界面制御による高温・低温超伝導層の高強度超伝導接続

2003 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, 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

前年度までに表面に固有の金属状態を露出させることを実現したc軸配向YBCO薄膜上に界面反応・拡散障壁としてAu、Ag層を挿入し、低温超伝導層としてPb-In層を積層したPb-In/Ag/Au/c-YBCO積層構造(接合寸法5μm×5μm)を作成し、コンタクト抵抗、接合の臨界電流密度のc-YBCO表面電子状態および貴金属層厚依存性を調べた。酸素原子ビーム照射下のアニールにより十分に金属化させたc-YBCO表面では、貴金属層厚をAu5nm+Ag5nmからAu1nm+Ag1nmに減少させた場合でもコンタクト抵抗は3×10^<-8>〜1×10^<-8>Ω・cm^2の低い値が達成された。高温・低温超伝導層間を高強度超伝導接続するためには両者を直接接触させずに挿入層厚を薄くする必要があるが、この結果は清浄化されたYBCO表面はAuに対する濡れ性が非常に高いこと、Au層厚が1nmと極めて薄い場合でもYBCO表面が充分に被覆されていることを示している。
Pb-In/Ag/Au/c-YBCOの臨界電流密度は1)貴金属層厚に対して指数関数的、2)c-YBCO表面の紫外光電子スペクトルにおけるフェルミ端の高さ対してほぼ線形の依存性を示した。フェルミ端高さがCu3d内殻光電子ピークの約10%に達する高い状態密度の表面上に形成した接合では、Au5nm+Ag5nmの場合10^3〜2×10^4A/cm^2程度であったが、Au1nm+Ag1nmの場合には7×10^5A/cm^2(4.2K)を越える臨界電流密度が得られた。また、Ag(1nm)/Au(1nm)/c-YBCO構造の表面において4.2Kにおける走査トンネル分光を行ったところ、ゼロバイアスを中心として約±10mVの範囲で微分コンダクタンスが高バイアス時の60%以下に抑制されていることが見い出され、a軸配向膜と同様、YBCO表面の超伝導性が改善されたことにより挿入層最外面まで超伝導近接効果が到達しているものと考えられた。
これらのコンタクト抵抗、臨界電流密度は超伝導集積回路の設計する際に必要とされる値を満たしている。また、これらの結果は表面電子状態の「その場」観察と、本研究で開発した高密度酸素原子ビーム源を用いた清浄化技術による高温超伝導層表面におけるオーダーパラメーターの減衰を抑制するための技術とを組み合わせた手法が不安定な表面電子構造、界面反応性等の問題を有する界面において、電子構造接続を制御するための優れた手法であることを示している。
以上のように、本研究の目的である高温・低温超伝導層の高強度な超伝導接続が達成されたと言える。

研究成果

• [文献書誌] N.Terada: "In-situ Characterization of Engineered Surfaces of c-axis YBCO Films for Sandwich type of Junctions"IEEE Trans.Appl.Superconductivity. vol.13. 813-816 (2003)
• [文献書誌] N.Kikuchi: "Fabracation of Cu-based Cuprate Superconductor Films and Carrier Doping"The fourth CREST Symp. on Function Evolution of Materials and Devices based on Electron / Photon related Phenomena. 44 (2003)
• [文献書誌] 寺田 教男: "多層系高温超伝導体の電子構造制御"未来材料. 3巻第9号. 16-24 (2003)
• [文献書誌] S.Ueno: "STM/STS studies on YBa2Gu307-δ thin films treated with an atomic oxygen beam"Physica C. vol.388-389. 301-302 (2003)
• [文献書誌] N.Kikuchi: "Artificially Layered (Cu, C)Ba2Can-1CunOx (n=1-4) Films by Sputtering Deposition"Vacuum. (in press). (2004)
• [文献書誌] K.Ohki: "In-situ Characterization of Thermal Stability and Depth Profile of Electronic Structure of Engineered Surfaces of c-axis YBa_2Cu_3O_<7-δ> films"Proc.EUCAS2003. (in press). (2004)
• [文献書誌] S.Miyanomae: "Study of Carrier Doping into Thin Films of Infinite Layer and Cu-system Cuprates"Proc.EUCAS2003. (in press). (2004)
• [文献書誌] K.Ohki: "In-situ Characterization of Electronic Structure of Engineered Surfaces of c-axis YBCO films for Sandwich type Junctions"J.Met.Res.Soc.Jpn. (in press). (2004)