(57)【要約】【課題】本発明は、ＭｇＢ２を良好な結晶配向性を維持しつつ成膜させることで、臨界電流密度が高く超電導特性の良好な超電導導体を提供することを第一の目的とする。また、本発明は、安定してＭｇＢ２の結晶配向を制御し、高い超電導特性を有するＭｇＢ２超電導導体の製造方法を提供することを第二の目的とする。【解決手段】本発明の超電導導体１０は、金属基材１１と、金属基材１１上に、イオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成された３回対称ＭｇＯ（１１１）層１３と、ＭｇＢ２層１４とが積層された積層体よりなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材と、該金属基材上にイオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成された３回対称ＭｇＯ（１１１）層と、ＭｇＢ２層とが積層された積層体よりなることを特徴とする超電導導体。
【請求項２】
前記金属基材上と前記ＭｇＯ（１１１）層との間に、拡散防止層が介在されてなることを特徴とする請求項１に記載の超電導導体。
【請求項３】
前記ＭｇＢ２層の面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）が１６°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導導体。
【請求項４】
前記イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ）法により形成された前記３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に、他の成膜法によりエピタキシャル成長させることにより形成された３回対称ＭｇＯ（１１１）層を介して前記ＭｇＢ２層が積層されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導導体。
【請求項５】
金属基材上に、３回対称ＭｇＯ（１１１）層をイオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成し、この後に、成膜法によりＭｇＢ２層を形成することを特徴とする超電導導体の製造方法。
【請求項６】
前記金属基材上に、拡散防止層を形成した後、該拡散防止層上に前記ＭｇＯ（１１１）層と前記ＭｇＢ２層を形成することを特徴とする請求項５に記載の超電導導体の製造方法。
【請求項７】
面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）が１６°以下となるように前記ＭｇＢ２層を形成することを特徴とする請求項５または６に記載の超電導導体の製造方法。
【請求項８】
イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ）法により形成した前記３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に、他の成膜法によりエピタキシャル成長させることにより３回対称ＭｇＯ（１１１）層を形成することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の超電導導体の製造方法。
【請求項９】
前記成膜法によりエピタキシャル成長させることにより前記３回対称ＭｇＯ（１１１）層を形成する際、成膜温度を２００〜６００℃とすることを特徴とする請求項８に記載の超電導導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導導体とその製造方法に係り、より詳細には、良好な結晶配向性が維持されたＭｇＢ２層を有する超電導導体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になって発見された超伝導体としての２ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）は、臨界温度Ｔｃが３９Ｋと従来の金属系超電導体よりも２０Ｋ程度高い温度で超電導性を示すことが知られている（非特許文献１を参照）。ＭｇＢ２は従来公知の超電導体とは異なり、構成物質が希土類や毒性物質を含まず、低コストで扱いやすい金属化合物であることから、これを線材に加工して電力供給用の導体として実用化することが注目を集めている。
ＭｇＢ２は臨界温度Ｔｃ＝３９Ｋであり、液体ヘリウムを用いなくとも２０Ｋ程度まで冷却できる冷凍機により超電導状態とすることが可能である。したがって、ＭｇＢ２を用いて超電導線材を製造できるならば、高価な液体ヘリウムを使用することなく利用できるので、金属系超電導線材よりも安価に使用することができ、超電導マグネット等の応用に利用可能となる。
【０００３】
ＭｇＢ２を線材に加工するための方法としては、金属管にＭｇＢ２の粉末あるいはＭｇとＢの混合粉末を詰めたものを伸線又はロール圧延し、さらに熱処理を施して、線材内部のＭｇＢ２粉末を焼結することによりＭｇＢ２超電導線を形成する方法が検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
また、他の方法として、ＭｇＯ基板の（１１１）面上にスパッタリング法によりＭｇＢ２膜をエピタキシャル成膜し、薄膜状のＭｇＢ２超電導層を形成し、このＭｇＢ２超電導層を利用して超電導線材を形成する手段も考えられる（例えば、特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１０６００号公報
【特許文献２】特開２００８−２２６５０１号公報
【特許文献３】特開２００２−２７４８４１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ，４１０（２００１），６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のＭｇＢ２線材は焼結法により作成されているため、金属管の内部に生成されているＭｇＢ２の微結晶が互いに接している面積が小さいため、臨界温度Ｔｃや臨界電流密度Ｊｃが単結晶の超伝導体に比べ低くなるという問題があった。また、高い超電導特性を発現することの出来る長尺のＭｇＢ２超電導導体は今のところ開発されていない。
【０００７】
ところで、本発明者らは、酸化物超電導体にあっては、その結晶配向状態により超電導特性が左右されることを知見し研究を重ねている。例えば、酸化物系の超電導体において、その結晶自体は結晶軸のａ軸方向とｂ軸方向には電気を流し易いが、ｃ軸方向には電気を流しにくいという電気的異方性を有している。従って、基材上に超電導体を形成する場合には、電気を流す方向にａ軸あるいはｂ軸を配向させ、ｃ軸をその他の方向に配向させる必要がある。
しかしながら、金属基材自体は非結晶もしくは多結晶体であり、その結晶構造も超電導体と大きく異なるために、基材上に上記のような結晶配向性の良好な超電導体膜を形成することは困難である。また、基材と超電導体との間には熱膨張率及び格子定数の差があるため、超電導臨界温度までの冷却の過程で、超電導体に歪みが生じたり、酸化物超電導体膜が基板から剥離する等の問題もある。
そこで、上記のような問題を解決するために、まず金属基板上に熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基板と超電導体との中間的な値を示すＭｇＯ、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｒＴｉＯ３  等の材料から成る中間層（バッファー層）を形成し、この中間層の上に超電導体膜を形成することについて研究している。
この中間層は基板面に対して直角にｃ軸が配向するものの、基板面内でａ軸（又はｂ軸）がほぼ同一の方向に面内配向しないため、この上に形成される超電導層もａ軸（又はｂ軸）がほぼ同一の方向に面内配向せず、臨界電流密度Ｊｃが向上しないという問題がある。
【０００８】
イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ法：Ion Beam Assisted Deposition）は、この問題を解決する技術であり、スパッタリング法によりターゲットから叩き出した構成粒子を基材上に堆積させる際に、イオン銃から発生されたアルゴンイオンと酸素イオン等を同時に斜め方向（例えば、４５度）から照射しながら堆積させるもので、この方法によれば、基材上の成膜面に対して、高いｃ軸配向性及びａ軸面内配向性を有する中間層が得られる。
図５及び図６は、前記ＩＢＡＤ法により、中間層をなす多結晶薄膜を基材上に形成した一例を示すものであり、図５において１００は板状の基材、１１０は基材１００の上面に形成された多結晶薄膜を示している。
【０００９】
多結晶薄膜１１０は、立方晶系の結晶構造を有する微細な結晶粒１２０が、多数、結晶粒界を介して接合一体化されてなり、各結晶粒１２０の結晶軸のｃ軸は基材１００の上面（成膜面）に対して直角に向けられ、各結晶粒１２０の結晶軸のａ軸どうしおよびｂ軸どうしは、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。また、各結晶粒１２０のｃ軸が基材１００の（上面）成膜面に対して直角に配向されている。そして、各結晶粒１２０のａ軸（あるいはｂ軸）どうしは、それらのなす角度（図６に示す粒界傾角Ｋ）を３０度以内にして接合一体化されている。
【００１０】
ＩＢＡＤ法は、線材の機械的特性が優れる、安定した高特性が得られ易い等、実用性の高い製法であると言われており、本発明者らは種々の酸化物超電導導体に対してのＩＢＡＤ法の応用について精力的に開発研究を進めている。
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、ＭｇＢ２を良好な結晶配向性を維持しつつ成膜させることで、臨界電流密度が高く超電導特性の良好な超電導導体を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、安定してＭｇＢ２の結晶配向を制御し、高い超電導特性を有するＭｇＢ２超電導導体の製造することができる方法を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明の超電導導体は、金属基材と、該金属基材上にイオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成された３回対称ＭｇＯ（１１１）層と、ＭｇＢ２層とが積層された積層体よりなることを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の超電導導体は、前記金属基材と前記ＭｇＯ（１１１）層との間に、拡散防止層が介在されてなることを特徴とする。
本発明の超電導導体において、前記ＭｇＢ２層の面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）は１６°以下であることを特徴とする。
本発明の超電導導体において、前記イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ）法により形成された前記３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に、他の成膜法によりエピタキシャル成長させることにより形成された３回対称ＭｇＯ（１１１）層を介して前記ＭｇＢ２層が積層されてなることが好ましい。
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の超電導導体の製造方法は、金属基材上に、３回対称ＭｇＯ（１１１）層をイオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成し、この後に、成膜法によりＭｇＢ２層を形成することを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の超電導導体の製造方法は、前記金属基材上に、拡散防止層を形成した後、該拡散防止層上に前記ＭｇＯ（１１１）層と前記ＭｇＢ２層を形成することを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の超電導導体の製造方法は、面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）が１６°以下となるように前記ＭｇＢ２層を形成することを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するため、本発明の超電導導体の製造方法は、イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ）法により形成した前記３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に、他の成膜法によりエピタキシャル成長させることにより３回対称ＭｇＯ（１１１）層を形成することを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の超電導導体の製造方法は、前記成膜法によりエピタキシャル成長させることにより前記３回対称ＭｇＯ（１１１）層を形成する際、成膜温度を２００〜６００℃とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の超電導導体では、ＭｇＯ（１１１）が基材法線方向に向いた３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に、ＭｇＢ２層を形成することにより、ＭｇＢ２を良好な結晶配向性で結晶化し、積層することができる。３回対称ＭｇＯ（１１１）面のＭｇ面とＭｇＢ２（００１）面のＭｇ面は同じ三角格子であり、Ｍｇ原子間距離もほぼ等しいためにエピタキシャル成膜が可能となる。これにより、臨界電流密度が高く、超電導特性の良好な超電導導体を提供することが出来る。
また、本発明によれば、結晶配向状態が良好な２軸配向された３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に、ＭｇＢ２層を形成することにより、ＭｇＢ２層の面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）を１６°以下とすることができる。これにより、超電導層であるＭｇＢ２層の結晶配向状態が良好となり、臨界電流密度が高く、超電導特性の良好な超電導導体を提供することができる。
更に、本発明の超電導導体の製造方法では、ＭｇＯ（１１１）層をイオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成し、ＭｇＢ２層を成膜法により形成することにより、結晶配向性が安定して維持され、超電導特性の良好なＭｇＢ２超電導導体の製造方法を提供することが出来る。
また、本発明によれば、金属基材上に、イオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成された３回対称ＭｇＯ（１１１）層を設けていることにより、ＭｇＯ（１１１）層上にＭｇＢ２層を良好な結晶配向状態で形成することができる。イオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法は、金属基板を長尺化した場合も適応可能であり、ＭｇＢ２層はＭｇＯ（１１１）層上では安定した結晶配向状態を保つことができるため、本発明の金属基材として長尺の金属基材を使用すれば、長尺のＭｇＢ２超電導導体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る超電導導体の一例を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る超電導導体の他の一例を模式的に示す図である。
【図３】ＩＢＡＤ法による成膜装置を模式的に示す図である。
【図４】図３に示す成膜装置が備えるイオンガンを模式的に示す図である。
【図５】従来の多結晶薄膜の一例を模式的に示す図である。
【図６】従来の多結晶薄膜の一例を模式的に示す図である。
【図７】Ａｌ２Ｏ３膜上に形成したＭｇＯ膜の（１１０）正極点図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明に係る超電導導体１０の一例を模式的に示す図である。
本発明の超電導導体１０は、金属基材１１上に順に、拡散防止層１２を介して、３回対称ＭｇＯ（１１１）層１３とＭｇＢ２層１４とが積層された積層構造を有し、３回対称ＭｇＯ（１１１）層１３はイオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成されることを特徴とする。
【００１７】
ＭｇＯ（１１１）層１３をＩＢＡＤ法で作製するには、ＭｇＯあるいはＭｇ等をターゲットとして用い、イオンビームを入射角４０〜６０°などで入射させながら、必要に応じて成膜雰囲気中に酸素ガスを供給して成膜すればよい。ＩＢＡＤ法により成膜することにより２軸配向された３回対称のＭｇＯ（１１１）を、面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）を２５°以下、より好ましくは２０°以下とすることにより、ＭｇＯ（１１１）層１３上に積層されるＭｇＢ２層１４を高い配向性で整合するようにエピタキシャル成長させることができる。
また、ＭｇＯ（１１１）層１３は所望の厚さとするために、ＩＢＡＤ法のみで成膜しても良いが、この構造のＭｇＯは良好な結晶配向性を保持したまま成膜される特徴があるため、初期にＩＢＡＤ法によりＭｇＯ（１１１）の薄膜（ＩＢＡＤ−ＭｇＯ（１１１））を形成後、この薄膜上に他の成膜法によりＭｇＯをエピタキシャル成長させることによって厚膜のＭｇＯ（１１１）層１３を形成することも可能である。ＩＢＡＤ法による成膜は、無配向の金属基材（金属テープ）上でイオンビーム衝撃によって結晶配向制御を行う関係で、蒸着速度が遅くなるという問題があるが、ＩＢＡＤ法による成膜と、一般的な他の成膜法による成膜を組み合わせることにより、成膜時間の短縮が可能となる。
【００１８】
ＩＢＡＤ−ＭｇＯ（１１１）層上にＭｇＯをエピタキシャル成長させるためには通常の成膜法で成膜することができ、例えば、イオンビームスパッタ法、電子ビーム蒸着法、その他のスパッタ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ（化学蒸着）等により成膜することができる。
ＩＢＡＤ−ＭｇＯ（１１１）層上にＭｇＯをエピタキシャル成長する際の金属基材１１の温度は、形成されるＭｇＯ（１１１）層の面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）が２５°以下となるため、２００℃〜６００℃の温度範囲とすることが好ましく、４００℃〜５００℃の温度範囲とすることがより好ましい。
【００１９】
ＭｇＯ（１１１）層１３の厚さは、５〜５００ｎｍの範囲にすることができる。ＭｇＯ（１１１）層の厚さが５ｎｍ未満だと、膜厚を安定に維持しにくくなって膜厚にばらつきが生じる虞がある。
一方、ＭｇＯ（１１１）層１３の厚さが５００ｎｍを超えると、ＭｇＯ（１１１）層１３の内部応力が増大し、これにより超電導導体１０全体の内部応力が大きくなり、拡散防止層１２、ＭｇＯ（１１１）層１３及びＭｇＢ２層１４が金属基材１１から剥離しやすくなる。また、５００ｎｍを超えると表面粗さが大きくなり、臨界電流密度が低下する。ＭｇＯ（１１１）層１３の膜厚は、金属基材１１の送出速度を調整することにより増減させることができる。
【００２０】
ＭｇＢ２層１４は、通常の成膜法によって成膜することができ、例えば、イオンビームスパッタ法、電子ビーム蒸着法、その他のスパッタ法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法等で成膜することができる。ＭｇＢ２層を形成する際のターゲットとしては、ＭｇＢ２粉末やＭｇとＢの混合粉末及びこれらをペレット状や板状にしたものなど、成膜法によりＭｇＢ２層１４を形成することができる材料であれば、特に限定されない。ＭｇＢ２層を形成する際の温度は特に限定されるものではなく、例えば、２００〜６００℃の範囲が挙げられる。
【００２１】
ここで前述のように、良好な配向性を有するＭｇＯ（１１１）層１３上にＭｇＢ２層１４を形成すると、ＭｇＢ２層１４もＭｇＯ（１１１）層１３の配合性に整合するように結晶化する。ＭｇＢ２はＡｌＢ２型結晶構造の６回対称構造であるため、３回対称のＭｇＯ（１１１）層１３の（１１１）面のＭｇ面とＭｇＢ２の（００１）面のＭｇ面は同じ三角格子であり、また、Ｍｇ原子間距離がほぼ等しいために、ＭｇＢ２は２軸配向でエピタキシャル成長することができる。このため、ＭｇＯ（１１１）層１３の面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）を２５°以下とすることにより、ＭｇＢ２層１４の面内方向の結晶軸分散の半値幅（ΔΦ）を１６°以下とすることができる。従って、得られたＭｇＢ２層１４は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆ど無いので、金属基材１１の長さ方向に電流を流しやすくなり、十分に高い臨界電流密度が得られる。
【００２２】
また、前述したように、ＭｇＢ２層１４は２軸配向しているため、微細結晶粒間の接する面積が増大し、高特性の超電導層となる。さらに、ＭｇＢ２は従来公知の超電導材料に比べて、磁気異方性が小さいため、ＭｇＢ２粉末等を焼結法で加熱処理したような結晶配向性が低い条件においても、超電導特性を示すことが知られているが、本発明によれば、ＭｇＢ２層１４を配向性良好に形成することができるため、より高い超電導特性を発現することのできる超電導導体１０を提供することができる。
【００２３】
ＭｇＢ２層１４の厚さは、０．５〜５μｍの範囲が好ましい。ＭｇＢ２層１４の厚さが０．５μｍ未満だと、超電導特性を発現できない虞がある。一方、ＭｇＢ２層１４の厚さが５μｍを超えると、ＭｇＢ２層１４の内部応力が増大し、これにより超電導導体１０全体の内部応力が大きくなり、拡散防止層１２、ＭｇＯ（１１１）層１３及びＭｇＢ２層１４が金属基材１１から剥離しやすくなる。ＭｇＢ２層１４の厚さは、金属基材１１の送出速度を調整することにより増減させることができる。
【００２４】
金属基材１１は、本実施形態ではテープ状のものを用いているが、これに限定されず、例えば板材、線材、条体等の種々の形状のものを用いることができ、例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくは各種金属材料上に各種セラミックスを配したもの、等が挙げられる。また、金属基材１１として、強度が強く、耐熱性もあり、線材に加工することが容易な金属を長尺のテープ状に加工したものを用いることにより、長尺のＭｇＢ２超電導導体とすることができる。
【００２５】
拡散防止層１２は、金属基材１１の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは希土類金属酸化物等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止膜１２の厚さが１０ｎｍ未満になると、金属基材１１の構成元素の拡散を十分に防止できない虞がある。一方、拡散防止層１２の厚さが４００ｎｍを超えると、拡散防止層１２の内部応力が増大し、これにより超電導導体１０全体の内部応力が大きくなり、拡散防止層１２、ＭｇＯ（１１１）層１３及びＭｇＢ２層１４が金属基材１１から剥離しやすくなる虞がある。
また、拡散防止層１２を構成する希土類金属酸化物層として、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７  層を用いることができる。この場合の拡散防止層１２は、結晶配向性は特別に問われないので、通常のスパッタ法などの成膜法により形成すれば良い。特に拡散防止層１２として、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７  層を用いるならば、第二の実施形態で後述する拡散防止層１２とベッド層９の２層構造に近い拡散防止効果が得られ、その上に形成される超電導層であるＭｇＢ２層
１４の超電導特性が向上するので有利である。
なお、拡散防止層１２について結晶配向性を整えるためにIＢＡＤ法などの特別な成膜法を採用すると、成膜レートが低くなり、成膜に時間がかかるが、ＭｇＯ（１１１）層１３の下地としての拡散防止層１２であるならば、結晶配向性は問われないので、成膜レートの高い通常のスパッタ法などを選択して用いることができ、拡散防止層１２の成膜により製造時間を必要以上に長くするおそれは少ない。
【００２６】
本実施形態の超電導導体１０によれば、３回対称ＭｇＯ（１１１）層１３上に直接、超電導層であるＭｇＢ２層１４を結晶配向性良好に成膜することができ、従来公知の酸化物超電導層を積層する際に必要とされていたキャップ層を省略することができる。これにより、従来の超電導導体に比べて薄膜化が可能となり、内部応力が低減されるので、基材の反り返りという従来の問題を解決することができる。さらに、薄膜化により製造速度を高めることができ、また、ＭｇＢ２は従来の希土類元素が含まれた超電導材料に比べて非常に安価であるため、製造コストの低減を図ることができる。
【００２７】
＜第二の実施形態＞
次に、本発明の超電導導体の第二の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、同様の部分については、その説明を省略する。
図２は、本発明に係る超電導導体２０の一例を模式的に示す図である。図２において、図１に示した超電導導体１０と同じ構成要素には同一の符号を付した。
【００２８】
本実施形態の超電導導体２０は、金属基材１１上に、拡散防止層１２とベッド層９とを介して、ＭｇＯ（１１１）層１３とＭｇＢ２層１４とが積層された積層構造を有すること特徴とする。この第二実施形態の構造において第一実施形態の構造と異なっているのは、ベッド層９を追加した構造である。
【００２９】
ベッド層９は、耐熱性が高く、界面反応性をより低減するためのものであり、その上に配される被膜の配向性を得るために機能する。このようなベッド層９は、必要に応じて配され、例えば、希土類酸化物層を用いることができ、例えば希土類酸化物として、組成式（α１Ｏ２）２ｘ（β２Ｏ３）（１−Ｘ）で示されるものが挙げられる。ここで、αとβは希土類元素で０≦ｘ≦１に属するものを指す。より具体的には、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、  Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｐｒ６Ｏ１１、Ｓｃ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｔｂ４Ｏ７、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３などを例示することができる。
このベッド層９は、例えばスパッタリング法等により形成され、その厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。
拡散防止層１２とベッド層９の２層構造とする場合、拡散防止層１２をアルミナから構成し、ベッド層９をＹ２Ｏ３で形成する構造を例示できる。
【００３０】
本実施形態の如く拡散防止層１２とベッド層９の２層構造とするのは、ベッド層９の上に前述の実施形態で説明した如くＭｇＯ（１１１）層１３や超電導層であるＭｇＢ２層１４を形成する場合に、必然的に加熱されたり熱処理される結果として熱履歴を受ける場合、金属基材１１の構成元素の一部が拡散防止層１２とベッド層９を介して超電導層側に拡散することを抑制するためであり、拡散防止層１２とベッド層９の２層構造とすることで金属基材１１側からの元素拡散を効果的に抑制することができる。
また、これらの拡散防止層１２とベッド層９の結晶配向性は特には問われないので、通常のスパッタ法などの成膜法により形成すれば良い。
【００３１】
以上、本発明の超電導導体について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。例えば、本発明の実施形態の例で挙げたＭｇＯ（１１１）層、ＭｇＢ２層、拡散防止層、ベッド層等の他に、従来公知の超電導導体に適用することの出来る材料を適宜組み合わせることが可能である。
【００３２】
本発明の超電導導体は、ＭｇＢ２が良好な結晶配向性で積層されているため、従来の焼結法により作成されたＭｇＢ２超電導導体に比べて、高い超電導特性を発現することが出来る。
また、本発明の超電導導体は、金属基材上に、イオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法により形成された３回対称ＭｇＯ（１１１）層を設けていることにより、ＭｇＯ（１１１）層上にＭｇＢ２層を良好な結晶配向状態で形成することが出来る。イオンビームアシスト（ＩＢＡＤ）法は、金属基板を長尺化した場合も適応可能であり、ＭｇＢ２層はＭｇＯ（１１１）層上では安定した結晶配向状態を保つことができるため、本発明の金属基材として長尺の金属基材を使用すれば、長尺ので良好な超電導特性のＭｇＢ２超電導導体を提供することが出来る。
さらに、本発明の超電導導体は、超電導層としてＭｇＢ２層を採用しているため、構成物質が希土類や毒性物質を含まず、低コストで扱いやすい超電導導体を提供することが出来る。
また、本発明の超電導導体を構成するＭｇＢ２層は、臨界温度Ｔｃが３９Ｋであるため、液体ヘリウムによる冷却の必要性が無く、コストを削減できるため、超電導線材以外にも、超電導マグネット等の種々の分野に応用が可能である。
【実施例】
【００３３】
まず、本実施例で用いた、ＩＢＡＤ法による成膜装置について説明する。
図３は、多結晶薄膜を製造する装置の一例を示すものであり、この例の装置は、スパッタ装置にイオンビームアシスト用のイオンガンを設けた構成となっている。
この成膜装置は、基材Ａを水平に保持する基材ホルダ５１と、この基材ホルダ５１の斜め上方に所定間隔をもって対向配置された板状のターゲット５２と、基材ホルダ５１の斜め上方に所定間隔をもって対向され、かつ、ターゲット５２と離間して配置されたイオンガン５３と、ターゲット５２の下方においてターゲット５２の下面に向けて配置されたスパッタビーム照射装置５４を主体として構成されている。また、図中符号５５は、ターゲット５２を保持したターゲットホルダを示している。
また、前記装置は図示略の真空容器に収納されていて、基材Ａの周囲を真空雰囲気に保持できるようになっている。更に前記真空容器には、ガスボンベ等の雰囲気ガス供給源が接続されていて、真空容器の内部を真空等の低圧状態で、かつ、アルゴンガスあるいはその他の不活性ガス雰囲気または酸素を含む不活性ガス雰囲気にすることができるようになっている。
【００３４】
なお、基材Ａとして長尺の金属テープを用いる場合は、真空容器の内部に金属テープの送出装置と巻取装置を設け、送出装置から連続的に基材ホルダ５１に基材Ａを送り出し、続いて巻取装置で巻き取ることでテープ状の基材上に多結晶薄膜を連続成膜することができるように構成することが好ましい。
基材ホルダ５１は内部に加熱ヒータを備え、基材ホルダ５１の上に位置された基材Ａを所用の温度に加熱できるようになっている。また、基材ホルダ５１の底部には、基材ホルダ５１の水平角度を調整できる角度調整機構が付設されている。なお、角度調整機構をイオンガン５３に取り付けてイオンガン５３の傾斜角度を調整し、イオンの照射角度を調整するようにしても良い。
【００３５】
ターゲット５２は、目的とするＭｇＯ層を形成するためのものであり、具体的には、ＭｇＯあるいはＭｇを用い、必要に応じて成膜雰囲気中に酸素ガスを供給して成膜すればよい。
イオンガン５３は、容器の内部に、イオン化させるガスを導入し、正面に引き出し電極を備えて構成されている。そして、ガスの原子または分子の一部をイオン化し、そのイオン化した粒子を引き出し電極で発生させた電界で制御してイオンビームとして照射する装置である。ガスをイオン化するには高周波励起方式、フィラメント式等の種々のものがある。フィラメント式はタングステン製のフィラメントに通電加熱して熱電子を発生させ、高真空中でガス分子と衝突させてイオン化する方法である。また、高周波励起方式は、高真空中のガス分子を高周波電界で分極させてイオン化するものである。
本実施例においては、図４に示す構成の内部構造のイオンガン５３を用いる。このイオンガン５３は、筒状の容器５６の内部に、引出電極５７とフィラメント５８とＡｒガス等の導入管５９とを備えて構成され、容器５６の先端からイオンをビーム状に平行に照射できるものである。
【００３６】
イオンガン５３は、図３に示すようにその中心軸を基材Ａの上面（成膜面）に対して傾斜角度θでもって傾斜させて対向されている。この傾斜角度θは３０〜６０度の範囲が好ましいが、ＭｇＯの場合に特に４５度前後が好ましい。従ってイオンガン５３は基材Ａの上面に対して傾斜角θでもってイオンを照射できるように配置されている。なお、イオンガン５３によって基材Ａに照射するイオンは、Ｈｅ+、Ｎｅ+、Ａｒ+、Ｘｅ+、Ｋｒ+  等の希ガスのイオン、あるいは、それらと酸素イオンの混合イオン等で良い。
スパッタビーム照射装置５４は、イオンガン５３と同等の構成をなし、ターゲット５２に対してイオンを照射してターゲット５２の構成粒子を叩き出すことができるものである。なお、本発明装置ではターゲット５３の構成粒子を叩き出すことができることが重要であるので、ターゲット５２に高周波コイル等で電圧を印可してターゲット５２の構成粒子を叩き出し可能なように構成し、スパッタビーム照射装置５４を省略しても良い。
【００３７】
次に前記構成の装置を用いて基材Ａ上に多結晶薄膜を形成する場合について説明する。
基材Ａ上に多結晶薄膜を形成するには、所定のターゲットを用いるとともに、角度調整機構を調節してイオンガン５３から照射されるイオンを基材ホルダ５１の上面に４５度前後の角度で照射できるようにする。次に基材を収納している容器の内部を真空引きして減圧雰囲気とする。そして、イオンガン５３とスパッタビーム照射装置５４を作動させる。
【００３８】
スパッタビーム照射装置５４からターゲット５２にイオンを照射すると、ターゲット５２の構成粒子が叩き出されて基材Ａ上に飛来する。そして、基材Ａ上に、ターゲット５２から叩き出した構成粒子を堆積させると同時に、イオンガン５３からＡｒイオンと酸素イオンの混合イオンを照射する。このイオン照射する際の照射角度θは、たとえばＭｇＯを形成する際には、４０〜６０度の範囲が好適である。
【００３９】
「製造例１」
金属基材として、表面を研磨した１０ｍｍ幅のハステロイテープを使用した。この金属基材上に、拡散防止層としてＡｌ２Ｏ３膜（２００〜３００ｎｍ）をスパッタリング法により形成した後、ＩＢＡＤ法によってＭｇＯ層（１０〜３０ｎｍ）を形成した。このときのＭｇＯ層は、３００℃の基材温度で、Ａｒ等の希ガスイオンビームによるイオンアシストビームを基材に対して５５°に入射させながら作製した。
次いで、ＩＢＡＤ−ＭｇＯ層上に、イオンビームスパッタ法によりＭｇＯをエピタキシャル成長させてＭｇＯ層（約３００ｎｍ）を積層形成した。このときのＭｇＯ層は２００〜６００℃で作製した。このように作製したＭｇＯ層のＭｇＯ［１１０］正極点図を図７に示す。
【００４０】
更に、ＭｇＯ層上に、ＰＬＤ法によってＭｇＢ２を３００℃にてエピタキシャル成長させることによりＭｇＢ２層（約１μｍ）を積層形成し、超電導導体を得た。このようにして得られた超電導導体のＭｇＯ層、ＭｇＢ２層について、面内方向の結晶軸分散の半値幅を測定した。その結果を表１に示す（実施例１〜５）。
また、得られた超電導導体の２０Ｋにおける臨界電流密度Ｊｃ、臨界電流Ｉｃを測定した。結果を表１に併せて示す。
【００４１】
（比較例１）
イオンビームスパッタ法によりＭｇＯ層をエピタキシャル成長させる温度を１００℃とした以外は、上記製造例１と同様にして超電導導体を作製した。得られた超電導導体のＭｇＯ層およびＭｇＢ２層の面内方向の結晶軸分散の半値幅、２０Ｋにおける臨界電流密度Ｊｃ、臨界電流Ｉｃの測定結果を表１に併記した。
【００４２】
（比較例２）
上記製造例１と同様にしてＩＢＡＤ−ＭｇＯ層を作製した後、７００℃にてイオンビームスパッタ法によりＭｇＯ層を成膜したが、ＭｇＯ層はエピタキシャル成長せず、３回対称ＭｇＯ（１１１）層は得られなかった。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
図７および表１の結果より、適切な成膜条件下において、基材に垂直に（１１１）軸が配向し、イオンビーム方向に（１００）軸が配向し、面内方向の結晶軸分散の半値幅が２５度以内となる３回対称ＭｇＯ（１１１）層が形成される。この構造の薄膜は、広い条件下で同様の構造を持って成膜される特徴があり、膜厚は５〜１００ｎｍ程度まで変更することができる。また、ＭｇＯ層をエピタキシャル成長させる際の温度は、２００〜６００℃の範囲に設定することにより、面内方向の結晶軸分散の半値幅が２５度以内の３回対称ＭｇＯ（１１１）層が形成される。さらに、３回対称ＭｇＯ（１１１）層は所望の厚さとするために、ＩＢＡＤ法のみにより形成することもできるが、この構造のＭｇＯは良好な結晶配向性を保ったまま成膜される特徴があるため、本製造例に示すように、初めにＩＢＡＤ法により３回対称ＭｇＯ（１１１）の薄膜を形成後、この薄膜上に成膜法によりＭｇＯをエピタキシャル成長させることより厚膜の３回対称ＭｇＯ（１１１）層を形成することもできる。これにより、成膜作業時間の短縮が可能となる。
【００４５】
更に、３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に、ＰＬＤ法によって積層形成されたＭｇＢ２層において、面内方向の結晶軸分散の半値幅が１６度以下とすることに成功した。これは、ＭｇＢ２はＡｌＢ２型結晶構造の６回対称構造であるため、ＭｇＯの（１１１）面のＭｇ面とＭｇＢ２の（００１）面のＭｇ面は同じ三角格子であり、また、Ｍｇ原子間距離がほぼ等しいために、ＭｇＢ２は２軸配向でエピタキシャル成長することができるためである。また、前述したように、ＭｇＢ２は２軸配向しているため、微細結晶粒間の接する面積が増大し、高特性の超電導層となる。
これまで、超電導層ＭｇＢ２を成膜法により、良好な結晶配向構造が整合して作製された例はなく、本発明により安定して高性能膜を高速合成する道が開けた。
【００４６】
また、実施例１〜５の超電導導体はいずれも、２０Ｋにおいて、臨界電流密度Ｊｃが０．７ＭＡ／ｃｍ２以上、臨界電流Ｉｃが７０Ａ以上となり、比較例１の超電導導体よりも、高い超電導特性が得られていることが確認された。また、これらの値は、従来公知のＭｇＢ２粉を焼結して作製した超電導導体（例えば、特許文献１を参照）よりも優れた超電導特性を発揮している。
【００４７】
また、本発明によれば、３回対称ＭｇＯ（１１１）層上に直接、超電導層であるＭｇＢ２層を結晶配向性良好に成膜することができる。さらに、薄膜化により製造速度を飛躍的に高めることができ、また、ＭｇＢ２は従来の希土類元素が含まれた超電導材料に比べて非常に安価である為、製造コストの低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
９…ベッド層、１０、２０…超電導導体、１１…金属基材、１２…拡散防止層、１３…ＭｇＯ（１１１）層、１４…ＭｇＢ２層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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