JPH0761920B2 - 超伝導物質の製造方法 - Google Patents
超伝導物質の製造方法Info
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- JPH0761920B2 JPH0761920B2 JP1035202A JP3520289A JPH0761920B2 JP H0761920 B2 JPH0761920 B2 JP H0761920B2 JP 1035202 A JP1035202 A JP 1035202A JP 3520289 A JP3520289 A JP 3520289A JP H0761920 B2 JPH0761920 B2 JP H0761920B2
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
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- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
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- H10N60/857—Ceramic superconductors comprising copper oxide
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Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明はエピタキシヤル成長により層構造を有する人工
的な高TC超伝導体を製造することに関する。高TC超伝導
体とは30K以上の転移温度を有する物質を意味する。
的な高TC超伝導体を製造することに関する。高TC超伝導
体とは30K以上の転移温度を有する物質を意味する。
B.従来技術 超伝導は、普通、明確に定まつた温度において物質の電
気抵抗が完全に消失する現象として定義される。これは
多くの物質において起きる事が知られており、約4分の
1の元素並びに1000以上の合金及び化合物が超伝導体で
ある事が見い出されている。超伝導は物質の金属状態の
特性であると考えられており、全ての既知の超伝導体
は、それらを超伝導にする条件の下では金属である。例
えば、いくつかの通常は非金属の物質は、非常に高い圧
力の下で超伝導になるが、この圧力はそれらの物質が超
伝導体になる前にそれらを金属に変換する。
気抵抗が完全に消失する現象として定義される。これは
多くの物質において起きる事が知られており、約4分の
1の元素並びに1000以上の合金及び化合物が超伝導体で
ある事が見い出されている。超伝導は物質の金属状態の
特性であると考えられており、全ての既知の超伝導体
は、それらを超伝導にする条件の下では金属である。例
えば、いくつかの通常は非金属の物質は、非常に高い圧
力の下で超伝導になるが、この圧力はそれらの物質が超
伝導体になる前にそれらを金属に変換する。
超伝導体は、長距離にわたるエネルギー節約型の送電及
び発電、プラズマ及び核物理、核磁気共鳴医学診断にお
いて使用するための強力な磁石のコイルを形成するため
の材料として、並びに高速鉄道の磁気浮上に関連して、
非常に魅力的である。例えば熱核融合による発電は、超
伝導マグネツトによつてしか提供し得ない非常に大きな
磁界を必要とする。また確かに、超伝導体はコンピュー
タ及び高速の信号処理及びデータ通信においても用途を
見い出すであろう。
び発電、プラズマ及び核物理、核磁気共鳴医学診断にお
いて使用するための強力な磁石のコイルを形成するため
の材料として、並びに高速鉄道の磁気浮上に関連して、
非常に魅力的である。例えば熱核融合による発電は、超
伝導マグネツトによつてしか提供し得ない非常に大きな
磁界を必要とする。また確かに、超伝導体はコンピュー
タ及び高速の信号処理及びデータ通信においても用途を
見い出すであろう。
J.G.Bednorz及びK.A.Muellerは論文“Possible High TC
Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System"、Z.Ph
ys.B-Condensed Matter 64、pp.189〜193(1986)で、
転移温度が35K付近の新しいクラスの超伝導物質につい
て述べた。これは、複合金属酸化物における高TC超伝導
の存在の1つの前提条件が物質の層状構造であることを
確かめた点で意義を有する。(上記文献では、層状構造
はしばしば「K2NiF4型」と呼ばれている。これはその構
造が最初にこの物質で観察されたからである。) この構造は、特に、一般組成RE2TMO4の酸化物に存在す
る。但しREは希土類(ランタニド)を表わし、TMはいわ
ゆる遷移金属を表わす。問題の化合物において、RE部分
はアルカリ土類金属の1つ又はアルカリ土類の組み合せ
によつて部分的に置換されてもよい。酸素含有量は一般
に欠損を有する。
Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System"、Z.Ph
ys.B-Condensed Matter 64、pp.189〜193(1986)で、
転移温度が35K付近の新しいクラスの超伝導物質につい
て述べた。これは、複合金属酸化物における高TC超伝導
の存在の1つの前提条件が物質の層状構造であることを
確かめた点で意義を有する。(上記文献では、層状構造
はしばしば「K2NiF4型」と呼ばれている。これはその構
造が最初にこの物質で観察されたからである。) この構造は、特に、一般組成RE2TMO4の酸化物に存在す
る。但しREは希土類(ランタニド)を表わし、TMはいわ
ゆる遷移金属を表わす。問題の化合物において、RE部分
はアルカリ土類金属の1つ又はアルカリ土類の組み合せ
によつて部分的に置換されてもよい。酸素含有量は一般
に欠損を有する。
例えば、上記の説明に適合する1つのそのような化合物
は、ランタン銅酸化物La2CuO4であり、そのIIIB族の元
素に属するランタンが部分的に、隣接のIIA族の元素、
即ちアルカリ土類金属の1つ(又はIIA族のメンバーの
組み合せ)例えばバリウムにより置換されているもので
ある。また、化合物の酸素含有量は化合物がLa2-xBaxCu
O4-y(但しx0.3且つy<0.5)の一般組成を有するよ
うに欠損を有する。
は、ランタン銅酸化物La2CuO4であり、そのIIIB族の元
素に属するランタンが部分的に、隣接のIIA族の元素、
即ちアルカリ土類金属の1つ(又はIIA族のメンバーの
組み合せ)例えばバリウムにより置換されているもので
ある。また、化合物の酸素含有量は化合物がLa2-xBaxCu
O4-y(但しx0.3且つy<0.5)の一般組成を有するよ
うに欠損を有する。
本発明も、層状構造を有する化合物に関する。関係する
層の厚さはナノメートルの10分の1(10-10m)程度、即
ち単分子層であると決定されている。しかし、層間の結
合は重要である。分子サンドイツチ構造を製造する1つ
の理論上の方法は、所望の組成及びペロブスカイト構造
を有する自然な結晶を生成し次にエツチングすることで
あるが、非常に限定されたパラメータ範囲(化学元素、
化学量論比)しか得られない。
層の厚さはナノメートルの10分の1(10-10m)程度、即
ち単分子層であると決定されている。しかし、層間の結
合は重要である。分子サンドイツチ構造を製造する1つ
の理論上の方法は、所望の組成及びペロブスカイト構造
を有する自然な結晶を生成し次にエツチングすることで
あるが、非常に限定されたパラメータ範囲(化学元素、
化学量論比)しか得られない。
本発明の目的は、最適な条件を得るための積層の変更を
含む、単層エピエタキシーによる成長を通じて層状超伝
導体を製造するための新規な方法を提供することであ
る。単層エピタキシーの利点は、材料(化学元素及び化
合物)の選択における大きな自由度、及びペロブスカイ
ト構造を有する自然の結晶から出発した時に可能である
以外の層の順序付けの大きな自由度である。
含む、単層エピエタキシーによる成長を通じて層状超伝
導体を製造するための新規な方法を提供することであ
る。単層エピタキシーの利点は、材料(化学元素及び化
合物)の選択における大きな自由度、及びペロブスカイ
ト構造を有する自然の結晶から出発した時に可能である
以外の層の順序付けの大きな自由度である。
エピタキシー自体は周知である。例えばI.Brodie及びJ.
J.Murray著、“The Physics of Microfabrication"、Pl
enum Press、Newyork and London、1982、pp.16ffエピ
タキシーという用語は、同じ結晶方向を有する基板に単
結晶材料が成形される付着工程を意味する。付着物質が
基板表面と自動的にインタフエースするために、2つの
重要な条件が満足されなければならない。第1に、基板
表面は、付着原子がいくらかのエネルギーを失ない表面
原子に結合するような適当な数の核発生サイトを付着物
質に対して提供しなければならない。第2に、付着物質
に対する表面の格子整合が最大限でなければならない。
J.Murray著、“The Physics of Microfabrication"、Pl
enum Press、Newyork and London、1982、pp.16ffエピ
タキシーという用語は、同じ結晶方向を有する基板に単
結晶材料が成形される付着工程を意味する。付着物質が
基板表面と自動的にインタフエースするために、2つの
重要な条件が満足されなければならない。第1に、基板
表面は、付着原子がいくらかのエネルギーを失ない表面
原子に結合するような適当な数の核発生サイトを付着物
質に対して提供しなければならない。第2に、付着物質
に対する表面の格子整合が最大限でなければならない。
エピタキシーの過程は、通常高温で且つ特別に制御され
た圧力の雰囲気又は真空の反応容器中で行なわれる。付
着物質が反応容器中で補給される機構に依存して、3つ
の型のエピタキシー工程、即ち、気相エピタキシー(VP
E)、液相エピタキシー(LPE)、及び分子ビーム・エピ
タキシー(MBE)が区別される。
た圧力の雰囲気又は真空の反応容器中で行なわれる。付
着物質が反応容器中で補給される機構に依存して、3つ
の型のエピタキシー工程、即ち、気相エピタキシー(VP
E)、液相エピタキシー(LPE)、及び分子ビーム・エピ
タキシー(MBE)が区別される。
気相エピタキシー工程において、付着すべき物質を含む
気流が、加熱された基板上を流される。エピタキシヤル
層の成長速度は、付着すべき物質の気流中の濃度の関数
にできる。
気流が、加熱された基板上を流される。エピタキシヤル
層の成長速度は、付着すべき物質の気流中の濃度の関数
にできる。
気相エピタキシーに関する従来技術の文献の1例は、米
国特許第4058430号明細書である。これは、基板表面と
反応しうる第1の単一元素の蒸気に対して、反応が起き
るのに充分な高温で、基板を作用させて、基板上に第1
の単一元素の単原子層を形成し、次にそこで形成された
新しい表面を、反応が起きるのに充分な高温で、第1の
単一元素と反応しうる第2の単一元素の蒸気に作用させ
て、第1の単一元素の表面上に第2の単一元素の単原子
層を形成することにより、基板上に高度に配向した複合
薄膜を成長させる方法を開示している。
国特許第4058430号明細書である。これは、基板表面と
反応しうる第1の単一元素の蒸気に対して、反応が起き
るのに充分な高温で、基板を作用させて、基板上に第1
の単一元素の単原子層を形成し、次にそこで形成された
新しい表面を、反応が起きるのに充分な高温で、第1の
単一元素と反応しうる第2の単一元素の蒸気に作用させ
て、第1の単一元素の表面上に第2の単一元素の単原子
層を形成することにより、基板上に高度に配向した複合
薄膜を成長させる方法を開示している。
液相エピタキシー工程において、付着すべき物質は高温
の溶液ホルダー中に保持され、ホルダーと基板とが相互
に動かされる時に基板との接触が生じさせられる。複数
の溶液ホルダーを配列すると、同一基板上に異なつた物
質の多重層を付着させることができる。
の溶液ホルダー中に保持され、ホルダーと基板とが相互
に動かされる時に基板との接触が生じさせられる。複数
の溶液ホルダーを配列すると、同一基板上に異なつた物
質の多重層を付着させることができる。
液相エピタキシーは、例えば、H.Nelson、“Epitaxial
growth from the liguid state and its applications
to the fabrication of tunnel and laser diodes"、RC
A Rev.24(1963)p.603に説明されている。Nelsonは、
傾斜システムを使用している。そこでは基板及びエピタ
キシヤル溶液がグラフアイトのボートの反対側の端部に
置かれ、ボートは高純度の雰囲気を含む成長管中に配置
される。管は炉中に置かれ、これはボートのいずれかの
端部を持ち上げるように傾斜させることができる。使用
された溶液は、成長温度で飽和が起きるような量のガリ
ウム及びガリウムひ素より成つていた。
growth from the liguid state and its applications
to the fabrication of tunnel and laser diodes"、RC
A Rev.24(1963)p.603に説明されている。Nelsonは、
傾斜システムを使用している。そこでは基板及びエピタ
キシヤル溶液がグラフアイトのボートの反対側の端部に
置かれ、ボートは高純度の雰囲気を含む成長管中に配置
される。管は炉中に置かれ、これはボートのいずれかの
端部を持ち上げるように傾斜させることができる。使用
された溶液は、成長温度で飽和が起きるような量のガリ
ウム及びガリウムひ素より成つていた。
第3の型のエピタキシー工程、分子ビーム・エピタキシ
ーは、加熱された基板と複数の分子ビームとの反応によ
り超高真空環境中で結晶成長を行なう。分子ビーム源は
各々、るつぼ中に付着物の構成元素の1つを含む炉より
成る。炉は、ビーム束分布の中心部分が基板と交差する
ように配置される。各々の炉に配置されたシヤツタは、
各ビーム束の開始と停止の制御を可能にする。
ーは、加熱された基板と複数の分子ビームとの反応によ
り超高真空環境中で結晶成長を行なう。分子ビーム源は
各々、るつぼ中に付着物の構成元素の1つを含む炉より
成る。炉は、ビーム束分布の中心部分が基板と交差する
ように配置される。各々の炉に配置されたシヤツタは、
各ビーム束の開始と停止の制御を可能にする。
分子ビーム・エピタキシーについての膨大な文献の1例
は、K.Plog、“Molecular Beam Epitaxy of III-IV com
pounds"、Crystals:Growth、Properties and Applicati
ons、L.F.Boschke編、Heidelberg、Springer-Verlag(1
979)である。
は、K.Plog、“Molecular Beam Epitaxy of III-IV com
pounds"、Crystals:Growth、Properties and Applicati
ons、L.F.Boschke編、Heidelberg、Springer-Verlag(1
979)である。
本発明の目的のために、これら3つの基本的エピタキシ
ー工程の進歩した技術、例えば金属有機化合物気相エピ
タキシー(MOVPE)又は化学ビーム・エピタキシー(CB
E)が、急峻な界面を成長させ且つ同時に成長パラメー
タの正確な制御を通じて非常に薄い付着層を可能にする
ために用いられる。
ー工程の進歩した技術、例えば金属有機化合物気相エピ
タキシー(MOVPE)又は化学ビーム・エピタキシー(CB
E)が、急峻な界面を成長させ且つ同時に成長パラメー
タの正確な制御を通じて非常に薄い付着層を可能にする
ために用いられる。
Conference Proceedings、“Novel Mechanism of Super
conductivity"June 22-26、1987、Berkely、CA中に刊行
されたJ.Kwo、M.Hong、R.M.Fleming、T.C.Hsieh、S.H.L
iou及びB.A.Davidsov著の論文“Single Crystal Superc
onducting Y1Ba2Cu3O7-x Oxide Films By Molecular Be
am Epitaxy"は、3つの別個の源から同時にSrTiO3の(1
00)面上に薄膜の成分を熱的に同時蒸着することにより
単結晶Y1Ba2Cu3O7-x薄膜を作成する方法を述べている。
この方法で作成された薄膜はアモルフアスであり約900n
mの厚さを有している。
conductivity"June 22-26、1987、Berkely、CA中に刊行
されたJ.Kwo、M.Hong、R.M.Fleming、T.C.Hsieh、S.H.L
iou及びB.A.Davidsov著の論文“Single Crystal Superc
onducting Y1Ba2Cu3O7-x Oxide Films By Molecular Be
am Epitaxy"は、3つの別個の源から同時にSrTiO3の(1
00)面上に薄膜の成分を熱的に同時蒸着することにより
単結晶Y1Ba2Cu3O7-x薄膜を作成する方法を述べている。
この方法で作成された薄膜はアモルフアスであり約900n
mの厚さを有している。
「厚い」膜(役1μm)を取り扱つている他の文献は、
C.Webb他、“Growth of high-TC superconducting film
s using molecular beam epitaxy techniques"、Appl.p
hys.Lett.51(15)1987、pp.1191〜1193である。この文
献に報告された高TC超伝導体は、SrTiO3基板上に成長さ
れたDyBa2Cu3O7-xである。しかし、この場合、上記のKw
o他の文献と同様に、膜が超伝導になるためにはポスト
・マニール工程のような高温での酸化を必要とする。
C.Webb他、“Growth of high-TC superconducting film
s using molecular beam epitaxy techniques"、Appl.p
hys.Lett.51(15)1987、pp.1191〜1193である。この文
献に報告された高TC超伝導体は、SrTiO3基板上に成長さ
れたDyBa2Cu3O7-xである。しかし、この場合、上記のKw
o他の文献と同様に、膜が超伝導になるためにはポスト
・マニール工程のような高温での酸化を必要とする。
本発明はそのような厚い膜ではなく、単層膜即ち超伝導
物質の1又は非常に少ない分子層より成る膜の形成に関
するものである。これに関係するのはM.A.Tischler及び
S.M.Bedairによる論文、“Growth and characterizatio
n of Compound Semiconductors by Atomic Layer Epita
xy",Journal of Crystal Growth、77(1986)pp.89〜94
である。この文献に述べられているように、成長は、最
終的な化合物を形成する元素の原子の個々の層が順次に
付着することによつて進行する。例えば、ガリウムひ素
は、最初にガリウムの原子層を付着させ次にひ素の原子
層を付着させることによつて成長される。このサイクル
は所望の厚さが達成されるまで繰り返される。最初の原
子層は基板表面に化学吸着されるが、その後の原子は弱
くしか結合せず再蒸発する傾向がある。これは、一時に
1つ以上の単層が付着するのを妨げる自己限定的な機構
である。第2の物質の原子層は新鮮な表面を見い出し、
再び単層の原子が新しい表面に吸着される。もし動作パ
ラメータが適当であれば、化学反応が生じて単原子層か
ら所望の化合物の単分子層が形成される。
物質の1又は非常に少ない分子層より成る膜の形成に関
するものである。これに関係するのはM.A.Tischler及び
S.M.Bedairによる論文、“Growth and characterizatio
n of Compound Semiconductors by Atomic Layer Epita
xy",Journal of Crystal Growth、77(1986)pp.89〜94
である。この文献に述べられているように、成長は、最
終的な化合物を形成する元素の原子の個々の層が順次に
付着することによつて進行する。例えば、ガリウムひ素
は、最初にガリウムの原子層を付着させ次にひ素の原子
層を付着させることによつて成長される。このサイクル
は所望の厚さが達成されるまで繰り返される。最初の原
子層は基板表面に化学吸着されるが、その後の原子は弱
くしか結合せず再蒸発する傾向がある。これは、一時に
1つ以上の単層が付着するのを妨げる自己限定的な機構
である。第2の物質の原子層は新鮮な表面を見い出し、
再び単層の原子が新しい表面に吸着される。もし動作パ
ラメータが適当であれば、化学反応が生じて単原子層か
ら所望の化合物の単分子層が形成される。
上記のTischler-Bedairの提案では純元素から新規な化
合物が形成されるが、H.Watanabe及びUsui、“Atomic L
ayer Epitaxy"、Inst.Phys.Conf.Ser.No.83:Chapter1、
Int.Symp.GaAs and Related Compounds.Las Vegas、Nev
ada、1986提出の論文では、出発物質がGaCl及びGa(CH3)
3及びアルシンAsH3等のハロゲン化金属又は金属有機化
合物である。
合物が形成されるが、H.Watanabe及びUsui、“Atomic L
ayer Epitaxy"、Inst.Phys.Conf.Ser.No.83:Chapter1、
Int.Symp.GaAs and Related Compounds.Las Vegas、Nev
ada、1986提出の論文では、出発物質がGaCl及びGa(CH3)
3及びアルシンAsH3等のハロゲン化金属又は金属有機化
合物である。
C.発明の開示 上記の文献の全ては、薄膜エピタキシーを取り扱つてい
るものの、合成された超伝導化合物の結晶構造の形成に
関するものではない。但し、そのなかには超伝導相はK2
NiF4型の層状構造を持たなければならないと述べている
ものはある。
るものの、合成された超伝導化合物の結晶構造の形成に
関するものではない。但し、そのなかには超伝導相はK2
NiF4型の層状構造を持たなければならないと述べている
ものはある。
対照的に、本発明の目的は、所定の結晶構造を有する高
TC超伝導体の作成方法を提案することである。この目的
は、形成される化合物の構造に少なくとも類似の結晶構
造を有する表面上に、所望の超伝導化合物を構成する元
素の原子層をエピタキシヤル成長させるシーケンスによ
り達成される。最終的に得られる超伝導体の構造は、単
一の単分子層から複数の単分子層(これはサンドイツチ
構造を形成してもよい)までを含むことがある。層は、
正規に積層されても、又自然な結晶では不可能な非正規
の順序に積層されてもよい。特に、非正規な順序はフラ
クタル式に成長しうる。フラクタルは数学的に決定され
る。
TC超伝導体の作成方法を提案することである。この目的
は、形成される化合物の構造に少なくとも類似の結晶構
造を有する表面上に、所望の超伝導化合物を構成する元
素の原子層をエピタキシヤル成長させるシーケンスによ
り達成される。最終的に得られる超伝導体の構造は、単
一の単分子層から複数の単分子層(これはサンドイツチ
構造を形成してもよい)までを含むことがある。層は、
正規に積層されても、又自然な結晶では不可能な非正規
の順序に積層されてもよい。特に、非正規な順序はフラ
クタル式に成長しうる。フラクタルは数学的に決定され
る。
D.実施例 高TC超伝導体物質のエピタキシヤル成長における基板と
して特に適した1つの物質は、チタン酸ストロンチウム
SrTiO3である。これはペロブスカイト状の結晶を形成す
る(第6図)。各チタン・イオン1は6個の酸素イオン
2によつて8面体的に囲まれており、より大きなストロ
ンチウム・イオン3はその間の空間に配置されている。
室温で、SrTiO3は小さな単位格子を有する立方晶系であ
り、常誘電性である。約100Kで、SrTiO3は非強誘電相を
伴なう立方晶系−正方晶系相転移を起こし始める。これ
はこの相がよりエネルギー的に好ましいからである。
して特に適した1つの物質は、チタン酸ストロンチウム
SrTiO3である。これはペロブスカイト状の結晶を形成す
る(第6図)。各チタン・イオン1は6個の酸素イオン
2によつて8面体的に囲まれており、より大きなストロ
ンチウム・イオン3はその間の空間に配置されている。
室温で、SrTiO3は小さな単位格子を有する立方晶系であ
り、常誘電性である。約100Kで、SrTiO3は非強誘電相を
伴なう立方晶系−正方晶系相転移を起こし始める。これ
はこの相がよりエネルギー的に好ましいからである。
基板として適した他の物質は、二酸化ジルコニウムZrO2
である。この物質は、格子定数の不整合を最小限にする
ために、多結晶シリコンのバルク材料上に被覆すること
ができる。
である。この物質は、格子定数の不整合を最小限にする
ために、多結晶シリコンのバルク材料上に被覆すること
ができる。
別の有望な物質はセレン化亜鉛Zn1-xSexである。xを変
化させることにより、この化合物の格子定数はある範囲
内で調整され、成長される高TC超伝導物質の格子定数に
ほぼ等しくすることができる。
化させることにより、この化合物の格子定数はある範囲
内で調整され、成長される高TC超伝導物質の格子定数に
ほぼ等しくすることができる。
高TC超伝導物質の成長のための基板として適した物質の
他の例は、弗化バリウムBaF2並びにテルル化亜鉛Zn1-xT
ex、セレン化カドミウムCd1-xSex及びテルル化カドミウ
ムCd1-xTex等のII/VI化合物を含む。
他の例は、弗化バリウムBaF2並びにテルル化亜鉛Zn1-xT
ex、セレン化カドミウムCd1-xSex及びテルル化カドミウ
ムCd1-xTex等のII/VI化合物を含む。
人工的高TC超伝導物質の製造に戻ると、1つの本質的な
特徴は超伝導金属酸化物の層状構造であることが判明し
ている。単層エピタキシーは、そのような層の形成及び
層の順序の系統的な変更、及び最も重要な点として、そ
れらの層の結晶構造の系統的な変更を可能にする。第2
図、第3図及び第4図は、非超伝導性の金属酸化物層に
よつて分離された単一原子価又は混合原子価の銅酸化物
層を有して成長可能な層状ペロブスカイト高TC超伝導体
の例を示す。
特徴は超伝導金属酸化物の層状構造であることが判明し
ている。単層エピタキシーは、そのような層の形成及び
層の順序の系統的な変更、及び最も重要な点として、そ
れらの層の結晶構造の系統的な変更を可能にする。第2
図、第3図及び第4図は、非超伝導性の金属酸化物層に
よつて分離された単一原子価又は混合原子価の銅酸化物
層を有して成長可能な層状ペロブスカイト高TC超伝導体
の例を示す。
高TCペロブスカイト銅酸化物超伝導体の別の本質的な特
徴は、低温における非伝導性の(即ち非ドープの)酸化
物の反強磁性である。反強磁性は、隣接スピンが平行で
はなく反平行である状態によつて特徴付けられる。従つ
て、非伝導性の銅酸化物は、温度と共に変化する低い正
の磁化率を有する常磁性を示す。
徴は、低温における非伝導性の(即ち非ドープの)酸化
物の反強磁性である。反強磁性は、隣接スピンが平行で
はなく反平行である状態によつて特徴付けられる。従つ
て、非伝導性の銅酸化物は、温度と共に変化する低い正
の磁化率を有する常磁性を示す。
第2図は本発明に従つて製造された人工的高TC超伝導化
合物の結晶格子の表現である。この化合物はLa2CuTiO6
である。その結晶構造はABB′型であり、(B)銅酸化
物層4、(B′)チタン酸化物層5、及びその間に積層
された(A)ランタン酸化物層6、6′より成る。銅酸
化物層4及びチタン酸化物層5は、各々、中心に金属原
子を有し隅で酸素原子を共有している8面体から構成さ
れる。各4つの8面体の間の空間は各々1個のランタン
原子6を収容している。この結晶構造は、所望の超伝導
物質とほぼ同じ格子定数を有するSrTiO3結晶7の上に成
長される。
合物の結晶格子の表現である。この化合物はLa2CuTiO6
である。その結晶構造はABB′型であり、(B)銅酸化
物層4、(B′)チタン酸化物層5、及びその間に積層
された(A)ランタン酸化物層6、6′より成る。銅酸
化物層4及びチタン酸化物層5は、各々、中心に金属原
子を有し隅で酸素原子を共有している8面体から構成さ
れる。各4つの8面体の間の空間は各々1個のランタン
原子6を収容している。この結晶構造は、所望の超伝導
物質とほぼ同じ格子定数を有するSrTiO3結晶7の上に成
長される。
エピタキシヤル成長は、最初に酸化ランタンLa2O3の単
分子層を基板上に成長させ、次に8面体酸化銅Cu2O単分
子層をその上に成長させ、さらにその上に酸化ランタン
La2O3の第2の単層を成長させ、そしてその上に8面体
二酸化チタンTiO2の単層を成長させることによつて行な
われる。これらの各々のエピタキシヤル工程は、露出時
間、La2CuTiO6結晶が化学量論的に正しく且つABB′型の
層状8面体構造を持つようにエピタキシヤル源物質の濃
度、及び反応温度に関して制御された条件の下で行なわ
れる。
分子層を基板上に成長させ、次に8面体酸化銅Cu2O単分
子層をその上に成長させ、さらにその上に酸化ランタン
La2O3の第2の単層を成長させ、そしてその上に8面体
二酸化チタンTiO2の単層を成長させることによつて行な
われる。これらの各々のエピタキシヤル工程は、露出時
間、La2CuTiO6結晶が化学量論的に正しく且つABB′型の
層状8面体構造を持つようにエピタキシヤル源物質の濃
度、及び反応温度に関して制御された条件の下で行なわ
れる。
第3図はLa2Cu(Al1/2Zr1/2)O6のABB′構造の例を示す。
層シーケンスは、混合(B′)Al3+/Zr4+酸化物層8、
(A)ランタン酸化物層9、及び(B)混合原子価Cu2+
/Cu3+酸化物層10より成る。この格子は、間にランタン
層12が積層されたSrTiO3結晶11の上に成長される。
層シーケンスは、混合(B′)Al3+/Zr4+酸化物層8、
(A)ランタン酸化物層9、及び(B)混合原子価Cu2+
/Cu3+酸化物層10より成る。この格子は、間にランタン
層12が積層されたSrTiO3結晶11の上に成長される。
エピタキシヤル成長は、最初に基板上に酸化ランタンLa
2O3の単分子層を付着し、次に酸化アルミニウム▲Al3+ 2
▼O3及び酸化ジルコニウムZr4+O2混合酸化物の単分子層
を付着し、次に酸化ランタンLa2O3単分子層を付着し、
そして酸化銅Cu2O層を付着することにより行なわれる。
2O3の単分子層を付着し、次に酸化アルミニウム▲Al3+ 2
▼O3及び酸化ジルコニウムZr4+O2混合酸化物の単分子層
を付着し、次に酸化ランタンLa2O3単分子層を付着し、
そして酸化銅Cu2O層を付着することにより行なわれる。
1成分の酸化物層の製造は単純であるが、混合Al3+/Zr
4+型の酸化物層の形成は、1:1の関係のAl及びZrの同時
的存在、好ましくはそれらの金属の気体状有機化合物の
形での存在が要求される。これに関連する興味のある有
機化合物の例はアルミニウム・アルコキシドAl(OCH3)3
及びジルコニウム・シクロペンタジエニルZr(OC2H5)2で
ある。
4+型の酸化物層の形成は、1:1の関係のAl及びZrの同時
的存在、好ましくはそれらの金属の気体状有機化合物の
形での存在が要求される。これに関連する興味のある有
機化合物の例はアルミニウム・アルコキシドAl(OCH3)3
及びジルコニウム・シクロペンタジエニルZr(OC2H5)2で
ある。
一般に、下記の型の金属有機化合物が本発明に関して用
途が見い出される。
途が見い出される。
AA′BB′型の結晶構造の例が第4図に示されている。超
伝導物質はSr2LaCu2WO9である。層シーケンスは、混合
(B)▲Cu2.5+ 2▼酸化物層13及び(B′)W6+酸化物層
14、並びにそれらを交互に分離する(A)▲Sr2+ 2▼酸
化物層15及び(A′)La3+酸化物層16である。再び、結
晶格子は、ランタン層16′が間に積層されたSrTiO3結晶
17の上にある。
伝導物質はSr2LaCu2WO9である。層シーケンスは、混合
(B)▲Cu2.5+ 2▼酸化物層13及び(B′)W6+酸化物層
14、並びにそれらを交互に分離する(A)▲Sr2+ 2▼酸
化物層15及び(A′)La3+酸化物層16である。再び、結
晶格子は、ランタン層16′が間に積層されたSrTiO3結晶
17の上にある。
この超伝導物質のエピタキシヤル成長は、基板上に、酸
化ランタンLa2O3の単分子層を付着し、その上に酸化銅C
u2Oの単分子層を付着し、その上に酸化ストロンチウムS
rOの単分子層を付着し、さらに酸化タングステンWO3の
単分子層を付着し、さらに酸化ストロンチウムSrOの第
2の単分子層を付着し、さらに酸化銅Cu2Oの第2の単分
子層を付着し、そして酸化ランタンLa2O3の単分子層を
付着することにより行なわれる。
化ランタンLa2O3の単分子層を付着し、その上に酸化銅C
u2Oの単分子層を付着し、その上に酸化ストロンチウムS
rOの単分子層を付着し、さらに酸化タングステンWO3の
単分子層を付着し、さらに酸化ストロンチウムSrOの第
2の単分子層を付着し、さらに酸化銅Cu2Oの第2の単分
子層を付着し、そして酸化ランタンLa2O3の単分子層を
付着することにより行なわれる。
第5図は斜方晶系の他の人工的超伝導体、即ちYBa2Cu3O
7を示す。隅共有8面体しか有さない立方ペロブスカイ
ト構造と対照的に、第5図の化合物では、隅を共有する
方形ピラミツドの銅酸化物層が互いに反対向きに配置さ
れて斜方空間を形成し、そこに第1及び第2のバリウム
原子21の層20、20′(バリウム酸化物BaOを形成する)
が配置され、それが正方形平面状のCuO4多面体のリボン
より成る、少なくとも1つの別の銅酸化物層22によつて
分離されている。
7を示す。隅共有8面体しか有さない立方ペロブスカイ
ト構造と対照的に、第5図の化合物では、隅を共有する
方形ピラミツドの銅酸化物層が互いに反対向きに配置さ
れて斜方空間を形成し、そこに第1及び第2のバリウム
原子21の層20、20′(バリウム酸化物BaOを形成する)
が配置され、それが正方形平面状のCuO4多面体のリボン
より成る、少なくとも1つの別の銅酸化物層22によつて
分離されている。
ピラミツド形の銅酸化物より成る隣接層18及び19は、イ
ツトリウム酸化物の中間積層平面層23により結合され
る。
ツトリウム酸化物の中間積層平面層23により結合され
る。
この超伝導物質は、基板上に酸化イツトリウムY2O3の単
分子層を付着し、その上にピラミツド状酸化銅Cu2Oの単
分子層を付着し、その上に酸化バリウムBaOの単分子層
を付着し、その上に正方形平面状の酸化銅CuO4層を付着
し、その上に酸化バリウムBaOの単分子層を付着し、そ
の上にピラミツド状酸化銅Cu2Oの第2の単分子層を付着
し、そしてその上に酸化イツトリウムの単分子層をエピ
タキシヤル付着することによつて形成される。
分子層を付着し、その上にピラミツド状酸化銅Cu2Oの単
分子層を付着し、その上に酸化バリウムBaOの単分子層
を付着し、その上に正方形平面状の酸化銅CuO4層を付着
し、その上に酸化バリウムBaOの単分子層を付着し、そ
の上にピラミツド状酸化銅Cu2Oの第2の単分子層を付着
し、そしてその上に酸化イツトリウムの単分子層をエピ
タキシヤル付着することによつて形成される。
第5図に示した型の超伝導体の臨界温度TCは間に積層さ
れた銅酸化物層の数nに依存する事、TC=f(n)が見
い出されている(T.Schneider and D.Baeriswil、“Cri
tical Temperature of High TC Superconductors"、Zei
tschrift fr Physik A刊行予定)。これは、適当な層
の数を選択することによつて、特定の環境の必要性に臨
界温度を適合させるように超伝導体を「設計」する可能
性を提供する。従つて、第5図に示す化合物において、
より多くの平面CuO4層22を付加してもよい。
れた銅酸化物層の数nに依存する事、TC=f(n)が見
い出されている(T.Schneider and D.Baeriswil、“Cri
tical Temperature of High TC Superconductors"、Zei
tschrift fr Physik A刊行予定)。これは、適当な層
の数を選択することによつて、特定の環境の必要性に臨
界温度を適合させるように超伝導体を「設計」する可能
性を提供する。従つて、第5図に示す化合物において、
より多くの平面CuO4層22を付加してもよい。
人工的高TC超伝導体にいくつかの例を述べてきたが、以
下、エピタキシヤル層を成長させるための装置に説明を
移す。これは基本的には真空蒸着装置の洗練された拡張
であり、高速搬入ロード・ロツク26、準備室27、及び成
長室28を有する多室容器25により成る。典型的な組立て
が第1図に示されている。容器25は、イオン、クライ
オ、ターボ分子、拡散、ソープシヨン及びサブリメーシ
ヨン・ポンプの適当な組み合せ29を用いて、超高真空
(UHV)状態(約10-9Pa)に排気できる。UHV状態の使用
により、高真空に基く表面解析及び診断技術を組み込む
ことが可能になる。例えば付着前に基板を、そして付着
中に実際のエピタキシヤル膜を調査するために反射高エ
ネルギー電子回析(RHEED)装置30を用いることができ
る。また成長室28中の気体組成をモニタし且つリークを
検出するために質料分析計31を設けることもできる。汚
染問題を減少させるために準備室27中に、オージエ電子
スペクトル装置32等の他の表面分析機器を設置してもよ
い。
下、エピタキシヤル層を成長させるための装置に説明を
移す。これは基本的には真空蒸着装置の洗練された拡張
であり、高速搬入ロード・ロツク26、準備室27、及び成
長室28を有する多室容器25により成る。典型的な組立て
が第1図に示されている。容器25は、イオン、クライ
オ、ターボ分子、拡散、ソープシヨン及びサブリメーシ
ヨン・ポンプの適当な組み合せ29を用いて、超高真空
(UHV)状態(約10-9Pa)に排気できる。UHV状態の使用
により、高真空に基く表面解析及び診断技術を組み込む
ことが可能になる。例えば付着前に基板を、そして付着
中に実際のエピタキシヤル膜を調査するために反射高エ
ネルギー電子回析(RHEED)装置30を用いることができ
る。また成長室28中の気体組成をモニタし且つリークを
検出するために質料分析計31を設けることもできる。汚
染問題を減少させるために準備室27中に、オージエ電子
スペクトル装置32等の他の表面分析機器を設置してもよ
い。
単結晶基板33が台車34の上に置かれる。台車34は基板33
を、ロード・ロツク26と成長室28との間で、準備室を通
つて移動させる事ができる。基板33は加熱コイル35によ
り加熱できる。基板33に面して、エピタキシー工程中に
異なつた物質を放出できる複数の源(ソース)36〜40が
存在する。これらの各々のシヤツタ付き源は、例えば誘
電体、金属、又は金属酸化物を付着させるための抵抗式
又は電子ビームにより加熱される蒸発装置、又は金属有
機化合物の形の金属源、又は気体の源を包含しうる。さ
らに、制御された量の既知の気体を導入するためにいく
つかの気体導入口41〜44が設けられている。
を、ロード・ロツク26と成長室28との間で、準備室を通
つて移動させる事ができる。基板33は加熱コイル35によ
り加熱できる。基板33に面して、エピタキシー工程中に
異なつた物質を放出できる複数の源(ソース)36〜40が
存在する。これらの各々のシヤツタ付き源は、例えば誘
電体、金属、又は金属酸化物を付着させるための抵抗式
又は電子ビームにより加熱される蒸発装置、又は金属有
機化合物の形の金属源、又は気体の源を包含しうる。さ
らに、制御された量の既知の気体を導入するためにいく
つかの気体導入口41〜44が設けられている。
基板33は、源36〜40から放出されたビームからの物質の
付着を促進するために垂直方向に配向されるのが望まし
い。基板33からの源の36〜40の距離を一定に維持するた
めに、源は遠隔制御式のアーチ状の(又は直線状の)ス
ライダー上に配置してもよい。
付着を促進するために垂直方向に配向されるのが望まし
い。基板33からの源の36〜40の距離を一定に維持するた
めに、源は遠隔制御式のアーチ状の(又は直線状の)ス
ライダー上に配置してもよい。
動作時に、単結晶基板33が台車34上に置かれ容器25中に
導入された後、ロード・ロツクが閉じられる。UHV状態
に排気された後、基板33は付着のための位置に持つて来
られる。源36〜40の適当なものが基板33の向い側に配置
される。基板が動作温度に達した後、所定の期間、第1
組の源のシヤツタが開けられ、且つ/又は適当な気体導
入口が操作される。第1の成分の単原子層又は単分子層
が基板上に付着した時、エピタキシー・サイクルの第1
部は終了する。
導入された後、ロード・ロツクが閉じられる。UHV状態
に排気された後、基板33は付着のための位置に持つて来
られる。源36〜40の適当なものが基板33の向い側に配置
される。基板が動作温度に達した後、所定の期間、第1
組の源のシヤツタが開けられ、且つ/又は適当な気体導
入口が操作される。第1の成分の単原子層又は単分子層
が基板上に付着した時、エピタキシー・サイクルの第1
部は終了する。
エピタキシー・サイクルの第2部は、以前の源の物質が
真空中に残留しなくなると即座に開始する。次に、問題
の物質の化学量論によつて決定される通りに第1の源の
物質に第2の源の物質を反応させることを可能にするよ
うに、適当な時間の間、第2組の源が活性化される。
真空中に残留しなくなると即座に開始する。次に、問題
の物質の化学量論によつて決定される通りに第1の源の
物質に第2の源の物質を反応させることを可能にするよ
うに、適当な時間の間、第2組の源が活性化される。
この手続きは、付着物が最終的に含む各成分の全てにつ
いて繰り返され、このサイクル全体が、超伝導物質の所
望の各付加的な層毎に反復される。
いて繰り返され、このサイクル全体が、超伝導物質の所
望の各付加的な層毎に反復される。
化学化合物を形成するための他の方法に対して、単層エ
ピタキシー工程は、人工的化合物、即ち自然には存在し
ない化合物を、所望の化合物と本質的に同じ格子構造を
有する種結晶上に形成できるという利点を有する。これ
は、多結晶又はバルク材料しか得られない他の方法には
対照的である。層構造が全ての高TC超伝導体の本質的特
徴であるという事実を考慮すると、本発明の方法はこれ
らの超伝導体の製造において大きな重要性を有する。
ピタキシー工程は、人工的化合物、即ち自然には存在し
ない化合物を、所望の化合物と本質的に同じ格子構造を
有する種結晶上に形成できるという利点を有する。これ
は、多結晶又はバルク材料しか得られない他の方法には
対照的である。層構造が全ての高TC超伝導体の本質的特
徴であるという事実を考慮すると、本発明の方法はこれ
らの超伝導体の製造において大きな重要性を有する。
第1図は本発明に従つて人工的超伝導化合物を形成する
のに適したエピタキシー装置の図、 第2図はLa2CuTiO6の結晶構造を示す図、 第3図はLa2Cu(Al1/2、Zr1/2)O6の結晶構造を示す図、 第4図はSr2LaCu2WO9の結晶構造を示す図、 第5図は斜方晶系のYBa2Cu3O7の結晶構造を示す図、 第6図はチタン酸ストロンチウムSrTiO3の結晶構造を示
す図である。
のに適したエピタキシー装置の図、 第2図はLa2CuTiO6の結晶構造を示す図、 第3図はLa2Cu(Al1/2、Zr1/2)O6の結晶構造を示す図、 第4図はSr2LaCu2WO9の結晶構造を示す図、 第5図は斜方晶系のYBa2Cu3O7の結晶構造を示す図、 第6図はチタン酸ストロンチウムSrTiO3の結晶構造を示
す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】セレン化カドミウムCd1-xSexおよびテルル
化カドミウムCd1-xTex(ただし、X<1)より成る群か
ら選択された材料の単結晶基板および製造される超伝導
化合物が含むべき成分材料の源を真空容器中に置き、上
記源の1つまたは複数を、基板表面に成分材料の単原子
層または単分子層が形成されるように、源から放出され
る成分材料の量、露出時間を制御しながら活性化し、上
記源の活性化の工程を製造される超伝導化合物が含むべ
き単原子層または単分子層の数に対応する回数反復する
工程を含む超伝導物質の製造方法。 - 【請求項2】上記超伝導化合物がLa2CuTiO6、La2Cu(Al
1/2Zr1/2)O6、Sr2LaCu2WO9、またはYBa2Cu3O7である請
求項1記載の超伝導物質の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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EP88108908.0 | 1988-03-06 | ||
EP88108908A EP0344352B1 (en) | 1988-06-03 | 1988-06-03 | Method for making artificial layered high-Tc superconductors |
Publications (2)
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---|---|
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JPH0761920B2 true JPH0761920B2 (ja) | 1995-07-05 |
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EP (1) | EP0344352B1 (ja) |
JP (1) | JPH0761920B2 (ja) |
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BR (1) | BR8902555A (ja) |
CA (1) | CA1330193C (ja) |
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FI108375B (fi) * | 1998-09-11 | 2002-01-15 | Asm Microchemistry Oy | Menetelmõ eristõvien oksidiohutkalvojen valmistamiseksi |
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-
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