JP2817259B2 - 超電導体 - Google Patents
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、核融合炉、電磁流体発電機、加速器、回
転電気機器（電動機、発電機等）、磁気分離機、磁気浮
上列車、核磁気共鳴測定装置、磁気推進船、電子線露光
装置等のマグネットコイル用材料として適し、また、送
電線、電気エネルギー貯蔵機、変圧器、整流器等の電力
損失が問題になる用途に適し、また、ジョセフソン素
子、SQUID素子、超電導トランジスタなどの各種素子と
して適し、さらに、赤外線探知材料、磁気遮蔽材料等と
して適した超電導体に関する。
転電気機器（電動機、発電機等）、磁気分離機、磁気浮
上列車、核磁気共鳴測定装置、磁気推進船、電子線露光
装置等のマグネットコイル用材料として適し、また、送
電線、電気エネルギー貯蔵機、変圧器、整流器等の電力
損失が問題になる用途に適し、また、ジョセフソン素
子、SQUID素子、超電導トランジスタなどの各種素子と
して適し、さらに、赤外線探知材料、磁気遮蔽材料等と
して適した超電導体に関する。
（従来の技術） 超電導転移温度の高い超電導体としては、一連の銅複
合酸化物系超電導体がある。これら一連の銅複合酸化物
系超電導体における超電導電流の電荷担体は、（Nd,C
e）2CuO4や、Nd2CuO４−δＦδを除き、いずれも正孔で
ある。しかしながら、電荷担体が正孔であると、コヒー
レント長が短くなり、地場中臨界電流密度等の超電導特
性がよくない。これに対して、上述した超電導体はその
電荷担体が電子であり、コヒーレント長が長く、磁場中
臨界電流密度等の超電導特性の高いものが期待されてい
るが、零抵抗超電導転移温度は約20Kと低い。
合酸化物系超電導体がある。これら一連の銅複合酸化物
系超電導体における超電導電流の電荷担体は、（Nd,C
e）2CuO4や、Nd2CuO４−δＦδを除き、いずれも正孔で
ある。しかしながら、電荷担体が正孔であると、コヒー
レント長が短くなり、地場中臨界電流密度等の超電導特
性がよくない。これに対して、上述した超電導体はその
電荷担体が電子であり、コヒーレント長が長く、磁場中
臨界電流密度等の超電導特性の高いものが期待されてい
るが、零抵抗超電導転移温度は約20Kと低い。
（発明が解決しようとする課題） この発明の目的は、電荷担体が電子であり、かつ、高
い零抵抗超電導転移温度を有する超電導体を提供するに
ある。
い零抵抗超電導転移温度を有する超電導体を提供するに
ある。
（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明は、下記一般式
で表される超電導体を提供する。
で表される超電導体を提供する。
αηβθCu2OγＦδ ただし、 α:La、Nd、Sm、EuおよびGdから選ばれた少なくと
も１種の元素 β:SrおよびCaから選ばれた少なくとも１種の元素 1.8＜η＜2.1 0.9＜θ＜2.2 5.0＜γ＜6.3 0.1＜δ＜1.2 この発明の超電導体は、構造的には、一連の銅複合酸
化物系超電導体とよく似ており、単位格子中にCuの周り
にＯが５配位したピラミッド構造を２ユニット含んでい
る。また、これらCuとＯとからなるピラミッド型ユニッ
トは、アルカリ土類元素（β）をはさんで底面を対向さ
せた配置になっている。さらに、各単位格子はｃ軸方向
（ピラミッド型の底面に垂直な方向）にピラミッド型の
頂点のＯと希土類元素（α）とで岩塩構造を形成しなが
ら積み重なっている。そうして、希土類元素は、La、N
d、Sm、EuおよびGdから、アルカリ土類金属元素は、Ca
およびSrから、それぞれ選択、使用することができる。
これらは、１種を選択、使用してもよいし、２種以上を
任意の混合比で選択、使用してもよい。また、この結晶
構造の単一相は、希土類元素とアルカリ土類元素とCuと
の比がある範囲内であるときにのみ得られる。すなわ
ち、この発明の超電導体を表す一般式において、ηおよ
びθが上述した範囲から外れると、結晶構造が別の結晶
系になったり、他の不純物相（絶縁体）の混在が多くな
る。
も１種の元素 β:SrおよびCaから選ばれた少なくとも１種の元素 1.8＜η＜2.1 0.9＜θ＜2.2 5.0＜γ＜6.3 0.1＜δ＜1.2 この発明の超電導体は、構造的には、一連の銅複合酸
化物系超電導体とよく似ており、単位格子中にCuの周り
にＯが５配位したピラミッド構造を２ユニット含んでい
る。また、これらCuとＯとからなるピラミッド型ユニッ
トは、アルカリ土類元素（β）をはさんで底面を対向さ
せた配置になっている。さらに、各単位格子はｃ軸方向
（ピラミッド型の底面に垂直な方向）にピラミッド型の
頂点のＯと希土類元素（α）とで岩塩構造を形成しなが
ら積み重なっている。そうして、希土類元素は、La、N
d、Sm、EuおよびGdから、アルカリ土類金属元素は、Ca
およびSrから、それぞれ選択、使用することができる。
これらは、１種を選択、使用してもよいし、２種以上を
任意の混合比で選択、使用してもよい。また、この結晶
構造の単一相は、希土類元素とアルカリ土類元素とCuと
の比がある範囲内であるときにのみ得られる。すなわ
ち、この発明の超電導体を表す一般式において、ηおよ
びθが上述した範囲から外れると、結晶構造が別の結晶
系になったり、他の不純物相（絶縁体）の混在が多くな
る。
さて、電荷担体が正孔である一連の銅酸化物系超電導
体は、磁場中での臨界電流密度の低下が著しい。これ
は、一つには、これらの銅複合酸化物系超電導体は多結
晶体であることが多く、粒界の絶縁体部分に、外部から
印加された磁場で容易に破壊してしまう超電導弱結合が
存在するためである。また、超電導電流を運ぶ電荷担担
体が正孔であるために、コヒーレント長が短いためであ
る。この発明の超電導体は、電荷担体が電子であるか
ら、コヒーレント長が長い。これは、固相反応中にＦを
酸素の一部と置換させることによって電子を注入し、結
晶全体の電荷のバランスを壊し、電荷担体を電子にする
ことができるからである。すなわち、酸素は２価の陰イ
オンであり、Ｆは１価の陰イオンであるため、Ｏの１原
子がＦの１原子に置換されると電子１個が注入されるこ
とになる。一方、超電導状態が発現されるためには、電
荷担体が電子である場合、電子濃度がある一定の範囲内
でなければならないことが知られている。この範囲は、
結晶内の電荷の総量をCuの平均価数に換算したとき、1.
7〜1.8である。この発明の超電導体におけるγおよびδ
の範囲は、この電子濃度の範囲に関連して決められる。
ただ、希土類元素（α）が３価の陽イオンであり、アル
カリ土類元素（β）が２価の陽イオンであるため、結晶
中の電荷担体の濃度はηおよびθの値にも若干依存す
る。また、Ｆが結晶構造中の酸素に置換できるというこ
とは、両者のイオン半径がほとんど同じであるというこ
とであり、これから容易に推定できる。
体は、磁場中での臨界電流密度の低下が著しい。これ
は、一つには、これらの銅複合酸化物系超電導体は多結
晶体であることが多く、粒界の絶縁体部分に、外部から
印加された磁場で容易に破壊してしまう超電導弱結合が
存在するためである。また、超電導電流を運ぶ電荷担担
体が正孔であるために、コヒーレント長が短いためであ
る。この発明の超電導体は、電荷担体が電子であるか
ら、コヒーレント長が長い。これは、固相反応中にＦを
酸素の一部と置換させることによって電子を注入し、結
晶全体の電荷のバランスを壊し、電荷担体を電子にする
ことができるからである。すなわち、酸素は２価の陰イ
オンであり、Ｆは１価の陰イオンであるため、Ｏの１原
子がＦの１原子に置換されると電子１個が注入されるこ
とになる。一方、超電導状態が発現されるためには、電
荷担体が電子である場合、電子濃度がある一定の範囲内
でなければならないことが知られている。この範囲は、
結晶内の電荷の総量をCuの平均価数に換算したとき、1.
7〜1.8である。この発明の超電導体におけるγおよびδ
の範囲は、この電子濃度の範囲に関連して決められる。
ただ、希土類元素（α）が３価の陽イオンであり、アル
カリ土類元素（β）が２価の陽イオンであるため、結晶
中の電荷担体の濃度はηおよびθの値にも若干依存す
る。また、Ｆが結晶構造中の酸素に置換できるというこ
とは、両者のイオン半径がほとんど同じであるというこ
とであり、これから容易に推定できる。
さて、超電導転移温度は、現象論的には、単位格子中
のCuとＯとからなりユニット数に比例して高くなるらし
いことが判明しつつある。上述した、従来の、電荷担体
が電子である超電導体は、単位格子中のCuとＯとからな
るユニットを１個しか含んでいないために、超電導転移
温度が低いと推定される。これに対し、この発明の超電
導体では、CuとＯとからなるユニットが２個あり、電荷
担体が電子である超電導体では最も高い超電導転移温度
を実現できるものである。
のCuとＯとからなりユニット数に比例して高くなるらし
いことが判明しつつある。上述した、従来の、電荷担体
が電子である超電導体は、単位格子中のCuとＯとからな
るユニットを１個しか含んでいないために、超電導転移
温度が低いと推定される。これに対し、この発明の超電
導体では、CuとＯとからなるユニットが２個あり、電荷
担体が電子である超電導体では最も高い超電導転移温度
を実現できるものである。
この発明の超電導体は、テープ状、線状、繊維状、シ
ート状等、いろいろな形態にして用いることができる。
また、炭素繊維や、セラミックスや、銀等の金属からな
る補強線材上に形成して用いることもできる。また、銀
シースなどの補強用の中空材料に詰め込んで使用するこ
ともできる。さらに、銅などのマトリクスを用いて多芯
線構造の超電導線材を作ることもできる。また、Si、Mg
O、LaGaO3等の基板上に薄膜として形成して、各種の素
子、あるいは、LSIの配線用として用いることができ
る。
ート状等、いろいろな形態にして用いることができる。
また、炭素繊維や、セラミックスや、銀等の金属からな
る補強線材上に形成して用いることもできる。また、銀
シースなどの補強用の中空材料に詰め込んで使用するこ
ともできる。さらに、銅などのマトリクスを用いて多芯
線構造の超電導線材を作ることもできる。また、Si、Mg
O、LaGaO3等の基板上に薄膜として形成して、各種の素
子、あるいは、LSIの配線用として用いることができ
る。
この発明の超電導体は、いろいろな方法によって製造
することができる。
することができる。
たとえば、いわゆる粉末混合法によることができる。
この方法は、成分元素の酸化物やその前駆体（炭素塩、
硝酸塩等）、弗化物の粉末を所望の割合で混合し、それ
を焼結温度以下の温度で焼成し、さらに粉砕、混合し、
所望の形状に成形した後に焼成する方法である。また、
薄膜を形成する方法としては、よく知られた、電子ビー
ム蒸着法、レーザー蒸着法等の各種蒸着法、マグネトロ
ンスパッタ法等の各種スパッタ法、ハロゲン化物や有機
金属等を用いる化学的気相成長法、硝酸塩や有機酸塩等
を用いる霧化法、アルコキシド等を用いる塗布法などが
ある。
この方法は、成分元素の酸化物やその前駆体（炭素塩、
硝酸塩等）、弗化物の粉末を所望の割合で混合し、それ
を焼結温度以下の温度で焼成し、さらに粉砕、混合し、
所望の形状に成形した後に焼成する方法である。また、
薄膜を形成する方法としては、よく知られた、電子ビー
ム蒸着法、レーザー蒸着法等の各種蒸着法、マグネトロ
ンスパッタ法等の各種スパッタ法、ハロゲン化物や有機
金属等を用いる化学的気相成長法、硝酸塩や有機酸塩等
を用いる霧化法、アルコキシド等を用いる塗布法などが
ある。
なお、この発明の超電導体は、酸素欠損を生じたほう
が、結晶中の電荷担体、すなわち、注入される電子の数
を増やしやすくなるので、焼成後、急冷したり、低酸素
分圧の雰囲気中で熱処理するのが好ましい。
が、結晶中の電荷担体、すなわち、注入される電子の数
を増やしやすくなるので、焼成後、急冷したり、低酸素
分圧の雰囲気中で熱処理するのが好ましい。
（実施例） 実施例１ La2O3、LaF3、SrCO3、CuOの各粉末を、La:Sr:Cu:Fが
1.9:1.1:2:0.8になるように計りとり、メノウ乳鉢で粉
砕、混合した後、Al2O3の容器に入れ、空気中にて950℃
で12時間焼成した。その後、再びメノウ乳鉢で粉砕し、
ペレット状に成形し、空気中にて1025℃で２時間焼成し
た後、液体窒素中で約1000℃／秒の速度で急冷した。
1.9:1.1:2:0.8になるように計りとり、メノウ乳鉢で粉
砕、混合した後、Al2O3の容器に入れ、空気中にて950℃
で12時間焼成した。その後、再びメノウ乳鉢で粉砕し、
ペレット状に成形し、空気中にて1025℃で２時間焼成し
た後、液体窒素中で約1000℃／秒の速度で急冷した。
得られた超電導体は、室温および液体窒素温度（77
K）でホール効果を測定したところ、キャリヤは電子で
あった。また、電子線マイクロアナライザによって組成
を分析したところ、La1.9Sr1.1Cu2O5.4Ｆ0.6であった。
さらに、四端子法によって電気抵抗を測定したところ、
29Kで抵抗が零になった。また、交流帯磁率測定法によ
って粉末試料について超電導体積率を測定したところ、
4.2Kで約32％であった。さらに、4.2K、零磁場下での臨
界電流密度を測定したところ、約930A/cm2であり、0.1T
（テスラー）の磁場中でも790A/cm2と、外部磁場による
臨界電流密度の低下は小さかった。
K）でホール効果を測定したところ、キャリヤは電子で
あった。また、電子線マイクロアナライザによって組成
を分析したところ、La1.9Sr1.1Cu2O5.4Ｆ0.6であった。
さらに、四端子法によって電気抵抗を測定したところ、
29Kで抵抗が零になった。また、交流帯磁率測定法によ
って粉末試料について超電導体積率を測定したところ、
4.2Kで約32％であった。さらに、4.2K、零磁場下での臨
界電流密度を測定したところ、約930A/cm2であり、0.1T
（テスラー）の磁場中でも790A/cm2と、外部磁場による
臨界電流密度の低下は小さかった。
実施例２ Eu2O3、Gd2O3、EuF3、CaCO3、CuOの各粉末を、Eu:Gd:
Ca:Cu:Fが1.2:0.6:1.2:2:1.1になるように計りとり、メ
ノウ乳鉢で粉砕、混合した後、Al2O3の容器に入れ、空
気中にて950℃で12時間焼成した。その後、再びメノウ
乳鉢で粉砕し、ペレット状に成形し、空気中にて1050℃
で48時間焼成した後、液体窒素中にて約1000℃／秒の速
度で急冷した。
Ca:Cu:Fが1.2:0.6:1.2:2:1.1になるように計りとり、メ
ノウ乳鉢で粉砕、混合した後、Al2O3の容器に入れ、空
気中にて950℃で12時間焼成した。その後、再びメノウ
乳鉢で粉砕し、ペレット状に成形し、空気中にて1050℃
で48時間焼成した後、液体窒素中にて約1000℃／秒の速
度で急冷した。
得られた超電導体は、キャリヤが電子であり、組成
は、Eu1.2Gd0.6Ca1.2Cu2O5.2Ｆ0.8であった。また、零
抵抗超電導転移温度は26Kであり、超電導体積率は4.2K
で約24％であった。さらに、4.2K、零磁場下での臨界電
流密度は約700A/cm2、0.1Tの磁場中での臨界電流密度は
約550A/cm2であった。
は、Eu1.2Gd0.6Ca1.2Cu2O5.2Ｆ0.8であった。また、零
抵抗超電導転移温度は26Kであり、超電導体積率は4.2K
で約24％であった。さらに、4.2K、零磁場下での臨界電
流密度は約700A/cm2、0.1Tの磁場中での臨界電流密度は
約550A/cm2であった。
実施例３ La2O3、Nd2O3、LaF3、Sm2O3、SrCO3、CaCO3、CuOの各
粉末が、La:Nd:Sm:Sr:Ca:Cu:Fが1.0:0.7:0.3:0.8:0.2:
2:0.6になるように計りとり、メノウ乳鉢で粉砕、混合
した後、Al2O3の容器に入れ、空気中にて950℃で12時間
焼成した。その後、再びメノウ乳鉢で粉砕し、ペレット
状に成形し、窒素中にて1000℃で16時間焼成した後、液
体窒素中にて約1000℃／秒の速度で急冷した。
粉末が、La:Nd:Sm:Sr:Ca:Cu:Fが1.0:0.7:0.3:0.8:0.2:
2:0.6になるように計りとり、メノウ乳鉢で粉砕、混合
した後、Al2O3の容器に入れ、空気中にて950℃で12時間
焼成した。その後、再びメノウ乳鉢で粉砕し、ペレット
状に成形し、窒素中にて1000℃で16時間焼成した後、液
体窒素中にて約1000℃／秒の速度で急冷した。
得られた超電導体は、キャリヤが電子であり、組成
は、La1.0Nd0.7Sm0.3Sr0.8Ca0.2Cu２Ｏ5.5Ｆ0.5であっ
た。また、零抵抗超電導転移温度は25Kで、超電導体積
率は4.2Kで約20％であった。さらに、4.2K、電磁場下で
の臨界電流密度は約600A/cm2、0.1Tの磁場中での臨界電
流密度は約500A/cm2であった。
は、La1.0Nd0.7Sm0.3Sr0.8Ca0.2Cu２Ｏ5.5Ｆ0.5であっ
た。また、零抵抗超電導転移温度は25Kで、超電導体積
率は4.2Kで約20％であった。さらに、4.2K、電磁場下で
の臨界電流密度は約600A/cm2、0.1Tの磁場中での臨界電
流密度は約500A/cm2であった。
（発明の効果） この発明の超電導体は、一般式、 αηβθCu2OγＦδ ただし、 α:La、Nd、Sm、EuおよびGdから選ばれた少なくと
も１種の元素 β:SrおよびCaから選ばれた少なくとも１種の元素 1.8＜η＜2.1 0.9＜θ＜2.2 5.0＜γ＜6.3 0.1＜δ＜1.2 で表されるもので、実施例にも示したように、電荷担体
が電子であり、電抵抗超電導転移温度が高く、しかも、
磁場中臨界電流密度が高い。
も１種の元素 β:SrおよびCaから選ばれた少なくとも１種の元素 1.8＜η＜2.1 0.9＜θ＜2.2 5.0＜γ＜6.3 0.1＜δ＜1.2 で表されるもので、実施例にも示したように、電荷担体
が電子であり、電抵抗超電導転移温度が高く、しかも、
磁場中臨界電流密度が高い。
Claims (1)
- 【請求項１】下記一般式で表される超電導体。 αηβθCu2OγＦδ ただし、 α:La、Nd、Sm、EuおよびGdから選ばれた少なくとも１
種の元素 β:SrおよびCaから選ばれた少なくとも１種の元素 1.8＜η＜2.1 0.9＜θ＜2.2 5.0＜γ＜6.3 0.1＜δ＜1.2
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1250222A JP2817259B2 (ja) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | 超電導体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1250222A JP2817259B2 (ja) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | 超電導体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03112813A JPH03112813A (ja) | 1991-05-14 |
| JP2817259B2 true JP2817259B2 (ja) | 1998-10-30 |
Family
ID=17204653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1250222A Expired - Fee Related JP2817259B2 (ja) | 1989-09-26 | 1989-09-26 | 超電導体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2817259B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5846632B2 (ja) * | 2011-11-02 | 2016-01-20 | 独立行政法人国立高等専門学校機構 | 酸化物超伝導薄膜 |
| KR101703600B1 (ko) * | 2015-05-29 | 2017-02-07 | 현대자동차 주식회사 | 프라이머 시스템 및 이를 적용한 도포 장치 |
-
1989
- 1989-09-26 JP JP1250222A patent/JP2817259B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03112813A (ja) | 1991-05-14 |
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