JP2004244263A

JP2004244263A - 高臨界電流密度を有する超伝導酸化物薄膜の作製方法

Info

Publication number: JP2004244263A
Application number: JP2003035361A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Yamazaki; 裕文山崎; Jiacai Nie; ニエジャツアイ
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: JP4852693B2

Abstract

【課題】臨界電流密度の高い超伝導薄膜を作製する方法及びその方法により作られた超伝導薄膜を提供する。
【解決手段】高性能の超伝導酸化物薄膜を作製するために、基材の上に格子整合と拡散防止のためのバッファ層を作製し、その上に超伝導薄膜を作製する方法において、基材の上にバッファ層を成膜した後で、その成膜温度よりも高温度における後熱処理を施し、その上に超伝導薄膜を作成することを特徴とする高い臨界電流密度を有する超伝導酸化物薄膜を作製する方法及びその方法により作られた超伝導薄膜。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大面積超伝導膜、表面コート超伝導テープ線材などの大面積・長尺でかつ、高い臨界電流を有する高温酸化物超伝導体の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大面積超伝導薄膜、表面コート超伝導テープ線材などの大面積・長尺の高温酸化物超伝導薄膜は、限流器、超伝導送電ケーブル、超伝導マグネットなど、さまざまな電力機器や産業機器への応用が期待されている。このような応用においては、できるだけ大きな電流を抵抗ゼロで流すことが求められ、そのためには、臨界電流密度（単位断面積当りに抵抗ゼロで流すことのできる電流値）が高い、高性能の高温超伝導酸化物薄膜の作製が必須である。しかし、例えば、代表的な酸化物超伝導体であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＹＢＣＯ）の薄膜の場合には、サファイア（単結晶アルミナ）基板やニッケル基合金基材（テープ）などのような実用基材を用いるとき、基材と超伝導体との格子整合が悪く、かつ、基材と超伝導体とが反応するため、超伝導薄膜の直接成膜は困難で、基材と超伝導薄膜との間に格子整合と拡散防止のためのバッファ層を作製する必要がある（図１）。これまで、このようなバッファ層は、パルスレーザー蒸着法やスパッタリング法・電子ビーム蒸着法などの物理蒸着法で作製されてきた。
上記のようなパワー応用とは別に、携帯電話の基地局で使われるマイクロ波フィルターへも、大面積超伝導薄膜が応用されている。高周波デバイスに用いる超伝導薄膜では、高周波表面抵抗の値が低いことが求められ、そのためには、超伝導薄膜の表面が平滑であるほうが望ましいことが知られている。このため、超伝導薄膜を作製するためのバッファ層も、できるだけ平滑な膜が望ましいと考えられ、代表的なバッファ層であるＣｅＯ_２膜について、成膜条件の探索研究が行われている。（非特許文献１参照。）また、成膜後に、成膜温度よりもさらに高温度の熱処理を施すことによってＣｅＯ_２バッファ層が平滑化され、その上に成膜したＹＢＣＯ薄膜も表面が平滑化されるとともに高周波表面抵抗の値が低減することが報告されている。（非特許文献２参照。）しかし、この熱処理が（ＲＥ）Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＲＥ＝Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ）薄膜（以下（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜と略称）の臨界電流密度に及ぼす効果については、これまで知られていない。
【非特許文献１】Ｄ．Ｋ．Ｄｅｖｅｌｏｓ，Ｍ．Ｋｕｓｕｎｏｋｉ，Ｍ．ＭｕｋａｉｄａａｎｄＳ．Ｏｓｈｉｍａ， ”ＥｆｆｅｃｔｏｆｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｒａｔｅｏｎｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＣｅＯ_２ｄｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”，ＰｈｙｓｉｃａＣ，３２０，２１−３０（１９９９）．
【非特許文献２】Ｊ．Ｈ．Ｌｅｅ，Ｗ．Ｉ．Ｙａｎｇ，Ｈ．Ｊ．Ｋｗｏｎ，Ｖ．Ａ．ＫｏｍａｓｈｋｏａｎｄＳａｎｇＹｏｕｎｇＬｅｅ， ”ＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓｏｆＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７ｆｉｌｍｓｏｎｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｎｅａｌｅｄＣｅＯ_２−ｂｕｆｆｅｒｅｄｒ−ｃｕｔｓａｐｐｈｉｒｅ”，Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，１３，９８９（２０００）．
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
臨界電流密度の高い高温酸化物超伝導薄膜を作製するためには、マイクロクラック等がなく、かつ、粒界弱結合ができないように超伝導体を配向させる必要がある。
さらに、超伝導体の結晶性を向上させるだけでなく、量子化磁束のピン止めに有効な適当な欠陥（磁束ピン止め中心）を導入しなければならないが、高温酸化物超伝導薄膜でどの様な欠陥が有効な磁束ピン止め中心として働いているかは、多くの場合不明である。
ＹＢＣＯ薄膜の場合、ＳｒＴｉＯ_３（１００）単結晶基板が高い臨界電流密度を得るための最適基板の１つとして知られているが、この場合でも、磁束ピン止め中心の実態は不明である。このため、臨界電流密度の高い高温酸化物超伝導膜を作製するための条件は、経験的にしか明らかになっていない。
特に、実用基材に格子整合と拡散防止のためのバッファ層を用いる場合、臨界電流密度の高い膜を得るための条件は、未だ手探りの状態であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
発明者は、バッファ層の成膜温度よりもさらに高温度における後熱処理を施すことによってバッファ層が原子レベルで平坦化されるとともにナノメーターオーダーの表面粒子が形成され、その上に高温酸化物超伝導膜を作製すると高い臨界電流密度が得られることを発見した。
特に、高性能の超伝導酸化物が、（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜であり、基材の上に格子整合と拡散防止のためのバッファ層（ＣｅＯ_２、ＹＳＺなど）を作製し、その上に（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜を作製する方法において、基材の上にバッファ層を成膜した後で、その成膜温度よりも高温度（９００−１２００℃）における後熱処理を施すことを特徴として、高い臨界電流密度を有する（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜を作製する方法を見出した。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の高い臨界電流密度を有する（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜を作製する方法では、サファイア基板やニッケル基合金基材などの上に、格子整合と拡散防止のためのバッファ層を、従来の技術（パルスレーザー蒸着法やスパッタリング法・電子ビーム蒸着法などの物理蒸着法）で作製する。
また、本発明の高い臨界電流密度を有する（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜を作製する方法では、従来の技術で作製した、基材・バッファ層複合体をバッファ層成膜時の温度よりもさらに高い、適当な温度で後熱処理する。
この後熱処理によって、バッファ層が原子レベルで平坦化されるとともに直径が１０−２０ナノメーターの表面粒子が形成される。この効果により、その上に高温酸化物超伝導膜を作製すると、後熱処理を行わない場合よりも高い臨界電流密度を得ることができる。
【０００６】
本発明で用いる高性能の超伝導酸化物薄膜は、超伝導酸化物であれば、何でも良いが、代表的には（ＲＥ）Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＲＥ＝Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ）を挙げることができる。
また、格子整合と拡散防止のためのバッファ層は、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）など（あるいはその組合せ）が適している。
さらに、基材としては、サファイヤ、ニッケル金属、ニッケル基合金（ハステロイ、インコネル等）、ステンレス系合金などがある。
また、基材・バッファ層複合体の後熱処理は、通常バッファ層成膜時の温度よりも高い８００〜１３００℃とくに、９００〜１２００℃で行うと良い。後熱処理温度の処理時間は、０．５〜３時間程度が望ましい。とくに、１〜１．５時間で行うと良い。
【０００７】
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
（基材・バッファ層の形成）
図２は、Ｒ面サファイア単結晶基板の上にパルスレーザー蒸着法で作製した、ＣｅＯ_２バッファ層の原子間力顕微鏡像と、図の直線上の凹凸のプロファイルを示す。図２から、表面は平坦でなく、約１０ｎｍの凹凸があることがわかった。
（基材・バッファ層の後熱処理）
このＣｅＯ_２バッファ層を酸素気流中で１０００℃、１時間熱処理を行ったところ、図３に示すような、原子レベルで平坦な表面を得ることができた。この場合の表面の凹凸は、１ｎｍ以下にまで減少した。また、直径が１０−２０ナノメーターの表面粒子が形成された。
（基材・バッファ層・超伝導膜複合体の形成）
このＣｅＯ_２バッファ層の上に、超伝導体であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＹＢＣＯ）の薄膜をパルスレーザー蒸着法により成膜した。成膜条件は、基板温度７３０℃、酸素３００ｍＴｏｒｒ、レーザー強度は約４Ｊ／ｃｍ^２、繰返し周波数５Ｈｚであった。
【０００８】
（基材・バッファ層・超伝導膜複合体の比較例１）
実施例１と同じ基材・バッファ層を作製し、バッファ層を後熱処理しないでその上に、超伝導体であるＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＹＢＣＯ）の薄膜をパルスレーザー蒸着法により実施例１と同一条件で成膜した。
【０００９】
（実施例１及び比較例１の臨界電流密度テスト）
実施例１で作製した基材・バッファ層・超伝導膜複合体及び比較例１の基材・バッファ層・超伝導膜複合体について、幅４０μｍ、長さ２ｍｍのブリッジを形成し、極低温容器中で測定温度を変化させながら、パルス電流を用いた通電法によって臨界電流密度を測定した。
図４に示すように、後熱処理の効果によって、実施例１のものは比較例１に比して、臨界電流密度が２〜１０倍に向上した。この臨界電流密度は、ＳｒＴｉＯ_３単結晶基板上に同様な条件で作製したＹＢＣＯ膜の臨界電流密度と同等か、それ以上であった。
【００１０】
【本発明の効果】
本願発明によって、高性能（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜の作製に必要なバッファ層を原子レベルで平坦化するとともに、直径が１０−２０ナノメーターの表面粒子を形成させることに成功した。これにより、従来知られていた最適基板と同等かそれ以上の臨界電流密度を有する（ＲＥ）ＢＣＯ薄膜を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基材、バッファ層、超伝導膜の関係を示す模式図。
【図２】Ｒ面サファイア単結晶基板の上に作製した、ＣｅＯ_２バッファ層の原子間力顕微鏡像と、表面の凹凸のプロファイル。
【図３】第２図のＣｅＯ_２バッファ層を、成膜時よりもさらに高温度において後熱処理することによって得られた、原子レベルで平坦なバッファ層の原子間力顕微鏡像と、表面の凹凸のプロファイル。
【図４】（黒丸）後熱処理なしのバッファ層の上に成膜したＹＢＣＯ薄膜の臨界電流密度の温度依存性。（白丸）後熱処理によって原子レベルで平坦化されたバッファ層の上に成膜したＹＢＣＯ薄膜の臨界電流密度の温度依存特性図。

Claims

高性能の超伝導酸化物薄膜を作製するために、基材の上に格子整合と拡散防止のためのバッファ層を作製し、その上に超伝導薄膜を作製する方法において、基材の上にバッファ層を成膜した後で、その成膜温度よりも高温度における後熱処理を施し、その上に超伝導薄膜を作成することを特徴とする高い臨界電流密度を有する超伝導酸化物薄膜を作製する方法。
高性能の超伝導酸化物が、（ＲＥ）Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＲＥ＝Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ）薄膜であり、バッファ層が、ＣｅＯ_２又はＹＳＺである請求項１に記載された高い臨界電流密度を有する超伝導酸化物薄膜を作製する方法。
基材の上にバッファ層を成膜した後で、その成膜温度よりも高温度である９００−１２００℃で後熱処理を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載された高い臨界電流密度を有する超伝導酸化物薄膜を作製する方法。
請求項２ないし請求項３のいずれかひとつの方法により作製された高い臨界電流密度を有する超伝導酸化物薄膜であって、基材がサファイアであり、拡散防止のためのバッファ層がＣｅＯ_２である（ＲＥ）Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７（ＲＥ＝Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ）薄膜。