JP4626134B2 - 超電導体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、超電導体およびその製造方法に関し、詳しくは、層厚が大きい超電導層を有し、臨界電流（以下、Ｉｃという）が大きい超電導体およびその製造方法に関する。
超電導線材などの超電導体において、臨界電流を大きくするために超電導層を厚くすることが検討されている。
しかし、１回の成膜により超電導層を厚く形成しようとすると、成膜の際に超電導層に酸素を十分取り込むことができなくなり、臨界電流密度（以下、Ｊｃという）が小さくなることにより、Ｉｃを大きくすることができない。また、１回の成膜により超電導層を厚く形成しようとすると、１回の成膜時間が長くなり、下地層に含まれるＮｉなどの元素が超電導層に拡散して、超電導層と反応してしまうなどの問題があった。
このため、厚い超電導層を形成してかつＩｃを大きくするために、２回以上の成膜を行ない、各回の成膜における超電導膜の膜厚を小さくして超電導層を形成する積層成膜法が検討されている（たとえば、非特許文献１参照）。
非特許文献１によると、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．３５μｍとして、４〜６回の積層成膜を行なっているが、超電導層（幅１０ｍｍ）の層厚を１μｍ以上としても、Ｉｃは１３０Ａ程度に留まっている。ここで、超電導層が形成される幅１０ｍｍの下地テープの移動速度は、４ｍ／ｈであった。
したがって、超電導体においてさらなるＩｃの増大が求められている。
柿本一臣、他２名，「ＰＬＤ法を用いた積層成膜による高ＩｃＹ系線材の作製，第６７回２００２年秋季低温工学・超電導学会講演概要集，２００２年，ｐ２２８
柿本一臣、他２名，「ＰＬＤ法を用いた積層成膜による高ＩｃＹ系線材の作製，第６７回２００２年秋季低温工学・超電導学会講演概要集，２００２年，ｐ２２８
上記現状に鑑みて、本発明は、積層成膜法において、超電導層の層厚を大きくしてもＪｃの減少が小さく、Ｉｃが増大する超電導体およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明にかかる超電導体の製造方法は、下地層に３回以上の成膜により層厚が０．７５μｍ〜３μｍの超電導層を形成する超電導体の製造方法であって、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．３μｍ以下とすることを特徴とする。
本発明にかかる超電導体は、下地層に３回以上の成膜により層厚が０．７５μｍ〜３．０μｍの超電導層が形成されている超電導体であって、各回の成膜における超電導膜の膜厚が０．３μｍ以下である。
本発明によれば、２回以上成膜を行ない、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．３μｍ以下として超電導層を形成することにより、超電導層の層厚を大きくしてもＪｃの減少が小さく、Ｉｃが増大する超電導体およびその製造方法を提供できる。
本発明にかかる超電導体の一の製造方法は、図１を参照して、下地層１に２回以上の成膜により超電導層２を形成する超電導体１００の製造方法であって、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．３μｍ以下とするものである。
たとえば、３回の成膜を行なう場合には、図１を参照して、図１（ａ）に示すような下地層１上に、図１（ｂ）に示すように、１回目の成膜における超電導膜の膜厚Ｔ1が０．３μｍ以下となるようにして、１回目の成膜２１を行ない超電導層２を形成する。
次に、上記のようにして形成された超電導層２上に、図１（ｃ）に示すように、２回目の成膜における超電導膜の膜厚Ｔ2が０．３μｍ以下となるようにして、２回目の成膜２２を行ない超電導層２の層厚Ｔを増大させる。このときの超電導層２の層厚Ｔは、Ｔ＝Ｔ1＋Ｔ2となる。次に、上記のようにして形成された超電導層２上に、３回目の成膜における超電導膜の膜厚Ｔ3が０．３μｍ以下となるようにして、３回目の成膜２３を行ない超電導層２の層厚Ｔをさらに増大させる。このときの超電導層２の層厚Ｔは、Ｔ＝Ｔ1＋Ｔ2＋Ｔ3となる。
このようにして、順次成膜を重ねて超電導層の層厚を増大させる。一般的に、ｎ回目の成膜を行なった後の超電導層の層厚Ｔは、Ｔ＝Ｔ1＋Ｔ2＋・・・＋Ｔnとなる。なお、ｎは２以上の整数である。
ここで、２回目以降の成膜において、１回目の成膜と同一の化学組成を有する超電導膜を成膜する場合には、各回の成膜による超電導膜の区別はなく、ｎ回成膜後にも１層の超電導層が形成される。
本発明にかかる超電導体の製造方法において、各回の成膜における超電導膜の膜厚は０．３μｍ以下である。かかる膜厚が０．３μｍを超えると、成膜の際に超電導層に十分酸素を取り込むことが困難となるため、超電導層のＪｃが小さくなり、超電導層の層厚を大きくしても超電導層のＩｃを大きくすることが困難となる。
図１において、超電導層２を構成する材料としては、特に制限はなく、ＲＥ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（ＲＥは希土類元素を示す、以下同じ）などの酸化物系超電導材料が好ましく挙げられる。超電導層２の形成方法、すなわち超電導膜の成膜方法は、酸素雰囲気で成膜できる方法であれば特に制限はなく、気相法としてはレーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法などが、液相法としてはＭＯＤ（Metal Organic Deposition；有機金属成膜）法、ＴＦＡ−ＭＯＤ（Trifluoroacetic acid Metal Organic Deposition；三フッ化酢酸有機金属成膜）法またはＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy；液相エピタキシー）法などが好ましく挙げられる。
図１において、下地層１とは、その上に超電導層が形成される層を意味し、基板である場合と基板およびその上に形成された中間層である場合とがある。前者の場合は、下地層１である基板と超電導層２とにより超電導体１００が構成され、後者の場合は、下地層１である基板および中間層と超電導層２とにより超電導体１００が構成される。また、下地層１のうち少なくとも超電導層に隣接する下地層（以下、隣接下地層１１という）は、２軸配向性を有していることが必要である。したがって、基板が隣接下地層１１となる場合には基板が２軸配向性を有していることが必要である。中間層が隣接下地層１１となる場合は中間層が２軸配向性を有していることが必要であり、基板が２軸配向性を有していなくてもよい。ここで、２軸配向性を有するとは、完全な２軸配向のみならず、隣接下地層内における結晶軸のずれ角が２５°以下のものが含まれる。２軸配向の２軸とは、隣接下地層面に垂直な方向の結晶軸と下地層面に平行な方向の一の結晶軸とをいい、隣接下地層内における結晶軸のずれ角とは、隣接下地層面に平行な方向にある一の結晶軸の下地層面に平行な面内におけるずれ角であって、隣接下地層内におけるずれ角の平均値で示したものをいう。
基板としては、特に制限はないが、２軸配向を取り得るものとして、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕまたはこれらのうち２以上の金属からなる合金が好ましく用いられる。また、前記の金属または合金の単体だけでなく、前記の金属または合金を他の金属または合金と積層することもできる。
また、中間層としては、特に制限はないが、２軸配向を取り得るものとして、パイロクロア型、螢石型、岩塩型またはペロブスカイト型の結晶構造をもつ、１種以上の金属元素を有する金属酸化物が好ましく用いられる。具体的には、ＣｅＯ2などの希土類元素酸化物、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＢＺＯ（ＢａＺｒＯ3）、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）、Ａｌ2Ｏ3、ＹＡｌＯ3、ＭｇＯ、Ｌｎ−Ｍ−Ｏ系化合物（Ｌｎは１種以上のランタノイド元素、ＭはＳｒ、ＺｒおよびＧａの中から選ばれる１種以上の元素、Ｏは酸素）などが挙げられる。かかる酸化物は、結晶定数、結晶配向の観点から配向金属基板および超電導層の差を緩和するとともに配向金属基板から超電導層への金属原子の流出を防止する役割を果たす。また、中間層として２層以上の中間層を形成することもできる。
なお、金属原子の流出が少ない２軸配向基板、たとえば２軸配向Ａｇ基板などにおいては、上記中間層を設けずに、２軸配向Ａｇ基板の上に直接超電導層を形成させることもできる。
本発明にかかる超電導体の製造方法において、下地層に３回以上の成膜により層厚が０．７５μｍ〜３μｍの超電導層を形成することができる。超電導層の層厚が０．７５μｍ未満であるとＪｃは大きいが層厚が小さいためＩｃが増大せず、３．０μｍを超えると成膜回数の増加とともにＪｃが小さくなるため層厚が大きくなってもＩｃが増大しない。上記観点から、超電導層の層厚は、０．９μｍ〜３．０μｍとすることが好ましい。
本発明にかかる超電導体の製造方法において、各回の成膜における下地層の１時間当たりの供給面積（以下、下地層の供給面積速度という）を０．０４５ｍ2／ｈ以上とすることができる。下地層の供給面積速度が０．０４５ｍ2／ｈ未満であると、基板が隣接下地層となる場合に、基板と基板上に形成される超電導層との反応が大きくなり超電導層のＩｃおよびＪｃなどの特性が低下することがある。
本発明にかかる一の超電導体は、図１における図１（ｄ）を参照して、下地層１に３回以上の成膜により層厚が０．７５μｍ〜３．０μｍの超電導層２が形成されている超電導体１００であって、各回の成膜における超電導膜の膜厚が０．３μｍ以下である。超電導層の層厚が０．７５μｍ未満であるとＪｃは大きいが層厚が小さいためＩｃが増大せず、３．０μｍを超えると成膜回数の増加とともにＪｃが小さくなるため層厚が大きくなってもＩｃが増大しない。上記観点から、超電導層の層厚が、０．９μｍ〜３．０μｍであることが好ましい。
本発明にかかる超電導体およびその製造方法について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
（参考例１、実施例１〜８、参考例２）
図１を参照して、図１（ａ）の下地層１として、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの２軸配向Ｎｉ合金基板に、厚さ０．１ｍｍの２軸配向ＹＳＺ中間層が形成されたＮｉ基合金テープ（ここでは、２軸配向ＹＳＺ中間層が隣接下地層１１となる）を用いて、レーザ蒸着法により、ガス圧２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）のＯ2ガス雰囲気中で、Ｈｏ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-δターゲットにＫｒＦエキシマレーザをエネルギー密度３Ｊ／ｃｍ2で照射しながら、下地層１を供給面積速度０．０５ｍ2／ｈで供給することにより、図１（ｂ）に示すように、下地層１の隣接下地層１１である２軸配向ＹＳＺ中間層上に、膜厚０．２５μｍのＨｏ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜を成膜して超電導層２を形成した。さらに、上記と同様の成膜条件で、図１（ｃ）以降に示すように、２回目以降の成膜を行なうことにより超電導層２の層厚を増大させた。
図１を参照して、図１（ａ）の下地層１として、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの２軸配向Ｎｉ合金基板に、厚さ０．１ｍｍの２軸配向ＹＳＺ中間層が形成されたＮｉ基合金テープ（ここでは、２軸配向ＹＳＺ中間層が隣接下地層１１となる）を用いて、レーザ蒸着法により、ガス圧２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）のＯ2ガス雰囲気中で、Ｈｏ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-δターゲットにＫｒＦエキシマレーザをエネルギー密度３Ｊ／ｃｍ2で照射しながら、下地層１を供給面積速度０．０５ｍ2／ｈで供給することにより、図１（ｂ）に示すように、下地層１の隣接下地層１１である２軸配向ＹＳＺ中間層上に、膜厚０．２５μｍのＨｏ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ膜を成膜して超電導層２を形成した。さらに、上記と同様の成膜条件で、図１（ｃ）以降に示すように、２回目以降の成膜を行なうことにより超電導層２の層厚を増大させた。
このようにして、２回成膜による層厚０．５μｍの超電導層を有する超電導体（参考例１）、３回成膜による層厚０．７５μｍの超電導層を有する超電導体（実施例１）、４回成膜による層厚１．０μｍの超電導層を有する超電導体（実施例２）、５回成膜による層厚１．２５μｍの超電導層を有する超電導体（実施例３）、６回成膜による層厚１．５μｍの超電導層を有する超電導体（実施例４）、７回成膜による層厚１．７５μｍの超電導層を有する超電導体（実施例５）、８回成膜による層厚２．０μｍの超電導層を有する超電導体（実施例６）、１０回成膜による層厚２．５μｍの超電導層を有する超電導体（実施例７）、１２回成膜による層厚３．０μｍの超電導層を有する超電導体（実施例８）、１４回成膜による層厚３．５μｍの超電導層を有する超電導体（参考例２）の１０個の超電導体を作製した。上記参考例１、実施例１〜８および参考例２について、四端子法によりＩｃを測定し、Ｊｃを算出した。こうして得られたＪｃおよびＩｃの結果を表１にまとめる。
（比較例１〜７）
参考例１と同様の下地層を用いて、下地層の供給面積速度以外は参考例１と同様の成膜条件により、１回の成膜により層厚の大きい超電導層を有する超電導体を作製した。ここで、下地層の供給面積速度を小さくすることにより、超電導層の層厚を大きくすることができる。かかる方法により、層厚０．２５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例１）、層厚０．５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例２）、層厚０．７５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例３）、層厚１．０μｍの超電導層を有する超電導体（比較例４）、層厚１．２５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例５）、層厚１．５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例６）、層厚１．７５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例７）を作製した。これらのＪｃおよびＩｃの測定を行ない、その結果を表１にまとめた。
参考例１と同様の下地層を用いて、下地層の供給面積速度以外は参考例１と同様の成膜条件により、１回の成膜により層厚の大きい超電導層を有する超電導体を作製した。ここで、下地層の供給面積速度を小さくすることにより、超電導層の層厚を大きくすることができる。かかる方法により、層厚０．２５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例１）、層厚０．５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例２）、層厚０．７５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例３）、層厚１．０μｍの超電導層を有する超電導体（比較例４）、層厚１．２５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例５）、層厚１．５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例６）、層厚１．７５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例７）を作製した。これらのＪｃおよびＩｃの測定を行ない、その結果を表１にまとめた。
実施例および参考例においては、２回以上の成膜を行ない、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．２５μｍとしたことにより、超電導層の層厚の増大に伴なう超電導層のＪｃの減少が小さいため、超電導層の層厚を大きくすることによりＩｃを大きくすることができ、６回成膜による層厚１．５μｍの超電導層を有する超電導体（実施例４）から１２回成膜による層厚３．０μｍの超電導層を有する超電導体（実施例８）までの５つの実施例（実施例４〜８）において、それらのＩｃを３００Ａ／ｃｍ幅程度に高めることができた。
これに対して、比較例においては、超電導層の層厚の増大に伴ない超電導層のＪｃが極度に減少し、超電導層の層厚が０．５μｍ〜１．０μｍ（比較例２〜４）においてＩｃが１００Ａ／ｃｍ幅程度にしか大きくならず、それ以上に超電導層の層厚を増大させてもＩｃは減少した。
同じ層厚間で実施例および参考例と比較例とを比較すると、２回成膜による層厚０．５μｍの超電導層を有する超電導体（参考例１）のＩｃは１２０Ａ／ｃｍ幅であり、１回成膜による層厚０．５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例２）のＩｃ１００Ａ／ｃｍ幅に対して２０Ａ／ｃｍ幅だけ大きい。これに対して、３回成膜による層厚０．７５μｍの超電導層を有する超電導体（実施例１）のＩｃは１８０Ａ／ｃｍ幅であり、１回成膜による層厚０．７５μｍの超電導層を有する超電導体（比較例３）のＩｃ１０５Ａ／ｃｍ幅に対して７５Ａ／ｃｍ幅も大きくなった。したがって、３回以上の成膜を行ない、１回の成膜における超電導膜の膜厚を０．３μｍ以下として層厚０．７５μｍ以上の超電導層を形成することによりＩｃを著しく増大させることができる。
また、１回の成膜により超電導層を形成する場合は、比較例７に示すように超電導層の層厚が１．７５μｍとなるとＪｃおよびＩｃが喪失したのに対し、２回以上の成膜により超電導層を形成する場合は、成膜回数の増加とともにＩｃが増大し、成膜回数が６回で超電導層の層厚が１．５μｍの超電導体（実施例４）のＩｃは３００Ａ／ｃｍ幅に達し、その後成膜回数を増加して、成膜回数１２回で超電導層の層厚が３．０μｍの超電導体（実施例８）に至るまで、超電導体のＩｃは３００Ａ／ｃｍ幅程度で維持された。ただし、超電導層の層厚が３．０μｍを超えると、Ｊｃが急激に減少したためＩｃも減少した。
（実施例９〜１２、比較例８〜１０）
２回以上の成膜により超電導層を形成する際に、下地層の供給面積速度を調節することにより、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．１μｍ（実施例９）、０．２μｍ（実施例１０）、０．２５μｍ（実施例１１）、０．３μｍ（実施例１２）、０．３５μｍ（比較例８）、０．４μｍ（比較例９）または０．５μｍ（比較例１０）として、３回の成膜を行なった以外は、参考例１と同様にして超電導体を作製した。
２回以上の成膜により超電導層を形成する際に、下地層の供給面積速度を調節することにより、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．１μｍ（実施例９）、０．２μｍ（実施例１０）、０．２５μｍ（実施例１１）、０．３μｍ（実施例１２）、０．３５μｍ（比較例８）、０．４μｍ（比較例９）または０．５μｍ（比較例１０）として、３回の成膜を行なった以外は、参考例１と同様にして超電導体を作製した。
表２に示すように、各回の成膜における超電導膜の膜厚が０．３μｍ（実施例１２）から０．３５μｍ（比較例８）になると、Ｊｃが２．２ＭＡ／ｃｍ2から１．６ＭＡ／ｃｍ2に急激に減少するため、超電導層の層厚が０．９μｍから１．０５μｍに増大してもＩｃは１９８Ａ／ｃｍ幅から１６８Ａ／ｃｍ幅に減少した。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
上記のように、本発明は、２回以上の成膜を行ない、各回の成膜における膜厚を０．３μｍ以下として超電導層を形成することにより、超電導層の層厚を増大させてもＪｃの減少が小さく、Ｉｃの増大を可能とするものであり、超電導体のＩｃを高めるために、広く利用することができる。
１ 下地層、２ 超電導層、１１ 隣接下地層、２１ １回目の成膜、２２ ２回目の成膜、２３ ３回目の成膜、１００ 超電導体。
Claims (2)
- 下地層に３回以上の成膜により層厚が０．７５μｍ〜３μｍの超電導層を形成する超電導体の製造方法であって、各回の成膜における超電導膜の膜厚を０．３μｍ以下とすることを特徴とする超電導体の製造方法。
- 下地層に３回以上の成膜により層厚が０．７５μｍ〜３．０μｍの超電導層が形成されている超電導体であって、各回の成膜における超電導膜の膜厚が０．３μｍ以下である超電導体。
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