(57)【要約】  本発明のある実施態様では、超伝導構造体が記載される。ある実施態様では、記載された超伝導構造体は、配向基板上の鉄系超伝導体の薄膜である。ある態様では、配向基板上に鉄系超伝導体の薄膜を製造する方法が開示される。ある実施態様では、配向基板上の鉄系超伝導体の薄膜の用途が記載される。また、厚み及び面内格子定数を有する鉄系超伝導体の膜を、厚み及び前記鉄系超伝導体の面内格子定数と類似の面内格子定数を有する配向基板に形成することが観察される。【選択図】図２
2013545213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み及び面内格子定数を有する鉄系超伝導体膜；並びに
厚み及び前記鉄系超伝導体と類似の面内格子定数を有する配向基板
を含み、前記超伝導体膜が、前記配向基板上に形成されている、超伝導構造体。
【請求項２】
前記配向基板の面内格子定数が、前記鉄系超伝導体の面内格子定数の１０％以下の不整合度を有する、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項３】
前記配向基板の面内格子定数が、前記鉄系超伝導体の面内格子定数の５％以下の不整合度を有する、請求項２記載の超伝導構造体。
【請求項４】
前記鉄系超伝導体が、鉄カルコゲニドを含む、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項５】
前記鉄カルコゲニドが、化学式
ＦｅZＳｅxＴｅ1-x
（式中、０≦ｘ≦１及び０．７≦ｚ≦１．３）
で表される化合物を含む、請求項４記載の超伝導構造体。
【請求項６】
前記超伝導体が、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5である、請求項５記載の超伝導構造体。
【請求項７】
前記鉄系超伝導体が、鉄プニクチドを含む、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項８】
前記鉄プニクチドが、化学式
Ｍ−ＦｅyＡｓＯ1-xＦx
（式中、０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦１．６、Ｍが、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択される１以上の金属である）
で表される鉄オキシプニクチドである、請求項７記載の超伝導構造体。
【請求項９】
希土類金属が、Ｌａである、請求項８記載の超伝導構造体。
【請求項１０】
前記鉄オキシプニクチドが、ＬａＯＦｅＡｓである、請求項９記載の超伝導構造体。
【請求項１１】
前記鉄プニクチドが、化学式
Ｍ−ＦｅyＡｓxＦz
（式中、１≦ｘ≦２、０．６≦ｙ≦２．０、０≦ｚ≦１、Ｍが、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択される１以上の金属である）
で表される鉄非オキシプニクチドである、請求項７記載の超伝導構造体。
【請求項１２】
前記鉄プニクチドが、ＬｉＦｅＡｓ又はＢａＦｅ2Ａｓ2である、請求項１１記載の超伝導構造体。
【請求項１３】
前記配向基板が、ベースと緩衝層とを含む、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項１４】
前記配向基板が、ベースを含む、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項１５】
前記緩衝層が、酸化物を含む、請求項１３記載の超伝導構造体。
【請求項１６】
前記緩衝層が、ＭｇＯ、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3及びＹＳＺからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１５記載の超伝導構造体。
【請求項１７】
前記ベースが、金属、金属合金、半導体、酸化物及びポリマーからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１３又は１４記載の超伝導構造体。
【請求項１８】
前記ベースが、ニッケルを含む、請求項１７記載の超伝導構造体。
【請求項１９】
前記ベースが、ニッケル合金を含む、請求項１６記載の超伝導構造体。
【請求項２０】
前記配向基板が、リボン、テープ又はワイヤーの形態にある、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項２１】
前記ベースが、リボン、テープ又はワイヤーの形態にある、請求項１３又は１４記載の超伝導構造体。
【請求項２２】
前記配向基板が、多結晶である、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項２３】
前記ベースが、多結晶である、請求項１３又は１４記載の超伝導構造体。
【請求項２４】
前記超伝導体の固有の電気特性及び磁気特性が、同じ組成及び厚みを有し、バルクの単結晶基板の上に形成された鉄系超伝導体薄膜と少なくとも同等である、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項２５】
前記緩衝層が、１ｎｍ〜１０μｍの厚みを有する、請求項１３記載の超伝導構造体。
【請求項２６】
前記超伝導体の厚みが、１０ｎｍ〜１０μｍである、請求項１記載の超伝導構造体。
【請求項２７】
超伝導構造体を製造する方法であって、
厚み及び面内格子定数を有する鉄系超伝導体膜を、厚み及び前記超伝導体の面内格子定数と類似の面内格子定数を有する基板上に形成する工程を含む、方法。
【請求項２８】
さらに、ベースに緩衝層を堆積して前記基板を形成する工程を含む、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記緩衝層を、前記基板のベースに配向を生成する条件で成長させる、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記超伝導体膜を形成する工程が、パルスレーザー堆積によって、前記超伝導体を堆積する工程を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記パルスレーザー堆積が、以下の諸工程：
前記基板を堆積チャンバに入れる工程；
前記堆積チャンバを脱気して約１．３×１０-6ｈＰａの圧力にする工程；
前記基板を３５０℃〜４５０℃まで加熱する工程；
約３Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度及び約５Ｈｚの繰り返し率を有するレーザー光を用いて、所望の鉄カルコゲニド組成物の標的に前記レーザー光を選択された期間当てる工程；及び
前記基板の加熱機の電源を切る工程；
を含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記堆積チャンバを脱気して、圧力を１．３×１０-2〜１．３×１０-7ｈＰａの酸素圧力にし、酸素ドープされた超伝導体膜を製造する、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記堆積チャンバを脱気して、圧力を１．３×１０-3〜１．３×１０-6ｈＰａの酸素圧力にし、酸素ドープされた超伝導体膜を製造する、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記堆積チャンバを脱気して、圧力を約１．３×１０-4ｈＰａの酸素圧力にし、酸素ドープされた超伝導体膜を製造する、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
超伝導構造体を使用する方法であって、
配向基板と該基板上に形成された鉄系超伝導材料の膜とを含む超伝導構造体から、超伝導デバイスを形成する工程を含む、方法。
【請求項３６】
前記超伝導デバイスを形成する工程が、前記超伝導構造体を磁石に巻き付ける工程を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記超伝導デバイスを形成する工程が、前記超伝導構造体を、超電流を伝導することができる、リボン又はワイヤーに形成する工程を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記超伝導デバイスを形成する工程が、前記超伝導構造体を限流器に形成する工程を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３９】
前記超伝導デバイスを形成する工程が、前記超伝導構造体を無線周波数デバイスに形成する工程を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項４０】
さらに、前記超伝導デバイスに加えられた刺激に対して、前記超伝導デバイスの反応を検知する工程を含む、請求項３５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（政府の許諾権の言及）
本発明は、米国エネルギー省によって授与された、契約番号ＤＥ−ＡＣ０２−９８ＣＨ１０８８６の下、政府支援を受けてなされたものである。政府は、本発明において、所定の権利を有する。
（本発明の背景技術）
（発明の分野）
本発明は、鉄系超伝導体の薄膜に関し、特に、配向基板（textured substrate）上の前記超伝導体の薄膜に関する。また、本発明は、配向基板上に鉄系超伝導体の薄膜を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の背景）
超伝導体の高磁場への適用は、４．２Ｋで磁場を最大２０Ｔまで到達できる材料、Ｎｂ3Ｓｎによって支配される。しかし、Ｎｂ3Ｓｎワイヤーは、典型的に、巻き付け後に熱処理が必要となり、その熱処理は、技術的に高度な製造工程である。高温超伝導酸化物（ＨＴＳ）は、優れた超伝導特性を提供するけれども、高い製造コストに加えて、特徴的に高い異方性及び脆弱な配向性が、用途を制限している。２００８年には、鉄系超伝導体の新規ファミリーが発見されたが、そのファミリーは、最大５５Ｋの転移温度Ｔｃを有する、半金属性で異方性の低い材料である（Renら, Europhys. Lett. 83, 17002 (2008)；参照によってその全体が本明細書に組み込まれる）。極めて高い臨界磁場Ｈc2（０）（〜１００Ｔ）、適度な異方性
【０００３】
【数１】
2013545213.tif 000003
【０００４】
及び高い不可逆磁場Ｈirrの組み合わせにより、このような部類の超伝導体を高磁場に適用することが求められる。
【０００５】
さらに、これらの鉄系超伝導体は、鉄プニクチド（ＬａＦｅＡｓＯ、ＳｒＦｅ2Ａｓ2、ＢａＦｅ2Ａｓ2など）に属するものと、鉄カルコゲニド（ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅなど）に属するものとに分類することができる。どちらもかなり魅力的な特性を有する。鉄系超伝導体のより詳細な議論は、Balatskyら（Physics 2, 59 2009）及びXiaら（Phys. Rev. Lett. 103, 037002, 2009）で提供される。上記の各刊行物は参照することによって、あたかも本明細書で十分に説明されているかのように、その全体が組み込まれる。
【０００６】
しかし、カルコゲニドは、プニクチドよりも、いくつかの実用的な利点を有する。カルコゲニドのＴｃは、典型的に２０Ｋより低いけれども、Ｈc2（０）が５０Ｔに近づくにつれて、２以下（〜２）の低い異方性を示す。カルコゲニドの例外的に高い臨界磁場は、ＭＲＩ磁石及び加速器磁石などの高磁場用途に重要である。カルコゲニドは、鉄系超伝導体の中でも最も単純な構造を有し、２つ又は３つの元素しか含まず、毒性のヒ素を含むプニクチドとは異なり、取扱性を非常に単純化する。
【０００７】
このような材料の高品質な薄膜の製造に、たくさんの努力が費やされている。しかし、これらの膜は、大規模利用の場合、結晶基板に形成され、超伝導テープ又はワイヤーを製造するのには使用できない。実用的利用の場合、このような部類の超伝導体は、支持体上に形成されなければならず、これは長いテープ又はワイヤーに形成され得る。しかし、前記基板と膜材料との間の格子不整合により、このような膜を成長させることは、かなり困難である。
【０００８】
従って、鉄カルコゲニド及び鉄プニクチドなどの鉄系超伝導体を、工業的及び研究的な用途、例えば、超伝導磁石を巻き付けるために利用され得るフィルム、ワイヤー又はテープに成形できる製造方法を開発することが引き続き求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（要約）
基板上に鉄系超伝導体の高品質薄膜を得るという課題を認識し、本明細書で記載される技術は、配向基板上に、鉄カルコゲニド系及び鉄プニクチド系の超伝導体の薄膜を製造する方法を提供し、その技術を利用することにより得られた構造体を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、ある実施態様では、配向基板上での鉄系超伝導体の成長が記載される。ある実施態様では、鉄系超伝導体が、鉄カルコニド系超伝導体であるが、他の実施態様では、鉄系超伝導体が、鉄プニクチド系超伝導体である。配向基板は、好ましくは超伝導体と類似の面内格子定数を有するが、配向基板が、超伝導体の格子定数に、ほぼ格子整合している場合、特に好ましい。
【００１１】
ある実施態様では、鉄系超伝導体は、ＦｅzＳｅxＴｅ1-x（式中、０≦ｘ≦１及び０．７≦ｚ≦１．３）を含む鉄カルコゲニドである。ある実施態様では、超伝導材料は、ＦｅＳyＳｅxＴｅ1-x-y（式中、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含んでいる。ある場合には、鉄カルコゲニド超伝導体は、酸素などの様々なドーパントでドープされている。
【００１２】
ある実施態様では、鉄系超伝導体は、鉄プニクチドであり、オキシプニクチド又は非オキシプニクチドのいずれかである。鉄オキシプニクチドは、Ｍ−ＦｅyＡｓＯ1-xＦx（式中、０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦１．６及びＭは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ又はＬｕから選択される１以上の希土類金属、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ又はＣｓから選択される１以上のアルカリ金属、又はＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａから選択される１以上のアルカリ土類金属であるが、Ｌａが好ましい）と表現し得る。Ｍの化学量論的組成は、好ましくは１、例えば、Ｌａ0.5Ｙ0.5である。鉄非オキシプニクチドは、Ｍ−ＦｅyＡｓxＦz（式中、１≦ｘ≦２、０．６≦ｙ≦２．０及び０≦ｚ≦１）と表現し得る。鉄オキシプニクチドと同様、鉄非オキシプニクチドのＭは、１以上の希土類金属、１以上のアルカリ金属、又は１以上のアルカリ土類金属から選択される。ある場合には、鉄プニクチド超伝導体を、様々なドーパント、好ましくはフッ素でドープしてもよい。
【００１３】
ある実施態様では、基板が緩衝材層を含んでおり、この層は、ベースの配向（texture）を改善し、ベース上での鉄系超伝導体膜の形成に、より適したものにする。ある場合には、単一の緩衝材層が使用され、他の場合には、複数の緩衝材層が使用される。
【００１４】
ある実施態様では、緩衝層としての酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の使用が、記載される。他の実施態様では、酸化セリウム（ＣｅＯ2）が、基板の表面に配向をもたせるために使用される。さらに他の実施態様では、配向基板が、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）及び／又はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の層を含んでいる。
【００１５】
ある実施態様では、緩衝化金属基板上に鉄系超伝導体の薄膜を製造する方法が提示される。ある実施態様では、基板が、酸化物、金属化導電性ポリマーなどのポリマー及び／又は半導体を含んでいる。
【００１６】
ある実施態様では、超伝導薄膜は、臨界電流、臨界磁場及び臨界超伝導転移温度などの固有の超伝導特性を保持しており、これらの特性は、単結晶基板上で成長した膜と類似の組成及び厚みを有する膜に匹敵する。ある場合には、薄膜の超伝導特性は、同じ組成を有するバルク材よりも優れている。
【００１７】
ある実施態様では、配向金属基板上の、鉄カルコゲニド系超伝導体などの鉄系超伝導体の薄膜が記載される。
【００１８】
ある実施態様では、開示される超伝導構造体を、磁気的及び電気的な超伝導デバイスで使用してもよい。
【００１９】
上記に示す要約は、必然的に本発明のある態様の簡単な説明となり、それは、図面及び以下の詳細な説明を参照することで、よりよく理解され得ることが、理解されるべきである。
【００２０】
（図面の簡単な説明）
当該分野では通例であるように、以下の図面は正確な縮尺で描かれていない場合がありうる。図式表現は、本発明の特定の特徴を強調するため、それを説明するための参考として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、鉄カルコゲニド系超伝導構造体の断面ＴＥＭ（ＸＴＥＭ）像を示す。
【図２】図２は、鉄カルコゲニド系超伝導構造体の高解像ＸＴＥＭ（ＨＲ−ＸＴＥＭ）像を示す。
【図３】図３は、イオンビームアシスト堆積（ＩＢＡＤ）によって調製されたＭｇＯ緩衝化ニッケル合金基板上のＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜における、温度及び磁場に伴う抵抗の挙動を示すグラフである。
【図４】図４は、ローリングアシスト二軸配向基板（ＲＡＢｉＴＳ）法によって調製されたＣｅＯ2緩衝化ニッケル合金基板上のＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜における、温度及び磁場に伴う抵抗の挙動を示すグラフである。
【図５】図５は、単結晶基板ＬａＡｌＯ3（ＬＡＯ）上に成長したＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜の、温度及び磁場に伴う臨界電流密度の挙動を示すグラフである。
【図６】図６は、ＲＡＢｉＴＳ基板上に成長したＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜の、温度及び磁場に伴う臨界電流密度の挙動を示すグラフである。
【図７】図７は、単結晶基板ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）上で成長したＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜のＸＲＤθ−２θスキャンである。
【図８】図８は、ＳＴＯ基板上の、酸素ドープされた鉄カルコゲニド系超伝導構造体（Ｆｅ1.08Ｔｅ：Ｏx）の断面ＴＥＭ（ＸＴＥＭ）像を示すグラフである。
【図９】図９は、酸素ドープされた鉄カルコゲニドのＸＲＤθ−２θスキャンである。
【図１０】図１０は、ＳＴＯ基板上のＦｅ1.08Ｔｅ：Ｏx薄膜における、温度の関数としての抵抗を示すグラフである。
【図１１】図１１ａは、ａｂ平面（テープ表面）に平行な磁場（中実記号）及び垂直な磁場（中空記号）に伴って、様々な温度で、ＬＡＯ基板上のＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜のＪcを示すプロットである。図１１ｂは、ａｂ平面（テープ表面）に平行な磁場（中実記号）及び垂直な磁場（中空記号）の磁場に伴って、様々な温度で、ＩＢＡＤ被覆伝導体上の、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜のＪcを示すプロットである。
【図１２】図１２ａは、２Ｇ ＹＢＣＯワイヤー、ＴＣＰ Ｎｂ４７Ｔｉ及びＮｂ3Ｓｎのデータと対比させて、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜の約４．２ＫでのＪcを示すプロットである。ＹＢＣＯ及びＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5では、磁場方向はｃ軸に平行である。図１２ｂは、２Ｇ ＹＢＣＯワイヤー、ＴＣＰ Ｎｂ４７Ｔｉ及びＮｂ3Ｓｎのデータと対比させて、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜の、約４．２Ｋでの体積ピン止め力（volume pinning force）Ｆpを示すプロットである。ＹＢＣＯ及びＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5では、磁場方向はｃ軸に平行である。実線はクラマーのスケーリング則近似である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（詳細な説明）
本明細書で記載する方法は、配向基板上に、鉄カルコゲニド及びプニクチドなどの鉄系超伝導体の薄膜を製造する方法を提供するが、鉄カルコゲニドは、毒性のヒ素成分を含まないため、好ましい。開示された方法（単数又は複数）によって生成する、超伝導構造体の固有の電気及び磁気特性は、好ましくは、バルクの単結晶基板上に同じ組成及び厚みで形成された鉄系超伝導体の薄膜に少なくとも匹敵する。
【００２３】
一般的に、上記方法は、超伝導体の面内格子と類似の、又は好ましくは厳密に格子整合した面内格子定数（すなわち、結晶格子中の単位セル間の距離）を有する配向基板を調製する工程と、鉄系超伝導体膜を、好ましくはパルスレーザー堆積によって配向基板上に形成する工程とを含んでいる。本明細書中では、用語「類似の（similar）」は、±１０％以下の不整合度（ミスマッチ）を有すると解釈してもよく、一方で、±５％未満の不整合度は、厳密に整合すると考えられ、より好ましい。あるいは、±０．２Å以内と定義された格子定数に厳密に整合することが好ましいが、±０．１Å以内の格子定数を有することがより好ましい。
【００２４】
好ましい実施態様では、配向基板は、基板のベースに緩衝層を堆積させて調製し、ベース層の表面に鉄系超伝導体の高品質な薄膜を成長するための鋳型を提供する。
【００２５】
本明細書を通じて、超伝導構造体及びその製造方法が、１以上の、最も好ましい実施態様を参照しながら記載される。しかし、当業者が、開示された発明の趣旨及び範囲から著しく逸脱することなく、配向基板上に、鉄カルコゲニドなどの鉄系超伝導体の薄膜を製造するという、開示された技術に対して、他の組合せ上、構造上及び機能上の修正を行ってもよいことは理解されるべきである。
【００２６】
Ｉ．基板の選択及び調製
鉄系超伝導材料の超伝導特性を維持するため、基板は、超伝導体の面内格子定数と類似の、又は厳密に格子整合した面内格子定数を有するように選択され、好ましくはリボン、テープ又はワイヤーに成形されるべきである。好ましい実施態様では、基板は、ベース及びバッファー（緩衝）を含んでいるが、超伝導材料の面内格子定数と類似する、又はより厳密に整合するように配向されたベースだけを有する基板も、想定されている。上記基板が、ベース及びバッファーを有する場合、バッファーによって表面配向が生成するため、いかなる化合物もベース材として使用しうる。適切な基板の具体例としては、酸化物、半導体、金属化導電ポリマー及び金属が挙げられ、これらの表面は、超伝導材料と類似の、又は厳密に整合した面内格子を有するように、緩衝材を用いて配向されている。基板は、柔軟であってもよく、実質上、多結晶であってもよい。好ましい実施態様では、ニッケル及びＮｉ合金、例えば、ハステロイ（登録商標）超合金（Haynes Inter. Inc.社、インディアナ州）を、成形性の点から選択してもよい。
【００２７】
ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、及びガラスは、その表面が適切な緩衝材の堆積によって配向される場合、平面構造を利用する電気デバイスに利用するのに有用となり得る。
ＩＩ．緩衝材の選択及び形成
【００２８】
緩衝層（バッファー層）は、鉄系超伝導体の高品質な薄膜を成長するための鋳型を提供するために選択される。これらの材料は、鉄系超伝導体の格子定数に近い格子定数を有するべきである。鉄系超伝導体の成長用の鋳型を提供するために緩衝層として機能し得る、適切な化合物の具体例としては、酸化物、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、セリア（ＣｅＯ2）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）及びこれらの組み合わせなどが挙げられるが、これらに限定されない。好ましくは、緩衝層は、１ｎｍ〜１０μｍの厚みを有する。
【００２９】
所望の特性を有する層を製造するため、当該分野で知られている任意の適切な方法によって、緩衝層を基板上に堆積してもよい。好ましくは、ローリングアシスト二軸配向基板（ＲＡＢｉＴＳ）法又はイオンビームアシスト堆積（ＩＢＡＤ）法のいずれかで、緩衝層を基板上に堆積してもよい。緩衝材を、単一の層の形態で堆積してもよく、この層の上には鉄系超伝導体が成長される。あるいは、最後の層の高品質な成長を維持するため、同一の又は異なる緩衝材の複数の層の形態で堆積してもよく、この最後の層の上には、鉄系超伝導体が成長される。ある実施態様では、いくつかの異なる緩衝材層が、金属又は金属合金などの基板上で最良の格子整合を維持するために必要となり得る。例えば、ローリングアシスト二軸配向基板（ＲＡＢｉＴＳ）又はイオンビームアシスト堆積（ＩＢＡＤ）において、下層の金属基板と超伝導薄膜との間に、はるかに優れた緩衝層を形成するため、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）及びセリア（ＣｅＯ2）を順番に使用してもよい。なぜならば、ＣｅＯ2は、超伝導体に対して、より厳密に格子整合し、金属又は合金基板上にＹＳＺの配向構造を形成することがより容易いからである。
【００３０】
緩衝層は、選択された基板上で、配向（二軸配向）して成長されなければならない。例えば、ＣｅＯ2は、比較的高い超伝導転移温度（Ｔc）及びかなり大きな臨界磁場（Ｈc2）を有する鉄系超伝導体の一つである、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5に対して、かなり厳密に格子整合する。好ましい実施態様では、ＲＡＢｉＴＳ又はＩＢＡＤを利用して、ＣｅＯ2をＮｉ又はＮｉ合金上に配向して成長し得る。
【００３１】
図１に準拠した例示的な実施態様では、緩衝層は、イオンビームアシスト堆積（ＩＢＡＤ）によって堆積される。この例示的な実施態様では、ＩＢＡＤ法は、多結晶ニッケル系合金、例えば、ハステロイ（登録商標）テープから始めて、基板に適切な角度で向けられ十分に視準があった「アシスト」イオンビームの存在下、ＹＳＺ又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の堆積によって、高度に面内配向した鋳型を生成する。この鋳型は、薄いキャップ層（ＹＳＺ又はＹ2Ｏ3の場合、しばしばＣｅＯ2）をエピタキシャル堆積した後、超伝導体の堆積に利用し得る。
ＩＩＩ．超伝導体の選択及び薄膜形成
【００３２】
開示された方法によって、配向基板上に生成された鉄系超伝導体は、鉄カルコゲニド又は鉄プニクチドから選択し得る。
【００３３】
開示された方法によって、配向基板上に生成された鉄カルコゲニド系超伝導体は、一般式ＦｅZＳｅxＴｅ1-x（式中、０≦ｘ≦１及び０．７≦ｚ≦１．３）を有する。他の実施態様では、開示された方法によって、配向基板上に生成された鉄カルコゲニド系超伝導体は、一般式ＦｅＳyＳｅxＴｅ1-x-y（式中、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する。このような超伝導体の具体例としては、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5が挙げられるが、これらに限定されないが、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5が好ましい。また、鉄カルコゲニド超伝導体を、様々なドーパントでドープしてもよいが、酸素（例えば、ＦｅＴｅ：Ｏx）が好ましい。例えば、酸素ドーピングは、成長の間、１．３×１０-2〜１．３×１０-7ｈＰａ（１０-2〜１０-7トル）、より好ましくは１．３×１０-3〜１．３×１０-6ｈＰａ（１０-3〜１０-6トル）の酸素圧力下、最も好ましくは約１．３×１０-4ｈＰａ（１０-4トル）の圧力下で行ってもよい。
【００３４】
開示された方法によって、配向基板上に生成された超プニクチド系超伝導体は、オキシプニクチド又は非オキシプニクチドから選択してもよい。鉄オキシプニクチドは、Ｍ−ＦｅyＡｓＯ1-xＦx（式中、０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦１．６及びＭはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ又はＬｕから選択される１以上の希土類金属、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ又はＣｓから選択される１以上のアルカリ金属、又はＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａから選択される１以上のアルカリ土類金属であるが、Ｌａが好ましい）と表現し得る。Ｍの化学量論的組成は、好ましくは１であり、例えば、Ｌａ0.5Ｙ0.5である。鉄非オキシプニクチドは、Ｍ−ＦｅyＡｓxＦz（式中、１≦ｘ≦２、０．６≦ｙ≦２．０及び０≦ｚ≦１）と表現し得る。鉄オキシプニクチドと同様、鉄非オキシプニクチドのＭは、１以上の希土類金属、１以上のアルカリ金属、又は１以上のアルカリ土類金属から選択される。鉄プニクチドの具体例としては、ＬａＯＦｅＡｓ、ＬｉＦｅＡｓ及びＢａＦｅ2Ａｓ2が挙げられる。鉄カルコゲニドと同様、鉄プニクチド超伝導体を、様々なドーパントでドープしてもよいが、フッ素が好ましい。
【００３５】
例示的な実施態様では、所望の特性を有する層を製造するため、当該分野で知られている任意の適切な方法によって、鉄カルコゲニド系超伝導体を配向基板の表面に製造してもよい。好ましい実施態様では、鉄カルコゲニド系超伝導体を、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）によって堆積する。例示的な実施態様では、鉄カルコゲニド系超伝導体、例えば、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5を、堆積チャンバに基板を入れる工程；堆積チャンバを脱気して約１．３×１０-6ｈＰａ（１０-6トル）の圧力にする工程；基板を３５０℃〜４５０℃まで加熱する工程；約３Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度及び約５Ｈｚの繰り返し率を有するレーザー光を、所望の鉄カルコゲニド組成物の標的に選択された期間当てる工程；基板の加熱器の電源を切る工程によって、製造してもよい。所望の化学量論のＦｅ、Ｓｅ、Ｔｅを６５０〜７５０℃で誘導融解することによって、所望の鉄カルコゲニドの標的を調製してもよい。あるいは、開示された発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、上記の方法において、鉄カルコゲニドを鉄プニクチドで置換し得る。
【実施例】
【００３６】
実施例１
図１及び２に描写された膜は、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5の組成を有しており、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）によって成長した。３．０Ｊ／ｃｍ2以下（〜３．０Ｊ／ｃｍ2）のエネルギー密度及び５Ｈｚの繰り返し率を有するＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）を利用して、単結晶ＬａＡｌＯ3（ＬＡＯ）基板及び緩衝化金属鋳型の上に、前記の膜を堆積した。基板温度は３５０℃〜４５０℃にあった。４００ｎｍの膜を堆積する時間は、約３０分であった。堆積及びそれに続く冷却を、１．３×１０-6ｈＰａ（１０-6トル）以下（〜１．３×１０-6ｈＰａ）の真空下で行った。堆積後に加熱器の電源を切って、得られた構造体を急速に冷却した。
【００３７】
鋳型を２つの工程で製造した。先ず、テープ表面の粗さを低減するため、連続的な溶液堆積によって、Ｙ2Ｏ3層を未研磨のハステロイ（登録商標）上に製造し、ＩＢＡＤ法によって、二軸配向ＭｇＯ層を表面に堆積した（Matiasら, J. Mater. Res. 24, 125 (2009)；参照することによって、その全体が本明細書に組み込まれる）。ハステロイ（登録商標）Ｃ−２７６のかなり高い引張強度（０．８ＧＰａ）により、複合伝導体を、２０〜３０Ｔの磁場によって生成する、かなり高いローレンツ力に耐久させることができる。
【００３８】
図１は、１．３μｍ厚のＹ2Ｏ3平坦層及び二軸配向ＩＢＡＤのＭｇＯ層（２５ｎｍのホモエピタキシャルＭｇＯを含む）を有する緩衝化ハステロイ（登録商標）（ハステロイＣ−２７６テープ）金属基板上の、１００ｎｍのＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜の断面ＴＥＭ（ＸＴＥＭ）像を示す。界面は、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5の表面がそうであるように、平滑な部分と急峻な部分とが存在するようである。
【００３９】
図２は、図１の鉄カルコゲニド系超伝導構造体の高解像ＸＴＥＭ（ＨＲＭ−ＸＴＥＭ）像を示す。ＭｇＯとＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5との界面は、急峻であり、殆どエピタキシャルである。ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜を、基板に垂直なｃ軸に沿って、ＭｇＯ層上に成長した。また、Ｘ線回折実験により、それぞれ半値全幅が約４．５°及び３．５°である面内配向及び面外配向を有する、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5の配向成長を確認した。しかし、ＩＢＡＤ膜は、ゼロ抵抗
【００４０】
【数２】
2013545213.tif 000004
【００４１】
が１１Ｋ以下（〜１１Ｋ）であり、バルクの１４Ｋ以下（〜１４Ｋ）に比べて低いが、オンセット転移は概ね同じ温度で開始する。ＬＡＯ上の膜は、
【００４２】
【数３】
2013545213.tif 000005
【００４３】
が１５Ｋ以下（〜１５Ｋ）であり、バルクよりも約１Ｋ高い。理論に縛られなければ、この理由は、ＭｇＯがＬＡＯよりＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5に対して大きな格子不整合を有しており、より多くの構造欠陥を導くからかもしれない。
【００４４】
実施例２
抵抗率を、物理特性測定システム（Quantum Design社、ＰＰＭＳ）の標準４探針法によって測定し、磁化を、超伝導量子干渉素子（Quantum Design社、ＭＰＭＳ）で測定した。
【００４５】
図３は、ＩＢＡＤによって調製されたＭｇＯ緩衝化ニッケル合金基板上の、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜における、温度及び磁場に伴う抵抗の挙動を描写する。超伝導転移温度は、バルク試料に匹敵する。
【００４６】
図４は、ＲａＢｉＴＳ法によって調製されたＣｅＯ2緩衝化ニッケル合金基板上の、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜における、温度及び磁場に伴う抵抗の挙動を描写する。オンセット超伝導転移温度は、単結晶基板上に形成された類似の膜より高くはないかもしれないが、ほぼ同じである。
【００４７】
図５は、比較のため、ＬａＡｌＯ3（ＬＡＯ）の単結晶基板上に成長された、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜の温度及び磁場に伴う臨界電流密度の挙動を示す。図６は、ＲＡＢｉＴＳ基板上に成長された、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜の温度及び磁場に伴う臨界電流密度の挙動を示す。Ｊcは、ＬＡＯ上に成長された膜よりも、はるかに大きい。４．２Ｋで、９Ｔの磁場にあっても、Ｊcは依然として０．４ＭＡ／ｃｍ2と高い。これらの結果は、被覆伝導体上に成長されたＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5薄膜が、実用用途で優れていることを実証している。
【００４８】
実施例３
ＰＬＤによってＳＴＯ基板上に成長された、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5超伝導体の結晶格子の形成を、Ｘ線回折分光法を用いて研究した。図７は、ＸＲＤθ−２θスキャンから得られた強度スペクトルを示す。ＸＲＤデータに基づいて、超伝導体の面内格子定数（ａ）を測定すると、約３．８０６Åであったのに対して、ＳＴＯ基板の面内格子定数を測定すると、約３．９０５Åであった。製造された超伝導体の面内格子定数は、バルクの値とほぼ同じであったのに対して、面外格子定数（ｃ）は常に短かった。
【００４９】
実施例４
鉄カルコゲニドＦｅＴｅ超伝導体を、酸素ドーピング（Ｆｅ1.08Ｔｅ：Ｏx）有りと無しの条件で調製した。図８は、ＳＴＯ基板上の、酸素ドープされた鉄カルコゲニド系超伝導構造体の断面ＴＥＭ（ＸＴＥＭ）像を示す。不完全な超伝導転移が、１．８Ｋに低下した真空中で成長されたＦｅＴｅ膜で観察された。対照的に、酸素ドープされたＦｅＴｅ膜は超伝導性を示した。
【００５０】
図９は、酸素ドープされた鉄カルコゲニドのＸＲＤθ−２θスキャンから得られた強度スペクトルを示す。ＸＲＤデータに基づいて、超伝導体の面内格子定数（ａ）を測定すると、約３．８２１Åであったのに対して、面外格子定数（ｃ）は約６．２７５Åであった。これらの値は、バルクの値と類似する。
【００５１】
図１０は、ＳＴＯ基板上の、Ｆｅ1.08Ｔｅ：Ｏx薄膜における、温度に伴う抵抗の挙動を描写する。オンセット及びゼロ抵抗（Ｔc）は、それぞれ、約１２Ｋ及び８Ｋと観察された。さらに、図１０は、金属絶縁転移が、バルク化合物で観察された金属絶縁転移より低い、約６０Ｋにあることを示す。
【００５２】
実施例５
図１１は、様々な温度で、ＬＡＯ基板及びＩＢＡＤ基板の上の膜の、Ｊcの磁場依存性を示す。Ｔ≦４Ｋでの、ＬＡＯ上の膜のＪcは、自己磁場で、５×１０5Ａ／ｃｍ2以下（〜５×１０5Ａ／ｃｍ2）であり、最大３５Ｔ（適用可能な最大の磁場）で、１×１０4Ａ／ｃｍ2を超える。注意すべきは、Ｊcの低下は、液体ヘリウム温度、高磁場で、それほど加速せず、そのことが高磁場用途に重要である。Ｊcは、Ｔ＞８Ｋでの磁場で、むしろ急速に低下する。同じ温度及び磁場で、ＩＢＡＤ上の膜のＪcは、ＬＡＯ上の膜のＪcより低いけれども、類似の磁場の挙動を観測した。Ｔ≦４Ｋで、自己磁場Ｊcは、依然として２×１０5Ａ／ｃｍ2と高い。対照的に、ＩＢＡＤ上の膜のＪcのより高い低下率が、２０Ｔを超える領域で観察されたが、２５Ｔでは、Ｊcは、依然として１×１０4Ａ／ｃｍ2以下（〜１×１０4Ａ／ｃｍ2）よりも高いままである。驚くべきことに、両方の膜において、Ｊcは、Ｔ≦４Ｋで、磁場方向に殆ど依存することなく、ほぼ等方である。
【００５３】
実施例６
図１２（ａ）及び１２（ｂ）において、約４．２Ｋでの、Ｊcの磁場依存性及び体積ピン止め力Ｆp＝μ0Ｈ×Ｊc（Ｂ）を、２Ｇ ＹＢＣＯワイヤー、温度機械的に加工されたＮｂ47Ｔｉ合金及び小粒（small-grain）Ｎｂ3Ｓｎワイヤーのデータと、ＬＡＯ及びＩＢＡＤ基板上のＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜とで対比した。ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜は、低温超伝導体よりも優れた高磁場性能（２０Ｔを超える）を示す。ＨＴＳは、現在のところ、粒界配向不整に依存するＪcの急速な低下、それに伴う製造コストの上昇により、長いワイヤーの製造に対して大きな課題を提示している。それは、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5では厳しくないかもしれない。ＩＢＡＤ基板は、配向化ＭｇＯ鋳型において多くの低角粒界を有する。しかし、ＩＢＡＤのＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜は、ＬＡＯ上の膜よりも、ほんの少し低い自己磁場Ｊcを有し、むしろ頑丈である。
【００５４】
Ｂａ（Ｆｅ1 xＣｏx）2Ａｓ2系の粒界は、Ｊcを顕著に低下できることが報告された。理論に縛られなければ、その結果により、鉄カルコゲニドの粒界は、キャリアの枯渇が生じる、銅酸化物又はＢａ（Ｆｅ1 xＣｏx）2Ａｓ2において見られるような電荷溜（チャージリザーバー）層を有していないので、異なって挙動し得ることを示しているようである。双結晶基板上に成長された、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5膜を測定することは、Ｊcの配向不整角の依存に関する直接的な情報を提供するため、最も望ましい。
【００５５】
ＩＢＡＤ膜の比較的低いＪcは、ＭｇＯ及びＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5の間のより大きな格子不整合の結果である、ＬＡＯ上の膜よりも低いＴcに、単純に依存するからであるということができる。追加のＣｅＯ2緩衝層は、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5により良く格子整合するが、Ｔcを改善し得、従ってＪcを増大する。あるいは、精巧な酸化物緩衝基板は、２Ｇ ＨＴＳワイヤーの酸化から金属鋳型を保護するように部分的に設計されるが、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5が真空中で形成されるため、必ずしも必要でない。配向基板テープに直接被覆されたＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5を成長することも可能であり、製造コストを低減しつつ、合成方法を潜在的に単純化する。ワイヤー用途は、非常に厚みの大きな（数ｌｍを超える）膜を必要とし、その膜を、より測量可能な堆積法、例えば、２Ｇ ＨＴＳワイヤー用の低コストウェブコーティング法などで成長してもよい。
【００５６】
図１２（ｂ）において、
【００５７】
【数４】
2013545213.tif 000006
が標準ピン止め力密度（pinning force density）であり、
【００５８】
【数５】
2013545213.tif 000007
（Ｈirrは、ゼロ抵抗のオンセットと定義される）が換算磁場である場合、様々な種類の超伝導体において、約４．２Ｋで、クラマーのスケーリング則近似（実線）がｆp〜ｈp（１−ｈ）qであることを示している。全種類の超伝導体でｑ〜２であり、（１−ｈ）2の項が、高磁場で超伝導秩序パラメータの低下を表すと予期されることを見出した。Ｎｂ3Ｓｎ及びＹＢＣＯでは、低磁場の項ｐ〜０．５（ｈ0.5）であることを見出し、ピン止め解除よりもむしろ渦糸格子の剪断によって磁束運動が生じるため、
【数６】
2013545213.tif 000008
が、ピン止め中心密度（pinning center density）に対してほとんど変化しない場合、飽和領域を伴う。７７Ｋでかなり有効なピン止め中心となる、ＢａＺｒＯ3ナノロッドの追加により、４．２Ｋでかなり小規模なピン止め増大が生じる。対照的に、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5系で見出されたｐ〜１の結果は、Ｎｂ−Ｔｉでの結果と類似する。これは、Ｓｅ及びＴｅの不均一な寄与に由来するであろう、点欠陥コアピン止めの強力な証拠となる。コアピン止め領域において、Ｆpは、各時点のＦPの結果物、ピン止め中心密度である。このことは、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5のＪcが、ピン止め中心として作用するため、より多くの欠陥を付加することにより、さらに増大し得ることを意味する。短いコヒーレンス長によって、ＦｅＳｅ0.5Ｔｅ0.5でのピン止めの更なる増大が、カップリング限界に到達する前に期待される。
【００５９】
前述の記載は、本発明の各実施態様を参照することによりなされるものであるが、本明細書での教示を利用する当業者は、より広い側面において、本発明から逸脱することなく、様々な変化及び修正を提案してもよい。
【００６０】
前述の記載は例示的であり、本発明は添付された特許請求の範囲によってしか限定されない。
【図３】
2013545213.tif 000009
【図５】
2013545213.tif 000010
【図６】
2013545213.tif 000011
【図７】
2013545213.tif 000012
【図９】
2013545213.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
2013545213.tif 000015
【図１２】
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【図１】
2013545213.tif 000017
【図２】
2013545213.tif 000018
【図４】
2013545213.tif 000019
【図８】
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【国際調査報告】
2013545213.tif 000021
2013545213.tif 000022
2013545213.tif 000023
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