JP3061627B2 - 酸化物超電導テープ導体の製造方法 - Google Patents

酸化物超電導テープ導体の製造方法

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康裕 飯島
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、酸化物超電導体などの電気的異方性の大
きな超電導体を気相法によりテープ状に形成する際に、
結晶配向性を向上させて電気的異方性を克服し、優れた
超電導特性を得るようにするものである。
「従来の技術」 フレキシブルなテープ状の金属基材上に、気相法によ
って超電導体を形成してテープ状の超電導体を製造する
試みは、従来よりNb3Sn等の脆い超電導金属間化合物を
使用した超電導線の分野において既に実用化されてい
る。
ところが、1986年になってから発見された酸化物超電
導体においては、機械的強度が弱いために、これを克服
する必要があるという上に、結晶の配向性による電気的
異方性が非常に大きいということから、酸化物超電導体
の結晶をテープ上に配向させて作成することが重要な技
術課題となっている。そして従来、その課題を解決する
ための一つの手段として、気相法を用いたテープ状の酸
化物超電導体の作成方法が注目されている。
この種の酸化物超電導体は、スパッタリング、CVD
(化学気相法)法、レーザ蒸着法等の種々の気相プロセ
スで作成されるようになっている。
「発明が解決しようとする課題」 ところで、テープ状の酸化物超電導体を製造する場合
において、SrTiO3,MgO,YSZなどの単結晶基板で、面指数
が(100)のものを用い、この基材上に酸化物超電導薄
膜を成膜すれば、強く結晶配向した酸化物超電導層を作
製することができ、良好な超電導特性を得ることができ
ることが知られている。
しかしながら、超電導マグネットなどの電力応用を意
識した長尺テープ導体用の基材として使用可能なもの
は、金属や可撓性セラミックスなどの多結晶基材であ
る。この種の多結晶基材においても、適切な成膜条件を
選択すれば、結晶配向性の良好な酸化物超電導層を作製
することができるが、多結晶基材上に形成した酸化物超
電導層にあっては、SrTiO3などの単結晶基材上に作製し
た酸化物超電導層に比較すると、結晶配向性、超電導特
性ともに低下する傾向があることは避けられなかった。
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、
多結晶基材上に酸化物超電導層を形成した構造であって
も、結晶配向性に優れ、超電導特性に優れた酸化物超電
導テープ導体を提供することを目的とする。
「課題を解決するための手段」 本発明は前記課題を解決するために、多結晶体からな
るテープ状の基材上に、酸化物超電導層を形成して酸化
物超電導層テープ導体を製造する方法において、前記基
材上に、Ti、Zr、ZnOの中から選ばれる1種の六方晶系
の基礎薄膜を、この基礎薄膜の(0001)面が基材上面に
平行になるように形成し、次にSrTiO、MgO、イットリア
安定化ジルコニアの中から選ばれる1種の立方晶系の中
間薄膜を、この中間薄膜の(100)面が基材上面に平行
になるように前記基礎薄膜上に形成し、次いで前記中間
薄膜上に酸化物超電導層を成膜することを特徴とする。
「作用」 多結晶体からなる基材上に、Ti、Zr、ZnOの中から選
ばれる1種からなる六方晶系の基礎薄膜を形成するとそ
の(0001)面が基材上面と平行になるように生成する。
次に基礎薄膜上にSrTiO、MgO、イットリア安定化ジルコ
ニアの中から選ばれる1種の立方晶系の中間薄膜を成膜
すると、中間薄膜がその(100)面を上にして良好な配
向性でもって成長する。従ってこの配向性の良好な立方
晶系の中間薄膜上に酸化物超電導層を成膜するならば、
結晶配向性の良好な酸化物超電導層が生成する。
以下に本発明を更に詳細に説明する。
第1図は、本発明方法を実施して製造された酸化物超
電導テープ導体の一例を示すもので、この例の超電導テ
ープ導体1は、テープ状の基材2の上面に、基礎薄膜3
と中間薄膜4と酸化物超電導層5を順次積層してなるも
のである。
前記基材2は、ハステロイ、ステンレスなどからなる
耐熱金属テープあるいは可撓性セラミックスなどからな
るもので、超電導マグネットの製造のためにコイル加工
ができるような可撓性を有するものである。
基礎薄膜3はTi,Zr,ZnOの中から選ばれる1種の六方
晶系の元素の薄膜である。この基礎薄膜3を設ける理由
は、後に形成する中間薄膜4の結晶配向性を良好にする
ためである。
中間薄膜4は、SrTiO3,MgO,YSZ(イットリア安定化ジ
ルコニア)の中から選ばれる1種の立方晶系の薄膜であ
る。
酸化物超電導層5は、Y1Ba2Cu3O7−δからなる組成
の酸化物超電導体に代表されるA−B−Cu−O系酸化物
超電導体などである。ここでAは、Yの他にSc,La,Er,Y
bなどの周期率表III a族元素の1種以上を示し、BはBa
の他にSrなどの周期率表II a族元素の1種以上を示す。
なお、Bi2Sr2Ca2Cu3OXなる組成に代表されるBi−Sr−Ca
−Cu−O系の酸化物超電導体、あるいは、Tl2Ba2Ca2Cu3
OXなる組成に代表されるTl−Ba−Ca−Cu−O系の酸化物
超電導体などを用いることもできる。
前記構造の酸化物超電導テープ導体1を製造するに
は、基材2の上面にスパッタリング、CVD法(化学気相
法)、レーザ蒸着などの成膜法を用いてTiなどの六方晶
系の結晶構造を有する基礎薄膜3を形成する。この基礎
薄膜3は(0001)面を基材2の上面に平行にするように
生成する。
この際に形成する基礎薄膜3の厚さは、0.2〜0.5μm
程度が好ましい。また、成膜の際に好ましくは真空雰囲
気中において基材1を200〜300℃程度に加熱することが
好ましい。ここで300℃より高い温度に加熱すると結晶
配向性が劣化するので好ましくなく、200℃より低い温
度に加熱すると結晶配向性が劣化するので好ましくな
い。
基礎薄膜3を成膜したならば、基礎薄膜3上にスパッ
タリング、CVD法、レーザ蒸着などの成膜法によって中
間薄膜4を形成する。この中間薄膜4は、(0001)面に
配向した基礎薄膜3の上に成膜されるが、この基礎薄膜
3の(0001)面の結晶構造を模式的に示すと第2図に示
すようになる。ここで第2図において、隣接する原子で
はなくて、いくつか離間して並ぶ原子の間においては縦
5.11Å、横5.90Åの原子間距離が存在する。従ってこの
ような原子間隔の存在する基礎薄膜3の(0001)面上
に、第3図に示すように縦横5.14Åの原子間隔を有する
立方晶の中間薄膜4を形成するならば、成膜された中間
薄膜4は基礎薄膜3に揃って結晶配向し、その(100)
面が基材2の上面と平行になると推定される。
この際に形成する中間薄膜4の厚さは、0.2〜0.5μm
程度が好ましい。また、成膜の際に好ましくは真空雰囲
気中において基材1を200〜400℃程度に加熱することが
好ましい。ここで400℃より高い温度で加熱すると結晶
配向性が劣化するので好ましくなく、200℃より低い温
度で加熱すると結晶配向性が劣化するので好ましくな
い。
中間薄膜4を形成したならば、中間薄膜4上に薄膜状
の酸化物超電導層5を形成する。ここで酸化物超電導層
5は、ペロブスカイト構造を基本とする結晶構造を有
し、中間薄膜4の立方晶系の結晶構造と類似構造であ
り、結晶格子の大きさも類似しているので、酸化物超電
導層5は中間薄膜4の結晶に揃って配向性の良好な状態
でエピタキシャル成長する。
従って配向性の良好な臨界電流密度の優れた酸化物超
電導層5を備えた超電導テープ導体1を得ることができ
る。
「実施例」 光沢研磨を施した多結晶の耐熱金属からなるテープ状
の基材(ハステロイC−276)上に基板温度300℃、真空
度2×10-4Torrにおいて、Ti薄膜をイオンビームスパッ
タ法により作製した。このTi薄膜のX線回折パターンを
測定した結果を第4図に示す。
更に、Ti薄膜の上にYSZの薄膜をイオンビームスパッ
タ法により成膜した。そのYSZ薄膜のX線回折パターン
を測定した結果を第4図に示す。
第4図に示す回折パターンから、Ti薄膜に関し、(00
01)面と平行な(0002)面の回折ピークが見られ、YSZ
薄膜は(100)面と平行な(200)面の回折ピークが見ら
れ、各薄膜とも配向していることが明らかになった。
次に前記YSZ薄膜上にY1Ba2Cu3O7−δなる組成の薄膜
状の超電導層をスパッタ法により形成し、酸化物超電導
テープ導体を得た。得られた超電導テープ導体は、臨界
温度83Kを示し、臨界電流密度10000A/cm2を示した。
なお、比較のために、光沢研磨を施した多結晶の耐熱
金属からなるテープ状の基材(ハステロイC−276)上
に、前記と同様の条件でYSZの薄膜を形成した後、Y1Ba2
Cu3O7−δなる組成の酸化物超電導層を前記と同等の条
件で形成して酸化物超電導テープ導体を製造した。この
酸化物超電導テープ導体は、臨界温度82Kを示し、臨界
電流密度1000を示した。
以上のことから、本発明方法を実施することにより、
結晶配向性の良好な超電導特性の良好な酸化物超電導テ
ープ導体を得ることができた。
「発明の効果」 以上説明したように本発明は、多結晶体の基材上にT
i、Zr、ZnOの中から選ばれる1種の六方晶系の基礎薄膜
を(0001)面を上に出すように形成し、基礎薄膜の上に
SrTiO、MgO、イットリア安定化ジルコニアの中から選ば
れる1種の立方晶系の中間薄膜を成膜するので、中間薄
膜が基礎薄膜に揃って(100)面を出して結晶配向した
状態に成長する。従ってこの中間薄膜の上に酸化物超電
導層を成膜するならば、中間薄膜に対して結晶配向した
配向性の良好な酸化物超電導層を生成させることができ
る。
従って臨界電流密度の高い酸化物超電導テープ導体を
得ることができる。また、前記の如く製造された酸化物
超電導テープ導体は、フレキシブルなテープ状の基材に
基礎薄膜と中間層と酸化物超電導層とを形成しているの
で、長尺のものを製造することが容易であり、可撓性に
優れ、超電導コイルを製造する場合のコイル加工が可能
なものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法によって製造された酸化物超電導テ
ープ導体の一例を示す断面図、第2図はTiの薄膜の(00
01)面の原子配置を示す平面図、第3図はYSZの薄膜の
(100)面の原子配置を示す平面図、第4図は実施例で
製造された酸化物超電導体のX線回折図である。 1……超電導テープ導体、2……基材、3……基礎薄
膜、4……中間薄膜、5……酸化物超電導層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 12/00 - 13/00 C23C 14/08 C30B 29/22

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多結晶体からなるテープ状の基材上に、酸
    化物超電導層を形成して酸化物超電導層テープ導体を製
    造する方法において、 前記基材上に、Ti、Zr、ZnOの中から選ばれる1種の六
    方晶系の基礎薄膜を、この基礎薄膜の(0001)面が基材
    上面に平行になるように形成し、次にSrTiO、MgO、イッ
    トリア安定化ジルコニアの中から選ばれる1種の立方晶
    系の中間薄膜を、この中間薄膜の(100)面が基材上面
    に平行になるように前記基礎薄膜上に形成し、次いで前
    記中間薄膜上に酸化物超電導層を成膜することを特徴と
    する酸化物超電導テープ導体の製造方法。
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