高温超伝導の科学:高温超伝導体の合成プロセスと新物質探索

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 04240108
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 坂東 尚周 京都大学, 化学研究所, 教授 (70027027)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高野 幹夫 京都大学, 化学研究所, 教授 (70068138) ; 庄野 安彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80013481) ; 兒嶋 弘直 山梨大学, 工学部, 教授 (90020346) ; 川合 知二 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (20092546) ; 内野倉 國光 東京大学, 工学部, 教授 (20015564)
• Keywords: 高温超伝導体 / 新物質探索 / 頂点酸素 / 人工格子 / 高圧合成 / 単結晶 / 電極酸化 / 梯子格子

Research Abstract

本研究は、(1)新物質・新組成の探索、(2)人工格子の設計と超伝導特性、(3)合成プロセスと超伝導の特性の研究を行うことを目的としてきた。その成果は以下の通りである。
(1)新物質・新組成の探索:高圧合成によりSr_<n-1>Cu_<n+1>O_<2n>(n:奇数)という梯子格子と呼ばれる特異な構造をした一連の新化合物を発見し、理論的にn=3ではスピンギャップをもつ擬一次元量子格子系であると予測されたが、実験的にそれを明らかにした。キャリアをドープすることにより、超伝導になることが期待される。La-214系の頂点酸素をClで完全に置換したSr_2CuO_2Cl_2のSrをNaで置換することによって、超伝導化に成功した。さらにCuO_2面をもう一枚含むCa_2Cu_2O_4Cl_2(La_2CaCu_2O_6構造)にNaをドープし、T_c=49Kの超伝導を得た。p型銅酸化物の頂点酸素の役割について再検討を迫る重要な研究成果である。炭酸基を含む銅酸化物のうち、Tl系銅酸化物のTlをCO_3で置換したTlSr_<4-x>Ba_xCu_2(CO_3)O_y(T_c=70K)が合成され、これが非常に興味ある結晶構造であることを明らかにした。
(2)人工格子の設計と超伝導特性:Y-123系の1単位胞層を用いて、超伝導を発現する最小単位を探り、絶縁体に接する界面のY-123の特性を明らかにした。無限層構造ACuO_2(A:アルカリ土類元素)の薄膜を中心として多くの人工格子を設計し、その超伝導を調べ、いくつかの構造が超伝導になることを見出した。
(3)合成プロセスと超伝導の特性:キヤリアドープの化学的処理として電気化学的手法とインターカレーションを検討し、いずれも超伝導化に有効であった。La_<1+t>Ba_<2-x>Cu_3O_<7+δ>やLa_<2-x>Sr_xO_4の合成時の雰囲気酸素分圧によってBaサイトのLaやLaサイトのSrの分布が異なり、超伝導に影響することを示した。La_<2-X>Ba_2CuO_4の単結晶育成において、酸素分圧を下げることによりx=0.113まで、固溶限を広げることができた。