置された従来のハロゲンランプを用い、実施例と同じ2Wの電力にて、図7(b)に示すようにルテニウム酸化物単結晶の育成工程中の溶融帯の長さを8mm程度として、Sr2RuO4単結晶を育成した。
この結果を踏まえると、実施例1では、比較例と比べて大型のSr2RuO4単結晶が得られ、その品質は結晶構造及び不純物濃度の両面において比較例と同程度に高品質なSr2RuO4単結晶が得られたと言える。
Ca3Ru2O7についても実施例1と同様にして、単結晶の育成を行ったところ、実施例1と同様に、高品質でかつ大型化されたCa3Ru2O7単結晶で得られた。
11,12 回転楕円面鏡
13,14 赤外線ランプ
15 被加熱部
16 石英管
17 原料棒支持駆動軸
18 原料棒
18a 原料棒側の固液界面
19 種結晶棒支持駆動軸
20 種結晶棒
20a 種結晶棒側の固液界面
23a~23d コイル状フィラメント
24 石英
25~28 端子部
29,30 電源
31 溶融帯(FZ)
Claims (5)
- 溶融帯域法によってルテニウム酸化物単結晶を製造する方法であって、
溶融帯を2000℃以上の温度にまで加熱できるランプを用い、
単結晶育成工程中の溶融帯の長さを5mm以下として前記ルテニウム酸化物単結晶の育成を行う、ルテニウム酸化物単結晶の製造方法。 - 前記ランプが複数のフィラメントを備える場合において、前記複数のフィラメントが水平方向に並置された単層型構成のもの、請求項1に記載のルテニウム酸化物単結晶の製造方法。
- 前記単層型構成の単層の厚みは1mm以上、3mm以下である、請求項2に記載のルテニウム酸化物単結晶の製造方法。
- 前記ルテニウム酸化物がSr2RuO4、Ca3Ru2O7、CaRuO3、SrRuO3、または、Sr3Ru2O7である、請求項1~3のいずれか一項に記載のルテニウム酸化物単結晶の製造方法。
- 回転楕円面鏡と、
前記回転楕円面鏡の一方の焦点に配置されたランプと、
原料棒を支持して駆動する原料棒支持駆動軸と、
種結晶棒を支持して駆動する種結晶棒支持駆動軸と、を備え、
前記ランプは、溶融帯を2000℃以上の温度にまで加熱可能である、ルテニウム酸化物単結晶製造装置。
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