(57)【要約】【課題】  厚膜化に伴う臨界電流の増加量を向上させることができる超電導薄膜材料、超電導線材およびこれらの製造方法を提供する。【解決手段】  表面が平滑化処理された第１の超電導薄膜と平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に形成された第２の超電導薄膜とを含む超電導薄膜材料である。また、基板と基板上に形成された中間層と中間層上に形成された超電導層とを含み、超電導層は上記の超電導薄膜材料からなる超電導線材である。さらに、上記の超電導薄膜材料の製造方法および超電導線材の製造方法である。【選択図】        図１
2006216365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が平滑化処理された第１の超電導薄膜と、前記平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に形成された第２の超電導薄膜と、を含む、超電導薄膜材料。
【請求項２】
前記平滑化処理は、機械的研磨および化学的研磨の少なくとも一方によって行なわれることを特徴とする、請求項１に記載の超電導薄膜材料。
【請求項３】
基板と、前記基板上に形成された中間層と、前記中間層上に形成された超電導層と、を含み、前記超電導層は請求項１または２に記載の超電導薄膜材料からなることを特徴とする、超電導線材。
【請求項４】
前記基板は金属単体または合金からなることを特徴とする、請求項３に記載の超電導線材。
【請求項５】
前記中間層は岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型またはパイロクロア型の結晶構造を有する酸化物からなることを特徴とする、請求項３または４に記載の超電導線材。
【請求項６】
前記超電導層はＲＥ−１２３超電導体からなることを特徴とする、請求項３から５のいずれかに記載の超電導線材。
【請求項７】
第１の超電導薄膜の表面を平滑化処理する工程と、前記平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に第２の超電導薄膜を形成する工程と、を含む、超電導薄膜材料の製造方法。
【請求項８】
前記平滑化処理は、機械的研磨および化学的研磨の少なくとも一方によって行なわれることを特徴とする、請求項７に記載の超電導薄膜材料の製造方法。
【請求項９】
請求項３から６のいずれかに記載の超電導線材を製造する方法であって、前記基板上に前記中間層を形成する工程と、前記中間層上に第１の超電導薄膜を形成する工程と、前記第１の超電導薄膜の表面を平滑化処理する工程と、前記平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に第２の超電導薄膜を形成する工程と、を含む、超電導線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導薄膜材料、超電導線材およびこれらの製造方法に関し、特に厚膜化に伴う臨界電流の増加量を向上させることができる超電導薄膜材料、超電導線材およびこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導体の発見以来、ケーブル、限流器またはマグネットなどの電力機器への応用を目指した超電導線材の開発が世界中の研究機関で精力的に行なわれている。
【０００３】
従来の超電導線材としては、基板上に直接、超電導薄膜を形成した超電導線材（たとえば、特許文献１〜３参照）や、基板上に中間層を介して超電導薄膜を形成した超電導線材（たとえば、非特許文献１参照）などが知られている。
【０００４】
また、このような超電導線材の製造においては、高い臨界電流を得るために基板の表面に対して予め研磨処理を行なった後に基板の表面上に超電導薄膜を形成することが提案されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開平６−３１６０４号公報
【特許文献２】特開平６−６８７２７号公報
【特許文献３】特開平６−６８７２８号公報
【非特許文献１】藤野、他６名，「ＩＳＤ法による高温超電導線材の開発」，ＳＥＩテクニカルレビュー，１９９９年９月、第１５５号、p.１３１−１３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超電導薄膜において高い臨界電流を得るためには超電導薄膜の表面の平滑性が非常に重要な要因となるが、超電導薄膜の膜厚が厚くなるにしたがって超電導薄膜の表面の平滑性は悪化する。
【０００６】
したがって、高い臨界電流を得るために超電導薄膜の厚膜化を進めた場合でも膜厚の増加に伴う臨界電流の増加が徐々に鈍くなり、高い臨界電流を得ることができなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、厚膜化に伴う臨界電流の増加量を向上させることができる超電導薄膜材料、超電導線材およびこれらの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、表面が平滑化処理された第１の超電導薄膜と、平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に形成された第２の超電導薄膜と、を含む、超電導薄膜材料である。
【０００９】
ここで、本発明の超電導薄膜材料において、平滑化処理は、機械的研磨および化学的研磨の少なくとも一方によって行なわれ得る。
【００１０】
また、本発明は、基板と、基板上に形成された中間層と、中間層上に形成された超電導層と、を含み、超電導層は上記の超電導薄膜材料からなる超電導線材である。
【００１１】
ここで、本発明の超電導線材において、基板は金属単体または合金からなり得る。
【００１２】
また、本発明の超電導線材において、中間層は岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型またはパイロクロア型の結晶構造を有する酸化物からなり得る。
【００１３】
また、本発明の超電導線材において、超電導層はＲＥ−１２３超電導体からなり得る。
【００１４】
また、本発明は、第１の超電導薄膜の表面を平滑化処理する工程と、平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に第２の超電導薄膜を形成する工程と、を含む、超電導薄膜材料の製造方法である。
【００１５】
ここで、本発明の超電導薄膜材料の製造方法において、平滑化処理は、機械的研磨および化学的研磨の少なくとも一方によって行なわれ得る。
【００１６】
さらに、本発明は、上記のいずれかに記載の超電導線材を製造する方法であって、基板上に中間層を形成する工程と、中間層上に第１の超電導薄膜を形成する工程と、第１の超電導薄膜の表面を平滑化処理する工程と、平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に第２の超電導薄膜を形成する工程と、を含む、超電導線材の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、厚膜化に伴う臨界電流の増加量を向上させることができる超電導薄膜材料、超電導線材およびこれらの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は表面が平滑化処理された第１の超電導薄膜と、平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に形成された第２の超電導薄膜と、を含む、超電導薄膜材料である。
【００１９】
従来においては、たとえばパルスレーザ蒸着法による形成時間を長くするなどの方法によって厚膜の超電導薄膜材料を一度に形成していた。しかしながら、平滑性の悪い表面上に超電導薄膜がどんどん形成されていくため、超電導薄膜材料を厚膜にするにつれて表面の平滑性が悪くなる傾向にあった。
【００２０】
そこで、本発明では、超電導薄膜材料の厚膜化に際してすべての超電導薄膜材料を一度に形成するのではなく、超電導薄膜材料の形成途中における第１の超電導薄膜の表面について平滑化処理を行ない、平滑化された第１の超電導薄膜の表面に第２の超電導薄膜を引き続き形成する。これにより、本発明においては、表面の平滑性に優れた超電導薄膜材料を得ることができ、厚膜化に伴う臨界電流の増加量が鈍るのを抑制することができることから高い臨界電流を得ることができるのである。なお、本発明においては、さらに第２の超電導薄膜の表面が平滑化処理された後に新たな第３の超電導薄膜が形成されてもよく、このような超電導薄膜の表面の平滑化処理と平滑化処理された超電導薄膜の表面上への新たな超電導薄膜の形成とが繰り返されてもよい。
【００２１】
図１に、本発明の超電導薄膜材料の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の超電導薄膜材料１は基板２上に形成されている第１の超電導薄膜１ａと第２の超電導膜１ｂとからなる。本発明の超電導薄膜材料１を構成する材質（第１の超電導薄膜１ａおよび第２の超電導膜１ｂを構成する材質）は超電導の性質を有するものであれば特に限定されないが、たとえばＲＥ−１２３超電導体などを用いることができる。なお、ＲＥ−１２３超電導体とは、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ｘは６〜７であり、ＲＥは、ホルミウム、ガドリニウム若しくはサマリウムなどの希土類元素、またはイットリウムを示す）の式で表される超電導体を意味する。また、基板２を構成する材質としてはたとえばニッケル単体やニッケル合金などの金属単体または合金などを用いることができる。
【００２２】
図２に、本発明の超電導薄膜材料の製造方法の好ましい一例のフローチャートを示す。まず、Ｓ１１に示すように、基板の表面上に第１の超電導薄膜が形成される。ここで、第１の超電導薄膜はたとえばパルスレーザ蒸着法などの方法によって形成することができる。
【００２３】
次に、Ｓ１２に示すように、基板の表面上に形成された第１の超電導薄膜の表面が平滑化処理される。ここで、平滑化処理は、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の、機械的研磨および化学的研磨の少なくとも一方によって行なうことができる。また、平滑化処理は、第１の超電導薄膜の表面の表面粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１）が１０ｎｍ以下になるまで行なわれることが好ましく、６ｎｍ以下になるまで行なわれることがより好ましい。
【００２４】
続いて、Ｓ１３に示すように、平滑化処理された第１の超電導薄膜の表面上に第２の超電導薄膜が形成される。ここで、第２の超電導薄膜は第１の超電導薄膜と同様にたとえばパルスレーザ蒸着法などの方法によって形成される。
【００２５】
そして、Ｓ１４に示すように、本発明の超電導薄膜材料が製造される。なお、上述の製造方法においては、さらに第２の超電導薄膜の表面が平滑化処理され、平滑化処理された後の第２の超電導薄膜の表面上に新たな第３の超電導薄膜が形成されてもよく、このような超電導薄膜の表面の平滑化処理と平滑化処理された超電導薄膜の表面上への新たな超電導薄膜の形成とが繰り返されてもよい。
【００２６】
図３に、本発明の超電導線材の好ましい一例の一部の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の超電導線材１０は、基板２と、基板２上に形成された中間層３と、中間層３上に形成された超電導層４とを含んでいる。
【００２７】
ここで、本発明の超電導線材１０は、超電導層４として上述した本発明の超電導薄膜材料を用いることを特徴としている。すなわち、この超電導層４は厚膜化しても表面が平滑となるため、本発明の超電導線材１０においても超電導層４の厚膜化に伴う臨界電流の増加量を鈍らせることなく高い臨界電流を得ることができる。
【００２８】
また、基板２を構成する材質としては上述と同様にたとえばニッケル単体やニッケル合金などの金属単体または合金などを用いることができる。また、中間層３を構成する材質としてはたとえば岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型またはパイロクロア型のいずれか１つの結晶構造を有する酸化物を用いることができる。上述の結晶構造を有する酸化物としては、たとえばＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）若しくはＣｅＯ2（二酸化セリウム）などの希土類元素の酸化物、ＢＺＯ（ＢａＺｒＯ3）、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）、Ａｌ2Ｏ3などが挙げられる。また、中間層３は単層だけでなく、材質の異なる複数の層からなっていてもよい。なお、本発明の超電導線材においては、超電導層を保護するために、超電導層を被覆するたとえば銀などからなる被覆層を形成してもよい。
【００２９】
図４に、本発明の超電導線材の製造方法の好ましい一例のフローチャートを示す。まず、Ｓ２１に示すように、基板の表面上に中間層が形成される。ここで、中間層はたとえばパルスレーザ蒸着法などの方法によって形成することができる。
【００３０】
次に、Ｓ２２に示すように、中間層の表面上に第１の超電導薄膜が形成される。ここで、第１の超電導薄膜はたとえばパルスレーザ蒸着法などの方法によって形成することができる。
【００３１】
続いて、Ｓ２３に示すように、中間層の表面上に形成された第１の超電導薄膜の表面が平滑化処理される。平滑化処理は、たとえば上述したＣＭＰ法、ウエットエッチング法または機械研磨法などの、機械的研磨および化学的研磨の少なくとも一方によって行なうことができる。ここでも、平滑化処理は、第１の超電導薄膜の表面の表面粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１）が１０ｎｍ以下になるまで行なわれることが好ましく、６ｎｍ以下になるまで行なわれることがより好ましい。
【００３２】
次いで、Ｓ２４に示すように、平滑化処理された後の第１の超電導薄膜の表面上に第２の超電導薄膜が形成される。ここで、第２の超電導薄膜は第１の超電導薄膜と同様にたとえばパルスレーザ蒸着法などの方法によって形成することができる。
【００３３】
そして、Ｓ２５に示すように、中間層の表面上に本発明の超電導薄膜材料が形成され、本発明の超電導線材が製造される。なお、上述の製造方法においては、さらに第２の超電導薄膜の表面が平滑化処理された後に新たな第３の超電導薄膜が形成されてもよく、このような超電導薄膜の表面の平滑化処理と平滑化処理された超電導薄膜の表面上への新たな超電導薄膜の形成とが繰り返されてもよい。
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
まず、図５の模式的断面図に示す装置内にニッケル合金からなる基板２を設置し、さらにこの基板２の下方にイットリア安定化ジルコニアからなるターゲット５を設置した。ここで、基板２の表面とターゲット５の表面とが互いに向き合うようにこれらの表面が平行になるように設置した。そして、基板２の表面とターゲット５の表面との間の距離を５０ｍｍに設定した。また、イットリア安定化ジルコニアは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）に対して酸化ジルコニウムの８質量％のイットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加されたものであった。
【００３５】
次に、この装置内を真空引きした後に、９０体積％のアルゴン（Ａｒ）と１０体積％の酸素（Ｏ2）とからなる混合ガスをこの装置内に導入し、装置内の圧力を１×１０7ｔｏｒｒとした。
【００３６】
次いで、基板２を加熱して基板２の温度を７００℃にした後に、ターゲット５の表面に波長が２４８ｎｍであってエネルギ照度が３．５Ｊ／ｃｍ2であるＫｒＦエキシマレーザ光６を４０Ｈｚの繰返し周波数でパルス状に照射した。これによりターゲット５のプラズマ７が生成して、基板２の表面上にイットリア安定化ジルコニアからなる中間層を１μｍの厚みで形成した。
【００３７】
続いて、ターゲット５の材質をＨｏＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ＲＥ−１２３超電導体）に変更し、この装置内を再度真空引きした後、１００体積％の酸素からなるガスをこの装置内に導入して装置内の圧力を２×１０8ｔｏｒｒとした。
【００３８】
そして、基板２の温度を６５０℃にした後に、ターゲット５の表面に波長が２４８ｎｍであってエネルギ照度が３．５Ｊ／ｃｍ2であるＫｒＦエキシマレーザ光６を８０Ｈｚの繰返し周波数でパルス状に照射した。これによりターゲット５のプラズマ７が生成して、中間層の表面上にＲＥ−１２３超電導体からなる第１の超電導薄膜を１μｍの膜厚で形成した。
【００３９】
このようにして得られた超電導線材を試料Ａとし、この試料Ａの第１の超電導薄膜の表面粗さＲａを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Atomic Force Microscope）を用いて測定し、また臨界電流値Ｉｃを四端子法により測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように、試料Ａの第１の超電導薄膜の表面粗さＲａは５５ｎｍであって、臨界電流値Ｉｃは１１０Ａ／ｃｍ幅であった。
【００４０】
この試料Ａの第１の超電導薄膜の表面をＣＭＰ法を用いて０．１μｍの厚さを研磨除去することによって平滑化処理した（すなわち、研磨除去後の第１の超電導薄膜の膜厚は０．９μｍとなった）。この平滑化処理後の第１の超電導薄膜の表面粗さＲａをＡＦＭを用いて測定したところ、その表面粗さＲａは６ｎｍであった。
【００４１】
そして、上記の平滑化処理後の試料Ａを図５に示す装置内の基板２の位置に設置し、平滑化処理された試料Ａの第１の超電導薄膜の表面上に上記の試料Ａの場合における第１の超電導薄膜の形成条件と同一の条件で、ＲＥ−１２３超電導体からなる第２の超電導薄膜を１μｍの膜厚で形成することによって、中間層上に第１の超電導薄膜および第２の超電導薄膜からなる超電導層を形成した（超電導層の厚みは１．９μｍとなった）。
【００４２】
このようにして得られた超電導線材を試料Ｂとし、この試料Ｂの超電導層の表面粗さＲａを試料Ａの場合と同様にしてＡＦＭを用いて測定し、臨界電流値Ｉｃを四端子法により測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように試料Ｂの表面粗さＲａは６ｎｍであって、臨界電流値Ｉｃは２００Ａ／ｃｍ幅であった。
【００４３】
（比較例１）
ニッケル合金からなる基板上にイットリア安定化ジルコニアからなる中間層と二酸化セリウムからなる中間層がこの順序で基板側から形成されている基板を準備した。そして、実施例１と同一の条件で、酸化セリウムからなる中間層の表面上にＲＥ−１２３超電導体からなる超電導薄膜を２μｍの膜厚で形成した。
【００４４】
このようにして得られた超電導線材を試料Ｃとし、この試料Ｃの超電導薄膜の表面粗さＲａを試料Ａおよび試料Ｂの場合と同様にしてＡＦＭを用いて測定し、臨界電流値Ｉｃを四端子法により測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように試料Ｃの表面粗さＲａは８０ｎｍであって、臨界電流値Ｉｃは１４０Ａ／ｃｍ幅であった。
【００４５】
【表１】
2006216365.tif 000003
【００４６】
表１に示すように、平滑化処理がされていない試料Ａと試料Ｃとを比較すると、超電導薄膜の膜厚の大きい試料Ｃの方が臨界電流値Ｉｃが大きくなっていた。しかしながら、ＣＭＰ法により第１の超電導薄膜の表面が平滑化処理された後に第２の超電導薄膜が形成された試料Ｂは試料Ｃと膜厚がほとんど変わらないにも関わらず、試料Ｃよりも臨界電流値Ｉｃが大きくなることが確認された。したがって、本発明においては、超電導層の厚膜化に伴う臨界電流の増加量を向上できることが確認された。
【００４７】
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いと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の超電導薄膜材料および超電導線材は、ケーブル、限流器またはマグネットなどの電力機器に好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の超電導薄膜材料の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図２】本発明の超電導薄膜材料の製造方法の好ましい一例のフローチャートである。
【図３】本発明の超電導線材の好ましい一例の一部の模式的な断面図である。
【図４】本発明の超電導線材の製造方法の好ましい一例のフローチャートである。
【図５】本発明の実施例で用いられた装置の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  超電導薄膜材料、１ａ  第１の超電導薄膜、１ｂ  第２の超電導薄膜、２  基板、３  中間層、４  超電導層、５  ターゲット、６  ＫｒＦエキシマレーザ光、７  プラズマ、１０  超電導線材。
【図１】
2006216365.tif 000004
【図２】
2006216365.tif 000005
【図３】
2006216365.tif 000006
【図４】
2006216365.tif 000007
【図５】
2006216365.tif 000008