界面制御による高温・低温超伝導層の高強度超伝導接続

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650016
• 研究機関: 鹿児島大学
• 研究代表者: 寺田 教男 鹿児島大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (20322323)
• 研究分担者: 小原 幸三 鹿児島大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (10094129)
• キーワード: 高温超伝導体 / 金属系超伝導体 / 表面・界面制御 / 超伝導オーダーパラメーター / 電子状態接続 / 活性酸素ビーム / 光電子分光 / 超伝導近接効果

研究概要

高強度な高温・低温超伝導接続を実現するためには、まず、高温超伝導層において理想的表面を形成し、オーダーパラメーターの減衰を抑制する必要がある。高温超伝導エレクトロニクスにおける基幹材料であるYBCO薄膜に注目し、化学的に安定な面が得られ易いことを見出していたa軸配向膜において、昨年度は独自に開発した高密度酸素原子ビーム源を用いた清浄化処理により単結晶の極低温劈開面に匹敵する電子状態密度を有するイントリンシックな表面がえられること、この清浄表面とAu層間の接合において1〜5×10^<-9>Ω・cm^2程度のコンタクト抵抗が得られることを明らかにした。今年度は、良好な表面・接合が得られれば回路レイアウトに高い自由度を持たせることができる、一方、化学的に不安定とされるC軸配向膜について研究した。
その結果、C軸配向膜において明瞭なフェルミ端を示すイントリンシックな電子状態を持つ表面を得るには酸素原子フラックス密度5×10^<15>atoms/cm^2・sec以上、処理室の残留H_2O圧力3×10-<-11>Torr以下、処理温度550〜〜600℃程度が必要なことが明らかとなった。これらの条件はa軸膜処理条件と比較して、酸素原子フラックスが5倍、残留H_2Oが約1桁低圧力、処理温度が約100℃高くなっていた。これらの要件が満たされない場合、X線光電子スペクトルのBa内殻信号に不純物成分が残存した。角度分解光電子分光により表面層組成の深さ依存性を評価したところ、最適条件外で処理された表面では1nm程度のBa-richな層が見出され、一方、最適処理後にはCu-richとなることが見出された。これらはc軸膜表面0)不純物がa軸膜より安定なBa関連物質であることを示すとともに、この層は清浄化処理により除去されると考えられることを示している。従来、YBCO表面の改質機構として再結晶化、昇華モデルが議論されてきたが、本研究の結果は後者を支持している。最適清浄化処理後の表面のフェルミ端はCu 3d内殻光電子ピークの約10%と非常に高く、CuO鎖が最外原子層となっていることが示唆されるとともに、電子状態密度の高い表面を実現手いることが明らかとなった。
上述の最適化によりマイクロ波フィルター等広範な応用分野で用いられるc軸配向YBCO薄膜とAu層間の接合においても、5×10<-8>〜1×10^<-8>Ω・cm^2と低いコンタクト抵抗が再現性良く得られるようになった。d波超伝導体におけるオーダーパラメーター最大方向および応用デバイスにおける表面で貴金属層との接合が実現できたことから、研究目的である高強度超伝導接続のための重要なステップが達成されたと考える。

研究成果

• [文献書誌] J.C.Nie, P.Badica, M.Hirai, A.Sudaresan, A.Crisan, H.Kito, N.Terada, Y.Kodama, A.Iyo, Y.Tanaka, H.Ihara: "Electron-doped superconductivity induced by oxygen vacancies in as-grown Sr_<0.6>Ca_<0.4>O_<2-δ>infinite-layer films"Supercond. Sci. Technol.. vol.16. L1-L3 (2003)
• [文献書誌] N.Terada, K Ohki, A OHTOMI, S.Miyanomae, K.Obara, H.Akoh, H.Sato, H.Yamada, E.Fujimoto: "In-situ Characterization of Engineered Surfaces of c-axis YBCO Films for Sandwich type of Junctions"IEEE Trans. Appl. Superconductivity. vol.13(in press). (2003)
• [文献書誌] N.Terada, T.Okuda, S.Miyanomae K.Ohki, A.Sundaresan, H.Asada, Y.Kodama, Y.Tanaka: "Photoemission study of controllability of carrier-concentration of TI-and (Cu, C)-systems and other multi-later cuprates"The third CREST symp. on Function Evolution of Materials and Devices based on Electron / Photon related Phenomena. 39 (2002)
• [文献書誌] N.Imamura, J.Sakaguchi, S.Asatani, S.Hashiguchi, K.Obara: "Meta-stable condensation induced by collisions with rare-gas atoms at a substrate surface from plasma"J. Crystal Growth. vol.237-239. 76-80 (2002)
• [文献書誌] K.Obara, Z.Fu, M.Arima, T.Yamada, T.Fujikawa, N.Imamura, N.Terada: "Collision processes between sputtered particles on high speed rotating substrate and atomic mass dependence of sticking coefficient"J. Crystal Growth. vol.237-239. 2041-2045 (2002)
• [文献書誌] N.Imamura, S.Asatani, S.Hashiguchi, N.Terada, Y.Furukawa, K.Obara: "Effects of plasma in nucleation process of thin film growth"Surface and Coating Technology. (in press). (2003)