酸化物超電導導体
【課題】酸化物超電導層が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合に、酸化物超電導層の電流を基材に転流させることができ、酸化物超電導層の上方に形成される安定化層の薄膜化が可能な酸化物超電導導体の提供。
【解決手段】本発明の酸化物超電導導体１０は、金属製の基材１と、基材１上に設けられた単層または複数層からなる中間層２と、中間層２上に設けられた酸化物超電導層３と、を備え、中間層２を構成する全ての層２１、２２が、電気伝導性の酸化物よりなることを特徴とする。
【解決手段】本発明の酸化物超電導導体１０は、金属製の基材１と、基材１上に設けられた単層または複数層からなる中間層２と、中間層２上に設けられた酸化物超電導層３と、を備え、中間層２を構成する全ての層２１、２２が、電気伝導性の酸化物よりなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導導体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ−１２３系の酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度で超電導性を示し、電流損失が低いため、実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体あるいは磁気コイル等として使用することが要望されている。この酸化物超電導導体の一例構造として、機械的強度の高いテープ状の金属製の基材を用い、その表面にイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により結晶配向性の良好な中間薄膜を形成し、該中間薄膜の表面に成膜法により酸化物超電導層を形成し、その表面にＡｇなどの良導電材料からなる安定化層を形成した構造の酸化物超電導導体が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、酸化物超電導層の結晶配向性をより高めるために、ＩＢＡＤ法で結晶配向性を整えつつ成膜した中間薄膜の上に、更にキャップ層を成膜し、キャップ層の結晶配向性をＩＢＡＤ法による中間薄膜より更に高め、このキャップ層を下地として酸化物超電導層を成膜することで、超電導特性の優れた酸化物超電導導体を製造する技術が提供されている（特許文献２参照）。
【０００４】
この種の中間薄膜やキャップ層を備えた積層構造の酸化物超電導導体の一例構造として、図４に示す如く、金属製のテープ状の基材１０１の上に拡散防止層１０２を形成後、ＩＢＡＤ法による中間薄膜１０３を形成し、その上にキャップ層１０４を形成し、更に酸化物超電導層１０５を形成し、その上にＡｇの安定化層１０７とＣｕの安定化層１０８を形成した構造の酸化物超電導導体１００が知られている。なお、前記拡散防止層１０２はＡｌ２Ｏ３層とＹ２Ｏ３層の積層構造あるいはこれらのいずれかの単層構造とされることがあり、中間薄膜１０３はこの例ではＭｇＯ層から構成され、キャップ層１０４はＣｅＯ２層から構成されている。
また、拡散防止層１０２を略してＩＢＡＤ法による中間薄膜１０３がこれらを兼ねる構造として、基材１０１の上にＩＢＡＤ法によるＧＺＯ膜（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７層）を形成後、キャップ層１０４を形成し、酸化物超電導層１０５を積層した構造も提供されている。
前記構造の酸化物超電導導体１００において、一例として、拡散防止層１０２は数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚さに形成され、ＩＢＡＤ法によるＭｇＯ層は５ｎｍ程度の厚さに形成され、キャップ層１０４は４００ｎｍ程度の厚さに形成され、酸化物超電導層１０５は数μｍ程度の厚さに形成されている。また、ＩＢＡＤ法によるＧＺＯ膜は１μｍ程度の厚さに形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７２１５９５号公報
【特許文献２】特開２００４−７１３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４に示すように、従来の酸化物超電導導体１００にあっては、酸化物超電導層１０５上に厚さ数〜十数μｍの銀の安定化層１０６を形成し、その上に厚さ５０〜１００μｍ程度の銅などの厚い安定化層１０７を設けた２層構造の安定化層を積層する構造が採用されている。銀の安定化層１０６は、酸化物超電導層１０５を酸素熱処理する際に酸素量の変動を調節する目的、水分が酸化物超電導層１０５に浸入することを防止する目的にも設けられている。
また、銀の安定化層１０６と銅の安定化層１０７は、図５に示すように、酸化物超電導層１０５の一部において超電導状態から常電導状態に遷移しようとして臨界電流Ｉｃの低い部分が発生したときに、酸化物超電導層１０５の電流を転流させるバイパスとして機能させるための目的で設けられている。
【０００７】
酸化物超電導導体１００を超電導コイルなどに加工して各種超電導機器に応用するためには、酸化物超電導導体１００の薄型化が求められている。しかしながら、銀の安定化層１０６と銅の安定化層１０７は、酸化物超電導層１０５を電気的に安定化する機能を果たすために、上述の如き厚さで形成される必要がある。
酸化物超電導層１０５の電流を、安定化層１０６、１０７側だけでなく、基材１０１側にも逃がすことができれば安定化層１０６、１０７の厚さを薄くすることが可能であると考えられるが、従来知られている拡散防止層１０２、中間薄膜１０３、キャップ層１０４はいずれも絶縁体より構成されており、基材１０１側に酸化物超電導層１０５の電流を逃がすことはできない。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、酸化物超電導層が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合に、酸化物超電導層の電流を基材に転流させることができ、酸化物超電導層の上方に形成される安定化層の薄膜化が可能な酸化物超電導導体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の酸化物超電導導体は、金属製の基材と、該基材上に設けられた単層または複数層からなる中間層と、該中間層上に設けられた酸化物超電導層と、を備え、前記中間層を構成する全ての層が、電気伝導性の酸化物よりなることを特徴とする。
本発明の酸化物超電導導体は、中間層を構成する全ての層が電気伝導性の酸化物より構成されていることにより、酸化物超電導層の一部が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合にも酸化物超電導層の電流を、中間層を介して金属製の基材へ転流させることができる。これにより、酸化物超電導層上に積層される安定化層を薄膜化でき、酸化物超電導導体を薄型化できる。
【００１０】
本発明の酸化物超電導導体において、前記電気伝導性の酸化物が、ペロブスカイト構造を有することが好ましい。
この場合、中間層がペロブスカイト型酸化物より構成されることにより、中間層の上に成膜される酸化物超電導層の結晶配向性を向上でき、良好な超電導特性を発現させることができる。
本発明の酸化物超電導導体において、前記電気伝導性の酸化物が、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３のいずれかあるいは両方であることが好ましい。
この場合、酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体との格子定数が近いＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３より中間層が形成されるため、中間層上に形成される酸化物超電導層の結晶配向性をさらに向上でき、より良好な超電導特性の酸化物超電導導体となる。
【００１１】
本発明の酸化物超電導導体において、前記中間層を構成する少なくとも１層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成されてなることが好ましい。
この場合、中間層の結晶配向性を向上させることができる。
本発明の酸化物超電導導体において、前記中間層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成された配向層と、該配向層上に形成されたキャップ層と、から構成されることもできる。
この場合、結晶配向性が良好な中間層上に形成されるキャップ層の結晶配向性も良好となり、このキャップ層上に形成される酸化物超電導層の結晶配向性も良好となる。したがって、超電導特性の良好な酸化物超電導導体を提供できる。
【００１２】
本発明の酸化物超電導導体において、前記酸化物超電導層上に導電性の安定化層を備え、該安定化層がＡｇまたはＡｇ合金のみからなるもできる。
本発明の酸化物超電導導体は、中間層を構成する全ての層が電気伝導性の酸化物より構成されているため、酸化物超電導層の一部でクエンチが発生した場合にも、酸化物超電導層の電流を、安定化層のみならず、中間層を介して基材へも転流させることができる。したがって、従来の酸化物超電導積層体において必要とされていたよりも薄い膜厚の安定化層としても、酸化物超電導層を電気的に安定化することができる。そのため、従来の酸化物超電導導体のように、銅の安定化層を用いずに、銀または銀合金からなる安定化層のみとすることが可能である。このように安定化層を薄膜化することができるため、酸化物超電導導体を薄型化することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、酸化物超電導層が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合に、酸化物超電導層の電流を基材に転流させることができ、酸化物超電導層の上方に形成される安定化層の薄膜化が可能な酸化物超電導導体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る酸化物超電導導体の第１実施形態を示す概略断面斜視図である。
【図２】本発明に係る酸化物超電導導体の配向層の成膜に用いるイオンビームアシスト成膜装置の一例について示す説明図である。
【図３】本発明に係る酸化物超電導導体におけるクエンチ発生時の電流の転流の様子を説明する模式図である。
【図４】従来の酸化物超電導導体の一構造例を示す概略構成図である。
【図５】従来の酸化物超電導導体におけるクエンチ発生時の電流の転流の様子を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る酸化物超電導導体の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導導体を模式的に示す概略断面斜視図である。
本実施形態の酸化物超電導導体１０は、テープ状の基材１上に、配向層２１とキャップ層２２からなる中間層２と、酸化物超電導層３と、安定化層５がこの順に積層されて構成されている。
【００１６】
金属製の基材１は、通常の酸化物超電導導体の基材として使用することができ、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状やシート状あるいは薄板状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種耐熱性金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。また、基材１としてニッケル合金などに集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ基板のような配向金属基板を用いてもよい。
基材１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
【００１７】
中間層２は、イオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により形成された配向層２１上に、成膜法により形成されたキャップ層２２が積層されて構成されている。なお、キャップ層２２を省略し、中間層２を配向層２１の単層から構成してもよい。
本実施形態の酸化物超電導導体１０において、基材１と酸化物超電導層３との間に配される中間層２を構成する全ての層（配向層２１およびキャップ層２２）は、電気伝導性の酸化物より構成されている。ここで、本発明において、中間層２を構成する材料は、２５℃における電気抵抗率が１０ｍΩｃｍ以下であることが好ましい。
なお、本発明において、配向層２１とはＩＢＡＤ法により形成された層を表し、ＩＢＡＤ法により形成された配向層２１と、ＩＢＡＤ法以外の成膜法で形成されたキャップ層２２とが同一の材質で構成される場合もあり、この場合は、配向層２１とキャップ層２２の２層構成であるものとする。
中間層２の厚さは１００〜１０００ｎｍ程度とされる。
【００１８】
配向層２１は、電気伝導性の酸化物より構成されており、その上に積層されるキャップ層２２および酸化物超電導層３の結晶配向性を制御するために以下に説明するＩＢＡＤ法により成膜される。
配向層２１を構成する電気伝導性の酸化物としては、ペロブスカイト型酸化物が挙げられる。ＩＢＡＤ法によりペロブスカイト型酸化物を成膜することにより、形成される配向層２１は２軸配向したペロブスカイト型酸化物の中間薄膜から形成される。一例として、配向層２１は、基材１上に複数の結晶粒が粒界を介し接合された多結晶薄膜として構成され、各結晶粒の内部においては、それら結晶粒を構成するペロブスカイト結晶が、それらの結晶軸のｃ軸を基材１の表面に対し個々に垂直に向け、ペロブスカイト結晶の結晶軸のａ軸をほぼ一方向に揃えて配置されている。
【００１９】
この配向層２１をＩＢＡＤ法により良好な結晶配向性で成膜するならば、その上に形成するキャップ層２２の結晶配向性を良好な値とすることができ、これによりキャップ層２２の上に成膜する酸化物超電導層３の結晶配向性を良好なものとして、より優れた超電導特性を発揮できる酸化物超電導層３を得るようにすることができる。
上述のペロブスカイト型酸化物の多結晶薄膜からなる配向層２１は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標である結晶軸分散の半値幅Δφ（ＦＷＨＭ）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００２０】
配向層２１を構成する電気伝導性を有するペロブスカイト型酸化物としては、ＬａＮｉＯ３（２５℃における電気抵抗率：３５μΩｃｍ）、ＳｒＦｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１５００μΩｃｍ）、ＲｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１２μΩｃｍ）、ＣａＦｅＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＣａＮｂＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＣａＭｏＯ３が挙げられる。これらのペロブスカイト構造の酸化物より配向層２１が形成されることにより、電気伝導性を有し、且つ、結晶配向性も良好な配向層２１とすることができる。
配向層２１の厚さは２０〜５００ｎｍとされ、配向性と生産性の観点から、３０〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。配向層２１の厚さが薄すぎると配向度が悪化するおそれがあり、配向層２１の厚さが厚すぎると生産性が低下するおそれがある。
【００２１】
キャップ層２２は、電気伝導性の酸化物より構成されており、配向層２１の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、成膜面方向に粒成長して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。キャップ層２２は、配向層２１よりも高い面内配向度が得られる可能性がある。
キャップ層２２を構成する電気伝導性の酸化物としては、前記した配向層２１と同様にペロブスカイト型酸化物が挙げられ、具体的には、ＬａＮｉＯ３２５℃における電気抵抗率：３５μΩｃｍ）、ＳｒＦｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１５００μΩｃｍ）、ＲｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１２μΩｃｍ）、ＣａＦｅＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＣａＮｂＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＣａＭｏＯ３が挙げられる。これらのペロブスカイト構造の酸化物よりキャップ層２２が形成されることにより、電気伝導性を有し、且つ、結晶配向性も良好なキャップ層２２とすることができる。
【００２２】
キャップ層２２は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが好ましい。
ＰＬＤ法によるキャップ層２２の成膜条件としては、基材温度約４００〜８５０℃、約１〜１２０Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
キャップ層２２の厚さは５０〜８００ｎｍとされ、良好な配向度が得られるため、１００〜４００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００２３】
本実施形態の酸化物超電導導体１０は、中間層２を構成する全ての層（配向層２１、キャップ層２２）が電気伝導性の酸化物より構成されていることにより、酸化物超電導層５の一部が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合にも、図３に示す如く、酸化物超電導層３の電流を、安定化層５のみならず、中間層２を介して基材１へも転流させることができる。これにより、後述する安定化層５を薄膜化でき、酸化物超電導導体１０を薄型化できる。また、中間層２が前記したペロブスカイト型酸化物より構成されることにより、中間層２の上に成膜される酸化物超電導層３の結晶配向性を向上でき、良好な超電導特性を発現させることができる。
【００２４】
酸化物超電導層３は通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のもの、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）を例示することができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
酸化物超電導層３は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法；化学気相成長法（ＣＶＤ法）；塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）が好ましい。酸化物超電導層３の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００２５】
酸化物超電導層３の上に積層される安定化層５は、酸化物超電導層３の一部領域が常電導状態に遷移しようとした場合に、電流のバイパス路として機能することで、酸化物超電導層３を安定化させて焼損に至らないようにする、主たる構成要素である。
安定化層５は、導電性が良好な金属からなるものが好ましく、具体的には、銀又は銀合金、銅などからなるものが例示できる。安定化層５は１層構造でも良いし、２層以上の積層構造であってもよい。
安定化層５は、公知の方法で積層できる。安定化層５が１層構造の場合は、銀層をメッキやスパッタ法で形成する方法が挙げられる。また、安定化層５が２層構造の場合は、銀層をメッキやスパッタ法で形成し、その上に銅テープなどを貼り合わせるなどの方法を採用できる。
【００２６】
安定化層５の厚さは、通常、３〜３００μｍの範囲とすることができる。本実施形態の酸化物超電導導体１０においては、前述の如く中間層２を構成する全ての層２１、２２が電気伝導性の酸化物より構成されているため、酸化物超電導層５の一部が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）使用とした場合にも、図３に示す如く、酸化物超電導層３の電流を、安定化層５のみならず、中間層２を介して基材１へも転流させることができる。したがって、従来の酸化物超電導積層体において必要とされていたよりも薄い膜厚の安定化層５としても、酸化物超電導層３を電気的に安定化することができる。そのため、本実施形態の酸化物超電導線材１０においては、安定化層５の厚さを２〜１００μｍの範囲と薄膜化することができ、安定化層５として図４に示す従来の酸化物超電導導体１００のように、銅の安定化層１０７を用いずに、銀または銀合金からなる安定化層１０６のみとすることも可能である。このように安定化層５を薄膜化することができるため、酸化物超電導導体１０を薄型化することが可能となる。
【００２７】
本実施形態の酸化物超電導導体１０に設けられるＩＢＡＤ法による配向層２１は、例えば図２に示す装置により成膜される。
図２に示す装置は、テープ状の基材１を保持する基材ホルダ３５と、テープ状の基材１をその長手方向に走行するための走行系（図示略）と、その表面が基材１の表面に対して斜めに向いて対峙するようにターゲットホルダ３１Ａに支持されたターゲット３１と、ターゲット３１にイオンを照射するスパッタビーム照射装置３２と、基材１の表面に対して斜め方向からイオン（希ガスイオンと酸素イオンの混合イオン）を照射するイオン源３３とを有しており、これらの各装置は真空容器（図示略）内に配置されている。
【００２８】
本実施形態で用いる真空容器は、外部と成膜空間とを仕切る容器であり、気密性を有するとともに、内部が高真空状態とされるため耐圧性を有するものとされる。この真空容器には、真空容器内にキャリアガスおよび反応ガスを導入するガス供給手段と、真空容器内のガスを排気する排気手段が接続されているが、図２ではこれら供給手段と排気手段を略し、各装置の配置関係のみを示している。
また、イオン源３３の一例構成として、容器の内部に、引出電極とフィラメントとＡｒガス等の導入管とを備えて構成され、容器の先端から希ガス等のイオンをビーム状に平行に照射できる装置を用いることができる。なお、イオン源３３において、アシストイオンビーム電圧とアシストイオンビーム電流値を適宜調整し、アシストイオンビームのエネルギーを調整することができる。
【００２９】
図２に示す装置によって基材１の上に配向層２１を形成するには、真空容器の内部を減圧雰囲気とし、スパッタビーム照射装置３２及びイオン源３３を作動させる。これにより、スパッタビーム照射装置３２からターゲット３１にイオンを照射し、ターゲット３１の構成粒子を叩き出すか蒸発させて基材１上にターゲット構成粒子を堆積させることができる。これと同時に、イオン源３３から、希ガスイオンと酸素イオンとの混合イオンによるアシストイオンビームを放射し、基材１の表面に対して所定の入射角度（基材上の成膜面の法線に対する入射角度θ）で照射する。
【００３０】
図２に示す装置を用いてＩＢＡＤ法を実施して配向層２１を成膜する場合、アシストイオンビームの入射角度θについては、基材１の成膜面の法線に対し４０〜７５゜の範囲に設定することが好ましい。
また、アシストイオンビームを照射するイオン源の稼働条件としてイオンビーム電圧を例えば３００Ｖとすると、イオンビーム電流値は３００ｍＡ〜６５０ｍＡの範囲を選択できる。
また、アシストイオンビーム電圧は、２００〜６００Ｖの範囲が好ましい。アシストイオンビーム電圧をこの範囲とすることで、得られる配向層４の結晶軸分散の半値幅をより小さくすることができる。
配向層２１を成膜する際の成膜温度については、３００〜１０００℃の範囲を選択できる。
【００３１】
以上説明のように、基材１の表面に、ターゲット３１の構成粒子を堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定され、電気伝導性を有するペロブスカイト型酸化物の結晶のｃ軸が金属基材の表面に対して垂直方向に配向するとともに、ペロブスカイト型酸化物の結晶のａ軸どうし（あるいはｂ軸どうし）が面内において一定方向に配向する（２軸配向する）。このため、ＩＢＡＤ法によって基材１上に形成されたペロブスカイト型酸化物の配向層２１は、高い面内配向度を得ることができる。
【００３２】
次に、中間層２（配向層２１、キャップ層２２）が電気伝導性のペロブスカイト型酸化物から構成される場合の特徴について説明する。
以下の表１に、酸化物超電導導体の各層を構成する材料の物質名と格子定数（Å）を示し、各物質と酸化物超電導層３を構成する材料の一例であるＧｄ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（以下、ＧｄＢＣＯと略記する）との格子ミスマッチの関係を対比して示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１において、ＧｄＢＣＯの格子定数は３．８６として計算した（正確にはＧｄＢＣＯは斜方晶であり、ａ軸とｂ軸の平均値とした。）。また、ＬａＮｉＯ３は立方晶ではないが、準立方晶として格子定数を見積りした。
表１の格子ミスマッチ（格子不整合）は、（ａｅ−ａｓ）／ａｓ×１００％の式（ａｅ：エピタキシャル層（上層）の格子定数、ａｓ：基板の（下層）の格子定数）に従い計算した。
【００３５】
表１に示す対比結果の如く、ＧｄＢＣＯとの格子ミスマッチは、ＭｇＯおよびＧＺＯよりもペロブスカイト型酸化物のＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３の方が遙かに少なく、ＩＢＡＤ法により良好な結晶配向性で結晶成長させるならば、配向性に優れた配向層２１を形成できると想定できる。
【００３６】
このように良好な配向性を有する配向層２１の上にペロブスカイト型酸化物からなるキャップ層２２を形成していると、キャップ層２２も良好な配向性を得ることができるとともに、そのキャップ層２２上に酸化物超電導層３を形成すると、酸化物超電導層３もキャップ層２２の配向性に整合するように結晶化する。よって前記キャップ層２２上に形成された酸化物超電導層３は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層３を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、基材１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材２の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している（２軸配向している）。従って得られた酸化物超電導層３は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、基材２の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流が得られる。
【００３７】
以上説明の如く形成された酸化物超電導導体１は、ＩＢＡＤ法により成膜された結晶配向性に優れたペロブスカイト型酸化物の配向層２１と、配向層２１上に形成されたペロブスカイト型酸化物のキャップ層２２を介して酸化物超電導層３が形成されていることが好ましく、この場合、結晶配向性に優れた酸化物超電導層３を有するので、優れた超電導特性を発揮する。
また、電気伝導性のペロブスカイト型酸化物ＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３により中間層２が構成されていることにより、酸化物超電導層３の結晶配向性を良好としつつ、酸化物超電導層３の一部でクエンチが発生した場合に、酸化物超電導層３の電流を安定化層５側だけでなく、中間層２を介して基材１側へと転流させることができる。従って、安定化層５を従来の酸化物超電導導体よりも薄くすることができるので、薄型で良好な超電導特性の酸化物超電導導体１０を提供できる。
【００３８】
以上、本発明の酸化物超電導導体について説明したが、上記実施形態において、酸化物超電導導体の各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４０】
「実施例１」
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのテープ状の表面平滑な基材を用意した。
次に、図２に示す構造のイオンビームアシスト蒸着装置を用いてイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）を行い、テープ基材の表面に厚さ２５０ｎｍのＬａＮｉＯ３の配向層を形成した。
なお、ＩＢＡＤ法による配向層の形成は、ＬａＮｉＯ３のターゲットを用い、アシストイオンビームの電圧３００Ｖ、電流値５５０ｍＡとし、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対して５５゜に設定し、成膜温度を７５０℃として行った。
【００４１】
次に、得られた配向層の上に、膜厚４００ｎｍのＬａＮｉＯ３のキャップ層をパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により７５０℃で積層した。
更に、キャップ層上にパルスレーザ蒸着法により８２５℃にて、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの組成の厚さ１．２μｍの酸化物超電導層を形成した。その後、スパッタ法により酸化物超電導層の上面に厚さ２μｍのＡｇからなる安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行うことにより、酸化物超電導導体を得た。
【００４２】
「実施例２」
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのテープ状の表面平滑な基材を用意した。
次に、図２に示す構造のイオンビームアシスト蒸着装置を用いてイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）を行い、テープ基材の表面に厚さ２５０ｎｍのＬａＮｉＯ３の配向層を形成した。
なお、ＩＢＡＤ法による配向層の形成は、ＬａＮｉＯ３のターゲットを用い、アシストイオンビームの電圧３００Ｖ、電流値５５０ｍＡとし、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対して５５゜に設定し、成膜温度を７５０℃として行った。
【００４３】
次に、得られた配向層の上に、膜厚４２０ｎｍのＳｒＦｅＯ３のキャップ層をパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により７５０℃で積層した。
更に、キャップ層上にパルスレーザ蒸着法により８２５℃にて、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの組成の厚さ１．２μｍの酸化物超電導層を形成した。その後、スパッタ法により酸化物超電導層の上面に厚さ２μｍのＡｇからなる安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行うことにより、酸化物超電導導体を得た。
【００４４】
「実施例３」
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのテープ状の表面平滑な基材を用意した。
次に、図２に示す構造のイオンビームアシスト蒸着装置を用いてイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）を行い、テープ基材の表面に厚さ２６０ｎｍのＳｒＦｅＯ３の配向層を形成した。
なお、ＩＢＡＤ法による配向層の形成は、ＳｒＦｅＯ３のターゲットを用い、アシストイオンビームの電圧３００Ｖ、電流値５００ｍＡとし、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対して５５゜に設定し、成膜温度を７００℃として行った。
【００４５】
次に、得られた配向層の上に、膜厚４２０ｎｍのＳｒＦｅＯ３のキャップ層をパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により７５０℃で積層した。
更に、キャップ層上にパルスレーザ蒸着法により８２５℃にて、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの組成の厚さ１．２μｍの酸化物超電導層を形成した。その後、スパッタ法により酸化物超電導層の上面に厚さ２μｍのＡｇからなる安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行うことにより、酸化物超電導導体を得た。
【００４６】
実施例１〜３の酸化物超電導導体試料を液体窒素に浸漬して通電試験を行った。その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例１〜３のいずれの試料においても臨界電流１０５〜１３６Ａの超電導特性が得られた。
【００４７】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種超電導機器に用いられる酸化物超電導導体に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…基材、２…中間層、３…酸化物超電導層、５…安定化層、１０…酸化物超電導導体、２１…配向層、２２…キャップ層、３１…ターゲット、３１Ａ…ターゲットホルダ、３２…スパッタビーム照射装置、３３…イオン源、３５…基材ホルダ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導導体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ−１２３系の酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度で超電導性を示し、電流損失が低いため、実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体あるいは磁気コイル等として使用することが要望されている。この酸化物超電導導体の一例構造として、機械的強度の高いテープ状の金属製の基材を用い、その表面にイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により結晶配向性の良好な中間薄膜を形成し、該中間薄膜の表面に成膜法により酸化物超電導層を形成し、その表面にＡｇなどの良導電材料からなる安定化層を形成した構造の酸化物超電導導体が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、酸化物超電導層の結晶配向性をより高めるために、ＩＢＡＤ法で結晶配向性を整えつつ成膜した中間薄膜の上に、更にキャップ層を成膜し、キャップ層の結晶配向性をＩＢＡＤ法による中間薄膜より更に高め、このキャップ層を下地として酸化物超電導層を成膜することで、超電導特性の優れた酸化物超電導導体を製造する技術が提供されている（特許文献２参照）。
【０００４】
この種の中間薄膜やキャップ層を備えた積層構造の酸化物超電導導体の一例構造として、図４に示す如く、金属製のテープ状の基材１０１の上に拡散防止層１０２を形成後、ＩＢＡＤ法による中間薄膜１０３を形成し、その上にキャップ層１０４を形成し、更に酸化物超電導層１０５を形成し、その上にＡｇの安定化層１０７とＣｕの安定化層１０８を形成した構造の酸化物超電導導体１００が知られている。なお、前記拡散防止層１０２はＡｌ２Ｏ３層とＹ２Ｏ３層の積層構造あるいはこれらのいずれかの単層構造とされることがあり、中間薄膜１０３はこの例ではＭｇＯ層から構成され、キャップ層１０４はＣｅＯ２層から構成されている。
また、拡散防止層１０２を略してＩＢＡＤ法による中間薄膜１０３がこれらを兼ねる構造として、基材１０１の上にＩＢＡＤ法によるＧＺＯ膜（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７層）を形成後、キャップ層１０４を形成し、酸化物超電導層１０５を積層した構造も提供されている。
前記構造の酸化物超電導導体１００において、一例として、拡散防止層１０２は数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚さに形成され、ＩＢＡＤ法によるＭｇＯ層は５ｎｍ程度の厚さに形成され、キャップ層１０４は４００ｎｍ程度の厚さに形成され、酸化物超電導層１０５は数μｍ程度の厚さに形成されている。また、ＩＢＡＤ法によるＧＺＯ膜は１μｍ程度の厚さに形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７２１５９５号公報
【特許文献２】特開２００４−７１３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４に示すように、従来の酸化物超電導導体１００にあっては、酸化物超電導層１０５上に厚さ数〜十数μｍの銀の安定化層１０６を形成し、その上に厚さ５０〜１００μｍ程度の銅などの厚い安定化層１０７を設けた２層構造の安定化層を積層する構造が採用されている。銀の安定化層１０６は、酸化物超電導層１０５を酸素熱処理する際に酸素量の変動を調節する目的、水分が酸化物超電導層１０５に浸入することを防止する目的にも設けられている。
また、銀の安定化層１０６と銅の安定化層１０７は、図５に示すように、酸化物超電導層１０５の一部において超電導状態から常電導状態に遷移しようとして臨界電流Ｉｃの低い部分が発生したときに、酸化物超電導層１０５の電流を転流させるバイパスとして機能させるための目的で設けられている。
【０００７】
酸化物超電導導体１００を超電導コイルなどに加工して各種超電導機器に応用するためには、酸化物超電導導体１００の薄型化が求められている。しかしながら、銀の安定化層１０６と銅の安定化層１０７は、酸化物超電導層１０５を電気的に安定化する機能を果たすために、上述の如き厚さで形成される必要がある。
酸化物超電導層１０５の電流を、安定化層１０６、１０７側だけでなく、基材１０１側にも逃がすことができれば安定化層１０６、１０７の厚さを薄くすることが可能であると考えられるが、従来知られている拡散防止層１０２、中間薄膜１０３、キャップ層１０４はいずれも絶縁体より構成されており、基材１０１側に酸化物超電導層１０５の電流を逃がすことはできない。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、酸化物超電導層が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合に、酸化物超電導層の電流を基材に転流させることができ、酸化物超電導層の上方に形成される安定化層の薄膜化が可能な酸化物超電導導体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の酸化物超電導導体は、金属製の基材と、該基材上に設けられた単層または複数層からなる中間層と、該中間層上に設けられた酸化物超電導層と、を備え、前記中間層を構成する全ての層が、電気伝導性の酸化物よりなることを特徴とする。
本発明の酸化物超電導導体は、中間層を構成する全ての層が電気伝導性の酸化物より構成されていることにより、酸化物超電導層の一部が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合にも酸化物超電導層の電流を、中間層を介して金属製の基材へ転流させることができる。これにより、酸化物超電導層上に積層される安定化層を薄膜化でき、酸化物超電導導体を薄型化できる。
【００１０】
本発明の酸化物超電導導体において、前記電気伝導性の酸化物が、ペロブスカイト構造を有することが好ましい。
この場合、中間層がペロブスカイト型酸化物より構成されることにより、中間層の上に成膜される酸化物超電導層の結晶配向性を向上でき、良好な超電導特性を発現させることができる。
本発明の酸化物超電導導体において、前記電気伝導性の酸化物が、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３のいずれかあるいは両方であることが好ましい。
この場合、酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体との格子定数が近いＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３より中間層が形成されるため、中間層上に形成される酸化物超電導層の結晶配向性をさらに向上でき、より良好な超電導特性の酸化物超電導導体となる。
【００１１】
本発明の酸化物超電導導体において、前記中間層を構成する少なくとも１層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成されてなることが好ましい。
この場合、中間層の結晶配向性を向上させることができる。
本発明の酸化物超電導導体において、前記中間層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成された配向層と、該配向層上に形成されたキャップ層と、から構成されることもできる。
この場合、結晶配向性が良好な中間層上に形成されるキャップ層の結晶配向性も良好となり、このキャップ層上に形成される酸化物超電導層の結晶配向性も良好となる。したがって、超電導特性の良好な酸化物超電導導体を提供できる。
【００１２】
本発明の酸化物超電導導体において、前記酸化物超電導層上に導電性の安定化層を備え、該安定化層がＡｇまたはＡｇ合金のみからなるもできる。
本発明の酸化物超電導導体は、中間層を構成する全ての層が電気伝導性の酸化物より構成されているため、酸化物超電導層の一部でクエンチが発生した場合にも、酸化物超電導層の電流を、安定化層のみならず、中間層を介して基材へも転流させることができる。したがって、従来の酸化物超電導積層体において必要とされていたよりも薄い膜厚の安定化層としても、酸化物超電導層を電気的に安定化することができる。そのため、従来の酸化物超電導導体のように、銅の安定化層を用いずに、銀または銀合金からなる安定化層のみとすることが可能である。このように安定化層を薄膜化することができるため、酸化物超電導導体を薄型化することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、酸化物超電導層が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合に、酸化物超電導層の電流を基材に転流させることができ、酸化物超電導層の上方に形成される安定化層の薄膜化が可能な酸化物超電導導体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る酸化物超電導導体の第１実施形態を示す概略断面斜視図である。
【図２】本発明に係る酸化物超電導導体の配向層の成膜に用いるイオンビームアシスト成膜装置の一例について示す説明図である。
【図３】本発明に係る酸化物超電導導体におけるクエンチ発生時の電流の転流の様子を説明する模式図である。
【図４】従来の酸化物超電導導体の一構造例を示す概略構成図である。
【図５】従来の酸化物超電導導体におけるクエンチ発生時の電流の転流の様子を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る酸化物超電導導体の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導導体を模式的に示す概略断面斜視図である。
本実施形態の酸化物超電導導体１０は、テープ状の基材１上に、配向層２１とキャップ層２２からなる中間層２と、酸化物超電導層３と、安定化層５がこの順に積層されて構成されている。
【００１６】
金属製の基材１は、通常の酸化物超電導導体の基材として使用することができ、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状やシート状あるいは薄板状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種耐熱性金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。また、基材１としてニッケル合金などに集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ基板のような配向金属基板を用いてもよい。
基材１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
【００１７】
中間層２は、イオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により形成された配向層２１上に、成膜法により形成されたキャップ層２２が積層されて構成されている。なお、キャップ層２２を省略し、中間層２を配向層２１の単層から構成してもよい。
本実施形態の酸化物超電導導体１０において、基材１と酸化物超電導層３との間に配される中間層２を構成する全ての層（配向層２１およびキャップ層２２）は、電気伝導性の酸化物より構成されている。ここで、本発明において、中間層２を構成する材料は、２５℃における電気抵抗率が１０ｍΩｃｍ以下であることが好ましい。
なお、本発明において、配向層２１とはＩＢＡＤ法により形成された層を表し、ＩＢＡＤ法により形成された配向層２１と、ＩＢＡＤ法以外の成膜法で形成されたキャップ層２２とが同一の材質で構成される場合もあり、この場合は、配向層２１とキャップ層２２の２層構成であるものとする。
中間層２の厚さは１００〜１０００ｎｍ程度とされる。
【００１８】
配向層２１は、電気伝導性の酸化物より構成されており、その上に積層されるキャップ層２２および酸化物超電導層３の結晶配向性を制御するために以下に説明するＩＢＡＤ法により成膜される。
配向層２１を構成する電気伝導性の酸化物としては、ペロブスカイト型酸化物が挙げられる。ＩＢＡＤ法によりペロブスカイト型酸化物を成膜することにより、形成される配向層２１は２軸配向したペロブスカイト型酸化物の中間薄膜から形成される。一例として、配向層２１は、基材１上に複数の結晶粒が粒界を介し接合された多結晶薄膜として構成され、各結晶粒の内部においては、それら結晶粒を構成するペロブスカイト結晶が、それらの結晶軸のｃ軸を基材１の表面に対し個々に垂直に向け、ペロブスカイト結晶の結晶軸のａ軸をほぼ一方向に揃えて配置されている。
【００１９】
この配向層２１をＩＢＡＤ法により良好な結晶配向性で成膜するならば、その上に形成するキャップ層２２の結晶配向性を良好な値とすることができ、これによりキャップ層２２の上に成膜する酸化物超電導層３の結晶配向性を良好なものとして、より優れた超電導特性を発揮できる酸化物超電導層３を得るようにすることができる。
上述のペロブスカイト型酸化物の多結晶薄膜からなる配向層２１は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標である結晶軸分散の半値幅Δφ（ＦＷＨＭ）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００２０】
配向層２１を構成する電気伝導性を有するペロブスカイト型酸化物としては、ＬａＮｉＯ３（２５℃における電気抵抗率：３５μΩｃｍ）、ＳｒＦｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１５００μΩｃｍ）、ＲｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１２μΩｃｍ）、ＣａＦｅＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＣａＮｂＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＣａＭｏＯ３が挙げられる。これらのペロブスカイト構造の酸化物より配向層２１が形成されることにより、電気伝導性を有し、且つ、結晶配向性も良好な配向層２１とすることができる。
配向層２１の厚さは２０〜５００ｎｍとされ、配向性と生産性の観点から、３０〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。配向層２１の厚さが薄すぎると配向度が悪化するおそれがあり、配向層２１の厚さが厚すぎると生産性が低下するおそれがある。
【００２１】
キャップ層２２は、電気伝導性の酸化物より構成されており、配向層２１の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、成膜面方向に粒成長して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。キャップ層２２は、配向層２１よりも高い面内配向度が得られる可能性がある。
キャップ層２２を構成する電気伝導性の酸化物としては、前記した配向層２１と同様にペロブスカイト型酸化物が挙げられ、具体的には、ＬａＮｉＯ３２５℃における電気抵抗率：３５μΩｃｍ）、ＳｒＦｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１５００μΩｃｍ）、ＲｅＯ３（２５℃における電気抵抗率：１２μΩｃｍ）、ＣａＦｅＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＣａＮｂＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＣａＭｏＯ３が挙げられる。これらのペロブスカイト構造の酸化物よりキャップ層２２が形成されることにより、電気伝導性を有し、且つ、結晶配向性も良好なキャップ層２２とすることができる。
【００２２】
キャップ層２２は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが好ましい。
ＰＬＤ法によるキャップ層２２の成膜条件としては、基材温度約４００〜８５０℃、約１〜１２０Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
キャップ層２２の厚さは５０〜８００ｎｍとされ、良好な配向度が得られるため、１００〜４００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００２３】
本実施形態の酸化物超電導導体１０は、中間層２を構成する全ての層（配向層２１、キャップ層２２）が電気伝導性の酸化物より構成されていることにより、酸化物超電導層５の一部が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）しようとした場合にも、図３に示す如く、酸化物超電導層３の電流を、安定化層５のみならず、中間層２を介して基材１へも転流させることができる。これにより、後述する安定化層５を薄膜化でき、酸化物超電導導体１０を薄型化できる。また、中間層２が前記したペロブスカイト型酸化物より構成されることにより、中間層２の上に成膜される酸化物超電導層３の結晶配向性を向上でき、良好な超電導特性を発現させることができる。
【００２４】
酸化物超電導層３は通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のもの、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）を例示することができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δなる組成等に代表される臨界温度の高い他の酸化物超電導体からなるものを用いても良いのは勿論である。
酸化物超電導層３は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理的蒸着法；化学気相成長法（ＣＶＤ法）；塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）が好ましい。酸化物超電導層３の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００２５】
酸化物超電導層３の上に積層される安定化層５は、酸化物超電導層３の一部領域が常電導状態に遷移しようとした場合に、電流のバイパス路として機能することで、酸化物超電導層３を安定化させて焼損に至らないようにする、主たる構成要素である。
安定化層５は、導電性が良好な金属からなるものが好ましく、具体的には、銀又は銀合金、銅などからなるものが例示できる。安定化層５は１層構造でも良いし、２層以上の積層構造であってもよい。
安定化層５は、公知の方法で積層できる。安定化層５が１層構造の場合は、銀層をメッキやスパッタ法で形成する方法が挙げられる。また、安定化層５が２層構造の場合は、銀層をメッキやスパッタ法で形成し、その上に銅テープなどを貼り合わせるなどの方法を採用できる。
【００２６】
安定化層５の厚さは、通常、３〜３００μｍの範囲とすることができる。本実施形態の酸化物超電導導体１０においては、前述の如く中間層２を構成する全ての層２１、２２が電気伝導性の酸化物より構成されているため、酸化物超電導層５の一部が超電導状態から常電導状態へと遷移（クエンチ）使用とした場合にも、図３に示す如く、酸化物超電導層３の電流を、安定化層５のみならず、中間層２を介して基材１へも転流させることができる。したがって、従来の酸化物超電導積層体において必要とされていたよりも薄い膜厚の安定化層５としても、酸化物超電導層３を電気的に安定化することができる。そのため、本実施形態の酸化物超電導線材１０においては、安定化層５の厚さを２〜１００μｍの範囲と薄膜化することができ、安定化層５として図４に示す従来の酸化物超電導導体１００のように、銅の安定化層１０７を用いずに、銀または銀合金からなる安定化層１０６のみとすることも可能である。このように安定化層５を薄膜化することができるため、酸化物超電導導体１０を薄型化することが可能となる。
【００２７】
本実施形態の酸化物超電導導体１０に設けられるＩＢＡＤ法による配向層２１は、例えば図２に示す装置により成膜される。
図２に示す装置は、テープ状の基材１を保持する基材ホルダ３５と、テープ状の基材１をその長手方向に走行するための走行系（図示略）と、その表面が基材１の表面に対して斜めに向いて対峙するようにターゲットホルダ３１Ａに支持されたターゲット３１と、ターゲット３１にイオンを照射するスパッタビーム照射装置３２と、基材１の表面に対して斜め方向からイオン（希ガスイオンと酸素イオンの混合イオン）を照射するイオン源３３とを有しており、これらの各装置は真空容器（図示略）内に配置されている。
【００２８】
本実施形態で用いる真空容器は、外部と成膜空間とを仕切る容器であり、気密性を有するとともに、内部が高真空状態とされるため耐圧性を有するものとされる。この真空容器には、真空容器内にキャリアガスおよび反応ガスを導入するガス供給手段と、真空容器内のガスを排気する排気手段が接続されているが、図２ではこれら供給手段と排気手段を略し、各装置の配置関係のみを示している。
また、イオン源３３の一例構成として、容器の内部に、引出電極とフィラメントとＡｒガス等の導入管とを備えて構成され、容器の先端から希ガス等のイオンをビーム状に平行に照射できる装置を用いることができる。なお、イオン源３３において、アシストイオンビーム電圧とアシストイオンビーム電流値を適宜調整し、アシストイオンビームのエネルギーを調整することができる。
【００２９】
図２に示す装置によって基材１の上に配向層２１を形成するには、真空容器の内部を減圧雰囲気とし、スパッタビーム照射装置３２及びイオン源３３を作動させる。これにより、スパッタビーム照射装置３２からターゲット３１にイオンを照射し、ターゲット３１の構成粒子を叩き出すか蒸発させて基材１上にターゲット構成粒子を堆積させることができる。これと同時に、イオン源３３から、希ガスイオンと酸素イオンとの混合イオンによるアシストイオンビームを放射し、基材１の表面に対して所定の入射角度（基材上の成膜面の法線に対する入射角度θ）で照射する。
【００３０】
図２に示す装置を用いてＩＢＡＤ法を実施して配向層２１を成膜する場合、アシストイオンビームの入射角度θについては、基材１の成膜面の法線に対し４０〜７５゜の範囲に設定することが好ましい。
また、アシストイオンビームを照射するイオン源の稼働条件としてイオンビーム電圧を例えば３００Ｖとすると、イオンビーム電流値は３００ｍＡ〜６５０ｍＡの範囲を選択できる。
また、アシストイオンビーム電圧は、２００〜６００Ｖの範囲が好ましい。アシストイオンビーム電圧をこの範囲とすることで、得られる配向層４の結晶軸分散の半値幅をより小さくすることができる。
配向層２１を成膜する際の成膜温度については、３００〜１０００℃の範囲を選択できる。
【００３１】
以上説明のように、基材１の表面に、ターゲット３１の構成粒子を堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定され、電気伝導性を有するペロブスカイト型酸化物の結晶のｃ軸が金属基材の表面に対して垂直方向に配向するとともに、ペロブスカイト型酸化物の結晶のａ軸どうし（あるいはｂ軸どうし）が面内において一定方向に配向する（２軸配向する）。このため、ＩＢＡＤ法によって基材１上に形成されたペロブスカイト型酸化物の配向層２１は、高い面内配向度を得ることができる。
【００３２】
次に、中間層２（配向層２１、キャップ層２２）が電気伝導性のペロブスカイト型酸化物から構成される場合の特徴について説明する。
以下の表１に、酸化物超電導導体の各層を構成する材料の物質名と格子定数（Å）を示し、各物質と酸化物超電導層３を構成する材料の一例であるＧｄ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（以下、ＧｄＢＣＯと略記する）との格子ミスマッチの関係を対比して示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表１において、ＧｄＢＣＯの格子定数は３．８６として計算した（正確にはＧｄＢＣＯは斜方晶であり、ａ軸とｂ軸の平均値とした。）。また、ＬａＮｉＯ３は立方晶ではないが、準立方晶として格子定数を見積りした。
表１の格子ミスマッチ（格子不整合）は、（ａｅ−ａｓ）／ａｓ×１００％の式（ａｅ：エピタキシャル層（上層）の格子定数、ａｓ：基板の（下層）の格子定数）に従い計算した。
【００３５】
表１に示す対比結果の如く、ＧｄＢＣＯとの格子ミスマッチは、ＭｇＯおよびＧＺＯよりもペロブスカイト型酸化物のＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３の方が遙かに少なく、ＩＢＡＤ法により良好な結晶配向性で結晶成長させるならば、配向性に優れた配向層２１を形成できると想定できる。
【００３６】
このように良好な配向性を有する配向層２１の上にペロブスカイト型酸化物からなるキャップ層２２を形成していると、キャップ層２２も良好な配向性を得ることができるとともに、そのキャップ層２２上に酸化物超電導層３を形成すると、酸化物超電導層３もキャップ層２２の配向性に整合するように結晶化する。よって前記キャップ層２２上に形成された酸化物超電導層３は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層３を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、基材１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材２の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している（２軸配向している）。従って得られた酸化物超電導層３は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、基材２の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流が得られる。
【００３７】
以上説明の如く形成された酸化物超電導導体１は、ＩＢＡＤ法により成膜された結晶配向性に優れたペロブスカイト型酸化物の配向層２１と、配向層２１上に形成されたペロブスカイト型酸化物のキャップ層２２を介して酸化物超電導層３が形成されていることが好ましく、この場合、結晶配向性に優れた酸化物超電導層３を有するので、優れた超電導特性を発揮する。
また、電気伝導性のペロブスカイト型酸化物ＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３により中間層２が構成されていることにより、酸化物超電導層３の結晶配向性を良好としつつ、酸化物超電導層３の一部でクエンチが発生した場合に、酸化物超電導層３の電流を安定化層５側だけでなく、中間層２を介して基材１側へと転流させることができる。従って、安定化層５を従来の酸化物超電導導体よりも薄くすることができるので、薄型で良好な超電導特性の酸化物超電導導体１０を提供できる。
【００３８】
以上、本発明の酸化物超電導導体について説明したが、上記実施形態において、酸化物超電導導体の各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４０】
「実施例１」
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのテープ状の表面平滑な基材を用意した。
次に、図２に示す構造のイオンビームアシスト蒸着装置を用いてイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）を行い、テープ基材の表面に厚さ２５０ｎｍのＬａＮｉＯ３の配向層を形成した。
なお、ＩＢＡＤ法による配向層の形成は、ＬａＮｉＯ３のターゲットを用い、アシストイオンビームの電圧３００Ｖ、電流値５５０ｍＡとし、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対して５５゜に設定し、成膜温度を７５０℃として行った。
【００４１】
次に、得られた配向層の上に、膜厚４００ｎｍのＬａＮｉＯ３のキャップ層をパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により７５０℃で積層した。
更に、キャップ層上にパルスレーザ蒸着法により８２５℃にて、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの組成の厚さ１．２μｍの酸化物超電導層を形成した。その後、スパッタ法により酸化物超電導層の上面に厚さ２μｍのＡｇからなる安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行うことにより、酸化物超電導導体を得た。
【００４２】
「実施例２」
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのテープ状の表面平滑な基材を用意した。
次に、図２に示す構造のイオンビームアシスト蒸着装置を用いてイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）を行い、テープ基材の表面に厚さ２５０ｎｍのＬａＮｉＯ３の配向層を形成した。
なお、ＩＢＡＤ法による配向層の形成は、ＬａＮｉＯ３のターゲットを用い、アシストイオンビームの電圧３００Ｖ、電流値５５０ｍＡとし、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対して５５゜に設定し、成膜温度を７５０℃として行った。
【００４３】
次に、得られた配向層の上に、膜厚４２０ｎｍのＳｒＦｅＯ３のキャップ層をパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により７５０℃で積層した。
更に、キャップ層上にパルスレーザ蒸着法により８２５℃にて、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの組成の厚さ１．２μｍの酸化物超電導層を形成した。その後、スパッタ法により酸化物超電導層の上面に厚さ２μｍのＡｇからなる安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行うことにより、酸化物超電導導体を得た。
【００４４】
「実施例３」
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、長さ１０００ｍｍのテープ状の表面平滑な基材を用意した。
次に、図２に示す構造のイオンビームアシスト蒸着装置を用いてイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）を行い、テープ基材の表面に厚さ２６０ｎｍのＳｒＦｅＯ３の配向層を形成した。
なお、ＩＢＡＤ法による配向層の形成は、ＳｒＦｅＯ３のターゲットを用い、アシストイオンビームの電圧３００Ｖ、電流値５００ｍＡとし、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対して５５゜に設定し、成膜温度を７００℃として行った。
【００４５】
次に、得られた配向層の上に、膜厚４２０ｎｍのＳｒＦｅＯ３のキャップ層をパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により７５０℃で積層した。
更に、キャップ層上にパルスレーザ蒸着法により８２５℃にて、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの組成の厚さ１．２μｍの酸化物超電導層を形成した。その後、スパッタ法により酸化物超電導層の上面に厚さ２μｍのＡｇからなる安定化層を形成し、酸素アニールを５００℃で行うことにより、酸化物超電導導体を得た。
【００４６】
実施例１〜３の酸化物超電導導体試料を液体窒素に浸漬して通電試験を行った。その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例１〜３のいずれの試料においても臨界電流１０５〜１３６Ａの超電導特性が得られた。
【００４７】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種超電導機器に用いられる酸化物超電導導体に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…基材、２…中間層、３…酸化物超電導層、５…安定化層、１０…酸化物超電導導体、２１…配向層、２２…キャップ層、３１…ターゲット、３１Ａ…ターゲットホルダ、３２…スパッタビーム照射装置、３３…イオン源、３５…基材ホルダ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の基材と、該基材上に設けられた単層または複数層からなる中間層と、該中間層上に設けられた酸化物超電導層と、を備え、
前記中間層を構成する全ての層が、電気伝導性の酸化物よりなることを特徴とする酸化物超電導導体。
【請求項２】
前記電気伝導性の酸化物が、ペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導導体。
【請求項３】
前記電気伝導性の酸化物が、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３のいずれかあるいは両方であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導導体。
【請求項４】
前記中間層を構成する少なくとも１層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一層に記載の酸化物超電導導体。
【請求項５】
前記中間層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成された配向層と、該配向層上に形成されたキャップ層と、から構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化物超電導導体。
【請求項６】
前記酸化物超電導層上に導電性の安定化層を備え、該安定化層がＡｇまたはＡｇ合金のみからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸化物超電導導体。
【請求項１】
金属製の基材と、該基材上に設けられた単層または複数層からなる中間層と、該中間層上に設けられた酸化物超電導層と、を備え、
前記中間層を構成する全ての層が、電気伝導性の酸化物よりなることを特徴とする酸化物超電導導体。
【請求項２】
前記電気伝導性の酸化物が、ペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導導体。
【請求項３】
前記電気伝導性の酸化物が、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＦｅＯ３のいずれかあるいは両方であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導導体。
【請求項４】
前記中間層を構成する少なくとも１層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一層に記載の酸化物超電導導体。
【請求項５】
前記中間層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成された配向層と、該配向層上に形成されたキャップ層と、から構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化物超電導導体。
【請求項６】
前記酸化物超電導層上に導電性の安定化層を備え、該安定化層がＡｇまたはＡｇ合金のみからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸化物超電導導体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−３０３１６（Ｐ２０１３−３０３１６Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４３２３（Ｐ２０１１−１６４３２３）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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