2D-a01

LTS デバイス (2)単一磁束量子回路を用いた単精度浮動小数点加算器の設計と測定
Design and Measurement of an Single-Precision Floating-Point Adder
Using Single-Flux-Quantum Circuits
加藤 泰一，彭 析竹，山梨 裕希，吉川 信行（横浜国大）
Taiichi Kato， Xizhu Peng， Yuki Yamanashi， Nobuyuki Yoshikawa (YNU)
E-mail: kato-taiichi-mw@ynu.ac.jp
1．はじめに
我々は、SFQ 回路を用いた将来のハイパフォーマンスコン
ピュータシステムのための基盤技術として再構成可能なデー
タパス(LSRDP: large-scale reconfigurable data-path)を提案している[1]。そのコンポーネント回路として半精度の浮動小数点加算器(FPA: floating-point adder)を 2.5 kA/cm2 Nb プロセスを用いて設計、試作し、20 GHz での高速動作を実証している [2]。また、新しい SFQ 回路の作製プロセスである AIST 10
kA/cm2 Nb プロセスも開発されており[3]、臨界電流密度が大きくなったことでその高速性は 2 倍以上に向上している。本研究では、AIST 10 kA/cm2 Nb プロセス用セルライブラリ[4]を用いて単精度浮動小数点加算器を設計し、動作評価を行った。
2．SFQ 浮動小数点加算器の構成
図 1 に SFQ 浮動小数点加算器の構成図を示す。SFQ 浮動小数点加算器は上部の仮数部演算部と下部の指数部演算部から構成される。主なコンポーネント回路として、仮数のシフト演算を行うシフター回路、シフトされた仮数の加減算を行う加減算器、正規化を行う正規化回路、全体の制御を行う
制御回路がある。また、SFQ 浮動小数点加算器の演算は 3 つのパイプラインステージで実行される。

Fig.1 Block diagram of the SFQ FPA

3．SFQ 単精度浮動小数点加算器の測定
図 2 に単精度 FPA のチップ写真を示す。高速測定用入出力回路を除き、回路面積は 24.14 mm2、総接合数は 16130、
消費電力は 4.76 mW となった。Verilog シミュレーションにおいて、最高動作周波数は 72 GHz、目標動作周波数 50 GHz におけるバイアスマージンは 80～125％となった。
本回路の測定を行った結果、シフター回路からの途中出力の正常動作を確認した。図 3 に周波数に対する動作マージンのグラフを示す。測定結果における最高動作周波数は 62.2
GHz、50 GHz におけるバイアスマージンは 97.7～109.7％となった。また、仮数部演算部については一部入力パターンで正常動作を確認した。詳細については講演にて述べる。
*本研究に使用された回路は、(独)産業技術総合研究所(AIST) の 超 伝 導 ク リ ー ン ル ー ム (CRAVITY) に お い て 、AIST-ADP2プロセスを用いて作製された。AIST-ADP2は、(公財)国際超電導産業技術研究センター（ISTEC）のニオブ集積回路プロセスをAISTにて発展させたものである。
参考文献
1. N. Takagi, et al.: IEICE Trans. Electron., Vol. E91-C,
No.3, pp. 350-355, 2008.
2. H. Park, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.19, no.3,
pp.634-639, 2009.
3. S. Nagasawa, et al.: Physica C, vol.412-414,
pp.1429-1436, 2004.
4. Y. Yamanashi, et al.: IEICE Trans. Electron., vol. E93-C,
no. 4, pp. 440–444, 2010.

― 118 ―

Fig.2 Chip photograph of SFQ single-precision FPA

Fig.3 Simulated and measured DC bias margins as afunction of the clock frequency. The DC bias margins
are normalized with the designed bias voltage (2.5 mV).

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

2D-a02

LTS デバイス (2)単一磁束量子回路を用いた飛行時間型質量分析用時間測定回路の冷凍機内における動作実証
Demonstration of a Single-Flux-Quantum Time-to-Digital Converter for Time-of-Flight Mass
Spectrometry in a Cryo-cooler
佐野 京佑，村松 祐希，下田 知毅，山梨 裕希，吉川 信行（横浜国大）；全 伸幸，大久保 雅隆（産総研）
SANO Kyosuke， MURAMATSU Yuki, SHIMODA Tomoki, YAMANASHI Yuki, YOSHIKAWA Nobuyuki (YNU); ZEN Nobuyuki,
OHKUBO Masataka (AIST)
E-mail: sano-kyosuke-cw@ynu.ac.jp
1．はじめに現在，飛行時間型質量分析法(TOF-MS, Time of Flight
Mass Spectrometry)は医療分野や化学分野を含む広い分野で用いられている。近年，生体高分子の高精度質量分析に向け超伝導ストリップイオン検出器(SSID, Superconducting
Strip Ion Detector)の研究がされている[1-3]。SSID を用いることで従来の検出器と比べ高い分子量分解能と高カウントレー
トを実現する。しかし，SSID の実質的な応答速度は室温の増幅器や増幅器までの配線長により制限されてしまう。
本 問 題 を 解 決 す る た め ， 我 々 は 単 一 磁 束 量 子 (SFQ,
Single Flux Quantum)回路[4]を用いた高分解能時間測定回路(TDC, Time-to-Digital Converter)の開発をしている。SFQ
回路もまた超伝導技術を用いた回路であり SSID と同一の極低温環境にて最低限の配線長での高速演算が可能となる。
今回，時間分解能 100 ps，ダイナミックレンジ 1.6 ms のSFQ TDC 単体の冷凍機内における動作試験を行ったためその結果について報告する。

3．SFQ 時間測定回路の冷凍機内動作試験
図 2 に示すように測定装置を構成し実験を行った。
室温のパルスパターンジェネレータから start 信号並びにread 信号を SFQ TDC に直接入力し，start-read 信号間の時間間隔の測定を 1000 回ずつ行った。図 3 に出力結果のヒスト
グラムの一例（start-read の入力時間差は 200 ns）を示す。図2 にて入力時間差に対応したピークが得られており，冷凍機
内での TDC の動作を確認した。

Fig.2 Measurement setup
2．SFQ 時間測定回路の構成と動作
今回，AIST 2.5 kA/cm2 標準プロセス 2 を用いて製作された 24-bit SFQ TDC の冷凍機内動作試験を行った。SSID から得られる検出信号の立ち上がりが数百 ps であるため TDC の
時間分解能は 100 ps に，検出目標の最大分子量が 60 万 Daであるためダイナミックレンジは 1.6 ms に設定した。SFQTDC のブロック図を図 1 に示す。
本回路は 10 GHz で駆動する Clock generator (CG)，24-bit binary counter ， 3 段 の 24-bit First-In First-Out(FIFO) buffer，並びに読み出し用 24-bit shift register(SR)から構成される。start 信号をトリガーとして CG が駆動し，CG から
100 ps 間隔で出力される SFQ パルス数を counter にて計測する。SSID から得られる検出信号は DC/SFQ converter によりSFQ パルスへと変換される。イオン検出時の read 信号によりその時点でのカウントデータが FIFO buffer へと送られる。その後，1 発の buffer_clk 信号とそれに続く 24 発の SR_clk 信号
を 1 サイクルとした室温からの低速の入力により FIFO bufferに格納されたカウントデータを読み出し用 SR へと移し室温へと読み出す。

Fig.3 Block diagram of the SFQ TDC
謝辞
本研究に使用された回路は，(独)産業技術総合研究所(AIST) の 超 伝 導 ク リ ー ン ル ー ム (CRAVITY) に お い て ，AIST-STP2 プロセスを用いて作製された。

Fig.1 Block diagram of the SFQ TDC

参考文献
1. K. Suzuki, et al.: Rapid Commun. Mass Spectrom., Vol. 24(2010) p.3290
2. A. Casaburi, et al.: Appl. Phys. Lett., Vol. 98 (2011)
1725083. N. Zen, et al.: Physics Procedia, Vol. 27 (2012) p.356
4. K. K. Likharev and V. K. Semenov, IEEE Trans. Appl.
Supercond., Vol. 1 (1991) p.3― 119 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

2D-a03

LTS デバイス (2)磁気シールド構造を用いた断熱型磁束量子パラメトロンによる
8-bit Carry Look-Ahead Adder の設計と測定結果
Design and Measurement Results of 8-bit Carry Look-Ahead Adder
Using an Adiabatic Quantum-Flux-Parametron井上 健太，竹内 尚輝, 山梨 裕希, 吉川 信行 (横浜国大)
INOUE Kenta， TＡＫＥＵＣＨＩ Naoki， YAMANASHI Yuki， YOSHIKAWA Nobuyuki (YNU)
E-mail: inoue-kenta-gr@ynu.ac.jp
1．はじめに断熱型磁束量子パラメトロン (Adiabatic Quantum Flux
Parametron; AQFP) 回路 [1] は高速性と低消費電力性を特徴とする超伝導集積回路の 1 つである。AQFP 回路を用いていくつかの回路を設計したが、本来想定しなかったインダクタ
ンス同士の磁気結合により回路の誤動作を引き起こしていることが判明した。そのため誤動作の原因となる磁気結合を小さくするために磁気シールド構造を提案した。その磁気シールド構造を用いて 8-bit Carry Look-ahead Adder を再設計した。講演では設計した回路とその測定結果について発表する。
2．AQFP Buffer
AQFP 回路では入出力インダクタンス Lin と Lout との間の磁気結合によりデータの伝搬を実現している[1]。しかし、その際に Exciting Line インダクタンス Lx と Lin、Lout との磁気結合 kxin、
kxout が回路の動作に悪影響を及ぼしていることが判明した。
AQFP 回路の入出力電流は数マイクロアンペアから数十マイ
クロアンペアであり、Exciting Line を流れる電流は数ミリアンペ
アである。そのため、僅かな磁気結合であったとしてもその影
響は大きくなってしまうので、回路正常動作化のためにはこれ
らの磁気結合 kxin、kxout を小さくしなければならない。
そこで、Lin と Lout を最上部にある配線層で覆う磁気シール
ド構造を検討した。そのレイアウトを Fig. 1 に示す。図の様に磁気シールド構造を採用したところ、 kxout は 0.0031 から
0.0001 に、kxin は 0.0093 から 0.0001 にそれぞれ減少し、無視できる値となった。また、このシールド構造を用いた Buffer を連結した回路を低速下にて測定したところ、正常動作が得られた。
3．8-bit Kogge-Stone Adder
Buffer だけでなく、NOT ゲートや、Majority ゲート、Splitter
ゲートなどの基本的な論理ゲートも上述の磁気シールド構造を用いることで正常に動作するようになった。
そこで AQFP 回路の実現性を示すために、最も基本的な計算を行い、かつ高速性を要求される加算器を設計した。最も単純な加算器の構成として ripple carry adder が挙げられる
が、これは各ビット毎でキャリーの計算を行う必要があり、ビッ
ト数の増加に伴って計算時間が線形に増加してしまう。そのため、キャリーを並列に計算することで高速な演算を可能にした Carry Look-ahead Adder (CLA) [2] を採用した。CLA の種
類 と し て Kogge-Stone Adder 型 、 Brent-Kung 型 、Ladner-Fischer 型など様々なタイプが存在しているが、今回はその中でも演算ゲートのファンアウト数が少ない
Kogge-Stone 型の Full Adder を磁気シールドを用いた AQFP
回路により設計した。
設計した AQFP Kogge-Stone Adder のレイアウトを Fig. 2に 示 す 。 こ の 回 路 の 面 積 は 2.06 × 1.57 mm2 で あ り 、Josephson 接合数は 1240 となっている。講演ではこの 8-bit
Adder の測定結果について報告する。

Fig. 1 Layout of an AQFP Buffer

Fig. 2 Layout of an AQFP Kogge-stone Adder

謝辞
本研究に使用された回路は、(独)産業技術総合研究所(AIST) の 超 伝 導 ク リ ー ン ル ー ム (CRAVITY) に お い て 、AIST-STP2 プロセスを用いて作製された。AIST-STP2 は、(公財)国際超電導産業技術研究センター(ISTEC)のニオブ集積回路プロセスを AIST にて発展させたものである。

参考文献
1. N. Takeuchi, et al,. Supercond. Sci. Tech., vol. 26, (2013),
p. 035010
2. Jan M. Rabaey, et al., “Digital Integrated Circuits-A
Design Perspective Second Edition,” Peason Education
International, (2003), pp.578-585― 120 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

2D-a04

LTS デバイス (2)小型ジョセフソン電圧標準用極低温冷却システムの開発
Development of a Compact Cooling System for Josephson Voltage Standard
佐々木 仁，山森 弘毅，神代 暁（産総研）；小谷野 信一（株式会社サンジェム）
SASAKI Hitoshi， YAMAMORI Hirotake， KOHJIRO Satoshi (NeRI/AIST)KOYANO Shinichi (SunJEM Co. Ltd.)E-mail: hitoshi-sasaki@aist.go.jp
1．はじめに産業技術総合研究所では、株式会社サンジェムとの共同研究により、小型冷凍機を用いたコンパクトなジョセフソン電
圧標準システムの開発を行っている。本システムにおいては、
He ガスコンプレッサー以外の全ての要素部品を、標準規格の計測器の筐体(幅 450mm 高さ 270mm 奥行き 500mm 程度)に収納し、19 インチの計測ラックに搭載可能とすることを目標とした。ジョセフソン電圧標準は原理的に定期校正を必要としないため、産業界において超高安定な二次電圧標準器としての利用が期待される。ジョセフソン素子の極低温への冷却には、GM(Gifford-McMahon)型の、小型極低温冷凍機を使用した。ここでは冷却システムの構成、特長、および冷凍能力の制約等によって生じる問題点等について報告する。

0.6mm 厚の薄型 G10 グラスファイバー基板を使用した。磁性の影響を避けるため、銅箔パッド部の保護膜には非磁性の金フラッシュメッキを選択した。またチップとプリント基板との電気的な接続には、ヒートサイクルに強い Al 線のワイヤー・ボンディングおよびリボン・ボンディングを併用した。

2．ジョセフソン電圧標準素子
本装置の中核となるジョセフソン電圧標準素子(以下「チップ」と略す)には、産総研の独自技術である NbN/TiN/NbN 型のジョセフソン接合が約 65,000 個集積されている[1]。このチップは、最大出力 2V のバイナリ型 D/A 変換回路の機能を有し、分解能は 10bit(1mV)である。また入力するマイクロ波周波数 f を変える事により、任意の電圧 V=Nf/KJ−90 を出力できる。
ここで、N は接合数、KJ−90 = 483 597.9 GHz/V はジョセフソン
定数である。10V 発生用のチップは発熱が 100mW 程度と比較的大きく、またマイクロ波同軸ケーブルやバイアス配線等の信号ケーブルによる外部からの熱流入も 300mW 程度になる。
二次標準器としての利用には、10V 以上の出力電圧が必須であるが、室温の精密電圧増倍回路[2]を補用してチップの出力電圧を 2 V に抑えることで、極低温部の熱負荷が抑制され、小型冷凍機の採用が可能となった。

4．クライオスタット
チップは CTI 社 Model22 型極低温冷凍機のセカンドステー
ジにマウントされ、伝導冷却によって 12K に冷却される。クライオスタットの構造図を Fig.2 に示す。全ての GM 型冷凍機と同様に、Model22 型極低温冷凍機も冷凍サイクルに同期した
100mK を超える熱振動が発生する。通常は、チップキャリアとコールドヘッド間に円盤状のステンレスのシムを挿入し、熱抵抗を大きくすることにより温度変動を減少させるが、今回使用する小型の極低温冷凍機は冷凍能力に余裕がないため、熱抵抗を大きくして温度変動を抑える代わりに、10K においても他の物質と比較して例外的に大きな比熱を有する鉛のブロッ
クをコールドヘッドに付加して、温度変動を軽減する方法を試みた。この結果、冷凍能力を損なわずに、チップの温度変動を 10mK 以下に抑制できることが確認できた。
一方、標準規格の計測器への収納のために、極低温冷凍機を横置きに設置する必要があるが、セカンドステージ先端に設置された約 500g の鉛ブロックにより二段目のディスプレ
ーサ部分へのたわみ加重が発生する。そこで、サーマルウェ
イトをセカンドステージと熱的にカップルさせて、かつ機械的には切り離すために、長さ約 30mm の銅網線を 12 本並列に使用したフレキシブルな「サーマルリンク」を熱伝達に用いた。
この方法により、ディスプレーサ部分にたわみ加重を発生させることなく、1W/K 以下の良好な熱伝導が得られている。

3．チップキャリア
チップキャリア全体の外観を Fig.1 に示す。銅製のチップ
キャリア筐体とチップ間の冷却はチップ裏面に取り付けた
0.5mm 厚のサファイア基板を介して熱伝導により行う。チップ
キャリア用プリント基板には、入手の容易な、汎用の 4 層

参考文献
1. H. Yamamori, T. Yamada, H. Sasaki, S. Kohjiro, IEICE
Trans.Electron., Vol.E95-C, No.3, March (2012)
2. H. Sasaki, H. Yamamori, T. Yamada, A. Shoji, S. Kohjiro,
CPEM Digest, 2010, Deajon, Korea

Fig.1. PJVS-Chip and Chip-Carrier.

Fig. 2. Schematic view of Cryostat.

― 121 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

2D-a05

薄膜 (2)

バイクリスタル基板を用いた BaHfO3 添加 SmBa2Cu3Oy 薄膜の粒界電流特性に関する検討
Investigation of current characteristics at grain boundaries
on the BaHfO3-doped SmBa2Cu3Oy films using bicrystal substrates
鶴田 彰宏, 吉田 隆, 一野 祐亮（名大）; 一瀬 中（電中研）; 松本 要（九工大）; 淡路 智（東北大）
TSURUTA Akihiro, YOSHIDA Yutaka, ICHINO Yusuke (Nagoya Univ.);
ICHINOSE Ataru (CRIEPI); MATSUMOTO Kaname (Kyushu Inst. Tech.); AWAJI Satoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: tsuruta-akihiro11@ees.nagoya-u.ac.jp

2．実験方法BHO 添加 SmBCO 薄膜及び無添加 SmBCO 薄膜は PLD法を用いて、[001]チルト粒界(5)の LSAT バイクリスタル基板上に作製した。BHO の添加方法にはターゲット交換法を用いた。作製した薄膜の結晶性、配向性を X 線回析法(XRD)、超伝導特性を直流四端子法で測定した。
3．実験結果及び考察
Fig. 1 にバイクリスタル基板上に作製した、無添加 SmBCO
薄膜及び BHO 添加 SmBCO 薄膜における(102)面の ϕ スキャ
ン測定結果を示す。2 つの薄膜において、10近傍に 5間隔
で 2 つのピークが観察された。このことから、無添加 SmBCO
薄膜及び BHO 添加 SmBCO 薄膜のどちらにおいても、
SmBCO 母相が人工粒界を挟んで 5回転して成長しており、BHO 添加が粒界傾角に影響していないことがわかった。
粒 界 を 挟 ん だ 無 添 加 SmBCO 薄 膜 及 び BHO 添 加
SmBCO 薄膜の Tc はそれぞれ 92.7 K 及び 91.1 K であり、粒界を挟んでいない場合の 92.5 K 及び 90.7 K と同程度であった。また、Jcself は、それぞれ 0.96 MA/cm2 及び 1.03 MA/cm2
であり同程度であった。しかしながら、粒界を挟んでいない無添加 SmBCO 薄膜(2.63 MA/cm2)及び BHO 添加 SmBCO 薄膜(1.62 MA/cm2)の Jcself と比較すると、その低下率はそれぞれ 63%と 36%であり、人工粒界における Jc 低下の影響がBHO 添加 SmBCO 薄膜において減少していると考えられる。
Fig. 2 に 77 K、0.1 T における粒界を挟んだ無添加 SmBCO

薄膜及び BHO 添加 SmBCO 薄膜の V-J 曲線を示す。どちらの場合においても、人工粒界を挟んだ場合に特有の V ≈ I nに従わない線形な V-J 特性が観察された[2]。ただし、BHO 添
加 SmBCO 薄膜においては 1 μV 以下の領域で曲線がカーブしているような挙動が見られる。この挙動に関する明確な原因は不明であるが、粒界傾角や粒界特性の異なる基板の比較から、粒界の影響が減少するにしたがって、V-J 特性が V ≈ I nに近づく傾向が見られていることから[3]、BHO 添加によって
SmBCO 薄膜の粒界特性が向上している可能性も考えられる。

Intensity [a.u.]

B H O -d o ped S m B C O

pu re S m B C O

6

8

10
12
 [d eg ree]14

16

Fig. 1 ϕ-scan measurements of the pure and BHO-doped SmBCO
films deposited on bicrystal LSAT substrates.

4

Voltage, V [V]

1．はじめにBaHfO3(BHO)は、PLD 法や CVD 法などの気相成長で作製した REBa2Cu3Oy(REBCO)薄膜内で REBCO の c 軸方向に伸びたナノロッドを形成し、ナノロッドに平行な磁場に対して強いピンニング力を有することが知られている。我々の研究においても、PLD 法を用いて LaAlO3 単結晶基板上に BHO 添
加 SmBa2Cu3Oy(SmBCO)薄膜を作製し、その磁場中超伝導特性及び微細構造を検討してきた[1]。興味深いことに、無添
加 SmBCO 薄膜の 77 K 自己磁場における Jc(Jcself)が、同じ条件で作製した場合においても、1.5~4.0 MA/cm2 の間でばらつき が 生 じ る の に 対 し 、 BHO 添 加 SmBCO 薄膜 では、 4.0
MA/cm2 を超える薄膜が再現性良く作製可能であることが経験的にわかっている。この原因のひとつとして、BHO 添加
SmBCO 薄膜において粒界電流特性が向上している可能性が考えられる。
そこで本研究では、BHO ナノロッドの導入が SmBCO 薄膜の粒界電流特性に与える影響を明らかにすることを目的として、LSAT バイクリスタル基板上に BHO 添加 SmBCO 薄膜を作製し、その超伝導特性を検討した。

pure SmBCO
BHO-doped SmBCO

3 @ 77 K, 0.1 T, B//c
2
1
0
0.1

0.2
0.3
0.4
0.5
2
Current density, J [MA/cm ]0.6

Fig. 2 V-J curves crossing artificial grain boundaries of the pureand BHO-doped SmBCO film.

謝辞
本 研 究 の 一 部 は 、 科 学 研 究 費 補 助 金 (20686065, 19676005,
25289358)及び特別研究員奨励費(25002829)の助成を受けて実施したものである。

参考文献
[1]
[2]
[3]

― 122 ―

A. Tsuruta et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (2013)
8001104.
D. T. Verebelyi et al.: Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 1755.
D. T. Verebelyi et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (1999)
2655.

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

2D-a06

薄膜 (2)

SmFeAs(O,F), Ba(Fe,Co)2As2, FeTe0.5Se0.5 薄膜の CaF2 基板界面近傍の微細構造
Microstructures of the vicinity of interface
between SmFeAs(O,F), Ba(Fe,Co)2As2, FeTe0.5Se0.5 thin films and CaF2 substrate
一瀬 中，塚田 一郎（電中研）；鍋島 冬樹，今井 良宗，前田 京剛（東大）；Kurth Fritz，Holzapfel Bernhard, 飯田 和昌（IFW-Dresden）；上田 真也，内藤 方夫（東京農工大）ICHINOSE Ataru， TSUKADA Ichiro (CRIEPI); NABESHIMA Fuyuki, IMAI Yoshinori, MAEDA Atsutaka (The Univ. of Tokyo);
KURTH Fritz, HOLZAPFEL Bernhard, IIDA Kazumasa (IFW-Dresden); UEDA Shinya, NAITO Michio (TUAT)
E-mail: ai@criepi.denken.or.jp
1．はじめに鉄系超電導材料は，As あるいは Se(Te)の四面体の中心にFe が配置され，この四面体構造が 2 次元につながった面が超電導を担っていると考えられている。Lee らは，様々な鉄系超電導体の TC と As-Fe-As のボンド角との関係を調べ，その関係がほぼ一つの曲線上に乗ることを見いだした (1)。また，TCと結晶構造の関係に関する研究として，As の Fe 面からの高さと TC の関係を議論したものもある(2)。このように，鉄系超電導
材料は，格子の変形に伴い TC が変化する材料である。鉄系
超電導薄膜は，基板材料により結晶格子の a 軸長，c 軸長が変化する。SmFeAs(O,F)薄膜（1111 薄膜），BaFe2As2 薄膜（122 薄膜），FeTe0.5Se0.5 薄膜（11 薄膜）において，基板材料
を酸化物基板から CaF2 基板にすることにより，超電導薄薄膜の結晶格子の a 軸長が縮み，c 軸長が伸びるという変形が生じる。この結晶格子の変形とともに臨界温度が上昇するが (3-5)，
この変形の全てを単純に基板からのエピタキシャル歪で理解することはできない(6)。そこで，透過型電子顕微鏡を用いて薄膜と基板の界面近傍の微細構造解析を行い，界面状態を明らかにした。
2．実験方法1111 薄膜は Molecular Beam Epitaxy (MBE) 法を用いて，122 薄膜と 11 薄膜は Pulsed-Laser Deposition (PLD) 法により CaF2(100)基板上に作製した。得られた薄膜の電気抵抗率の温度依存性，および，臨界温度 TC を測定した。各膜の作
製条件および TC を Table I に示す。
集束イオンビーム装置を用いてマイクロサンプリング法により微小領域を切り出し，薄片化することにより微細構造観察試料を準備した。断面構造観察には透過型電子顕微鏡(JEM-ARM200F)を用い，明視野像から原子の配列状態を，暗視野像は z-コントラスト像として EDX の組成分析と合わせて組織の構成元素を調べた。
3．結果および考察
Fig. 1 に 3 つの超電導薄膜の High-Resolution Scanning
TEM (HRSTEM) 像を示す。暗視野像と EDX の組成分析からInterface

決定した基板と薄膜の界面を Fig. 1 に示す。Fig. 1 より 1111
薄膜は反応層が無く，非常にきれいな界面を有していたが，122 薄膜と 11 薄膜は反応層が存在していた。また，122 薄膜の反応層は主に薄膜側に存在していたのに対し，11 薄膜の反応層は基板側に存在していた。このように，同じＣａＦ 2 基板を用いても，3 つの薄膜で界面状態が全く異なっていることが分かった。電子線回折から見積もった a 軸長と基板との関係
より，1111 薄膜ではエピタキシャル歪が有効に働いているが，他の 2 つの薄膜では有効に働いていないことが分かった。これは，界面に反応層が存在しているためと考えられる。
4．謝辞
HRSTEM観察において，日本電子株式会社の安原氏，平井氏にご協力いただいた。本研究は科学技術振興機構の戦
略的国際共同研究プログラム(SICORP)およびIRON-SEA(No.
283141)の助成を受けて実施したものである。
参考文献
1. C-H. Lee, et al., J. Phys. Soc. Jpn. 77 (2008) 083704
2. K. Kuroki, et al., Phys. Rev. B 79 (2009) 224511
3. S. Ueda, et al., Appl. Phys. Lett. 99 (2011) 232505
4. F. Kurth, et al., Appl. Phys. Lett. 10 (2013) 142601
5. Y. Imai, et al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 043102
6. A. Ichinose, et al., Supercond. Sci. Technol. 26 (2013)
075002
Table I. Film growth conditions and TC.
SmFeAs(O,F) Ba(Fe,Co)As2 FeTe0.5Se0.5
MBE
PLD
PLD
TechniqueCaF2 (001)
CaF2 (001)
CaF2 (001)
Substrate
650ºC
700ºC
280ºC
Temperature
KrF, 7 Hz
KrF, 10 Hz
Laser
56.5 K
26.9 K
16.9 KTC90
54.3 K
25.0 K
16.0 K
TC10
Material

The TC90 and the TC10 are defined as 90% and 10% of the normal-state
resistivity, respectively, at 20 K for the FeTe0.5Se0.5, 30 K for theBa(Fe,Co)2As2, and 60 K for the SmFeAs(O,F) thin films.

Interface

InterfaceFig. 1. Cross-sectional HRSTEM images of (a) SmFeAs(O,F), (b) Ba(Fe,Co)As2, and (c) FeTe0.5Se0.5 thin films, respectively.
The right image is a bright filed image and the left image is a dark field image as z- contrast.

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第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

2D-a07薄膜 (2)

単結晶粉末を用いた SmFeAsO1-xFx 超伝導テープの開発
Fabrication of SmFeAsO1- xFx superconducting tape using powdered single crystals
藤岡 正弥 (NIMS), 岡崎 宏之 (NIMS), Saleem. J. Denholme (NIMS), 出村 郷志 (NIMS),
出口 啓太 (NIMS), 原 裕 (NIMS), 山木 琢磨 (NIMS), 山下 愛智 (NIMS) 山口 尚秀 (NIMS), 竹屋 浩幸 (NIMS),
熊倉 浩明 (NIMS), 高野 義彦 (NIMS)
FUJIOKA Masaya (NIMS), OKAZAKI Hiroyuki (NIMS), Saleem. J. Denholme(NIMS), DEMURA Satoshi (NIMS)
DEGUCHI Keita(NIMS), HARA Hiroshi (NIMS), YAMAKI Takuma (NIMS), YAMASHITA Aichi (NIMS),YAMAGUCHI Naohide(NIMS), TAKEYA Hiroyuki(NIMS), KUMAKURA Hiroaki(NIMS), TAKANO Yoshihiko(NIMS)
FUJIOKA.Masaya@nims.go.jp
1．はじめに超伝導線材における実用化には 105 A/cm2 の臨界電流密度が一般に必要とされる。現在、1111 鉄系超伝導線材においても 2.2×104 A/cm2 に至るまで研究が進んでいる。近年、1111 鉄系超伝導線材は Ex-situ PIT 法を用いて作製される事が主流であり、この方法では一旦鉄系超伝導体を合成し、その粉末を超伝導線材のコアとして用いる。しかし、1111 鉄系
超伝導体を固相反応で作製する場合、アモルファスの不純物相が結晶グレインの周囲に形成される。これは現在この系の超伝導特性を阻害するもっとも大きな問題の一つである。
我々のグループではフラックス法を用いて、十分にフッ素濃度が高い Sm-1111(SmFeAsO1-xFx)単結晶粉末の成長に成功した。Fig. 1 で示すように、単結晶粉末は多結晶体で見られるようなアモルファスの不純物相を一切形成しないので、多結晶粉末を用いた Ex-situ PIT 法で問題となっている結晶グレイ
ン間の弱結合を改善する可能性がある。また、Ex-situ PIT 法の最終過程である再焼結では、結晶内のフッ素濃度が減少して、超伝導特性を著しく低下させる事が知られている。そのため、再焼結時にフッ素濃度を補うための添加物を加える必要がある。本研究では単結晶粉末を用いて超伝導テープを作製するにあたり、まずは単結晶粉末の超伝導特性を明らかにし、その後必要となる添加物を選定し、Ex-situ PIT 法への適用を試みる。

2．実験方法
本研究では超伝導コアに単結晶の SmFeAsO1-xFx の粉末を用いる。単結晶粉末は CsCl を使ったフラックス法により合成し、ＣｓＣｌは流水で洗い流す。単結晶試料のフッ素濃度は仕込み
量で x = 0.20, 0.30, 0.40, 0.50 と変化させて、実際のフッ素のフッ素濃度は格子定数の変化から見積もる。また、得られた単結晶の超伝導特性は磁化測定、電気抵抗測定から調べる。
電気抵抗測定に関しては、1 つの単結晶粉末に対してＦＩＢを使用し、磁場中における超伝導特性に関しても測定を行う。さらに、再焼結後の良質な超伝導コアの形成をめざし、フッ素を含む添加物を加え、熱処理し、超伝導特性の変化を調べる。
3．結果
Fig. 2 に得られた XRD の結果を示す。x = 0.3 以上ではSmOF の不純物が増加しており、それ以下のフッ素濃度でも不純物が形成されている。一方、x = 0.3 ではほぼ単相のSmFeAsO1-xFx が得られており、格子定数から見積もられたフッ素濃度は x = 0.15 程度であった。FIB を用いた電気抵抗測定では Fig.3 に示されるように、仕込み量で x = 0.3 の時、超伝導転移温度が 53．７K であり、仕込み量で x = 0.5 の試料では 57.1Ｋを観測した。

Fig.1 SEM images of the polished surface of poly crystal
SmFeAsO1-xFx and single crystal SmFeAsO1-xFx.
Fig. 3 Resistivity versus temperature for the samples from x= 0.3, 0.5. Insert shows the device after FIB process.

Fig.2 XRD pattern for SmFeAsO1-xFx. (x = 0, 0.2, 0.3, 0.4,
0.5)

4．まとめ
本研究ではフラックス法から得られる単結晶粉末を用いて、超伝導テープを作製する。単結晶粉末の長所としてはアモル
ファスの不純物が一切含まれない事である。また、この試料は圧延に対して c 軸配向性が高く、テープ線材に適している。
本研究ではフッ素の仕込み量が x = 0.3 の時、ほとんど不純物が形成されず転移温度も 53．7 Kと比較的高い試料の合成に成功した。さらに、x = 0.5 の試料では転移温度が57．1 Kを示し、現在得られている単結晶では鉄系最大の超伝導転移温度を示した。会議では、超伝導テープ化にむけて、より詳細な結果を報告する。

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