鉄系超伝導物質のエピタキシャル薄膜成長と超伝導デバイスの試作

• 研究課題/領域番号: 10J08411
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 機能材料・デバイス
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 片瀬 貴義 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2010 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円); 2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2010年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
• キーワード: 鉄系超伝導体 / エピタキシャル薄膜 / バイクリスタル粒界 / 超伝導線材 / 臨界電流密度 / ジョセフソン接合 / 超伝導量子干渉素子

研究概要

高温超伝導体は、高い温度までゼロ抵抗で電流を流すことができるため、理想的な電力輸送素子として期待されている。しかし、銅酸化物系超伝導体を用いた超伝導線材では、傾角粒界において臨界電流密度(J_c)が急激に劣化するので、1MA/cm^2以上の高いJ_cを示す線材を実現するためには、結晶粒を強く面内配向させる必要があった。
近年発見された鉄系超伝導体は、超伝導転移温度が50Kを超える新しい高温超伝導体で、100T級の高い上部臨界磁場を示すため、超伝導線材としての応用が期待されている。特に、鉄系超伝導体は、銅酸化物系に比べて、超伝導特性の異方性が極端に小さい特徴を持っているため、銅酸化物系とは異なった、結晶粒界での伝導特性を示すと期待される。
本研究では、バイクリスタル基板を用いて、Co添加BaFe_2As_2エピタキシャル薄膜に傾角3～45度まで幅広い範囲の傾角粒界接合を形成し、傾角粒界がJ_cに与える影響を調べた。傾角粒界を介したJ_cは9度まで維持され、この臨界角を超えても臨界電流密度が急激に低下しない(高い特性角)ことが分かった。この臨界角は、銅酸化物系のYba_2Cu_3O_<7-δ>の値3-5度よりも大きく、線材基板の面内配向制御の制約が少ないことを意味しており、鉄系超伝導体の線材応用への優位性を明らかにした。
実際に、イオンビームアシスト堆積法により作製された薄膜線材基板上にCo添加BaFe_2As_2膜を作製し、面内配向度が5-7度の基板でも単結晶基板上と同等の超伝導特性を示す薄膜線材を実現し、高磁場応用の高J_c線材としての応用性を示した。

研究成果

• [雑誌論文] Thin film growth and device fabrication of iron-based superconductors (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Hiramatsu, T.Katase, T.Kamiya, H.Hosono
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 81 号: 1 ページ: 011011-011011
  • DOI: 10.1143/jpsj.81.011011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microstructure and transport properties of [001]-tilt bicrystal grain boundaries in iron pnictide superconductor, cobalt-doped BaFe_2As_2 (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Hiramatsu, T.Katase, Y.Ishimaru, A.Tsukamoto, T.Kamiya, K.Tanabe, H.Hosono
  • 雑誌名: Mater.Sci.Eng.B 巻: 177 号: 7 ページ: 515-519
  • DOI: 10.1016/j.mseb.2011.12.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Advantageous grain boundaries in iron pnictide superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Katase, Y.Ishimaru, A.Tsukamoto, H.Hiramatsu, T.Kamiya, K.Tanabe, H.Hosono
  • 雑誌名: Nat.Commun. 巻: 2 号: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms1419
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biaxially textured cobalt-doped BaFe_2As_2 films with high critical current density over 1MA/cm^2 on MgO-buffered metal-tape flexible substrates (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Katase, H.Hiramatsu, V.Matias, C.Sheehan, Y.Ishimaru, T.Kamiya, K.Tanabe, H.Hosono
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 巻: 98 号: 24
  • DOI: 10.1063/1.3599844
  • 査読あり
• [雑誌論文] Liquid vortex phase and strong c-axis pinning in low anisotropy BaCO_xFe_<2-x>As_2 pnictide films (2011)
  • 著者名/発表者名: B.Maiorov, T.Katase, S.A.Baily, H.Hiramatsu, T.G.Holesinger, H.Hosono, L.Civale
  • 雑誌名: Supercond.Sci.Technol. 巻: 24 号: 5 ページ: 055007-055007
  • DOI: 10.1088/0953-2048/24/5/055007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of epitaxial Co-doped BaFe_2As_2 thin films (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Mohan, T.Taen, H.Yagyuda, Y.Nakajima, T.Tamegai, T.Katase, H.Hiramatsu, H.Hosono
  • 雑誌名: Physica C 巻: 471 号: 21-22 ページ: 1181-1184
  • DOI: 10.1016/j.physc.2011.05.153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz conductivity measurement of FeSe_<0.5>Te_<0.5> and Co-doped BaFe_2As_2 thin film (2011)
  • 著者名/発表者名: D.Nakamura, T.Akiike, H.Takahashi, F.Nabeshima, Y.Imai, A.Maeda, T.Katase, H.Hiramatsu, H.Hosono, S.Komiya, I.Tsukada
  • 雑誌名: Physica C 巻: 471 号: 21-22 ページ: 634-638
  • DOI: 10.1016/j.physc.2011.05.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] liquid vortex phase and strong c-axis pinning in low anisotropy BaCo_xFe_<2-x>As_2 pnictide films (2011)
  • 著者名/発表者名: B.Maiorov, T.Katase, S.A.Baily, H.Hiramatsu, T.G.Holesinger, H.Hosono, L.Civale
  • 雑誌名: Supercond.Sci.Technol. 巻: 24
  • 査読あり
• [雑誌論文] Josephson junction in cobalt-doped BaFe_2As_2 epitaxial thin films on (La,Sr)(Al,Ta)O_3 bicrystal substrates (2010)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Yoshihiro Ishimaru, Akira Tsukamoto, Hidenori Hiramatsu, Toshio Kamiya, Keiichi Tanabe, Hideo Hosono
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 巻: 96
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Critical Current Density 4 MA/cm^2 in Co-Doped BaFe_2As_2 Epitaxial Films Grown on (La, Sr)(Al, Ta)O_3 Substrates without Buffer Layers (2010)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Toshio Kamiya, Hideo Hosono
  • 雑誌名: Appl.Phys.Express 巻: 3
  • 査読あり
• [雑誌論文] DC superconducting quantum interference devices fabricated using bicrystal grain boundary junctions in Co-doped BaFe_2As_2 epitaxial films (2010)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Yoshihiro Ishimaru, Akira Tsukamoto, Hidenori Hiramatsu, Toshio Kamiya, Keiichi Tanabe, Hideo Hosono
  • 雑誌名: Supercond.Sci.Technol. 巻: 23
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of Atomically Flat ScAlMgO_4 Epitaxial Buffer Layer and Low-Temperature Growth of High-Mobility ZnO Films (2010)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Kenji Nomura, Hiromichi Ohta, Hiroshi Yanagi, Toshio Kamiya, Masahiro Hirano, Hideo Hosono
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 10 ページ: 1084-1089
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impurities in FeAs-based superconductor, SrFe_2As_2, studied by first-principles calculations (2010)
  • 著者名/発表者名: Toshio Kamiya, Hidenori Hiramatsu, Takayoshi Katase, Masahiro Hirano Hideo Hosono
  • 雑誌名: Mater.Sci.&Eng.B 巻: 173 ページ: 244-247
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transport and magnetic properties of epitaxial Co-doped BaFe_2As_2 films (2010)
  • 著者名/発表者名: Shyam Mohan, Toshihiro Taen, Hidenari Yagyuda, Yasuyuki Nakajima, Tsuyoshi Tamegai, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono
  • 雑誌名: Supercond.Sci.Technol. 巻: 23
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of GaN epitaxial thin film on InGaZnO_4 single-crystalline buffer layer (2010)
  • 著者名/発表者名: Tomomasa. Shinozaki, Kenji Nomura, Takayoshi Katase, Toshio Kamiya, Masahiro Hirano, Hideo Hosono
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 518 ページ: 2996-2999
  • 査読あり
• [学会発表] Robust grain boundary nature of iron pnictide Superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Katase, Y.Ishimaru, A.Tsukamoto, H.Hiramatsu, T.Kamiya, K.Tanabe, H.Hosono
  • 学会等名: Mater.Res.Soc.Spring Meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA(招待講演)
• [学会発表] Bicrystal grain boundary junction of Fe-based superconductor Co-doped BaFe_2As_2 (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Katase, H.Hiramatsu, Y.Ishimaru, A.Tsukamoto, T.Kamiya, K.Tanabe, H.Hosono
  • 学会等名: The 15^<th> Japan-US Workshop on Advanced Superconductors
  • 発表場所: Osaka, Japan(招待講演)
• [学会発表] High critical current density 4MA/cm^2 in Co-doped BaFe_2As_2 epitaxial films grown on (La, Sr) (Al, Ta)_3 substrates without buffer layers「応用物理学論文奨励賞受賞記念講演」 (2011)
  • 著者名/発表者名: 片瀬貴義、平松秀典、神谷利夫、細野秀雄
  • 学会等名: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形
• [学会発表] 鉄系超伝導体Co添加BaFe_2As_2エピタキシャル薄膜の粒界特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 片瀬貴義、石丸喜康、塚本晃、平松秀典、神谷利夫、田辺圭一、細野秀雄
  • 学会等名: 2011年春季第58回応用物理学会関係連合講演会
  • 発表場所: 神奈川工科大学、神奈川
• [学会発表] Characterization of epitaxial Co-doped BaFe_2As_2 thin films (2010)
  • 著者名/発表者名: Shyam Mohan, Toshihiro Taen, Hidenori Yagyuda, Yasuyuki Nakajima, Tsuyoshi Tamegai, Takayoshi Katase. Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono
  • 学会等名: The 23rd International Symposium on Superconductivity 2010
  • 発表場所: Tsukuba
  • 年月日: 2010-11-02
• [学会発表] GRAIN BOUNDARY PROPERTIES OF IRON-PNICTIDE SUPERCONDUCTOR, COBALT-DOPED BaFe_2As_2 (Invited) (2010)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Yoshihiro Ishimaru, Akira Tsukamoto, Hidenori Hiramatsu, Toshio Kamiya, Keiichi Tanabe, Hideo Hosono
  • 学会等名: The 23rd International Symposium on Superconductivity 2010
  • 発表場所: Tsukuba
  • 年月日: 2010-11-01
• [学会発表] Terahertz conductivity measurement of thin films of Co-doped BaFe_2As_2 and FeSe_<1-x>Te_x (2010)
  • 著者名/発表者名: D.Nakamura, T.Akiike, H.Takahashi, F.Nabeshima, Y.Imai, A.Maeda, T.Katase, H.Hiramatsu, H.Hosono, S.Komiya, I.Tsukada
  • 学会等名: The 23rd International Symposium on Superconductivity 2010
  • 発表場所: Tsukuba
  • 年月日: 2010-11-01
• [学会発表] Josephson junction with Fe-based superconductor Co doped BaFe_2As_2 epitaxial film (2010)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Yoshihiro Ishimaru, Akira Tsukamoto, Hidenori Hiramatsu, Toshio Kamiya, Keiichi Tanabe, Hideo Hosono
  • 学会等名: Applied Superconductivity conference
  • 発表場所: Washington DC
  • 年月日: 2010-08-04
• [学会発表] High critical currents and strong pinning in low anisotropy BaCo_xFe_<2-x>As_2 thin films due to naturally grown correlated defects (2010)
  • 著者名/発表者名: B.Maiorov, T.Katase, H.Hiramatsu, L.Civale, S.A.Baily, T.G.Holesinger, H.Hosono
  • 学会等名: Applied Superconductivity conference
  • 発表場所: Washington DC
  • 年月日: 2010-08-04
• [学会発表] Chemical Stability of Co-doped AEFe_2As_2 (AE=Ba and Sr) Epitaxial Thin Films and Improvement of Crystalline Qualities and Superconducting Properties (2010)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Toshio Kamiya, Hideo Hosono
  • 学会等名: Mater.Res.Soc.Spring Meeting
  • 発表場所: San Francisco
  • 年月日: 2010-04-06
• [学会発表] Co添加BaFe_2As_2薄膜のバイクリスタル接合を用いた超伝導量子干渉素子 (2010)
  • 著者名/発表者名: 片瀬貴義、石丸喜康、塚本晃、平松秀典、神谷利夫、田辺圭一、細野秀雄
  • 学会等名: 2010年秋季第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎大学文教キャンパス、長崎
• [学会発表] Characterization of Ba(Fe_<1-x>Co_x)_2As_2 thin films by magnetization, transport and Hall measurements (2010)
  • 著者名/発表者名: Shyam Mohan, Toshihiro Taen, Hidenori Yagyuda, Yasuyuki Nakajima, Tsuyoshi Tamegai, Takayoshi Katase, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono
  • 学会等名: 日本物理学会第65回年次大会
  • 発表場所: 大阪府立大学中百舌鳥キャンパス、大阪
• [備考]
  • URL: http://www.khlab.msl.titech.ac.jp/~www/
• [備考]
  • URL: http://www.khlab.msl.titech.ac.jp/~www/