TOP > 国内特許検索 > 超伝導膜およびその製造方法

超伝導膜およびその製造方法

国内特許コード P110003213
整理番号 N072P11
掲載日 2011年6月17日
出願番号 特願2003-308020
公開番号 特開2005-078939
登録番号 特許第4495426号
出願日 平成15年8月29日(2003.8.29)
公開日 平成17年3月24日(2005.3.24)
登録日 平成22年4月16日(2010.4.16)
発明者
  • 松本 要
  • 向田 昌志
  • 吉田 隆
  • 一瀬 中
  • 堀井 滋
出願人
  • 独立行政法人科学技術振興機構
  • 財団法人電力中央研究所
発明の名称 超伝導膜およびその製造方法
発明の概要

【課題】 ケーブル、マグネット、シールド、限流器、マイクロ波デバイス、およびそれらの中間製品等の用途において有用である、低コストで極めてJcの高い超伝導膜、およびその製造方法の提供。
【解決手段】 基板と該基板上に形成された超伝導体層とを有する超伝導膜であって、該超電導層が形成される基板表面に電流通電方向と平行にナノグルーブが形成されており、該ナノグルーブの上の該超伝導体層に面状結晶欠陥が導入されていることを特徴とする超伝導膜。
【選択図】 図1

従来技術、競合技術の概要


超伝導体に下部臨界磁場Hc1以上の磁場をかけると量子化磁束が形成され(φ=2.07×10-15Wb)、超伝導体中に侵入する。この状態で電流を流すと量子化磁束にローレンツ力が働き、これらが動き出すと電圧が発生して超伝導状態が壊れる。例えば、酸化物高温超伝導体YBaCu7-x(YBCO)からなる超伝導膜において、自然に導入される酸素欠損や微細な不純物などの点状欠陥などが量子化磁束のピン止めセンターとして機能することが知られている。また、転位などの線状欠陥や結晶粒界等の面状欠陥もピン止めセンターして作用することが知られているが、これらの結晶欠陥はYBCOの場合、膜面に垂直に入っていることが重要である。一般に、YBCO系高温超伝導体は結晶異方性が強い物質であるため、磁場が結晶のc軸に平行に印加された場合、c軸に垂直に磁場を印加した場合に比べてJcが著しく低下する傾向がある。通常利用されるYBCO薄膜はc軸が膜面に垂直になるように形成されるため、磁場が膜面に垂直に印加されるとJcが大きく低下してしまう。YBCO薄膜を用いて超伝導テープを作製してコイルを作製した場合には、テープには平行磁場や垂直磁場が加わるので、Jcの低いc軸平行な磁場成分がコイル特性を支配してしまう。しかしc軸に平行な方向に線状欠陥や結晶粒界が存在すると、これらが量子化磁束のピン止めセンターとなってこの方向でのJcが向上するため、コイル特性の向上においては極めて重要となる。これに対し、点状欠陥などは等方的なのでこの限りではない。



DamによりYBCO膜中の転位密度とJcの関係が報告されている(非特許文献1参照)。膜成長時に自然に導入される転位の単位面積当たりの密度の制御はむずかしいが、成膜条件を種々変えることによって、転位密度10μm-2~100μm-2が報告されており、Jcは転位密度とともに増大する。



また、結晶粒界はピン止めセンターとしても作用すると同時に、超伝導電流の障壁としても作用する。実際、YBCOなどの高温超伝導薄膜では傾角(YBCOのab面の法線に対する粒界のなす角度)の大きな粒界におけるJcが大変小さいが、小傾角では大きなJcが保たれる。小傾角粒界は転位列とみなせる。転位は絶縁体なので、転位の間隔が大きい小傾角粒界では転位間に強い超伝導部分が存在し電流が流れるが、傾角が大きくなって転位の歪みが重なり出すと電流が流れにくくなる。もしも粒界面が電流の通電方向に平行であればこれらは大変有効なピン止めセンターになる。しかし一般に粒界面はランダムに存在するためJc制御は難しい。



一方、超伝導コヒーレンス長程度の微細な析出物もピンとして有効であり、またはリソグラフィーで導入される人工的な欠陥や、電子線照射や重イオン照射などで導入されるコラムナーな結晶欠陥もピン止めセンターになる。リソグラフィーでは任意のピン止めセンターを膜中に導入できる可能性がある。



電子ビーム露光を用いた場合、その直径がナノレベルまでは小さくできないがピン直径が10~20nm程度までは微細化報告がある。またピン間距離も同程度まで調整可能であり、臨界電流を測った実験例では量子化磁束とピン配置との関係から磁場中特性にいくつかのピークが現れることが知られている(非特許文献2参照)。この方法は人工的なピン導入に有効であるが、実用的にはスループットが悪く、大面積や線材作製などにはコストが高すぎる。重イオン照射などでも超伝導結晶中にコラムナー欠陥(柱状欠陥)が形成されJc向上において有効であるが装置代やイオン加速のコストが極めて高い。また材料が放射化する場合もあり実用的でない。



転位などの結晶欠陥を膜に導入するために、基板表面にナノドットなど島状結晶を形成して、その上から超伝導膜を形成する方法もある。この場合、基板にAgのナノドットを形成した例ではJcが向上したことが報告された(非特許文献3参照)。また膜が基板上で成長する過程で微細析出物が存在すると、そこで膜成長の連続性がくずれ、結晶欠陥、転位や粒界が生じることも、Damの論文で原理が述べられている(非特許文献4参照)。しかしこれらの手法によれば導入された欠陥の配置はランダムであり、ピン止め力も平均化されてしまい、大幅なJc向上においては限界がある。




【非特許文献1】B. Dam et al., Nature, Vol.399, p439, 1999.

【非特許文献2】J. Y. Lin et al., Phys. Rev. B54, R12712, 1996.

【非特許文献3】A. Crisan et al., Appl. Phys. Lett., vol.79, p4547, 2001.

【非特許文献4】B. Dam et al., Physica C341-348, p2327, 2000.

産業上の利用分野


本発明は、ケーブル、マグネット、シールド、限流器、マイクロ波デバイス、およびそれらの中間製品等の分野において使用できる磁場中での臨界電流密度の高い超伝導薄膜および厚膜と、その製造方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
基板と該基板上に形成された超伝導体層とを有する超伝導膜であって、該超伝導体層が形成される基板表面に電流通電方向と平行にナノグルーブが形成されており、該ナノグルーブの上の該超伝導体層に面状結晶欠陥が導入されていることを特徴とする超伝導膜。

【請求項2】
前記面状結晶欠陥のそれぞれは、電流通電方向に連続した面状結晶欠陥であることを特徴とする請求項1に記載の超伝導膜。

【請求項3】
前記面状結晶欠陥のそれぞれは、不連続な面状結晶欠陥の連なりであることを特徴とする請求項1に記載の超伝導膜。

【請求項4】
前記面状結晶欠陥が、基板上に不規則に分布していることを特徴とする請求項1に記載の超伝導膜。

【請求項5】
前記面状結晶欠陥が、結晶粒界、転位列、前記超伝導体層の構成元素からなる非晶質体、非超伝導体または低臨界温度の超伝導体であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項6】
前記ナノグルーブは、100nm以下の幅および100nm以下の深さを有し、および隣接する前記ナノグルーブの通電電流に垂直方向における中心間平均距離が500nm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項7】
前記基板が、ペロブスカイト型結晶構造、岩塩型結晶構造、スピネル型結晶構造、イットリウム安定化ジルコニア型構造、蛍石型結晶構造、希土類C型結晶構造、パイクロア型結晶構造を有する酸化物の基板;あるいは酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、Ni基合金基板、Cu基合金基板、またはFe基合金基板の表面に前記酸化物または硼化物からなるバッファー層を形成したものであることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項8】
前記超伝導体層が、化学式LnBaCu7+x(式中、LnはY元素および希土類元素から選択される1種あるいは複数の元素であり、かつ-0.5<x<0.2である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、化学式(Bi1-xPbSrCan-1Cu2n+4+y(式中、0<x<0.4、-0.5<y<0.5およびn=1、2または3である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、および化学式MgBを主成分とする超伝導物質からなる群から選択される超伝導材料から形成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項9】
前記超伝導体層が複数の層から形成されており、最上層を除く前記複数の層のそれぞれにナノグルーブが形成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項10】
基板と該基板上に形成された超伝導体層とを有する超伝導膜であって、該超伝導体層が形成される基板表面に電流通電方向と平行にナノグルーブが形成され、該ナノグルーブの上に欠陥誘導部が形成されており、前記欠陥誘導部の上の該超伝導体層に面状結晶欠陥が導入されていることを特徴とする超伝導膜。

【請求項11】
前記面状結晶欠陥のそれぞれは、電流通電方向に連続した面状結晶欠陥であることを特徴とする請求項10に記載の超伝導膜。

【請求項12】
前記面状結晶欠陥のそれぞれは、不連続な面状結晶欠陥の連なりであることを特徴とする請求項10に記載の超伝導膜。

【請求項13】
前記面状結晶欠陥が、基板上に不規則に分布していることを特徴とする請求項10に記載の超伝導膜。

【請求項14】
前記面状結晶欠陥が、結晶粒界、転位列、前記超伝導体層の構成元素からなる非晶質体、非超伝導体または低臨界温度の超伝導体であることを特徴とする請求項10から13のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項15】
前記ナノグルーブは、100nm以下の幅および100nm以下の深さを有し、および隣接する前記ナノグルーブの通電電流に垂直方向における中心間平均距離が500nm以下であることを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項16】
前記基板が、ペロブスカイト型結晶構造、岩塩型結晶構造、スピネル型結晶構造、イットリウム安定化ジルコニア型構造、蛍石型結晶構造、希土類C型結晶構造、パイクロア型結晶構造を有する酸化物の基板であるか、あるいは酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、Ni基合金基板、Cu基合金基板、またはFe基合金基板の表面に前記酸化物または硼化物からなるバッファー層を形成したものであることを特徴とする請求項10から15のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項17】
前記超伝導体層が、化学式LnBaCu7+x(式中、LnはY元素および希土類元素から選択される1種あるいは複数の元素であり、かつ-0.5<x<0.2である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、化学式(Bi1-xPbSrCan-1Cu2n+4+y(式中、0<x<0.4、-0.5<y<0.5およびn=1、2または3である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、あるいは化学式MgBを主成分とする超伝導物質からなる群から選択される超伝導材料から形成されていることを特徴とする請求項10から16のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項18】
前記欠陥誘導部が、金属、金属間化合物、窒化物、または酸化物で形成されていることを特徴とする請求項10から17のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項19】
前記超伝導体層が複数の層から形成されており、最上層を除く前記複数の層のそれぞれにナノグルーブが形成されていることを特徴とする請求項10から18のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項20】
基板と該基板上に形成された超伝導体層とを有する超伝導膜であって、該超伝導体層が形成される基板表面に電流通電方向と平行にナノホールの列が形成されており、該ナノホールの上の該超伝導体層に線状結晶欠陥の列が導入されていることを特徴とする超伝導膜。

【請求項21】
前記線状結晶欠陥の列のそれぞれは、電流通電方向に連続した線状結晶欠陥であることを特徴とする請求項20に記載の超伝導膜。

【請求項22】
前記線状結晶欠陥の列のそれぞれは、不連続な線状結晶欠陥の連なりであることを特徴とする請求項20に記載の超伝導膜。

【請求項23】
前記線状結晶欠陥の列が、基板上に不規則に分布していることを特徴とする請求項20に記載の超伝導膜。

【請求項24】
前記線状結晶欠陥が、結晶粒界、転位列、前記超伝導体層の構成元素からなる非晶質体、非超伝導体または低臨界温度の超伝導体であることを特徴とする請求項20から23のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項25】
前記ナノホールは、100nm以下の直径を有し、および隣接する前記ナノホールの列の通電電流に垂直方向における中心間平均距離が500nm以下であることを特徴とする請求項20から24のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項26】
前記基板が、ペロブスカイト型結晶構造、岩塩型結晶構造、スピネル型結晶構造、イットリウム安定化ジルコニア型構造、蛍石型結晶構造、希土類C型結晶構造、パイクロア型結晶構造を有する酸化物の基板であるか、あるいは酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、Ni基合金基板、Cu基合金基板、またはFe基合金基板の表面に前記酸化物または硼化物からなるバッファー層を形成したものであることを特徴とする請求項20から25のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項27】
前記超伝導体層が、化学式LnBaCu7+x(式中、LnはY元素および希土類元素から選択される1種あるいは複数の元素であり、かつ-0.5<x<0.2である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、化学式(Bi1-xPbSrCan-1Cu2n+4+y(式中、0<x<0.4、-0.5<y<0.5およびn=1、2または3である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、あるいは化学式MgBを主成分とする超伝導物質からなる群から選択される超伝導材料から形成されていることを特徴とする請求項20から26のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項28】
前記超伝導体層が複数の層から形成されており、最上層を除く前記複数の層のそれぞれにナノホールの列が形成されていることを特徴とする請求項20から27のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項29】
基板と該基板上に形成された超伝導体層とを有する超伝導膜であって、該超伝導体層が形成される基板表面に電流通電方向と平行にナノホールの列が形成され、該ナノホールの上に欠陥誘導部が形成されており、前記欠陥誘導部の上の該超伝導体層に線状結晶欠陥の列が導入されていることを特徴とする超伝導膜。

【請求項30】
前記線状結晶欠陥の列のそれぞれは、電流通電方向に連続した線状結晶欠陥であることを特徴とする請求項29に記載の超伝導膜。

【請求項31】
前記線状結晶欠陥の列のそれぞれは、不連続な線状結晶欠陥の連なりであることを特徴とする請求項29に記載の超伝導膜。

【請求項32】
前記線状結晶欠陥の列が、基板上に不規則に分布していることを特徴とする請求項29に記載の超伝導膜。

【請求項33】
前記線状結晶欠陥が、結晶粒界、転位列、前記超伝導体層の構成元素からなる非晶質体、非超伝導体または低臨界温度の超伝導体であることを特徴とする請求項29から32のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項34】
前記ナノホールは、100nm以下の直径を有し、および隣接する前記ナノホールの列の通電電流に垂直方向における中心間平均距離が500nm以下であることを特徴とする請求項29から33のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項35】
前記基板が、ペロブスカイト型結晶構造、岩塩型結晶構造、スピネル型結晶構造、イットリウム安定化ジルコニア型構造、蛍石型結晶構造、希土類C型結晶構造、パイクロア型結晶構造を有する酸化物の基板であるか、あるいは酸化物基板、窒化物基板、半導体基板、Ni基合金基板、Cu基合金基板、またはFe基合金基板の表面に前記酸化物または硼化物からなるバッファー層を形成したものであることを特徴とする請求項29から34のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項36】
前記超伝導体層が、化学式LnBaCu7+x(式中、LnはY元素および希土類元素から選択される1種あるいは複数の元素であり、かつ-0.5<x<0.2である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、化学式(Bi1-xPbSrCan-1Cu2n+4+y(式中、0<x<0.4、-0.5<y<0.5およびn=1、2または3である)を有する銅酸化物系高温超伝導物質、あるいは化学式MgBを主成分とする超伝導物質からなる群から選択される超伝導材料から形成されていることを特徴とする請求項29から35のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項37】
前記欠陥誘導部が、金属、金属間化合物、窒化物、または酸化物で形成されていることを特徴とする請求項29から36のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項38】
前記超伝導体層が複数の層から形成されており、最上層を除く前記複数の層のそれぞれにナノホールの列が形成されていることを特徴とする請求項29から37のいずれかに記載の超伝導膜。

【請求項39】
基板上にナノグルーブを形成する工程と、該基板上に超伝導体層を成長させる工程とを含むことを特徴とする超伝導膜の製造方法。

【請求項40】
前記ナノグルーブを形成する工程を、機械的研磨、エッチング、ナノインプリント、加工モードのAFMおよびナノリソグラフィーからなる群から選択される方法によって実施することを特徴とする請求項39に記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項41】
前記ナノグルーブを、100nm以下の幅および100nm以下の深さを有し、および隣接する前記ナノグルーブの通電電流に垂直方向における中心間平均距離が500nm以下である様に形成することを特徴とする請求項39または40に記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項42】
前記超伝導体層を形成する工程を、PLD、蒸着、スパッタ、CVD、MBE、およびMODからなる群から選択される方法によって実施することを特徴とする請求項39から41のいずれかに記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項43】
前記ナノグルーブの上に、欠陥誘導部を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項39から42のいずれかに記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項44】
前記欠陥誘導部を形成する工程を、PLD、蒸着、スパッタ、CVD、およびMBEからなる群から選択される方法によって実施することを特徴とする請求項43に記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項45】
基板上にナノホールの列を形成する工程と、該基板上に超伝導体層を成長させる工程とを含むことを特徴とする超伝導膜の製造方法。

【請求項46】
前記ナノホールの列を形成する工程を、機械的研磨、エッチング、ナノインプリント、加工モードのAFMおよびナノリソグラフィーからなる群から選択される方法によって実施することを特徴とする請求項45に記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項47】
前記ナノホールを、100nm以下の直径を有し、および隣接する前記ナノホールの列の通電電流に垂直方向における中心間平均距離が500nm以下である様に形成することを特徴とする請求項45または46に記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項48】
前記超伝導体層を形成する工程を、PLD、蒸着、スパッタ、CVD、MBE、およびMODからなる群から選択される方法によって実施することを特徴とする請求項45から47のいずれかに記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項49】
前記ナノホールの上に、欠陥誘導部を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項45から48のいずれかに記載の超伝導膜の製造方法。

【請求項50】
前記欠陥誘導部を形成する工程を、PLD、蒸着、スパッタ、CVD、およびMBEからなる群から選択される方法によって実施することを特徴とする請求項49に記載の超伝導膜の製造方法。
産業区分
  • 電線ケーブル
  • 表面処理
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

※ 画像をクリックすると拡大します。

JP2003308020thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
参考情報 (研究プロジェクト等) CREST エネルギーの高度利用に向けたナノ構造材料・システムの創製 領域
ライセンスをご希望の方、特許の内容に興味を持たれた方は、問合せボタンを押してください。


PAGE TOP

close
close
close
close
close
close
close