JP2501035B2 - Superconducting thin film - Google Patents

Superconducting thin film

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JP2501035B2
JP2501035B2 JP63132946A JP13294688A JP2501035B2 JP 2501035 B2 JP2501035 B2 JP 2501035B2 JP 63132946 A JP63132946 A JP 63132946A JP 13294688 A JP13294688 A JP 13294688A JP 2501035 B2 JP2501035 B2 JP 2501035B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超電導薄膜に関する。より詳細には、高い超
電導臨界温度を有するだけでなく、高い臨界電流密度を
有し、且つ組成の均一な超電導薄膜に関する。
The present invention relates to a superconducting thin film. More specifically, the present invention relates to a superconducting thin film having not only a high superconducting critical temperature but also a high critical current density and a uniform composition.

従来の技術 電子の相転移であるといわれる超電導現象は、特定の
条件下で導体の電気抵抗が零の状態となり完全な反磁性
を示す現象である。
2. Description of the Related Art The superconducting phenomenon, which is said to be a phase transition of electrons, is a phenomenon in which the electric resistance of a conductor becomes zero under certain conditions and shows perfect diamagnetism.

超電導現象の代表的な応用分野であるエレクトロニク
スの分野では、各種の超電導素子が提案され、また開発
されている。代表的なものとしては、超電導材料どうし
を弱く接合した場合に、印加電流によって量子効果が巨
視的に現れるジョセフソン効果を利用した素子が挙げら
れる。また、トンネル接合型ジョセフソン素子は、超電
導材料のエネルギーギャップが小さいことから、極めて
高速な低電力消費のスイッチング素子として期待されて
いる。さらに、電磁波や磁場に対するジョセフソン効果
が正確な量子現象として現れることから、ジョセフソン
素子を磁場、マイクロ波、放射線等の超高感度センサと
して利用することも期待されている。超高速電子計算機
では、単位面積当たりの消費電力が冷却能力の限界に達
してきているため、超電導素子の開発が要望されてお
り、さらに、電子回路の集積度が高くなるにつれて、電
流ロスの無い超電導材料を配線材料として用いることが
要望されている。
In the field of electronics, which is a typical application field of superconducting phenomena, various superconducting elements have been proposed and developed. A typical example is an element utilizing the Josephson effect in which quantum effects appear macroscopically by an applied current when superconducting materials are weakly joined. In addition, the tunnel junction type Josephson element is expected as an extremely high speed and low power consumption switching element because the energy gap of the superconducting material is small. Furthermore, since the Josephson effect with respect to electromagnetic waves and magnetic fields appears as an accurate quantum phenomenon, it is expected that the Josephson device will be used as an ultra-sensitive sensor for magnetic fields, microwaves, radiation, etc. In ultra-high-speed computers, the power consumption per unit area has reached the limit of cooling capacity, so the development of superconducting elements has been demanded, and as the degree of integration of electronic circuits increases, there is no current loss It is desired to use a superconducting material as a wiring material.

しかし、様々な努力にもかかわらず、超電導材料の超
電導臨界温度Tcは長期間に亘ってNb3Geの23Kを越えるこ
とができなかった。
However, despite various efforts, the superconducting critical temperature Tc of the superconducting material could not exceed 23K of Nb 3 Ge for a long time.

ところが、1986年に、ベドノーツおよびニューラー達
によって高いTcをもつ複合酸化物系の超電導材料が発見
されるにいたって、高温超電導の可能性が大きく開けて
きた(Bednorz,Muller,“Z,Phys.B64(1986)189")。
However, in 1986, when Bednotz and Neuler et al. Discovered a composite oxide superconducting material having a high Tc, the possibility of high temperature superconductivity opened up greatly (Bednorz, Muller, “Z, Phys. B64 (1986) 189 ").

これまでにも、複合酸化物系のセラミック材料が超電
導特性を示すということ自体は既に公知であり、例え
ば、米国特許第3,932,315号には、Ba-Pb-Bi系の複合酸
化物が超電導特性を示すということが記載されており、
また、特開昭60-173,885号公報にはBa-Bi系の複合酸化
物が超電導特性を示すということが記載されている。し
かし、これまでに知られていた複合酸化物のTcは10K以
下であり、超電導現象を起こさせるには液体ヘリウム
(沸点4.2K)を用いる以外なかった。
So far, it is already known that the composite oxide-based ceramic material exhibits superconducting properties.For example, in U.S. Pat.No. 3,932,315, Ba-Pb-Bi-based composite oxides have superconducting properties. It is stated that it indicates,
Further, JP-A-60-173,885 describes that a Ba-Bi-based composite oxide exhibits superconducting properties. However, the Tc of the composite oxide known so far is 10 K or less, and the only way to cause superconductivity is to use liquid helium (boiling point 4.2 K).

ベドノーツおよびミューラー達によって発見された酸
化物超電導体は(La,Ba)2CuO4で、この酸化物超電導体
は、K2NiF4型酸化物と呼ばれるもので、従来から知られ
ていたペロブスカイト型超電導酸化物と結晶構造が似て
いるが、そのTcは従来の超電導材料に比べて飛躍的に高
い約30Kという値である。
The oxide superconductor discovered by Bednots and Mueller is (La, Ba) 2 CuO 4 , and this oxide superconductor is known as K 2 NiF 4 type oxide. Although its crystal structure is similar to that of superconducting oxide, its Tc is about 30K, which is dramatically higher than that of conventional superconducting materials.

更に、1987年2月になって、チュー達によって90Kク
ラスの臨界温度を示すBa−Y系の複合酸化物が発見され
た。このYBCOと称されるBa−Y系の複合酸化物はY1Ba2C
u3O7-Xで表される複合酸化物である。
Furthermore, in February 1987, Chu et al. Discovered a Ba—Y-based complex oxide having a critical temperature of 90K class. This Ba-Y type composite oxide called YBCO is Y 1 Ba 2 C
It is a composite oxide represented by u 3 O 7-X .

続いて発見されたBi-Sr-Ca-Cu系およびTl-Ba-Ca-Cu系
複合酸化物は、Tcが100K以上であるばかりでなく、化学
的にも安定しており、YBCO等のような超電導特性の経時
的劣化が少ない。
The Bi-Sr-Ca-Cu-based and Tl-Ba-Ca-Cu-based composite oxides that were subsequently discovered not only have a Tc of 100 K or more, but are also chemically stable, and are similar to YBCO and the like. There is little deterioration with time of superconducting properties.

これらの新しい複合酸化物系超電導材料の発見によっ
て高温超電導体実現の可能性が俄かに高まっている。
The discovery of these new composite oxide-based superconducting materials has dramatically increased the possibility of realizing high-temperature superconductors.

これら複合酸化物超電導体の超電導特性には、結晶中
の酸素欠陥が大きな役割を果たしている。すなわち、結
晶中の酸化欠陥が適正でないと、Tcは低く、また、オン
セット温度と抵抗が完全に0となる温度との差も大きく
なる。
Oxygen defects in the crystal play a major role in the superconducting properties of these complex oxide superconductors. That is, if the oxidation defects in the crystal are not proper, Tc is low, and the difference between the onset temperature and the temperature at which the resistance is completely zero becomes large.

従来、上記複合酸化物超電導体薄膜を作製する際に
は、焼結等で生成した酸化物を蒸着源としたスパッタリ
ング法のような物理蒸着により成膜した後、酸素雰囲気
中で熱処理を行うか、酸素プラズマに曝す等の処理を行
っていた。
Conventionally, when the above-mentioned composite oxide superconductor thin film is produced, is it formed by physical vapor deposition such as a sputtering method using an oxide generated by sintering as a vapor deposition source, and then heat treatment is performed in an oxygen atmosphere? , The plasma was exposed to oxygen plasma.

発明が解決しようとする課題 上記の複合酸化物超電導体材料は、特に、薄膜化する
と、その超電導特性が悪化し易いという欠点がある。特
に、これまで発表された超電導薄膜では臨界電流密度
(Jc)が数百A/cm2と低いため実際にデバイス等として
使うことができなかった。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention The above-mentioned composite oxide superconductor material has a drawback that its superconducting property is apt to be deteriorated particularly when it is thinned. In particular, the superconducting thin films that have been announced so far cannot be actually used as devices because the critical current density (Jc) is as low as several hundred A / cm 2 .

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解
決し、高い臨界温度Tcを有し、且つ実用的な臨界電流密
度Jcを有し、且つ均一な組成および組織の超電導材料の
薄膜を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to solve the problems of the above-mentioned conventional techniques, have a high critical temperature Tc, and have a practical critical current density Jc, and a thin film of a superconducting material having a uniform composition and structure. To provide.

課題を解決するための手段 上記した問題点を解決するため種々の実験、検討を繰
り返した結果、本発明は完成されたものであり、本発明
に従うと、Y、La、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Nd、
SmおよびEuで構成される群から選択された少なくとも一
つの元素Lnと、Baと、Cuとを含む複合酸化物系超電導体
の薄膜において、この薄膜がc軸配向性の単結晶または
多結晶によって構成されていることを特徴とする超電導
薄膜が提供される。
Means for Solving the Problems Various experiments for solving the above-mentioned problems, as a result of repeating examination, the present invention has been completed, and according to the present invention, Y, La, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Nd,
In a thin film of a complex oxide superconductor containing at least one element Ln selected from the group consisting of Sm and Eu, Ba, and Cu, the thin film is formed by a c-axis oriented single crystal or polycrystal. A superconducting thin film is provided which is characterized by being constituted.

本発明の薄膜は、Ln1Ba2Cu3O7(ただし、Lnは、上記
の定義の元素である)結晶のa軸またはb軸の格子定数
に近い格子定数を持つ単結晶の(100)面を成膜面とし
た基板上に形成されたc軸配向性の単結晶または多結晶
によって構成されていることが好ましい。
The thin film of the present invention is a single crystal (100) having a lattice constant close to the lattice constant of the a-axis or the b-axis of Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7 (where Ln is an element as defined above) crystal. It is preferably composed of a c-axis oriented single crystal or polycrystal formed on a substrate whose surface is a film formation surface.

さらに、本発明の超電導薄膜は、LnBa2Cu3O7なる酸化
物超電導体のパウダーパターンの最強反射面の反射強度
IMAXと(00n)面〔但し、nは整数〕の反射強度I00n
比I00n/IMAXと、 該パウダーパターンの最強反射面と同じ指数を持つ結
晶面の上記超電導薄膜のX線回折パターンにおける反射
強度JMAXと該超電導薄膜の(00n)面〔但し、nは整
数〕の反射強度J00nとの比J00n/JMAXと、 が以下の関係: J00n/JMAX≧2(I00n/IMAX) を持たすことを特徴とする。
Furthermore, the superconducting thin film of the present invention is the reflection intensity of the strongest reflecting surface of the powder pattern of the oxide superconductor made of LnBa 2 Cu 3 O 7.
The ratio I 00n / I MAX of the reflection intensity I 00n of I MAX and the (00n) plane [where n is an integer], and the X-ray diffraction of the superconducting thin film of the crystal plane having the same index as the strongest reflection surface of the powder pattern. reflection intensity J MAX and said superconducting thin film (00n) plane in the pattern [where, n is an integer] and the ratio J 00n / J MAX the reflection intensity J 00n of, but following relations: J 00n / J MAX ≧ 2 ( I 00n / I MAX ).

具体的には、X線回折パターンにおいて、(002)
面、(003)面、(005)面および(006)面の反射強度
が(111)面および(112)面の反射強度の2倍以上であ
る。
Specifically, in the X-ray diffraction pattern, (002)
The reflection intensities of the plane, the (003) plane, the (005) plane, and the (006) plane are more than twice the reflection intensity of the (111) plane and the (112) plane.

尚、上記したc軸配向性とは、膜面に対してc軸が垂
直に配向したものに限定されず、所定の角度を以て配向
したものも含んでいる。
The above-mentioned c-axis orientation is not limited to the orientation in which the c-axis is perpendicular to the film surface, but also includes orientation with a predetermined angle.

作用 本発明による超電導薄膜は、Y、La、Gd、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu、Nd、SmおよびEuで構成される群から選
択された元素Lnと、Baと、Cuとを含む複合酸化物系超電
導体によって構成される薄膜において、この薄膜がc軸
配向性の単結晶または多結晶によって構成されているこ
とを特徴としている。
Action The superconducting thin film according to the present invention is composed of Y, La, Gd, Dy, Ho and E.
In a thin film formed of a complex oxide superconductor containing Ba, Cu, and an element Ln selected from the group consisting of r, Tm, Yb, Lu, Nd, Sm, and Eu, this thin film is c It is characterized by being composed of an axially oriented single crystal or polycrystal.

上記の複合酸化物系超電導体よりなる薄膜は、一般
に、 Ln1Ba2Cu3O7-X (ただし、LnはY、La、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、
Nd、SmおよびEuで構成される群から選択された元素を表
し、0<x<1である)で表される複合酸化物の薄膜で
ある。
A thin film made of the above complex oxide superconductor is generally Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (where Ln is Y, La, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu,
A thin film of a complex oxide represented by 0 <x <1, which represents an element selected from the group consisting of Nd, Sm, and Eu.

具体的には、下記の複合酸化物の薄膜が挙げられる。 Specifically, the following thin films of complex oxides may be mentioned.

Y1Ba2Cu3O7-X、La1Ba2Cu3O7-X、 Gd1Ba2Cu3O7-X、Dy1Ba2Cu3O7-X、 Ho1Ba2Cu3O7-X、Er1Ba2Cu3O7-X、 Tm1Ba2Cu3O7-X、Yb1Ba2Cu3O7-X、 Lu1Ba2Cu3O7-X、Nd1Ba2Cu3O7-X、 Sm1Ba2Cu3O7-X、Eu1Ba2Cu3O7-X、 (ただしxは0<x<1を満たす数である) これらの複合酸化物の薄膜は、酸素欠損を有するペロ
ブスカイト型結晶構造を有する薄膜である。
Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , La 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Gd 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Dy 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Ho 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Er 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Tm 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Yb 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Lu 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Nd 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Sm 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Eu 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , where x is a number satisfying 0 <x <1 The oxide thin film is a thin film having a perovskite crystal structure having oxygen deficiency.

本発明の超電導薄膜は、以下の特徴を有することで、
従来のものと容易に区別できる。先ず、下記の用語を定
義する。
The superconducting thin film of the present invention has the following features,
It can be easily distinguished from the conventional one. First, the following terms are defined.

IMAX:LuBa2Cu3O7で表される複合酸化物結晶のパウダー
パターンの最強反射面の反射強度、 I00n:上記結晶の(00n)面〔但し、nは整数〕の反射
強度、 JMAX:本発明による複合酸化物系薄膜のX線回折パター
ンにおける上記パウダーパターンの最強反射面と同じ指
数を持つ結晶面の反射強度、 J00n:上記薄膜の(00n)面〔但し、nは整数〕の反射
強度。
I MAX : reflection intensity of the strongest reflection surface of the powder pattern of the complex oxide crystal represented by LuBa 2 Cu 3 O 7 , I 00n : reflection intensity of the (00n) plane of the above crystal (where n is an integer), J MAX : reflection intensity of a crystal plane having the same index as the strongest reflection plane of the powder pattern in the X-ray diffraction pattern of the complex oxide thin film according to the present invention, J 00n : (00n) plane of the thin film [where n is an integer ] The reflection intensity of.

本発明による複合酸化物系超電導体によって構成され
る薄膜は、以下の特徴を有するX線回折パターンを有し
ている。
The thin film composed of the complex oxide superconductor according to the present invention has an X-ray diffraction pattern having the following features.

(1) 上記各反射強度の間の比I00n/IMAXおよび比J
00n/JMAXが以下の関係: J00n/JMAX≧2(I00n/IMAX) を満たす(00n)面が少なくとも1つある。
(1) Ratio I 00n / I MAX and ratio J between the above reflection intensities
00n / J MAX is the following relationship: J 00n / J MAX ≧ 2 satisfies the (I 00n / I MAX) ( 00n) plane there is at least one.

上記の(00n)面は、具体的には、(002)面、(00
3)面、(005)面および(006)面である。
Specifically, the (00n) planes above are (002) planes, (00
3) plane, (005) plane and (006) plane.

(2) 本発明による複合酸化物系薄膜のX線回折パタ
ーンにおける(002)面、(003)面、(005)面および
(006)面の反射強度は(111)面および(112)面の反
射強度の2倍以上である。
(2) The reflection intensities of the (002) plane, the (003) plane, the (005) plane, and the (006) plane in the X-ray diffraction pattern of the complex oxide thin film according to the present invention are the same as those of the (111) plane and the (112) plane. It is more than twice the reflection intensity.

この複合酸化物系超電導体の薄膜は、一般に、マグネ
トロンスパッタリング等のスパッタリング法のような物
理蒸着法を用いて成膜することができる。特に、マグネ
トロンスパッタで作製した薄膜は結晶構造、酸素欠損状
態等の面で優れた超電導特性を有している。なお、上記
の複合酸化物の数膜の場合には、結晶中の酸素欠損状態
がその超電導特性に大きく影響するので、結晶中の酸素
欠損量を適正に制御するために、薄膜の形成を適切な酸
素含有雰囲気下で行うのが好ましい。
The thin film of the complex oxide superconductor can be generally formed by using a physical vapor deposition method such as a sputtering method such as magnetron sputtering. In particular, a thin film produced by magnetron sputtering has excellent superconducting properties in terms of crystal structure, oxygen deficiency state and the like. In the case of several films of the above composite oxide, the oxygen deficiency state in the crystal has a great influence on its superconducting property, and therefore, in order to properly control the amount of oxygen deficiency in the crystal, it is necessary to form a thin film with an appropriate oxygen content. It is preferable to carry out in a containing atmosphere.

物理蒸着法を用いて作られた上記Ln1Ba2Cu3O7-Xで表
される酸化物超電導体の薄膜は90K程度の高いTcを示す
が、従来法で作成された薄膜は、超電導臨界電流密度Jc
が小さく、実用上、大きな問題であった。その一つの理
由は、上記の複合酸化物系超電導体の薄膜の超電導臨界
電流密度の値が結晶異方性を有しているためである。す
なわち、上記酸化物の結晶は、結晶のa軸およびb軸で
決定される面に平行な方向の超電導臨界電流密度は極め
て大きいが、その他の方向の超電導臨界電流密度は小さ
い。従来の超電導薄膜は、この超電導臨界電流密度の結
晶異方性を考慮していなかったため、結晶の方向が揃っ
ておらず、従って、超電導臨界電流密度が小さかった。
The thin film of the oxide superconductor represented by Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X prepared by physical vapor deposition has a high Tc of about 90 K, but the thin film prepared by the conventional method is superconducting. Critical current density Jc
Was small and was a big problem in practical use. One of the reasons is that the value of the superconducting critical current density of the thin film of the complex oxide superconductor has crystal anisotropy. That is, in the crystal of the oxide, the superconducting critical current density in the direction parallel to the plane determined by the a-axis and the b-axis of the crystal is extremely large, but the superconducting critical current density in the other directions is small. In the conventional superconducting thin film, since the crystal anisotropy of the superconducting critical current density was not taken into consideration, the directions of the crystals were not aligned, and therefore the superconducting critical current density was small.

本発明は薄膜を構成する上記複合酸化物系超電導体の
結晶のc軸配向性を揃えることによってこの問題を解決
したものである。すなわち、本発明の超電導薄膜では、
上記のようにc軸配向性を一定に揃えることによって、
その結晶のa軸およびb軸で決定される面に平行な方向
の超電導臨界電流密度を極めて大きくすることができ
る。従って、この超電導臨界電流密度が大きくなる方向
を電流の流れる方向と一致させれば、その方向に極めて
大きな超電導臨界電流を流すことができる。
The present invention solves this problem by arranging the c-axis orientation of the crystals of the above-mentioned composite oxide superconductor that constitutes the thin film. That is, in the superconducting thin film of the present invention,
By making the c-axis orientation constant as described above,
The superconducting critical current density in the direction parallel to the plane defined by the a-axis and the b-axis of the crystal can be made extremely large. Therefore, if the direction in which the superconducting critical current density increases is made coincident with the direction in which the current flows, an extremely large superconducting critical current can flow in that direction.

なお、薄膜を構成する上記複合酸化物は単結晶である
のが好ましいが、多結晶であってもよい。また、上記c
軸は一般に膜面、従って、基板の面に対して垂直な方向
に配向させるが、本発明はc軸が垂直に配向したものの
みに限定されるものではなく、所定の角度を以て配向し
ている場合も含まれる。特に、上記c軸を膜面、従っ
て、基板の面に対して平行に配向させて、膜の深さ方向
の電流密度を大きくすることもできる。いずれの方向に
c軸を配向させるかは、基板、より正確には、基板の成
膜面の特性によって決定される。
The above-mentioned composite oxide forming the thin film is preferably a single crystal, but may be a polycrystal. Also, the above c
The axis is generally oriented in a direction perpendicular to the film surface, and thus the surface of the substrate, but the present invention is not limited to the one in which the c-axis is oriented perpendicularly, and is oriented at a predetermined angle. The case is also included. In particular, the c-axis can be oriented parallel to the film surface, and thus the surface of the substrate, to increase the current density in the depth direction of the film. In which direction the c-axis is oriented is determined by the substrate, more precisely, the characteristics of the film-forming surface of the substrate.

上記c軸を膜面に対して垂直な方向に配向させる場合
には、基板としては、形成される複合酸化物結晶のa軸
および/またはb軸の格子定数に近いa軸および/また
はb軸の格子定数を持つ単結晶を用いられる。
When the c-axis is oriented in a direction perpendicular to the film surface, the substrate should be a-axis and / or b-axis close to the lattice constant of a-axis and / or b-axis of the complex oxide crystal to be formed. A single crystal with a lattice constant of is used.

本発明の特に好ましい実施例では、上記のLn1Ba2Cu3O
7で表される結晶のa軸またはb軸の格子定数に近いa
軸またはb軸の格子定数を持つ任意の単結晶基板上に、
その(100)面を成膜面として用いて、上記のc軸配向
性の単結晶または多結晶によって構成された薄膜を形成
することによって、基板の成膜面に平行な方向の電流密
度が大きくなるようにしている。
In a particularly preferred embodiment of the present invention, the above Ln 1 Ba 2 Cu 3 O
A close to the lattice constant of the a-axis or the b-axis of the crystal represented by 7
On an arbitrary single crystal substrate with a lattice constant of axis or b axis,
By using the (100) plane as a film formation surface to form a thin film composed of the above c-axis oriented single crystal or polycrystal, the current density in the direction parallel to the film formation surface of the substrate is increased. I am trying to become.

逆に、上記c軸を膜面に対して平行な方向に配向させ
る場合には、上記単結晶基板の(110)面を成膜面とし
て用いればよい。
On the contrary, when the c-axis is oriented in the direction parallel to the film surface, the (110) plane of the single crystal substrate may be used as the film formation surface.

この条件を満たす基板としては、MgO、SrTiO3、Al
2O3、サファイア、SiO2、石英、YSZ(イットリウムスタ
ビライズドジルコニア)およびZnO等を選択することが
できる。特に、スパッタリング時および熱処理時におい
て薄膜を破壊する恐れのある不要な応力を薄膜に与えな
いためには、熱膨脹率が薄膜の熱膨脹率に近いMgOおよ
びSrTiO3を選択するのが好ましい。
Substrates satisfying this condition include MgO, SrTiO 3 and Al.
2 O 3 , sapphire, SiO 2 , quartz, YSZ (yttrium stabilized zirconia) and ZnO can be selected. In particular, it is preferable to select MgO and SrTiO 3 whose coefficient of thermal expansion is close to that of the thin film in order to prevent unnecessary stress which may damage the thin film during sputtering and heat treatment.

以下に本発明を実施例により、さらに詳しく説明する
が、以下は単なる実施例であり、本発明の技術敵範囲は
以下の開示によって一切制限を受けないことはもちろん
である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following are merely Examples, and it goes without saying that the technical scope of the present invention is not limited by the following disclosure.

実施例1 Y2O3、BaOおよびCuOをY:Ba:Cuの原子比が1:2.15:3.2
となるよう秤量し、大気中において900℃焼成した。得
られた焼成体を粉砕した粉末をターゲットとして高周波
マグネトロンスパッタリングを用いて、酸化マグネシウ
ムの単結晶基板上に薄膜を成膜した。成膜条件は以下の
通りである。
Example 1 Y 2 O 3 , BaO and CuO were mixed at an atomic ratio of Y: Ba: Cu of 1: 2.15: 3.2.
Were weighed and baked at 900 ° C. in the atmosphere. A thin film was formed on a magnesium oxide single crystal substrate by using high-frequency magnetron sputtering with a powder obtained by crushing the obtained fired body as a target. The film forming conditions are as follows.

全圧力 :2×10-2Torr O2/Ar :0.16(圧力比) 基板 :MgOの(100)面 基板温度:720℃ このようにして、1000Åの厚さの薄膜を得た。この薄
膜を酸素気流中において、700℃に加熱し、その温度を2
4時間保ち、その後3℃/分の冷却速度で常温まで冷却
した。
Total pressure: 2 × 10 -2 Torr O 2 / Ar: 0.16 (pressure ratio) Substrate: MgO (100) face Substrate temperature: 720 ° C Thus, a thin film with a thickness of 1000Å was obtained. This thin film was heated to 700 ° C in an oxygen stream and its temperature was raised to 2
It was kept for 4 hours and then cooled to room temperature at a cooling rate of 3 ° C / min.

得られた薄幕は、下記の測定結果からMgO基板に対し
てc軸が垂直な配向性を持つY1Ba2Cu3O7-X(但し、xは
0<x<1を満たす数である)と考えられる多結晶の膜
であった。
The obtained thin curtain is Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (where x is a number satisfying 0 <x <1 based on the following measurement results and having an orientation in which the c-axis is perpendicular to the MgO substrate. It was a polycrystalline film considered to be).

第1図は、上述のようにして作製した薄膜のX線回折
パターンである。なお、本X線回折パターンは理学電機
製薄膜X線回折装置を用い、CuのKα線で得られたもの
である。一方、第2図は、Y1Ba2Cu3O7なる酸化物超電導
体粉末のX線回折パターンである。
FIG. 1 is an X-ray diffraction pattern of the thin film produced as described above. The X-ray diffraction pattern was obtained using Cu thin film X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Denki Co., Ltd. and Kα ray. On the other hand, FIG. 2 is an X-ray diffraction pattern of the oxide superconductor powder Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 .

第2図で、最強の反射強度を示す結晶面の指数は(10
3)、(110)面であった。
In Fig. 2, the index of the crystal plane showing the strongest reflection intensity is (10
3), the (110) plane.

上記酸化物超電導体のパウダーパターンの最強反射面
の反射強度をIMAX、(00n)面〔但し、nは整数〕の反
射強度をI00nとし、該パウダーパターンの最強反射面と
同じ指数を持つ結晶面の本実施例の超電導薄膜のX線回
折パターンにおける反射強度をJMAX、該超電導薄膜の
(00n)面〔但し、nは整数〕の反射強度をJ00nとす
る。
The reflection intensity of the strongest reflection surface of the powder pattern of the above oxide superconductor is I MAX , and the reflection intensity of the (00n) surface [where n is an integer] is I 00n and has the same index as the strongest reflection surface of the powder pattern. The reflection intensity of the crystal plane in the X-ray diffraction pattern of the superconducting thin film of this embodiment is J MAX , and the reflection intensity of the (00n) plane [where n is an integer] of the superconducting thin film is J 00n .

これらの反射強度間には第1表に示す関係が成立して
いる。
The relationship shown in Table 1 is established between these reflection intensities.

第1図および第1表の結果は、上記の複合酸化物の薄
膜が、(002)面、(003)面、(005)面および(006)
面における反射強度が上述の関係: J00n/JMAX≧2(I00n/IMAX) を満たすことを示している。
The results shown in Fig. 1 and Table 1 show that the thin film of the above complex oxide is (002) face, (003) face, (005) face and (006) face.
It is shown that the reflection intensity on the surface satisfies the above relationship: J 00n / J MAX ≧ 2 (I 00n / I MAX ).

さらに、電子線回折により上記の複合酸化物の薄膜の
結晶構造が、成膜面に垂直にc軸配向をしていることが
わかった。
Further, it was found by electron diffraction that the crystal structure of the thin film of the above composite oxide was c-axis oriented perpendicular to the film formation surface.

次に上記の厚さ1000Åの薄膜から幅1mmのサンプルを
切り出し、臨界温度Tcと臨界電流密度Jcとを測定した。
臨界温度の測定には4端子法を用いた。得られた結果を
以下に示す。
Next, a sample with a width of 1 mm was cut out from the above-mentioned thin film having a thickness of 1000 L, and the critical temperature Tc and the critical current density Jc were measured.
The four-terminal method was used to measure the critical temperature. The results obtained are shown below.

Tc:85K Jc:150,000A/cm2(液体窒素温度) これらの測定結果は、複合酸化物系超電導体の薄膜の
結晶構造を成膜面に垂直にc軸配向させることによっ
て、面内臨界電流密度Jcが大きく向上することを示して
いる。
Tc: 85K Jc: 150,000A / cm 2 (Liquid nitrogen temperature) These measurement results show that the in-plane critical current can be obtained by orienting the crystal structure of the thin film of the complex oxide superconductor in the c-axis direction perpendicular to the film formation surface. It shows that the density Jc is greatly improved.

実施例2 Y2O3、BaOおよびCuOをY:Ba:Cuの原子比が1:2.0:3.1と
なるよう秤量し、大気中において900℃で焼成した。得
られた焼成体を粉砕した粉末をターゲットとして高周波
マグネトロンスパッタリングを用いて、チタン酸ストロ
ンチウムの単結晶基板上に薄膜を成膜した。成膜条件は
以下の通りである。
Example 2 Y 2 O 3 , BaO and CuO were weighed so that the atomic ratio of Y: Ba: Cu was 1: 2.0: 3.1 and calcined at 900 ° C. in the atmosphere. A thin film was formed on a single crystal substrate of strontium titanate by using high frequency magnetron sputtering with a powder obtained by crushing the obtained fired body as a target. The film forming conditions are as follows.

全圧力 :2×10-2Torr O2/Ar :0.15(圧力比) 基板 :SrTiO3の(100)面 基板温度:720℃ このようにして、1000Åの厚さの薄膜を得た。この薄
膜を大気中において、710℃に加熱し、その温度を24時
間保ち、その後3℃/分の冷却速度で常温まで冷却し
た。
Total pressure: 2 × 10 -2 Torr O 2 / Ar: 0.15 (pressure ratio) Substrate: SrTiO 3 (100) surface Substrate temperature: 720 ° C Thus, a thin film with a thickness of 1000Å was obtained. This thin film was heated to 710 ° C. in the atmosphere, kept at that temperature for 24 hours, and then cooled to room temperature at a cooling rate of 3 ° C./min.

得られた薄幕は、基板に対してc軸が垂直な配向性を
持ったY1Ba2Cu3O7-X(但し、xは0<x<1を満たす数
である)と考えられる単結晶であった。
The obtained thin curtain is considered to be Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (where x is a number satisfying 0 <x <1) having an orientation in which the c-axis is perpendicular to the substrate. It was a single crystal.

実施例1と同様に反射強度の関係を第2表に示す。 The relationship between the reflection intensities is shown in Table 2 as in Example 1.

この厚さ1000Åの薄膜から幅1mm、サンプルを切り出
し、臨界温度Tcと臨界電流密度Jcとを測定した。臨界温
度Tcの測定には4端子法を用いた。得られた結果を以下
に示す。
A sample with a width of 1 mm was cut out from the thin film having a thickness of 1000 Å, and the critical temperature Tc and the critical current density Jc were measured. The four-terminal method was used to measure the critical temperature Tc. The results obtained are shown below.

Tc:86K Jc:160,000A/cm2 発明の効果 以上説明したように、本発明により、従来の超電導体
よりも遥かに高いJcをもつ超電導酸化物薄膜を得ること
が可能となる。従って、本発明を、超電導体を薄膜素子
として応用する分野、例えばジョセフソン素子と呼ばれ
るマティソー(Matisoo)のスイッチング素子やアナッ
カー(Anacker)のメモリー素子、さらには超電導量子
干渉計(SQUID)などに利用すると効果的である。
Tc: 86K Jc: 160,000 A / cm 2 Effect of the Invention As described above, according to the present invention, it becomes possible to obtain a superconducting oxide thin film having Jc much higher than that of the conventional superconductor. Therefore, the present invention is applied to a field in which a superconductor is applied as a thin film element, for example, a switching element of Matisoo called Josephson element, a memory element of Anacker, and a superconducting quantum interferometer (SQUID). Then it is effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明による薄膜のX線回折パターンを示
し、 第2図は、Y1Ba2Cu3O7なる酸化物超電導体の粉末のX線
回折パターンである。
1 shows the X-ray diffraction pattern of the thin film according to the present invention, and FIG. 2 shows the X-ray diffraction pattern of the powder of the oxide superconductor Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上代 哲司 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−282152(JP,A) 特開 昭63−277555(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tetsuji Ueshiro 1-1-1 Kunyokita, Itami City, Hyogo Prefecture, Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (56) Reference JP-A-63-282152 (JP, A) ) JP-A-63-277555 (JP, A)

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】一般式: Ln1Ba2Cu3O7-X (ただし、Lnは、Y、La、Gd、Ho、Er、Tm、Yb、Nd、S
m、EuおよびLuから選択された元素であり、0<X<1
である) で表される複合酸化物系超電導体によって構成され、結
晶の(00n)面(ただし、nは整数)におけるX線回折
パターンの反射強度J00nが、以下の式で示される関係を
満たすことを特徴とする超電導薄膜: J00n/JMAX≧2(I00n/IMAX) (ただし、 IMAXは、Ln1Ba2Cu3O7で表される複合酸化物結晶のX線
回折パターンの最強反射面の反射強度であり、 I00nは、上記複合酸化物結晶のX線回折パターンにおけ
る(00n)面(ただし、nは整数)の反射強度であり、 JMAXは、上記超電導薄膜のX線回折パターンにおける、
上記複合酸化物結晶のX線回折パターンの最強反射面と
等しい指数を有する結晶面の反射強度であり、 J00nは、上記超電導薄膜のX線回折パターンにおける結
晶の(00n)面(ただし、nは整数)の反射強度であ
る)。
1. A general formula: Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (where Ln is Y, La, Gd, Ho, Er, Tm, Yb, Nd, S.
An element selected from m, Eu and Lu, 0 <X <1
The reflection intensity J 00n of the X-ray diffraction pattern on the (00n) plane of the crystal (where n is an integer) is expressed by the following equation. Superconducting thin film characterized by satisfying: J 00n / J MAX ≧ 2 (I 00n / I MAX ) (where I MAX is X-ray diffraction of complex oxide crystal represented by Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7) I 00n is the reflection intensity of the (00n) plane (where n is an integer) in the X-ray diffraction pattern of the complex oxide crystal, and J MAX is the superconducting thin film. In the X-ray diffraction pattern of
J 00n is the reflection intensity of the crystal plane having the same index as the strongest reflection plane of the X-ray diffraction pattern of the complex oxide crystal, where J 00n is the (00n) plane of the crystal in the X-ray diffraction pattern of the superconducting thin film (however, n Is an integer) is the reflection intensity).
【請求項2】超電導薄膜が、単結晶基板上に物理蒸着法
で成膜された薄膜であることを特徴とする請求項1に記
載の超電導薄膜。
2. The superconducting thin film according to claim 1, wherein the superconducting thin film is a thin film formed by physical vapor deposition on a single crystal substrate.
【請求項3】超電導薄膜の結晶の(00n)面が、(002)
面、(003)面、(005)面および(006)面であること
を特徴とする請求項1または2に記載の超電導薄膜。
3. The (00n) plane of the crystal of the superconducting thin film is (002)
The superconducting thin film according to claim 1 or 2, which is a plane, a (003) plane, a (005) plane, or a (006) plane.
【請求項4】超電導薄膜が、Y、BaおよびCuを含む複合
酸化物で構成されており、第1図に示すX線回折パター
ンを示すことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項
に記載の超電導薄膜。
4. The superconducting thin film is composed of a composite oxide containing Y, Ba and Cu and exhibits the X-ray diffraction pattern shown in FIG. The superconducting thin film according to item.
【請求項5】超電導薄膜が、単結晶であることを特徴と
する請求項1〜4のいずれか1項に記載の超電導薄膜。
5. The superconducting thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein the superconducting thin film is a single crystal.
【請求項6】基板の単結晶のa軸および/またはb軸の
格子定数が、一般式: Ln1Ba2Cu3O7 (ただし、Lnは、Y、La、Gd、Ho、Er、Tm、Yb、Nd、S
m、EuおよびLuから選択された元素である) で表される複合酸化物の結晶のa軸および/またはb軸
の格子定数に近い値であることを特徴とする請求項2〜
5のいずれか1項に記載の超電導薄膜。
6. The a-axis and / or b-axis lattice constant of a single crystal of a substrate is represented by the general formula: Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7 (where Ln is Y, La, Gd, Ho, Er, Tm. , Yb, Nd, S
m, Eu, and Lu, which is an element selected from the following), which is a value close to the lattice constants of the a-axis and / or the b-axis of the crystal of the complex oxide represented by:
5. The superconducting thin film according to any one of 5 above.
【請求項7】単結晶基板の超電導薄膜が成膜される結晶
面が、(100)面であることを特徴とする請求項2〜6
のいずれか1項に記載の超電導薄膜。
7. The crystal plane on which the superconducting thin film of the single crystal substrate is formed is the (100) plane.
The superconducting thin film according to any one of 1.
【請求項8】単結晶基板の超電導薄膜が成膜される結晶
面が、(110)面であることを特徴とする請求項2〜6
のいずれか1項に記載の超電導薄膜。
8. The crystal plane on which the superconducting thin film of the single crystal substrate is formed is the (110) plane.
The superconducting thin film according to any one of 1.
【請求項9】単結晶基板が、MgO、SrTiO3、Al2O3、サフ
ァイア、SiO2、石英、YSZおよびZnOで構成される群から
選択されたいずれかの単結晶で構成されていることを特
徴とする請求項2〜8のいずれか1項に記載の超電導薄
膜。
9. The single crystal substrate is composed of any single crystal selected from the group consisting of MgO, SrTiO 3 , Al 2 O 3 , sapphire, SiO 2 , quartz, YSZ and ZnO. 9. The superconducting thin film according to any one of claims 2 to 8.
【請求項10】超電導薄膜のX線回折パターンにおける
結晶の(002)面、(003)面、(005)面および(006)
面の反射強度が、(111)面および(112)面の反射強度
の2倍以上であることを特徴とする請求項1〜9のいず
れか1項に記載の超電導薄膜。
10. The (002) plane, (003) plane, (005) plane and (006) of the crystal in the X-ray diffraction pattern of the superconducting thin film.
The superconducting thin film according to any one of claims 1 to 9, wherein the reflection intensity of the plane is twice or more the reflection intensity of the (111) plane and the (112) plane.
【請求項11】超電導薄膜の複合酸化物の結晶のc軸
が、基板の表面に対して垂直に配向していることを特徴
とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の超電導薄
膜。
11. The superconducting thin film according to claim 1, wherein the c-axis of the crystal of the composite oxide of the superconducting thin film is oriented perpendicular to the surface of the substrate. .
【請求項12】超電導薄膜の複合酸化物の結晶のc軸
が、基板の表面に対して水平に配向していることを特徴
とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の超電導薄
膜。
12. The superconducting thin film according to any one of claims 1 to 10, wherein the c-axis of the crystal of the complex oxide of the superconducting thin film is oriented horizontally with respect to the surface of the substrate. .
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