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2012 年度 実施状況報告書

低雑音・高温動作を実現する高温超伝導カイネティックインダクタンス検出器の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23560497
研究機関茨城大学

研究代表者

島影 尚  茨城大学, 工学部, 教授 (80359091)

研究分担者 齊藤 敦  山形大学, 理工学研究科, 准教授 (70313567)
武田 正典  静岡大学, 創造科学技術大学院, 講師 (80470061)
キーワード超伝導デバイス
研究概要

本研究課題では、極低ノイズ特性の特徴を有する電磁波検出器として最近注目を集めている超伝導カイネティックインダクタンスディテクター(KID)と呼ばれる超伝導センサーをBi2Sr2CuCa2O(BSCCO)系高温超伝導体を用いて作成することを目指している。当該年度の研究としては、前年度に引き続き、MOD法によりBSCCO薄膜成膜条件の最適化実験を続けてきた。その結果、CeOをバッファ層として導入することが、薄膜の特性改善のために有効であることを明らかにした。また、KID素子では高周波信号を薄膜に流すことになるので、得られた薄膜を誘電体共振器法により20GHz帯における高周波抵抗の計測を行い、評価を行った。現状では、抵抗値は銅などの金属の高周波抵抗の値と同程度であるが、今後の膜質向上により さらなる改善が期待できる。
また、KID素子のパラメータとして重要となる準粒子ライフタイムの見積もりを行うため、BSCCO薄膜によるイントリンシック接合の作成を始めた。同時に、薄膜による准粒子ライフタイムを単結晶のものと比較するために、バルクにおけるイントリンシック接合の作成もスタートさせた。イントリンシック接合はBSCCO結晶のc 軸方向に固有に存在するジョセフソン接合であり、この素子評価により、BSCCO薄膜の超伝導ギャップを知ることができる。バルクによる接合作製は当該年度で完成することができたため、現在はその評価を進めている。一方、薄膜による接合に関しては、成膜プロセスは完成したが、薄膜自身の結晶性の問題から、まだ、理想的な電流電圧特性の計測までには至っていない。今後は、バルクによる解析を先に進め、今後の薄膜接合の作製を待ち、その比較を行う。また、そのフィッティングから準粒子ライフタイムを見積もる方法を確立する。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究の二年目である当該年度では、MOD法による成膜の最適化、レーザーアブレーション法による高温超伝導薄膜の作成、薄膜の高周波抵抗の測定、薄膜のパラメータ抽出のためのイントリンシック接合の作製などを目指して研究を行なってきた。このうち、MOD法に関しては、CeOバッファ層がBSCCOに対して適切に機能していることを明らかにすることができた。また、KID素子に対して重要である高周波抵抗の測定を作成された薄膜に対して行い、評価まで進めることができた。このように、MOD薄膜に関しての研究は順調に推移していると考えている。一方、レーザーアブレーション法による高温超伝導薄膜作製に関してはBSCCO薄膜の作成実験を行ったが、最適な製膜条件を得ることがまだできてはいない。その代わりにMOD法によるBSCCO薄膜のバッファ層としてのCeO薄膜作製をこのレーザーアブレーション成膜システムで行い、良質な薄膜が作成できることを確認した。
薄膜をKID素子に応用するために、薄膜のパラメーター評価は非常に重要である。そのための、イントリンシック接合作製も非常に重要であり、その作成プロセスまで出来上がった。その特性評価は現在進めているところであるが、薄膜の結晶性をあと少し向上させれば、接合の電流電圧特性が測定できるめどは立っている。また、素子の特性から薄膜のパラメーターの抽出を先行して始めるために、BSCCOバルクによる接合作製は完成している。以上のことから、研究は順調に推移していると考えている。

今後の研究の推進方策

当該年度に引き続き、MOD法によるBSCCO薄膜成膜条件の最適化実験は続ける。今までは、BSCCOの成膜条件による精査だけであったが、CeO薄膜の成膜条件の精査も進める。これにより、確定した製膜条件を確立する。また、得られた超伝導薄膜の高周波表面抵抗測定と成膜条件の精査を進め、表面抵抗測定結果を製膜条件にフィードバックをかけ、KID素子用の最良の薄膜作製を行う。
また、当該年度から作成を始めている、BSCCO薄膜によるイントリンシック接合を用いて、薄膜の複素インピーダンスの導出を行う。これは、後のマイクロ波回路の設計に対して重要なパラメータを与える。さらに、準粒子ライフタイムの見積もりを行なう。現在は、薄膜での接合作製までには至っていないので、バルクによる接合作製を行い、その評価法の確立を行う。
それらを踏まえて、研究三年目である最終年度で、KIDの中心的要素となるコプレーナ伝送線路による共振器構造の作成を行う。また、コプレーナー線路による薄膜共振回路を作成し、その共振特性の測定を行う。これらのことから、BSCCO薄膜を用いたKID素子が、実用可能な性能が得られるかどうかの検証を行う。

次年度の研究費の使用計画

次年度は薄膜作製のための、YAGレーザーのフラッシュランプとDIフィルターは定期的に交換が必要なため、消耗品として購入する。MOD成膜用のMOD成膜溶液も消耗品として購入する。KID素子作成のために、薄膜作製を継続的に続けなければいけない。このため、400枚ほどのサファイア基板と、MgO基板の購入を行なう。
研究成果の外部へのアピールのため、年2回の応用物理学会、日本で開かれる国際会議であるISSの旅費とその発表経費に予算を使用する。さらに、研究代表者、共同研究者、研究連携者の密接な研究打ち合わせのために、年二回のミーティングを計画しており、その旅費に予算を使用する。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (9件)

  • [雑誌論文] Fabrication of Superconducting Nanowires Using MgB2 Thin Films2013

    • 著者名/発表者名
      H. Shimakage, and Z. Wang
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 23 ページ: 2200104

    • DOI

      10.1109/TASC.2012.2231455

    • 査読あり
  • [学会発表] 有機金属分解法を用いた Bi-2212 薄膜の超伝導特性2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木渉太,島影尚,川上彰,齊藤敦,武田正典
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学、神奈川県
    • 年月日
      20130327-20130330
  • [学会発表] 中赤外光検出器用スロットアンテナの検討2013

    • 著者名/発表者名
      堀川隼世,川上彰,兵頭政春,田中秀吉,島影尚
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学、神奈川県
    • 年月日
      20130327-20130330
  • [学会発表] Annealing conditions of Bi2Sr2CaCu2O8/CeO2/r-plane sapphire by MOD method2012

    • 著者名/発表者名
      S. Suzuki, H. Shimakage, A. Kawakami, A. Saito, M. Takeda
    • 学会等名
      25th International Symposium on Superconductivity
    • 発表場所
      タワーホール船堀、東京
    • 年月日
      20121203-20121205
  • [学会発表] Characteristics of Bi-2212 thin films on r-cut sapphire with CeO2 buffer layer by a MOD method2012

    • 著者名/発表者名
      S. Suzuki, H. Shimakage, A. Kawakami, A. Saito, M. Takeda
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2012
    • 発表場所
      PORTLAND, OREGON, USA
    • 年月日
      20121007-20121012
  • [学会発表] Fabrication of superconducting nanowires using MgB2 thin films2012

    • 著者名/発表者名
      H. Shimakage, Z. Wang
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2012
    • 発表場所
      PORTLAND, OREGON, USA
    • 年月日
      20121007-20121012
  • [学会発表] face-to-face アニールを導入した MOD 法による Bi-2212 薄膜の作製

    • 著者名/発表者名
      鈴木渉太,島影尚,川上彰,齊藤敦,武田正典
    • 学会等名
      第37回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      松山大学文京キャンパス
  • [学会発表] MOD法により作製したBi-2212薄膜の超伝導特性評価

    • 著者名/発表者名
      鈴木渉太,島影尚,川上彰,齊藤敦,武田正典
    • 学会等名
      電気学会茨城支所大会
    • 発表場所
      シビックホール、日立市
  • [学会発表] 高温超伝導体単結晶に内在する固有ジョセフソン接合作製

    • 著者名/発表者名
      坪内恒祐, 島影 尚
    • 学会等名
      電気学会茨城支所大会
    • 発表場所
      シビックホール、日立市
  • [学会発表] RSJモデルによるジョセフソン接合のカオス発生シミュレーション

    • 著者名/発表者名
      田村幸英, 島影尚
    • 学会等名
      電気学会茨城支所大会
    • 発表場所
      シビックホール、日立市

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公開日: 2014-07-24  

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