JP4885001B2 - Compound superconductor and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、マイエナイト(MAYENITE)型結晶構造を有する化合物からなる超伝導体及びそ
の製造方法に関する。
The present invention relates to a superconductor comprising a compound having a mayenite type crystal structure and a method for producing the same.

1911年に水銀の超伝導現象が発見されて以来、今日までに超伝導を示す様々な化合
物が見出され、超伝導磁石や磁気センサ(SQUID)として実用化されている。特に、近年、
ペロブスカイト型銅酸化物化合物群で超伝導転移温度Tcが100Kを超える超伝導化合
物が見出され(非特許文献1)、室温超伝導体実現の可能性が高まり、精力的な研究開発
が進められている(非特許文献2、3)。
Since the discovery of the superconducting phenomenon of mercury in 1911, various compounds exhibiting superconductivity have been found to date and put into practical use as superconducting magnets and magnetic sensors (SQUID). Especially in recent years
A superconducting compound having a superconducting transition temperature Tc exceeding 100 K was found in a group of perovskite-type copper oxide compounds (Non-Patent Document 1), and the possibility of realizing a room-temperature superconductor was increased, and energetic research and development was promoted. (Non-Patent Documents 2 and 3).

この結果、ペロブスカイト型銅酸化物化合物群に加えて、MgB2 (Tc=39K) (非特許
文献4)、Sr2RuO4 (Tc=0.93K) (非特許文献5)、Na0.3CoO2・1.3H2
(Tc=5K) (非特許文献6) などの新たな超伝導化合物が見出され、超伝導を示す化合物
群は広がったが、いまだ室温超伝導体の発見には至っていない。
As a result, in addition to the perovskite-type copper oxide compound group, MgB 2 (T c = 39K) (Non-patent Document 4), Sr 2 RuO 4 (T c = 0.93K) (Non-patent Document 5), Na 0.3 CoO 2・ 1.3H 2 O
Although a new superconducting compound such as (T c = 5K) (Non-Patent Document 6) has been found and a group of compounds exhibiting superconductivity has expanded, a room-temperature superconductor has not yet been discovered.

室温超伝導実現には、超伝導を示す新しい化合物群の更なる発見が必要である。こうし
た化合物群の一つの候補がエレクトライド化合物群であり、その中でも、熱的及び化学的
に安定な12CaO・7Al23(以下C12A7)エレクトライドが重要である。マイエナイ
ト型結晶構造を有するC12A7結晶は、CaOとAl23の2成分系の相平衡図に見ら
れる安定な化合物で、アルミナセメントの構成成分として、広く実用化されている。
Realization of room temperature superconductivity requires further discovery of a new group of compounds exhibiting superconductivity. One candidate of such a compound group is an electride compound group, and among them, 12CaO · 7Al 2 O 3 (hereinafter referred to as C12A7) electride, which is thermally and chemically stable, is important. The C12A7 crystal having a mayenite type crystal structure is a stable compound found in a two-component phase equilibrium diagram of CaO and Al 2 O 3 and is widely put into practical use as a component of alumina cement.

本発明者らは、活性酸素種を包接するC12A7化合物及びその製造方法に関する発明
(特許文献1)や高濃度の活性酸素種を含むC12A7化合物単結晶と、気泡の無いC1
2A7単結晶を育成するFZ法に関する発明(特許文献2)を特許出願している。
The inventors of the present invention related to a C12A7 compound including a reactive oxygen species and a method for producing the same (Patent Document 1), a C12A7 compound single crystal containing a high concentration of reactive oxygen species, and a C1 free of bubbles.
A patent application has been filed for an invention relating to the FZ method for growing 2A7 single crystals (Patent Document 2).

他に、活性酸素種を包接するC12A7化合物の製造方法としては、非晶質のカルシウ
ムアルミネートを原料に用い、酸素分圧4×104Pa以上の雰囲気下にniおいて、1
100℃以上、溶融温度以下に加熱する方法(特許文献3)、高温下で高い酸素イオン伝
導性を有する基板上に酸素ラジカル含有カルシウムアルミネート粉末を用いて溶射する方
法(特許文献4)、カルシア源、アルミナ源、シリカ源を混合し、次に、加熱して、カト
アイト構造を経由し、マイエナイト構造を有する無機化合物を製造する方法(特許文献5
)が知られている。
In addition, as a method for producing a C12A7 compound that includes an active oxygen species, amorphous calcium aluminate is used as a raw material, and an ni partial pressure of 4 × 10 4 Pa or higher is applied in an atmosphere of 1 or more.
A method of heating to 100 ° C. or more and a melting temperature or less (Patent Document 3), a method of spraying using oxygen radical-containing calcium aluminate powder on a substrate having high oxygen ion conductivity at a high temperature (Patent Document 4), calcia A source, an alumina source, and a silica source are mixed, and then heated to produce an inorganic compound having a mayenite structure via a katoite structure (Patent Document 5)
)It has been known.

処理前物質であるC12A7単結晶をCa金属蒸気又はTi金属蒸気中で熱処理すること
により、C12A7中に電子を高濃度で包接することができる。本発明者らは、C12A
7に高濃度の電子を包接する方法に関する発明について特許出願している(特許文献6)
。より高温で熱処理が可能であり、熱処理時間が短縮できること、及び酸素・電子置換の
結果、試料表面に形成されるTiOが酸素イオン伝導体であり、置換反応がより進行す
る観点から、Ti金属蒸気処理の方が、Ca金属蒸気処理より優れている(特許文献7)
By heat-treating the pre-treatment substance C12A7 single crystal in Ca metal vapor or Ti metal vapor, it is possible to include electrons in C12A7 at a high concentration. We have C12A
Patent application has been filed for an invention relating to a method of clathrating high-concentration electrons in US Pat.
. From the viewpoint that heat treatment can be performed at a higher temperature, the heat treatment time can be shortened, and TiO x formed on the sample surface as a result of oxygen / electron substitution is an oxygen ion conductor, and the substitution reaction further proceeds. Steam treatment is superior to Ca metal steam treatment (Patent Document 7).
.

また、本発明者らは、高い電気伝導性を有するC12A7及び同型結晶化合物及びその
製造方法(特許文献8)や導電性マイエナイト型化合物の製造方法(特許文献9〜12)
に関する発明を特許出願した。
In addition, the inventors of the present invention have high electrical conductivity C12A7 and the same crystalline compound and a method for producing the same (Patent Literature 8) and a method for producing a conductive mayenite type compound (Patent Literatures 9 to 12).
Filed a patent application for the invention.

J.G.Bednorz and K.A.Muller Z. Phys. B64, 189(1986)J.G.Bednorz and K.A.Muller Z. Phys.B64, 189 (1986) 津田惟雄、那須奎一郎、藤森敦、白鳥紀一 改訂版「電気伝導性酸化物」,p350-452,裳華房(1993)Tsuda Ikuo, Nasu Shinichiro, Fujimori Satoshi, Shiratori Kiichi Revised edition "Electrically Conductive Oxides", p350-452, Hanabobo (1993) 前川禎通, 応用物理 75, 17(2006)Maekawa, Y., Applied Physics 75, 17 (2006) J.Nagamatsu, N.Nakagawa, T.Muranaka, Y.Zenitani and J.Akimitsu, Nature 410, 63(2001)J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani and J. Akimitsu, Nature 410, 63 (2001) Y.Maeo, H.Hashimoto, K.Yoshida, S.Nishizawa, T.Fujita, J.G.Bednorz, F.Lichyenberg, Nature 372, 532(1994)Y.Maeo, H.Hashimoto, K.Yoshida, S.Nishizawa, T.Fujita, J.G.Bednorz, F.Lichyenberg, Nature 372, 532 (1994) K.Takada, H.Sakurai, E.Takayama-Muromachi, F.Izumi, R.A.Dilanian, and T.Sasaki,Nature 422, 53(2003)K.Takada, H.Sakurai, E.Takayama-Muromachi, F.Izumi, R.A.Dilanian, and T.Sasaki, Nature 422, 53 (2003) 特開2002−3218号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-3218 特開2003−040697号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2003-040697 特開2003−226571号公報JP 2003-226571 A 特開2005−35858号公報JP 2005-35858 A 特開2006−83009号公報JP 2006-83009 A 再公表2005−000741号公報Republished 2005-000741 PCT/JP2006/322991PCT / JP2006 / 322991 特開2005−314196号公報JP 2005-314196 A 特開2006−327894号公報JP 2006-327894 A WO2005/077859A1WO2005 / 0777859A1 WO2006/129674A1WO2006 / 129674A1 WO2006/129675A1WO2006 / 129675A1

C12A7結晶の単位胞には2式量が含まれ、化学式は[Ca24Al2864]4+・2O
2−と記述できる。[ ]内は骨格構造の組成を示し、骨格構造には12個の多面体ケージ
(内径約0.4nm)が存在する。2O2−は、多面体ケージの中に包接されている酸素イオン
を示しており、該酸素イオン(O2−)は、ケージ壁を構成するカルシウムイオンと緩く
結合しているため「フリー酸素イオン」と呼ばれている。該フリー酸素イオンは、Ca金
属蒸気又はTi金属蒸気中での熱処理などのC12A7の還元処理により、電子に置換す
ることができる。
The unit cell of the C12A7 crystal contains two formulas, and the chemical formula is [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2O.
2- . [] Indicates the composition of the skeletal structure, and the skeleton structure contains 12 polyhedral cages.
(Inner diameter about 0.4 nm) exists. 2O 2− indicates oxygen ions included in the polyhedral cage, and the oxygen ions (O 2− ) are loosely bonded to calcium ions constituting the cage wall. "is called. The free oxygen ions can be replaced with electrons by reduction treatment of C12A7 such as heat treatment in Ca metal vapor or Ti metal vapor.

また、C12A7中のフリー酸素イオン(O2−)の一部又は全部がOH、酸素イオ
ンラジカル(O)、又は超酸素イオンラジカル(O )のいずれか1種以上のアニオ
ンで置換された化合物、すなわち、[Ca24Al2864]4+・2[xO2−+2yA] (A
はケージに包接された、OH、O又はO のいずれか1種以上、0≦x≦1、y=
1−x)でも、これらの包接アニオンは、Ca金属蒸気又はTi金属蒸気を用いたC12
A7の還元処理により、電子に置換することが出来る。
In addition, a part or all of the free oxygen ions (O 2− ) in C12A7 are replaced with one or more anions selected from OH , oxygen ion radicals (O ), and super oxygen ion radicals (O 2 ). That is, [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO 2 + 2yA] (A
Is one or more of OH , O or O 2 included in the cage, 0 ≦ x ≦ 1, y =
1-x), these inclusion anions are C12 using Ca metal vapor or Ti metal vapor.
By the reduction treatment of A7, it can be replaced with electrons.

すべての包接アニオンを電子で置換した結果生じる[Ca24Al2864]4+・4e
、電子が特定の結晶サイトを占め、電子がアニオンとしての働きをし、電子が骨格構造と
イオン結合しているとみなすことができる。こうした化合物は、「エレクトライド」と呼
ばれている。
[Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 4e , which results from substituting all clathrate anions with electrons, occupies a specific crystal site, serves as an anion, and the skeleton structure and ions It can be regarded as being combined. Such compounds are called “electrides”.

C12A7エレクトライドでは、ケージに電子が閉じ込められた状態が繋がって、電子
伝導帯(以下では、「ケージ伝導帯」と呼ぶ)を構成し、ケージに電子が単位格子あたり
2個以上詰まったときには、金属的な伝導を示す。ケージ伝導帯は、比較的にバンド幅が
狭く、フェルミ準位近傍に高密度に電子が存在する、また、電子・格子相互作用が大きい
など、理論的限界(単位格子あたり4個)まで電子濃度を高めれば、超伝導状態を実現で
きると考えられる。
In the C12A7 electride, a state where electrons are confined in the cage is connected to form an electron conduction band (hereinafter referred to as “cage conduction band”), and when two or more electrons per unit lattice are packed in the cage, Shows metallic conduction. The cage conduction band has a relatively narrow bandwidth, electrons exist in high density near the Fermi level, and the electron-lattice interaction is large. It is considered that a superconducting state can be realized by increasing.

ペロブスカイト型銅酸化物化合物群において、Tcが100Kを超える高温超伝導体化
合物が見出されているが、多くの研究開発にもかかわらず、まだ、室温超伝導体は見出さ
れていない。室温超伝導体を開発するための有力な方策は、これまでとは異なる視点から
材料を見つめ、新たな超伝導化合物を見出し、超伝導化合物の系を拡げていくことである
In the perovskite-type copper oxide compound group, a high-temperature superconductor compound having a Tc exceeding 100 K has been found, but a room temperature superconductor has not yet been found in spite of much research and development. A powerful strategy for developing room-temperature superconductors is to look at materials from a different perspective, find new superconducting compounds, and expand the system of superconducting compounds.

ペロブスカイト型銅酸化物化合物群では、二次元に束縛された銅イオンのd電子が電気
伝導を担っており、超伝導転移温度以下で超伝導体に遷移する。この事実から、一次元的
電子状態から構成される電子伝導帯を有する化合物でも超伝導が出現することが期待され
る。本発明者らは、この条件を満たす化合物の一つであるマイエナイト型結晶構造を有す
るC12A7エレクトライドで超伝導状態を実現できることを発見した。ナノメーター径
のケージ構造を内包するマイエナイト構造では、該ケージ中に電子を包接させた場合、該
電子は一次元電子状態を有する。
In the group of perovskite-type copper oxide compounds, two-dimensionally bound copper ions are responsible for electrical conduction, and transition to a superconductor at a superconducting transition temperature or lower. From this fact, superconductivity is expected to appear even in a compound having an electronic conduction band composed of a one-dimensional electronic state. The present inventors have discovered that a superconducting state can be realized with a C12A7 electride having a mayenite type crystal structure, which is one of the compounds satisfying this condition. In a mayenite structure including a nanometer-sized cage structure, when electrons are included in the cage, the electrons have a one-dimensional electronic state.

本発明者らは、これまでに、チョコラフスキー法で育成したC12A7単結晶をチタン
金属蒸気中で熱処理することにより、該単結晶中に、1021cm−3超の電子を包接し
たC12A7エレクトライドを製造することに成功した。該単結晶は、金属的な電気伝導
を示し、室温で約1500S/cmの電気伝導度を示した。しかし、結晶成長中の原料融
解をイリジウム坩堝中で行っているため、該坩堝から育成した単結晶中に、磁性イオンで
あるイリジウムが5×10−1原子%程度含まれているために、伝導電子と磁性イオン間
のs−d相互作用により「近藤状態」が生じ、超伝導状態は実現されていなかった。本発
明者らは、マンガン、鉄、イリジウム、白金などの磁性イオンを含まないC12A7エレ
クトライドにおいて、超伝導状態が発現することを発見した。
The present inventors have so far conducted C12A7 single crystals grown by the Choco Lavsky method in a titanium metal vapor so as to include C12A7 electrified by inclusion of electrons exceeding 10 21 cm −3 in the single crystals. Succeeded in manufacturing the ride. The single crystal showed metallic electrical conductivity and an electrical conductivity of about 1500 S / cm at room temperature. However, since the raw material melting during the crystal growth is performed in the iridium crucible, the single crystal grown from the crucible contains about 5 × 10 −1 atomic% of iridium which is a magnetic ion. The “Kondo state” was generated by the sd interaction between electrons and magnetic ions, and the superconducting state was not realized. The present inventors have discovered that a superconducting state is manifested in a C12A7 electride that does not contain magnetic ions such as manganese, iron, iridium, and platinum.

すなわち、本発明は、化学式[Ca24Al2864]4+・2[xO2−+2yA+2{1−
(x+2y) }e] (Aはケージに包接された、OH、O又はO のいずれか1種
以上、0≦x+2y≦0.5)で示されるマイエナイト型結晶構造を有する化合物である
ことを特徴とする化合物超伝導体、である。なお、化学式中のx、yは、O2−およびA
の成分量をそれぞれ示す数値である。
That is, the present invention has the chemical formula [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO 2 + 2yA + 2 {1-
(X + 2y)} e ] (A has a mayenite type crystal structure represented by a cage, one or more of OH , O or O 2 , 0 ≦ x + 2y ≦ 0.5) A compound superconductor characterized by being a compound. In the chemical formula, x and y are O 2− and A 2, respectively.
Is a numerical value indicating the amount of each component.

また、本発明は、化学式が[Ca24Al2864]4+・2[xO2−+2yA] (Aはケー
ジに包接された、OH、O又はO のいずれか1種以上、0≦x≦1、y=1−x
) で示されるマイエナイト型結晶構造を有する化合物を磁性イオンが含有されない方法で
調製し、該化合物のケージに包接されたO2−及びAの合計成分量(x+2y)の50原
子%以上を電子で置換することを特徴とする上記の化合物超伝導体の作成方法、である。
In the present invention, the chemical formula is [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO 2 + 2yA] (A is one or more of OH , O − and O 2 − included in a cage. , 0 ≦ x ≦ 1, y = 1−x
The compound having the mayenite type crystal structure represented by the above formula is prepared by a method not containing magnetic ions, and 50 atomic% or more of the total component amount (x + 2y) of O 2− and A included in the cage of the compound is an electron. A method for producing the above-described compound superconductor, wherein

また、本発明は、前記化合物がフローテングゾーン法(FZ法)で調製した単結晶である
ことを特徴とする上記の化合物超伝導体の作成方法、である。
In addition, the present invention is the above method for producing a compound superconductor, wherein the compound is a single crystal prepared by a floating zone method (FZ method).

本発明は、超伝導を示す新規な超伝導化合物群の一つとしてC12A7エレクトライド
からなる超伝導体を提供するものであり、超伝導化合物の系を拡げていくことに寄与する
The present invention provides a superconductor composed of C12A7 electride as one of a group of novel superconducting compounds exhibiting superconductivity, and contributes to expanding the system of superconducting compounds.

本発明の超伝導体は、C12A7エレクトライドに包接されているアニオンの全体(下
記の式のx+2y)の1/2以上が電子で置換された[Ca24Al2864]4+・2[xO
2−+2yA+2{1−(x+2y) }e] (Aはケージに包接された、OH、O
はO のいずれか1種以上、0≦x+2y≦0.5)の化学式で示されるマイエナイト
型結晶構造を有する化合物であり、室温で金属伝導を示し、超伝導転移温度(Tc=約0.2K
)以下で、超伝導を示す。この化学式において、0≦x+2y≦0.5の場合、2{1−(
x+2y) }eは、e〜2eとなり、その値を電子濃度に換算すると、約1.2×
1021cm−3以上2.3×1021cm−3以下となる。
In the superconductor of the present invention, [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [] in which 1/2 or more of the entire anion included in the C12A7 electride (x + 2y in the following formula) is substituted with electrons. xO
2- + 2yA + 2 {1- (x + 2y)} e ] (A is one or more of OH , O or O 2 included in the cage, 0 ≦ x + 2y ≦ 0.5) It is a compound having the mayenite-type crystal structure shown, which exhibits metal conduction at room temperature and has a superconducting transition temperature (Tc = approximately 0.2K).
) The superconductivity is shown below. In this chemical formula, when 0 ≦ x + 2y ≦ 0.5, 2 {1− (
x + 2y)} e becomes e − to 2e , and when converted to an electron concentration, about 1.2 ×
It becomes 10 21 cm −3 or more and 2.3 × 10 21 cm −3 or less.

約1.2×1021cm−3以上の電子を包接させたC12A7エレクトライドには、
約1.1×1021cm−3以下のアニオン(一価換算)が含まれているが、これらのア
ニオンは、O2−、OH、O又はO であっても、C12A7エレクトライドの電
気伝導特性には、本質的な影響を及ぼさず、超伝導転移温度以下では、超伝導体となる。
しかし、OHイオンを電子で置換する反応は、速度が遅いため、処理前物質には、OH
が含まれないことが望ましい。こうしたOHが含まれない処理前物質は、酸素を1容
積%以上含む乾燥雰囲気で、C12A7を製造・処理することで得ることができる。
(1)出発物質の調製
In the C12A7 electride in which electrons of about 1.2 × 10 21 cm −3 or more are included,
Although an anion of about 1.1 × 10 21 cm −3 or less (monovalent conversion) is included, these anions may be O 2− , OH , O −, or O 2 , and may be C12A7 elect. The electrical conductivity of the ride has no substantial effect and becomes a superconductor below the superconducting transition temperature.
However, since the reaction for replacing OH ions with electrons is slow, the pre-treatment substance contains OH
- It is desirable to be not contained. Such a pre-treatment substance not containing OH can be obtained by producing and treating C12A7 in a dry atmosphere containing 1% by volume or more of oxygen.
(1) Preparation of starting material

C12A7は、例えば、カルシウムとアルミニウムを原子当量比で12:14含む原料
を用い、焼成温度1200℃以上1415℃未満で固相反応させて焼結体とすることで合
成される。代表的な原料は炭酸カルシウム粉末と酸化アルミニウム粉末の混合物である。
C12A7 is synthesized, for example, by using a raw material containing calcium and aluminum at an atomic equivalent ratio of 12:14, and performing a solid phase reaction at a firing temperature of 1200 ° C. or higher and lower than 1415 ° C. to obtain a sintered body. A typical raw material is a mixture of calcium carbonate powder and aluminum oxide powder.

本発明の超伝導体の出発物質とされるものは、化学式が[Ca24Al2864]4+・2O
2−で示されるフリー酸素イオンを含むマイエナイト型結晶構造を有するC12A7化合
物である。C12A7化合物のフリー酸素イオンを、OH基、酸素イオンラジカルなどの
一価のアニオンで置換した[Ca24Al2864]4+・2[xO2−+2yA] (Aはケージ
に包接された、OH、O又はO のいずれか1種以上、0≦x≦1、y=1−x)
で示される化合物でもよい。OH基・電子置換は1200℃以上の高温還元処理を必要と
するので、還元処理温度を低くするためにはOH基の含有量が少ないことが望ましい。
The starting material of the superconductor of the present invention is represented by the chemical formula [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2O
It is a C12A7 compound having a mayenite type crystal structure containing free oxygen ions represented by 2- . [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO 2 + 2yA] (A is included in a cage, in which free oxygen ions of the C12A7 compound are substituted with monovalent anions such as OH groups and oxygen ion radicals. Any one or more of OH , O − and O 2 , 0 ≦ x ≦ 1, y = 1−x)
The compound shown by these may be sufficient. Since OH group / electron substitution requires high-temperature reduction treatment at 1200 ° C. or higher, it is desirable that the content of OH groups is low in order to lower the reduction treatment temperature.

マイエナイト型結晶構造を有し、化学式が[Ca24Al2864]4+・2O2−で表され
る化学量論組成のC12A7は、上記のC12A7の合成を水蒸気露点約−40℃の乾燥
空気中で行い、焼成温度からの冷却過程で900℃付近から室温まで急冷することで得ら
れる。しかし、乾燥酸素雰囲気で徐冷した場合は、フリー酸素イオンの一部が活性酸素イ
オンラジカル(O)及び超酸素イオンラジカル(O )に置換され、水分を含む大気
雰囲気で合成した場合は、OH基が含まれる。これらのアニオンを含むC12A7は、[
Ca24Al2864]4+・2[xO2−+2yA] (Aはケージに包接された、OH、O
又はO のいずれか1種以上、0≦x≦1、y=1−x)で示される。
C12A7 having a mayenite type crystal structure and a chemical formula represented by [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2O 2− is a dry air having a water vapor dew point of about −40 ° C. It is obtained by quenching from around 900 ° C. to room temperature in the course of cooling from the firing temperature. However, when it is slowly cooled in a dry oxygen atmosphere, a part of free oxygen ions are replaced with active oxygen ion radicals (O ) and super oxygen ion radicals (O 2 ), and synthesized in an air atmosphere containing moisture. Includes OH groups. C12A7 containing these anions is [
Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO 2 + 2yA] (A is a clathrate, OH , O
- or O 2 - at least one agent, represented by 0 ≦ x ≦ 1, y = 1-x).

また、出発物質の形態は、粉末、膜、多結晶体、単結晶のいずれでもよい。フリー酸素
・電子置換処理又は一価アニオン・電子置換処理により、C12A7に包接される電子濃
度を高めるため、また、C12A7の表面に形成される酸化膜を完全に取り除くためには
、フリー酸素・電子置換処理又は一価アニオン・電子置換処理前のC12A7(以下「処
理前物質」という)の形態は、単結晶であることが望ましい。
The form of the starting material may be any of powder, film, polycrystal, and single crystal. In order to increase the concentration of electrons included in C12A7 by free oxygen / electron substitution treatment or monovalent anion / electron substitution treatment, and to completely remove the oxide film formed on the surface of C12A7, The form of C12A7 (hereinafter referred to as “pre-treatment substance”) before the electron substitution treatment or monovalent anion / electron substitution treatment is preferably a single crystal.

処理前物質にマンガン、鉄、イリジウム、白金などの磁性イオンが含有されていると伝
導電子と不純物磁性イオンとの相互作用により超伝導状態は実現できない。処理前物質か
ら磁性イオンを除くために、C12A7の合成の原料として磁性イオンを含まない高純度
原料を用いる必要がある。また、C12A7単結晶を育成する場合は、磁性材料を含む坩
堝を使用することはできない。イリジウム坩堝を用いるチョコラルスキー法で育成したC
12A7単結晶を用いることはできない。坩堝が不必要なFZ法で育成した磁性イオンを
含まないC12A7単結晶が最も適している。
If the pretreatment material contains magnetic ions such as manganese, iron, iridium and platinum, the superconducting state cannot be realized due to the interaction between the conduction electrons and the impurity magnetic ions. In order to remove magnetic ions from the pre-treatment substance, it is necessary to use a high-purity raw material that does not contain magnetic ions as a raw material for the synthesis of C12A7. Further, when growing a C12A7 single crystal, a crucible containing a magnetic material cannot be used. C grown by the chocolate ski method using an iridium crucible
A 12A7 single crystal cannot be used. A C12A7 single crystal containing no magnetic ions grown by the FZ method that does not require a crucible is most suitable.

処理前物質に適した形態であるC12A7単結晶は、前記の固相反応で得られたC12
A7焼結体を前駆体として、フローテングゾーン法(FZ法)又は、チョコラルスキー法(
CZ法)によって得ることができる。FZ法は、坩堝を使用しないので、育成中に磁性イオ
ンなどの不純物の混入がなく、処理前物質として、特に好ましい。
The C12A7 single crystal, which is a form suitable for the pre-treatment substance, is obtained by the C12 obtained by the solid phase reaction.
Using the A7 sintered body as a precursor, the floating zone method (FZ method) or the chocolate ski method (
CZ method). Since the FZ method does not use a crucible, impurities such as magnetic ions are not mixed during growth, and is particularly preferable as a pre-treatment substance.

CZ法で、イリジウム磁性イオンを含まないC12A7単結晶を得るためには、イリジ
ウム以外の組成の坩堝、例えばアルミナ坩堝、カーボン坩堝を使用する必要があるが、こ
れらの坩堝を用いた場合は、単結晶の育成は、非常に困難で、これまでに成功した例はな
い。
In order to obtain a C12A7 single crystal containing no iridium magnetic ions by the CZ method, it is necessary to use a crucible having a composition other than iridium, such as an alumina crucible or a carbon crucible. When these crucibles are used, Crystal growth is very difficult and has never been successful.

(2)還元処理工程
C12A7に包接されているO2−、OH、O又はO のいずれか1種以上のア
ニオンは、Ti蒸気処理又はCa蒸気処理により、電子に置換することができる。以下に
、C12A7に包接されているO2−を電子に置換する場合について具体的に説明するが
、OH、O又はO のいずれか1種以上のアニオンが包接されている場合も同様で
ある。
(2) O, which is inclusion in the reduction treatment process C12A7 2-, OH -, O - or O 2 - is any one or more anions, a Ti steaming or Ca steaming, be replaced by an electronic Can do. The following is specifically described for the case of replacing the O 2-, which is inclusion in C12A7 to electronic, OH -, O - or O 2 - or one or more anions are inclusion The same applies to the case.

Ti蒸気処理は、前記のPCT/JP2006/322991に記載している方法と同
じ方法であり、処理前物質のC12A7を、チタン金属の蒸気を含む雰囲気中、1時間以
上240時間未満、望ましくは、10時間超14時間未満保持した後、300℃/時間程
度の降温速度で室温まで冷却する。
The Ti vapor treatment is the same method as described in PCT / JP2006 / 32991, and the pre-treatment substance C12A7 is used for 1 hour or more and less than 240 hours in an atmosphere containing titanium metal vapor, preferably After holding for more than 10 hours and less than 14 hours, it is cooled to room temperature at a temperature drop rate of about 300 ° C./hour.

チタン金属の蒸気を含む雰囲気は、石英ガラスのような熱的、化学的耐久性のある容器
中にチタン金属片や粉末と処理前物質のC12A7を真空封入し、600℃超1450℃
未満、望ましくは1000℃超1450℃未満の温度に加熱してチタン金属の蒸気を発生
させて形成するとよい。C12A7は気相の金属蒸気と直接反応するのではなく、C12
A7表面に堆積した金属Tiと反応すると思われるので、容器中のチタン金属の蒸気圧は
、厳密に制御する必要はない。600℃超1450℃未満の範囲内の選択する熱処理温度
での平衡蒸気圧にするのに十分なチタン金属片や粉末が容器中に存在すれば加熱時間が1
時間よりも長いので平衡蒸気圧になる。例えば、内容量10cmの封管用石英ガラス管
中に5gのチタン金属を封入すれば、平衡蒸気圧を得ることができる。または、別のとこ
ろで平衡蒸気圧のチタン金属の蒸気を発生させ、これを600℃以上、1450℃未満に
加熱しているC12A7のところに流通させても良い。
The atmosphere containing the titanium metal vapor is sealed in a thermally and chemically durable container such as quartz glass by vacuum sealing the titanium metal pieces and powder and the pre-treatment substance C12A7 to above 600 ° C. and 1450 ° C.
It may be formed by heating to a temperature of less than 1, preferably, more than 1000 ° C. and less than 1450 ° C. to generate vapor of titanium metal. C12A7 does not react directly with gas phase metal vapor, but C12A7
Since it seems to react with the metal Ti deposited on the A7 surface, the vapor pressure of the titanium metal in the container does not need to be strictly controlled. If there are enough titanium metal pieces or powder in the vessel to achieve an equilibrium vapor pressure at a selected heat treatment temperature in the range of more than 600 ° C. and less than 1450 ° C., the heating time is 1
Since it is longer than the time, the equilibrium vapor pressure is obtained. For example, if 5 g of titanium metal is sealed in a quartz glass tube for sealing tube having an internal volume of 10 cm 3, an equilibrium vapor pressure can be obtained. Alternatively, vapor of titanium metal having an equilibrium vapor pressure may be generated at another place and distributed to C12A7 that is heated to 600 ° C. or higher and lower than 1450 ° C.

いずれの方法でも、雰囲気中の酸素を除くため、雰囲気は真空にする必要がある。石英
ガラス管を用いた場合には、該ガラスの軟化点未満の温度で熱処理する必要があり、熱処
理温度は1000℃超1200℃未満が適している。石英ガラスに代わって、アルミナ管
を用いる場合には、1200℃超1450℃未満での熱処理が可能である。
In any method, the atmosphere needs to be evacuated in order to remove oxygen in the atmosphere. When a quartz glass tube is used, it is necessary to perform heat treatment at a temperature lower than the softening point of the glass, and the heat treatment temperature is suitably more than 1000 ° C. and less than 1200 ° C. When an alumina tube is used instead of quartz glass, heat treatment can be performed at a temperature higher than 1200 ° C. and lower than 1450 ° C.

チタン金属の蒸気は、C12A7の表面にチタン金属として堆積し、C12A7の内部
に包接されケージ中に含まれているフリー酸素とチタン金属とが反応して、C12A7の
表面に酸化チタニウム(TiO)膜を形成する。C12A7を保持する温度を高温に保
つとC12A7中の酸素拡散が早くなり、またC12A7の表面でのチタン金属とフリー
酸素との反応速度が大きくなり、フリー酸素の引き抜き、すなわちC12A7中のフリー
酸素イオンが電子に置換されて減少又は消失する現象が高速に進展する。焼結体及び薄膜
試料で、フリー酸素の引き抜き反応を緩やかにすることが要求される場合には、熱処理温
度を600℃程度の低温にすればよい。600℃より低い温度では、チタン金属の蒸気圧
が小さく、また、フリー酸素の引き抜き反応速度が遅く、高濃度の電子を含むC12A7
化合物を作成することができない。
The vapor of titanium metal is deposited as titanium metal on the surface of C12A7, and the free oxygen contained in the cage enclosed in C12A7 reacts with the titanium metal to react with titanium oxide (TiO x on the surface of C12A7. ) Form a film. If the temperature for holding C12A7 is kept high, oxygen diffusion in C12A7 will be accelerated, and the reaction rate between titanium metal and free oxygen on the surface of C12A7 will increase, so that free oxygen will be extracted, that is, free oxygen ions in C12A7. The phenomenon of decrease or disappearance due to substitution of electrons with electrons progresses at high speed. When the sintered body and the thin film sample are required to moderate the free oxygen extraction reaction, the heat treatment temperature may be set to a low temperature of about 600 ° C. At a temperature lower than 600 ° C., the vapor pressure of titanium metal is small, the reaction rate for extracting free oxygen is slow, and C12A7 containing a high concentration of electrons is contained.
The compound cannot be created.

しかし、熱処理温度が1450℃を超えるとC12A7が分解する、又は、融解してし
まうためC12A7エレクトライドを得ることが出来ない。また、熱処理時間が240時
間を越えると、石英管などから酸素が析出し、フリー酸素の引き抜き反応が抑制され、C
12A7エレクトライド中の電子濃度は飽和してしまう。石英ガラスからの酸素析出量が
多いときは、逆に、電子含有量は減少してしまう。
However, when the heat treatment temperature exceeds 1450 ° C., C12A7 is decomposed or melted, so that C12A7 electride cannot be obtained. When the heat treatment time exceeds 240 hours, oxygen precipitates from the quartz tube or the like, and the free oxygen drawing reaction is suppressed.
The electron concentration in the 12A7 electride will be saturated. Conversely, when the amount of oxygen precipitated from quartz glass is large, the electron content decreases.

保持時間は1時間程度からフリー酸素の引き抜き反応が見られるが、保持時間の長さと
共に、引き抜かれるケージ中に含まれていたフリー酸素量が増加し、C12A7表面のT
iO層が厚くなる。しかし、C12A7表面が完全にTiOで覆われても、TiO
中を酸素が拡散するために、引き抜き反応が阻害されることはなく、熱処理時間を十分長
く取れば、ほぼ完全に、すなわち約95%以上のフリー酸素を電子で置換することができ
る。引き抜かれたフリー酸素量、すなわちC12A7のケージ中に含まれる電子濃度は、
X線回折スペクトル、TiO層の厚さ、0.4eV及び2.8eV付近にピークを持つ
光吸収バンド強度、又は電気伝導度から求める事ができる。
Although the retention time is about 1 hour, free oxygen extraction reaction is observed, but with the length of the retention time, the amount of free oxygen contained in the cage to be extracted increases, and the T on the surface of C12A7 increases.
The iO x layer becomes thicker. However, completely C12A7 surface be covered with TiO x, TiO x
Since the oxygen diffuses inside, the drawing reaction is not hindered, and if the heat treatment time is sufficiently long, the free oxygen of about 95% or more can be replaced with electrons almost completely. The amount of free oxygen extracted, that is, the electron concentration contained in the cage of C12A7 is
It can be determined from the X-ray diffraction spectrum, the thickness of the TiO x layer, the light absorption band intensity having peaks in the vicinity of 0.4 eV and 2.8 eV, or the electric conductivity.

Ca蒸気処理は、前記の特願2005−510971(再公表2005−000741
号公報)に記載している方法と同じ方法であり、処理前物質のC12A7を、Ca蒸気を
含む雰囲気中、600℃以上、800℃未満の温度、望ましくは700℃の温度に、4時
間から240時間保持した後、300℃/時間程度の降温度速度で室温まで冷却する。C
a蒸気を含む雰囲気は、石英ガラスのような熱的、化学的耐久性のある容器中にCa金属
片や粉末と処理前物質を真空封入するとよい。
The Ca vapor treatment is performed in the Japanese Patent Application No. 2005-510971 (republished 2005-000741).
In the atmosphere containing Ca vapor, C12A7, which is a pre-treatment substance, is heated to a temperature of 600 ° C. or higher and lower than 800 ° C., preferably 700 ° C. for 4 hours. After holding for 240 hours, it is cooled to room temperature at a temperature drop rate of about 300 ° C./hour. C
As for the atmosphere containing a vapor, a Ca metal piece or powder and a pre-treatment substance are preferably vacuum-sealed in a thermally and chemically durable container such as quartz glass.

Ca金属蒸気は、単結晶の表面に堆積し、単結晶内部に包接されているフリー酸素と反
応して、表面に酸化カルシウム層を形成する。単結晶を保持する温度が600℃未満、特
に500℃以下では、フリー酸素の引き抜き反応が著しく遅く、800℃以上では、フリ
ー酸素の引き抜きが急速に進み、C12A7化合物が分解してしまう。保持時間の長さと
共に、引き抜かれるフリー酸素量が増加し、表面の酸化カルシウム層が厚くなる。700
℃で、240時間保持するとほぼ全量のフリー酸素が引き抜かれ、電子と置き換わり、酸
化カルシウム層の内側にエレクトライドC12A7化合物が形成される。引き抜かれたフ
リー酸素量は、X線回折スペクトル、酸化カルシウム層の厚さ、0.4eVにピークを持
つ光吸収バンド強度、又は電気伝導度から求める事ができる。
The Ca metal vapor is deposited on the surface of the single crystal and reacts with free oxygen included in the single crystal to form a calcium oxide layer on the surface. When the temperature for holding the single crystal is less than 600 ° C., particularly 500 ° C. or less, the free oxygen drawing reaction is extremely slow. When the temperature is 800 ° C. or more, the drawing of free oxygen proceeds rapidly and the C12A7 compound is decomposed. With the length of the holding time, the amount of free oxygen that is extracted increases, and the surface calcium oxide layer becomes thicker. 700
When held at 240C for 240 hours, almost all of the free oxygen is extracted and replaced with electrons, and an electride C12A7 compound is formed inside the calcium oxide layer. The extracted free oxygen amount can be determined from the X-ray diffraction spectrum, the thickness of the calcium oxide layer, the light absorption band intensity having a peak at 0.4 eV, or the electric conductivity.

本発明を実施例により、より詳細に説明する。高純度の炭酸カルシウム粉末(4N)と酸
化アルミニウム粉末(4N)を原子当量比で12:14に混合し、アルミナ坩堝中で均一に
なるように混合し、焼成温度1300℃で固相反応させて焼結体を作成した。
The present invention will be described in more detail with reference to examples. High-purity calcium carbonate powder (4N) and aluminum oxide powder (4N) are mixed at an atomic equivalent ratio of 12:14, mixed uniformly in an alumina crucible, and subjected to a solid phase reaction at a firing temperature of 1300 ° C. A sintered body was prepared.

作成したC12A7焼結体をロッド形状にプレス成型した。該ロッドを用いて、酸素1
容積%を含むアルゴンガス雰囲気中で、FZ法によりC12A7単結晶を育成した。育成
した単結晶は、無色透明で、電気的絶縁性(<約10-11Scm-1)であった。また、電子スピ
ン共鳴吸収測定及び赤外光吸収スペクトルから、酸素イオンラジカル及びOH基は含まれ
ていないことが分かる。また、電子スピン共鳴吸収スペクトルから、磁性イオンが含まれ
ていないことが分かる。
The produced C12A7 sintered body was press-molded into a rod shape. Using this rod, oxygen 1
C12A7 single crystal was grown by FZ method in an argon gas atmosphere containing volume%. The grown single crystal was colorless and transparent, and was electrically insulating (<about 10 −11 Scm −1 ). Moreover, it turns out that an oxygen ion radical and OH group are not contained from an electron spin resonance absorption measurement and an infrared-light absorption spectrum. Moreover, it turns out that a magnetic ion is not contained from an electron spin resonance absorption spectrum.

すなわち、FZ法では、育成された結晶が急冷されていること及び雰囲気中に水分が含
まれていないために、結晶中には、酸素イオンラジカル、超酸素イオンラジカル及びOH
基が含まれず、FZ法で育成された単結晶は、化学式[Ca24Al2864]4+・2[xO
2−+2yA] (Aはケージに包接された、OH、O又はO のいずれか1種以上
、y=1−x) においてx=1に相当する。
That is, in the FZ method, since the grown crystal is rapidly cooled and the atmosphere does not contain moisture, the crystal contains oxygen ion radicals, superoxygen ion radicals, and OH.
A single crystal that does not contain a group and is grown by the FZ method has the chemical formula [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO
2 + 2yA] (A is one or more of OH , O or O 2 included in a cage, y = 1−x), and x = 1.

FZ法で育成したC12A7単結晶(2mm×1mm×0.1mm)を、金属Ti粉末7gと共に
シリカガラス管(1cmφ)に入れ、ロータリーポンプで10−2Pa程度に真空引きした
後、約5cmの長さでシリカガラス管を封止した。封止したシリカガラス管を電気炉中で
1000℃に昇温し、Ti金属蒸気を発生させて12時間保持しC12A7を還元処理し
た。
C12A7 single crystal (2mm × 1mm × 0.1mm) grown by FZ method is put into a silica glass tube (1cmφ) together with 7g of metal Ti powder, and is evacuated to about 10 −2 Pa with a rotary pump. The silica glass tube was sealed. The sealed silica glass tube was heated to 1000 ° C. in an electric furnace, Ti metal vapor was generated and held for 12 hours to reduce C12A7.

還元処理中の容器内の雰囲気は、封入シリカ管中の金属Tiが酸素を吸収するために、
真空度が向上し、強い還元雰囲気になる。また、金属Ti膜がC12A7単結晶上に堆積
し、C12A7単結晶中のフリー酸素と反応して、表面にTiO膜を形成する。TiO
膜の形成は、X線回折スペクトルから確認した。
The atmosphere in the container during the reduction treatment is because the metal Ti in the enclosed silica tube absorbs oxygen,
The degree of vacuum is improved and a strong reducing atmosphere is obtained. Also, a metal Ti film is deposited on the C12A7 single crystal and reacts with free oxygen in the C12A7 single crystal to form a TiO x film on the surface. TiO
Formation of the x film was confirmed from an X-ray diffraction spectrum.

該還元処理を経たC12A7単結晶は黒茶色を呈し、室温で約1500Scm−1の電
気伝導性を示した。また、電気伝導率は、温度の低下とともに増加する金属的電気伝導を
示した。2.8eV付近にピークを有する強い光吸収があり、その吸収係数の値から、電
子濃度は、1.2×1023cm−3と見積もられた。
The C12A7 single crystal that had undergone the reduction treatment exhibited a blackish brown color, and exhibited an electrical conductivity of about 1500 Scm −1 at room temperature. Also, the electrical conductivity showed a metallic electrical conductivity that increased with decreasing temperature. There was strong light absorption having a peak in the vicinity of 2.8 eV, and the electron concentration was estimated to be 1.2 × 10 23 cm −3 from the value of the absorption coefficient.

得られた試料表面に形成されたTiO膜を、1500番研磨紙を用いて、機械的に取
り除いた後、4端子の電極を取り付け、電気抵抗率を極低温まで4端子法で測定した。図
1に、試料の電気抵抗率の温度依存性を示す。0.2K付近から電気抵抗率の急激な落ち
込みが観測され、0.15Kで電気抵抗率がゼロになった。また、図2に示すように、試
料に外部磁場を印加すると、電気抵抗率が落ち込む温度が、磁場の強さと共に、低温側に
シフトした。以上の結果から、C12A7エレクトライドが0.2KのTcをもつ超伝導
体であることが示された。
The TiO x film formed on the surface of the obtained sample was mechanically removed using No. 1500 polishing paper, a 4-terminal electrode was attached, and the electrical resistivity was measured to a very low temperature by the 4-terminal method. FIG. 1 shows the temperature dependence of the electrical resistivity of the sample. A sudden drop in electrical resistivity was observed from around 0.2K, and the electrical resistivity became zero at 0.15K. Further, as shown in FIG. 2, when an external magnetic field was applied to the sample, the temperature at which the electrical resistivity dropped shifted to the low temperature side along with the strength of the magnetic field. From the above results, it was shown that C12A7 electride is a superconductor having a Tc of 0.2K.

本超伝導体は、ジョセフソン素子などの電子デバイス材料として、またそれらの電子素
子間の配線材料として使用することが出来る。
The superconductor can be used as an electronic device material such as a Josephson element and as a wiring material between the electronic elements.

実施例1で得られたC12A7エレクトライド単結晶の電気抵抗率の温度依存性を示すグラフである。2 is a graph showing the temperature dependence of the electrical resistivity of the C12A7 electride single crystal obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られたC12A7エレクトライド単結晶の磁場を印加したときの電気抵抗率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of an electrical resistivity when the magnetic field of the C12A7 electride single crystal obtained in Example 1 is applied.

Claims (3)

化学式[Ca24Al2864]4+・2[xO2−+2yA+2{1−(x+2y) }e] (A
はケージに包接された、OH、O又はO のいずれか1種以上、0≦x+2y≦0
.5)で示されるマイエナイト型結晶構造を有する化合物であることを特徴とする化合物
超伝導体。
Chemical formula [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO 2- + 2yA + 2 {1- (x + 2y)} e ] (A
Is one or more of OH , O or O 2 included in the cage, 0 ≦ x + 2y ≦ 0
. 5) A compound superconductor characterized by being a compound having a mayenite type crystal structure.
化学式が[Ca24Al2864]4+・2[xO2−+2yA] (Aはケージに包接された、O
、O又はO のいずれか1種以上、0≦x≦1、y=1−x) で示されるマイエ
ナイト型結晶構造を有する化合物を磁性イオンが含有されない方法で調製し、該化合物の
ケージに包接されたO2−及びAの合計成分量(x+2y)の50原子%以上を電子で置
換することを特徴とする請求項1に記載した化合物超伝導体の作成方法。
The chemical formula is [Ca 24 Al 28 O 64 ] 4 + · 2 [xO 2 + 2yA] (A is the inclusion in the cage, O
A compound having a mayenite type crystal structure represented by any one or more of H , O − and O 2 , 0 ≦ x ≦ 1, y = 1−x) is prepared by a method not containing magnetic ions, 2. The method for producing a compound superconductor according to claim 1, wherein 50 atomic% or more of the total component amount (x + 2y) of O 2− and A clathrated in the compound cage is substituted with electrons.
前記化合物がフローテングゾーン法(FZ法)で調製した単結晶であることを特徴とする請
求項2に記載した化合物超伝導体の作成方法。
The method for producing a compound superconductor according to claim 2, wherein the compound is a single crystal prepared by a floating zone method (FZ method).
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