JP7342310B2 - Power supply device, superconducting device, superconducting device, and method for manufacturing a superconducting device - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 2018年度春季(第96回)低温工学・超電導学会研究発表会 口頭発表、平成30年5月28日(開催日) [刊行物等] 2018年度秋季(第97回)低温工学・超電導学会研究発表会 口頭発表、平成30年11月21日(開催日) [刊行物等] 2018年度秋季(第97回)低温工学・超電導学会研究発表会 講演概要、https://csj.or.jp/conference/2018a/3C.pdf、平成30年11月14日(掲載日) [刊行物等] 第31回国際超電導シンポジウム(ISS2018) 口頭発表、平成30年12月12日(開催日) [刊行物等] 第31回国際超電導シンポジウム(ISS2018) 講演概要、https://iss2018.jp/abstracts-pdf.html、平成30年12月4日(掲載日) [刊行物等] 2019年 第66回 応用物理学会 春季学術講演会 口頭発表、平成31年3月10日(開催日) [刊行物等] 2019年 第66回 応用物理学会 春季学術講演会 講演概要、https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2019s/subject/10p-S224-3/advanced、平成31年2月25日(掲載日)Application of
本開示は電源装置及びその電源装置を利用した超伝導装置、その電源装置及び超伝導装置に利用可能な超伝導デバイス及び超伝導デバイスの製造方法に関する。 The present disclosure relates to a power supply device, a superconducting device using the power supply device, a superconducting device that can be used in the power supply device and the superconducting device, and a method for manufacturing a superconducting device.
臨界温度よりも低い温度において抵抗がゼロになる超伝導体は、省エネルギーデバイスとしての応用が進められている。例えば、特許文献1には、超伝導ジョセフソン素子を使用した整流素子が開示されている。とくに、高価な液体ヘリウムではなく比較的安価な液体窒素の温度で超伝導状態となる銅酸化物系などの高温超伝導体は、広い分野における応用が期待される。 Superconductors, which have zero resistance at temperatures lower than their critical temperature, are being used as energy-saving devices. For example, Patent Document 1 discloses a rectifying element using a superconducting Josephson element. In particular, high-temperature superconductors such as cuprates, which become superconducting at the temperature of relatively inexpensive liquid nitrogen rather than expensive liquid helium, are expected to find applications in a wide range of fields.
現在発見されている超伝導体は、いずれも臨界温度が常温未満であるので、超伝導体を超伝導状態に維持するために、超伝導体を臨界温度より低い温度に冷却し続ける必要がある。したがって、超伝導体を利用した超伝導装置の消費エネルギーを低減させるためには、超伝導体を冷却するために要するエネルギーを低減させることも重要である。 All of the superconductors currently discovered have a critical temperature below room temperature, so in order to maintain the superconductor in a superconducting state, it is necessary to continue cooling the superconductor to a temperature below the critical temperature. . Therefore, in order to reduce the energy consumption of a superconductor using a superconductor, it is also important to reduce the energy required to cool the superconductor.
本開示は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、超伝導体を利用した装置の消費エネルギーを低減させるための技術を提供することである。 The present disclosure has been made in view of such problems, and its purpose is to provide a technique for reducing energy consumption of a device using a superconductor.
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電源装置は、給電部から給電される交流電力を非接触で受電する受電部と、受電部が受電した交流電力を直流電力に変換する変換部と、を備える。変換部は、電流が流れる方向によって臨界電流値が異なる超伝導デバイスを含む。 In order to solve the above problems, a power supply device according to an aspect of the present disclosure includes a power receiving unit that receives AC power supplied from a power feeding unit in a non-contact manner, and a converter that converts the AC power received by the power receiving unit into DC power. It is equipped with a section and a section. The converter includes a superconducting device whose critical current value varies depending on the direction in which current flows.
本開示の別の態様の超伝導装置は、上記の電源装置と、超伝導材料により形成され、電源装置の変換部により変換された直流電流を流すための電線と、電源装置の超伝導デバイスに含まれる超伝導材料及び電線を形成する超伝導材料をそれらの臨界温度よりも低い温度に冷却する冷却部と、を備える。 A superconducting device according to another aspect of the present disclosure includes the above-mentioned power supply device, an electric wire formed of a superconducting material and for flowing a direct current converted by a conversion unit of the power supply device, and a superconducting device of the power supply device. and a cooling unit that cools the included superconducting material and the superconducting material forming the wire to a temperature lower than their critical temperatures.
本開示によれば、超伝導体を利用した装置の消費エネルギーを低減させることができる。 According to the present disclosure, energy consumption of a device using a superconductor can be reduced.
本開示の実施の形態において、超伝導体を利用した装置への給電技術について説明する。超伝導体を利用した装置においては、超伝導体を臨界温度未満の温度に維持する必要があるため、冷却のためにエネルギー及びコストを要する。従来の超伝導マグネットシステムなどの応用においては、直流電源から電流リードを介して超伝導電磁石に直流電流を供給していたため、電流リードを介した熱の侵入が避けられない。そのため、継続的な冷却が必要であり、多くのエネルギーを消費する。その上、強い磁場を得るために大電流を供給する場合には、より多くの熱が内部に侵入するので、冷却のためのエネルギー及びコストが更に増大するという問題がある。 In an embodiment of the present disclosure, a power supply technique to a device using a superconductor will be described. In devices using superconductors, it is necessary to maintain the superconductor at a temperature below its critical temperature, which requires energy and cost for cooling. In applications such as conventional superconducting magnet systems, direct current is supplied from a DC power source to a superconducting electromagnet via a current lead, so heat intrusion via the current lead is unavoidable. Therefore, continuous cooling is required and a lot of energy is consumed. Moreover, when a large current is supplied to obtain a strong magnetic field, more heat enters the inside, which further increases the energy and cost for cooling.
したがって、本開示においては、電流リードを介さずに非接触で超伝導体に給電する技術を提案する。電磁誘導などを利用した非接触給電方式においては、交流電力が給電されるが、超伝導電磁石などの装置には直流電流を流す必要があるため、非接触給電された交流電力を直流電力に変換する必要がある。従来の整流素子である半導体ダイオードは、低温でキャリア密度が低下して容量が低下してしまう上、低温で立ち上がり電圧が大きくなり損失が大きくなるという問題がある。そこで、本開示では、低温環境において低消費電力で整流が可能な超伝導材料を使用した整流素子により交流電力を直流電力に変換する。 Therefore, in the present disclosure, a technique is proposed for supplying power to a superconductor in a non-contact manner without using a current lead. In non-contact power transfer methods that use electromagnetic induction, etc., AC power is transferred, but since DC current needs to flow through devices such as superconducting electromagnets, the AC power transferred without contact is converted to DC power. There is a need to. Semiconductor diodes, which are conventional rectifying elements, have problems in that their carrier density decreases at low temperatures, resulting in a decrease in capacity, and that the rise voltage increases at low temperatures, resulting in increased loss. Therefore, in the present disclosure, AC power is converted to DC power using a rectifying element using a superconducting material that can perform rectification with low power consumption in a low-temperature environment.
まず、第1の実施の形態において、整流素子として利用可能な特性を有する超伝導デバイスと、その超伝導デバイスに関する本発明者らによる研究の内容について説明する。つづいて、第2の実施の形態において、第1の実施の形態の超伝導デバイスを整流素子として利用した電源装置と、その電源装置を利用した超伝導装置について説明する。 First, in a first embodiment, a superconducting device having characteristics that can be used as a rectifying element and the content of research by the present inventors regarding the superconducting device will be described. Next, in a second embodiment, a power supply device using the superconducting device of the first embodiment as a rectifying element and a superconducting device using the power supply device will be described.
(第1の実施の形態)
図1は、実施の形態に係る超伝導デバイスの電流電圧特性を示す。実施の形態に係る超伝導デバイスは、所定の条件下において、電流方向に依存して臨界電流値が異なる非対称な電流電圧特性を有する。例えば、後述する実施例において製造した超伝導デバイスは、基板の表面に垂直な方向に磁場を印加した場合には、一般的な超伝導体と同様に、電流を正方向に流す場合も負方向に流す場合も同じ臨界電流値で常伝導に転移するが、基板の表面に平行な方向に磁場を印加した場合は、図1に示すように、電流を正方向に流す場合の臨界電流値Ic
upの方が、電流を負方向に流す場合の臨界電流値Ic
downよりも大きくなり、臨界電流値に非対称性(Ic非対称性)が生じる。実施の形態に係る超伝導デバイスは、この臨界電流値の電流方向依存性を利用して、電流誘起型の整流素子などとして利用することができる。
(First embodiment)
FIG. 1 shows current-voltage characteristics of a superconducting device according to an embodiment. The superconducting device according to the embodiment has asymmetric current-voltage characteristics in which the critical current value differs depending on the current direction under predetermined conditions. For example, when a magnetic field is applied in the direction perpendicular to the surface of the substrate, the superconducting device manufactured in the example described later shows that when a magnetic field is applied in the direction perpendicular to the surface of the substrate, current flows in the positive direction as well as in the negative direction. When the current is passed in the positive direction, it transitions to normal conduction at the same critical current value, but when a magnetic field is applied in a direction parallel to the surface of the substrate, the critical current value I when the current is passed in the positive direction, as shown in Figure 1. c up is larger than the critical current value I c down when the current flows in the negative direction, and asymmetry (I c asymmetry) occurs in the critical current value. The superconducting device according to the embodiment can be used as a current-induced rectifier or the like by utilizing the dependence of the critical current value on the current direction.
図2は、実施の形態に係る超伝導デバイスを用いた半波整流回路における入力交流電流Iと応答電圧Vの波形を示す。入力交流電流の電流値がIcよりも小さい間は電圧は発生しないが、入力交流電流の値がIcを越えると電圧が発生するので、下段に示すように応答電圧Vが半波整流される。Ic upとIc downの非対称性が大きいほど整流率は大きくなるので、Ic upとIc downの非対称性が大きい超伝導デバイスの開発が望まれる。 FIG. 2 shows waveforms of input AC current I and response voltage V in a half-wave rectifier circuit using the superconducting device according to the embodiment. While the current value of the input AC current is smaller than Ic , no voltage is generated, but when the value of the input AC current exceeds Ic , a voltage is generated, so the response voltage V is half-wave rectified as shown in the lower part. Ru. The greater the asymmetry between I c up and I c down , the greater the rectification ratio, so it is desired to develop a superconducting device with a greater asymmetry between I c up and I c down .
このような臨界電流値の非対称性は、超伝導材料の薄膜の表面側と、基板との界面側とで、磁束の侵入し易さが異なることに起因すると考えられる。すなわち、臨界電流値の非対称性は、超伝導材料の薄膜の形状、構造、結晶性などの非対称性や、薄膜の内部又は表面に形成されたピンニングセンターや微細加工などの形状、数、密度、分布の非対称性によるポテンシャルエネルギーの空間非対称性により生じていると考えられる。 Such asymmetry in the critical current value is thought to be due to the fact that the ease with which magnetic flux penetrates differs between the surface side of the thin film of superconducting material and the interface side with the substrate. In other words, the asymmetry of the critical current value is caused by the asymmetry of the shape, structure, crystallinity, etc. of the thin film of superconducting material, the shape, number, density, etc. of pinning centers and microfabrication formed inside or on the surface of the thin film, etc. This is thought to be caused by spatial asymmetry of potential energy due to asymmetry of distribution.
上記の超伝導デバイスに関する本発明者らの研究の内容について、以下に詳述する。 The content of the research conducted by the present inventors regarding the above-mentioned superconducting device will be described in detail below.
[実施例]
実施例において使用するREBa2Cu3Oy(REBCO:REはYを含む希土類元素)高温超伝導体は、安価な液体窒素温度で使用可能であり、超伝導特性が高く、実用化が期待されている材料である。
[Example]
The REBa 2 Cu 3 O y (REBCO: RE is a rare earth element containing Y) high-temperature superconductor used in the examples can be used at an inexpensive liquid nitrogen temperature, has high superconducting properties, and is expected to be put into practical use. This is the material that is used.
[REBCOの結晶構造]
REBCOは、ペロブスカイト構造を有する。ペロブスカイト構造は、RMO3という組成式であらわされ、立方晶の単位格子を持ち、体心に金属元素M、各頂点に金属元素R、各面心に酸素Oが配置した構造となっている。Rとの相互作用で、Mを中心としたOで形成される正八面体はひずみやすく、斜方晶や正方晶に相転移する物質が多い。
[Crystal structure of REBCO]
REBCO has a perovskite structure. The perovskite structure is expressed by the composition formula RMO 3 and has a cubic unit cell, with a metal element M at the body center, a metal element R at each vertex, and oxygen O at each face center. Due to the interaction with R, the regular octahedron formed by O with M at the center is easily distorted, and many substances undergo a phase transition to orthorhombic or tetragonal crystals.
図3は、REBCOの結晶構造の模式図を示す。REBa2Cu3O7は斜方晶構造、REBa2Cu3O6は正方晶構造をとる。REBCOはペロブスカイト構造が3層積み重なった構造をしており、REを含んだペロブスカイト構造は酸素が欠損した状態となる。超伝導電流はREを挟むCuO5の四角錐構造の底面であるCuO2面を流れる。このCuO2面を超伝導層と呼ぶ。これに対し、CuO鎖とその上下に位置するBaO面は絶縁層またはブロック層と呼ばれる。このような超伝導層と絶縁層が積み重なった結晶構造に起因して、REBCOは強い電気的異方性を持つ。 FIG. 3 shows a schematic diagram of the crystal structure of REBCO. REBa 2 Cu 3 O 7 has an orthorhombic structure, and REBa 2 Cu 3 O 6 has a tetragonal structure. REBCO has a structure in which three layers of perovskite structures are stacked, and the perovskite structure containing RE is in an oxygen-deficient state. The superconducting current flows through the CuO 2 surface, which is the bottom surface of the CuO 5 square pyramid structure sandwiching the RE. This CuO 2 plane is called a superconducting layer. On the other hand, the CuO chains and the BaO planes located above and below them are called insulating layers or block layers. Due to its crystal structure in which superconducting layers and insulating layers are stacked, REBCO has strong electrical anisotropy.
REBCOはCuO鎖を構成する酸素量によって結晶構造が変化する。図4は、SmBa2Cu3Oy(SmBCO)の酸素量yと格子定数の関係を示す。yの増加に伴い、a軸長は短く、b軸長は長くなり、y=6.36程度で等しくなる。このとき、結晶構造は正方晶から斜方晶に転移する。また、yの増加に伴い、c軸長は短くなる。これは、CuO鎖への酸素のドープによって上下のBaO面が引き付けられるためである。また、温度に対してREBCO結晶構造の相転移が生じる。800℃程度の成膜温度領域では酸素欠損量が大きく正方晶をとるが、650℃程度で斜方晶に転移する。また、REBCOの格子定数はRE元素によっても大きく異なる。 The crystal structure of REBCO changes depending on the amount of oxygen constituting the CuO chain. FIG. 4 shows the relationship between the oxygen content y and the lattice constant of SmBa 2 Cu 3 O y (SmBCO). As y increases, the a-axis length becomes shorter and the b-axis length becomes longer, and they become equal at about y=6.36. At this time, the crystal structure changes from tetragonal to orthorhombic. Furthermore, as y increases, the c-axis length becomes shorter. This is because the upper and lower BaO surfaces are attracted by the doping of oxygen into the CuO chains. Further, a phase transition of the REBCO crystal structure occurs with respect to temperature. In the film formation temperature range of about 800° C., the amount of oxygen vacancies is large and the film becomes tetragonal, but at about 650° C. it transforms into orthorhombic crystal. Furthermore, the lattice constant of REBCO varies greatly depending on the RE element.
[REBCOの超伝導特性]
REBCOの超伝導特性は、結晶構造の変化による影響を強く受ける。図5は、REBCOの酸素量yに対するキャリア濃度とTcの関係を示す。REBCOのキャリアはホールであり、yによってキャリア濃度を制御することができる。Tcはキャリア濃度に依存し、極大値を持つ。Tcの極大値をとる状態を最適ドープといい、最適ドープより少ない状態をアンダードープ、多い状態をオーバードープという。
[Superconducting properties of REBCO]
The superconducting properties of REBCO are strongly influenced by changes in the crystal structure. FIG. 5 shows the relationship between the carrier concentration and T c with respect to the oxygen amount y in REBCO. The carriers of REBCO are holes, and the carrier concentration can be controlled by y. T c depends on the carrier concentration and has a maximum value. A state in which T c takes a maximum value is called optimal doping, a state in which the doping is less than the optimal doping is called underdoping, and a state in which it is more than the optimal doping is called overdoping.
REBCOはRE3+とBa2+のイオン半径が近い場合に、RE3+イオンがBa2+サイトへ置換し、RE1+xBa2-xCu3Oyの固溶体を形成することがある。図6は、REBCOのRE3+イオン半径に対する固溶限界を示す。Ba2+のイオン半径は0.143nmであり、RE3+イオンがBa2+のイオン半径に近いほど固溶限界が大きくより多く置換が起こる。このRE/Ba置換によって格子定数やTcが変化する。図7は、SmBCOのSm/Ba置換によるTcと格子定数の変化を示す。置換量の増加に伴い、a軸長は短く、b軸長とc軸長は長くなり、結晶は斜方晶から正方晶に転移する。また、置換量の増加に伴いCuO2面のキャリア濃度が低下するためTcは低下する。 In REBCO, when the ionic radii of RE 3+ and Ba 2+ are close, the RE 3+ ion may substitute into the Ba 2+ site to form a solid solution of RE 1+x Ba 2-x Cu 3 O y . FIG. 6 shows the solid solubility limit versus RE 3+ ion radius of REBCO. The ionic radius of Ba 2+ is 0.143 nm, and the closer the RE 3+ ion is to the ionic radius of Ba 2+ , the larger the solid solution limit is and the more substitution occurs. This RE/Ba substitution changes the lattice constant and Tc . FIG. 7 shows changes in T c and lattice constant due to Sm/Ba substitution in SmBCO. As the amount of substitution increases, the a-axis length becomes shorter, the b-axis length and the c-axis length become longer, and the crystal changes from orthorhombic to tetragonal. Furthermore, as the amount of substitution increases, the carrier concentration on the CuO 2 plane decreases, so T c decreases.
[REBCOの線材応用]
現在主に実用化されている超伝導線材には、Nb-TiやNb3Snが用いられている。これら金属超伝導体は冷却に高価な液体Heを使用するため、運転コストが高いという問題がある。これに対して、REBCO高温超伝導体は冷却に安価な液体N2を使用できるため、冷却コストの低いREBCO線材の実用化が期待される。
[REBCO wire application]
Nb-Ti and Nb 3 Sn are used in superconducting wires that are currently in practical use. Since these metal superconductors use expensive liquid He for cooling, they have a problem of high operating costs. On the other hand, REBCO high-temperature superconductors can use inexpensive liquid N 2 for cooling, so it is expected that REBCO wires with low cooling costs will be put to practical use.
[REBCOの薄膜化]
REBCOはセラミックスであるため、機械的な強度や柔軟性を持たせるために金属テープとの複合化が不可欠となる。また、結晶構造の異方性に起因する電気的異方性を持ち、結晶がずれて結合したab面内の結晶粒界が存在する場合、臨界電流密度Jcが低下する。そのため、多くの電流を流せる線材を作製するためにはc軸方向とa、b軸方向の結晶方位の2軸配向化が必要である。このようなREBCOの金属テープとの複合化と2軸配向化を実現する方法として、エピタキシャル成長を用いた薄膜化が用いられる。
[Reducing the thickness of REBCO]
Since REBCO is a ceramic material, it is essential to combine it with a metal tape in order to give it mechanical strength and flexibility. Further, if there is a crystal grain boundary in the a-b plane in which crystals are bonded in a shifted manner and has electrical anisotropy due to the anisotropy of the crystal structure, the critical current density J c decreases. Therefore, in order to produce a wire that can flow a large amount of current, it is necessary to achieve biaxial crystal orientation in the c-axis direction and the a- and b-axis directions. As a method for realizing the combination of REBCO with a metal tape and biaxial orientation, thinning using epitaxial growth is used.
超伝導薄膜の作製プロセスとしては、大きく分類して気相法(VPE:Vapor Phase Epitaxy)と化学溶液法(CSD:Chemical Solution Deposition)が存在する。 The manufacturing process for superconducting thin films can be broadly classified into vapor phase epitaxy (VPE) and chemical solution deposition (CSD).
VPE法は、物理気相蒸着法(PVD:Physical Vapor Deposition)と化学気相蒸着法(CVD:Chemical Vapor Deposition)に大別される。PVD法は、単一または多元素の固体材料ターゲットに物理的エネルギーを注入して蒸発させ、基板上に薄膜として再結晶化させる方法である。PVD法には、ターゲットの蒸発にプラズマを用いるスパッタリング法(Sputtering)、レーザー光を用いるパルスレーザー蒸着法(PLD:Pulsed Laser Deposition)、電子線や抵抗加熱を用いる分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)などがある。一方、CVD法は、目的の薄膜の構成物質を含む原料ガスを基板の設置された空間にフローし、原料ガスの分子の励起、分解を通して気相及び基板表面での化学反応で薄膜を作製する方法である。特に材料に有機金属を用いた手法は、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)と呼ばれる。VPE法は空孔や欠陥の少ない結晶性の高い薄膜の作製が可能であるが、真空装置が必要で高コストである。また、反応性共蒸着法(RCE-DR:Reactive Co-Evaporation by Deposition and Reaction)を用いた超伝導薄膜作製も近年報告されている。 The VPE method is roughly divided into physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD). The PVD method is a method in which physical energy is injected into a single or multi-element solid material target to evaporate it and recrystallize it as a thin film on a substrate. PVD methods include sputtering that uses plasma to evaporate the target, pulsed laser deposition (PLD) that uses laser light, and molecular beam epitaxy (MBE) that uses electron beams and resistance heating. Epitaxy) etc. On the other hand, in the CVD method, a raw material gas containing the constituent substances of the target thin film is flowed into the space where the substrate is installed, and a thin film is created through chemical reactions in the gas phase and on the substrate surface through the excitation and decomposition of the molecules of the raw material gas. It's a method. In particular, a method using an organic metal as a material is called metal organic CVD (MOCVD). Although the VPE method allows the production of highly crystalline thin films with few pores and defects, it requires a vacuum device and is expensive. Furthermore, production of superconducting thin films using reactive co-evaporation by deposition and reaction (RCE-DR) has also been reported in recent years.
CSD法は、出発原料を溶媒で希釈し、基板をこの溶液に浸して引き上げるか、あるいは基板上に直接この溶液を滴下しスピンコートするなどして基板上に溶液を塗布する方法である。PVD法に対して、CSD法は真空装置が不要なため低コストであり、均一な薄膜の作製が可能であるが、薄膜中に空孔や欠陥が多く形成される。CSD法に分類される、有機金属化合物を原料に用いた有機酸塩堆積法(MOD:Metal Organic Decomposition)は、原料溶液を基板に塗布し熱処理を行う方法であるため、装置コストが低いことに加え原料高収率であり、低コストな線材作製プロセスとして期待される。 The CSD method is a method in which a starting material is diluted with a solvent, and a solution is applied onto a substrate by dipping the substrate into the solution and pulling it up, or by directly dropping the solution onto the substrate and performing spin coating. In contrast to the PVD method, the CSD method does not require a vacuum device and is therefore less costly and can produce a uniform thin film, but many pores and defects are formed in the thin film. Metal Organic Decomposition (MOD), which uses organometallic compounds as raw materials and is classified as a CSD method, is a method in which a raw material solution is applied to a substrate and heat treated, resulting in low equipment costs. In addition, it has a high yield of raw materials and is expected to be a low-cost wire manufacturing process.
RCE-DR法は、低酸素分圧下の低基板温度の基板上に電子ビームで各原料を蒸着させてアモルファス前駆体を作製した後、高酸素分圧の高温炉内でアニールを施すことで薄膜を作製する方法である。高い性能のREBCO薄膜を比較的高速に作製することが可能である。 In the RCE-DR method, each raw material is deposited using an electron beam on a substrate at a low substrate temperature under a low oxygen partial pressure to create an amorphous precursor, and then annealed in a high temperature furnace with a high oxygen partial pressure to form a thin film. This is a method for producing. High performance REBCO thin films can be produced relatively quickly.
[REBCO線材の構造]
現在、REBCO線材作製のために用いられている金属テープとして、IBAD(Ion-Beam-Assisted-Deposition)法と、RABiTS(Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate)法という2種類の方法を用いて作製した基板が主流となっている。
[Structure of REBCO wire]
Currently, the metal tapes used for producing REBCO wire are substrates produced using two methods: IBAD (Ion-Beam-Assisted-Deposition) method and RABiTS (Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate) method. It has become mainstream.
(a)IBAD法
IBAD法は、無配向金属テープ上に中間層を作製する際、ある一定の角度からイオンビームを照射することにより、配向した中間層を得る方法である。中間層材料の各結晶面に対するエッチングレートの違いによって、特定の結晶軸がイオン照射方向に固定されて配向する。この方法で作製した中間層の上にREBCOを成膜することで、2軸配向したREBCO超伝導層を作製することができる。中間層にはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、MgO、Gd2Zr2O7(GZO)、CeO2などが用いられ、金属基板には強度の強い合金基板を用いることができる。現在、中間層材料として多く用いられているMgOは薄い膜厚で十分な配向性を得ることができる。
(a) IBAD method The IBAD method is a method of obtaining an oriented intermediate layer by irradiating an ion beam from a certain angle when producing an intermediate layer on a non-oriented metal tape. Due to the difference in etching rate for each crystal plane of the intermediate layer material, a specific crystal axis is fixed and oriented in the ion irradiation direction. By forming a film of REBCO on the intermediate layer produced by this method, a biaxially oriented REBCO superconducting layer can be produced. Yttria stabilized zirconia (YSZ), MgO, Gd 2 Zr 2 O 7 (GZO), CeO 2 or the like is used for the intermediate layer, and a strong alloy substrate can be used for the metal substrate. MgO, which is currently widely used as an intermediate layer material, can obtain sufficient orientation with a thin film thickness.
(b)RABiTS法
RABiTS法は、金属基板を圧延や熱処理によって再結晶化させて2軸配向させる方法である。真空装置やイオンビーム装置が必要なIBAD法と比べて、長尺化が容易で低コストであるが、配向性は劣る。使用される金属は、配向度が高いNiが主流であり、近年ではNiにCrやWなどを添加した強度の高い合金が用いられている。
(b) RABiTS method The RABiTS method is a method in which a metal substrate is recrystallized by rolling or heat treatment to achieve biaxial orientation. Compared to the IBAD method, which requires a vacuum device or an ion beam device, it is easier to lengthen the length and is less expensive, but the orientation is inferior. The metal used is mainly Ni, which has a high degree of orientation, and in recent years, high-strength alloys made by adding Cr, W, etc. to Ni have been used.
図8は、REBCO線材の構造を示す。REBCO線材は、金属テープ上に中間層、超伝導層、安定化層を積層した構造であり、このような線材はコート線材(Coated Conductor)と呼ばれる。 FIG. 8 shows the structure of the REBCO wire. REBCO wire has a structure in which an intermediate layer, a superconducting layer, and a stabilizing layer are laminated on a metal tape, and such a wire is called a coated conductor.
(1)中間層
金属テープ上に超伝導層を直接作製すると、金属テープからの金属元素の拡散により超伝導特性が低下する恐れがある。そのため、金属テープから超伝導層への金属元素の拡散を防止するために中間層が用いられる。また、超伝導体の格子定数と近い材料を中間層として用いることで、格子不整合を緩和し超伝導層の配向性を向上させる役割がある。中間層の材料として、CeO2やMgO、YSZなどが挙げられ、一般的に複数の種類の中間層が用いられる。
(1) Intermediate layer If a superconducting layer is directly formed on a metal tape, there is a risk that the superconducting properties will be degraded due to diffusion of metal elements from the metal tape. Therefore, an intermediate layer is used to prevent the diffusion of metal elements from the metal tape into the superconducting layer. Furthermore, using a material with a lattice constant close to that of the superconductor as an intermediate layer serves to alleviate lattice mismatch and improve the orientation of the superconductor layer. Examples of the material for the intermediate layer include CeO 2 , MgO, YSZ, and the like, and generally, a plurality of types of intermediate layers are used.
(2)超伝導層
超伝導層は中間層上にREBCOを2軸配向させた層である。REには、Y、Sm、Gdなどの元素が用いられる。
(2) Superconducting layer The superconducting layer is a layer in which REBCO is biaxially oriented on an intermediate layer. Elements such as Y, Sm, and Gd are used for RE.
(3)安定化層
安定化層には、超伝導層を外部環境から保護する役割がある。また、超伝導状態の壊れた部分から発生する熱を外部へ拡散させ、一時的に電流をバイパスする熱的安定化の役割と、REBCO層を水分への暴露を防止する化学的安定化の役割がある。安定化層の材料には、熱伝導率や電気伝導率の良いAgやCuが用いられる。
(3) Stabilization layer The stabilization layer has the role of protecting the superconducting layer from the external environment. In addition, the role of thermal stabilization is to diffuse the heat generated from the broken part of the superconducting state to the outside and temporarily bypass the current, and the role of chemical stabilization is to prevent the REBCO layer from being exposed to moisture. There is. Ag or Cu, which has good thermal conductivity and electrical conductivity, is used as the material for the stabilizing layer.
[REBCOの気相成長]
REBCO薄膜の主流な作製方法である気相成長法におけるエピタキシャル成長について述べる。エピタキシャル成長とは、物質が基板となる母相と特定の方位関係を持って結晶成長することである。基板と薄膜が同じ物質である場合をホモエピタキシャル成長、基板と薄膜が異なる物質である場合をヘテロエピタキシャル成長という。
[REBCO vapor phase growth]
Epitaxial growth in the vapor phase growth method, which is the mainstream manufacturing method for REBCO thin films, will be described. Epitaxial growth refers to the crystal growth of a substance with a specific orientation relationship with the parent phase that serves as a substrate. When the substrate and thin film are made of the same material, it is called homoepitaxial growth, and when the substrate and thin film are made of different materials, it is called heteroepitaxial growth.
[成長様式]
エピタキシャル成長には主に4つの成長様式がある。図9は、エピタキシャル成長の成長様式の模式図を示す。
[Growth style]
There are mainly four growth modes in epitaxial growth. FIG. 9 shows a schematic diagram of the growth mode of epitaxial growth.
(a)Frank-van der Merwe(FM)型
FM型は、薄膜が1原子層ずつ規則正しく積み重なる成長様式である。基板と薄膜の相互作用が強いホモエピタキシャル成長や、基板と薄膜の格子不整合度の極めて小さい場合のヘテロエピタキシャル成長で見られる。
(a) Frank-van der Merwe (FM) type The FM type is a growth mode in which thin films are regularly stacked one atomic layer at a time. This can be seen in homoepitaxial growth, where the interaction between the substrate and thin film is strong, and in heteroepitaxial growth, where the degree of lattice mismatch between the substrate and thin film is extremely small.
(b)Strenski-Krastanov(SK)型
SK型は、成長初期においては1原子層ずつ成長し、ある膜厚以上になるとその上に3次元島成長する成長様式である。基板と薄膜の格子不整合度の小さな場合のヘテロエピタキシャル成長で見られる。
(b) Strenski-Krastanov (SK) type The SK type is a growth mode in which the layer grows one atomic layer at a time in the early stage of growth, and when the film thickness exceeds a certain level, three-dimensional islands grow thereon. This can be seen in heteroepitaxial growth when the degree of lattice mismatch between the substrate and the thin film is small.
(c)Volmer-Weber(VW)型
VW型は、成長初期から3次元島成長する成長様式である。基板と薄膜の格子不整合度が大きなヘテロエピタキシャル成長で見られる。
(c) Volmer-Weber (VW) type The VW type is a growth mode in which three-dimensional islands grow from the initial stage of growth. A large degree of lattice mismatch between the substrate and the thin film is observed in heteroepitaxial growth.
(d)2次元島状成長
2次元島状成長は、1原子相成長と3次元島成長の中間に位置する成長様式である。1原子層の2次元核が基板上に生成した後、その2次元核が基板表面を覆う前にその上に新たな核生成が起こる。この成長様式はREBCO薄膜の成長で多く見られる。
(d) Two-dimensional island-like growth Two-dimensional island-like growth is a growth mode located between one-atomic phase growth and three-dimensional island growth. After one atomic layer of two-dimensional nuclei is generated on the substrate, new nucleation occurs on top of the two-dimensional nuclei before they cover the substrate surface. This growth mode is often seen in the growth of REBCO thin films.
薄膜作製時、これら(a)~(d)のいずれの成長様式をとるかは、基板と薄膜材料の格子不整合性、界面エネルギー、過飽和度などの多くのパラメーターによって決定される。REBCO薄膜の理想的な成長様式であるFM型あるいは2次元島状成長をとるためには、これらのパラメーターを制御する必要がある。 When producing a thin film, which of these growth modes (a) to (d) is adopted is determined by many parameters such as lattice mismatch between the substrate and the thin film material, interfacial energy, and degree of supersaturation. In order to achieve FM type or two-dimensional island growth, which is the ideal growth mode for REBCO thin films, it is necessary to control these parameters.
[格子不整合と臨界膜厚]
基板と薄膜材料の格子定数の差と基板の格子定数の比を格子不整合度という。図10は、格子不整合の模式図を示す。膜厚が薄い領域では、格子不整合がある場合、薄膜の格子がひずむことによって界面での連続性を保つコヒーレント成長をする。膜厚がある値を超えると、転位を形成してコヒーレント成長によるひずみのエネルギーが緩和され、薄膜の本来の格子定数の値に近づく。このときの膜厚を臨界膜厚という。MathewsとBlakesleeによる力学的平衡理論から臨界膜厚hcは下記の式で計算される。
The ratio of the difference in lattice constant between the substrate and the thin film material to the lattice constant of the substrate is called the degree of lattice mismatch. FIG. 10 shows a schematic diagram of lattice mismatch. In a thin film region, if there is lattice mismatch, the thin film lattice is distorted, resulting in coherent growth that maintains continuity at the interface. When the film thickness exceeds a certain value, dislocations are formed, the strain energy due to coherent growth is relaxed, and the film approaches the original lattice constant value of the thin film. The film thickness at this time is called the critical film thickness. From the mechanical equilibrium theory by Mathews and Blakeslee, the critical film thickness h c is calculated by the following formula.
[REBCOの磁束ピンニング]
超伝導マグネットなどのREBCOの線材を応用した機器は、REBCO線材が磁場中で使用される。REBCOは磁場中で超伝導特性が低下するため、磁場中超伝導特性の向上が必要である。磁場中超伝導特性向上の方法として磁束ピンニングが挙げられる。
[REBCO magnetic flux pinning]
In devices to which REBCO wire is applied, such as superconducting magnets, REBCO wire is used in a magnetic field. Since REBCO's superconducting properties deteriorate in a magnetic field, it is necessary to improve its superconducting properties in a magnetic field. Magnetic flux pinning is a method for improving superconducting properties in a magnetic field.
[磁束ピンニング機構]
REBCOは第2種超伝導体であり、量子化磁束が侵入して超伝導体の一部が常伝導状態になる混合状態をとる。図11は、混合状態にある第2種超伝導体の模式図を示す。混合状態にある第2種超伝導体に電流が流れると、電流密度Jと磁束密度Bを用いて、F=J×Bのローレンツ力Fが量子化磁束に働く。ローレンツ力によって量子化磁束が速度νで運動すると電磁誘導の法則により、E=B×νの電界が電流方向に発生する。これにより生じた起電力から抵抗が発生する。このような磁束運動から生じる抵抗は磁束フロー抵抗と呼ばれる。従って、混合状態における抵抗の発生を防ぐためには、量子化磁束の運動を阻止する必要がある。量子化磁束の運動を止めることを磁束ピンニングといい、ピンニングする部分をピンニングセンター(PC:Pinning Center)という。
[Magnetic flux pinning mechanism]
REBCO is a
混合状態では、量子化磁束は超伝導部分を一部破壊して常伝導状態とし、超伝導体内に侵入する。しかし、超伝導体内にPCが存在する場合、量子化磁束は超伝導部分を破壊して侵入するよりも、あらかじめ存在する常伝導部分のPCに侵入する方がエネルギー的に得である。また、超伝導体に電流を流した場合、量子化磁束はローレンツ力を受けて運動しようとするが、新たに超伝導部分を破壊するよりもPCに留まろうとする。そのため、量子化磁束はPCにピンニングされる。 In the mixed state, the quantized magnetic flux destroys some of the superconducting parts, making them normal, and penetrating into the superconductor. However, when a PC exists in a superconductor, it is more energetically advantageous for the quantized magnetic flux to penetrate into the pre-existing PC of the normal conductive part than to destroy the superconducting part and invade. Furthermore, when a current is passed through a superconductor, the quantized magnetic flux tries to move under the Lorentz force, but rather than newly destroying the superconducting part, it tries to stay in the PC. Therefore, the quantized magnetic flux is pinned to the PC.
PC1つあたりのピンニング力を要素的ピンニング力fp、単位体積当たりのピンニング力を巨視的ピンニング力Fpといい、Fpは、Fp=Jc×Bとなる。単位体積当たりのPCの個数nとすると、Fpとfpの関係は、Fp=fp×nと表される。人為的に導入されるPCを人工ピンニングセンター(APC:Artificial Pinning Center)といい、磁場中Jc向上のための手法としてAPCの導入が行われている。 The pinning force per PC is called elemental pinning force f p , and the pinning force per unit volume is called macroscopic pinning force F p , where F p =J c ×B. Assuming that the number of PCs per unit volume is n, the relationship between F p and f p is expressed as F p =f p ×n. A PC introduced artificially is called an artificial pinning center (APC), and APC is introduced as a method for improving J c in a magnetic field.
[ピンニングセンターのサイズ効果]
前節では欠陥のサイズを量子化磁束と同じ大きさ程度で量子化磁束よりも大きいと仮定していた。一方、磁束ピンニングはPCのサイズが大きく影響する。以下では、量子化磁束に対して小さな欠陥と大きな欠陥における磁束ピンニングについて述べる。
[Pinning center size effect]
In the previous section, the size of the defect was assumed to be about the same size as the quantized magnetic flux, but larger than the quantized magnetic flux. On the other hand, magnetic flux pinning is greatly influenced by the size of the PC. Below, we will discuss magnetic flux pinning in small defects and large defects with respect to quantized magnetic flux.
まず、欠陥の大きさが磁束よりも小さく、球状である場合を考える。欠陥の半径rが磁束の半径ξより小さい場合、磁束と欠陥が相互作用する体積は(4/3)πr3となるから、ピンニングエネルギーUpおよび要素的ピンニング力fpは以下の式で表される。
一方、欠陥の大きさが磁束よりも非常に大きい場合、多数の磁束が1個の欠陥と相互作用することになる。この時、要素的ピンニング力は上式で同様に与えられるが、磁束がエネルギー変化を感じるのは常伝導-超伝導界面においてのみであるため、PCの密度が下がるため、ピンニング効率は悪くなる。以上のことから、半径がξ程度で、磁束線方向に長く伸びた柱状欠陥がPCとして最も有効である。ただし、柱状欠陥は磁束が長手方向の場合のみに有効であり、その他の方向ではあまり有効でないといえる。逆に、磁束線方向に垂直な柱状欠陥は磁束線のキンクの運動を促進させる働きがある。 On the other hand, if the size of the defect is much larger than the magnetic flux, a large number of magnetic fluxes will interact with one defect. At this time, the elemental pinning force is similarly given by the above equation, but since the magnetic flux senses an energy change only at the normal-superconducting interface, the density of PC decreases and the pinning efficiency deteriorates. From the above, a columnar defect with a radius of about ξ and elongated in the direction of the magnetic flux lines is most effective as a PC. However, it can be said that columnar defects are effective only when the magnetic flux is in the longitudinal direction, and are not so effective in other directions. Conversely, columnar defects perpendicular to the direction of the magnetic flux lines have the function of promoting kink movement of the magnetic flux lines.
[ピンニングセンターの種類]
ピンニングセンター(PC)はランダムピンと相関ピンに大別される。また、PCはその形状から0次元PC、1次元PC、2次元PC、3次元PCと分類される。ランダムピンは試料内部にランダムに分布し、0次元PCと3次元PCがランダムピンに相当する。相関ピンはある方向に形状や分布の方向性を持つPCであり、1次元PCと2次元PCが相当する。ただし、面内配置により3次元PCについても相関を持たせることが可能である。図12は、各PCの模式図を示す。以下でそれぞれのPCの特徴を述べる。
[Type of pinning center]
Pinning centers (PCs) are broadly classified into random pins and correlated pins. Furthermore, PCs are classified into 0-dimensional PCs, 1-dimensional PCs, 2-dimensional PCs, and 3-dimensional PCs based on their shapes. Random pins are randomly distributed inside the sample, and 0-dimensional PC and 3-dimensional PC correspond to random pins. Correlation pins are PCs that have a shape or distribution directionality in a certain direction, and correspond to one-dimensional PCs and two-dimensional PCs. However, it is possible to provide a correlation also to the three-dimensional PC by in-plane arrangement. FIG. 12 shows a schematic diagram of each PC. The characteristics of each PC will be described below.
(a)0次元PC
0次元PCは原子の欠損や置換などの点欠陥によるPCである。その大きさは原子スケールであり、量子化磁束の常伝導核の大きさより小さいため、0次元PCはピンニングに有効なPCにはならないと考えられる。
(a) 0-dimensional PC
Zero-dimensional PC is PC due to point defects such as atomic deletions and substitutions. Since the size is on the atomic scale and smaller than the size of the normal conducting nucleus of the quantized magnetic flux, it is considered that the zero-dimensional PC is not an effective PC for pinning.
(b)1次元PC
1次元PCには転位などの線状欠陥や重イオン照射による柱状欠陥、BaMO3(BMO:M=Zr,Sn,Hf)をREBCO薄膜内に導入することにより形成されるナノロッドなどのPCがある。1次元PCは異方性があり、線方向に印加された磁場に対して強いピンニング力を持つ。らせん転位や刃状転位などの転位は、結晶成長においての核生成頻度に依存して形成されるため、その数密度や形状の制御は困難である。一方、BMOナノロッドはBMO添加量や成膜温度などの成膜条件の制御によりナノロッドの数密度や直径の制御が可能である。c軸相関の1次元PCはab面方向の磁場下では磁束運動を促進させるため、Jcの低下に起因する。
(b) One-dimensional PC
One-dimensional PCs include linear defects such as dislocations, columnar defects caused by heavy ion irradiation, and nanorods formed by introducing BaMO 3 (BMO: M=Zr, Sn, Hf) into the REBCO thin film. . One-dimensional PC has anisotropy and has a strong pinning force against a magnetic field applied in the linear direction. Dislocations such as screw dislocations and edge dislocations are formed depending on the frequency of nucleation during crystal growth, so it is difficult to control their number density and shape. On the other hand, the number density and diameter of BMO nanorods can be controlled by controlling the film forming conditions such as the amount of BMO added and the film forming temperature. The one-dimensional PC of the c-axis correlation promotes magnetic flux movement under a magnetic field in the a-b plane direction, and is therefore caused by a decrease in J c .
(c)2次元PC
2次元PCは結晶粒界や双晶境界、積層欠陥などによる面状のPCである。異方性のあるPCであり面方向に平行に印加された磁場に対して有効である。1次元PCと比較すると多くの量子化磁束をピンニングできる。
(c) 2D PC
A two-dimensional PC is a planar PC due to grain boundaries, twin boundaries, stacking faults, etc. It is an anisotropic PC and is effective against a magnetic field applied parallel to the surface direction. Compared to one-dimensional PC, more quantized magnetic flux can be pinned.
(d)3次元PC
3次元PCはRE2O3などの常伝導析出物やRE/Ba置換による固溶体などの等方的な形状のPCである。MOD法によるBMO添加REBCO薄膜においては、BMOのパーティクル状3次元PCが形成される。3次元PCは異方性がなくあらゆる角度の印加磁場に対して有効である。一方、1次元PCや2次元PCと比較すると、ピンニング力は弱い。常伝導析出物や固溶体は添加量の制御により数密度や大きさの制御が可能であるが、分布の制御は困難である。
(d) 3D PC
The three-dimensional PC is an isotropically shaped PC such as a normal precipitate such as RE 2 O 3 or a solid solution due to RE/Ba substitution. In the BMO-added REBCO thin film produced by the MOD method, particle-like three-dimensional PCs of BMO are formed. Three-dimensional PC has no anisotropy and is effective for applied magnetic fields at any angle. On the other hand, the pinning force is weak compared to a one-dimensional PC or a two-dimensional PC. Although it is possible to control the number density and size of normal precipitates and solid solutions by controlling the amount added, it is difficult to control the distribution.
[REBCOのピンニングセンター]
REBCOの完全な単結晶を作製するのは困難であり、試料作製過程において必ず結晶欠陥が含まれる。このような自然に形成される欠陥はPCとして有効的に働き、磁場中Jcの向上が期待される。REBCOのPCとして、以下のPCが挙げられる。
[REBCO pinning center]
It is difficult to produce a perfect single crystal of REBCO, and crystal defects are always included in the sample preparation process. Such naturally formed defects function effectively as PCs, and are expected to improve J c in a magnetic field. The following PCs are listed as REBCO PCs.
(a)ランダムピン
・酸素欠損
REBCOは酸化物であり一般的に酸素欠損を含んでおり、多くの場合CuO鎖の方向にクラスターを形成してランダムに分布している。酸素欠損はコヒーレンス長以下の小さな欠陥であるため、ピンニング力の小さいランダムピンである。高温では有効なPCとして働かないが、低温ではコヒーレンス長が短くなるため有効なPCとして働くと考えられる。
・常伝導析出物
REBCO薄膜は成膜時にCuOやRE2O3などの常伝導析出物が含まれる。これらの析出物は酸素欠損と比べて大きいため、比較的強いピンニング力を持ったランダムピンであるが、数密度は小さい。
(a) Random pins/oxygen vacancies REBCO is an oxide and generally contains oxygen vacancies, which are often distributed randomly forming clusters in the direction of the CuO chains. Since the oxygen vacancy is a small defect smaller than the coherence length, it is a random pinning with a small pinning force. It does not work as an effective PC at high temperatures, but it is thought to work as an effective PC at low temperatures because the coherence length becomes shorter.
・Normal conductive precipitates REBCO thin film contains normal conductive precipitates such as CuO and RE 2 O 3 during film formation. Since these precipitates are large compared to oxygen vacancies, they are random pins with a relatively strong pinning force, but their number density is small.
(b)ab面相関ピン
・イントリンジックピン
REBCOは超伝導を担うCuO2面とブロック層がc軸方向に交互に積層した結晶構造となっている。この結晶構造の異方性のためコヒーレンス長が異方性を持ち、c軸方向のコヒーレンス長がCuO2面間隔と比べて短いため、ab面方向の磁束がブロック層にピン止めされる。このようなREBCOの結晶構造に起因するPCは固有ピンまたはイントリンジックピンと呼ばれる。
・積層欠陥
積層欠陥は、結晶の原子面の規則的な積み重ねに乱れが生じた欠陥である。REBCOは層状構造を有するため、多くの積層欠陥を含むと考えられる。積層欠陥はイントリンジックピンと同様に積層方向に平行なab面方向の磁束に対して有効に働く相関ピンである。
(b) Ab-plane correlation pin/intrinsic pin REBCO has a crystal structure in which CuO 2 planes and block layers, which play a role in superconductivity, are alternately stacked in the c-axis direction. Due to the anisotropy of this crystal structure, the coherence length has anisotropy, and since the coherence length in the c-axis direction is shorter than the distance between two CuO planes, the magnetic flux in the ab-plane direction is pinned to the block layer. PC resulting from such a crystal structure of REBCO is called an intrinsic pin or an intrinsic pin.
・Stacking faults Stacking faults are defects in which the regular stacking of atomic planes in a crystal is disrupted. Since REBCO has a layered structure, it is thought to contain many stacking faults. Stacking faults, like intrinsic pins, are correlation pins that effectively act on magnetic flux in the a-b plane direction parallel to the stacking direction.
(c)c軸相関ピン
・結晶粒界
多結晶体を構成する結晶は隣接する結晶と結晶方位が異なる。そのため、隣接する結晶間の不連続な境界面が結晶粒界となる。結晶粒界はB//c方向の磁束に対して、2次元PCとして働く。
・双晶境界
双晶とは同一種類の2つの結晶方位が互いに異なる結晶の集合であり、双晶となる2つの結晶固体がある面に対して鏡映像の関係にある面を双晶境界という。REBCOは酸素量の違いにより正方晶から斜方晶へ相変態が生じる。この時格子定数の違いからひずみが発生し、ひずみを緩和するために(110)面を双晶面として双晶境界が形成される。双晶境界では格子の乱れがあるためPCとして働く。
・らせん転位
らせん転位は結晶成長中の格子の乱れや粒界、積層欠陥等によって生成される。c軸方向の結晶格子のずれによってB//c方向の磁束に対して、1次元PCとして働く。
(c) c-axis correlation pin/crystal grain boundary The crystals constituting the polycrystalline body have different crystal orientations from adjacent crystals. Therefore, discontinuous interfaces between adjacent crystals become grain boundaries. The grain boundaries act as a two-dimensional PC for magnetic flux in the B//c direction.
・Twin boundary A twin is a collection of two crystals of the same type with different crystal orientations, and a plane that is a mirror image of the plane of the two crystalline solids that become the twin is called a twin boundary. . REBCO undergoes a phase transformation from tetragonal to orthorhombic due to the difference in oxygen content. At this time, strain occurs due to the difference in lattice constants, and to alleviate the strain, a twin boundary is formed with the (110) plane as the twin plane. Since the lattice is disordered at the twin boundary, it acts as a PC.
- Screw dislocations Screw dislocations are generated by lattice disturbances, grain boundaries, stacking faults, etc. during crystal growth. Due to the shift of the crystal lattice in the c-axis direction, it acts as a one-dimensional PC for the magnetic flux in the B//c direction.
[人工ピンニングセンター(APC)]
磁場中Jcを向上させるために、超伝導体内へ様々なAPCの導入が試みられている。中でも、BMOナノロッドはその柱状形状の伸びる方向の磁場に対して非常に高いピンニング特性を持つため、磁場中Jcの向上に非常に有効であるとして注目されている。本節では、本実施例で扱うBMOナノロッドや積層構造を有するAPCについて述べる。
[Artificial Pinning Center (APC)]
In order to improve J c in a magnetic field, various attempts have been made to introduce APC into superconductors. Among them, BMO nanorods have a very high pinning characteristic against a magnetic field in the direction in which their columnar shape extends, so they are attracting attention as being very effective in improving J c in a magnetic field. In this section, we will discuss the BMO nanorods and APCs with a laminated structure that are used in this example.
[BaMO3ナノロッド]
2004年、Los Alamos国立研究所のJ. L. Macmanus-DriscollらはYBCO薄膜の磁場中超伝導特性向上のために、単結晶基板上あるいは金属基板上YBCO薄膜中にBaZrO3(BZO)を導入した。BZOはYBCOと同様のペロブスカイト構造を持ち、融点が高く、化学的に安定な材料である。BZOが選択されたのは、YBCOと同じ結晶構造を持つためYBCO薄膜内でヘテロエピタキシャル成長し、ナノサイズのパーティクルを形成すると考えられたためである。BZOを混ぜ込んだYBCO焼結体ターゲットで薄膜を作製したところ、Jcの磁場印加角度依存性の評価から、B//cの印加磁場に対して大幅なJcの向上が観察された。断面透過型電子顕微鏡(TEM)による微細構造観察から、パーティクル状のBZOに混ざって、YBCOのc軸方向に自己組織化したナノサイズのロッド状のBZOが確認された。これがBMOナノロッドの最初の報告である。さらに2005年、ISTEC((公財)国際超電導産業技術研究センター)のY. YamadaらがYSZを混ぜ込んだYBCO焼結体ターゲットを用いてPLD法で金属基板上に作製したYBCO薄膜内で、BZOが基板界面から薄膜表面に向かって連続的に柱状に成長していることを確認した。その後、世界中でナノロッド材料の探索が行われ、BaSnO3(BSO)、BaHfO3(BHO)がナノロッドを形成することが明らかにされた。また、ダブルペロブスカイト構造を有するBa2RETaO6やBa2RENbO6、Ba2RERuO6もナノロッドを形成することが報告されている。
[BaMO 3 nanorods]
In 2004, JL Macmanus-Driscoll and colleagues at Los Alamos National Laboratory introduced BaZrO 3 (BZO) into YBCO thin films on single-crystal or metal substrates in order to improve the superconducting properties of YBCO thin films in a magnetic field. BZO has a perovskite structure similar to YBCO, has a high melting point, and is a chemically stable material. BZO was selected because it had the same crystal structure as YBCO and was thought to grow heteroepitaxially within the YBCO thin film to form nano-sized particles. When a thin film was fabricated using a YBCO sintered target mixed with BZO, an evaluation of the dependence of J c on the magnetic field application angle revealed that J c was significantly improved with respect to the applied magnetic field of B//c. Microstructural observation using a cross-sectional transmission electron microscope (TEM) confirmed that nano-sized rod-shaped BZO was mixed with particle-shaped BZO and self-organized in the c-axis direction of YBCO. This is the first report of BMO nanorods. Furthermore, in 2005, Y. Yamada et al. of ISTEC (International Superconductivity Industrial Technology Research Center) created a YBCO thin film on a metal substrate using the PLD method using a YBCO sintered target mixed with YSZ. It was confirmed that BZO grows continuously in a columnar shape from the substrate interface toward the thin film surface. After that, searches for nanorod materials were carried out all over the world, and it was revealed that BaSnO 3 (BSO) and BaHfO 3 (BHO) form nanorods. Furthermore, it has been reported that Ba 2 RETaO 6 , Ba 2 RENbO 6 , and Ba 2 RERuO 6 having a double perovskite structure also form nanorods.
BMOのナノロッド形成はPLD法やCVD法などの気相成長の場合でのみ生じ、MOD法などの化学溶液法ではナノロッドを形成せずパーティクル状に導入されることが分かっている。 It is known that BMO nanorods are formed only in the case of vapor phase growth such as PLD or CVD, and that BMO is introduced in the form of particles without forming nanorods in chemical solution methods such as MOD.
[積層構造を有するAPC]
REBCO線材の超伝導特性を等方的に向上するためには、3次元APCの導入が有効であると考えられる。しかし、3次元APCは一般的にその大きさや分布の制御が難しい。そこで、T. HauganらはPLD法で作製したYBCO薄膜に対して、YBCO母相とY2O3を交互に積層した多層構造を提案し、パーティクル状の3次元APCの導入に成功した。また、APC材料にBZOやBSOを用いた報告もされた。しかし、これらの積層構造はREBCO層の上に少量のAPC材料を蒸着させ、さらにREBCO層を積層する擬似多層構造でありREBCOとAPCの成長は独立しているため、パーティクルの大きさ(c軸方向の高さ)の制御はできない。そこで、APC材料としてBSOを用い、BSO添加SmBCO層と無添加SmBCO層を多層積層することによって、パーティクルの大きさを制御できることが確認された。面内密度の制御が可能なBMOナノロッドと多層構造を組み合わせることによって、大きさや分布を制御した3次元APCを導入することができる。図13は、BMOナノロッドの多層積層薄膜の模式図を示す。このような積層型APCはその大きさや密度、分布の制御が可能である。そのため、Jcの向上だけでなく、APCの大きさや分布を傾斜的に変化させることによるピンニングポテンシャルの非対称変調によりJc非相反性の可能性が期待される。
[APC with laminated structure]
In order to improve the superconducting properties of REBCO wire in an isotropic manner, it is considered that the introduction of three-dimensional APC is effective. However, it is generally difficult to control the size and distribution of three-dimensional APC. Therefore, T. Haugan et al. proposed a multilayer structure in which a YBCO matrix and Y 2 O 3 were alternately laminated for a YBCO thin film fabricated by the PLD method, and succeeded in introducing particle-like three-dimensional APC. There have also been reports on the use of BZO and BSO as APC materials. However, these stacked structures are pseudo multilayer structures in which a small amount of APC material is deposited on top of the REBCO layer, and then a REBCO layer is stacked, and the growth of REBCO and APC is independent, so the particle size (c-axis direction (height) cannot be controlled. Therefore, it was confirmed that the particle size could be controlled by using BSO as the APC material and laminating multiple layers of a BSO-doped SmBCO layer and an undoped SmBCO layer. By combining BMO nanorods whose in-plane density can be controlled and a multilayer structure, three-dimensional APCs with controlled size and distribution can be introduced. FIG. 13 shows a schematic diagram of a multilayer stacked thin film of BMO nanorods. The size, density, and distribution of such a stacked APC can be controlled. Therefore, the possibility of J c non-reciprocity is expected not only by improvement of J c but also by asymmetric modulation of the pinning potential by changing the size and distribution of APC in a gradient manner.
[超伝導体表面と磁束の作用]
量子化磁束は常伝導コアの周囲半径λ程度の領域に遮蔽電流が流れており、λ程度の大きさの不均質部分から磁気的相互作用を受ける。超伝導体表面、あるいは超伝導体-常伝導体界面における表面バリアは磁気的相互作用のひとつであり、前節までで説明した超伝導体バルク中のピンニングセンターによる磁束ピンニングとともにIcの決定因子となりうる。本節では、表面バリアとそれに影響を与える表面状態の効果を説明する。
[Effect of superconductor surface and magnetic flux]
A shielding current flows in a region with a circumferential radius of about λ around the normal conducting core, and the quantized magnetic flux receives magnetic interaction from a non-uniform portion with a size of about λ. The surface barrier on the superconductor surface or at the superconductor-normal conductor interface is one type of magnetic interaction, and together with the magnetic flux pinning due to the pinning center in the bulk of the superconductor explained in the previous section, it is a determining factor for I c . sell. This section describes surface barriers and the effects of surface conditions that affect them.
[表面バリア]
表面バリアは磁束が超伝導体内に侵入しようとする際に超伝導体表面で生じるポテンシャル障壁である。表面バリアはBeanとLivingstonによって提案された。Bean-Livingstonの表面バリアモデルは、表面が存在する場合に下部臨界磁場Hc1に対して超伝導体に磁束線が侵入する磁場がどうなるかを扱ったものである。超伝導体表面への磁束侵入を考える際、表面から距離λの距離で減衰する表面磁場と、磁束線とその鏡像の磁場を考える必要がある。鏡像との相互作用は磁気的相互作用によるものである。超伝導体表面に存在する磁束を仮定した場合、磁束の周りを周回する遮蔽電流は真円からひずむため、エネルギー的に安定になる方向へ磁束に力が働く。この作用は超伝導体の外側に鏡像を仮定することで説明することができる。磁束とその鏡像との間には引力が働くため表面の磁束は超伝導体外へ追い出される向きに力が働く。
[Surface barrier]
A surface barrier is a potential barrier that occurs at the surface of a superconductor when magnetic flux attempts to enter the superconductor. Surface barriers were proposed by Bean and Livingston. The Bean-Livingston surface barrier model deals with what happens to the magnetic field in which magnetic flux lines enter a superconductor with respect to the lower critical magnetic field H c1 when a surface exists. When considering the penetration of magnetic flux into the surface of a superconductor, it is necessary to consider the surface magnetic field that attenuates at a distance λ from the surface, and the magnetic field of the magnetic flux lines and their mirror images. The interaction with the mirror image is due to magnetic interaction. Assuming magnetic flux exists on the surface of a superconductor, the shielding current circulating around the magnetic flux is distorted from a perfect circle, so a force acts on the magnetic flux in a direction that makes it energetically stable. This effect can be explained by assuming a mirror image on the outside of the superconductor. Since an attractive force acts between the magnetic flux and its mirror image, a force acts in a direction that forces the magnetic flux on the surface out of the superconductor.
GLパラメーターκが大きい場合、外部磁場H中で超伝導体表面から距離xだけ磁束が侵入した際のポテンシャルエネルギーU(x)は下記の式で導かれる。
[表面状態の効果]
バルクピンニングが低下する高温において表面バリアは重要となる。特に、超伝導薄膜の輸送特性においては、面内方向の磁場中での特性を議論する際に、表面の形態による表面バリアの大きさを考慮する必要がある。前項で説明したBean-Livingstonの表面バリアは完全に平らな無限長の平行表面に対する量子化磁束の侵入を仮定していた。しかし、実際にそのような完全に理想的な表面を実現することは困難であり、超伝導体表面の荒れや、化合物では化学的組成のずれなどが少なからず生じる。このような表面の不完全性によって、表面バリアは低減する。超伝導薄膜の表面において表面バリアを低減させる要因として以下に示すような要因が挙げられる。
・表面の粗さ
・表面近傍の欠陥
・表面の超伝導パラメーターの傾斜的変化
[Effect of surface condition]
Surface barriers become important at high temperatures where bulk pinning decreases. In particular, when discussing the transport properties of superconducting thin films in an in-plane magnetic field, it is necessary to consider the size of the surface barrier depending on the surface morphology. The Bean-Livingston surface barrier explained in the previous section assumed the penetration of quantized magnetic flux into a perfectly flat, infinitely long parallel surface. However, in reality, it is difficult to achieve such a completely ideal surface, and the surface of the superconductor may become rough, and the chemical composition of the compound may vary. Such surface imperfections reduce the surface barrier. Factors that reduce the surface barrier on the surface of a superconducting thin film include the following factors.
・Surface roughness, defects near the surface, and gradient changes in surface superconductivity parameters
[超伝導特性の非相反性]
物理システムにおける空間対称性あるいは時間対称性の破れは物質の光学的特性や磁気的特性、電気的特性等の物性に非相反性をもたらしうる。本実施例で扱う非相反性は、超伝導体に磁場を印加した際、量子化磁束の運動に電流方向依存性(整流効果)が生じるという性質である。量子化磁束の整流の結果、臨界電流Icに電流方向依存性が生じる。この超伝導体の非相反な電気伝導特性は、超伝導体を用いた将来の低消費エネルギー整流デバイスとしての応用が期待される。また、このような整流効果はラチェット効果とも呼ばれ、超伝導ラチェットにおける量子化磁束のダイナミクスの研究は、デバイス応用だけでなく生体ラチェットのモデリングにも期待されている。超伝導体の非相反な量子化磁束運動、あるいはそれによる非相反電気伝導特性については理論的あるいは実験的に様々な報告がなされている。それらの特性の多くは、超伝導体の非対称な形状や組織、ピンニングセンターの非対称な形状や分布などによるポテンシャルエネルギーの空間非対称性に起因している。本節では、これら非相反超伝導特性を実現するアプローチについて述べる。
[Non-reciprocity of superconducting properties]
Breaking of spatial or time symmetry in physical systems can lead to non-reciprocity in physical properties such as optical, magnetic, and electrical properties of materials. The non-reciprocity treated in this embodiment is a property that when a magnetic field is applied to a superconductor, a current direction dependence (rectification effect) occurs in the motion of quantized magnetic flux. As a result of the rectification of the quantized magnetic flux, a current direction dependence occurs in the critical current I c . This non-reciprocal electrical conduction property of superconductors is expected to be applied to future low-energy rectifying devices using superconductors. Furthermore, such a rectifying effect is also called the ratchet effect, and research on the dynamics of quantized magnetic flux in superconducting ratchets is expected not only for device applications but also for modeling biological ratchets. Various theoretical and experimental reports have been made regarding the non-reciprocal quantized magnetic flux motion of superconductors and the resulting non-reciprocal electric conduction properties. Many of these properties are due to the spatial asymmetry of potential energy due to the asymmetric shape and structure of the superconductor and the asymmetric shape and distribution of pinning centers. In this section, we will discuss approaches to achieve these nonreciprocal superconducting properties.
[非対称な形状や組織を有する超伝導体の非相反性]
電流方向に対して非対称な超伝導体の形状や組織に起因する非相反超伝導特性について、様々な報告がされている。初期の研究として、Nb双晶試料における非対称な磁束ピンニングが報告された。この報告では、双晶界面に平行な磁場に対して垂直方向の電流についてピンニング力を測定したところ、電流方向の反転によってピンニング力が2倍程度変化した。この非相反性は2つの結晶の結晶軸方向が磁場に対して非対称であったことに起因している。
[Nonreciprocity of superconductors with asymmetric shapes and structures]
Various reports have been made regarding the non-reciprocal superconducting properties caused by the shape and structure of superconductors that are asymmetrical with respect to the current direction. Initial studies reported asymmetric flux pinning in Nb twinned samples. In this report, when the pinning force was measured for a current perpendicular to the magnetic field parallel to the twin interface, the pinning force changed by about twice as the current direction was reversed. This non-reciprocity is due to the fact that the crystal axis directions of the two crystals are asymmetric with respect to the magnetic field.
超伝導体の表面構造に着目した非相反超伝導特性が報告されており、これらは異なる超伝導界面における大きさの異なる表面バリアが非相反性の要因となっている。低温超伝導体については、Pb0.9Bi0.1薄膜の面内方向に磁場を印加した際、磁場に垂直な2方向の電流に対してIcの大きさに非対称性が観測された。このケースでは量子化磁束は電流方向によって薄膜の表面または底面(基板界面)から侵入する。両超伝導界面の粗さが異なるために、表面バリアの大きさに差が生じたことが非相反性の要因とされる。同様に面内磁場中Ic非対称性はNb薄膜でも観測されている。また、非対称表面バリアによる同様のIcの非対称性が超伝導ナノブリッジ加工や、超伝導ストリップの片方の側面へのエッジ加工によって得られている。図15は、非対称エッジ粗さの超伝導ストリップの模式図を示す。高温超伝導体については、YBCOに5mol%Yb3TaO7を添加した薄膜における面内磁場中のIcの非対称性が報告されている。このケースでは、超伝導薄膜の表面と基板界面の粗さの差に加えて、基板界面近傍のTcの低下による表面バリアの低下がIcの非対称性の要因とされる。 Non-reciprocal superconducting properties focusing on the surface structure of superconductors have been reported, and the non-reciprocity is caused by surface barriers of different sizes at different superconducting interfaces. Regarding low-temperature superconductors, when a magnetic field was applied in the in-plane direction of a Pb 0.9 Bi 0.1 thin film, an asymmetry was observed in the magnitude of I c with respect to the current in two directions perpendicular to the magnetic field. . In this case, the quantized magnetic flux enters from the top or bottom surface (substrate interface) of the thin film depending on the current direction. The difference in surface barrier size due to the difference in roughness between the two superconducting interfaces is thought to be the cause of the non-reciprocity. Similarly, I c asymmetry in an in-plane magnetic field has also been observed in Nb thin films. A similar I c asymmetry due to an asymmetric surface barrier has also been achieved by superconducting nanobridge processing or edge processing on one side of a superconducting strip. FIG. 15 shows a schematic diagram of a superconducting strip with asymmetric edge roughness. Regarding high-temperature superconductors, the asymmetry of I c in an in-plane magnetic field in a thin film of YBCO added with 5 mol% Yb 3 TaO 7 has been reported. In this case, in addition to the difference in roughness between the surface of the superconducting thin film and the substrate interface, the lowering of the surface barrier due to the lowering of T c near the substrate interface is considered to be the cause of the asymmetry of I c .
超伝導ストリップの非対称形状によるIcの非対称性も報告されている。L字コーナー形のAlストリップにおいて電流方向に対して非対称なIcが得られることが報告された。図16は、L字形超伝導ストリップの模式図を示す。この非対称性はコーナー内側の角の電流密集効果によるものであり、コーナー外側よりも内側の角から磁束侵入がしやすくなる。コーナーがシャープである場合電流密集効果は大きくなるが、コーナーの角に曲率を持たせることで電流密集効果は低減することが確認されている。 Asymmetry in Ic due to the asymmetric shape of the superconducting strip has also been reported. It has been reported that an asymmetrical I c with respect to the current direction can be obtained in an L-corner shaped Al strip. FIG. 16 shows a schematic diagram of an L-shaped superconducting strip. This asymmetry is due to the current crowding effect at the inner corner, and it is easier for magnetic flux to penetrate from the inner corner than from the outer corner. It has been confirmed that if the corners are sharp, the current crowding effect becomes large, but if the corners have curvature, the current crowding effect is reduced.
また、空間対称性の破れた結晶構造の超伝導体における整流特性も報告されている。MoS2薄膜を用いた電気2重層トランジスタ構造によって面直磁場中で高い整流特性が得られている。 In addition, rectification properties in superconductors with crystal structures with broken spatial symmetry have also been reported. High rectification characteristics in a perpendicular magnetic field have been obtained by an electric double layer transistor structure using a MoS 2 thin film.
[微細加工によるナノ構造を有する超伝導体の非相反性]
微細加工技術の発展に伴い、超伝導体への様々なピンニングナノ構造の導入による量子化磁束のダイナミクスに関する研究が盛んに行われており、量子化磁束の整流が報告されている。利用されるピンニング構造は多岐にわたっている。以下では、非相反超伝導特性をもたらすピンニングナノ構造について述べる。
[Non-reciprocity of superconductors with nanostructures created by microfabrication]
With the development of microfabrication technology, research on the dynamics of quantized magnetic flux by introducing various pinning nanostructures into superconductors has been actively conducted, and rectification of quantized magnetic flux has been reported. There are a wide variety of pinning structures utilized. In the following, we will discuss pinning nanostructures that provide nonreciprocal superconducting properties.
(a)超伝導表面厚さの非対称変調
磁束線のエネルギーは磁束線の長さに比例するため、超伝導体の非対称な厚さの変化により非対称なピンニングポテンシャルを構成できる。図17は、非対称超伝導表面厚さ変調の模式図を示す。のこぎり形の非対称な傾斜の厚さ変化やステップによって量子化磁束の整流が数値シミュレーションや実験で観測されている。
(a) Asymmetric modulation of superconducting surface thickness Since the energy of magnetic flux lines is proportional to the length of magnetic flux lines, an asymmetric pinning potential can be constructed by asymmetric changes in the superconductor's thickness. FIG. 17 shows a schematic diagram of asymmetric superconducting surface thickness modulation. Rectification of the quantized magnetic flux due to the thickness change or step of the sawtooth-shaped asymmetric slope has been observed in numerical simulations and experiments.
(b)ピンニングサイトの非対称形状
ピンニングサイトの形状や大きさを制御することによって、局所的に非対称なピンニングポテンシャルを構成できる。図18は、非対称形状のピンニングサイトアレーの模式図を示す。長方形や三角形など様々な形状のアンチドット等のピンニングセンターによる量子化磁束の整流が報告されている。また、大小のアンチドット対のアレーや、ピンニングサイトの大きさののこぎり形変調、非対称配置などによっても整流がもたらされている。
(b) Asymmetric shape of pinning site By controlling the shape and size of the pinning site, a locally asymmetric pinning potential can be constructed. FIG. 18 shows a schematic diagram of an asymmetrically shaped pinning site array. Rectification of quantized magnetic flux by pinning centers such as antidots of various shapes such as rectangles and triangles has been reported. Rectification has also been provided by arrays of large and small antidot pairs, sawtooth modulation of pinning site size, and asymmetrical arrangements.
(c)ピンニングサイトの非対称密度変調
等方的な形状のピンニングサイトでもその密度分布を制御することで非局所的で全体的なピンニングポテンシャルの変調を構成することができる。図19は、ピンニングサイト密度の非対称変調の模式図を示す。ピンニング密度ののこぎり形変調や、楔形の非対称形状分布のピンニングサイトアレーによる量子化磁束の整流が報告されている。これらはピン止めされた量子化磁束によって形成された非対称ポテンシャルにより、ピンニングサイト間のピン止めされていない量子化磁束が整流される。
(c) Asymmetric density modulation of pinning sites Even with isotropically shaped pinning sites, by controlling the density distribution, it is possible to configure non-local and overall modulation of the pinning potential. FIG. 19 shows a schematic diagram of asymmetric modulation of pinning site density. Sawtooth modulation of the pinning density and rectification of the quantized magnetic flux by a pinning site array with a wedge-shaped asymmetric shape distribution have been reported. These are due to the asymmetric potential formed by the pinned quantized magnetic flux, which rectifies the unpinned quantized magnetic flux between the pinning sites.
(d)磁気ドット/磁気ループの非対称構造
磁気ドットや磁気ループなどの磁気構造を用いたピンニングは、近接効果による局所的な超伝導の抑制と、磁気双極子モーメントと量子化磁束の遮蔽電流の相互作用に起因する。近接効果によるものは三角形磁気ドットによるアンチドットと同様の整流効果が報告されている。一方、磁気ループによる双極子モーメントに起因する整流は磁場を反転させても整流の方向が逆転しないといった、他のピンニング構造の整流効果とは異なる特異な特性が報告されている。また、磁気ループの面内磁場の調整によりピンニングポテンシャルのチューニングが可能となる。
(d) Asymmetric structure of magnetic dots/magnetic loops Pinning using magnetic structures such as magnetic dots and magnetic loops suppresses local superconductivity due to the proximity effect and reduces the shielding current of the magnetic dipole moment and quantized magnetic flux. Due to interaction. It has been reported that the rectifying effect due to the proximity effect is similar to that of anti-dots due to triangular magnetic dots. On the other hand, it has been reported that the rectification caused by the dipole moment of the magnetic loop has unique characteristics that are different from the rectification effects of other pinning structures, such as the direction of rectification does not reverse even if the magnetic field is reversed. Furthermore, the pinning potential can be tuned by adjusting the in-plane magnetic field of the magnetic loop.
(e)非対称弱ピンニングチャネル
弱ピンニングチャネルは、強いピンニング力と弱いピンニング力を示す2層の超伝導薄膜の強ピンニング層を一部取り除いたチャネル構造である。チャネル内部は弱ピンニング層のみであるため、磁場を調整することでチャネル外側の量子化磁束は強ピンニング層でピンニングされ、チャネル内部の量子化磁束は運動することができる。図20は、非対称ピンニングチャネルの模式図を示す。三角形を連ねた非対称チャネル形状による量子化磁束の整流が報告されている。
(e) Asymmetric weak pinning channel A weak pinning channel is a channel structure in which a part of the strong pinning layer of a two-layer superconducting thin film exhibiting strong pinning force and weak pinning force is removed. Since there is only a weak pinning layer inside the channel, by adjusting the magnetic field, the quantized magnetic flux outside the channel is pinned by the strong pinning layer, and the quantized magnetic flux inside the channel can move. FIG. 20 shows a schematic diagram of an asymmetric pinning channel. Rectification of quantized magnetic flux by an asymmetric channel shape consisting of a series of triangles has been reported.
上記のようなナノ構造による量子化磁束の整流においては、磁場の大きさや温度に依存した磁束間相互作用による逆転現象が多くのケースで観測されている。整流方向の逆転の要因としては以下に示すようなパラメーターが挙げられる。
・磁束格子とピンニングポテンシャル形状による相互作用
・ピンニングポテンシャルの変調長さに対する磁場侵入長の大きさ
・量子化磁束の密度
In the rectification of quantized magnetic flux by nanostructures as described above, reversal phenomena due to interactions between magnetic fluxes that depend on the magnitude of the magnetic field and temperature have been observed in many cases. Factors for reversing the rectification direction include the following parameters.
・Interaction between magnetic flux lattice and pinning potential shape ・Magnetic field penetration length relative to modulation length of pinning potential ・Density of quantized magnetic flux
また、ジョセフソン接合やそのアレーを用いたラチェット効果も報告されており、特にエレクトロニクス分野での実用化が期待されている。また、ピンニングポテンシャルの空間非対称性を有さない超伝導体システムにおける整流も報告されている。例えば、Bi2Sr2CaCu2O8+δ結晶に時間的に非対称な磁場を印加することによって量子化磁束の整流やポンプ現象が報告されている。また、Bi2Sr2CaCu2O8+δ結晶の固有ジョセフソン接合を含む構造に複数の高調波交流電流を組み合わせて印加することによる非対称な電流電圧特性が報告されている。これらはBi2Sr2CaCu2O8+δ結晶構造の大きな異方性により量子化磁束がパンケーキボルテックスとジョセフソンボルテックスに分かれ、両者が相互作用することに起因する。 Ratchet effects using Josephson junctions and arrays thereof have also been reported, and are expected to be put to practical use, particularly in the electronics field. Rectification in superconductor systems without spatial asymmetry of pinning potential has also been reported. For example, rectification of quantized magnetic flux and pumping phenomena have been reported by applying a temporally asymmetric magnetic field to a Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ crystal. Furthermore, asymmetric current-voltage characteristics have been reported by applying a combination of a plurality of harmonic alternating currents to a structure including a unique Josephson junction of a Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ crystal. These are caused by the fact that the quantized magnetic flux is divided into a pancake vortex and a Josephson vortex due to the large anisotropy of the Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ crystal structure, and the two interact.
[本実施例の目的]
本実施例では、REBCO高温超伝導薄膜を用いた超伝導ダイオードの開発に向けて、非相反超伝導特性(Icの電流方向依存性)の実現を目的とした。電流方向によって非対称な大きさのIcを得るためには、量子化磁束を止める、あるいは動かす作用を制御する必要がある。その手段として、面内磁場中における超伝導薄膜の表面、底面および内部の磁束ピンニング構造に着目し、これら薄膜構造の制御を行うことで電流方向に応じた量子化磁束の整流を目指した。超伝導材料としてSmBCOを用い、APC無添加の薄膜と、APC材料の一つであるBHOの添加によるBMOナノロッドを導入した薄膜を作製した。また、異なる基板を用いて様々な膜厚およびBHO添加量の薄膜を作製し、超伝導薄膜の膜厚、表面粗さ、基板、ナノロッド数密度による非相反超伝導特性の変化を検討した。また、非相反性の要因の解明を目指して様々な磁場、温度における非相反性の評価を行った。さらに、非相反性の向上を目的として反応性イオンエッチングによる薄膜表面加工およびPrBCO Seed層の導入を検討した。
[Purpose of this example]
In this example, the aim was to realize non-reciprocal superconductivity characteristics (current direction dependence of I c ) toward the development of a superconducting diode using a REBCO high-temperature superconducting thin film. In order to obtain I c that is asymmetric in magnitude depending on the current direction, it is necessary to control the effect of stopping or moving the quantized magnetic flux. As a means of achieving this, we focused on the magnetic flux pinning structure on the surface, bottom, and inside of a superconducting thin film in an in-plane magnetic field, and aimed to rectify the quantized magnetic flux according to the current direction by controlling these thin film structures. Using SmBCO as a superconducting material, we produced a thin film without the addition of APC and a thin film in which BMO nanorods were introduced by adding BHO, which is one of the APC materials. In addition, we fabricated thin films with various thicknesses and amounts of BHO added using different substrates, and examined changes in non-reciprocal superconducting properties depending on the thickness, surface roughness, substrate, and nanorod number density of the superconducting thin film. In addition, we evaluated non-reciprocity in various magnetic fields and temperatures in order to elucidate the causes of non-reciprocity. Furthermore, for the purpose of improving non-reciprocity, we investigated thin film surface processing using reactive ion etching and introduction of a PrBCO seed layer.
[実験方法]
[SmBCO超伝導薄膜の作製方法]
本実施例で用いたPLD法は物理気層蒸着法(PVD:Physical vapor deposition)法の一種である。PLD法は、レーザーアブレーションを用いた成膜方法である。レーザーアブレーションとは、高出力レーザーを固体(または液体)表面に照射したとき、プラズマの発生とともに固体表面の構成物質が蒸発し放出される現象である。以下にPLD法の特徴を示す。
・ターゲット(原料焼結体)と薄膜の組成ずれが少ない。
・広い雰囲気・圧力条件下で成膜が可能。
・チャンバー内に複数のターゲットを設置することで、多層構造の薄膜の作製が可能。
・レーザーのパルス数制御により膜厚制御が容易。
・チャンバー外部からエネルギーが注入されるため真空装置が比較的単純。
これらの特徴からPLD法はREBCO薄膜の作製に適している。
[experimental method]
[Method for producing SmBCO superconducting thin film]
The PLD method used in this example is a type of physical vapor deposition (PVD) method. The PLD method is a film formation method using laser ablation. Laser ablation is a phenomenon in which when a high-power laser is irradiated onto a solid (or liquid) surface, plasma is generated and constituent substances on the solid surface are evaporated and released. The characteristics of the PLD method are shown below.
・There is little compositional deviation between the target (raw material sintered body) and the thin film.
・Film formation is possible in a wide range of atmospheres and pressure conditions.
・By installing multiple targets in the chamber, it is possible to create a thin film with a multilayer structure.
・Film thickness can be easily controlled by controlling the number of laser pulses.
- Vacuum equipment is relatively simple because energy is injected from outside the chamber.
Due to these characteristics, the PLD method is suitable for producing REBCO thin films.
[PLD法の原理、概要]
図21は、本実施例で用いたPLD装置の概略図を示す。このPLD装置は、レーザー発振源、真空チャンバー、真空ポンプ、酸素導入部によって構成されている。使用した真空チャンバー内には、基板を加熱するためのヒーター、プレアブレーション時の基板への分子放射を防ぐためのシャッターが設置されている。プレアブレーションとは、ターゲット表面の不純物粒子を除去するために成膜開始前に行うアブレーションである。レーザー発振源にはKrFエキシマレーザー(Lambda Physik社製COMPex20、励起波長λ=248nm)、及びNd:YAGレーザー(アミスター社製ALC-YAG-90、励起波長λ=266nm)を使用した。KrFエキシマレーザーを用いたチャンバーは最大4つのターゲットが設置可能であり、ターゲットの公転はコンピュータで制御できる。Nd:YAGレーザーを用いたチャンバーは最大3つのターゲットが設置可能であり、ターゲットの公転は手動制御である。
[Principle and overview of PLD method]
FIG. 21 shows a schematic diagram of the PLD device used in this example. This PLD device is composed of a laser oscillation source, a vacuum chamber, a vacuum pump, and an oxygen introducing section. The vacuum chamber used was equipped with a heater to heat the substrate and a shutter to prevent molecular radiation to the substrate during pre-ablation. Pre-ablation is ablation performed before the start of film formation in order to remove impurity particles on the target surface. A KrF excimer laser (COMPex20 manufactured by Lambda Physik, excitation wavelength λ = 248 nm) and a Nd:YAG laser (ALC-YAG-90 manufactured by Amister Inc., excitation wavelength λ = 266 nm) were used as laser oscillation sources. A chamber using a KrF excimer laser can accommodate up to four targets, and the revolution of the targets can be controlled by a computer. Up to three targets can be installed in the chamber using the Nd:YAG laser, and the revolution of the targets is manually controlled.
エキシマレーザーは高出力、高効率、短波長という特徴を持つ。また、エキシマレーザーでは混合ガスの種類により波長が決定される。KrFエキシマレーザーの生成原理は以下の通りである。KrとF2の混合ガス中で放電することで、F2が分解、励起され、Krと結合することで不安定な2原子分子であるKrFエキシマが形成される。KrFエキシマが分解して基底状態に落ちるときに放出される光によって他のエキシマで誘導放出が発生し、波長λ=248nmの位相のそろった光が放出される。さらに共振器で増幅されることで高エネルギーのレーザー光が発振される。 Excimer lasers are characterized by high output, high efficiency, and short wavelength. Furthermore, the wavelength of an excimer laser is determined by the type of mixed gas. The principle of generation of KrF excimer laser is as follows. By discharging in a mixed gas of Kr and F 2 , F 2 is decomposed and excited, and combines with Kr to form a KrF excimer, which is an unstable diatomic molecule. The light emitted when the KrF excimer decomposes and falls to the ground state causes stimulated emission in other excimers, and phase-aligned light with a wavelength λ=248 nm is emitted. The laser beam is further amplified by a resonator to oscillate a high-energy laser beam.
Nd:YAGレーザーはエキシマレーザーと比べると装置が小型かつランニングコストが小さいという特徴を持つ。Nd:YAGレーザーの生成原理は以下の通りである。Nd:YAG結晶は、Y3AlO12からなるガーネット構造の結晶(YAG結晶)中のYをNdに一部置換した結晶である。Nd:YAG結晶にフラッシュランプから外部エネルギーを与えることで結晶中の電子が励起され、反転分布状態となる。励起された電子が基底状態に落ちるときに放出される光によって他の電子が誘導放出されることで基本波長λ=1064nmの位相のそろった光が放出される。さらに共振器で増幅されることで高エネルギーのレーザー光が発振される。また、波長変換結晶を透過させることで2倍波(532nm)、4倍波(266nm)に変換することができる。本実施例では、波長が短くエネルギーの高い4倍波を用いた。 Compared to excimer lasers, Nd:YAG lasers are characterized by smaller equipment and lower running costs. The generation principle of the Nd:YAG laser is as follows. The Nd:YAG crystal is a crystal in which Y in a garnet-structured crystal (YAG crystal) made of Y 3 AlO 12 is partially replaced with Nd. By applying external energy to the Nd:YAG crystal from a flash lamp, electrons in the crystal are excited and enter a population inversion state. The light emitted when the excited electrons fall to the ground state causes other electrons to be stimulated to be emitted, thereby emitting light with a uniform phase and a fundamental wavelength λ=1064 nm. The laser beam is further amplified by a resonator to oscillate a high-energy laser beam. Further, by transmitting the light through a wavelength conversion crystal, it can be converted into a second harmonic wave (532 nm) and a fourth harmonic wave (266 nm). In this embodiment, a fourth harmonic wave having a short wavelength and high energy was used.
PLD法の原理は、以下の通りである。発振されたレーザー光を反射ミラーで反射させ、マスクを通して集光レンズにより集光し、レーザー導入窓を通して真空チャンバー内のターゲット表面に照射する。反射レンズはレーザー光の軌道を調整、マスクはレーザー光のサイズを制御しエネルギー分布を調整する役割がある。集光されたレーザー光によりターゲット表面の分子がアブレーション(蒸発)・励起され、プルームと呼ばれる柱状プラズマを生じる。この時、ターゲットから構成物質が原子、分子、イオンなどの粒子に分解し放出されており、対面に置かれた基板上に到達し堆積して薄膜が形成される。 The principle of the PLD method is as follows. The oscillated laser beam is reflected by a reflecting mirror, passed through a mask, focused by a condensing lens, and irradiated onto the target surface in a vacuum chamber through a laser introduction window. The reflective lens has the role of adjusting the trajectory of the laser beam, and the mask has the role of controlling the size of the laser beam and adjusting the energy distribution. Molecules on the target surface are ablated (evaporated) and excited by the focused laser light, creating a columnar plasma called a plume. At this time, constituent substances are decomposed and released from the target into particles such as atoms, molecules, and ions, which reach and deposit on the substrate placed opposite to form a thin film.
[PLD法による薄膜作製]
以下に薄膜作製手順を示す。
(1)ターゲット表面の凹凸が、プルームの変形や傾き、ターゲット片が基板上で付着するドロップレットの生成の原因となるため、ターゲット表面を紙やすり(#220、#2000)で研磨した。
(2)チャンバー内にターゲットと基板を設置し、ロータリーポンプを用いて真空引きを行った。なお、ターゲット設置面は横向きであるため、ある程度の接着強度が必要である。本実施例では、接着強度が高くかつ熱伝導性が良いため成膜時の熱に対して耐久性の高い、カーボン導電テープを使用してターゲットの接着を行った。
(3)チャンバー内の圧力が500mTorr以下に達したら、ロータリーポンプに直列に接続されたターボ分子ポンプを用いてさらに真空引きを行った。
(4)チャンバー内の圧力が4mTorr以下に達したら、ターボ分子ポンプのスイッチを切り、酸素を導入した。酸素分圧が400mTorrになるように、ロータリーポンプのバルブで排気量を調節した。
(5)室温から成膜基板温度まで20分程度かけてヒーターの温度を上げた。その間に、ターゲット表面についた不純物を除去するために、シャッターを閉じた状態でターゲットを自転、公転させてプレアブレーションを行った。
(6)成膜基板温度に達したら、温度を安定させるために2分程度待機した。
(7)シャッターを開いてターゲットにレーザーを照射し、成膜を行った。成膜中、酸素分圧を400mTorrに維持するため、適宜ロータリーポンプで排気量を調節した。なお、レーザー照射の際にマスクは使用しなかった。
(8)成膜終了後、ロータリーポンプのスイッチを切り、チャンバー内に酸素分圧を200Torr程度にして、基板温度を下げた。
(9)基板温度が100℃以下に達したら、チャンバーを大気開放し、ターゲットと基板を取り出した。
[Thin film production by PLD method]
The thin film manufacturing procedure is shown below.
(1) The target surface was polished with sandpaper (#220, #2000) because the unevenness of the target surface causes deformation and inclination of the plume, and the generation of droplets where target pieces adhere on the substrate.
(2) A target and a substrate were placed in a chamber, and vacuum was drawn using a rotary pump. Note that since the target installation surface is horizontal, a certain degree of adhesive strength is required. In this example, targets were bonded using carbon conductive tape, which has high adhesive strength and good thermal conductivity and is highly durable against heat during film formation.
(3) When the pressure inside the chamber reached 500 mTorr or less, further evacuation was performed using a turbo molecular pump connected in series to the rotary pump.
(4) When the pressure in the chamber reached 4 mTorr or less, the turbomolecular pump was switched off and oxygen was introduced. The displacement was adjusted using the valve of the rotary pump so that the oxygen partial pressure was 400 mTorr.
(5) The temperature of the heater was raised from room temperature to the temperature of the film forming substrate over about 20 minutes. During this time, in order to remove impurities on the target surface, pre-ablation was performed by rotating and revolving the target with the shutter closed.
(6) When the temperature of the film-forming substrate was reached, the film was waited for about 2 minutes to stabilize the temperature.
(7) The shutter was opened and the target was irradiated with a laser to form a film. During film formation, in order to maintain the oxygen partial pressure at 400 mTorr, the exhaust volume was adjusted as appropriate using a rotary pump. Note that no mask was used during laser irradiation.
(8) After the film formation was completed, the rotary pump was switched off, and the oxygen partial pressure in the chamber was set to about 200 Torr to lower the substrate temperature.
(9) When the substrate temperature reached 100° C. or lower, the chamber was opened to the atmosphere and the target and substrate were taken out.
[ターゲットの作製手順]
ターゲットの組成は薄膜の組成に影響するため、ターゲットは高密度、高純度であることが必要である。本項では、その作製手順を示す。ターゲットの原料粉は株式会社高純度化学製Sm2O3(純度99.9%)、BaO2(純度99.9%)、CuO(純度99.9%)、HfO2(純度98.0%)、Pr6O11(純度99.9%)を用いた。SmBCOターゲット、SmBCO+BHO混合ターゲット、PrBa2Cu3Oy(PrBCO)ターゲットの作製には、日陶科学株式会社製小型電気炉(NHK-170)を用いて粉末の乾燥および焼成を行った。BaHfO3(BHO)ターゲットの作製には、光洋サーモシステム株式会社製小型電気炉(KBF-314N)を用いて焼成を行った。
[Target production procedure]
Since the composition of the target affects the composition of the thin film, the target needs to have high density and high purity. This section shows the fabrication procedure. The target raw material powders are Sm 2 O 3 (purity 99.9%), BaO 2 (purity 99.9%), CuO (purity 99.9%), and HfO 2 (purity 98.0%) manufactured by Kojundo Kagaku Co., Ltd. ), Pr 6 O 11 (purity 99.9%) was used. To produce the SmBCO target, SmBCO+BHO mixed target, and PrBa 2 Cu 3 O y (PrBCO) target, powder was dried and fired using a small electric furnace (NHK-170) manufactured by Nichito Kagaku Co., Ltd. A BaHfO 3 (BHO) target was produced by firing using a small electric furnace (KBF-314N) manufactured by Koyo Thermo Systems Co., Ltd.
(a)SmBCOターゲットの作製
(1)Sm2O3は吸湿性があるため、大気中990℃で12時間熱処理し、乾燥させた。
(2)乾燥させたSm2O3、BaO2、CuOを目的の組成に合わせて秤量し、メノウ乳鉢で約3時間混合した後、大気中700℃で17時間仮焼を行った。
(3)仮焼後の原料をメノウ乳鉢と乳棒で約3時間混合した後、油圧プレス機(理研機器株式会社製P-16B)を用いて40MPaで加圧して円柱ペレット状に成型し、大気中850℃で17時間仮焼を行った。
(4)手順(3)と同様の処理後、大気中900℃で35時間仮焼を行った。
(5)手順(3)と同様の処理後、大気中940℃で36時間、裏返してさらに大気中990℃で36時間、本焼きを行った。
(a) Preparation of SmBCO target (1) Since Sm 2 O 3 is hygroscopic, it was heat-treated in the air at 990° C. for 12 hours and dried.
(2) The dried Sm 2 O 3 , BaO 2 , and CuO were weighed according to the desired composition, mixed in an agate mortar for about 3 hours, and then calcined in the air at 700° C. for 17 hours.
(3) After mixing the calcined raw materials with an agate mortar and pestle for about 3 hours, pressurize at 40 MPa using a hydraulic press machine (P-16B manufactured by Riken Kiki Co., Ltd.) to form a cylindrical pellet, and Calcining was performed at 850° C. for 17 hours.
(4) After the same treatment as in step (3), calcination was performed at 900° C. for 35 hours in the air.
(5) After the same treatment as in step (3), firing was performed at 940° C. in the air for 36 hours, then turned over and further baked at 990° C. in the air for 36 hours.
(b)BHOターゲットの作製
(1)BaO2、HfO2を目的の組成に合わせて秤量し、メノウ乳鉢で約3時間混合した後、大気中900℃で24時間仮焼を行った。
(2)仮焼後の原料を乳鉢で約3時間混合した後、油圧プレス機を用いて40MPaで加圧して円柱ペレット状に成型し、大気中1550℃で24時間仮焼を行った。
(3)裏返してさらに大気中1600℃で24時間、本焼きを行った。
(b) Preparation of BHO target (1) BaO 2 and HfO 2 were weighed according to the desired composition, mixed in an agate mortar for about 3 hours, and then calcined in the air at 900° C. for 24 hours.
(2) After mixing the calcined raw materials in a mortar for about 3 hours, the pellets were pressurized at 40 MPa using a hydraulic press to form cylindrical pellets, and calcined in the air at 1550° C. for 24 hours.
(3) It was turned over and further baked at 1600° C. for 24 hours in the air.
(c)SmBCO+BHO混合ターゲットの作製
(1)「(a)SmBCOターゲットの作製」の手順(1)から(4)までを行い、本焼き前のSmBCOターゲットを乳鉢で約2時間混合して粉末にした。
(2)「(b)BHOターゲットの作製」の手順(1)から(3)までを行い、本焼き後のBHOターゲットを乳鉢で約2時間混合して粉末にした。
(3)手順(1)と(2)のSmBCO粉末とBHO粉末を目的のBHO添加量となるように混ぜ合わせ、乳鉢で約2時間混合した後、油圧プレス機を用いて40MPaで加圧して円柱ペレット状に成型し、大気中940℃で36時間、裏返してさらに大気中990℃で36時間、本焼きを行った。
(c) Preparation of SmBCO+BHO mixed target (1) Follow steps (1) to (4) in “(a) Preparation of SmBCO target” and mix the SmBCO target before firing in a mortar for about 2 hours to form a powder. did.
(2) Procedures (1) to (3) of "(b) Preparation of BHO target" were performed, and the BHO target after firing was mixed in a mortar for about 2 hours to form a powder.
(3) Mix the SmBCO powder and BHO powder from steps (1) and (2) to the desired amount of BHO added, mix in a mortar for about 2 hours, and pressurize at 40 MPa using a hydraulic press. It was molded into a cylindrical pellet, heated in the air at 940°C for 36 hours, turned over, and further baked in the air at 990°C for 36 hours.
(d)PrBCOターゲットの作製
(1)Pr6O11は吸湿性があるため、大気中990℃で12時間熱処理し、乾燥させた。
(2)乾燥させたPr6O11、BaO2、CuOを目的の組成に合わせて秤量し、メノウ乳鉢で約3時間混合した後、大気中700℃で17時間仮焼を行った。
(3)仮焼後の原料をメノウ乳鉢で約3時間混合した後、油圧プレス機を用いて40MPaで加圧して円柱ペレット状に成型し、大気中850℃で17時間仮焼を行った。
(4)手順(3)と同様の処理後、大気中900℃で35時間仮焼を行った。
(5)手順(3)と同様の処理後、大気中940℃で36時間、裏返してさらに大気中990℃で36時間、本焼きを行った。
(d) Preparation of PrBCO target (1) Since Pr 6 O 11 is hygroscopic, it was heat-treated at 990° C. for 12 hours in the air and dried.
(2) The dried Pr 6 O 11 , BaO 2 , and CuO were weighed according to the desired composition, mixed in an agate mortar for about 3 hours, and then calcined in the air at 700° C. for 17 hours.
(3) The calcined raw materials were mixed in an agate mortar for about 3 hours, then pressurized at 40 MPa using a hydraulic press to form into cylindrical pellets, and calcined in the air at 850° C. for 17 hours.
(4) After the same treatment as in step (3), calcination was performed at 900° C. for 35 hours in the air.
(5) After the same treatment as in step (3), firing was performed at 940° C. in the air for 36 hours, then turned over and further baked at 990° C. in the air for 36 hours.
[BaMO3の添加方法]
本実施例ではBaHfO3(BHO)を人工ピンニングセンター(APC)として導入した。BHOはBMO(M=Zr,Sn,Hf)と呼ばれるペロブスカイト型金属酸化物の一種である。PLD法を用いたREBCOへのBMO添加方法として、以下に示す3つの方法がある。図22(a)~(c)は、各方法の模式図を示す。
[Method of adding BaMO 3 ]
In this example, BaHfO 3 (BHO) was introduced as an artificial pinning center (APC). BHO is a type of perovskite metal oxide called BMO (M=Zr, Sn, Hf). There are three methods shown below as methods for adding BMO to REBCO using the PLD method. FIGS. 22(a) to 22(c) show schematic diagrams of each method.
(a)混合ターゲット法
図22(a)に示すように、REBCOターゲットの作製時に、所望する添加量のBMOを混ぜ込んで焼結させたターゲットを用いてBMOを添加した薄膜を作製する方法である。比較的容易にBMOを添加できるため線材応用に適している。しかし、ターゲット毎のBMO添加量は一定となるため、添加量の異なる薄膜を作製するためには複数のターゲットを作製する必要がある。
(a) Mixed target method As shown in Figure 22(a), this is a method in which a desired amount of BMO is mixed in and sintered during the production of a REBCO target to produce a BMO-added thin film. be. Since BMO can be added relatively easily, it is suitable for wire applications. However, since the amount of BMO added for each target is constant, it is necessary to fabricate a plurality of targets in order to fabricate thin films with different amounts of BMO added.
(b)修飾ターゲット法
薄膜作製時に、図22(b)に示すように、小さく加工したBMO焼結体をREBCOターゲット上に乗せ、ターゲットの自転によってREBCOとBMOを交互に蒸着させBMOを添加した薄膜を作製する方法である。BMO焼結体の面積によってBMO添加量を容易に変化させることができる。しかし、短所として設置したBMO焼結体の端にレーザーが当たるとプルームが傾き添加量が不均一になる点がある。
(b) Modified target method During thin film production, as shown in Figure 22(b), a BMO sintered body processed into small pieces was placed on a REBCO target, and REBCO and BMO were alternately deposited by rotation of the target and BMO was added. This is a method for producing thin films. The amount of BMO added can be easily changed depending on the area of the BMO sintered body. However, the drawback is that if the laser hits the edge of the installed BMO sintered body, the plume will tilt and the amount of addition will become uneven.
(c)ターゲット交換法
図22(c)に示すように、REBCOとBMOの各々のターゲットを用意し、薄膜作製時にこれらを交互に蒸着させ、BMOを添加した薄膜を作製する方法である。REBCOとBMOに照射するレーザーのパルス数によりBMOの添加量を容易に制御可能である。しかし、ターゲット交換に時間を要するため成膜時間が長くなるという短所がある。
(c) Target exchange method As shown in FIG. 22(c), this is a method in which REBCO and BMO targets are prepared and alternately deposited during thin film production to produce a BMO-added thin film. The amount of BMO added can be easily controlled by the number of laser pulses irradiated to REBCO and BMO. However, this method has the disadvantage that it takes a long time to form a film because it takes time to replace the target.
[成膜基板]
基板は、薄膜を蒸着させる土台であり、エピタキシャル成長する薄膜の結晶性に大きな影響を及ぼす。そのため、目的にあった基板を選択する必要がある。基板に求められる性質を以下に示す。
・薄膜材料と結晶構造が類似しており、格子ミスフィットが小さい。
・薄膜材料と熱膨張係数が近い。
・薄膜材料との反応、拡散がない。
・成膜温度以下で構造相転移がない。
[Film-forming substrate]
The substrate is the base on which the thin film is deposited and has a great influence on the crystallinity of the epitaxially grown thin film. Therefore, it is necessary to select a substrate that suits the purpose. The properties required of the substrate are shown below.
・Crystal structure is similar to thin film material, and lattice misfit is small.
・Thermal expansion coefficient is similar to that of thin film materials.
・No reaction or diffusion with thin film materials.
・There is no structural phase transition below the film formation temperature.
本実施例では、IBAD-MgO基板及びLaAlO3(LAO)(100)単結晶基板を使用した。図23は、IBAD-MgO基板の構造の模式図を示す。IBAD-MgO基板は金属テープ上に複数の中間層を積層させた構造となっている。各層の役割を以下に示す。 In this example, an IBAD-MgO substrate and a LaAlO 3 (LAO) (100) single crystal substrate were used. FIG. 23 shows a schematic diagram of the structure of the IBAD-MgO substrate. The IBAD-MgO substrate has a structure in which a plurality of intermediate layers are laminated on a metal tape. The role of each layer is shown below.
(a)Hastelloy C276
NiにCrやMoを加えた合金である。耐久性、耐食性、耐熱性に優れている。
(b)Gd2Zr2O7層
Ion beam sputterring法により作製される。HastelloyからNiなどの金属が拡散するのを防ぐ役割がある。
(c)Y2O3層
Gd2Zr2O7層と同様にHastelloyからNiなどの金属が拡散するのを防ぐ役割がある。また、Gd2Zr2O7とMgOの格子不整合を緩和する役割がある。
(d)IBAD-MgO層
IBAD法によりMgOを2軸配向させた層である。
(e)LaMnO3層
RF-sputterring法により作製される。MgOとCeO2の格子不整合を緩和する役割がある。
(f)CeO2層
PLD法によって作製される。CeO2は自己配向成長するためイオンビームなどのアシストがなくても面内配向性が向上する。膜厚を増加させるほど配向性は向上する傾向があり、この層の配向性が超伝導層の結晶性に影響する。
(a) Hastelloy C276
It is an alloy of Ni with Cr and Mo added. Excellent durability, corrosion resistance, and heat resistance.
(b) Gd 2 Zr 2 O 7 layers
Manufactured by ion beam sputtering method. It has the role of preventing metals such as Ni from diffusing from Hastelloy.
(c) Y 2 O 3 layer Similar to the Gd 2 Zr 2 O 7 layer, this layer serves to prevent metals such as Ni from diffusing from Hastelloy. It also plays a role in alleviating the lattice mismatch between Gd 2 Zr 2 O 7 and MgO.
(d) IBAD-MgO layer This is a layer in which MgO is biaxially oriented by the IBAD method.
(e) LaMnO3 layer
Manufactured by RF-sputtering method. It plays a role in alleviating the lattice mismatch between MgO and CeO2 .
(f) CeO 2 layer Produced by PLD method. Since CeO 2 grows in a self-oriented manner, its in-plane orientation improves even without assistance from an ion beam or the like. The orientation tends to improve as the film thickness increases, and the orientation of this layer affects the crystallinity of the superconducting layer.
本実施例では超伝導薄膜底面の粗さの影響について考察するため、表面が分子レベルで滑らかである単結晶基板を用いてREBCO薄膜の作製を行った。表1に各種基板の特徴を示す。本実施例では単結晶基板の中でもSmBCOと格子ミスフィットが小さく熱膨張係数が近いLAOを選択した。
[反応性イオンエッチング]
反応性イオンエッチング(Reactive ion etching:RIE)はプラズマを利用したガスによる加工方法であるドライエッチングに分類される。RIEはイオンによる物理的スパッタリングと反応性ガスによる化学反応による高精度な異方性エッチングプロセスであり、半導体デバイスの作製に多く用いられている。本実施例ではSmBCO薄膜の表面平坦化を目的として、RIEによる薄膜の表面加工を試みた。
[Reactive ion etching]
Reactive ion etching (RIE) is classified as dry etching, which is a processing method using gas using plasma. RIE is a highly accurate anisotropic etching process using physical sputtering using ions and chemical reaction using reactive gas, and is often used in the production of semiconductor devices. In this example, for the purpose of flattening the surface of the SmBCO thin film, an attempt was made to process the surface of the thin film by RIE.
図24は、平行平板型RIEの模式図を示す。RIEの物理エッチング原理は以下の通りである。真空容器内に2枚の平行平板電極を設置し、一方に試料を置く。電極の試料側(カソード)は高周波電源が接続され、他方(アノード)はグランド電位となっている。平行平板電極間に高周波電圧をかけることで、チャンバー内のエッチングガス(本実施例では、CF4とO2の混合ガス)は電子衝突によりイオンやラジカルに解離し、イオンと電子はプラズマ状態を形成する。電子の移動度はイオンの移動度よりもはるかに大きいため、プラズマ電位は正となる。また、カソード電極が正の場合は、電子が電極に向かって加速され負の電荷が蓄積される。カソード電極が負の場合は正イオンが電極に向かって加速されるが移動度が小さいため蓄積量は極めて少ない。さらに、ブロッキングコンデンサがカソード電極と高周波電源を絶縁しているため、電極に蓄積された電子は放電せず、カソードは負の電位になる。そのためプラズマとカソード電極の間にイオンシースができ電位差が生じる。これはシース電位と呼ばれる。イオンシースは試料に垂直にできるため、シース電位により加速されたイオンは垂直に試料を衝撃して異方性エッチングを起こす。 FIG. 24 shows a schematic diagram of parallel plate type RIE. The physical etching principle of RIE is as follows. Two parallel plate electrodes are installed in a vacuum container, and a sample is placed on one side. A high frequency power source is connected to the sample side (cathode) of the electrode, and the other side (anode) is at ground potential. By applying a high-frequency voltage between parallel plate electrodes, the etching gas in the chamber (in this example, a mixed gas of CF 4 and O 2 ) is dissociated into ions and radicals by electron collision, and the ions and electrons enter a plasma state. Form. Since the mobility of electrons is much greater than that of ions, the plasma potential is positive. Furthermore, when the cathode electrode is positive, electrons are accelerated toward the electrode and negative charges are accumulated. When the cathode electrode is negative, positive ions are accelerated toward the electrode, but their mobility is low, so the amount accumulated is extremely small. Furthermore, since the blocking capacitor insulates the cathode electrode from the high-frequency power source, the electrons accumulated in the electrode are not discharged, and the cathode has a negative potential. Therefore, an ion sheath is formed between the plasma and the cathode electrode, resulting in a potential difference. This is called the sheath potential. Since the ion sheath is formed perpendicular to the sample, ions accelerated by the sheath potential impact the sample perpendicularly, causing anisotropic etching.
本実施例でのRIE加工は、平行平板型RIE装置(サムコ株式会社製RIE-10NRT)を用いて行った。実施例3の表8にRIEの各種パラメーターの条件を示す。試料は石英板上に設置してエッチングを行った。なお、エッチングガスの条件を一定にして、エッチング強度と時間を変化させてエッチング条件の検討を行った。 The RIE processing in this example was performed using a parallel plate type RIE device (RIE-10NRT manufactured by Samco Co., Ltd.). Table 8 of Example 3 shows the conditions of various parameters of RIE. The sample was placed on a quartz plate and etched. Note that the etching conditions were examined by keeping the etching gas conditions constant and varying the etching intensity and time.
[PrBa2Cu3Oy Seed層]
薄膜を蒸着させる際の母層は、エピタキシャル成長する薄膜の結晶性に大きな影響を及ぼす。Upper層と格子定数が近い材料をSeed層として用いることで、Upper層と基板界面の格子ミスフィットにより生じるひずみを緩和することができる。本実施例では、SmBCO底面(基板側界面)の格子ひずみを緩和する目的のため、Upper層のSmBCOと同じ希土類酸化物であるが常伝導体であるPrBCOをSeed層として導入した。PrBCOはSmBCOとの格子定数が非常に近く、格子ミスフィットが0.26%と小さい。そのため、結晶性の良好なPrBCO Seed層を導入することで、PrBCO Seed層を導入しない場合よりもSmBCOの界面ひずみを緩和することができる。また、IBAD-MgO基板上にPrBCO Seed層導入SmBCO薄膜を作製した場合に、IBAD-MgO基板最表面のCeO2からSmBCOにCeが拡散することによるTcの低下を抑制できることが報告されている。以上のことから、PrBCO Seed層を用いることでひずみや基板材料の固相拡散の少ない良好な界面組織を有するSmBCO Upper層が作製できる。
[PrBa 2 Cu 3 O y Seed layer]
The base layer upon which a thin film is deposited has a great effect on the crystallinity of the epitaxially grown thin film. By using a material having a lattice constant close to that of the Upper layer as the Seed layer, it is possible to alleviate strain caused by lattice misfit at the interface between the Upper layer and the substrate. In this example, in order to alleviate the lattice strain at the bottom surface of SmBCO (substrate side interface), PrBCO, which is the same rare earth oxide as SmBCO in the Upper layer but is a normal conductor, was introduced as a seed layer. PrBCO has a very similar lattice constant to SmBCO, and the lattice misfit is as small as 0.26%. Therefore, by introducing a PrBCO seed layer with good crystallinity, the interface strain of SmBCO can be more relaxed than when no PrBCO seed layer is introduced. Furthermore, it has been reported that when a PrBCO Seed layer-introduced SmBCO thin film is fabricated on an IBAD-MgO substrate, it is possible to suppress the decrease in T c due to the diffusion of Ce from CeO 2 on the outermost surface of the IBAD-MgO substrate to SmBCO. . From the above, by using the PrBCO Seed layer, it is possible to produce an SmBCO Upper layer having a good interfacial structure with less strain and solid phase diffusion of the substrate material.
一方、PrBCOとSmBCOを積層した場合、PrがSmBCO中に拡散することでSmBCOのTcが低下することが懸念される。YBCOのYをPrとxだけ置換させた材料である(Y1-x,Prx)BCOは、x(0≦x≦1)が大きいほどTcが低下しxが0.6以上で超伝導転移しなくなることが報告されている。そのため、Prの拡散を防ぐために薄膜の作製温度を適切に設定する必要がある。SmBCOの成膜最適温度条件でPrが拡散してしまう場合、Seed層を用いない場合のSmBCOの最適温度条件よりもある程度低温で成膜する必要があると考えられる。そのため本実施例では、我々のグループで提案されている、低温成膜(Low temperature growth:LTG)法を用いてPrBCO Seed層を導入したSmBCO薄膜の作製を試みた。LTG法とは、比較的高い温度でSeed層のREBCOを作製した後、比較的低い温度でUpper層のREBCOを作製する方法である。LTG法を用いることで、通常c軸配向が困難である比較的低い温度でREBCO薄膜のc軸配向膜の作製が可能となる。LTG法によって作製したPrBCO Seed層を導入したSmBCO薄膜の報告においても、PrBCO Seed層未導入のSmBCO薄膜よりも低い温度までa軸粒混在率の増加が確認されなかった。以上のことから、PrBCO Seed層とSmBCO Upper層の良好な結晶性の維持とPrの拡散防止を両立する薄膜作製手法として、LTG法を用いた。 On the other hand, when PrBCO and SmBCO are stacked, there is a concern that the T c of SmBCO will decrease due to diffusion of Pr into SmBCO. ( Y 1-x , Pr It has been reported that conductive transition no longer occurs. Therefore, it is necessary to appropriately set the temperature for forming the thin film in order to prevent Pr from diffusing. If Pr is diffused under the optimum temperature conditions for film formation of SmBCO, it is considered that the film needs to be formed at a certain temperature lower than the optimum temperature conditions for SmBCO when no seed layer is used. Therefore, in this example, an attempt was made to fabricate an SmBCO thin film into which a PrBCO seed layer was introduced using the low temperature growth (LTG) method proposed by our group. The LTG method is a method in which REBCO of the Seed layer is produced at a relatively high temperature, and then REBCO of the Upper layer is produced at a relatively low temperature. By using the LTG method, it is possible to produce a c-axis oriented REBCO thin film at a relatively low temperature at which c-axis alignment is normally difficult. Even in a report on an SmBCO thin film into which a PrBCO seed layer was introduced, which was fabricated by the LTG method, an increase in the a-axis grain mixture ratio was not confirmed at temperatures lower than in an SmBCO thin film into which no PrBCO seed layer was introduced. Based on the above, the LTG method was used as a thin film manufacturing method that achieves both maintenance of good crystallinity of the PrBCO Seed layer and SmBCO Upper layer and prevention of Pr diffusion.
[SmBCO薄膜の評価方法]
作製した薄膜に対して、結晶構造の評価、表面及び微細構造の観察、組成分析、超伝導特性の評価を行った。それぞれの評価方法を以下に示す。
・結晶構造評価
X線回析(XRD:X-ray diffraction)法
・表面構造観察
原子間力顕微鏡(AFM:Atomic force microscope)
・組成分析
誘導結合プラズマ分光分析法(ICP:Inductively-coupled plasma spectroscopy)
・膜厚評価
白色顕微鏡
・超伝導特性評価
物理特性測定装置(PPMS:Physical properties measurement system)
[Evaluation method of SmBCO thin film]
The produced thin film was evaluated for crystal structure, surface and microstructure observation, compositional analysis, and superconducting properties. Each evaluation method is shown below.
・Crystal structure evaluation X-ray diffraction (XRD) method ・Surface structure observation Atomic force microscope (AFM)
・Composition analysis Inductively-coupled plasma spectroscopy (ICP)
・Film thickness evaluation White microscope ・Superconductivity property evaluation Physical properties measurement system (PPMS)
[結晶構造評価]
作製した薄膜の結晶構造はX線回析法を用いて評価した。本実施例では、Rigaku社製の表面構造評価用多機能X線回折装置ATX-Gを用いて、2θ-ω測定、Rocking curve測定、φ-scan測定を行った。以下でそれぞれの測定方法について述べる。
[Crystal structure evaluation]
The crystal structure of the produced thin film was evaluated using X-ray diffraction. In this example, 2θ-ω measurement, rocking curve measurement, and φ-scan measurement were performed using a multifunctional X-ray diffraction device ATX-G for surface structure evaluation manufactured by Rigaku. Each measurement method will be described below.
(a)2θ-ω測定
試料を回転させることでX線の入射角ωを変化させ、X線源から試料にX線を照射する。このとき、X線検出器をωの2倍の角度2θの位置に配置する。本実施例では、2θの範囲を5°-80°として変化させて測定を行った。この測定により、試料の配向性、異相の有無、c軸長の評価ができる。(00n)面のピークから求めたc軸長を縦軸、以下に示すNelson-Riley(NR)関数を横軸としてプロットし、最小二乗法を用いてNR関数がゼロとなる外挿値から正確なc軸長を求めた。
(b)Rocking curve測定
Rocking curve測定では、2θ-ω測定で得られた(005)面のピーク角度にωと2θを固定し、ωをその角度から±1°の範囲で変化させて、回析X線を測定する。この測定から得た(005)面のピークの半値幅δωから、基板のc軸方向に対する結晶方位のばらつきを評価できる。δωが小さいほどc軸配向性が良好である。
(b) Rocking curve measurement
In rocking curve measurement, ω and 2θ are fixed at the peak angle of the (005) plane obtained in 2θ-ω measurement, and ω is varied within a range of ±1° from that angle to measure diffracted X-rays. . From the half-value width δω of the peak of the (005) plane obtained from this measurement, it is possible to evaluate the variation in crystal orientation with respect to the c-axis direction of the substrate. The smaller δω is, the better the c-axis orientation is.
(c)φ-scan測定
α軸を回転させることで、薄膜のある特定面からの回折ピークが得られる位置にX線源と検出器を設置し、試料を面内でφだけ回転させることで、薄膜の面内における配向性を評価できる。本実施例では、SmBCOの(102)面のピークを用い、φの範囲を±100°とした。測定から得たピークの半値幅δφから、面内方向に対する結晶方位のばらつきを評価できる。δφが小さいほど、面内配向性が良好である。
(c) φ-scan measurement By rotating the α-axis, the X-ray source and detector are installed at a position where the diffraction peak from a specific surface of the thin film can be obtained, and by rotating the sample by φ within the plane. , the in-plane orientation of a thin film can be evaluated. In this example, the peak of the (102) plane of SmBCO was used, and the range of φ was set to ±100°. The variation in crystal orientation in the in-plane direction can be evaluated from the half-width δφ of the peak obtained from the measurement. The smaller δφ is, the better the in-plane orientation is.
[表面構造観察]
薄膜の表面構造観察には、走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡(AFM:Atomic force microscope)のDynamic force mode(DFM)を用いた。本実施例のAFMは、SII nano technology社製のSPI3800を用いた。探針はカンチレバーの先端に取り付けられており、AFMでは探針と試料表面を微小な力で常に接触させて、力が一定となるように、すなわちカンチレバーのたわみ量が一定となるように探針と試料の間の距離を制御しながら、圧電素子により水平に操作することで表面情報を得る。たわみ量の検出は光てこ法が用いられる。カンチレバーの背面に照射された半導体レーザーの反射光は光検出器内の4分割フォトダイオードに導かれる。カンチレバーのたわみによってレーザーの反射角度が変化するため、4分割フォトダイオードに当たるレーザーの中心位置がずれフォトダイオードの電圧差が変化する。これを検出することでカンチレバーの変位が測定される。DFMはAFMの測定モードの一つであり、圧電素子によりカンチレバーを共振周波数程度で振動させた状態で探針を試料表面に近づけ、振動振幅が一定になるようにカンチレバーの背面にレーザー光を当て、原子間力による振幅の変化を光検出器で検出することによって、表面情報を得ることができる。DFMは接触型のAFMでは測定が困難なやわらかい試料や吸着力のある試料の測定に適している。
[Surface structure observation]
Dynamic force mode (DFM) of an atomic force microscope (AFM), which is a type of scanning probe microscope, was used to observe the surface structure of the thin film. The AFM used in this example was SPI3800 manufactured by SII nano technology. The probe is attached to the tip of the cantilever, and in AFM, the probe is constantly brought into contact with the sample surface with a small force, and the probe is attached so that the force is constant, that is, the amount of deflection of the cantilever is constant. Surface information is obtained by horizontally operating the piezoelectric element while controlling the distance between the surface and the sample. An optical lever method is used to detect the amount of deflection. The reflected light from the semiconductor laser irradiated onto the back surface of the cantilever is guided to a four-part photodiode in the photodetector. Since the reflection angle of the laser changes due to the deflection of the cantilever, the center position of the laser hitting the four-split photodiode shifts and the voltage difference between the photodiodes changes. By detecting this, the displacement of the cantilever is measured. DFM is one of the measurement modes of AFM, in which the probe is brought close to the sample surface while the cantilever is vibrated at about the resonance frequency by a piezoelectric element, and a laser beam is applied to the back of the cantilever so that the vibration amplitude is constant. , surface information can be obtained by detecting changes in amplitude due to atomic forces with a photodetector. DFM is suitable for measuring soft samples or samples with adsorption force that are difficult to measure with contact-type AFM.
本実施例では、一辺10μmの正方形領域の表面情報による自乗平均粗さの解析結果を用いて表面粗さδRの評価を行った。図25は、δRの模式図を示す。 In this example, the surface roughness δR was evaluated using the analysis results of the root mean square roughness based on the surface information of a square area of 10 μm on a side. FIG. 25 shows a schematic diagram of δR.
[組成分析]
組成分析には、Thermo Scientific社製のThermo iCAP6200DUOを用いて誘導結合プラズマ分光分析法(ICP:Inductively-coupled plasma spectroscopy)による評価を行った。ICPは酸性溶液に溶かした試料をArプラズマ中に噴霧することにより試料の構成元素を励起させ、励起された原子が基底状態に戻るときに発生する元素ごとに特有な発光スペクトルを分光、分析することにより、試料の構成元素を定量的に測定する方法である。本実施例では、評価対象である元素の標準溶液を希硝酸によって希釈し、希釈した標準溶液を用いてスペクトル強度と濃度の検量線を引くことによって、試料の未知濃度の基準とした。本実施例の標準溶液は、関東化学株式会社製1000mg/lサマリウム標準原液、プラセオジウム標準原液、バリウム標準原液、銅標準原液、セリウム標準原液、イットリウム標準原液、カルシウム標準原液、ランタン標準原液、ジルコニウム標準原液、銀標準原液、コバルト標準原液、アルミニウム標準原液、チタン標準原液、すず標準原液、テルビウム標準原液と、Acros Organics社製1000mg/lハフニウム標準原液を混合した希釈溶液(blank,0.01,0.1,0.5,1.0ppm)を用いた。
[Composition analysis]
For compositional analysis, evaluation was performed by inductively-coupled plasma spectroscopy (ICP) using Thermo iCAP6200DUO manufactured by Thermo Scientific. In ICP, a sample dissolved in an acidic solution is sprayed into Ar plasma to excite the constituent elements of the sample, and the unique emission spectrum of each element generated when the excited atoms return to the ground state is analyzed by spectroscopy. This is a method for quantitatively measuring the constituent elements of a sample. In this example, a standard solution of the element to be evaluated was diluted with dilute nitric acid, and a calibration curve of spectral intensity and concentration was drawn using the diluted standard solution, thereby using it as a reference for the unknown concentration of the sample. The standard solutions used in this example are Kanto Kagaku Co., Ltd. 1000 mg/l samarium standard stock solution, praseodymium standard stock solution, barium standard stock solution, copper standard stock solution, cerium standard stock solution, yttrium standard stock solution, calcium standard stock solution, lanthanum standard stock solution, zirconium standard stock solution. A diluted solution (blank, 0.01,0 .1, 0.5, 1.0 ppm) were used.
本実施例では、試料を10%希釈硝酸20mlに溶かして試料溶液を作製し、Arプラズマに噴霧することで各構成元素の濃度を測定し、試料の組成比及び膜厚を評価した。膜厚の算出は以下の式を用いて行った。
[膜厚評価]
本実施例の単結晶基板上薄膜の膜厚評価は前項のICPによる評価とあわせて、Nikon社製ECLIPSE LV150N白色光顕微鏡を用いて行った。なお、以降の実施例における膜厚の評価はICPによる評価結果を用いる。白色光顕微鏡は二光束干渉法を利用して段差測定を行うことができる。光源からの入射光は二光束対物レンズ中のハーフミラーにより分割され、透過光は測定試料表面に入射し反射される。一方、反射光は参照面(反射ミラー)に入射して反射される。それぞれの反射光はカメラ表面で結像される。このとき、試料のある測定点で反射光に位相差がない場合は最も明るくなり、1/2波長ずれている場合は最も暗くなる。つまり、試料表面の凹凸に応じて反射光の光路差が生じ、干渉縞が形成される。干渉縞の画像を解析することにより表面の粗さや段差の高さを測定することができる。
[Film thickness evaluation]
The thickness evaluation of the thin film on the single-crystal substrate in this example was performed using an ECLIPSE LV150N white light microscope manufactured by Nikon, along with the evaluation by ICP described in the previous section. In addition, evaluation results of ICP are used for evaluation of film thickness in the following examples. A white light microscope can perform step measurement using two-beam interferometry. The incident light from the light source is split by a half mirror in the two-beam objective lens, and the transmitted light is incident on the surface of the measurement sample and reflected. On the other hand, the reflected light enters the reference surface (reflection mirror) and is reflected. Each reflected light beam is imaged on the camera surface. At this time, if there is no phase difference in the reflected light at a measurement point on the sample, it will be the brightest, and if there is a 1/2 wavelength shift, it will be the darkest. In other words, an optical path difference occurs in the reflected light depending on the unevenness of the sample surface, and interference fringes are formed. By analyzing images of interference fringes, surface roughness and step height can be measured.
[超伝導特性評価]
薄膜の超伝導特性はカンタムデザイン社製のPhysical property measurement system(PPMS)MODEL6000を用いて直流四端子法で測定した。直流四端子法は電流端子と電圧端子を別々に接続している。試料抵抗が電圧計の内部抵抗と比べて十分小さい場合、電圧計にはほとんど電流が流れない。そのため、配線抵抗や接触抵抗を無視することができ、抵抗の小さい試料の抵抗を正確に測定することができる。
[Superconducting property evaluation]
The superconducting properties of the thin film were measured using a DC four-probe method using a physical property measurement system (PPMS) MODEL 6000 manufactured by Quantum Design. In the DC four-terminal method, the current terminal and voltage terminal are connected separately. If the sample resistance is sufficiently small compared to the internal resistance of the voltmeter, almost no current will flow through the voltmeter. Therefore, wiring resistance and contact resistance can be ignored, and the resistance of a sample with low resistance can be accurately measured.
超伝導特性の測定にはACトランスポート測定システム(ACT)オプションを使用した。ACTオプションを用いることで抵抗率、ホール係数、I-V曲線、臨界電流の4種類の電気輸送測定が可能である。I-V曲線の測定では、DC電流のステップにより、指定最大電流からあるいはゼロからの、正負の電流を含めた電流-電圧曲線の測定が可能である。なお、ランプ・シーケンスの指定によって測定可能な最大の電流範囲は、ゼロ→指定最大電流(正)→指定最大電流(負)→ゼロ、の範囲である。ただし、1象限あたりの電流ステップは最大256ステップまでに制限されるため、Ic非相反性の測定における正負の電流-電圧曲線は個々に測定を行った(使用したランプ・シーケンスは、ゼロ→指定最大電流(正)、または、ゼロ→指定最大電流(負)でそれぞれ256ステップである)。 The AC transport measurement system (ACT) option was used to measure the superconducting properties. Using the ACT option, four types of electrical transport measurements are possible: resistivity, Hall coefficient, IV curve, and critical current. In measuring the IV curve, it is possible to measure the current-voltage curve including positive and negative currents from a specified maximum current or from zero by stepping the DC current. Note that the maximum current range that can be measured by specifying a lamp sequence is the range from zero to specified maximum current (positive) to specified maximum current (negative) to zero. However, since the current steps per quadrant are limited to a maximum of 256 steps, the positive and negative current-voltage curves in the I c nonreciprocal measurements were measured individually (the ramp sequence used was zero → Specified maximum current (positive) or zero → specified maximum current (negative), each with 256 steps).
本実施例で用いたPPMSのACトランスポートオプションには、最大で2Aまでしか電流を流すことができないという制限がある。そのため、試料に流れる電流を制限するためにブリッジ加工を行った。図26は、ブリッジ加工の手順を示す。(1)のように試料にマスクを乗せた後、(2)のようにAgコートを行った。Agコートはサンユー電子株式会社製QUICK COATER SC-701を用いて行った。その後、(3)のように銀線とアルミホイルでマスクをして、Nd:YAGレーザーによるレーザーエッチングを適度なレーザーエネルギーで5分程度行った。ブリッジの幅は50-100μm程度、長さは1mm程度とした。その後、酸素フロー雰囲気下において350℃で2時間酸素アニールを行った。図27は、アニールの時間と温度の条件を示す。また、試料への端子付けはインジウム圧着により行った。超伝導特性として、臨界温度Tc、臨界電流密度Jcの磁場依存性、Jcの磁場印加角度依存性、Jc非相反性の測定を行った。以下にそれぞれの測定方法を記述する。 The AC transport option of the PPMS used in this example has a limitation in that it can only flow a maximum current of 2A. Therefore, we performed a bridge process to limit the current flowing through the sample. FIG. 26 shows the procedure of bridge processing. After placing a mask on the sample as in (1), Ag coating was performed as in (2). Ag coating was performed using QUICK COATER SC-701 manufactured by Sanyu Denshi Co., Ltd. Thereafter, as shown in (3), the film was masked with a silver wire and aluminum foil, and laser etching was performed using a Nd:YAG laser for about 5 minutes at moderate laser energy. The width of the bridge was approximately 50-100 μm, and the length was approximately 1 mm. Thereafter, oxygen annealing was performed at 350° C. for 2 hours in an oxygen flow atmosphere. FIG. 27 shows the annealing time and temperature conditions. In addition, terminals were attached to the sample by indium crimping. As superconducting properties, critical temperature T c , magnetic field dependence of critical current density J c , dependence of J c on magnetic field application angle, and J c nonreciprocity were measured. Each measurement method is described below.
・Tc測定
Tcの測定は、95Kから0.3K/minで温度を低下させながら試料に0.01mAの交流電流を流し、交流電気抵抗率の温度依存性を測定した。電場が10μV/cmとなる温度を測定結果から内挿し、Tcと定義した。
- T c measurement T c was measured by passing an alternating current of 0.01 mA through the sample while lowering the temperature from 95 K at a rate of 0.3 K/min, and measuring the temperature dependence of the alternating current electrical resistivity. The temperature at which the electric field becomes 10 μV/cm was interpolated from the measurement results and defined as T c .
・Jcの磁場依存性
Jcの磁場依存性の測定は、試料の基板表面垂直方向に磁場を印加しながら試料の電流-電圧特性を測定した。電圧端子間に発生した電場が1μV/cmとなるときの電流を臨界電流Icとし、Icをブリッジの断面積で割った値をJcとした。磁場の範囲は0-9T、温度は77.3Kで測定を行った。
- Magnetic field dependence of J c The magnetic field dependence of J c was measured by measuring the current-voltage characteristics of the sample while applying a magnetic field in a direction perpendicular to the substrate surface of the sample. The current when the electric field generated between the voltage terminals was 1 μV/cm was defined as the critical current Ic , and the value obtained by dividing Ic by the cross-sectional area of the bridge was defined as Jc . Measurements were performed at a magnetic field range of 0-9T and a temperature of 77.3K.
・Jcの磁場印加角度依存性
Jcの磁場印加角度依存性の測定はPPMSのローテーターを用いて行った。図28は、ローテーターへの試料の取り付けの様子を示す。また、図29は、Jcの磁場印加角度依存性の測定の模式図を示す。試料を回転させることで磁場の印加角度θを-130°から130°まで変化させてJcを測定した。このとき磁束に対するローレンツ力が最大となる横磁場下で測定するため電流Iと磁場Bは常に直交させた。磁場は1-5T、温度は77.3Kで測定を行った。
- Dependence of J c on magnetic field application angle The dependence of J c on magnetic field application angle was measured using a PPMS rotator. FIG. 28 shows how the sample is attached to the rotator. Moreover, FIG. 29 shows a schematic diagram of measurement of the dependence of J c on the magnetic field application angle. J c was measured by rotating the sample to change the applied angle θ of the magnetic field from −130° to 130°. At this time, the current I and the magnetic field B were always perpendicular to each other in order to perform measurements under a transverse magnetic field where the Lorentz force on the magnetic flux is maximum. Measurements were performed at a magnetic field of 1-5T and a temperature of 77.3K.
・Ic非相反性の測定
本実施例のIc非相反性の測定では電流方向に対して垂直(B⊥I)方向かつ薄膜面内(B//ab)方向に磁場を印加した。図30は、面内磁場中測定における試料の取り付けの様子を示す。本実施例で用いたPPMSの磁場印加方向は装置の下から上に向かう方向である。そこで、銅板で冶具を作製してサンプルホルダに取り付け、試料の面内方向に磁場が印加されるように冶具に試料を固定した。Ic非相反性を評価するために温度は65-85K、磁場は0-9TのIc磁場依存性を測定した。図31は、測定から得られた電流電圧特性の一例と測定の模式図を示している。各磁場において、正負の各電流方向についてIcを2回ずつ測定し、その平均値を用いて、下記の式で非相反性Asym.を算出した。
[実施例1:SmBCO薄膜の非相反超伝導特性]
REBCO高温超伝導ダイオードの開発のためには、REBCO薄膜の電流方向に応じたIc非相反性(Icの非対称性)が必要である。磁場中における超伝導体のIcは超伝導体中の量子化磁束の運動に起因する。よって、Icを制御するためには超伝導体内部での運動と、超伝導体への磁束侵入を制御する必要がある。そのため、Ic非対称性に必要な要因としては、薄膜内部の磁束ピンニングの非対称性と、薄膜の磁束侵入面における表面バリアの非対称性が挙げられる。薄膜内部の磁束ピンニング構造が対称的である場合、Ic非対称性を実現するためには、磁束侵入面における非対称な表面バリアが必要であると考えられる。表面バリアの非対称性によるIcの非対称性はしばしば報告されている。特に高温超伝導体では、YBCO薄膜の面内磁場中におけるIc非対称性が表面バリアに関連付けられて報告されているが、高い非対称性を実現できる薄膜構造や条件、またどの程度までの非対称性を実現できるかはいまだ不明瞭な部分が多い。そこで実施例1では、REBCO薄膜における非対称Icの実現およびIc非対称性に寄与する薄膜構造のパラメーターの解明を目的とした。面内磁場中のREBCO薄膜においては、量子化磁束の侵入面は薄膜の表面または底面(基板-薄膜界面)である。表面バリアの大きさは磁束侵入面の粗さや欠陥などの表面構造に依存する。そのため、表面バリアの非対称性を達成するためには、薄膜の表面と底面で表面バリアの大きさが異なるようにするためにそれぞれの界面の構造制御が重要であると考えられる。薄膜表面の粗さは一般的に膜厚が増加すると増加する。また、薄膜底面の状態は薄膜を作製する基板の材料や品質によって変化する。本章では、異なる2種類の基板(LaAlO3(LAO)基板とIBAD-MgO基板)上に様々な膜厚のSmBCO薄膜を作製し、SmBCO薄膜の膜厚、表面粗さ、結晶配向性、成膜基板が面内磁場中のIc非対称性に与える影響を検討した。
[Example 1: Non-reciprocal superconducting properties of SmBCO thin film]
For the development of REBCO high temperature superconducting diodes, I c nonreciprocity (I c asymmetry) depending on the current direction of the REBCO thin film is required. The I c of a superconductor in a magnetic field is due to the motion of the quantized magnetic flux in the superconductor. Therefore, in order to control I c , it is necessary to control the movement inside the superconductor and the penetration of magnetic flux into the superconductor. Therefore, factors necessary for I c asymmetry include asymmetry of magnetic flux pinning inside the thin film and asymmetry of the surface barrier at the magnetic flux entry surface of the thin film. If the flux pinning structure inside the thin film is symmetric, an asymmetric surface barrier at the flux entry surface would be required to achieve I c asymmetry. I c asymmetry due to surface barrier asymmetry is often reported. Particularly in high-temperature superconductors, it has been reported that I c asymmetry in the in-plane magnetic field of YBCO thin films is associated with the surface barrier, but the thin film structure and conditions that can achieve high asymmetry, as well as the degree of asymmetry, have been reported. There are still many aspects that are unclear as to whether this can be achieved. Therefore, in Example 1, the purpose was to realize asymmetric I c in a REBCO thin film and to elucidate the parameters of the thin film structure that contribute to the I c asymmetry. In a REBCO thin film in an in-plane magnetic field, the plane of entry of the quantized magnetic flux is the top or bottom surface of the thin film (substrate-thin film interface). The size of the surface barrier depends on the surface structure such as the roughness and defects of the magnetic flux entry surface. Therefore, in order to achieve surface barrier asymmetry, it is considered important to control the structure of each interface so that the surface barrier size differs between the top and bottom surfaces of the thin film. The roughness of a thin film surface generally increases as the film thickness increases. Furthermore, the condition of the bottom surface of the thin film changes depending on the material and quality of the substrate on which the thin film is formed. In this chapter, we will fabricate SmBCO thin films of various thicknesses on two different types of substrates (LaAlO 3 (LAO) substrate and IBAD-MgO substrate), and discuss the film thickness, surface roughness, crystal orientation, and film formation of SmBCO thin films. We investigated the influence of the substrate on I c asymmetry in an in-plane magnetic field.
[薄膜の作製及び諸特性]
SmBCO薄膜の表面粗さを制御するために様々な膜厚のSmBCO薄膜を作製し、薄膜の膜厚や成膜基板による薄膜の結晶配向性や表面形態などの構造の変化や基礎的な超伝導特性を評価した。
[Preparation and properties of thin film]
In order to control the surface roughness of SmBCO thin films, we fabricated SmBCO thin films with various thicknesses, and investigated structural changes such as crystal orientation and surface morphology of the thin film depending on the film thickness and deposition substrate, as well as basic superconductivity. Characteristics were evaluated.
[薄膜の作製]
表3と表4にSmBCO薄膜の作製条件を示す。IBAD-MgO基板を用いた薄膜はKrFエキシマレーザー、LAO基板を用いた薄膜はNd:YAGレーザーを用いてPLD法により作製を行った。図33は、実施例1で使用したIBAD-MgO基板とLAO基板の表面AFM像を示す。IBAD-MgO基板の表面粗さは3nm程度、LAO基板の表面粗さは0.3nm程度であった。以降では、IBAD-MgO基板上に作製した試料をIBAD試料、LAO基板上に作製した試料をLAO試料と記す。
Tables 3 and 4 show the conditions for producing SmBCO thin films. The thin film using the IBAD-MgO substrate was produced by a KrF excimer laser, and the thin film using the LAO substrate was produced by the PLD method using a Nd:YAG laser. FIG. 33 shows AFM images of the surfaces of the IBAD-MgO substrate and LAO substrate used in Example 1. The surface roughness of the IBAD-MgO substrate was about 3 nm, and the surface roughness of the LAO substrate was about 0.3 nm. Hereinafter, a sample fabricated on an IBAD-MgO substrate will be referred to as an IBAD sample, and a sample fabricated on an LAO substrate will be referred to as an LAO sample.
[結晶構造]
XRD測定により、全ての試料でSmBCOが良好なc軸配向をしていることが確認された。図34は、様々な膜厚で作製したIBAD試料およびLAO試料のδωとδφを示す。点線および破線はそれぞれの各基板の試料の平均値を示している。δωの平均値はIBAD試料で0.45°、LAO試料で1.38°であり、δφの平均値はIBAD試料で0.21°、LAO試料で0.96°であった。LAO試料については、δωとδφともに試料の膜厚によらず良好な配向性を示した。IBAD試料についてはδωとδφともに250nm程度以下の小膜厚試料においてばらつきが見られたものの、δφについては、ほとんどの試料で基板のCeO2層のδφの値1.6°よりも小さく、良好な面内配向性となっている。
[Crystal structure]
XRD measurement confirmed that SmBCO had good c-axis orientation in all samples. FIG. 34 shows δω and δφ of IBAD and LAO samples made with various film thicknesses. The dotted and broken lines indicate the average values of the samples for each substrate. The average value of δω was 0.45° for the IBAD sample and 1.38° for the LAO sample, and the average value of δφ was 0.21° for the IBAD sample and 0.96° for the LAO sample. Regarding the LAO sample, both δω and δφ showed good orientation regardless of the film thickness of the sample. Regarding the IBAD samples, although variations were observed in both δω and δφ in samples with small film thicknesses of about 250 nm or less, δφ was smaller than the δφ value of 1.6° of the CeO 2 layer of the substrate in most samples, which was good. It has an in-plane orientation.
[表面形態]
図35は、様々な膜厚のIBAD試料の一部における表面AFM像を示す。膜厚の増加に伴って結晶粒と粒界が粗大化していることが確認された。また、図36は、様々な膜厚のIBAD試料およびLAO試料における10μm四方領域の表面粗さδRを示す。IBAD試料では膜厚が増加するにつれてδRが増加する傾向が大きかった。IBAD試料の方がLAO試料よりもδRが大きくなる傾向があったが、これは上記のAFMの測定結果から、IBAD-MgO基板の表面の粗さ(3nm)がLAO基板の表面の粗さ(0.3nm)よりも大きく、薄膜の成長初期から表面の粗さが大きいためであると考えられる。
[Surface morphology]
FIG. 35 shows surface AFM images of a portion of an IBAD sample with various film thicknesses. It was confirmed that crystal grains and grain boundaries became coarser as the film thickness increased. Moreover, FIG. 36 shows the surface roughness δR of a 10 μm square area in IBAD samples and LAO samples with various film thicknesses. In the IBAD sample, there was a strong tendency for δR to increase as the film thickness increased. There was a tendency for δR to be larger for the IBAD sample than for the LAO sample, but this is because the surface roughness (3 nm) of the IBAD-MgO substrate is different from the surface roughness (3 nm) of the LAO substrate from the above AFM measurement results. This is thought to be because the surface roughness is larger than 0.3 nm) and the surface roughness is large from the early stage of thin film growth.
[超伝導諸特性]
図37は、異なる膜厚のIBAD試料およびLAO試料のTcと自己磁場中Jcを示す。また、図38は、同試料のTcと自己磁場中Jcに対するAsym.MAXを示す。ほとんどの試料のTcは90K以上かつJc
selfが1MA/cm2を超える高い超伝導特性を示した。膜厚の小さな試料で一部Jc
selfの低い試料も存在した。その理由としてはTcが比較的低い試料であったことが原因であると考えられる。なお、Asym.MAXについてはTcやJcとの間に相関関係は見られなかった。
[Superconducting properties]
Figure 37 shows the T c and J c in the self-magnetic field for IBAD and LAO samples with different film thicknesses. Furthermore, FIG . 38 shows the Asym . Indicates MAX . Most of the samples exhibited high superconducting properties with T c of 90 K or more and J c self of more than 1 MA/cm 2 . There were also some samples with small film thickness and low J c self . The reason for this is thought to be that the sample had a relatively low Tc . In addition, Asym. Regarding MAX , no correlation was found between T c and J c .
[SmBCO薄膜のJc非相反性]
Jc非相反性の、磁場、結晶配向性、膜厚、表面粗さおよび成膜基板の、それぞれとの間の相関について述べる。
[J c non-reciprocity of SmBCO thin film]
The correlation between J c nonreciprocity, magnetic field, crystal orientation, film thickness, surface roughness, and film-forming substrate will be described.
[磁場依存性]
図39は、IBAD試料およびLAO試料の77.3KにおけるAsym.MAXと、Asym.=Asym.MAXにおける磁場BMAXの関係を示す。図40は、IBAD試料の77.3KにおけるAsym.の磁場依存性を示す。図41は、LAO試料の77.3KにおけるAsym.の磁場依存性を示す。各試料のAsym.は1T以下の低磁場で正または負のピーク(Asym.MAX)を示した。特に、Asym.MAXが10%よりも大きい試料のBMAXは0.2T以下であり、比較的低磁場に集中していた。このことから、得られたIc非対称性は低磁場で有効な表面バリアによるものと推察される。
[Magnetic field dependence]
Figure 39 shows the Asym. MAX and Asym. =Asym. The relationship between magnetic field B MAX at MAX is shown. Figure 40 shows the Asym. shows the magnetic field dependence of Figure 41 shows Asym. of the LAO sample at 77.3K. shows the magnetic field dependence of Asym. of each sample. showed positive or negative peaks (Asym. MAX ) in low magnetic fields below 1 T. In particular, Asym. B MAX of samples with MAX greater than 10% was 0.2 T or less, and concentrated in a relatively low magnetic field. From this, it is inferred that the obtained I c asymmetry is due to the surface barrier that is effective in low magnetic fields.
[結晶配向依存性]
図42は、異なるδωのIBAD試料およびLAO試料のAsym.MAXを示す。図43は、異なるδφのIBAD試料およびLAO試料のAsym.MAXを示す。δωについては、IBAD試料とLAO試料ともにδωに対して系統的な変化は見られなかった。一方、δφについては、δφが小さいほどAsym.MAXが大きい傾向が見られた。薄膜の結晶性は薄膜内部の欠陥の生成に寄与する。そのため、積層欠陥などの欠陥が、δφが大きいほどより多く薄膜内部に形成されていることが推測される。これら欠陥は薄膜内部でピンニングセンターとして働くため、これがAsym.MAXの減少に寄与した可能性がある。
[Crystal orientation dependence]
Figure 42 shows the Asym. of IBAD and LAO samples with different δω. Indicates MAX . FIG. 43 shows Asym. of IBAD and LAO samples with different δφ. Indicates MAX . Regarding δω, no systematic change was observed in both the IBAD sample and the LAO sample. On the other hand, regarding δφ, the smaller δφ is, the more Asym. A tendency for MAX to be large was observed. The crystallinity of thin films contributes to the generation of defects inside the thin film. Therefore, it is presumed that the larger δφ is, the more defects such as stacking faults are formed inside the thin film. These defects act as pinning centers within the thin film, which leads to Asym. This may have contributed to the decrease in MAX .
薄膜内部の欠陥による磁束ピンニング(バルクピンニング)のIc非対称性への影響について考える。まず、Icの決定因子としては、薄膜の界面(表面と底面)における表面バリアと、薄膜内部のバルクピンニングが挙げられる。両者を比較すると、δφが大きい試料では、薄膜内部の欠陥の増加に伴いバルクピンニングの影響が大きくなった。そのため、表面バリアの影響がバルクピンニングに比べて相対的に小さくなったと考えられる。つまり、δφが大きい試料ではバルクピンニングが主なIcの決定因子となり、非対称な表面バリアによるIc非対称性は減衰した。よって、Ic非対称性を実現するためにはバルクピンニングの影響を低減するために、次の2通りの構造を有するSmBCO薄膜の作製が必要であると考えられる。
・薄膜内部にピンニングセンターとなる欠陥の少ない薄膜。
・薄膜内部の磁束ピンニングを緩和する構造を有する薄膜。
Let us consider the influence of magnetic flux pinning (bulk pinning) due to defects inside the thin film on the I c asymmetry. First, the determining factors of Ic include the surface barrier at the interface (top surface and bottom surface) of the thin film and the bulk pinning inside the thin film. Comparing the two, in the sample with a large δφ, the influence of bulk pinning became larger as the number of defects inside the thin film increased. Therefore, it is thought that the influence of the surface barrier was relatively small compared to bulk pinning. That is, in samples with large δφ, bulk pinning became the main determinant of I c , and the I c asymmetry due to the asymmetric surface barrier was attenuated. Therefore, in order to reduce the influence of bulk pinning in order to realize I c asymmetry, it is considered necessary to fabricate an SmBCO thin film having the following two types of structures.
・Thin film with few defects that become pinning centers inside the thin film.
・A thin film with a structure that alleviates magnetic flux pinning inside the thin film.
[膜厚依存性]
図44は、異なる膜厚のIBAD試料およびLAO試料のAsym.MAXを示す。図45は、異なる膜厚のIBAD試料およびLAO試料のBMAXを示す。Asym.MAX、BMAXともに、膜厚との間に明確な相関関係は確認されなかった。
[Film thickness dependence]
FIG. 44 shows the Asym. Indicates MAX . Figure 45 shows the B MAX of IBAD and LAO samples with different film thicknesses. Asym. For both MAX and B MAX , no clear correlation with film thickness was confirmed.
[表面粗さ依存性]
まず、表面粗さの観点から予想される非対称性の結果について考える。表面バリアは超伝導体の磁束侵入面の粗さが大きいほど減少する。磁束侵入面は電流方向に依存し、薄膜表面または底面である。まず、薄膜底面の粗さは基板表面の粗さであり、基板が同じであればほぼ一定である。そのため、粗さの観点では薄膜底面の表面バリアは一定である。一方、薄膜表面については試料ごとに粗さδRが異なる。そのため、表面バリアの非対称性は薄膜表面のδRの変化に伴って変化すると予想される。薄膜表面と底面のδRを比較した場合、薄膜表面の方が薄膜底面よりもδRが大きい。そのため、薄膜表面の方が薄膜底面よりも表面バリアが小さく、薄膜表面から磁束侵入がしやすい。特に、表面バリアがδRにのみ依存すると仮定した場合のAsym.の符号はその定義から負である。そして、Asym.MAXはδRの増加に対して単調減少(負の方向に増加)すると予想される。
[Surface roughness dependence]
First, we consider the expected asymmetry results from the surface roughness perspective. The surface barrier decreases as the roughness of the magnetic flux entry surface of the superconductor increases. The magnetic flux entry surface depends on the current direction and is the thin film surface or the bottom surface. First, the roughness of the bottom surface of the thin film is the roughness of the substrate surface, and is approximately constant if the substrate is the same. Therefore, in terms of roughness, the surface barrier at the bottom of the thin film is constant. On the other hand, the roughness δR of the thin film surface differs depending on the sample. Therefore, the asymmetry of the surface barrier is expected to change with changes in δR of the thin film surface. When comparing the δR of the thin film surface and the bottom surface, δR of the thin film surface is larger than that of the thin film bottom surface. Therefore, the surface barrier of the thin film is smaller than that of the bottom of the thin film, and magnetic flux easily penetrates from the thin film surface. In particular, Asym. The sign of is negative by definition. And Asym. MAX is expected to monotonically decrease (increase in the negative direction) as δR increases.
図46は、異なるδRのIBAD試料およびLAO試料のAsym.MAXを示す。IBAD試料、LAO試料ともにδRに対してAsym.MAXの値は規則的ではなく、明確な相関関係は確認されなかった。これは前述した予想に反する結果であった。そこで、Asym.MAXが15%以上の上位3点の試料について比較してみる。Asym.MAXが29.8%、20.6%、および17.6%に対して、δRは25.5nm、37.1nm、および43.6nmであり、Asym.MAXがより高い試料の方がδRが小さい。これは上述の予想に一致する。これら試料のδφはそれぞれ0.82°、0.93°、および0.90℃であり、これらは図43で示したδφが比較的低い試料でもある。よって、δφが低い試料でバルクピンニングの影響が小さいためAsym.MAXのδRとの相関が顕著になった可能性がある。また、図47は、異なるδRのIBAD試料およびLAO試料のBMAXを示す。BMAXと膜厚の間に明確な相関関係は確認されなかった。 Figure 46 shows Asym. of IBAD and LAO samples with different δR. Indicates MAX . Both the IBAD sample and the LAO sample have Asym. The values of MAX were not regular and no clear correlation was confirmed. This result was contrary to the above-mentioned prediction. Therefore, Asym. Let's compare the top three samples with MAX of 15% or more. Asym. MAX is 29.8%, 20.6%, and 17.6%, δR is 25.5nm, 37.1nm, and 43.6nm, and Asym. The sample with higher MAX has smaller δR. This is consistent with the above prediction. The δφ of these samples is 0.82°, 0.93°, and 0.90° C., respectively, and these are also samples with relatively low δφ shown in FIG. 43. Therefore, since the influence of bulk pinning is small in samples with low δφ, Asym. There is a possibility that the correlation between MAX and δR has become significant. FIG. 47 also shows the B MAX of IBAD and LAO samples with different δR. No clear correlation between B MAX and film thickness was confirmed.
[成膜基板依存性]
IBAD試料とLAO試料を比較すると、LAO試料はIBAD試料よりもAsym.MAXが正に大きい傾向が見られた。LAO試料は3.8~29.8%で全て正のAsym.MAX、IBAD試料は-14.6~13.5%で試料によって正または負のAsym.MAXである。まず、非対称性の大きさの違いは薄膜の結晶配向性の違いに起因していると考えられる。IBAD試料とLAO試料を比べるとIBAD試料はδφが大きいため薄膜内部に積層欠陥等の微細な欠陥が多く形成されており、バルクピンニングの影響が大きく、非対称性が小さかったと考えられる。LAO試料ではIBAD試料と比べるとδφが比較的小さく結晶配向性が良好であるため、バルクピンニングの影響が小さく、非対称性が大きくなったと考えられる。次に、LAO試料で非対称性の符号が正であった原因について考察する。表面バリアの観点から、非対称性の符号が正であることは、その定義から薄膜表面よりも薄膜底面からの磁束侵入がしやすいことを意味する。界面の粗さの点からは前項で述べたように負の非対称性を示すことが予想されるので、表面バリアへの影響が界面の粗さよりも大きいパラメーターが存在していると考えられる。そのパラメーターとして薄膜底面のひずみが挙げられる。以下ではひずみの影響について考察する。薄膜の底面では、基板と薄膜の結晶格子の格子不整合によってひずみが生じている。そのため、薄膜の界面近傍ではTcが低下して超伝導を示さない。ひずみは薄膜の膜厚が厚くなるにつれて緩和されるため、Tcの大きさが傾斜的な層が形成される。このような超伝導のパラメーターが傾斜的な面では表面バリアが低下する。よって、薄膜底面ではひずみにより表面バリアが減少して底面からの磁束侵入がしやすくなり、その結果、正の非対称性が生じたと考えられる。
[Dependency on film-forming substrate]
Comparing the IBAD and LAO samples, the LAO sample has a higher Asym. There was a tendency for MAX to be positively large. The LAO samples had all positive Asym. between 3.8 and 29.8%. MAX , IBAD samples have positive or negative Asym. It is MAX . First, the difference in the magnitude of the asymmetry is thought to be due to the difference in crystal orientation of the thin film. Comparing the IBAD sample and the LAO sample, the IBAD sample has a large δφ, so many fine defects such as stacking faults are formed inside the thin film, and it is thought that the influence of bulk pinning was large and the asymmetry was small. In the LAO sample, δφ is relatively small and the crystal orientation is good compared to the IBAD sample, so it is thought that the influence of bulk pinning is small and the asymmetry is large. Next, we will discuss the reason why the asymmetry sign was positive in the LAO sample. From the viewpoint of the surface barrier, a positive sign of asymmetry means that, by definition, it is easier for magnetic flux to penetrate from the bottom of the thin film than from the surface of the thin film. As mentioned in the previous section, it is expected that the interface roughness will exhibit negative asymmetry, so it is thought that there is a parameter that has a greater effect on the surface barrier than the interface roughness. One of the parameters is the strain at the bottom of the thin film. The effect of strain will be discussed below. Strain occurs at the bottom of the thin film due to lattice mismatch between the crystal lattices of the substrate and the thin film. Therefore, near the interface of the thin film, T c decreases and superconductivity is not exhibited. Since the strain is relaxed as the thickness of the thin film increases, a layer with a gradient in T c is formed. On surfaces with such gradient superconducting parameters, the surface barrier decreases. Therefore, it is thought that the strain at the bottom of the thin film reduces the surface barrier, making it easier for magnetic flux to penetrate from the bottom, resulting in positive asymmetry.
次に、基板のパラメーターの観点からIBAD試料の非対称性に関して考察する。IBAD-MgO基板とLAO基板を比較すると、まず、粗さについてはIBAD-MgO基板の方がLAO基板よりも大きい。そのため、実験結果に反して、IBAD試料の方がLAO試料よりも底面から磁束侵入しやすく正に大きい非対称性を示すことが予測される。しかし、薄膜底面の粗さよりもひずみの影響が大きい点から基板による粗さの違いは表面バリアへの影響が小さかったと考えられる。次に、IBAD-MgO基板とLAO基板のSmBCOとの格子不整合の大きさを比較すると、LAO基板のほうがIBAD基板よりも格子不整合が大きい。そのため、IBAD試料はLAO試料よりも薄膜底面のひずみが小さく、表面バリアが大きいため薄膜底面から磁束侵入しにくいと考えられる。その結果、IBAD試料は正の非対称性が小さく、また、試料によっては表面粗さにより薄膜表面よりも底面の表面バリアの方が大きくなり、負の非対称性を示したと考えられる。 Next, we will discuss the asymmetry of the IBAD sample from the perspective of substrate parameters. Comparing the IBAD-MgO substrate and the LAO substrate, first, the roughness of the IBAD-MgO substrate is greater than that of the LAO substrate. Therefore, contrary to the experimental results, it is predicted that the IBAD sample is more likely to allow magnetic flux to enter from the bottom surface than the LAO sample, and exhibits a positive asymmetry. However, since the effect of strain is greater than the roughness of the bottom surface of the thin film, it is thought that the difference in roughness depending on the substrate had a small effect on the surface barrier. Next, when comparing the magnitude of lattice mismatch between the IBAD-MgO substrate and the SmBCO of the LAO substrate, the lattice mismatch of the LAO substrate is larger than that of the IBAD substrate. Therefore, in the IBAD sample, the strain at the bottom of the thin film is smaller than in the LAO sample, and the surface barrier is larger, so it is considered that magnetic flux is less likely to penetrate from the bottom of the thin film. As a result, the IBAD samples had small positive asymmetry, and depending on the sample, the surface barrier at the bottom surface was larger than the thin film surface due to surface roughness, and it is considered that negative asymmetry was exhibited.
[小括]
本実施例では、REBCO薄膜のJc非相反性(Ic非対称性)の実現に向けて、IBAD-MgO基板とLAO基板の異なる2種類の基板上に様々な膜厚のSmBCO薄膜を作製し、SmBCO薄膜構造がそのIc非対称性に及ぼす影響の評価を行った。以下に得られた知見を示す。
(1)IBAD試料では正に最大13.5%、負に最大-14.6%のAsym.MAXが得られたが、Asym.MAXの大きさに試料の構造との相関関係はなかった。
(2)LAO試料ではδφが小さく、δRが比較的小さい試料で、正に最大29.8%のAsym.MAXが得られた。
(3)Asym.MAXの大きさにはδφとの相関関係が確認された。このことから、薄膜内部の欠陥が多い試料では欠陥におけるバルクピンニングによりIcが決定することで、表面バリアの影響が緩和されることが示唆された。そのため、高い非対称性を得るためには表面バリアの非対称性を維持しながらバルクピンニングの影響を減少させる必要があることが示唆された。
(4)IBAD試料とLAO試料を比較するとLAO試料で高い非対称性が得られたが、この非対称性の差は薄膜の結晶の配向性の差によるものと考えられる。LAO試料はδωとδφがともにIBAD試料より小さいため非対称性が大きかったと考えられる。
(5)LAO試料の非対称性の符号は全て正であった。そのため、薄膜表面よりも薄膜底面からの磁束侵入がしやすい。このことから薄膜底面の格子不整合による格子ひずみが表面バリアの低減に寄与し、また、格子ひずみのほうが薄膜表面の粗さよりも表面バリアの減少への効果が大きいことが示唆される。
[Brief Summary]
In this example, in order to realize J c non-reciprocity (I c asymmetry) of REBCO thin films, SmBCO thin films with various thicknesses were fabricated on two different substrates, an IBAD-MgO substrate and an LAO substrate. , we evaluated the influence of SmBCO thin film structure on its I c asymmetry. The findings obtained are shown below.
(1) In the IBAD sample, Asym. MAX was obtained, but Asym. There was no correlation between the size of MAX and the structure of the sample.
(2) The LAO sample has a small δφ and a relatively small δR, and the maximum Asym. MAX was obtained.
(3) Asym. It was confirmed that the magnitude of MAX has a correlation with δφ. This suggests that in samples with many defects inside the thin film, I c is determined by bulk pinning at the defects, which alleviates the influence of the surface barrier. Therefore, it was suggested that in order to obtain high asymmetry, it is necessary to reduce the effect of bulk pinning while maintaining the asymmetry of the surface barrier.
(4) When comparing the IBAD sample and the LAO sample, a high degree of asymmetry was obtained in the LAO sample, but this difference in asymmetry is thought to be due to a difference in the orientation of the crystals in the thin film. It is thought that the LAO sample had greater asymmetry because both δω and δφ were smaller than the IBAD sample.
(5) The asymmetry signs of the LAO samples were all positive. Therefore, magnetic flux is more likely to penetrate from the bottom of the thin film than from the surface of the thin film. This suggests that lattice strain due to lattice mismatch at the bottom of the thin film contributes to reducing the surface barrier, and that lattice strain has a greater effect on reducing the surface barrier than the roughness of the thin film surface.
以上の結果から、表面バリアの非対称性によるSmBCO薄膜のIc非対称性を実現するためには薄膜内部の磁束ピンニングを緩和する必要があることが示された。また、薄膜内部の磁束ピンニングの影響が小さければ、薄膜表面および底面の構造により非対称性を制御できる可能性が示された。 The above results indicate that in order to realize the I c asymmetry of the SmBCO thin film due to the asymmetry of the surface barrier, it is necessary to alleviate the magnetic flux pinning inside the thin film. Furthermore, if the effect of magnetic flux pinning inside the thin film is small, it is possible to control the asymmetry by controlling the structure of the thin film surface and bottom surface.
[実施例2:様々なBaHfO3添加量のSmBCO薄膜の非相反超伝導特性]
REBCO高温超伝導ダイオードの開発のためには、REBCO薄膜の電流方向に応じたIcの非対称性が必要である。面内磁場中におけるREBCO薄膜のIc非対称性は、薄膜表面および底面の表面バリアの大きさの非対称性によって実現できると考えられる。実施例1から、SmBCO薄膜内部の欠陥によるバルクピンニングが、非対称な表面バリアによるIc非対称性を抑制することが推察された。この結果から、Ic非対称性を実現するために次の2通りの構造が提案された。
・薄膜内部にピンニングセンターとなる欠陥が少ない薄膜。
・薄膜内部の磁束ピンニングを緩和する構造を有する薄膜。
[Example 2: Non-reciprocal superconducting properties of SmBCO thin films with various BaHfO3 addition amounts]
For the development of REBCO high temperature superconducting diodes, asymmetry of I c according to the current direction in the REBCO thin film is required. It is believed that the I c asymmetry of the REBCO thin film in an in-plane magnetic field can be realized by the asymmetry in the size of the surface barrier at the surface and bottom of the thin film. From Example 1, it was inferred that bulk pinning caused by defects inside the SmBCO thin film suppressed the I c asymmetry caused by the asymmetric surface barrier. Based on this result, the following two structures were proposed to realize I c asymmetry.
・Thin film with few defects that can become pinning centers inside the thin film.
・A thin film with a structure that alleviates magnetic flux pinning inside the thin film.
前者の構造については、低過飽和度で低速成膜を行うことにより、薄膜作製中に生成される欠陥をある程度減らすことができると考えられるが、REBCOは酸化物でかつ結晶異方性が大きく潜在的に欠陥を多く含むため、薄膜内部の欠陥を減らすには限度がある。後者の構造については、ナノロッドの導入によるバルクピンニングの緩和が提案される。代表的なナノロッド材料としてBaMO3(BMO:M=金属)がある。BMOナノロッドは気相成長においてREBCOのc軸に対して平行に導入される。図48は、量子化磁束に対するナノロッドの模式図を示す。B//c方向の磁場においてはナノロッドと磁場方向は平行であり、ナノロッドに沿うように量子化磁束がピン止めされるため、ナノロッドは有効なピンニングセンターとなる。一方、B//ABの面内磁場においては、ナノロッドと磁場方向は垂直であり、ナノロッドはピンニングセンターとして働かない。むしろ、REBCO薄膜中のその他欠陥にピン止めされている量子化磁束の運動を促進させる働きがあると考えられる。照射欠陥やBMOナノロッドのc軸相関ピンを導入したREBCO薄膜において、面内磁場中のJc低下が確認されており、明確にはされていないがこれらはc軸相関ピンの磁束運動促進効果によるものである可能性がある。よって、REBCO薄膜にBMOナノロッドを導入することによりバルクピンニングを緩和できると考えられる。 Regarding the former structure, it is thought that defects generated during thin film fabrication can be reduced to some extent by slow film formation with low supersaturation, but REBCO is an oxide and has a large potential for crystal anisotropy. There are limits to how much defects can be reduced inside the thin film because it contains many defects. For the latter structure, mitigation of bulk pinning by the introduction of nanorods is proposed. BaMO 3 (BMO: M=metal) is a typical nanorod material. BMO nanorods are introduced parallel to the c-axis of REBCO during vapor phase growth. FIG. 48 shows a schematic diagram of nanorods for quantized magnetic flux. In the magnetic field in the B//c direction, the nanorod and the magnetic field direction are parallel, and the quantized magnetic flux is pinned along the nanorod, so the nanorod becomes an effective pinning center. On the other hand, in the in-plane magnetic field of B//AB, the nanorods and the magnetic field direction are perpendicular, and the nanorods do not function as pinning centers. Rather, it is thought that it acts to promote the movement of the quantized magnetic flux pinned to other defects in the REBCO thin film. In REBCO thin films in which irradiation defects and c-axis correlation pins of BMO nanorods have been introduced, a decrease in J c in an in-plane magnetic field has been confirmed, and although it is not clear, this is due to the magnetic flux motion promoting effect of the c-axis correlation pins. It could be something. Therefore, it is considered that bulk pinning can be alleviated by introducing BMO nanorods into the REBCO thin film.
本実施例では、BMOナノロッドを導入したREBCO薄膜におけるIc非対称性の実現と、Ic非対称性に寄与する薄膜構造の解明を目的とした。REBCO薄膜中でナノロッドを形成するBMO材料の1つであるBaHfO3(BHO)を添加したSmBCO薄膜を作製し、Ic非対称性を評価した。BHO添加SmBCO薄膜の結晶配向性、膜厚、表面粗さ、成膜基板、BHO添加量が面内磁場中のIc非対称性に与える影響を評価した。 This example aimed to realize I c asymmetry in a REBCO thin film into which BMO nanorods were introduced and to elucidate the thin film structure that contributes to I c asymmetry. A SmBCO thin film doped with BaHfO 3 (BHO), which is one of the BMO materials that form nanorods in REBCO thin films, was prepared, and the I c asymmetry was evaluated. The effects of the crystal orientation, film thickness, surface roughness, film-forming substrate, and amount of BHO added on the I c asymmetry in an in-plane magnetic field of the BHO-doped SmBCO thin film were evaluated.
[薄膜の作製及び諸特性]
SmBCO薄膜の高い非相反超伝導特性を実現するため、様々な膜厚のBHO添加SmBCO薄膜を作製し、その薄膜構造および基礎的な超伝導特性を評価した。
[Preparation and properties of thin film]
In order to realize the high non-reciprocal superconducting properties of SmBCO thin films, we prepared BHO-doped SmBCO thin films of various thicknesses and evaluated their thin film structures and basic superconducting properties.
[薄膜の作製]
表5および表6にBHO添加SmBCO薄膜の作製条件を示す。IBAD-MgO基板を用いた薄膜はKrFエキシマレーザー、LaAlO3(LAO)基板を用いた薄膜はNd:YAGレーザーを用いてPLD法により作製を行った。BHOの添加は混合ターゲット法を用いた。BHO添加量はIBAD試料では3体積%、LAO試料では2,3,5,10体積%とした。レーザーエネルギー密度はそれぞれの添加量において最適条件で行った。
Tables 5 and 6 show the conditions for producing the BHO-added SmBCO thin film. A thin film using an IBAD-MgO substrate was produced by a KrF excimer laser, and a thin film using a LaAlO 3 (LAO) substrate was produced by a PLD method using an Nd:YAG laser. BHO was added using a mixed target method. The amount of BHO added was 3% by volume for the IBAD sample, and 2, 3, 5, and 10% by volume for the LAO sample. The laser energy density was optimized for each additive amount.
[結晶構造]
XRD測定により、全ての試料でSmBCOが良好なc軸配向をしていることが確認された。図49は、様々な膜厚で作製したIBAD-BHO3体積%試料およびLAO-BHO3体積%試料のδωとδφを示す。δωの平均値はIBAD-BHO3体積%試料で0.67°、LAO-BHO3体積%試料で0.26°であり、δφの平均値はIBAD-BHO3体積%試料で1.90°、LAO-BHO3体積%試料で1.22°であった。δωについては、IBAD-BHO3体積%試料とLAO-BHO3体積%試料ともに膜厚に対して変化せずPure試料と同程度の良好な配向性を示した。δφについては、IBAD-BHO3体積%試料については試料ごとにばらつきが多く、基板のCeO2層のδφの値1.6°よりも大きい試料もあった。図50は、様々なBHO添加量のLAO試料におけるδωとδφを示す。参考に実施例1のBHO無添加試料(LAO-Pure)についてもプロットしている。δωの平均値はBHO2体積%試料で0.32°、BHO3体積%試料で0.26°、BHO5体積%試料で0.24°、BHO10体積%試料で0.28°であった。δφの平均値は、BHO2体積%試料で1.14°、BHO3体積%試料で1.22°、BHO5体積%試料で1.23°、BHO10体積%試料で1.20°であった。δωについては、全ての添加量で膜厚に対して変化せず良好な配向性である。δφについては、BHO添加量による配向性の違いは小さいが、全ての添加量で、300nm程度より膜厚が小さい場合では試料ごとにばらつきが大きいが、膜厚が大きい場合よりも配向性が低いことがわかる。これは、膜厚が小さい場合は格子不整合による結晶格子のひずみの緩和が小さいためであると考えられる。
[Crystal structure]
XRD measurement confirmed that SmBCO had good c-axis orientation in all samples. FIG. 49 shows δω and δφ of IBAD-BHO3 vol% samples and LAO-BHO3 vol% samples prepared with various film thicknesses. The average value of δω is 0.67° for the IBAD-BHO3 volume% sample and 0.26° for the LAO-BHO3 volume% sample, and the average value of δφ is 1.90° for the IBAD-BHO3 volume% sample, LAO- It was 1.22° for the BHO3 volume % sample. Regarding δω, both the IBAD-
[表面形態]
図51は、膜厚300-400nm程度の様々なBHO添加LAO試料における表面DFM像を示す。実施例1で示した無添加SmBCO薄膜の等方的な同心円状あるいは多角形のステップ形状とは異なり、全てのBHO添加量において花びら型の表面ステップが観測された。これはナノロッドが形成されている場合に観察される特徴的なステップ形状であり、このことから、全ての添加量の試料において少なくとも薄膜表面近傍ではナノロッドが形成されていると考えられる。また、図52は、様々な膜厚で作製したBHO3体積%添加IBAD試料および様々なBHO添加量のLAO試料の表面粗さδRを示す。IBAD試料については試料ごとにδRのばらつきが大きい。これはレーザーエネルギーが不安定だったことにより成膜速度が試料ごとに異なったためであると考えられる。LAO試料については膜厚が大きいほどδRが比較的大きくなる傾向があった。
[Surface morphology]
FIG. 51 shows surface DFM images of various BHO-doped LAO samples with film thicknesses on the order of 300-400 nm. Unlike the isotropic concentric or polygonal step shape of the additive-free SmBCO thin film shown in Example 1, petal-shaped surface steps were observed at all BHO addition amounts. This is a characteristic step shape observed when nanorods are formed, and from this it is considered that nanorods are formed at least near the thin film surface in the samples with all additive amounts. Moreover, FIG. 52 shows the surface roughness δR of IBAD samples added with 3 volume % BHO prepared with various film thicknesses and LAO samples with various amounts of BHO added. Regarding IBAD samples, there is a large variation in δR from sample to sample. This is thought to be because the film formation rate differed from sample to sample due to the instability of the laser energy. Regarding the LAO sample, δR tended to become relatively large as the film thickness increased.
[TcおよびJc]
図53は、膜厚の異なる様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料のTcと自己磁場中Jcを示す。200nm以下の試料ではTcのばらつきが大きいが、300nm以上の試料においては、ほとんどの試料でTcは91K以上、Jcは1MA/cm2以上の高い特性を示している。図54は、様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料のAsym.MAXとTc、自己磁場中Jcとの関係を示す。実施例1で示したBHO無添加のPure試料と同様に、BHO添加試料のAsym.MAXにはTcやJcとの間に相関関係は確認されなかった。
[T c and J c ]
FIG. 53 shows T c and J c in a self-magnetic field for LAO samples and IBAD samples with different film thicknesses and various amounts of BHO added. Samples with a thickness of 200 nm or less have large variations in T c , but most samples with a thickness of 300 nm or more exhibit high characteristics with T c of 91 K or more and J c of 1 MA/cm 2 or more. Figure 54 shows the Asym. The relationship between MAX , T c , and J c in the self-magnetic field is shown. Similar to the Pure sample without BHO shown in Example 1, the Asym. No correlation was confirmed between MAX and T c or J c .
[Jcの磁場依存性]
図55は、膜厚200-300nm程度の様々なBHO添加量のLAO試料の77.3K、B//cにおけるJcの磁場依存性を示す。比較のためBHO無添加のSmBCO薄膜(LAO-Pure)のJcの磁場依存性も示している。Pure試料と比べると、BHO添加試料では全てのBHO添加量において全磁場領域でJcが向上しており、Jcの減衰が緩やかなプラトー領域が確認されている。これは、BHO添加試料ではBHOナノロッドが形成され、B//c方向の磁束を有効にピンニングしているためであると考えられる。また、BHO低添加量であるほど低磁場でJcが大きく、BHO高添加量であるほど高磁場でJcが大きかった。このことから、BHO添加量の増加に伴いBHOナノロッドの数密度が増加していることが示唆される。BHO高添加量であるほどBHOナノロッドの数密度が大きいため、マッチング磁場が高磁場側にシフトすることで高磁場領域のJcが向上していると考えられる。
[Magnetic field dependence of J c ]
FIG. 55 shows the magnetic field dependence of J c at 77.3 K, B//c for LAO samples with film thicknesses of about 200-300 nm and various added amounts of BHO. For comparison, the magnetic field dependence of J c of an SmBCO thin film (LAO-Pure) without BHO addition is also shown. Compared to the Pure sample, in the BHO-added sample, J c is improved in the entire magnetic field region at all BHO addition amounts, and a plateau region in which J c is slowly attenuated is confirmed. This is considered to be because BHO nanorods are formed in the BHO-added sample and effectively pin the magnetic flux in the B//c direction. Furthermore, the lower the amount of BHO added, the larger the J c was in a low magnetic field, and the higher the amount of BHO added, the larger the J c was in a high magnetic field. This suggests that the number density of BHO nanorods increases as the amount of BHO added increases. Since the number density of BHO nanorods increases as the amount of BHO added increases, it is thought that J c in the high magnetic field region is improved by shifting the matching magnetic field to the high magnetic field side.
[Jcの磁場印加角度依存性]
図56は、様々なBHO添加量のLAO試料の77.3K、1-5TにおけるJcの磁場印加角度依存性を示す。全てのBHO添加量の試料でB//ab方向のピークが存在する。これは、SmBCO結晶格子の積層構造や積層欠陥がピンニングセンターとして働いているためであると考えられる。また、全てのBHO添加量の試料でB//c方向のJcが大きく向上しておりピークを有している。これは、BHOナノロッドがピンニングセンターとして働いているためであると考えられる。図56のそれぞれのBHO添加量のJc-B曲線のプラトー終端磁場近傍の磁場において、B//c方向のピークはB//ab方向のピークと比べて比較的大きなピークであることから、全てのBHO添加量においてc軸方向に平行な連続したナノロッドが形成されていることが示唆される。
[Magnetic field application angle dependence of J c ]
FIG. 56 shows the dependence of J c on the magnetic field application angle at 77.3 K and 1-5 T for LAO samples with various BHO addition amounts. A peak in the B//ab direction exists in the samples with all BHO addition amounts. This is considered to be because the stacked structure and stacking faults of the SmBCO crystal lattice function as pinning centers. In addition, the J c in the B//c direction is greatly improved and has a peak in the samples with all BHO addition amounts. This is considered to be because the BHO nanorods function as pinning centers. In the magnetic field near the plateau termination magnetic field of the J c -B curve for each BHO addition amount in FIG. 56, the peak in the B//c direction is a relatively large peak compared to the peak in the B//ab direction. It is suggested that continuous nanorods parallel to the c-axis direction are formed at all BHO addition amounts.
BHO添加量によるB//ab方向のピークの大きさを比較すると、1TにおいてはBHO3体積%試料はBHO2体積%試料と比べてB//ab方向のピークが小さくなっている。BHO5体積%および10体積%試料を含めて5Tの高磁場においては、BHO添加量が増加するほどB//ab方向のピークが小さくなっていることから、これは、より高密度なナノロッドによってB//ab方向の磁束運動が促進されたためであると考えられる。一方、BHO5体積%および10体積%試料はBHO3体積%試料と比べて1TのB//ab方向のピークが大きくなっている。これは、より高密度に導入されたBHOナノロッドの界面ひずみによって積層欠陥が増加したため、B//ab方向の磁束ピンニングが増強された可能性が考えられる。
Comparing the magnitude of the peak in the B//ab direction depending on the amount of BHO added, at 1T, the peak in the B//ab direction is smaller in the
[BHO添加SmBCO薄膜のJc非相反性]
前節では、作製した薄膜の結晶構造、表面形態、および超伝導諸特性について述べた。本節では、Jc非相反性の、磁場、結晶配向性、膜厚、表面粗さ、成膜基板、BHO添加量および測定温度の、それぞれとの間の相関について述べる。
[J c nonreciprocity of BHO-doped SmBCO thin film]
In the previous section, we described the crystal structure, surface morphology, and superconducting properties of the fabricated thin film. In this section, we will discuss the correlation between J c non-reciprocity, magnetic field, crystal orientation, film thickness, surface roughness, film forming substrate, amount of BHO added, and measurement temperature.
[磁場依存性]
図57は、BHO3体積%添加IBAD試料におけるAsym.の磁場依存性を示す。図58から図62は、様々なBHO添加量のLAO試料におけるAsym.の磁場依存性を示す。各試料のAsym.は1T以下の低磁場で正または負のピークを示した。図63は、様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料におけるAsym.MAXとBMAXの関係を示す。特に、Asym.MAXが20%よりも大きい試料のBMAXは0.2T以下であり、比較的低磁場に集中していた。正の非対称性と負の非対称性のBMAXを比べると、負の非対称性のBMAXは正の非対称性のBMAXより低磁場に分布している。BHO3体積%試料のうちIBAD試料とLAO試料を比べると、IBAD試料のBMAXはLAO試料のBMAXより低磁場に分布している。
[Magnetic field dependence]
FIG. 57 shows the Asym. shows the magnetic field dependence of Figures 58 to 62 show Asym. shows the magnetic field dependence of Asym. of each sample. showed positive or negative peaks in low magnetic fields below 1 T. Figure 63 shows the Asym. The relationship between MAX and B MAX is shown. In particular, Asym. The B MAX of samples with MAX greater than 20% was 0.2 T or less, and was concentrated in a relatively low magnetic field. Comparing B MAX of positive asymmetry and negative asymmetry, B MAX of negative asymmetry is distributed in a lower magnetic field than B MAX of positive asymmetry. Comparing the IBAD sample and the LAO sample among the BHO3 volume % samples, the B MAX of the IBAD sample is distributed in a lower magnetic field than the B MAX of the LAO sample.
面内磁場中YBCO薄膜の先行研究でも、0.2T程度以下で正の非対称性のピークが確認されている。しかし、図61や図62で確認されたような負のピークは報告されていない。これは、BHOナノロッドを導入した効果に起因するものであると考えられる。考察については次項以降で述べる。 Previous research on YBCO thin films in an in-plane magnetic field has also confirmed a positive asymmetry peak below about 0.2 T. However, negative peaks like those confirmed in FIGS. 61 and 62 have not been reported. This is considered to be due to the effect of introducing BHO nanorods. The discussion will be discussed in the following sections.
図64は、BHO3体積%添加IBAD試料におけるIcの磁場印加角度依存性を示す。B//ab方向に近いほど、対称的な磁場方向を比較したIcの差が大きいことから、Ic非対称性が非対称な表面バリアによるものと推察される。 FIG. 64 shows the dependence of I c on the magnetic field application angle in the IBAD sample added with 3 volume % of BHO. Since the closer to the B//ab direction, the larger the difference in I c when comparing symmetrical magnetic field directions, it is inferred that the I c asymmetry is due to an asymmetric surface barrier.
[結晶配向依存性]
図65は、異なるδωの様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料におけるAsym.MAXを示す。また、図66は、異なるδφの様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料におけるAsym.MAXを示す。LAO試料については、δωおよびδφに対するAsym.MAXの変化は確認されなかった。Pure試料で確認された、δφの減少に伴う非対称性の絶対値の増加は確認されなかったことから、ナノロッドの導入により、薄膜内部の欠陥における磁束ピンニングが緩和されたため、薄膜内部の欠陥量がAsym.の絶対値の大きさを変化させなかったと考えられる。IBAD試料についてはPure試料とは異なりδφが大きな試料でも40%程度の高いAsym.MAXが得られており、また、δωおよびδφが大きいほど非対称性が大きい。ただし、IBAD試料については試料数が少ないこともあり、Asym.と結晶配向性の関係について今後のより詳細な検討が必要である。
[Crystal orientation dependence]
Figure 65 shows the Asym. Indicates MAX . Moreover, FIG. 66 shows the Asym. Indicates MAX . For the LAO sample, Asym. for δω and δφ. No change in MAX was confirmed. The increase in the absolute value of asymmetry with a decrease in δφ, which was confirmed in the Pure sample, was not confirmed, so the introduction of nanorods eased the magnetic flux pinning at defects inside the thin film, and the amount of defects inside the thin film decreased. Asym. It is considered that the magnitude of the absolute value of was not changed. Unlike the Pure sample, the IBAD sample has a high Asym. of about 40% even in the sample with a large δφ. MAX has been obtained, and the larger δω and δφ, the greater the asymmetry. However, due to the small number of IBAD samples, Asym. A more detailed study is required in the future regarding the relationship between crystal orientation and crystal orientation.
[膜厚依存性]
図67は、異なる膜厚の様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料のAsym.MAXを示す。IBAD試料とLAO試料ともにAsym.MAXについて膜厚との間に明確な相関関係は確認されなかった。また、図68は、異なる膜厚の様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料のBMAXを示す。BMAXについても膜厚との間に明確な相関関係は確認されなかった。
[Film thickness dependence]
FIG. 67 shows the Asym. Indicates MAX . Both the IBAD sample and LAO sample are Asym. No clear correlation between MAX and film thickness was confirmed. FIG. 68 also shows the B MAX of LAO and IBAD samples with different film thicknesses and various BHO loadings. No clear correlation was confirmed between B MAX and film thickness.
[表面粗さ依存性]
図69は、異なる表面粗さδRの様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料のAsym.MAXを示す。まず、LAO試料に関しては、異なるBHO添加量においてそれぞれ、Asym.MAXとδRの間に比較的明らかな相関関係が確認された。BHO2体積%、3体積%、および5体積%試料についてはδRに対してAsym.MAXが単調減少する傾向が見られる。そのうち、添加量が大きいほどAsym.MAXが減少する傾きが小さくなる。最も添加量の大きいBHO10体積%添加試料では、Asym.MAXはδRと相関せず-10%程度でほぼ一定である。また、IBAD-BHO3体積%試料においてもLAO-BHO3体積%試料と同様に、Asym.MAXがδRの増加に対して単調減少する傾向が確認された。ただし、減少率はIBAD試料の方がLAO試料よりも小さかった。また、IBAD-BHO3体積%試料のAsym.MAXの最大値はδR=21.8nmにおいて40.5%であり、LAO試料を比較すると同程度のδRで同程度の高いAsym.MAXが得られた。これらδRに対するAsym.MAXの単調減少の傾向は、表面粗さδRの増加に伴い薄膜表面の表面バリアが低減したためだと考えられる。
[Surface roughness dependence]
FIG. 69 shows the Asym. Indicates MAX . First, regarding the LAO sample, Asym. A relatively clear correlation between MAX and δR was confirmed. Asym. There is a tendency for MAX to decrease monotonically. Among them, the larger the amount added, the more Asym. The slope at which MAX decreases becomes smaller. In the sample with the largest addition amount of 10% by volume of BHO, Asym. MAX has no correlation with δR and remains almost constant at about -10%. Also, in the IBAD-BHO3 volume % sample, Asym. It was confirmed that MAX monotonically decreased as δR increased. However, the rate of decrease was smaller in the IBAD sample than in the LAO sample. In addition, Asym. The maximum value of MAX is 40.5% at δR=21.8nm, and when comparing LAO samples, the same high Asym. MAX was obtained. Asym. The monotonically decreasing tendency of MAX is considered to be due to the decrease in the surface barrier of the thin film surface as the surface roughness δR increases.
図70は、異なるδRの様々なBHO添加量のLAO試料およびIBAD試料のBMAXを示す。正の非対称性を示すBHO2体積%および3体積%試料では、δRが大きいほど、BMAXが大きくなる傾向が確認された。δRが大きい試料でBMAXが大きい傾向がある原因は、磁束が超伝導体から出て行く際のバリア(脱出バリア)の影響であると考えられる。図71は、表面粗さと格子ひずみによるポテンシャルエネルギーの変化の模式図を示す。ただし、ポテンシャルエネルギー変化の詳細については後述する。脱出バリアの大きさは、界面の磁束線のポテンシャルエネルギーが大きいほど大きくなる傾向がある。よって、磁場が大きいほど脱出バリアは大きくなり、脱出バリアはHsを越えても残留する。先述した磁束侵入の表面バリアの低減要因である表面粗さ、格子ひずみのうち、特に表面粗さは薄膜表面の凹凸の凹部分における磁場の局所集中によるものであるため、表面粗さは界面におけるポテンシャルエネルギーを増大させ、脱出バリアを増大させる要因でもあると考えられる。つまり、薄膜表面の粗さによって、薄膜表面の脱出バリアは薄膜底面の脱出バリアよりも大きくなる。磁束が超伝導体から脱出しにくいほどIcは大きくなると考えられるので、δRの増大に伴う脱出バリアの非対称性の増大によるAsym.MAXへの寄与は、負方向へのシフトとなる。これは実験結果とも一致する。以上のことから、δRが大きい試料では脱出バリアによる影響でBMAXが大きい傾向がみられたと考えられる。一方、BHO5体積%および10体積%試料ではBMAXのδRとの相関関係が見られなかった原因は、ナノロッド数密度の影響によるものであると考えられる。詳細は後述する。 Figure 70 shows the B MAX of LAO and IBAD samples with various BHO loadings at different δR. In the BHO2 volume % and 3 volume % samples exhibiting positive asymmetry, it was confirmed that B MAX tends to increase as δR increases. The reason why B MAX tends to be large in samples with large δR is considered to be the effect of a barrier (escape barrier) when magnetic flux leaves the superconductor. FIG. 71 shows a schematic diagram of changes in potential energy due to surface roughness and lattice strain. However, details of the potential energy change will be described later. The size of the escape barrier tends to increase as the potential energy of the magnetic flux lines at the interface increases. Therefore, the larger the magnetic field, the larger the escape barrier, and the escape barrier remains even beyond H s . Of the surface roughness and lattice strain, which are factors that reduce the surface barrier for magnetic flux penetration mentioned above, surface roughness in particular is due to the local concentration of the magnetic field in the concave portions of the thin film surface. It is also thought to be a factor that increases potential energy and increases the escape barrier. That is, depending on the roughness of the thin film surface, the escape barrier at the thin film surface becomes larger than the escape barrier at the bottom surface of the thin film. It is thought that the harder it is for the magnetic flux to escape from the superconductor, the larger Ic becomes.Asym. The contribution to MAX is a shift in the negative direction. This is consistent with the experimental results. From the above, it is thought that samples with large δR tended to have large B MAX due to the influence of the escape barrier. On the other hand, the reason why no correlation between B MAX and δR was observed in the 5% and 10% BHO samples is considered to be due to the influence of the nanorod number density. Details will be described later.
[BHO添加量依存性]
図72は、異なるBHO添加量のLAO試料におけるAsym.MAXを示す。それぞれの添加量で得られた|Asym.MAX|の最大値は、BHO添加量2体積%で32.8%、3体積%で39.2%、5体積%で16.4%、10体積%で10.2%であった。なお、Asym.MAXの符号は2体積%および3体積%は正、5体積%および10体積%は負である。このことから、最も高いAsym.MAXを実現するBHO添加量は3体積%程度であることが示された。BHO添加量によるAsym.MAXの大きさおよび符号の変化は、BHOナノロッドの数密度の変化によるものと推察される。このことから、ナノロッドは表面バリアを低減させる効果があったと考えられる。特に、ナノロッドの表面バリア低減効果は薄膜底面では小さく、薄膜表面においては大きく顕著であったと考えられる。その原因の1つとして、薄膜底面にナノロッドが形成されていない可能性が考えられるが、これを確認するためには薄膜の断面微細構造観察が必要である。しかし、SmBCOにBHO添加した先行研究の多くでは薄膜底面を貫くナノロッドが観察されていることが報告されているため、本実施例で作製したBHO添加SmBCO薄膜もBHOナノロッドが底面まで貫いて導入されている可能性が高い。よって、薄膜底面にもナノロッドが存在すると仮定して議論する。
[BHO addition amount dependence]
Figure 72 shows the Asym. Indicates MAX . |Asym. The maximum value of MAX | was 32.8% at 2% by volume of BHO, 39.2% at 3% by volume, 16.4% at 5% by volume, and 10.2% at 10% by volume. In addition, Asym. The sign of MAX is positive for 2% by volume and 3% by volume, and negative for 5% by volume and 10% by volume. From this, the highest Asym. It was shown that the amount of BHO added to achieve MAX was about 3% by volume. Asym. depending on the amount of BHO added. It is inferred that the change in the magnitude and sign of MAX is due to the change in the number density of BHO nanorods. This suggests that the nanorods had the effect of reducing the surface barrier. In particular, it is thought that the surface barrier reduction effect of the nanorods was small at the bottom of the thin film and large and significant at the surface of the thin film. One of the reasons for this may be that nanorods are not formed on the bottom surface of the thin film, but to confirm this, it is necessary to observe the cross-sectional fine structure of the thin film. However, many of the previous studies in which BHO was added to SmBCO reported that nanorods were observed penetrating the bottom surface of the thin film, so the BHO nanorods were introduced penetrating through the bottom surface of the BHO-added SmBCO thin film fabricated in this example. There is a high possibility that Therefore, the discussion will be based on the assumption that nanorods also exist at the bottom of the thin film.
まず、以下ではナノロッドによる表面バリア低減効果について述べる。ナノロッドによる表面バリアの低減効果の大きさは、コヒーレンス長ξに関連していると思われる。本実施例では実際にTEM観察等でナノロッドの微細構造を観察していないが、BHOナノロッドの直径は先行研究では10nm程度であることが観察されている。これは3nm程度のab面方向のξ(ξab)に近い大きさである。薄膜の作製条件が近いことから、本実施例でも同程度の直径のBHOナノロッドが形成されていることが想定される。ナノロッドが磁場と平行の場合に強い磁束ピンニングを示すのは、磁束が2ξab程度のナノロッドをピンニングセンターとして感じやすいためである。これはナノロッドが磁場と垂直である場合の磁束侵入や磁束運動の促進に関しても同様であると考えられる。薄膜の界面にナノロッドが存在する場合、低磁場では図に示すように磁束がナノロッドに沿って曲がり侵入すると考えられる。よって、2ξabの大きさがナノロッドの直径と近いときに磁束侵入促進効果が大きくなり、表面バリアの低減が大きくなると考えられる。 First, the effect of reducing the surface barrier by nanorods will be described below. The magnitude of the surface barrier reduction effect by nanorods seems to be related to the coherence length ξ. In this example, the fine structure of the nanorods was not actually observed by TEM observation, etc., but the diameter of BHO nanorods was observed to be about 10 nm in previous research. This is a size close to ξ (ξ ab ) in the a-b plane direction, which is about 3 nm. Since the thin film production conditions are similar, it is assumed that BHO nanorods with similar diameters are formed in this example as well. The reason why nanorods exhibit strong magnetic flux pinning when parallel to the magnetic field is that nanorods with a magnetic flux of about 2ξ ab are easily felt as pinning centers. This is considered to be the same with regard to magnetic flux penetration and promotion of magnetic flux motion when the nanorods are perpendicular to the magnetic field. When nanorods exist at the interface of a thin film, it is thought that in a low magnetic field, the magnetic flux bends and penetrates along the nanorods, as shown in the figure. Therefore, it is considered that when the size of 2ξ ab is close to the diameter of the nanorod, the effect of promoting magnetic flux penetration becomes large, and the reduction of the surface barrier becomes large.
次に、薄膜表面と底面のナノロッドによる表面バリア低減効果の差について述べる。薄膜表面と底面のナノロッドによる表面バリア低減効果の差は薄膜表面と底面でξの大きさに差があるためであると考えられる。GL理論よりコヒーレンス長ξは以下の式で表現されるようにTcに依存して変化する。
これらのことを考慮して、以下では、BHO添加量の増加に対するAsym.MAXの符号の逆転について説明する。Asym.MAXの符号と表面バリアの非対称性に着目すると、Asym.の定義から、正のAsym.は薄膜表面のバリアが底面のバリアよりも大きいことを示す。Asym.が負の場合はこの逆である。まず、BHO低添加ではPure試料と同様に、薄膜底面のひずみにより底面の表面バリアが小さいため正のAsym.MAXを示す。一方、BHOが高添加であるほどナノロッドが高数密度であるため薄膜表面の表面バリア低減効果が増大して、薄膜表面の表面バリアが小さくなる。そして、薄膜表面の表面バリアが薄膜底面の表面バリアよりも小さくなることでAsym.MAXの符号が負に逆転する。 Taking these things into consideration, the Asym. The reversal of the sign of MAX will be explained. Asym. Focusing on the sign of MAX and the asymmetry of the surface barrier, Asym. From the definition of positive Asym. indicates that the barrier on the surface of the thin film is larger than the barrier on the bottom surface. Asym. The opposite is true when is negative. First, in the case of low addition of BHO, as in the Pure sample, the surface barrier of the bottom surface is small due to the strain on the bottom surface of the thin film, so the positive Asym. Indicates MAX . On the other hand, the higher the addition of BHO, the higher the number density of nanorods, so the effect of reducing the surface barrier on the thin film surface increases, and the surface barrier on the thin film surface becomes smaller. Asym. The sign of MAX is reversed to negative.
BHO添加量の増加による、δRの増加に対するAsym.MAXの減少率の低下も、ナノロッド数密度の増加に起因していると考えられる。薄膜表面における表面バリア低減要因のうち、ナノロッド低数密度ではδRによる表面バリア低減効果が支配的である。一方、ナノロッド高数密度ではナノロッドによる表面バリア低減効果が支配的となるため、δRに対する非対称性の変化は小さくなったと考えられる。以上のことから、BHO高添加ほどδRの増加に対するAsym.MAXの減少率が低下したと考えられる。また、同様の理由で、BMAXについてBHO高添加試料ではδRとの相関関係が確認されなかったと考えられる。 Asym. The decrease in the rate of decrease in MAX is also considered to be due to the increase in nanorod number density. Among the factors that reduce the surface barrier on the thin film surface, the effect of reducing the surface barrier due to δR is dominant at a low nanorod number density. On the other hand, at a high nanorod number density, the effect of reducing the surface barrier by the nanorods becomes dominant, so it is thought that the change in asymmetry with respect to δR becomes small. From the above, the Asym. It is thought that the rate of decrease in MAX has decreased. Furthermore, for the same reason, it is considered that no correlation between B MAX and δR was confirmed in the BHO-rich sample.
[成膜基板依存性]
図70からIBAD試料とLAO試料を比較すると、IBAD試料はLAO試料よりもδRに対する非対称性の減少率が小さいことが確認された。IBAD-MgO基板表面のCeO2およびLAOの、SmBCOとの格子不整合度はそれぞれ0.64%、1.44%であり、基板の種類による薄膜底面の格子ひずみの大きさを比べると、LAO試料よりIBAD試料の方が格子不整合が小さく、格子ひずみは小さいためIBAD試料はLAO試料よりも非対称性が小さくなると予想される。しかし、これは結果と矛盾する。よって、この非対称性の変化は成膜基板の違いによるものではないと考えられる。IBAD試料とLAO試料の成膜条件を比べると、IBAD試料の方がLAO試料より4倍程度成膜レートが遅い。そのため、IBAD試料ではLAO試料よりも直径が太いナノロッドが形成されていると考えられる。したがって、IBAD試料ではLAO試料よりもナノロッド直径が2ξにより近かったため、ナノロッドによる表面バリア低減効果が大きく、非対称性が正に大きかったと考えられる。
[Dependency on film-forming substrate]
Comparing the IBAD sample and the LAO sample from FIG. 70, it was confirmed that the IBAD sample had a smaller rate of decrease in asymmetry with respect to δR than the LAO sample. The degree of lattice mismatch of CeO 2 and LAO on the surface of the IBAD-MgO substrate with SmBCO is 0.64% and 1.44%, respectively, and when comparing the magnitude of lattice strain on the bottom surface of the thin film depending on the type of substrate, LAO Since the lattice mismatch and lattice strain are smaller in the IBAD sample than in the sample, the IBAD sample is expected to have less asymmetry than the LAO sample. However, this contradicts the results. Therefore, it is considered that this change in asymmetry is not due to a difference in the film-forming substrate. Comparing the film formation conditions of the IBAD sample and the LAO sample, the film formation rate of the IBAD sample is about four times slower than that of the LAO sample. Therefore, it is considered that nanorods with a larger diameter are formed in the IBAD sample than in the LAO sample. Therefore, since the nanorod diameter was closer to 2ξ in the IBAD sample than in the LAO sample, it is considered that the surface barrier reduction effect by the nanorods was large and the asymmetry was positively large.
[温度依存性]
図74は、様々な測定温度条件下(65.0、77.3、および85.0K)における、異なるδRの様々なBHO添加量のLAO試料におけるAsym.MAXを示す。また、図75は、様々な測定温度条件下の様々なBHO添加量のLAO試料におけるAsym.MAXを示す。BHO2体積%、3体積%および5体積%試料については、多くの試料で測定温度に対してAsym.MAXの変化が確認された。多くの場合、Asym.MAXの大きさは65.0、77.3、85.0Kの順に、低温から高温になるにつれて正から負の方向へ減少した。ただし、図には示していないが、65.0Kより低温領域では、非対称性の符合に関わらず、測定温度の低下とともにAsym.MAXの絶対値は減少する傾向が確認されている。これは、低温ほど薄膜内部の微細な欠陥による磁束ピンニングが増大することにより、表面バリアの影響が非顕在化したためであると考えられる。
[Temperature dependence]
Figure 74 shows the Asym. Indicates MAX . Moreover, FIG. 75 shows the Asym. Indicates MAX . For the BHO2 volume %, 3 volume %, and 5 volume % samples, many samples showed Asym. A change in MAX was confirmed. In many cases, Asym. The magnitude of MAX decreased from positive to negative as the temperature went from low to high in the order of 65.0, 77.3, and 85.0K. However, although not shown in the figure, in the region lower than 65.0K, Asym. It has been confirmed that the absolute value of MAX tends to decrease. This is considered to be because the influence of the surface barrier becomes less obvious as the magnetic flux pinning due to minute defects inside the thin film increases as the temperature decreases.
高温でAsym.MAXが負の方向にシフトした原因について考察する。正の非対称性がゼロに近づくこととして考えられるのが、Tcへのアプローチに起因するものである。電流方向に寄らずIcがゼロに近づくため、Asym.MAXの絶対値が減少すると考えられる。しかし、本実施例で作製した試料のほとんどはTcが90Kを超えており、最大測定温度85Kとは離れているため、これが主な要因とは考えにくい。また、これは正から負へのAsym.MAXの符号の逆転および負方向のAsym.MAXの向上については説明できない。次に検討するのは、磁場進入長λの温度変化による要因である。λは下記の式で表現されるように温度に依存して変化する。
Asym.MAX符号の逆転の原因に関しては、磁束間相互作用による可能性も考えられる。ポテンシャルバリアの幅dと量子化磁束の密度に関連して、磁束間相互作用による磁束運動の非対称性が測定温度や磁場に対して逆転することが多数報告されている。これらの逆転は、量子化磁束が磁束間の斥力によりピンニングポテンシャルを乗り越えることによって、磁束運動の容易方向が変化するためである。ただし、逆転が起こるためには磁束格子間距離がdよりも小さいことが前提となる。本実施例で逆転が見られた試料の表面粗さは30nm程度である。この程度の磁束格子間距離となる磁場の大きさは、三角格子を仮定した場合2T程度である。ただし、B//ab方向ではSmBCOの層状構造により磁束格子がひずむため、実際の磁場の値はこれよりも小さくなる。λの異方性から1/3程度の0.6T程度であると考えられる。しかし、本実施例でAsym.MAXの符号の逆転が見られた試料のBMAXの値は0.2T程度であり、0.6Tよりも小さいためAsym.MAXの符号の逆転は磁束間相互作用によるものではないと考えられる。 Asym. Regarding the cause of the reversal of the MAX sign, it is also possible that the interaction between magnetic fluxes is the cause. It has been reported in many cases that the asymmetry of the magnetic flux motion due to the interaction between magnetic fluxes is reversed with respect to the measured temperature and magnetic field, in relation to the width d of the potential barrier and the density of the quantized magnetic flux. These reversals occur because the quantized magnetic flux overcomes the pinning potential due to the repulsion between the magnetic fluxes, thereby changing the easy direction of the magnetic flux motion. However, in order for the reversal to occur, it is assumed that the magnetic flux interstitial distance is smaller than d. The surface roughness of the sample in which reversal was observed in this example was approximately 30 nm. The magnitude of the magnetic field that provides this level of magnetic flux lattice distance is approximately 2T, assuming a triangular lattice. However, in the B//ab direction, the magnetic flux lattice is distorted by the layered structure of SmBCO, so the actual value of the magnetic field is smaller than this. From the anisotropy of λ, it is thought to be about 1/3, about 0.6T. However, in this embodiment, Asym. The value of B MAX of the sample in which the sign of MAX was reversed was about 0.2T, which is smaller than 0.6T, so Asym. It is considered that the reversal of the sign of MAX is not due to interaction between magnetic fluxes.
BHO高添加の10体積%試料については、測定温度に対するAsym.MAXの変化は小さかった。この原因は、ナノロッド数密度が大きいために、ナノロッドが薄膜表面の表面バリア減少の支配的要因であり、表面粗さの影響が小さかったためであると考えられる。つまり、BHO高添加ではAsym.MAXの粗さとの相関変化の低下とともに、粗さを要因とした温度との相関変化も低下したと考えられる。 For the 10 volume % sample with high BHO addition, Asym. The change in MAX was small. The reason for this is thought to be that, due to the large number density of nanorods, nanorods were the dominant factor in reducing the surface barrier on the thin film surface, and the influence of surface roughness was small. In other words, with high addition of BHO, Asym. It is thought that along with the decrease in the correlation change with MAX roughness, the correlation change with temperature due to roughness also decreased.
図76は、様々な測定温度条件下の、様々なBHO添加量のLAO試料におけるBMAXを示す。BHO添加量によらず、ほとんどの試料では、測定温度が高いほどBMAXが低下する傾向が確認された。これは、高温になるほど表面バリアが有効な磁場が低下するためであると考えられる。磁束が超伝導体に侵入する際の磁場Hsは、Hc1に関連している。特に、Bean-Livingstonの表面バリアモデルでは、理想的な表面におけるHsを以下のように導出している。
[表面バリアに対する表面粗さ、格子ひずみの考察]
前項までの結果から薄膜表面粗さδRと格子ひずみが表面バリアの低減に寄与していることが推察された。本項ではそれぞれの薄膜構造の表面バリアへの寄与について考察する。ここで、超伝導体表面からの距離xに対するポテンシャルU(x)は、前述した通り下記の式で表される。
From the results in the previous section, it was inferred that the thin film surface roughness δR and lattice strain contributed to the reduction of the surface barrier. In this section, we will discuss the contribution of each thin film structure to the surface barrier. Here, the potential U(x) with respect to the distance x from the superconductor surface is expressed by the following equation as described above.
まず、δRの表面バリアの低減への寄与は、主に表面凹凸部分の量子化磁束の密集による局所的な磁場集中によるものであると考えられる。図77は、δRによる磁場集中の模式図を示す。局所的な磁場集中の増加は上式の第3項(U3)のHの増加に相当する。よって、δRの増加はU3の増加に寄与する。図78は、δRによるU3およびU(x)の変化の模式図を示す。δRの増加によって磁場Hが増大してU3が増大する。これによってU(x)の傾斜が緩やかになり表面バリアが低減すると考えられる。例えばF.Bassらは粗さσの超伝導体表面の表面バリアの磁場依存項ΔUHを下記の式のように導き、σの増加に伴い表面バリアが低下することを確認している。図79は、その式を用いたΔUHとσの関係図を表す。
一方、格子ひずみは超伝導体のTcの低下に寄与する。Tcの低下によってλは増大するため、これは上式の第1項(U1)と第2項(U2)の低下に寄与すると考えられる。図80は、δRによるU1、U2およびU(x)の変化の模式図を示す。U1とU2の傾斜的な低減によってU(x)の傾斜は緩やかになり、表面バリアが低減すると考えられる。 On the other hand, lattice strain contributes to lowering the T c of superconductors. Since λ increases due to a decrease in T c , this is considered to contribute to a decrease in the first term (U 1 ) and second term (U 2 ) in the above equation. FIG. 80 shows a schematic diagram of changes in U 1 , U 2 and U(x) due to δR. It is believed that the gradient reduction of U 1 and U 2 makes the gradient of U(x) gentler and reduces the surface barrier.
[小括]
本実施例では、REBCO薄膜のIc非相反性(Ic非対称性)の実現に向けて、IBAD-MgO基板とLAO基板の異なる2種類の基板上に様々な膜厚のSmBCO薄膜を作製し、SmBCO薄膜構造がそのIc非相反性に及ぼす影響の評価を行った。以下に得られた知見を示す。
(6)BHOを2、3、5、および10体積%添加したSmBCO薄膜を作製した。77.3K、B//c方向の磁場中Jcにおいて、BHO高添加ほど高磁場でJcの向上が大きかった。また、77.3KのJc磁場印加角度依存性においてB//c方向に比較的大きなピークが確認された。これらのことから、c軸方向に連続なBHOナノロッドがそれぞれの添加量に応じた数密度で導入されたことが示唆された。
(7)BHO添加試料では、Pure試料で確認されたδφの増加に伴うAsym.MAXの低下が確認されなかった。これは、ナノロッドにより薄膜内部の欠陥による磁束ピンニングが緩和されたためであると考えられる。
(8)LAO試料のうち、BHO3体積%試料において最大のAsym.MAX39.2%を示した。BHO添加SmBCO薄膜の高い非対称性を実現する最適添加量が3体積%であることが示された。IBAD-BHO3体積%試料においてもLAO試料と同等の最大Asym.MAX40.5%を示した。
(9)BHO2-5体積%添加試料においては、薄膜表面粗さδRの増加に伴ってAsym.MAXが単調減少する傾向が確認された。これは表面粗さにより薄膜表面の表面バリアが低下したためであると考えられる。
(10)BHO2-5体積%添加試料のδRの増加に伴うAsym.MAXの減少率はBHO添加量の増加に伴い低下した。BHO10体積%添加試料はδRによらずほぼ一定のAsym.MAXを示した。これは薄膜表面における表面バリアの低下要因としてBHO低添加ではδRの効果が支配的だったが、ナノロッドの数密度の増加に伴いナノロッドの効果が支配的になったためであると考えられる。
(11)77.3KにおけるBHO2,3体積%添加試料のAsym.MAXは全て正、BHO5体積%添加試料のAsym.MAXは試料によって正または負、BHO10体積%添加試料のAsym.MAXは全て負であった。このBHO添加量の増加に対する非対称性の負方向へのシフトは、ナノロッドの数密度の増加に伴い薄膜表面の表面バリア低減効果が増大したためであると考えられる。
(12)ナノロッドによる表面バリアの低下は薄膜表面では効果が大きかったが、薄膜底面では効果が小さかったと思われる。これは薄膜底面ではTcが低いため、コヒーレンス長ξが大きいためであると考えられる。
(13)Asym.MAXは測定温度の上昇に対して負方向にシフトする傾向が確認された。また、一部試料では非対称性の符号の逆転を示した。また、測定温度の上昇に対してBMAXが低下する傾向が確認された。これらは、磁場侵入長λの温度変化に起因していると考えられる。
(14)δRの表面バリアの低減への寄与は、表面凹凸部分の量子化磁束の密集による局所的な磁場集中によるものであると考えられる。そのため、δRは外部磁場による斥力ポテンシャルの増加に寄与し、表面バリアを低減すると考えられる。一方、格子ひずみは超伝導体のTcの低下に寄与する。そのため、格子ひずみは磁束線の自己エネルギー、磁束線と鏡像との相互作用による引力ポテンシャルの低下に寄与し、表面バリアを低減すると考えられる。
[Brief Summary]
In this example, in order to realize I c non-reciprocity (I c asymmetry) of REBCO thin films, SmBCO thin films with various thicknesses were fabricated on two different substrates, an IBAD-MgO substrate and an LAO substrate. , we evaluated the influence of SmBCO thin film structure on its I c nonreciprocity. The findings obtained are shown below.
(6) SmBCO thin films containing 2, 3, 5, and 10% by volume of BHO were prepared. At J c in a magnetic field of 77.3 K in the B//c direction, the higher the addition of BHO, the greater the improvement in J c in the high magnetic field. Furthermore, a relatively large peak was observed in the B//c direction in the dependence of the angle of application of the J c magnetic field at 77.3K. These results suggested that continuous BHO nanorods were introduced in the c-axis direction at a number density that corresponded to the amount of each added.
(7) In the BHO-added sample, Asym. No decrease in MAX was confirmed. This is considered to be because the magnetic flux pinning caused by defects inside the thin film was alleviated by the nanorods.
(8) Among the LAO samples, the maximum Asym. It showed MAX 39.2%. It was shown that the optimum addition amount to achieve high asymmetry of the BHO-doped SmBCO thin film was 3% by volume. The IBAD-
(9) Asym. A tendency for MAX to decrease monotonically was confirmed. This is considered to be because the surface barrier of the thin film surface was lowered due to surface roughness.
(10) Asym. The rate of decrease in MAX decreased as the amount of BHO added increased. The sample containing 10% by volume of BHO had almost constant Asym. regardless of δR. It showed MAX . This is considered to be because the effect of δR was dominant as a factor for reducing the surface barrier on the thin film surface when BHO was low added, but as the number density of nanorods increased, the effect of nanorods became dominant.
(11) Asym. MAX is all positive, Asym. MAX is positive or negative depending on the sample, and Asym. MAX was all negative. This shift in the negative direction of the asymmetry with respect to the increase in the amount of BHO added is considered to be due to an increase in the surface barrier reduction effect of the thin film surface as the number density of nanorods increases.
(12) It seems that the reduction of the surface barrier by the nanorods had a large effect on the surface of the thin film, but the effect was small on the bottom of the thin film. This is considered to be because the coherence length ξ is large because T c is low at the bottom of the thin film.
(13) Asym. It was confirmed that MAX tends to shift in the negative direction as the measurement temperature increases. In addition, some samples showed a reversal of the sign of the asymmetry. Furthermore, it was confirmed that B MAX tends to decrease as the measurement temperature increases. These are considered to be caused by temperature changes in the magnetic field penetration depth λ.
(14) The contribution of δR to the reduction of the surface barrier is thought to be due to local magnetic field concentration due to the dense quantized magnetic flux in the surface unevenness. Therefore, it is considered that δR contributes to an increase in the repulsive potential due to the external magnetic field and reduces the surface barrier. On the other hand, lattice strain contributes to lowering the T c of superconductors. Therefore, the lattice strain is thought to contribute to the reduction of the self-energy of the magnetic flux lines and the attractive potential due to the interaction between the magnetic flux lines and their mirror images, thereby reducing the surface barrier.
以上の結果から、BHO添加SmBCO薄膜において、非対称表面バリアによるIc非対称性の大きさに寄与するパラメーターが、薄膜表面粗さ、ナノロッド、基板界面のひずみであることが示唆された。そして、BHO3体積%程度の低添加では薄膜表面の粗さを小さくすることで高い正のIc非対称性を実現できることが示された。また、SmBCO薄膜の薄膜表面をさらに平坦化することにより、Ic非対称性をさらに向上できる可能性が示唆された。 The above results suggested that the parameters contributing to the magnitude of I c asymmetry due to the asymmetric surface barrier in the BHO-doped SmBCO thin film are the thin film surface roughness, nanorods, and strain at the substrate interface. It was also shown that a high positive I c asymmetry can be achieved by reducing the roughness of the thin film surface with a low addition of BHO3 volume %. Furthermore, it was suggested that the I c asymmetry could be further improved by further flattening the surface of the SmBCO thin film.
[実施例3:反応性イオンエッチングによる表面加工を施したSmBCO薄膜の非相反超伝導特性]
REBCO高温超伝導ダイオードの開発のためには、REBCO薄膜の電流方向に応じたJcの非相反性(Icの非対称性)が必要である。Icの非対称性を実現する方法として、REBCO薄膜の非対称な表面バリアの利用が挙げられる。実施例2では、REBCO薄膜の表面粗さを小さくすることで、薄膜表面の表面バリアが低減し、大きなIc非対称性が実現できることが示唆された。そこで、REBCO薄膜の表面の粗さをさらに低減して平坦化することにより、Icの非対称性が向上することが期待される。実施例2では膜厚を比較的薄くすることにより表面粗さの小さな試料を得た。しかし、電流容量を確保するためには膜厚の厚い薄膜においてもIcの非対称性の向上が必要である。膜厚制御の他に、REBCO薄膜の平坦化の方法としては以下の方法が考えられる。
・layer-by-layerで平坦にREBCOを層状堆積させることによる薄膜作製時の平坦化。
・薄膜表面のエッチングによる平坦化。
[Example 3: Non-reciprocal superconducting properties of SmBCO thin film surface-treated by reactive ion etching]
For the development of REBCO high temperature superconducting diodes, non-reciprocity of J c (asymmetry of I c ) depending on the current direction of the REBCO thin film is required. One way to achieve I c asymmetry is to utilize the asymmetric surface barrier of REBCO thin films. In Example 2, it was suggested that by reducing the surface roughness of the REBCO thin film, the surface barrier on the thin film surface was reduced and a large I c asymmetry could be realized. Therefore, it is expected that the asymmetry of I c will be improved by further reducing the surface roughness of the REBCO thin film and making it planar. In Example 2, a sample with small surface roughness was obtained by making the film thickness relatively thin. However, in order to ensure current capacity, it is necessary to improve the asymmetry of I c even in a thick thin film. In addition to film thickness control, the following method can be considered as a method for planarizing the REBCO thin film.
- Flattening during thin film fabrication by depositing REBCO in layers layer-by-layer.
・Flattening of the thin film surface by etching.
前者の方法は基板の格子定数や表面状態、薄膜作製時の過飽和度や酸素分圧の制御等、多くのパラメーターの適切な選択と制御が必要である。一方、後者の方法は、作製した薄膜の後処理により、容易に加工が可能であると考えられる。REBCO薄膜のエッチングには、エッチング中にREBCO薄膜にクラックなどの物理的なダメージを与えない、REBCOとエッチング媒介物質との間に化学反応が起きない等の、超伝導特性を劣化させないようなプロセスが必要である。そのため、液体の薬品を用いないドライエッチングが優良であると考えられる。ただし、薄膜にダメージを与えないよう最適な条件の選択が必要である。ドライエッチング法の一つとして、反応性イオンエッチング(Reactive ion etching:RIE)が挙げられる。RIEはプラズマを利用したガスによるエッチング方法であり、半導体デバイスの主要な加工方法である。 The former method requires appropriate selection and control of many parameters, such as the lattice constant and surface condition of the substrate, and control of supersaturation and oxygen partial pressure during thin film fabrication. On the other hand, it is thought that the latter method can be easily processed by post-processing the produced thin film. Etching of the REBCO thin film requires a process that does not cause any physical damage such as cracks to the REBCO thin film during etching, and does not cause any chemical reaction between REBCO and the etching mediator, which does not deteriorate the superconducting properties. is necessary. Therefore, dry etching that does not use liquid chemicals is considered to be superior. However, it is necessary to select optimal conditions so as not to damage the thin film. One of the dry etching methods is reactive ion etching (RIE). RIE is an etching method using gas using plasma, and is the main processing method for semiconductor devices.
本実施例では、REBCO薄膜表面にエッチングを施すことにより、薄膜表面の平坦化を図ることで、Ic非対称性の向上を行うことを目的とした。エッチング方法としてRIEを選択し、SmBCO薄膜にRIEを施すことによるIc非対称性の向上を図った。エッチング強度とエッチング時間のRIE条件の検討を行い、SmBCO薄膜の表面構造およびIc非対称性に与える影響を評価した。 In this example, the purpose of this embodiment was to improve the I c asymmetry by flattening the surface of the REBCO thin film by etching it. RIE was selected as the etching method, and the I c asymmetry was improved by applying RIE to the SmBCO thin film. The RIE conditions of etching intensity and etching time were investigated, and the effects on the surface structure and I c asymmetry of the SmBCO thin film were evaluated.
[反応性イオンエッチングによる表面加工]
本実施例では、SmBCO薄膜の非相反超伝導特性の向上を目的として、SmBCO薄膜にRIEによる表面加工を施し、エッチング前後の表面構造およびTcやJcの変化を評価した。
[Surface processing by reactive ion etching]
In this example, for the purpose of improving the non-reciprocal superconducting properties of the SmBCO thin film, the SmBCO thin film was subjected to surface processing by RIE, and the surface structure and changes in T c and J c before and after etching were evaluated.
[反応性イオンエッチングの条件]
用意したSmBCO薄膜は、Nd:YAGレーザーを用いて、PLD法によりLaAlO3(LAO)基板上に作製を行った。一度の成膜で3試料分を作製し、そのうち2試料にRIE加工を施した。残りの1試料はRIE加工を施さず、比較試料として評価した。表8にRIEのエッチング条件を示す。試料は石英板上に設置してエッチングを行った。エッチングガスの条件を一定にして、エッチング強度と時間を変化させた。エッチングガスの条件はRIEによるSiのエッチングに用いられている条件を参考に設定した。エッチング試料は、膜厚600-1000nmの無添加SmBCO薄膜(Pure試料)とBHO添加SmBCO薄膜(BHO3体積%試料および5体積%試料)を用いた。
The prepared SmBCO thin film was fabricated on a LaAlO 3 (LAO) substrate by the PLD method using an Nd:YAG laser. Three samples were prepared in one film formation, and RIE processing was performed on two of them. The remaining sample was not subjected to RIE processing and was evaluated as a comparative sample. Table 8 shows the RIE etching conditions. The sample was placed on a quartz plate and etched. The etching gas conditions were kept constant, and the etching intensity and time were varied. The etching gas conditions were set with reference to the conditions used for Si etching by RIE. As etching samples, an additive-free SmBCO thin film (Pure sample) and a BHO-added SmBCO thin film (3 volume % BHO sample and 5 volume % BHO sample) with a film thickness of 600 to 1000 nm were used.
[結晶性の変化]
図81は、エッチング後のTc>90Kの試料と超伝導非転移試料のエッチング後の酸素アニール後のc軸長を示す。エッチング後に超伝導転移しなかった試料はそのc軸長が伸張していることが確認された。そのため、エッチングにより超伝導転移しなかった原因は酸素欠損によるものと考えられる。ただし、c軸長の伸張の度合いが比較的小さな試料でも超伝導転移しなかったことから、その原因が酸素欠損のほかにある可能性もある。
[Change in crystallinity]
FIG. 81 shows the c-axis length after oxygen annealing after etching of the sample with T c >90K after etching and the superconducting non-transition sample. It was confirmed that the c-axis length of the sample that did not undergo superconducting transition after etching was extended. Therefore, the reason why superconducting transition did not occur due to etching is considered to be due to oxygen vacancies. However, since superconducting transition did not occur even in samples with a relatively small degree of elongation of the c-axis length, it is possible that the cause is other than oxygen vacancies.
[表面形態の変化]
図82は、無添加SmBCO薄膜(Pure)の様々な強度・時間条件におけるエッチング前後の表面DFM像を示す。図83は、BHO添加SmBCO薄膜(BHO3体積%および5体積%)の様々な強度・時間条件におけるエッチング前後の表面DFM像を示す。Pure試料については、エッチング強度、またはエッチング時間の増加とともに薄膜表面に直径が数十から百数十nm、深さ2-5nmの微細な穴が生成していることが確認された。特にエッチング強度の強いP=300Wでは、表面が多数のクレーターで覆われており、荒れた表面であった。同じエッチング条件で比べると、BHO添加試料ではPure試料よりも穴の数が増加していることがわかる。また、BHO添加試料では、Pure試料で確認された微細な穴に加えて、直径が数百nm程度、深さ数十から数百nmの比較的大きな穴も形成されていることが確認できる。図84は、様々な強度P、時間t=30分でエッチングを施した試料におけるエッチング前後のδR変化(ΔRMS)を示す。図85は、様々な時間t、強度P=150Wでエッチングを施した試料におけるΔRMSを示す。ここで、エッチングによって生成した穴の存在による粗さを考慮するため、析出物の影響と解像度の問題から、δRの評価は4nm四方の比較的狭い領域で行った。なお、ΔRMSはエッチング後のδRからエッチング前のδRを引いた差の値を用いた。つまり、ΔRMSが負であればδRが減少し、薄膜表面が平坦化していることを表す。逆に、ΔRMSが正であればδRが増加していることを表す。まず、エッチング強度に対しては、P=150Wにおいて最もΔRMSが減少しており、平坦化していることがわかる。しかし、P=200W以上ではΔRMSの減少は低下し、P=300Wでは増加しており、薄膜表面が粗くなっている。これは、エッチング強度の増加とともに薄膜表面に微細な穴が生成し、増加しているためであると考えられる。また、エッチング時間に対しては、同試料中ではエッチング時間の増加によりΔRMSが減少しており、エッチング時間の増加に伴い薄膜の表面がより平坦化されている。120分までのエッチング時間の増加による穴の数の増加はエッチング強度の増加によるものよりも小さかったため、穴による粗さの増加は小さかったと考えられる。
[Change in surface morphology]
FIG. 82 shows surface DFM images of the additive-free SmBCO thin film (Pure) before and after etching under various intensity and time conditions. FIG. 83 shows surface DFM images of a BHO-doped SmBCO thin film (3 and 5 volume % BHO) before and after etching under various intensity and time conditions. Regarding the Pure sample, it was confirmed that as the etching intensity or etching time increased, fine holes with a diameter of several tens to hundreds of nanometers and a depth of 2 to 5 nm were formed on the thin film surface. In particular, when the etching strength was high at P=300W, the surface was covered with many craters and had a rough surface. When compared under the same etching conditions, it can be seen that the number of holes in the BHO-added sample is greater than in the Pure sample. Furthermore, in the BHO-added sample, in addition to the fine holes confirmed in the Pure sample, relatively large holes with a diameter of about several hundred nm and a depth of several tens to several hundred nm are also formed. FIG. 84 shows changes in δR (ΔRMS) before and after etching in samples etched at various intensities P and times t=30 minutes. FIG. 85 shows the ΔRMS for samples etched at various times t and with an intensity P=150W. Here, in order to take into account the roughness due to the presence of holes generated by etching, and due to the influence of precipitates and problems with resolution, the evaluation of δR was performed in a relatively narrow area of 4 nm square. Note that ΔRMS is the value of the difference obtained by subtracting δR before etching from δR after etching. In other words, if ΔRMS is negative, δR decreases, indicating that the thin film surface is flattened. Conversely, if ΔRMS is positive, it means that δR is increasing. First, regarding the etching strength, it can be seen that ΔRMS decreases the most at P=150W, indicating flattening. However, when P=200W or more, the decrease in ΔRMS decreases, and when P=300W, it increases, and the thin film surface becomes rough. This is considered to be because as the etching intensity increases, fine holes are generated on the thin film surface and increase in number. Furthermore, with respect to the etching time, in the same sample, ΔRMS decreased as the etching time increased, and the surface of the thin film became more planarized as the etching time increased. It is believed that the increase in roughness due to holes was small because the increase in the number of holes due to the increase in etching time up to 120 minutes was smaller than that due to the increase in etching intensity.
薄膜表面に穴が形成された原因について述べる。エッチング領域は均一であるため、穴の形成は原子の結合力の弱い部分が優先的に削れたことによると考えられる。弱点の候補としては、SmBCO結晶中の転位欠陥あるいはBHO添加試料におけるBHOナノロッド界面が挙げられる。Pure試料における穴は直径が比較的小さく、これは転位部分が削れたことにより形成した穴であると推測される。一方、BHO添加試料では小さな穴に加えて、Pure試料では見られない比較的大きな穴も多数形成されている。そのため、BHO試料で見られる比較的大きな穴はナノロッド部分が削れて形成されたものであると考えられる。 The reason why holes are formed on the surface of the thin film will be explained. Since the etched area is uniform, it is thought that the formation of holes is due to preferential etching of areas with weak atomic bonding strength. Possible weak points include dislocation defects in the SmBCO crystal or the BHO nanorod interface in the BHO-added sample. The diameter of the hole in the Pure sample is relatively small, and it is presumed that this hole was formed by cutting away the dislocation portion. On the other hand, in the BHO-added sample, in addition to small holes, many relatively large holes, which are not observed in the pure sample, are also formed. Therefore, it is thought that the relatively large holes seen in the BHO sample were formed by cutting away the nanorod portion.
[TcおよびJcの変化]
図86は、様々な強度Pでエッチングを施したPure試料およびBHO添加試料のTcを示す。P=150WまではTcはほぼ一定だが、200W以上ではTcが77.3Kを下回り大きく低下している。また、図87は、77.3Kにおける、様々な強度Pでエッチングを施したPure試料およびBHO添加試料のそれぞれの非エッチング試料(as deposited)のJcで規格化したJc(Jc/Jc
as depo.)を示す。Pure試料については、P=150WまではJcはエッチングの有無によって変わっていない。一方、BHO添加試料については、P=150WにおいてJcが低下していることがわかる。特に、高添加のBHO5体積%試料においてJcの低下が大きい。以上のことから、エッチング時間30分において、77.3KにおけるSmBCO薄膜の超伝導特性を維持できるエッチング強度が100-150W程度であることが示された。図88は、様々な時間tでエッチングを施したPure試料およびBHO添加試料のTcを示す。t=30分まではTcの低下はないが、t=30分を超えるとTcが85Kを下回り低下していることがわかる。よって、エッチング強度150Wにおいて、77.3KにおけるSmBCO薄膜の超伝導特性を維持できるエッチング時間が60分程度までであることが示された。
[Changes in T c and J c ]
FIG. 86 shows the T c of Pure samples and BHO added samples etched at various intensities P. T c is almost constant until P = 150 W, but T c drops significantly below 77.3 K at 200 W or more. In addition, FIG . 87 shows the J c (J c /J cas depo. ). For the Pure sample, up to P=150W, J c does not change depending on the presence or absence of etching. On the other hand, for the BHO-added sample, it can be seen that J c decreases at P=150W. In particular, the decrease in J c is large in the sample with a high addition of 5% by volume of BHO. From the above, it was shown that the etching strength that can maintain the superconducting properties of the SmBCO thin film at 77.3K is about 100-150W when the etching time is 30 minutes. FIG. 88 shows the T c of Pure and BHO-doped samples etched at various times t. It can be seen that T c does not decrease until t = 30 minutes, but after t = 30 minutes, T c decreases to below 85K. Therefore, it was shown that at an etching intensity of 150 W, the etching time that can maintain the superconducting properties of the SmBCO thin film at 77.3 K is up to about 60 minutes.
TcやJcの低下は、エッチング強度またはエッチング時間の増加に伴って生じているため、エッチングプロセスがその要因であると考えられる。TcやJcの低下の原因としては、高エネルギーのイオン衝撃による温度上昇が考えられる。温度上昇によりSmBCO中の酸素が拡散し、酸素欠損が生じたと考えられる。エッチングにより超伝導転移しなくなった試料のc軸長が伸張していることからも、SmBCOの酸素が欠損しアンダードープ状態になっていることが示唆されている。超伝導特性の劣化が酸素欠損によるものであれば、酸素アニール条件の最適化により改善が見込まれる。また、エッチング時の改善点としては、温度上昇を抑制するために間欠エッチングを用いる方法や、冷媒を用いて試料を冷却する方法がある。 Since the decrease in T c and J c occurs as the etching intensity or etching time increases, the etching process is considered to be the cause. A possible cause of the decrease in T c and J c is an increase in temperature due to high-energy ion bombardment. It is thought that oxygen in SmBCO diffused due to the temperature rise, causing oxygen vacancies. The fact that the c-axis length of the sample that no longer undergoes superconducting transition due to etching is extended also suggests that oxygen in SmBCO is deficient and the sample is in an underdoped state. If the deterioration of superconducting properties is due to oxygen vacancies, improvement can be expected by optimizing the oxygen annealing conditions. Further, as improvements in etching, there are a method of using intermittent etching to suppress temperature rise, and a method of cooling the sample using a refrigerant.
[反応性イオンエッチングによる表面加工を施したSmBCO薄膜のJc非相反性]
様々なエッチング条件(強度・時間)でRIE加工を施したSmBCO薄膜のJc非相反性(Ic非対称性)について評価した。それぞれのエッチング条件の検討によるIc非対称性の変化について述べる。
[J c non-reciprocity of SmBCO thin film surface-treated by reactive ion etching]
J c nonreciprocity (I c asymmetry) of SmBCO thin films subjected to RIE processing under various etching conditions (intensity and time) was evaluated. Changes in I c asymmetry due to consideration of each etching condition will be described.
[エッチング強度依存性]
図89は、様々な強度P、時間t=30分でエッチングを施した試料の77.3KにおけるAsym.MAXを示す。前項で示したとおり、P=200W以上のエッチングを施した試料は77.3Kで超伝導転移を示さなかったので150WがPの最大値である。Pure試料とBHO添加試料ともに、P=100Wにおいては変化がほとんど見られなかったが、P=150WにおいてAsym.MAXが正に大きくなることが確認された。これは、エッチングによりδRが減少したため、薄膜表面の表面バリアの減少が抑制されたためであると考えられる。また、図90は、同試料のAsym.MAXと横軸にδRをプロットした図を示す。δRが小さいほどAsym.MAXが正に大きくなる傾向がおおむね確認された。以上のことから、エッチング時間30分、エッチング強度150WにおけるRIE加工において、SmBCO薄膜の77.3KのIc非対称性を向上させる傾向があることが確認された。
[Etching strength dependence]
FIG. 89 shows the Asym. Indicates MAX . As shown in the previous section, the sample etched at P=200W or more did not show superconducting transition at 77.3K, so 150W is the maximum value of P. For both the Pure sample and the BHO-added sample, almost no change was observed at P=100W, but Asym. It was confirmed that MAX becomes positively large. This is considered to be because δR was reduced by etching, which suppressed the reduction in the surface barrier on the thin film surface. Moreover, FIG. 90 shows Asym. of the same sample. A diagram in which MAX and δR are plotted on the horizontal axis is shown. The smaller δR is, the more Asym. A tendency for MAX to become positively large was generally confirmed. From the above, it was confirmed that RIE processing with an etching time of 30 minutes and an etching intensity of 150 W tends to improve the I c asymmetry of the SmBCO thin film at 77.3K.
[エッチング時間依存性]
図91は、様々な時間t、強度P=150Wでエッチングを施した試料の77.3KにおけるAsym.MAXを示す。t=60分ではAsym.MAXが正に増加したものの、t=120分ではAsym.MAXが低下した。t=60分でのAsym.MAXの正への増加は、エッチングにより薄膜表面の表面バリアの減少が抑制されたためであると考えられる。一方、t=120分でのAsym.MAXの減少は、Tcが78.0Kと測定温度77.3Kのごく近くまで低下していたためであると考えられる。前項を踏まえて以上のことから、エッチング強度150W、エッチング時間30-60分におけるRIE加工において、SmBCO薄膜の77.3KのIc非対称性を向上させる傾向があることが確認された。
[Etching time dependence]
FIG. 91 shows the Asym. Indicates MAX . At t=60 minutes, Asym. Although MAX increased positively, Asym. MAX has decreased. Asym. at t=60 minutes. The positive increase in MAX is considered to be due to the suppression of the reduction in the surface barrier on the thin film surface due to etching. On the other hand, Asym. The decrease in MAX is considered to be due to T c decreasing to 78.0K, which is very close to the measured temperature of 77.3K. Based on the above, it was confirmed that RIE processing at an etching intensity of 150 W and an etching time of 30 to 60 minutes tends to improve the I c asymmetry of the SmBCO thin film at 77.3K.
[小括]
本実施例では、REBCO薄膜のJc非相反性(Ic非対称性)の向上に向けて、LAO基板上に作製したSmBCO薄膜にRIEによる表面加工を施し、SmBCO薄膜の表面構造およびIc非相反性に及ぼす影響の評価を行った。エッチング条件としてエッチング強度とエッチング時間を検討した。以下に得られた知見を示す。
(15)Pure試料では、エッチング強度の増加に伴い、薄膜表面の表面粗さが低下した。ただし、エッチング強度300Wでは多数のクレーターで覆われたような表面となり、粗さが増大した。また、エッチング時間の増加に伴い薄膜表面の表面粗さが低下した。よって、RIEによる表面加工により薄膜表面の平坦化が示された。ただし、BHO添加試料については比較的大きな穴の形成により表面粗さがやや増大した。
(16)エッチング強度の増加に伴い、薄膜表面に微細な穴が形成された。また、エッチング時間の増加に伴っても、薄膜表面に微細な穴が形成された。BHO添加試料ではPure試料と比べて大きな直径の穴が多数形成された。これらはSmBCO薄膜中の転位欠陥やナノロッド部分が削られて形成されたと考えられる。
(17)エッチング強度およびエッチング時間の増加に伴い、TcやJcの超伝導特性が劣化した。特に、Pure試料と比べてBHO添加試料において劣化が大きかった。これはイオン衝撃による温度上昇や、穴の形成に起因している可能性がある。
(18)Pure試料とBHO添加試料ともに、エッチング時間30分、エッチング強度150Wにおいて77.3KのIc非対称性が向上した。Pure試料においては、エッチング強度150W、エッチング時間60分においても77.3KのIc非対称性が向上した。このIc非対称性の向上は、薄膜表面の表面粗さの低下によるものと考えられる。
[Brief Summary]
In this example, in order to improve the J c non-reciprocity (I c asymmetry) of the REBCO thin film, the SmBCO thin film fabricated on the LAO substrate was subjected to surface processing by RIE, and the surface structure of the SmBCO thin film and the I c non-reciprocity were improved. The effects on reciprocity were evaluated. Etching intensity and etching time were investigated as etching conditions. The findings obtained are shown below.
(15) In the Pure sample, the surface roughness of the thin film surface decreased as the etching intensity increased. However, when the etching strength was 300 W, the surface appeared to be covered with many craters, and the roughness increased. Furthermore, the surface roughness of the thin film surface decreased as the etching time increased. Therefore, it was shown that the surface of the thin film was flattened by surface processing by RIE. However, the surface roughness of the BHO-added sample increased slightly due to the formation of relatively large holes.
(16) As the etching intensity increased, fine holes were formed on the thin film surface. Further, even with an increase in etching time, fine holes were formed on the surface of the thin film. In the BHO-added sample, many holes with larger diameters were formed compared to the Pure sample. It is thought that these were formed by cutting dislocation defects or nanorod parts in the SmBCO thin film.
(17) As the etching intensity and etching time increased, the superconducting properties of T c and J c deteriorated. In particular, the deterioration was greater in the BHO-added sample than in the pure sample. This may be due to the temperature increase due to ion bombardment or the formation of holes.
(18) In both the Pure sample and the BHO-added sample, the I c asymmetry improved by 77.3 K at an etching time of 30 minutes and an etching intensity of 150 W. In the Pure sample, the I c asymmetry improved to 77.3 K even at an etching strength of 150 W and an etching time of 60 minutes. This improvement in I c asymmetry is considered to be due to the reduction in surface roughness of the thin film surface.
以上の結果から、RIE加工を施したSmBCO薄膜において、非対称表面バリアによるIc非対称性の向上が示唆された。これは、薄膜表面の平坦化による向上であると考えられる。また、77.3KにおけるIc非対称性向上のエッチング条件の最適値として、エッチング強度150W、エッチング時間30-60分を見出した。 The above results suggest that the I c asymmetry is improved by the asymmetric surface barrier in the SmBCO thin film subjected to RIE processing. This improvement is thought to be due to flattening of the thin film surface. Furthermore, as the optimum etching conditions for improving I c asymmetry at 77.3K, an etching intensity of 150 W and an etching time of 30 to 60 minutes were found.
[実施例4:Seed層を導入したSmBCO薄膜の非相反超伝導特性]
REBCO高温超伝導ダイオードの開発のためには、REBCO薄膜の電流方向に応じたJc非相反性(Icの非対称性)が必要である。面内磁場中におけるREBCO薄膜のIc非対称性は、薄膜表面および底面の表面バリアの大きさの非対称性によって実現できると考えられる。
[Example 4: Non-reciprocal superconducting properties of SmBCO thin film with seed layer introduced]
For the development of REBCO high-temperature superconducting diodes, J c nonreciprocity (I c asymmetry) depending on the current direction of the REBCO thin film is required. It is believed that the I c asymmetry of the REBCO thin film in an in-plane magnetic field can be realized by the asymmetry in the size of the surface barrier at the surface and bottom of the thin film.
実施例3では、SmBCO薄膜に反応性イオンエッチングによる表面加工を行うことによって、薄膜表面構造の制御によるIc非対称性の向上を試みた。一方、実施例1~3の結果から、BHO無添加または低添加のSmBCO薄膜の面内磁場中の磁束侵入については、薄膜表面よりも底面からの侵入が支配的であることが示唆された。そのため、基板界面の格子不整合に起因した格子ひずみによる、薄膜底面の表面バリア低減効果が大きいことが推察された。このことから、薄膜底面のひずみを制御することによってもIc非対称性の制御ができることが期待される。ただし、薄膜底面の表面バリア低減が格子ひずみによるかどうかをより詳細に議論する必要がある。 In Example 3, an attempt was made to improve the I c asymmetry by controlling the thin film surface structure by subjecting the SmBCO thin film to surface processing using reactive ion etching. On the other hand, the results of Examples 1 to 3 suggested that magnetic flux penetration in the in-plane magnetic field of SmBCO thin films with no or low addition of BHO is dominated by penetration from the bottom surface rather than from the thin film surface. Therefore, it was inferred that the lattice strain caused by the lattice mismatch at the substrate interface had a large effect of reducing the surface barrier at the bottom of the thin film. From this, it is expected that I c asymmetry can also be controlled by controlling the strain at the bottom of the thin film. However, it is necessary to discuss in more detail whether the reduction of the surface barrier at the bottom of the thin film is due to lattice strain.
薄膜底面の格子ひずみの大きさは薄膜結晶と基板結晶の格子不整合の大きさに依存する。そのため、薄膜結晶と格子定数が近く格子不整合が小さい材料をSeed層として導入することによって、薄膜底面の格子ひずみが緩和されると考えられる。図92は、Seed層導入の模式図を示す。このようなSeed層を導入した薄膜のIc非対称性を評価することで格子ひずみの表面バリアへの影響を議論することができると考えられる。また、薄膜底面の格子ひずみを緩和することによって、薄膜底面における表面バリアの低減が抑制されると予想される。つまり、格子不整合が小さいSeed層の導入によって、負方向の非対称性Asym.の向上が期待される。 The magnitude of lattice strain at the bottom of the thin film depends on the magnitude of lattice mismatch between the thin film crystal and the substrate crystal. Therefore, it is considered that the lattice strain at the bottom of the thin film is alleviated by introducing a material having a lattice constant close to that of the thin film crystal and a small lattice mismatch as the seed layer. FIG. 92 shows a schematic diagram of introducing a seed layer. It is thought that the influence of lattice strain on the surface barrier can be discussed by evaluating the I c asymmetry of a thin film incorporating such a seed layer. Furthermore, by relaxing the lattice strain at the bottom of the thin film, it is expected that reduction in the surface barrier at the bottom of the thin film will be suppressed. In other words, by introducing the seed layer with small lattice mismatch, the negative asymmetry Asym. is expected to improve.
SmBCO薄膜のSeed層材料の候補としてPrBa2Cu3Oy(PrBCO)が挙げられる。PrBCOはSmBCOと同じ希土類酸化物で層状ペロブスカイト構造をとるが、超伝導を示さず、また、SmBCOと非常に近い格子定数を有しているため格子不整合が0.26%と非常に小さい。また、PrBCO Seed層上にYBCOやSmBCOのUpper層を作製した報告例がある。 PrBa 2 Cu 3 O y (PrBCO) is a candidate for the seed layer material of the SmBCO thin film. PrBCO is the same rare earth oxide as SmBCO and has a layered perovskite structure, but it does not exhibit superconductivity and has a lattice constant very close to that of SmBCO, so the lattice mismatch is very small at 0.26%. Additionally, there are reports of producing an Upper layer of YBCO or SmBCO on a PrBCO Seed layer.
本実施例では、REBCO薄膜のIc非対称性に寄与する薄膜底面構造の解明と、底面構造の制御によるIc非対称性の制御および向上を目的とした。格子不整合が非常に小さいPrBCOをSeed層として導入することによって、SmBCO薄膜底面の格子ひずみの緩和を図った。そして、PrBCO Seed層がSmBCO薄膜の面内磁場中のIc非対称性に与える影響を評価した。 This example aimed to elucidate the thin film bottom structure that contributes to the I c asymmetry of REBCO thin films, and to control and improve the I c asymmetry by controlling the bottom structure. By introducing PrBCO, which has a very small lattice mismatch, as a seed layer, the lattice strain at the bottom of the SmBCO thin film was alleviated. Then, the influence of the PrBCO seed layer on the I c asymmetry in the in-plane magnetic field of the SmBCO thin film was evaluated.
[薄膜の作製]
PrBCO Seed層およびSmBCO Upper層の成膜条件の探索を行った。また、薄膜構造および基礎的な超伝導特性を評価した。
[Preparation of thin film]
We investigated the conditions for forming the PrBCO Seed layer and SmBCO Upper layer. We also evaluated the thin film structure and basic superconducting properties.
[PrBCO Seed層の作製]
Seed層の表面形態や結晶配向性はUpper層の結晶配向性や超伝導特性に大きく影響する。本項ではPrBCO Seed層の作製条件について述べる。表9にLaAlO3(LAO)基板上のPrBCO Seed層の作製条件を示す。PrBCO Seed層の最適成膜基板温度を探索するため、成膜基板温度を780-860℃まで変化させて成膜を行った。
The surface morphology and crystal orientation of the Seed layer greatly affect the crystal orientation and superconducting properties of the Upper layer. This section describes the conditions for manufacturing the PrBCO seed layer. Table 9 shows the conditions for producing the PrBCO Seed layer on the LaAlO 3 (LAO) substrate. In order to search for the optimum deposition substrate temperature for the PrBCO Seed layer, deposition was performed while varying the deposition substrate temperature from 780 to 860°C.
図93は、LAO基板上に作製したPrBCO Seed層の表面DFM像を示す。全ての成膜基板温度においてPrBCOの2次元核成長が確認された。また、XRD測定により全ての成膜基板温度においてPrBCOがc軸配向していることが確認された。図94は、各成膜基板温度で成膜したPrBCO Seed層のδωとδφを示す。δωとδφともに、860℃において最も小さい値を示した。よって、860℃においてPrBCOが最も良好な2軸配向を示すことが確認された。そのため、本実施例ではPrBCO Seed層の成膜基板温度として860℃を選択した。なお、これはSeed層を用いないSmBCOの成膜基板温度と同じ温度条件であった。 FIG. 93 shows a surface DFM image of the PrBCO Seed layer fabricated on the LAO substrate. Two-dimensional nucleus growth of PrBCO was confirmed at all deposition substrate temperatures. Moreover, it was confirmed by XRD measurement that PrBCO was oriented along the c-axis at all film-forming substrate temperatures. FIG. 94 shows δω and δφ of the PrBCO Seed layer deposited at each deposition substrate temperature. Both δω and δφ showed the smallest values at 860°C. Therefore, it was confirmed that PrBCO exhibits the best biaxial orientation at 860°C. Therefore, in this example, 860° C. was selected as the substrate temperature for forming the PrBCO Seed layer. Note that this temperature condition was the same as the temperature of the film-forming substrate for SmBCO without using a seed layer.
[SmBCO Upper層の作製]
LAO基板上に成膜基板温度860℃でPrBCO Seed層を作製した後、860℃でSmBCO Upper層を作製した。Upper層膜厚が150nmの試料においてTcが89.6Kであり、77.3K、自己磁場のJcが140kA/CM2とSeed層を用いないSmBCO薄膜と比べて低い超伝導特性を示した。その原因として、PrがSmBCO Upper層に拡散してTcが低下した可能性が考えられたため、膜厚を200、300、及び600nmと増して試料を作製したが、全て超伝導転移が確認されなかった。次に、LTG法によるUpper層の成膜基板温度を下げた試料の作製を試みた。Seed層の成膜基板温度を860℃のまま、Upper層の成膜基板温度を780℃として試料を作製した。膜厚200、300、及び600nmで作製したところ、Tcはそれぞれ88.4、50.0、44.6Kと膜厚が増すにつれて低下した。Tcの最も高い膜厚100nmの試料では77.3K、自己磁場のJcは2.0kA/CM2であり、LTG試料においてもSeed層を用いないSmBCO薄膜と比べて低い超伝導特性を示した。
[Preparation of SmBCO Upper layer]
A PrBCO Seed layer was formed on the LAO substrate at a film formation substrate temperature of 860°C, and then an SmBCO Upper layer was formed at 860°C. In a sample with an Upper layer thickness of 150 nm, T c was 89.6 K and 77.3 K, and J c of the self-magnetic field was 140 kA/CM 2 , showing lower superconducting properties than the SmBCO thin film that does not use a seed layer. . The reason for this was thought to be that Pr diffused into the SmBCO Upper layer and Tc decreased, so samples were prepared with film thicknesses of 200, 300, and 600 nm, but superconducting transition was confirmed in all of them. There wasn't. Next, an attempt was made to fabricate a sample in which the temperature of the substrate on which the Upper layer was formed using the LTG method was lowered. A sample was prepared by keeping the temperature of the Seed layer deposition substrate at 860°C and setting the Upper layer deposition substrate temperature to 780°C. When fabricated with film thicknesses of 200, 300, and 600 nm, Tc decreased as the film thickness increased, to 88.4, 50.0, and 44.6K, respectively. The highest T c of the sample with a film thickness of 100 nm is 77.3 K, and the self-magnetic field J c is 2.0 kA/CM 2 . Even in the LTG sample, the superconductivity is lower than that of the SmBCO thin film that does not use a seed layer. Ta.
また、IBAD-MgO基板上におけるSmBCOの超伝導特性を維持した作製が報告されているため、IBAD-MgO基板を用いたPrBCO Seed層導入SmBCO薄膜の作製を試みた。作製条件を表10に示す。
図95は、様々な膜厚でIBAD-MgO基板上に作製したPrBCO Seed層導入SmBCO薄膜(IBAD-PrBCO-Pure試料)のTcを示す。図96は、様々な膜厚でIBAD-MgO基板上に作製したPrBCO Seed層導入SmBCO薄膜(IBAD-PrBCO-Pure試料)のJcを示す。膜厚によらずほぼ同程度のTcが得られたが、膜厚の増加とともにJcが低下する傾向が確認された。Jc低下の原因として成膜時間が長くなることでPrのSmBCO Upper層への拡散が大きくなった可能性が考えられるが、今後のより詳細な評価が必要である。 FIG. 95 shows the T c of PrBCO Seed layer-introduced SmBCO thin films (IBAD-PrBCO-Pure samples) fabricated on IBAD-MgO substrates at various film thicknesses. FIG. 96 shows the J c of PrBCO Seed layer-introduced SmBCO thin films (IBAD-PrBCO-Pure samples) fabricated on IBAD-MgO substrates with various film thicknesses. Although almost the same T c was obtained regardless of the film thickness, it was confirmed that J c tended to decrease as the film thickness increased. It is thought that the reason for the decrease in J c is that the diffusion of Pr into the SmBCO Upper layer increased due to the longer film formation time, but a more detailed evaluation is required in the future.
[PrBCOをSeed層として導入したSmBCO薄膜のJc非相反性]
前節では、PrBCO Seed層とSmBCO Upper層の作製条件および超伝導諸特性について述べた。本節では、Jc非相反性の膜厚や表面粗さとの相関およびSeed層の効果について述べる。
[J c non-reciprocity of SmBCO thin film with PrBCO introduced as a seed layer]
In the previous section, the manufacturing conditions and superconducting properties of the PrBCO Seed layer and SmBCO Upper layer were described. In this section, we will discuss the correlation between J c nonreciprocity and surface roughness, and the effect of the seed layer.
[膜厚依存性]
図97は、異なる膜厚のIBAD-PrBCO-Pure試料のAsym.MAXを示す。参考に実施例1のSeed層を用いないLAO-Pure試料とIBAD-Pure試料についても示している。Seed層を用いないPure試料と同様に、IBAD-PrBCO-Pure試料はAsym.MAXについて膜厚との間に明確な相関関係は確認されなかった。図98は、異なる膜厚のIBAD-PrBCO-Pure試料のBMAXを示す。BMAXについても膜厚との間に明確な相関関係は確認されなかった。
[Film thickness dependence]
FIG. 97 shows the Asym. Indicates MAX . For reference, an LAO-Pure sample and an IBAD-Pure sample without the seed layer of Example 1 are also shown. Similar to the Pure sample without a seed layer, the IBAD-PrBCO-Pure sample is Asym. No clear correlation between MAX and film thickness was confirmed. Figure 98 shows the B MAX of IBAD-PrBCO-Pure samples with different film thicknesses. No clear correlation was confirmed between B MAX and film thickness.
[表面粗さ依存性]
図99は、異なるδRのIBAD-PrBCO-Pure試料のAsym.MAXを示す。Seed層を用いないLAO-Pure試料とIBAD-Pure試料についても示している。Seed層を用いないPure試料と同様に、IBAD-PrBCO-Pure試料はAsym.MAXについて膜厚との間に明確な相関関係は確認されなかった。図100は、異なるδRのPrBCO Seed試料のBMAXを示す。BMAXについても膜厚との間に明確な相関関係は確認されなかった。
[Surface roughness dependence]
Figure 99 shows the Asym. Indicates MAX . LAO-Pure and IBAD-Pure samples without a seed layer are also shown. Similar to the Pure sample without a seed layer, the IBAD-PrBCO-Pure sample is Asym. No clear correlation between MAX and film thickness was confirmed. Figure 100 shows the B MAX of PrBCO Seed samples with different δR. No clear correlation was confirmed between B MAX and film thickness.
[PrBCO Seed層導入の効果]
図101は、Pure試料におけるAsym.MAXと格子不整合度の関係を示す。横軸はSmBCOと界面材料との格子不整合をプロットしている。界面材料は、LAO-Pure試料ではLAO、IBAD-Pure試料ではCeO2、IBAD-PrBCO試料ではPrBCOである。LAO、CeO2、PrBCOのSmBCOとの格子不整合は、それぞれの格子定数から1.44%、0.64%、0.26%と計算される。格子不整合度が増加するにつれてAsym.MAXが正方向に増加する傾向が確認された。このことから、格子不整合による格子ひずみがAsym.MAXに大きく寄与していることが示唆された。また、この傾向は、基板界面の格子不整合が増加するにつれて格子ひずみが大きくなり、薄膜底面の表面バリアが減少したためであると考えられる。Seed層材料を検討した場合、PrBCOはSmBCOと非常に格子不整合が小さいため、さらに格子不整合の小さな材料を用いることができたとしても負のAsym.MAXは頭打ちとなる可能性がある。一方、SmBCOと格子不整合の大きい材料をSeed層に導入することによって、正のAsym.MAXが向上されることが期待される。図102は、77.3KにおけるAsym.MAXとBMAXの関係を示す。界面材料によるBMAXの変化は確認されなかった。
[Effects of introducing PrBCO Seed layer]
Figure 101 shows Asym. The relationship between MAX and the degree of lattice mismatch is shown. The horizontal axis plots the lattice mismatch between SmBCO and the interface material. The interfacial materials are LAO for LAO-Pure samples, CeO 2 for IBAD-Pure samples, and PrBCO for IBAD-PrBCO samples. The lattice mismatches of LAO, CeO 2 , and PrBCO with SmBCO are calculated to be 1.44%, 0.64%, and 0.26% from their respective lattice constants. As the lattice mismatch degree increases, Asym. A tendency for MAX to increase in the positive direction was confirmed. From this, it can be seen that the lattice distortion due to lattice mismatch is Asym. It was suggested that it greatly contributed to MAX . Furthermore, this tendency is considered to be due to the fact that as the lattice mismatch at the substrate interface increases, the lattice strain increases and the surface barrier at the bottom of the thin film decreases. When considering the material for the seed layer, since PrBCO has a very small lattice mismatch with SmBCO, even if a material with a smaller lattice mismatch can be used, a negative Asym. MAX may reach a plateau. On the other hand, by introducing a material having a large lattice mismatch with SmBCO into the Seed layer, positive Asym. It is expected that MAX will be improved. FIG. 102 shows Asym. The relationship between MAX and B MAX is shown. No change in B MAX due to the interface material was confirmed.
[小括]
本実施例では、REBCO薄膜のIc非対称性に寄与する薄膜底面構造の解明と、底面構造の制御によるIc非対称性の制御および向上を目的として、PrBCOをSeed層として導入したSmBCO薄膜を作製し、SmBCO底面構造がそのIc非相反性に及ぼす影響の評価を行った。以下に得られた知見を示す。
(19)IBAD-MgO基板上ではPrBCOをSeed層として導入しても、超伝導特性を維持したSmBCO Upper層の作製ができた。
(20)PrBCOをSeed層として導入したSmBCO薄膜は、Seed層を導入しないSmBCO薄膜と同様に、膜厚やδRとの間に明確な相関関係は確認されなかった。
(21)SmBCO薄膜の界面材料の格子不整合の大きさが大きくなるほど、Pure試料のIc非対称性は正に大きくなる傾向が確認された。このことから、薄膜底面の表面バリアの主な低減要因が格子不整合によるひずみであることが示唆された。
[Brief Summary]
In this example, we fabricated an SmBCO thin film in which PrBCO was introduced as a seed layer, with the aim of elucidating the thin film bottom structure that contributes to the I c asymmetry of REBCO thin films, and controlling and improving the I c asymmetry by controlling the bottom structure. We then evaluated the influence of the SmBCO bottom structure on its I c nonreciprocity. The findings obtained are shown below.
(19) Even when PrBCO was introduced as a seed layer on the IBAD-MgO substrate, an SmBCO Upper layer that maintained superconducting properties could be fabricated.
(20) Similar to the SmBCO thin film in which PrBCO was introduced as a seed layer, no clear correlation was confirmed between the film thickness and δR.
(21) It was confirmed that as the magnitude of lattice mismatch of the interface material of the SmBCO thin film increases, the I c asymmetry of the Pure sample tends to increase positively. This suggests that the main factor that reduces the surface barrier at the bottom of the thin film is the strain caused by lattice mismatch.
以上の結果から、SmBCO薄膜の界面材料を変えることにより、Ic非対称性が変化することが示唆された。そして、SmBCOと格子不整合の大きな材料をSeed層として導入することで正のIc非対称性を向上できることが示唆された。また、Seed層の導入と、ナノロッドの導入と組み合わせることでさらなるIc非対称性の向上が期待される。 The above results suggest that I c asymmetry changes by changing the interface material of the SmBCO thin film. It was also suggested that positive I c asymmetry can be improved by introducing a material with a large lattice mismatch with SmBCO as a seed layer. Moreover, further improvement of I c asymmetry is expected by combining the introduction of the seed layer and the introduction of nanorods.
[総括]
以上の結果から、3体積%程度の低添加のBHO添加によるナノロッド導入と薄膜表面の平坦化、およびSmBCOと格子不整合の大きい材料のSeed層導入が正の高い非対称性の実現に有効であることが示唆された。
[Summary]
From the above results, it is effective to introduce nanorods and flatten the thin film surface by adding BHO at a low addition of about 3 volume %, and to introduce a seed layer of a material with a large lattice mismatch with SmBCO to achieve a high positive asymmetry. It has been suggested.
本実施例では、BHOナノロッドの導入、表面粗さ(表面加工)、Seed層の導入の3点からIc非対称性の実現または向上を図った。そして、これらはそれぞれ非対称性の大きさに寄与することがわかった。表面、底面、内部の構造制御の組み合わせにより、さらにIc高い非対称性の実現が期待される。本実施例では表面バリアの非対称性によるIc非対称性実現に取り組んだ。一方、内部の磁束ピンニング構造を非対称にすることによってもIc非対称性を実現できることが期待される。手法の一つとして、図103に示すようなBMOナノロッドを導入した積層構造薄膜が挙げられる。層ごとのBMO添加量を傾斜的に変化させることにより非対称なピンニングポテンシャルの実現が期待される。 In this example, the I c asymmetry was realized or improved from three points: introduction of BHO nanorods, surface roughness (surface processing), and introduction of a seed layer. It was also found that each of these contributes to the magnitude of asymmetry. By combining structural control of the surface, bottom, and interior, it is expected that even higher Ic asymmetry can be achieved. In this example, we attempted to realize I c asymmetry by asymmetry of the surface barrier. On the other hand, it is expected that I c asymmetry can also be achieved by making the internal magnetic flux pinning structure asymmetric. One method is to use a layered structure thin film into which BMO nanorods are introduced, as shown in FIG. 103. It is expected that an asymmetric pinning potential can be realized by changing the amount of BMO added in each layer in a gradient manner.
また、超伝導ダイオードの実現のためには電流容量の大容量化が必要となる。非対称特性を有するREBCO薄膜の膜厚増加や長尺化等によって大容量化できると考えられるが、自己磁場による非対称性への影響なども考えられる。 Furthermore, in order to realize a superconducting diode, it is necessary to increase the current capacity. Although it is possible to increase the capacity by increasing the thickness or length of the REBCO thin film that has asymmetric characteristics, it is also possible that the asymmetry is affected by the self-magnetic field.
本実施例でのナノロッドの導入は薄膜底面から表面まで一様に行った。一方、ナノロッドの長さによって非対称性が変化することが数値シミュレーションによって確認されている。同様の構造はナノロッド非導入層とナノロッド導入層を積層することによって実現可能である。このような積層構造では薄膜の膜厚も重要なパラメーターとなることが予想されるが、薄膜内部構造を適切化することによって非対称性の向上が期待される。 In this example, the nanorods were introduced uniformly from the bottom of the thin film to the surface. On the other hand, numerical simulations have confirmed that the asymmetry changes depending on the length of the nanorod. A similar structure can be realized by laminating a layer in which nanorods are not introduced and a layer in which nanorods are introduced. Although the thickness of the thin film is expected to be an important parameter in such a laminated structure, it is expected that asymmetry can be improved by optimizing the internal structure of the thin film.
超伝導ダイオードは交流印加電流による使用が想定されるため、交流電流に対する非対称特性の評価も重要である。また、実際に超伝導ダイオードを使用する際には電流の駆動振幅に対する特性も重要である。Icの非対称性とともに磁束フロー抵抗の非対称性も整流率に考慮されるため、Icを超えた電流に対する特性の評価が必要である。超伝導機器の定格電流に対してIc非対称性と電流容量を適切に設定する必要がある。 Since superconducting diodes are expected to be used with applied alternating current, it is also important to evaluate their asymmetric characteristics with respect to alternating current. Furthermore, when actually using superconducting diodes, characteristics with respect to current drive amplitude are also important. Since the asymmetry of the magnetic flux flow resistance as well as the asymmetry of Ic is taken into consideration in the rectification ratio, it is necessary to evaluate the characteristics for a current exceeding Ic . It is necessary to appropriately set I c asymmetry and current capacity for the rated current of superconducting equipment.
[超伝導デバイス1:表面粗さの制御]
多くの場合、基板との界面側は、基板を構成する材料と超伝導材料との間の格子不整合によるストレスなどに起因して弱い超伝導状態となりやすく、基板界面から磁束が侵入しやすい。したがって、本発明者らは、超伝導と非超伝導との境界が明確である薄膜の表面をより平坦にすれば、薄膜の表面側と界面側との間のポテンシャルエネルギーの非対称性が大きくなり、臨界電流値の非対称性を大きくすることができると考えた。
[Superconducting device 1: Control of surface roughness]
In many cases, the interface side with the substrate tends to be in a weak superconducting state due to stress due to lattice mismatch between the material constituting the substrate and the superconducting material, and magnetic flux easily enters from the substrate interface. Therefore, the present inventors believe that if the surface of a thin film with a clear boundary between superconductivity and non-superconductivity is made flatter, the asymmetry in potential energy between the surface side and the interface side of the thin film will increase. , we thought that it is possible to increase the asymmetry of the critical current value.
薄膜の表面の平坦性を向上させるためには、基板の種類、基板の表面の粗さ、結晶度、若しくは結晶の配向、薄膜の形成方法、膜厚、又は成膜条件などを調整して、表面が平坦になるように薄膜を形成することも考えられるが、薄膜を形成した後に薄膜の表面を平坦化する方が、より容易かつ効果的に所望の特性を有する超伝導デバイスを製造することができる。一般に、薄膜の表面の粗さは膜厚が厚いほど大きくなるし、大面積の薄膜を表面が平坦になるように成膜するのも困難であるが、成膜後に表面を平坦にすれば、膜厚の厚い超伝導層や大面積の超伝導層を有する、特性の良好な超伝導デバイスを容易に製造することができるので、超伝導デバイスを大電流化することができる。さらに、製造済みの超伝導デバイスや、製品として流通している超伝導デバイスや、使用中の超伝導デバイスなどの薄膜の表面を平坦化することにより、特性の向上を図ることもできる。 In order to improve the surface flatness of a thin film, the type of substrate, surface roughness of the substrate, crystallinity or crystal orientation, thin film formation method, film thickness, film formation conditions, etc. are adjusted. Although it is possible to form a thin film so that the surface is flat, it is easier and more effective to flatten the surface of the thin film after forming the thin film to manufacture a superconducting device with the desired characteristics. I can do it. In general, the surface roughness of a thin film increases as the film thickness increases, and it is difficult to deposit a large area thin film with a flat surface. However, if the surface is made flat after deposition, Since a superconducting device having good characteristics and having a thick superconducting layer or a large area superconducting layer can be easily manufactured, the superconducting device can be made to have a large current. Furthermore, by flattening the surface of the thin film of a manufactured superconducting device, a superconducting device currently in circulation as a product, a superconducting device in use, etc., the characteristics can be improved.
図104は、実施の形態に係る超伝導デバイスの構成を概略的に示す。超伝導デバイス20は、超伝導材料を含む層24(以下、「超伝導層24」ともいう)とは異なる材料を含む基板22上に形成された超伝導層24を備える。超伝導層24の表面における二乗平均平方根粗さは所定値未満である。この超伝導デバイス20は、超伝導層24の表面と平行な方向の成分を有する磁場が印加された状態において、第1の電流方向における第1の臨界電流値Ic
upと第1の電流方向とは異なる第2の電流方向における第2の臨界電流値Ic
downが異なる。
FIG. 104 schematically shows the configuration of a superconducting device according to an embodiment. The
実施の形態の超伝導デバイス20の製造方法は、超伝導層24とは異なる材料を含む基板22上に形成された超伝導層24の表面に対して、表面粗さを低減させるための処理を実行するステップを備える。図105は、実施の形態に係る超伝導デバイス20の製造方法を概略的に示す。超伝導層24の表面粗さを低減させるための処理を実行することにより、超伝導層24の表面における二乗平均平方根粗さを低減させることができ、特性の良好な超伝導デバイス20を容易かつ効率的に製造することができる。
The method for manufacturing the
超伝導材料は、超伝導状態となりうる任意の元素、合金、化合物などであってもよい。例えば、Nbなどの単体元素、NbC、MgB2、H3S、LaH10±xなどの合金又は化合物、La-Ba-Cu-O系、Y-Ba-Cu-O系、Bi-Sr-Ca-Cu-O系、Tl-Sr-Ca-Cu-O系、Hg-Sr-Ca-Cu-O系などの銅酸化物超伝導体、LaOFeP、LaOFeAS、Sm(O1-xFx)FeAs、NdFeAs(O1-xFx)などの鉄系超伝導体、有機超伝導体などであってもよい。超伝導材料は、REBa2Cu3Oy(REBCO:REはYを含む希土類元素)であってもよく、とくに、REとしてSmを使用したSmBa2Cu3Oy(SmBCO)であってもよい。 The superconducting material may be any element, alloy, compound, etc. that can be in a superconducting state. For example, simple elements such as Nb, alloys or compounds such as NbC, MgB 2 , H 3 S, LaH 10±x , La-Ba-Cu-O system, Y-Ba-Cu-O system, Bi-Sr-Ca - Copper oxide superconductors such as Cu-O system, Tl-Sr-Ca-Cu-O system, Hg-Sr-Ca-Cu-O system, LaOFeP, LaOFeAS, Sm(O 1-x F x )FeAs , an iron-based superconductor such as NdFeAs (O 1-x F x ), an organic superconductor, or the like. The superconducting material may be REBa 2 Cu 3 O y (REBCO: RE is a rare earth element containing Y), and in particular may be SmBa 2 Cu 3 O y (SmBCO) using Sm as RE. .
超伝導材料の臨界温度は、好ましくは50K以上であってもよい。バルクピンニングが低下する高温領域において、表面バリアの影響はより重要となると考えられるので、より効果的に超伝導デバイスの特性を向上させることができる。超伝導材料の臨界温度は、より好ましくは77.3K以上であってもよい。これにより、比較的な安価な液体窒素を使用して超伝導デバイスを動作させることができるので、運用コストや消費エネルギーを低減させることができる。超伝導材料の臨界温度は、55K以上、60K以上、65K以上、70K以上、75K以上、80K以上、85K以上、90K以上、95K以上、100K以上であってもよい。 The critical temperature of the superconducting material may preferably be 50K or higher. In the high temperature region where bulk pinning decreases, the effect of the surface barrier is considered to be more important, so the characteristics of superconducting devices can be improved more effectively. The critical temperature of the superconducting material may be more preferably 77.3K or higher. As a result, the superconducting device can be operated using relatively inexpensive liquid nitrogen, so operating costs and energy consumption can be reduced. The critical temperature of the superconducting material may be 55K or higher, 60K or higher, 65K or higher, 70K or higher, 75K or higher, 80K or higher, 85K or higher, 90K or higher, 95K or higher, or 100K or higher.
基板22は、単結晶基板であってもよいし、配向性中間層を有する金属基板であってもよく、超伝導層24を形成することが可能な任意の基板であってもよい。配向性中間層は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、LaAlO3(LAO)、MgO、Gd2Zr2O7(GZO)、CeO2などで形成されてもよい。
超伝導層24を形成する方法は、物理気相蒸着法(PVD:Physical Vapor Deposition)、化学気相蒸着法(CVD:Chemical Vapor Deposition)などの気相法(VPE:Vapor Phase Epitaxy)であってもよいし、化学溶液法(CSD:Chemical Solution Deposition)であってもよいし、その他の任意の方法であってもよい。PVD法として、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD:Pulsed Laser Deposition)、分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)などを用いてもよい。
The method for forming the
超伝導層24を形成したときの表面の平坦性を向上させるために、基板22上に超伝導材料をエピタキシャル成長させることが可能な基板22及び結晶成長方法が選択されることが好ましいが、表面粗さを低減させるための処理により表面を十分に平坦化させることが可能である場合は、任意の基板22及び成膜方法が選択されてもよい。超伝導材料は、薄膜以外の形態に成形されてもよい。超伝導デバイス20は、基板22と超伝導層24以外の層を有してもよい。
In order to improve the surface flatness when forming the
表面粗さを低減させるための処理は、液体の薬品を使用しないドライエッチング、液体の薬品を使用したウェットエッチング、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などの研磨処理、イオンミリングなど、化学的又は物理的に表面粗さを低減させることが可能な任意の処理であってもよい。とくに、ドライエッチングの一例である反応性イオンエッチングが好適である。超伝導デバイスの超伝導特性を劣化させないようにするために、処理中に超伝導層にクラックなどを生じさせないような方法及び条件で処理が実行されることが望ましい。 Treatments for reducing surface roughness include dry etching that does not use liquid chemicals, wet etching that uses liquid chemicals, polishing treatments such as chemical mechanical polishing (CMP), and chemical methods such as ion milling. Alternatively, any treatment that can physically reduce surface roughness may be used. In particular, reactive ion etching, which is an example of dry etching, is suitable. In order to avoid deteriorating the superconducting properties of the superconducting device, it is desirable that the process be performed in a manner and under conditions that do not cause cracks or the like in the superconducting layer during the process.
上述したように、超伝導デバイス20の臨界電流値の非対称性は、界面側と表面側におけるポテンシャルエネルギーの非対称性に起因すると考えられるので、表面粗さを低減させるための処理は、超伝導層24が形成された基板22と超伝導層24との界面における表面バリアに比べて超伝導層24の表面における表面バリアが大きくなるように、二乗平均平方根粗さが所定値未満となる時間又は強度で実行されることが望ましい。また、界面の表面バリアと表面の表面バリアとの差が大きくなるような時間又は強度で処理が実行されることが望ましい。例えば、界面の表面バリアは、一般に、基板材料と超伝導層材料の結晶構造に違いに起因する格子ストレスにより小さくなるため、超伝導層24の表面の表面バリアが大きくなるように、超伝導層24の表面の二乗平均平方根粗さが小さくなるような時間又は強度で処理を実行することが望ましい。これにより、特性の良好な超伝導デバイス20を製造することができる。
As mentioned above, the asymmetry in the critical current value of the
表面粗さを低減させるための処理は、基板22の種類、基板22の表面における結晶の配向若しくは結晶度、超伝導層24の形成方法、超伝導層24における超伝導材料の配向若しくは結晶度、基板22と超伝導層24との格子不整合度、又は超伝導層24の内部に導入された微細構造の種類、数、体積、若しくは密度に更に応じた時間又は強度で実行されてもよい。基板22の種類、基板22の表面における結晶の配向若しくは結晶度、基板22と超伝導層24との格子不整合度は、界面側の表面バリアに影響を及ぼす因子となりうる。超伝導層24の形成方法、超伝導層24における超伝導材料の配向若しくは結晶度、超伝導層24の内部に導入された微細構造の種類、数、体積、若しくは密度は、表面側の二乗平均平方根粗さ、つまりは表面バリアに影響を及ぼす因子となりうる。また、超伝導層24の内部に導入された微細構造の種類、数、体積、若しくは密度は、バルクピンニングなどにより超伝導特性に影響を及ぼす因子となりうる。これらの因子を更に考慮して、表面粗さを低減させるための処理の種類、時間、強度などを決定してもよい。これにより、特性の良好な超伝導デバイス20を製造することができる。
The treatment for reducing surface roughness depends on the type of the
表面粗さを低減させるための処理は、超伝導層24の表面における二乗平均平方根粗さが所定値未満となるように実行されてもよい。上述したように、多くの場合、表面が平坦であるほど界面との表面バリア(ポテンシャルエネルギー)の非対称性が大きくなるので、表面の表面粗さをより低減させることにより、特性の良好な超伝導デバイス20を製造することができる。処理後の超伝導層24の表面における二乗平均平方根粗さδRは、例えば、90nm未満、80nm未満、70nm未満、60nm未満、55nm未満、50nm未満、45nm未満、40nm未満、35nm未満、30nm未満、25nm未満、20nm未満、15nm未満、10nm未満、5nm未満であってもよい。
The treatment for reducing surface roughness may be performed such that the root mean square roughness on the surface of
実施の形態に係る超伝導デバイス20は、基板22上に形成された超伝導層24を備え、基板22と超伝導層24との界面における表面バリア(またはポテンシャルエネルギー)と超伝導層24の表面における表面バリア(またはポテンシャルエネルギー)とが異なる。この超伝導デバイス20は、臨界電流値の非対称性が大きい特性を有する。これにより、例えば、整流素子として使用する場合の整流率を向上させることができる。
The
この超伝導デバイス20において、超伝導層の表面における二乗平均平方根粗さが所定値未満であることが望ましい。これにより、特性の良好な超伝導デバイスを製造することができる。超伝導層24の表面における二乗平均平方根粗さδRは、例えば、上述した値の範囲であってもよい。
In this
この超伝導デバイス20は、超伝導層24の表面と平行な方向の成分を有する磁場が印加された状態において、第1の電流方向における第1の臨界電流値と第1の電流方向とは異なる第2の電流方向における第2の臨界電流値が異なることが望ましい。これにより、この超伝導デバイス20を整流素子として利用する場合の整流率を向上させることができる。
In this
第1の臨界電流値と第2の臨界電流値の差と、第1の臨界電流値と第2の臨界電流値の平均との比で表される臨界電流値の非対称性は、22%以上であってもよい。臨界電流値の非対称性は、より好ましくは、23%以上、24%以上、25%以上、30%以上、35%以上、40%以上、45%以上、50%以上、55%以上、60%以上、65%以上、70%以上、75%以上、80%以上であってもよい。これにより、この超伝導デバイス20を整流素子として利用する場合の整流率を更に向上させることができる。
The asymmetry of the critical current value expressed as the ratio between the difference between the first critical current value and the second critical current value and the average of the first critical current value and the second critical current value is 22% or more. It may be. The asymmetry of the critical current value is more preferably 23% or more, 24% or more, 25% or more, 30% or more, 35% or more, 40% or more, 45% or more, 50% or more, 55% or more, 60%. Above, it may be 65% or more, 70% or more, 75% or more, or 80% or more. Thereby, the rectification efficiency can be further improved when this
超伝導デバイス20に印加する磁場の方向は、超伝導層24の表面に対して水平な方向の成分を有していればよく、要は、超伝導層24の表面に対して垂直でなければよい。磁場の方向と、超伝導層24の表面に鉛直な方向との間のなす角θは、0°<θ≦90°であってもよい。θは、より好ましくは、90°、89.5°以上、89°以上、88°以上、87°以上、86°以上、85°以上、80°以上、75°以上、70°以上、65°以上、60°以上、55°以上、50°以上、45°以上であってもよい。
The direction of the magnetic field applied to the
超伝導デバイス20に印加する磁場の大きさは、2T未満、1T未満、0.9T未満、0.8T未満、0.7T未満、0.6T未満、0.5T未満、0.4T未満、0.3T未満、0.2T未満、0.1T未満、0.05T未満であってもよい。後述する実施例において示されるように、実施の形態に係る超伝導デバイス20は、0.2T未満程度の磁場の印加により臨界電流値の非対称性が最大となるので、ネオジム磁石などの比較的安価な永久磁石を用いて動作させることができる。これにより、超伝導デバイス20の製造や運用のコストを低減させることができる。
The magnitude of the magnetic field applied to the
[実施例:表面粗さの制御]
上記の超伝導デバイスに関する本発明者らの研究の内容について、以下に詳述する。
[Example: Control of surface roughness]
The details of the research conducted by the present inventors regarding the above-mentioned superconducting device will be described in detail below.
本実施例では、超伝導材料としてREBa2Cu3Oy(REBCO:REはYを含む希土類元素)を使用した。REBCO高温超伝導体は、安価な液体窒素温度で使用可能であり、超伝導特性が高く、実用化が期待されている材料である。REBCO薄膜表面にエッチングを施すことにより薄膜表面の平坦化を図ることで、Ic非対称性が向上したREBCO薄膜を得た。具体的には、エッチング方法としてドライエッチング法の一つである反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)を選択し、LaAlO3(LAO)基板上に作製したSmBa2Cu3Oy(SmBCO)薄膜にRIEを施すことにより、Ic非対称性が向上した薄膜を得た。 In this example, REBa 2 Cu 3 O y (REBCO: RE is a rare earth element containing Y) was used as a superconducting material. REBCO high-temperature superconductor is a material that can be used at inexpensive liquid nitrogen temperatures, has high superconductivity, and is expected to be put into practical use. A REBCO thin film with improved I c asymmetry was obtained by flattening the surface of the REBCO thin film by etching it. Specifically, reactive ion etching (RIE), which is one of the dry etching methods, was selected as the etching method, and SmBa 2 Cu 3 O y (SmBCO) fabricated on a LaAlO 3 (LAO) substrate was used. By subjecting the thin film to RIE, a thin film with improved I c asymmetry was obtained.
[SmBCO薄膜の作製]
本実施例では、パルスレーザー蒸着(PLD)法を用いてSmBCO薄膜をLAO基板上に作製した。レーザーにはNd:YAGレーザーを用いた。
[Preparation of SmBCO thin film]
In this example, a SmBCO thin film was fabricated on an LAO substrate using a pulsed laser deposition (PLD) method. A Nd:YAG laser was used as the laser.
[RIEによる表面加工]
本実施例では、SmBCO薄膜の表面粗さを低減して平坦化する方法として、RIEによる表面加工を施した。RIEはプラズマを利用したガスによる加工方法であるドライエッチングに分類される。RIEはイオンによる物理的スパッタリングと反応性ガスによる化学反応による高精度な異方性エッチングプロセスであり、半導体デバイスの作製に多く用いられている。図106は、本実施例で用いた平行平板型RIEの模式図を示す。RIEの物理エッチング原理は以下の通りである。真空容器3内に2枚の平行平板電極4、10を設置し、一方に試料9を置く。電極の試料側(カソード電極10)は高周波電源12に接続され、他方(アノード電極4)はグランド電位5となっている。真空容器3内の気体を排気口2から排気して真空引きした後、流入口1から真空容器3内にエッチングガス(本実施例では、CF4とO2の混合ガス)を導入する。平行平板電極間に高周波電圧をかけることで、チャンバー内のエッチングガスは電子衝突によりイオンやラジカルに解離し、イオン8と電子6はプラズマ状態7を形成する。電子6の移動度はイオン8の移動度よりもはるかに大きいため、プラズマ電位は正となる。また、カソード電極10が正の場合は、電子6が電極に向かって加速され負の電荷が蓄積される。カソード電極10が負の場合は正イオン8が電極に向かって加速されるが移動度が小さいため蓄積量は極めて少ない。さらに、ブロッキングコンデンサ11がカソード電極10と高周波電源12を絶縁しているため、電極に蓄積された電子6は放電せず、カソード電極10は負の電位になる。そのためプラズマとカソード電極の間にイオンシースができ電位差が生じる。これはシース電位と呼ばれる。イオンシースは試料9に垂直にできるため、シース電位により加速されたイオン8は垂直に試料9を衝撃して異方性エッチングを起こす。
[Surface processing by RIE]
In this example, as a method of reducing the surface roughness of the SmBCO thin film and flattening it, surface processing was performed by RIE. RIE is classified as dry etching, which is a processing method using gas using plasma. RIE is a highly accurate anisotropic etching process using physical sputtering using ions and chemical reaction using reactive gas, and is often used in the production of semiconductor devices. FIG. 106 shows a schematic diagram of the parallel plate type RIE used in this example. The physical etching principle of RIE is as follows. Two
[表面構造観察]
図107は、RIEによる試料表面のAFM像の変化を示す。様々な時間及び強度で試料の表面にRIEを実施し、実施前後のAFM像を観察した。薄膜の表面構造観察には、走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡(AFM:Atomic force microscope)のDynamic force mode(DFM)を用いた。本実施例のAFMは、SII nano technology社製のSPI3800を用いた。探針はカンチレバーの先端に取り付けられており、AFMでは探針と試料表面を微小な力で常に接触させて、力が一定となるように、すなわちカンチレバーのたわみ量が一定となるように探針と試料の間の距離を制御しながら、圧電素子により水平に操作することで表面情報を得る。たわみ量の検出は光てこ法が用いられる。カンチレバーの背面に照射された半導体レーザーの反射光は光検出器内の4分割フォトダイオードに導かれる。カンチレバーのたわみによってレーザーの反射角度が変化するため、4分割フォトダイオードに当たるレーザーの中心位置がずれフォトダイオードの電圧差が変化する。これを検出することでカンチレバーの変位が測定される。DFMはAFMの測定モードの一つであり、圧電素子によりカンチレバーを共振周波数程度で振動させた状態で探針を試料表面に近づけ、振動振幅が一定になるようにカンチレバーの背面にレーザー光を当て、原子間力による振幅の変化を光検出器で検出することによって、表面情報を得ることができる。DFMは接触型のAFMでは測定が困難なやわらかい試料や吸着力のある試料の測定に適している。本実施例では、一辺10μmの正方形領域の表面情報による自乗平均粗さの解析結果を用いて表面粗さδRの評価を行った。いずれの条件においても、RIEにより試料平面の平坦性が向上している。
[Surface structure observation]
FIG. 107 shows changes in the AFM image of the sample surface due to RIE. RIE was performed on the surface of the sample at various times and intensities, and AFM images before and after the RIE were observed. Dynamic force mode (DFM) of an atomic force microscope (AFM), which is a type of scanning probe microscope, was used to observe the surface structure of the thin film. The AFM used in this example was SPI3800 manufactured by SII nano technology. The probe is attached to the tip of the cantilever, and in AFM, the probe is constantly brought into contact with the sample surface with a small force, and the probe is attached so that the force is constant, that is, the amount of deflection of the cantilever is constant. Surface information is obtained by horizontally operating the piezoelectric element while controlling the distance between the surface and the sample. An optical lever method is used to detect the amount of deflection. The reflected light from the semiconductor laser irradiated on the back surface of the cantilever is guided to a four-part photodiode in the photodetector. Since the reflection angle of the laser changes due to the deflection of the cantilever, the center position of the laser hitting the four-split photodiode shifts and the voltage difference between the photodiodes changes. By detecting this, the displacement of the cantilever is measured. DFM is one of the measurement modes of AFM, in which a piezoelectric element vibrates a cantilever at about the resonant frequency, a probe is brought close to the sample surface, and a laser beam is applied to the back of the cantilever so that the vibration amplitude is constant. , surface information can be obtained by detecting changes in amplitude due to atomic forces with a photodetector. DFM is suitable for measuring soft samples or samples with adsorption force that are difficult to measure with contact-type AFM. In this example, the surface roughness δR was evaluated using the analysis results of the root mean square roughness based on the surface information of a square area of 10 μm on a side. Under any conditions, the flatness of the sample plane was improved by RIE.
[RIEによる表面粗さの変化]
図108は、エッチング前後における表面の二乗平均平方根粗さδRの変化(ΔRMS)を示す。様々な時間及び強度でRIEを施した3つの試料について、RIEの前後に観察したAFM像の解析結果からδRの変化を評価した。いずれの試料においても、RIEにより表面の二乗平均平方根粗さが減少し、表面の平坦性が向上したことが示された。
[Change in surface roughness due to RIE]
FIG. 108 shows the change (ΔRMS) in the root mean square roughness δR of the surface before and after etching. For three samples subjected to RIE at various times and intensities, changes in δR were evaluated from analysis results of AFM images observed before and after RIE. In all samples, it was shown that RIE reduced the root mean square roughness of the surface and improved the surface flatness.
[RIEによる臨界電流値の変化]
図109は、エッチング前後における薄膜の電流電圧特性の変化を示す。RIEを実施する前(□)と、RIEを実施した後(○)を比較すると、Ic
downはほぼ同程度で若干RIE後の方が絶対値が小さくなっており、Ic
upは明らかにRIE後の方が大きくなった。したがって、RIEにより臨界電流値の非対称性が向上したことが示された。参考として、RIEを実施した後の試料に、表面に垂直な方向の磁場を印加したときの電流電圧特性(●)を示す。表面に垂直な磁場を印加した場合は、RIEを実施した後も正負の臨界電流値はほぼ等しい。
[Change in critical current value due to RIE]
FIG. 109 shows changes in current-voltage characteristics of the thin film before and after etching. Comparing before RIE (□) and after RIE (○), I c down is almost the same, but the absolute value is slightly smaller after RIE, and I c up is clearly It was bigger after RIE. Therefore, it was shown that the asymmetry of the critical current value was improved by RIE. For reference, current-voltage characteristics (●) are shown when a magnetic field in a direction perpendicular to the surface is applied to the sample after RIE. When a magnetic field perpendicular to the surface is applied, the positive and negative critical current values are approximately equal even after RIE is performed.
[臨界電流値の非対称性の磁場依存性]
図110は、臨界電流値の非対称性の磁場依存性を示す。RIEを実施する前の試料では、0.1T付近で臨界電流値の非対称性が最大となったが、RIEを実施した後の試料では、0.05T付近で臨界電流値の非対称性が最大となった。RIEを実施することにより、臨界電流値の非対称性が増大するとともに、臨界電流値の非対称性が最大となる磁場の強さが減少している。本開示における「臨界電流値の非対称性」の値は、臨界電流値の非対称性の磁場依存性におけるピークの値であってもよい。
[Magnetic field dependence of asymmetry of critical current value]
FIG. 110 shows the magnetic field dependence of the asymmetry of the critical current value. In the sample before RIE, the asymmetry of the critical current value reached its maximum around 0.1T, but in the sample after RIE, the asymmetry of the critical current value reached its maximum around 0.05T. became. By performing RIE, the asymmetry of the critical current value increases and the strength of the magnetic field at which the asymmetry of the critical current value becomes maximum decreases. The value of "asymmetry of critical current value" in the present disclosure may be the peak value of the magnetic field dependence of the asymmetry of critical current value.
[臨界電流値の非対称性のエッチング時間依存性]
図111は、臨界電流値の非対称性の最大値のエッチング時間依存性を示す。試料の表面にRIEを60分実施することにより、臨界電流値の非対称性が約50%まで向上した。RIEを120分実施した場合は、臨界電流値の非対称性が低下しているが、これは、試料の臨界温度Tcが測定温度付近まで低下していたためであると考えられる。
[Etching time dependence of asymmetry of critical current value]
FIG. 111 shows the etching time dependence of the maximum value of the asymmetry of the critical current value. By performing RIE on the surface of the sample for 60 minutes, the asymmetry of the critical current value was improved to about 50%. When RIE was performed for 120 minutes, the asymmetry of the critical current value decreased, but this is considered to be because the critical temperature T c of the sample had decreased to near the measurement temperature.
以上の結果から、RIE加工を施したSmBCO薄膜において、表面平坦性の向上(または表面粗さの低減)に伴う非対称表面バリアの形成により、Ic非対称性の向上が確認された。 From the above results, it was confirmed that in the SmBCO thin film subjected to RIE processing, the I c asymmetry was improved due to the formation of an asymmetric surface barrier accompanying the improvement in surface flatness (or reduction in surface roughness).
このように、本実施の形態の技術によれば、超伝導デバイスの超伝導層の表面粗さ(表面加工)を低減させることにより、Ic非対称性を発現及び向上させることができる。また、非対称性を有する超伝導層の膜厚増加や長尺化等によって、超伝導ダイオードの実現のために重要となる電流容量の大容量化を実現することができる。 As described above, according to the technique of the present embodiment, I c asymmetry can be expressed and improved by reducing the surface roughness (surface processing) of the superconducting layer of a superconducting device. Further, by increasing the thickness and length of the asymmetric superconducting layer, it is possible to increase the current capacity, which is important for realizing a superconducting diode.
[超伝導デバイス2:ナノロッドの導入]
上記の実施例2において、REBCO薄膜を気相成長させる際にBaMO3(BMO:M=金属)を導入することにより、REBCO薄膜内部の欠陥によるバルクピンニングを緩和し、Ic非対称性を向上させることができることが示された。
[Superconducting device 2: Introduction of nanorods]
In the above Example 2, by introducing BaMO 3 (BMO: M=metal) during vapor phase growth of the REBCO thin film, bulk pinning due to defects inside the REBCO thin film is alleviated and I c asymmetry is improved. It has been shown that it is possible.
したがって、実施の形態に係る超伝導デバイスは、超伝導材料を含む層(以下、「超伝導層」ともいう)とは異なる材料を含む基板上に形成された超伝導層を備え、超伝導層は超伝導材料とは異なる材料により形成された微細構造を含む。微細構造を形成する材料は、BaMO3(BMO:M=金属)であってもよい。Mは、例えば、Zr,Sn,Hfなどであってもよい。BMOは、超伝導層をエピタキシャル成長させる際に導入されてもよい。BMOは、超伝導層のc軸に対して平行なナノロッドを形成してもよい。超伝導層内のナノロッドの直径は、コヒーレンス長ξabの2倍と同程度であってもよい。微細構造を形成する材料の超伝導層への導入量は、体積比で2~4%であってもよく、より好ましくは、2.1%以上、2.2%以上、2.3%以上、2.4%以上、2.5%以上、2.6%以上、2.8%以上、2.9%以上、3.0%以上で、3.9%未満、3.8%未満、3.7%未満、3.6%未満、3.5%未満、3.4%未満、3.3%未満、3.2%未満、3.1%未満であってもよい。微細構造を形成する材料の超伝導層への導入量は、物質量比で3~12%であってもよく、より好ましくは、3%以上、4%以上、5%以上、6%以上、7%以上、8%以上、9%以上、10%以上、11%以上で、12%未満、11%未満、10%未満、9%未満、8%未満、7%未満、6%未満、5%未満、4%未満であってもよい。超伝導層は、図103に示したように、複数の層を含む積層構造を有してもよく、微細構造を形成する材料の含有量が層ごとに異なってもよい。微細構造を形成する材料の含有量は、複数の層において傾斜的に変化されてもよい。微細構造を形成する材料の含有量は、基板との界面に近い層よりも表面に近い層の方が多くてもよい。 Therefore, the superconducting device according to the embodiment includes a superconducting layer formed on a substrate containing a material different from a layer containing a superconducting material (hereinafter also referred to as "superconducting layer"), includes microstructures formed of materials different from superconducting materials. The material forming the microstructure may be BaMO 3 (BMO: M=metal). M may be, for example, Zr, Sn, Hf, etc. BMO may be introduced during epitaxial growth of the superconducting layer. The BMO may form nanorods parallel to the c-axis of the superconducting layer. The diameter of the nanorods within the superconducting layer may be as large as twice the coherence length ξ ab . The amount of the material forming the microstructure introduced into the superconducting layer may be 2 to 4% by volume, more preferably 2.1% or more, 2.2% or more, 2.3% or more. , 2.4% or more, 2.5% or more, 2.6% or more, 2.8% or more, 2.9% or more, 3.0% or more, but less than 3.9%, less than 3.8%, It may be less than 3.7%, less than 3.6%, less than 3.5%, less than 3.4%, less than 3.3%, less than 3.2%, and less than 3.1%. The amount of the material forming the microstructure introduced into the superconducting layer may be 3 to 12% in substance amount ratio, more preferably 3% or more, 4% or more, 5% or more, 6% or more, 7% or more, 8% or more, 9% or more, 10% or more, 11% or more but less than 12%, less than 11%, less than 10%, less than 9%, less than 8%, less than 7%, less than 6%, 5 % or less than 4%. As shown in FIG. 103, the superconducting layer may have a laminated structure including a plurality of layers, and the content of the material forming the microstructure may differ from layer to layer. The content of the material forming the microstructure may be varied in a gradient manner in the plurality of layers. The content of the material forming the microstructure may be greater in the layer near the surface than in the layer near the interface with the substrate.
実施の形態の超伝導デバイスの製造方法は、超伝導層とは異なる材料を含む基板上に超伝導材料を含む超伝導層を形成するステップを備え、超伝導層を形成するステップにおいて、超伝導層に超伝導材料とは異なる材料により形成された微細構造を導入する。超伝導層はエピタキシャル成長により形成されてもよく、微細構造を形成する材料は超伝導層のエピタキシャル成長の際に超伝導材料に添加されてもよい。微細構造を形成する材料の超伝導層への導入量は、体積比で2~4%であってもよく、より好ましくは、2.1%以上、2.2%以上、2.3%以上、2.4%以上、2.5%以上、2.6%以上、2.8%以上、2.9%以上、3.0%以上で、3.9%未満、3.8%未満、3.7%未満、3.6%未満、3.5%未満、3.4%未満、3.3%未満、3.2%未満、3.1%未満であってもよい。微細構造を形成する材料の超伝導層への導入量は、物質量比で3~12%であってもよく、より好ましくは、3%以上、4%以上、5%以上、6%以上、7%以上、8%以上、9%以上、10%以上、11%以上で、12%未満、11%未満、10%未満、9%未満、8%未満、7%未満、6%未満、5%未満、4%未満であってもよい。超伝導層を形成するステップは、複数の層を含む積層構造を形成するステップを含んでもよく、微細構造を形成する材料の含有量が層ごとに異なってもよい。微細構造を形成する材料の含有量は、複数の層において傾斜的に変化されてもよい。微細構造を形成する材料の含有量は、基板との界面に近い層よりも表面に近い層の方が多くてもよい。 A method for manufacturing a superconducting device according to an embodiment includes a step of forming a superconducting layer containing a superconducting material on a substrate containing a material different from the superconducting layer, and in the step of forming the superconducting layer, superconducting A microstructure made of a material different from the superconducting material is introduced into the layer. The superconducting layer may be formed by epitaxial growth, and the material forming the microstructure may be added to the superconducting material during epitaxial growth of the superconducting layer. The amount of the material forming the microstructure introduced into the superconducting layer may be 2 to 4% by volume, more preferably 2.1% or more, 2.2% or more, 2.3% or more. , 2.4% or more, 2.5% or more, 2.6% or more, 2.8% or more, 2.9% or more, 3.0% or more, but less than 3.9%, less than 3.8%, It may be less than 3.7%, less than 3.6%, less than 3.5%, less than 3.4%, less than 3.3%, less than 3.2%, and less than 3.1%. The amount of the material forming the microstructure introduced into the superconducting layer may be 3 to 12% in substance amount ratio, more preferably 3% or more, 4% or more, 5% or more, 6% or more, 7% or more, 8% or more, 9% or more, 10% or more, 11% or more but less than 12%, less than 11%, less than 10%, less than 9%, less than 8%, less than 7%, less than 6%, 5 % or less than 4%. The step of forming the superconducting layer may include the step of forming a laminated structure including a plurality of layers, and the content of the material forming the microstructure may differ from layer to layer. The content of the material forming the microstructure may be varied in a gradient manner in the plurality of layers. The content of the material forming the microstructure may be greater in the layer near the surface than in the layer near the interface with the substrate.
その他の特徴は、上記の超伝導デバイス1又は超伝導デバイス1の製造方法と同様であってもよい。 Other features may be the same as those of the superconducting device 1 or the method of manufacturing the superconducting device 1 described above.
[超伝導デバイス3:Seed層の導入]
高温超伝導薄膜における臨界電流の非対称性を生じるには、超伝導薄膜への磁束量子の侵入しにくさ(表面バリア)を非対称にする必要がある。基板と薄膜の間の結晶格子の不整合性、および薄膜表面の荒さが磁束量子の侵入を促し、表面バリアを小さくすることが上記の実施例により示された。上記の実施例4では、さらに、基板と薄膜の間の結晶格子の不整合性を小さくすることで基板界面での表面バリアを強くし、薄膜表面から磁束量子がより侵入しやすい状態を実現する方法を開発した。具体的には、超伝導ではないが高温超伝導と格子定数の近いPrBa2Cu3Oyを基板上に作製し、その上に超伝導層のSMBCO薄膜を作製することで、薄膜表面から磁束が侵入しやすい状態を実現した。これは、従来の基板側からの侵入を前提とする非対称性とは異なる方向のため、図101などでは負の非対称性と表されている。
[Superconducting device 3: Introduction of Seed layer]
In order to generate asymmetry in the critical current in a high-temperature superconducting thin film, it is necessary to make it difficult for magnetic flux quanta to penetrate into the superconducting thin film (surface barrier) to be asymmetrical. The above examples demonstrate that the crystal lattice mismatch between the substrate and the thin film and the roughness of the thin film surface promote the penetration of magnetic flux quanta and reduce the surface barrier. In Example 4 above, the surface barrier at the substrate interface is further strengthened by reducing the crystal lattice mismatch between the substrate and the thin film, thereby realizing a state in which magnetic flux quanta more easily penetrate from the thin film surface. developed a method. Specifically, by fabricating PrBa 2 Cu 3 O y , which is not superconducting but has a lattice constant close to that of high-temperature superconductivity, on a substrate, and fabricating an SMBCO thin film as a superconducting layer on top of it, magnetic flux can be removed from the surface of the thin film. This created a situation where it was easy for the attackers to invade. This direction is different from the conventional asymmetry that assumes invasion from the substrate side, so it is expressed as negative asymmetry in FIG. 101 and the like.
この手法においては、基板と薄膜の界面の表面バリアが大きいために、薄膜の表面側はより凹凸を強調することにより非対称性の増強が期待される。すなわち、図101において、超伝導層の表面をRIEなどにより平坦化してδRを小さくすると臨界電流値の非対称性は正方向に変化するが、超伝導層の表面のδRを大きくすると臨界電流値の非対称性は負方向に変化すると考えられる。したがって、超伝導層を形成するSmBCOとの格子不整合度が比較的大きいLAO基板を使用した場合は、超伝導層の表面のδRを小さくすることにより臨界電流値の非対称性が向上し、SmBCOとの格子不整合度が比較的小さいPrBCO層を基板上に作製した場合は、超伝導層の表面のδRを大きくすることにより臨界電流値の非対称性が向上すると考えられる。δRを大きくする方法として、例えば、異方的エッチングであるドライエッチングや、ウェットエッチング、ナノ構造を転写するナノインプリント、表面付近に元素をドープするイオンインプランターなどの手法が有効であると予想される。 In this method, since the surface barrier at the interface between the substrate and the thin film is large, it is expected that the asymmetry will be enhanced by emphasizing the unevenness on the surface side of the thin film. That is, in FIG. 101, if the surface of the superconducting layer is flattened by RIE or the like and δR is decreased, the asymmetry of the critical current value changes in the positive direction, but if δR of the surface of the superconducting layer is increased, the critical current value changes. It is thought that the asymmetry changes in the negative direction. Therefore, when using an LAO substrate with a relatively large degree of lattice mismatch with SmBCO forming the superconducting layer, the asymmetry of the critical current value is improved by reducing δR on the surface of the superconducting layer, and the SmBCO When a PrBCO layer having a relatively small lattice mismatch with the superconducting layer is fabricated on a substrate, it is considered that the asymmetry of the critical current value is improved by increasing δR on the surface of the superconducting layer. As methods for increasing δR, it is expected that methods such as anisotropic etching such as dry etching, wet etching, nanoimprinting to transfer nanostructures, and ion implanter doping elements near the surface are expected to be effective. .
今後、超伝導ダイオードの量産において、配向層付きの金属基板の使用が必須である。これは、高温超伝導テープ線材の作製に用いられているため、生産性に優れているためである。配向層付きの金属基板では、格子不整合性が0.64%であるCeO2が最上に位置する。そのため、この配向層付き金属基板を超伝導ダイオードに転用するには、PrBa2Cu3Oyなどの高温超伝導体と格子不整合性が小さい材料を中間に挟むことによって、負の非対称性(薄膜表面から磁束が侵入しやすい)をもつ構造を実現することが望ましい。 In the future, the use of metal substrates with alignment layers will be essential in the mass production of superconducting diodes. This is because it is used for producing high-temperature superconducting tape wires and has excellent productivity. In the metal substrate with alignment layer, CeO2 with a lattice mismatch of 0.64% is located on top. Therefore, in order to convert this metal substrate with an alignment layer into a superconducting diode, it is necessary to sandwich a material with low lattice mismatch between the high temperature superconductor such as PrBa 2 Cu 3 O y to create a negative asymmetry ( It is desirable to realize a structure in which magnetic flux easily penetrates from the thin film surface.
したがって、実施の形態に係る超伝導デバイスは、超伝導材料を含む層(以下、「超伝導層」ともいう)とは異なる材料を含む基板上に形成された超伝導層を備え、基板の超伝導層との界面を構成する材料と超伝導層の基板との界面を構成する超伝導材料との格子不整合度は第1の所定値未満であり、超伝導層の表面における二乗平均平方根粗さは第2の所定値以上である。第1の所定値は、例えば、1.0%未満、0.9%未満、0.8%未満、0.7%未満、0.6%未満、0.5%未満、0.4%未満、0.3%未満、0.2%未満であってもよい。第2の所定値は、例えば、10nm以上、20nm以上、30nm以上、40nm以上、50nm以上、60nm以上、70nm以上、80nm以上、90nm以上、100nm以上、150nm以上、200nm以上、250nm以上、300nm以上、400nm以上、450nm以上、500nm以上、600nm以上、700nm以上、800nm以上、900nm以上であってもよい。基板は、超伝導材料との格子不整合度が第1の所定値未満である材料により構成された中間層を、超伝導層と接する最上層に備えてもよい。超伝導材料は希土類系銅酸化物超伝導体など任意の超伝導材料であってもよく、基板又は中間層を構成する材料は超伝導材料との格子不整合度が第1の所定値未満である任意の材料であってもよい。 Therefore, the superconducting device according to the embodiment includes a superconducting layer formed on a substrate containing a material different from a layer containing a superconducting material (hereinafter also referred to as "superconducting layer"), and The degree of lattice mismatch between the material constituting the interface with the conductive layer and the superconducting material constituting the interface with the substrate of the superconducting layer is less than the first predetermined value, and the root mean square roughness on the surface of the superconducting layer is less than the first predetermined value. is greater than or equal to the second predetermined value. The first predetermined value is, for example, less than 1.0%, less than 0.9%, less than 0.8%, less than 0.7%, less than 0.6%, less than 0.5%, less than 0.4%. , less than 0.3%, or less than 0.2%. The second predetermined value is, for example, 10 nm or more, 20 nm or more, 30 nm or more, 40 nm or more, 50 nm or more, 60 nm or more, 70 nm or more, 80 nm or more, 90 nm or more, 100 nm or more, 150 nm or more, 200 nm or more, 250 nm or more, 300 nm or more. , 400 nm or more, 450 nm or more, 500 nm or more, 600 nm or more, 700 nm or more, 800 nm or more, or 900 nm or more. The substrate may include, as an uppermost layer in contact with the superconducting layer, an intermediate layer made of a material having a lattice mismatch with the superconducting material that is less than a first predetermined value. The superconducting material may be any superconducting material such as a rare earth copper oxide superconductor, and the material constituting the substrate or the intermediate layer has a degree of lattice mismatch with the superconducting material that is less than the first predetermined value. It may be any material.
実施の形態の超伝導デバイスの製造方法は、超伝導材料を含む層とは異なる材料を含む基板上に形成された超伝導材料を含む層の表面に対して、表面粗さを増大させるための処理を実行するステップを備える。処理は、異方的エッチングであるドライエッチングや、ウェットエッチング、ナノ構造を転写するナノインプリント、表面付近に元素をドープするイオンインプランターなどであってもよい。処理は、超伝導層の表面における二乗平均平方根粗さが第2の所定値以上となるように実行されてもよい。超伝導デバイスの製造方法は、超伝導材料との格子不整合度が第1の所定値未満である材料により少なくとも最上層が構成された基板上に超伝導材料を含む層を形成するステップを含んでもよい。超伝導デバイスの製造方法は、超伝導材料との格子不整合度が第1の所定値未満である材料を含む中間層を基板上に形成するステップと、中間層の上に超伝導材料を含む層を形成するステップを含んでもよい。 A method for manufacturing a superconducting device according to an embodiment includes a method for increasing surface roughness of a layer containing a superconducting material formed on a substrate containing a material different from the layer containing the superconducting material. The method includes a step of performing processing. The treatment may be dry etching that is anisotropic etching, wet etching, nanoimprint that transfers a nanostructure, ion implanter that dopes elements near the surface, or the like. The treatment may be performed such that the root mean square roughness on the surface of the superconducting layer is equal to or greater than a second predetermined value. The method for manufacturing a superconducting device includes the step of forming a layer containing a superconducting material on a substrate in which at least the uppermost layer is made of a material whose lattice mismatch with the superconducting material is less than a first predetermined value. But that's fine. A method for manufacturing a superconducting device includes forming an intermediate layer on a substrate including a material having a lattice mismatch degree of less than a first predetermined value with the superconducting material, and including the superconducting material on the intermediate layer. The method may include forming a layer.
実施の形態の超伝導デバイスの製造方法は、超伝導材料を含む層とは異なる材料を含む基板上に形成された超伝導材料を含む層の表面に対して、基板の超伝導層との界面を構成する材料と超伝導層の基板との界面を構成する超伝導材料との格子不整合度が第1の所定値未満である場合には表面粗さを増大させるための処理を実行し、基板の超伝導層との界面を構成する材料と超伝導層の基板との界面を構成する超伝導材料との格子不整合度が第1の所定値以上である場合には表面粗さを低減させるための処理を実行するステップを備える。 A method for manufacturing a superconducting device according to an embodiment includes a method for manufacturing a superconducting device, in which an interface with a superconducting layer of a substrate is formed on a surface of a layer containing a superconducting material formed on a substrate containing a material different from the layer containing the superconducting material. If the degree of lattice mismatch between the material constituting the superconducting material and the superconducting material constituting the interface between the superconducting layer and the substrate is less than a first predetermined value, performing a treatment to increase the surface roughness, If the degree of lattice mismatch between the material forming the interface between the substrate and the superconducting layer and the superconducting material forming the interface between the superconducting layer and the substrate is greater than or equal to a first predetermined value, the surface roughness is reduced. The method further includes a step of executing processing for causing the problem.
その他の特徴は、上記の超伝導デバイス1又は2、又は超伝導デバイス1又は2の製造方法と同様であってもよい。
Other features may be the same as the
(第2の実施の形態)
本開示の第2の実施の形態として、第1の実施の形態に係る超伝導デバイスを利用した電源装置と、その電源装置を利用した超伝導装置について説明する。以下の説明では、主に、超伝導装置の一例である超伝導マグネットシステムについて説明するが、本実施の形態の技術は、超伝導体を利用した任意の超伝導装置に適用可能である。
(Second embodiment)
As a second embodiment of the present disclosure, a power supply device using the superconducting device according to the first embodiment and a superconducting device using the power supply device will be described. In the following description, a superconducting magnet system, which is an example of a superconducting device, will be mainly described, but the technology of this embodiment can be applied to any superconducting device using a superconductor.
図112は、超伝導マグネットシステムの構成を示す。図112(a)に示す従来の超伝導マグネットシステム90は、直流電源91、コイル92、及び冷却装置94を備える。コイル92は、超伝導体により形成された電線を巻いたものであり、直流電源91から供給される直流電流が電線を流れることにより磁場を発生する。超伝導体により形成された電線による閉ループ回路が形成されてもよい。この場合、永久電流スイッチ95により永久電流モードに切り替えられる。冷却装置94は、例えば、液体ヘリウム又は液体窒素が導入されたデュワー瓶などであってもよい。
FIG. 112 shows the configuration of a superconducting magnet system. A conventional
超伝導マグネットシステム90は、電気抵抗ゼロで大電流通電が可能な超伝導体をコイル92に用いることで、強磁場を発生することができる。超伝導マグネットの強磁場応用により、磁気共鳴画像(Magnetic resonance imasing:MRI)装置や核磁気共鳴(Nuclear magnetic resonance:NMR)装置、加速器などの様々な機器の高性能化が実現できる。超伝導線材特性の向上に伴い、これら装置の高磁場化が進行しており、また、核融合発電装置や超伝導電力貯蔵装置などの新規強磁場装置の開発が期待される。
The
しかし、現在実用化されている超伝導材料のほとんどはNb-TiやNb3Snの低温超伝導体であり、冷却に高価な冷媒である液体Heを必要としている。そのため、運用コストが現状の超伝導マグネットの大きな課題となっている。そこで、液体窒素温度で使用可能な高温超伝導体を用いたマグネットの開発が期待される。安価な冷媒である液体窒素または冷凍機を用いた冷却による運用が可能となるため、高温超伝導マグネットのメリットとして冷却に必要なコストを削減できる。 However, most of the superconducting materials currently in practical use are low-temperature superconductors such as Nb-Ti and Nb 3 Sn, which require liquid He, an expensive refrigerant, for cooling. Therefore, operating costs are a major issue for current superconducting magnets. Therefore, the development of magnets using high-temperature superconductors that can be used at liquid nitrogen temperatures is expected. The advantage of high-temperature superconducting magnets is that they can be operated by cooling using liquid nitrogen, an inexpensive refrigerant, or a refrigerator, so the cost required for cooling can be reduced.
一方、超伝導マグネットシステム90の冷却負荷の主な要因は、電流リード93の抵抗およびコイル接続部の接続抵抗による発熱と、冷却装置94の外部から内部への電流リード93を介した熱伝導による熱侵入であり、冷却負荷の9割近くは電流リード93からの熱侵入が要因である。加えて、高磁場化に伴いマグネットへの供給電流の大電流化が必要であり、大電流容量の電流リード93は直径を太くする必要がある。そして、リード直径が大きいほど電流リード93を介した熱伝導による熱侵入が大きくなるため、より高い冷却能力が必要となる。
On the other hand, the main factors of the cooling load of the
例えば、伝導冷却式の電流リード93を想定した際の、室温300Kから77Kの冷却装置94内への熱侵入による冷却負荷について考える。定格電流Iにおける電流リードの長さ方向の微小区間dxにおける熱平衡方程式は、
超伝導マグネットシステム90では、冷却装置94の外部から直流大電流の供給を行っている。これに対して、熱侵入を抑制する方法として、例えば次の2通りの方法が考えられる。一つ目の方法は、電源を冷却装置94の内部に設ける方法である。電源としては磁束ポンプの利用が挙げられる。しかし、電流リード93を用いない磁束ポンプによるマグネットの励磁は熱侵入や発熱を大幅に抑制できる一方で、出力電圧が小さいため励磁速度が遅いという課題がある。そのため、磁束ポンプのみによる電流供給は困難である。熱侵入を抑制するもう一つの方法は、外部電源から小電流を供給し冷却装置94の内部でトランスにより大電流に変換する方法である。外部電源から交流小電流の電流供給を行い、冷却装置94の内部で直流大電流に変換することで電流リード93を細くして熱侵入を抑制することができる。
In the
本実施の形態では、熱侵入を更に抑制するために、非接触給電技術を用いてコイル92に電流を供給する。図112(b)は、第2の実施の形態に係る超伝導マグネットシステム50の構成を示す。超伝導マグネットシステム50は、給電装置30、電源装置40、冷却装置52、及びコイル92を備える。
In this embodiment, in order to further suppress heat intrusion, current is supplied to the
給電装置30は、交流電源31と、交流電源31から供給される交流電力を電源装置40に非接触で給電するための給電部32とを備える。給電部32は、磁界結合式、電界結合式、エバネセント波式などの非放射型の非接触給電方式により給電してもよいし、レーザー式、マイクロ波式、超音波式などの放射型の非接触給電方式により給電してもよいし、その他の任意の非接触給電方式により給電してもよい。
The
電源装置40は、給電部から給電される交流電力を非接触で受電する受電部41と、受電部41が受電した交流電力を直流電力に変換する変換部42とを備える。受電部41は、給電部32により給電される電力を昇圧することが可能なトランスにより構成されてもよい。変換部42は、第1の実施の形態の超伝導デバイスを含む。すなわち、変換部42は、電流が流れる方向によって臨界電流値が異なる超伝導デバイスを整流素子として使用し、交流電力を直流電力に整流する。受電部41及び変換部42とコイル92とを接続する電線は、超伝導材料により形成されてもよい。この場合、電源装置40及びコイル92は、超伝導材料により形成された閉ループ回路を構成してもよい。これにより、給電装置30からいったん交流電力が給電されると、閉ループ回路に永久電流を流すことができるので、消費エネルギーを低減させることができる。また、電源とコイル92とが電流リード93により接続されていないので、電流をコイル92に供給した後に電源とコイル92とを切り離したり、永久電流スイッチ95を設けたりする必要がない。これにより、より簡略な回路構成により、超伝導装置の消費エネルギーを低減させることができる。
The
冷却装置52は、変換部42に使用されている超伝導デバイスを構成する超伝導材料の臨界温度よりも低く、コイル92及び受電部41を含む閉ループ回路を形成する超伝導材料の臨界温度よりも低い温度に、電源装置40及びコイル92を冷却する。冷却装置52は、液体ヘリウム又は液体窒素が導入されたデュワー瓶などであってもよいし、ヒートポンプなどにより内部を冷却する冷凍機などであってもよい。冷却装置52において、変換部42が冷媒内にあればよく、受電部41や電線などは冷媒の外側にあってもよい。
The cooling device 52 has a temperature lower than the critical temperature of the superconducting material constituting the superconducting device used in the converting
図113は、変換部42の構成例を示す。変換部42は、上述した実施の形態に係る超伝導デバイスを超伝導整流素子44として使用する。変換部42は、図113(a)に示すように、4個の超伝導整流素子44を使用したブリッジ整流回路であってもよいし、図113(b)に示すように、2個の超伝導整流素子44を使用した全波整流回路であってもよい。変換部42は、その他、既知の任意の整流回路の半導体ダイオードを超伝導整流素子44に置き換えたものであってもよい。
FIG. 113 shows an example of the configuration of the
図114は、超伝導整流素子44の電流抵抗特性を示す。超伝導整流素子44の抵抗値は、電流値が臨界電流値IcdownとIcupの間である場合はゼロである。電流値が臨界電流値を超えると、常伝導状態に転移して抵抗が生じる。超伝導整流素子44の電流電圧特性は、図1に示した通りである。
FIG. 114 shows the current resistance characteristics of the
本実施の形態の電源装置40によれば、電流リードを介した熱侵入を抑えることができるので、超伝導材料を冷却するのに要する消費エネルギーを低減させることができる。また、非接触で受電した交流電力を直流電力に変換するための整流素子として、超伝導材料により構成された整流素子を使用するので、消費エネルギーを更に低減させることができる。
According to the
以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present disclosure has been described above based on examples. Those skilled in the art will understand that this example is merely an example, and that various modifications can be made to the combinations of these components and processing processes, and that such modifications are also within the scope of the present disclosure. .
本開示のある態様は、電源装置である。この電源装置は、給電部から給電される交流電力を非接触で受電する受電部と、受電部が受電した交流電力を直流電力に変換する変換部と、を備え、変換部は、電流が流れる方向によって臨界電流値が異なる超伝導デバイスを含む。この態様によると、電源装置の消費エネルギーを低減させることができる。 An aspect of the present disclosure is a power supply device. This power supply device includes a power receiving section that receives AC power supplied from a power feeding section in a non-contact manner, and a conversion section that converts the AC power received by the power receiving section into DC power. It includes a superconducting device whose critical current value differs depending on the direction. According to this aspect, the energy consumption of the power supply device can be reduced.
超伝導デバイスは、超伝導材料を含む層とは異なる材料を含む基板上に形成された、超伝導材料を含む層を備え、基板と層との界面における二乗平均平方根粗さが所定値未満であってもよい。この態様によると、超伝導デバイスの特性を向上させることができるので、電源装置における整流率を低減させることができる。 A superconducting device includes a layer containing a superconducting material formed on a substrate containing a material different from the layer containing the superconducting material, and the root mean square roughness at the interface between the substrate and the layer is less than a predetermined value. There may be. According to this aspect, the characteristics of the superconducting device can be improved, so the rectification rate in the power supply device can be reduced.
層の表面と平行な方向の成分を有する磁場を超伝導デバイスに印加するための磁場発生部を更に備え、磁場が印加された状態において、第1の電流方向における第1の臨界電流値と第1の電流方向とは異なる第2の電流方向における第2の臨界電流値が異なってもよい。この態様によると、超伝導デバイスの特性を向上させることができるので、電源装置における整流率を低減させることができる。 The device further includes a magnetic field generator for applying a magnetic field having a component in a direction parallel to the surface of the layer to the superconducting device, and in a state where the magnetic field is applied, the first critical current value in the first current direction and the first critical current value in the first current direction. The second critical current value in a second current direction different from the first current direction may be different. According to this aspect, the characteristics of the superconducting device can be improved, so the rectification rate in the power supply device can be reduced.
第1の臨界電流値と第2の臨界電流値の差と、第1の臨界電流値と第2の臨界電流値の平均との比で表される臨界電流値の非対称性が22%以上であってもよい。この態様によると、超伝導デバイスの特性を向上させることができるので、電源装置における整流率を低減させることができる。 The asymmetry of the critical current value expressed by the ratio of the difference between the first critical current value and the second critical current value to the average of the first critical current value and the second critical current value is 22% or more. There may be. According to this aspect, the characteristics of the superconducting device can be improved, so the rectification rate in the power supply device can be reduced.
層は、超伝導材料とは異なる材料により形成された微細構造を含んでもよい。この態様によると、超伝導デバイスの特性を向上させることができるので、電源装置における整流率を低減させることができる。 The layer may include microstructures formed of a material different from the superconducting material. According to this aspect, the characteristics of the superconducting device can be improved, so the rectification rate in the power supply device can be reduced.
本開示の別の態様は、超伝導装置である。この超伝導装置は、上記のいずれかの電源装置と、超伝導材料により形成され、電源装置の変換部により変換された直流電流を流すための電線と、電源装置の超伝導デバイスに含まれる超伝導材料及び電線を形成する超伝導材料をそれらの臨界温度よりも低い温度に冷却する冷却部とを備える。この態様によると、超伝導装置の消費エネルギーを低減させることができる。 Another aspect of the disclosure is a superconducting device. This superconducting device consists of one of the above power supplies, an electric wire made of a superconducting material for passing a direct current converted by the converter of the power supply, and a superconducting device included in the superconducting device of the power supply. and a cooling section that cools the conductive material and the superconducting material forming the wire to a temperature lower than their critical temperatures. According to this aspect, the energy consumption of the superconducting device can be reduced.
電源装置と、電線は、超伝導材料により形成された閉ループ回路を構成してもよい。この態様によると、超伝導装置の消費エネルギーを更に低減させることができる。 The power supply device and the electric wire may form a closed loop circuit made of superconducting material. According to this aspect, the energy consumption of the superconducting device can be further reduced.
1 流入口、2 排気口、3 真空容器、4 アノード電極、5 グランド電位、6 電子、7 プラズマ、8 イオン、9 試料、10 カソード電極、11 ブロッキングコンデンサ、12 高周波電源、20 超伝導デバイス、22 基板、24 超伝導層、30 給電装置、31 交流電源、32 給電部、40 電源装置、41 受電部、42 変換部、44 超伝導整流素子、50 超伝導マグネットシステム、52 冷却装置、90 超伝導マグネットシステム、91 直流電源、92 コイル、93 電流リード、94 冷却装置、95 永久電流スイッチ。 1 Inflow port, 2 Exhaust port, 3 Vacuum vessel, 4 Anode electrode, 5 Ground potential, 6 Electron, 7 Plasma, 8 Ion, 9 Sample, 10 Cathode electrode, 11 Blocking capacitor, 12 High frequency power source, 20 Superconducting device, 22 Substrate, 24 Superconducting layer, 30 Power feeding device, 31 AC power supply, 32 Power feeding section, 40 Power supply device, 41 Power receiving section, 42 Conversion section, 44 Superconducting rectifying element, 50 Superconducting magnet system, 52 Cooling device, 90 Superconducting Magnet system, 91 DC power supply, 92 Coil, 93 Current lead, 94 Cooling device, 95 Persistent current switch.
Claims (24)
前記受電部が受電した交流電力を直流電力に変換する変換部と、
を備え、
前記変換部は、電流が流れる方向によって臨界電流値が異なる超伝導デバイスを含む電源装置。 a power receiving unit that receives AC power supplied from the power feeding unit in a contactless manner;
a conversion unit that converts the AC power received by the power receiving unit into DC power;
Equipped with
The converting section is a power supply device including a superconducting device whose critical current value differs depending on the direction in which current flows.
前記基板と前記層との界面における二乗平均平方根粗さが所定値未満である請求項1に記載の電源装置。 The superconducting device includes a layer containing a superconducting material formed on a substrate containing a different material from the layer containing the superconducting material,
The power supply device according to claim 1, wherein the root mean square roughness at the interface between the substrate and the layer is less than a predetermined value.
前記磁場が印加された状態において、第1の電流方向における第1の臨界電流値と前記第1の電流方向とは異なる第2の電流方向における第2の臨界電流値が異なる請求項2に記載の電源装置。 further comprising a magnetic field generation unit for applying a magnetic field having a component in a direction parallel to the surface of the layer to the superconducting device,
3. In a state where the magnetic field is applied, a first critical current value in the first current direction and a second critical current value in a second current direction different from the first current direction are different. power supply.
超伝導材料により形成され、前記電源装置の前記変換部により変換された直流電流を流すための電線と、
前記電源装置の前記超伝導デバイスに含まれる超伝導材料及び前記電線を形成する超伝導材料をそれらの臨界温度よりも低い温度に冷却する冷却部と、
を備える超伝導装置。 A power supply device according to any one of claims 1 to 5,
an electric wire formed of a superconducting material and for flowing a direct current converted by the converter of the power supply device;
a cooling unit that cools the superconducting material included in the superconducting device of the power supply device and the superconducting material forming the electric wire to a temperature lower than their critical temperature;
A superconducting device equipped with
前記超伝導材料を含む層は、前記超伝導材料とは異なる材料により形成された微細構造を含み、
前記微細構造を形成する材料の前記超伝導材料を含む層への導入量は、物質量比で3~12%である超伝導デバイス。 A layer containing the superconducting material formed on a substrate containing a different material from the layer containing the superconducting material,
The layer containing the superconducting material includes a microstructure formed of a material different from the superconducting material,
A superconducting device, wherein the amount of the material forming the microstructure introduced into the layer containing the superconducting material is 3 to 12% in terms of substance amount ratio.
前記微細構造を形成する材料の前記超伝導材料を含む層への導入量は前記複数の層ごとに異なる請求項8又は9に記載の超伝導デバイス。 The layer containing the superconducting material has a laminated structure including a plurality of layers,
10. The superconducting device according to claim 8, wherein the amount of the material forming the microstructure introduced into the layer containing the superconducting material differs for each of the plurality of layers.
前記超伝導材料を含む層を形成するステップにおいて、前記超伝導材料を含む層に前記超伝導材料とは異なる材料により形成された微細構造が導入され、
前記微細構造を形成する材料の前記超伝導材料を含む層への導入量は、物質量比で3~12%である超伝導デバイスの製造方法。 forming a layer containing the superconducting material on a substrate containing a different material from the layer containing the superconducting material;
In the step of forming the layer containing the superconducting material, a fine structure formed of a material different from the superconducting material is introduced into the layer containing the superconducting material,
The method for manufacturing a superconducting device, wherein the amount of the material forming the microstructure introduced into the layer containing the superconducting material is 3 to 12% in terms of material amount ratio.
前記微細構造を形成する材料は前記超伝導材料を含む層のエピタキシャル成長の際に前記超伝導材料に添加される請求項12に記載の超伝導デバイスの製造方法。 The layer containing the superconducting material is formed by epitaxial growth,
13. The method of manufacturing a superconducting device according to claim 12, wherein the material forming the microstructure is added to the superconducting material during epitaxial growth of a layer containing the superconducting material.
前記微細構造を形成する材料の前記超伝導材料を含む層への導入量は前記複数の層ごとに異なる請求項12から14のいずれかに記載の超伝導デバイスの製造方法。 The layer containing the superconducting material has a laminated structure including a plurality of layers,
15. The method for manufacturing a superconducting device according to claim 12, wherein the amount of the material forming the microstructure introduced into the layer containing the superconducting material differs for each of the plurality of layers.
前記基板の前記超伝導材料を含む層との界面を構成する材料と、前記超伝導材料を含む層の前記基板との界面を構成する前記超伝導材料との格子不整合度は、第1の所定値未満であり、
前記超伝導材料を含む層の表面における二乗平均平方根粗さは第2の所定値以上である超伝導デバイス。 A layer containing the superconducting material formed on a substrate containing a different material from the layer containing the superconducting material,
The degree of lattice mismatch between the material constituting the interface of the substrate with the layer containing the superconducting material and the superconducting material constituting the interface of the layer containing the superconducting material with the substrate is a first degree of mismatch. is less than a predetermined value,
A superconducting device, wherein the root mean square roughness of the surface of the layer containing the superconducting material is equal to or greater than a second predetermined value.
前記中間層の上に前記超伝導材料を含む層を形成するステップと
を更に含む請求項19に記載の超伝導デバイスの製造方法。 forming on the substrate an intermediate layer containing a material whose lattice mismatch with the superconducting material is less than a first predetermined value;
20. The method of manufacturing a superconducting device according to claim 19, further comprising the step of forming a layer containing the superconducting material on the intermediate layer.
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