JP2919955B2 - 超電導部材の製造方法 - Google Patents

超電導部材の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、酸化物超電導体を使用した超電導部材の製
造方法に関する。
(従来の技術) 1986年にBa−La−Cu−O系の層状ペレブスカイト型の
酸化物が40K以上の高い臨界温度を有することが発表さ
れて以来、酸化物系の超電導体が注目を集め、新材料探
索の研究が活発に行われている。その中でも、液体窒素
温度以上の高い臨界温度を有するY−Ba−Cu−O系で代
表される欠陥ペレブスカイト型の酸化物超電導体や、Bi
−Sr−Cu−O系、Tl−Ba−Ca−Cu−O系等と酸化物超電
導体は、冷媒として高価なヘリウムに代えて、安価な液
体窒素を利用できるため、工業的にも重要な価値を有し
ている。
このような酸化物超電導体のエネルギー分野への応用
を考えた場合、まず線材化することが必要となる。そこ
で、各種方法を用いて酸化物超電導体を線材化する試み
がなされている。
酸化物超電導を用いた超電導線材の作製方法として
は、 (a) 金属管内に酸化物超電導体を封入し、これを線
引き加工することによって線材化する方法。
(b) 酸化物超電導体粉末と有機バインダとを混合
し、ノズルから押し出して線材化する方法。
(c) 金属テープ上にスパッタ法や蒸着法によって酸
化物超電導線体層を形成し、線材化する方法。
等が知られている。
これら酸化物超電導体を用いた超電導線材の臨界電流
密度は、徐々に向上する傾向にある。特に上記(c)の
方法によれば、超電導特性の向上が期待できるが、スパ
ッタ法や蒸着法等によって直接金属基体上に酸化物超電
導体層を形成したのでは、配向した酸化物超電導体層は
得られ難いと共に、使用する金属基体によっては酸化物
超電導体層との界面に反応層が形成されるという難点が
あった。そこで、配向層を得るための現実的な手法とし
て、酸化物超電導体と格子定数が近似したMGO層等を金
属基体上にバッファ層として形成し、このバッファ層上
に酸化物超電導体層を形成する方法が試みられている。
このようなバッファ層を介した酸化物超電導体層と形
成方法によれば、界面での反応を防ぐことができると共
に、配向した酸化物超電導体層が得られ、臨界電流密度
の向上を図ることができる反面、酸化物超電導体層と金
属基体との界面にMgOのような絶縁層が介在するため
に、酸化物超電導体層と金属基体との電気的な導通をと
ることができないという欠点がある。したがって、使用
中に酸化物超電導体層の一部が常電導状態に転移した場
合に、金属基体へ電流をバイパスさせて超電導体を保護
する、いわゆる安定化材として金属基体を機能させるこ
とができない。
一方、酸素プラズマ供給法を組合せたクラスターイオ
ンビーム法(ICB法)によれば、クラスター待つイオン
エネルギーの作用で、配向した酸化物超電導体膜を銀テ
ープ等の金属基体上に直接形成することが可能であり、
超電導性の向上が期待できると共に、酸化物超電導体層
と金属基体との界面にバッファ層を設ける必要がないた
めに、金属基体を安定化材として機能させることができ
るという利点。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上述した酸素プラズマ供給法を組合せ
たICB法においては、酸素プラズマによる酸化力が極め
て強いため、銀以外の安価な銅、ステンレス、ニッケ
ル、ハステロイ等の卑金属を基体とて用いると、成膜時
に金属基体表面が酸化し、酸化物超電導体と反応するこ
とによって、配向した良好な膜が得られないという問題
がある。
本発明は、このような従来技術の課題に対処するため
になされたもので、安価な卑金属基準上に配向性に優れ
た酸化物超電導体層を直接形成し、臨界電流密度の向上
を図ると共に、金属基体を安定化材として機能させるこ
とを可能にした超電導部材の製造方法を提供することを
目的とするものである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段と作用) すなわち本発明の超電導部材の製造方法は、銅、鉄、
ニッケル、クロム、コバルト、アルミニウムまたはこれ
らの合金からなる金属基体上にクラスターイオンビーム
法により超電導体層を形成してなる超電導部材を製造す
るにあたり、前記金属基体上に1×10-4Torr以下の酸素
圧下で前記超電導体の構成元素を100Å以上の厚さで被
着させる第1の成膜工程と、この超電導体の構成元素の
膜上に2×10-4Torr以上の酸素圧下、活性化された酸素
を前記金属基体付近に供給しながら、前記超電導体層を
クラスターイオンビーム法によって成膜する第2の成膜
工程とを有することを特徴としている。
本発明に使用される超電導体としては、希土類元素含
有のプロブスカイト型の酸化物超電導体、Bi−Sr−Ca−
Cu−O系酸化物超電導体、Tl−Ba−Ca−Cu−O系酸化物
超電導体等、各種の酸化物超電導体を適用することが可
能である。
上記希土類元素を含有しペロブスカイト型構造を有す
る酸化物超電導体は、超電導状態を実現できるものであ
ればよく、例えばREM2 Cu3 O7-Y系(REは Y、La、Sc、N
d、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Yb、Lu等の希土類元素か
ら選ばれた少なくとも1種の元素を、MはBa、Sr、Caか
ら得ばれた少なくとも1種の元素を、Yは酸素欠損を表
し通常 1以下の数、Cuの一部はTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、N
i、Zn等で置換可能)の酸化物等が例示される。
また、Bi−Sr−Ca−Cu−O系の酸化物超電導体は、 化学式:Bi2 (Sr,Ca)3 Cu2 Ox Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 Ox Bi2 Sr2 Ca3 Cu4 Ox (式中、Biの一部はPb等で置換可能。) 等で表されるものであり、また同様な構造を有するTl
−Ba−Ca−Cu−O系酸化物超電導体は、 化学式:Tl2 (Ba,Ca)3 Cu2 Ox Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 Ox Tl2 Ba2 Ca3 Cu4 Ox Tl2 Ba2 Ca4 Cu5 Ox 等で表されるものある。
また、本発明に使用される金属基体は、導電性が良好
で融点が酸化物超電導体層の成膜温度以上の金属であれ
ばよく、銅、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、アルミ
ニウムから得ばれる卑金属やこれらの合金が用いられ
る。また、その形状としては、テープ状や線状等の長尺
形状に限られるものではなく、基板形状や部品形状等の
各種形状のものを適用することができる。
本発明の超電導部材の製造方法においては、酸素プラ
ズマ供給法を組合せたクラスターイオンビーム成膜法に
おいて、まず成膜初期に酸素圧が1×10-4Torr以下の条
件で、酸化物超電導体の構成元素を100Å以上の厚さ
で、好ましくは100Å〜1000Å厚さで被着させる。
この第1の成膜工程においては、成膜雰囲気の酸素圧
を1×10-4Torr以下としているため、金属基体表面の酸
化が抑制される。ここで形成される膜は、酸化物超電導
体の構成元素の酸化自体も抑制されるため、酸化物超電
導体の構成元素の合金層(一部酸化物を含む)となる
が、導電正は確保することができる。
上記第1の成膜工程で100Å以上の厚さの膜を形成す
るのは、第2の成膜工程で実際に酸化物超電導体層を形
成する際に、酸素プラズマの基体に対する作用を防止す
るためであり、その厚さが100Å以下では金属基体表面
の凹凸のため、酸素プラズマによる作用を防止する効果
が十分に得られず、また厚さを1000Å以上としても、そ
れ以上の効果が得られないと共に、製造工程が長くなる
ため好ましくない。
そして、本発明においては、上記第1の成膜工程によ
って金属基体と酸化を抑制しつつ形成した膜上に、2×
10-4Torr以上と酸素圧下で酸素プラズマ等と活性化した
酸素を成膜部近傍に供給しながら、酸化物超電導体の構
成元素のクラスターを飛翔させて、酸化物超電導体膜を
形成する。
この第2の成膜工程においては、酸化物超電導体結晶
が形成されるように十分に強い酸化雰囲気としても、上
記第1工程で形成した膜が卑金属基体表面を覆っている
ため、卑金属基体自体が酸化されることはなく、酸化物
超電導体との反応を防止することができるとも共に、ク
ラスターとイオンエネルギーによって、第1の成膜工程
で得られた膜上にc軸配向した緻密な酸化物超電導体膜
を形成することができる。
また、第1の成膜工程で得られる膜は、導電性を有し
ているために、卑金属基体と酸化物超電導体膜との電気
導通性を保つことができ、卑金属基体を安定化材として
機能させることができる。
(実施例) 次に、本発明の実施例について説明する。
実施例1 幅5mm、厚さ0.5mmの長尺な銅製のテープ状基体を用
い、イオンクラスタービーム法によりY系酸化物超電導
体の成膜を行った。
まず、上記銅製基体を成膜装置の基板ホルダにセット
し、銅製基体と温度を650℃に設定すると共に、9×10
-5Torr真空状態とした真空チャンバ内で、Y、Ba、Cuの
各元素を同時に蒸発させて、各元素のクラスターを飛翔
させ、厚さ500ÅのY、Ba、Cuの合金膜を成膜した。
次に、酸素プラズマを銅製基体の表面付近に吹きつけ
ながら、Y、Ba、Cuと各元素を同時に蒸発させて各元素
のクラスターを飛翔させ、Y系酸化物超電導体の成膜を
行った。この際と真空チャンバ内の酸素圧は、2×10-4
Torrであった。
この後、酸素プラズマを吹きつけながら冷却して、目
的とするY系酸化物超電導体膜で得た。
得られた試料の結晶の配向性をX線回折で調べたとこ
ろ、Y系酸化物超電導体の結晶のc軸が基体に垂直に配
向していることを確認した。また、液体窒素中で臨界電
流密度Jc測定した結果、2×105A/cm2と高い値が得ら
れ、しかもJc以上の電流を流した際には、銅基体と方に
電流が流れ、銅基体が安定化材としてと機能を果すこと
を確認した。
比較例1 成膜初期から酸素プラズマを吹きつける以外は、実施
例1と同様な条件で成膜を行った。
得られた試料の結晶と配向性をX線回折で調べたとこ
ろ、無配向状態のY系酸化物超電導体となっていた。ま
た、液体窒素中で臨界電流密度の測定を行った結果、5
×103A/cm2と低い値しか得られなかった。
実施例2 金属基体としてハステロイ合金を用いる以外は、実施
例1と同様な条件で成膜を行った。
得られた試料の結晶の配向性をX線回折で調べたとこ
ろ、実施例1と同様にc軸配向していることを確認し
た。また、液体窒素中で臨界電流密度を測定した結果、
1×105A/cm2と高い値が得られた。
比較例2 成膜初期から酸素プラズマを吹きつける以外は、実施
例2と同様な条件で成膜を行った。
得られた試料の結晶の配向性をX線回折で調べたとこ
ろ、無配向状態のY系酸化物超電導体となっていた。ま
た、液体窒素中で臨界電流密度の測定を行った結果、1
×103A/cm2と低い値しか得られなかった。
実施例3〜5 ニッケル、ステンレス、鉄を金属基体としてそれぞれ
用い、各々に9×10-5Torrの真空中で、Y、Ba、Cuを合
計100Åの厚さで成膜した後、それぞれに対して実施例
1と同様な条件下でY系酸化物超電導体の成膜を行っ
た。
得られた各試料のX線回折パターンは、いずれの基体
の場合もc軸配向したY系酸化物超電導体になってい
た。また、液体窒素中の臨界電流密度も、それぞれ1×
105A/cm2、2×105A/cm2、1×105A/cm2と高い値が得ら
れ、しかもJc以上の電流を流した際には、金属基体の方
に電流が流れ、安定化材としての機能を果すことを確認
した。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の超電導部材の製造方法
によれば、安価な卑金属基体を用いた際においても、卑
金属基体の酸化を防止することができるため、配向性に
優れた酸化物超電導体層を形成することができ、臨界電
流密度の向上を図ることが可能となる。また、電気絶縁
性のバッファ層等を必要としないため、金属基体を安定
化材として機能させることが可能になる。よって、超電
導特性に優れ、かつ金属基体を安定化材として機能させ
る得る安価な超電導部材を提供することが可能になる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 張庭 清 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平1−117208(JP,A) 特開 平1−215968(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】銅、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、ア
    ルミニウムまたはこれらの合金からなる金属基体上にク
    ラスターイオンビーム法により超電導体層を形成してな
    る超電導部材を製造するにあたり、 前記金属基体上に1×10-4Torr以下の酸素圧下で前記超
    電導体の構成元素を100Å以上の厚さで被着させる第1
    の成膜工程と、 前記超電導体の構成元素の膜上に2×10-4Torr以上の酸
    素圧下で、活性化された酸素を前記金属基体付近に供給
    しながら、前記超電導体層をクラスターイオンビーム法
    によって成膜する第2の成膜工程と を有することを特徴とする超電導部材の製造方法。
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