JP5939995B2 - 超電導線材及び超電導線材の製造方法 - Google Patents
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Description
<1>基材と、前記基材上に形成された中間層であって、前記中間層の最表層は、CeO 2 及びPrO 2 から選ばれる少なくとも1つを主に含有するキャップ層である中間層と、前記中間層上に形成され、多結晶体のCaLaFeO4+δ2を主に含有し、前記δ2は酸素不定比量である反応抑制層と、前記反応抑制層上に形成され、REBa 2 Cu 3 O 7−δ であって、前記REは単一の希土類元素又は複数の希土類元素であり、前記δは酸素不定比量である酸化物超電導体を主に含有した酸化物超電導層と、を備える超電導線材。
図1は、本発明の実施形態に係る超電導線材の積層構造を示す図である。
図1に示すように、超電導線材1は、テープ状の基材10上に中間層20、反応抑制層28、酸化物超電導層30、保護層40が順に形成された積層構造を有している。
なお、上記「主に含有」とは、酸化物超電導層30中の酸化物超電導体の割合が80質量%以上であることをいう。
また、REBa2Cu3O7−δ以外の結晶材料のδも酸素不定比量を表し、例えば0以上1以下である。
図2は、図1に示す超電導線材1の積層構造における断面詳細図である。
図2に示すように、超電導線材1の中間層20は、ベッド層22と、2軸配向層24と、キャップ層26と、を備えて構成されている。
RFスパッタ法では、プラズマ放電で発生した不活性ガスイオン(例えばAr+)を蒸着源(GZO等)に衝突させ、はじき出された蒸着粒子を成膜面に堆積させて成膜する。このときの成膜条件は、ベッド層22の構成材料や膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、RFスパッタ出力:100W以上500W以下、線材搬送速度:10m/h以上100m/h以下、成膜温度:20℃以上500℃以下とされる。
なお、ベッド層22の成膜には、イオン発生器(イオン銃)で発生させたイオンを蒸着源に衝突させるイオンビームスパッタ法を利用することもできる。また、ベッド層22は、Y2O3層とAl2O3層との組み合わせ等の多層構造とすることもできる。
反応抑制層28は、キャップ層26と酸化物超電導層30との間に形成され、中間層20の特にキャップ層26と酸化物超電導層30との反応を抑制するための層である。例えば、反応抑制層28は、キャップ層26を構成する蛍石型結晶構造体に含まれる希土類元素と酸化物超電導層30に含まれるBaとの反応を抑制するための層である。なお、「抑制」とは、酸化物超電導層30とキャップ層26の間に反応抑制層28が形成されていない場合に比べ、Baとの反応が抑制されていれば良く、Baとの反応が完全に防止されていなくても良い。
SrLaFeO4+δ1とCaLaFeO4+δ2の結晶構造は、立方晶、斜方晶又は菱面体晶を取り得るが、上層(酸化物超電導層30)の配向率を向上させるという観点から、特に酸化物超電導層30を形成する際には、立方晶の構造であることが好ましい。
上述した量の範囲内であれば、仮にキャップ層26を構成する蛍石型結晶構造体に含まれる希土類元素が反応抑制層28中に入り込んだ場合でも、反応抑制層28中の希土類元素と酸化物超電導層30と反応することを抑制することができる。
また、キャップ層26を構成する蛍石型結晶構造体に含まれる希土類元素の拡散(反応抑制層28中の通過)を抑制するという観点から、反応抑制層28の空隙率は低いほどよく、好ましくは5%以下、より好ましくは1%以下、さらに好ましくは0.1%以下、さらにより好ましくは0.01%以下である。
LaBa2Cu3O6.7(a=b=0.390nm)
YBa2Cu3O6.98(a=b=0.388nm)
GdBa2Cu3O6.84(a=b=0.391nm)
PrBa2Cu3O6.9 (a=b=0.390nm)
NdBa2Cu3O6.88 (a=0.391nm, b=0.391nm)
ErBa2Cu3O6.98 (a=0.382nm, b=0.389nm)
HoBa2Cu3O6.78 (a=0.381nm, b=0.388nm)
DyBa2Cu3O6.96 (a=0.382nm, b=0.388nm)
TmBa2Cu3O7(a=0.381nm, b=0.388nm)
ErBa2Cu3O7(a=0.382nm, b=0.388nm)
HoBa2Cu3O7(a=0.382nm, b=0.389nm)
DyBa2Cu3O7(a=0.382nm, b=0.389nm)
GdBa2Cu3O7(a=0.384nm, b=0.390nm)
EuBa2Cu3O7(a=0.384nm, b=0.390nm)
SmBa2Cu3O7(a=0.385nm, b=0.391nm)
NdBa2Cu3O7(a=0.386nm, b=0.392nm)
PrBa2Cu3O7(a=0.386nm, b=0.393nm)
LaBa2Cu3O7(a=0.389nm, b=0.394nm)
本実施形態では、以上のように、酸化物超電導層30とキャップ層26の間には、反応抑制層28が形成されているため、例えばキャップ層26を構成する蛍石型結晶構造体に含まれる希土類元素が拡散し難く、当該希土類元素と酸化物超電導層に含まれるBaとの反応が抑制される。したがって、酸化物超電導層30や酸化物超電導層30とキャップ層26との界面においてBaCeO3やBaPrO3などの不純物は、皆無であるか、又は反応抑制層28がない場合に比べて少ない。
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであり、例えば上述の複数の実施形態は、適宜、組み合わされて実施可能である。また、以下の変形例を、適宜、組み合わせてもよい。
また、キャップ層26と、反応抑制層28との間に他の層を追加することもできる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記載された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
実施例1−1〜実施例1−7では、それぞれ基材10としてのハステロイ金属基材をIBAD装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、GZOを蒸着源として、IBAD法によりGZOからなる2軸配向層24を、室温において、線材搬送速度3 m/h、膜厚800nmで成膜した。なお、この2軸配向層24をIBAD−GZOと称す場合もある。また、実施例1では、ベッド層22を省略している。
具体的に、RFスパッタ法によるCeO2膜の蒸着は、温度約700℃、約0.3PaのArと酸素の混合ガス雰囲気で、スパッタ出力約800W、線材搬送速度7m/h以下の条件で行った。
具体的に、RFスパッタ法によるSrLaFeO4+δ1膜の蒸着は、温度約900℃、約0.5PaのArガス雰囲気で、スパッタ出力約200W、線材搬送速度10m/h以上360m/h以下の条件で行った。また、膜厚は、それぞれ10、20、50、80、100、140、180nmとした。
具体的に、MOCVD法によるYBCO膜の蒸着は、温度約800℃、O2ガス雰囲気中において線材搬送速度10〜500m/h以下の条件で行った。
基材10としてのハステロイ金属基材をイオンビームスパッタ成膜装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、GZOを蒸着源として、イオンビームスパッタ法によりGZOからなるベッド層22を、室温において、膜厚100nm、線材搬送速度30m/hで成膜した。
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具体的に、RFスパッタ法によるSrLaFeO4+δ1膜の蒸着は、温度約900℃、約0.5PaのArガス雰囲気で、スパッタ出力約200W、線材搬送速度60m/hの条件で行った。
実施例4−1〜実施例4−7では、それぞれ基材10としてのハステロイ金属基材をIBAD装置に導入し、1×10−3Paまで真空引きした。そして、GZOを蒸着源として、IBAD法によりGZOからなる2軸配向層24を、室温において、線材搬送速度80m/h、膜厚5nmで成膜した。なお、この2軸配向層24をIBAD−GZOと称す場合もある。また、実施例4−1〜実施例4−7では、ベッド層22を省略している。
具体的に、RFスパッタ法によるCeO2膜の蒸着は、温度約700℃、約0.3PaのArと酸素の混合ガス雰囲気で、スパッタ出力約800W、線材搬送速度7m/h以下の条件で行った。
具体的に、RFスパッタ法によるCaLaFeO4+δ2膜の蒸着は、温度約900℃、約0.5PaのArガス雰囲気で、スパッタ出力約200W、線材搬送速度10m/h以上360m/h以下の条件で行った。また、膜厚は、それぞれ5、10、30、60、80、100、180nmとした。
具体的に、MOCVD法によるYBCO膜の蒸着は、温度約800℃、O2ガス雰囲気中において線材搬送速度10〜500m/h以下の条件で行った。
実施例1の超電導線材の構成において、反応抑制層28がない超電導線材を比較例1として作製した。
実施例2の超電導線材の構成において、反応抑制層28がない超電導線材を比較例2として作製した。
実施例3の超電導線材の構成において、反応抑制層28がない超電導線材を比較例3として作製した。
以下、実施例1−1〜1−7、実施例2、実施例3−1〜3−7、実施例4−1〜4−7及び比較例1〜3で作製した超電導線材の評価方法及び評価結果について記載する。
各実施例及び比較例に係わる超電導線材の酸化物超電導層30について、リガク製X線回折装置RINT−UltimaIIIを用いてX線回折測定を行った。
各実施例及び比較例に係わる超電導線材について、原子間力顕微鏡(AFM、Nanosurf AG社製 Mobile S)による各反応抑制層28のAFM像を用いて反応抑制層28の表面粗さRaを測定した。なお、表面粗さRaは、各反応抑制層28のAFM像12.3μm四方の算術平均粗さである。また、この測定は、各反応抑制層28上に酸化物超電導層30を成膜する前に行っている。
通電特性は、得られた酸化物超電導線材(線幅10mm)の臨界電流Icを測定することにより評価した。臨界電流Icは、酸化物超電導線材を液体窒素に浸漬した状態で四端子法を用いて測定した。電圧端子は1cm、電界基準は1μV/cmとした。
一方、比較例において酸化物超電導層30とキャップ層26の間に生成したBaCeO3の格子定数は、約0.44nmであるため、酸化物超電導層30においては、BaCeO3の上に堆積する酸化物超電導が結晶配向せず、Icが低下したと考えられる。また、酸化物超電導層30となるべき部分に生成されたBaCeO3の部分では、超電導電流が流れないため、比較例における超電導線のIcが低下してしまったと考えられる。
また、実施例1−1、実施例3−1と実施例4−1の場合にはBaCeO3が生じているが、その生成量が少ないために酸化物超電導層30における電流パス減少の影響が小さく、Icを大きく低下させることはなかった。
また、2軸配向層24をIBAD−GZOの単一層とする代わりに、IBAD−GZOとIBAD−YNbOの2層としても、上記と同様の結果となった。
これは、PrO2の格子定数は0.539nm(上下層の格子定数に対応する格子間距離は約0.38nm)であり、CeO2と同様に、上層となる酸化物超電導層30において、良好に結晶配向することができたと考えられる。一方、CeO2の代わりにPrO2とした以外は上記比較例と同様の構成としたところ、酸化物超電導層30とキャップ層26の間にBaPrO3が生成し、Icが低下していることを確認した。これは、BaPrO3の格子定数が約0.43nmであるため、上記比較例と同様に、酸化物超電導層30においては、電流パスが減少してしまい、Icが低下してしまった。
20 中間層
26 キャップ層
28 反応抑制層
30 酸化物超電導層
Claims (6)
- 基材と、
前記基材上に形成された中間層であって、前記中間層の最表層は、CeO 2 及びPrO 2 から選ばれる少なくとも1つを主に含有するキャップ層である中間層と、
前記中間層上に形成され、多結晶体のCaLaFeO4+δ2を主に含有し、前記δ2は酸素不定比量である反応抑制層と、
前記反応抑制層上に形成され、REBa 2 Cu 3 O 7−δ であって、前記REは単一の希土類元素又は複数の希土類元素であり、前記δは酸素不定比量である酸化物超電導体を主に含有した酸化物超電導層と、
を備える超電導線材。 - 基材と、
前記基材上に形成された中間層であって、前記中間層の最表層は、CeO 2 及びPrO 2 から選ばれる少なくとも1つを主に含有するキャップ層である中間層と、
前記中間層上に形成され、多結晶体のSrLaFeO 4+δ1 又はCaLaFeO 4+δ2 を主に含有し、前記δ1及びδ2は酸素不定比量であり、前記SrLaFeO 4+δ1 及び前記CaLaFeO 4+δ2 の結晶格子は、立方晶又は斜方晶である反応抑制層と、
前記反応抑制層上に形成され、REBa 2 Cu 3 O 7−δ であって、前記REは単一の希土類元素又は複数の希土類元素であり、前記δは酸素不定比量である酸化物超電導体を主に含有した酸化物超電導層と、
を備える超電導線材。 - 前記反応抑制層の厚みは、20nm以上140nm以下である、
請求項1又は請求項2に記載の超電導線材。 - 前記反応抑制層は、前記キャップ層よりも厚みが小さい、
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の超電導線材。 - 金属基材上に、中間層を形成する工程であって、前記中間層の最表層は、CeO 2 及びPrO 2 から選ばれる少なくとも1つを主に含有するキャップ層である中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、多結晶体のCaLaFeO4+δ2を主に含有し、前記δ2は酸素不定比量である反応抑制層を形成する工程と、
前記反応抑制層上に、REBa 2 Cu 3 O 7−δ であって、前記REは単一の希土類元素又は複数の希土類元素であり、前記δは酸素不定比量である酸化物超電導体を主に含有した酸化物超電導層を形成する工程と、
を有する超電導線材の製造方法。 - 金属基材上に、中間層を形成する工程であって、前記中間層の最表層は、CeO 2 及びPrO 2 から選ばれる少なくとも1つを主に含有するキャップ層である中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、多結晶体のSrLaFeO 4+δ1 又はCaLaFeO 4+δ2 を主に含有し、前記δ1及びδ2は酸素不定比量であり、前記SrLaFeO 4+δ1 及び前記CaLaFeO 4+δ2 の結晶格子は、立方晶又は斜方晶である反応抑制層を形成する工程と、
前記反応抑制層上に、REBa 2 Cu 3 O 7−δ であって、前記REは単一の希土類元素又は複数の希土類元素であり、前記δは酸素不定比量である酸化物超電導体を主に含有した酸化物超電導層を形成する工程と、
を有する超電導線材の製造方法。
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