2018 Fiscal Year Research-status Report
Bi系高温超伝導ウィスカーの臨界電流密度改善と単独型テラヘルツ波発振素子への応用
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17K06362
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| Research Institution | Yonago National College of Technology |
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Principal Investigator |
田中 博美 米子工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (60511491)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子・電気材料 / 解析・評価 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は未利用周波数帯であるテラヘルツ(THz)波を高出力発振できる素子を作製することを目指す。素子作製にはBi系高温超伝導体の内部構造である固有ジョセフソン接合を利用する。また、Bi系高温超伝導体には高出力化に必要な“高い臨界電流密度”と“優れた放熱性”を兼ね備えた針状単結晶(ウィスカー)を採用した。具体的には以下の3点について検討を行う。
① Bi系高温超伝導ウィスカーのJcを改善し、THz波発振素子への投入電力を増加させる。
② 放熱性に優れるウィスカー単独型のTHz波発振素子を作製しジョセフソン特性およびTHz波の発振を観測する。
③ 汎用型バルク敏感光電子分光法を用いてJc改善およびTHz波発振素子の作製プロセスにおける電子／化学結合状態の変化を調べる(①と②にフィードバックする)。
特に本年度は、昨年度に引き続きBi系超伝導ウィスカーにおけるJc特性改善を行うため、①のBi系超伝導材料におけるJc増大に取り組んだ。
昨年度の研究で、Bi系超伝導ウィスカーを部分的に水と接触させ、表面に非超伝導層を形成する“表面改質処理”を施すことで、Jc値が増加することを示した。一方で、水浸処理により試料全体の超伝導転移温度（Tc）が大きく低下してしまうという問題点があった。そこで、Tc低下の原因を光電子分光法(XPS)により調査し、JcとTcを両立できる条件を探った。XPSの結果、水浸処理によりCu2p XPSスペクトルのサテライト強度が減少し、超伝導層で過剰な還元が生じていることが分かった。そこで、水浸処理前に種々の条件下で酸素アニール処理を施し、酸素を十分に供給した。その後、水浸処理を施した。その結果、水浸後のTcが74Kから87Kへ改善されJcも約1.7倍に向上することが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度の研究でBi系高温超伝導ウィスカーと水との反応を利用した表面改質処理および酸素アニール処理により、高Jc化が実現できることを明らかにした。特に、表面改質前の酸素アニールでキャリア密度を適切に保つことでJc値が一層増加することを突き止めた。また、作製した高Jc-Bi系高温超伝導ウィスカーにおいてTHz発振に必要なジョセフソン接合特性を得るための予備実験も順調に進んでいる。以上のことから、本研究は、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
① Bi系高温超伝導ウィスカーの性能向上
Bi系高温超伝導ウィスカーのJc値を一層改善するため、表面改質法に加えて、局所的なナノスケール結晶構造歪を導入する。添加元素の種類と量を種々に変えて最適化することでJc値の改善に繋がるかどうか明らかにする。
② Bi系超伝導ウィスカー単独型発振素子による放熱性の改善
①で作製した高Jc - Bi系高温超伝導ウィスカーに対して水素アニール処理法もしくはポリイミド加工法を適用する。これにより、Bi系高温超伝導ウィスカーに内在する固有ジョセフソン接合を利用できる単独型素子を作製する。そして、まずは発熱効果と密接な関係がある電流-電圧特性や抵抗-温度特性の変化について系統的な評価を行う。
③ Bi系超伝導材料の電子／化学状態解析
①と②で作製した試料において、表面処理による化学結合状態へのダメージ等の情報をフィードバックする必要がある。この評価は微小部光電子分光装置(μXPS) (島津Kratos製、AXIS-ULTRA)を用いた分析により行う。
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[Journal Article] Pressure-induced Superconductivity in Tin Sulfide2019
Author(s)
R. Matsumoto, P. Song, S. Adachi, Y. Saito, H. Hara, A. Yamashita, K. Nakamura, S. Yamamoto, H. Tanaka, T. Irifune, H. Takeya, and Y. Takano
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 99
Pages: 184502
DOI
Peer Reviewed
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