JP2726750B2 - 酸化物超電導薄膜 - Google Patents

酸化物超電導薄膜

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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、酸化物超電導薄膜に関し、特に、基板上に
形成される高品質の酸化物超電導薄膜に関するものであ
る。
〔従来技術〕
臨界温度（Tc）が90Kを越えるYBaCuO系酸化物超電導
体の発見によって、液体窒素を冷却剤として使用するこ
とが可能になった。この結果、全世界的に実用化研究が
展開されてきている。しかし、現在までのところ、実用
上もっとも重要な臨界電流密度（Jc）が低かったため
に、液体窒素雰囲気での実用化には至っていない。
ところが、最近になって溶融状態から超電導相を生成
させることによって、１テスラ（Ｔ）という高い磁場中
においても10000A/cm2を越える臨界電流密度が得られる
ようになってきており（M.Murakami et al.,Japanese J
ournal of Applied Physics,vol.29,1989,p1189）、実
用レベルに近い臨界電流密度が得られるようになってき
ている。
また、前記YBaCuO系酸化物超電導体を薄膜として利用
するには、基板材料が必要である。従来、基板材料とし
ては、主としてMgOが使用されてきた。また、最近では
超電導薄膜の高品質化を目的として、エピタキシャル成
長を図るべく、SrTiO3、NdGaO3、YAlO3等が使用される
ようになってきた。
後者の３つは、基板結晶の格子定数が超電導体のそれ
に近いため、格子整合性の優れた高品質の超電導薄膜が
得られている。
この技術に関しては、例えば、文献、応用物理59
（５）1990,p591〜595、1990年秋季，第51回応用物理
学会学講演会，講演予稿集第１分冊,p109、1990年春
季，第37回応用物理学関係連合講演会，講演予稿集第１
分冊,p113等に記載されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、前記従来の基板材料は、いずれもLnBa
CuO系酸化物超電導体のLn（Ln:Y,La,Ce,Nd,Pm,Eu,Gd,T
b,Dy,Ho,Er,Tm,Lu）、Ba、Cu、Ｏ以外の元素を含んでい
る。このため、基板構成元素の界面拡散が生じた場合に
は、LnBaCuO系酸化物超電導体薄膜の超電導特性の劣化
が起こるという問題があった。特に、膜厚が薄くなる
と、その悪影響が著しい。このため、例えば数百オング
ストローム（Å）以下の超薄膜から構成されることが好
ましいとされている超電導デバイスを、作製することが
困難もしくは不可能であった。
本発明は、前記問題点を解決するためになされたもの
である。
本発明の目的は、高品質の超電導薄膜を提供すること
にある。
本発明の他の目的は、超電導薄膜を形成するための基
板構成元素の界面拡散による悪影響を低減することがで
きる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであ
ろう。
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するために、本発明は、Y2O3単結晶上
にLnBaCuO系酸化物超電導薄膜を形成したものであっ
て、前記LnはＹを含む希土類元素であることを特徴とす
る。
前記LnBaCuO系酸化物超電導薄膜は、LnBa2CuyOxの化
学組成式で表わされる酸化物超電導体からなり、前記Ln
はY,La,Ce,Nd,Pm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Lu、ｘは６〜1
0、ｙは３〜４であることを特徴とする。
〔作 用〕
前述した手段によれば、Y2O3の構成元素はＹとＯのみ
であり、LnBaCuO系酸化物超電導薄膜の構成元素の一部
ということができる。このため、仮に界面拡散が生じる
としても超電導薄膜への悪影響を与える可能性が小さ
い。
さらに、Y2O3の結晶構造は、第１図（F.S.グラッソ
著，アグネ技術センター発行の「ファインセラミックの
結晶化学」p118参照）に示すように、立方晶系であり、
その格子定数は10.60Åと報告されており、図中の原子
間距離 となる。一方、LnBaCuO系酸化物超電導薄膜の格子定数
は、例えばYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）の場合、ａ軸の長
さ＝3.82Å、ｂ軸の長さ＝3.89Å、ｃ軸の長さ/3＝11.6
8Å/3＝3.89Åであるから、格子不整合はそれぞれ1.9
％、3.7％、3.7％となり、エピタキシャル成長が可能な
大きさである。
〔実施例１〕 以下、本発明の実施例１について説明する。
ベルヌイ法で製造されたY2O3単結晶基板の（100）面
上に、エネルギー密度1J/cm2のArFエキシマレーザ（波
長193nm）を回転しているYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）組成
のターゲットに5Hzのパルス状に照射することによっ
て、YBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）の薄膜を形成した。な
お、その他の成膜条件は、成膜中の酸素分圧１×102mTo
rr、基板温度700℃であった。
また、膜厚は700Åであった。超電導薄膜の成膜後、
蒸着したままの状態（as−depositionの状態）での超電
導特性を測定した。４端子抵抗法による抵抗率−温度曲
線（第２図）から、ゼロ抵抗温度Tc0、超電導遷移温度
幅△Ｔ等を求めると、それぞれTc0＝86.2K,△Ｔ＝1.2K
であり、非常に良好な特性を示した。しかも、常伝導側
の抵抗率の外挿値はほぼ0Kであり、理想に近い抵抗状態
を示した。
また、第３図のＸ線回折結果によれば、超電導薄膜は
ｃ軸配向であり、介在物の存在も認められない。
第４図に、Y2O3単結晶基板の＜011＞方向におけるYBa
2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）の超電導薄膜の（018）面及び（1
08）面、Y2O3単結晶基板の（311）面に対するロッキン
グカーブを示す。
今回用いたY2O3単結晶基板は、厳密には単結晶ではな
く、わずかに結晶方位のずれを含む結晶であるため、図
中のY2O3単結晶基板の（311）面による回折ピークは幾
つかにわかれているのが認められる。
これに対してYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）の超電導薄膜
の（018）面及び（108）面による回折ピークもY2O3単結
晶基板の＜011＞方向に存在し、しかもY2O3単結晶基板
の（311）面による回折ピーク同様、幾つかにわかれて
同程度の拡がりをもつことが示されている。これらのこ
とから、Y2O3単結晶基板とYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）の
超電導薄膜との間は、 ＜110＞YBCO//＜010＞Y2O3 （YBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）の薄膜の＜110＞方向がY2O3
単結晶基板の＜010＞方向と平行）であり、なおかつ、
第３図より ＜001＞YBCO//＜100＞Y2O3 であるから、格子整合関係が成立つことがわかる。
〔実施例２〕 Y2O3単結晶基板の（100）面上にYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜
７）の超電導薄膜をCVD法により形成して、前記実施例
１と同様の超電導薄膜を成膜後、蒸着したままの状態
（as−depositionの状態）での超電導特性を測定した。
その結果、前記実施例１と同様の効果が得られた。
以上の説明から分かるように、蒸着したままの状態
（as−depositionの状態）でも高いゼロ抵抗温度Tc0を
有するエピタキシャル膜が得られた。
これは、主として、Y2O3の結晶型が希土類型立方晶で
あり、その格子定数が10.60Åであるために、超電導薄
膜とY2O3単結晶基板との界面で前記格子整合関係が成立
することによる。
また、Y2O3が化学的に非常に安定なこと、及び構成元
素がＹとＯのみであるために、仮に界面拡散が生じてい
るとしても超電導薄膜への悪影響を与える元素が存在し
ないことによる。
前記YBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）以外のLnBa2CuyOxの化
学組成式で表わされる酸化物超電導薄膜（LnはY,La,Ce,
Nd,Pm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Lu、ｘは６〜10、ｙは３
〜４である）を蒸着した結果得られた超電導特性を第１
表に示す。
以上、LnBa2Cu3Oxについての結果を示したが、LnBa2C
u4Oxについては、YBa2Cu4Oxの場合、その格子定数が、
ａ軸の長さ＝3.842Å、ｂ軸の長さ＝3.871Å、ｃ軸の長
さ/7＝27.240/7＝3.891Åとなり、YBa2Cu3Oxとほとんど
同じであることから、同様の特性が得られることは明ら
かであろう。
以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明した
が、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である
ことは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上、説明したように、本発明によれば、超電導薄膜
をエピタキシャル成長できるばかりでなく、超電導薄膜
を形成するための基板構成元素の界面拡散による悪影響
を低減することができるので、高品質の超電導薄膜を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例１のY2O3の結晶構造を模写的
に示した説明図、 第２図は、本発明の実施例１のYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜
７）の薄膜の４端子抵抗法による抵抗率−温度曲線を示
す図、 第３図は、本発明の実施例１のYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜
７）の薄膜およびY2O3単結晶基板のＸ線回折図、 第４図は、本発明の実施例のYBa2Cu3Ox（ｘ＝６〜７）
の薄膜及びY2O3単結晶基板のロッキングカーブを示す図
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森下 忠隆 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (56)参考文献 特開 平１−100021（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−124717（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−224270（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Y2O3単結晶上にLnBaCuO系酸化物超電導薄
    膜を形成したものであって、前記LnはＹを含む希土類元
    素であり、かつ、蒸着したままの状態で超電導特性を示
    すことを特徴とする酸化物超電導薄膜。
  2. 【請求項２】前記LnBaCuO系酸化物超電導薄膜は、LnBa2
    CuyOxの化学組成式で表わされる酸化物超電導体からな
    り、前記LnはY,La,Ce,Nd,Pm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,L
    u、ｘは６〜10、ｙは３〜４であることを特徴とする請
    求項１記載の酸化物超電導薄膜。
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