2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of an innovative evaluation method for superconducting devices due to phase transition on two-dimensional superconductors
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17K06390
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
市川 聡夫 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (30223085)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牧瀬 圭正 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (60363321)
篠崎 文重 九州大学, 理学研究院, 教授 (80117126)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 超伝導デバイス / 超伝導ゆらぎ / 超伝導－絶縁体転移 / デバイス評価 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導ゆらぎや超伝導－絶縁体転移（SI転移）が超伝導デバイスへおよぼす影響を評価するために、系統的に超伝導材料を変えて、材料による違いが、超伝導ゆらぎやSI転移のパラメータ、そしてデバイスパラメータに及ぼす影響を調べている。MoN薄膜の面抵抗に対する超伝導転移温度（Tc）の低下は、NbN薄膜と同様に電子局在で説明するFinkel'steinの式と良く一致し、弾性散乱時間及び臨界面抵抗は近い値であった。一方で、平均自由行程は求め方によって大小も異なる結果となった。また、MoN薄膜に対して磁場誘起のSI転移が観測され、スケーリング則が成り立っている。つまり、膜厚誘起と磁場誘起でメカニズムが異なる可能性がある。また、Tcの上下両方の温度領域で、ホール抵抗の磁場依存性にピークが観測された。Tc以上の温度におけるピークは超伝導ゆらぎによる解析と一致することから、絶縁体側にクーパー対が存在する可能性を示している。MoRu薄膜やMoRe薄膜についても、MoNと同様な実験結果を得ている。特に、RFスパッタにより作製したMoRe薄膜では、超伝導ゆらぎや膜厚誘起のSI転移を観測した。超伝導特性は薄膜の乱れの状態と密接に関係しており、フェルミ波数と平均自由行程の積kF Lの値が目安になることを示した。つまり、膜厚を薄くし、臨界面抵抗に近づくとkF Lは減少していき、臨界面抵抗付近で1程度になる。ただし、減少する割合（傾き）は試料の種類によって異なり、材料の特性を示すパラメータとして期待される。異なる系統の材料としてNbGeN薄膜も作製している。窒素分圧を1%以下までも少なくして成膜したが、実験の範囲内で最も少なくした0.3％でも薄膜の40％程度含まれており、窒素分圧でコントロールすることはかなり難しいことがわかった。
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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
MoN薄膜の解析が進み、MoRuやMoRe薄膜の作製、超伝導－絶縁体転移の観測など、試料作製および測定に関しては進んでいる。研究実施計画ではMoN薄膜のMo/N組成比依存性を測定する予定であったが、MoRuやMoReなど原子を変更した場合の変化を調べる方が、デバイスパラメータの調査には効率的であるとして、変更した。その他は計画通りに進んでいる。
Nb-Ge-N薄膜はわずかな窒素分圧でも、NbがNと反応し窒素組成比が40％程度になることがわかった。そのため、Nb3Geを作製しその後で窒素と反応させるなど、作製方法の工夫が必要である。
ロックインアンプを使った測定方法が有効であることは確認した。実際の測定で利用できるような整備が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
Mo系超伝導薄膜の材料による乱れと物理量との関係を詳細に調べる。特に材料としては、MoReの成分比や基板の違いにより乱れの状態を変えた試料を作製し、電気抵抗や磁気抵抗測定を行う。
デバイスパラメータと物理量との関係を明らかにするために、デバイスチップを設計、作製し、デバイスパラメータを実測し、物理量からの予想と対応しているか検証を行う。
測定に関しては、高感度測定とより低温での測定を計画している。
高感度測定は、ロックインアンプを用いた高精度な測定系の構築を進めており、これまで以上に高精度な測定データを用いて、解析を行う。特にホールピークの観測には、ノイズを低減することができる微小信号交流変調法による測定を行う。
2 K以下のTc等のデータも加えることにより、測定データがより確度の高いものとなる。現在測定に用いちているPPMSのオプションを追加したり、他研究機関との共同研究などで、2 K以下の測定を実現する。
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| Causes of Carryover |
研究代表者と研究分担者の篠崎については、ほぼ計画通りに使用してきており、それぞれの項目の端数で次年度使用額が生じた。次年度の物品費や旅費として使用する。
研究分担者の牧瀬については、研究計画の軽微な見直しに伴い、基板やターゲット等の購入を次年度に行うことにしたためである。
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