JP3725085B2 - 超電導層及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導層及びその製造方法に係り、特には、酸化物超電導体を含んだ超電導層及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
高臨界電流酸化物超電導体は、核融合炉、磁気浮上式列車、加速器、磁気診断装置(MRI)などへの応用が期待されており、既に一部の用途で実用化されている。酸化物超電導体としてはビスマス系やY系超電導体などがあり、後者は磁場中での特性が良好であることなどから実用化に最も近い材料として大いに注目を集めている。
【0003】
Y系超電導体で構成された超電導層の製造方法としては、例えば、パルスレーザ(PLD)法、液相成長堆積(LPE)法、電子ビーム(EB)法があるが、近年、非真空中で実施可能であり且つ低コストな有機金属堆積(MOD)法が脚光を浴びており、米国を中心に盛んに研究されている。なかでも、トリフルオロ酢酸(TFA)などのトリフルオロ酢酸を用いたMOD法(以下、TFA−MOD法という)は高い特性が繰り返し報告されている手法である。
【0004】
TFA−MOD法では、概略的には以下の方法により超電導層を形成する。まず、超電導体の各構成金属の酢酸塩水溶液とトリフルオロ酢酸とから得られる上記金属のトリフルオロ酢酸塩を有機溶媒中に溶解させてコーティング溶液を準備する。次いで、このコーティング溶液を基板上に塗布して塗膜を得る。その後、得られた塗膜を加湿酸素雰囲気中で仮焼成して酸化物超電導体の構成元素を含んだ前駆体を生成する。さらに、塗膜を加湿雰囲気中で本焼成して前駆体の結晶化を生じさせる。すなわち、基板上に酸化物超電導体の結晶を成長させる。続いて、酸素雰囲気中でアニールする。以上のようにして超電導層を得る。
【0005】
この方法によると、高い臨界電流値Jcを示す超電導層を容易に得ることができる。しかしながら、本発明者らは、TFA−MOD法によれば、さらに高い臨界電流値Jcを実現可能であると考えている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、TFA−MOD法により臨界電流値がより高い超電導層を製造可能とすることを目的とする。
【0007】
【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、基板の一主面上に設けられた超電導層(前記基板がLaAlO3基板であり且つ温度77K及び磁場0Tにおける臨界電流値Jcが5MA/cm2未満であるものと、前記基板が表面にセリアの結晶層を成長させたマグネシア基板であり且つ温度70K及び磁場0Tにおける臨界電流値Jcが1.5MA/cm2以下であるものと、前記基板が表面にセリアの結晶層を成長させたイットリア安定化ジルコニア基板であり且つ温度77K及び磁場0Tにおける臨界電流値Jcが3.6MA/cm2以下であるものとを除く)であって、イットリウム及びランタノイドからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とバリウムと銅と酸素とを含有した酸化物超電導体を含み、前記主面からの距離が50nm以上であり且つ前記超電導層の厚さの70%以下の範囲内にある前記主面に平行な前記超電導層のいずれかの断面を観察した場合に酸化銅粒子断面の前記超電導層の断面に対する面積比が1/1000以下であることを特徴とする超電導層を提供する。
【0009】
また、本発明は、イットリウム及びランタノイドからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とバリウムと銅とのトリフルオロ酢酸塩をメタノールを含んだ溶媒中に溶解させてコーティング溶液を調製する工程と、前記コーティング溶液を基板の一主面上に塗布して塗膜を形成する工程と、水蒸気と酸素とを含んだ雰囲気中で前記塗膜を仮焼成する工程と、水蒸気を含んだ雰囲気中で及び前記仮焼成よりも高い温度で前記仮焼成後の前記塗膜を本焼成する工程とを含み、前記仮焼成は大気圧のもと水蒸気を含んだ雰囲気中で最高到達温度が400℃以上となるように前記塗膜を昇温することを含み、前記昇温の過程で前記塗膜が200乃至250℃の温度範囲内に維持される時間は9時間43分乃至13時間43分であり、前記トリフルオロ酢酸塩として不純物含量が6質量%以下のものを使用することを特徴とする超電導層の製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る超電導層の製造プロセスを示すフローチャートである。本実施形態では、例えば、以下の方法により超電導層を製造する。
【0011】
まず、イットリウム及び/またはランタノイドの酢酸塩と酢酸バリウムと酢酸銅とを準備する。次に、それら酢酸塩のそれぞれを水に溶解させ、酢酸塩水溶液を調製する。次いで、それら酢酸塩水溶液にほぼ化学量論比に相当する割合(例えば、化学量論比に対して±5%の範囲内)でトリフルオロ酢酸を混合し、さらに、それら溶液同士をイットリウム及び/またはランタノイドとバリウムと銅とのモル比がほぼ1:2:3となるように混合する。この混合溶液中で、酢酸イオンとトリフルオロ酢酸イオンとの間でのイオン交換を生じさせ、その後、イオン交換反応の結果として得られるトリフルオロ酢酸塩を精製する。
【0012】
次に、精製したトリフルオロ酢酸塩を適当な溶媒に溶解することによりコーティング溶液を調製する。次いで、基板上にコーティング溶液を塗布して塗膜を形成する。
【0013】
その後、塗膜を、水蒸気と酸素とを含んだ雰囲気中で、好ましくは加湿純酸素雰囲気中で仮焼成する。この仮焼成では、トリフルオロ酢酸塩の加水分解などの分解反応を生じさせてトリフルオロ酢酸の構成元素を含んだ分解生成物を塗膜から揮散させるとともに、塗膜中に酸素を供給して、酸化物超電導体の前駆体を生じさせる。なお、高純度溶液を使用した場合には、加湿しなくともトリフルオロ酢酸塩の分解などをCu(TFA)2の昇華なしに進行させることができることがある[T. Araki, Cryogenics 41. 675 (2001)]。また、この仮焼成により得られる前駆体は、主に、酸化物超電導体の構成元素を含んだアモルファスマトリクスと、その中に分布したCuO微結晶(或いは、CuO粒)とで構成されている。
【0014】
仮焼成を終了後、水蒸気を含んだ雰囲気中で、好ましくは不活性ガス中に水蒸気と微量の酸素とを含んだ雰囲気中で塗膜を本焼成し、続いて、酸素雰囲気中で塗膜をアニールする。本焼成では、仮焼成で得られた前駆体を結晶化して酸化物超電導体を生成する。以上のようにして超電導層を得る。
【0015】
さて、本実施形態では、仮焼成直後の塗膜に含まれるCuO粒の平均粒径が所定値以下となるように仮焼成を行う。このような方法によると、以下に説明するように、高い臨界電流値を実現することが可能となる。
【0016】
TFA−MOD法で使用するCu(TFA)2は高温に加熱した場合に昇華を生じる。そのため、この方法では、本焼成に先立ち、比較的低い温度で及び加湿酸素雰囲気中で仮焼成を行うことにより上記昇華を抑制している。なお、この仮焼成では、Cu(TFA)2は部分加水分解されてCu(TFA)OHへと変化し、その後、CuOへとさらに分解される[McIntyre, et al., Proc. Mat. Res. Soc. Symp. 169. 743 (1990)]。また、他の金属のトリフルオロ酢酸塩はCu(TFA)2の分解温度よりも高い温度で分解する。そのため、仮焼成により生成される前駆体は、金属とOとFとを含有したアモルファスマトリクスと、その中に分布したCuO微結晶(或いはCuO粒)とで主に構成されることとなる[T. Araki, et al., Supercond. Sci. Technol. 14, 783 (2001)]。
【0017】
本発明者らは、前駆体中に形成されたCuO微結晶や前駆体中に析出した不純物が臨界電流値Jcに影響を及ぼすことを見出している。不純物がJcに与える影響は上記溶液の高純度化により排除可能である[T. Araki, et al., Supercond. Sci. Technol. 14, L21 (2001)]。しかしながら、上記の通り、CuO微結晶はCu(TFA)2が加水分解及び酸化した結果として生じる。したがって、CuO微結晶がJcに与える影響を抑制することが特に重要となる。
【0018】
仮焼成直後の塗膜は、酸化物超電導体の構成元素を含んだアモルファスマトリクスと、その中に分布したCuO粒とで主に構成されている。本発明者らは、これらアモルファスマトリクス及びCuO粒を含んだ前駆体は、本焼成の際に、擬似液相を経て酸化物超電導体へと変化すると考えている。また、これまでの研究から、この擬似液相を生じさせるには水蒸気が必要であること、擬似液相から酸化物超電導体への変化に伴いフッ化水素が放出されること、及び、前駆体から酸化物超電導体を生じる反応は可逆的であることがわかっている。したがって、前駆体から酸化物超電導体を生成する反応に関して、以下の反応式が推定される。
【0019】
【化1】
【0020】
上記反応式によると、一定温度のもとで雰囲気中のH2O含量を増加させれば、前駆体中でCuO粒を構成している銅を擬似液相の生成に消費させることができ、したがって、CuO粒の量を低減することができる。すなわち、超電導層中の微結晶量を低減し、高い臨界電流値Jcを実現することができる。しかしながら、現実には、単に本焼成時の雰囲気への加湿量を増加させただけでは、Jcを著しく向上させることはできない。
【0021】
本発明者らは、前駆体中のCuO粒の粒径が重要であると考え、まず、前駆体中のCuO粒の粒径の制御方法を確立し、次いで、CuO粒の粒径とJcとの関係を調べた。その結果、前駆体中のCuO粒の平均粒径を25nm以下とした場合、十分に加湿した雰囲気中で本焼成を行えば、高いJcを実現であることを確認した。
【0022】
図2(a)乃至(c)は、本発明の一実施形態に係る超電導層の製造プロセスにおいて本焼成の際に生じる反応を概略的に示す図である。また、図3(a)乃至(c)は、従来技術に係る超電導層の製造プロセスにおいて本焼成の際に生じる反応を概略的に示す図である。なお、図2(a)及び図3(a)は仮焼成直後塗膜の状態を示し、図2(b)及び図3(b)は本焼成中の塗膜の状態を示し、図2(c)及び図3(c)は本焼成後に得られる超電導層を示している。
【0023】
図2(a)及び図3(a)に示すように、基板1上に形成された塗膜(前駆体)2は、仮焼成直後では、アモルファスマトリクス3とCuO粒4とで主に構成されている。
【0024】
図3(a)に示すようにCuO粒4の平均粒径が大きな塗膜2では、CuO粒4の比表面積が小さい。そのため、本焼成の際、図3(b)に示すように、CuO粒4を構成するCuを擬似液相5の生成に十分に消費させることは困難である。したがって、図3(c)に示すように、超電導層7中には酸化物超電導体6だけでなく平均粒径の大きなCuO粒4が多量に残留することとなり、高い臨界電流値Jcは得られない。
【0025】
これに対し、図2(a)に示すようにCuO粒4の平均粒径が小さな塗膜2では、CuO粒4の比表面積が大きい。そのため、本焼成の際、図2(b)に示すように、CuO粒4を構成するCuの殆どを擬似液相5の生成に容易に消費させることができる。したがって、図2(c)に示すように、超電導層7中にCuO粒4が残留するのを抑制することができ、高い臨界電流値Jcを実現することが可能となる。
【0026】
本実施形態では、上記の通り、前駆体中のCuO粒の平均粒径が25nm以下となるように仮焼成を行う。前駆体中のCuO粒の平均粒径が小さいほど、本焼成の際にCuO粒を擬似液相5の生成により容易に消費させることができる。しかしながら、前駆体中のCuO粒の平均粒径が極めて小さくなる条件で仮焼成を行った場合、トリフルオロ酢酸塩の分解反応を十分に進行させることが困難となることがある。したがって、トリフルオロ酢酸塩の分解反応を十分且つ確実に進行させるために、前駆体中のCuO粒の平均粒径が8.8nm以上となるように仮焼成を行ってもよい。
【0027】
本実施形態において、酸化物超電導体6に含まれる金属は、イットリウム及びランタノイドからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属、バリウム、及び銅である。ランタノイドとして何れの金属を使用してもよいが、酢酸塩溶液やトリフルオロ酢酸塩溶液を調製する観点からは、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、及びツリウムの少なくとも1種を使用することが有利である。
【0028】
また、本実施形態において、本焼成は、4.2体積%以上の割合で水蒸気を含んだ雰囲気中で行うことが好ましく、12.1体積%以上の割合で水蒸気を含んだ雰囲気中で行うことがより好ましく、31.2体積%以上の割合で水蒸気を含んだ雰囲気中で行ってもよい。本焼成時の加湿量を高めることにより、擬似液相5の生成を促進する効果が大きくなる。
【0029】
本実施形態においては、トリフルオロ酢酸塩として不純物含量が6質量%以下のものを使用する。不純物として酢酸バリウムや酢酸イットリウムなどの酢酸塩が多量に存在しているコーティング溶液を使用した場合、超電導層7中にYやBaなどの酸化物粒子が生じることがある。
【0030】
本実施形態において、コーティング溶液を調製するのに使用する溶媒は、メタノール及びエタノールの少なくとも一方を50質量%の割合で含有していることが好ましい。このような溶媒を使用した場合、塗膜から溶媒を速やかに揮発させることができる。
【0031】
本実施形態において、大気圧のもと水蒸気を含んだ雰囲気中で仮焼成を行う際、その昇温過程で塗膜が200乃至250℃の温度範囲内に維持される時間は6時間15分乃至16時間30分であることが好ましい。この場合、トリフルオロ酢酸塩の分解反応を十分に進行させることができ、しかも、CuO粒の成長を抑制することができる。また、仮焼成時の最高到達温度は、300乃至500℃程度であることが好ましく、400℃以上であることがより好ましい。この場合、トリフルオロ酢酸塩の分解生成物を塗膜から速やかに揮散させることができるため、CuO粒の成長を抑制するうえで有利である。
【0032】
本実施形態において、本焼成の際の塗膜の最高到達温度は725℃以上であることが好ましい。この場合、結晶成長を良好に進行させることができる。なお、この最高到達温度の上限値に特に制限はないが、通常は基板の劣化を十分に防止可能な850乃至900℃程度である。
【0033】
本実施形態において、酸素アニールは525℃以下の温度で行うことがこのましい。なお、酸素アニールは、雰囲気を切り替えることにより、本焼成と連続して行うことができる。
【0034】
上述したように、本実施形態に係る方法によると、高い臨界電流値を示す超電導層7が得られる。この超電導層7は、例えば、超電導線として利用することができ、超電導コイル、超電導マグネット、MRI装置、磁気浮上式列車、SMESなど様々な用途に応用可能である。また、このような超電導層7には、以下に説明するように、従来の方法で得られる超電導層とは著しく異なる特徴が見られる。
【0035】
図2(a)乃至(c)及び図3(a)乃至(c)に示す方法のいずれにおいても、超電導層7の基板1からの距離が50nm程度以下の領域では良好に結晶成長が進行し、CuO粒4などの微結晶も殆ど存在しない。
【0036】
また、図3(a)乃至(c)に示す方法に限らず、図2(a)乃至(c)に示す方法であっても、酸化物超電導体6が結晶成長する過程でCuO粒4が酸化物超電導体6中に取り込まれると、図2(b)及び図3(b)に示す前駆体2の組成が化学量論から逸脱する。酸化物超電導体6の成長端部に十分な量の擬似液相5が存在している場合、酸化物超電導体6の結晶成長は良好に進行する。しかしながら、前駆体2の量が少なくなると、その組成の化学量論からの逸脱が大きくなり、擬似液相の形成が不可能となる。その結果、Cu以外の金属やその化合物が析出する。本実施形態に係る方法によると、そのような析出は、超電導層7のうち基板1からの距離が超電導層7の厚さの70%以下の部分では少ない。
【0037】
超電導層7のうち基板1からの距離が50nm以上であり且つ超電導層7の厚さの70%以下の範囲内で、基板1に平行な超電導層7の断面の少なくとも1つを透過電子顕微鏡(TEM)などで観察すると、本実施形態に係る方法で得られる超電導層7と、従来の方法で得られる超電導層とでは、微粒子の含量が著しく異なっている。すなわち、従来の方法で得られる超電導層では、上記断面内で微粒子断面が占める割合は1/50以上である。それに対し、本実施形態に係る方法で得られる超電導層7では、上記断面内で微粒子断面が占める割合は1/100以下であり、特に高い臨界電流値が得られるときには1/1000以下である。このような特徴から、超電導層が本実施形態に係る方法により製造されたか否かを判別することができる。なお、本実施形態に係る方法で前駆体中のCuO粒の平均粒径が8.8nm以上となるように仮焼成を行った場合、本焼成の条件などにも依存するが、上記割合は1/1000以上となることがある。
【0038】
また、本実施形態に係る方法で得られる超電導層は、以下の特徴も有している。本実施形態ではTFA−MOD法を利用しているため、上述した方法で得られる超電導層は微量のフッ素を含有している。加えて、本実施形態に係る方法で得られる超電導層が酸化銅粒子を含んでいる場合は、酸化銅粒子の周囲であり且つ酸化銅粒子の表面からの距離が0.1μmの範囲内にある領域には50体積%以上の割合で酸化物超電導体が存在する。
例えば、上述した特徴について調べることにより、超電導層が本実施形態に係る方法で得られたのか否かを判別することができる。
【0039】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【0040】
(実施例1)
まず、Y(OCOCH3)3、Ba(OCOCH3)2、Cu(OCOCH3)2の各水和物の粉末を、それぞれイオン交換水中に溶解した。次に、それぞれのよう液に、反応等モル量のCF3COOHを添加・攪拌した。その後、それらを金属イオンのモル比で1:2:3の割合で混合して混合溶液を得た。この混合溶液をナス型フラスコに入れ、ロータリエバポレータにセットし、減圧下で反応及び精製を12時間行った。以上のようにして、半透明青色のゲルまたはゾルを得た。
【0041】
得られたゲルまたはゾルを、その約100倍の重量のメタノール中に完全に溶解させた。この溶液も、ロータリエバポレータを用いて、減圧下で反応及び精製を12時間行った。以上のようにして、半透明青色のゲルまたはゾルを得た。このゲルまたはゾルをメタノール中に溶解させ、さらにメスフラスコを用いて希釈することにより、金属イオン換算で1.52Mのコーティング溶液を得た。
【0042】
次に、このコーティング溶液を、LaAlO3基板の(100)面上にスピンコートした。なお、このスピンコートに当り、加速時間を0.4秒、回転速度を4,000rpm、回転保持時間を120秒とした。
【0043】
その後、上記スピンコートにより得られた塗膜に対し、大気圧のもとで仮焼成を行った。次に、仮焼成後の塗膜に対し、大気圧のもと本焼成を行い、続いて、アニールを行った。以上のようにして超電導層を得た。
【0044】
図4は、実施例1で行った仮焼成の温度プロファイルを示すグラフである。図中、横軸は加熱開始からの経過時間を示し、縦軸は雰囲気の温度を示している。本例では、仮焼成の際の雰囲気は、加熱開始から7分間経過するまでは純酸素雰囲気とし、その後、最高到達温度である400℃に達するまで純酸素中に4.2体積%の割合で水蒸気を含んだ加湿純酸素雰囲気とした。また、本例では、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲に維持する時間を4時間10分乃至66時間40分の範囲内で変化させた。
【0045】
図5は、実施例1で行った本焼成及びアニールの温度プロファイルを示すグラフである。図中、横軸は加熱開始からの経過時間を示し、縦軸は雰囲気の温度を示している。本例では、本焼成及びアニールの際の雰囲気は、加熱開始直後ではアルゴン中に酸素を1000ppmの割合で含んだ乾燥雰囲気とし、次いで、その雰囲気に4.2体積%の割合で加湿し、その後、乾燥酸素雰囲気とした。
【0046】
このようにして得られた超電導層のそれぞれについて、基板からの距離が50乃至100nmであり且つ基板面に平行な超電導層の断面をTEMで観察した。また、仮焼成後であり且つ本焼成前のそれぞれの塗膜について、基板面に垂直な断面をTEMで観察した。さらに、各超電導層について、直流4端子法によるIc測定を行い、誘起結合プラズマ発光分光法(ICP)と試料片面積とから膜厚を測定した。
【0047】
図6は、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に16時間40分間維持した超電導層の断面TEM写真である。図7は、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に66時間40分間維持した超電導層の断面TEM写真である。これらTEM写真の双方で塗膜中にCuO粒が認められ、その他に部分は主にY、Ba、O、Fからなり部分的にCu成分を含んだアモルファスマトリクスであることがTEMのEDS分析から確認された。なお、これら仮焼成後の塗膜中にはCuO粒以外の粒子は見られなかった。これは、溶液の高純度化により不純物が排除されたためである。
【0048】
図6及び図7に示すTEM写真から得られたCuO粒の平均粒径及びその標準偏差を以下の表に纏める。
【0049】
【表1】
【0050】
上記の通り、仮焼成時にはトリフルオロ酢酸銅が他の塩よりも先に部分加水分解及び酸化を生じてCuOになり、その後、上記他の塩からアモルファスマトリクスが生成されると考えられる。仮焼成の際の200乃至250℃の温度範囲内では、CuO粒は互いの表面エネルギーの減少をドライビングフォースとして成長を続けると予想され、オストワルド成長かそれに近い成長機構で成長すると予想される。上記表に示す結果は、オストワルド成長によく合致した結果となっており、したがって、CuO粒の粒径は、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に維持する時間に応じて単調増加することが予想される。
【0051】
図8は、実施例1で得られた超電導層の仮焼成条件とJcとの関係を示すグラフである。図中、横軸は仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に維持した時間を示し、縦軸はJcを示している。また、図中、参照番号11は実施例1で得られたデータを示し、参照番号12は後で説明する実施例2で得られたデータを示している。
【0052】
図8に参照番号11で示すように、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に維持した時間が6時間15分乃至16時間30分である場合、高いJc値が得られている。これは、トリフルオロ酢酸塩の分解が十分に進行し且つCuO粒の成長が十分に抑制されたためである。
【0053】
図9は、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に66時間40分間維持した超電導層のTEM写真である。このTEM写真は、基板からの距離が50乃至100nmであり且つ基板面に平行な超電導層の断面のうち、最もCuO粒が少なかったものを示している。超電導層に対するCuO粒の面積比は、図9に示す断面では1/200程度であり、その他の断面では1/50乃至1/200程度であった。
【0054】
同様に、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に16時間40分間維持した超電導層のTEM写真について調べた。その結果、上記面積比は1/80乃至1/400程度であった。また、仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に13時間43分間維持した場合には全ての断面で上記面積比は1/100以下であった。さらに、上記温度範囲内に9時間43分間維持した場合には全ての断面で上記面積比は1/1000以下であり、LaAlO3単結晶基板を用いたときには7乃至8MA/cm2(77K,0T)のJcが、及び、a/b軸配向粒生成問題が存在しないCeO2/YSZ基板を用いたときには10乃至12MA/cm2(77K,0T)のJcが高い再現性で得られた。なお、上記超電導層の膜厚は150乃至320nmであった。
【0055】
図10は、超電導層中のCuO粒の量とJcとの間の関係を示すグラフである。図中、横軸は基板からの距離が50乃至100nmであり且つ基板面に平行な超電導層の断面における超電導層に対するCuO粒の面積比を示し、縦軸はJcを示している。また、図中、参照番号13はLaAlO3基板を用いた場合に得られたデータを示し、参照番号14はCeO2/YSZ基板を用いた場合に得られたデータを示している。図10に示すように、上記面積比が1/100以下の超電導層では高い特性が得られ、上記面積比が1/1000以下の超電導層では非常に高い特性が得られた。
【0056】
(実施例2)
仮焼成の際に200乃至250℃に維持する時間を66時間40分とし、本焼成の際に加湿Ar/O2雰囲気中の水蒸気濃度を12.1体積%としたこと以外は実施例1で説明したのと同様の方法により厚さ150nmの超電導層を形成した。この超電導層についても、基板からの距離が50乃至100nmであり且つ基板面に平行な超電導層の断面をTEMで観察した。その結果、それら断面における超電導層に対するCuO粒の面積比は1/60乃至1/250であった。
【0057】
また、この超電導層についても、Jc値の測定を行った。その結果、図8に参照番号12で示すように、本焼成の際に加湿Ar/O2雰囲気中の水蒸気濃度を4.2体積%としたこと以外は同条件で形成した超電導層に比べ、より高いJc値が得られた。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、TFA−MOD法において、仮焼成直後の塗膜に含まれる酸化銅粒子の平均粒径が所定の範囲内となるように仮焼成を行う。この場合、十分に加湿した雰囲気中で本焼成を行うことにより、CuO粒を超電導体の生成に十分に消費させることができ、高い臨界電流値を実現することができる。
すなわち、本発明によると、TFA−MOD法により臨界電流値が高い超電導層を製造可能とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る超電導層の製造プロセスを示すフローチャート。
【図2】(a)乃至(c)は、本発明の一実施形態に係る超電導層の製造プロセスにおいて本焼成の際に生じる反応を概略的に示す図。
【図3】(a)乃至(c)は、従来技術に係る超電導層の製造プロセスにおいて本焼成の際に生じる反応を概略的に示す図。
【図4】実施例1で行った仮焼成の温度プロファイルを示すグラフ。
【図5】実施例1で行った本焼成及びアニールの温度プロファイルを示すグラフ。
【図6】仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に16時間40分間維持した超電導層の断面TEM写真。
【図7】仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に66時間40分間維持した超電導層の断面TEM写真。
【図8】実施例1で得られた超電導層の仮焼成条件とJcとの関係を示すグラフ。
【図9】仮焼成の際に200乃至250℃の温度範囲内に66時間40分間維持した超電導層のTEM写真。
【図10】超電導層中のCuO粒の量とJcとの間の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
1…基板
2…塗膜(前駆体)
3…アモルファスマトリクス
4…CuO粒
5…擬似液相
6…酸化物超電導体
7…超電導層
11〜14…データ
Claims (8)
- 基板の一主面上に設けられた超電導層(前記基板がLaAlO3基板であり且つ温度77K及び磁場0Tにおける臨界電流値Jcが5MA/cm2未満であるものと、前記基板が表面にセリアの結晶層を成長させたマグネシア基板であり且つ温度70K及び磁場0Tにおける臨界電流値Jcが1.5MA/cm2以下であるものと、前記基板が表面にセリアの結晶層を成長させたイットリア安定化ジルコニア基板であり且つ温度77K及び磁場0Tにおける臨界電流値Jcが3.6MA/cm2以下であるものとを除く)であって、イットリウム及びランタノイドからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とバリウムと銅と酸素とを含有した酸化物超電導体を含み、前記主面からの距離が50nm以上であり且つ前記超電導層の厚さの70%以下の範囲内にある前記主面に平行な前記超電導層のいずれかの断面を観察した場合に酸化銅粒子断面の前記超電導層の断面に対する面積比が1/1000以下であることを特徴とする超電導層。
- 前記超電導層はフッ素をさらに含んだことを特徴とする請求項1に記載の超電導層。
- 前記酸化物超電導体は、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、及びツリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属を含有したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超電導層。
- 前記超電導層は酸化銅粒子を含み、前記超電導層のうち前記酸化銅粒子の周囲であり且つ前記酸化銅粒子の表面からの距離が0.1μmの範囲内にある領域には50体積%以上の割合で前記酸化物超電導体が存在していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の超電導層。
- イットリウム及びランタノイドからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とバリウムと銅とのトリフルオロ酢酸塩をメタノールを含んだ溶媒中に溶解させてコーティング溶液を調製する工程と、
前記コーティング溶液を基板の一主面上に塗布して塗膜を形成する工程と、
水蒸気と酸素とを含んだ雰囲気中で前記塗膜を仮焼成する工程と、
水蒸気を含んだ雰囲気中で及び前記仮焼成よりも高い温度で前記仮焼成後の前記塗膜を本焼成する工程とを含み、
前記仮焼成は大気圧のもと水蒸気を含んだ雰囲気中で最高到達温度が400℃以上となるように前記塗膜を昇温することを含み、前記昇温の過程で前記塗膜が200乃至250℃の温度範囲内に維持される時間は9時間43分乃至13時間43分であり、前記トリフルオロ酢酸塩として不純物含量が6質量%以下のものを使用することを特徴とする超電導層の製造方法。 - 前記本焼成を4.2体積%以上の割合で水蒸気を含んだ雰囲気中で行うことを特徴とする請求項5に記載の超電導層の製造方法。
- 前記溶媒はメタノール及びエタノールの少なくとも一方を50質量%の割合で含有したことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の超電導層の製造方法。
- 前記本焼成の際の前記塗膜の最高到達温度は725℃以上であることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか1項に記載の超電導層の製造方法。
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