JP2516251B2 - 酸化物超伝導膜の製造方法 - Google Patents

酸化物超伝導膜の製造方法

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JP2516251B2 JP63310003A JP31000388A JP2516251B2 JP 2516251 B2 JP2516251 B2 JP 2516251B2 JP 63310003 A JP63310003 A JP 63310003A JP 31000388 A JP31000388 A JP 31000388A JP 2516251 B2 JP2516251 B2 JP 2516251B2
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勝蔵 相原
友一 加茂
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超伝導膜の製造方法及びそれを用いる装置に
係り特に高い臨界温度を有する酸化物超伝導膜の好適な
製造方法を提供するものである。
〔従来の技術〕
臨界温度が液体窒素を越える酸化物超伝導体が近年次
々と発見され同物質の超伝導機器応用を目的とした研究
開発が活発に進められている。
特にTl−Ba−Ca−Cu−O系物質はタリウムが猛毒であ
るにもかかわらず、そのTcが120K級と非常に高いため研
究が活発である。タリウム系物質は一般的にバリウム,
カリシウムの酸化物あるいは炭酸塩とタリウム、銅の酸
化物を混合粉砕し、大気中あるいは酸素中で850〜920℃
の温度で5分〜10時間焼成して得られる。得られらタリ
ウム系物質を基板上に塗布あるいは付着させる方法とし
て、燃焼炎あるいは電気エネルギを用いて材料を溶融さ
せこれを吹き飛ばして基板表面に付着,積層させ皮膜を
形成させる溶射法などがある。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記した製造方法によればタリウム酸化物は
蒸気圧が高いため組成の調整が難しく超伝導相の単一合
成が困難であると共に、焼結前には緻密であつた成形体
がタリウムが飛散することによつて多孔質となり緻密な
焼結体が得られない。従つて超伝導結晶粒の接触面積が
小さく単位面積当たりの電流密度も低かつた。超伝導膜
におけるタリウム成分の損失は高エネルギーを用いて粉
末溶融させる溶射法などにおいて著しい。さらに、猛毒
タリウムが成膜装置内に付着し汚染する危険性があつ
た。本発明は上記した超伝導体合成における問題点を解
決し、均質で高純度で、臨界電流密度、臨界磁界の高い
酸化物超伝導体の製造と、かつ猛毒タリウムによる成膜
装置の汚染を防止することを目的としたものである。
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するため、本発明では酸化物超伝導膜
の前駆体を基板上に形成し、該前駆体をタリウム含有物
と共存させて焼成する酸化物超伝導膜の製造方法におい
て、前記前駆体は原子比が(バリウム、ストロンチウ
ム):カルシウム:銅=2:2:3および/もしくは2:1:2
で、またタリウム含有物の反応後の超伝導膜はタリウ
ム:(バリウム、ストロンチウム):カルシウム:銅=
2:2:2:3および/もしくは2:2:1:2で構成した。
〔作用〕
以下にその詳細を説明する。タリウム系超伝導物質は
タリウムの蒸気圧が高いためにTl:(Ba,Sr):Ca:Cu=2:
2:2:3で調合、焼成したとしてもタリウムが飛散し単一
目的組成の物質を得ることが非常に困難である。反面、
タリウム含有物及び気相タリウムを密閉容器内に充満さ
せると一般に用いられる成形ペレツトと比較して膜の場
合には反応領域が薄いため均一なタリウム系超伝導物質
を生成させることができる。また、前駆体で緻密な膜を
形成したとしても膜内部からタリウムが飛散するのでは
なく、外部からタリウムが固相及び/あるいは気相拡散
で反応するので緻密な状態が維持できる。
タリウム系超伝導体はTl−(Ba,Sr)−Ca−Cu−O系
の組成から成る複数の超伝導結晶構造が存在し、これら
の結晶相は組成と温度と酸素分圧とによつて平衡相が決
められるので特定の結晶構造を生成させるためにはそれ
ら諸条件の中から特定の範囲を選ぶ必要がある。例えば
液体窒素温度(77K)以上の臨界温度を得るためには組
成をTl−(Ba,Sr)−Ca−Cu=2:2:2:3として空気中で焼
成する場合には840〜880℃が好ましい。しかし、この条
件は限定的ではなくリチウム,ルビジウム,鉛などから
選ばれた一種以上の化合物を置換,添加することによつ
て合成温度を低下することができる。また酸素分圧を高
くすることによつて合成温度を高くすることもできる。
また、本発明において酸化物超伝導体の前駆体を基板
に塗付あるいは付着させる方法は成膜時に該前駆体の組
成に大きな変化をもたらさないものであれば特に限定は
ない。たとえばスパツタ法,CVD法,蒸着法,溶射法や前
記前駆体を溶融させてこれを基板に塗付させる溶湯急冷
法,テープキヤスト法などのいずれかの方法もとること
ができる。たとえばプラズマ溶射法について以下説明す
る。予め900℃程度で焼成された(Ba,Sr)−Ca−Cu−O
前駆体をライカン機がボールミルで平均粒径が数ミクロ
ンから数十ミクロン程度に粉砕する。得られた粉末をプ
ラズマ溶射法によつて基板上に塗付し前駆体膜を形成す
る。この時の溶射雰囲気は大気中あるいは減圧アルゴン
中でもよいが、溶射中あるいは溶射直後に基板を200〜9
00℃に加熱することによつて溶射後変質しない良好な膜
を得ることが出来る。
得られた溶射膜をタリウム含有物と共に容器に密閉し
870℃、10時間の焼成を施すことによつてタリウム:
(バリウム,ストロンチウム):カルシウム:銅=2:2:
2:3あるいは/もしくは2:2:1:2の超伝導膜が形成され
た。なお、タリウム含有物はタリウムの酸化物,硝酸
塩,炭酸塩,ハロゲン化物,有機酸塩,有機金属体など
を用いることができ、また多孔質体に金属タリウム,酸
化タリウム等を含浸させた物質をも適用できる。
〔実施例〕
実施例1. BaCo3;38.7g,SrCO3;7g,CaCO3;24.01g,CuO;28.63gをメ
ノウ製乳鉢を用いたライカイ機で約30分混合粉砕する。
得られた粉末を磁性アルミナるつぼにとり、これを空気
中で900℃、10hで焼成する。焼成体を再びメノウ製乳鉢
を用いたライカイ機で約30分粉砕し、得られた粉末を#
325メツシユのふるいにかけ、ふるいを通らなかつた粉
末を再びライカイ機で粉砕するという工程を繰返し細粒
を得る。この粉末をプラズマ溶射装置を用いて大きさ10
×20×3mのNi−Cr系鉄合金の基板上に大気中溶射した。
Ni−Cr系鉄合金の化学成分は重量%でC;0.08,Cr;22.0,C
o;2.00,Fe;18.0,Mo;9.00,W;0.5,B;0.05,残量Niから成
り、大気中溶射の条件は出力34kW、プラズマ電流;800
A、溶射時間;200秒、溶射膜厚は約100μmであつた。こ
こで、溶射部分はその中央部の幅が1mmとなるようなマ
スク板を基板表面にあてて溶射した。また、基板は溶射
直後に200℃に加熱し2時間保持した。得られた溶射後
の基板を酸化タリウムと共にアルミナ板の上に置き上部
をアルミナるつぼでおおつて銀ペーストで密閉し、870
℃で10h空気中で焼成する。焼成試料状態の詳細を第1
図に示す。得られた基板の溶射部分はタリウム:バリウ
ム:ストロンチウム:カルシウム:銅=2:1.6:0.4:2:3:
あるいは/もしくは2:1.6:0.4:1:2の原子化の酸化物結
晶で構成されていた。この基板の溶射部にインジウム半
田で端子を接合し、四端子抵抗法で液体窒素を冷媒とし
て電気抵抗の温度依存性を測定した。その結果オンセツ
トの臨界温度は117Kであつた。本超伝導膜の電気抵抗の
温度依存性を第2図に示す。また直流法で電圧−電流特
性を測定端子間電圧を1μV/cmとした時の液体窒素温度
における臨界電流密度は2500A/cm2であつた。
実施例2. BaCo3;38.7g,SrCO3;7g,CaCO3;24.01g,CuO;28.63gをメ
ノウ製乳鉢を用いたライカイ機で約30分混合粉砕する。
得られた粉末を磁性アルミナるつぼにとり、これを空気
中で900℃、10hで焼成する。焼成体を再びメノウ製乳鉢
を用いたライカン機で約30分粉砕し、得られた粉末を10
gとり、直径30mmのペレツトにプレス成形する。得られ
たペレツトを空気中で、870℃、10時間焼成する。この
ペレツトをターゲツトとして、20mm×10mmのMgO単結晶
基板にスパツタ法で前駆体膜を形成する。この時基板は
MgO単結晶の(001)面を用いた。加速電圧2kV、アルゴ
ン希釈した40%酸素雰囲気で1×102Torrの条件下で作
成して得られた膜圧は5μmであつた。なお、基板は溶
射中に600℃に加熱した。この前駆体膜をアルミナ板の
酸化タリウムの上に置き、板上部をアルミナるつぼでお
おい870℃、2時間、空気中で焼成する。得られた生成
膜はほぼTl:(Ba,Sr):Ca:Cuが2:2:2:3の原子比で構成
される酸化物であつた。そして膜中央部の幅が0.1mmと
なるようにパターンエツチングしてその両端に銀ペース
トを用いて端子を接続して四端子抵抗法で液体窒素を冷
媒として電気抵抗の温度依存性を測定した。その結果オ
ンセツトを臨界温度は97Kであつた。本超伝導膜の電気
抵抗の温度依存性を第3図に示す。また直流法で電圧−
電流特性を測定端子間電圧を1μV/cmとした時の液体窒
素温度における臨界電流密度は12000A/cm2であつた。
実施例3. 実施例1と同様の方法で得られた(Ba,Sr)−Ca−Cu
−O系用射溶粉末を用いて大きさ10mm×5000mm×0.1mm
のテープ状Ni−Cr鉄合金の上に同粉末を減圧アルゴン雰
囲気中でプラズマ溶射した。減圧雰囲気中溶射の条件は
出力34kW,プラズマ電流800A,雰囲気圧力400Torr,溶射時
間240秒,溶射膜厚150μmであつた。長尺テープは回転
ドラムに巻きつけられており、溶射ノズムの下を一定速
度で通過しながら他方の配転ドラムに巻取られてゆく。
テープの送り速度は1cm/minである。なお、基板は溶射
中に200℃に加熱した。この溶射膜をアルミナ板の酸化
タリウムの上に置き、板上部をアルミナるつぼでおおい
銀ペーストで密閉して870℃、10時間、空気中で焼成す
る。得られた生成膜はほぼTl:(Ba,Sr):Ca:Cuが2:2:2:
3の原子比で構成される酸化物であつた。この溶射テー
プを1000mmの長さに切断して両端に銀ペーストを用いて
端子を接続して四端子抵抗法で液体窒素を冷媒として電
気抵抗の温度依存性を測定した。その結晶オンセツトの
臨界温度は97Kであつた。また直流法で電圧−電流特性
を測定端子間電圧を1μV/cmとした時の液体窒素温度に
おける臨界電流密度は1500A/cm2であつた。
〔発明の効果〕
以上の発明によつて均質で緻密なタリウム系超伝導膜
を作成するこができ高い電流密度を得た。しかも成膜装
置が毒性タリウムで汚染される心配もなく従来の成膜装
置がタリウム系超 伝導膜の作成に適用できるようにな
つた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にもとづく実施例1により説明される溶
射基板の反応処理の方法を示す断面図、第2図は本発明
にもとづく実施例1により得られた酸化物超伝導膜の電
気抵抗の温度変化を示す線図、第3図は本発明にもとづ
く実施例2により得られた酸化物超伝導膜の電気抵抗の
温度変化を示す線図である。 1……溶射基板、2……タリウム含有物質、3……アル
ミナるつぼ、4……アルミナ板、5……銀ペースト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 39/24 ZAA C04B 35/00 ZAAK (72)発明者 加茂 友一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 松田 臣平 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 平2−107520(JP,A) Physica.C156(1988)P. 775−780 Phys.Rev.B38(10) (1988)P.7074−76

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化物超伝導体の前駆体を基板上に形成
    し、該前駆体をタリウム含有物と共存させて焼成する酸
    化物超伝導膜の製造方法において、 前記前駆体は原子比が(バリウム、ストロンチウム):
    カルシウム:銅=2:2:3および/もしくは2:1:2で、また
    タリウム含有物と反応後の超伝導膜はタリウム:(バリ
    ウム、ストロンチウム):カルシウム:銅=2:2:2:3お
    よび/もしくは2:2:1:2で構成されることを特徴とする
    酸化物超伝導膜の製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1において前記前駆体および/もし
    くはタリウム含有物をリチウム、セシウム、ルビジウ
    ム、鉛の少なくとも1種以上の元素を置換して焼成させ
    ることを特徴とする酸化物超伝導膜の製造方法。
  3. 【請求項3】請求項1又は請求項2において前駆体を基
    板上に形成する方法としてプラズマ溶射法を用い溶射中
    あるいは溶射後、前記基板を200〜900℃に加熱すること
    を特徴とする超伝導膜の製造方法。
  4. 【請求項4】請求項3において前記基板の形状を線ある
    いは板状としたことを特徴とする超伝導膜の製造方法。
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Phys.Rev.B38(10)(1988)P.7074−76
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