多様な三層型Bi系高温超伝導体を得るための改良型（温度勾配付与）TSFZ法の研究

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25400349
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 研究機関: 弘前大学
• 研究代表者: 渡辺 孝夫 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (40431431)
• 研究分担者: 伊藤 利充 独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (80356485) ; 藤井 武則 東京大学, 学内共同利用施設等, 助教 (80361666)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 酸化物高温超伝導体 / 単結晶育成 / 温度勾配

研究概要

銅酸化物高温超伝導体の超伝導転移温度Tcは、単位胞に含まれるCuO2面の枚数を増加させるにつれ増加傾向を示すことが経験的に知られている。その機構を解明し、更なる高Tc物質開発の指針を得るためには、多層型高温超伝導体（CuO2面を3枚以上有する物質）を用いた詳細な物性研究が必要不可欠である。しかしながら、それらの大型単結晶がない。ここでは、三層構造のBi系高温超伝導体（組成：Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ 、略称：Bi-2223、Tc≒110K）に着目し、その大型・高品質単結晶の育成法を研究した。
Bi-2223は、結晶育成が難しく結晶の厚み（c軸方向）は通常十ミクロン以下である。これは、溶液から結晶が直接析出するための温度と組成の範囲（液相線）が非常に狭いことに起因している。液相線が狭いことは、結晶成長の駆動力たる過飽和度を充分に獲得できないことを意味する。そこで、溶媒移動浮遊帯域法（TSFZ法）を用いた単結晶育成において、次のような二つの工夫を施した。（１）過飽和度を大きくするために、成長界面の温度勾配を大きくした。具体的には、アルミホイルで石英管の上部と下部を遮光することによって、ハロゲンランプの入射角を制限した。（２）液相線そのものを拡幅するために、育成雰囲気と原料棒組成を最適化した。
こうして得られた結晶は、育成開始1週間後から成長が安定しはじめ、2週間後には側面にきれいなc面のファセットが現れた。ファセットが現れた部分から取り出された結晶は、結晶棒の端から端まで単結晶であった。また、c軸方向厚みも平均して50μm以上であり、明らかに従来得られていたものよりも分厚い。X線の(0010)のピークの半値幅を評価したところ、0.16～0.25 deg.であり、結晶性も良好であった。

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

ランプの入射角制限を用いた温度勾配の急峻化によって、Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ(Bi-2223)の大型単結晶の育成に成功した。これにより、平成25年度の目標は十分に達成したと言える。

今後の研究の推進方策

不純物を溶融帯に添加することにより、液相線を拡幅できないか検討する。これにより、結晶の大型化や育成速度の高速化を狙う。
また、さらに温度勾配を急峻にして結晶の大型化を狙う。そのために、集光性に優れたレーザー光を用いる。弘前大学と分担者の研究室には異なるタイプのレーザーFZ装置があるので、それぞれの特徴を生かした育成実験を並行して行う。

次年度の研究費の使用計画

実験研究を行っていると、思わぬトラブルによって予期せぬ出費を強いられる場合が多い。このため、当初予定していた単結晶育成装置用のUPS（無停電電源装置）の購入を保留した。
予算の執行状況を見ながら、可能であれば今年度UPS（無停電電源装置）を購入したい。

研究成果

• [雑誌論文] Doping Dependencies of Onset Temperatures for the Pseudogap and Superconductive Fluctuation in Bi$_{2}$Sr$_{2}$CaCu$_{2}$O$_{8+\delta}$, Studied from both In-Plane and Out-of-Plane Magnetoresistance Measurements (2014)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Usui, Daiki Fujiwara, Shintaro Adachi, Hironobu Kudo, Kosuke Murata, Haruki Kushibiki, Takao Watanabe, Kazutaka Kudo, Terukazu Nishizaki, Norio Kobayashi, Shojiro Kimura, Kazuyoshi Yamada, Tomoyuki Naito, Takashi Noji, and Yoji Koike
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: - ページ: 印刷中
  • DOI: -
  • 査読あり
• [学会発表] 多層型高温超伝導体Bi-2223における磁場中輸送特性
  • 著者名/発表者名: 足立伸太郎, 臼井友洋, 渡辺孝夫, 山田和芳, 西嵜照和, 木村尚次郎, 藤田全基, 野地尚, 小池洋二, 藤井武則
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 徳島大学
• [学会発表] Fe置換したオーバードープBi-2212単結晶の面内・面間抵抗率測定
  • 著者名/発表者名: 臼井友洋, 野並拓矢, 足立伸太郎, Dobroka Mihaly, 渡辺孝夫, 木村尚次郎
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 徳島大学
• [学会発表] オーバードープBi-2212の磁場中抵抗率に関する再考察
  • 著者名/発表者名: 渡辺孝夫, 臼井友洋, 足立伸太郎,木村尚次郎, 西嵜照和, 工藤一貴, 内藤智之, 山田和芳, 野地尚, 小池洋二
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学
• [学会発表] Fe置換したオーバードープBi-2212のパルス磁場下抵抗測定
  • 著者名/発表者名: 臼井友洋, 足立伸太郎, 渡辺孝夫, 掛谷一弘, 近藤晃弘, 金道浩一, 木村尚次郎
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学
• [備考] 渡辺研究室ホームページ
  • URL: http://www.st.hirosaki-u.ac.jp/~twatana/index.html