JP4970915B2 - 補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜の製造方法と製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜の製造方法、製造装置、及びその方法によって製造される高温超伝導膜に係り、さらに詳しくは、クラスタービームを補助的に噴射／成長させる方法で超伝導膜内にナノ粒子を形成させることにより、磁束線のピン止め力(pinning force)を向上させて超伝導体の臨界電流密度を増大させる、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜の製造方法と製造装置、及びその方法によって製造される高温超伝導膜に関する。
一般に、高温超伝導膜は、酸化物または金属基板上に超伝導層を被覆した形で開発されている。金属基板上に少なくとも１層の酸化物膜を被覆し、その上に超伝導層を蒸着して作る超伝導線材を、超伝導薄膜線材(coated conductor)と呼ぶ。超伝導薄膜線材の詳細な構造は、大きく４層、すなわち金属基板層、酸化物緩衝層、超伝導層、安定化層からなっている。超伝導層を形成する技術としては、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）、金属有機体蒸着法（ＭＯＤ）、金属有機体化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、及び同時蒸発法(co-evaporation)などがある。
超伝導層の最も重要な条件は、臨界電流密度が高くなければならないことである。特に任意の方向に加えられる大きい磁場の下でも、臨界電流密度はできる限り大きくなければならない。臨界電流密度の限界は、外部から侵入して超伝導内に分布する磁束線がローレンツ力によって動こうとするとき、ローレンツ力に対して磁束線を動かないようにピン止めするピン止め点(pinning center)の作用によって定められる。
一般に、ピン止め点は、超伝導体の内部に存在する欠陥であり、その形態によって大きく３通りに分けられる。すなわち、磁束線とほぼ同じ直径を持つゼロ次元の点欠陥、１次元のピン止め点としては転位(dislocation)、柱状欠陥(columnar defect)などがあり、２次元のピン止め点としては結晶粒界、面欠陥(planar defect)などがあり、３次元のピン止め点としては析出物、二相(second phase)粒子などがある。これらは、その幾何学的差異によって磁場の方向による臨界電流の異方性が異なり、その特徴が定められている。
一方、超伝導線材を巻回して電磁石にして使用するか又は他の形態にして使用する場合でも、線材が巻回された内部には３次元的にいろんな方向の磁場が形成される。よって、超伝導線材の臨界密度に対する磁気的異方性は様々な特性が要求され、これにより必要なピン止め点の幾何学的条件も多様に要求される。
面欠陥は、超伝導結晶構造内に本来から存在するピン止め点であって、酸化銅（ＣｕＯ）面があり、また結晶粒界も小傾角粒界面(low angle mis-orientation grain boundary)の場合、高磁場の下で有効なピン止め点となる。１次元の線欠陥は、超伝導膜の成長の際に普遍的に発生する柱状欠陥と、人工的に添加したナノ粒子をシード(seed)として成長した棒状欠陥、転位などがよく知られている。
金属有機体蒸着（ＭＯＤ）方式では、人工的に添加したナノ粒子は点欠陥になる。また、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法で高温超伝導膜を基板上に生成するとき、ナノ酸化物粒子を添加して線欠陥を形成することが報告されている。例えば、ＢａＺｒＯ３ナノ酸化物粒子を混ぜたＹＢＣＯターゲットをパルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法で蒸着するとき、超伝導相とナノ粒子との格子ミスマッチ(lattice mismatch)によってＢａＺｒＯ３が不均一に成長してナノロッド(nanorod)状の線欠陥が形成される技術(J.L. Macmanus-Driscoll, Nature Materials 3, 2004, p.439, M.Mukaida, JJAP, 43, 2004, p.1623, A. Goyal et al, Supercond. Sco. Technol. 18, 2005, p.1533)と、Ｙ２Ｏ３を予めパルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法で蒸着する過程で基板上に分散形成させた後、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法でＹＢＣＯ超伝導膜を蒸着するとき、Ｙ２Ｏ３シードの上に線欠陥である転位が形成される技術(K. Matsumoto, JJAP 43, 2004, p.1623)によって磁束線のピン止め力を向上させる方法が代表的に報告されている。
ところが、これらの従来の技術は、ナノ粒子物質を超伝導体と混ぜて蒸着するとき、それが表面においてクラスター(cluster)を形成しながらナノ粒子になるところ、これは、薄膜成長条件に依存してクラスターが形成されるものなので、ピン止め点を形成するための完全な方法にはなれないという問題点があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、クラスタービーム自体を補助的に噴射／成長させる方法で超伝導膜内にナノ粒子を形成させることにより、磁束線のピン止め力を向上させて超伝導体の臨界電流密度を増大させる、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜の製造方法と製造装置、及びその方法によって製造される高温超伝導膜を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、ピン止め点の源泉になるナノ粒子物質のクラスターを形成する過程において、その大きさを調節することができるうえ、入射方向及び入射エネルギーなどのパラメータの調節が可能な、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜の製造方法と製造装置、及びその方法によって製造される高温超伝導膜を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明は、真空チャンバー内で蒸発法によって高温超伝導膜を形成させる高温超伝導膜製造方法において、高温超伝導体材料物質を蒸発させて高温超伝導体物質を蒸気状態にして基板に蒸着させると同時に、ハウジングの内部に充填されたクラスタービーム材料物質を加熱して気体原子に形成させ、形成された気体原子をハウジングの入り口のノズルを通過させた後、クラスタービームの形で基板側に噴射／成長させることにより、高温超伝導膜の内部にピン止め点を形成させる、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法を技術的要旨とする。
また、本発明は、真空チャンバー内で蒸発法によって高温超伝導膜を形成させる高温超伝導膜製造装置において、外部と遮断され、密閉されており、真空ポンプに連結されて真空排気されるチャンバーと、前記チャンバーの内部に設置される基板と、前記基板から離隔して設置され、蒸気状態で外部へ排出される高温超伝導体材料物質が内部に充填された坩堝と、前記基板から離隔して設置され、内部にクラスタービーム材料物質が充填されたハウジングとを含んでなり、坩堝から噴射された高温超伝導体蒸気、及びハウジングから噴射されたクラスタービームが基板に蒸着される、クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置を技術的要旨とする。
また、本発明は、真空チャンバー内で蒸発法によって形成される高温超伝導膜において、高温超伝導体材料物質を蒸着させて高温超伝導体物質を蒸気状態にして基板に蒸着させて形成された超伝導膜と、前記超伝導膜の形成の際に前記超伝導膜の内部に形成され、ハウジングの内部に充填されたクラスタービーム材料物質をクラスタービームの形で基板側に噴射／成長させることにより高温超伝導膜の内部に形成されたピン止め点とを含んでなる、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜を技術的要旨とする。
また、本発明は、真空チャンバー内で蒸発法によって高温超伝導膜を形成させる高温超伝導膜製造装置において、外部と遮断され、密閉されており、真空ポンプに連結されて真空排気されるチャンバーと、前記チャンバーの内部に設置される基板と、前記基板から離隔して設置され、蒸気状態で外部へ排出される高温超伝導体材料物質が内部に充填された坩堝と、前記基板から離隔して設置され、内部にクラスタービーム材料物質が充填されたハウジングとを含んでなり、坩堝から噴射された高温超伝導体蒸気、及びハウジングから噴射されたクラスタービームが基板に蒸着される、クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置を技術的要旨とする。
また、本発明は、真空チャンバー内で蒸発法によって形成される高温超伝導膜において、高温超伝導体材料物質を蒸着させて高温超伝導体物質を蒸気状態にして基板に蒸着させて形成された超伝導膜と、前記超伝導膜の形成の際に前記超伝導膜の内部に形成され、ハウジングの内部に充填されたクラスタービーム材料物質をクラスタービームの形で基板側に噴射／成長させることにより高温超伝導膜の内部に形成されたピン止め点とを含んでなる、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜を技術的要旨とする。
ここで、前記クラスタービームは、ハウジングの入り口のノズルを通過した後に形成されることが好ましい。
また、前記基板は、酸化物単結晶基板、または緩衝層が蒸着された金属基板であることが好ましい。
また、前記クラスタービームは、前記ノズル側に形成された電磁気的装置によってプラズマの形に形成され、前記クラスタービームは、ＤＣ高電圧印加装置を通過しながら加速されることが好ましい。
一方、前記高温超伝導体材料物質は酸化物系超伝導化合物であり、前記クラスタービーム材料物質は金属酸化物であることが好ましい。
これにより、本発明は、超伝導膜の形成と同時に、クラスタービーム自体を超伝導膜に噴射／成長させる方法で超伝導膜内にナノ粒子を形成させることにより、磁束線のピン止め力を向上させて超伝導体の臨界電流密度を増加させることができるという利点がある。
上述した本発明は、クラスタービーム自体を補助的に噴射／成長させる方法で超伝導膜内にナノ粒子を形成させることにより、磁束線のピン止め力を向上させて超伝導体の臨界電流密度を増大させるという効果がある。
また、本発明は、ピン止め点を形成する過程において、ナノ粒子の密度、入射角度及び入射エネルギーなどをハウジングの配置または設置角度、基板との間隔、電気的加熱エネルギーなどを変化させて任意に調節することができるため、磁束線のピン止め点を様々な密度と分布で形成させることにより、高温超伝導線材の磁場中における臨界電流密度特性を向上させることができるという効果もある。
以下に添付図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
図１は高温超伝導膜の蒸着のための蒸着方式とクラスタービームによるナノ粒子添加方式を示す概略図である。
図１に示すように、真空ポンプ１００によって排気が可能な真空チャンバー１１０の内部に、高温超伝導体材料物質１２１の充填された坩堝１２０が形成されている。
前記坩堝１２０から所定の距離離れた位置に、入り口の方向などの調節が可能なハウジング１３０が形成されている。前記ハウジング１３０の内部には、クラスタービーム材料物質１３１が充填されている。前記ハウジング１３０の入り口は、ノズル１３２の形をしている。
前記坩堝１２０の入り口側及び前記ハウジング１３０の入り口側と対応して所定の距離だけ離れたところには、高温超伝導膜が蒸着されるべきテープ状の基板１４０が形成されている。前記基板１４０は、酸化物単結晶基板であるか、または緩衝層が蒸着された金属基板である。
ここで、前記高温超伝導体材料物質１２１としては酸化物系超伝導化合物が使用可能であり、前記クラスタービーム材料物質１３１としては金属酸化物が使用可能である。
酸化物系超伝導化合物の代表的な例は、特にＡＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（但し、Ａ＝Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏのいずれか一つ）であり、金属酸化物の代表的な例は、特にＭｇＯである。
ここで、本発明が、前記の材料物質に限定されず、使用可能な材料物質に全て適用可能なのは、自明な事実である。
前記装置の内部で蒸発法を用いて補助クラスタービームの噴射による超伝導膜が形成されるところ、前記高温超伝導体材料物質１２１の充填された坩堝１２０を電磁気的方法で加熱し或いは電子ビームを加えて蒸発させる方法などによって高温超伝導体材料物質１２１を蒸気１２２の状態にして基板１４０側に供給して蒸着させる。この際、前記蒸気１２２状態の超伝導体物質の蒸気圧は、約１０−５Ｔｏｒｒ程度となるように調節する。
同時に、前記ハウジング１３０に充填されたクラスタービーム材料物質１３１を電磁気的に加熱するなどの蒸発法を用いてナノ粒子のビームを基板１４０に噴射させるところ、ハウジング１３０の内部に充填されたクラスタービーム材料物質１３１を加熱させて気体原子１３３に形成させる。
気体原子化されたクラスタービーム材料物質が気体原子１３３の状態でノズルを通過しながら相互間の衝突によってナノ状態のナンクラスター１３４を形成し、形成されたナノクラスター１３４が前記基板１４０側に噴射／成長されることにより高温超伝導膜の内部にピン止め点が形成される。ここで、前記ナノクラスターの蒸気圧は、約１０−４Ｔｏｒｒ程度に保つ。
次に、図２に基づいて、クラスタービームの生成過程について説明する。
通常、高温超伝導膜が酸素雰囲気中で蒸着されるので、酸素雰囲気中でクラスタービームが噴射されなければならない。
前述したように、クラスタービームは、クラスタービーム材料物質１３１を高温蒸気状態の気体原子１３３に形成させた後、ノズル１３２を介して噴射させるが、この際、圧力が急減するので、気体原子１３３の蒸気が冷却される。ノズル１３２を通過しながら気体原子１３３の粒子がお互い衝突し且つ凝集し合ってナノクラスター１３４を形成する。
前記坩堝１２０の入り口側及び前記ハウジング１３０の入り口側と対応して所定の距離だけ離れたところには、高温超伝導膜が蒸着されるべきテープ状の基板１４０が形成されている。前記基板１４０は、酸化物単結晶基板であるか、または緩衝層が蒸着された金属基板である。
ここで、前記高温超伝導体材料物質１２１としては酸化物系超伝導化合物が使用可能であり、前記クラスタービーム材料物質１３１としては金属酸化物が使用可能である。
酸化物系超伝導化合物の代表的な例は、特にＡＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（但し、Ａ＝Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏのいずれか一つ）であり、金属酸化物の代表的な例は、特にＭｇＯである。
ここで、本発明が、前記の材料物質に限定されず、使用可能な材料物質に全て適用可能なのは、自明な事実である。
前記装置の内部で蒸発法を用いて補助クラスタービームの噴射による超伝導膜が形成されるところ、前記高温超伝導体材料物質１２１の充填された坩堝１２０を電磁気的方法で加熱し或いは電子ビームを加えて蒸発させる方法などによって高温超伝導体材料物質１２１を蒸気１２２の状態にして基板１４０側に供給して蒸着させる。この際、前記蒸気１２２状態の超伝導体物質の蒸気圧は、約１０−５Ｔｏｒｒ程度となるように調節する。
同時に、前記ハウジング１３０に充填されたクラスタービーム材料物質１３１を電磁気的に加熱するなどの蒸発法を用いてナノ粒子のビームを基板１４０に噴射させるところ、ハウジング１３０の内部に充填されたクラスタービーム材料物質１３１を加熱させて気体原子１３３に形成させる。
気体原子化されたクラスタービーム材料物質が気体原子１３３の状態でノズルを通過しながら相互間の衝突によってナノ状態のナンクラスター１３４を形成し、形成されたナノクラスター１３４が前記基板１４０側に噴射／成長されることにより高温超伝導膜の内部にピン止め点が形成される。ここで、前記ナノクラスターの蒸気圧は、約１０−４Ｔｏｒｒ程度に保つ。
次に、図２に基づいて、クラスタービームの生成過程について説明する。
通常、高温超伝導膜が酸素雰囲気中で蒸着されるので、酸素雰囲気中でクラスタービームが噴射されなければならない。
前述したように、クラスタービームは、クラスタービーム材料物質１３１を高温蒸気状態の気体原子１３３に形成させた後、ノズル１３２を介して噴射させるが、この際、圧力が急減するので、気体原子１３３の蒸気が冷却される。ノズル１３２を通過しながら気体原子１３３の粒子がお互い衝突し且つ凝集し合ってナノクラスター１３４を形成する。
ノズル１３２は、通常直径１ｍｍの小さいものである。よって、酸素雰囲気中で原料物質が酸化するおそれがある場合、酸化物がノズルの壁にくっ付いて蒸発されなければ、ノズルを塞いでしまうので、ノズルの機能が保たれない。したがって、できる限り酸化物を蒸発させて気体原子の蒸気にしてからノズルを通過させなければならず、本発明においても、気体原子を蒸気状態にしてノズルを介して基板側に噴射させた。
クラスタービーム材料物質は、超伝導膜の内部に添加されても化学的な影響がないものでなければならない。すなわち、クラスタービーム材料物質は、超伝導膜の形成に化学的な影響を与えてはならず、また結晶の成長に棒状欠陥などの形成の他には不利な影響を与えてはならない。
このような物質としては、いろんなものがあるが、本発明の実施例でのようにＭｇＯが代表的である。
ＭｇＯの場合、クラスタービームは次のように生成することができる。ＭｇＯは、１７００℃で蒸気圧が０．５Ｔｏｒｒである。このような蒸気圧で、ＭｇＯ分子の平均自由行路(mean free path)は約０．１ｍｍである。したがって、ノズルが１ｍｍの直径、１ｍｍの長さを持つとき、噴射過程で通常１０回程度衝突する。膨張しながら衝突することによりクラスターを形成し、ナノサイズになるのである。
このようなクラスタービームを生成するために、多数のノズルを持つタンタル管(Ta-tube)にＭｇＯを入れて電流によって１７００℃で加熱すればよい。
本発明では、基板とノズル位置の関係によってクラスタービーム粒子の入射角が決定される。また、クラスタービーム粒子の入射エネルギーを調節することが必要であれば、ノズル側に、図３に示すように、誘導コイル１５０などの電磁気的装置を取り付けてプラズマを形成した後、ＤＣ高電圧印加装置１６０を経るようにしてクラスタービームに加速電圧を加えればよい。
前記の過程によって、図４に示すように、基板１４０上に高温超伝導膜２００が形成され、この高温超伝導膜２００の内部に点欠陥形のピン止め点２１０が形成される。
前記ピン止め点は、図５に示すように、ナノクラスター粒子が基板上の超伝導膜２００で成長する過程で、点欠陥２１１の形で存在するうえ、ナノロッド(nanorod)２１２を形成し或いは転位２１３を形成しながら成長する。
したがって、前記ピン止め点が磁束線２１４のピン止め力を向上させて超伝導体の臨界電流密度を増大させる。
１００ 真空ポンプ
１１０ 真空チャンバー
１２０ 坩堝
１２１ 高温超伝導体材料物質
１２２ 蒸気
１３０ ハウジング
１３１ クラスタービーム材料物質
１３２ ノズル
１３３ 気体原子
１３４ ナノクラスター
１４０ 基板
１５０ 誘導コイル
１６０ 高電圧印加装置
２００ 超伝導膜
２１０ ピン止め点
２１１ 点欠陥
２１２ ナノロッド
２１３ 転位
２１４ 磁束線
１１０ 真空チャンバー
１２０ 坩堝
１２１ 高温超伝導体材料物質
１２２ 蒸気
１３０ ハウジング
１３１ クラスタービーム材料物質
１３２ ノズル
１３３ 気体原子
１３４ ナノクラスター
１４０ 基板
１５０ 誘導コイル
１６０ 高電圧印加装置
２００ 超伝導膜
２１０ ピン止め点
２１１ 点欠陥
２１２ ナノロッド
２１３ 転位
２１４ 磁束線
Claims (18)
- 真空チャンバー内で蒸発法によって高温超伝導膜を形成させる高温超伝導膜製造方法において、
高温超伝導体材料物質を蒸発させて高温超伝導体物質を蒸気状態にして基板に蒸着させると同時に、
ハウジングの内部に充填されたクラスタービーム材料物質を加熱して気体原子に形成させ、形成された気体原子をハウジングの入り口のノズルを通過させた後、クラスタービームの形で基板側に噴射／成長させることにより、高温超伝導膜の内部にピン止め点を形成させることを特徴とする、補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。 - 前記基板が、酸化物単結晶基板、または緩衝層が蒸着された金属基板であることを特徴とする、請求項１に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。
- 前記高温超伝導体材料物質が、酸化物系超伝導化合物であることを特徴とする、請求項２に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。
- 前記高温超伝導体材料物質が、ＡＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（但し、Ａ＝Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏのいずれか一つ）であることを特徴とする、請求項３に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。
- 前記クラスタービーム材料物質が、金属酸化物であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。
- 前記クラスタービーム材料物質が、ＭｇＯであることを特徴とする、請求項５に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。
- 前記クラスタービームが、前記ノズルの入り口でプラズマの形に形成されることを特徴とする、請求項５に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。
- 前記クラスタービームが、ＤＣ高電圧印加装置を通過しながら加速されることを特徴とする、請求項７に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造方法。
- 真空チャンバー内で蒸発法によって高温超伝導膜を形成させる高温超伝導膜製造装置において、
外部と遮断され、密閉されており、真空ポンプに連結されて真空排気されるチャンバーと、
前記チャンバーの内部に設置される基板と、
前記基板から離隔して設置され、蒸気状態で外部へ排出される高温超伝導体材料物質が内部に充填された坩堝と、
前記基板から離隔して設置され、内部にクラスタービーム材料物質が充填されたハウジングとを含んでなり、
坩堝から噴射された高温超伝導体蒸気、及びハウジングから噴射されたクラスタービームが基板に蒸着されることを特徴とする、クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。 - 前記基板が、酸化物単結晶基板、または緩衝層が蒸着された金属基板であることを特徴とする、請求項９に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記ハウジングには、ノズルが形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記クラスタービームが、前記ノズル側に形成された電磁気的装置によってプラズマの形に形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記電磁気的装置が、誘導コイルであることを特徴とする、請求項１２に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記クラスタービームが、ＤＣ高電圧印加装置を通過しながら加速されることを特徴とする、請求項１３に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記高温超伝導体材料物質が、酸化物系超伝導化合物であることを特徴とする、請求項９ないし１４のいずれか１項に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記高温超伝導体材料物質が、ＡＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（但し、Ａ＝Ｙ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏのいずれか一つ）であることを特徴とする、請求項１５に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記クラスタービーム材料物質が、金属酸化物であることを特徴とする、請求項１５に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
- 前記クラスタービーム材料物質が、ＭｇＯであることを特徴とする、請求項１７に記載の補助クラスタービームの噴射による高温超伝導膜製造装置。
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