JP7847445B2 - Oxide superconducting wires and connecting structures - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物超電導線材及び接続構造体に関する。 This invention relates to oxide superconducting wires and connecting structures.
特許文献1には、基材上に、中間層、超電導層、及び保護層が順に積層された構造を有する酸化物超電導線材が開示されている。 Patent Document 1 discloses an oxide superconducting wire having a structure in which an intermediate layer, a superconducting layer, and a protective layer are sequentially laminated on a substrate.
しかしながら、従来の酸化物超電導線材では、超電導層と保護層との間の界面抵抗が高いという問題がある。超電導層と保護層との間の界面抵抗が高い場合、酸化物超電導線材と、酸化物超電導線材に接続される接続対象との間における接続抵抗が高くなるという問題がある。 However, conventional oxide superconducting wires have a problem: high interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer. High interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer leads to a problem of high connection resistance between the oxide superconducting wire and the object to which it is connected.
本発明は、このような事情を考慮してなされ、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減する酸化物超電導線材と、この酸化物超電導線材を備えた接続構造体とを提供することを目的とする。 This invention has been made in consideration of these circumstances and aims to provide an oxide superconducting wire that reduces interfacial resistance between a superconducting layer and a protective layer, and a connecting structure equipped with this oxide superconducting wire.
本発明者らは、従来の酸化物超電導線材を検討した結果、以下の知見を得た。
従来の酸化物超電導線材においては、銀等の金属で構成された保護層は、基材の厚さ方向に沿って超電導層の表面にそのまま積層されている。このような酸化物超電導線材に電極を接続して電極に電流を流すと、基材の厚さ方向に向けて超電導層から保護層に電流が流れる。
The inventors of this invention investigated conventional oxide superconducting wires and obtained the following findings.
In conventional oxide superconducting wires, a protective layer made of a metal such as silver is directly laminated on the surface of the superconducting layer along the thickness direction of the substrate. When an electrode is connected to such an oxide superconducting wire and current is passed through the electrode, the current flows from the superconducting layer to the protective layer in the thickness direction of the substrate.
ところで、酸化物超電導線材は特徴的な結晶構造を有しており、a軸方向又はb軸方向に対しては電流がよく流れるが、c軸方向には電流が流れにくいことが知られている。このため、上述した積層構造を有する従来の酸化物超電導線材は、超電導層と保護層との間においてc軸方向に電流が流れる構造を有するため、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減することが困難であった。
本発明者らは、上記の知見に基づいて鋭意検討を行った結果、本発明に想到した。
Incidentally, oxide superconducting wires have a characteristic crystal structure, and it is known that current flows well in the a-axis or b-axis direction, but not well in the c-axis direction. For this reason, conventional oxide superconducting wires having the aforementioned laminated structure have a structure in which current flows in the c-axis direction between the superconducting layer and the protective layer, making it difficult to reduce the interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer.
Based on the above findings, the inventors conducted thorough research and arrived at the present invention.
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る酸化物超電導線材は、基材と、前記基材の上方に設けられ、酸化物超電導体によって構成された超電導層と、前記超電導層上に設けられ、前記超電導層に接する保護層と、を備える。前記超電導層と前記保護層との界面は、前記酸化物超電導体を構成する結晶のc軸に沿っている。 To solve the above problems, an oxide superconducting wire according to one aspect of the present invention comprises a base material, a superconducting layer provided above the base material and composed of an oxide superconductor, and a protective layer provided on the superconducting layer and in contact with the superconducting layer. The interface between the superconducting layer and the protective layer is aligned with the c-axis of the crystal constituting the oxide superconductor.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材と、後述する本発明の一態様に係る接続構造体とにおいて、文言「基材の上方に設けられた超電導層」とは、基材上に超電導層が設けられていることを意味するだけでなく、基材と超電導層との間に中間層等の層膜が配置されている構造において基材の上方に超電導層基材が設けられていることも意味する。 In the oxide superconducting wire material according to one aspect of the present invention and the connecting structure according to one aspect of the present invention described later, the phrase "superconducting layer provided above the substrate" means not only that a superconducting layer is provided on the substrate, but also that in a structure where a layer film such as an intermediate layer is arranged between the substrate and the superconducting layer, the superconducting layer substrate is provided above the substrate.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材によれば、超電導層と保護層との界面が酸化物超電導体の結晶のc軸に沿っていることで、酸化物超電導体を構成する結晶のa軸方向又はb軸方向に沿って、超電導層から保護層に電流が流れやすくなる。この結果、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減することができる。 According to one embodiment of the present invention, the interface between the superconducting layer and the protective layer is aligned with the c-axis of the oxide superconductor crystal, which facilitates current flow from the superconducting layer to the protective layer along the a-axis or b-axis of the crystal constituting the oxide superconductor. As a result, the interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer can be reduced.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、前記超電導層と前記保護層との間において、前記超電導層には、内壁面を有する複数の凹部が形成されており、前記保護層は、前記複数の凹部内に形成されており、前記内壁面は、前記c軸に平行であってもよい。 In an oxide superconducting wire according to one aspect of the present invention, a plurality of recesses having inner wall surfaces are formed in the superconducting layer between the superconducting layer and the protective layer, and the protective layer is formed within the plurality of recesses, and the inner wall surfaces may be parallel to the c-axis.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材によれば、超電導層に形成された複数の凹部の内壁面がc軸に平行である構造が得られる。この構造において、酸化物超電導体を構成する結晶のa軸方向又はb軸方向に沿って、超電導層から保護層に電流が流れやすくなる。この結果、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減することができる。さらに、複数の凹部を超電導層に形成することで、超電導層の表面積が増加する。このため、超電導層の酸素熱処理を効率的に実施することができる。 According to one embodiment of the present invention, an oxide superconducting wire is obtained in which the inner walls of multiple recesses formed in the superconducting layer are parallel to the c-axis. In this structure, current flows more easily from the superconducting layer to the protective layer along the a-axis or b-axis of the crystal constituting the oxide superconductor. As a result, the interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer can be reduced. Furthermore, by forming multiple recesses in the superconducting layer, the surface area of the superconducting layer is increased. Therefore, oxygen heat treatment of the superconducting layer can be carried out efficiently.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、前記超電導層と前記保護層との間において、前記超電導層には、内壁面を有する複数の凹部が形成されており、前記保護層は、前記複数の凹部内に形成されており、前記内壁面は、前記c軸に対して傾斜してもよい。 In an oxide superconducting wire according to one aspect of the present invention, a plurality of recesses having inner wall surfaces are formed in the superconducting layer between the superconducting layer and the protective layer, the protective layer is formed within the plurality of recesses, and the inner wall surfaces may be inclined with respect to the c-axis.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材によれば、超電導層に形成された複数の凹部の内壁面に傾斜部が形成された構造が得られる。この構造において、酸化物超電導体を構成する結晶のa軸方向又はb軸方向に沿って、超電導層から保護層に電流が流れやすくなる。この結果、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減することができる。さらに、複数の凹部を超電導層に形成することで、超電導層の表面積が増加する。このため、超電導層の酸素熱処理を効率的に実施することができる。 According to one embodiment of the present invention, an oxide superconducting wire is obtained in which inclined portions are formed on the inner wall surfaces of multiple recesses formed in the superconducting layer. In this structure, current flows more easily from the superconducting layer to the protective layer along the a-axis or b-axis direction of the crystal constituting the oxide superconductor. As a result, the interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer can be reduced. Furthermore, by forming multiple recesses in the superconducting layer, the surface area of the superconducting layer is increased. Therefore, oxygen heat treatment of the superconducting layer can be carried out efficiently.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、前記酸化物超電導線材が延在する延在方向及び前記酸化物超電導線材の厚さ方向に直交する前記酸化物超電導線材の幅方向において、前記超電導層は、前記超電導層の端部を含む2つの端領域と、前記2つの端領域の間にある中央領域とを有し、前記端領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数は、前記中央領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数よりも多くてもよい。 In one embodiment of the present invention, in the width direction of the oxide superconducting wire, which is perpendicular to the extending direction of the oxide superconducting wire and the thickness direction of the oxide superconducting wire, the superconducting layer has two end regions including the ends of the superconducting layer and a central region between the two end regions. The number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the end regions may be greater than the number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the central region.
一般的な酸化物超電導線材においては、中央領域に比べて端領域では電流が流れにくい。これに対し、本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、端領域に形成されている複数の凹部の単位面積あたりの個数を中央領域に形成されている複数の凹部の単位面積あたりの個数よりも多くしている。このため、中央領域に流れる電流に比べて、端領域においては電流が流れやすくなる。したがって、端領域における界面抵抗を軽減することができる。さらに、端領域において超電導層の表面積が増加するので、端領域における超電導層の酸素熱処理を効率的に実施することができる。 In typical oxide superconducting wires, current flows less easily in the end regions compared to the central region. In contrast, in one embodiment of the present invention, the number of recesses per unit area formed in the end regions is greater than the number of recesses per unit area formed in the central region. Therefore, current flows more easily in the end regions compared to the central region. Consequently, interfacial resistance in the end regions can be reduced. Furthermore, since the surface area of the superconducting layer increases in the end regions, oxygen heat treatment of the superconducting layer in the end regions can be carried out efficiently.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、前記酸化物超電導線材が延在する延在方向及び前記酸化物超電導線材の厚さ方向に直交する前記酸化物超電導線材の幅方向において、前記超電導層は、前記超電導層の端部を含む2つの端領域と、前記2つの端領域の間にある中央領域とを有し、前記中央領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数は、前記端領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数よりも多くてもよい。 In an oxide superconducting wire according to one aspect of the present invention, the superconducting layer has two end regions including the ends of the superconducting layer and a central region between the two end regions, in the width direction of the oxide superconducting wire which is perpendicular to the extending direction of the oxide superconducting wire and the thickness direction of the oxide superconducting wire. The number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the central region may be greater than the number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the end regions.
一般的な酸化物超電導線材においては、端領域に比べて中央領域では電流が流れ易い。これに対し、本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、中央領域に形成されている複数の凹部の単位面積あたりの個数を端領域に形成されている複数の凹部の単位面積あたりの個数よりも多くしている。このため、中央領域により多くの電流が流れる。したがって、中央領域における界面抵抗をさらに軽減することができる。また、中央領域において超電導層の表面積が増加するので、中央領域における超電導層の酸素熱処理を効率的に実施することができる。 In typical oxide superconducting wires, current flows more easily in the central region than in the end regions. In contrast, in one embodiment of the present invention, the number of recesses per unit area formed in the central region is greater than the number of recesses per unit area formed in the end regions. Therefore, more current flows in the central region. Consequently, the interfacial resistance in the central region can be further reduced. Furthermore, since the surface area of the superconducting layer increases in the central region, oxygen heat treatment of the superconducting layer in the central region can be carried out efficiently.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、前記凹部の深さは、前記超電導層の平均厚さよりも小さくてもよい。 In one embodiment of the present invention, the depth of the recess may be less than the average thickness of the superconducting layer.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材によれば、超電導層を貫通しないように凹部が超電導層に形成されている。これにより、超電導層の導電性を維持しつつ、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減することができる。 According to one embodiment of the present invention, a recess is formed in the superconducting layer without penetrating it. This allows for the reduction of interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer while maintaining the conductivity of the superconducting layer.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材においては、平面視において前記超電導層の面積に対する複数の前記凹部の合計の開口面積の比率は、0.30%以上0.60%以下であってもよい。 In one embodiment of the present invention, the ratio of the total opening area of the multiple recesses to the area of the superconducting layer in a plan view may be 0.30% or more and 0.60% or less.
本発明の一態様に係る酸化物超電導線材によれば、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減することができる。 According to one embodiment of the present invention, the interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer can be reduced.
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る接続構造体は、上述した態様に係る酸化物超電導線材と、接続対象物とを接続する。 To solve the above problems, a connection structure according to one aspect of the present invention connects an oxide superconducting wire according to the above-described aspect to an object to be connected.
本発明の上記態様によれば、超電導層と保護層との間の界面抵抗を低減することができる酸化物超電導線材と、この酸化物超電導線材を備えた接続構造体とを提供することを目的とする。 According to the above-described aspect of the present invention, the objective is to provide an oxide superconducting wire that can reduce the interfacial resistance between the superconducting layer and the protective layer, and a connection structure equipped with this oxide superconducting wire.
以下、本発明の実施形態に係る酸化物超電導線材及び接続構造体について、図面を参照して詳細に説明する。説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするため、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 The oxide superconducting wire and connecting structure according to embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. For convenience, the drawings used in this description may show enlarged versions of key parts to clearly illustrate the features of the present invention; therefore, the dimensional ratios of each component may not be the same as those of the actual components.
以下の説明において参照される図面においては、3次元直交座標系に相当するX方向、Y方向、及びZ方向が示されている(符号X、Y、Z)。X方向は、酸化物超電導線材の幅方向に対応している。Y方向は、酸化物超電導線材が延在する延在方向に対応している。Z方向は、酸化物超電導線材の厚さ方向に対応している。以下の説明において、「平面視」とは、酸化物超電導線材をZ方向から見た図面を示している。 In the diagrams referenced in the following description, the X, Y, and Z directions, corresponding to a three-dimensional Cartesian coordinate system, are shown (symbols X, Y, and Z). The X direction corresponds to the width direction of the oxide superconducting wire. The Y direction corresponds to the extension direction of the oxide superconducting wire. The Z direction corresponds to the thickness direction of the oxide superconducting wire. In the following description, "plan view" refers to a diagram of the oxide superconducting wire viewed from the Z direction.
(第1実施形態)
(酸化物超電導線材)
第1実施形態に係る酸化物超電導線材について図1を参照して説明する。
本実施形態に係る酸化物超電導線材1は、基材10と、基材10上に設けられた中間層11と、中間層11上に設けられた超電導層12と、超電導層12上に設けられた保護層13と、保護層13上に設けられた安定化層14とを備える。酸化物超電導線材1は、基材10、中間層11、超電導層12、保護層13、及び安定化層14を覆う絶縁被覆層を備えてもよい。
(First Embodiment)
(Oxide superconducting wires)
An oxide superconducting wire according to the first embodiment will be described with reference to Figure 1.
The oxide superconducting wire 1 according to this embodiment comprises a base material 10, an intermediate layer 11 provided on the base material 10, a superconducting layer 12 provided on the intermediate layer 11, a protective layer 13 provided on the superconducting layer 12, and a stabilizing layer 14 provided on the protective layer 13. The oxide superconducting wire 1 may also include an insulating coating layer covering the base material 10, the intermediate layer 11, the superconducting layer 12, the protective layer 13, and the stabilizing layer 14.
酸化物超電導線材1の高さ、すなわち、基材10の下面から保護層13の上面までの長さ(図1のZ方向における長さ)は、例えば、80μmである。
酸化物超電導線材1の幅、すなわち、酸化物超電導線材1の左端から右端までの長さ(図1のX方向における長さ)は、例えば、12mmである。
The height of the oxide superconducting wire 1, that is, the length from the bottom surface of the substrate 10 to the top surface of the protective layer 13 (length in the Z direction in Figure 1), is, for example, 80 μm.
The width of the oxide superconducting wire 1, that is, the length from the left end to the right end of the oxide superconducting wire 1 (the length in the X direction in Figure 1), is, for example, 12 mm.
(基材10)
基材10は、テープ状の金属基板である。金属基板を構成する金属の具体例として、ハステロイ(登録商標)に代表されるニッケル合金、ステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ni-W合金などが挙げられる。
(Base material 10)
The base material 10 is a tape-shaped metal substrate. Specific examples of metals that make up the metal substrate include nickel alloys such as Hastelloy (registered trademark), stainless steel, and oriented Ni-W alloys in which a texture is introduced into a nickel alloy.
(中間層11)
中間層11は、多層構成を有してよく、例えば、基材10から超電導層12に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これら複数の層が中間層11に設けられている構造において、各層の数は、1つに限定されない。中間層11を構成するこれら複数の層のうちの一部の層が省略されてもよい。さらに、同種の層が2以上繰り返して積層された構造が採用されてもよい。中間層11は、金属酸化物であってもよい。配向性に優れた中間層11の上に超電導層12を成膜することにより、配向性に優れた超電導層12を得ることが容易になる。
(Middle class 11)
The intermediate layer 11 may have a multilayer structure, and for example, it may have a diffusion prevention layer, a bed layer, an orientation layer, a cap layer, etc., in the order from the substrate 10 toward the superconducting layer 12. In a structure in which these multiple layers are provided in the intermediate layer 11, the number of each layer is not limited to one. Some of these multiple layers constituting the intermediate layer 11 may be omitted. Furthermore, a structure in which two or more layers of the same type are repeatedly laminated may be adopted. The intermediate layer 11 may be a metal oxide. By forming a superconducting layer 12 on an intermediate layer 11 with excellent orientation, it becomes easy to obtain a superconducting layer 12 with excellent orientation.
(保護層13)
保護層13は、超電導層12上に設けられ、超電導層12に接している。
保護層13は、酸化物超電導線材1への通電時において、何らかの事故により発生する過電流が流れるバイパス経路として機能する電流路となる。保護層13は、金属材料により形成されている。このため、保護層13を金属保護層と称することもできる。保護層13は、銀(Ag)あるいは少なくとも銀(Ag)を含む材料から形成されることが好ましい。保護層13は、例えば、銀合金であってもよいし、銀を含む混合物であってもよい。また、保護層13を形成する材料は、金(Au)、プラチナ(Pt)などの貴金属と銀(Ag)とを含む混合物もしくは合金であってもよく、これらの複数の材料が用いられてもよい。
(Protective layer 13)
The protective layer 13 is provided on the superconducting layer 12 and is in contact with the superconducting layer 12.
The protective layer 13 functions as a current path that acts as a bypass path for overcurrents generated due to some kind of fault when current is supplied to the oxide superconducting wire 1. The protective layer 13 is made of a metallic material. For this reason, the protective layer 13 can also be called a metallic protective layer. The protective layer 13 is preferably made of silver (Ag) or a material containing at least silver (Ag). The protective layer 13 may be, for example, a silver alloy or a mixture containing silver. The material forming the protective layer 13 may also be a mixture or alloy containing precious metals such as gold (Au) or platinum (Pt) and silver (Ag), and multiple of these materials may be used.
(安定化層14)
安定化層14の材料としては、銅、Cu-Zn合金(黄銅)、Cu-Ni合金等の銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の材質が選択される。
安定化層14は、複数の層から構成されてもよい。また、安定化層14は、金属めっきにより形成されてもよい。安定化層14は、基材10と、保護層13と、基材10と保護層13との間にある層を含む積層体の全体がめっき層で覆われた構造を有してもよい。
(Stabilization layer 14)
The material for the stabilizing layer 14 can be selected from copper, copper alloys such as Cu-Zn alloy (brass) and Cu-Ni alloy, aluminum, aluminum alloy, stainless steel, and other materials.
The stabilizing layer 14 may be composed of multiple layers. Alternatively, the stabilizing layer 14 may be formed by metal plating. The stabilizing layer 14 may have a structure in which the entire laminate, including the substrate 10, the protective layer 13, and the layer between the substrate 10 and the protective layer 13, is covered with a plating layer.
(超電導層12)
後述するように、超電導層12は、表面12Fと、表面12Fに形成された複数の凹部12Gとを有する。言い換えると、超電導層12と保護層13との間において、超電導層12には、内壁面12I及び底面12Bを有する複数の凹部12Gが形成されている。
超電導層12は、超電導状態の時に電流を流す機能を有する。
超電導層12は、希土類系高温超電導体によって構成されている。
具体的に、超電導層12に用いられる材料としては、通常知られている組成の酸化物超電導体を広く適用することができ、例えば、Y系超電導体、Bi系超電導体などの銅酸化物超電導体などが挙げられる。
(Superconducting layer 12)
As will be described later, the superconducting layer 12 has a surface 12F and a plurality of recesses 12G formed on the surface 12F. In other words, between the superconducting layer 12 and the protective layer 13, the superconducting layer 12 has a plurality of recesses 12G having an inner wall surface 12I and a bottom surface 12B.
The superconducting layer 12 has the function of conducting electric current when in a superconducting state.
The superconducting layer 12 is composed of rare-earth high-temperature superconductors.
Specifically, the material used for the superconducting layer 12 can be a wide range of oxide superconductors with commonly known compositions, such as copper oxide superconductors like Y-type superconductors and Bi-type superconductors.
Y系超電導体の組成としては、例えば、REBa2Cu3O7-x(REは、Y、La、Nd、Sm、Er、Gd等の希土類元素を表し、xは酸素欠損を表す。)が挙げられる。
Y系超電導体の具体的な組成としては、Y123(YBa2Cu3O7-x)、Gd123(GdBa2Cu3O7-x)が挙げられる。
Bi系超電導体の組成としては、例えば、Bi2Sr2Can-1CunO4+2n+δ(nはCuO2の層数を表し、δは過剰酸素を表す。)が挙げられる。この酸化物超電導体の母物質は絶縁体であるが、酸素アニール処理により酸化物超電導体が酸素を取り込むことで結晶構造の整った酸化物超電導体となり、超電導特性を示す性質を持つ。
Examples of Y-type superconductor compositions include REBa 2 Cu 3 O 7-x (where RE represents rare earth elements such as Y, La, Nd, Sm, Er, and Gd, and x represents an oxygen vacancy).
Specific compositions of Y-type superconductors include Y123 (YBa 2 Cu 3 O 7-x ) and Gd123 (GdBa 2 Cu 3 O 7-x ).
Examples of Bi -based superconductor compositions include Bi₂Sr₂Ca₂n⁻¹Cu₂n₂O₄⁺²⁻¹ ( where n represents the number of CuO₂ layers and δ represents excess oxygen). The parent material of this oxide superconductor is an insulator, but through oxygen annealing, the oxide superconductor incorporates oxygen , becoming an oxide superconductor with a well-ordered crystalline structure and exhibiting superconducting properties.
(超電導層12の凹部12Gの構造)
複数の凹部12Gは、内壁面12Iと底面12Bとを有する。超電導層12は、表面12F、内壁面12I、及び底面12Bにおいて、保護層13と接している。言い換えると、保護層13は、複数の凹部12Gの内部に形成されている。
図5に示す例では、内壁面12Iと底面12Bとがなす角度が直角であるように、凹部12Gの形状が示されている。凹部12Gの形状は、図5に示す形状に限定されない。内壁面12Iと底面12Bの間の角部がR形状(丸みを有する形状)を有してもよい。
さらに、図5に示す例では、底面12Bが平面である。底面12Bは、平面に限定されない。底面12Bの少なくとも一部が曲面であってもよい。底面12Bの全面が曲面を有してもよい。言い換えると、内壁面12I及び底面12Bを有する凹部12Gは、略U字状に形成されてもよい。凹部12Gは、溝と称してもよい。
(Structure of the recess 12G in the superconducting layer 12)
Each of the multiple recesses 12G has an inner wall surface 12I and a bottom surface 12B. The superconducting layer 12 is in contact with the protective layer 13 at its surface 12F, inner wall surface 12I, and bottom surface 12B. In other words, the protective layer 13 is formed inside the multiple recesses 12G.
In the example shown in Figure 5, the shape of the recess 12G is shown such that the angle between the inner wall surface 12I and the bottom surface 12B is a right angle. The shape of the recess 12G is not limited to the shape shown in Figure 5. The corner between the inner wall surface 12I and the bottom surface 12B may have an R shape (a rounded shape).
Furthermore, in the example shown in Figure 5, the bottom surface 12B is flat. The bottom surface 12B is not limited to being flat. At least a part of the bottom surface 12B may be curved. The entire bottom surface 12B may be curved. In other words, the recess 12G having the inner wall surface 12I and the bottom surface 12B may be formed in a substantially U-shape. The recess 12G may also be called a groove.
凹部12Gの深さdは、凹部12Gを形成する前の超電導層12の平均厚さtよりも小さい。すなわち、凹部12Gの深さをdと超電導層12の平均厚さtとは、d<tの関係を満たす。本実施形態において、超電導層12の平均厚さtは、例えば、約2.1μmである。凹部12Gの深さdは、例えば、約0.5μmである。凹部12Gの直径は、例えば、約50μmである。 The depth d of the recess 12G is smaller than the average thickness t of the superconducting layer 12 before the recess 12G was formed. That is, the relationship d < t is satisfied between the depth d of the recess 12G and the average thickness t of the superconducting layer 12. In this embodiment, the average thickness t of the superconducting layer 12 is, for example, about 2.1 μm. The depth d of the recess 12G is, for example, about 0.5 μm. The diameter of the recess 12G is, for example, about 50 μm.
図2~図4を参照して、超電導層12を形成する方法を説明する。
まず、図2に示すように、公知の方法により、基材10上に中間層11を積層し、中間層11上に超電導層12を積層する。
A method for forming the superconducting layer 12 will be explained with reference to Figures 2 to 4.
First, as shown in Figure 2, an intermediate layer 11 is laminated on a substrate 10 by a known method, and then a superconducting layer 12 is laminated on the intermediate layer 11.
次に、図3に示すように、超電導層12の表面12Fにレーザ光を照射する。これにより、レーザ光が照射された位置に対応するように、超電導層12の表面12Fが部分的にエッチングされ、凹部12Gが形成される。レーザ光の発光状態(ON)と非発光状態(OFF)とを切り替えながら、レーザ光源と超電導層12とを相対的な位置を変えることで、複数の凹部12Gを連続的に超電導層12上に形成することができる。平面視において、複数の凹部12Gを有する凹部の平面パターンは、例えば、ドットパターンである。 Next, as shown in Figure 3, laser light is irradiated onto the surface 12F of the superconducting layer 12. This partially etches the surface 12F of the superconducting layer 12 to the location where the laser light is irradiated, forming recesses 12G. By switching between the laser light emission state (ON) and the non-emission state (OFF) and changing the relative position of the laser light source and the superconducting layer 12, multiple recesses 12G can be continuously formed on the superconducting layer 12. In a plan view, the planar pattern of the recesses with multiple recesses 12G is, for example, a dot pattern.
レーザ光を照射する条件は、特に限定されない。超電導層12の表面12Fに対するレーザ光の照射時間やレーザ光の強度を調整することで、複数の凹部12Gの各々の深さを調整することができる。 The conditions for irradiating with laser light are not particularly limited. By adjusting the irradiation time and intensity of the laser light onto the surface 12F of the superconducting layer 12, the depth of each of the multiple recesses 12G can be adjusted.
平面視において、凹部12Gの形状は、例えば、円形である。変形例として、凹部12Gの形状は、楕円でもよいし、直線状の辺を有する略三角形形状、略矩形形状、略多角形形状、略星型形状等の公知の形状であってもよい。なお、このような公知の形状においては、2つの辺が交差する部分に位置する角部は、面取りされた形状を有してもよい。 In a plan view, the shape of the recess 12G is, for example, circular. As a variation, the shape of the recess 12G may be elliptical, or it may be a known shape such as a roughly triangular shape, a roughly rectangular shape, a roughly polygonal shape, or a roughly star shape with straight sides. In such known shapes, the corners located where two sides intersect may have a chamfered shape.
平面視における凹部12Gの形状は、超電導層12の表面12Fを照射して凹部12Gを形成する際に用いられるレーザ光の照射形状、すなわち、超電導層12の表面12Fに投影されるレーザ光の形状に依存する。このようなレーザ光の照射形状の自由度に応じて、平面視における凹部12Gの形状は自由に設定される。 The shape of the recess 12G in plan view depends on the irradiation shape of the laser light used to form the recess 12G by irradiating the surface 12F of the superconducting layer 12, that is, the shape of the laser light projected onto the surface 12F of the superconducting layer 12. The shape of the recess 12G in plan view can be freely set according to the degree of freedom of this laser light irradiation shape.
次に、超電導層12の表面12Fに複数の凹部12Gが形成された後、図4に示すように、超電導層12の表面12Fに保護層13を形成する。保護層13は、超電導層12の表面12Fに形成されるとともに、複数の凹部12Gの内部に入り込むように、複数の凹部12Gの各々に形成される。複数の凹部12Gの内部において、保護層13は、内壁面12Iと底面12Bとに接する。 Next, after multiple recesses 12G are formed on the surface 12F of the superconducting layer 12, a protective layer 13 is formed on the surface 12F of the superconducting layer 12, as shown in Figure 4. The protective layer 13 is formed on the surface 12F of the superconducting layer 12 and also in each of the multiple recesses 12G so as to penetrate into their interiors. Within the multiple recesses 12G, the protective layer 13 is in contact with the inner wall surface 12I and the bottom surface 12B.
(凹部12Gの内壁面12Iにおける結晶構造)
次に、図5及び図6を参照し、超電導層12の凹部12Gの内壁面12Iにおける結晶構造について説明する。
図5及び図6において、符号cは、超電導層12を構成する酸化物超電導体の結晶構造のc軸方向を示している。符号a、bは、超電導層12を構成する酸化物超電導体の結晶構造のa軸方向及びb軸方向を示している。
(Crystal structure on the inner wall surface 12I of the recess 12G)
Next, with reference to Figures 5 and 6, the crystal structure of the inner wall surface 12I of the recess 12G of the superconducting layer 12 will be described.
In Figures 5 and 6, the symbol c indicates the c-axis direction of the crystal structure of the oxide superconductor constituting the superconducting layer 12. The symbols a and b indicate the a-axis direction and b-axis direction of the crystal structure of the oxide superconductor constituting the superconducting layer 12.
図5に示すように、超電導層12と保護層13との界面BFは、酸化物超電導体の結晶構造のc軸に沿っている。言い換えると、超電導層12と保護層13との界面BFは、凹部12Gの内壁面12Iは、c軸に平行である。具体的に説明すると、内壁面12Iにおいては、酸化物超電導体を構成する複数の結晶CRが、c軸に平行に並んでいる。このように配列した複数の結晶CRは、界面BFの一部である。
複数の結晶CRの各々は、結晶CRは、c軸に沿う結晶面CFを有している。言い換えると、結晶面CFは、c軸に平行である。このため、界面BFにおいては、a軸又はb軸に起因する高い導電性が得られている。
As shown in Figure 5, the interface BF between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 is aligned with the c-axis of the crystalline structure of the oxide superconductor. In other words, the interface BF between the superconducting layer 12 and the protective layer 13, and the inner wall surface 12I of the recess 12G, are parallel to the c-axis. More specifically, on the inner wall surface 12I, multiple crystals CR constituting the oxide superconductor are arranged parallel to the c-axis. These multiple crystals CR arranged in this way are part of the interface BF.
Each of the multiple crystals CR has a crystal plane CF aligned with the c-axis. In other words, the crystal plane CF is parallel to the c-axis. Therefore, high conductivity is obtained at the interface BF due to the a-axis or b-axis.
図6は、図5に示す凹部12Gの内壁面12Iをさらに拡大した断面図であって、内壁面12Iに傾斜部12Kが形成された場合を示す図である。
図1及び図3~図5に示すように、凹部12Gの内壁面12Iは、酸化物超電導線材の厚さ方向に向けて延在しており、すなわち、Z方向に平行である。
Figure 6 is a cross-sectional view that is a further enlarged view of the inner wall surface 12I of the recess 12G shown in Figure 5, and shows the case in which an inclined portion 12K is formed on the inner wall surface 12I.
As shown in Figures 1 and 3 to 5, the inner wall surface 12I of the recess 12G extends in the thickness direction of the oxide superconducting wire, that is, it is parallel to the Z direction.
しかしながら、内壁面12Iを微視的に観察すると、内壁面12Iは、必ずしもZ方向に平行であるとは限らない。図6に示すように、内壁面12Iに傾斜部12Kが形成されている場合がある。傾斜部12Kは、Z方向に対して傾斜する傾斜方向Dに沿っている。 However, microscopic observation of the inner wall surface 12I reveals that it is not necessarily parallel to the Z direction. As shown in Figure 6, an inclined portion 12K may be formed on the inner wall surface 12I. The inclined portion 12K follows an inclination direction D relative to the Z direction.
傾斜部12Kは、超電導層12と保護層13との界面BFの一部を形成している。
傾斜部12Kにおいては、酸化物超電導体を構成する複数の結晶CRは、階段状に並んでいる。階段状に配列した複数の結晶CRは、界面BFの一部である。
複数の結晶CRの各々は、結晶CRは、c軸に沿う結晶面CFを有している。言い換えると、結晶面CFは、c軸に平行である。
The inclined portion 12K forms part of the interface BF between the superconducting layer 12 and the protective layer 13.
In the inclined section 12K, the multiple crystals CR constituting the oxide superconductor are arranged in a step-like manner. The multiple crystals CR arranged in a step-like manner are part of the interface BF.
Each of the multiple crystals CR has a crystal plane CF that is aligned with the c-axis. In other words, the crystal plane CF is parallel to the c-axis.
内壁面12Iが傾斜方向Dに沿って延在している状態で、結晶面CFは、符号Rに示す領域において保護層13と接している。つまり、内壁面12Iの全体が傾斜方向Dに沿って傾斜しているかZ方向に沿って延在しているかに拘わらず、超電導層12と保護層13との界面BFにおいて、結晶面CFはc軸に沿って伸びている。このため、界面BFにおいては、a軸又はb軸に起因する高い導電性が得られている。 With the inner wall surface 12I extending along the inclination direction D, the crystal plane CF is in contact with the protective layer 13 in the region indicated by symbol R. In other words, regardless of whether the entire inner wall surface 12I is inclined along the inclination direction D or extends along the Z direction, at the interface BF between the superconducting layer 12 and the protective layer 13, the crystal plane CF extends along the c-axis. Therefore, high conductivity is obtained at the interface BF due to the a-axis or b-axis.
(複数の凹部12Gが形成される領域)
図7は、超電導層12を模式的に示す拡大平面図である。
図7を参照し、超電導層12において複数の凹部が形成される領域を説明する。
X方向において、超電導層12は、超電導層12の端部12Eを含む2つの端領域12ERと、2つの端領域12ERの間にある中央領域12Cとを有する。
本実施形態では、端領域12ERにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数は、中央領域12Cにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数よりも多い。
(Area where multiple recesses 12G are formed)
Figure 7 is a schematic enlarged plan view showing the superconducting layer 12.
Referring to Figure 7, the region in the superconducting layer 12 where multiple recesses are formed will be explained.
In the X direction, the superconducting layer 12 has two end regions 12ER including the end 12E of the superconducting layer 12, and a central region 12C located between the two end regions 12ER.
In this embodiment, the number of recesses 12G formed in the superconducting layer 12 in the edge region 12ER per unit area is greater than the number of recesses 12G formed in the superconducting layer 12 in the central region 12C per unit area.
次に、以上のように構成された酸化物超電導線材1の作用及び効果について説明する。
酸化物超電導線材1は、超電導層12と保護層13との界面BFは、超電導層12の酸化物超電導体を構成する結晶CRのc軸に沿っている。これにより、酸化物超電導体を構成する結晶CRのa軸方向又はb軸方向に沿って、超電導層12から保護層13に電流が流れやすくなる。この結果、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を低減することができる。
Next, the operation and effects of the oxide superconducting wire 1 configured as described above will be explained.
In the oxide superconducting wire 1, the interface BF between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 is aligned with the c-axis of the crystal CR that constitutes the oxide superconductor of the superconducting layer 12. This makes it easier for current to flow from the superconducting layer 12 to the protective layer 13 along the a-axis or b-axis of the crystal CR that constitutes the oxide superconductor. As a result, the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 can be reduced.
さらに、超電導層12と保護層13との間において、超電導層12には、内壁面12Iを有する複数の凹部12Gが形成されている。保護層13は、複数の凹部12G内に形成されている。内壁面12Iは、c軸に平行である。これにより、超電導層12に形成された複数の凹部12Gの内壁面12Iがc軸に平行である構造が得られる。この構造において、酸化物超電導体を構成する結晶CRのa軸方向又はb軸方向に沿って、超電導層12から保護層13に電流が流れやすくなる。この結果、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を低減することができる。複数の凹部12Gを超電導層12に形成することで、超電導層12の表面積が増加する。このため、超電導層12の酸素熱処理を効率的に実施することができる。 Furthermore, between the superconducting layer 12 and the protective layer 13, the superconducting layer 12 has a plurality of recesses 12G having inner wall surfaces 12I. The protective layer 13 is formed within these plurality of recesses 12G. The inner wall surfaces 12I are parallel to the c-axis. This results in a structure where the inner wall surfaces 12I of the plurality of recesses 12G formed in the superconducting layer 12 are parallel to the c-axis. In this structure, current flows more easily from the superconducting layer 12 to the protective layer 13 along the a-axis or b-axis direction of the crystal CR constituting the oxide superconductor. As a result, the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 can be reduced. By forming a plurality of recesses 12G in the superconducting layer 12, the surface area of the superconducting layer 12 is increased. Therefore, oxygen heat treatment of the superconducting layer 12 can be carried out efficiently.
また、内壁面12Iには、傾斜部12Kが形成されてもよい。この構造において、酸化物超電導体を構成する結晶CRのa軸方向又はb軸方向に沿って、超電導層12から保護層13に電流が流れやすくなる。この結果、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を低減することができる。 Furthermore, a sloping portion 12K may be formed on the inner wall surface 12I. In this structure, current flows more easily from the superconducting layer 12 to the protective layer 13 along the a-axis or b-axis direction of the crystal CR constituting the oxide superconductor. As a result, the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 can be reduced.
また、超電導層12の平面視において、端領域12ERにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数は、中央領域12Cにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数よりも多い。このため、中央領域12Cに流れる電流に比べて、端領域12ERにおいては電流が流れやすくなる。したがって、端領域12ERにおける界面抵抗を軽減することができる。端領域12ERにおいて超電導層12の表面積が増加するので、端領域12ERにおける超電導層12の酸素熱処理を効率的に実施することができる。 Furthermore, in a plan view of the superconducting layer 12, the number of recesses 12G per unit area formed in the superconducting layer 12 in the edge region 12ER is greater than the number of recesses 12G per unit area formed in the superconducting layer 12 in the central region 12C. Therefore, current flows more easily in the edge region 12ER compared to the central region 12C. Consequently, the interfacial resistance in the edge region 12ER can be reduced. Since the surface area of the superconducting layer 12 increases in the edge region 12ER, oxygen heat treatment of the superconducting layer 12 in the edge region 12ER can be carried out efficiently.
さらに、凹部12Gの深さdは、超電導層12の平均厚さtよりも小さいので、超電導層12を貫通しないように凹部12Gが超電導層12に形成されている。これにより、超電導層12の導電性を維持しつつ、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を低減することができる。 Furthermore, since the depth d of the recess 12G is smaller than the average thickness t of the superconducting layer 12, the recess 12G is formed in the superconducting layer 12 without penetrating it. This allows for the reduction of interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 while maintaining the conductivity of the superconducting layer 12.
また、平面視において超電導層12の面積に対する複数の凹部12Gの合計の開口面積の比率は、0.30%以上0.60%以下である。これにより、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を低減することができる。 Furthermore, in a plan view, the ratio of the total opening area of the multiple recesses 12G to the area of the superconducting layer 12 is between 0.30% and 0.60%. This reduces the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13.
(第1実施形態の変形例)
上述した第1実施形態においては、図7を参照し、端領域12ERにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数が、中央領域12Cにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数よりも多い場合を説明した。本発明は、このような構成に限定されない。
(Modified version of the first embodiment)
In the first embodiment described above, with reference to Figure 7, a case was explained in which the number of recesses 12G per unit area formed in the superconducting layer 12 in the edge region 12ER is greater than the number of recesses 12G per unit area formed in the superconducting layer 12 in the central region 12C. The present invention is not limited to such a configuration.
第1実施形態の変形例の変形例として、中央領域12Cにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数は、端領域12ERにおいて超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの単位面積あたりの個数よりも多くてもよい。
この場合、端領域12ERに比べて、中央領域12Cにより多くの電流が流れる。したがって、中央領域12Cにおける界面抵抗をさらに軽減することができる。中央領域12Cにおいて超電導層12の表面積が増加するので、中央領域12Cにおける超電導層12の酸素熱処理を効率的に実施することができる。
As a variation of the variation of the first embodiment, the number of multiple recesses 12G formed in the superconducting layer 12 in the central region 12C per unit area may be greater than the number of multiple recesses 12G formed in the superconducting layer 12 in the edge region 12ER per unit area.
In this case, more current flows through the central region 12C compared to the edge region 12ER. Therefore, the interfacial resistance in the central region 12C can be further reduced. Since the surface area of the superconducting layer 12 increases in the central region 12C, oxygen heat treatment of the superconducting layer 12 in the central region 12C can be carried out efficiently.
(第2実施形態)
(接続構造体)
第2実施形態に係る接続構造体について図8を参照して説明する。
図8において、第1実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。また、図8においては、安定化層14の図示が省略されている。
本実施形態に係る接続構造体20においては、上述した第1実施形態に係る酸化物超電導線材1(第1酸化物超電導線材)と接続対象物とが、はんだ15を介して接続されている。
(Second Embodiment)
(Connection structure)
A connection structure according to the second embodiment will be described with reference to Figure 8.
In Figure 8, the same reference numerals are used for components identical to those in the first embodiment, and their descriptions are omitted or simplified. Furthermore, the stabilizing layer 14 is not shown in Figure 8.
In the connection structure 20 according to this embodiment, the oxide superconducting wire 1 (first oxide superconducting wire) according to the first embodiment described above and the object to be connected are connected via solder 15.
本実施形態においては、接続対象物は、酸化物超電導線材1と同じ構成を有する酸化物超電導線材2(第2酸化物超電導線材)である。つまり、本実施形態においては、接続対象物は、2つの酸化物超電導線材がZ方向において互いに重なり合うように接続された構造を有する。酸化物超電導線材1を一方の酸化物超電導線材と称し、かつ、酸化物超電導線材2を他方の酸化物超電導線材と称してもよい。「一方の酸化物超電導線材」を第1酸化物超電導線材と称してもよい。 In this embodiment, the object to be connected is an oxide superconducting wire 2 (second oxide superconducting wire) having the same configuration as oxide superconducting wire 1. That is, in this embodiment, the object to be connected has a structure in which two oxide superconducting wires are connected so that they overlap each other in the Z direction. Oxide superconducting wire 1 may be referred to as "one oxide superconducting wire," and oxide superconducting wire 2 may be referred to as "the other oxide superconducting wire." "One oxide superconducting wire" may also be referred to as the first oxide superconducting wire.
酸化物超電導線材2は、図1に示す構造と同様に、基材10と、基材10上に設けられた中間層11と、中間層11上に設けられた超電導層12と、超電導層12上に設けられた保護層13とを備える。酸化物超電導線材2の超電導層12の表面12Fには、複数の凹部12Gが形成されている。 The oxide superconducting wire 2 comprises a base material 10, an intermediate layer 11 provided on the base material 10, a superconducting layer 12 provided on the intermediate layer 11, and a protective layer 13 provided on the superconducting layer 12, similar to the structure shown in Figure 1. Multiple recesses 12G are formed on the surface 12F of the superconducting layer 12 of the oxide superconducting wire 2.
図8に示すように、酸化物超電導線材1(図8において下方に位置する酸化物超電導線材)の保護層13の表面と、酸化物超電導線材2(図8において上方に位置する酸化物超電導線材)の保護層13の表面とが対向している。
この状態で、酸化物超電導線材1の端部に位置する保護層13と、酸化物超電導線材2の端部に位置する保護層13とが、はんだ15を介して電気的に接続されている。さらに、酸化物超電導線材1、2の各々の超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの形成領域12Hは、はんだ15に対向している。
As shown in Figure 8, the surface of the protective layer 13 of oxide superconducting wire 1 (the oxide superconducting wire located at the bottom in Figure 8) and the surface of the protective layer 13 of oxide superconducting wire 2 (the oxide superconducting wire located at the top in Figure 8) are facing each other.
In this state, the protective layer 13 located at the end of the oxide superconducting wire 1 and the protective layer 13 located at the end of the oxide superconducting wire 2 are electrically connected via solder 15. Furthermore, the formation regions 12H of the multiple recesses 12G formed in the superconducting layers 12 of each of the oxide superconducting wires 1 and 2 face the solder 15.
なお、図8には示されていないが、2つの酸化物超電導線材の各々の端部には、はんだを介して別の酸化物超電導線材が接続されている。この接続構造においても、図8に示すはんだ15を用いた電気接続構造が採用されている。つまり、酸化物超電導線材の延在方向に沿って、複数の酸化物超電導線材がはんだ接続された長尺の酸化物超電導線材(接続構造体)が得られる。 Although not shown in Figure 8, each end of the two oxide superconducting wires is connected to another oxide superconducting wire via solder. This connection structure also employs the same electrical connection structure using solder 15 shown in Figure 8. In other words, a long oxide superconducting wire (connection structure) is obtained in which multiple oxide superconducting wires are soldered together along the direction of extension of the oxide superconducting wire.
このような構成を有する接続構造体20によれば、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を低減することができる酸化物超電導線材1、2を用いているので、酸化物超電導線材1、2との接続抵抗を低減することができる。したがって、接続抵抗が低減された長尺の酸化物超電導線材を製造することができる。 With a connection structure 20 having this configuration, the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 can be reduced by using oxide superconducting wires 1 and 2. Therefore, the connection resistance with the oxide superconducting wires 1 and 2 can be reduced. Consequently, long oxide superconducting wires with reduced connection resistance can be manufactured.
上述したように、複数の凹部12Gは、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗の低減に寄与する。このため、複数の凹部12Gの形成領域12Hがはんだ15に対向していることで、接続構造体20の接続抵抗をさらに低減することができる。 As described above, the multiple recesses 12G contribute to reducing the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13. Therefore, since the formation regions 12H of the multiple recesses 12G face the solder 15, the connection resistance of the connection structure 20 can be further reduced.
なお、図8に示す構造では、酸化物超電導線材1、2の安定化層14が省略されているが、本発明の実施形態に係る接続構造体20は、図8に示す構造に限定されない。図1に示すように酸化物超電導線材1、2の各々が安定化層14を備えてもよい。この場合、酸化物超電導線材1の安定化層14と、酸化物超電導線材2の安定化層14とがはんだ15を介して接続される。この構造においても、接続抵抗が低減された長尺の酸化物超電導線材を製造することができる。 Note that in the structure shown in Figure 8, the stabilization layers 14 of the oxide superconducting wires 1 and 2 are omitted. However, the connection structure 20 according to the embodiment of the present invention is not limited to the structure shown in Figure 8. As shown in Figure 1, each of the oxide superconducting wires 1 and 2 may be provided with a stabilization layer 14. In this case, the stabilization layer 14 of oxide superconducting wire 1 and the stabilization layer 14 of oxide superconducting wire 2 are connected via solder 15. Even with this structure, it is possible to manufacture long oxide superconducting wires with reduced connection resistance.
また、図8に示す構造では、酸化物超電導線材2の超電導層12に複数の凹部12Gが形成されているが、酸化物超電導線材2の超電導層12に凹部12Gが形成されていなくてもよい。この構造では、複数の凹部12Gが形成されている超電導層12を備える酸化物超電導線材1と、複数の凹部12Gが形成されていない超電導層12を備える酸化物超電導線材2とが接続される。この場合においても、接続構造体20の接続抵抗を低減させる効果が得られる。 Furthermore, in the structure shown in Figure 8, multiple recesses 12G are formed in the superconducting layer 12 of the oxide superconducting wire 2, but the recesses 12G do not necessarily have to be formed in the superconducting layer 12 of the oxide superconducting wire 2. In this structure, an oxide superconducting wire 1 having a superconducting layer 12 with multiple recesses 12G is connected to an oxide superconducting wire 2 having a superconducting layer 12 without multiple recesses 12G. Even in this case, the effect of reducing the connection resistance of the connection structure 20 can be obtained.
(第3実施形態)
(接続構造体)
第3実施形態に係る接続構造体について図9を参照して説明する。
図9において、第1実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。また、図9においては、安定化層14の図示が省略されている。
本実施形態に係る接続構造体30においては、上述した第1実施形態に係る酸化物超電導線材1(第1酸化物超電導線材)と接続対象物とが、はんだ15を介して接続されている。
(Third Embodiment)
(Connection structure)
A connection structure according to the third embodiment will be described with reference to Figure 9.
In Figure 9, the same reference numerals are used for components identical to those in the first embodiment, and their descriptions are omitted or simplified. Furthermore, the stabilizing layer 14 is not shown in Figure 9.
In the connection structure 30 according to this embodiment, the oxide superconducting wire 1 (first oxide superconducting wire) according to the first embodiment described above and the object to be connected are connected via solder 15.
本実施形態においては、接続対象物は、電極25である。図9に示す例では、接続対象物として電極25のみが示されているが、電極25は、基板に設けられてもよい。
つまり、本実施形態においては、接続対象物は、Z方向において酸化物超電導線材1と電極25とが互いに重なり合うように接続された構造を有する。
In this embodiment, the object to be connected is the electrode 25. In the example shown in Figure 9, only the electrode 25 is shown as the object to be connected, but the electrode 25 may be provided on a substrate.
In other words, in this embodiment, the object to be connected has a structure in which the oxide superconducting wire 1 and the electrode 25 are connected so that they overlap each other in the Z direction.
図9に示すように、酸化物超電導線材1(図9において下方に位置する)の保護層13の表面と、電極25(図9において上方に位置する)の表面とが対向している。
この状態で、酸化物超電導線材1の端部に位置する保護層13と、電極25とが、はんだ15を介して電気的に接続されている。さらに、酸化物超電導線材1の超電導層12に形成されている複数の凹部12Gの形成領域12Hは、はんだ15に対向している。
As shown in Figure 9, the surface of the protective layer 13 of the oxide superconducting wire 1 (located at the bottom in Figure 9) and the surface of the electrode 25 (located at the top in Figure 9) are facing each other.
In this state, the protective layer 13 located at the end of the oxide superconducting wire 1 and the electrode 25 are electrically connected via the solder 15. Furthermore, the formation regions 12H of the multiple recesses 12G formed in the superconducting layer 12 of the oxide superconducting wire 1 face the solder 15.
このような構成を有する接続構造体30によれば、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を低減することができる酸化物超電導線材1を用いているので、酸化物超電導線材1と電極25との接続抵抗を低減することができる。したがって、接続抵抗が低減された接続構造体を製造することができる。 With this configuration, the connection structure 30 uses an oxide superconducting wire 1 that can reduce the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13. Therefore, the connection resistance between the oxide superconducting wire 1 and the electrode 25 can be reduced. Consequently, a connection structure with reduced connection resistance can be manufactured.
上述したように、複数の凹部12Gは、超電導層12と保護層13との間の界面抵抗の低減に寄与する。このため、複数の凹部12Gの形成領域12Hがはんだ15に対向していることで、接続構造体20の接続抵抗をさらに低減することができる。 As described above, the multiple recesses 12G contribute to reducing the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13. Therefore, since the formation regions 12H of the multiple recesses 12G face the solder 15, the connection resistance of the connection structure 20 can be further reduced.
なお、図9に示す構造では、酸化物超電導線材1の安定化層14が省略されているが、本発明の実施形態に係る接続構造体30は、図9に示す構造に限定されない。図1に示すように酸化物超電導線材1が安定化層14を備えてもよい。この場合、酸化物超電導線材1の安定化層14と、電極25の安定化層14とがはんだ15を介して接続される。
この構造においても、接続抵抗が低減された接続構造体を製造することができる。
Although the stabilization layer 14 of the oxide superconducting wire 1 is omitted in the structure shown in Figure 9, the connection structure 30 according to the embodiment of the present invention is not limited to the structure shown in Figure 9. As shown in Figure 1, the oxide superconducting wire 1 may also be provided with a stabilization layer 14. In this case, the stabilization layer 14 of the oxide superconducting wire 1 and the stabilization layer 14 of the electrode 25 are connected via solder 15.
Even with this structure, it is possible to manufacture a connection structure with reduced connection resistance.
なお、図8に示す接続構造体20及び図9に示す接続構造体30の各々は、はんだ15を介して、酸化物超電導線材と接続対象物とが接続された構造を有する。 Furthermore, each of the connection structures 20 shown in Figure 8 and 30 shown in Figure 9 has a structure in which the oxide superconducting wire and the object to be connected are connected via solder 15.
以上、本発明の好ましい実施形態を説明し、上記で説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、請求の範囲によって制限されている。 The above describes preferred embodiments of the present invention, and it should be understood that these are illustrative examples of the invention and should not be considered limiting. Additions, omissions, substitutions, and other modifications can be made without departing from the scope of the invention. Therefore, the invention should not be considered limited by the foregoing description, but rather limited by the claims.
上述した実施形態では、基材10と超電導層12との間に中間層11が配置されている構造(第1実施形態)について説明した。
本発明においては、基材の上方に超電導層が設けられていればよく、基材上に超電導層が設けられてもよいし、基材上に超電導層が直接的に接触してもよい。
In the embodiments described above, a structure in which an intermediate layer 11 is arranged between the substrate 10 and the superconducting layer 12 (first embodiment) was described.
In the present invention, it is sufficient for the superconducting layer to be provided above the substrate, the superconducting layer may be provided on the substrate, or the superconducting layer may be in direct contact with the substrate.
次に、実施例を参照して、本発明を具体的に説明する。 Next, the present invention will be specifically described with reference to examples.
(1)超電導層12と保護層13との間の界面抵抗の測定結果
表1は、凹部12Gの深さ及び凹部12Gの面積比率を変化させた場合において超電導層12と保護層13との間の界面抵抗を測定した結果を示している。
表1に示す界面抵抗(超電導層/Ag保護層の界面抵抗)の測定方法について説明する。
まず、図8に示すように、2つの酸化物超電導線材1、2が接合された接続構造体を用意する。2つの酸化物超電導線材1、2の各々は、同じ層構成(同じ仕様)を有している。2つの酸化物超電導線材1、2の各々は、基材10上に、中間層11、凹部12Gが形成されている超電導層12、及び保護層13が順に積層された層構成を有する。2つの酸化物超電導線材1、2の保護層13は、はんだ15を介して接続されている。
The measurement method for the interfacial resistance (interfacial resistance of the superconducting layer/Ag protective layer) shown in Table 1 will be explained below.
First, as shown in Figure 8, a connecting structure is prepared in which two oxide superconducting wires 1 and 2 are joined together. Each of the two oxide superconducting wires 1 and 2 has the same layer configuration (same specifications). Each of the two oxide superconducting wires 1 and 2 has a layer configuration in which an intermediate layer 11, a superconducting layer 12 with recesses 12G formed thereon, and a protective layer 13 are sequentially laminated on a base material 10. The protective layers 13 of the two oxide superconducting wires 1 and 2 are connected via solder 15.
次に、接続構造体を超電導状態にした状態で、酸化物超電導線材1の保護層13と酸化物超電導線材2の保護層13との間の抵抗値を測定する。このときの抵抗値は、酸化物超電導線材1における超電導層12と保護層13との界面における界面抵抗R1と、酸化物超電導線材2における超電導層12と保護層13との界面における界面抵抗R2との合計となる。なお、界面抵抗R1と界面抵抗R2とは同じ値である。 Next, with the connection structure in a superconducting state, the resistance between the protective layer 13 of oxide superconducting wire 1 and the protective layer 13 of oxide superconducting wire 2 is measured. The resistance at this time is the sum of the interfacial resistance R1 at the interface between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 in oxide superconducting wire 1, and the interfacial resistance R2 at the interface between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 in oxide superconducting wire 2. Note that interfacial resistances R1 and R2 are the same value.
したがって、1本の酸化物超電導線材における超電導層12と保護層13との間の界面抵抗の値は、上述のように測定された抵抗値の1/2となる。なお、保護層13とはんだ15との間にも抵抗が存在するが、この抵抗値は、上述の界面抵抗R1、R2に比べれば非常に小さい。このため、保護層13とはんだ15との間の抵抗値は無視できる。 Therefore, the interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13 in a single oxide superconducting wire is half the resistance value measured as described above. Although resistance also exists between the protective layer 13 and the solder 15, this resistance is very small compared to the interfacial resistances R1 and R2 described above. Therefore, the resistance between the protective layer 13 and the solder 15 can be ignored.
表1において、比較例は、超電導層12に凹部12Gが形成されていない酸化物超電導線材を示している。実施例1、2は、超電導層12に複数の凹部12Gが形成されている酸化物超電導線材を示している。
実施例1、2の各々においては、超電導層12の表面12Fに対してレーザ光を照射し、表面12Fを部分的にエッチングし、複数の凹部12Gを形成した(図3参照)。複数の凹部12Gの各々のサイズに関し、深さは0.5μmとし、直径は50μmとした。超電導層12の平均厚さは、2.1μmであった。
In Table 1, the comparative example shows an oxide superconducting wire in which no recesses 12G are formed in the superconducting layer 12. Examples 1 and 2 show oxide superconducting wires in which multiple recesses 12G are formed in the superconducting layer 12.
In each of Examples 1 and 2, a laser beam was irradiated onto the surface 12F of the superconducting layer 12 to partially etch the surface 12F and form a plurality of recesses 12G (see Figure 3). The size of each of the plurality of recesses 12G was set to a depth of 0.5 μm and a diameter of 50 μm. The average thickness of the superconducting layer 12 was 2.1 μm.
これに対し、表1に示す実施例3は、凹部12Gの深さの点で実施例1とは異なっており、実施例3における凹部12Gの深さは、1.0μmとした。なお、実施例3においては、互いに隣り合う2つの凹部12Gの間の間隔が0.16mmとしたため、実施例3の凹部12Gの面積比率は、実施例1と同じである。 In contrast, Example 3, shown in Table 1, differs from Example 1 in that the depth of the recess 12G is 1.0 μm. In Example 3, the distance between two adjacent recesses 12G is 0.16 mm, so the area ratio of the recesses 12G in Example 3 is the same as in Example 1.
表1に示す界面抵抗(超電導層12と保護層13との間の界面抵抗)の結果から明らかなように、比較例の界面抵抗の値は30(×10-9Ω/cm2)であり、実施例1の界面抵抗の値は27(×10-9Ω/cm2)であり、実施例2の界面抵抗の値は25(×10-9Ω/cm2)であり、実施例3の界面抵抗の値は24(×10-9Ω/cm2)であった。 As is clear from the results of the interfacial resistance (interfacial resistance between the superconducting layer 12 and the protective layer 13) shown in Table 1, the interfacial resistance value for the comparative example was 30 (× 10⁻⁹ Ω/ cm² ), the interfacial resistance value for Example 1 was 27 (× 10⁻⁹ Ω/ cm² ), the interfacial resistance value for Example 2 was 25 (× 10⁻⁹ Ω/ cm² ), and the interfacial resistance value for Example 3 was 24 (× 10⁻⁹ Ω/ cm² ).
表1に示す結果から、超電導層12に複数の凹部12Gが形成されていない比較例の界面抵抗よりも、超電導層12に複数の凹部12Gが形成されている実施例1~3の界面抵抗が低いことが明らかとなった。
実施例1、2を比較すると、凹部12Gの面積比率を高めることで、界面抵抗が低くなることが明らかとなった。
実施例1、3を比較すると、凹部12Gの深さを大きくすることで、界面抵抗が低くなることが明らかとなった。
The results shown in Table 1 clearly show that the interfacial resistance of Examples 1 to 3, in which multiple recesses 12G are formed in the superconducting layer 12, is lower than that of the Comparative Example, in which multiple recesses 12G are not formed in the superconducting layer 12.
Comparing Examples 1 and 2, it became clear that increasing the area ratio of the recess 12G lowers the interfacial resistance.
Comparing Examples 1 and 3, it became clear that increasing the depth of the recess 12G lowers the interfacial resistance.
(2)酸素熱処理時間の測定結果
図10は、上述した比較例、実施例1、及び実施例2の酸化物超電導線材に関し、熱処理時間と臨界電流値との関係を調べた結果を示している。
図10の結果は、以下の条件に基づいて得られている。
(2) Measurement results of oxygen heat treatment time Figure 10 shows the results of investigating the relationship between heat treatment time and critical current value for the oxide superconducting wires of the comparative example, Example 1, and Example 2 described above.
The results in Figure 10 were obtained under the following conditions.
(熱処理条件1)
熱処理炉の雰囲気を酸素雰囲気とした。酸化物超電導線材を熱処理炉内に配置した。熱処理炉内の温度が200℃以上に設定された状態を4時間~12時間保持した。熱処理が終了した後、かつ、熱処理炉の温度が50℃以下になった後、熱処理炉から酸化物超電導線材を取り出した。
(Heat treatment condition 1)
The atmosphere inside the heat treatment furnace was set to an oxygen atmosphere. Oxide superconducting wires were placed inside the heat treatment furnace. The temperature inside the heat treatment furnace was set to 200°C or higher and maintained for 4 to 12 hours. After the heat treatment was completed and the temperature inside the heat treatment furnace had fallen below 50°C, the oxide superconducting wires were removed from the heat treatment furnace.
(熱処理条件2)
熱処理炉の雰囲気を酸素雰囲気とした。酸化物超電導線材を熱処理炉内に配置した。熱処理炉内の温度が500℃以上に設定された状態を12時間保持した。熱処理が終了した後、かつ、熱処理炉の温度が50℃以下になった後、熱処理炉から酸化物超電導線材を取り出した。熱処理条件2は、酸素熱処理を十分に行うための熱処理条件である。
(Heat treatment conditions 2)
The atmosphere inside the heat treatment furnace was set to an oxygen atmosphere. The oxide superconducting wire was placed inside the heat treatment furnace. The temperature inside the heat treatment furnace was set to 500°C or higher and maintained for 12 hours. After the heat treatment was completed and the temperature inside the heat treatment furnace had fallen below 50°C, the oxide superconducting wire was removed from the heat treatment furnace. Heat treatment condition 2 is a heat treatment condition for ensuring sufficient oxygen heat treatment.
(臨界電流(Ic)の測定)
熱処理条件1により、比較例、実施例1、及び実施例2の酸化物超電導線材に熱処理を施し、その後、比較例、実施例1、及び実施例2の酸化物超電導線材の各々の臨界電流(Ic)を測定した。
(Measurement of critical current (I c ))
The oxide superconducting wires of Comparative Example, Example 1, and Example 2 were heat-treated according to heat treatment condition 1, and then the critical current ( Ic ) of each of the oxide superconducting wires of Comparative Example, Example 1, and Example 2 was measured.
(基準臨界電流(Ic0)の測定)
熱処理条件2により、比較例、実施例1、及び実施例2の酸化物超電導線材に熱処理を施し、その後、比較例、実施例1、及び実施例2の酸化物超電導線材の各々の基準臨界電流(Ic0)を測定した。
(Measurement of reference critical current (I c0 ))
The oxide superconducting wires of the Comparative Example, Example 1, and Example 2 were heat-treated under heat treatment condition 2, and then the reference critical current (I c0 ) of each of the oxide superconducting wires of the Comparative Example, Example 1, and Example 2 was measured.
(臨界電流の規格化)
比較例、実施例1、及び実施例2の酸化物超電導線材の各々の臨界電流(Ic)をI0で規格化した。すなわち、Ic/Ic0の値を求めた。Ic/Ic0の値が0.97以上となった点を最小酸素熱処理時間と定義した。
(Normalization of critical current)
The critical current ( Ic ) of each oxide superconducting wire in Comparative Example, Example 1, and Example 2 was normalized by I0 . That is, the value of Ic / Ic0 was determined. The point at which the value of Ic / Ic0 was 0.97 or higher was defined as the minimum oxygen heat treatment time.
図10から明らかなように、比較例における最小酸素熱処理時間は10時間であった。実施例1における最小酸素熱処理時間は9時間であった。実施例2における最小酸素熱処理時間は8時間であった。
つまり、超電導層12に凹部12Gが形成されている実施例1、2の酸化物超電導線材においては、超電導層12に凹部12Gが形成されていない比較例の酸化物超電導線材よりも、最小酸素熱処理時間を短縮することができることが明らかとなった。
さらに、複数の凹部12Gの開口面積の比率が0.6%である実施例2においては、複数の凹部12Gの開口面積の比率が0.3%である実施例1よりも、最小酸素熱処理時間を短縮することができることが明らかとなった。
As is clear from Figure 10, the minimum oxygen heat treatment time in the comparative example was 10 hours. The minimum oxygen heat treatment time in Example 1 was 9 hours. The minimum oxygen heat treatment time in Example 2 was 8 hours.
In other words, it was found that in the oxide superconducting wires of Examples 1 and 2, in which recesses 12G are formed in the superconducting layer 12, the minimum oxygen heat treatment time can be shortened compared to the oxide superconducting wire of the comparative example, in which recesses 12G are not formed in the superconducting layer 12.
Furthermore, in Example 2, where the ratio of the opening areas of the multiple recesses 12G is 0.6%, it was found that the minimum oxygen heat treatment time could be shortened compared to Example 1, where the ratio of the opening areas of the multiple recesses 12G is 0.3%.
1…酸化物超電導線材(第1酸化物超電導線材)、2…酸化物超電導線材(第2酸化物超電導線材)、10…基材、11…中間層、12…超電導層、12B…底面、12C…中央領域、12E…端部、12ER…端領域、12F…表面、12G…凹部、12H…形成領域、12I…内壁面、12K…傾斜部、13…保護層、14…安定化層、15…はんだ、20…接続構造体、25…電極、30…接続構造体、BF…界面、CF…結晶面、CR…結晶 1…Oxide superconducting wire (first oxide superconducting wire), 2…Oxide superconducting wire (second oxide superconducting wire), 10…Substrate, 11…Intermediate layer, 12…Superconducting layer, 12B…Bottom surface, 12C…Central region, 12E…End, 12ER…End region, 12F…Surface, 12G…Recess, 12H…Formation region, 12I…Inner wall surface, 12K…Inclined portion, 13…Protective layer, 14…Stabilizing layer, 15…Solder, 20…Connecting structure, 25…Electrode, 30…Connecting structure, BF…Interface, CF…Crystal plane, CR…Crystal
Claims (7)
前記基材の上方に設けられ、酸化物超電導体によって構成された超電導層と、
前記超電導層上に設けられ、前記超電導層に接する保護層と、
を備え、
前記超電導層と前記保護層との間において、前記超電導層には、内壁面を有する複数の凹部が形成されており、
前記保護層は、前記複数の凹部内に形成されており、
前記内壁面は、c軸方向に平行である、
酸化物超電導線材。 Substrate and
A superconducting layer, made of an oxide superconductor, is provided above the aforementioned substrate,
A protective layer provided on the superconducting layer and in contact with the superconducting layer,
Equipped with,
Between the superconducting layer and the protective layer, the superconducting layer has a plurality of recesses having inner wall surfaces.
The protective layer is formed in the plurality of recesses,
The inner wall surface is parallel to the c-axis direction.
Oxide superconducting wire.
前記基材の上方に設けられ、酸化物超電導体によって構成された超電導層と、
前記超電導層上に設けられ、前記超電導層に接する保護層と、
を備え、
前記超電導層と前記保護層との間において、前記超電導層には、内壁面を有する複数の凹部が形成されており、
前記保護層は、前記複数の凹部内に形成されており、
前記内壁面は、c軸方向に対して傾斜している、
酸化物超電導線材。 Substrate and
A superconducting layer, made of an oxide superconductor, is provided above the aforementioned substrate,
A protective layer provided on the superconducting layer and in contact with the superconducting layer,
Equipped with,
Between the superconducting layer and the protective layer, the superconducting layer has a plurality of recesses having inner wall surfaces.
The protective layer is formed in the plurality of recesses,
The inner wall surface is inclined with respect to the c-axis direction .
Oxide superconducting wire.
前記端領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数は、前記中央領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数よりも多い、
請求項1又は請求項2に記載の酸化物超電導線材。 In the width direction of the oxide superconducting wire, which is perpendicular to the extending direction in which the oxide superconducting wire extends and the thickness direction of the oxide superconducting wire, the superconducting layer has two end regions including the ends of the superconducting layer and a central region between the two end regions.
The number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the end region is greater than the number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the central region.
The oxide superconducting wire according to claim 1 or claim 2 .
前記中央領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数は、前記端領域において前記超電導層に形成されている前記複数の凹部の単位面積あたりの個数よりも多い、
請求項1又は請求項2に記載の酸化物超電導線材。 In the width direction of the oxide superconducting wire, which is perpendicular to the extending direction of the oxide superconducting wire and the thickness direction of the oxide superconducting wire, the superconducting layer has two end regions including the ends of the superconducting layer and a central region between the two end regions.
The number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the central region is greater than the number of the plurality of recesses formed in the superconducting layer per unit area in the edge region.
The oxide superconducting wire according to claim 1 or claim 2 .
請求項1又は請求項2に記載の酸化物超電導線材。 The depth of the recess is smaller than the average thickness of the superconducting layer.
The oxide superconducting wire according to claim 1 or claim 2 .
請求項1又は請求項2に記載の酸化物超電導線材。 In a plan view, the ratio of the total opening area of the multiple recesses to the area of the superconducting layer is 0.30% or more and 0.60% or less.
The oxide superconducting wire according to claim 1 or claim 2 .
前記酸化物超電導線材が接続された接続対象物と、
を有する接続構造体。 The oxide superconducting wire material according to claim 1 or claim 2 ,
The object to which the oxide superconducting wire is connected ,
A connection structure having the following properties.
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