JPH0764680B2 - 酸化物超伝導体薄膜用基板 - Google Patents
酸化物超伝導体薄膜用基板Info
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- JPH0764680B2 JPH0764680B2 JP2064302A JP6430290A JPH0764680B2 JP H0764680 B2 JPH0764680 B2 JP H0764680B2 JP 2064302 A JP2064302 A JP 2064302A JP 6430290 A JP6430290 A JP 6430290A JP H0764680 B2 JPH0764680 B2 JP H0764680B2
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、酸化物超伝導体薄膜を形成するための基板に
関し、特にYBa2Cu3Oxに代表される酸化物高温超伝導体
の斜方晶ａ軸配向エピタキシャル単結晶膜あるいは斜方
晶ｂ軸配向エピタキシャル単結晶膜を得る為の基板に関
するものである。
関し、特にYBa2Cu3Oxに代表される酸化物高温超伝導体
の斜方晶ａ軸配向エピタキシャル単結晶膜あるいは斜方
晶ｂ軸配向エピタキシャル単結晶膜を得る為の基板に関
するものである。
［従来の技術］ 超伝導転移温度（Tc）が液体窒素温度77Kを越す酸化物
超伝導体YBa2Cu3Ox（Tc＞90K）が発見されて以来、エレ
クトロニクス応用に向けてこのような超伝導体の薄膜形
成に関する研究開発が活発となっている。これまで薄膜
形成に用いられた基板結晶としてはコランダム構造のAl
2O3（格子定数ａ＝4.78Å,c＝12.95Å）,NaCl構造のNgO
（ａ＝4.215Å）,Y安定化ZrO2（ａ＝3.64Å,c＝5.27
Å），スピネル構造のMgAl2O4（ａ＝8.08Å），ペロウ
スカイト構造のSrTiO4（ａ＝3.91Å），ダイヤモンド構
造のSi（ａ＝5.43Å），擬イルメナイト構造のLiNbO
3（ａ＝5.148Å,c＝12Å）など多岐にわたっている。ま
た薄膜形成法もスパッタ法，真空共蒸着法，レーザ蒸着
法，有機金属熱分解法などで行なわれている。この中で
も基板としてSrTiO3とMgOが汎く用いられている。現在
では成膜法に依らず基板温度が約650℃以上で高Tcの超
伝導体の薄膜が得られている。しかしながらその薄膜は
多結晶配向膜であったりもし、また単結晶性薄膜であっ
ても基板表面に垂直にYBa2Cu3Oxのｃ軸が向いている、
いわゆるｃ軸配向膜である。一方、酸化物超伝導体のエ
レクトロニクス応用を考えるとｃ軸配向膜以外のａ軸配
向あるいはｂ軸配向膜の必要性も期待されている。最近
になって成膜時の基板温度を約590℃以下にすると、基
板SrTiO3上にａ軸配向軸が出来るとの報告（H.Asano et
al.Japanese Journal Applied Physics.,Vol.28,No.6
（1989）,L981）がある。
超伝導体YBa2Cu3Ox（Tc＞90K）が発見されて以来、エレ
クトロニクス応用に向けてこのような超伝導体の薄膜形
成に関する研究開発が活発となっている。これまで薄膜
形成に用いられた基板結晶としてはコランダム構造のAl
2O3（格子定数ａ＝4.78Å,c＝12.95Å）,NaCl構造のNgO
（ａ＝4.215Å）,Y安定化ZrO2（ａ＝3.64Å,c＝5.27
Å），スピネル構造のMgAl2O4（ａ＝8.08Å），ペロウ
スカイト構造のSrTiO4（ａ＝3.91Å），ダイヤモンド構
造のSi（ａ＝5.43Å），擬イルメナイト構造のLiNbO
3（ａ＝5.148Å,c＝12Å）など多岐にわたっている。ま
た薄膜形成法もスパッタ法，真空共蒸着法，レーザ蒸着
法，有機金属熱分解法などで行なわれている。この中で
も基板としてSrTiO3とMgOが汎く用いられている。現在
では成膜法に依らず基板温度が約650℃以上で高Tcの超
伝導体の薄膜が得られている。しかしながらその薄膜は
多結晶配向膜であったりもし、また単結晶性薄膜であっ
ても基板表面に垂直にYBa2Cu3Oxのｃ軸が向いている、
いわゆるｃ軸配向膜である。一方、酸化物超伝導体のエ
レクトロニクス応用を考えるとｃ軸配向膜以外のａ軸配
向あるいはｂ軸配向膜の必要性も期待されている。最近
になって成膜時の基板温度を約590℃以下にすると、基
板SrTiO3上にａ軸配向軸が出来るとの報告（H.Asano et
al.Japanese Journal Applied Physics.,Vol.28,No.6
（1989）,L981）がある。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、基板SrTiO3の結晶性は極めて悪く、かつ大口径
比が難かしい。又、比誘電率は室温で200〜300,77Kで数
1000と大きく、将来デバイスには不適な基板材料であ
る。他方、基板SrTiO3の面を（110）面にすることでａ
軸配向膜の形成が論議されているが、この場合も上記欠
点は除けない。さらに、格子定数の不整合|asub−ao|/
（asub＋ao）×0.5（ただし、asubおよびaoはそれぞれ
基板および成長薄膜の格子定数）は0.77％で、いわゆる
ヘテロエピタキシーの格子整合である0.1〜0.5％に比べ
大きい事から、界面の結晶性はよくない。
比が難かしい。又、比誘電率は室温で200〜300,77Kで数
1000と大きく、将来デバイスには不適な基板材料であ
る。他方、基板SrTiO3の面を（110）面にすることでａ
軸配向膜の形成が論議されているが、この場合も上記欠
点は除けない。さらに、格子定数の不整合|asub−ao|/
（asub＋ao）×0.5（ただし、asubおよびaoはそれぞれ
基板および成長薄膜の格子定数）は0.77％で、いわゆる
ヘテロエピタキシーの格子整合である0.1〜0.5％に比べ
大きい事から、界面の結晶性はよくない。
本発明の目的はYBa2Cu3Ox超伝導体のａ軸配向及び軸配
向のエピタキシャル膜を得る為の結晶性のよい基板を提
供することにある。
向のエピタキシャル膜を得る為の結晶性のよい基板を提
供することにある。
［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、酸化物高
温超伝導体の斜方晶ａ軸配向エピタキシャル単結晶膜を
形成するための基板であって、化学式REVO3またはRECrO
3（RE:希上類元素）からなる単結晶であることを特徴と
する。
温超伝導体の斜方晶ａ軸配向エピタキシャル単結晶膜を
形成するための基板であって、化学式REVO3またはRECrO
3（RE:希上類元素）からなる単結晶であることを特徴と
する。
さらに、本発明は酸化物高温超伝導体の斜方晶ｂ軸配向
膜を形成するための基板であって、化学式LaC0O3からな
る単結晶であることを特徴とする。
膜を形成するための基板であって、化学式LaC0O3からな
る単結晶であることを特徴とする。
［作 用］ まず本発明に至った材料選択の指針を以下に述べる。
高品質なエペタキシャル薄膜を得るには、基板結晶と薄
膜結晶との間で格子定数の整合性，熱膨張係数の整
合性，結晶構造の類似性，の３要素が重要であること
に本発明者は注目した。超伝導転移温度が90Kである酸
化物超伝導体YBa2Cu3Oxの格子定数は室温においては斜
方晶系でa0＝3.82Å,b0＝3.884Å,C0＝11.684Å（値は
報告者によって±0.002Åの違いがある）、熱膨張係数
は各軸方向におおよそ８〜11×10-6/K,結晶構造は酸素
欠損型ペロウスカイト構造である。格子定数のa0,b0の
温度変化を第１図に示す。この測定結晶はJ.D.Jorgense
nら（Physical Review B,Vol.36,No.7（1987）,3608〜3
616）のものであるが、ここで注目することは温度が上
昇するにつれて斜方晶系から正方晶系に相転移をし、そ
の相転移温度は酸素の量によって約600℃〜700℃の間で
あることである。aTは正方晶ａ軸の格子定数である。従
来デバイスにとって基板温度をより低くくして成膜する
低温成膜が不可欠であり、その際良質なエピタキシャル
単結晶膜の成長には成膜温度で格子整合をとる事が必要
となる。
膜結晶との間で格子定数の整合性，熱膨張係数の整
合性，結晶構造の類似性，の３要素が重要であること
に本発明者は注目した。超伝導転移温度が90Kである酸
化物超伝導体YBa2Cu3Oxの格子定数は室温においては斜
方晶系でa0＝3.82Å,b0＝3.884Å,C0＝11.684Å（値は
報告者によって±0.002Åの違いがある）、熱膨張係数
は各軸方向におおよそ８〜11×10-6/K,結晶構造は酸素
欠損型ペロウスカイト構造である。格子定数のa0,b0の
温度変化を第１図に示す。この測定結晶はJ.D.Jorgense
nら（Physical Review B,Vol.36,No.7（1987）,3608〜3
616）のものであるが、ここで注目することは温度が上
昇するにつれて斜方晶系から正方晶系に相転移をし、そ
の相転移温度は酸素の量によって約600℃〜700℃の間で
あることである。aTは正方晶ａ軸の格子定数である。従
来デバイスにとって基板温度をより低くくして成膜する
低温成膜が不可欠であり、その際良質なエピタキシャル
単結晶膜の成長には成膜温度で格子整合をとる事が必要
となる。
本発明は、YBa2Cu3Oxのａ軸配向膜を得るには温度約550
℃以下で、ｂ軸配向膜を得るには温度約450℃以下で、
各々格子整合と熱膨張係数整合がとれ、かつ結晶構造が
類似な基板を提示するものである。
℃以下で、ｂ軸配向膜を得るには温度約450℃以下で、
各々格子整合と熱膨張係数整合がとれ、かつ結晶構造が
類似な基板を提示するものである。
［実施例］ 以下に実施例によって本発明を詳細に説明する。
ヘテロエピタキシャル成長の為の前記３要素の中で結晶
構造類似の化合物として酸素八面体をユニットとしたGd
FeO3構造をもつ複合酸化物ABO3を選定した。これは前述
した酸化物超伝導体がCuを中心とした酸素八面体構造を
もつことからである。上記複合酸化物の熱膨張係数は６
〜11×10-6/Kの範囲内にある事が古くから整理されてい
るので、前記３要素の熱膨張係数の整合条件を満足する
ことになる。この２つの要素に限定される複合酸化物の
中から酸化物超伝導体のa0軸長に整合（不整合比0.5％
以下:|asub−ao|/（asub＋ao）×0.5）する化合物，及
びb0軸に整合する化合物を厳選した結果を表１に示す。
表１にはABO3以外で格子整合性のよいABO4化合物も示し
てある。
構造類似の化合物として酸素八面体をユニットとしたGd
FeO3構造をもつ複合酸化物ABO3を選定した。これは前述
した酸化物超伝導体がCuを中心とした酸素八面体構造を
もつことからである。上記複合酸化物の熱膨張係数は６
〜11×10-6/Kの範囲内にある事が古くから整理されてい
るので、前記３要素の熱膨張係数の整合条件を満足する
ことになる。この２つの要素に限定される複合酸化物の
中から酸化物超伝導体のa0軸長に整合（不整合比0.5％
以下:|asub−ao|/（asub＋ao）×0.5）する化合物，及
びb0軸に整合する化合物を厳選した結果を表１に示す。
表１にはABO3以外で格子整合性のよいABO4化合物も示し
てある。
この中で、LaC0O3はap＝5.436,αｐ＝60゜48′の菱面体
であるが、擬菱面体構造とするとar＝7.64Å，αｒ＝90
゜42′で擬正方晶ａ＝ar/2＝3.82Åとほぼ同じとなる。
他方REVO3及びRECrO3（RE:La,Ce,Rr,Nd,Sm）はほぼ立方
晶であるとされており、酸化物超伝導体YBa2Cu3OxのC0
軸とは表のように0.67％以下の不整合となる。またSr2T
iO4,Sr2IrO4,LaSrMnO4,LaSrGaO4は正方晶である為にYBa
2Cu3Oxのa0,b0軸とはほぼ整合するが、c0軸とは不整合
性が大きい欠点はある。
であるが、擬菱面体構造とするとar＝7.64Å，αｒ＝90
゜42′で擬正方晶ａ＝ar/2＝3.82Åとほぼ同じとなる。
他方REVO3及びRECrO3（RE:La,Ce,Rr,Nd,Sm）はほぼ立方
晶であるとされており、酸化物超伝導体YBa2Cu3OxのC0
軸とは表のように0.67％以下の不整合となる。またSr2T
iO4,Sr2IrO4,LaSrMnO4,LaSrGaO4は正方晶である為にYBa
2Cu3Oxのa0,b0軸とはほぼ整合するが、c0軸とは不整合
性が大きい欠点はある。
実施例１ LaC0O3の（110）結晶基板上に約400℃の温度でYBa2Cu3O
x膜をレーザ蒸着で成膜した結果、基板面に垂直にYBa2C
u3Oxのb0軸が配向したｂ軸配向膜がＸ線回析により確認
された。
x膜をレーザ蒸着で成膜した結果、基板面に垂直にYBa2C
u3Oxのb0軸が配向したｂ軸配向膜がＸ線回析により確認
された。
実施例２ REVO3及びRECrO3の（110）結晶基板上にレーザ蒸着によ
りYBa2Cu3Oxを基板温度約500℃で成膜した結果、基板面
に垂直にa0軸が配向したａ軸配向膜がｘ線回析により確
認された。
りYBa2Cu3Oxを基板温度約500℃で成膜した結果、基板面
に垂直にa0軸が配向したａ軸配向膜がｘ線回析により確
認された。
いずれの実施例においても、熱膨張係数がほぼ同じであ
る（８〜10×10-6/K）ことから成長したYBa2Cu3Ox膜は
エピタキシャル関係にあることはＸ線回回折により確認
できた。
る（８〜10×10-6/K）ことから成長したYBa2Cu3Ox膜は
エピタキシャル関係にあることはＸ線回回折により確認
できた。
実施例３ ABO4の一つSr2TiO4の（001）面基板上に同じく400〜500
℃で成膜したが、膜はｃ軸配向エピタキシャル膜であ
り、ａ又はｂ配向膜は得られなかった。
℃で成膜したが、膜はｃ軸配向エピタキシャル膜であ
り、ａ又はｂ配向膜は得られなかった。
以上に詳述したように、エピタキシャル成長３要素を基
に超伝導体YBa2Cu3Oxに適する基板結晶を提示，確認し
たが、YBa2Cu3Oxの代りに希土類元素を置き換えた超伝
導体の格子定数はa0＝3.799〜3.854Å,b0＝3.874〜3.91
4Åまで元素によって変わっているので本発明の基板結
晶は必ずしも最適ではないが、本発明に至った材料選定
の３原則に従えば各酸化物超伝導体に最適の基板が選定
でき、それらは化学式REVO3,RECrO3およびLaC0O3で限定
されてくる事は明らかである。
に超伝導体YBa2Cu3Oxに適する基板結晶を提示，確認し
たが、YBa2Cu3Oxの代りに希土類元素を置き換えた超伝
導体の格子定数はa0＝3.799〜3.854Å,b0＝3.874〜3.91
4Åまで元素によって変わっているので本発明の基板結
晶は必ずしも最適ではないが、本発明に至った材料選定
の３原則に従えば各酸化物超伝導体に最適の基板が選定
でき、それらは化学式REVO3,RECrO3およびLaC0O3で限定
されてくる事は明らかである。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、REC0O3,REVO3,REC
rO3を基板にすることで成膜時の温度における格子整合
が、膜となる超伝導体のa0軸あるいはb0軸と0.5％以下
であることから、これ迄得られなかったａ軸配向及びｂ
軸配向のエピタキシャル膜が得られる利点がある。
rO3を基板にすることで成膜時の温度における格子整合
が、膜となる超伝導体のa0軸あるいはb0軸と0.5％以下
であることから、これ迄得られなかったａ軸配向及びｂ
軸配向のエピタキシャル膜が得られる利点がある。
YBa2Cu3Oxの格子定数温度化と、LaC0O3,REVO3（RE＝Pr,
Nd,Sm）,RECrO3（RE＝Ce,Pr,Nd）の格子定数温度変化を
第１図に併せて示したが、成膜時の温度における格子定
数の差が極めて小さい（0.2％前後）ことが理解でき、
この基板材料の選定で極めて良質なエピタキシャルYBa2
Cu3Oxのａ又はｂ軸配向膜が得られることになる。
Nd,Sm）,RECrO3（RE＝Ce,Pr,Nd）の格子定数温度変化を
第１図に併せて示したが、成膜時の温度における格子定
数の差が極めて小さい（0.2％前後）ことが理解でき、
この基板材料の選定で極めて良質なエピタキシャルYBa2
Cu3Oxのａ又はｂ軸配向膜が得られることになる。
第１図は格子定数の温度変化を示す特性図である。
Claims (2)
- 【請求項１】酸化物高温超伝導体の斜方晶ａ軸配向エピ
タキシャル単結晶膜を形成するための基板であって、化
学式REVO3またはRECrO3（RE:希上類元素）からなる単結
晶であることを特徴とする酸化物超伝導体薄膜用基板。 - 【請求項２】酸化物高温超伝導体の斜方晶ｂ軸配向膜を
形成するための基板であって、化学式LaC0O3からなる単
結晶であることを特徴とする酸化物超伝導体薄膜用基
板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2064302A JPH0764680B2 (ja) | 1990-03-16 | 1990-03-16 | 酸化物超伝導体薄膜用基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2064302A JPH0764680B2 (ja) | 1990-03-16 | 1990-03-16 | 酸化物超伝導体薄膜用基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03265599A JPH03265599A (ja) | 1991-11-26 |
| JPH0764680B2 true JPH0764680B2 (ja) | 1995-07-12 |
Family
ID=13254321
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2064302A Expired - Fee Related JPH0764680B2 (ja) | 1990-03-16 | 1990-03-16 | 酸化物超伝導体薄膜用基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0764680B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4572386B2 (ja) * | 2005-03-30 | 2010-11-04 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 高品質Ｂｉ系酸化物超電導薄膜の作製法 |
-
1990
- 1990-03-16 JP JP2064302A patent/JPH0764680B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03265599A (ja) | 1991-11-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |