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

• 研究課題/領域番号: 17K06362
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 米子工業高等専門学校
• 研究代表者: 田中 博美 米子工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (60511491)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 電子・電気材料 / 電気輸送特性改善 / 解析・評価 / ウィスカー / 高温超伝導体 / テラヘルツ

研究成果の概要

本研究では、未利用周波数帯(THz波)の活用を目指して、THz波発振素子作製の基礎技術に関する研究を行った。素子作製にはBi2Sr2Can-1CunOy (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した。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。
低温水素アニール処理法等を用いてBi系高温超伝導ウィスカー単独型素子を作製し、特性評価を行なった。その結果、固有ジョセフソン接合を簡単に利用できる素子の作製方法を明らかにすることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

未利用周波数帯であるTHz波は、IoTやビックデータ技術が必要とする超高速無線通信(6G通信)への応用が期待されている。特に高温超伝導体を利用したTHz光源は、小型で簡単に発振素子を実現できるとして注目されている。しかしながら、光源の出力が不十分という問題があり実用化に至っていない。本研究では、この高温超伝導THz光源の性能改善のため、放熱性の高い単独型発振素子の作製を行い、基礎特性を得ることに成功した。本研究の進展により、THz発振素子の小型化・高出力化が促進され、無線通信の超高速化実現に寄与することができたと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Efficient Removal of Noise-derived Components for Automatic XPS Spectral Decomposition Using Hierarchical Clustering (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami Ryo、Nakamura Kazuki、Tanaka Hiromi、Shinotsuka Hiroshi、Yoshikawa Hideki
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 18 号: 0 ページ: 201-207
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2020.201
  • NAID: 130007848464
  • ISSN: 1348-0391
  • 年月日: 2020-05-28
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical analysis of temperature and current distributions in large-size intrinsic Josephson junctions with self-heating (2020)
  • 著者名/発表者名: Oikawa Dai、Mitarai Haruki、Tanaka Hiromi、Tsuzuki Keita、Kumagai Yuki、Sugiura Toko、Andoh Hiroya、Tsukamoto Takehiko
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 10 号: 8 ページ: 085113-085113
  • DOI: 10.1063/5.0018989
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of multiple core-level XPS spectra decomposition method based on the Bayesian information criterion (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami Ryo、Tanaka Hiromi、Shinotsuka Hiroshi、Nagata Kenji、Shouno Hayaru、Yoshikawa Hideki
  • 雑誌名: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 巻: 245 ページ: 147003-147003
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2020.147003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal size improvement of Bi-based superconducting whiskers under stress-controlled condition (2020)
  • 著者名/発表者名: Sayaka Yamamoto, Ryo Matsumoto, Shintaro Adachi, Yoshihiko Takano, Hiroyuki Muto, Hiromi Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 541 ページ: 125669-125669
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2020.125669
  • 査読あり
• [雑誌論文] Maskless Patterning of Gallium-Irradiated Superconducting Silicon Using Focused Ion Beam (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Ryo、Adachi Shintaro、Sadki El Hadi S.、Yamamoto Sayaka、Tanaka Hiromi、Takeya Hiroyuki、Takano Yoshihiko
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 号: 3 ページ: 677-682
  • DOI: 10.1021/acsaelm.9b00781
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient Removal of Noise-Derived Components for Automatic XPS Spectral Decomposition Using Hierarchical Clustering (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Murakamia, Kazuki Nakamura, Hiromi Tanaka, Hiroshi Shinotsuka, Hideki Yoshikawa
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology (accepted) 巻: -
  • NAID: 130007848464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal Growth, Structural Analysis, and Pressure-Induced Superconductivity in a AgIn5Se8 Single Crystal Explored by a Data-Driven Approach (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Matsumoto, Zhufeng Hou, Hiroshi Hara, Shintaro Adachi, Hiromi Tanaka, Sayaka Yamamoto, Yoshito Saito, Hiroyuki Takeya, Tetsuo Irifune, Kiyoyuki Terakura, and Yoshihiko Takano
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 59 号: 1 ページ: 325-331
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02295
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Data-driven exploration for pressure-induced superconductors using diamond anvil cell with boron-doped diamond electrodes and undoped diamond insulating layer (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Matsumoto, Zhufeng Hou, Shintaro Adachi, Masanori Nagao, Sayaka Yamamoto, Peng Song, Noriyuki Kataoka, Pedro Baptista de Castro, Kensei Terashima, Hiroyuki Takeya, Hiromi Tanaka, Takayoshi Yokoya, Tetsuo Irifune, Kiyoyuki Terakura, and Yoshihiko Takano
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 40 号: 1 ページ: 22-34
  • DOI: 10.1080/08957959.2019.1695253
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Automated information compression of XPS spectrum using information criteria (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shinotsuka, Hideki Yoshikawa, Ryo Murakami, Kazuki Nakamura, Hiromi Tanaka, Kazuhiro Yoshihara
  • 雑誌名: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 巻: 239 ページ: 146903-146903
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2019.146903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Background Estimation in X-ray Photoelectron Spectroscopy Data Using an Active Shirley Method with Automated Selection of the Analytical Range (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Murakami, Hironori Kageyama, Kazuki Nakamura, Hiromi Tanaka, Hiroshi Shinotsuka, Hideki Yoshikawa, Kazuhiro Yoshihara
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 17 号: 0 ページ: 61-68
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2019.61
  • NAID: 130007679311
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced superconductivity in the layered pnictogen diselenide NdO0.8F0.2Sb1－xBixSe2 (x=0.3 and 0.7) (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Matsumoto, Y. Goto, S. Yamamoto, K. Sudo, H. Usui, A. Miura, C. Moriyoshi, Y. Kuroiwa, S. Adachi, T. Irifune, H. Takeya, H. Tanaka, K. Kuroki, Y. Mizuguchi, and Y. Takano
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 100 号: 9 ページ: 094528-094528
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.094528
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced Superconductivity in Tin Sulfide (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 18 ページ: 184502-184502
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.184502
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure-induced insulator to metal transition of mixed valence compound Ce(O,F)SbS2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Ryo、Nagao Masanori、Ochi Masayuki、Tanaka Hiromi、Hara Hiroshi、Adachi Shintaro、Nakamura Kazuki、Murakami Ryo、Yamamoto Sayaka、Irifune Tetsuo、Takeya Hiroyuki、Tanaka Isao、Kuroki Kazuhiko、Takano Yoshihiko
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 125 号: 7 ページ: 075102-075102
  • DOI: 10.1063/1.5079765
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Data-driven exploration of new pressure-induced superconductivity in PbBi2Te4 (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Ryo、Hou Zhufeng、Nagao Masanori、Adachi Shintaro、Hara Hiroshi、Tanaka Hiromi、Nakamura Kazuki、Murakami Ryo、Yamamoto Sayaka、Takeya Hiroyuki、Irifune Tetsuo、Terakura Kiyoyuki、Takano Yoshihiko
  • 雑誌名: Science and Technology of Advanced Materials 巻: 19 号: 1 ページ: 909-916
  • DOI: 10.1080/14686996.2018.1548885
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of Oxidation in Starting Material Sn on Electric Transport Properties of SnSe Single Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Aichi、Ogiso Osamu、Matsumoto Ryo、Tanaka Masashi、Hara Hiroshi、Tanaka Hiromi、Takeya Hiroyuki、Lee Chul-Ho、Takano Yoshihiko
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 6 ページ: 065001-065001
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.065001
  • NAID: 120006623967
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] XPS Study from a Clean Surface of Al2O3 Single Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Tuguhiro Tago, Noriyuki Kataoka, Hiromi Tanaka, Kunio Ichino, Kentaro Kinoshita, and Satoru Kishida
  • 雑誌名: Procedia Engineering 巻: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] AFM and XPS study from surfaces of native oxide/Al-metal (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Irie, Yujiro Maruo, Noriyuki Kataoka, Hiromi Tanaka, Kentaro Kinoshita, and Satoru Kishida
  • 雑誌名: Procedia Engineering 巻: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental Evaluation of Self-Heating Effect in Intrinsic Josephson Junctions Using Pulse Current Measurements (2017)
  • 著者名/発表者名: Oikawa Dai、Tanaka Hiromi、Tsuzuki Keita、Andoh Hiroya、Sugiura Toko、Tsukamoto Takehiko
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 27 号: 4 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2017.2669648
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity and its enhancement under high pressure in “F-free” single crystals of CeOBiS 2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Masashi、Nagao Masanori、Matsumoto Ryo、Kataoka Noriyuki、Ueta Ikuo、Tanaka Hiromi、Watauchi Satoshi、Tanaka Isao、Takano Yoshihiko
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 722 ページ: 467-473
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.06.125
  • 査読あり
• [学会発表] Data-driven Exploration for Pressure-induced Superconductors Using Novel Diamond Anvil Cell with Boron-doped Diamond Electrodes (2019)
  • 著者名/発表者名: MATSUMOTO, Ryo, Hou ZHUFENG, YAMAMOTO, Sayaka, Masanori NAGAO, ADACHI, Shintaro, YAMAMOTO, Takafumi, SAITO, Yoshito, Hiromi TANAKA, TERASHIMA, Kensei, Tetsuo IRIFUNE, TAKEYA, Hiroyuki, Kiyoyuki TERAKURA, TAKANO, Yoshihiko
  • 学会等名: Material Research Meeting-2019 (MRM 2019), Session: D-3 (Science and Technology of Superconductivity), Abstracts, D3-11-I10.
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal Size Improvement of Bi2Sr2CaCu2O8+x Superconducting Whiskers Using Stress-controlled Precursors (2019)
  • 著者名/発表者名: YAMAMOTO, Sayaka, MATSUMOTO, Ryo, ADACHI, Shintaro, TAKANO, Yoshihiko, Hiromi TANAKA
  • 学会等名: Material Research Meeting-2019 (MRM 2019), Session: D-3 (Science and Technology of Superconductivity), Abstracts, D3-11-P03. （ポスター発表）
  • 国際学会
• [学会発表] 集束イオンビームを用いた超伝導回路のマスクレス描画 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松本 凌, E. S. Sadki, 青戸 淳之介, 山本 紗矢香, 齋藤 嘉人, 足立 伸太郎, 田中 博美, 竹屋 浩幸, 高野 義彦
  • 学会等名: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会, 講演予稿集, 19p-C213-9. （口頭発表）
• [学会発表] フラックス法により育成されたBi2212単結晶の融剤添加効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 及川 大、田中 博美、三井 俊樹、水谷 有希、都築 啓太、安藤 浩哉、杉浦 藤虎、塚本 武彦
  • 学会等名: 第66回応用物理学関係連合講演会
• [学会発表] 硫化スズSnSの圧力誘起超伝導 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松本 凌、Song Peng、斎藤 嘉人、原 裕、足立 伸太郎、山本 紗矢香、田中 博美、入舩 徹男、竹屋 浩幸、高野 義彦
  • 学会等名: 第66回応用物理学関係連合講演会
• [学会発表] 自己フラックス法により育成したBi2212単結晶の融剤効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三井 俊樹、及川 大、田中 博美、都築 啓太、安藤 浩哉、杉浦 藤虎、塚本 武彦
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Arガスクラスターイオンビームによる金属と有機膜の界面のXPS測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 關 雅志、仲村 和貴、山本 紗矢香、田中 博美
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 補強材付きBi2223線材とNbTi線材のゼロ抵抗接合 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松本 凌、渋谷 直哉、西島 元、足立 伸太郎、田中 橘平、原 裕、山下 愛智、田中 博美、竹屋 浩幸、高野 義彦
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] La0.1Ce0.9(O,F)BiS2超伝導体における磁気転移とCe価数の関係 (2018)
  • 著者名/発表者名: 花田 祐二、長尾 雅則、松本 凌、三浦 章、丸山 祐樹、綿打 敏司、田中 博美、高野 義彦、田中 功
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] データ駆動的手法を用いた圧力誘起超伝導体の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松本 凌、Hou Zhufeng、原 裕、長尾 雅則、足立 伸太郎、仲村 和貴、村上 諒、山本 紗矢香、田中 博美、Song Peng、齋藤 嘉人、山下 愛智、入舩 徹男、竹屋 浩幸、寺倉 清之、高野 義彦
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Surface Analysis of Metals/Superconducting Oxides for Electronic Devices (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kishida, H. Tanaka, and K. Kinoshita
  • 学会等名: 4th Annual World Congress of Smart Materials-2018, Session 203, Abstracts, A3-I22-001.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微小ダイヤモンド電極導入型ダイヤモンドアンビルセルによる100 GPaへの到達と高圧力下電気抵抗測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松本 凌, 山下 愛智，原 裕, 足立 伸太郎, 入舩 徹男, 田中 博美, 竹屋 浩幸，高野 義彦
  • 学会等名: 第65回応用物理学関係連合講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Simple Method to Fabricate Ultra-high Sensitive Magnetic Sensor by Using Water-treatment Process (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiromi Tanaka, Seiya Tanaka, Noriyuki Kataoka, Ryo Matsumoto, and Satoru Kishida
  • 学会等名: International Union of Materials Research Society-International Conference on Advanced Materials 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Simple Method to Fabricate Intrinsic Josephson Junction Device by Using Water-treatment Process (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, K. Tanaka, R. Matsumoto, and S. Kishida
  • 学会等名: 13th European Conference on Applied Superconductivity
  • 国際学会
• [学会発表] Superconducting Joints Using Bi-added PbSn Solders (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Matsumoto, Hirotsugu Iwata, Aichi Yamashita, Hiroshi Hara, Gen Nishijima, Hiromi Tanaka, Masashi Tanaka, Hiroyuki Takeya, Yoshihiko Takano
  • 学会等名: 30th Internatioal Symposium on Superconductivity, Abstracts, 30 (2017) WBP5-4.
  • 国際学会