WO2007135831A1 - 超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法 - Google Patents

超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法 Download PDF

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Shuji Hahakura
Kazuya Ohmatsu
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Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H10N60/0296—Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers
    • H10N60/0576—Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers characterised by the substrate
    • H10N60/0632—Intermediate layers, e.g. for growth control

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting thin film material and a method for producing a superconducting thin film material, for example, a superconducting thin film material having excellent superconducting characteristics and a method for producing a superconducting thin film material.
  • a superconducting thin film material is formed by laminating an intermediate layer 102 on a substrate 101 and further forming a superconducting layer 103 on the intermediate layer 102.
  • JP-A-11-53967 discloses an oriented polycrystalline substrate having an oriented polycrystalline intermediate layer. It is.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional superconducting thin film material.
  • Patent Document 1 in order to improve the orientation of a superconducting layer, a method of forming an intermediate layer on a substrate having a crystal orientation on the surface and further forming a superconducting layer on the intermediate layer. Is disclosed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 11-53967
  • the superconducting layer is formed by performing a heating reaction, so that the constituent elements of the superconducting layer diffuse to the substrate side, An element diffusion reaction in which the constituent elements of the substrate diffuse to the superconducting layer side occurs. If the constituent elements of the substrate reach the superconducting layer beyond the intermediate layer, they will react with the superconducting elements that make up the superconducting layer. If the superconducting properties are degraded, there will be a problem.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a superconducting thin film material that prevents element diffusion reaction and obtains good superconducting characteristics, and It is to provide a method of manufacturing a superconducting thin film material.
  • the present inventor has found that the problem of the element diffusion reaction in the superconducting thin film material is an intermediate It has been found that this is due to the thickness of the layer. If the thickness of the intermediate layer is not sufficiently thick, there is a problem that the elements constituting the substrate reach the superconducting layer beyond the intermediate layer and cause an element diffusion reaction. As a result of intensive studies to prevent such element diffusion reaction, the present inventor has found the film thickness of the intermediate layer necessary for preventing element diffusion reaction.
  • a superconducting thin film material includes a substrate, an intermediate layer, and a superconducting layer.
  • the intermediate layer is formed on the substrate and has one layer or two layers or more and a thickness of 0.4 m or more.
  • the superconducting layer is formed on the intermediate layer.
  • the superconducting thin film material of the present invention element diffusion between the substrate and the superconducting layer can be prevented by setting the thickness of the intermediate layer to 0.4 m or more. Therefore, since the deterioration of the properties of the formed superconducting layer can be prevented, the superconducting thin film material can obtain good superconducting properties.
  • the material constituting the intermediate layer is an oxide having a crystal structure of at least one of a rock salt type, a fluorite type, a perovskite type, and a pyrochlore type.
  • the material constituting the substrate is an oriented metal.
  • the material force constituting the intermediate layer includes at least one of S yttria stable zirconia, cerium oxide, magnesium oxide, and strontium titanate.
  • the method for producing a superconducting thin film material of the present invention is a method for producing the above superconducting thin film material, and includes a step of preparing a substrate and a step of forming one or more intermediate layers on the substrate. And a step of forming a superconducting layer.
  • the superconducting layer is formed on the intermediate layer by at least one of a gas phase method and a liquid phase method.
  • a superconducting layer having a surface excellent in crystal orientation and surface smoothness can be formed in the step of forming a superconducting layer. For this reason, it is possible to obtain a good superelectric power with a large critical current value and a large critical current density. It is possible to manufacture a superconducting thin film material that can obtain conductive characteristics.
  • the thickness of the intermediate layer is 0.4 m or more, the thickness of the intermediate layer is sufficient, so that the element diffusion reaction is prevented and good superconductivity is achieved. Characteristics can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a superconducting thin film material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of the superconducting thin film material in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a superconducting thin film material in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing critical current values for superconducting thin film materials in examples of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional superconducting thin film material.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a superconducting thin film material in an embodiment of the present invention.
  • a superconducting thin film material according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • superconducting thin film material 10 in the embodiment is formed on substrate 11, one or more intermediate layers 12 formed on substrate 11, and intermediate layer 12. And a superconducting layer 13.
  • the thickness of the intermediate layer 12 is not less than 0.
  • the material constituting the substrate 11 is preferably a metal.
  • the substrate 11 is more preferably an oriented metal substrate.
  • An oriented metal substrate is an in-plane surface of the substrate. This means a substrate with the same crystal orientation in the biaxial direction.
  • Ni nickel
  • Cr chromium
  • Mn manganese
  • Co cobalt
  • Fe iron
  • P d palladium
  • Cu copper
  • Ag silver
  • Au gold
  • an alloy having two or more metal forces is preferably used.
  • These metals can be laminated with other metals or alloys, for example, an alloy such as SUS, which is a high-strength material.
  • the material of the substrate 11 is not particularly limited to this, and for example, a material other than metal may be used.
  • the substrate 11 has, for example, a thickness of ⁇ to 200 / ⁇ m and a long strip shape.
  • the thickness X of the intermediate layer 12 is 0.4 ⁇ m or more.
  • the thickness x is preferably 0.8 m or more, more preferably 1 .: L m or more.
  • the thickness y of the intermediate layer 102 in the conventional superconducting thin film material 100 is thin, the constituent elements of the substrate 101 move to the superconducting layer 103, and the constituent elements of the superconducting layer 103 move to the substrate 101. Element diffusion reaction occurs.
  • the present inventor has found that the thickness of the intermediate layer 12 capable of preventing the element diffusion reaction is not less than 0. That is, when the thickness X of the intermediate layer 12 is 0.4 m or more, the element diffusion reaction can be prevented and good superconducting characteristics can be obtained.
  • An element diffusion reaction can be further prevented by setting the thickness X to 0.8 m or more, and an element diffusion reaction can be further prevented by setting the thickness X to 1.1 ⁇ m or more. it can.
  • the material constituting the intermediate layer 12 is preferably an oxide having a crystal structure of at least one of a rock salt type, a fluorite type, a perovskite type, and a pie mouth chroma type. Acids with such a crystal structure include acid cerium (CeO), acid formum (Ho
  • Rare earth elements such as O), yttrium oxide (Y O), and ytterbium oxide (Yb o)
  • Oxides yttria-stabilized zirconium oxide (YSZ), magnesium oxide (MgO), strontium titanate (SrTiO), BZO (BaZrO), aluminum oxide (Al 2 O 3), and Ln—M—
  • the materials constituting the intermediate layer 12 are yttria stable zirconia (YSZ), cerium oxide (CeO), magnesium oxide (MgO),
  • These materials are superconducting materials with extremely low reactivity with the superconducting layer 13.
  • the superconducting property of the superconducting layer 13 is not deteriorated even if it enters the boundary surface in contact with the layer 13.
  • a metal is used as the material constituting the substrate 11, the difference between the substrate 11 having crystal orientation on the surface and the superconducting layer 13 is relaxed, and the surface of the superconducting layer 13 is formed at a high temperature.
  • it can serve to prevent the outflow of metal atoms from the substrate 11 made of oriented metal having crystal orientation to the superconducting layer 13.
  • the material constituting the intermediate layer 12 is not particularly limited to this.
  • the intermediate layer 12 preferably has good crystal orientation.
  • Examples of the material having good crystal orientation include the above materials.
  • the intermediate layer 12 may be composed of a plurality of layers. Even in the case of being composed of a plurality of layers, the sum of the respective layers is the thickness X of the intermediate layer 12, and the thickness X of the intermediate layer 12 is 0.4 m or more.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of the superconducting thin film material in the embodiment of the present invention.
  • each layer constituting the intermediate layer 12 may be composed of different materials.
  • the intermediate layer 12 can be composed of three layers: a first layer 12a, a second layer 12b, and a third layer 12c.
  • the first layer 12a is preferably a seed crystal layer formed on the substrate 11 and serving as a nucleus for crystal growth.
  • the second layer 12b is preferably formed on the first layer 12a and is a diffusion preventing layer that prevents element diffusion reaction.
  • the third layer 12c is preferably a lattice matching layer that matches the lattice size with the superconducting layer 13 formed thereon.
  • cerium oxide can be suitably used for the seed crystal layer.
  • the diffusion preventing layer for example, yttria stable zirconium oxide can be suitably used.
  • cerium oxide can be preferably used for the lattice matching layer.
  • the intermediate layer 12 is not particularly limited to this, and may be an arbitrary number of layers, and may be two layers, four layers or more, or one layer as shown in FIG. There may be. In the case of one or two layers, it preferably has the role of a seed crystal layer, a diffusion preventing layer, and a lattice matching layer in the layer.
  • the lattice mismatch rate between the intermediate layer 12 and the superconducting layer 13 is preferably 10% or less, and the lattice mismatch rate between the intermediate layer 12 and the substrate 11 is preferably 10% or less.
  • the surface of the intermediate layer 12 on the side where the superconducting layer 13 is formed is preferably flat.
  • the surface roughness of the intermediate layer 12 is preferably lOnm or less.
  • the material constituting the superconducting layer 13 is not particularly limited, but for example, a RE-123-based superconductor is preferable.
  • the RE-123 series superconductor is REBa Cu O (y is 6
  • RE means a superconductor represented as yttrium or a rare earth element such as Gd, Sm, Ho).
  • RE means a superconductor represented as yttrium or a rare earth element such as Gd, Sm, Ho.
  • the thickness of the superconducting layer 13 can be set at, for example, 0.2 m to 5 m.
  • a superconducting thin film material is used as a superconducting wire, for example, to protect the surface of the superconducting layer 13, a surface such as an Ag (silver) stabilizing layer or a Cu (copper) stabilizing layer is formed on the superconducting layer 13.
  • a protective layer and a stabilizing layer can also be provided.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the superconducting thin film material in the embodiment of the present invention.
  • the step of preparing the substrate 11 is performed.
  • a substrate 11 serving as a base for the superconducting thin film material 10 is prepared.
  • the substrate 11 it is preferable to use a material made of a oriented metal.
  • a strip-shaped metal tape having a metallic force such as nickel can be used.
  • a step (S20) of forming the intermediate layer 12 is performed.
  • the intermediate layer 12 is formed on the prepared substrate 11 so as to have a thickness of 0.4 m or more.
  • an oxide having a crystal structure such as a rock salt type, a fluorite type, a perovskite type, or a pyrochlore type can be used.
  • a film forming method used in the step (S20) a force capable of using any film forming method, for example, a physical vapor deposition method such as a pulsed laser deposition method (PLD method) can be used.
  • PLD method pulsed laser deposition method
  • the first layer 12a is formed on the substrate 11 by, for example, physical vapor deposition.
  • the second layer 12b is formed on the first layer 12a by, for example, physical vapor deposition, and the second layer 12b is formed on the second layer 12b.
  • the third layer 12c is formed by physical vapor deposition, for example.
  • a step (S30) of forming superconducting layer 13 on the surface of intermediate layer 12 is performed.
  • the superconducting layer 13 is formed by at least one of the vapor phase method and the liquid phase method.
  • examples of the vapor phase method include a laser vapor deposition method, a sputtering method, and an electron beam vapor deposition method.
  • examples of the liquid phase method include an organic metal deposition method.
  • the temperature is preferably set to 600 ° C to 900 ° C.
  • a flattening step of flattening the surface of the substrate 11, the intermediate layer 12, or the superconducting layer 13 may be performed after performing the steps (S10, 20, 30).
  • any flattening method can be used.
  • a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, a wet etching method, a mechanical polishing method, or the like can be used.
  • Superconducting thin film material 10 can be manufactured by performing the above steps (S10 to S30).
  • a step of forming a surface protective layer (not shown) on the surface of the superconducting layer 13 may be further provided.
  • a surface protective layer made of an Ag stable layer is formed on the superconducting layer 13.
  • the superconducting thin film material 10 in the embodiment of the present invention since the thickness of the intermediate layer 12 is not less than 0, the constituent element of the substrate 11 is the superconducting layer 13? The element diffusion reaction in which the constituent elements of the layer 13 move to the substrate 11 can be prevented. Further, the superconducting thin film material 10 in the embodiment plays both the roles of good crystal orientation and element diffusion reaction prevention. Therefore, since the characteristics of the superconducting layer 13 are not deteriorated, the superconducting thin film material 10 can obtain good superconducting characteristics. [0044] [Example]
  • Example 1 a superconducting thin film material was manufactured basically in accordance with the method for manufacturing a superconducting thin film material in the embodiment. Specifically, first, in the step of preparing the substrate (S10), a Ni alloy substrate was prepared. Next, in the step of forming an intermediate layer (S20), an intermediate layer having a metal oxide strength was formed on the substrate by vapor deposition. Specifically, the intermediate layer is composed of three layers, and 0.1 ⁇ m of cerium oxide was formed as a seed crystal layer (first layer) for crystal growth on the substrate. Then, 0.2 ⁇ m of YSZ was formed as a diffusion preventing layer (second layer) on the seed crystal layer. Then, 0.1 ⁇ m of cerium oxide was formed as the lattice matching layer (third layer). Next, in the step of forming a superconducting layer (S30), HoBa Cu O (Ho
  • Example 1 BCO was formed by laser vapor deposition to a thickness of 0.8 / zm. From this, the superconducting thin film material in Example 1 was obtained.
  • the film thickness of the intermediate layer in Table 1 represents the total of the first layer, the second layer, and the third layer.
  • the superconducting thin film material in Example 2 basically has the same configuration as in Example 1.
  • the superconducting thin film material in Example 1 is the same as that in Example 1. And different.
  • the intermediate layer of the superconducting thin film material in Example 2 has a seed crystal layer (first layer) thickness of 0.1 ⁇ m and a diffusion prevention layer (second layer) thickness of 0.6 m.
  • the thickness of the lattice matching layer (third layer) was set to 0.1 m.
  • the superconducting thin film material in Example 3 basically has the same configuration as that in Example 1.
  • the difference from the superconducting thin film material in Example 1 is that the film thickness of the force intermediate layer is set to 1 .: Lm.
  • the intermediate layer of the superconducting thin film material in Example 3 has a seed crystal layer (first layer) thickness of 0.1 ⁇ m and a diffusion prevention layer (second layer) thickness of 0.9 m.
  • the thickness of the lattice matching layer (third layer) was set to 0.1 m.
  • the superconducting thin film material in Comparative Example 1 is basically different from the superconducting thin film material in Example 1 in that the force intermediate layer having the same configuration as in Example 1 has a thickness of 0.
  • the intermediate layer of the superconducting thin film material in Comparative Example 1 has a seed crystal layer (first layer) thickness of 0.1 ⁇ m, a diffusion prevention layer (second layer) thickness of 0 ⁇ m, The thickness of the lattice matching layer (third layer) was set to 0.
  • the superconducting thin film material in Comparative Example 2 is basically different from the superconducting thin film material in Example 1 in that the film thickness of the force intermediate layer having the same configuration as in Example 1 is set to 0. Specifically, the intermediate layer of the superconducting thin film material in Comparative Example 2 has a seed crystal layer (first layer) thickness of 0. m, and a diffusion prevention layer (second layer) thickness of 0. m. The thickness of the lattice matching layer (third layer) was set to 0.1 m.
  • FIG. 4 shows the results of measuring the critical current values of the superconducting thin film materials of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 as described above.
  • the horizontal axis indicates the intermediate layer thickness (unit: / z m), and the vertical axis indicates the critical current value (unit: AZcm width) of the superconducting layer.
  • the critical current value of the superconducting thin film material in Examples 1 to 3 in which the film thickness of the intermediate layer is 0.4 111 or more has a width of 128 AZcm or more and good superconducting characteristics.
  • the superconducting thin film material in Comparative Examples 1 and 2 has an intermediate layer thickness of Since it was thinner than 0.4 / zm, element diffusion reaction between the superconducting layer and the substrate occurred, and the critical current value was bad.
  • the characteristics such as the critical current value of the superconducting layer can be improved by setting the intermediate layer to 0.4 ⁇ m or more.

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Abstract

　元素拡散反応を防止して良好な超電導特性を得る超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法を提供する。超電導薄膜材料（１０）は、基板（１１）と、基板（１１）上に形成された１層または２層以上の中間層（１２）と、中間層（１２）上に形成された超電導層（１３）とを備えている。中間層（１２）の厚みは、０．４μｍ以上である。中間層（１２）を構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型、およびパイロクロア型の少なくともいずれか１つの結晶構造を有する酸化物であることが好ましい。

Description

明 細 書
超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法に関し、たとえば超 電導特性の優れた超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法に関する。 背景技術
[0002] 従来、超電導薄膜材料は、図 5に示すように、基板 101上に中間層 102を積層し、 さらに中間層 102上に超電導層 103を成膜して形成して 、る。このような超電導薄膜 材料 100において、良好な超電導特性を得るために、たとえば特開平 11— 53967 号公報 (特許文献 1)に、配向性多結晶中間層を備える配向性多結晶基材が開示さ れている。なお、図 5は、従来の超電導薄膜材料を示す断面図である。
[0003] 上記特許文献 1には、超電導層の配向性を向上するために、表面に結晶配向性を 有する基板上に、中間層を形成し、さらにその中間層上に超電導層を形成する方法 が開示されている。
特許文献 1：特開平 11― 53967号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、上記特許文献 1に開示の配向性多結晶基材では、加熱反応を行な つて超電導層を成膜するため、超電導層の構成元素は基板側に拡散するとともに、 基板の構成元素は超電導層側に拡散する元素拡散反応が生じてしまう。基板の構 成元素が、中間層を超えて超電導層に到達すると、超電導層を構成している超電導 元素と反応を起こしてしま ヽ、超電導特性を低下すると ヽぅ問題がある。
[0005] それゆえ本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発 明の目的は、元素拡散反応を防止して良好な超電導特性を得る超電導薄膜材料お よび超電導薄膜材料の製造方法を提供することである。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明者は、超電導薄膜材料における元素拡散反応が生じるという問題は、中間 層の厚みに起因することを見出した。中間層の厚みが十分に厚くないと、基板を構成 する元素が中間層を超えて超電導層まで到達し、元素拡散反応を起こしてしまうとい う問題がある。本発明者は、このような元素拡散反応を防止するために鋭意研究した 結果、元素拡散反応を防止するために必要な中間層の膜厚を見出した。
[0007] そこで、本発明にしたがった超電導薄膜材料は、基板と、中間層と、超電導層とを 備えている。中間層は、基板上に形成され、 1層または 2層以上であり、厚みが 0. 4 m以上である。超電導層は、中間層上に形成されている。
[0008] 本発明の超電導薄膜材料によれば、中間層の厚みを 0. 4 m以上とすること〖こよ つて、基板と超電導層との元素拡散を防止することができる。そのため、形成された 超電導層の特性の低下を防止できるので、超電導薄膜材料は良好な超電導特性を 得ることができる。
[0009] 上記超電導薄膜材料において好ましくは、中間層を構成する材料は、岩塩型、蛍 石型、ぺロブスカイト型、およびパイロクロア型の少なくともいずれか 1つの結晶構造 を有する酸化物である。
[0010] これらの中間層の材料は、超電導層との反応性が極めて低いため、中間層が超電 導層と接触していても超電導層と元素拡散反応がより発生しにくくなる。
[0011] 上記超電導薄膜材料において好ましくは、基板を構成する材料は配向金属であり
、中間層を構成する材料力 Sイットリア安定ィ匕ジルコユア、酸ィ匕セリウム、酸化マグネシ ゥム、およびチタン酸ストロンチウムのうちの少なくともいずれ力 1つを含んでいる。
[0012] これにより、特性の優れる配向金属を基板に用いる場合であっても、基板と超電導 層との間の元素拡散反応を抑制することができる。
[0013] 本発明の超電導薄膜材料の製造方法は、上記超電導薄膜材料を製造する方法で あって、基板を準備する工程と、基板上に 1層または 2層以上の中間層を形成するェ 程と、超電導層を形成する工程とを備えている。超電導層を形成する工程は、気相 法および液相法の少なくとも ヽずれか一方により中間層上に超電導層を形成する。
[0014] 本発明の超電導薄膜材料の製造方法によれば、超電導層を形成する工程では、 結晶配向性および表面平滑性に優れる表面を有する超電導層を形成することができ る。そのため、大きな臨界電流値および大きな臨界電流密度が得られる良好な超電 導特性が得られる超電導薄膜材料を製造することができる。
発明の効果
[0015] 本発明の超電導薄膜材料によれば、中間層の厚みを 0. 4 m以上とすること〖こよ つて、中間層の厚みが十分となるので、元素拡散反応を防止して良好な超電導特性 を得られる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明の実施の形態における超電導薄膜材料を示す断面図である。
[図 2]本発明の実施の形態における超電導薄膜材料の別の例を示す断面図である。
[図 3]本発明の実施の形態における超電導薄膜材料の製造方法を説明するための フローチャートである。
[図 4]本発明の実施例における超電導薄膜材料について臨界電流値を示す図であ る。
[図 5]従来の超電導薄膜材料を示す断面図である。
符号の説明
[0017] 10 超電導薄膜材料、 11 基板、 12 中間層、 12a 第 1の層、 12b 第 2の層、 1 2c 第 3の層、 13 超電導層。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面におい て同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない
[0019] 図 1は、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料を示す断面図である。図 1 を参照して、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料を説明する。
[0020] 図 1に示すように、実施の形態における超電導薄膜材料 10は、基板 11と、基板 11 上に形成された 1層または 2層以上の中間層 12と、中間層 12上に形成された超電導 層 13とを備えている。中間層 12の厚みは、 0. 以上である。
[0021] 詳細には、基板 11を構成する材料は金属であることが好ましい。基板 11は、配向 金属基板を用いることがさらに好ましい。なお、配向金属基板とは、基板表面の面内 の 2軸方向に関して、結晶方位が揃っている基板を意味する。配向金属基板として は、たとえば Ni (ニッケル）、 Cr (クロム）、 Mn (マンガン）、 Co (コバルト）、 Fe (鉄）、 P d (パラジウム）、 Cu (銅）、 Ag (銀）、および Au (金）のうち 2以上の金属力もなる合金 が好適に用いられる。これらの金属を他の金属または合金と積層することもでき、たと えば高強度材料である SUSなどの合金を用いることもできる。なお、基板 11の材料 は特にこれに限定されず、たとえば金属以外の材料を用いてもよい。
[0022] 基板 11は、たとえば厚みを πι〜200 /ζ mとし、長尺な帯状の形状を有してい る。
[0023] 中間層 12の厚み Xは、 0. 4 μ m以上である。厚み xは、 0. 8 m以上が好ましぐさ らに好ましくは 1.： L m以上である。図 5に示すように、従来の超電導薄膜材料 100 における中間層 102の厚み yが薄いと、基板 101の構成元素が超電導層 103に、超 電導層 103の構成元素が基板 101に移動してしまう元素拡散反応が発生する。本発 明者は、元素拡散反応を防止できる中間層 12の厚みが 0. 以上であることを見 出した。すなわち、中間層 12の厚み Xを 0. 4 m以上とすることによって、元素拡散 反応を防止でき、良好な超電導特性を得ることができる。厚み Xを 0. 8 m以上とす ることによって、元素拡散反応をより防止することができ、厚み Xを 1. 1 μ m以上とす ることによって、元素拡散反応をより一層防止することができる。
[0024] 中間層 12を構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ぺロブスカイト型、およびパイ口クロ ァ型の少なくともいずれ力 1つの結晶構造を有する酸ィ匕物であることが好ましい。この ような結晶構造を有する酸ィ匕物として、酸ィ匕セリウム（CeO )、酸ィ匕ホルミ-ゥム (Ho
2 2
O )、酸化イットリウム (Y O )、および酸化イッテルビウム (Yb o )などの希土類元素
3 2 3 2 3
酸化物、イットリア安定ィ匕ジルコユア (YSZ)、酸ィ匕マグネシウム（MgO)、チタン酸スト ロンチウム（SrTiO )、 BZO (BaZrO )、酸化アルミニウム（Al O )、および Ln— M—
3 3 2 3
O化合物（Lnは 1種以上のランタノイド元素、 Mは Sr、 Zr、および Gaの中力 選ばれ る 1種以上の元素、 Oは酸素）が挙げられる。特に、中間層 12を構成する材料が、ィ ットリア安定ィ匕ジルコユア (YSZ)、酸ィ匕セリウム (CeO )、酸化マグネシウム (MgO)、
2
およびチタン酸ストロンチウム（SrTiO )などが結晶定数および結晶配向の観点から
3
好適に用いられる。これらの材料は、超電導層 13との反応性が極めて低ぐ超電導 層 13と接触して ヽる境界面にぉ ヽても超電導層 13の超電導特性を低下させな ヽ。 特に、基板 11を構成する材料として金属を用いる場合には、表面に結晶配向性を有 する基板 11と超電導層 13との差を緩和して、超電導層 13を高温で形成する際に、 表面に結晶配向性を有する配向金属からなる基板 11から超電導層 13への金属原 子の流出を防止する役割を果たすことができる。なお、中間層 12を構成する材料は 特にこれに限定されない。
[0025] また、中間層 12は、良好な結晶配向性を有していることが好ましい。良好な結晶配 向性を有する材料としては、上記材料が挙げられる。
[0026] また、図 2に示すように、中間層 12は、複数の層により構成されていてもよい。複数 の層により構成されて ヽる場合であっても、それぞれの層の合計が中間層 12の厚み Xとなり、中間層 12の厚み Xが 0. 4 m以上とする。なお、図 2は、本発明の実施の形 態における超電導薄膜材料の別の例を示す断面図である。
[0027] 中間層 12が複数の層により構成される場合、中間層 12を構成するそれぞれの層 は互いに異なる材質により構成されていてもよい。たとえば図 2に示すように、中間層 12が第 1の層 12a、第 2の層 12b、および第 3の層 12cの 3層により構成することがで きる。この場合、第 1の層 12aは、基板 11上に形成され、結晶成長の核となる種結晶 層とすることが好ましい。第 2の層 12bは、第 1の層 12a上に形成され、元素拡散反応 を防止する拡散防止層とすることが好ましい。第 3の層 12cは、その上に形成される 超電導層 13との格子サイズのマッチングをとる格子整合層とすることが好ま 、。ま た、種結晶層は、たとえば酸ィ匕セリウムを好適に用いることができる。拡散防止層は、 たとえばイットリア安定ィ匕ジルコユアを好適に用いることができる。格子整合層は、た とえば酸ィ匕セリウムを好適に用いることができる。
[0028] 中間層 12は特にこれに限定されず、任意の数の層とすることができ、 2層であって も 4層以上であってもよいし、図 1に示すように 1層であってもよい。 1層または 2層であ る場合は、その層内で種結晶層、拡散防止層、および格子整合層の役割を有してい ることが好ましい。
[0029] なお、中間層 12と超電導層 13との格子不整合率は 10%以下、中間層 12と基板 1 1との格子不整合率は 10%以下とすることが好ましい。 [0030] 中間層 12の超電導層 13が形成される側の表面は平坦であることが好ましい。たと えば、中間層 12の表面粗さが lOnm以下とすることが好ましい。
[0031] 超電導層 13を構成する材料は特に限定されないが、たとえば RE— 123系の超電 導体とすることが好ましい。なお、 RE— 123系の超電導体とは、 REBa Cu O (yは 6
2 3 y
〜8、より好ましくはほぼ 7、 REとはイットリウム、または Gd、 Sm、 Hoなどの希土類元 素を意味する）として表される超電導体を意味する。このようにすれば、フレキシブル な金属力もなる基板 11上に中間層 12および超電導層 13を形成するので、大きな臨 界電流値および臨界電流密度を示す超電導薄膜材料を実現できる。また、超電導 層 13の厚みは、たとえば 0. 2 m〜5 mとすること力できる。
[0032] 超電導薄膜材料をたとえば超電導線材として利用する場合には、超電導層 13の 表面保護のために、超電導層 13上に Ag (銀)安定化層や Cu (銅)安定化層などの 表面保護層や安定化層（図示せず)を設けることもできる。
[0033] 次に、図 1および図 3を参照して、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料 の製造方法について説明する。なお、図 3は、本発明の実施の形態における超電導 薄膜材料の製造方法を説明するためのフローチャートである。
[0034] 図 3に示すように、まず、基板 11を準備する工程 (S10)を実施する。この工程 (S1 0)では、超電導薄膜材料 10のベースとなる基板 11を準備する。基板 11としては、配 向金属からなる材料を用いることが好ましぐたとえばニッケルなどの金属力もなる帯 状の金属テープを用いることができる。
[0035] 次に、中間層 12を形成する工程 (S20)を実施する。この工程 (S20)では、準備さ れた基板 11上に、厚みが 0. 4 m以上となるように中間層 12を形成する。中間層 1 2としては、たとえば岩塩型、蛍石型、ぺロブスカイト型、パイロクロア型といった結晶 構造を有する酸ィ匕物を用いることができる。工程 (S20)において用いる成膜方法とし ては、任意の成膜方法を用いることができる力 たとえばパルスレーザ蒸着法 (Pulse d Laser Deposition : PLD法）などの物理蒸着法を用いることができる。
[0036] なお、工程 (S20)において図 2に示すように中間層 12が複数の層力もなる場合で あっても同様に、基板 11上に第 1の層 12aをたとえば物理蒸着法により形成し、第 1 の層 12a上に第 2の層 12bをたとえば物理蒸着法により形成し、第 2の層 12b上に第 3の層 12cをたとえば物理蒸着法により形成する。
[0037] 次に、中間層 12の表面上に、超電導層 13を形成する工程 (S30)を実施する。この 工程 (S 30)では、気相法および液相法の少なくともいずれか一方により、超電導層 1 3を形成する。
[0038] 具体的には、気相法としては、たとえばレーザ蒸着法、スパッタリング法、および電 子ビーム蒸着法などが挙げられる。液相法としては、たとえば有機金属堆積法などが 挙げられる。レーザ蒸着法、スパッタリング法、電子ビーム法、および有機金属堆積 法の少なくとも 1つの方法により行なわれると、結晶配向性および表面平滑性に優れ た表面を有する超電導層 13を形成することができる。
[0039] 工程（S30)では、超電導層 13を形成する際に 600°C〜900°Cとすることが好まし い。このように高温下で超電導層 13を形成しても、中間層 12の厚みが十分にあるの で、超電導層 13と基板 11との間で原子拡散反応はほとんど生じない。
[0040] なお、工程 (S10, 20, 30)を実施した後に、基板 11、中間層 12、または超電導層 13の表面を平坦ィ匕する平坦ィ匕工程を実施してもよい。平坦ィ匕工程は、任意の平坦 化方法を用いることができ、たとえば CMP (Chemical Mechanical Polishing) 法、ウエットエッチング法、または機械研磨法などを用いることができる。
[0041] 以上の工程 (S10〜S30)を実施することにより、超電導薄膜材料 10を製造すること ができる。
[0042] また、超電導薄膜材料をたとえば超電導線材として利用する場合には、超電導層 1 3の表面上に表面保護層（図示せず)を形成する工程をさらに備えていてもよい。こ の工程では、たとえば超電導層 13上に、 Ag安定ィ匕層からなる表面保護層を形成す る。
[0043] 以上説明したように、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料 10によれば、 中間層 12の厚みが 0. 以上であるので、基板 11の構成元素が超電導層 13〖こ 、超電導層 13の構成元素が基板 11に移動する元素拡散反応を防止することができ る。また、実施の形態における超電導薄膜材料 10は、良好な結晶配向性および元 素拡散反応防止の両方の役割を果たしている。そのため、超電導層 13の特性を低 下させな 、ので、超電導薄膜材料 10は良好な超電導特性を得ることができる。 [0044] [実施例]
本発明による超電導薄膜材料の効果を確認するべぐ以下のような実験を行なった 。すなわち、表 1に示す厚みの中間層を備える実施例 1〜3および比較例 1, 2の超 電導薄膜材料を準備し、それぞれの超電導薄膜材料における臨界電流値を測定し た。各超電導薄膜材料の中間層の膜厚および臨界電流値の測定値を表 1に示す。
[0045] [表 1]
Figure imgf000009_0001
[0046] (実施例 1：超電導薄膜材料）
実施例 1では、基本的に実施の形態における超電導薄膜材料の製造方法にしたが つて、超電導薄膜材料を製造した。具体的には、まず、基板を準備する工程 (S10) では、 Ni合金基板を準備した。次に、中間層を形成する工程 (S20)では、気相蒸着 法により、基板上に金属系酸ィ匕物力もなる中間層を形成した。詳細には、中間層は 3 層からなり、基板上に結晶成長させるための種結晶層（第 1の層）として酸化セリウム を 0. 1 μ m形成した。そして、種結晶層上に拡散防止層（第 2の層）として YSZを 0. 2 μ m形成した。そして、格子整合層（第 3の層）として酸ィ匕セリウムを 0. 1 μ m形成し た。次に、超電導層を形成する工程 (S30)では、超電導層として HoBa Cu O (Ho
2 3
BCO)をレーザ蒸着法により 0. 8 /z mの膜厚となるように形成した。これ〖こより、実施 例 1における超電導薄膜材料を得た。
[0047] なお、表 1における中間層の膜厚は、第 1の層、第 2の層、および第 3の層の合計を 示す。
[0048] (実施例 2：超電導薄膜材料）
実施例 2における超電導薄膜材料は、基本的には実施例 1と同様の構成を備える 力 中間層の膜厚を 0. とした点において、実施例 1における超電導薄膜材料 と異なる。詳細には、実施例 2における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第 1 の層）の厚みを 0. 1 μ m、拡散防止層（第 2の層）の厚みを 0. 6 m、格子整合層 ( 第 3の層）の厚みを 0. 1 mとした。
[0049] (実施例 3：超電導薄膜材料）
実施例 3における超電導薄膜材料は、基本的には実施例 1と同様の構成を備える 力 中間層の膜厚を 1.： L mとした点において、実施例 1における超電導薄膜材料 と異なる。詳細には、実施例 3における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第 1 の層）の厚みを 0. 1 μ m、拡散防止層（第 2の層）の厚みを 0. 9 m、格子整合層 ( 第 3の層）の厚みを 0. 1 mとした。
[0050] (比較例 1：超電導薄膜材料）
比較例 1における超電導薄膜材料は、基本的には実施例 1と同様の構成を備える 力 中間層の膜厚を 0. とした点において、実施例 1における超電導薄膜材料 と異なる。詳細には、比較例 1における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第 1 の層）の厚みを 0. 1 μ m、拡散防止層（第 2の層）の厚みを 0 μ m、格子整合層（第 3 の層）の厚みを 0. とした。
[0051] (比較例 2：超電導薄膜材料）
比較例 2における超電導薄膜材料は、基本的には実施例 1と同様の構成を備える 力 中間層の膜厚を 0. とした点において、実施例 1における超電導薄膜材料 と異なる。詳細には、比較例 2における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第 1 の層）の厚みを 0.： m、拡散防止層（第 2の層）の厚みを 0.： m、格子整合層（ 第 3の層）の厚みを 0. 1 mとした。
[0052] (測定結果）
実施例 1〜3および比較例 1, 2の超電導薄膜材料について、上述したように臨界 電流値の値を測定した結果を図 4に表わす。図 4において、横軸は中間層膜厚 (単 位：/ z m)、縦軸は超電導層の臨界電流値 (単位: AZcm幅）を示している。
[0053] 表 1および図 4に示すように、中間層の膜厚が 0. 4 111以上でぁる実施例1〜3に おける超電導薄膜材料の臨界電流値は 128AZcm幅以上となり良好な超電導特性 を得ることができた。一方、比較例 1, 2における超電導薄膜材料は中間層の膜厚が 0. 4 /z mよりも薄力つたので、超電導層と基板との元素拡散反応が生じてしまい、臨 界電流値は悪力つた。
[0054] 本発明の実施例によれば、本発明の超電導薄膜材料において、中間層を 0. 4 μ m以上とすることにより、超電導層の臨界電流値などの特性を向上できることがわか つた o
[0055] 今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的な ものではな!/、と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく て請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての 変更が含まれることが意図される。

Claims

請求の範囲
[1] 基板 (11)と、
前記基板上に形成された 1層または 2層以上の中間層（12)と、
前記中間層（12)上に形成された超電導層 (13)とを備え、
前記中間層（12)の厚みが 0. 以上である、超電導薄膜材料（10, 20)。
[2] 前記中間層（12)を構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ベロブスカイト型、およびパ ィロクロア型の少なくともいずれか 1つの結晶構造を有する酸ィ匕物である、請求の範 囲第 1項に記載の超電導薄膜材料（10, 20)。
[3] 前記基板（11)を構成する材料は配向金属であり、
前記中間層（12)を構成する材料力イットリア安定ィ匕ジルコユア、酸ィ匕セリウム、酸 ィ匕マグネシウム、およびチタン酸ストロンチウムのうちの少なくともいずれ力 1つを含む 、請求の範囲第 1項に記載の超電導薄膜材料（10, 20)。
[4] 請求の範囲第 1項に記載の超電導薄膜材料（10, 20)を製造する方法であって、 前記基板 (11)を準備する工程 (S 10)と、
前記基板（11)上に 1層または 2層以上の厚みが 0. 4 m以上の中間層（12)を形 成する工程 (S20)と、
気相法および液相法の少なくともいずれか一方により、前記中間層（12)上に前記 超電導層（13)を形成する工程 (S30)とを備える、超電導薄膜材料の製造方法。
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