JP3258824B2 - 金属酸化物材料、それを用いた超伝導接合素子及び超伝導素子用基板 - Google Patents
金属酸化物材料、それを用いた超伝導接合素子及び超伝導素子用基板Info
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、主に銅の酸化物超伝導
材料と組み合わせて使用する金属酸化物材料に関し、特
に、超伝導電子素子を作製する際の超伝導素子用基板、
若しくは基板と超伝導体との間のバッファー層、或いは
超伝導体と金属又は超伝導体の間の絶縁層として有用な
金属酸化物材料に関する。
材料と組み合わせて使用する金属酸化物材料に関し、特
に、超伝導電子素子を作製する際の超伝導素子用基板、
若しくは基板と超伝導体との間のバッファー層、或いは
超伝導体と金属又は超伝導体の間の絶縁層として有用な
金属酸化物材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、相次いで発見された銅を含む酸化
物超伝導体は、従来知られていたニオブ系などの超伝導
臨界温度（Ｔｃ）を大きく上回るＴｃを持つ為、多くの
分野で応用研究が進められている。超伝導エレクトロニ
クスの分野においても、その実用化への期待は大きく、
多くの研究報告が既に発表されている。超伝導電子素子
に用いられる超伝導体は、薄膜作製技術により達成され
るのが一般的であるが、素子を形成する為には超伝導体
だけではなく、それと共に用いられるトンネルバリア層
やバッファー層、更には基板等の材料も適切なものでな
ければならない。
物超伝導体は、従来知られていたニオブ系などの超伝導
臨界温度（Ｔｃ）を大きく上回るＴｃを持つ為、多くの
分野で応用研究が進められている。超伝導エレクトロニ
クスの分野においても、その実用化への期待は大きく、
多くの研究報告が既に発表されている。超伝導電子素子
に用いられる超伝導体は、薄膜作製技術により達成され
るのが一般的であるが、素子を形成する為には超伝導体
だけではなく、それと共に用いられるトンネルバリア層
やバッファー層、更には基板等の材料も適切なものでな
ければならない。
【０００３】これらの材料を選ぶ場合には、超伝導体と
良好な界面を得ることが重大なポイントであるが、その
為には超伝導体の格子定数とそれに接合するトンネルバ
リア層やバッファー層、基板等の格子定数が一致してい
ることが望ましい。又、両者の熱膨張係数も近いことが
望ましい。更には、高温中で成膜する場合や高温中のプ
ロセスを経る場合には、両者の元素が夫々の層中に拡散
することが多いが、この拡散が起こりにくい材料、若し
くは拡散が起こっても素子に影響が少ない材料を選ぶこ
とが必要である。
良好な界面を得ることが重大なポイントであるが、その
為には超伝導体の格子定数とそれに接合するトンネルバ
リア層やバッファー層、基板等の格子定数が一致してい
ることが望ましい。又、両者の熱膨張係数も近いことが
望ましい。更には、高温中で成膜する場合や高温中のプ
ロセスを経る場合には、両者の元素が夫々の層中に拡散
することが多いが、この拡散が起こりにくい材料、若し
くは拡散が起こっても素子に影響が少ない材料を選ぶこ
とが必要である。
【０００４】この様な素子としては、超伝導体ＹＢａ2
Ｃｕ3Ｏyに、これと同じ構造を持つＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏy
をトンネルバリア層材料として組み合わせた酸化物超伝
導層−酸化物層−酸化物超伝導層のＳＩＳタイプ素子が
提案されている。又、超伝導体としてＬｎ2-xＣｅxＣｕ
Ｏy（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）等のキャ
リアがｎタイプである銅酸化物を利用しようとした場合
には、トンネルバリア層に用いる材料として、半導体で
あるＣｅを含まないＬｎ2ＣｕＯ4（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）等が候補として挙げられる。
Ｃｕ3Ｏyに、これと同じ構造を持つＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏy
をトンネルバリア層材料として組み合わせた酸化物超伝
導層−酸化物層−酸化物超伝導層のＳＩＳタイプ素子が
提案されている。又、超伝導体としてＬｎ2-xＣｅxＣｕ
Ｏy（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）等のキャ
リアがｎタイプである銅酸化物を利用しようとした場合
には、トンネルバリア層に用いる材料として、半導体で
あるＣｅを含まないＬｎ2ＣｕＯ4（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）等が候補として挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
例えば、Ｎｄ2-xＣｅxＣｕＯyに対してＮｄ2ＣｕＯ4を
トンネルバリア層に使用した場合、合成温度等の条件が
両者ともほぼ等しいか、或いはＮｄ2ＣｕＯ4の方が若干
低い為に、超伝導層からはＣｅイオン等が、或いはトン
ネルバリア層からはＮｄイオン等が拡散し易いという問
題があった。これは、トンネルバリア層にＣｅイオンが
拡散した場合にはトンネルバリア層の特性が金属的なも
のとなってしまい、逆に、超伝導層にＮｄイオンが拡散
した場合には、Ｃｅの相対濃度が低下して超伝導特性を
劣化させる原因となることを意味している。
例えば、Ｎｄ2-xＣｅxＣｕＯyに対してＮｄ2ＣｕＯ4を
トンネルバリア層に使用した場合、合成温度等の条件が
両者ともほぼ等しいか、或いはＮｄ2ＣｕＯ4の方が若干
低い為に、超伝導層からはＣｅイオン等が、或いはトン
ネルバリア層からはＮｄイオン等が拡散し易いという問
題があった。これは、トンネルバリア層にＣｅイオンが
拡散した場合にはトンネルバリア層の特性が金属的なも
のとなってしまい、逆に、超伝導層にＮｄイオンが拡散
した場合には、Ｃｅの相対濃度が低下して超伝導特性を
劣化させる原因となることを意味している。
【０００６】これに対し、Ｎｄ2-xＣｅxＣｕＯyに対し
て、より合成温度の高いＬａ2ＣｕＯ4をトンネルバリア
層に使用しようとする場合は、両者の格子定数を比較す
ると、ａ（ｂ）軸長において前者は正方晶、即ちａ＝ｂ
で、３．９６Åであるのに対し、後者は斜方晶であり、
方位を統一する為にａ、ｂ軸長の平方根で記述すると、
夫々３．７９Å、３．８２Åであり、上記のＮｄ2-xＣ
ｅxＣｕＯyに比べて格子定数が４〜５％小さく、エピタ
キシャルに結晶成長させるには内部応力が大きくなり、
その結果結晶に欠陥が入り、素子として機能しなくなっ
てしまうという問題がある。
て、より合成温度の高いＬａ2ＣｕＯ4をトンネルバリア
層に使用しようとする場合は、両者の格子定数を比較す
ると、ａ（ｂ）軸長において前者は正方晶、即ちａ＝ｂ
で、３．９６Åであるのに対し、後者は斜方晶であり、
方位を統一する為にａ、ｂ軸長の平方根で記述すると、
夫々３．７９Å、３．８２Åであり、上記のＮｄ2-xＣ
ｅxＣｕＯyに比べて格子定数が４〜５％小さく、エピタ
キシャルに結晶成長させるには内部応力が大きくなり、
その結果結晶に欠陥が入り、素子として機能しなくなっ
てしまうという問題がある。
【０００７】従って、本発明の目的は、超伝導体として
主にＴ´構造を有するＬｎ2-xＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ＝Ｐ
ｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）を利用した場合におい
て、トンネルバリア層やバッファー層、或いは基板等の
構成材料として有用な金属酸化物材料を提供すること、
更に、それを用いた超伝導接合素子及び超伝導素子用基
板を提供することにある。
主にＴ´構造を有するＬｎ2-xＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ＝Ｐ
ｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）を利用した場合におい
て、トンネルバリア層やバッファー層、或いは基板等の
構成材料として有用な金属酸化物材料を提供すること、
更に、それを用いた超伝導接合素子及び超伝導素子用基
板を提供することにある。
【０００８】
【問題点を解決する為の手段】上記目的は以下の本発明
によって達成される。即ち、本発明は、組成式がＬｎ
2-aＣｅaＣｕ1-bＰｄbＯ4-cと表される金属酸化物材料
において、０≦ａ≦０．２、０．０２５≦ｂ≦０．５及
び０≦ｃ≦０．１であり、且つＬｎがＬａ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ及びＧｄからなる元素群から選ばれた１
種類以上の元素又は原子団であることを特徴とする金属
酸化物材料、及び該金属酸化物材料を用いた超伝導接合
素子及び超伝導素子用基板である。
によって達成される。即ち、本発明は、組成式がＬｎ
2-aＣｅaＣｕ1-bＰｄbＯ4-cと表される金属酸化物材料
において、０≦ａ≦０．２、０．０２５≦ｂ≦０．５及
び０≦ｃ≦０．１であり、且つＬｎがＬａ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ及びＧｄからなる元素群から選ばれた１
種類以上の元素又は原子団であることを特徴とする金属
酸化物材料、及び該金属酸化物材料を用いた超伝導接合
素子及び超伝導素子用基板である。
【０００９】
【作用】本発明の金属酸化物材料を構成する元素は、従
来公知の銅酸化物超伝導体であるＬｎ2-xＣｅxＣｕＯy
（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）を構成してい
る元素とＰｄ元素とからなる。つまり従来と異なる点
は、Ｃｕの一部をＰｄで部分的に置換している点のみで
あり、組成比を含め従来とほぼ同様である。本発明にお
いては、Ｃｕの一部をＰｄ元素で部分的に置換すること
による効果の一つは、金属酸化物材料の合成温度を上昇
させ、更に超伝導特性を消失させることにある。ここ
で、合成温度の上昇の割合はＰｄ元素の量にもよるが、
例えば、Ｃｕの半分をＰｄ元素で置換することにより合
成温度は１００℃程度上昇する。即ち、この様に、本発
明の金属酸化物材料の合成温度を超伝導体よりも高く出
来ることは、超伝導体からトンネルバリア層等へのイオ
ンの拡散若しくは逆の拡散を小さくし、超伝導特性にあ
まり影響を与えないことを意味する。
来公知の銅酸化物超伝導体であるＬｎ2-xＣｅxＣｕＯy
（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）を構成してい
る元素とＰｄ元素とからなる。つまり従来と異なる点
は、Ｃｕの一部をＰｄで部分的に置換している点のみで
あり、組成比を含め従来とほぼ同様である。本発明にお
いては、Ｃｕの一部をＰｄ元素で部分的に置換すること
による効果の一つは、金属酸化物材料の合成温度を上昇
させ、更に超伝導特性を消失させることにある。ここ
で、合成温度の上昇の割合はＰｄ元素の量にもよるが、
例えば、Ｃｕの半分をＰｄ元素で置換することにより合
成温度は１００℃程度上昇する。即ち、この様に、本発
明の金属酸化物材料の合成温度を超伝導体よりも高く出
来ることは、超伝導体からトンネルバリア層等へのイオ
ンの拡散若しくは逆の拡散を小さくし、超伝導特性にあ
まり影響を与えないことを意味する。
【００１０】又、本発明の金属酸化物材料の格子定数
（ａ）は、超伝導体であるＬｎ2-x ＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ
＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）と、Ｃｕを除くその
他の元素を組成比を含めほぼ一定にした場合に、Ｐｄの
量により変化し、３．９Å〜３．９９Åとなる。この値
は上記超伝導体とほぼ同じ格子定数である為、超伝導体
との界面の整合性がよくなり、素子として非常に有利に
なる。即ち、本発明の金属酸化物材料を、該金属酸化物
材料と格子定数が近似し、且つ拡散の影響が少ないか或
いは無視することが出来る超伝導材料と組み合わせるこ
とにより、良好な接合を有する素子の形成が可能とな
る。
（ａ）は、超伝導体であるＬｎ2-x ＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ
＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）と、Ｃｕを除くその
他の元素を組成比を含めほぼ一定にした場合に、Ｐｄの
量により変化し、３．９Å〜３．９９Åとなる。この値
は上記超伝導体とほぼ同じ格子定数である為、超伝導体
との界面の整合性がよくなり、素子として非常に有利に
なる。即ち、本発明の金属酸化物材料を、該金属酸化物
材料と格子定数が近似し、且つ拡散の影響が少ないか或
いは無視することが出来る超伝導材料と組み合わせるこ
とにより、良好な接合を有する素子の形成が可能とな
る。
【００１１】
【好ましい実施態様】以下、好ましい実施態様を挙げ
て、本発明を更に詳しく説明する。本発明の金属酸化物
材料は、組成式がＬｎ2-aＣｅaＣｕ1-bＰｄbＯ4-cと表
され、組成式中、０≦ａ≦０．２、０．０２５≦ｂ≦
０．５及び０≦ｃ≦０．１であり、且つＬｎがＬａ、Ｐ
ｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ及びＧｄからなる元素群から選ば
れた１種類以上の元素又は原子団であることを特徴とす
る。即ち、これ以外の組成であると、単一な組成の、即
ち単相な試料を合成することが出来なかったり、或いは
半導体的な特性のものが得られず、本発明の優れた効果
が得られない。
て、本発明を更に詳しく説明する。本発明の金属酸化物
材料は、組成式がＬｎ2-aＣｅaＣｕ1-bＰｄbＯ4-cと表
され、組成式中、０≦ａ≦０．２、０．０２５≦ｂ≦
０．５及び０≦ｃ≦０．１であり、且つＬｎがＬａ、Ｐ
ｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ及びＧｄからなる元素群から選ば
れた１種類以上の元素又は原子団であることを特徴とす
る。即ち、これ以外の組成であると、単一な組成の、即
ち単相な試料を合成することが出来なかったり、或いは
半導体的な特性のものが得られず、本発明の優れた効果
が得られない。
【００１２】本発明の金属酸化物材料は、上記の組成を
有する限り何れのものでもよいが、本発明において好適
な材料は、結晶構造がＬｎ2ＣｕＯ4（ＬｎはＰｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄの元素群から選ばれた一種類以上
の元素又は原子団）と同じＴ´構造を有する金属酸化物
材料である。
有する限り何れのものでもよいが、本発明において好適
な材料は、結晶構造がＬｎ2ＣｕＯ4（ＬｎはＰｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄの元素群から選ばれた一種類以上
の元素又は原子団）と同じＴ´構造を有する金属酸化物
材料である。
【００１３】上記の様な本発明の銅酸化物材料を作製す
る方法としては、所謂セラミックス材料で一般に使われ
ている様な、原料粉末からの加熱による反応及び焼結法
を、何れも使用することが可能である。この様な方法の
例は、Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｕｌｌ
ｅｔｉｎ第８巻７７７頁（１９７３年）、Ｓｏｌｉｄ
Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 第１７巻２
７頁（１９７５年）、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｌｅｔｔｅｒｓ 第５８巻第９号９０８頁（１９８７
年）等に示されており、これらの方法は現在では定性的
には極めて一般的な方法として知られている。
る方法としては、所謂セラミックス材料で一般に使われ
ている様な、原料粉末からの加熱による反応及び焼結法
を、何れも使用することが可能である。この様な方法の
例は、Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｕｌｌ
ｅｔｉｎ第８巻７７７頁（１９７３年）、Ｓｏｌｉｄ
Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 第１７巻２
７頁（１９７５年）、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｌｅｔｔｅｒｓ 第５８巻第９号９０８頁（１９８７
年）等に示されており、これらの方法は現在では定性的
には極めて一般的な方法として知られている。
【００１４】特に本発明の銅酸化物材料をトンネルバリ
ア層やバッファー層に用いる場合には、原料を含むター
ゲットを用いた高周波スパッタリングやマグネトロンス
パッタリング等のスパッタリング法、電子ビーム蒸着、
ＭＢＥ法、その他の真空蒸着法或いはクラスターイオン
ビーム法や、原料にガスを使うＣＶＤ法又はプラズマＣ
ＶＤ法等を使って、基板上、若しくは超伝導薄膜上に本
発明の材料を薄膜状に形成することが出来る。
ア層やバッファー層に用いる場合には、原料を含むター
ゲットを用いた高周波スパッタリングやマグネトロンス
パッタリング等のスパッタリング法、電子ビーム蒸着、
ＭＢＥ法、その他の真空蒸着法或いはクラスターイオン
ビーム法や、原料にガスを使うＣＶＤ法又はプラズマＣ
ＶＤ法等を使って、基板上、若しくは超伝導薄膜上に本
発明の材料を薄膜状に形成することが出来る。
【００１５】この様にして得られた本発明の銅酸化物材
料は、液体窒素温度以下では、超伝導転移や金属的振る
舞いを見せず半導体的特性を示す。特に、液体ヘリウム
温度では十分高い電気抵抗率を持つ為、トンネルバリア
層として有効である。又、本発明で使用する原料は全て
安価なものであり、原料コストを低く抑えることが出来
る為、本発明の金属酸化物材料は安価に提供することが
可能である。又、本発明の金属酸化物材料は、空気中に
おいて比較的安定で劣化も少なく、更に原料に重金属等
の毒性の高いものを使用していないので、安全性が高
い。
料は、液体窒素温度以下では、超伝導転移や金属的振る
舞いを見せず半導体的特性を示す。特に、液体ヘリウム
温度では十分高い電気抵抗率を持つ為、トンネルバリア
層として有効である。又、本発明で使用する原料は全て
安価なものであり、原料コストを低く抑えることが出来
る為、本発明の金属酸化物材料は安価に提供することが
可能である。又、本発明の金属酸化物材料は、空気中に
おいて比較的安定で劣化も少なく、更に原料に重金属等
の毒性の高いものを使用していないので、安全性が高
い。
【００１６】
【実施例】次に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説
明する。 実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例４ 原料としてＬａ2Ｏ3、Ｐｒ6Ｏ11、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｍ
2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、ＣｅＯ2 及びＣ
ｕＯの各酸化物を用い、これらを下記の表１及び表２に
示す組成比に夫々秤量した後、乾式混合した。得られた
混合物を、φ１０ｍｍ、厚み１ｍｍのペレット状に夫々
加圧成型した後、成型物をアルミナボート上で、１００
０〜１３５０℃の空気中若しくは窒素中、或いは両者の
混合ガス雰囲気中で反応及び燒結させ、本発明の実施例
１〜１０及び比較例１〜４の銅酸化物を夫々調製した。
尚、本実施例において使用した雰囲気ガスは、容易に入
手可能であるという理由のみで上記種類のものを使用し
たにすぎず、特に上記ガスである必要はなく、例えば、
酸素、ヘリウム等のガスでも何ら問題はない。
明する。 実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例４ 原料としてＬａ2Ｏ3、Ｐｒ6Ｏ11、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｍ
2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、ＣｅＯ2 及びＣ
ｕＯの各酸化物を用い、これらを下記の表１及び表２に
示す組成比に夫々秤量した後、乾式混合した。得られた
混合物を、φ１０ｍｍ、厚み１ｍｍのペレット状に夫々
加圧成型した後、成型物をアルミナボート上で、１００
０〜１３５０℃の空気中若しくは窒素中、或いは両者の
混合ガス雰囲気中で反応及び燒結させ、本発明の実施例
１〜１０及び比較例１〜４の銅酸化物を夫々調製した。
尚、本実施例において使用した雰囲気ガスは、容易に入
手可能であるという理由のみで上記種類のものを使用し
たにすぎず、特に上記ガスである必要はなく、例えば、
酸素、ヘリウム等のガスでも何ら問題はない。
【００１７】下記の表１に実施例の組成比を示し、表２
に比較例の組成比を夫々示す。尚、ここで、組成比はＥ
ＰＭＡで測定したので、酸素の量に関しては２０％程度
の誤差がある。
に比較例の組成比を夫々示す。尚、ここで、組成比はＥ
ＰＭＡで測定したので、酸素の量に関しては２０％程度
の誤差がある。
【００１８】表１ 実施例１〜１０の金属酸化物材料の
組成
組成
【００１９】表２ 比較例１〜４の金属酸化物材料の組
成
成
【００２０】図１に、実施例２で得られた金属酸化物材
料のＸ線回折パターンを示す。この図から、実施例２の
サンプルは、ａ＝ｂ＝３．９６１Å、ｃ＝１２．１２Å
の格子定数を持った正方晶形の結晶構造を有するること
がわかる。この格子定数の値は、例えば、優れた超伝導
特性を有し、且つ実施例２で得られたサンプルとＣｕ及
びＰｄを除いたその他の元素の組成比がほぼ一致する銅
酸化物超伝導材料であるＮｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4-yと
比較して、ａ（ｂ）軸においては０．１３％未満、ｃ軸
においては０．１０％未満の差異しかない。従って、実
施例２で得られた金属酸化物材料は、この様な超伝導体
との界面の整合性がよく、該超伝導体のトンネルバリア
層やバッファー層、基板として有効であることがわか
る。尚、実施例２の組成比の混合物は、上記超伝導体Ｎ
ｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4-yと同一条件で合成したとして
も超伝導特性は示さず、半導体的な振る舞いを示す。こ
のことを明らかにする為に、実施例２で得られた金属酸
化物材料の電気抵抗率の温度依存性のグラフを図２に示
す。
料のＸ線回折パターンを示す。この図から、実施例２の
サンプルは、ａ＝ｂ＝３．９６１Å、ｃ＝１２．１２Å
の格子定数を持った正方晶形の結晶構造を有するること
がわかる。この格子定数の値は、例えば、優れた超伝導
特性を有し、且つ実施例２で得られたサンプルとＣｕ及
びＰｄを除いたその他の元素の組成比がほぼ一致する銅
酸化物超伝導材料であるＮｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4-yと
比較して、ａ（ｂ）軸においては０．１３％未満、ｃ軸
においては０．１０％未満の差異しかない。従って、実
施例２で得られた金属酸化物材料は、この様な超伝導体
との界面の整合性がよく、該超伝導体のトンネルバリア
層やバッファー層、基板として有効であることがわか
る。尚、実施例２の組成比の混合物は、上記超伝導体Ｎ
ｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4-yと同一条件で合成したとして
も超伝導特性は示さず、半導体的な振る舞いを示す。こ
のことを明らかにする為に、実施例２で得られた金属酸
化物材料の電気抵抗率の温度依存性のグラフを図２に示
す。
【００２１】又、実施例２で得られた金属酸化物材料
は、融点に対応する分解温度も超伝導体Ｎｄ1.85Ｃｅ
0.15ＣｕＯ4-yに比べて高く、Ｎｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ
4-yが分解を始める温度においても結晶構造を保ってい
ることが、合成温度を変化させることによりＸ線回折パ
ターンから確認された。このことは、本発明の銅酸化物
材料をトンネルバリア層として使用した場合に、上記し
た様な超伝導体からのイオンの拡散若しくは逆の拡散を
小さくすることが出来、超伝導特性にあまり影響を与え
ない点で有利であることを示している。
は、融点に対応する分解温度も超伝導体Ｎｄ1.85Ｃｅ
0.15ＣｕＯ4-yに比べて高く、Ｎｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ
4-yが分解を始める温度においても結晶構造を保ってい
ることが、合成温度を変化させることによりＸ線回折パ
ターンから確認された。このことは、本発明の銅酸化物
材料をトンネルバリア層として使用した場合に、上記し
た様な超伝導体からのイオンの拡散若しくは逆の拡散を
小さくすることが出来、超伝導特性にあまり影響を与え
ない点で有利であることを示している。
【００２２】実施例２以外の他の実施例の銅酸化物材料
も、同様の結晶構造及び同様の電気抵抗率を示すことが
確認された。ここで、ＰｄはＣｕと結晶学的に等しい場
所に、ある存在確率で占めているが、Ｐｄの量が増加す
るに従って、格子定数が緩やかに増加する。又、分解を
開始する温度もＰｄの量が増加とともに上昇し、例え
ば、実施例８で得られる銅酸化物材料は、１３５０℃で
も結晶構造を保つことが確認された。これに対し、表２
に示した本発明の比較例１〜４の組成比を有する銅酸化
物材料では、単一な組成を持つ、即ち単相な試料を合成
できないか、或いは、半導体的な特性を得られない等の
理由により、特性の悪いものであった。
も、同様の結晶構造及び同様の電気抵抗率を示すことが
確認された。ここで、ＰｄはＣｕと結晶学的に等しい場
所に、ある存在確率で占めているが、Ｐｄの量が増加す
るに従って、格子定数が緩やかに増加する。又、分解を
開始する温度もＰｄの量が増加とともに上昇し、例え
ば、実施例８で得られる銅酸化物材料は、１３５０℃で
も結晶構造を保つことが確認された。これに対し、表２
に示した本発明の比較例１〜４の組成比を有する銅酸化
物材料では、単一な組成を持つ、即ち単相な試料を合成
できないか、或いは、半導体的な特性を得られない等の
理由により、特性の悪いものであった。
【００２３】実施例１１ 酸化物超伝導体であるＮｄ1.85Ｃｅ0.15ＣｕＯ4-y を第
一及び第二の超伝導層として用い、実施例１〜１０と同
様にして得られた本発明の銅酸化物材料であるＮｄ1.85
Ｃｅ0.15Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4 をトンネルバリア層として
用いた。図３に本実施例の積層型ジョセフソン素子の概
略図を示す。図中、１はＳｒＴｉＯ3 基板、２は第一の
超伝導層、３はバリア層、４は第二の超伝導層である。
先ず、マグネトロンスパッタ法で第一の超伝導層２が膜
厚４０００Å、バリア層３が膜厚２５Å、第二の超伝導
層が膜厚３０００Åとなる様に形成した。次に、この様
にして作成した第一の超伝導層２／バリア層３／第二の
超伝導層４の積層薄膜に対して、通常のフォトリソグラ
フィー技術を用いて加工を行い、図３に示す様な積層型
ジョセフソン素子を作成した。
一及び第二の超伝導層として用い、実施例１〜１０と同
様にして得られた本発明の銅酸化物材料であるＮｄ1.85
Ｃｅ0.15Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4 をトンネルバリア層として
用いた。図３に本実施例の積層型ジョセフソン素子の概
略図を示す。図中、１はＳｒＴｉＯ3 基板、２は第一の
超伝導層、３はバリア層、４は第二の超伝導層である。
先ず、マグネトロンスパッタ法で第一の超伝導層２が膜
厚４０００Å、バリア層３が膜厚２５Å、第二の超伝導
層が膜厚３０００Åとなる様に形成した。次に、この様
にして作成した第一の超伝導層２／バリア層３／第二の
超伝導層４の積層薄膜に対して、通常のフォトリソグラ
フィー技術を用いて加工を行い、図３に示す様な積層型
ジョセフソン素子を作成した。
【００２４】上記の様にして作成された素子は、１５Ｋ
で図４に示す様な電流−電圧特性を示し、ジョセフソン
素子として良好に動作することが確認された。このこと
からもわかる様に、本発明の銅酸化物材料は、格子定数
が超伝導体のそれに近く超伝導体との整合性がよく、及
び超伝導体からのイオンの拡散等が少なく超伝導特性に
影響が少なく、極めて良好な非超伝導体金属酸化物材料
であることがわかる。尚、本実施例において組み合わせ
た超伝導層とバリア層の組み合わせ以外にも、本発明の
他の金属酸化物材料をバリア層として用いることによっ
ても同様の結果が得られた。
で図４に示す様な電流−電圧特性を示し、ジョセフソン
素子として良好に動作することが確認された。このこと
からもわかる様に、本発明の銅酸化物材料は、格子定数
が超伝導体のそれに近く超伝導体との整合性がよく、及
び超伝導体からのイオンの拡散等が少なく超伝導特性に
影響が少なく、極めて良好な非超伝導体金属酸化物材料
であることがわかる。尚、本実施例において組み合わせ
た超伝導層とバリア層の組み合わせ以外にも、本発明の
他の金属酸化物材料をバリア層として用いることによっ
ても同様の結果が得られた。
【００２５】実施例１２ ＳｒＴｉＯ3 を基体として用い、その上に本発明の金属
酸化物材料である格子定数（ａ）が３．９０Åで、Ｇｄ
2Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4 の組成を有する材料を膜厚５００
Åに形成し、更にその上に、銅酸化物超伝導体であり１
２３構造を有するＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏyを膜厚４０００Å
に形成した。このＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏyは斜方晶であり、
格子定数はａ、ｂ夫々が、３．８９Å、３．９１Åであ
る。尚、夫々の膜の形成には実施例１１と同様に、マグ
ネトロンスパッタ法を使用した。
酸化物材料である格子定数（ａ）が３．９０Åで、Ｇｄ
2Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4 の組成を有する材料を膜厚５００
Åに形成し、更にその上に、銅酸化物超伝導体であり１
２３構造を有するＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏyを膜厚４０００Å
に形成した。このＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏyは斜方晶であり、
格子定数はａ、ｂ夫々が、３．８９Å、３．９１Åであ
る。尚、夫々の膜の形成には実施例１１と同様に、マグ
ネトロンスパッタ法を使用した。
【００２６】この様にして作製した超伝導膜を、電気抵
抗率の温度変化により、超伝導特性を評価したところ、
約９０Ｋで電気抵抗が消失し、鋭い超伝導転移が観測さ
れた。又、Ｘ線回折法によって観察したところ、本発明
の金属酸化物材料であるＧｄ2Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4上に、
銅酸化物超伝導体であるＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏy がｃ軸方向
に配向して形成されていることが確認された以上の結果
より、本発明の金属酸化物材料が超伝導素子用基板のバ
ッファー層として優れていることがわかる。又、基体と
してＡｌ2Ｏ3 等を用いても同様の結果が得られた。更
に、上記と異なる本発明の他の金属酸化物材料を用いた
場合も、それと接合させる銅酸化物超伝導体を、その格
子定数及び融点を考慮した上で適切に選ぶことにより同
様の結果が得られた。
抗率の温度変化により、超伝導特性を評価したところ、
約９０Ｋで電気抵抗が消失し、鋭い超伝導転移が観測さ
れた。又、Ｘ線回折法によって観察したところ、本発明
の金属酸化物材料であるＧｄ2Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4上に、
銅酸化物超伝導体であるＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏy がｃ軸方向
に配向して形成されていることが確認された以上の結果
より、本発明の金属酸化物材料が超伝導素子用基板のバ
ッファー層として優れていることがわかる。又、基体と
してＡｌ2Ｏ3 等を用いても同様の結果が得られた。更
に、上記と異なる本発明の他の金属酸化物材料を用いた
場合も、それと接合させる銅酸化物超伝導体を、その格
子定数及び融点を考慮した上で適切に選ぶことにより同
様の結果が得られた。
【００２７】実施例１３ 本発明の金属酸化物材料である格子定数（ａ）が３．９
０Åで、Ｇｄ2Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4 の組成を有する材料
を、一軸性加圧装置により加圧成型し、焼結してｃ軸方
向に配向した多結晶体を作成し、これを基体として準備
した。次にこの基体上に、実施例１２と同様に、銅酸化
物超伝導体であるＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏyを膜厚４０００Å
に積層させた。上記の様にして作成した超伝導膜につい
て、電気抵抗率の温度変化により超伝導特性を評価した
ところ、約８９Ｋで電気抵抗が消失し、鋭い超伝導転移
が観測された。又、Ｘ線回折により評価したところ、Ｎ
ｄＢａ2Ｃｕ3Ｏy がｃ軸方向に配向して形成されている
ことが確認された。以上の結果より、本実施例の金属酸
化物材料が超伝導素子用基板として優れていることがわ
かる。更に、上記と異なる本発明の他の金属酸化物材料
を用いた場合も、それと接合させる銅酸化物超伝導体
を、その格子定数及び融点を考慮した上で適切に選ぶこ
とにより同様の結果が得られた。
０Åで、Ｇｄ2Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ4 の組成を有する材料
を、一軸性加圧装置により加圧成型し、焼結してｃ軸方
向に配向した多結晶体を作成し、これを基体として準備
した。次にこの基体上に、実施例１２と同様に、銅酸化
物超伝導体であるＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏyを膜厚４０００Å
に積層させた。上記の様にして作成した超伝導膜につい
て、電気抵抗率の温度変化により超伝導特性を評価した
ところ、約８９Ｋで電気抵抗が消失し、鋭い超伝導転移
が観測された。又、Ｘ線回折により評価したところ、Ｎ
ｄＢａ2Ｃｕ3Ｏy がｃ軸方向に配向して形成されている
ことが確認された。以上の結果より、本実施例の金属酸
化物材料が超伝導素子用基板として優れていることがわ
かる。更に、上記と異なる本発明の他の金属酸化物材料
を用いた場合も、それと接合させる銅酸化物超伝導体
を、その格子定数及び融点を考慮した上で適切に選ぶこ
とにより同様の結果が得られた。
【００２８】
【効果】上記説明した様に、本発明によれば、以下に挙
げる優れた効果が得られる。 （１）本発明の金属酸化物材料は、新規な組成比を有
し、格子定数が超伝導体であるＬｎ2-xＣｅxＣｕＯ
y（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）とほぼ同じ
でり、且つ電気伝導特性が、液体窒素温度以下では半導
体的特性を示し、液体ヘリウム温度では十分高い電気低
効率を有する為、トンネルバリア層として特に好適であ
る。 （２）本発明の金属酸化物材料に用いられる元素は、超
伝導体であるＬｎ2-xＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）とほぼ同じであり、且つ分解温
度が超伝導体よりも高い為に、両者を接合した場合の元
素の夫々の層への拡散が少なく、超伝導特性への影響が
極めて少ない。 （３）本発明の金属酸化物材料と超伝導体であるＬｎ
2-xＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ）の接合性は良好であり、これにより優れた特性を有
するジョセフソン素子等の超伝導接合素子の提供が可能
となる。 （４）本発明の金属酸化物材料を超伝導素子用基板のバ
ッファー層、或いは基板として利用することにより、優
れた超伝導特性を有する超伝導素子の提供が可能とな
る。
げる優れた効果が得られる。 （１）本発明の金属酸化物材料は、新規な組成比を有
し、格子定数が超伝導体であるＬｎ2-xＣｅxＣｕＯ
y（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）とほぼ同じ
でり、且つ電気伝導特性が、液体窒素温度以下では半導
体的特性を示し、液体ヘリウム温度では十分高い電気低
効率を有する為、トンネルバリア層として特に好適であ
る。 （２）本発明の金属酸化物材料に用いられる元素は、超
伝導体であるＬｎ2-xＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）とほぼ同じであり、且つ分解温
度が超伝導体よりも高い為に、両者を接合した場合の元
素の夫々の層への拡散が少なく、超伝導特性への影響が
極めて少ない。 （３）本発明の金属酸化物材料と超伝導体であるＬｎ
2-xＣｅxＣｕＯy（Ｌｎ＝Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ）の接合性は良好であり、これにより優れた特性を有
するジョセフソン素子等の超伝導接合素子の提供が可能
となる。 （４）本発明の金属酸化物材料を超伝導素子用基板のバ
ッファー層、或いは基板として利用することにより、優
れた超伝導特性を有する超伝導素子の提供が可能とな
る。
【図１】実施例２のＮｄ1.85Ｃｅ0.15Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ
4 のＸ線回折パターンを示す。測定に使用したＸ線源は
ＣｕＫα線である。
4 のＸ線回折パターンを示す。測定に使用したＸ線源は
ＣｕＫα線である。
【図２】実施例２のＮｄ1.85Ｃｅ0.15Ｃｕ0.9Ｐｄ0.1Ｏ
4 の電気抵抗率の温度依存性のグラフである
4 の電気抵抗率の温度依存性のグラフである
【図３】実施例１１で得られた本発明の超伝導接合素子
の一例を示す積層型ジョセフソン素子を示す概略図であ
る。
の一例を示す積層型ジョセフソン素子を示す概略図であ
る。
【図４】実施例１１で得られた本発明の超伝導接合素子
の一例を示す積層型ジョセフソン素子の電流−電圧特性
の一例である。
の一例を示す積層型ジョセフソン素子の電流−電圧特性
の一例である。
１：ＳｒＴｉＯ3 基板 ２：第一の超伝導層 ３：バリア層 ４：第二の超伝導層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｂ 12/06 ＺＡＡ Ｈ０１Ｂ 13/00 ５６５Ｄ 13/00 ５６５ Ｈ０１Ｌ 39/22 ＺＡＡＡ Ｈ０１Ｌ 39/22 ＺＡＡ Ｃ０４Ｂ 35/00 ＺＡＡＫ (56)参考文献 特開 平４−55396（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−311396（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−15682（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/00 H01L 39/02 H01L 39/22 - 39/24 C01G 1/00 - 23/08 C30B 1/00 - 35/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＣＡ（ＳＴＮ)
Claims (5)
- 【請求項１】 組成式がＬｎ2-aＣｅaＣｕ1-bＰｄbＯ
4-Cと表される金属酸化物材料において、０≦ａ≦０．
２、０．０２５≦ｂ≦０．５及び０≦ｃ≦０．１であ
り、且つＬｎがＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ及びＧｄ
からなる元素群から選ばれた１種類以上の元素又は原子
団であることを特徴とする金属酸化物材料。 - 【請求項２】 結晶構造がＬｎ2ＣｕＯ4（ＬｎはＰｒ、
Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ及びＧｄからなる元素群から選ばれた
１種類以上の元素又は原子団）と同じＴ´構造を有する
請求項１に記載の金属酸化物材料。 - 【請求項３】 Ｔ´構造を有する超伝導体と、非超伝導
体である請求項１又は請求項２に記載の金属酸化物材料
とを接合して得られることを特徴とする超伝導接合素
子。 - 【請求項４】 任意の基体上に請求項１又は請求項２に
記載の金属酸化物材料を形成し、該金属酸化物材料上に
銅酸化物超伝導体を用いた超伝導素子の形成を可能とし
たことを特徴とする超伝導素子用基板。 - 【請求項５】 請求項１又は請求項２に記載の金属酸化
物材料の単結晶或いは成型体を所望の形状にし、該金属
酸化物材料上に銅酸化物超伝導材料を用いた超伝導素子
の形成を可能にしたことを特徴とする超伝導素子用基
板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22270494A JP3258824B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 金属酸化物材料、それを用いた超伝導接合素子及び超伝導素子用基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22270494A JP3258824B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 金属酸化物材料、それを用いた超伝導接合素子及び超伝導素子用基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0864879A JPH0864879A (ja) | 1996-03-08 |
| JP3258824B2 true JP3258824B2 (ja) | 2002-02-18 |
Family
ID=16786605
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22270494A Expired - Fee Related JP3258824B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 金属酸化物材料、それを用いた超伝導接合素子及び超伝導素子用基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3258824B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5503909B2 (ja) * | 2009-06-30 | 2014-05-28 | 北興化学工業株式会社 | 化合物の合成方法および合成反応触媒 |
-
1994
- 1994-08-25 JP JP22270494A patent/JP3258824B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0864879A (ja) | 1996-03-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |