JPS63319245A - 超伝導用セラミクス - Google Patents
超伝導用セラミクスInfo
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- JPS63319245A JPS63319245A JP62155314A JP15531487A JPS63319245A JP S63319245 A JPS63319245 A JP S63319245A JP 62155314 A JP62155314 A JP 62155314A JP 15531487 A JP15531487 A JP 15531487A JP S63319245 A JPS63319245 A JP S63319245A
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
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。
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〕
本発明は超高速電子素子や電磁石などに利用可能な超伝
導材料に関する。
導材料に関する。
ジョセフソン素子や超伝導磁石に用いられる超伝導材料
は高温化を目脂して長い間研究開発が続けられたが、つ
い最近迄超伝導臨界温度Tcはニオブゲルマニウム(N
b3Ge)の23.2Kを越えることができず、液体ヘ
リウム冷却下でなければ使用できないという実用上の大
きな制約下にあった。しかし、1986年4月IBMチ
ューリッヒ研究所のベドノーツ(Bednorz)とミ
ュラー(Mueller)はLa−Ba−Cu−0系セ
ラミクスで高温超伝導現象が観測される可能性を報告し
、酸化物セラミクス高温超伝導体の先鞭をつけた。その
後行なわれた東大をはじめとする各研究機関の精力的検
討の結果、このセラミクス系ではKJiF4構造ペロブ
スカイトとよばれる単相構造が高い臨界温度を示し、ま
たそのファミリーである(Ln+−x MX)2C(1
04(ただしO<x〈1でLnはランタノイド族元素、
門はBa、 SrまたはCaを表わす)なる組成式の一
連の正方晶酸化物において高温超伝導現象(臨界温度3
0に級)が見出されることがわかった。引続き酸化物セ
ラミクス超伝導体の研究が続けられた結果、1987年
3月までにY−Ba−Cu−0系セラミクスとその代替
系(Yを他の希土類元素に置き換えた系)で90に級、
超伝導体が発見された。これら90に縁起伝導体の組成
は前記30に縁起伝導体とは異なり、(希土類元素):
Ba : Cuのモル比率がほぼ1:2:3になって
いる。また1987年5月にはY−Ba−Cu−0に第
5の元素としてフッ素を添加した系がより高温で超伝導
現象を示すと報じられた。
は高温化を目脂して長い間研究開発が続けられたが、つ
い最近迄超伝導臨界温度Tcはニオブゲルマニウム(N
b3Ge)の23.2Kを越えることができず、液体ヘ
リウム冷却下でなければ使用できないという実用上の大
きな制約下にあった。しかし、1986年4月IBMチ
ューリッヒ研究所のベドノーツ(Bednorz)とミ
ュラー(Mueller)はLa−Ba−Cu−0系セ
ラミクスで高温超伝導現象が観測される可能性を報告し
、酸化物セラミクス高温超伝導体の先鞭をつけた。その
後行なわれた東大をはじめとする各研究機関の精力的検
討の結果、このセラミクス系ではKJiF4構造ペロブ
スカイトとよばれる単相構造が高い臨界温度を示し、ま
たそのファミリーである(Ln+−x MX)2C(1
04(ただしO<x〈1でLnはランタノイド族元素、
門はBa、 SrまたはCaを表わす)なる組成式の一
連の正方晶酸化物において高温超伝導現象(臨界温度3
0に級)が見出されることがわかった。引続き酸化物セ
ラミクス超伝導体の研究が続けられた結果、1987年
3月までにY−Ba−Cu−0系セラミクスとその代替
系(Yを他の希土類元素に置き換えた系)で90に級、
超伝導体が発見された。これら90に縁起伝導体の組成
は前記30に縁起伝導体とは異なり、(希土類元素):
Ba : Cuのモル比率がほぼ1:2:3になって
いる。また1987年5月にはY−Ba−Cu−0に第
5の元素としてフッ素を添加した系がより高温で超伝導
現象を示すと報じられた。
実用上の観点からは高い臨界電流密度(104〜105
A/c1fi)をもつ高温超伝導体を高い再現性で製造
する技術の開発が望まれる。また、さらに臨界温度Tc
が上昇して冷却材不要の超伝導体(室温超伝導体)が開
発されるならば、長距離電力輸送や貯電槽開発など社会
に与えるインパクトはきわめて大きい。しか゛し、現状
では前記したような新しいセラミクス系超伝導体の伝導
機構がまだ明確でないため、より高い臨界温度を示す材
料発掘や再現性、安定性の高い超伝導材料の組成決定が
できないという問題点がある。
A/c1fi)をもつ高温超伝導体を高い再現性で製造
する技術の開発が望まれる。また、さらに臨界温度Tc
が上昇して冷却材不要の超伝導体(室温超伝導体)が開
発されるならば、長距離電力輸送や貯電槽開発など社会
に与えるインパクトはきわめて大きい。しか゛し、現状
では前記したような新しいセラミクス系超伝導体の伝導
機構がまだ明確でないため、より高い臨界温度を示す材
料発掘や再現性、安定性の高い超伝導材料の組成決定が
できないという問題点がある。
上記した実用上の問題点を解決するには、従来の酸化物
セラミクス超伝導体のデータを参考にしつつ、新たに次
の観点から材料選択を行なうべきである。
セラミクス超伝導体のデータを参考にしつつ、新たに次
の観点から材料選択を行なうべきである。
(1)電子伝導損を極力抑制するため、セラミクスの格
子欠陥を抑制する 一→結晶格子歪の少ない組成組合せ (2)高い有効状態密度をもつ電子伝導帯の形成−−+
陰イオンの選択に幅をもたせる (3)−次元または二次元電子伝導性 −→層状ペロプスカイト構造 このうち(1)の観点からは結晶格子を構成する多種陽
イオン元素間のイオン半径を近接させることが重要であ
る。すなわち上記した酸化−一伝導セラミクスは三種類
の陽イオン元素を含む高分子無機化合物であるため、結
晶格子の□所定位置を所定陽イオンが一定比率で正確に
占めるには陽イオン元素間、とくに等価な格子位置(e
quivalen’t 5ite)を占める陽イオン元
素間(希土類元素とアルカリ土類金属元素間)のイオン
半径が近似しており、格子歪が小さいことが重要になる
のである。また(2)の観点からはこれ迄に報告された
高温超伝導セラミクスが全て酸化物であることを考慮す
ると、同じ結晶構造を保持し同じ陽イオン構成元素を用
いるならば陰イオン側に選′択の幅を広げること、すな
わち硫化物あるいはセレン化物をターゲットとすること
が重要である。一方(3)の観点は、結晶構造として前
記酸化物セラミクス(層状ペロブスカイト)が適当であ
ることを示している。
子欠陥を抑制する 一→結晶格子歪の少ない組成組合せ (2)高い有効状態密度をもつ電子伝導帯の形成−−+
陰イオンの選択に幅をもたせる (3)−次元または二次元電子伝導性 −→層状ペロプスカイト構造 このうち(1)の観点からは結晶格子を構成する多種陽
イオン元素間のイオン半径を近接させることが重要であ
る。すなわち上記した酸化−一伝導セラミクスは三種類
の陽イオン元素を含む高分子無機化合物であるため、結
晶格子の□所定位置を所定陽イオンが一定比率で正確に
占めるには陽イオン元素間、とくに等価な格子位置(e
quivalen’t 5ite)を占める陽イオン元
素間(希土類元素とアルカリ土類金属元素間)のイオン
半径が近似しており、格子歪が小さいことが重要になる
のである。また(2)の観点からはこれ迄に報告された
高温超伝導セラミクスが全て酸化物であることを考慮す
ると、同じ結晶構造を保持し同じ陽イオン構成元素を用
いるならば陰イオン側に選′択の幅を広げること、すな
わち硫化物あるいはセレン化物をターゲットとすること
が重要である。一方(3)の観点は、結晶構造として前
記酸化物セラミクス(層状ペロブスカイト)が適当であ
ることを示している。
以上の基本的材料選択指針に基づき、本発明ではSc、
Yおよびランタノイド族から成る希土類元素群より選
んだ少なくとも1種類の元素(以下元素Aという)とア
ルカリ土類金属元素群に属する少なくとも1種類の元素
(以下元素Bという)とCuおよびMnから成る群より
選んだ1種類の元素(以下元素Cという)とを結晶構成
陽イオン元素として有し、SおよびSeから成る群から
選んだ1種類の元素を結晶構成陰イオン元素として有す
る複合層状ペロブスカイト・型超伝導用セラミクスを開
示する。とくに上記(1)の観点からは元素AがY1元
元素がCaの組合せ、又は元素AがSc、元素BがMg
の組合せ、或いは元素AがLa、元素BがSrの組合せ
が望ましい。格子歪を緩和する手段としては第3の陽イ
オン元素を組合せること(大小のイオン半径をもつ希土
類元素またはアルカリ土類金属元素間の組合せ)も有効
である。また、上記(2)の観点からは前記Y−Caの
組合せには陰イオンが51La−Srの組合せには陰イ
オンがSe(又はSe、 5l−X)であることが望ま
しい。
Yおよびランタノイド族から成る希土類元素群より選
んだ少なくとも1種類の元素(以下元素Aという)とア
ルカリ土類金属元素群に属する少なくとも1種類の元素
(以下元素Bという)とCuおよびMnから成る群より
選んだ1種類の元素(以下元素Cという)とを結晶構成
陽イオン元素として有し、SおよびSeから成る群から
選んだ1種類の元素を結晶構成陰イオン元素として有す
る複合層状ペロブスカイト・型超伝導用セラミクスを開
示する。とくに上記(1)の観点からは元素AがY1元
元素がCaの組合せ、又は元素AがSc、元素BがMg
の組合せ、或いは元素AがLa、元素BがSrの組合せ
が望ましい。格子歪を緩和する手段としては第3の陽イ
オン元素を組合せること(大小のイオン半径をもつ希土
類元素またはアルカリ土類金属元素間の組合せ)も有効
である。また、上記(2)の観点からは前記Y−Caの
組合せには陰イオンが51La−Srの組合せには陰イ
オンがSe(又はSe、 5l−X)であることが望ま
しい。
本発明で開示した超伝導セラミクスは、既述の酸化物セ
ラミクスに比べて組成の均一性が高く、また格子歪が小
さいという特性を有する。この点は超伝導臨界温度の上
昇や許容電流密度を高めるために有効である。マンガン
イオンおよび硫黄(またはセレニウム)イオンを用いる
ことによって伝導帯の有効状態密度を高め流しうる電流
密度を上昇させうることが期待される。
ラミクスに比べて組成の均一性が高く、また格子歪が小
さいという特性を有する。この点は超伝導臨界温度の上
昇や許容電流密度を高めるために有効である。マンガン
イオンおよび硫黄(またはセレニウム)イオンを用いる
ことによって伝導帯の有効状態密度を高め流しうる電流
密度を上昇させうることが期待される。
以下本発明を実施例に基づいて詳しく述べる。
(そのl ) Y2O,、CaSO4およびMn5O,
をそれぞれ出発材料とし、硫化水素雰囲気で1200″
Cに保持することによって平均粒径6μmのY2S31
CaS。
をそれぞれ出発材料とし、硫化水素雰囲気で1200″
Cに保持することによって平均粒径6μmのY2S31
CaS。
MnSを焼成した。各硫化物の純度は5−Nである。
これとは別に高純度CuS (純度6−N)を用意した
。
。
各硫化物をそれぞれ所定量秤量の上乾燥窒素雰囲気で充
分混合し、得られた混合粉末をYzS3: CaS:
MnS = (1−x) : 2x :2のモル比で秤
量して直径20mmΦ、厚み5圓のペレットにプレス成
形後、再び硫化水素雰囲気で1200″Cに4時間保持
して焼成すると主成分がYl−x Cax PInSq
−6(ここにδはイオウ欠陥量を示す)であるペロブス
カイト硫化物を得る。MnSに代えてCuSを用いれば
主成分がYl−x Ca、 Cu5q−6の硫化物混合
相が得られる。冷却は水素雰囲気での自然冷却であり、
冷却時間は1200℃から100″C迄約1時間であっ
た。硫化物セラミクスの結晶相はX線回折および高圧電
子顕微鏡によって観察した。主成分のイオウ欠陥型複合
層状ペロブスカイト構造は、既述の90に級酸化物セラ
ミクスの酸素欠陥型ペロブスカイトと同じ結晶構造であ
ることがわかった。
分混合し、得られた混合粉末をYzS3: CaS:
MnS = (1−x) : 2x :2のモル比で秤
量して直径20mmΦ、厚み5圓のペレットにプレス成
形後、再び硫化水素雰囲気で1200″Cに4時間保持
して焼成すると主成分がYl−x Cax PInSq
−6(ここにδはイオウ欠陥量を示す)であるペロブス
カイト硫化物を得る。MnSに代えてCuSを用いれば
主成分がYl−x Ca、 Cu5q−6の硫化物混合
相が得られる。冷却は水素雰囲気での自然冷却であり、
冷却時間は1200℃から100″C迄約1時間であっ
た。硫化物セラミクスの結晶相はX線回折および高圧電
子顕微鏡によって観察した。主成分のイオウ欠陥型複合
層状ペロブスカイト構造は、既述の90に級酸化物セラ
ミクスの酸素欠陥型ペロブスカイトと同じ結晶構造であ
ることがわかった。
超伝導特性を調べるためにセラミクスペレットの上面円
周に沿って対向位置に2ヶ所5n−In合金を水素気流
中で溶着させて電極とし、この電極にリード線を接続し
て抵抗の温度変化を測定した。
周に沿って対向位置に2ヶ所5n−In合金を水素気流
中で溶着させて電極とし、この電極にリード線を接続し
て抵抗の温度変化を測定した。
結晶構成陽イオンの比率をY : Ca : Mn (
or Cu)・(1−に):x:1の如く表わした時、
Xの異なる数種類の試料の抵抗率温度変化は、試料冷却
過程で測定すると第1図のようになった。ここで陽イア
− オン比率をXの比で示したが、これは仕込み原料モル比
であり、同時に複合相の主成分セラミクス組成である。
or Cu)・(1−に):x:1の如く表わした時、
Xの異なる数種類の試料の抵抗率温度変化は、試料冷却
過程で測定すると第1図のようになった。ここで陽イア
− オン比率をXの比で示したが、これは仕込み原料モル比
であり、同時に複合相の主成分セラミクス組成である。
第1図によれば、抵抗急落開始温度(超伝導転位開始温
度)は図示したようにx=0.6付近でもっとも高くな
ることがわかる。これは、既述の高温超伝導酸化物同様
Y : Ca : Mn(or Cu)=1:2:3の
組成が高温超伝導体になることを示唆しているものと考
えられる。また、第1図は電子伝導帯形成イオンとして
用いたMnがCu同様すぐれた効果をもつことを示して
いる。
度)は図示したようにx=0.6付近でもっとも高くな
ることがわかる。これは、既述の高温超伝導酸化物同様
Y : Ca : Mn(or Cu)=1:2:3の
組成が高温超伝導体になることを示唆しているものと考
えられる。また、第1図は電子伝導帯形成イオンとして
用いたMnがCu同様すぐれた効果をもつことを示して
いる。
第1図の抵抗象、落が超伝導効果に基づくものであるこ
とを確かめるために、弱磁場を印加して反磁性を観察し
た。第1図の試料A−2に3.00eという直流弱磁界
を印加し、5QUID素子を用いて磁場測定を行なった
。Yo、 33 Can、 6? MnS7をかさ比重
(mass density)の基準として用い、この
セラミクス試料の帯磁率の温度変化を第2図に示す。
とを確かめるために、弱磁場を印加して反磁性を観察し
た。第1図の試料A−2に3.00eという直流弱磁界
を印加し、5QUID素子を用いて磁場測定を行なった
。Yo、 33 Can、 6? MnS7をかさ比重
(mass density)の基準として用い、この
セラミクス試料の帯磁率の温度変化を第2図に示す。
反磁性は120に付近から観察されはじめ、完全反磁性
の20%程度の大きさを示した。これは第1図の抵抗急
落がバルク超伝導効果により生じていることを示してい
る。
の20%程度の大きさを示した。これは第1図の抵抗急
落がバルク超伝導効果により生じていることを示してい
る。
本実施例のセラミクスで用いられた陽イオン元素のイオ
ン半径(ポーリングのイオン半径)はY” 0.93
八+ Ca” 0−99A+ Mn” o、a
oA、 Cu”、” 0.72Aとなっており、置
換格子位置を占めるYとCaのイオン半径が近接してい
ることがわかる(イオン半径差6.25%)。これは既
述の90に縁起伝導酸化物におけるy3+″とBa”(
イオン半径1.35^)のイオン半径差36.84%に
比べて約176という小さな値であり、それだけ格子歪
が小さく均一組成セラミクスになり易いという特長があ
る。YとBaの如くイオン半径差の大きな組合せでは組
成不均一(Y−rich領域とBa−rich領域に分
離)が出来やすい。比較のために主成分がY : Ba
: Cu = 1 : 2 : 3の硫化物セラミク
スを焼成し、上と同様なペレットに成形して電極を設け
、第1図同様冷却過程で抵抗の温度変化を調べると、超
伝導開始温度が78にであり、第1図の試料A−4に比
べて約30M低い値を示すことがわかった。
ン半径(ポーリングのイオン半径)はY” 0.93
八+ Ca” 0−99A+ Mn” o、a
oA、 Cu”、” 0.72Aとなっており、置
換格子位置を占めるYとCaのイオン半径が近接してい
ることがわかる(イオン半径差6.25%)。これは既
述の90に縁起伝導酸化物におけるy3+″とBa”(
イオン半径1.35^)のイオン半径差36.84%に
比べて約176という小さな値であり、それだけ格子歪
が小さく均一組成セラミクスになり易いという特長があ
る。YとBaの如くイオン半径差の大きな組合せでは組
成不均一(Y−rich領域とBa−rich領域に分
離)が出来やすい。比較のために主成分がY : Ba
: Cu = 1 : 2 : 3の硫化物セラミク
スを焼成し、上と同様なペレットに成形して電極を設け
、第1図同様冷却過程で抵抗の温度変化を調べると、超
伝導開始温度が78にであり、第1図の試料A−4に比
べて約30M低い値を示すことがわかった。
一方、電極を設けてない第1図試料へ−4と同じ組成の
セラミクスペレットをスパッタリングターゲットにして
、サファイア基板上に厚さ約5μmの薄膜状セラミクス
を形成した。この試料の両端に5n−In合金を蒸着ア
ロイングしてリード線を取付は通電テストを行なった。
セラミクスペレットをスパッタリングターゲットにして
、サファイア基板上に厚さ約5μmの薄膜状セラミクス
を形成した。この試料の両端に5n−In合金を蒸着ア
ロイングしてリード線を取付は通電テストを行なった。
その結果液体窒素温度で最大約5 XIO’ A/cI
Ilの電流通電が可能であった。
Ilの電流通電が可能であった。
(その2)高純度5c2S、、、 MgSO4およびC
uO粉末を原料としてセラミクス硫化物を焼成した。出
発材料を5C2S3 : Mg5On : CuO=
x : 2(1−x) : 1のモル比でよく混合した
後硫化水素雰囲気で1100°Cに保持すると、硫化物
粉末が得られる。この硫化物粉末を直径12mmΦ、厚
み5III[11の円形ペレットにプレス整形後再び硫
化水素雰囲気で1200’Cに2時間保持した。しかる
後水素気流中でほぼ200°C迄徐冷した。この過程で
得られた硫化物セラミクスペレットをX線回折すると、
主成分は(ScXMg+−x)z CuS4であること
がわかった。x=1とした試料5c2CuS4の回折X
線データにはbroadningが認められ、硫黄欠陥
によるものと同定された。
uO粉末を原料としてセラミクス硫化物を焼成した。出
発材料を5C2S3 : Mg5On : CuO=
x : 2(1−x) : 1のモル比でよく混合した
後硫化水素雰囲気で1100°Cに保持すると、硫化物
粉末が得られる。この硫化物粉末を直径12mmΦ、厚
み5III[11の円形ペレットにプレス整形後再び硫
化水素雰囲気で1200’Cに2時間保持した。しかる
後水素気流中でほぼ200°C迄徐冷した。この過程で
得られた硫化物セラミクスペレットをX線回折すると、
主成分は(ScXMg+−x)z CuS4であること
がわかった。x=1とした試料5c2CuS4の回折X
線データにはbroadningが認められ、硫黄欠陥
によるものと同定された。
したがってx=0.8とした時の単相主成分は(Sco
、 aMgo、zL CuS4−6の如く書ける。この
試料(x=0.8)の抵抗値温度変化を調べるために、
前実施例同様円形ペレット上面の両端に1対の5n−I
n電極をアロイングし、該電極からリード線を取出した
。リード線の両端に直流電源を接続して試料をタライオ
スタットに保持し、液体ヘリウムに浸漬して冷却過程に
おける抵抗率を温度の関数として測定した。比較のため
にSc−Mg−Cu−5系セラミクス焼成と同様のプロ
セスで前記出発材料組成比Xを0.8とした5c−Ca
−Co−5系、および5c−Ba−Cu−5系セラミク
ス粉末を焼成し、円形ペレット (直径12薗Φ、厚さ
5mm)に仕上げて電極とリード線を取付け、抵抗の温
度変化を測定した。得られた結果を第3図に示す。本発
明の硫化物セラミクスは全て超伝導状態になることが示
されているが、抵抗値急激低下温度はアルカリ土類金属
元素の種類によって明らかに異なっていることがわかる
。Sc (ポーリングのイオン半径0.81A)に対す
るアルカリ土類金属元素のイオン半径はMg” 0.6
5A、 Ca” 0.99A+Ba” 1.35Aであ
り、Scに対するイオン半径差はMg2+の場合8.2
%、 Ca2+の場合18.9%、 Ba”+の場合5
0%である。イオン半径差が小さい組合せのセラミクス
系はど超伝導開始温度が高いことは、硫化物セラミクス
の主成分である(Scol、M。、z)zcuS4−δ
(ただしM=Mg、 CaまたはBa)の組成均一性(
完全性)が非常に重要であることを示唆している。すな
わち、Scとイオン半径差の小さなアルカリ土類金属元
素の組合せ程格子歪が小さく、それ故精密な組成制御、
均一混合が可能であり、これがTcに反映されると考え
られる。実際、回折X線の半値幅はMg系がもっとも狭
く、次いでCa系、 Ba系の順であった。この半値幅
データは(Sco、 aMo、 Z) 2CLIS4−
6の結晶性の良さを反映している。
、 aMgo、zL CuS4−6の如く書ける。この
試料(x=0.8)の抵抗値温度変化を調べるために、
前実施例同様円形ペレット上面の両端に1対の5n−I
n電極をアロイングし、該電極からリード線を取出した
。リード線の両端に直流電源を接続して試料をタライオ
スタットに保持し、液体ヘリウムに浸漬して冷却過程に
おける抵抗率を温度の関数として測定した。比較のため
にSc−Mg−Cu−5系セラミクス焼成と同様のプロ
セスで前記出発材料組成比Xを0.8とした5c−Ca
−Co−5系、および5c−Ba−Cu−5系セラミク
ス粉末を焼成し、円形ペレット (直径12薗Φ、厚さ
5mm)に仕上げて電極とリード線を取付け、抵抗の温
度変化を測定した。得られた結果を第3図に示す。本発
明の硫化物セラミクスは全て超伝導状態になることが示
されているが、抵抗値急激低下温度はアルカリ土類金属
元素の種類によって明らかに異なっていることがわかる
。Sc (ポーリングのイオン半径0.81A)に対す
るアルカリ土類金属元素のイオン半径はMg” 0.6
5A、 Ca” 0.99A+Ba” 1.35Aであ
り、Scに対するイオン半径差はMg2+の場合8.2
%、 Ca2+の場合18.9%、 Ba”+の場合5
0%である。イオン半径差が小さい組合せのセラミクス
系はど超伝導開始温度が高いことは、硫化物セラミクス
の主成分である(Scol、M。、z)zcuS4−δ
(ただしM=Mg、 CaまたはBa)の組成均一性(
完全性)が非常に重要であることを示唆している。すな
わち、Scとイオン半径差の小さなアルカリ土類金属元
素の組合せ程格子歪が小さく、それ故精密な組成制御、
均一混合が可能であり、これがTcに反映されると考え
られる。実際、回折X線の半値幅はMg系がもっとも狭
く、次いでCa系、 Ba系の順であった。この半値幅
データは(Sco、 aMo、 Z) 2CLIS4−
6の結晶性の良さを反映している。
(SCo、a M9o、z)z CuS4−6を主成分
とするセラミクスペレット (ペレットI)と(Sco
、 a Bao、 2) ZCuS、−6を主成分とす
るセラミクスペレット(ペレット2)とを同時に400
″C迄空気中で加熱し、室温迄象、冷する熱サイクルを
5回繰返した後両ペレットの抵抗率温度変化を調べた。
とするセラミクスペレット (ペレットI)と(Sco
、 a Bao、 2) ZCuS、−6を主成分とす
るセラミクスペレット(ペレット2)とを同時に400
″C迄空気中で加熱し、室温迄象、冷する熱サイクルを
5回繰返した後両ペレットの抵抗率温度変化を調べた。
この結果、ペレッ)1の特性は第3図に示した特性と殆
兄ど変化はなかったがペレット2では抵抗率急落開始温
度が28Kから約10に低下し、また勾配d’P/dT
が緩やかになっていることがわかった。この劣化は熱サ
イクルによる組成不均一によって生じたものであり、希
土類元素とアルカリ土類金属元素のイオン半径差が大き
い組合せは熱的変化に対して弱いことを示している。
兄ど変化はなかったがペレット2では抵抗率急落開始温
度が28Kから約10に低下し、また勾配d’P/dT
が緩やかになっていることがわかった。この劣化は熱サ
イクルによる組成不均一によって生じたものであり、希
土類元素とアルカリ土類金属元素のイオン半径差が大き
い組合せは熱的変化に対して弱いことを示している。
(その3)高純度LaCO3+ SrCO3およびCu
C03(またはMn5O4)を原料として用い、所定モ
ル比で十分混合した後空気中で800〜1000″Cに
保持して酸化物粉末を得る。この焼成粉を再度粉砕して
混合後、セレン化水素雰囲気で1000℃に保持すると
La−5r−Cu(or Mn)−3e系セラミクスが
得られる。出発材料のモル比をLa : Sr : C
u (or Mn) = x : (1−x) :0、
Oの如く選定すれば、焼成したセラミクスの主成分は前
実施例同様(LaXSr+−x)z Cu5e4−6
(又は(La、 Sr+−x)、 Mn5e4−61で
あり、また出発材料のモル比がLa : Sr : C
u (or Mn) = V : (1−y):1であ
れば焼成セラミクスの主成分はLay Sr、□Cu5
eq−δとなることが確かめられた。各セラミクスを直
径12朧Φ、厚さ5鵬の円形ベレットに圧縮成形し、該
ベレットを再びセレン化水素雰囲気で1000″Cに1
時間保持後水素雰囲気で徐冷するとセレン欠陥構造のセ
ラミクスが出来る。得られたペレットの上面両端に1対
の5n−In電極をアロイングして、電極にリード線を
取りつける。次いで、タラビオスタット中で冷却しなが
ら、冷却過程における抵抗の温度変化を測定した。x=
0.9. y=0.5の各試料におけるデータを第4図
に示す。本発明のセレン化物セラミクスはいずれも超伝
導特性を示すことがわかる。ただし、このセレン化物セ
ラミクスは化学的に不安定であり、湿度が高い雰囲気に
長時間曝しておくと吸湿して組成変化を生し、超伝導特
性が劣化するという問題がある。
C03(またはMn5O4)を原料として用い、所定モ
ル比で十分混合した後空気中で800〜1000″Cに
保持して酸化物粉末を得る。この焼成粉を再度粉砕して
混合後、セレン化水素雰囲気で1000℃に保持すると
La−5r−Cu(or Mn)−3e系セラミクスが
得られる。出発材料のモル比をLa : Sr : C
u (or Mn) = x : (1−x) :0、
Oの如く選定すれば、焼成したセラミクスの主成分は前
実施例同様(LaXSr+−x)z Cu5e4−6
(又は(La、 Sr+−x)、 Mn5e4−61で
あり、また出発材料のモル比がLa : Sr : C
u (or Mn) = V : (1−y):1であ
れば焼成セラミクスの主成分はLay Sr、□Cu5
eq−δとなることが確かめられた。各セラミクスを直
径12朧Φ、厚さ5鵬の円形ベレットに圧縮成形し、該
ベレットを再びセレン化水素雰囲気で1000″Cに1
時間保持後水素雰囲気で徐冷するとセレン欠陥構造のセ
ラミクスが出来る。得られたペレットの上面両端に1対
の5n−In電極をアロイングして、電極にリード線を
取りつける。次いで、タラビオスタット中で冷却しなが
ら、冷却過程における抵抗の温度変化を測定した。x=
0.9. y=0.5の各試料におけるデータを第4図
に示す。本発明のセレン化物セラミクスはいずれも超伝
導特性を示すことがわかる。ただし、このセレン化物セ
ラミクスは化学的に不安定であり、湿度が高い雰囲気に
長時間曝しておくと吸湿して組成変化を生し、超伝導特
性が劣化するという問題がある。
この問題を解決する手段のひとつとして、セレン化物を
硫セレン化物として陰イオンの安定化をはかる手法があ
る。上記したセレン化物セラミクス粉末のうちx=0.
9の(Lao、 9 Sro、 l)2 Cu5e4を
主成分とするセラミクスを選び、これを1100″Cで
硫化水素、セレン化水素混合ガス中で1時間熱処理した
。熱処理後のセラミクスのセレニウムとイオウの比は(
Lao、 q Sro、 +)z CuS4を主成分と
するセラミクスおよび(Lao、 9 Sro、 l)
2 Cu5e4を主成分とするセラミクスを標準試料と
して、予めX線回折ピークによる較正曲線を作り、被測
定試料のX線回折データから定めた。精密化学分析デー
タとの比較から、このXli測定法による誤差は±1%
程度であることがわかった。混晶セラミクスを(Lao
、w Sro、 +)g Cu(Se+−* Sg )
4−6と表示した時、z=0.05.0.52.および
0.81を主成分とする硫セレン化物セラミクスの抵抗
の温度変化は第5図のようになった。2(すなわちイオ
ウの混合割合)が大きい程超伝導開始温度は低下するが
、セラミクスの化学的安定性は増加する。実験結果では
z=0.5とした時、セレン化物の不安定性はかなり改
善されることがわかった。z=0.5における超伝導開
始温度は2=0 (すなわちセレン化物)におけるより
も約8度低いが、実用性は高いといえる。
硫セレン化物として陰イオンの安定化をはかる手法があ
る。上記したセレン化物セラミクス粉末のうちx=0.
9の(Lao、 9 Sro、 l)2 Cu5e4を
主成分とするセラミクスを選び、これを1100″Cで
硫化水素、セレン化水素混合ガス中で1時間熱処理した
。熱処理後のセラミクスのセレニウムとイオウの比は(
Lao、 q Sro、 +)z CuS4を主成分と
するセラミクスおよび(Lao、 9 Sro、 l)
2 Cu5e4を主成分とするセラミクスを標準試料と
して、予めX線回折ピークによる較正曲線を作り、被測
定試料のX線回折データから定めた。精密化学分析デー
タとの比較から、このXli測定法による誤差は±1%
程度であることがわかった。混晶セラミクスを(Lao
、w Sro、 +)g Cu(Se+−* Sg )
4−6と表示した時、z=0.05.0.52.および
0.81を主成分とする硫セレン化物セラミクスの抵抗
の温度変化は第5図のようになった。2(すなわちイオ
ウの混合割合)が大きい程超伝導開始温度は低下するが
、セラミクスの化学的安定性は増加する。実験結果では
z=0.5とした時、セレン化物の不安定性はかなり改
善されることがわかった。z=0.5における超伝導開
始温度は2=0 (すなわちセレン化物)におけるより
も約8度低いが、実用性は高いといえる。
本発明の超伝導セラミクスは、硫黄またはセレニウムの
点欠陥を含むもので、空格子点はプラス電荷を帯びてい
る。この空間電荷を中和するための一手段として電子親
和力の大きな陰イオン元素を添加する方法がある。電気
的中立の条件を満足することは、硫黄またはセレニウム
の点欠陥密度を制御し、再現性の高いデータを得るため
に有効である。イオウまたはセレニウム格子位置を置換
する添加元素としては周期律表第■族のフッ素。
点欠陥を含むもので、空格子点はプラス電荷を帯びてい
る。この空間電荷を中和するための一手段として電子親
和力の大きな陰イオン元素を添加する方法がある。電気
的中立の条件を満足することは、硫黄またはセレニウム
の点欠陥密度を制御し、再現性の高いデータを得るため
に有効である。イオウまたはセレニウム格子位置を置換
する添加元素としては周期律表第■族のフッ素。
塩素、臭素が適当である。たとえば、第5図に示したz
=0.05の(Lao、 gsro、 +)t Cu(
Seo、 9SSO,O5) a−8を主成分とするセ
ラミクスを■C1雰囲気で1000°Cに10分間程度
保持すると、Seの1%程度の塩素がセレニウム格子点
に入り、この結果超伝導臨界温度が約5度高温側にシフ
トしていることが抵抗率一温度曲線から認められた。
=0.05の(Lao、 gsro、 +)t Cu(
Seo、 9SSO,O5) a−8を主成分とするセ
ラミクスを■C1雰囲気で1000°Cに10分間程度
保持すると、Seの1%程度の塩素がセレニウム格子点
に入り、この結果超伝導臨界温度が約5度高温側にシフ
トしていることが抵抗率一温度曲線から認められた。
以上詳細に説明したように、本発明では高温超伝導体と
して最近盛んに開発されているペロブスカイト型酸化物
セラミクスを念頭におきつつ、ペロブスカイト構成陽イ
オン、とくに相互に置換可能な等価格子位置を占める希
土類元素イオンとアルカリ土類金属元素イオンのイオン
半径に着目して、イオン半径差の極力小さな組み合せを
選択することによって結晶内での元素混和性を向上させ
、かつ格子歪を小さくして超伝導特性を向上させること
を主眼とする新材料の開示を行なった。このようなイオ
ン半径差の小さな陽イオン材料組合せで生ずる電子伝導
帯形成のミスマツチはペロブスカイト構成陰イオンを従
来の酸素から硫黄やセレニウムに変換することで回避す
ることが出来、良好な超伝導特性が示された。なお、上
記した各実施例では、イオン半径差の小さな希土類元素
イオンとアルカリ土類金属元素イオンをそれぞれ1種′
類のみ選択したが、どちらかの族の元素を複数用いてイ
オン半径差を補償することも可能である。
して最近盛んに開発されているペロブスカイト型酸化物
セラミクスを念頭におきつつ、ペロブスカイト構成陽イ
オン、とくに相互に置換可能な等価格子位置を占める希
土類元素イオンとアルカリ土類金属元素イオンのイオン
半径に着目して、イオン半径差の極力小さな組み合せを
選択することによって結晶内での元素混和性を向上させ
、かつ格子歪を小さくして超伝導特性を向上させること
を主眼とする新材料の開示を行なった。このようなイオ
ン半径差の小さな陽イオン材料組合せで生ずる電子伝導
帯形成のミスマツチはペロブスカイト構成陰イオンを従
来の酸素から硫黄やセレニウムに変換することで回避す
ることが出来、良好な超伝導特性が示された。なお、上
記した各実施例では、イオン半径差の小さな希土類元素
イオンとアルカリ土類金属元素イオンをそれぞれ1種′
類のみ選択したが、どちらかの族の元素を複数用いてイ
オン半径差を補償することも可能である。
たとえば実施例(その1)で述べたY−Ca−Cu−S
系セラミクスで、希土類元素イオンをY単独から(Yl
La)の組合せとすればCaのイオン半径に更に近づく
ので、(Yl−+++ La5)+−xCa)I Cu
5q−6は陽イオン間の混和性がさらに高くなり、その
結果TcがYl−XCa、 C11S9−6より高温に
シフトするのが認められた。
系セラミクスで、希土類元素イオンをY単独から(Yl
La)の組合せとすればCaのイオン半径に更に近づく
ので、(Yl−+++ La5)+−xCa)I Cu
5q−6は陽イオン間の混和性がさらに高くなり、その
結果TcがYl−XCa、 C11S9−6より高温に
シフトするのが認められた。
本発明ではまた、電子伝導帯形成陽イオンとして従来か
ら用いられている銅と同様マンガンも良好な特性を示す
ことを開示した。本発明の実施例では、合成セラミクス
が必らずしも単相成分だけではなかったが、製造方法を
洗練することによって単相化は可能であり、その場合一
層雇い超伝導特性が得られると期待される。
ら用いられている銅と同様マンガンも良好な特性を示す
ことを開示した。本発明の実施例では、合成セラミクス
が必らずしも単相成分だけではなかったが、製造方法を
洗練することによって単相化は可能であり、その場合一
層雇い超伝導特性が得られると期待される。
また本発明の実施例では、超伝導セラミクスの製法とし
て粉末の蒸気熱処理法のみを開示したが、酸化物セラミ
クスでも用いられているように、共沈法やスプレー法も
用いうろことは自明である。
て粉末の蒸気熱処理法のみを開示したが、酸化物セラミ
クスでも用いられているように、共沈法やスプレー法も
用いうろことは自明である。
第1〜第5図は、本発明の超伝導セラミクスの特性を示
すための図である。 手続補正書(帥) 昭和63年9月8日
すための図である。 手続補正書(帥) 昭和63年9月8日
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、スカンジウム、イットリウムおよびランタノイド族
から成る希土類元素群より選んだ少なくとも1種類の元
素(以下元素Aという)とアルカリ土類金属元素群に属
する少なくとも1種類の元素(以下元素Bという)と銅
またはマンガン(以下元素Cという)とを結晶構成陽イ
オン元素として有し、硫黄およびセレニウムから成る群
から選んだ少なくとも1種類の元素を結晶構成陰イオン
元素として有する複合層状ペロブスカイト型超伝導用セ
ラミクス。 2、元素Aがイットリウム、元素Bがカルシウム、元素
Cがマンガンまたは銅である特許請求の範囲第1項記載
の超伝導用セラミクス。 3、元素Aがスカンジウム、元素Bがマグネシウム、元
素Cが銅である特許請求の範囲第1項記載の超伝導用セ
ラミクス。 4、元素Aがランタン、元素Bがストロンチウム、元素
Cがマンガンまたは銅であり、結晶構成陰イオン元素が
セレニウムまたは硫黄、セレニウムの2種類である特許
請求の範囲第1項記載の超伝導用セラミクス。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62155314A JPS63319245A (ja) | 1987-06-24 | 1987-06-24 | 超伝導用セラミクス |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62155314A JPS63319245A (ja) | 1987-06-24 | 1987-06-24 | 超伝導用セラミクス |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63319245A true JPS63319245A (ja) | 1988-12-27 |
Family
ID=15603180
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62155314A Pending JPS63319245A (ja) | 1987-06-24 | 1987-06-24 | 超伝導用セラミクス |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63319245A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6418917A (en) * | 1987-07-10 | 1989-01-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Superconductor |
JPS6452321A (en) * | 1987-08-21 | 1989-02-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Superconductor |
JPH08239214A (ja) * | 1987-09-18 | 1996-09-17 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 超伝導物質、超伝導材料 |
-
1987
- 1987-06-24 JP JP62155314A patent/JPS63319245A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6418917A (en) * | 1987-07-10 | 1989-01-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Superconductor |
JPS6452321A (en) * | 1987-08-21 | 1989-02-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Superconductor |
JPH08239214A (ja) * | 1987-09-18 | 1996-09-17 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 超伝導物質、超伝導材料 |
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