(57)【要約】【課題】超電導層における配向性を向上させることができる超電導体及びその製造方法を提供することである。【解決手段】実施形態に係る超電導体は、基板と、超電導層と、前記基板と前記超電導層との間に設けられた中間層とを備えている。    前記中間層は、前記基板の上に設けられた第１の金属層と、前記第１の金属層の上に設けられ酸素分子を含む吸着層と、前記吸着層の上に設けられた酸化物層とを有する。【選択図】図１
2016054102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
超電導層と、
前記基板と、前記超電導層と、の間に設けられた中間層と、
を備え、
前記中間層は、
前記基板の上に設けられた第１の金属層と、
前記第１の金属層の上に設けられ、酸素分子を含む吸着層と、
前記吸着層の上に設けられた酸化物層と、
を有する超電導体。
【請求項２】
基板と、
超電導層と、
前記基板と、前記超電導層と、の間に設けられた中間層と、
を備え、
前記基板は、第２の金属層を有し、
前記中間層は、
前記第２の金属層の上に設けられ、酸素分子を含む吸着層と、
前記吸着層の上に設けられた酸化物層と、
を有する超電導体。
【請求項３】
基板の上に、中間層を形成する工程と、
前記中間層の上に、超電導層を形成する工程と、
を備え、
前記中間層を形成する工程において、
前記基板の上に、第１の金属層を形成し、
前記第１の金属層の上に、酸素分子を含む吸着層を形成し、
前記吸着層の上に、酸化物層を形成する超電導体の製造方法。
【請求項４】
前記吸着層の形成において、前記第１の金属層を酸素雰囲気中において加熱し、前記酸素分子を前記第１の金属層の表面に吸着させる請求項３記載の超電導体の製造方法。
【請求項５】
基板に設けられた第２の金属層の上に、中間層を形成する工程と、
前記中間層の上に、超電導層を形成する工程と、
を備え、
前記中間層を形成する工程において、
前記第２の金属層の上に、酸素分子を含む吸着層を形成し、
前記吸着層の上に、酸化物層を形成する超電導体の製造方法。
【請求項６】
前記吸着層の形成において、前記第２の金属層を酸素雰囲気中において加熱し、前記酸素分子を前記第２の金属層の表面に吸着させる請求項５記載の超電導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超電導体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は、絶対零度近くの極低温で電気抵抗が消失するため、送電線や電磁石コイルへの応用が期待されている。
優れた性能を有する超電導層を得るためには、超電導層の配向化、すなわち結晶格子の面方位を一致させる必要がある。配向性が高いほど、すなわち面方位のバラつきが小さいほど、大きな超電導電流を流すことができる。  
そのため、超電導層と、金属基板との間に中間層を設けて、超電導層における面方位バラつきを抑える技術が提案されている。  
また、中間層には、金属あるいは金属酸化物からなる層が提案されている。  
しかしながら、金属基板と、金属あるいは金属酸化物との整合性が悪いため、金属基板と、金属あるいは金属酸化物との界面で面方位バラつきが増大するという問題があった。
したがって、配向性の高い超電導層を得るために、面方位バラつきを抑えることができる界面の形成技術の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５７９９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、超電導層における配向性を向上させることができる超電導体及びそ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】
【０００５】
実施形態に係る超電導体は、基板と、超電導層と、前記基板と前記超電導層との間に設けられた中間層とを備えている。  
前記中間層は、前記基板の上に設けられた第１の金属層と、前記第１の金属層の上に設けられ酸素分子を含む吸着層と、前記吸着層の上に設けられた酸化物層とを有する。  
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る超電導体１を例示するための模式断面図である。
【図２】金属層２ｂ、金属層３ａ、酸化物層３ｃ１、および酸化物層３ｃ２における面方位バラつき（ΔΦ）を例示するためのグラフ図である。
【図３】第２の実施形態に係る超電導体の製造方法について例示をするためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。  
[第１の実施形態]  
図１は、第１の実施形態に係る超電導体１を例示するための模式断面図である。  
図１に示すように、超電導体１には、基板２、中間層３、および超電導層４が設けられている。  
超電導体１は、例えば、テープ状を呈するものとすることができる。  
この場合、超電導体１の幅寸法は、例えば、１００ｍｍ程度とすることができる。超電導体１の厚み寸法は、例えば、１μｍ程度とすることができる。
【０００８】
基板２は、基部２ａおよび金属層２ｂ（第２の金属層の一例に相当する）を有する。  
基部２ａは、超電導体１の剛性を向上させるために設けられている。  
基部２ａは、金属層２ｂの下に設けられている。
基部２ａは、テープ状を呈している。  
基部２ａは、例えば、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３１６）や、ハステロイ（登録商標）などのニッケル合金から形成することができる。
【０００９】
金属層２ｂは、基部２ａの上に設けられている。  
金属層２ｂは、金属から形成されたものとすることができる。  
金属層２ｂは、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などから形成されたものとすることができる。  
金属層２ｂは、例えば、真空中あるいは大気中において、ニッケルなどの金属に熱処理を施して配向性を高めたものとすることができる。  
配向性を高めた金属層２ｂを有する基板２は、２軸配向性基板と称される場合もある。  なお、基部２ａは、必ずしも必要ではなく省略することもできる。また、基部２ａの材料や金属層２ｂの材料は、例示をしたものに限定されるわけではない。
【００１０】
中間層３は、超電導層４における配向性を向上させるために設けられている。  
中間層３は、基板２と、超電導層４との間に設けられている。  
中間層３は、金属層３ａ（第１の金属層の一例に相当する）、吸着層３ｂ、および酸化物層３ｃを有する。
【００１１】
金属層３ａは、基板２の金属層２ｂの上に設けられている。  
金属層３ａは、金属から形成されたものとすることができる。  
金属層３ａは、例えば、鉄、ニッケル、銅などから形成されたものとすることができる。
なお、金属層３ａは、必ずしも必要ではなく省略することもできる。  
吸着層３ｂは、金属層３ａの上に設けられている。  
なお、金属層３ａが設けられない場合には、吸着層３ｂは、基板２の金属層２ｂの上に設けられる。  
吸着層３ｂは、酸素分子を含む。
吸着層３ｂは、金属層３ａの表面（金属層３ａが設けられない場合には金属層２ｂの表面）に吸着した酸素分子により構成されている。  
なお、吸着層３ｂに関する詳細は後述する。
【００１２】
酸化物層３ｃは、酸化物層３ｃ１、酸化物層３ｃ２、および酸化物層３ｃ３を有する。  酸化物層３ｃ１は、吸着層３ｂの上に設けられている。  
酸化物層３ｃ２は、酸化物層３ｃ１の上に設けられている。  
酸化物層３ｃ３は、酸化物層３ｃ２の上に設けられている。
【００１３】
酸化物層３ｃ１、酸化物層３ｃ２、および酸化物層３ｃ３は、例えば、セリウム（Ｃｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）などの酸化物から形成されたものとすることができる。  
例えば、酸化物層３ｃ１および酸化物層３ｃ３が酸化セリウム（ＣｅＯ２）から形成され、酸化物層３ｃ２がイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）から形成されたものとすることができる。
【００１４】
なお、三層構造を有する酸化物層を例示したが、層数は例示をしたものに限定されるわけではない。  
例えば、一層からなる酸化物層３ｃとすることもできるし、二層、あるいは四層以上の層が積層された酸化物層３ｃとすることもできる。  
また、酸化物層３ｃの材料は、例示をしたものに限定されるわけではない。
【００１５】
超電導層４は、酸化物層３ｃの上に設けられている。  
超電導層４は、例えば、イットリウム系超電導体から形成されたものとすることができる。  
この場合、イットリウム系超電導体の組成は、例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘとすることができる。
【００１６】
なお、イットリウム系超電導体の組成は、例示をしたものに限定されるわけではない。  例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘのイットリウムをランタノイド系の希土類元素に置き換えたものなどとすることができる。  
例えば、超電導層４の組成は、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなどとすることもできる。  
なお、Ｌｎは、イットリウム、セリウム、プラセオジム（Ｐｒ）、プロメチウム（Ｐｍ）及びルテチウム（Ｌｕ）を除くランタノイド族である。
【００１７】
次に、吸着層３ｂについてさらに説明する。  
前述したように、金属層３ａは金属から形成されている。そのため、金属層３ａにおける化学結合は金属結合となる。また、金属層３ａは自由電子を有している。  
一方、酸化物層３ｃ１は、酸化物から形成されている。そのため、酸化物層３ｃ１における化学結合は共有結合あるいはイオン結合となる。また、酸化物層３ｃ１は、材料に応じた電荷の価数を有している。例えば、酸化物層３ｃ１が酸化セリウムから形成される場合には、酸化物層３ｃ１におけるセリウムの価数は、「４＋」となる。
【００１８】
この様に、金属層３ａと酸化物層３ｃ１とでは、化学結合の種類が異なり、且つ、電荷の価数も大きく異なる。すなわち、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間における結晶格子の整合性と、電荷の整合性とが低くなっている。  
一般的には、隣接する層の間における結晶格子の整合性と、電荷の価数の整合性とが低いと、結晶の面方位バラつきが大きくなると考えられる。  
そのため、金属層３ａの上に酸化物層３ｃ１を直接形成すると、酸化物層３ｃ１における面方位バラつきが金属層３ａより大きくなるおそれがある。  
すなわち、酸化物層３ｃ１において配向性が低下するおそれがある。
【００１９】
そして、酸化物層３ｃ１の配向性が低下すると、酸化物層３ｃ１の上に形成される酸化物層３ｃ２、酸化物層３ｃ３、および超電導層４も配向性が低下する。  
超電導層４の配向性が低下すると、超電導特性は悪化する。例えば、超電導層４に流れる電流が小さくなる。
【００２０】
前述したように、金属層３ａが設けられない場合には、基板２の金属層２ｂの上に酸化物層３ｃ１が設けられることになる。  
そのため、金属層３ａが設けられない場合も同様に、超電導層４の配向性が低下するおそれがある。
【００２１】
ここで、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間、または、金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間に、結晶格子の整合性および電荷の価数の整合性の少なくともいずれかを高めるための層を設けることが考えられる。  
この場合、例えば、金属層３ａに含まれる金属の酸化物を含む層を設けるようにすれば、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間における電荷の価数の違いを緩和することができる。
例えば、金属層３ａがニッケルから形成される場合には、酸化ニッケル（ＮｉＯ）を含む層を金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間に設けることができる。
【００２２】
金属層３ａが設けられない場合には、金属層２ｂに含まれる金属の酸化物を含む層を金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間に設けるようにすれば、金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間における電荷の価数の違いを緩和することができる。  
例えば、金属層２ｂがニッケルから形成される場合には、酸化ニッケル（ＮｉＯ）を含む層を金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間に設けることができる。
【００２３】
酸化ニッケルの化学結合は、イオン結合であるが、電荷の価数は「２＋」である。  
前述したように、酸化セリウムの電荷の価数は「４＋」、ニッケルは自由電子を有するため、自由電子を有する層（金属層３ａまたは金属層２ｂ）、電荷の価数が「２＋」の層（酸化ニッケルを含む層）、電荷の価数が「４＋」の層（酸化物層３ｃ１）が積層されることになる。
【００２４】
この様に、金属酸化物を含む層を設けるようにすれば、隣接する層との間における電荷の価数の違いを小さくすることができる。  
そのため、金属酸化物を含む層を設けるようにすれば、超電導層４の配向性を向上させられるように思える。
【００２５】
ところが、本発明者の得た知見によれば、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間（金属層３ａが設けられない場合には金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間）に、金属酸化物を含む層を設けるようにすれば、超電導層４の面方位バラつきが、金属酸化物を含まない場合に対して増大することが判明した。
【００２６】
本発明者は、さらなる検討の結果、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間（金属層３ａが設けられない場合には金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間）に、酸素分子を含む吸着層３ｂを設けるようにすれば、超電導層４の配向性を向上できるとの知見を得た。
【００２７】
例えば、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間（金属層３ａが設けられない場合には金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間）に、何も設けない場合には、超電導層４の面方位バラつき（ΔΦ）は、５．３°程度となった。  
また、酸化ニッケルを含む層を設けた場合には、超電導層４の面方位バラつき（ΔΦ）は、５．４°程度となった。  
また、酸素分子を含む吸着層３ｂを設けた場合には、超電導層４の面方位バラつき（ΔΦ）は、５．１°程度となった。
【００２８】
図２は、金属層２ｂ、金属層３ａ、酸化物層３ｃ１、および酸化物層３ｃ２における面方位バラつき（ΔΦ）を例示するためのグラフ図である。  
金属層２ｂの材料は、銅である。金属層３ａの材料は、ニッケルである。酸化物層３ｃ１の材料は、酸化セリウムである。酸化物層３ｃ２の材料は、イットリア安定化ジルコニアである。
【００２９】
また、図２中の１００は、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間（金属層３ａが設けられない場合には金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間）に、何も設けない場合である。  
図２中の１１０は、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間（金属層３ａが設けられない場合には金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間）に、酸素分子を含む吸着層３ｂを設けた場合である。
【００３０】
図２から分かるように、金属層３ａと酸化物層３ｃ１との間（金属層３ａが設けられない場合には金属層２ｂと酸化物層３ｃ１との間）に、酸素分子を含む吸着層３ｂを設けるようにすれば、酸化物層３ｃ１および酸化物層３ｃ２の面方位バラつきを抑えることができる。  
このことは、超電導層４の面方位バラつきを小さく、すなわち配向性を向上でき、優れた超電導特性が得られることを意味する。
【００３１】
[第２の実施形態]  
次に、第２の実施形態に係る超電導体の製造方法について例示をする。  
図３は、第２の実施形態に係る超電導体の製造方法について例示をするためのフローチャートである。  
なお、基板２の形成には、既知の技術を適用することができるので、詳細な説明は省略する。
【００３２】
図３に示すように、まず、２軸配向性基板である基板２の上に、中間層３を形成する（ステップＳ１）。  
例えば、まず、基板２の金属層２ｂの上に、金属層３ａを形成する（ステップＳ１ａ）。
金属層３ａの形成には、例えば、スパッタリング法などを用いることができる。
【００３３】
続いて、金属層３ａの上に、酸素分子を含む吸着層３ｂを形成する（ステップＳ１ｂ）。
例えば、酸素雰囲気中において金属層３ａを加熱して、金属層３ａの表面に酸素分子を吸着させて、吸着層３ｂを形成することができる。
【００３４】
この場合、金属酸化物がなるべく形成されないようにすることが好ましい。  
例えば、加熱温度や加熱時間などの適正化を図ることで、酸素分子を含む吸着層３ｂを形成するとともに、金属酸化物の形成を抑制する様にする。
【００３５】
例えば、金属層３ａの材料がニッケルの場合には、加熱温度は４００℃程度、加熱時間は１０分程度、酸素分圧は７．２Ｅ−４Ｐａ程度とすることができる。  
この場合、金属層３ａの加熱温度、加熱時間、酸素分圧などは、金属層３ａの材料により変化する場合がある。  
そのため、金属層３ａの加熱温度、加熱時間、酸素分圧などは、実験やシミュレーションを行うことで適正化を図ることが好ましい。
【００３６】
なお、金属層３ａが形成されない場合には、基板２の金属層２ｂの上に、酸素分子を含む吸着層３ｂを形成する。  
また、吸着層３ｂの形成方法として、酸素雰囲気中において金属層を加熱することを例示したが、これに限定されるわけではない。
【００３７】
酸素分子を含む吸着層３ｂを形成することができれば、他の形成方法であってもよい。  ただし、酸素雰囲気中において金属層を加熱するようにすれば、簡易、且つ、容易に吸着層３ｂを形成することができる。
【００３８】
続いて、吸着層３ｂの上に、酸化物層３ｃを形成する（ステップＳ１ｃ）。  
例えば、酸化セリウムを含む酸化物層３ｃ１、イットリア安定化ジルコニアを含む酸化物層３ｃ２、酸化セリウムを含む酸化物層３ｃ３を、吸着層３ｂの上に順次積層させて酸化物層３ｃを形成する。  
酸化物層３ｃ１および酸化物層３ｃ３の形成には、例えば、スパッタリング法などを用いることができる。  
酸化物層３ｃ２の形成には、例えば、イオンアシスト蒸着法（Ion Beam Assisted Deposition Processes）などを用いることができる。
【００３９】
次に、中間層３の上に、超電導層４を形成する（ステップＳ２）。  
超電導層４の形成には、例えば、有機酸塩堆積法（Metal Organic Deposition Processes）などを用いることができる。
【００４０】
以上の様にして、超電導体１を製造することができる。  
なお、金属層３ａ、酸化物層３ｃ、超電導層４の形成方法は、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。  
また、金属層３ａ、酸化物層３ｃ、超電導層４の形成におけるプロセス条件には既知の技術を適用することができるので詳細な説明は省略する。
【００４１】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  超電導体、２  基板、２ａ  基部、２ｂ  金属層、３  中間層、３ａ  金属層、３ｂ  吸着層、３ｃ  酸化物層、３ｃ１  酸化物層、３ｃ２  酸化物層、３ｃ３  酸化物層、４  超電導層
【図１】
2016054102.tif 000003
【図２】
2016054102.tif 000004
【図３】
2016054102.tif 000005