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明細書 :酸化物超伝導薄膜およびその製造方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4559720号 (P4559720)
公開番号 特開2005-116408 (P2005-116408A)
登録日 平成22年7月30日(2010.7.30)
発行日 平成22年10月13日(2010.10.13)
公開日 平成17年4月28日(2005.4.28)
発明の名称または考案の名称 酸化物超伝導薄膜およびその製造方法
国際特許分類 H01B  12/06        (2006.01)
C01G   1/00        (2006.01)
C23C  14/06        (2006.01)
C23C  16/40        (2006.01)
C30B  29/22        (2006.01)
H01B  13/00        (2006.01)
H01L  39/24        (2006.01)
FI H01B 12/06 ZAA
C01G 1/00 S
C23C 14/06 S
C23C 16/40
C30B 29/22 501M
H01B 13/00 565D
H01L 39/24 B
請求項の数または発明の数 10
全頁数 10
出願番号 特願2003-351165 (P2003-351165)
出願日 平成15年10月9日(2003.10.9)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 「2003年(平成15年)秋季 第64会応用物理学会学術講演会 講演予稿集」第207頁に発表
審査請求日 平成18年7月20日(2006.7.20)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】503360115
【氏名又は名称】独立行政法人科学技術振興機構
【識別番号】000173809
【氏名又は名称】財団法人電力中央研究所
発明者または考案者 【氏名】吉田 隆
【氏名】松本 要
【氏名】向田 昌志
【氏名】一瀬 中
【氏名】堀井 滋
【氏名】高井 吉明
個別代理人の代理人 【識別番号】100077481、【弁理士】、【氏名又は名称】谷 義一
【識別番号】100088915、【弁理士】、【氏名又は名称】阿部 和夫
審査官 【審査官】近野 光知
参考文献・文献 吉田隆ら,低温成膜プロセスによるSm1+xBa2-xCu3O6+δ薄膜の高特性化,低温工学・超電導学会講演概要集,2003年 5月21日,vol.68,224頁
伊藤正和ら,c軸配向シード層上に作製したSm1+xBa2-xCu3O6+δ薄膜の配向性及び超伝導特性,応用物理学関係連合講演会講演予稿集,2003年 3月27日,vol.50、no.1,282頁
調査した分野 H01B 12/00~12/16
H01B 13/00
特許請求の範囲 【請求項1】
基板と、該基板上に形成され、複数の超伝導体層から構成される超伝導積層体を含み、該複数の超伝導体層はそれぞれ異なる欠陥密度を有し、前記複数の超伝導体層のそれぞれは、RE1+xBa2-xCu6+y(式中、REはLa、Nd、Sm、Eu、Gd、YおよびYbからなる群から選択され、xは0~0.2であり、yは0~2である)の一般式を有し、前記複数の超伝導体層のそれぞれは、物理気相成長法または化学気相成長法を用いて形成されており、該複数の超伝導体層は、該基板と接触する第1超伝導体層と、前記第1超伝導体層の上に形成される第2超伝導体層とを含み、前記第1超伝導体層を形成する際の基板温度は800~850℃であり、前記第2超伝導体層を形成する際の基板温度は700~800℃であることを特徴とする超伝導薄膜。
【請求項2】
前記複数の超伝導体層のそれぞれは、結晶のc軸が基板面に垂直であることを特徴とする請求項1に記載の超伝導薄膜。
【請求項3】
前記第1超伝導体層の欠陥密度は、前記第2超伝導体層の欠陥密度よりも小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の超伝導薄膜。
【請求項4】
基板上に、複数の超伝導体層から構成される超伝導積層体を積層して超伝導薄膜を製造する方法であって、
物理気相成長法または化学気相成長法を用いて、基板上に第1超伝導体層を形成する工程と、
物理気相成長法または化学気相成長法を用いて、該第1超伝導体層の上に第2超伝導体層を形成する工程と
を少なくとも備え、前記複数の超伝導体層のそれぞれは、RE1+xBa2-xCu6+y(式中、REはLa、Nd、Sm、Eu、Gd、YおよびYbからなる群から選択され、xは0~0.2であり、yは0~2である)の一般式を有し、前記第1超伝導体層を形成する際の基板温度は800~850℃であり、前記第2超伝導体層を形成する際の基板温度は700~800℃であることを特徴とする超伝導薄膜の製造方法。
【請求項5】
前記第1超伝導体層の欠陥密度が、前記第2超伝導体層の欠陥密度よりも小さいことを特徴とする請求項4に記載の超伝導薄膜の製造方法。
【請求項6】
前記第1超伝導体層を形成する工程および前記第2超伝導体層を形成する工程は、0.1Torr(13.3Pa)以上の酸素分圧を有する雰囲気下実施されることを特徴とする請求項4または5に記載の超伝導薄膜の製造方法。
【請求項7】
請求項1から3のいずれかに記載の超伝導薄膜を用いたことを特徴とする超伝導線材。
【請求項8】
請求項1から3のいずれかに記載の超伝導薄膜を用いたことを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項9】
請求項4から8のいずれかに記載の超伝導薄膜の製造方法を用いたことを特徴とする超伝導線材の製造方法。
【請求項10】
請求項4から8のいずれかに記載の酸化物系超伝導薄膜の製造方法を用いたことを特徴とする超伝導デバイスの製造方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、超伝導線材や超伝導フィルタ等に利用される酸化物系超伝導薄膜およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
Y-Ba-Cu-O系に代表される酸化物系超伝導体は、液体窒素温度(77K)よりも高い臨界温度Tを示すため、超伝導線材や超伝導フィルタへの応用が期待されている。このような酸化物系超伝導体を超伝導線材や超伝導フィルタに応用する際には、臨界電流密度Jを向上させる必要がある。また、磁場中における臨界電流密度の低下を防ぐためには、超伝導体中にピンニング点を導入する必要がある。
【0003】
このような状況の中で、Y-Ba-Cu-O系酸化物系超伝導薄膜では、Cu-Oの析出物をピンニング点とする方法が考えられている(非特許文献1参照)。しかしながら、このようなピンニング点を超伝導体中に均一に分散させるのは困難である。
【0004】
また、基板上の酸化物超伝導薄膜の結晶のc軸面が、基板の薄膜形成面と平行に配列した相の中に、結晶のc軸面が基板の薄膜形成面と垂直に配列した板状の相をピンニング点として用いる方法もある(非特許文献2参照)。しかし、この方法では、膜厚を厚くすると、ピンニング点が電流パスを遮断してしまうため、臨界電流密度Jが低下すると考えられる。
【0005】

【非特許文献1】H. Yamane, et al., J. Appl. Phys., Vol.69, No.11, 1991, pp.7948-7950
【非特許文献2】H. Fuke et al., Appl. Phys. Lett., Vol.60, No.21, 1992, pp.2686-2688
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述したように、酸化物系超伝導薄膜の臨界電流密度を向上させる例が報告されているが、酸化物系超伝導薄膜を超伝導線材や超伝導フィルタに応用する際には、臨界電流値に加えて薄膜の単位幅当たりの臨界電流値(超伝導線材の評価には、1cm幅当たりの臨界電流値を表す単位A/1cm-widthがよく用いられる)も大きくする必要がある。このためには、臨界電流密度を低下させずに、薄膜の厚さを厚くする必要がある。
【0007】
本発明は、このような課題を解決するために、酸化物系超伝導薄膜において膜厚を厚くしても臨界電流密度特性が劣化せず、磁場中における単位幅当たりの臨界電流値の大きい酸化物系超伝導薄膜を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の第1の態様である超伝導薄膜は、基板と、該基板上に形成され、複数の超伝導体層から構成される超伝導積層体を含み、該複数の超伝導体層はそれぞれ異なる欠陥密度を有し、該複数の超伝導体層は、該基板と接触する第1超伝導体層と、前記第1超伝導体層の上に形成される第2超伝導体層とを含み、前記第1超伝導体層は、前記第2超伝導体層を形成する際の基板温度よりも少なくとも50℃以上高い基板温度において形成されていることを特徴とする。前記複数の超伝導体層のそれぞれは、結晶のc軸が基板面に垂直であり、かつRE1+xBa2-xCu6+y(式中、REはLa、Nd、Sm、Eu、Gd、YおよびYbからなる群から選択され、xは0~0.2であり、yは0~2である)の一般式を有する酸化物で構成されていてもよい。また、前記第1超伝導体層の欠陥密度は、前記第2超伝導体層の欠陥密度よりも小さくすることが望ましい。

【0009】
本発明の第2の態様である超伝導薄膜の製造方法は、基板上に、複数の超伝導体層から構成される超伝導積層体を積層して超伝導薄膜を製造する方法であって、基板上に第1超伝導体層を形成する工程と、該第1超伝導体層の上に第2超伝導体層を形成する工程とを少なくとも備え、前記第1超伝導体層を形成する際の基板温度は、該第2超伝導体層を形成する際の基板温度よりも少なくとも50℃以上高いことを特徴とする。ここで、前記第1超伝導体層の欠陥密度が、前記第2超伝導体層の欠陥密度よりも小さくすることが望ましい。また、前記第1超伝導体層を形成する工程および前記第2超伝導体層を形成する工程は、0.1Torr(13.3Pa)以上の酸素分圧を有する雰囲気下,680℃以上の基板温度における物理気相成長法または化学気相成長法を用いて実施されてもよい。
【0010】
本発明の別の態様は、第1の態様の超伝導薄膜を用いた超伝導超伝導線材または超伝導デバイスである。本発明のさらに別の態様は、第2の態様の超伝導薄膜の製造方法を用いた超伝導線材または超伝導デバイスの製造方法である。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、酸化物系超伝導薄膜の臨界電流特性が磁場中での劣化を抑制することができ、磁場中で単位幅当たりの臨界電流値の大きな酸化物超伝導薄膜、超伝導線材、超伝導システム、超伝導デバイスの提供が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
本発明の超伝導薄膜の例示的構成を図1に示す。図1の超伝導薄膜は、基板1上に超伝導積層体が形成された構造を有し、該超伝導積層体は第1超伝導体層2と第2超伝導体層3から形成されている。
【0013】
本発明の基板1として、SrTiO、LaAlOなどのペロブスカイト型結晶;MgO、NiOなどの岩塩型結晶;MgAlなどのスピネル型結晶;イットリウム安定化ジルコニア、CeOなどの蛍石型結晶;希土類C型結晶;パイクロア型結晶などの酸化物;ならびに金属基板(純Ni、Ni-Cr、Ni-WなどのNi基合金基板、純Cu、Cu-NiなどのCu基合金基板、またはFe-Si、ステンレスなどのFe基合金基板)を用いることができる。また、前述の酸化物基板、前述の金属基板、窒化物基板、半導体基板の表面に前述の酸化物または硼化物(MgBなど)からなるバッファー層を形成したものを基板1として用いてもよい。より好ましい基板は、MgO基板、金属基板、酸化物で被覆された金属基板を含む。特に、酸化物で被覆された長尺状の金属基板を用いることは、超伝導線材を形成する際に有利である。基板1を形成するための材料は特に限定されるものではないが、超伝導体層を形成する酸化物系超伝導材料の格子定数に近い格子定数を有することが望ましい。
【0014】
本発明の超伝導積層体を構成するそれぞれの超伝導体層は、酸化物系超伝導材料から形成され、該材料は化学式RE1+xBa2-xCu6+y(式中、REはLa,Nd,Sm,Eu,Gd,YまたはYbであり、xは0~0.2であり、yは0~2である)で示される、希土類(RE)を含む酸化物系超伝導材料である。
【0015】
本発明の超伝導積層体は、基板1と接触して設けられ、より小さい欠陥密度を有する第1超伝導体層2と、第1超伝導体層の上に設けられ、より大きい欠陥密度を有する第2の超伝導体層3とを少なくとも含む。本発明の超伝導積層体は、基板と接触して設けられる第1層の欠陥密度がその上に設けられる第2層の欠陥密度より小さいことを条件として、3つ以上の層から構成されていてもよい。また、本発明の超伝導体層を構成するそれぞれの超伝導体層は、それぞれ異なる欠陥密度を有する。それら超伝導体層は、同一の酸化物系超伝導材料から形成されていてもよいし、異種の酸化物系超伝導材料で形成されていてもよい。以下に、2つの層から形成される超伝導積層体について詳述する。
【0016】
第1超伝導体層2は、基板1と接触して設けられ、より小さい欠陥密度を有する酸化物系超伝導材料の層である。また、第1超伝導体層2を形成する超伝導材料がc軸配向(基板面に対してc軸が垂直である)していることによって、超伝導面であるab面が基板と平行になり、基板と平行方向に大きな電流を流すことが可能になる。加えて、その上に形成される層(第2超伝導体層3または2つ以上の超伝導体層のそれぞれ)をc軸配向させるためにも、第1超伝導体層2がc軸配向していることが重要である。
【0017】
第1超伝導体層2は、レーザ蒸着法またはスパッタ蒸着法のような物理気相成長法、または有機化学蒸着法などの化学気相成長法、好ましくはパルスレーザ蒸着法(PLD)、有機金属化学蒸着法(MOCVD)を用いて形成することができる。PLDは、ターゲットの組成比が形成される薄膜の組成比に反映されるので、REとBaとの平均組成(置換量の値x)を制御する点において望ましい形成方法である。なお、本発明における「平均組成」とは、層の一部において組成のゆらぎがあってもよいが、層全体としては指定の組成を有することを意味する。本発明の超伝導積層体を構成するそれぞれの超伝導体層をPLD法によって積層する場合、超伝導体層を形成する金属の酸化物を所望の比率において混合し焼結させたものをターゲットとして用いることができる。ターゲットに照射するレーザとしては、当該技術において知られている任意のもの、たとえばAr-Fエキシマーレーザなどを用いることができる。
【0018】
また、MOCVDは、原料ガスの流量を制御することによって形成される薄膜の組成を制御することができるので、PLDと同様にREとBaとの平均組成(置換量の値x)を制御する点において望ましい形成方法である。本発明の超伝導積層体を構成するそれぞれの超伝導体層をMOCVD法によって積層する場合、原料ガスとしては超伝導体層を構成する金属の錯体、アルコキシド、アルキル化物など当該技術において知られている任意の材料を用いることができる。この際に、原料ガスの保持(気化)温度を制御して、各原料ガスの流量(分圧)を所望の組成の超伝導体層を形成するように設定することができる。第1超伝導体層2を形成する際には、より小さい欠陥密度を有し、c軸配向(基板面に対してc軸が垂直である)した超伝導体薄膜を得るために、高い基板温度(800~900℃)を用いることが望ましい。好ましくは、PLDの場合には800~850℃、MOCVDの場合には800~900℃の基板温度が用いられる。また、超伝導体材料中の酸素の組成比を所望の範囲内とするために、PLDおよびMOCVDは酸素雰囲気下で実施される。酸素分圧を0.1Torr(13.3Pa)以上とすることが望ましい。
【0019】
本明細書における「欠陥」とは、超伝導体材料を積層したままの状態では認識されないが、層の表面をエッチャント(Br-MeOHなど)でエッチングした際に、孔(ピット)が形成される部位を意味する。欠陥の存在および単位面積当たりの密度は、原子間力顕微鏡(AFM)、透過型電子顕微法(TEM)などの検出手段を用いて確認ないし測定することが可能である。超伝導体層中の欠陥は、磁界が印加される際に超伝導体積層体中に侵入する量子化磁束のピンニング点として機能する。前述の方法で形成される第1超伝導体層2中の欠陥は、nmオーダーの微細な大きさを有するために層中を基板に平行に流れる電流を阻害することがない。したがって、本発明の超伝導薄膜は、超伝導線材あるいは超伝導フィルターなどの超伝導体デバイスとして用いる際に有用である。第1超伝導体層2中の欠陥の密度は、超伝導体層の材料、基板1の材料、成膜時の基板温度および酸素分圧によって制御される。望ましい欠陥の密度は意図される用途に依存するが、たとえば、1μm平方の領域において約10個程度とすることができる。
【0020】
第1超伝導体層2は、前述のようにそれ自身がc軸配向し、かつその上に形成される超伝導体層をc軸配向させるのに充分な膜厚を有することが望ましい。第1超伝導体層2は、好ましくは100nm以下、より好ましくは30nm~50nmの範囲内の膜厚を有することが適当である。
【0021】
第2超伝導体層3は、第1超伝導体層2の上に該層と接触して設けられ、より大きい欠陥密度を有する酸化物系超伝導材料の層である。また、第1超伝導体層2の作用により、第2超伝導体層3を形成する超伝導材料はc軸配向する。したがって、超伝導面であるab面が基板と平行になり、基板と平行方向に大きな電流を流すことが可能になる。
【0022】
第2超伝導体層3は、第1超伝導体層2と同様に、レーザ蒸着法またはスパッタ蒸着法のような物理気相成長法、あるいは有機化学蒸着法などの化学気相成長法、好ましくはパルスレーザ蒸着法(PLD)、有機金属化学蒸着法(MOCVD)を用いて形成することができる。PLDに用いられるターゲットおよびレーザ、ならびにMOCVDに用いられる原料ガスは、第1超伝導体層2と同様のものを用いることができる。ただし、第2超伝導体層3を形成する際には、より大きい欠陥密度を有する超伝導体薄膜を得るために、第1超伝導体層2の形成温度よりも少なくとも50℃低い基板温度を用いることが望ましい。第2超伝導体層3は、通常680℃以上の基板温度、好ましくは730~780℃の範囲内の基板温度、より好ましくはPLDの場合には730~780℃の基板温度、MOCVDの場合には730~780℃の基板温度において形成される。また、超伝導体材料中の酸素の組成比を所望の範囲内とするために、PLDおよびMOCVDは酸素雰囲気下で実施される。酸素分圧を0.1Torr(13.3Pa)以上とすることが望ましい。
【0023】
第1超伝導体層2の成膜時基板温度を830℃とした場合の、第2超伝導体層3の成膜時基板温度と第2超伝導体層3中の欠陥密度の関係を、図4に示す。図4から明らかなように、780℃以下の基板温度を用いた場合に、欠陥密度が著しく増大していることが分かる。したがって、欠陥の密度(量)を大幅に増大させるためには、少なくとも50℃の基板温度差が必要であることが確認された。
【0024】
前述のような基板温度で作製した該酸化物系超伝導層内部には、微細な積層欠陥が晶出し、該欠陥が量子化磁束のピンニング点として機能すると考えられる。第1超伝導体層2の場合と同様、前述の方法で形成される第2超伝導体層3中の欠陥は、nmオーダーの大きさを有するために層中を基板に平行に流れる電流を阻害することがなく、本発明の超伝導薄膜を超伝導線材あるいは超伝導フィルターなどの超伝導体デバイスとして用いる際に有用である。第2超伝導体層3中の欠陥の密度は、超伝導体層の材料、基板1の材料、成膜時の基板温度および酸素分圧によって制御される。望ましい欠陥の密度は意図される用途に依存するが、たとえば、1μm平方の領域において約30個程度とすることができる。
【0025】
第2超伝導体層3は、所望される量の電流を流すのに充分な膜厚を有することが望ましい。第2超伝導体層3は、好ましくは300nm以上、より好ましくは300nm~3.0μmの範囲内の膜厚を有することが適当である。
【0026】
超伝導積層体の全膜厚(第1超伝導体層2と第2超伝導体層との合計膜厚、あるいは3つ以上の超伝導体層を用いる場合にその全膜厚)は、一般的には0.7~2.0μmであるが、特定の用途においては、全膜厚をより大きくしてもよい。
【実施例】
【0027】
(実施例1)
PLD法により、MgO基板上に、Sm-Ba-Cu-O系酸化物超伝導積層体を積層した超伝導薄膜を作製した。
【0028】
最初に、Sm1+xBa2-xCu6+y(x=0,0.04,0.08,0.12)のターゲットにエキシマレーザを照射し、MgO基板上に、膜厚10nmの第1超伝導体層を積層した。このとき、基板温度を800~850℃に、真空チャンバ内の酸素分圧を0.4Torr(53Pa)に設定した。
【0029】
得られたSm-Ba-Cu-O系酸化物で形成される第1超伝導体層を調べたところ、該酸化物の結晶のc軸は、基板の成膜面に対して垂直であることが確認された。さらに得られた第1超伝導体層をBr-MeOH(0.166体積%)を用いてエッチングし、AFMで表面観察した結果、図2に示すような表面観察像が確認された。この結果から、第1超伝導体層が約10個/μmの欠陥密度を有することが確認された。また、TEMによる微細組織観察からも、これらの積層欠陥が晶出していることが確認される。
【0030】
次に、Sm1+xBa2-xCu6+y(x=0,0.04,0.08,0.12)のターゲットにエキシマレーザを照射し、第1超伝導体層上に、膜厚500nmの第2超伝導体層を積層した。このとき、基板温度を700~800℃に、真空チャンバ内の酸素分圧を0.4Torr(53Pa)に設定した。
【0031】
第1超伝導体層の場合と同様に、得られたSm-Ba-Cu-O系酸化物で形成される第2超伝導体層を調べたところ、該酸化物の結晶のc軸は、第1超伝導体層の成膜面(すなわち、基板の成膜面)に対して垂直であることが確認された。さらに得られた第2超伝導体層をBr-MeOH(0.166体積%)を用いてエッチングし、AFMで表面観察した結果、図3に示すような表面観察像が確認された。この結果から、第2超伝導体層が約30個/μmの欠陥密度を有することが確認された。また、TEMによる微細組織観察からも、これらの欠陥が晶出していることが確認される。
【0032】
上記方法により得られた超伝導薄膜の超伝導臨界温度Tを調べたところ、90K以上であることが確認された。また、臨界電流密度Jは低下せず、温度77KにおいてJ=2~4×10A/cm(x=0,0.04)が得られた。さらに、超伝導薄膜の磁場中でのJc測定を行った。磁場は、膜面に対して垂直に、すなわち結晶のc軸方向に平行に印加した。その結果、温度77Kにおいて5T(テスラ)の印可磁場中で、Jc=3×10A/cm(x=0.04の場合)という大きな臨界電流密度が得られ、本実施例の超伝導薄膜が優れた超伝導特性を有することが明らかとなった。
【0033】
さらに、ターゲットの組成比のxを大きくした膜においては、膜厚を厚くしても、臨界電流密度Jが低下しないことが明らかとなった。前述と同様に形成した第1超伝導体層の上に、ターゲットとしてSm1+xBa2-xCu6+y(x=0.08,0.12)を用い、膜厚1.1μmの第2超伝導体層3を形成した。得られた超伝導薄膜における、超伝導線材の評価に用いられる1cm幅当たりの臨界電流値Iは、温度77Kにおいて、400~483A/1cm-widthであった。Iの最大値は、x=0.08の組成のターゲットを用いた場合に、I=483A/1cm-widthという高い臨界電流値が得られた。
【0034】
(比較例1)
PLD法により、MgO基板上に、単一層のSm-Ba-Cu-O系酸化物超伝導体層を積層した超伝導薄膜を作製した。
【0035】
Sm1+xBa2-xCu6+y(x=0,0.04,0.08,0.12)のターゲットにエキシマレーザを照射し、MgO基板上に、膜厚500nmの超伝導体層を積層した。このとき、基板温度を790~850℃に、真空チャンバ内の酸素分圧を0.4Torr(53Pa)に設定した。
【0036】
得られたSm-Ba-Cu-O系酸化物で形成される超伝導体層を調べたところ、該酸化物の結晶のc軸は、基板の成膜面に対して垂直であることが確認された。さらに得られた超伝導体層をBr-MeOH(0.166体積%)を用いてエッチングして、AFMで表面観察した結果、超伝導体層が約10個/μmの欠陥密度を有することが確認された。また、TEMによる微細組織観察からも、これらの積層欠陥が晶出していることが確認される。
【0037】
上記方法により得られた超伝導薄膜の超伝導臨界温度Tを調べたところ、90K以上であることが確認された。また、臨界電流密度Jは低下せず、温度77KにおいてJ=2~4×10A/cm(x=0,0.04)が得られた。さらに、超伝導薄膜の磁場中でのJc測定を行った。磁場は、膜面に対して垂直に、すなわち結晶のc軸方向に平行に印加した。その結果、温度77Kにおいて5Tの印可磁場中では、臨界電流密度がJc=4×10A/cm(x=0.04の場合)まで低下することが明らかとなった。
【0038】
以上のように、比較例1の超伝導薄膜は、無磁界の場合には実施例1の超伝導薄膜と同等の臨界電流密度を示すが、磁界を印加した場合に臨界電流密度が著しく低下することが分かる。この結果は、単一層で構成された本比較例1の超伝導薄膜中には、充分な量のピンニング点が導入されていないことによると考えている。
【0039】
(実施例2)
MOCVD法により、SrTiO基板上に、Nd-Ba-Cu-O系酸化物超伝導積層体を積層した超伝導薄膜を作製した。
【0040】
最初に、有機金属(MO)原料としてNd(DPM)、Ba(DPM)及びCu(DPM)(ここで、DPMは、ジピバロイルメタンである)を用い、SrTiO基板上に、約10nmの膜厚を有する第1超伝導体層を積層した。このとき、それぞれのMO原料の保持温度を125℃,240℃および120℃とした。また、基板温度を800~850℃に、真空チャンバ内の酸素分圧を3Torr(0.40kPa)に設定した。
【0041】
得られたNd-Ba-Cu-O系酸化物で形成される第1超伝導体層を調べたところ、該酸化物の結晶のc軸は、基板の成膜面に対して垂直であることが確認された。さらに得られた第1超伝導体層をBr-MeOH(0.166体積%)を用いてエッチングし、AFMで表面観察した結果、第1超伝導体層が約7個/μmの欠陥密度を有することが確認された。また、TEMによる微細組織観察からも、これらの積層欠陥が晶出していることが確認される。
【0042】
次に、有機金属(MO)原料としてNd(DPM)、Ba(DPM)及びCu(DPM)を用い、第1超伝導体層上に、約500nmの膜厚を有する第2超伝導体層を積層した。このとき、それぞれのMO原料の保持温度を125℃,240℃および120℃とした。また、基板温度を700~800℃に、真空チャンバ内の酸素分圧を0.4Torr(53Pa)に設定した。この基板温度は、積層欠陥の多い酸化物系超伝導層の基板温度に比べ少なくとも100℃低い条件で行った。
【0043】
第1超伝導体層の場合と同様に、得られたNd-Ba-Cu-O系酸化物で形成される第2超伝導体層を調べたところ、該酸化物の結晶のc軸は、第1超伝導体層の成膜面(すなわち、基板の成膜面)に対して垂直であることが確認された。さらに得られた第2超伝導体層をBr-MeOH(0.166体積%)を用いてエッチングし、AFMで表面観察した結果、第2超伝導体層が約20個/μmの欠陥密度を有することが確認された。また、TEMによる微細組織観察からも、これらの積層欠陥が晶出していることが確認される。
【0044】
上記方法により得られた超伝導薄膜の超伝導臨界温度Tを調べたところ、90K以上であることが確認された。また、臨界電流密度Jは低下せず、温度77KにおいてJ=1×10A/cmが得られた。さらに、超伝導薄膜の磁場中でのJc測定を行った。磁場は、膜面に対して垂直に、すなわち結晶のc軸方向に平行に印加した。その結果、温度77Kにおいて5T(テスラ)の印可磁場中で、Jc=1.2×10A/cmという大きな臨界電流密度が得られ、本実施例の超伝導薄膜が優れた超伝導特性を有することが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明の超伝導薄膜の例示的構成を示す断面図である。
【図2】実施例1で得られた第1超伝導体層のAFMによる表面観察像(1μm×1μm)を示す図である。
【図3】実施例1で得られた第2超伝導体層のAFMによる表面観察像(1μm×1μm)を示す図である。
【図4】第1超伝導体層の成膜基板温度を830℃と一定にしたときの、第2超伝導体層の成膜基板温度と第2超伝導体層中の欠陥密度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0046】
1 基板
2 第1超伝導体層
3 第2超伝導体層
4 欠陥
5 エッチングによって確認される欠陥
図面
【図1】
0
【図2】
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【図3】
2
【図4】
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