Effect of topochemical mixed anion control on apical site and improvement in physical properties of multi-layer type high Tc superconducting film

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04192
• Research Institution: National Institute of Technology, Kumamoto College
• Principal Investigator: 木場 信一郎 熊本高等専門学校, 熊本高等専門学校(八代キャンパス), 特命客員教授 (80311116)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊豫 彰 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, 上級主任研究員 (50356523)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: 頂点フッ素高温超伝導薄膜 / 多層型高温超伝導薄膜トポケミカル反応 / 銅酸化物頂点サイトトポケミカル反応 / 複合アニオン制御超伝導 / 酸素-フッ素置換複合アニオン物質 / 頂点サイトトポケミカル反応 / ペロブスカイト型高温超伝導薄膜 / トポケミカル反応フッ化物薄膜

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は，「（マスクパターン転換移動を含む）自動シャッター制御機構」を活用した「その場同時プロセス」へ移行し，当初の「研究実施計画」の「＜2＞Fg-FアシストHE-PLD法（Fg; CaF2,CuF2）における逐次プロセスの最適条件」を目標としたが，逐次プロセスまでには至らず．次年度前半へずれ込むこととなった．
【研究の成果】「その場同時プロセス」は，Fg-Fアシスト膜とHE-PLD膜をその場で堆積して試料を完成させるプロセスである．Fg-Fアシスト膜とHE-PLD膜の成膜プロセスをそれぞれのマクスにより分離してFg膜とHE-PLD膜間に間隙を設け無接触とすることにより，Ca拡散を抑制しFアシストのみを期待できる．＜2＞の逐次プロセスも同様のプロセスが含まれるため，Fアシストプロセスのプレ実証試験としても位置付ける．合わせて2023年度より，BaO2, Ca2Cu3Oy(O,F)2の交互PLD２層積層膜を成膜するプロセスで，基板温度をそれぞれ独立に制御できる工夫も追加し，以下のような結果を得た．
①薄膜のX線回折(XRD)では，F0223相c軸配向のピークが主に認められ，対してF0234,F0245相が消滅或いは低減された結果が得られた．
②超伝導転移と思われる抵抗率-温度特性が観測された．2022年度の結果（ゼロ抵抗転移温度(Tce)= 5.0 K付近 ,転移開始温度(Tco )= 54.8-58.4 K)に対して，△Tce≒10 K，△Tco≒30 Kと高温側シフトが観測された．
以上の結果より，現在までの最高Tce =23 Kには達していないが， Tcoは過去最高から10 K程度更新しており，研究計画を推進する上で、基本となる成膜プロセスの妥当性は確認できた．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

現在，2023年度その場同時プロセスについて，再現性を確認継続中であり，この段階での成果の発表を考慮している．2022年度に明らかになった課題は，概ね解決の方向ではあるが，本来計画としては，現時点では少なくとも逐次プロセスの条件探索に進んでいる予定であった．従って，今後大幅に遅延が予想され，あと１年程の研究期間延長が必要と考えている．

Strategy for Future Research Activity

「研究実施計画」の全体では，以下の<1>-<4>を目標としている．
<1>CaF2-FアシストHE-PLD法 における 同時プロセスの最適条件の探索，<2>Fg-FアシストHE-PLD法（Fg; CaF2,CuF2）における逐次プロセスの最適条件，<3>Fアシストプロセスの確立，超伝導物性とドーピング機構の関係，<4>高Tc 相の臨界電流Jc と[O2-/F-]部分置換量の関係．
2023年度に実施した「その場同時プロセス」では<1>-<2>の中間点として，2022年度に明らかとなった課題の解決策を見出す上で有効な結果を得ることができた． 2024年度は<2>の逐次プロセスにおいて，Fアシスト効果を中心とした探索を可能とする．
今後の推進方策としては，2024年度後半には，<2>の逐次プロセスにおいて，Fアシスト効果を中心とした探索に入り，その結果により<3>の超伝導物性とドーピング機構の関係について具体的なアプローチを開始する．<3>の段階では，Fアシスト効果を明らかとした上で，成膜プロセス及び試料の安定性と超伝導等の伝導特性の再現性の確保が必須となることから、この段階で何らかの成果を発表するために少なくとも2025年度末までの期間が必要となり，研究期間延長を予定している．

Causes of Carryover

理由；単結晶基板のサイズ変更により、試料作製の頻度の確保を優先したことにより、差額分が次年度使用額となった．
使用計画；2024年度学会発表参加費用の一部に充当を予定する．