RE系コート線材の臨界電流密度の印加磁界
角度依存性を測定するための2軸サンプル
ホルダーの開発とその特性評価
電子情報工学科 小田部研究室
11232064 濱田 洋介
平成 27 年 2 月 19 日
電子情報工学科目次
目次 .................................................................................................................................. 2
第1章

序論 ................................................................................................................. 1

1.1 はじめに ............................................................................................................................ 1
1.2 高温超伝導体 .................................................................................................................. 2
1.2.1 銅酸化物超伝導体 ..................................................................................................... 2
1.2.2 RE 系超伝導体 ............................................................................................................ 3
1.2.3 GdBCO 超伝導体 ..................................................................................................... 4
1.3 REBCO 系超伝導体の作成手法..................................................................................... 4
1.3.1 IBAD 法 ....................................................................................................................... 4
1.3.2 PLD 法 ......................................................................................................................... 5
1.4 磁束ピンニング ................................................................................................................ 5
1.5 縦磁界効果 ........................................................................................................................ 6
1.5.1 REBCO 超伝導コート線材における縦磁界効果 .................................................... 7
1.6 試料測定用サンプルホルダー ........................................................................................ 8
1.7 本研究の目的 .................................................................................................................... 9

第2章

実験 ............................................................................................................... 10

2.1 2 軸サンプルホルダーの開発 ........................................................................................ 10
2.1.1

従来のサンプルホルダーの問題点 .................................................................. 10

2.1.2

2 軸サンプルホルダーの機構 ........................................................................... 11

2.2

実験に使用した試料.................................................................................................. 11

2.3 測定環境 ........................................................................................................................ 122.2.1

直流四端子法 ...................................................................................................... 12

2.2.2

マイクロブリッジ試料加工 .............................................................................. 13

第3章

実験結果 ....................................................................................................... 15

3.1 臨界電流密度の磁界依存性 .......................................................................................... 15
3.2 臨界電流密度の ab 面内における磁界印加角度依存性 ............................................ 16
3.3 臨界電流密度の c 軸に対する磁界印加角度依存性 .................................................. 16

第4章

考察 ............................................................................................................... 174.1 従来のサンプルホルダーによる測定結果との比較 .................................................. 17

第5章

まとめ ........................................................................................................... 21

謝辞 ................................................................................................................................ 22
参考文献 ........................................................................................................................ 23

図目次
図 1.1 超伝導材料の臨界面 ............................................................................................... 2
図 1.2 RE 系超伝導体の結晶構造（ 𝐘𝐁𝐚𝟐𝐂𝐮𝟑𝐎𝟕 ） ...................................................... 4
図 1.3 混合状態の第二種超伝導体における磁束ピンニング ....................................... 6
図 1.4 縦磁界効果............................................................................................................... 7
図 1.5 混(a)円柱状試料の自己磁界、(b)テープ状試料の自己磁界 ............................ 8
図 1.6 サンプルホルダーを使用した測定プロセス ........................................................ 9
図 1.7 (a) 𝑎𝑏 面内における回転角 𝜙 、(b) 𝑐 軸からの回転角 𝜃 ................................. 10
図 2.1 2 軸サンプルホルダー概略図............................................................................ 11
図 2.2 本研究に使用した GdBCO コート線材 ................................................................ 12
図 2.3 直流四端子法の回路 ............................................................................................. 13
図 3.1 縦磁界状態と非縦磁界状態の𝑱𝐜 − 𝑩 特性の比較............................................. 16
図 3.2 𝑱𝐜 の 𝒂𝒃 面内における磁界印加角度依存性...................................................... 16
図 3.3 𝑱𝐜 の 𝒄 軸方向における磁界印加角度依存性..................................................... 17
図 4.1 𝑱𝐜 の 𝒄 軸方向における縦磁界下における𝑱𝐜 − 𝑩 特性 .................................... 18
図 4.2 𝑱𝐜 の 𝒄 軸方向における非縦磁界下における𝑱𝐜 − 𝑩 特性 ................................ 19
図 4.3 一軸サンプルホルダーで測定した 𝐽c − 𝜙 、特性 ........................................ 19
図 4.4 一軸サンプルホルダーで測定した 𝐽c − 𝜃特性 .............................................. 20

表目次
表 2.1 本研究に使用した GdBCO コート線材の諸元 ................................................... 12

第1章 序論
1.1 はじめに1908 年にオランダの Kamerlingh Onnes は世界初のヘリウムの液化に成功し、1911 年には液体ヘリウムを用いた水銀の電気抵抗の測定中、4.2 K の温度で抵抗が突然ゼロになることを発見した。このような現象を起こす物質は超伝導体と呼ばれ、電気抵抗ゼロの性質を持つことから様々な機器への応用が期待された。しかし、当初発見された超伝導体の多くが、わずかな磁界で電気抵抗ゼロの性質を失ってしま
い応用は難しかった。このように超伝導体はある温度、磁界の範囲内でのみその特性を示し、これらの超伝導現象を示さなくなる磁界、温度をそれぞれ臨界磁界𝐵c 、
臨界温度𝑇c と呼ぶ。1933 年には W. Meissner と R. Ochsenfeld によって、超伝導体は完全反磁性(マイスナー効果)を持つことが証明された。これらの発見から、一定温
度以下における完全導電性とマイスナー効果の二つの特性を示す物質が超伝導体として定義された。
さらに 1957 年には J. Bardeen と L. N. Cooper および J. R. Shriefferらにより、BCS 理論が提唱され超伝導発現機構における基本的な理解が与えられた。
BCS 理論によると𝑇c は 30 K を超えないと予想されていたが、1986 年に J. G. Bednorz,
K. A. Müller らによって La-Ba-Cu-O 系の超伝導体が発見され[1]、30 K を超える温度で超伝導が発現する可能性が示された。この発表以降、世界各国で高温超伝導の探索 が続け られ、 一年後 には液 体窒素 の沸点 である 77.3 Kを 超え る 𝑇c = 93 K のYBa2 Cu3 Oy （YBCO）が発見された[2]。このような高い𝑇c を持つ超伝導体は高温超伝導体と呼ばれ、その中でも銅酸化物であるものを銅酸化物超伝導体と呼ぶ。これらの超伝導体は液体ヘリウムに比べて安価な液体窒素や冷凍機などで超伝導状態となるため、様々な機器への応用の可能性や冷却コストの低減などの点から大きな注目を浴びた。しかし、これらの高温超伝導体は実用化に向けての課題が残っているために今日も研究が続けられている状態である。超伝導材料の性能を表すもう 1 つのパラメータとして電気抵抗ゼロで流せる電流の最大値である臨界電流𝐼c 、その電流密度である臨界電流密度𝐽c が存在する。従って、図 1.1 に示すように、超伝導状態
は 𝑇c 、𝐵c2 、𝐽c の３つのパラメータによって制御されていることになる。 𝐽c が大きいほど超伝導体の電気容量が大きくなるため 𝐼c が高いことが超伝導体の工業的な応用において重要である。超伝導体は磁界に対する特性の違いから第一種超伝導体と第二種超伝導体に分類される。第一種超伝導体は超伝導状態になるとマイスナー効果を示すが、-1-

外部磁界を加えていくと、一定の磁界の強さを超えたところでマイスナー効果が消滅
し、同時に超伝導状態も失われる。第二種超伝導体も同様に超伝導状態においてマイス
ナー効果を示し、外部磁界を加えていくと、一定の磁界の強さに達したところでマイス
ナー効果を失うが、磁束の一部が超伝導体の内部に侵入した状態で超伝導状態を保つ。
これを混合状態といい、磁束が侵入し始める磁界を下部臨界磁界 𝐵c1 という。混合状
態からさらに外部磁界を加えていくと、やがて一定の磁界を超えたところで超伝導状態が消滅する。ここでの磁界を上部臨界磁界 𝐵c2 という。高温超伝導体は第二種超伝導体に分類される。𝐵c2 は 𝐵c1 よりも非常に大きいため工学的な応用には有利であり、第二種超伝導体の発見によって、超伝導体をエネルギー機器等へ応用することが現実的なものとなった。
磁界 𝐵
𝐵c2
常伝導状態

超伝導状態

𝑇c
温度 𝑇

𝐽c
電流密度 𝐽
図 1.1 超伝導材料の臨界面

1.2 高温超伝導体
高温超電導体は1.1節で述べたように第二種超伝導体の一種であり、高い𝑇c を持つことを特徴とする。ここでは、銅酸化物超伝導体についての説明を行う。

1.2.1 銅酸化物超伝導体
超伝導体の結晶内に CuO2 面を持つものを銅酸化物超伝導体という。銅酸化物超伝導体
は、その𝑇c が現在までに発見されている超伝導体の中でも比較的高いものが多いため、工業的な応用に期待が寄せられている。結晶構造は超伝導層 CuO2 面とブロック層が交互に積み重なった形となっており、CuO2 面に平行な方向には電流は流れやすいが、CuO2-2-

面に垂直な方向には電流が流れにくいという、電流についての異方性を持つ[3]。したがって、銅酸化物超伝導体は CuO2 面をそろえるように結晶構造の配向を行わなければ、優れた特性を得られることはできない。銅酸化物超伝導体の中でも、RE(RE = Rare
Earth：希土類)系超伝導体や Bi(Bi:ビスマス)系超伝導体が注目を集めている。この結晶配向を実現するために、現在では、銅酸化物超伝導体はコート線材に加工されて用いられている。

1.2.2 RE 系超伝導体
銅酸化物超伝導体の一種である REBa2 Cu3 Ox（REBCO）超伝導体は組成比 RE ∶ Ba ∶ Cu =1 ∶ 2 ∶ 3 となる超伝導体である。この中で、RE に Y を選んだ超伝導体が 1987 年に発見された Y-Ba-Cu-O(YBCO)系超伝導体である。REBCO 超伝導体はペロブスカイト構造と呼ばれる結晶構造をとり、CuO2 面からなる電気伝導面と、BaO 面からなる絶縁面が交互に積み重なった構造をもつ。図 1.2 に YBCO 超伝導体の結晶構造を示す。YBCO の𝑇c は約 90 K と高く、液体窒素を冷媒として用いることができる。YBCO の Y を一部、また全てを他の希土類元素に置き換えた物質も同様に超伝導状態を示すことが知られている。YBCO 超伝導体は同じ銅酸化物超伝導体である Bi 系超伝導体よりも、高温・高磁界中において高い 𝐽c が得られることが知られているが[4]、Bi 系超伝導体のように機械的な加工で結晶配向させることができないため、高い 𝐽c を得るためには特殊な製法が必要になる。このため、長尺化が困難であり、作製に手間がかかるなどの問題がある。
しかし、近年は作製技術の向上により高特性に加え長尺化[5]・低コストで作製することが可能になり[6]、次世代超伝導体として期待が寄せられている。

-3-

図 1.2 RE 系超伝導体の結晶構造（ 𝐘𝐁𝐚𝟐 𝐂𝐮𝟑 𝐎𝟕 ）1.2.3 GdBCO 超伝導体
YBCO 超 伝 導 体 の イ ッ ト リ ウ ム Y を ガ ド リ ニ ウ ム Gd で 置 き 換 え た も の がGd-Ba-Cu-O(GdBCO)超伝導体である。一般に、置き換える希土類元素のイオン半径が大きいほど𝑇c は高くなることが知られている。しかし、置き換える元素のイオン半径が大
きいと、超伝導層の製膜過程で別の物質が作られやすくなる。Gd は、希土類系元素の中で中程度のイオン半径であり、イオン半径の大きい他の希土類系金属と比較して、結晶成長の際に超伝導電流を妨げるような不純物が生成しにくいという特徴がある。
GdBCO 超伝導体は YBCO と比較すると高磁界下での𝐽c が向上することが分かっており、
REBCO コート線材の中で注目されている超伝導体である。

1.3 REBCO 系超伝導体の作成手法
REBCO 超伝導体は主にコート線材としての応用を目指した研究が盛んにおこなわれており、高い 𝐽 c をもつ REBCO コート線材の作製には、機械的な加工を用いずに結晶を配向させる必要がある。このため、REBCO コート線材では超伝導層である REBCO の下に配向中間層を作製することで、超伝導層を配向させている。
ここでは、現在の主要な中間層作製手法である Ion Beam Assisted Deposition（IBAD）
法と、超伝導層作製手法である Pulsed Laser Depositon（PLD）法について説明する。

1.3.1 IBAD 法
IBAD法とは従来のイオンビームによるスパッタ蒸着法に改良を加えた製膜手法である。
結晶成長中の薄膜表面に、アシストビームと呼ばれる第二のイオンビームを、特定方位から照射することにより、ハステロイ等の無配向の多結晶基板上にスパッタした物質を
𝑐 軸及び 𝑎 (𝑏) の２軸以上に結晶配向させた中間層を製膜することができる。。IBAD 基板を用いて作成されたRE 系コート線材は高い輸送電流特性と長尺成膜を同時に実現
でき、再現性も優れている。実際に、IBAD法による中間層上にREBCO超伝導層を製膜した超伝導コート線材は、高い結晶配向性と自己磁界下における高い 𝐽 c 特性が報告されている[7]。しかし一方で高コストであることや、高配向を得る為には長時間の成膜が必要であり、コストと製造速度という問題点が存在する。しかし近年では、IBAD法で成膜した薄い中間層の上に、IBAD法よりも比較的高速なPLD法でCeO2層を成膜すると、自己配向現象によって当初よりも短時間で高配向中間層を作製する手法が発見されている
[8]。
-4-

1.3.2 PLD 法
PLD 法はPhisical Vapor Deposition 法(PVD 法) の一種であり、真空チャンバー内のターゲットにパルスレーザーを断続的に照射して固体原料を気化させて基材上に薄膜として堆積させる方法である。このとき基板に配向性をもたせたものを用いることで、基板上にターゲットを配向させた状態で堆積させることができる。超伝導層を作成する場合
は超伝導体の塊をターゲットとした配向基板を用いることでその上に二軸配向した超伝導層を成膜できる。PLD法で作製された超伝導体は結晶配向性が高く、高い 𝐽c 特性を示す

ことが知られている。

1.4 磁束ピンニング
1.1 節で述べたように、超伝導体は磁界に対する特性の違いによって第一種超伝導体と第二種超伝導体に分けることができ、実際の応用に際して有利なのは第二種超伝導体である。超伝導体に磁界を印加するとき、第二種超伝導体における混合状態において、磁束線は超伝導体内部に侵入するが、この時超伝導体に流れる電流により磁束線がLorentz 力 𝑭L を受ける。
𝑭L は超伝導体に流れる電流密度 𝑱 と磁束線の磁束密度 𝑩 を用いて 𝑭L = 𝑱 × 𝑩 で表される。Lorentz 力により磁束線が速度 𝒗 で動き出すとき、電磁誘導による電界 𝑬 = 𝑩 × 𝒗 を生じ、電気抵抗として損失を発生させる。このように磁束線が内部に侵入した状態での損失を防ぐためには磁束線の動きを止める必要があり、ここで磁束線の動きを止めようとする作用を磁束ピンニングという。磁束ピンニン
グを引き起こすものとしては常伝導析出物、結晶粒界、格子欠陥などが挙げられ、これらをピンニングセンターと呼ぶ[9][10]。ピンニングセンターによって生じるピンニング
力により Lorentz 力は打ち消され、磁束線の動きは止められる。ピンニングセンターが単位体積あたりに及ぼすピン力密度を 𝐹p で表すとき、臨界電流密度 𝐽c は
𝐽c =

𝐹p
𝐵

(1.1)

で表される。これは 𝐹p の上昇が 𝐽c の上昇につながっていることを示すことから、ピンニングセンターの導入により 𝐹p を増加させれば、 𝐽c を後天的に増加させることがで
きる。

-5-

𝑩

ピンニングセンター

𝑱
超伝導体

𝑭𝐋
𝑭𝐩
図 1.3 混合状態の第二種超伝導体における磁束ピンニング

1.5 縦磁界効果
電流に対して磁界をかける方向が垂直ならばその磁界は横磁界、電流に対して磁界をかける方向が平行ならばその磁界は縦磁界と呼ばれている。通常の場合には、超伝導体に電流が流れる場合、その超伝導体にかかる磁界はその電流による自己磁界を含め、横磁界となる。図 1.4 のように超伝導体に縦磁界を加えた場合には、横磁界を加えた場合と異なる現象が観測されることが知られている。その現象を、以下に列挙する。[9]1. 電流によって磁界と同方向の磁化が正となる。これを常磁性効果と呼ぶ。
2. 縦磁界を増加させると交流電流による損失が減少する。
3. 縦磁界の場合は磁束線に対して Lorentz 力が働かない（Force-Free 状態）ため、臨界電流密度𝐽cが横磁界の場合に比べ大幅に増加する。[11]4. 𝑬を誘導起電力、𝑩を磁束密度、𝒗を磁束線の運動としたとき、磁束線の運動と電磁現象を結びつける Josephson の関係式（𝑬 = 𝑩 × 𝒗）は、磁束線の運動が異なると考えられるため成り立たない。
5. 電流が臨界値を超えた抵抗状態において、負の電界領域を含む表面電界構造が観測される。

これらを総称して縦磁界効果と呼ぶ。

-6-

𝑱
超伝導体

𝑩

図 1.4 縦磁界効果

1.5.1 REBCO 超伝導コート線材における縦磁界効果
金属系超伝導体において観測されている縦磁界効果であるが、RE 系コート線材
においては、金属系超伝導体ほど𝐼c が増加した例はまだ存在しない。縦磁界効果が観測されにくい原因を以下に示す。
まず、RE 系コート線材における縦磁界効果が観測されない理由の 1 つとして自己磁界の影響が挙げられる。図 1.6 (a)に示すように円柱状試料の場合は自身から発生する自己磁界の影響をほぼ受けないが、図 1.7(b)に示すような薄膜状の試料の場合自己磁界の影響を受けやすく、特に試料の端部ではその影響が大きい。前述した通り、
RE 系超伝導体はその結晶構造のために薄膜の形状を取る必要があるため、自己磁界の影響を大きく受けることになる[12]。特に、REBCO 系コート線材は幅が数 mm、厚さが数 μmとアスペクト比が大きいため、線材の面に垂直な方向の磁界を端部で受けていることになる。この磁界は縦磁界方向と垂直な磁界になるため、完全な縦磁界を阻害する要因となる。
次に、線材の製造過程において生成される欠陥の影響について説明する。RE 系コー

ト線材は完全な単結晶を作成すことが不可能な物質であり、その作製過程で必ず結晶欠陥を含んだ線材が作製される。現在の線材作製に用いられている成膜法の場合、この欠陥が成長過程で自然と形成されることになる。これらの欠陥はピンニングセ
ンターとして働くため磁束ピンニングの効果から𝐽c の向上が期待される。しかしながら、欠陥に電流は流れないため電流路が迂回し、縦磁界を実現するにあたっての阻害要因となる。特に影響がある欠陥として、双晶界面、転移、常伝導析出物など-7-

が挙げられる。以上のように REBCO 系コート線材は、作製の過程で様々な欠陥が生じてしまう。この欠陥が要因となり、電流が直線的に流れないため、今までは縦磁界効果を観測することができなかった。しかし、近年では REBCO 系コート線材の𝐽c 向上のため、薄膜作製技術に関する研究が今日まで進められており、これにより長尺化、高𝐽c 化を同時に実現するような高品質な REBCO 系コート線材が作製可能となってきている。このことから現在作製されているコート線材は面内の配向が十分に高く、面内での電流方向は均一化されていると考えられ、REBCO 系コート
線材の作製時における欠陥の問題は解決されつつある。そのため、現在作製されている REBCO 系コート線材においては縦磁界効果が観測されている。[13][14]

𝐼 Ｖ
(b)
(a)
図 1.5 混(a)円柱状試料の自己磁界、(b)テープ状試料の自己磁界1.6 試料測定用サンプルホルダー
サンプルホルダーとは超伝導体試料を取り付ける測定機器である。図 1.7 のように、試料を取り付けたサンプルホルダーをサンプルロッドの先端に取り付け、液体窒素中で超伝導コイルによって磁界を印加し測定を行う。サンプルホルダーのステージ角度を調節することで、液体窒素中で、超伝導体に対する印加磁界角度を変化させることができる。

-8-図 1.6 サンプルホルダーを使用した測定プロセス

1.7 本研究の目的
RE系コート線材は高温度、高磁界下で高い臨界電流密度 𝐽c が得られることから、応用機器への利用が期待されている。しかしながら、RE系コート線材の𝐽c は磁界の印加角度に対する異方性を持つため、実用化に向けては異なる印加磁界角度における 𝐽c の特性の把握が重要であるといえる。
本研究では、印加磁界角度依存性を測定するための2軸サンプルホルダーの開発を行う。さらに、それを用いて GdBCO コート線材の 𝐽c の印可磁界角度依存性を測定し、2軸サンプルホルダーの有効性について評価を行うことを目的とする。

-9-

第2章 実験
2.1 2 軸サンプルホルダーの開発
本研究では、二方向へと回転可能な 2 軸サンプルホルダーの開発を行った。従来のサン
プルホルダーの問題点と 2 軸サンプルホルダーの機構について以下に示す。

2.1.1 従来のサンプルホルダーの問題点
図 2.1 (a) に示すように 𝑎𝑏 面からの磁界角度を 𝜙 、図 2.1 (b)に示すように 𝑐 軸からの磁界角度を 𝜃 とすると、𝜙 、 𝜃 それぞれの磁界角度依存性を測定する必要がある。しかし、従来のサンプルホルダーは一度にどちらかの角度しか変化させることが出来ないた
め、測定のためには試料を取り付け直す必要がある。この際に角度が変化してしまうので精確な測定が行えないという問題がある。

(a)

(b)

図 2.1 (a) 𝑎𝑏 面内における回転角 𝜙 、(b) 𝑐 軸からの回転角 𝜃- 10 -

2.1.2 2 軸サンプルホルダーの機構
図 2.2 に本研究で開発した 2 軸サンプルホルダーの概略図を示す。左右の角度調節用の棒を回転させることでギアに動力が伝わり、二方向に回転する仕組みになっている。片方の棒はステージと接着してあるコの字の金属台座を 𝑐 軸方向に水平な 𝜃 方向へと回転させ、もう片方の棒はコの字内部のギアを通してステージを 𝑎𝑏 面内に平行な 𝜙 方向へと回転させる。
・

図 2.2 2 軸サンプルホルダー概略図

2.2

実験に使用した試料

本研究で用いた試料は Fujikura 社の市販の GdBCO 超伝導体コート線材である。試料諸元を表 2.1 に、構造を図 2.3 に示す。

- 11 -

表 2.1 本研究に使用した GdBCO コート線材の諸元

𝐼c (0 T) [A]

𝑇c [K]

Thickness [μm]

91.3

1.2

230
3.5
(マイクロブリッジ加工後)保護・安定化層
Cu、Sn
Ag

超伝導層
GdBa2 Cu3 Ox

CeO3

中間層
MgO
Y2 O3

Al2 O3基板
HASTELLOY

図 2.3 本研究に使用した GdBCO コート線材

2.3 測定環境
本研究に用いた GdBCO コート線材の基礎特性及び限流特性の測定環境について以下で説明する。

2.2.1 直流四端子法
直流四端子法は超伝導体などの小さな電気抵抗をもつ試料の𝑉‐ 𝐼特性を測るのに用いられる測定手法である。超伝導体から生じる電気抵抗は非常に小さいため、試料と端子部の接触抵抗の影響を大きく受ける。よって、接触抵抗の影響を小さくできる直流四端子法を用いて測定する。直流四端子法の回路図を図 2.1 に示す。試料の抵抗を R、電圧計の内部抵抗を 𝑅V 、端子部との接触抵抗を𝑟1 、𝑟2 、𝑟3 、𝑟4 とし、試料に流れる電流を𝐼1 、- 12 -

電圧計に流れる電流を𝐼2 、回路全体に流れる電流を I とする。この時接触抵抗𝑟1 、𝑟4 は電圧の測定には影響しないので無視出来るため、電圧計で測定される電圧 V は
𝑉 = 𝑅𝐼1 + (𝑟2 + 𝑟3 + 𝑅V )𝐼2と表すことが出来る。この時、試料抵抗𝑟2 、𝑟3 は𝑅V よりも十分小さいため、無視出来る。
また、試料が超伝導体である場合𝑅 ≅ 0であるため、𝐼2 ≅ 0と考えることが出来る。
よって、V は𝑉 = 𝑅𝐼となる。以上のように電気抵抗が非常に小さい試料の特性を正確に計測することが出来る直流四端子法を用いる。

図 2.4 直流四端子法の回路

2.2.2 マイクロブリッジ試料加工
本研究で用いるコート線材の特性の測定において、そのまま電流を流すと測定には大規模の電流が必要となる。このためコート線材にマイクロブリッジ加工を施した。マイクロブリッジ加工とは、超伝導層の一部を除去することで超伝導状態部分を細くするよう加工することである。マイクロブリッジ加工を施すことで試料の𝐼c が下がり、小規模な- 13 -

電源装置での測定を可能にしている。以下にコート線材をマイクロブリッジ試料に加工するための手順を示す。
保護層の除去本研究に用いた GdBCO 超伝導体コート線材の、超伝導層の表面には保護・安定化層として表面側から順に Cu 層、Sn 層、Ag 層がそれぞれ積層されている。マイクロブリ
ッジ加工のためには、上記の層を除去する必要がある。
Cu 層、Sn 層の除去には塩化第二鉄を用いてエッチングを行う。除去完了後に純水で洗浄し、乾燥させる。この工程の完了後、線材表面には塩化銀が析出しているため、紫外線照射と過熱を行い、塩化銀を酸化銀へと変化させる必要がある。このため、線材に紫外線を 15 分間程度照射した後、800—1000 ℃ の温度で数分間加熱を行い、線材表面の塩化銀を酸化銀に変化させる。
Ag 膜の除去にはアンモニア:過酸化水素水:純水=0.5:1:10 の割合の水溶液でエッチングを行う。
フォトレジスト塗布
ガラス板上に固定された試料を十分洗浄した後、フォトレジストを塗布する。このときフォトレジストが均一に広がるよう、スピナーを用い高速回転を行う。フォトレジスト塗布の後、試料を乾燥させるためホットプレートを用いて加熱処理を行う。

露光
露光器にマスクを固定し、試料を試料台に載せる。試料に紫外線を照射しマスクパターンを転写する。
現像
試料を現像液に 1 分間程度浸漬し、感光したフォトレジスト部分を除去することで現像する。その後、純水で十分に洗浄し、乾燥させる。現像完了後、水分を蒸発させレジ
ストと線材の密着性を高めるためにホットプレートを用いて加熱する。
エッチング、フォトレジスト除去
試料のブリッジ部分以外の超伝導層をエッチングにて除去する。エッチング液は硝酸と純水を1:500 の比で質量比により混合したものを用いる。エッチングは現像とほぼ同じであるが、エッチング後、アセトンでブリッジ部分に残ったフォトレジストを除去し、純粋で洗浄したあとエアダスターで乾燥させる。

- 14 -

第3章 実験結果
3.1 臨界電流密度の磁界依存性
𝜙 = 0 ° （ 𝐵 ∥ 𝐼 、縦磁界状態）及び 𝜙 = 90 ° （ 𝐵 ⊥ 𝐼 、非縦磁界状態）のそれぞれの場合において、外部磁界を 0 T—0.4 T まで変化させた際の試料の 𝐽c − 𝐵 特性を図 3.1 に示す。
図 3.1 より、縦磁界状態、非縦磁界状態のいずれの場合においても、磁界が増加するにしたがって 𝐽c が減少していることがわかる。また、縦磁界状態では、全ての領域で Bの増加に対する 𝐽c の減少量が抑えられており、縦磁界状態における 𝐽c の磁界依存性が優れているという結果が出た。磁界の増加と共に縦磁界状態の 𝐽c が増加するという現象は見られなかったものの、磁界依存性測定においては二軸サンプルホルダーはある程
度精確な測定が行うことが出来ると考えられる。

40(B // I ) = 90°

2

Jc [GA/m ]PLD GdBCO, ab−plane, 77.3 K

20(B⊥I )
= 0°

0
0

0.2

B [T]

- 15 -0.4

図 3.1 縦磁界状態と非縦磁界状態の𝑱𝐜 − 𝑩 特性の比較

3.2 臨界電流密度の ab 面内における磁界印加角度依存性
𝑎𝑏 平面において、一定の外部磁界を保ったまま角度φを−20 °—120 °まで変化させ𝐽c −𝜙 特性を測定した。外部磁界が 0.3 T のときの𝐽c − 𝜙 特性を図 3.2 に示す。図 3.2 の 𝜙 =0° 、 𝜙 = 90 °の 𝐽c の値と、図 3.1 の 𝐽c の値が明らかに一致しておらず、サンプルホ
ルダーのステージの強度等の問題で精確に測定が行えていないと考えられる
30

2

Jc [GA/m ]PLD GdBCO, ab−plane, 77.3 K 0.3 T

20

10

0

0

40

 [degree]

80

120

図 3.2 𝑱𝐜 の 𝒂𝒃 面内における磁界印加角度依存性

3.3 臨界電流密度の c 軸に対する磁界印加角度依存性
𝑐 軸方向において、一定の外部磁界を保ったまま角度𝜃を−20 °—120 °まで変化させ
𝐽c − 𝜃特性を測定した。外部磁界が 0.3 T のときの𝐽c − 𝜃 特性を図 3.３に示す。図 3.３より、縦磁界状態(𝜃 = 0)から𝜃が増加すると 𝐽c が減少することが分かる。𝜃 方向の角度調節はある程度問題なく行えていると考えられる。

- 16 -2

Jc [GA/m ]20 PLD GdBCO, ab−plane, 77.3 K 0.3 T

10

0

0

θ [degree]100

図 3.3 𝑱𝐜 の 𝒄 軸方向における磁界印加角度依存性第4章 考察4.1 従来のサンプルホルダーによる測定結果との比較
第 3 章で述べたように、GdBCO コート線材のマイクロブリッジ試料について臨界電流密度の磁界依存性の測定および、𝑎𝑏 面内、𝒄 軸からの角度依存性の測定を、開発した
2 軸サンプルホルダーを使用して行った。その結果を本研究と同一の試料を用いて行った、従来のサンプルホルダーによる測定結果と比較して考察を行う。
図 4.1、
図 4.2 に従来のサンプルホルダーで測定した縦磁界下と非縦磁界下の 𝐽c − 𝐵 特性の比較を、図 4.3、図 4.4 に従来のサンプルホルダーで測定した 𝐽c − 𝜙 、𝐽c − 𝜃 特性を示す。
図 4.1、図 4.2 を見ると、図 3.1 と比較して外部磁界を印加していないときの 𝐽c はさ- 17 -

ほど変わらないが、磁界が増加するにしたがって 𝐽c の減少量に差が出来ているこ。これにより本研究で開発したサンプルホルダーが、従来のサンプルホルダーよりも精確な縦磁界下で実験が行えなかったということがわかる。
図 4,3 では𝜙 、𝜃 がそれぞれ縦磁界状態になった角度の 𝐽c が一致していない。これは 2.1.1 節での述べたサンプルホルダーの問題点が原因であると考えられる。しかし、
図 3.2 を見ると分かるように 2 軸サンプルホルダーを使った測定ではそもそも角度を精確に調整することが出来ず測定が行えなかった。ステージの強度やステージの回転角度の分解能を現状より大きいものにすることが重要だと考えられる。
、

40

Jc [GA/m ]PLD GdBCO, ab−plane, 77.3 K

2(B // I )2000

(B // I ) 2axis

0.2

0.4

B [T]
図 4.1 𝑱𝐜 の 𝒄 軸方向における縦磁界下における𝑱𝐜 − 𝑩 特性

- 18 -

40

2

Jc [GA/m ]PLD GdBCO, ab−plane, 77.3 K(B⊥I ) 2axis
20(B⊥I )

0
0

0.2

0.4

B [T]
図 4.2 𝑱𝐜 の 𝒄 軸方向における非縦磁界下における𝑱𝐜 − 𝑩 特性

40

Jc [GA/m]

PLD GdBCO, 77.3 K, 0.5 T

20
ab−plane rotarion

ab−plane rotarion

0
−40

0

40

80

120

 [degree]
図 4.3 一軸サンプルホルダーで測定した 𝐽c − 𝜙 、特性- 19 -

Jc [GA/m]

4020c−axis rotarion(2axis)

c−axis rotarion

0
−40

0

40

80

120

 [degree]
図 4.4 一軸サンプルホルダーで測定した 𝐽c − 𝜃特性- 20 -

第5章 まとめRE 系コート線材の高精度な磁界角度依存性の測定を目的として、2 軸サンプルホルダ
ーの開発を行い、測定を行うことでサンプルホルダーの有効性について調査を行った。
同じマイクロブリッジ試料を用いて、従来のサンプルホルダーと測定したものと比較した結果、従来のサンプルホルダーと同程度以下の精度の測定結果しか得ることが出来なかった。従来のサンプルホルダーと同じサイズで複雑な機構のものを作製したところ、
サンプルホルダーの強度や回転角度の分解能などに問題が出たのが原因だと考えられる。強度の高いパーツの採用や、回転機構の正確性の向上などが重要な課題だといえる。

- 21 -

謝辞
本研究を行うにあたり、様々な助言、ご指導をいただきました 国立大学法人 九州工業
大学 大学院情報工学研究院 電子情報工学研究系 エレクトロニクス分野 教授 小田部荘司先生に深く御礼申し上げます。小田部先生には，研究全般の物理知識に関するご指導のみならず，就職活動の進め方や技術者としての心構え，社会人としての常識，安全意識の必要性，これからのグローバル化が進む時代で考えるべき歴史や国際情勢，哲学など多岐にわたり御教授いただきました．心から感謝申し上げます。
国立大学法人 九州工業大学 大学院情報工学研究院 電子情報工学研究系 エレクトロニ
クス分野 順教授 木内勝先生には実験や考察に関するご指導を丁寧にしていただき、深く御礼申し上げます。
国立大学法人 九州工業大学 技術職員 新山誠二氏には、仕事のお時間を割いて研究のための道具の加工や作製などをしていただき、心から御礼申し上げます
研究にあたって実験のご助力や論文の指導をしていただいた修士一年生の大隈翔悟
氏、修士二年生の水上総司氏に深く感謝を申し上げます。
研究を進めるに当たって，数多くの苦楽を共にし，磋琢磨してきた同学部四年の皆さんに深く感謝申し上げます。最後に研究活動において，数多くの御助言・御助力頂きました，
九州工業大学 大学院情報工学研究院 電子情報工学研究系 エレクトロニクス分野の先生方に厚く御礼申しあげます- 22 -

参考文献[1] J. R. Bednortz, K. A. Muller: Z. Phys. B-Condensed Matter 64 (1986) 189[2] M. K. Wu, J. R. Asubuurn, C. J. Torng, P. H. Hor, P. L. Meng, L. Gao, Z. J. Haung,
Y. Q. Wang and C. W. Chu: Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 908[3] (社) 応用物理学会編 : 超伝導分科会スクールテキスト 高温超伝導体データブック(下)-材料と応用-(超伝導分科会, 2005)第 11 章 ビスマス系線材[4] 木村 健吾: 修士論文 (2007)[5] Y. Iijima, N. Tanabe, O. Kohno, Y. Ikeno: Appl. Phys. Lett. 60(1992)769[6] A. Ibi, H. Fukushima, R. Kuriki, S. Miyata, K. Takanashi, H. Kobayashi, M. Konishi, T.
Watanabe, Y. Yamada, Y. Shiohara: Physica C 525 (2006) 445[7] Y. Sutoh, et al.:フジクラ技報 107 (2004) 68-72[8] Y. Yamada, et al.: Physica C 392-396 (2003) 777-782[9] 松下 照男:「磁束ピンニングと電磁現象」, 産業図書, 1994 年[10] 松下 照男:「伝導応用の基礎」, 米田出版, 2004 年[11] C. J. Bergeron : Appl. Phys. Soc. Jpn. 40 (1976) 382[12] 田邊 賢二郎: 修士論文 (2014)[13] A. Tsuruta et. al.:Jpn. J. Appl. Phys. 53, 078003 (2014)[14] L. Civale et al.:J. Low Temp. Phys. 135 ( 2004) 87.

- 23 -