| Project/Area Number |
21K04143
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyota College |
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Principal Investigator |
及川 大 豊田工業高等専門学校, 電気・電子システム工学科, 准教授 (40707808)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
塚本 武彦 豊田工業高等専門学校, 電気・電子システム工学科, 教授 (10217284)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | ジョセフソン接合 / テラヘルツ電磁波発振 / ビスマス系高温超伝導体 / 高温超伝導体 / テラヘルツ電磁波 / 微細加工 / 超伝導体 / 自己発熱効果 |
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| Outline of Research at the Start |
超伝導体は次世代デバイス材料として注目されており，未開拓周波数領域であるテラヘルツ(THz)電磁波発振源への応用が期待されている。しかし，超伝導体を用いたTHz発振器は動作時に自己発熱が伴うため，それにより超伝導状態が破壊されてしまい，発振THz電磁波の出力が低下してしまう問題がある。そこで，自己発熱の抑制はTHz発振器の出力向上には必要不可欠であると考えた。本研究では，自己発熱の抑制手法を数値計算を用いて検証し，さらにその結果をもとに超伝導THz電磁波発振デバイスを作製し実験的にTHz電磁波出力の向上を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和5年度においては，研究代表者が所属機関の海外在外研究員制度として，ドイツのテュービンゲン大学に渡航して研究活動を行っていた。したがって，従来計画していたドライエッチング装置の構築を行うことができなかった。よって，超伝導体結晶の切削加工ができず，テラヘルツ電磁波発振素子の作製に至らなかったため，当初計画していた発振素子の電磁気的特性の実験的評価が行うことができなかった。
研究分担者はビスマス系高温超伝導体単結晶を自己フラックス法において成長させるときにビスマスの配合比を組成比より多く添加することによって結晶性が向上することに成功した。これはX線回折装置におけるロッキングカーブから定量的に確認している。また，その余剰ビスマスの添加量を最適化した。
一方，メサ形で直方体の形状を想定した超伝導テラヘルツ発振器に関して，温度分布に関する熱伝導方程式だけでなく，内部の電磁場を記述する結合サイン・ゴードン方程式を解くことによって発熱と電磁波発振の関連性を数値解析的に評価した。発振素子の両端に発熱体を設置することによって，結晶内部の臨界温度を超える領域の減少を数値解析的に示した。これは電磁波発振に寄与する領域の増大を意味しており発振強度の増加を示唆している。また，発振に関連する超伝導体内部に生じる電界についても計算し，発熱体の設置により，電磁波の定在波が生じることがわかった。これは超伝導発振器そのものが共振器として振る舞うという先行研究結果と一致し，発振強度の増大が強く示唆された。また定在波のパターン(モード)は外部発熱体の出力に大きく依存することが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和5年度においては，所属機関の海外在外研究員制度として，ドイツに渡航していたため，本来計画していたドライエッチング装置の作製を行うことができなかった。そのため超伝導テラヘルツ発振試料を作製することができず，当初計画していた実験的評価ができなかった。一方，数値計算においては，超伝導テラヘルツ発振器の両端に発熱体を設置することによって，内部の温度分布の改善（臨界温度を超える領域の減少）及び，発振強度の増加が強く示唆された。このことから「やや遅れている」が妥当であると考えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度はドライエッチング装置の構築を最優先して行う。高周波電源を購入し，スパッタ装置と同様の構造の装置を構築する。しかし，この装置を用いてエッチングを行った場合は，エッチング対象の試料温度が上昇し，フォトレジストが硬化する可能性が高いため，試料ステージに水冷機構を構築する予定である。
また，ビスマス系高温超伝導体単結晶を，真空蒸着装置，フォトリソグラフィ，上記のドライエッチング等の微細加工技術を用いて，メサ形の超伝導テラヘルツ発振素子を作製する。その発振素子を冷凍機に設置し，極低温化での電流-電圧特性を計測し，数値解析によって得られた特性と比較する。次に発振メサ両端に外部発熱体を設置し，その発熱量と電流-電圧特性の関連性を実験的に明らかにする予定である。具体的な発熱体の設置には，微細加工時に発振に寄与するメサ近傍に小さな発熱用のメサを作成することを計画している。その発熱用のメサに臨界電流以上の電流を印加することによって，発振メサの端部の加熱及び加熱量の制御が可能であると考えている。
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