JP6104455B2 - 低温における向上された磁束ピンニングを有する半導体 - Google Patents

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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Description

（関連出願の引用）
本願は、２０１３年４月１日に出願された、米国仮出願第６１／８０７，１４２号に対
する優先権を主張するものであり、該仮出願の全内容は、参照により本明細書中に援用さ
れる。
（政府支援）
エネルギー省高等研究計画局助成(ARPA-E)ＤＥ−ＡＲ００００１９６号
いくつかの材料システムが、エネルギー発生、伝送、変換、貯蔵、および使用と関連付
けられた迫り来る問題を解決しようと開発されている。超電導体は、広スペクトルのエネ
ルギー問題を横断する解決策を提供する、ユニークなシステムである。超電導体は、発生
器、電力伝送ケーブル、モータ、変圧器、およびエネルギー貯蔵内に高効率を可能にする
。さらに、超電導体は、エネルギーを超えて、医学、粒子物理学、通信、および輸送まで
用途が及ぶ。
超伝導テープは、ますます一般的となりつつある。これは、部分的には、エピタキシャ
ル単結晶薄フィルムを多結晶基板上に生成する加工技法の成功に起因するものである（Ｙ
． Ｉｉｊｉｍａ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ １８５， １９５９（１９
９１），Ｘ．Ｄ． Ｗｕ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６
７， ２３９７（１９９５），Ａ， Ｇｏｙａｌ， ｅｔ． ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐ
ｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６９（１９９６）ｐ．１７９５， Ｖ， Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃ
ｋａｍ ｅｔ ａｌ．， “Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ２Ｇ ｗｉｒｅ：Ｆｒ
ｏｍ Ｒ＆Ｄ ｔｏ Ｐｉｌｏｔ−ｓｃａｌｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ”， ＩＥ
ＥＥ Ｔｒａｎｓ， Ａｐｐｌ， Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． １９， ３２２５（２００９
））。本技法では、岩塩結晶構造（例えば、ＭｇＯ）を有する材料の薄フィルムが、イオ
ンビーム支援蒸着によって、可撓性多結晶基板を覆って蒸着される。本技法によって処理
される超伝導フィルムは、単一結晶基板上に成長されるエピタキシャルフィルム内で達成
されるものと匹敵する、臨界電流密を呈する。本技法を使用して、いくつかの機関が、超
伝導複合テープのパイロット規模製造を実証している。注目すべきことに、単結晶エピタ
キシャルフィルムは、多結晶基板ベースを使用して、１ｋｍを超える長さで製造されてい
る。
超電導体の有意な短所の１つは、超電導体が磁場に暴露されるとき、電流を搬送するそ
の能力が急低下することである。したがって、風発生器、モータ、高界磁石、またはエネ
ルギー貯蔵システム等のある用途では、超電導体は、発生器コイルが、数テスラにおいて
、磁場に暴露されるため、電位を搬送するその全電流を達成することができない。別の短
所は、高温超電導体（ＨＴＳ）では、超伝導が、Ｃｕ−Ｏ平面内に局在することである（
Ｅ． Ｍ． Ｇｙｏｒｇｙ， ｅｔ． ａｌ．，“Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｒｉｔｉ
ｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｎ Ｂａ２ＹＣｕ３Ｏ７ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ
ａｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｂｅａｎ ｍｏｄｅｌ”Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ
． ５５， ２８３（１９８９））。本現象は、超電導体の電流搬送能力に効果をもたら
す。例えば、図１は、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）と呼ばれるプロセスによって作製
される、標準的ＨＴＳテープの臨界電流における異方性を図示する。異方性効果は、ＨＴ
Ｓフィルム表面に対して異なる角度で磁場を整合させることによって可視化されることが
できる。臨界電流は、磁場が、フィルム表面から移動されるにつれて、急降下する。さら
に、臨界電流は、磁場がテープ法線から０°角度（すなわち、テープ表面に垂直）に配向
されると、低値に到達する。本磁場配向における臨界電流は、これらの標準的テープを用
いて構築されるコイルの性能における限界値である。
過去１０年にわたって、研究は、磁場に暴露される超電導体の電流搬送能力の改善に焦
点が当てられている。有意な研究は、超電導体における磁束ピンニングを改善することに
焦点を当てている。磁束ピンニングは、Ｉ型超電導体と異なり、磁場の部分的穿通を可能
にする、２つの臨界磁場を有する、ＩＩ型高温超電導体（ＨＴＳ）の現象である。下部臨
界磁場の上方では、２ＧＨＴＳテープは、磁束が、磁束管を通した超伝導電流渦によって
囲繞される量子化されたパケット内で超伝導フィルムを穿通することを可能にする。より
低い電流では、磁束管は、定位置にピンニングされる。本ピンニング現象は、実質的に、
超電導体内に望ましくない電気抵抗を生成し得る、任意の磁束クリーピングを低減させる
ことができる。したがって、磁束ピンニングの改良は、超電導体が磁場内で被る前述の短
所を最小限にすることができる（例えば、異方性、より低い臨界電流等）。
磁束ピンニングを改善するための最も追究されている戦略は、穿通された磁束線の側方
サイズがコヒーレンス長の値の２倍に等しいため、超伝導コヒーレンス長と側方寸法が匹
敵する、欠陥を超電導体の中に導入することである。２ＧＨＴＳテープでは、欠陥は、種
々の組成物および構造の酸素空孔、貫通転位、双晶面、不純物原子、照射誘導柱状欠陥、
およびナノ構造含有を含む（Ｖ． Ｍ． Ｐａｎ， ｅｔ ａｌ．，“Ｄｉｍｅｎｓｉｏ
ｎａｌ ｃｒｏｓｓｏｖｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｅ−ｌａｔ
ｔｉｃｅ ｓｔａｔｅｓ ｉｎ ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７− δ”、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ ２
７９， １８ （１９９７）；Ｊ． Ｍ． Ｈｕｉｊｂｒｅｇｔｓｅ， ｅｔ ａｌ．，
“Ｖｏｒｔｅｘ ｐｉｎｎｉｎｇ ｂｙ ｎａｔｕｒａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈ
ｉｎ ｆｉｌｍｓ ｏｆ ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７− δ”、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ
． Ｔｅｃｈｎｏｌ． １５， ３９５ （２００２）、Ｇ． Ｂｌａｔｔｅｒ， ｅｔ
ａｌ．，“Ｖｏｒｔｉｃｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ”， Ｒｅｖ． Ｍｏｄ． Ｐｈｙｓ． ６６ １１２５ （１９
９４）， Ｌ． Ｃｉｖａｌｅ，“Ｖｏｒｔｅｘ ｐｉｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｒｅｅｐ
ｉｎ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｗｉｔ
ｈ ｃｏｌｕｍｎａｒ ｄｅｆｅｃｔｓ”、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈ
ｎｏｌ． １０， Ａ１１ （１９９７）、Ｃ． Ｊ． ｖａｎ ｄｅｒ Ｂｅｅｋ，
ｅｔ ａｌ．，“Ｓｔｒｏｎｇ ｐｉｎｎｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｆｉｌｍ”， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ ６
６， ０２４５２３ （２００３））。特に、照射誘導柱状欠陥は、磁束ピンニングを改
善するために大きな潜在性を示している。研究グループは、近年、超伝導フィルムをＢａ
ＺｒＯ３（ＢＺＯ）またはＢａＳｎＯ３（ＢＳＯ）で化学的にドープすることによって、
柱状欠陥を導入するアプローチを開発している（Ｊ． Ｌ． Ｍａｃｍａｎｕｓ−Ｄｒｉ
ｓｃｏｌｌ ｅｔ ａｌ．， “Ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ
ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｉｎ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃｏａｔｅｄ ｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒｓ ｏｆ ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ＋ＢａＺｒＯ３”、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａ
ｔｅｒｉａｌｓ ３， ４３９ （２００４）；Ｓ． Ｋａｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｈｉｇ
ｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈｉｇｈ−Ｔｃ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｗｉ
ｒｅｓ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ ３１１， １９１１ （２００６）、Ｙ． Ｙａｍａｄａ
ｅｔ ａｌ．， “Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｆ
ｅｃｔｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｐｉｎｎｉｎｇ ｉｎ Ｙ（ＲＥ）Ｂａ２Ｃｕ
３Ｏ７−ｘ ｃｏａｔｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ”、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔ
ｔ． ８７， １３２５０２ （２００５）；Ｃ． Ｖａｒａｎａｓｉ， ｅｔ ａｌ．
，“Ｔｈｉｃｋ ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ −ｘ ＋ ＢａＳｎＯ３ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ
ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｔ ｈｉ
ｇｈ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９
３０９２５０１， （２００８））。ＢＺＯおよびＢＳＯの含有は、超電導体フィルム成
長の間の自己アセンブリプロセスによって、ナノサイズ柱（約５ｎｍの直径）を形成し、
フィルムのピン止め強度を有意に改良した（Ｓ． Ｋａｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｈｉｇｈ−
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈｉｇｈ−Ｔｃ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｗｉｒｅ
ｓ”， Ｓｃｉｅｎｃｅ ３１１， １９１１ （２００６）、Ｙ． Ｙａｍａｄａ ｅ
ｔ ａｌ．，“Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｆｅｃ
ｔｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｐｉｎｎｉｎｇ ｉｎ Ｙ（ＲＥ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ
７−ｘ ｃｏａｔｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ
． ８７， １３２５０２ （２００５）；Ｃ． Ｖａｒａｎａｓｉ， ｅｔ ａｌ．，
“Ｔｈｉｃｋ ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ −ｘ ＋ ＢａＳｎＯ３ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ
ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｔ ｈｉ
ｇｈ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９
３０９２５０１， （２００８）；Ｔ． Ｈｏｒｉｄｅ， ｅｔ ａｌ．， “Ｔｈｅ
ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｏｒｔｅｘ ｇｌａｓｓ ｔｏ ｔｈｅ Ｂ
ｏｓｅ ｇｌａｓｓ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ
ｆｉｌｍｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８２， １８２５１１ （２０
０８）， Ｍ． Ｍｕｋａｉｄａ， ｅｔ ａｌ．，“Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｕｒｒｅｎ
ｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ａｒｏｕｎｄ ａ Ｍａｔｃｈｉｎｇ
Ｆｉｅｌｄ ｉｎ ＥｒＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ Ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ＢａＺｒＯ３
Ｎａｎｏ−Ｒｏｄｓ”， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ４４， Ｌ９５２
（２００５））。
図２は、ほとんどがフィルム平面に垂直に配向されるＢＺＯナノ柱とともに、ＭＯＣＶ
Ｄによって成長された（Ｇｄ，Ｙ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ（Ｇｄ−ＹＢＣＯ）フィルムの断面
微小構造を表示する。図１に示されるように、ＢＺＯでドープされたフィルムは、特に、
ＢＺＯナノ柱の方向に沿って（すなわち、テープに垂直に）配向される磁場に暴露される
と、７７Ｋ時、１テスラの磁場内で２倍の改良された性能を呈する。また、ナノ柱は、フ
ィルム成長方向を中心として広がりを呈するため、改良されたピン止めが、磁場配向の範
囲にわたって観察される。最後に、ＢＺＯドープフィルムは、有意により低い異方性を呈
する（Ｖ． Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ ｅｔ ａｌ．， “Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏ
ｆ Ｚｒ ａｎｄ Ｃｅ Ｄｏｐｉｎｇ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒ
ｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ （Ｇｄ，Ｙ）−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉ
ｎｇ Ｔａｐｅｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ ４６９， ２
０３７ （２００９））。
ＢＺＯドープＲＥＢＣＯ（ＲＥ＝希土類）テープに焦点を当てたほとんどの研究は、７
７Ｋ時、１−３テスラの磁場下、磁場内に臨界電流を報告している。少なくとも１つの研
究グループは、４．２Ｋ時、最大３０Ｔまで、高磁場内に臨界電流を報告している（Ｖ．
Ｂｒａｃｃｉｎｉ， ｅｔ ａｌ．，“Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｒｅｃｅｎｔ
ＩＢＡＤ−ＭＯＣＶＤ Ｃｏａｔｅｄ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｏ
ｔｈｅｉｒ ｈｉｇｈ ｆｉｅｌｄ， ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｇｎｅ
ｔ ｕｓｅ”， Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ ２４， ０３５００１（２０１１））。残念ながら、２０〜５０Ｋの中間温
度において、数ステラの実践的磁場内で臨界電流を報告している研究は、殆どまたは全く
ない。しかし、風発生器、公益事業発生器、海洋モータ、および産業モータ等のいくつか
の２Ｇ ＨＴＳ用途は、これらの後者の磁場および中間温度範囲において開発されている
（Ａ． Ｂ． Ａｂｒａｈａｍｓｅｎ， ｅｔ ａｌ．，“Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｓ
ｔｕｄｙ ｏｆ ５ ＭＷ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎ
ｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ”、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ．４７１， １４６４−６９ （２０１
１）；Ｐ． Ｋｕｍｍｅｔｈ， ｅｔ ａｌ．， “Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓ
ｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ＨＴＳ ｒｏｔｏｒ”、Ｐｈｙｓ
ｉｃａ Ｃ．４２６， １３５８−６４ （２００５））。
最近、７７Ｋ時、１Ｔ磁場下、ＲＥＢＣＯ性能に２倍の改良を達成するために必要なＺ
ｒのレベルは、２０Ｋ〜５０Ｋ時、数テスラのより実践的磁場（以下「実践的条件」）で
は、同一改良を達成しなかったことが実証されている（Ｖ． Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａ
ｍ， ｅｔ ａｌ．，“Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｎ
ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ Ｚｒ−ａｄｄｅｄ （Ｇｄ，Ｙ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ
ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｔａｐｅｓ”、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔ
ｅｃｈｎｏｌ． ２６， ０３５００６ （２０１３））。しかし、より高いレベルのＺ
ｒは、実際、実践的条件下において、ＲＥＢＣＯ性能の改良につながることもまた、同一
刊行物に示されている（Ｖ． Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ， ｅｔ ａｌ．，“Ｅｎｈ
ａｎｃｅｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌｓ ｏ
ｆ Ｚｒ−ａｄｄｅｄ （Ｇｄ，Ｙ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎ
ｇ ｔａｐｅｓ”、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２６， ０３
５００６ （２０１３））。特に、フィルムの「リフトファクタ」（典型的には、３０Ｋ、３Ｔで約２．１）は、実質的に、より高いレベルのＺｒ添加によって改良される。「リフトファクタ」は、実践的条件下におけるテープの臨界電流対７７Ｋ時ゼロ磁場下のテープの臨界電流の比率を指す。また、最近、高臨界電流密度（概して求められている超電導体性能目標）が、７７Ｋ時、高レベルのＺｒ添加でＲＥＢＣＯテープにおいて達成されることができることが実証されている（Ｖ． Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ， ｅｔ ａｌ．，“Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， Ｈｉｇｈ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｚｒ−ａｄｄｅｄ （Ｇｄ，Ｙ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｔａｐｅｓ”， Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２５， １２５０１３ （２０１２））。これらの発見は、ＲＥＢＣＯテープを実質的に高レベルのＺｒでドープすることが、実践的条件下、高臨界電流密度および高リフトファクタの両方を産生する可能性を切り開く。しかしながら、高レベルの添加Ｚｒを伴うＲＥＢＣＯテープのリフトファクタは、実質的に、一貫しないことが見出されている。
したがって、当技術分野には、実践的動作条件下において、高リフトファクタおよび高臨界電流密度の両方を超電導体内で達成することができる、方法および組成物の必要性がある。
Ｙ． Ｉｉｊｉｍａ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ １８５， １９５９（１９９１），Ｘ．Ｄ． Ｗｕ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６７， ２３９７（１９９５），Ａ， Ｇｏｙａｌ， ｅｔ． ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６９（１９９６）ｐ．１７９５， Ｖ， Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ ｅｔ ａｌ．， "Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ２Ｇ ｗｉｒｅ：Ｆｒｏｍ Ｒ＆Ｄ ｔｏ Ｐｉｌｏｔ−ｓｃａｌｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ， Ａｐｐｌ， Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． １９， ３２２５（２００９） Ｅ． Ｍ． Ｇｙｏｒｇｙ， ｅｔ． ａｌ．，"Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｎ Ｂａ２ＹＣｕ３Ｏ７ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｂｅａｎ ｍｏｄｅｌ"Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ５５， ２８３（１９８９）
本明細書に開示されるある実施形態の概要は、以下に記載される。本項は、単に、読者
に、ある実施形態の簡単な概要を提供するために提示され、これらの説明は、本願の範囲
を制限するために意図されないことを理解されたい。実際、本開示は、本明細書に記載さ
れない場合がある、種々の実施形態を包含してもよい。
超伝導テープは、約３０Ｋ時、テープに垂直に印加される、約３Ｔ磁場下、高リフトファクタを達成するように加工されることができる。一実施形態では、超伝導テープは、約３０Ｋ
においてＲＥＢＣＯテープに垂直に印加される、約３Ｔ磁場下、３．０を上回るまたは４．０を上回るリフトファクタを達成するように加工されることができる。
別の実施形態では、超伝導テープは、外部磁場の不在下、７７Ｋ時、約４．２ＭＡ／ｃ
ｍ２未満またはそれと等しい臨界電流密度を含むように加工される。さらに別の実施形態
では、超伝導テープは、ｃ−軸に平行な配向を有する、約３Ｔの磁場下、約３０Ｋ時、約
１２ＭＡ／ｃｍ２を上回るまたはそれと等しい臨界電流密度を含むように加工される。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
約３Ｔの磁場下、約３０Ｋ時、約３．０を上回るまたはそれと等しいリフトファクタを備える、超電導体テープ。
（項目２）
約３２．０原子％を上回るバリウム＋ドーパント含有量をさらに備える、項目１に記
載の超電導体テープ。
（項目３）
約４９．０原子％未満の銅含有量をさらに備える、項目１に記載の超電導体テープ。
（項目４）
前記ドーパント含有量は、少なくとも約１．６５原子％であって、前記バリウム含有量
は、少なくとも約２９．９原子％である、項目２に記載の超電導体テープ。
（項目５）
前記リフトファクタは、約３Ｔの磁場下、約３０Ｋ時、約４．０を上回るまたはそれと等しい、項目１に記載の超電導体テープ。
（項目６）
約３３．０原子％を上回るバリウム＋ドーパント含有量をさらに備える、項目５に記
載の超電導体テープ。
（項目７）
約４９．０原子％未満の銅含有量をさらに備える、項目６に記載の超電導体テープ。
（項目８）
前記ドーパント含有量は、少なくとも約１．６５原子％であって、前記バリウム含有量
は、少なくとも約３０．５原子％である、項目６に記載の超電導体テープ。
（項目９）
約３７．５％を上回るバリウム対バリウム＋ドーパント＋銅比率、約２．０％未満のド
ーパント対バリウム＋ドーパント＋銅比率、および約６０．５％未満の銅対バリウム＋ド
ーパント＋銅比率をさらに備える、項目１に記載の超電導体テープ。
（項目１０）
約０．５８を上回るまたはそれと等しい、バリウム対銅比率をさらに備える、項目１
に記載の超電導体テープ。
（項目１１）
約０．６２を上回るまたはそれと等しい、バリウム＋ドーパント対銅比率をさらに備え
る、項目１に記載の超電導体テープ。
（項目１２）
約３８．０％を上回るバリウム対バリウム＋ドーパント＋銅比率、約２．５％未満のド
ーパント対バリウム＋ドーパント＋銅比率、および約５９．５％未満の銅対バリウム＋ド
ーパント＋銅比率をさらに備える、項目５に記載の超電導体テープ。
（項目１３）
約０．６２を上回るまたはそれと等しい、バリウム対銅比率をさらに備える、項目５
に記載の超電導体テープ。
（項目１４）
約０．６５を上回るまたはそれと等しい、バリウム＋ドーパント対銅比率をさらに備え
る、項目５に記載の超電導体テープ。
（項目１５）
外部磁場の不在下、７７Ｋ時、約４．２ＭＡ／ｃｍ ２ 未満またはそれと等しい臨界電流
密度をさらに備える、項目１に記載の超電導体テープ。
（項目１６）
外部磁場の不在下、７７Ｋ時、約３．８ＭＡ／ｃｍ ２ 未満またはそれと等しい臨界電流
密度をさらに備える、項目５に記載の超電導体テープ。
（項目１７）
ｃ−軸に平行な配向を有する、約３Ｔの磁場下、約３０Ｋ時、約１２ＭＡ／ｃｍ ２ を上
回る臨界電流密度を備える、超電導体テープ。
（項目１８）
前記臨界電流密度は、前記ｃ−軸に平行な配向を有する、約３Ｔの磁場下、約３０Ｋ時
、約１５ＭＡ／ｃｍ ２ を上回る、項目１７に記載の超電導体テープ。
（項目１９）
前記超電導体テープは、少なくとも約０．９μｍのフィルム厚を有する、超電導体フィ
ルムを備える、項目１７に記載の超電導体テープ。
（項目２０）
ＲＥＢＣＯ超伝導テープを製造する方法であって、
超伝導テープ基板に前駆体蒸気を印加するステップであって、前記前駆体蒸気は、
約３３．０原子％を上回るバリウム＋ドーパント含有量と、
約４９．０原子％未満の銅含有量と、
を備える、フィルムをもたらす、方法。
前述の概要ならびに以下の発明を実施するための形態は、添付の図面と併せて熟読され
ることによって、より深く理解されるであろう。例証目的のためだけに、図面に、ある実
施形態が示される。しかしながら、本明細書に開示される本発明の概念は、図に示される
精密な配列および器具類に限定されないことを理解されたい。
図１は、ＭＯＣＶＤ ＨＴＳテープおよびＢＺＯドープＭＯＣＶＤテープに一般的磁場と基板テープとの間の角度の関数として、臨界電流密度を図示する。 図２は、ＭＯＣＶＤによって合成されたＺｒドープ超伝導フィルムの断面微小構造を図示する。 図３は、ある実施形態による、フィルムのＩＣＰ分光法によって測定されるときの種々の組成物の１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図４は、ある実施形態による、フィルム中の全カチオン（Ｇｄ、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｚｒ）の原子％として表されるバリウムの関数として、１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図５は、ある実施形態による、フィルム中の全カチオン（Ｇｄ、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｚｒ）の原子％として表されるジルコニウムの関数として、１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図６は、ある実施形態による、フィルム中の全カチオン（Ｇｄ、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｚｒ）の原子％として表されるバリウム＋ジルコニウムの関数として、１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図７は、ある実施形態による、フィルム中の全カチオン（Ｇｄ、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｚｒ）の原子％として表される銅の関数として、１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図８は、ある実施形態による、フィルムのＩＣＰ分光法によって測定されるときの種々の組成物の１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図９は、ある実施形態による、フィルム内のバリウム対銅比率の関数として、１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図１０は、ある実施形態による、フィルム内のバリウム＋ジルコニウム対銅比率の関数として、１５〜２５モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３Ｔの磁場下、リフトファクタを図示する。 図１１は、ゼロ磁場下、７７Ｋにおける臨界電流密度の関数として、１５〜２０モル％Ｚｒ添加ＧｄＹＢＣＯテープの３０Ｋにおける３テスラの磁場下、リフトファクタを図示する。
少なくとも一実施形態を詳細に説明する前に、本明細書に記載される本発明の概念は、
その用途において、以下の説明に記載され、または図面に図示される、構造詳細または構
成要素配列に限定されないことを理解されたい。また、本明細書に採用される語句および
専門用語は、単に、説明目的のためのものであって、限定と見なされるべきでないことも
理解されたい。
さらに、説明される特徴のいずれかの１つは、別個に、または他の特徴と組み合わせて
使用されてもよいことを理解されたい。他の判明システム、方法、特徴、および利点は、
本明細書の図面および発明を実施するための形態を検討することによって、当業者に明白
である、または明白となるであろう。全てのそのような付加的システム、方法、特徴、お
よび利点は、付随の請求項によって保護されることが意図される。
本明細書に説明される実施形態の目的の１つは、ＲＥＢＣＯテープに垂直に印加される
、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、少なくとも約３．０のリフトファクタを一貫して達成する、超伝導テープを加工することである。本明細書に説明される実施形態の別の目的は、ＲＥＢＣＯテープに垂直に印加される、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、少なくとも約４．０のリフトファクタを一貫して達成することができる、超伝導テープを加工することである。一実施形態では、ＲＥＢＣＯテープは、ＭＯＣＶＤによって加工される。
ある実施形態では、ＲＥＢＣＯテープは、基板と、基板を覆う緩衝層と、超伝導フィル
ムに続くキャッピング層（典型的には、貴金属）と、安定化層（典型的には、銅等の非貴
金属）とを含んでもよい。緩衝層は、いくつかの別々のフィルムから成ってもよい。
一実施形態では、基板は、ニッケル系または鉄系合金等の高温に耐えることができる、
金属合金を含んでもよい。実施例は、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（Ｒ）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（Ｒ）
合金群、ステンレス鋼合金、またはニッケル−タングステン、およびニッケル−クロム合
金が挙げられ得る。基板は、典型的には、薄いテープ、約２５〜１００μｍ厚、約２ｍｍ
〜１００ｍｍ幅、および約１〜１０，０００メートルの長さの形態であってもよい。基板
は、約０．５〜２０ｎｍ表面粗度を伴う平滑表面を産生するために、研磨等の技法によっ
て処理されることができる。加えて、別の実施形態では、基板は、公知のＲＡＢｉＴＳ（
圧延支援２軸方向テクスチャ化基板）技法等によって、２軸方向にテクスチャ化されるよ
うに処理されてもよい。代替として、さらに別の実施形態では、基板は、市販のＨａｓｔ
ｅｌｌｏｙ（Ｒ）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（Ｒ）合金群、およびステンレス鋼合金等の非テクス
チャ化多結晶であってもよい。
別の実施形態では、緩衝層は、単一層であって、またはより一般には、いくつかのフィ
ルムから作製されてもよい。さらに別の実施形態では、緩衝層は、概して、フィルムの平
面内および平面外の両方の結晶軸に沿って整合される、結晶テクスチャを有する、２軸方
向にテクスチャ化されたフィルムを含んでもよい。そのような２軸方向テクスチャ化は、
イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）によって遂行されてもよい。例えば、ＩＢＡＤは、２
軸方向にテクスチャ化された緩衝層を形成し、超超伝導特性のための望ましい結晶学的配
向を有する、超伝導層を産生するために使用されることができる。
ある実施形態では、酸化マグネシウムは、ＩＢＡＤフィルムのためのフィルムとして使
用されることができ、かつ約５〜約５０ナノメートル等、約１〜約５００ｎｍであっても
よい。緩衝層はまた、ＩＢＡＤフィルムおよび基板に直接接触し、その間に設置されるよ
うに提供される、障壁フィルム等の付加的フィルムを含んでもよい。本実施形態では、障
壁フィルムは、アルミナまたはジルコニウム酸（例えば、イットリア安定化ジルコニア、
ジルコン酸ガドリニウム等）等の酸化物であってもよく、基板をＩＢＡＤフィルムから隔
離するように機能することができる。障壁フィルムの典型的厚さは、約１〜約２００ｎｍ
の範囲内であってもよい。
なおもさらに、さらに別の実施形態では、緩衝層はまた、ＩＢＡＤフィルムにわたって
形成されるように、ＬａＭｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２等のエピタキシャルに成長さ
れたフィルムを含んでもよい。エピタキシャルに成長されたフィルムは、ＭｇＯとＲＥＢ
ＣＯとの間の格子不整合に対応するのに役立ち得る。他の実施形態では、全ての緩衝フィ
ルムは、種々の物理的蒸着、溶液コーティング、または化学蒸着技法によって蒸着されて
もよい。
ある実施形態では、超伝導ＲＥＢＣＯフィルムは、イットリウム、ガドリニウム、ネオ
ジミウム、エルビウム、ユーロピウム、サマリウム、ジスプロシウム、ホルミウム等の単
一希土類元素から成ってもよい。別の実施形態では、超伝導ＲＥＢＣＯフィルムは、任意
の組み合わせにおいて、これらの希土類元素のうちの１つまたはそれを上回るものから成
ってもよい。超伝導フィルムは、約０．５〜１０μｍ厚であってもよい。なおも別の実施
形態では、ＲＥＢＣＯフィルムは、薄フィルム物理的蒸着技法（例えば、パルス状レーザ
蒸着（ＰＬＤ））、蒸発またはスパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、あるいは化学溶液
蒸着（ＣＳＤ）を介して、蒸着されることができる。
成分ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕカチオンに加え、別の実施形態では、ドーパント材料が、超伝導
フィルム内に組み込まれる出発源材料に添加され、磁束ピンニングを改善することができ
る。一実施形態では、超伝導フィルムが、ＰＬＤまたはスパッタリングによって作製され
る場合、ＢａＺｒＯ３、ＢａＳｎＯ３、ＢａＨｆＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＢａＣｅＯ３、Ｒ
ＥＢａ２ＮｂＯ６、ＲＥＢａ２ＴａＯ６、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、またはＹＳＺ等の１つま
たはそれを上回るドーパントが、前駆体と混合され、焼灼のための標的を形成することが
できる。代替として、別の実施形態では、ドーパントは、標的の区画として作製されても
よく、または別個の標的の中に作製されてもよい。
ある実施形態では、エキシマーレーザ等の焼灼レーザが、標的にわたって走査するにつ
れて、ＲＥＢＣＯおよびドーパント材料は、ともに蒸着され、フィルムを緩衝基板上に形
成することができる。代替として、別の実施形態では、超伝導フィルムが、蒸発によって
作製される場合、ドーパント材料は、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＳｎ
等の別個の元素として、源内に添加されてもよい。
一実施形態では、超伝導フィルムは、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、金属有機蒸着
（ＭＯＤ）、または化学溶液蒸着（ＣＳＤ）等の化学蒸着プロセスによって作製されても
よい。これらの実施形態では、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＳｎ等のド
ーパントが、出発前駆体中の金属有機物として添加されることができる。例えば、ドーパ
ントは、ＭＯＣＶＤの場合、テトラメチルヘプタノディオネイト（ｔｈｄ）の形態におい
て、あるいはＭＯＤまたはＣＳＤの場合、酢酸またはアセチルアセトネートとして、添加
されることができる。全前駆体の溶液は、ＭＯＣＶＤの場合、テトラヒドロフラン（ＴＨ
Ｆ）、およびＭＯＤまたはＣＳＤの場合、トリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）等の溶媒を使用し
て作製されることができる。
ある実施形態では、ＭＯＣＶＤプロセスでは、ＲＥＢＣＯ前駆体溶液およびドーパント
前駆体溶液が、ともに混合され、単一溶液として蒸発器内に送達されてもよい。代替とし
て、ＲＥＢＣＯ前駆体溶液およびドーパント前駆体溶液は、別個の溶液として蒸発器内に
送達されてもよい。別の実施形態では、ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕ、およびドーパントを含有する
蒸発された前駆体は、アルゴン等の搬送ガスを用いて送達される。前駆体は、次いで、酸
素ガスと混合され、シャワーヘッドを通して、ＭＯＣＶＤ反応器の中にともに注入される
ことができる。さらに別の実施形態では、前駆体蒸気は、抵抗または放射加熱器を用いて
加熱される、緩衝基板上に蒸着されることができる。結果は、ドーパント化合物の埋め込
まれた酸化物を伴う、ＲＥＢＣＯフィルムとなる。なおも別の実施形態では、Ｚｒドーパ
ントの使用は、ＢＺＯをＲＥＢＣＯフィルム内に形成させる。ＢＺＯおよび他のドーパン
ト材料は、ＲＥＢＣＯフィルム内のナノ柱または他のナノ構造として形成され、それによ
って、改良された磁束ピンニングを可能にすることが見出されている（Ｖ． Ｓｅｌｖａ
ｍａｎｉｃｋａｍ， ｅｔ ａｌ．，“Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｚｒ ａｎｄ Ｃｅ
Ｄｏｐｉｎｇ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
（Ｇｄ，Ｙ）−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｔａｐｅｓ Ｆａ
ｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ ４６９， ２０３７（２００９）；Ｖ
． Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ， ｅｔ ａｌ．，“Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｒｉｔｉｃ
ａｌ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ Ｚｒ−ａｄｄｅｄ （
Ｇｄ，Ｙ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｔａｐｅｓ”， Ｓｕ
ｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２６， ０３５００６ （２０１３）
；Ｖ． Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ， ｅｔ ａｌ．，“Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅ， Ｈｉｇｈ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｚｒ−ａｄｄｅｄ （Ｇｄ，Ｙ）Ｂａ２Ｃｕ
３Ｏｘ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｔａｐｅｓ”， Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓ
ｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２５， １２５０１３ （２０１２））。
別の実施形態では、ＲＥＢＣＯテープはまた、キャッピング層と、安定化層とを含んで
もよく、これは、低抵抗界面および電気安定化を提供し、実践的使用の間の超電導体焼損
を防止するのに役立つために実装されることができる。さらに別の実施形態では、貴金属
が、キャッピング層として使用され、安定化層と超伝導層との間の望ましくない相互作用
を防止することができる。いくつかの貴金属として、金、銀、白金、およびパラジウムが
挙げられ得る。ある実施形態では、キャッピング層は、約０．０１μｍ〜約２０μｍの厚
さ、または約１μｍの厚さ〜約３μｍの厚さであってもよい。キャッピング層は、スパッ
タリング、蒸発、または電気蒸着によって蒸着されることができる。
一実施形態では、安定化層は、保護／シャント層として機能し、過酷な環境条件および
超伝導性クエンチに対する安定性を向上させてもよい。層は、高密度および熱的かつ電気
的に伝導性であってもよく、超伝導層の故障の場合または超伝導層の臨界電流を超える場
合、電流をバイパスするように機能することができる。また、事前に形成された銅細片を
超伝導テープ上に積層すること、またははんだ等の中間接合材料を使用すること等によっ
て、種々の厚フィルムおよび薄フィルム形成技法のうちの任意の１つによって形成されて
もよい。
一実施形態では、超伝導フィルム（キャッピングおよび安定化層を伴わない）の組成物
は、ＩＣＰ分光法を介して、測定されることができる。別の実施形態では、超伝導テープ
の臨界電流密度は、７７Ｋ時、ゼロ印加磁場下、かつ約４．２Ｋ〜７７Ｋの温度時、種々
の磁場の存在下、４プローブ技法によって測定されることができる。別の実施形態では、
磁場内臨界電流測定が、テープ法線に平行ならびに垂直な磁場の配向を用いて行われても
よい。加えて、さらに別の実施形態では、臨界電流密度は、中間磁場配向において測定さ
れてもよい。任意の温度および磁場におけるリフトファクタが、その条件におけるテープの臨界電流とゼロ印加磁場下、７７Ｋ時、臨界電流の比率として計算されることができる。
図３を参照すると、単なる一例として、一実施形態では、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、
種々の超電導体フィルム組成物のリフトファクタが、約１５．０％〜約２４．５％ＲＥ（Ｇｄ＋Ｙ）、約２９．０％〜約３８．５％Ｂａ＋Ｚｒ、および約４６．５％〜約５６．０％Ｃｕの組成物範囲にわたって、マップされることができる。これらのフィルムは、ＴＨＦ溶媒中で混合されたＧｄ、Ｙ、Ｂａ、およびＣｕのテトラメチルヘプタノディオネイト前駆体を使用して、ＭＯＣＶＤプロセスによって加工されることができる。前駆体配合表は、付加的１５〜２５モル％Ｚｒを含むことができる。前駆体中の全カチオン（ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｚｒ）が、フィルム内に組み込まれる場合、１５％Ｚｒは、フィルム内の全カチオンの２．４原子％に等しいＺｒ含有量に対応し得る。溶液は、約２７０℃においてフラッシュ蒸発され、前駆体は、ＬａＭｎＯ３−緩衝ＩＢＡＤ ＭｇＯ系Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ基板上に蒸着されることができる。蒸着は、圧力２〜３トルにおいて、温度７５０〜８５０℃で行われることができる。
図３に図示されるように、ある実施形態では、約３２．０原子％を上回るバリウム＋ジ
ルコニウム含有量および約４９．０原子％未満の銅含有量を有する、超伝導テープは、約
３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０を上回るリフトファクタを呈することができる。一実施形態では、約３０Ｋ時、約３Ｔ下で約３．０を上回るリフトファクタを呈するサンプルの場合、フィルム内のＺｒ含有量は、少なくとも１．６５原子％であり得、バリウム含有量は、少なくとも２９．９％であり得る。別の実施形態では、約３３．０原子％を上回るバリウム＋ジルコニウム含有量、約４９．０％原子％未満の銅含有量を有する、超伝導テープは、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下で約４．０を上回るリフトファクタを呈することができる。一実施形態では、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約４．０を上回るリフトファクタを呈するサンプルの場合、フィルム内のＺｒ含有量は、少なくとも１．６５原子％であり得、およびバリウム含有量は、少なくとも３０．５原子％であり得る。
約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０および約４．０を上回るリフトファクタを達成するためのフィルム内のバリウム、ジルコニウム、バリウム＋ジルコニウム、および銅の限界値が、単なる一例として、それぞれ、図４、５、６、および７に図示される。例えば、図４は、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０を上回るリフトファクタを達成するために必要なバリウムの限界値を図示する。一実施形態では、約２９．９原子％を上回るＢａ含有量は、３を上回るリフトファクタを達成することができる。別の実施形態では、約３０．５原子％を上回るＢａ含有量は、４を上回るリフトファクタを達成することができる。図５は、単なる一例として、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０および約４．０を上回るリフトファクタを達成するために必要なジルコニウムの限界値を図示する。一実施形態では、約１．６５原子％を上回るＺｒ含有量は、３および４の両方を上回るリフトファクタを達成することができる。図６、単なる一例として、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０および約４．０を上回るリフトファクタを達成するために必要なバリウム＋ジルコニウムの限界値を図示する。一実施形態では、約３１．５原子％を上回るＢａ＋Ｚｒ含有量は、３を上回るリフトファクタを達成することができる。別の実施形態では、約３３．０原子％を上回るＢａ＋Ｚｒ含有量は、４を上回るリフトファクタを達成することができる。図７は、単なる一例として、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０および約４．０を上回るリフトファクタを達成するために必要な銅の限界値を図示する。一実施形態では、約５１．０％原子％未満のＣｕ含有量は、３を上回るリフトファクタを達成することができる。別の実施形態では、約５０．０原子％未満のＣｕ含有量は、４を上回るリフトファクタを達成することができる。
図８を参照すると、単なる一例として、一実施形態では、Ｂａ＋Ｚｒ＋Ｃｕ値に正規化
された種々の超電導体フィルム組成物の、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下のリフトファクタが、約１．０％〜約１０．０％Ｚｒ、約３４．０％〜約４３．０％Ｂａ、および約５６．０％〜約６５．０％Ｃｕの組成物範囲にわたってマップされ得る。
図８に図示されるように、ある実施形態では、Ｂａ＋Ｃｕ＋Ｚｒの総含有量の約３７．
５％を上回るバリウム含有量、Ｂａ＋Ｃｕ＋Ｚｒの総含有量の約６０．５％未満の銅含有
量、およびＢａ＋Ｃｕ＋Ｚｒの総含有量の約２％未満のジルコニウム含有量を有する、超
伝導テープは、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０を上回るリフトファクタを呈することができる。別の実施形態では、Ｂａ＋Ｃｕ＋Ｚｒの総含有量の約３８％を上回るバリウム含有量、Ｂａ＋Ｃｕ＋Ｚｒの総含有量の約５９．５％未満の銅含有量、およびＢａ＋Ｃｕ＋Ｚｒの総含有量の約２．５％未満のＺｒ含有量を有する、超伝導テープは、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約４．０を上回るリフトファクタを呈することができる。
約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３および約４を上回るリフトファクタを達成するためのフィルム内のバリウム対銅およびバリウム＋ジルコニウム対銅の比率が、単なる一例として、それぞれ、図９および１０に図示される。例えば、図９は、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０を上回るリフトファクタを達成するために必要なバリウム対銅の比率を図示する。一実施形態では、少なくとも約０．５８を上回るまたはそれと等しいＢａ対Ｃｕ比率は、３を上回るリフトファクタを達成することができる。別の実施形態では、少なくとも約０．６２を上回るまたはそれと等しいＢａ対Ｃｕ比率は、４を上回るリフトファクタを達成することができる。図１０は、単なる一例として、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３および約４を上回るリフトファクタを達成するために必要なバリウム＋ジルコニウム対銅の比率を図示する。一実施形態では、少なくとも約０．６２を上回るまたはそれと等しいＢａ＋Ｚｒ対Ｃｕ比率は、３を上回るリフトファクタを達成することができる。別の実施形態では、少なくとも約０．６５を上回るまたはそれと等しいＢａ＋ＺｒとＣｕ含有量は、４を上回るリフトファクタを達成することができる。
図１１は、７７Ｋ時、０Ｔの磁場下、臨界電流密度（Ｊｃ）の範囲（例えば、２〜５Ｍ
Ａ／ｃｍ２）を有する、約３０Ｋ時、約３Ｔの磁場下（テープに垂直に印加される）、約
１５〜２５モル％Ｚｒ添加を伴ういくつかの（Ｇｄ、Ｙ）−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏテープのリフトファクタを図示する。予想外にも、７７Ｋ時、０Ｔ磁場下、４．２ＭＡ／ｃｍ２未満の臨界電流密度を有する、それらの超伝導テープのみ、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約３．０を上回るリフトファクタを呈し得る。さらに、７７Ｋ時、０Ｔ磁場下、３．８ＭＡ／ｃｍ２未満の臨界電流密度を有する、それらの超伝導テープのみ、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約４．０を上回るリフトファクタを呈し得る。超電導体研究における傾向は、ゼロ磁場下、７７Ｋ時、臨界電流密度を増加させることである。したがって、ゼロ磁場下、７７Ｋ時、より高い臨界電流密度は、実践的条件において高リフトファクタを達成するという観点から望ましくない場合があるという発見は、予測外であって、以前には、当技術分野において予想されていない。
本願の別の目的は、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、超電導体テープにおいて、約３．０を
上回るリフトファクタおよび高絶対臨界電流密度値の両方を達成することである。一実施形態では、約７７Ｋ時、約０Ｔ磁場下、テープの臨界電流密度は、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約８００Ａ／ｃｍ−幅にわたって臨界電流密度を達成するためには十分に高くあり得る。例えば、約３０．１７％Ｂａ、約５０．７％Ｃｕ、約８．８６％Ｙ、約７．５％Ｇｄ、および約１．７７％Ｚｒのカチオン組成物を伴う、約０．９１μｍ厚の超伝導フィルムは、７７Ｋ時、０Ｔ下、約２．７６ＭＡ／ｃｍ２の臨界電流密度と、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約３．４のリフトファクタとを呈し得る。故に、テープの臨界電流は、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約８５１Ａ／ｃｍであり得る。なおもさらなる実施形態では、約３１．５原子％を上回るバリウム＋ジルコニウム含有量、約５１原子％未満の銅含有量、および約１９．５原子％未満の希土類（例えば、イットリウム＋ガドリニウム）含有量を有する、超伝導テープは、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約８００Ａ／ｃｍ−幅にわたって臨界電流密度を呈し得る。
別の実施形態では、臨界電流密度とリフトファクタとの間の前述で識別された相関は、約６０Ｋを下回る温度で観察され得る。例えば、約０．８５μｍ厚の超伝導フィルムは、７７Ｋ時、０Ｔ下、約３．１６ＭＡ／ｃｍ２の臨界電流密度と、３Ｔ下、５９Ｋ時、約１．２５、５４Ｋ時、１．５７、４９Ｋ時、１．９０、３８Ｋ時、２．９９、３０Ｋ時、４．１、２５Ｋ時、４．６４、および２０Ｋ時、５．６７のリフトファクタとを呈し得る。さらに別の実施形態では、約０．９１μｍのフィルム厚を伴う超伝導フィルムは、７７Ｋ時、０Ｔ下、約４．６６ＭＡ／ｃｍ２の臨界電流密度と、３Ｔ下、５９Ｋ時、約０．６１、５４Ｋ時、０．７７、４９Ｋ時、０．９２、３９Ｋ時、１．２９、３０Ｋ時、１．６８、２５Ｋ時、１．９０、および２０Ｋ時、２．２１のリフトファクタとを呈し得る。
さらに別の実施形態では、類似相関は、約６０Ｋを下回る温度において、超伝導テープ組成物とリフトファクタとの間にも存在し得る。例えば、約３１．４９％Ｂａ、約５０．８８％Ｃｕ、約８．５６％Ｙ、約７．３％Ｇｄ、および約１．７５％Ｚｒのカチオン組成物を伴う０．８５μｍ厚の超伝導フィルムは、７７Ｋ時、０Ｔ下、約３．１６ＭＡ／ｃｍ２の臨界電流密度と、３Ｔ下、５９Ｋ時、約１．２５、５４Ｋ時、１．５７、４９Ｋ時、１．９０、３８Ｋ時、２．９９、３０Ｋ時、４．１、２５Ｋ時、４．６４、および２０Ｋ時、５．６７のリフトファクタとを呈し得る。
Ｂａ＋Ｚｒ−Ｃｕ比率は、リフトファクタに最も強い影響を及ぼし得る。したがって、他の実施形態では、超伝導ＲＥＢＣＯテープは、以下のＲＥ元素：Ｙ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｎｄ、またはＳｍのうちの１つを含んでもよい。超伝導テープのタイプ毎に、図３および１１に観察されるように、臨界電流密度とリフトファクタとの間に類似相関が存在し得る。例えば、Ｚｒドープを伴う（Ｇｄ、Ｄｙ）−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ組成物の約０．９１μｍ厚の超伝導フィルムは、７７Ｋ時、０Ｔ下、約２．６１ＭＡ／ｃｍ２の臨界電流密度と、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約３．０のリフトファクタを呈し得る。
本願のさらに別の目的は、超電導体テープにおいて、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約４
．０を上回るリフトファクタおよび高絶対臨界電流密度値の両方を達成することである。一実施形態では、約７７Ｋ時、約０Ｔ磁場下、テープの臨界電流密度は、約３０Ｋ時、約３Ｔ磁場下、約２１６０Ａ／１２ｍｍ−幅にわたって臨界電流を達成するために十分に高くあり得る。例えば、以下の表１は、異なる概算カチオン組成物を有する種々の０．９μｍ厚の超伝導フィルムの臨界電流密度およびリフトファクタを図示する。
故に、テープ１の臨界電流は、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約１３４６Ａ／１２ｍｍであり
得る。テープ２の臨界電流は、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約１７５１Ａ／１２ｍｍであり得
る。テープ３の臨界電流は、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約１６６１Ａ／１２ｍｍであり得る
。テープ４の臨界電流は、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約１２９７Ａ／１２ｍｍであり得る。
テープ５の臨界電流は、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約１４１３Ａ／１２ｍｍであり得る。テ
ープ６の臨界電流は、約３０Ｋ時、約３Ｔ下、約２１６０Ａ／１２ｍｍであり得る。
他のドーパントも、Ｚｒと同様に等しく機能し得る。したがって、さらに他の実施形態
では、超伝導テープは、以下の成分：ニオブ、タンタル、ハフニウム、スズ、セリウム、
およびチタンのうちの１つまたはそれを上回るものでドープされる。超伝導テープのタイ
プ毎に、図３および１１に観察されるように、臨界電流密度とリフトファクタとの間に類似相関が存在し得る。
前述の説明は、例証であって、限定ではないことが意図されることを理解されたい。材
料は、任意の当業者が、本明細書に説明される本発明の概念を作製および使用することを
可能にするために提示されており、特定の実施形態の文脈において提供され、その変形例
は、当業者に容易に明白になるであろう（例えば、開示される実施形態のうちのいくつか
は、相互に組み合わせて使用されてもよい）。多くの他の実施形態は、前述の説明の精査
に応じて、当業者に明白となるであろう。本発明の範囲は、したがって、添付の請求項と
ともに、そのような請求項の権利が付与される均等物の全範囲を参照して判定されるべき
である。添付の請求項では、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」は
、個別の用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」の平易な英語均等物と
して使用される。
アルミナおよびイットリア緩衝層を伴う、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ−２７６テープが、
室温において、イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）によって、ＭｇＯでコーティングされ
、２軸方向にテクスチャ化されたフィルムをもたらした。ホモエピタキシャルＭｇＯおよ
びＬａＭｎＯ３が、温度範囲６００〜８００℃において、マグネトロンスパッタリングに
よって、ＩＢＡＤ ＭｇＯ層上に蒸着された。緩衝テープが、Ｚｒ添加を伴うＧｄＹＢＣ
ＯフィルムのＭＯＣＶＤのために使用された。Ｚｒ０．１５Ｇｄ０．６Ｙ０．６Ｂａ２Ｃ
ｕ２．３のカチオン組成物を伴うテトラメチルヘプタノディオネイト前駆体が、モル濃度
０．０５Ｍ／Ｌにおいて、テトラヒドロフランの溶媒中に溶解された。前駆体溶液が、流
率２．５ｍＬ／分で送達され、２７０℃でフラッシュ蒸発され、アルゴンのガス中に搬送
され、酸素と混合され、次いで、線形シャワーヘッドを使用して、反応器の中に注入され
た。前駆体蒸気は、約８３０℃の温度範囲において、反応器圧力２．３トルで、速度２．
１ｃｍ／分で移動する緩衝ＩＢＡＤテープ上に蒸着された。超電導体フィルムの厚さは、
０．９２５μｍであると断面走査電子顕微鏡法によって測定された。フィルムのカチオン
原子組成物は、３１．３５％Ｂａ、４９．５７％Ｃｕ、８．０３％Ｇｄ、９．３６％Ｙ、
および１．６９％ＺｒであるとＩＣＰ分光分析によって判定された。テープの臨界電流密
度は、７７Ｋ時、０Ｔ下、２．８４ＭＡ／ｃｍ２であると測定された。３０Ｋ時、テープ
に垂直に印加される３Ｔ磁場下、リフトファクタ４．４が、１１５３Ａ／ｃｍの臨界電流に対応して達成された。
Ｚｒ０．１５Ｇｄ０．６Ｙ０．６Ｂａ２Ｃｕ２．２のカチオン組成物を伴うテトラメチ
ルヘプタノディオネイト前駆体が、モル濃度０．０５Ｍ／Ｌにおいて、テトラヒドロフラ
ンの溶媒中に溶解された。前駆体溶液は、流率２．５ｍＬ／分で送達され、２７０℃でフ
ラッシュ蒸発され、アルゴンのガス中に搬送され、次いで、酸素と混合され、線形シャワ
ーヘッドを使用して、反応器の中に注入された。前駆体蒸気は、約８００℃の温度範囲に
おいて、反応器圧力２．３トルで、速度２．１ｃｍ／分で移動する緩衝ＩＢＡＤテープ上
に蒸着された。超電導体フィルムの厚さは、０．９１μｍであると断面走査電子顕微鏡法
によって測定された。フィルムのカチオン原子組成物は、３０．２９％Ｂａ、５１．４７
％Ｃｕ、８．１２％Ｇｄ、８．５５％Ｙ、および１．５７％ＺｒであるとＩＣＰ分光分析
によって判定された。テープの臨界電流密度は、７７Ｋ時、０Ｔ下、４．３７ＭＡ／ｃｍ
２であると測定される。３０Ｋ時、テープに垂直に印加される３Ｔ磁場下、リフトファクタ１．８が、７２８Ａ／ｃｍの臨界電流に対応して達成された。

Claims (17)

  1. 超電導体テープであって、前記超電導体テープは、
    前記テープに垂直な配向を有する３Ｔの磁場下、３０Ｋにおいて、３．０よりも大きいまたはそれに等しいリフトファクタを備え、
    前記テープは、３０Ｋにおける前記３Ｔの磁場下、８００Ａ／ｃｍ−幅よりも大きい臨界電流をさらに備える、超電導体テープ。
  2. 全カチオンの３２．０原子％よりも大きいバリウムおよびドーパント含有量をさらに備える、請求項１に記載の超電導体テープ。
  3. 全カチオンの４９．０原子％よりも小さい銅含有量をさらに備える、請求項２に記載の超電導体テープ。
  4. 前記ドーパント含有量は、全カチオンの少なくとも１．６５原子％であり、前記バリウム含有量は、全カチオンの少なくとも２９．９原子％である、請求項２に記載の超電導体テープ。
  5. 前記リフトファクタは、３Ｔの磁場下、３０Ｋにおいて、４．０よりも大きいまたはそれに等しい、請求項１に記載の超電導体テープ。
  6. 全カチオンの３３．０原子％よりも大きいバリウムおよびドーパント含有量をさらに備える、請求項５に記載の超電導体テープ。
  7. 全カチオンの４９．０原子％よりも小さい銅含有量をさらに備える、請求項６に記載の超電導体テープ。
  8. 前記ドーパント含有量は、全カチオンの少なくとも１．６５原子％であり、前記バリウム含有量は、全カチオンの少なくとも３０．５原子％である、請求項６に記載の超電導体テープ。
  9. ３７．５％よりも大きいバリウム対バリウムおよびドーパントおよび銅の比率、２．０％よりも小さいドーパント対バリウムおよびドーパントおよび銅の比率、６０．５％よりも小さい銅対バリウムおよびドーパントおよび銅の比率をさらに備える、請求項１に記載の超電導体テープ。
  10. ０．５８よりも大きいまたはそれに等しいバリウム対銅の比率をさらに備える、請求項１に記載の超電導体テープ。
  11. ０．６２よりも大きいまたはそれに等しいバリウムおよびドーパント対銅の比率をさらに備える、請求項１に記載の超電導体テープ。
  12. ３８．０％よりも大きいバリウム対バリウムおよびドーパントおよび銅の比率、２．５％よりも小さいドーパント対バリウムおよびドーパントおよび銅の比率、５９．５％よりも小さい銅対バリウムおよびドーパントおよび銅の比率をさらに備える、請求項５に記載の超電導体テープ。
  13. ０．６２よりも大きいまたはそれに等しいバリウム対銅の比率をさらに備える、請求項５に記載の超電導体テープ。
  14. ０．６５よりも大きいまたはそれに等しいバリウムおよびドーパント対銅の比率をさらに備える、請求項５に記載の超電導体テープ。
  15. 外部磁場の不在下、７７Ｋにおいて、４．２ＭＡ／ｃｍ２ よりも小さいまたはそれに等しい臨界電流密度をさらに備える、請求項１に記載の超電導体テープ。
  16. 外部磁場の不在下、７７Ｋにおいて、３．８ＭＡ／ｃｍ２ よりも小さいまたはそれに等しい臨界電流密度をさらに備える、請求項５に記載の超電導体テープ。
  17. ＲＥＢＣＯ超伝導テープを製造する方法であって、
    前記方法は、超伝導テープ基板に前駆体蒸気を印加することを含み、
    前記前駆体蒸気は、
    前記テープに垂直な配向を有する３Ｔの磁場下、３０Ｋにおいて、３．０よりも大きいまたはそれに等しいリフトファクタであって、前記テープは、３０Ｋにおける前記３Ｔの磁場下、８００Ａ／ｃｍ−幅よりも大きい臨界電流をさらに備える、リフトファクタと、
    全カチオンの３３．０原子％よりも大きいバリウムおよびドーパント含有量と、
    全カチオンの４９．０原子％よりも小さい銅含有量と
    を備えるフィルムをもたらす、方法。
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