JPS63239737A - 超電導体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超電導体に関するものである。特に化合物薄膜
超電導体に関するものである。

従来の技術 高温超電導体として、Ａ１５型２元系化合物として窒化
ニオブ（ＮｂＮ）やゲルマニウムニオブ（Ｎｂ３Ｇｅ）
などが知られていたが、これらの材料Φ超電導転移温度
はたかだか２４°にであった。一方、ペロブスカイト系
３元化合物は、さらに高い転移温度が期待され、Ｂａ−
Ｌａ−Ｃｕ−○系の高温超電導体が提案された［　Ｊ、
　Ｇ、　Ｂｅｎｄ。

ｒｚ　　ａｎｄ　　に、Ａ、Ｍｕｌｌｅｒ、　　ツァイ
ト　シュリフト　７ｘ７フイジーク（Ｚｅｔｓｈｒｉｆ
ｔ　ｆ　ｕｒｐｈｙｓｉｋ　Ｂ）−Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ
Ｍａｔｔｅｒ　　６４，１８９−１９３　　（１９８６
）］。

さらに、］Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０がより高温の超電導体で
あることが最近提案された。［Ｍ、　Ｋ、　Ｗｕ等、フ
ィジカルレビュー　レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅ
ｖｉｅｗ　Ｌａｔｔｅｒｓ）　Ｖｏｌ、５８．　Ｎｏ９
．９０８−９１０　（１９８７）］］Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−
０の材料の超電導機構の詳細は明らかではないが、転移
温度が液体窒素温度以上に高くなる可能性があり、高温
超電導体として従来の２元系化合物より、より有望な特
性が期しかしながら、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の材料は、
現在の技術では焼結という過程でしか形成できないため
、セラミックの粉末あるいはブロックの形状でしか得ら
れない。一方、この種の材料を実用化する場合、薄膜化
あるいは線状化が強（要望されているが、従来の技術で
は、いずれも非常に困難と、されている。

本発明者らは、この種の材料を例えばスパッタリング法
等の薄膜化手法を用いると、薄膜状の高温超電導体が形
成されることを発見し、これにもとづいて新規な超電導
体構成を発明した。

問題点を解決するための手段 本発明の超電導体は、結晶性基体上に主成分が（Ａ、Ｂ
）ｓｃｕ２０７の３元化合物被膜を付着させた層状構造
を特徴としている。ここにＡはＳｃ、Ｙおよびランタン
系列元素（原子番号５７−７１）のうちす（な（とも一
種、ＢはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ　、Ｂ　ｅ　ｒ　Ｍ　ｇなど
Ｉ［ａ族元素のうちの少なくとも一種の元素を示す。

作用 本発明にかかる超電導体は、超電導体を導膜化している
所に大きな特色がある。すなわち、薄膜化は超電導体の
素材を原子状態という極微粒子に分解してから基体上に
堆積させるから、形成された超電導体の組成は本質的に
、従来の焼結体に比べて均質である。したがって非常に
高精度の超電導体が本発明で実現される。

実施例 本発明を図面とともに説明する。

第１図において、３元化合物被膜１２は基体１１の表面
１３上に例えばスパッタリング法で形成する。この場合
、基体１１は、超電導を示す３元化合物被！１１１２の
保持を目的としている。したがって、本発明の超電導体
は本質的に層状構造からなっている。この層状構造は通
常数１００℃の高温で形成し、超電導を例えば液体窒素
温度（−１９５℃）の低温で動作させるため、特に基体
１１と被膜１２の密着性が悪くなり、しばしば層状構造
が破損されることを本発明者らは確認した。さらに本発
明者らは、詳細な基体の熱的特性を各種の材質について
調べた結果、基体の線熱膨張係数α＞　１０−６／ｅで
あれば、上記層状構造の破損がな、＜、実用されること
を確認した。例えばα＜１０−６／ｆｉの石英ガラスを
基体に用いると、被膜１２は無数の亀裂が入り不連続な
被膜となり、実用に供しにくいことを本発明者らは確認
した。

さらに、本発明者らは、第１図の層状構造の基体１１に
機能性から見て、最適の材料があることを見い出した。

すなわち、結晶性の高い３元化合物被膜１２を基体１１
の表面１３に形成させるためには、単結晶の基体が有効
である。本発明者らは３元化合物被膜の超電導体として
有効な基体材料を調べた結果、基体として、酸化マグネ
シウム、サファイア（α−Ａ　１２ｓ３）　、スピネル
、チタン酸ストロンチウユウム、シリコン、ガリウム砒
素等の単結晶が有効であることを確認した。もっとも、
これは表面１３に効果的に結晶性の高い被膜１２を成長
させるためのものであるから、少なくとも基体表面１３
が単結晶であればよい。

第２図は、酸化マグネシウム単結晶（１００）面を基体
１１に用い、スパッタリング蒸着法で主成分（Ａ、Ｂ）
ｓｃｕｚｏ７の３元化合物被膜１２を付着させた時の３
元化合物被膜１２のＸ線回折スペクトルを示す。第２図
において、第、２図（ａ）のスペクトルは被膜１２から
得たものであり、第２図（ｂ）のスペクトルは超電導を
示す層状へロブスカイト構造から得たものを示す。同図
が示すごとく、第２図（ａ）の被膜スペクトルは層状へ
ロブスカイトのスペクトル第２図（ｂ）と類似しており
、被膜１２も超電導が発生した。

この実施例では被膜１２の膜厚は２μ曙であるが、膜厚
は０．１μｍかそれ以下の薄い場合、１０μｍ以上の厚
い場合も超電導が発生することを確認した。

本発明者らは、酸化マグネシウム以外の結晶性基体につ
いての有効性を詳細に実験的に調べ、サファイア、スピ
ネル、チタン酸ストロンチュウム、シリコン、ガリウム
砒素単結晶の場合、いずれも超電導を示すことが確認さ
れ、これらの結晶がこの種の基体に有効であることが判
明した。

もっとも、これは基体表面１３に効果的に結晶性の高い
被膜１３を成長させるためのもので、少なくとも基体表
面１３が単結晶であればよい。

（Ａ、Ｂ）ｓＣｕ２０７系の超電導材料は、２層ペロブ
スカイト構造になっているともいわれ、構造は複雑であ
る。単結晶基体に基体温度をエピタキシャル温度以上に
あげて、単結晶被膜の超電導材料を形成し得るが、基体
温度を高めると正方晶ペロブスカイト構造が生成し易（
、再現性よく層状ペロブスカイト構造が得られない場合
が多い。したがって、本発明の実施例に述べたごとく、
基体温度はむしろ低い範囲に並びアモルファスないしは
微結晶構造の複合化合物被膜を形成した後、熱処理によ
り結晶化する方が再現性よく層状ペロブスカイト構造が
得られることを本発明者らは実験的に確認した。

この場合、単結晶構造の基体は、熱処理過程において被
膜の固相エピタキシャル成長を助は有効である。なお、
超電導被膜の結晶性が特に要求されない場合（急峻な超
電導転位が不要の時）は、多結晶の磁器基体が有効であ
る。

本発明者らは、この種の超電導体を任意の形状例えば円
筒状に加工する場合、基体としては単結晶よりも、所謂
焼結磁器が有効であることを確認するとともに、最適の
磁器材料を見い出した。すなわち、磁器基体として、ア
ルミナ、酸化マグネシウム、酸化ヂルコニウム、ステア
タイト、ホルステライト、ベリリア、スピネル等が基体
の加工性、超電導体被膜１２の基体１１への密着性が最
適であることを本発明者らは確認した。この場合も単結
晶と同様に少なくとも基体の表面がこれらの磁器で構成
されておれば充分である。

本発明者らはこの種の結晶性基体についてさらに詳細に
有効性を調べた結果、この種の結晶性基体の結晶方位に
ついても、最適方位があることを見い出した。すなわち
、サファイア単結晶を基体に用いた場合、Ｒ面上には例
えば（１００）Ｓｉ薄膜をヘテロエピタキシャル成長さ
せ、本発明の。

超電導体被膜をＳＯ３構造シリコンデバイスに集積化し
得ることを本発明者は確認した。同様に０面および３面
サファイアでは（１１１）Ｓｉ薄膜をヘテロエピタキシ
アル成長させ、これらのＳＯ８構成シリコンデバイスと
集積化させ得ることを本発明者らは確認した。

さらに、Ｃ面すファイア単結晶基体では、（ＩＩＬ）Ｇ
ａＡｓ薄膜、（００１）ＧａＮ薄膜、（１１１）ＧａＰ
薄膜などのｍ−Ｖ族半導体装置を基体上にヘテロエピタ
キシャル成長させ、ｍ−Ｖ族半導体デバイスと本発明の
層状構造の超電導体とが集積化されることを本発明者ら
は確認した。これは例えば超高速ＧａＡｓデバイスの配
線としても本発明の超電導体の実用されることを示す。

　さらに、スピネル単結晶基体では（１００〉面スピネ
ルを用い、（１００）Ｓｉ薄膜あるいは（１１１）Ｇａ
Ａｓ薄膜が基体表面にヘテロエピタキシャル成長させ、
サファイア単結晶基体と同様に、これらＳｉあるいはＧ
ａＡｓデバイスと本発明の超電導体と集積化できること
を本発明者らは確認した。

同様に（１１０）面スピネルを基体に用い、＜１１０）
Ｓｉ薄膜および（１００）ＧａＡｓ薄膜を基体表面にヘ
テロエピタキシャル成長させ、これらのＳｉおよびＧａ
Ａｓデバイスと集積化できることを本発明者らは確認し
た。さらに、４チタン酸トスロンチュウム単結晶基体の
場合、（１００）面を基体に用いると、成長させた超電
導被膜の結晶性が非常に優れていることを本発明者らは
発見した。

以下本発明の内容をさらに深く理解させるために、さら
に具体的な具体実施例を示す。

（具体実施例） 酸化マグネシウム単結晶（１００）面を基体１１として
用い、高周波ブレナーマグネトロンスパッタにより、焼
結した（　Ｙｏ、４Ｂ　ａｏ、ａ）　３ＣｕｚＯ７被膜
１２を付着させ層状構造を形成した。この場合、Ａｒガ
スの圧力は０．５Ｐａ、スパッタリング電力１５０Ｗ、
スパッタリング時間１０時間、被膜の膜厚２μＩ、基体
温度２５０°Ｃであった。形成された層状構造をさらに
空気中で９００’Ｃ，７０時間熱処理徐冷した。

被膜の室温抵抗率は１００μΩＣＩ＋、超電導転移温度
４５゛にであった。

この種の３元化合物超電導体（Ａ、Ｂ）ｓｃｕ２０７の
構成元素ＡおよびＢの変化による超電導特性の変化の詳
細は明らかではない。ただＡは、３価、Ｂは２価を示し
、ているのは事実ではある。

Ａ元素としてＹについて例をあげて説明したが、Ｓｃや
Ｌａ、さらにランタン系列の元素（原子番号５７〜７１
）でも、超電導転移温度が変化する程度で本質的な発明
の層状構造の特性を変えるものではない。

また、Ｂ元素においても、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ等１１ａ族
元素の変化は超電導転移温度を１０°に程度変化させる
が、本質的に本発明層状構造の特性を変えるものではな
い。

とりわけ、本発明にかかる超電導体は、超電導体を薄膜
化している所に大きな特色がある。すなわち、薄膜化は
超電導体の素材を原子状態という極微粒子に分解してか
ら、基体上に堆積させるから、形成された超電導体の組
成は本質的に、従来の焼結体に比べて均質である。した
がって、非常に高精度の超電導体が本発明で実現される
。

なお、ここで示した超電導材料は２層構造ペロブスカイ
ト構造であるが、さらに３層構造４層構造など多層（ｎ
層）構造のこの種のペロプスカイト構造超電導材料（Ａ
　Ｂ　）　ｈａｔ　Ｃｕ　ｎ　０３ｈｏｔについても本
発明と同様の構造方法で形成でき、超導電材料として実
用され得る。

発明の効果 すでに説明したごとく、本発明を用いてＳｉあるいはＧ
ａＡｓなとのデバイスとの集積化が可能であるとともに
、ジョセフソン素子など各種の超電導デバイスの要素材
料として実用される。特にこの種の化合物超電導体の転
移温度が室温になる可能性もあり、従来の実用の範囲は
広く、本発明の工業的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導体の基体構成図、第
２図は本発明の超電導体の基本特性図である。 １１・・・基体、１２・・・３元化合物被膜。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体上に主成分が（Ａ、Ｂ）＿３Ｃｕ＿２Ｏ＿７
   の被膜をを付着させた事を特徴とする超電導体。 ここに、ＡはＳｃ、Ｙおよびランタン系列元素（原子番
   号５７〜７１）のうちすくなくとも一種、ＢはIIａ族元
   素のうちのすくなくとも一種の元素を示す。
2. （２）基体を、線膨脹係数α＞１０＾−＾６／℃の材質
   で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の超電導体。
3. （３）基体を、酸化マグネシウム、サファイア（α−Ａ
   ｌ＿２Ｏ＿３）、スピネル、チタン酸ストロンチュウム
   、シリコン、ガリウム砒素等の単結晶の少なくとも一種
   で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の超電導体。
4. （４）基体を、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化ヂル
   コニウム、ステアタイト、ホルステライト、ベリリア、
   スピネル等の磁器で構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の超電導体。
5. （５）基体を、（１００）面酸化マグネシウム単結晶を
   用いたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超
   電導体。
6. （６）基体として、Ｒ面サファイア単結晶を用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超電導体。
7. （７）基体として、Ｃ面サファイア単結晶を用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超電導体。
8. （８）基体として、ａ面サファイア単結晶を用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超電導体。
9. （９）基体として、（１１１）面スピネル単結晶を用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超電導
   体。
10. （１０）基体として、（１１０）面スピネル単結晶を用
    いたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超電
    導体。
11. （１１）基体として、（１００）面スピネル単結晶を用
    いたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超電
    導体。
12. （１２）基体として、（１００）面チタンストロンチウ
    ム単結晶を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第３
    項記載の超電導体。