(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、該基体の一方の面上に酸化物超電導層とを備え、該酸化物超電導層はＲＥ１２３系の超電導材料からなり、前記基体上の不純物を含まない第一超電導膜と不純物を含むが不純物以外は前記第一超電導膜と同一材料からなる第二超電導膜との積層体であって、
前記積層体は、前記基体直上に形成された前記第一超電導膜を備え、該第一超電導膜の上に前記第二超電導膜と前記第一超電導膜を重ねてなる構成を少なくとも含み、前記第一超電導膜と前記第二超電導膜との界面を複数備えることを特徴とする酸化物超電導導体。
【請求項２】
前記基体は、テープ状の金属基材と、該基材の一方の面上に形成されたＩＢＡＤ中間層とその上に形成されたＣｅＯ２中間層からなることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導導体。
【請求項３】
前記第二超電導膜に含まれる不純物と、前記第一超電導膜および前記第二超電導膜の界面はいずれも臨界電流密度の低下を抑制するピンニングセンターとして機能するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導導体。
【請求項４】
前記第二超電導膜は前記不純物を含むターゲットを用いたレーザ蒸着法により形成されたことを特徴とする請求項３に記載の酸化物超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導電力ケーブル、超電導マグネット、超電導エネルギー貯蔵装置、超電導発電装置、医療用ＭＲＩ装置、超電導電流リードなどへの応用開発が進められている、磁場下で高い臨界電流特性を示す酸化物超電導導体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ１２３系超電導導体は、液体窒素温度（７７Ｋ）でも良好な臨界電流特性を示す高温超電導導体として広く知られている。ここで、ＲＥ１２３系超電導導体とは、組成式「ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ」で表記され、「ＲＥ」がＹ、Ｇｄ、Ｓｍなどの希土類元素からなる超電導導体を意味する。
一般に、純粋なＲＥ１２３系超電導材料を用い良好な結晶配向性を持つように成膜された超電導導体は、無磁場下で高臨界電流特性を示す。しかし、前記純粋なＲＥ１２３系超電導導体は、高磁場下で臨界電流特性が急激に低下するという問題がある。
その解決策として、従来、超電導層内に磁束をピン止めするピンニングセンターを導入する試みがなされている。
【０００３】
臨界電流密度を向上させる方法として、例えば特許文献１には、ＲＥ１２３系超電導層と強磁性金属層とを交互に複数層積層することにより、該強磁性金属層をピンニングセンターとして作用させる方法が知られている。
例えば特許文献２には、結晶粒がｃ軸配向された複数の酸化物超電導層の各層間に、異なる結晶配向を有する酸化物超電導部あるいは超電導性を発揮しない材料からなる不均質部を形成させることにより、磁場中においても臨界電流密度の高い酸化物超電導導体が得られることが記載されている。
また、例えば特許文献３には、異なる酸素分圧や温度条件において成膜することで積層欠陥の量が異なる複数の酸化物超電導層を積層することにより、厚膜化した際にも臨界電流特性が劣化せず、磁場中での臨界電流値が高い薄膜の形成が提案されている。
ＲＥ１２３溶融凝固バルク体においては、例えば特許文献４には、ＰｔないしＲｈを添加し、かつＢａＣｅＯ３  など非超電導相をピンニングセンターとして導入することで臨界電流特性が向上することが記載されている。
しかしながら、本来超電導層の成膜の際には成膜条件の厳密な制御が必要であり、導入ガスの構成や酸素分圧、基板温度などの成膜条件を変化させて超電導積層体を成膜する方法では、最適成膜条件からずれることによって、臨界電流特性が大きく劣化したり不安定になるなどの問題がある。
【０００４】
一方、ピンニングセンターを導入するためのより簡便な製造方法として、例えば非特許文献１、２では、パルスレーザ蒸着法を用い、ターゲットにＢａＺｒＯ３  やＹ２Ｏ３などの不純物相をあらかじめ添加しておくことで、これらを超電導薄膜結晶中に微細に導入する試みが提案されている。この方法では、不純物相の種類によって超電導層内での結晶粒の形状が異なり、ピン止め力を制御することが可能である。
しかしながら、前記不純物相は、一般的にある一定量までは添加すればするほど磁場下における臨界電流特性が向上するが、無磁場下での特性は逆に低下する問題がある。
【特許文献１】特開昭６３−３１８０１４号公報
【特許文献２】特開平４−１５４６０４号公報
【特許文献３】特開２００５−１１６４０８号公報
【特許文献４】特開２００６−６２８９６号公報
【非特許文献１】２００７年度春季低温工学予稿集、１３２Ｐ
【非特許文献２】２００７年度春季低温工学予稿集、１３３Ｐ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、磁場下における臨界電流特性を向上させるとともに、無磁場下における臨界電流密度の低下の抑制も図ることができ、ひいては良好な臨界電流特性を有する酸化物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、上述した良好な臨界電流特性を有する酸化物超電導導体を、再現性良く簡便に形成できる酸化物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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る酸化物超電導導体は、基体と、該基体の一方の面上に酸化物超電導層とを備え、該酸化物超電導層はＲＥ１２３系の超電導材料からなり、前記基体上の不純物を含まない第一超電導膜と不純物を含むが不純物以外は前記第一超電導膜と同一材料からなる第二超電導膜との積層体であって、前記積層体は、前記基体直上に形成された前記第一超電導膜を備え、該第一超電導膜の上に前記第二超電導膜と前記第一超電導膜を重ねてなる構成を少なくとも含み、前記第一超電導膜と前記第二超電導膜との界面を複数備えることを特徴とする。
前記課題を解決するために、本発明の請求項２において、前記基体は、テープ状の金属基材と、該基材の一方の面上に形成されたＩＢＡＤ中間層とその上に形成されたＣｅＯ２中間層からなることを特徴とする酸化物超電導導体である。
【０００７】
本発明の請求項３に係る酸化物超電導導体は、請求項１または２において、前記第二超電導膜に含まれる不純物と、前記第一超電導膜および前記第二超電導膜の界面はいずれも臨界電流密度の低下を抑制するピンニングセンターとして機能するものであることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項４に係る酸化物超電導導体は、請求項３において、前記第二超電導膜は前記不純物を含むターゲットを用いたレーザ蒸着法により形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る酸化物超電導導体（請求項１）は、酸化物超電導層として、ＲＥ１２３系の超電導材料で不純物を含まない第一超電導膜と不純物を含む第二超電導膜との積層体であって、前記第一超電導膜と前記第二超電導膜との界面を少なくとも備える構造を用いることにより、第二超電導膜内の不純物相に加え、前記界面における格子不整合などによる結晶粒界もまたピンニングセンターとして機能するため、安定したピンニング効果が得られ、磁場下における臨界電流密度の向上が図れる。さらに、第一超電導膜の存在により無磁場下における臨界電流密度の低下の抑制も図れる。ゆえに、本発明は、良好な臨界電流特性を有する酸化物超電導導体の提供に寄与する。
【００１１】
本発明に係る酸化物超電導導体の製造方法（請求項４）は、前記第一超電導膜と前記第二超電導膜との積層体である酸化物超電導層を、ＲＥ１２３系の同じ超電導材料であって、それぞれ不純物を含まないターゲットと不純物を含むターゲットを使用して、パルスレーザ蒸着法で形成することにより、最適成膜条件を外すことなく安定した成膜を行うことができる。ゆえに、本発明によれば、良好な臨界電流特性を有する酸化物超電導導体を、再現性良く簡便に形成できる製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の酸化物超電導導体の一実施形態を示す断面図である。本実施形態に係る酸化物超電導導体１は、基体２の一方の面上に、酸化物超電導積層体５が設けられた構造であり、該酸化物超電導積層体５は、同じＲＥ１２３系の超電導材料からなり、不純物を含まない第一超電導膜３と不純物を含む第二超電導膜４から形成されている。
【００１３】
前記基体２としては、一般に酸化物超電導導体１の基体として十分な機械的強度と耐熱性、耐酸化性を有する金属材料からなるテープ状基材、例えばハステロイなどが用いられる。または該テープ状基材表面に中間層を設けたものを基体２として用いてもよい。この基体２の長さ、幅、厚さは、製造する酸化物超電導導体１の用途などに応じて適宜設定することができる。
また、酸化物超電導積層体５は全てパルスレーザ蒸着法により形成され、前記第一超電導膜３用の母材としては不純物を含まないＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙターゲットを、前記第二超電導膜４用の母材としては不純物相として例えばＺｒＯ２を混入させたＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙターゲットを用いる。
【００１４】
一実施例として、前記酸化物超電導積層体５として、パルスレーザ蒸着法により前記第一超電導膜３と前記第二超電導膜４を様々な順序で三層積層したときの超電導薄膜の臨界電流特性を測定した。以下、実験に用いた構成を示す。
厚さ１００μｍのハステロイ製テープ基材の表面に、ＩＢＡＤ法により厚さ１μｍのＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７  からなるＩＢＡＤ中間層を成膜し、該ＩＢＡＤ中間層上に、パルスレーザ蒸着法によって厚さ１μｍのＣｅＯ２  中間層を成膜し、該ＣｅＯ２  中間層上にパルスレーザ蒸着法によってＲＥ１２３系酸化物超電導層を成膜し、さらに該酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇスパッタ層を成膜して酸化物超電導テープを作製した。
酸化物超電導層の成膜には、ＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙターゲット、あるいは不純物相として２ｍｏｌ％のＺｒＯ２  を混入させたＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙターゲットを用い、温度８２０℃、圧力９０Ｐａのもとでエキシマレーザ光を照射して成膜、積層を行った。
【００１５】
液体窒素温度下（７７Ｋ）における臨界電流特性を測定し、３Ｔの磁場下における臨界電流密度Ｊｃの磁場印加角度依存性を図２に、無磁場下における臨界電流Ｉｃ及び臨界電流密度Ｊｃを図３に表す。
ここで、不純物を含まない第一超電導膜３をＮ層、不純物を含む第二超電導膜４をＰ層と表し、基体２表面からの積層順に並べて記号で表すこととする。例えば、基体２表面にＮ層を形成し、該Ｎ層表面にさらにＮ層を形成し、該Ｎ層の表面にＰ層を形成して三層の積層体を形成した場合の表記はＮＮＰとする。
図２より、磁場下において、三層全て第二超電導膜４からなる構成の積層体ＰＰＰの方が、三層全て第一超電導膜３からなる構成の積層体ＮＮＮに比べ臨界電流密度Ｊｃが２倍以上高い結果が得られ、不純物相を含むターゲットを使用するだけで簡便に人工ピンが導入されたことが分かる。しかし、図３に示すように、無磁場下においては積層体ＰＰＰの臨界電流密度Ｊｃは低下している。
そこで、積層体ＮＮＮに対して三層のうち一層を第二超電導膜４に置き換えて混合積層した場合（積層体ＮＮＰ、ＮＰＮ、ＰＮＮ）、図２、図３に示すように、臨界電流密度Ｊｃを制御することができ、その積層構造によっては磁場下における臨界電流密度Ｊｃの向上とともに、無磁場下における臨界電流密度Ｊｃの低下の抑制も図れる。
【００１６】
本発明の酸化物超電導導体１の構造によれば、第二超電導膜４内に存在する不純物相に加え、第一超電導膜３と第二超電導膜４との界面における格子不整合などによる結晶粒界もまたピンニングセンターとして機能することにより、安定したピンニング効果が得られ、磁場下における臨界電流密度の向上が図れる。さらに、第一超電導膜３の存在により無磁場下における臨界電流密度の低下の抑制も図ることができ、ひいては良好な臨界電流特性を有する酸化物超電導導体を得ることができる。
この際、第一超電導膜３と第二超電導膜４の膜厚、積層数はいかようにも可能である。
【００１７】
さらに本発明の酸化物超電導導体１において、酸化物超電導積層体５は、第一超電導膜３の上に第二超電導膜４を重ねてなる構成を少なくとも含むことが好ましい。
図２、図３より、Ｎ層の上にＰ層を積層した構成を少なくとも含む積層体ＮＰＮ、ＮＮＰは、積層体ＰＮＮに比べ良好な臨界電流特性が得られることがわかる。
【００１８】
さらに、前記酸化物超電導積層体５は、第二超電導膜４が第一超電導膜３に挟まれた構造（ＮＰＮ）であることが好ましい。これにより、第一超電導膜３と第二超電導膜４との界面の接触面積が増え、界面の格子結晶粒界によるピンニング効果が増大するため、より安定した構造となり、再現性良く高い臨界電流特性が維持できる。
【００１９】
本実施形態に係る酸化物超電導導体の製造方法は、基体の一方の面上に酸化物超電導積層体５を形成する方法であって、全てパルスレーザ蒸着法を用い、不純物を含まないＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙターゲットと不純物相として例えばＺｒＯ２  を混入させたＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙターゲットを用いることを特徴とする。これにより、厳密な成膜条件を必要とする酸化物超電導薄膜の作製において、最適な成膜条件を維持しつつ、安定して良好な臨界電流特性を有する酸化物超電導導体を、再現性良く簡便に形成することができる。
【００２０】
本発明の一実施例として、図４に示すような酸化物超電導テープなどの形状が挙げられる。ハステロイ製テープ基材１１の表面に、ＩＢＡＤ法によって酸化物（例えば Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）からなるＩＢＡＤ中間層１２、該ＩＢＡＤ中間層１２の表面にパルスレーザ蒸着法によって ＣｅＯ２中間層１３、該 ＣｅＯ２中間層１３の表面にパルスレーザ蒸着法によってＲＥ１２３系の酸化物超電導層１４、該酸化物超電導層１４上にＡｇスパッタ層１５がそれぞれ成膜され、Ｃｕなどからなる安定化金属テープまたはＮｉ−Ｃｒのような高抵抗テープ１６とをハンダで貼り合わせた構造である。
本発明の酸化物超電導導体は、第一超電導膜３と第二超電導膜４との積層数や積層順序を変化させることにより、無磁場下乃至（または）磁場下での臨界電流特性を制御可能であり、さらにＡｇスパッタ層１５の膜厚や、安定化金属テープまたは高抵抗テープ１６の選定によって多様な超電導線材の作製が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、基体上に形成された酸化物超電導層が、不純物を含まないＲＥ１２３系の超電導膜と不純物を含むＲＥ１２３系の超電導膜とを界面を有するように積層させることにより、効率良く人工的にピンニングセンターを導入し、磁場下における特性の向上とともに、無磁場下における特性の低下の抑制を図れる酸化物超電導導体及びその製造に利用することが可能であり、例えば、小型でハイパワーな磁場発生源として、超電導マグネットをはじめとする様々なデバイス等への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る一実施形態の酸化物超電導導体の一例を示す断面図。
【図２】酸化物超電導層の積層順と磁場下での臨界電流密度との関係を表すグラフ。
【図３】酸化物超電導層の積層順と無磁場下での臨界電流密度との関係を表すグラフ。
【図４】本発明に係る酸化物超電導テープの一実施形態を示す要部斜視図。
【符号の説明】
【００２３】
１、１０  酸化物超電導導体、２  基体、３  第一超電導膜、４  第二超電導膜、５  酸化物超電導層（積層体）、１１  ハステロイ製テープ基材、１２  ＩＢＡＤ中間層、１３  ＣｅＯ２  中間層、１４  酸化物超電導層、１５  Ａｇスパッタ層、１６  安定化金属テープまたは高抵抗テープ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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