JPWO2010007929A1 - 層状化合物及び超伝導体並びにそれらの製造方法 - Google Patents

層状化合物及び超伝導体並びにそれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

ペロブスカイト型銅酸化物超伝導体に代わる新しい非酸化物系化合物超伝導体の提供。化学式AF(TM)Pn(ただし、Aは、長周期型周期表の2族元素の少なくとも1種、Fは、フッ素イオン、TMは、Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Ptから選ばれる遷移金属元素の少なくとも1種、Pnは、長周期型周期表の15族元素の少なくとも1種である。)で示され、ZrCuSiAs型(空間群P4/nmm)の結晶構造を有し、特定の3価の陽イオン又は2価の陰イオンをドープすることにより超伝導体となる層状化合物。

Description

本発明は、遷移金属元素(Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Ptの少なくとも1種)を骨格構造に有する層状化合物及び該化合物からなる超伝導体並びにそれらの製造方法に関する。
高温超電導体(ペロブスカイト型銅酸化物)が発見されて以来、室温超伝導体を目指した材料の研究開発が活発に行われ、超伝導転移温度(Tc)が100Kを超える超伝導化合物が見出された。
ペロブスカイト型銅酸化物の超伝導発現機構についても理解が進んでいる(例えば、非特許文献1、2)。また、銅以外の遷移金属イオンを含む化合物、又は新規化合物として、SrRuO(Tc=0.93K)(非特許文献3)、二ホウ化マグネシウム(Tc=39K)(非特許文献4、特許文献1)、Na0.3CoO・1.3HO(Tc=5K)(非特許文献5、特許文献2,3)などが新たに見出された。
伝導帯バンド幅に比べて、伝導電子間の相互作用が大きな強相関電子系化合物は、d電子の数が特定の値の場合に、高い超伝導転移温度を有する超伝導体となる可能性が高いことが知られている。強相関電子系は、遷移金属イオンを骨格構造に有する層状化合物で実現されている。こうした層状化合物の多くは、電気伝導性はモット絶縁体で、電子のスピン同士には、反平行に配列しようとする、反強磁性相互作用が作用している。
しかし、例えば、ペロブスカイト型銅酸化物であるLaCuOでは、La3+イオンサイトにSr2+イオンを添加したLa2−xSrCuOにおいて、xの値が0.05から0.28の範囲では、金属伝導を示す遍歴電子状態となり、低温で超伝導体状態が観測され、x=0.15で最高のTc=40Kが得られている(非特許文献6)。
最近、本発明者らは、Feを主成分とする新しい強電子相関化合物、LaOFeP及びLaOFeAsが超電導体であることを見出し、特許出願した(特許文献4,非特許文献7)。強電子相関系では、d電子の数が特定の値のとき、金属伝導を示す遍歴電子状態となり、温度を低温にすると、ある特定温度(超伝導転移温度)以下で、超伝導状態へ転移する。さらに、この超伝導体の転移温度は伝導キャリアの数によって5Kから40Kまで変化する。また、Hg、GeNbなどの旧来の超電導体が、結晶格子の熱揺らぎ(格子振動)に基づく電子対(クーパー対)が、超伝導発生機構(BCS機構)とされているのに対して、強電子相関系での超伝導は、電子スピンの熱揺らぎに基づく電子対が、超伝導発生機構とされている。
本発明者らは、さらに、強電子相関化合物であるLn(TM)OPn化合物[Lnは、Y及びランタノイド元素(La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm、Yb,Lu)の少なくとも一種であり、TMは、遷移金属元素(Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Pt)の少なくとも一種であり、Pnは、プニコゲン元素(N,P,As,Sb)の少なくとも一種である。]からなる超伝導体を見出し、特許出願した(特許文献5、非特許文献8〜10)。
また、本発明者らは、A(TM)(Pn)化合物 [Aは、長周期型周期表の2族元素の少なくとも1種、TMは、Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Ptから選ばれる遷移金属元素の少なくとも1種、Pnは、長周期型周期表の15族元素(プニコゲン元素)の少なくとも1種である。]で、超伝導体を見出し、特許出願した(特許文献6、非特許文献11)。
津田惟雄、那須奎一郎、藤森敦、白鳥紀一 改訂版「電気伝導性酸化物」,pp.350〜452,裳華房,(1993) 前川禎通,応用物理,Vol.75,No.1,pp.17−25,(2006) Y.Maeno, H.Hashimoto,K.Yoshida, S.Nishizaki, T.Fujita, J.G.Bednorz, F.Lichtenberg, Nature,372,pp.532−534(1994) J.Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka,Y.Zenitani, J.Akimitsu,Nature,410,pp.63−64,(2001) K.Takada, H.Sakurai,E.Takayama-Muromachi, F.Izumi,R.A.Dilanian,T.Sasaki, Nature,422,pp.53−55,(2003) J.B.Torrance et al., Phys.Rev.,B40,pp.8872−8877,(1989) Y.Kamihara et al.,J.Am.Chem.Soc.,128(31),pp.10012−10013,(2006) T. Watanabe et al.,Inorg.Chem.,46(19),pp.7719−7721,(2007) Y.Kamihara et al.,J.Am.Chem.Soc.,130(11),pp.3296−3297,(2008) H.Takahashi et al.,Nature,453,pp.376−378(2008) 柳 博 他、2008年春季第55回応用物理学関係連合講演会予稿集、288頁、2008年3月27日
特開2002−211916号公報 特開2004−262675号公報 特開2005−350331号公報 特開2007−320829号公報 特願2008−035977 特願2008−082386
超伝導技術の応用を飛躍的に広げるために、室温超伝導体の発見が強く望まれている。層状ペロブスカイト型銅酸化物において、転移温度が100Kを超える高温超電導体が見出されているが、まだ、室温超伝導体は見出されていない。室温超伝導体を開発するための一つの方策は、ペロブスカイト型銅酸化物に代えて、遷移金属元素を骨格構造に有する新しい層状化合物群を見出し、電子濃度、格子定数などの物質パラメータを、転移温度の高温化を目指して最適化し、高温超電導体を実現し得る化合物組成を発見することである。
本発明者らは、AF(TM)Pnで示される層状化合物において、超伝導体を実現した。本発明の超伝導体は、化学式AF(TM)Pnで示される非酸化物系層状化合物によって提供される。この化学式中Aは、長周期型周期表の2族元素の少なくとも1種、Fは、フッ素イオン、TMは、Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Ptから選ばれる遷移金属元素の少なくとも1種、Pnは、長周期型周期表の15族元素(プニコゲン元素:pnictogen)の少なくとも1種である。
前記層状化合物に3価の陽イオンをドープすることにより、AF層に電子を発生させることができ、さらに、該電子は、(TM)Pn層に移動する。また、前記層状化合物のFサイトに2価の陰イオンをドープすることにより、ホールが発生し、該ホールは、(TM)Pn層に移動し、該層のホール濃度を変化させる。
すなわち、本発明は、(1)化学式AF(TM)Pn(ただし、Aは、長周期型周期表の2族元素の少なくとも1種、Fは、フッ素イオン、TMは、Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Ptから選ばれる遷移金属元素の少なくとも1種、Pnは、長周期型周期表の15族元素の少なくとも1種である。)で示され、ZrCuSiAs型(空間群P4/nmm)の結晶構造を有し、3価の陽イオン又は2価の陰イオンをドープすることにより超伝導体となることを特徴とする層状化合物、である。
また、本発明は、(2)AがCa,Srの少なくも一種であり、TMがNi又はFeであり、PnがP,As,Sbの少なくとも1種であることを特徴とする上記(1)の層状化合物、である。
また、本発明は、(3)上記(1)の層状化合物に3価の陽イオンとしてSc,Y,La,Nd,又はGdイオンをドープしたことを特徴とする超伝導体、である。
また、本発明は、(4)上記(1)の層状化合物に2価の陰イオンとしてO,S, 又はSeイオンをドープしたことを特徴とする超伝導体、である。
また、本発明は、(5)原料として、A元素の粉末、TM元素の粉末、Pn元素の粉末、及びこれらの元素のフッ素化合物粉末を混合し、混合粉末を不活性雰囲気又は真空中、900〜1200℃で焼結することを特徴とする上記(1)の層状化合物の製造方法、である。
また、本発明は、(6)原料として、A元素の粉末、TM元素の粉末、Pn元素の粉末、これらの元素のフッ素化合物粉末、及び3価の陽イオンの元素粉末又は3価の陽イオンの元素のフッ素化合物粉末を混合し、混合粉末を不活性雰囲気又は真空中、900〜1200℃で焼結することを特徴とする上記(3)の超伝導体の製造方法、である。
また、本発明は、(7)原料として、A元素の粉末、TM元素の粉末、Pn元素の粉末、これらの元素のフッ素化合物粉末を混合し、さらに、A元素の酸化物粉末、硫化物粉末、セレン化物粉末、イオウ粉末、又はセレン粉末を追加して混合し、混合粉末を不活性雰囲気又は真空中、900〜1200℃で焼結することを特徴とする上記(4)の超伝導体の製造方法、である。
本発明は、公知の高温超伝導体と異なり、特定の遷移金属を含むプニクタイドからなる新しい化合物群のTc=20K超の第2種超伝導体を提供する。この化合物超伝導体は、原料に酸化物を含まないので、焼成雰囲気の湿度に対する許容度が大きく、また、原料を混合して該化合物を合成する際に焼成温度を低くでき、さらに、高圧合成法によらないでも該化合物を合成できるので安価に製造することができる。
本発明の超伝導体を提供する層状化合物の結晶構造のモデル図である。 実施例1の合成例1で得られた焼結体のX線回折パターンである。 実施例1の合成例1で得られた焼結体の電気抵抗の温度変化を示すグラフである。 実施例1の合成例1で得られた焼結体の磁気帯磁率の温度変化を示すグラフである。 実施例1で得られた非ドープ及びLaをドープした焼結体の電気抵抗の温度変化を示すグラフである。 実施例1で得られたLaを10原子%ドープした焼結体の磁化率の温度変化を示すグラフである。
図1に、本発明の超伝導体を提供するAF(TM)Pnで示される層状化合物の結晶構造モデルを示す。AF(TM)Pnで示される化合物は、伝導層の(TM)Pn層と絶縁層のAF層とが交互に重なる構造である。AF層から(TM)Pn層に、一部電子が移動しており、AF層はプラスに、(TM)Pn層はマイナスに帯電しており、両層間はイオン結合している。(TM)Pn層は、(TM)(Pn)4四面体が陵結合した構造であり、2次元性が強い。
また、(TM)の3d電子は遍歴性が大きく、自由イオンに比べて、磁気モーメントが著しく減少している。2次元性が強いこと及び磁気モーメントが減少していることは、超伝導発現に有利に作用する。AF層にフッ素イオンが含まれているために、化学当量比組成を作りやすい。また、Aは、2価の金属(陽)イオンであるので、Aの一部をLa3+など3価の陽イオンで置換することで、容易に電子を発生させることができる。また、FサイトにO,S,又はSeイオン等の2価の陰イオンをドープすることで、容易にホールを発生させることができる。
化学式AF(TM)Pnで示される化合物の長周期型周期表の2族元素のAとしては、Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Raが挙げられる。Ca,Sr及びそれらの混晶は、両金属の電気陰性度の差から電子を発生することができ、また、全組成領域で混晶を形成する点で好ましい。TMは、Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Ptの遷移金属元素の少なくとも1種であり、これらの遷移金属は、d電子数が偶数で、磁気モーメントをほぼ零にできるという共通の特徴を有しているが、Fe,Niは、主量子数が、最小(3)であり、電子の有効質量が大きくならない点で好ましい。
Pnは、長周期型周期表の15族元素、すなわち、N,P,As,Sb,Biから選ばれる少なくとも1種であり、これらの元素はプニコゲン元素と言われる。化学式AF(TM)Pnで示される化合物の具体例としては、SrFFeAs,CaFFeAs,(SrCa)FFeAs等が挙げられる。
また、化学式AF(TM)Pnで示される化合物のA金属サイトに3価の陽イオンをドープすることにより、AF層に電子が発生し、該電子が(TM)Pn層に移動する。(TM)Pn層の電子濃度が閾値を超えると超伝導状態が発生する。超伝導状態が出現する3価陽イオンの濃度は、A金属に対して8〜30原子%程度、好ましくは10〜20原子%程度であり、15原子%程度で超伝導転移温度(Tc)が最も高い温度となる。
3価の陽イオンとしては、長周期型周期表の3族元素のSc、Y及びランタノイド(原子番号57〜71)元素イオンが挙げられる。ランタノイド元素の中でも、La,Nd,GdはA金属イオンとイオン半径が近い点で好ましい。具体的化合物として、例えば、SrFFeAs:La,SrFFeAs:Nd,(SrCa)FFeAs:Gd,Sr(FO)FeAs等が挙げられる。さらに、3価の陽イオンとして、長周期型周期表の13族元素のB,Al,Ga,In,Tl元素イオンも使用できる。
逆に、Fイオンを2価の陰イオンで置換した場合、例えば、Sr(FO)FeAs等では、ホールが発生し、該ホールは、(TM)Pn層に移動する。(TM)Pn層のホール濃度が閾値を超えると超伝導状態が発生する。超伝導状態が出現する2価の陰イオンの濃度は、A金属に対して5〜40原子%程度、好ましくは10〜30原子%程度であり、20原子%程度で超伝導転移温度(Tc)が最も高い温度となる。
また、本発明の層状化合物は、原料として、A元素の粉末、TM元素の粉末、Pn元素の粉末、及びこれらの元素のフッ素化合物粉末、好ましくは無機フッ化物粉末を混合し、混合粉末を不活性雰囲気又は真空中で加熱焼結してAF(TM)Pnの多結晶焼結体を合成することにより製造できる。例えば、SrFFeAsの合成では、Sr,Fe,As,SrFの各粉末をSr:F:Fe:Asの原子比が1:1:1:1:となるように乾式混合し、混合物を不活性雰囲気又は真空中、900〜1200℃で、24〜48時間程度加熱して焼結する。原料及び焼成雰囲気中に水分が含まれていると異相が多くなるので、水分は可能な限り除去することが必要である。焼結により密度80%程度の焼結体が得られる。焼結体中には、50μm角程度の薄片単結晶が多く含まれている。
焼結は、比較的低温で仮焼成し、温度を上げて焼結すると異相を少なくすることができる点で好ましい。また、超伝導性のある完全なAF(TM)Pnの相にするためには、焼結体を一度粉砕して粉末にし、これを再度焼結すると単一相を得ることができる点で好ましい。焼結反応式は、下記のように示される。
Sr+2Fe+2As+SrF→2SrFFeAs
本発明の層状化合物に3価陽イオンをドープするには、3価の陽イオンの元素の金属粉末又は3価の陽イオンの元素のフッ化物、例えば、LaF、をA金属に対して3価陽イオンのLaが8〜30原子%程度となるように原料粉末に追加し、混合して上記と同じ加熱反応プロセスを行なえばよい。
本発明の層状化合物に2価の陰イオンをドープするには、A元素の酸化物粉末、硫化物粉末、セレン化物粉末等の2価陰イオンとA金属との化合物、又はイオウ粉末、又はセレン粉末等の2価の陰イオンの粉末を原料粉末に追加し、混合して上記と同じ加熱反応プロセスを行なえばよい。例えば、A金属がCaの場合、CaO、CaS、又はCaSe粉末を、Ca金属に対して2価陰イオンのO、S、又はSeが5〜40原子%程度となるように原料粉末に追加する。
次に、実施例により、本発明を詳細に説明する。
<SrFFeAsの合成例1>
Sr(粒径10〜500μm)、Fe(粒径1〜100μm)、As(粒径1〜100μm)、SrF(粒径1〜100μm)の各粉末をSr:F:Fe:Asの原子比が1:1:1:1:となるように酸素濃度0.1ppm未満、湿度0.01%程度のグローブボックス中で乳鉢を用いて乾式混合した。約1gの混合物を真空中、400℃で12時間仮焼し、次いで、1000℃で12時間加熱して焼結した。焼結体を粉砕して粒径5〜100μmの粉末とし、得られた粉末を封管し、真空中、1000℃で12時間焼結した。
得られた焼結体は、図2に示すX線回折(XRD)パターンから、SrFFeAsであることが示された。図3に、上記で得られたSrFFeAsの電気抵抗を、銀ペーストで電極を形成し、四端子法により、2Kから300Kの範囲で測定した結果を示す。また、図4に、磁気帯磁率の温度変化を示す。170K付近に電気抵抗の低下が見られるが超伝導状態が確認できない。
<LaドープSrFFeAsの合成>
Laを上記合成例1の原料混合粉末に対して、La金属粉末(粒径10〜500μm)を、Sr金属に対して5原子%、10原子%、20原子%ドープした3種類の混合粉末を作成し、上記合成例1と同じ条件で焼成し、3種類のSrFFeAs:La焼結体を合成した。
図5に、上記で得られたLaドープSrFFeAs焼結体の電気抵抗を、銀ペーストで電極を形成し、四端子法により、2Kから300Kの範囲で測定した結果を示す。Laを10原子%及び20原子%含む試料では、30K付近で、急激な電気抵抗の低下が確認できた。また、図6に、Laを10原子%ドープしたSrFFeAs焼結体の磁化率の温度変化を示す。この焼結体は、超伝導転移温度が約30Kであることが分かる。
本発明の非酸化物系層状化合物は、従来の酸化物超伝導体とは異なり、原料に酸化物を含まないために、焼成雰囲気の湿度に対して強く、かつ焼成温度が低いために製造が容易なTc=20K超の第2種超伝導体を提供することができる。この超伝導体は、循環型冷凍機と組み合わせて、小型モータ線材、NMR―CT用磁石などへの用途がある。

Claims (7)

  1. 化学式AF(TM)Pn(ただし、Aは、長周期型周期表の2族元素の少なくとも1種、Fは、フッ素イオン、TMは、Fe,Ru,Os,Ni,Pd,Ptから選ばれる遷移金属元素の少なくとも1種、Pnは、長周期型周期表の15族元素の少なくとも1種である。)で示され、ZrCuSiAs型(空間群P4/nmm)の結晶構造を有し、3価の陽イオン又は2価の陰イオンをドープすることにより超伝導体となることを特徴とする層状化合物。
  2. AがCa,Srの少なくも一種であり、TMがNi又はFeであり、PnがP,As,Sbの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の層状化合物。
  3. 請求項1記載の層状化合物に3価の陽イオンとしてSc,Y,La,Nd,又はGdイオンをドープしたことを特徴とする超伝導体。
  4. 請求項1記載の層状化合物に2価の陰イオンとしてO,S, 又はSeイオンをドープしたことを特徴とする超伝導体。
  5. 原料として、A元素の粉末、TM元素の粉末、Pn元素の粉末、及びこれらの元素のフッ素化合物粉末を混合し、混合粉末を不活性雰囲気又は真空中、900〜1200℃で焼結することを特徴とする請求項1に記載の層状化合物の製造方法。
  6. 原料として、A元素の粉末、TM元素の粉末、Pn元素の粉末、これらの元素のフッ素化合物粉末、及び3価の陽イオンの元素粉末又は3価の陽イオンの元素のフッ素化合物粉末を混合し、混合粉末を不活性雰囲気又は真空中、900〜1200℃で焼結することを特徴とする請求項3に記載の超伝導体の製造方法。
  7. 原料として、A元素の粉末、TM元素の粉末、Pn元素の粉末、これらの元素のフッ素化合物粉末を混合し、さらに、A元素の酸化物粉末、硫化物粉末、セレン化物粉末、イオウ粉末、又はセレン粉末を追加して混合し、混合粉末を不活性雰囲気又は真空中、900〜1200℃で焼結することを特徴とする請求項4に記載の超伝導体の製造方法。
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