JP2740427B2 - 酸化物結晶の作製方法 - Google Patents

酸化物結晶の作製方法

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JP2740427B2
JP2740427B2 JP4235616A JP23561692A JP2740427B2 JP 2740427 B2 JP2740427 B2 JP 2740427B2 JP 4235616 A JP4235616 A JP 4235616A JP 23561692 A JP23561692 A JP 23561692A JP 2740427 B2 JP2740427 B2 JP 2740427B2
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Kyushu Electric Power Co Inc
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    • Y10S505/725Process of making or treating high tc, above 30 k, superconducting shaped material, article, or device
    • Y10S505/729Growing single crystal, e.g. epitaxy, bulk

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物の結晶成長に関
し、特に、液相から、種を用いて、Y系酸化物超電導体
の結晶を連続的に作製する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の結晶作製方法、特に、Y系123
構造を有する酸化物超電導体の結晶作製方法の主なもの
を表1に示す。
【0003】
【表1】
【0004】フラックス法は、比較的均一な溶液から徐
々に温度を下げることにより、溶解度限に達した結晶が
析出するものである。この方法を改良したものとして、
包晶反応と液相中の拡散を利用した方法もある(参考文
献1:Physica C 190 ,1991 ,p64)。
【0005】溶融凝固法は、目的酸化物あるいはその前
駆体を包晶温度以上に加熱し、分解成生物である固相
と、液相の混合状態とし、その状態から、徐々に温度を
下げることにより、包晶反応を利用して目的の結晶を作
製する方法である(参考文献2:Jpn.J.Appl.Phys.
28,1989,p1125、参考文献3:Advances in Supercond
uctivity II,Springer-Verleag,Tokyo,p285)。
【0006】前者の作製方法は、比較的良質の結晶が得
られ、後者は、比較的大きな結晶が得られるが、両者と
も連続的に結晶を作製することはできない。
【0007】連続的に結晶を作製する主な方法として
は、一方向凝固法、FZ法、結晶引き上げ法がある。一
方向凝固法は、棒状試料において、包晶温度以上の高温
の、幅の狭い領域を、試料に沿って徐々に移動させるこ
とにより、結晶を作製する方法である。一方向凝固法で
は、高温領域で生じた液相が低温領域に移動していくた
めに、時間の経過とともに組成がずれ、連続化が困難で
ある。
【0008】FZ法は、一方向凝固で用いる温度よりも
高い温度を用いることにより、あるいは、適当な溶剤を
用いることにより、棒状試料上の幅の狭い領域を完全に
溶融させ、この領域を徐々に移動させることにより結晶
を作製する方法である。FZ法では、融液が流れだして
しまうために、Y系123構造を持つ結晶については作
製できていない。
【0009】結晶引き上げ法は、るつぼを用い、適当な
溶剤を用いて作製したい結晶をあらかじめ溶解してお
き、溶液よりも温度の低い種を用いてその位置に目的の
結晶を析出させ、種を引き上げることにより、結晶の成
長する速度を制御して、連続的に成長させるものであ
る。しかしながら、Y系123構造を有する物質におい
ては、連続成長の成功例はない。この理由は、まだ良く
解明されていないが、おそらく、初晶温度領域が狭く温
度制御が難しいこと、溶液の粘性が比較的高く、溶質の
拡散が遅いこと、溶液の粘性が高いことにより、液相の
組成が不均一になりやすいことなどが影響していると思
われる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術の中で、フ
ラックス法、溶融凝固法では、結晶の連続成長ができな
いという問題があった。
【0011】FZ法では、原理上、結晶の太さをあまり
大きくできないという問題に加えて、Y系123結晶に
ついては、結晶作製自体が困難であった。
【0012】一方向凝固法では、連続化が困難であるこ
とに加え、包晶反応を利用して作製しているために異相
の析出物が混入するという問題があった。
【0013】結晶引き上げ法は、初晶温度領域を利用し
ているために、溶液の粘性が高くなるという問題に加え
て、Y系123結晶については、連続成長が困難であっ
た。また、連続的に結晶を成長させることには成功して
いるが、結晶の成長方位を制御すること、及び一個の単
結晶だけを成長させることは、種結晶等の問題もあり困
難であった。
【0014】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、大きい酸化物結晶
を作製することにある。
【0015】本発明の他の目的は、Y系123構造を有
する結晶を連続的に作製することにある。
【0016】本発明の他の目的は、酸化物結晶を作製す
るのに際し、軸方位の制御、成長面に生じるステップの
制御、双晶形成の抑制によってさらに大きい酸化物単結
晶を作製することにある。
【0017】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。
【0018】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の酸化物結晶の作製方法においては、酸化物
結晶の結晶成長において、結晶構成元素を液相に補給す
る組成が、包晶温度以上で安定であり酸化物結晶と異な
る固相を、結晶を成長させる位置から離れた所に内包し
た少なくとも結晶構成元素からなり、組成が酸化物結晶
と異なる液相を用い、固相及び液相とも異なる組成の
包晶温度以下で安定な結晶を成長させることを最も主要
な特徴とする。
【0019】また、酸化物結晶の結晶成長において、結
晶構成元素を液相に補給する組成が、包晶温度以上で安
定であり酸化物結晶と異なる固相を、結晶を成長させる
位置から離れた所に内包した少なくとも結晶構成元素か
らなり、組成が酸化物結晶と異なる液相を用い、種結
晶、種結晶の回転速度及び回転方向、炉内雰囲気をそれ
ぞれ制御して、固相及び液相とも異なる組成の、包晶温
度以下で安定な結晶を成長させることを特徴とする。
【0020】本発明の方法においては、前記酸化物結晶
としては特に限定されず、種々の結晶の成長に利用でき
る。調和溶融する結晶にも利用可能であるが、特に分解
溶融するような化合物の結晶の成長に好ましく利用する
ことができる。このような化合物としては、酸化物超電
導体が好ましく採用される。
【0021】酸化物超電導体としては、特に、Y系12
3構造を有する酸化物超電導体が好ましい。この超導電
体は、YBa2Cu37-x(xは酸素欠損量)の組成式
で表される結晶である。ここでYの1部あるいは全部
を、他の希土類元素から選ばれる1種以上と置換可能で
あるが、以下Yを例にとって説明を行う。Y系123構
造を有する酸化物であって、超電導性を有さないものに
も適用可能である。
【0022】Y系123構造の結晶を成長させる場合、
前記固相としては、Y系211構造を有する酸化物(組
成式Y2BaCuO5)が好ましく採用される。
【0023】この固相を内包する液相は、Cuの酸化
物、Baの酸化物、CuとBaの複合酸化物から選ばれ
る2種以上に、Y系211構造を有する酸化物を混合
し、Y系123結晶が初晶で析出する温度以上に加熱す
るこにより得ることが好ましい。211構造のY系酸化
物結晶と反応して完全に123構造のY系酸化物結晶に
なるには、211構造のY系酸化物結晶の1モルに対
し、Ba3モル、Cu5モル必要であり、液相の組成は
Ba:Cuが3:5の近傍が好ましい。この場合、やや
Cuが過剰でも良く、Ba:Cuが3:8までが好まし
く採用される。固相と液相の配合割合としては、Y系2
11構造を有する酸化物1重量部に対し、Cuの酸化
物、Baの酸化物、CuとBaの複合酸化物から選ばれ
る2種以上を2から10重量部配合するのが好ましい。
【0024】本発明においては、好ましくは、種結晶を
使用し、これを所定の温度で引き上げなから結晶を成長
させる。引き上げる速度としては、酸化物結晶によって
適宜選択することができるが、毎時0.01〜10mm
程度である。Y系123構造を有する酸化物超電導体の
場合は、引き上げ速度として毎時0.1〜0.3mm程度
が特に好ましい。
【0025】前記種結晶としては、前記液相に対して
晶成長する温度で耐蝕性を有する固相を使用することが
できる。Y系123構造を有する酸化物超電導体を製造
する場合には、SmBa2Cu37-x相の種棒、マグネ
シア単結晶棒、あるいは目的結晶である、YBa2Cu3
7-x結晶自体の種棒などを使用するのが好ましい。こ
のうち、SmBa2Cu37-x相の種棒は、Y系123
相と結晶構造が同一で、かつ、分解溶融温度が高いので
特に好ましい。前記耐蝕性の意味は、単結晶を成長させ
る間に高温雰囲気、あるいは結晶成長に用いられている
融液と接触する環境で溶解して成長結晶を不純物で汚染
することがないという意味である。
【0026】本発明において、まず前記固相を内包した
液相を形成するには、それぞれの原料を、これらと反応
して結晶の特性を劣化させることのない材料でできたる
つぼに投入し、目的結晶が初晶で析出する温度以上に加
熱する。加熱方法は特に限定されず、高周波誘導加熱、
電気抵抗炉あるいはその他の加熱方法を適宜採用でき
る。
【0027】このようにして得られた液相の部分に種結
晶を接触させ、種結晶上に結晶が析出するように温度を
調整する。結晶を安定して成長させるためには、少なく
とも結晶成長界面付近において、結晶成長方向に温度が
高くなるように温度勾配が形成されているのが好まし
い。結晶成長面を結晶が平衡で安定に存在する温度以下
になるように保持することにより、結晶の成長が進行す
る。
【0028】本発明においては、種結晶に単結晶を使用
し、この結晶軸の向きを制御することにより、特定の軸
方向に成長した酸化物結晶を成長することができる。引
き上げの初期段階では方位の異なった面を有する結晶が
生じやすいが、この場合は、所望の面を有する結晶を残
して、他の結晶を削除することにより、特定の結晶面を
選択的に成長させることができる。
【0029】種結晶は、引き上げる方向を軸として回転
させながら引き上げることが好ましい。回転速度として
は、毎分10回転から200回転程度が好ましく採用さ
れる。回転速度は、成長した結晶の径が大きくなるに従
って遅くするのが好ましい。
【0030】結晶の径を直接観察あるいは測定できない
場合は、径の変化の代わりに、ロードセルによってモニ
ターされた結晶の重量変化などに従って調節してもよ
い。
【0031】また、種結晶の回転方向を、適当な時間間
隔をおいて反転させる場合は、不純物の取り込みや、そ
の他の欠陥の少ない単結晶が得られるので好ましい。反
転させる場合には、数分から数時間、より好ましくは3
0分から2時間程度の間隔で反転させるのが好ましい
が、必ずしも一定の周期である必要はない。
【0032】前記結晶は、液相に内包されている固相と
結晶成長面とが接触しない状態で成長させる必要があ
る。結晶成長面が固相と接触する場合は、成長結晶中に
その固相が取り込まれるおそれがある。このため、固相
を内包した液相においては、少なくとも結晶成長界面付
近においては、固相が分離されている状態であることが
好ましく、この分離は、例えば、比重差による沈降や、
隔壁などを利用することができる。
【0033】本発明において、雰囲気は特に限定され
ず、大気雰囲気でも実施可能であるが、酸素分圧の低い
雰囲気に調整する場合は、酸化物超電導体の正方晶の大
型単結晶が得られやすくなるので好ましい。酸素分圧の
低い雰囲気として具体的には、アルゴン気流中で結晶成
長を行うのが好ましい。
【0034】成長の終了した酸化物結晶を炉外に取り出
す場合は、熱衝撃により酸化物結晶が損傷を受けるのを
防ぐため、低い速度で取り出すのが好ましい。
【0035】また、酸化物結晶は単結晶に限らず多結晶
体も製造することができる。
【0036】
【作用】前述の手段によれば、酸化物結晶の結晶成長に
おいて、結晶構成元素を液相に補給する組成が、包晶温
度以上で安定であり酸化物結晶と異なる固相を、結晶を
成長させる位置から離れた所に内包した少なくとも結晶
構成元素からなり、種結晶、種結晶の回転速度及び回転
方向、炉内雰囲気をそれぞれ制御して、組成が酸化物結
晶と異なる液相を用い、固相及び液相とも異なる組成
、包晶温度以下で安定な結晶を成長させることによ
り、大きい酸化物多結晶又は単結晶を作製することがで
きる。これにより、Y系123構造を有する結晶を連続
的に作製することができる。
【0037】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。
【0038】(実施例1)図1は、本発明の実施例1に
よるY系123結晶の作製方法を説明するための模式構
成図であり、1は内径30mm、高さ50mmのイットリア
るつぼ、2はY2BaCuO5の沈澱、3は液相、4はYBa2
Cu37-xの結晶、5は種棒、6は白金サセプタ、7は
高周波誘導コイルである。
【0039】本実施例1によるY系123結晶の作製方
法は、図1に示すように、内径30mm、高さ50mmのイ
ットリアるつぼ1内にY2BaCuO52を1重量部下部
にいれ、BaとCuのモル比が3:5となるように炭酸
バリウムと酸化銅を混合し、880℃で40時間仮焼し
た後の物質を、液相3の前駆物質として4重量部上部に
入れる。
【0040】使用するるつぼは、イットリアに限らず、
マグネシア、アルミナ、安定化ジルコニア等の耐蝕性の
ある材質が使用される。この試料が入ったイットリアる
つぼ1を、白金サセプター6の内部に置き高周波誘導コ
イル7により白金サセプター6を加熱することにより、
約1000℃に加熱し、イットリアるつぼ1内の状態
を、液相3の下部に固相であるY2BaCuO5が沈澱し
ている状態とする。このとき、るつぼの上下方向に上部
になるほど温度が低くなるように10℃/cmの温度勾
配をつけた。
【0041】次に、イットリアるつぼ1の下部にY2
aCuO5が沈澱している状態を保ったまま、液相3の
表面の温度を1010℃から960℃の間の温度に保
つ。
【0042】次に、溶融凝固法により作製したSmBa
2Cu37-x相の種棒5を毎分90回転で回転させなが
ら、上方向に毎時0.2mmの速さで引き上げることによ
って、Y系123結晶を上下方向に連続的に成長させる
ことができる。本実施例1の作製方法により成長した結
晶の概観を図2に示す。図2において、21はYBa2
Cu37-xの酸化物結晶である。
【0043】(実施例2)また、本発明の実施例2は、
前記実施例1において、種結晶の回転速度を成長した結
晶の径が大きくなるに従って徐々に遅らせるようにす
る。実施例2では、ロードセルによってモニターされた
結晶の重量変化に従って回転速度を毎分120回転から
毎分80回転まで徐々に下げた。具体的には、成長開始
から回転速度120rpmで33時間結晶を成長させる
と、結晶成長面が1辺3mmの正方形となった。そこ
で、回転速度を100rpmにして、さらに、20時間
結晶の成長を続けると、結晶成長面が1辺5mmの正方
形となった。そこで、回転速度を80rpmにして、さ
らに10時間結晶を成長させると、結晶成長面が1辺7
mmの正方形となった。この間、引き上げ速度は毎時
0.2mmに維持した。
【0044】また、回転方向は、1時間の周期で反転さ
せた。こうして成長させた単結晶を12mm/hで炉内
から取り出した。
【0045】これらの操作を酸素分圧の低いアルゴン
(Ar)気流中で行うことにより、正方晶の大型単結晶
を得ることができる。この得られた結晶の外観を図3に
示す。図3において、31はYBa2Cu37-xの単結
晶、32は溶融凝固法により作製したSmBa2Cu3
7-x相の種棒である。
【0046】(実施例3,4)前記種結晶棒をSmBa
2Cu37-yの結晶に代えて、MgO単結晶(実施例
3)又はYBa2Cu37-y単結晶(実施例4)を使用
した以外は、すべて実施例2と同様にしてYBa2Cu3
7-y単結晶を作製した。
【0047】いずれの実施例においても実施例2と同様
の単結晶が得られた。
【0048】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲におい
て種々変更し得ることはいうまでもない。
【0049】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、酸化物結晶の結晶成長において、結晶構成元素を液
相に補給する組成が、包晶温度以上で安定であり酸化物
結晶と異なる固相を、結晶を成長させる位置から離れた
所に内包した少なくとも結晶構成元素からなり、組成が
酸化物結晶と異なる液相を用い、固相及び液相とも異な
る組成の、包晶温度以下で安定な結晶を成長させること
により、大きい酸化物結晶を作製することができる。こ
れにより、Y系123構造を有する結晶を連続的に作製
することができる。
【0050】また、種結晶、種結晶の回転速度及び回転
方向、炉内雰囲気をそれぞれ制御して、固相及び液相と
も異なる組成の、包晶温度以下で安定な結晶を成長させ
ることにより、さらに大きい酸化物単結晶又は多結晶を
作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1によるY系123結晶の作
製方法を説明するための模式図、
【図2】 本実施例1の成長した結晶の概観を示す図、
【図3】 本実施例2の成長した結晶の概観を示す図。
【符号の説明】
1…イットリアるつぼ、2…Y2BaCuO5の沈澱、3
…液相、4…YBa2Cu37-x、5…種棒、6…白金
サセプター、7…高周波誘導コイル、21…YBa2
37-xの酸化物結晶、31…YBa2Cu37-xの単
結晶、32…溶融凝固法により作製したSmBa2Cu3
7-x相の種棒。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000164438 九州電力株式会社 福岡県福岡市中央区渡辺通2丁目1番82 号 (73)特許権者 000173784 財団法人鉄道総合技術研究所 東京都国分寺市光町2丁目8番地38 (72)発明者 山田 容士 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 (72)発明者 和泉 輝郎 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 (72)発明者 大津 敢視 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 (72)発明者 中村 雄一 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 (72)発明者 石毛 健吾 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 (72)発明者 塩原 融 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 (72)発明者 田上 稔 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 (72)発明者 田中 昭二 東京都江東区東雲1丁目14番3 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 昭61−106496(JP,A) 特開 昭63−89487(JP,A) 特開 昭63−242997(JP,A) 特開 平3−193693(JP,A) 米国特許4545849(US,A)

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化物結晶の結晶成長において、結晶構
    成元素を液相に補給する組成が、包晶温度以上で安定で
    あり酸化物結晶と異なる固相を、結晶を成長させる位置
    から離れた所に内包した少なくとも結晶構成元素からな
    り、組成が酸化物結晶と異なる液相を用い、固相及び液
    相とも異なる組成の、包晶温度以下で安定な結晶を成長
    させることを特徴とする酸化物結晶の作製方法。
  2. 【請求項2】 酸化物結晶の結晶成長において、結晶構
    成元素を液相に補給する組成が、包晶温度以上で安定で
    あり酸化物結晶と異なる固相を、結晶を成長させる位置
    から離れた所に内包した少なくとも結晶構成元素からな
    り、組成が酸化物結晶と異なる液相を用い、種結晶、種
    結晶の回転速度及び回転方向、炉内雰囲気をそれぞれ制
    御して、固相及び液相とも異なる組成の、包晶温度以下
    で安定な結晶を成長させることを特徴とする酸化物結晶
    の作製方法。
  3. 【請求項3】 前記酸化物結晶が超電導体であることを
    特徴とする請求項1又は2に記載の酸化物結晶の作製方
    法。
  4. 【請求項4】 前記酸化物結晶がY系123構造を有す
    ることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか1項
    に記載の酸化物結晶の作製方法。
  5. 【請求項5】 前記固相は、Y系211構造を有する酸
    化物であることを特徴とする請求項1乃至4のうちいず
    れか1項に記載の酸化物結晶の作製方法。
  6. 【請求項6】 結晶成長部を前記固相と同じか、それよ
    りも低い温度に保つことを特徴とする請求項1乃至5の
    うちいずれか1項に記載の酸化物結晶の作製方法。
  7. 【請求項7】 前記固相を内包する前記液相は、Y系2
    11構造を有する酸化物と、Cu酸化物、Ba酸化物又
    はBaCu酸化物の中から少なくとも二種を、所定の割
    合で混合して、Y系123構造を有する酸化物が初晶で
    析出する温度以上に加熱することにより得ることを特徴
    とする請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載の酸化
    物結晶の作製方法。
  8. 【請求項8】 前記種結晶は、液相に対して耐蝕性を有
    する固体であることを特徴とする請求項1乃至7のうち
    いずれか1項に記載の酸化物結晶の作製方法。
  9. 【請求項9】 前記液相に対して結晶成長する温度で
    蝕性を有する固体であるSmBa2Cu37-x相の棒、マグ
    ネシア単結晶棒、YBa2Cu37-x相の棒、のうち少
    なくとも1つであることを特徴とする請求項8に記載の
    酸化物結晶の作製方法。
  10. 【請求項10】 各軸方向に結晶を引上げる場合、軸制
    御された種結晶棒を用いることを特徴とする請求項1乃
    至9のうちいずれか1項に記載の酸化物結晶の作製方
    法。
  11. 【請求項11】 種結晶の回転方向は、時間的間隔をお
    いて反転させることを特徴とする請求項1乃至10のう
    ちいずれか1項に記載の酸化物結晶の作製方法。
  12. 【請求項12】 種結晶の回転速度は、成長した結晶の
    径が大きくなるに従って遅くすること特徴とする請求
    項1乃至11のうちいずれか1項に記載の酸化物結晶の
    作製方法。
  13. 【請求項13】 前記種結晶の回転速度は、ロードセル
    によってモニターされた結晶の重量変化に従って調節す
    ることを特徴とする請求項1乃至12のうちいずれか1
    項に記載の酸化物結晶の作製方法。
  14. 【請求項14】 前記結晶を成長させる位置は、固相よ
    り離れた位置の液相のみの表面であることを特徴とする
    請求項1乃至13のうちいずれか1項に記載の酸化物結
    晶の作製方法。
  15. 【請求項15】 炉内の雰囲気制御により正方晶を得る
    ことを特徴とする請求項1乃至14のうちいずれか1項
    に記載の酸化物結晶の作製方法。
  16. 【請求項16】 前記所定の割合は、Y系211構造を
    持つ酸化物と、Cu酸化物、Ba酸化物又はBaCu酸
    化物の中から少なくとも二種選択したものとの重量比で
    1:2〜10であることを特徴とする請求項乃至15
    のうちいずれか1項に記載の酸化物結晶の作製方法。
  17. 【請求項17】 前記酸化物結晶は、単結晶又は多結晶
    からなることを特徴とする請求項1乃至16のうちいず
    れか1項に記載の酸化物結晶の作製方法。
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