(57)【要約】【課題】元素拡散反応を防止して良好な超電導特性を得る超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法を提供する。【解決手段】超電導薄膜材料１０は、基板１１と、基板１１上に形成された１層または２層以上の中間層１２と、中間層１２上に形成された超電導層１３とを備えている。中間層１２の厚みは、０．４μｍ以上である。中間層１２を構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型、およびパイロクロア型の少なくともいずれか１つの結晶構造を有する酸化物であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された１層または２層以上の中間層と、
前記中間層上に形成された超電導層とを備え、
前記中間層の厚みが０．４μｍ以上である、超電導薄膜材料。
【請求項２】
前記中間層を構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型、およびパイロクロア型の少なくともいずれか１つの結晶構造を有する酸化物である、請求項１に記載の超電導薄膜材料。
【請求項３】
前記基板を構成する材料は配向金属であり、
前記中間層を構成する材料がイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化マグネシウム、およびチタン酸ストロンチウムのうちの少なくともいずれか１つを含む、請求項１または２に記載の超電導薄膜材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の超電導薄膜材料を製造する方法であって、
前記基板を準備する工程と、
前記基板上に１層または２層以上の厚みが０．４μｍ以上の中間層を形成する工程と、
気相法および液相法の少なくともいずれか一方により、前記中間層上に前記超電導層を形成する工程とを備える、超電導薄膜材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法に関し、たとえば超電導特性の優れた超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導薄膜材料は、図５に示すように、基板１０１上に中間層１０２を積層し、さらに中間層１０２上に超電導層１０３を成膜して形成している。このような超電導薄膜材料１００において、良好な超電導特性を得るために、たとえば特開平１１−５３９６７号公報（特許文献１）に、配向性多結晶中間層を備える配向性多結晶基材が開示されている。なお、図５は、従来の超電導薄膜材料を示す断面図である。
【０００３】
上記特許文献１には、超電導層の配向性を向上するために、表面に結晶配向性を有する基板上に、中間層を形成し、さらにその中間層上に超電導層を形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−５３９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示の配向性多結晶基材では、加熱反応を行なって超電導層を成膜するため、超電導層の構成元素は基板側に拡散するとともに、基板の構成元素は超電導層側に拡散する元素拡散反応が生じてしまう。基板の構成元素が、中間層を超えて超電導層に到達すると、超電導層を構成している超電導元素と反応を起こしてしまい、超電導特性を低下するという問題がある。
【０００５】
それゆえ本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、元素拡散反応を防止して良好な超電導特性を得る超電導薄膜材料および超電導薄膜材料の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、超電導薄膜材料における元素拡散反応が生じるという問題は、中間層の厚みに起因することを見出した。中間層の厚みが十分に厚くないと、基板を構成する元素が中間層を超えて超電導層まで到達し、元素拡散反応を起こしてしまうという問題がある。本発明者は、このような元素拡散反応を防止するために鋭意研究した結果、元素拡散反応を防止するために必要な中間層の膜厚を見出した。
【０００７】
そこで、本発明にしたがった超電導薄膜材料は、基板と、中間層と、超電導層とを備えている。中間層は、基板上に形成され、１層または２層以上であり、厚みが０．４μｍ以上である。超電導層は、中間層上に形成されている。
【０００８】
本発明の超電導薄膜材料によれば、中間層の厚みを０．４μｍ以上とすることによって、基板と超電導層との元素拡散を防止することができる。そのため、形成された超電導層の特性の低下を防止できるので、超電導薄膜材料は良好な超電導特性を得ることができる。
【０００９】
上記超電導薄膜材料において好ましくは、中間層を構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型、およびパイロクロア型の少なくともいずれか１つの結晶構造を有する酸化物である。
【００１０】
これらの中間層の材料は、超電導層との反応性が極めて低いため、中間層が超電導層と接触していても超電導層と元素拡散反応がより発生しにくくなる。
【００１１】
上記超電導薄膜材料において好ましくは、基板を構成する材料は配向金属であり、中間層を構成する材料がイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化マグネシウム、およびチタン酸ストロンチウムのうちの少なくともいずれか１つを含んでいる。
【００１２】
これにより、特性の優れる配向金属を基板に用いる場合であっても、基板と超電導層との間の元素拡散反応を抑制することができる。
【００１３】
本発明の超電導薄膜材料の製造方法は、上記超電導薄膜材料を製造する方法であって、基板を準備する工程と、基板上に１層または２層以上の中間層を形成する工程と、超電導層を形成する工程とを備えている。超電導層を形成する工程は、気相法および液相法の少なくともいずれか一方により中間層上に超電導層を形成する。
【００１４】
本発明の超電導薄膜材料の製造方法によれば、超電導層を形成する工程では、結晶配向性および表面平滑性に優れる表面を有する超電導層を形成することができる。そのため、大きな臨界電流値および大きな臨界電流密度が得られる良好な超電導特性が得られる超電導薄膜材料を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の超電導薄膜材料によれば、中間層の厚みを０．４μｍ以上とすることによって、中間層の厚みが十分となるので、元素拡散反応を防止して良好な超電導特性を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料を示す断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料を説明する。
【００１８】
図１に示すように、実施の形態における超電導薄膜材料１０は、基板１１と、基板１１上に形成された１層または２層以上の中間層１２と、中間層１２上に形成された超電導層１３とを備えている。中間層１２の厚みは、０．４μｍ以上である。
【００１９】
詳細には、基板１１を構成する材料は金属であることが好ましい。基板１１は、配向金属基板を用いることがさらに好ましい。なお、配向金属基板とは、基板表面の面内の２軸方向に関して、結晶方位が揃っている基板を意味する。配向金属基板としては、たとえばＮｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、およびＡｕ（金）のうち２以上の金属からなる合金が好適に用いられる。これらの金属を他の金属または合金と積層することもでき、たとえば高強度材料であるＳＵＳなどの合金を用いることもできる。なお、基板１１の材料は特にこれに限定されず、たとえば金属以外の材料を用いてもよい。
【００２０】
基板１１は、たとえば厚みを５０μｍ〜２００μｍとし、長尺な帯状の形状を有している。
【００２１】
中間層１２の厚みｘは、０．４μｍ以上である。厚みｘは、０．８μｍ以上が好ましく、さらに好ましくは１．１μｍ以上である。図５に示すように、従来の超電導薄膜材料１００における中間層１０２の厚みｙが薄いと、基板１０１の構成元素が超電導層１０３に、超電導層１０３の構成元素が基板１０１に移動してしまう元素拡散反応が発生する。本発明者は、元素拡散反応を防止できる中間層１２の厚みが０．４μｍ以上であることを見出した。すなわち、中間層１２の厚みｘを０．４μｍ以上とすることによって、元素拡散反応を防止でき、良好な超電導特性を得ることができる。厚みｘを０．８μｍ以上とすることによって、元素拡散反応をより防止することができ、厚みｘを１．１μｍ以上とすることによって、元素拡散反応をより一層防止することができる。
【００２２】
中間層１２を構成する材料は、岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型、およびパイロクロア型の少なくともいずれか１つの結晶構造を有する酸化物であることが好ましい。このような結晶構造を有する酸化物として、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、酸化ホルミニウム（Ｈｏ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、および酸化イッテルビウム（Ｙｂ2Ｏ3）などの希土類元素酸化物、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、ＢＺＯ（ＢａＺｒＯ3）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などのＬｎ−Ｍ−Ｏ化合物（Ｌｎは１種以上のランタノイド元素、ＭはＳｒ、Ｚｒ、およびＧａの中から選ばれる１種以上の元素、Ｏは酸素）が挙げられる。特に、中間層１２を構成する材料が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）などが結晶定数および結晶配向の観点から好適に用いられる。これらの材料は、超電導層１３との反応性が極めて低く、超電導層１３と接触している境界面においても超電導層１３の超電導特性を低下させない。特に、基板１１を構成する材料として金属を用いる場合には、表面に結晶配向性を有する基板１１と超電導層１３との差を緩和して、超電導層１３を高温で形成する際に、表面に結晶配向性を有する配向金属からなる基板１１から超電導層１３への金属原子の流出を防止する役割を果たすことができる。なお、中間層１２を構成する材料は特にこれに限定されない。
【００２３】
また、中間層１２は、良好な結晶配向性を有していることが好ましい。良好な結晶配向性を有する材料としては、上記材料が挙げられる。
【００２４】
また、図２に示すように、中間層１２は、複数の層により構成されていてもよい。複数の層により構成されている場合であっても、それぞれの層の合計が中間層１２の厚みｘとなり、中間層１２の厚みｘが０．４μｍ以上とする。なお、図２は、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料の別の例を示す断面図である。
【００２５】
中間層１２が複数の層により構成される場合、中間層１２を構成するそれぞれの層は互いに異なる材質により構成されていてもよい。たとえば図２に示すように、中間層１２が第１の層１２ａ、第２の層１２ｂ、および第３の層１２ｃの３層により構成することができる。この場合、第１の層１２ａは、基板１１上に形成され、結晶成長の核となる種結晶層とすることが好ましい。第２の層１２ｂは、第１の層１２ａ上に形成され、元素拡散反応を防止する拡散防止層とすることが好ましい。第３の層１２ｃは、その上に形成される超電導層１３との格子サイズのマッチングをとる格子整合層とすることが好ましい。また、種結晶層は、たとえば酸化セリウムを好適に用いることができる。拡散防止層は、たとえばイットリア安定化ジルコニアを好適に用いることができる。格子整合層は、たとえば酸化セリウムを好適に用いることができる。
【００２６】
中間層１２は特にこれに限定されず、任意の数の層とすることができ、２層であっても４層以上であってもよいし、図１に示すように１層であってもよい。１層または２層である場合は、その層内で種結晶層、拡散防止層、および格子整合層の役割を有していることが好ましい。
【００２７】
なお、中間層１２と超電導層１３との格子不整合率は１０％以下、中間層１２と基板１１との格子不整合率は１０％以下とすることが好ましい。
【００２８】
中間層１２の超電導層１３が形成される側の表面は平坦であることが好ましい。たとえば、中間層１２の表面粗さが１０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
超電導層１３を構成する材料は特に限定されないが、たとえばＲＥ−１２３系の超電導体とすることが好ましい。なお、ＲＥ−１２３系の超電導体とは、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ｙは６〜８、より好ましくはほぼ７、ＲＥとはイットリウム、またはＧｄ、Ｓｍ、Ｈｏなどの希土類元素を意味する）として表される超電導体を意味する。このようにすれば、フレキシブルな金属からなる基板１１上に中間層１２および超電導層１３を形成するので、大きな臨界電流値および臨界電流密度を示す超電導薄膜材料を実現できる。また、超電導層１３の厚みは、たとえば０．２μｍ〜５μｍとすることができる。
【００３０】
超電導薄膜材料をたとえば超電導線材として利用する場合には、超電導層１３の表面保護のために、超電導層１３上にＡｇ（銀）安定化層やＣｕ（銅）安定化層などの表面保護層や安定化層（図示せず）を設けることもできる。
【００３１】
次に、図１および図３を参照して、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料の製造方法について説明する。なお、図３は、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００３２】
図３に示すように、まず、基板１１を準備する工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、超電導薄膜材料１０のベースとなる基板１１を準備する。基板１１としては、配向金属からなる材料を用いることが好ましく、たとえばニッケルなどの金属からなる帯状の金属テープを用いることができる。
【００３３】
次に、中間層１２を形成する工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、準備された基板１１上に、厚みが０．４μｍ以上となるように中間層１２を形成する。中間層１２としては、たとえば岩塩型、蛍石型、ペロブスカイト型、パイロクロア型といった結晶構造を有する酸化物を用いることができる。工程（Ｓ２０）において用いる成膜方法としては、任意の成膜方法を用いることができるが、たとえばパルスレーザ蒸着法（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ法）などの物理蒸着法を用いることができる。
【００３４】
なお、工程（Ｓ２０）において図２に示すように中間層１２が複数の層からなる場合であっても同様に、基板１１上に第１の層１２ａをたとえば物理蒸着法により形成し、第１の層１２ａ上に第２の層１２ｂをたとえば物理蒸着法により形成し、第２の層１２ｂ上に第３の層１２ｃをたとえば物理蒸着法により形成する。
【００３５】
次に、中間層１２の表面上に、超電導層１３を形成する工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、気相法および液相法の少なくともいずれか一方により、超電導層１３を形成する。
【００３６】
具体的には、気相法としては、たとえばレーザ蒸着法、スパッタリング法、および電子ビーム蒸着法などが挙げられる。液相法としては、たとえば有機金属堆積法などが挙げられる。レーザ蒸着法、スパッタリング法、電子ビーム法、および有機金属堆積法の少なくとも１つの方法により行なわれると、結晶配向性および表面平滑性に優れた表面を有する超電導層１３を形成することができる。
【００３７】
工程（Ｓ３０）では、超電導層１３を形成する際に６００℃〜９００℃とすることが好ましい。このように高温下で超電導層１３を形成しても、中間層１２の厚みが十分にあるので、超電導層１３と基板１１との間で原子拡散反応はほとんど生じない。
【００３８】
なお、工程（Ｓ１０，２０，３０）を実施した後に、基板１１、中間層１２、または超電導層１３の表面を平坦化する平坦化工程を実施してもよい。平坦化工程は、任意の平坦化方法を用いることができ、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を用いることができる。
【００３９】
以上の工程（Ｓ１０〜Ｓ３０）を実施することにより、超電導薄膜材料１０を製造することができる。
【００４０】
また、超電導薄膜材料をたとえば超電導線材として利用する場合には、超電導層１３の表面上に表面保護層（図示せず）を形成する工程をさらに備えていてもよい。この工程では、たとえば超電導層１３上に、Ａｇ安定化層からなる表面保護層を形成する。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施の形態における超電導薄膜材料１０によれば、中間層１２の厚みが０．４μｍ以上であるので、基板１１の構成元素が超電導層１３に、超電導層１３の構成元素が基板１１に移動する元素拡散反応を防止することができる。また、実施の形態における超電導薄膜材料１０は、良好な結晶配向性および元素拡散反応防止の両方の役割を果たしている。そのため、超電導層１３の特性を低下させないので、超電導薄膜材料１０は良好な超電導特性を得ることができる。
【００４２】
[実施例]
本発明による超電導薄膜材料の効果を確認するべく、以下のような実験を行なった。すなわち、表１に示す厚みの中間層を備える実施例１〜３および比較例１，２の超電導薄膜材料を準備し、それぞれの超電導薄膜材料における臨界電流密度を測定した。各超電導薄膜材料の中間層の膜厚および臨界電流の測定値を表１に示す。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
（実施例１：超電導薄膜材料）
実施例１では、基本的に実施の形態における超電導薄膜材料の製造方法にしたがって、超電導薄膜材料を製造した。具体的には、まず、基板を準備する工程（Ｓ１０）では、Ｎｉ合金基板を準備した。次に、中間層を形成する工程（Ｓ２０）では、気相蒸着法により、基板上に金属系酸化物からなる中間層を形成した。詳細には、中間層は３層からなり、基板上に結晶成長させるための種結晶層（第１の層）として酸化セリウムを０．１μｍ形成した。そして、種結晶層上に拡散防止層（第２の層）としてＹＳＺを０．２μｍ形成した。そして、格子整合層（第３の層）として酸化セリウムを０．１μｍ形成した。次に、超電導層を形成する工程（Ｓ３０）では、超電導層としてＨｏＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ＨｏＢＣＯ）をレーザ蒸着法により０．８μｍの膜厚となるように形成した。これにより、実施例１における超電導薄膜材料を得た。
【００４５】
なお、表１における中間層の膜厚は、第１の層、第２の層、および第３の層の合計を示す。
【００４６】
（実施例２：超電導薄膜材料）
実施例２における超電導薄膜材料は、基本的には実施例１と同様の構成を備えるが、中間層の膜厚を０．８μｍとした点において、実施例１における超電導薄膜材料と異なる。詳細には、実施例２における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第１の層）の厚みを０．１μｍ、拡散防止層（第２の層）の厚みを０．６μｍ、格子整合層（第３の層）の厚みを０．１μｍとした。
【００４７】
（実施例３：超電導薄膜材料）
実施例３における超電導薄膜材料は、基本的には実施例１と同様の構成を備えるが、中間層の膜厚を１．１μｍとした点において、実施例１における超電導薄膜材料と異なる。詳細には、実施例３における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第１の層）の厚みを０．１μｍ、拡散防止層（第２の層）の厚みを０．９μｍ、格子整合層（第３の層）の厚みを０．１μｍとした。
【００４８】
（比較例１：超電導薄膜材料）
比較例１における超電導薄膜材料は、基本的には実施例１と同様の構成を備えるが、中間層の膜厚を０．２μｍとした点において、実施例１における超電導薄膜材料と異なる。詳細には、比較例１における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第１の層）の厚みを０．１μｍ、拡散防止層（第２の層）の厚みを０μｍ、格子整合層（第３の層）の厚みを０．１μｍとした。
【００４９】
（比較例２：超電導薄膜材料）
比較例２における超電導薄膜材料は、基本的には実施例１と同様の構成を備えるが、中間層の膜厚を０．３μｍとした点において、実施例１における超電導薄膜材料と異なる。詳細には、比較例２における超電導薄膜材料の中間層は、種結晶層（第１の層）の厚みを０．１μｍ、拡散防止層（第２の層）の厚みを０．１μｍ、格子整合層（第３の層）の厚みを０．１μｍとした。
【００５０】
（測定結果）
実施例１〜３および比較例１，２の超電導薄膜材料について、上述したように臨界電流値の値を測定した結果を図４に表わす。図４において、横軸は中間層膜厚（単位：μｍ）、縦軸は超電導層の臨界電流値（単位：Ａ／ｃｍ幅）を示している。
【００５１】
表１および図４に示すように、中間層の膜厚が０．４μｍ以上である実施例１〜３における超電導薄膜材料の臨界電流値は１２８Ａ／ｃｍ幅以上となり良好な超電導特性を得ることができた。一方、比較例１，２における超電導薄膜材料は中間層の膜厚が０．４μｍよりも薄かったので、超電導層と基板との元素拡散反応が生じてしまい、臨界電流値は悪かった。
【００５２】
本発明の実施例によれば、本発明の超電導薄膜材料において、中間層を０．４μｍ以上とすることにより、超電導層の臨界電流値などの特性を向上できることがわかった。
【００５３】
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実施の形態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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態における超電導薄膜材料を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における超電導薄膜材料の別の例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における超電導薄膜材料の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の実施例における超電導薄膜材料について臨界電流値を示す図である。
【図５】従来の超電導薄膜材料を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  超電導薄膜材料、１１  基板、１２  中間層、１２ａ  第１の層、１２ｂ  第２の層、１２ｃ  第３の層、１３  超電導層。
【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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