(57)【要約】【課題】臨界電流密度が大きく、さらに、単位幅当たりの臨界電流の大きな酸化物超伝導薄膜を提供する。【解決手段】基板上の、結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である酸化物系超伝導相の中に、結晶のｃ軸方向が基板面に平行である酸化物系超伝導相が分散して存在することを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相が効果的なピニング点となり、臨界電流特性に優れ、さらに、単位幅当たりの臨界電流の大きな酸化物超伝導薄膜の提供が可能である。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の酸化物系超伝導相と第２酸化物系超伝導相を有し、この第１と第２の酸化物系超伝導相は結晶方向がそれぞれ異なって分散した酸化物系超伝導薄膜において、前記第２の酸化物系超伝導相は前記第１の酸化物系超伝導相に覆われて存在することを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。
【請求項２】
基板上に形成された酸化物系超伝導薄膜において、結晶方向の異なる酸化物系超伝導相が分散して存在し、かつ、前記結晶方向の異なる超伝導相は膜厚方向に基板、前記超伝導薄膜、前記結晶方向の異なる超伝導相、前記超伝導薄膜の順に並んでいるか、あるいは、基板に最も近い前記超伝導薄膜と、最も離れた前記超伝導薄膜の間に、複数個の前記結晶方向の異なる超伝導相と前記超伝導薄膜が交互に並んでいることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。
【請求項３】
基板上に形成された酸化物系超伝導薄膜において、結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である酸化物系超伝導相中に、結晶のｃ軸方向が基板面に平行である酸化物系超伝導相が分散して存在し、かつ、前記ｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相は膜厚方向に基板、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相、前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相の順に並んでいるか、あるいは、基板に最も近い前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相と、最も離れた前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相の間に、複数個の前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相と、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相が交互に並んでいることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。
【請求項４】
基板上に形成された酸化物系超伝導薄膜において、結晶のｃ軸方向が基板面に平行である酸化物系超伝導相中に、結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である酸化物系超伝導相が分散して存在し、かつ、前記ｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相は膜厚方向に基板、前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相、前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相の順に並んでいるか、あるいは、基板に最も近い前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相と、最も離れた前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相の間に、複数個の前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相と、前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相が交互に並んでいることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の酸化物系超伝導薄膜において、前記酸化物系超伝導相中に分散する、結晶方向の異なる酸化物系超伝導相の組成が、前記酸化物系超伝導相の組成と異なることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。
【請求項６】
請求項２または３に記載の酸化物系超伝導薄膜において、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である酸化物系超伝導相の組成がＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙ（ＲＥ＝Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、０＜ｘ＜０．２、０＜ｙ＜２）であり、前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である酸化物系超伝導相の組成がＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙ（ＲＥ＝Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、０＜ｙ＜２）であることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。
【請求項７】
基板上に形成された酸化物系超伝導薄膜において、ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙ（ＲＥ＝Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、０＜ｘ＜０．２、０＜ｙ＜２）で構成される酸化物系超伝導相中に、ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙ（ＲＥ＝Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、０＜ｙ＜２）で構成される酸化物系超伝導相が分散して存在し、かつ、前記ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相は膜厚方向に基板、前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相、前記ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相、前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相の順に並んでいるか、あるいは、基板に最も近い前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相と、最も離れた前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相の間に、複数個の前記ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相と、前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相が交互に並んでいることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導線材や超伝導フィルタ等に利用される酸化物系超伝導薄膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系に代表される酸化物系超伝導体は、液体窒素温度（７７Ｋ）よりも高い臨界温度を示すため、超伝導線材や超伝導フィルタへの応用が期待されている。
このような酸化物系超伝導体を超伝導線材や超伝導フィルタに応用する際には、臨界電流密度や薄膜の単位幅当たりの臨界電流（超伝導線材の評価には、１ｃｍ幅当たりの臨界電流を表す単位Ａ／１ｃｍ−ｗｉｄｔｈがよく用いられる）を向上させる必要がある。
また、磁場中における臨界電流密度の低下を防ぐためには、超伝導体中に磁束を止める、いわゆるピニング点を導入する必要がある。
【０００３】
磁場中における臨界電流密度の低下を防ぐ技術としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物系超伝導薄膜では、Ｃｕ−Ｏの析出物をピニング点とする方法（参考文献：Ｈ．　Ｙａｍａｎｅ、　ｅｔ　ａｌ．、　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．、　Ｖｏｌ．６９、　Ｎｏ．１１、　１９９１、　ｐｐ．７９４８−７９５０）が考えられている。しかしながら、このような析出物からなるピニング点を、超伝導体中に均一に分散させるのは困難である。
【０００４】
また、図２に示す基板１上の酸化物系超伝導薄膜の結晶のｃ軸方向が、基板面と垂直に配列した相２の中に、結晶のｃ軸方向が基板面と平行に配列した板状の相３をピニング点として用いる方法（参考文献：Ｈ．　Ｆｕｋｅ　ｅｔ　ａｌ．、　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、　Ｖｏｌ．６０、　Ｎｏ．２１、　１９９２、　ｐｐ．２６８６−２６８８、）が開示されている。
【０００５】
また、従来技術として特許第２８０９８９５号があげられる。
【非特許文献１】
Ｈ．　Ｙａｍａｎｅ、　ｅｔ　ａｌ．、　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．、　Ｖｏｌ．６９、　Ｎｏ．１１、　１９９１、　ｐｐ．７９４８−７９５０
【非特許文献２】
Ｈ．　Ｆｕｋｅ　ｅｔ　ａｌ．、　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．、　Ｖｏｌ．６０、　Ｎｏ．２１、　１９９２、　ｐｐ．２６８６−２６８８
【特許文献１】
特許第２８０９８９５号（第２頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、酸化物系超伝導薄膜を超伝導線材に応用するためには、臨界電流密度が高いだけでなく、薄膜の単位幅当たりの臨界電流を大きくする必要がある。
【０００７】
図２に示した従来技術においては、一度ピニング点となる板状の相が成膜中にできると、膜厚を厚くしてもそのまま板状の相が成長するため、膜厚を厚くすると、ピニング点が超伝導電流パスを遮断してしまい、臨界電流密度が低下することが懸念される。
【０００８】
本発明の目的は、酸化物系超伝導薄膜において臨界電流密度の大きな薄膜を提供するとともに、単位幅当たりの臨界電流値の大きい酸化物系超伝導薄膜を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基板上に形成された酸化物系超伝導薄膜において、結晶方向の異なる酸化物系超伝導相が分散して存在し、かつ、前記結晶方向の異なる超伝導相は膜厚方向において、前記超伝導薄膜の内側に存在する。
すなわち、基板、前記超伝導薄膜、前記結晶方向の異なる超伝導相、前記超伝導薄膜の順に並んでいるか、あるいは、基板に最も近い前記超伝導薄膜と、最も離れた前記超伝導薄膜の間に、複数個の前記結晶方向の異なる超伝導相と前記超伝導薄膜が交互に並んでいることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜を提供することにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、基板上に形成された酸化物系超伝導薄膜において、結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である酸化物系超伝導相中に、結晶のｃ軸方向が基板面に平行である酸化物系超伝導相が分散して存在し、かつ、前記ｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相は膜厚方向において、前記ｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相の内側に存在する。
すなわち、基板、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相、前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相の順に並んでいるか、あるいは、基板に最も近い前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相と、最も離れた前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相の間に、複数個の前記結晶のｃ軸方向が基板面に平行である超伝導相と、前記結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である超伝導相が交互に並んでいることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜を提供することにより達成される。
【００１１】
また、上記目的は、基板上に形成された酸化物系超伝導薄膜において、ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙ（ＲＥ＝Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、０＜ｘ＜０．２、０＜ｙ＜２）で構成される酸化物系超伝導相中に、ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙ（ＲＥ＝Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、０＜ｙ＜２）で構成される酸化物系超伝導相が分散して存在し、かつ、前記ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相は膜厚方向において、前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相の内側に存在する、すなわち、基板、前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相、前記ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相、前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相の順に並んでいるか、あるいは、基板に最も近い前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相と、最も離れた前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相の間に、複数個の前記ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相と、前記ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙで構成される超伝導相が交互に並んでいることを特徴とする酸化物系超伝導薄膜を提供することにより達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる酸化物系超伝導薄膜は、希土類（ＲＥ）を含む酸化物系超伝導薄膜であり、化学式：ＲＥ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙ（ＲＥ＝Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ）で表される。
【００１３】
また、本発明に用いる基板はＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３等、特に限定されるものではないが、前記酸化物系超伝導薄膜と格子定数が近い基板が望ましい。
【００１４】
本発明の酸化物系超伝導薄膜はレーザ蒸着法、スパッタ蒸着法、有機化学蒸着法等、気相法ならば特に限定されるものではない。中でも、ターゲットの組成比が薄膜の組成比に反映するパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）が望ましい。前記請求項１〜３および６の酸化物系超伝導薄膜は、酸化物系超伝導薄膜のターゲットの組成比、成膜時の基板温度、成膜時の酸素分圧を制御することにより得ることができる。
（実施例）
以下に、本発明の実施例を示す。
ＰＬＤ法により、Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超伝導薄膜を、ＭｇＯ基板上に作製した。成膜条件は以下の通りである。基板温度は７５０℃〜９００℃とし、エキシマレーザをターゲットに照射することにより、基板上に超伝導薄膜を蒸着した。このとき、真空チャンバー内の酸素分圧は０．４Ｔｏｒｒとした。また、ターゲットの組成はＳｍ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙ、ｘ＝０．０４、０．０８とした。
【００１５】
前記方法により得られた超伝導薄膜の臨界温度を調べたところ、９０Ｋ以上であることが確認された。
【００１６】
さらに、透過型電子顕微鏡を用いて、前記方法により得られた超伝導薄膜を調べたところ、図１に示すように、結晶のｃ軸方向が基板１に垂直である酸化物系超伝導相（以下、ｃ軸配向相という）２の中に、結晶のｃ軸方向が基板１に平行である酸化物系超伝導相（以下、ａ軸配向相という）３が分散していることが確認された。さらに、前記ａ軸配向相３と基板の間及び前記ａ軸配向相３と超伝導薄膜表面の間には、前記ｃ軸配向相２が存在していた。
【００１７】
また、前記ｃ軸配向相における組成がＳｍ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙ（０＜ｘ＜０．２、０＜ｙ＜２）であり、前記ａ軸配向相３における組成はＳｍ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙ（０＜ｙ＜２）であることが確認された。
【００１８】
また、前記ａ軸配向相３の大きさは、基板１に垂直な方向に５〜２０ｎｍ、基板１に水平な方向に５〜１５ｎｍであり、さらに前記ａ軸配向相３の基板１に水平方向の間隔が１０〜３０ｎｍであることが確認された。このように、ｃ軸配向相２内に分散したａ軸配向相３が有効なピニング点として作用していることが考えられる。
【００１９】
それぞれのターゲット組成に対して、前記方法により得られた超伝導薄膜の最大臨界電流密度と、その時の単位幅当たりの臨界電流、臨界温度、膜厚及び基板温度を図４の表に示す。
【００２０】
さらに、それぞれのターゲット組成に対して、前記方法により得られた超伝導薄膜の単位幅当たりの最大臨界電流と、その時の臨界電流密度、臨界温度、膜厚及び基板温度を図５の表に示す。
（比較例）
前記実施例と同様のＰＬＤ法により、Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超伝導薄膜を、ＭｇＯ基板上に作製した。成膜条件は以下の通りである。
基板温度は８５０℃とし、エキシマレーザをターゲットに照射することにより、基板上に超伝導薄膜を蒸着した。このとき、真空チャンバー内の酸素分圧は０．４Ｔｏｒｒとした。また、ターゲットの組成はＳｍ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ６＋ｙとした。
【００２１】
前記方法により得られた超伝導薄膜の最大臨界電流密度と、その時の単位幅当たりの臨界電流、臨界温度、膜厚及び基板温度を表１に示す。さらに、前記方法により得られた単位幅当たりの最大臨界電流と、その時の臨界電流密度、臨界温度、膜厚及び基板温度を図５の表に示す。
【００２２】
前記の実施例及び比較例より、ターゲットの組成比がＳｍ１＋ｘＢａ２−ｘＣｕ３Ｏ６＋ｙ、ｘ＞０である本実施例では、比較例に比べて、大きな臨界電流密度が得られることが確かめられた。さらに、ｘ＝０．０４の場合は、膜厚を厚くすると、単位幅当たりの臨界電流の大きな酸化物系超伝導薄膜が得られることが確認された。
【００２３】
本発明の他の実施形態を図３を用いて説明する。
本実施形態においては、基板４上の、結晶のｃ軸方向が基板面に平行である酸化物系超伝導相３中に、結晶のｃ軸方向が基板面に垂直である酸化物系超伝導相２が分散していることを特徴とする。基板４として、導電性のある基板を用い、さらに酸化物系超伝導薄膜に電極５を取付けることにより、膜厚方向に超伝導電流が流れる。
【００２４】
本実施形態のように、膜厚方向に電流が流れる超伝導薄膜を形成するためには、結晶のｃ軸方向が基板４面に水平である超伝導相３の中に、超伝導電流のパスを遮断しない範囲で、結晶のｃ軸方向が基板４面に垂直な超伝導相２が分散することにより、有効なピニング点として作用し、膜厚方向の臨界電流密度と、単位幅当たりの臨界電流を高く保つことができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化物系超伝導薄膜の臨界電流密度が大きく、さらに、膜厚を厚くすることにより、単位幅当たりの臨界電流の大きな酸化物超伝導薄膜の提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の酸化物系超伝導薄膜の実施形態を示す図である。
【図２】図２は、従来の技術による酸化物系超伝導薄膜を示す図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施形態を示す図である。
【図４】図４は、実施例及び比較例で得られた、最大臨界電流密度と、その時の超伝導特性などに関する結果を示す表である。
【図５】図５は、実施例及び比較例で得られた、単位幅当たりの最大臨界電流と、その時の超伝導特性などに関する結果を示す表である。
【符号の説明】
１…基板、２…結晶のｃ軸が基板に垂直な酸化物系超伝導相、３…結晶のｃ軸が基板に水平な酸化物系超伝導相、４…導電性基板、５…電極。
【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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