-1-

1.1　はじめに
オランダのKamerlingh Onnesは1908年にヘリウムの液化に成功し、1911年に液体へリウムを用いて純金属（水銀）の極低温での電気的性質の分析を行ったところ、4.2  Kで電気抵抗が突然ゼロになることを発見した。この現象を超伝導現象と呼び、電気抵抗がゼロ状態を超伝導状態、電気抵抗を持つ状態を常伝導状態と名付けた。超伝導状態から常伝導状態へ転移する温度を臨界温度T。と呼び、超伝導体はこのT。以下で超伝導状態になる。電気抵抗がゼロになることから様々な機器への応用が期待された。しかし、超伝導体は臨界温度T,以下で電気抵抗がゼロになると認識されていたが、実際には小さな磁界が加わることで電気抵抗ゼロの性質を失い、工学的な応用は困難であった。ここで、超伝導現象が失われる磁界の強さを臨界磁界B。と呼ぶ。その後、1933年にW. MeissnerとR. Ochsenfeldによって超伝導体は完全反磁性を持つことが証明され、 1957年にはJ. Bardeen、L. N. Cooper、J. R. Schrieffer らにより電気抵抗がゼロになることや完全反磁性などの超伝導現象の発現機構における基本的な説明がなされるBCS 理論が提唱された。BCS理論ではTcは30 Kを超えないであろうと予想されていた。しかし、1986年にJ.G.BednorzとK. A. Müllerにより酸化物系物質LaBaCuO4 (La系超伝導)で30 Kを超えるたを持つ超伝導体を作製できる可能性が示された[1]。この発見以降高温超伝導の研究が進み、翌年1987年には液体窒素の沸点である77.3 Kを超えるたをもつYBa2Cu307-8（Y系超伝導）が発見された[2]。 90 Ｋを超えるような比較的高いTeをもつ高温超伝導体の発見により液体ヘリウムに比べ安価な液体窒素(沸点77.3 K)や冷凍機などを用いることで超伝導状態を維持できるようになり、以前に比べると比較的低い冷却コストにて線材という形などで電流輸送ケープルといった電力機器などへの応用が期待されている。さらに、TcとBcに加え、超伝導体の性能を表すパラメータとして電気抵抗ゼロで流すことができる電流量の最大値である臨界電流にと電流密度の最大値である臨界電流密度]ςがある。Ic、Jcを超える電流を流すと電気抵抗が生じる。電流輸送ケーブル等に応用する際には実際に電気抵抗ゼロで流すことができる電流量が重要になるため、Ic、Jcは重要でありIc、Jcを増加させる研究が行われている。
1.2   銅酸化物超伝導体
超伝導体の結晶構造にCuO₂面を持つ超伝導体を銅酸化物超伝導体と呼ぶ。90 Kを超えるようなT。をもつものが多い高温超伝導体であり、液体ヘリウムを使用せず、冷凍機や液体窒素温度の77.3 K下で超伝導状態が実現可能である。そのため、比較的安価な冷媒を使用することができる銅酸化物超伝導体は応用が期待されている。銅酸化物超伝導体は結晶構造に起因する異方性がある。超伝導は超伝導電流が流れるとされるCuO₂面とCuO₂面に超伝導電子を供給するプロック層で構成されている。そのため、CuO₂面に対して平行な方向には電流が流れやすく、優れた電流特性が得られるが、CuO₂面に対して垂直な方向には絶縁的なプロック層により電流が流れにくいという特性を持つ。従って、銅酸化物超伝導体は超伝導体のCuO₂面を揃える結晶配向を行うことで優れた電流特性を得られる。線材として応用するためには長距離の線状に加工する必要がある。銅酸化物超伝導体の中でも特に応用が期待されているのはBiSCCO一Bi系超伝導体とREBCO一Y系超伝導体である。Bi系超伝導体はab面に対して垂直なc軸方向に比べab面での結晶成長が早く、平板状の結晶が容易に得られる。また、機械的な圧延の繰り返しによってc軸方向にも結晶が成長する条件が発見され、CuO₂面の配向がそろった長尺線材を作製することができるようになった。一方で、Y系超伝導体はBi系超伝導体とは異なり、機械的な圧延を用いた線材作製ができない。Y系超伝導体は配向基板に蒸着等、特殊な成膜技術を用いることで二軸配向を超伝導に持たせることができる。以前は超伝導体の配向が良くなく、また、長尺化が難しかったが、研究が進み、今では高配向で長い線材が作製できるようになった。
1.3  REBCOコート線材
銅酸化物超伝導体は異方性のある結晶構造を持つため、CuO₂面を揃えて配向しなければ大きなんを得ることができない。また、REBCO(RE:レアアース、B:バリウム、C:銅、 0:酸素)超伝導体は、機械的な加工による配向が期待できないため、別の方法で結晶の配向を制御する必要があり、二軸配向してある基板に超伝導層を成膜し、二軸配向した超伝導を得る。
1.4 基板作製
1.3節でも述べたように配向を持たせつつ超伝導体を成膜するには配向された基板が必要である。
1.4.1単結晶基板
REBCO超伝導体を成膜する際、二軸配向を得るためには二軸配向されている基板を必要とする。基板には種類があり、超伝導体の高配向を望めるもの、コストが抑えられるもの、フレキシプルである等と様々な特徴がある。その中で、単結晶基板は比較的高配向である超伝導体の成膜が期待できる。単結晶基板には主にSTO(SrTiO₃)基板が用いられている。
1.4.2 IBAD法
IBAD法（Ion Beam Assisted Deposition）はイオンビームによるスパッタ蒸着法に改良を加え、アシストビームと呼ばれる第二のイオンビームを特定の方向から照射することで無配向基板上でも二軸配向を持たせた膜を得ることができる技術である。真空プロセスを必要とするため、高コストであり、また、酸化を行う必要がある超伝導層の成膜には使えない。無配向基板上に配向を持った中間層を成膜する際に用いられることが多い。
1.5 超伝導層の成膜法
配向された基板上に超伝導層を成膜することで配向を持った超伝導が得られる。成膜方法はいくつかあり、それぞれ特徴がある。
1.5.1 PLD法
PLD法（Pulsed Laser Deposition）は真空にしたチャンバー内のターゲットにパルスレーザーを照射することによって、ターゲット表面を急激に加熱し、光化学反応を起こさせることで成分を爆発的に気化させ、飛散した分子をターゲットと対向して配置した基板の上にターゲットを堆積させ成膜する方法である。超伝導体成膜時ではターゲットに超伝導体の塊を用い、配向した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。
1.5.2 MOD法（有機金属化合物分解法）
MOD(Metal Organic Decomposition)法は有機酸を用いて金属を溶かした溶液をスピンコートなどで基板に塗布し、乾燥させ、焼成を行い、有機物を揮発させ対象の金属を酸化物薄膜として得る手法である。液体を用いるため、様々な比率での材料調合が容易にでき、液中に均一に混在させることができるため、比率や膜厚を変えた試作が行いやすい。また、真空プロセスを必要としないため、安価なプロセスで薄膜を得ることができる。
1.5.3   TFA – MOD法
トリフルオロ酢酸（Tri Fluoroacetic Acid）で対象物を溶かした液を用いたMOD法である。TFA – MOD法では前駆体が存在し、相変態で超伝導の厚みが増していく系であるため、他の物理蒸着法に比べ成膜条件が低いため、膜を厚くする際ににが低下しにくいことが知られている。
1.5.4   CVD法(化学気相成長法)
CVD(Chemical Vapor Deposition) 法は化学反応を利用した蒸着方法の一つである。加熱した基板に成膜させたい物質の成分を含むガスを供給し、基板表面で起こる化学反応によって基板上に膜を形成する。ガスの流量や組成比、温度の制御によって膜厚などを制御できる。基板形状によらず均一な成膜ができるため、高速、かつ広範囲への成膜ができる。高真空を必要としないため、作製規模が大きくなりにくく量産性に優れる。
1.5.5  MOCVD法(有機金属気相成長法)
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法は反応させる原料のガスに有機金属を用いるCVD法である。比較的平衡状態に近い条件での成膜法であり、比較的成膜速度が速いことが特徴である
1.6 第一種超伝導体、第二種超伝導体
超伝導体は磁界に対しての反応の違い、特に磁界が超伝導内部に侵入した際の反応の違いで第一種超伝導体と第二種超伝導体に分けられる。どちらの超伝導体も臨界磁界B。まではマイスナー効果を示し、磁界の侵入を拒むように振舞う。しかし、Beを超えた磁界を加えた際の振る舞いが各超伝導体で異なる。第一種超伝導体はBcを超えた磁界が加わった際、磁界が超伝導内部に侵入し、マイスナー効果が失われ、超伝導状態が失われる。第二種超伝導体はB,を超えた磁界が加わった際、磁界が超伝導体内部に侵入し、マイスナー効果は失われるが、ある一定の磁界までは超伝導状態はまだ保たれる。ここで、マイスナー効果を失う磁界を下部臨界磁界Bc1、超伝導状態が失われる磁界を上部臨界磁界Bc2呼ぶ。第二種超伝導体は磁界の強さがBc1までは磁界の侵入を拒み、Bc1からBc2までは磁界が侵入していながらも超伝導状態を保持する混合状態となり、Bc2を超えると超伝導状態が失われる。
1.7 磁束ピンニング
第二種超伝導体において、磁界中にて超伝導体内部に磁束線が侵入している状態で超伝導体に電流を流すと磁束線にローレンツ力が生じる。ローレンツ力により磁束線が速度vで動いてしまうということは、電界が生じ、（ジョセフソンの関係式: E = B × v ）、電気抵抗が出てしまう状態である。従って、電気抵抗がゼロでなくなる。よって、電気抵抗ゼロという特徴を維持するためには磁束線にかかるローレンツ力を打ち消す必要がある。ローレンツ力と同じ大きさで逆向きに磁束線に力を加え、磁束線の運動を止めようとする機構を磁束ピンニングという[3] [4]。磁束ピンニングを引き起こすものをピンニングセンターと呼び、超伝導体内部の転移、超伝導体の作製過程で生じた常伝導析出物、結晶粒界、格子欠陥や空隙といったものがある。また、人工的に欠陥を超伝導体内に入れることで磁束ピンニングを故意に引き起こすこともできる。超伝導体内部に磁束線の大きさBが侵入して、電流密度がJ = Jc程度流れているとすると磁束線に働くローレンツ力はF L ＝J × Bと表され、この力はピンニング力F pとつり合っているので
(1.2) Jc = Fp/Bとなるため、Fpを向上させることでJcを向上させることができる。そのため、材料によって左右されるたやBcとは異なり、Jcは材料固有の値ではなく、後天的に上昇させることが可能である数値である。
1.8 人エピン
磁束線が超伝導体内部に侵入していても、ローレンツ力によって動き出すことを止めるものをピンニングセンター（または、ピン）と呼ぶ。そのピンを人工的に導入したものを人工ピンと呼ぶ。中性子照射や重イオン照射により欠陥を作ることによってできるピンや、BaSnO 3（BSO）等といった非超伝導物質を超伝導体の原料に混ぜて一緒に成膜させて導入するピンなどがあり、形状も粒状、柱状と人工ピンには様々な種類がある[5]。人工ピンの形状や種類によってF pの大きさやJ cの異方性が大きく変わってくる。 1.6節でも述べたようにピンニング力Fpを上げることでJcの増加が期待できる。ただし、超伝導体内に不純物を入れる、もしくは置換する行為であるため、超伝導領域が狭くなり、Jcの低下も考えられる。そのため適切にピンを導入する必要がある。また、人エピンは想定される温度や磁界の強さなどといった超伝導の使用環境に対して適切な導入が必要とされる。
1.9 縦磁界
図1.2のように超伝導体に流れる電流と印加されている磁界の向きが平行である時を縦破界と呼ぶ。まず、磁界と電流の向きが垂直である時に比べ縦磁界下では大幅ににが増加する。次に、磁界と電流の向きに角度がある場合に比べ、縦磁界ではJ × B = 0 (1.3)と、ローレンツ力が磁束線に働かないForce-Free状態になる。そのため、磁束線の運動と電磁現象を結び付けるジョセフソンの関係式が成り立たず、 E ≠ B × vとなる。磁束線が動かないことからJcは無限大になることが予想されたが、実際には図1.3のようにJcは存在する[6]。Force-Freeトルクが存在すると予想され、そのトルクがかかることにより図1.4のように回転するように磁束線が動いていると考えられている[3]。
1.9.1 Force-Freeトルク
Force-Free下では図1.4のように剪断歪みが生じ、それを戻そうとするForce-Freeトルクが図1.4の矢印の向きに復元力として働いていると考えられている。この歪みを戻そうとするForce-Freeトルクが働くため、ローレンツ力とは異なる力で磁束線が動き、ローレンツ力が働かない縦磁界下であってもJcが生じると考えられる。従って、1.6 説で述べたように、磁束線が動く力とそれを止めようとする力からJcが求められるため、 Force-FreeトルクとそのForce-Freeトルクを止めるピン力のモーメントの釣り合いで臨界電流密度が決定されると考えられる。つまり、縦磁界下でのJe向上させる要因の一つとしてピンが考えられる[3]。
1.10本研究の目的
REBCO線材は高温・高磁界領域での臨界電流特性が優れており、応用が期待されている。応用する際、縦磁界効果を受けるような設計をすることでJeを増加させることが期待されている。しかし、どのような超伝導線材が縦磁界に有効かはまだ解明されていない。縦磁界はローレンツ力が生じないJ//Bの場合に効果が出るため、磁界と電流の平行度に大きく依存すると考えられる。よって、超伝導内部の電流流路に大きく依存していると予想される。したがって、本研究では結晶の乱れが少なく、電流流路が直線となりやすいと考えられる単結晶基板を用いた超伝導試料にて縦磁界効果を調査し、また、縦磁界下での人工ピンの影響も調査し、考察する。

2.1 試料
本研究で用いた試料は成蹊大学の三浦研究室より提供していただいたSTO単結晶基板にTFA – MOD法で製膜されたYGdBCO超伝導薄膜を用いた。また、単結晶基板の比較対象として、金属基板を用いた商用超伝導線材を使用した。各基板でピンの有無で二種類、計４種類の試料を用いた。ピンの形状は粒状である。それぞれ、代表的なものではあるが、金属基板の一番上の層（上に超伝導体をのせる層）の半値幅はΔ ¢が 5 ° 以下[7]に対し、STO単結晶は0.3 °以下のものが市販されている。超伝導体は基板の配向が良いほど配向が良い超伝導膜を作りやすいので、単結晶であるSTO基板の方が配向が良いと考えられる。

2.1.1試料加工
試料サイズによるが、商用線材などに対してそのまま電流を流そうとすると数百Aの大電流を必要とし、測定環境が大きくなってしまって測定が困難になる。また、大電流のまま測定すると超伝導状態が嫌れ発熱し始めた際、焼損してしまう可能性がある。そこで低電流で測定できるように各試料に図2.1のような幅数十～数百μm、長さ百μm ～1mmのマイクロプリッジ加工を行い、数Ａの電流で測定ができるようにした。
2.2 測定方法
液体窒素化で直流四端子法を用いてV – I特性を測定した。
2.2.1  直流四端子法
超伝導体のような低抵抗の試料を測定するのに適している測定法である。図 2.2 に直流四端子法の回路図を示す。直流電流源から出力される電流をI、超伝導体に流れる電流を11、電圧計に流れる電流を12とする。また各接触抵抗などを11〜14とし、超伝導体の抵抗をrs、電圧計の抵抗をryとする。まず、電流は(2.1) I = I 1 + I 2となる。ここで、並列になっている超伝導体側と電圧計側の抵抗をそれぞれRs、Rvとする。超伝導体の抵抗はrsのみであるため、
となる。次に電圧計側の抵抗は(2.3) Rv = r2 + rv + r3となる。ここで、接触抵抗は非常に小さく、電圧計の抵抗は非常に高いため、 (r₂ + r₃) ≪ r₂となるため、(2.3)式はRy ≡ Ty (2.4)と近似できる。ここで、超伝導体の電圧測定時にnともは影響しないことが分かる。超伝導体側と電圧計側の並列回路にかかる電圧をVとするとI 2はI 2 = V / R V
となる。ここで、Ryは非常に高いため、
I ≡ I 1
となり、r 2とr 3は測定に影響しないことが分かる。次にも、ねは、超伝導に対して直列につないだ抵抗は竜流量/に対して影響を与えず、電圧計が測定する区間の外にあるため無視できる。従って、各接触抵抗などである1〜1,の影響を受けずに超伝導体の測定が可能である。
2.2.2  測定回路
図2.3のように回路を作成した。超伝導試料に対しては四端子法になるように端子をつけ、超伝導体に流れる電流値は超伝導体に対して直列に接続したシャント抵抗器にかかる電圧を読み取り、オームの法則を用いて計算した。試料に流れる電流量、コイルに流れる電流量は直列につないだシャント抵抗器の電圧を測定し、各シャント抵抗器の抵抗値を用いてオームの法則で電流量を計算した。超伝導体に印加する外部磁界はBi-2223マグネットを用いて印加した。印加磁界の向きは図2.4のように定義する。
2.2.3端子取付方法
今回使用した#single-no-pinと#single-BZOの試料は単結晶基板で割れやすいという特徴を持つ。そのため、端子の圧着が難しい。よって、圧着を必要としない銀ペーストを用いた端子付を行った。圧着時に比べノイズが乗りやすいため、銀ペーストを付ける前に端子付領域と端子が密着している状態を作ってから銀ペーストを付けた。 #metal-no-pinと#metal-BZOの試料はインジウムと銅板を用いた圧着による端子付を行った。圧着することで接地面積が増えるなどしっかり端子が付きやすいためノイズが乗りにくい。
2.2.4角度合わせ
今回、縦磁界と横磁界の測定を行った。その際、下準備として超伝導体のab面に対して平行に磁界が加わっているかどうかの確認として、測定前に外部磁界を0.1 T加えてｃ軸方向に角度を変化させ、角度依存性を測定した。各下準備時に角度を変えて測定している様子を図2.5に示す。測定した角度依存性のピーク時の角度を外部磁界がab面に平行に加わっている角度とし、縦磁界、または、横磁界と設定した。
2.2.5測定環境・条件
測定環境・条件は表2.2のように設定した。測定時に機器や回路のE = 1.0 × 10~5～1.0 × 10~ 4  V/m程度のノイズが乗るため、E = 1.0 × 10~ 4未満の値は正確に測定できない。そこで、Jcを求める際、測定ができ、超伝導状態が壊れ始めるのが確認できる電界E = 2.0 × 10~ 4～2.0 × 10~ 3V/m 間の測定値より対数近似した近似曲線と設定した竜界基準Ec = 1.0 × 10−4  V/mが交わる点のJをJcとした。

E — J特性
3.1
図3.1〜図3.8に各試料の縦磁界下、横磁界下でのE – J特性を示す。各試料とも電圧の立ち上がりがオーミックでないことが確認でき、超伝導状態が確認できる。各試料とも外部磁界Bの増加とともにE – J特性が左にスライドしていて、外部磁界Bの増加とともにJcが低下していることがわかる。
3.2  Jc – B特性
各磁界でのV – I特性より、E – J特性に変換した上で表2.2で示した条件よりJ。を求めた。図3.9に各試料のJc － B特性を示す。 #metal-no-pin、 #metal-BZOの金属基板試料に比べ、#single-no-pinと#single-BZOの単結晶試料は自己磁界でのJcが50  GA/m²を超える高い値が得られた。金属基板に比べ超伝導の配向が良いと考えられる。よって、金属基板に比べ単結晶基板の試料では電流と磁界の平行度は高いと考えられる。しかし、自己磁界のJeに対して縦磁界下における外部磁界増加に伴うJeの増加は確認できなかった。 #single-no-pinと#metal-no-pinを比較すると、低磁界においては#single-no-pinの方がJ cが高いが、#single-no-pinの磁界依存性が悪いため、0.5 Tを超える高磁界にてクロスオ一バーしそうな傾向が確認できる。これは、自然ピンの全体量が異なり、配向の良い#single-no-pinは少なく、#metal-no-pinは多いためと考えられる。次に人工ピンが導入された#single-BZOと#metal-BZOを比較してみると、#single-no-pinと#metal-no-pinを比較した時と同様な結果となっている。しかし、#single-no-pinと#single-BZOを比較した際に、人工ピンが入った#single-BZOの試料の磁界依存性の向上が縦磁界においても横磁界においても確認できないため、人工ピンという欠陥を導入したことによるJcの劣化の影響が大きいと考えられる。
3.3  n値
n値とは、超伝導体のE − J特性がE α J nで比例関係にあるとされ、その指数であるnを指す。n値は超伝導の均一さを表す数値で、n値が高いほど超伝導体は均一である。3.1節で示したＥ－Ｉ特性より２.0 × 10− 4～2.0 × 10− 3   V/m の間の値からn値を求めた。図3.10に各試料のn値を示す。全試料にて、横磁界下よりも縦磁界下でのn値が高い。単結晶試料と金属基板試料を比較すると、単結晶試料の方が全体的にπ値が高く、超伝導が均一であると考えられ、よって配向が良いと考えられる。磁界に対する依存性を見てみると、金属基板の方がn値の依存性は良い。ローレンツ力がピン力を超えて磁束線が動くことでJcが発生する。過去の報告で、ピンを導入することでピン力は向上するが、不均一性の導入によりn値が低下することが報告されている[8]。縦磁界下ではローレンツ力がないForce-Free状態なので、状況は異なるが、こちらもForce-Freeトルクによって磁束線が動くと考えられているため[3]ピンを導入することでピン力は上がるが、不均一性の導入により同様にn値は低下すると考えられる。したがって、単結晶基板を用い、自然ピンが少なくpureの#single-no-pinが一番n値が高く、人工ピンが入った#single-BZO、自然ピンが入った#metal-no-pin、自然ピンと人工ピンの両方が入った#metal-BZOとn値が低下しているのがわかる。また、n値の縦磁界時における磁界依存性に注目してみると、図3.9のJc – B特性と傾きが一致している。従って、縦磁界下においてもn値の磁界依存性を検討して、縦磁界下での磁界依存性を検討するのは有効であると考えられる。

4.1
図3.8からわかるように単結晶基板を用いて結晶の乱れを抑え，電流と磁界の平行度を上げても，自己磁界のにが増加するだけで，縦磁界下におけるたの増加は得られなった.ここで、横磁界下に対する縦磁界下のにの増加率を図4.1に示す。たの増加率は式(4.1)に示すように、各磁界における縦磁界のJcから横磁界のJcを割った値とする。
図4.1より、単結晶基板は#single-no-pinよりも#single-BZOが高い。これは、ピンが導入されていない#single-no-pinに対して、人工ピンを導入したことで増加率が上昇したと考えられる。また、金属基板試料である#metal-no-pinと#metal-BZOについても、人工ピンが導入されていない単結晶基板試料の#single-no-pinに対して、増加率が高い。これは、超伝導層の成膜時における自然ピンが多いか少ないかに関係していると考えられ、自然ピンが少ない単結晶基板試料の#single-no-pinは増加率が低く、自然ピンが比較的多い金属基板試料の#metal-no-pinと#metal-BZOは増加率が高くなったと考えられる。しかし、金属基板試料どうしである#metal-no-pinと#metal-BZOを比較してみると、人工ピンを導入したのにも関わらず、大きな差はない。これは既に、自然ピンが縦磁界に対して寄与していると考えられ、そこに人工ピンを入れても影響が少なかったと考えられる。自然ピンと人工ピンの縦磁界に対する影響はn値を用いて4.2節で後ほど考察する。次に、図4.2に0.3 T時の横磁界下と縦磁界下のJcの関係を示す。金属基板を用いた試料においては横磁界のJcが高いほど、縦磁界のJcも高いことが確認できる。超伝導体は横磁界のJcが高い試料ほど縦磁界のJcも高いと考えられる。しかし、単結晶基板を用いた試料では金属基板と同様の結果になっていない。これは、3.2節で記述したように、 #single-BZOの人工ピンが磁界依存性を良くするよりも、欠陥を導入したことによるJcの劣化の影響が大きかったため、傾向が異なっているのではないかと考えられる。粒状のピンを適切に導入すると、横磁界の磁界依存性は良くなると考えられるため、適切にピンが入っていると仮定すると、図4.2における#single-BZOのプロットは今回の値よりも下にスライドすると考えられる。以上の二点より、横磁界のJcが高く、かつ、人工ピンを電流路を確保するよう適当に導入したものが縦磁界効果をより高く得られると考えられる。
4.2 過去の先行研究
先行研究にて、IBAD法を用いた金属基板上にTFA-MOD法を用いて超伝導膜を成膜した、No.1：pure、No.2:人工ピン有り(BZOナノ粒子)のc軸(BLab,BLI)と横磁界の比較されたデータと検討されていた[9]。図4.3にTFA-MODで成膜されたNo.1:pureとNo.2:人工ピン入り(BZO)の各n値を示す。
4.2.1 横磁界時(B//ab,B L I)
先行研究では、横磁界下でNo.1の試料はab面方向に積層欠陥があり、長距離にわたって磁束に対して平行で強い相関があるため、強く磁束クリープの影響を抑制できると考えられる。従ってn値が高くなったと考えられる。 No.2の試料では人工ピンの導入により積層欠陥の成長が抑制され、かつ、ランダムに離散的にある箇所でピンニングするから、磁束に対して相関を持たないため、磁束クリープの影響が顕著になり、n値が低くなる。以上のように相関ピンニングの有無はn値の決定に大きく作用していると考えられる。
4.2.2 c軸(B L ab B L I)
c軸方向に対してab面方向の積層欠陥は有効なピンとして作用しない。従って、自然ピンよりも強いBZOナノ粒子の導入によって磁束クリープの影響は抑制されたが、一方で人工ピンの導入によってピン力の分布が広くなることが原因と考えられ、試料間でn値の差が無かったと考えられる。と、考察されていた。まとめると、n値は常伝導へ転移するときの電界の立ち上がりの鋭さであり、一斉にピンが外れて常伝導化するようなピンが導入されている場合はn値が高くなりやすい。逆に相関がないピンの導入のされ方だとn値は低く出る。
4.2.3今回の研究と過去の先行研究との比較
今回の研究結果では、単結晶基板試料の#single-no-pinと#single-BZOにおいて、横磁界下でのn値に試料間で大きな差はなく、縦磁界下では、0.1 Tにおいて人工ピンを導入した方がn値が高くなったが、それでも大差が無かった。これは、#single-BZOの人工ピンがランダムに入っていると考えられ、縦磁界下の磁束に対して相関が弱いからと考えられる。また、金属基板試料の#metal-no-pinと#metal-BZOにおいて、単結晶基板試料に比べab面方向の積層欠陥が大きく影響し、横磁界下、縦磁界下問わず磁束に対して平行で相関があったため、n値の傾向がほぼ同じになったと考えられる。最後に、単結晶基板と金属基板を比較すると、単結晶基板の方がn値の磁界依存性が悪く、金属基板のn値の磁界依存性が良かった。これは、配向が違う単結晶基板と金属基板の比較のため、一概には言えないが、ab面方向の積層欠陥の量がn値の磁界依存性に関係していると考えられ、比較的積層欠陥が少ない単結晶基板はn値の磁界依存性が悪く、比較的積層欠陥が多い金属基板はn値の磁界依存性が良かったと考えられる。
4.3 予想される縦磁界に対して理想的な人エピンの導入
以上より縦磁界下でのJc特性向上には人工ピンの導入が有効であると考えられるが、人工ピンを導入する際には電流路を確保する必要があると考えられる。縦磁界に対して適切と思われる人工ピンが導入された超伝導体の模式図を図4.4に示す。縦磁界方向に対して平行に人工ピンが並んでおり、かつ、電流路を確保できているため、縦磁界効果が期待できると考えられる。
単結晶基板を用いて、金属基板よりも配向が良く、電流路が直線となるとされる試料で縦磁界効果を調査した。配向が良いことで低磁界領域のJc向上は確認できたが、金属基板に比べ縦磁界効果が大きく表れることはなかった。また、人工ピンが縦磁界効果に与える影響も調査した。縦磁界効果を大きくするためにはピンが必要だと考えられるが、今回は縦磁界効果を阻害してしまった。ピンが電流路を阻害してしまっためであると考えられ、縦磁界下でJcを向上させるためにはこれでは不十分であることがわかった。しかし、ピンを導入した際のJc増加率は単結晶基板の方が高く、またn値を用いた考祭より、配向の良い試料に縦磁界に対し相関がある人工ピンの導入を行うことで、n値が高くなり、さらに縦磁界効果によるJc増加率が高くなると考えられる。