JP3622147B2 - 柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温エレクトロニクス、マイクロウェーブなどの技術分野に応用して好適な、臨界超伝導電流密度及び臨界超伝導磁場が大きい超伝導薄膜と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超伝導薄膜の柱状ピン止め中心は、中性子照射、または高エネルギー重イオンビームの照射によってしか形成できなかった（Ｌ．Ｃｉｖａｌｅ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，６７，Ｎｏ．５，６４８，１９９１ 参照）。この方法によれば、中性子照射、または高エネルギー重イオンビームの照射によって損傷を受けた物質が規則的に配列して極めて有効な柱状ピン止めセンター、すなわち柱状欠陥が形成され、臨界電流密度、臨界磁場を高めることができる。理論的には、Ａ．ＢｕｚｄｉｎとＭ．Ｄａｕｍｅｎｓ（ＰｈｙｓｉｃａＣ，２９４，２５７，１９９８ 参照）によって、柱状欠陥の断面形状が細長い楕円面、すなわち薄いストライプ状の形状を有している場合に最もピン止め効果が高いことが証明された。このような柱状欠陥を形成するには、重イオンを基板表面に９０度よりも低い角度で照射することが必要である。また、超伝導薄膜にピン止めセンターを形成する他の方法として、フォトリソグラフィやリフトオフ法により、規則的なドットやホール配列を形成する方法がある（Ｍ．Ｂａｅｒｔ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７４，３２６９，１９９５ 参照）。
【０００３】
上記した中性子または重イオンの高エネルギービームを打ち込む方法は、高臨界電流密度の超伝導薄膜を作るうえで極めて有用なのであるが、これらの手段は高エネルギーの粒子加速器を必要とし、コストが極めて高くなると言った問題がある。
また、上記のように、重イオンを低角度で照射して形成したストライプ状の断面を有する柱状欠陥の軸は、超伝導薄膜のｃ軸方向から傾いており、また一般的な磁場印加方向からもずれている。この場合には、欠陥にピン止めするために磁束の方向も傾けなければならず、この場合にはピン止め自由エネルギーが減少してしまう。このことがこの種の欠陥が小さな磁場でしか有効でない理由である。
【０００４】
一方、フォトリソグラフィまたはリフトオフを利用して形成したドットやホールからなる規則的配列は、以下の理由によりあまり効果的でない：（１）それらの寸法が０．１μｍより大きく、超伝導コヒーレンス長さより長い。（２）それらの表面密度が小さく、隣り合うドットまたはホールの距離が１μｍ以上ある。このような条件下では、臨界電流密度の増加は１ｍＴ程度の低磁場でのみ可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記課題に鑑み、本発明は、超伝導薄膜の種類を問わず、その臨界電流密度を少なくとも１０倍に高め、かつ低コストで製造する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に形成され、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜であって、上記基板物質及び超伝導物質以外の物質からなり、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプが上記基板上に島状に形成されると共に、該ナノドット又はナノストライプ上に超伝導物質からなる柱状欠陥が形成された構造を有し、上記柱状欠陥が上記ピン止め中心となって磁束をピン止めすることを特徴とする。
また、本発明は、基板上に形成され、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜であって、上記基板物質及び超伝導物質以外の物質からなり、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプが上記基板上に島状に形成されると共に、該ナノドット又はナノストライプ上に超伝導物質からなる柱状欠陥が形成され、この柱状欠陥に格子欠陥が形成された構造を有し、上記柱状欠陥及び格子欠陥が上記ピン止め中心となって磁束をピン止めすることを特徴とする。
この構成によれば、三次元形状のナノドット、ナノストライプ上の柱状欠陥及びまたは格子欠陥がピン止め中心となって磁束をピン止めし、磁束が動かないから臨界電流密度、臨界磁場を高めることができる。
【０００７】
また、基板及び超伝導物質以外の物質は、金属、絶縁物、半導体または強磁性体であることを特徴とする。
この構成によれば、三次元形状のナノドット、ナノストライプ上に非超伝導体の柱状欠陥が形成され、磁束をピン止めする。さらに、強磁性体の場合には、磁束と強磁性体の磁化との相互作用エネルギーにより、さらに強固に磁束がピン止めされる。
【０００８】
また、三次元形状のナノドットは、直径が２０ｎｍ以下、高さが６ｎｍ程度、かつ平均距離５０ｎｍ以下で基板上に不規則に分布していることを特徴とする。この構成によれば、磁束ピン止め作用が大きくなり、臨界電流密度と臨界磁場を高くできる。
【０００９】
また、三次元形状のナノストライプは、基板の面方位が基板の結晶軸から傾いた傾斜基板のステップの側壁方向に沿ってストライプ状に形成されることを特徴とする。
この構成によれば、ナノストライプ上に形成した柱状欠陥の基板表面に平行方向の断面が細長い楕円面形状を有するため、磁束と柱状欠陥との相互作用エネルギーが高まり、磁束をさらに強固にピン止めできる。
【００１０】
また、柱状欠陥は、基板表面に垂直方向に軸を有する柱状の形状を有し、超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体、または低臨界温度の超伝導体である。
この構成によれば、柱状欠陥が非超伝導体となり、磁束が進入してピン止め中心として作用する。
【００１１】
また、格子欠陥は、超伝導薄膜の結晶転位であることを特徴とする。
この構成によれば、柱状欠陥が超伝導薄膜の厚さより薄くても、柱状欠陥上の格子欠陥、例えば転位がピン止め中心として作用する。
【００１２】
また、基板は、ＳｒＴｉＯ３ ，ＭｇＯ，Ａｌ２ Ｏ３ 基板、または、これらの基板上にＣｅＯ２ であるバッファ層を有する基板であっても良く、超伝導物質以外の物質はＡｇ，ＭｇまたはＺｎであっても良く、超伝導薄膜は（Ｃｕ１−ｘ Ｔｌｘ ）Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ Ｃａ２ Ｃｕ３ Ｏｚ 、（ただし、 ０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ）で表される超伝導薄膜でも良い。
【００１３】
また、超伝導薄膜は、組成式：
Ｃｕ１−ｘ Ｍｘ （Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ ）２ （Ｃａ１−ｚ Ｌｚ ）ｎ−１ Ｃｕｎ Ｏ２ｎ＋４−ｗ
（式中、Ｍ＝多価の金属元素イオンでＴｌ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｈｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓの一元素または複数元素、Ｌ＝Ｍｇ，アルカリ金属元素の一元素または複数元素、０≦ｘ≦１．０，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｗ≦４，１≦ｎ≦１６）で記述できる（Ｃｕ，Ｍ）系高温超伝導体材料からなる選択還元型高温超伝導薄膜であってもよい。
【００１４】
これらの構成によれば、（Ｃｕ１−ｘ Ｔｌｘ ）Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ Ｃａ２ Ｃｕ３ Ｏｚ 超伝導薄膜、及び、Ｃｕ１−ｘ Ｍｘ （Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ ）２ （Ｃａ１−ｚ Ｌｚ ）ｎ−１ Ｃｕｎ Ｏ２ｎ＋４−ｗ選択還元型高温超伝導薄膜の臨界電流密度を約１０倍に高めることができる。
【００１５】
また、本発明の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法は、基板上に、基板物質及び超伝導物質以外の物質からなる、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプを、平均距離５０ｎｍ以下の間隔で不規則に分布させて形成し、この基板上の上記ナノドット上又はナノストライプ上以外の部分に上記超伝導物質からなる超伝導薄膜を形成すると共に、上記ナノドット上又はナノストライプ上に柱状に成長した上記超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体又は低臨界温度の超伝導体からなる柱状ピン止め中心を形成することを特徴とする。
この構成によれば、基板上に平均距離５０ｎｍ以下の間隔で不規則に分布した島状のナノドットまたはナノストライプ上に柱状に成長した超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体又は低臨界温度の超伝導体である柱状欠陥が形成され、またはこれらの柱状欠陥上に結晶転位が形成され、これらの柱状欠陥または転位が、超伝導薄膜のピン止め中心となる。
【００１６】
また、超伝導物質以外の物質からなる三次元形状のナノドットを島状に形成する場合、超伝導物質以外の物質を、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、基板上に堆積した物質を凝集させて三次元形状のナノドットを島状に形成することを特徴とする。
この構成によれば、直径が２０ｎｍ以下、高さ６ｎｍ以下、かつ、平均距離５０ｎｍ以下で基板上に不規則に分布したナノドットを形成できる。
【００１７】
また、超伝導物質以外の物質からなる三次元形状のナノストライプを島状に形成する場合、基板の面方位を基板の結晶軸から傾けて形成し、基板上に、超伝導物質以外の物質を、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、基板上に堆積した物質を、基板のステップ近傍に選択的に成長させて、三次元形状のナノストライプを島状に形成することを特徴とする。
この構成によれば、傾斜基板のステップの側壁に沿って形成され、基板の表面に平行方向の断面が細長い楕円面を有するナノストライプが形成できる。
【００１８】
また、前記超伝導薄膜を成長させる方法において、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板上に超伝導物質を結晶成長させることを特徴とする。
この構成によれば、ナノドットまたはナノストライプ上に成長する超伝導物質は、非超伝導体の柱状欠陥となり、ナノドットまたはナノストライプ以外の部分に成長する超伝導物質は超伝導薄膜となる。
【００１９】
また、超伝導薄膜を成長させる際、アモルファス相エピタキシー法により、基板上に超伝導物質を結晶成長させることを特徴とする
この構成によれば、ピン止め中心を有する（Ｃｕ，Ｔｌ）Ｂａ２ ＳｒＣａ２ Ｃｕ３ Ｏｙ 系超伝導薄膜が得られる。
【００２０】
本発明によれば、高臨界電流密度及び高臨界磁場を有する超伝導薄膜が得られると共に、この超伝導薄膜が極めて低コストで製造されることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
始めに、本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は本発明のナノドットから形成した柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の構成を示す断面図である。
図において、ピン止め中心を有する超伝導薄膜１は、基板２と、基板２上に形成したナノドット３と、ナノドット３上に形成した柱状欠陥４と、柱状欠陥４以外の基板２上に形成した超伝導薄膜５とから構成されている。なお、柱状欠陥４から伸びる転位６を設けても良い。
ナノドット３を構成する物質は、基板２及び超伝導薄膜５を構成する物質以外の物質であり、例えば、金属、絶縁物、半導体または強磁性体である。
また、ナノドット３は、直径が２０ｎｍ以下、高さが６ｎｍ程度、かつ、平均距離５０ｎｍ以下で基板２上に不規則に分布している。柱状欠陥４は、ナノドット３を底辺とした基板２の表面に垂直方向に軸を有する柱状の形状を有し、超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体または低臨界温度の超伝導体である。格子欠陥６は、超伝導薄膜の結晶転位である。
【００２２】
この構成によれば、ナノドット３上の柱状欠陥４が非超伝導体であるから印加磁束が進入し、磁束をピン止めする。また、柱状欠陥４が超伝導薄膜５の表面に達していなくても柱状欠陥４上部から伸びた結晶転位６が磁束をピン止めする。また、ナノドット３が強磁性体である場合には、磁束と強磁性体の磁化との相互作用エネルギーが加わり、さらに強固に磁束がピン止めされる。
またナノドット３上に形成される柱状欠陥４は、ナノドット３を底辺とした、基板表面に垂直方向に軸を有する柱状の形状を有するナノドット３の形状を反映したナノサイズの形状を有しており、かつ、間隔５０ｎｍ以下で基板２上に不規則に分布しているので、磁束ピン止め作用が大きく、高磁場下の高超伝導電流密度でも超伝導状態が壊れない。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
図２は、本発明の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜のナノストライプの構成を示す横断面図である。図は、基板２の表面に形成した分子層オーダーの階段状ステップの表面７上に形成したナノストライプ８の形状及び分布を示している。ナノストライプ８はステップの側壁９に沿った薄いナノメーターサイズのストライプ形状をしており、間隔５０ｎｍ以下で不規則に分布している。
図１と同様に、ナノストライプ８を構成する物質は、基板２及び超伝導薄膜５を構成する物質以外の物質であり、例えば、金属、絶縁物、半導体または強磁性体であり、ナノストライプ８上にはストライプ形状の柱状欠陥が形成され、柱状欠陥部分以外の基板上には超伝導薄膜が形成される。
この構成によれば、断面形状が、細長い楕円面、すなわち薄いストライプ状の形状を有した柱状欠陥を形成しているから、さらに磁束ピン止め効果が高い。
【００２４】
次に、本発明の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法を説明する。 始めに、ナノドットから形成するピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法を説明する。
ナノドットから形成するピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法は、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で超伝導物質以外の物質を、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、基板上に堆積した物質を凝集させて三次元形状のナノドットを島状に形成する。
この方法によれば、直径が２０ｎｍ以下、高さ６ｎｍ程度、かつ、平均距離５０ｎｍ以下で基板上に不規則に分布したナノドットを容易に形成できる。
次に、ナノドットを形成した基板上に、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板上に超伝導物質を結晶成長させる。この方法によれば、ナノドット上に成長する超伝導物質は、非晶質体または非超伝導体の柱状欠陥となり、ナノドット以外の部分に成長する超伝導物質は超伝導薄膜となる。
或いは、アモルファス相エピタキシー法（特許第２９２３５３０号参照）を使用して超伝導薄膜を成長させても良い。
この構成によれば、本発明のナノドットから形成する柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜が得られる。
【００２５】
次に、ナノストライプから形成する柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法を説明する。
ナノストライプからなる柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法は、基板の面方位を結晶軸から傾けて形成した傾斜基板を用いる。傾斜角度は、数度〜１０度が良い。傾けて切り出すことによって、傾斜基板表面に分子層オーダーの階段状ステップが形成される。あるいは傾けて切り出した傾斜基板を所定の条件で熱処理することによっても形成できる。
このステップを有する基板上に超伝導物質以外の物質を、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、ステップの側壁近傍に、側壁に沿ったストライプ状のナノストライプが形成できる。
【００２６】
次に、ナノストライプを形成した傾斜基板上に、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、超伝導物質を結晶成長させる。または、アモルファス相エピタキシー法を使用して超伝導薄膜を成長しても良い。
この構成によれば、ナノストライプ上に成長する超伝導物質は、非超伝導体の柱状欠陥となり、ナノストライプ以外の部分に成長する超伝導物質は、超伝導薄膜となり、本発明のナノストライプから形成するピン止め中心を有する超伝導薄膜が得られる。
【００２７】
次に、本発明に従った実施例を示す。
本発明のナノドットから形成した柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の実施例である。
ナノドットの材料物質としてＡｇを用いた。Ａｇナノドットは、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタ装置を用い、Ａｇターゲットをスパッタ電力１０Ｗ、Ａｒガス圧６．３ｍＴｏｒｒ、堆積時間３〜５秒でスパッタし、５００℃に保ったＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上に堆積した。なお、このスパッタ装置は、ターゲット面と基板面を直交して配置するＯｆｆ・ａｘｉｓスパッタ装置である。
【００２８】
図３は、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上に形成したＡｇナノドットのＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を示す図である。
図から明らかなように、Ａｇナノドットは、直径１０〜２０ｎｍ、高さは高いものでも５〜６ｎｍであり、平均距離５０ｎｍ以下の間隔で不均一に分布していることがわかる。この寸法と平均距離は、従来のフォトリソグラフ技術で作製したものより遙かに小さい。なお、ナノドットの寸法と面密度は堆積時間と基板温度に強く依存する。
【００２９】
次に、ナノドットが形成された基板上に超伝導薄膜を成長させた。
成長方法はＡＰＥ（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いた。以下にＡＰＥ法による超伝導薄膜成長工程を示す。
金属元素組成、ＴｌＢａＳｒＣａ２ Ｃｕ４ のターゲットを、ＲＦスパッタ装置を用いて、Ａｒ圧２５ｍＴｏｒｒ、Ｏ２ 圧５ｍＴｏｒｒ中で、スパッタ電力１００Ｗ、１２０分スパッタして、Ａｇナノドットが形成された基板上に超伝導前駆体であるアモルファス膜を５３０ｎｍ堆積した。なお、比較試料として、Ａｇナノドットを有しないＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上にも同時に堆積した。
次に、超伝導前駆体のアモルファス膜を堆積した基板と比較試料を、Ａｇ製の密封容器に封入し、所定のＴｌとＯ２ 雰囲気中で８４５℃、６０分間結晶成長させて超伝導薄膜を形成した。
【００３０】
この超伝導薄膜はＸ線回折測定の結果、（Ｃｕ，Ｔｌ）Ｂａ２ ＳｒＣａ２ Ｃｕ３ Ｏｙ 超伝導体であることを示した。
臨界温度は、Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜も、Ａｇナノドットを有しない比較試料も１０４Ｋであった。
図４は、Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜と、Ａｇナノドットを有しない超伝導薄膜の臨界電流密度の磁場依存性を測定した結果を示す図である。
測定は、Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ社製のＰＰＭＳ ｍｏｄｅｌ ６０００を用い、ＡＣ磁化率法で測定した。
横軸は印加磁場強度を表し、縦軸は臨界電流密度を表す。測定温度は７７．８Ｋである。
図から明らかなように、Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜は、Ａｇナノドットを有しない超伝導薄膜に較べ、臨界電流密度（Ｊｃ）が印加磁場強度１．５Ｔに亘って１０倍以上高いことがわかる。
【００３１】
また、本発明は、下記組成式で表される、構成元素の選択還元により正孔ドーピングが可能なＣｕ酸化物系高温超伝導体である選択還元型高温超伝導体（ＰＣＴ出願番号第ＰＣＴ／ＪＰ００／０１６６９号明細書参照）に適用できることは明らかである。
組成式：
Ｃｕ１−ｘ Ｍｘ （Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ ）２ Ｃａ１−ｚ Ｌｚ ）ｎ−１ Ｃｕｎ Ｏ２ｎ＋４−ｗ
（式中、Ｍ＝多価の金属元素イオンでＴｌ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｈｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓの一元素または複数元素、Ｌ＝Ｍｇ，アルカリ金属元素の一元素または複数元素、０≦ｘ≦１．０，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｗ≦４，１≦ｎ≦１６）で記述できる（Ｃｕ，Ｍ）系高温超伝導体材料からなる選択還元型高温超伝導体。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、超伝導体薄膜の種類を問わず、臨界電流密度が少なくとも１０倍高い超伝導体薄膜を提供することができるとともに、この超伝導体薄膜を極めて低コストで製造することができる。
従って、本発明による超伝導体薄膜は、低温エレクトロニクス、マイクロウェーブなどの技術分野に使用すれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のナノドットから形成した柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の構成を示す断面図である。
【図２】本発明のナノストライプの構成を示す横断面図である。
【図３】ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上に形成したＡｇナノドットのＡＦＭ像を示す図である。
【図４】Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜と、Ａｇナノドットを有しない超伝導薄膜の臨界電流密度の磁場依存性を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜
２ 基板
３ ナノドット
４ 柱状欠陥
５ 超伝導薄膜
６ 格子欠陥
７ 階段状ステップの表面
８ ナノストライプ
９ 階段状ステップの側壁
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温エレクトロニクス、マイクロウェーブなどの技術分野に応用して好適な、臨界超伝導電流密度及び臨界超伝導磁場が大きい超伝導薄膜と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超伝導薄膜の柱状ピン止め中心は、中性子照射、または高エネルギー重イオンビームの照射によってしか形成できなかった（Ｌ．Ｃｉｖａｌｅ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，６７，Ｎｏ．５，６４８，１９９１ 参照）。この方法によれば、中性子照射、または高エネルギー重イオンビームの照射によって損傷を受けた物質が規則的に配列して極めて有効な柱状ピン止めセンター、すなわち柱状欠陥が形成され、臨界電流密度、臨界磁場を高めることができる。理論的には、Ａ．ＢｕｚｄｉｎとＭ．Ｄａｕｍｅｎｓ（ＰｈｙｓｉｃａＣ，２９４，２５７，１９９８ 参照）によって、柱状欠陥の断面形状が細長い楕円面、すなわち薄いストライプ状の形状を有している場合に最もピン止め効果が高いことが証明された。このような柱状欠陥を形成するには、重イオンを基板表面に９０度よりも低い角度で照射することが必要である。また、超伝導薄膜にピン止めセンターを形成する他の方法として、フォトリソグラフィやリフトオフ法により、規則的なドットやホール配列を形成する方法がある（Ｍ．Ｂａｅｒｔ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７４，３２６９，１９９５ 参照）。
【０００３】
上記した中性子または重イオンの高エネルギービームを打ち込む方法は、高臨界電流密度の超伝導薄膜を作るうえで極めて有用なのであるが、これらの手段は高エネルギーの粒子加速器を必要とし、コストが極めて高くなると言った問題がある。
また、上記のように、重イオンを低角度で照射して形成したストライプ状の断面を有する柱状欠陥の軸は、超伝導薄膜のｃ軸方向から傾いており、また一般的な磁場印加方向からもずれている。この場合には、欠陥にピン止めするために磁束の方向も傾けなければならず、この場合にはピン止め自由エネルギーが減少してしまう。このことがこの種の欠陥が小さな磁場でしか有効でない理由である。
【０００４】
一方、フォトリソグラフィまたはリフトオフを利用して形成したドットやホールからなる規則的配列は、以下の理由によりあまり効果的でない：（１）それらの寸法が０．１μｍより大きく、超伝導コヒーレンス長さより長い。（２）それらの表面密度が小さく、隣り合うドットまたはホールの距離が１μｍ以上ある。このような条件下では、臨界電流密度の増加は１ｍＴ程度の低磁場でのみ可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記課題に鑑み、本発明は、超伝導薄膜の種類を問わず、その臨界電流密度を少なくとも１０倍に高め、かつ低コストで製造する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に形成され、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜であって、上記基板物質及び超伝導物質以外の物質からなり、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプが上記基板上に島状に形成されると共に、該ナノドット又はナノストライプ上に超伝導物質からなる柱状欠陥が形成された構造を有し、上記柱状欠陥が上記ピン止め中心となって磁束をピン止めすることを特徴とする。
また、本発明は、基板上に形成され、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜であって、上記基板物質及び超伝導物質以外の物質からなり、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプが上記基板上に島状に形成されると共に、該ナノドット又はナノストライプ上に超伝導物質からなる柱状欠陥が形成され、この柱状欠陥に格子欠陥が形成された構造を有し、上記柱状欠陥及び格子欠陥が上記ピン止め中心となって磁束をピン止めすることを特徴とする。
この構成によれば、三次元形状のナノドット、ナノストライプ上の柱状欠陥及びまたは格子欠陥がピン止め中心となって磁束をピン止めし、磁束が動かないから臨界電流密度、臨界磁場を高めることができる。
【０００７】
また、基板及び超伝導物質以外の物質は、金属、絶縁物、半導体または強磁性体であることを特徴とする。
この構成によれば、三次元形状のナノドット、ナノストライプ上に非超伝導体の柱状欠陥が形成され、磁束をピン止めする。さらに、強磁性体の場合には、磁束と強磁性体の磁化との相互作用エネルギーにより、さらに強固に磁束がピン止めされる。
【０００８】
また、三次元形状のナノドットは、直径が２０ｎｍ以下、高さが６ｎｍ程度、かつ平均距離５０ｎｍ以下で基板上に不規則に分布していることを特徴とする。この構成によれば、磁束ピン止め作用が大きくなり、臨界電流密度と臨界磁場を高くできる。
【０００９】
また、三次元形状のナノストライプは、基板の面方位が基板の結晶軸から傾いた傾斜基板のステップの側壁方向に沿ってストライプ状に形成されることを特徴とする。
この構成によれば、ナノストライプ上に形成した柱状欠陥の基板表面に平行方向の断面が細長い楕円面形状を有するため、磁束と柱状欠陥との相互作用エネルギーが高まり、磁束をさらに強固にピン止めできる。
【００１０】
また、柱状欠陥は、基板表面に垂直方向に軸を有する柱状の形状を有し、超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体、または低臨界温度の超伝導体である。
この構成によれば、柱状欠陥が非超伝導体となり、磁束が進入してピン止め中心として作用する。
【００１１】
また、格子欠陥は、超伝導薄膜の結晶転位であることを特徴とする。
この構成によれば、柱状欠陥が超伝導薄膜の厚さより薄くても、柱状欠陥上の格子欠陥、例えば転位がピン止め中心として作用する。
【００１２】
また、基板は、ＳｒＴｉＯ３ ，ＭｇＯ，Ａｌ２ Ｏ３ 基板、または、これらの基板上にＣｅＯ２ であるバッファ層を有する基板であっても良く、超伝導物質以外の物質はＡｇ，ＭｇまたはＺｎであっても良く、超伝導薄膜は（Ｃｕ１−ｘ Ｔｌｘ ）Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ Ｃａ２ Ｃｕ３ Ｏｚ 、（ただし、 ０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ）で表される超伝導薄膜でも良い。
【００１３】
また、超伝導薄膜は、組成式：
Ｃｕ１−ｘ Ｍｘ （Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ ）２ （Ｃａ１−ｚ Ｌｚ ）ｎ−１ Ｃｕｎ Ｏ２ｎ＋４−ｗ
（式中、Ｍ＝多価の金属元素イオンでＴｌ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｈｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓの一元素または複数元素、Ｌ＝Ｍｇ，アルカリ金属元素の一元素または複数元素、０≦ｘ≦１．０，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｗ≦４，１≦ｎ≦１６）で記述できる（Ｃｕ，Ｍ）系高温超伝導体材料からなる選択還元型高温超伝導薄膜であってもよい。
【００１４】
これらの構成によれば、（Ｃｕ１−ｘ Ｔｌｘ ）Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ Ｃａ２ Ｃｕ３ Ｏｚ 超伝導薄膜、及び、Ｃｕ１−ｘ Ｍｘ （Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ ）２ （Ｃａ１−ｚ Ｌｚ ）ｎ−１ Ｃｕｎ Ｏ２ｎ＋４−ｗ選択還元型高温超伝導薄膜の臨界電流密度を約１０倍に高めることができる。
【００１５】
また、本発明の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法は、基板上に、基板物質及び超伝導物質以外の物質からなる、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプを、平均距離５０ｎｍ以下の間隔で不規則に分布させて形成し、この基板上の上記ナノドット上又はナノストライプ上以外の部分に上記超伝導物質からなる超伝導薄膜を形成すると共に、上記ナノドット上又はナノストライプ上に柱状に成長した上記超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体又は低臨界温度の超伝導体からなる柱状ピン止め中心を形成することを特徴とする。
この構成によれば、基板上に平均距離５０ｎｍ以下の間隔で不規則に分布した島状のナノドットまたはナノストライプ上に柱状に成長した超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体又は低臨界温度の超伝導体である柱状欠陥が形成され、またはこれらの柱状欠陥上に結晶転位が形成され、これらの柱状欠陥または転位が、超伝導薄膜のピン止め中心となる。
【００１６】
また、超伝導物質以外の物質からなる三次元形状のナノドットを島状に形成する場合、超伝導物質以外の物質を、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、基板上に堆積した物質を凝集させて三次元形状のナノドットを島状に形成することを特徴とする。
この構成によれば、直径が２０ｎｍ以下、高さ６ｎｍ以下、かつ、平均距離５０ｎｍ以下で基板上に不規則に分布したナノドットを形成できる。
【００１７】
また、超伝導物質以外の物質からなる三次元形状のナノストライプを島状に形成する場合、基板の面方位を基板の結晶軸から傾けて形成し、基板上に、超伝導物質以外の物質を、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、基板上に堆積した物質を、基板のステップ近傍に選択的に成長させて、三次元形状のナノストライプを島状に形成することを特徴とする。
この構成によれば、傾斜基板のステップの側壁に沿って形成され、基板の表面に平行方向の断面が細長い楕円面を有するナノストライプが形成できる。
【００１８】
また、前記超伝導薄膜を成長させる方法において、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板上に超伝導物質を結晶成長させることを特徴とする。
この構成によれば、ナノドットまたはナノストライプ上に成長する超伝導物質は、非超伝導体の柱状欠陥となり、ナノドットまたはナノストライプ以外の部分に成長する超伝導物質は超伝導薄膜となる。
【００１９】
また、超伝導薄膜を成長させる際、アモルファス相エピタキシー法により、基板上に超伝導物質を結晶成長させることを特徴とする
この構成によれば、ピン止め中心を有する（Ｃｕ，Ｔｌ）Ｂａ２ ＳｒＣａ２ Ｃｕ３ Ｏｙ 系超伝導薄膜が得られる。
【００２０】
本発明によれば、高臨界電流密度及び高臨界磁場を有する超伝導薄膜が得られると共に、この超伝導薄膜が極めて低コストで製造されることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
始めに、本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は本発明のナノドットから形成した柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の構成を示す断面図である。
図において、ピン止め中心を有する超伝導薄膜１は、基板２と、基板２上に形成したナノドット３と、ナノドット３上に形成した柱状欠陥４と、柱状欠陥４以外の基板２上に形成した超伝導薄膜５とから構成されている。なお、柱状欠陥４から伸びる転位６を設けても良い。
ナノドット３を構成する物質は、基板２及び超伝導薄膜５を構成する物質以外の物質であり、例えば、金属、絶縁物、半導体または強磁性体である。
また、ナノドット３は、直径が２０ｎｍ以下、高さが６ｎｍ程度、かつ、平均距離５０ｎｍ以下で基板２上に不規則に分布している。柱状欠陥４は、ナノドット３を底辺とした基板２の表面に垂直方向に軸を有する柱状の形状を有し、超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体または低臨界温度の超伝導体である。格子欠陥６は、超伝導薄膜の結晶転位である。
【００２２】
この構成によれば、ナノドット３上の柱状欠陥４が非超伝導体であるから印加磁束が進入し、磁束をピン止めする。また、柱状欠陥４が超伝導薄膜５の表面に達していなくても柱状欠陥４上部から伸びた結晶転位６が磁束をピン止めする。また、ナノドット３が強磁性体である場合には、磁束と強磁性体の磁化との相互作用エネルギーが加わり、さらに強固に磁束がピン止めされる。
またナノドット３上に形成される柱状欠陥４は、ナノドット３を底辺とした、基板表面に垂直方向に軸を有する柱状の形状を有するナノドット３の形状を反映したナノサイズの形状を有しており、かつ、間隔５０ｎｍ以下で基板２上に不規則に分布しているので、磁束ピン止め作用が大きく、高磁場下の高超伝導電流密度でも超伝導状態が壊れない。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
図２は、本発明の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜のナノストライプの構成を示す横断面図である。図は、基板２の表面に形成した分子層オーダーの階段状ステップの表面７上に形成したナノストライプ８の形状及び分布を示している。ナノストライプ８はステップの側壁９に沿った薄いナノメーターサイズのストライプ形状をしており、間隔５０ｎｍ以下で不規則に分布している。
図１と同様に、ナノストライプ８を構成する物質は、基板２及び超伝導薄膜５を構成する物質以外の物質であり、例えば、金属、絶縁物、半導体または強磁性体であり、ナノストライプ８上にはストライプ形状の柱状欠陥が形成され、柱状欠陥部分以外の基板上には超伝導薄膜が形成される。
この構成によれば、断面形状が、細長い楕円面、すなわち薄いストライプ状の形状を有した柱状欠陥を形成しているから、さらに磁束ピン止め効果が高い。
【００２４】
次に、本発明の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法を説明する。 始めに、ナノドットから形成するピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法を説明する。
ナノドットから形成するピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法は、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で超伝導物質以外の物質を、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、基板上に堆積した物質を凝集させて三次元形状のナノドットを島状に形成する。
この方法によれば、直径が２０ｎｍ以下、高さ６ｎｍ程度、かつ、平均距離５０ｎｍ以下で基板上に不規則に分布したナノドットを容易に形成できる。
次に、ナノドットを形成した基板上に、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板上に超伝導物質を結晶成長させる。この方法によれば、ナノドット上に成長する超伝導物質は、非晶質体または非超伝導体の柱状欠陥となり、ナノドット以外の部分に成長する超伝導物質は超伝導薄膜となる。
或いは、アモルファス相エピタキシー法（特許第２９２３５３０号参照）を使用して超伝導薄膜を成長させても良い。
この構成によれば、本発明のナノドットから形成する柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜が得られる。
【００２５】
次に、ナノストライプから形成する柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法を説明する。
ナノストライプからなる柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法は、基板の面方位を結晶軸から傾けて形成した傾斜基板を用いる。傾斜角度は、数度〜１０度が良い。傾けて切り出すことによって、傾斜基板表面に分子層オーダーの階段状ステップが形成される。あるいは傾けて切り出した傾斜基板を所定の条件で熱処理することによっても形成できる。
このステップを有する基板上に超伝導物質以外の物質を、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、基板温度、物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、ステップの側壁近傍に、側壁に沿ったストライプ状のナノストライプが形成できる。
【００２６】
次に、ナノストライプを形成した傾斜基板上に、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、超伝導物質を結晶成長させる。または、アモルファス相エピタキシー法を使用して超伝導薄膜を成長しても良い。
この構成によれば、ナノストライプ上に成長する超伝導物質は、非超伝導体の柱状欠陥となり、ナノストライプ以外の部分に成長する超伝導物質は、超伝導薄膜となり、本発明のナノストライプから形成するピン止め中心を有する超伝導薄膜が得られる。
【００２７】
次に、本発明に従った実施例を示す。
本発明のナノドットから形成した柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の実施例である。
ナノドットの材料物質としてＡｇを用いた。Ａｇナノドットは、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタ装置を用い、Ａｇターゲットをスパッタ電力１０Ｗ、Ａｒガス圧６．３ｍＴｏｒｒ、堆積時間３〜５秒でスパッタし、５００℃に保ったＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上に堆積した。なお、このスパッタ装置は、ターゲット面と基板面を直交して配置するＯｆｆ・ａｘｉｓスパッタ装置である。
【００２８】
図３は、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上に形成したＡｇナノドットのＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を示す図である。
図から明らかなように、Ａｇナノドットは、直径１０〜２０ｎｍ、高さは高いものでも５〜６ｎｍであり、平均距離５０ｎｍ以下の間隔で不均一に分布していることがわかる。この寸法と平均距離は、従来のフォトリソグラフ技術で作製したものより遙かに小さい。なお、ナノドットの寸法と面密度は堆積時間と基板温度に強く依存する。
【００２９】
次に、ナノドットが形成された基板上に超伝導薄膜を成長させた。
成長方法はＡＰＥ（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いた。以下にＡＰＥ法による超伝導薄膜成長工程を示す。
金属元素組成、ＴｌＢａＳｒＣａ２ Ｃｕ４ のターゲットを、ＲＦスパッタ装置を用いて、Ａｒ圧２５ｍＴｏｒｒ、Ｏ２ 圧５ｍＴｏｒｒ中で、スパッタ電力１００Ｗ、１２０分スパッタして、Ａｇナノドットが形成された基板上に超伝導前駆体であるアモルファス膜を５３０ｎｍ堆積した。なお、比較試料として、Ａｇナノドットを有しないＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上にも同時に堆積した。
次に、超伝導前駆体のアモルファス膜を堆積した基板と比較試料を、Ａｇ製の密封容器に封入し、所定のＴｌとＯ２ 雰囲気中で８４５℃、６０分間結晶成長させて超伝導薄膜を形成した。
【００３０】
この超伝導薄膜はＸ線回折測定の結果、（Ｃｕ，Ｔｌ）Ｂａ２ ＳｒＣａ２ Ｃｕ３ Ｏｙ 超伝導体であることを示した。
臨界温度は、Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜も、Ａｇナノドットを有しない比較試料も１０４Ｋであった。
図４は、Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜と、Ａｇナノドットを有しない超伝導薄膜の臨界電流密度の磁場依存性を測定した結果を示す図である。
測定は、Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ社製のＰＰＭＳ ｍｏｄｅｌ ６０００を用い、ＡＣ磁化率法で測定した。
横軸は印加磁場強度を表し、縦軸は臨界電流密度を表す。測定温度は７７．８Ｋである。
図から明らかなように、Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜は、Ａｇナノドットを有しない超伝導薄膜に較べ、臨界電流密度（Ｊｃ）が印加磁場強度１．５Ｔに亘って１０倍以上高いことがわかる。
【００３１】
また、本発明は、下記組成式で表される、構成元素の選択還元により正孔ドーピングが可能なＣｕ酸化物系高温超伝導体である選択還元型高温超伝導体（ＰＣＴ出願番号第ＰＣＴ／ＪＰ００／０１６６９号明細書参照）に適用できることは明らかである。
組成式：
Ｃｕ１−ｘ Ｍｘ （Ｂａ１−ｙ Ｓｒｙ ）２ Ｃａ１−ｚ Ｌｚ ）ｎ−１ Ｃｕｎ Ｏ２ｎ＋４−ｗ
（式中、Ｍ＝多価の金属元素イオンでＴｌ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｈｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓの一元素または複数元素、Ｌ＝Ｍｇ，アルカリ金属元素の一元素または複数元素、０≦ｘ≦１．０，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｗ≦４，１≦ｎ≦１６）で記述できる（Ｃｕ，Ｍ）系高温超伝導体材料からなる選択還元型高温超伝導体。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、超伝導体薄膜の種類を問わず、臨界電流密度が少なくとも１０倍高い超伝導体薄膜を提供することができるとともに、この超伝導体薄膜を極めて低コストで製造することができる。
従って、本発明による超伝導体薄膜は、低温エレクトロニクス、マイクロウェーブなどの技術分野に使用すれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のナノドットから形成した柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の構成を示す断面図である。
【図２】本発明のナノストライプの構成を示す横断面図である。
【図３】ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上に形成したＡｇナノドットのＡＦＭ像を示す図である。
【図４】Ａｇナノドットを有する超伝導薄膜と、Ａｇナノドットを有しない超伝導薄膜の臨界電流密度の磁場依存性を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜
２ 基板
３ ナノドット
４ 柱状欠陥
５ 超伝導薄膜
６ 格子欠陥
７ 階段状ステップの表面
８ ナノストライプ
９ 階段状ステップの側壁
Claims (14)
- 基板上に形成され、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜であって、
上記基板物質及び超伝導物質以外の物質からなり、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプが上記基板上に島状に形成されると共に、該ナノドット又はナノストライプ上に超伝導物質からなる柱状欠陥が形成された構造を有し、
上記柱状欠陥が上記ピン止め中心となって磁束をピン止めすることを特徴とする、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。 - 基板上に形成され、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜であって、
上記基板物質及び超伝導物質以外の物質からなり、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプが上記基板上に島状に形成されると共に、該ナノドット又はナノストライプ上に超伝導物質からなる柱状欠陥が形成され、この柱状欠陥に格子欠陥が形成された構造を有し、
上記柱状欠陥及び格子欠陥が上記ピン止め中心となって磁束をピン止めすることを特徴とする、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。 - 前記基板物質及び超伝導物質以外の物質は、金属、絶縁物、半導体または強磁性体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。
- 前記ナノドットは、直径が２０ｎｍ以下、高さ６ｎｍ程度、かつ、平均距離５０ｎｍ以下で基板上に不規則に分布していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。
- 前記ナノストライプは、前記基板の面方位が基板の結晶軸から傾いた傾斜基板のステップの側壁に沿ってストライプ状に形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。
- 前記柱状欠陥は、前記超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体、または低臨界温度の超伝導体であり、前記基板表面の垂直方向に柱状に形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。
- 前記格子欠陥は、結晶転位であることを特徴とする、請求項２に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。
- 前記基板は、ＳｒＴｉＯ3 ，ＭｇＯ，Ａｌ2 Ｏ3 基板、または、上記基板上にＣｅＯ2 であるバッファ層を有する基板であり、前記超伝導物質以外の物質はＡｇ，ＭｇまたはＺｎであり、前記超伝導薄膜は、組成式：
（Ｃｕ1-x Ｔｌx ）Ｂａ1-y Ｓｒy Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏz
ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ、で表される超伝導薄膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。 - 前記超伝導薄膜は、組成式：
Ｃｕ1-x Ｍx （Ｂａ1-y Ｓｒy ）2 （Ｃａ1-z Ｌz ）n-1 Ｃｕn Ｏ2n+4-w
（式中、Ｍ＝多価の金属元素イオンでＴｌ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｈｇ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓの一元素または複数元素、Ｌ＝Ｍｇ，アルカリ金属元素の一元素または複数元素、０≦ｘ≦１．０，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｗ≦４，１≦ｎ≦１６）で記述できる（Ｃｕ，Ｍ）系高温超伝導体材料からなる選択還元型高温超伝導薄膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜。 - 基板上に、基板物質及び超伝導物質以外の物質からなる、三次元ドット形状のナノドット又は上記基板面に平行な断面を有する三次元ストライプ形状のナノストライプを、平均距離５０ｎｍ以下の間隔で不規則に分布させて形成し、
この基板上の上記ナノドット上又はナノストライプ上以外の部分に上記超伝導物質からなる超伝導薄膜を形成すると共に、
上記ナノドット上又はナノストライプ上に柱状に成長した上記超伝導物質からなる非晶質体、非超伝導体又は低臨界温度の超伝導体からなる柱状ピン止め中心を形成することを特徴とする、柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法。 - 前記超伝導物質以外の物質からなる三次元ドット形状のナノドットを、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、前記基板の温度、上記物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、
上記基板上に堆積した上記物質を凝集させて形成することを特徴とする、請求項１０に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法。 - 前記超伝導物質以外の物質からなる三次元ストライプ形状のナノストライプを、前記基板の面方位を基板の結晶軸から傾けて形成し、この基板上に、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で、前記基板温度、上記物質の堆積速度及び堆積膜厚を制御して堆積することにより、
上記基板上に堆積した上記物質を、上記基板のステップ近傍に島状に形成することを特徴とする、請求項１０に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法。 - 前記超伝導物質からなる薄膜を、前記ナノドットまたはナノストライプを形成した基板上に、スパッタ、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤまたはＭＢＥのいずれかの方法で結晶成長させることを特徴とする、請求項１０に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法。
- 前記超伝導物質からなる薄膜を、前記ナノドットまたはナノストライプを形成した基板上に、アモルファス相エピタキシー法により結晶成長させることを特徴とする、請求項１０に記載の柱状ピン止め中心を有する超伝導薄膜の製造方法。
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