セフソン接合を用いたBち SもC先lC叫 真性ジョ ら超伝導デバイスの開発 岸田 悟 F施 血 航 側 ofBiか ぁ C生 1や 鳥 耽輝社群器F 品 IntrinsicStthsonJunctions 油 学 的 岨 u血 噌 Devis対 ち 、便 Satoru掩 鍋 航 Fanty丁中 mttoriU鵡 け アル ミナは 1203)粒 子 を散 布 したガ ラス急冷体 を用いてB12Sr2Can‐ 系)ウィスカ lCunOy(Bi‐ ー を育成 した.ウ ィスカー は高 い結晶性 を持 つ ことか ら,真 性 有 ョセフソン 接合を用 (固 )ジ いた超伝導デバイスヘ の応用が期待 されている.本 研究では,我 々によって提案 されたBi 系 ウィスカー を育成す るための新 しいアル ミナ粒子散布ガラス急冷体 は SGQP:A1203‐ seeded glassy quenched platelet)法 を,そ れによって育成されたBi系ウィスカーの特性や ー ウィスカ を使 って製作 された超伝導デバイスについて紹介す る.ASGQP法 は従来か らの ガラス急冷体法 にお ける問題点が明 らかにされ ,改 良が加え られた。結果 として ,従 来法 と比較 してBi系ウ ィスカー の成長速度は3倍以上も速 く,し かも育成 されたウィスカー の特 性 は結晶性や超伝導性 において優れて いることがわかった。 ある[ 7 , 8 ] . B 系 立超 伝 導 体 は 層 状 構 造 い 1.序 論 を持 っ て るので,積 層(stacked)固 酸 化 物 高 温 超 伝 導 体 は様 々 な分 野 で 有 ジ ョセ フ ソ ン 接 合 [ 9 ] が 形 成 され る. 応 用 され つ つ あ る 。 中 で も, B i 2 S r 2 ‐ 改 に, 超 伝 導 デ バ イ ス に応 用 す る た C a n _ l C u n O y ( B )i 超 系伝 導 体 は C u _ o め に は有 望 な 材 料 の 一 つ で あ る ー を使 層 数 で あ る n の 値 が 増 加 す る と, c 軸 [ 1 0 , 1 1 3実 ・際 , B i 系 ウ ィ ス カ って活 発 に超 伝 導 デ バ イ ス が 製 作 さ 長 が 増 加 し, 超 伝 導 臨 界 温 度 も変 化 す る 興 味 あ る 材 料 で あ る [ 1 4‐] . B 主 系 れ て い る [ 1 2 1‐4 ] . 高 性 能 な 超 伝 導 デ 一 バ イ ス を製 作 す る に は , 高 品 質 な B i 超 伝導体の結 晶構 造 には超伝導体 i SupercOn‐ 系超伝 導 ウ ィス カー を育 成す る必要 絶 縁 体 一 超 伝 導 体 ( S , IS ‐ ductor‐ I n s u l a t o r S‐u p e r c o n d u c t o r ) が が あ る。 とい うの は,超 伝導 デ バ イ ス の性 能 が 超 伝 導 材 料 の 品 質 に依 存 含 まれ て お り, 大 矢 らは この構 造 か 一 らの 電 流 電 圧 特 性 を B i 2 S r 2 C a l C u 2 ‐ す る か らで あ る 。 し か し , ウ ィ ス カ ー の 成 長 機 構 は 明 らか に され て お ら Oy(Bi,2212)単 結 晶 を初 め て 観 測 した 以 降 ,薄 膜 ,単 結 晶や ウ ィス ず ,現 在 の と ころ ウ ィス カー の成長 [ 5 , 6.〕 カ ー な どで S _ I _ S 構造 の J O s e p h s o n 速 度 は遅 い 。 接 合 特 性 が 観 沢F され た . こ れ を 固 有 ( 真 本 研 究 で は , B i 系 ウ ィ ス カ ー に関 す る新 しい成 長 法 , A S G Q P ( A 1 2 0 3 ‐ 性 ) ジ ョセ フ ソ ン 接 合 と呼 ぶ . Seeded の 最 近 , 多 く 研 究 者 は ジ ョセ フ ソ ン g l a s s y q u e n c h e d p l a t e lをe提 t )案法し , 接 合 を持 つ 超 伝 導 デ バ イ ス に関 す る 大 型 で しか も 高 品 質 な ウ ィ ス カ ー を 育 成 す る た め の 条 件 を 明 らか に し た 。 さ 研 究 を 行 っ て い る 。 しか し , B i 系 酸 らに, B i 系 ウ ィス カ ー の結 晶性 , 組 成 化物高温超伝導体 の超伝導電子 の コ ヒー レ ンス が 短 い の で , S I S 構 造 に お や 超 伝 導 特 性 を報 告 し, 及 び B i 系 ウ ィ ス カー を用 いて製 作 され た超 伝 導 デ バ け る絶 縁 層 の 厚 さ は極 め て 薄 く,高 イ ス に つ い て も紹 介 す る 。 品 質 で あ る こ と が 要 求 さ れ る 。改 に , 一 ジ ョセ フ ソ ン 接 合 の 製 作 は 般 に酸 に で は 2.BI系 ウィスカー の育成 と特性評価 導 体 非 常 困難で 化物高温超伝 2.1実験方法 ガ ラス急冷体 を作製す るための原材料 の組 あ り, 成 は Bi:SriCaiCu:Al=1:1:1:2:0.75で A1203 ・ そオ は B1203,SrC03,CaCO)CuOと ・ 粉末 か ら準備 された。計量 混合 された原材 料 はアル ミナ対描 に移 され,空 気 中で 0.5時 間 ,1100℃ で加熱 され た 。 この温度で は原 材料 は融解 されている。 この融液 を,ア ル ミ ナ粒子 が散布 されてお り,研 磨 された鉄板 に 流 して ,直 に別の鉄板 で抑 えてつ ける ことに よって急冷体 を作製す る.研 摩 した鉄板 にア ル ミナを散布す る ことは,ガ ラス急冷体 の表 面 にアル ミナ粒子 を植 えつ ける ことである. この プ ロセ ス を含 む ウ ィ ス カ ー 育 成 法 を ASGQP法 と呼び,長 くて高品質な Bi系 ウ ィスカー を得 るため には非常 に重 要 なプ ロセ スで ある. ASGQP法 によって育成 された Bi系 ウィ 電圧 ス カ ー は ,抵 抗 ‐ 温 度 G‐T)特性 ,電 流 ‐ ー (I― D特 性,X線 回折 は RD)パ タ ン,走 査型 ー 電子顕微鏡 (SEM),電 子 プ ロ ブ微小部分析 ー 法 によって測定 され ,ウ ィスカ の超伝導臨 c),表 面形態 , 界温度 何c),臨 界電 流 密度 (」 超伝導相 は決定 され た. 2 870℃ ,48時 間 で育成 された Bi系 ウ Fig。 ー の SEM写 真 スカ ィ Fig.2は, 48時 間,870℃ で急冷体 か ら育 成 された Bi系 ウィスカー の SEM写 真 を示 している。ASGQP法 で育成 されたウィスカ ー は従来 のガ ラス急冷体法 (急冷体表面 にア ル ミナ散布 を行なわな い方法)に よるウィス カー と比較 して非常 に平坦 な表面 を持 ち,ウ ィスカー の幅 は約 30-60″ m[15]. Fig.3は,育 成時間 を関数 とした Bi系 ウィ スカー の長 さ依存性 を示 して いる。Bi系 ウ ィスカー は ASGQP法 によっ成長温度が 870 ±5℃ ,酸 素ガ ス流量が 120m1/minで 育成 された。図に示 されるよ うに,ウ ィスカー の 長 さは成長時間 と共 に増加 し,最 終的 に loo ー 時間 ぐらいで飽和 した。ウィスカ 成長率 は 成長時間 に依存す るので,最 大成長率 は育成 時間が 20時 間 の結果 か ら決定 された。 この 3mm/hで あ り,従 来法 のアル ミナ 値 は約 0。 を 粒子 散布 しないガ ラス急冷体 を用 いて 成長 した場合 よ りも 3倍 ぐらい大 きかった.. 2.2結 果 と検討 Fig。 1は ,ガ ラス急冷体か ら育成 された Bi 系ウィスカー の SEM写 真 を示 している。Bi 系 ウ ィ ス カ ー の 成長 時 間 と温度 はそ れぞ れ 2hと 870℃であつた 。 これ らの結果 か ら, Bi系 ウィスカ ー が ガ ラス急冷体表面 に散布 されたアル ミナか ら成長す ることがわか った. Ｗ 塩 口 Ｊ ↓ 丁とこ︼〓虫 ・ `…・ ・ …・ ・・ ・ 'じ ・ `・ ・ '・ ・ ・ P… ・ ・ ・ ・ ・ ・ ,・ ０ ヤ 40 CCHhい F i g . 1 8 7 0 ℃, 4 8 時 間 加 熱 さ れ た ガ ラ ー ス 急 冷 体 か ら成 長 し た B i 系 ウ ィ ス カ のSEM写 真 60 80 100 rSod lhl F i g3。 成 長 時 間 に 対 す るA S G Q P 法 に よ っ て 育 成 さ れ た ウ ィ ス カ ー の 長 さ依 存 性 : 成 長 温 度 8 7 0 ±5 ℃, 酸 素 ガ ス 流 量 120m1/mint 17 密 ０卜国首 測定は OT,60Kで 行なわれた。 図 に示 され るように,臨 界電流 Icは Bi系 ウィスカー の ab面 にお いて 150mAで あった。 この値 か らウィスカー の断面積 を考慮す る ことによっ て臨界電流密度 」cは 決定 された.ウ ィスカ ー の Jcは 60K,OTで お よそ lo4A/cm2以上 であった。 ヽＦ ご fllぱ 200 V o l t t t eⅥt ″ Fig.5 ASGQP法 によって育成 された Bi系 ウィスカーの電流 一電圧特性. 4で 示された Bi系 ウィスカ Fig.5は,Figち ー の電流一 電圧特性 を示 している。なお, 20 剰 ８︶ Fig.4は,酸 素ガ ス流 量 120mymin,107 時間,867℃ で育成 された Bi系 ウィスカー の R‐ T特 性 を示 して いる.ウ ィスカー は常 伝導状態で金属的な抵抗 の温度依存性 を示 し た。 このウ ィスカー には Bi_2212と Bi‐ 2223 超伝導相が含 まれてお り,そ れ らの超伝導相 の臨界温度 はそれぞれ ,お よそ 80Kと 108K であった。 さ らに,Bi_2212と Bi‐ 2223相 の はそれぞれ 温度遷移幅 ,お よそ 2Kと 4Kで あった 。 この結果 は,ウ ィスカー が 高品質で ある ことを示 している.測 定電流 パスにおけ る Bi_2223相 に対す る Bi‐ 2212相 の割合 は 非常 に小 さ く,1%以 下だった . ͡ 雷 ︶ F i g . 4 A S G Q P 法で 育 成 さ れ た B i 系 ウ ィ ス カ ー の 抵 抗 ―温 度 特 性 。 こ こで は , ウィス カー は l o 7 時 間 の育 成時 間 と 870℃ の 成 長 温 度 で 作 製 さ れ た 。 ″ｂ Ｅ 一 Ｔにう０ヽ ︼と 一 Tempe「 ature t町 30 2 θ[ d e g 〕 40 F i g . 6 A S G Q P 法に よ っ て 育 成 さ れ た B i 系ウ ィ ス カ ー の X 線 回 折 パ タ ー ン . Fig。 6は ,Fig.4で 示 された Bi系 ウィスカ ー の X線 回折 パ ター ンを示 して いる。 これ は,ウ ィスカー が他 の不純物相 を含 まな い単 相であ る ことを示 している。さ らに,Bi`2212 相 超 伝 導 体 の ( 0 0 )迎ピ ー ク の 半 値 幅 ぼWBIM:Fun‐ Width_Half‐Ma対 mum)の 値 は 0.06°以下であった .こ れ らの結果 か ら, Bi系 ウィスカ ー が高 い結 晶性 を有す る こと がわかった. 図 には示 さな い けれ ども,Bi系 ウィスカ ー の組成 を調 べ た。急冷体 表面 に散布 したア ル ミナ粒子 ,ガ ラス急冷体 を作 製す るための アル ミナ対描,急 冷体 を入れるアル ミナボ ー ドが 使 用 され て い る に も関わ らず ,EP酌 駄 ではウ ィスカー 中 には,い かなるアル ミも含 まれ て い な か っ た .ウ ィ ス カ ー の 組 成 は E P M A 測定 結 果 か ら B i : S r i C a i C u = 29:1&20:33と 見積 も られた .こ の値 は,Bi: (SLCa)i Cu=29:38:33と 考 えると,ほ ぼ Bi‐ 2212超 伝導体 の組成 に等 しい。Bi系 ウィスカー の組成分析 は非 常 の困難であるが, この結果 が正 しい とす る と,Caは Sr位 置 い して ことが を占有 る 考 え られ る.実 際 , YBa2Cu 3 0yウ イス カ ー 育 成 にお いて も Ca と Teが 使用 され るが ,Caが ウィスカー 中 に含 まれ る ことが指摘 されて いる,改 に,過 剰 な Caが Bi系 ウィスカー 中 に含 まれ,Sr 位置 を 占有 して いる可能性がある. 3.Bi系 ウィスカー を用 いた超伝導デバ イ ス 川江 らは,低 キ ャ リア濃度 を持 つ Bi系 ウ 工す ィスカ ー を FIBぼ ocuSed lon Beam)加 る ことによって 積層接合 (Stack」 unctio■ )の ー べ 特性 を調 た .Fig7は ,ウ イスカ によっ て製作 されたデバイス にお いて ,接 合面積 に 子抵抗 )依存性 を 対す る RN(接合抵抗 )/RQ(量 示 して いる。 これ らの結果 か ら,接 合面積が サ ブ ミク ロン領域 まで減少す ると,臨 界電流 密度が急激 に減少す る ことや ,そ の時積層 の 電荷 エ ネルギ ー がジ ョセ フソン結合 エ ネルギ ー とほぼ等 しくなる ことを明 らか に した [16]. 写真 を示 して いる[18]。このゲ ー ト電極 を持 つ 3端 子超伝導デバ イスは,Bi‐2212積 層構 造デバ イス にお ける単 一 クー パ ー ・ペ アの ト ンネル効果 を直接確認す るため に 3次 元 FIB によって製作 された。 一 環 E■ 卜 IR.ttt n,、 ●恐tx!, tiぐ ,く、 1お 束 /Rゃltk)jlil 忠 去 争 土 再レ 軽 一 Fig.8 Ag/Bi‐2212(ウイス カ ー)/MgO試 料 の高 いバ イアス領域 にお ける 4.2Kで の試 料 の電流 ―電圧特性 [17].ウィスカー は固有 ジ ョセ フソン接合 を含む. 霞 塵 勘 一……週 1 2 i恐 rea S[卜 R21 Jttncti()&■ Fig.7接 合面積 に対す る RN(接合抵抗)/RQ(量 子抵抗 )依存性 .■ はアニ ー ル された試 料 を, □ は ア ニ ー ル され て いな い試 料 か らの 結果 を示 して いる[16]. Fig.8は 典型的な 固有 ジ ョセ フソ ン接合 に よって生成 され る Bi系 ウィスカー の電流 一 電 圧 特 性 を示 して い る .試 料 は Ag/Bi‐ 2212(ウィスカ ー)/MgOで あ り,図 は高 い バ イ アス領域 にお ける 4.2Kで の試料 の電流 ―電圧 特性 を示 して いる。 もち ろん,Bi系 ウィスカ ー は FIBで 加工 されてお り,デ バ イス の電流 は c軸 方 向 に流れて いる。 図 に示 され るよ うに,単 結晶や薄膜で既 に観測 され て いるブ ランチ構造 の電流 一電圧特性が観演J された。 Fig.9は,3次 元 FIBを 使 って加工 された Bi系 ウィスカー の SIM(走 査型イオ ン顕微鏡) Fig.9 3次 元 FIBを 使 って加工 された Bi系 ウィスカー の SIM(走査型イオ ン顕微鏡)写真 ー [18]。このデバ イ スは ソ ス , ド レイ ン,ゲ ー ト電極 を持 っている. Fig.10は,こ の 3端 子超伝導デバ イス の等 価回路 を示 している。 しか し,こ の 回路 にお いて ,電 流一 電圧特性 にお け る電 流 ピー ク の変調 は入カゲ ー ト電圧 を変 えて も観測 され なかった。 というのは,電 流 ピー クの周 りの バ イアス点 はゲー ト接合 を通 しての リー ク電 流 によ り不安定であるか らである。 トンネル 接合 か ら分離す る容量結合ゲ ー ト電極 を持つ デバ イスを製作 して いる。 239(1988)1015, [4] 」,NE.TrascOn,YLe,Page, ユ B.G.Bagle】 L.H.Greene,覇 lR,NIcKnnon, Barboux, LHull,M.Gttoud,DoM.Hwang,Phys. G.ヽヽ Rett B,37(1988)9832. [5] G.Oya,Nも Aoyama,A.Irie,S.Kishda and H.Tokutaka,, Physica C, 185‐ 189(1991)pp.2453.‐ 2454` [6]G,Oya,N.Aoyama,A.Irie,S.Kishida and H.Tokutaka, 」 pn. J.Appl. Phys.., 31(1992)pp.L829‐ L831. [7]S‐ 」 Kim,Yu I.LatysheL■ and S.Kishida, IEEE □ Yamashta rans.Appl. Supercond.9(1999)pp.4312-4825。 Fig.10 Fig。 9 に 示 され た超伝導デ バ イスの 等価 回路 [18] 」 掩 m, Y I [8]T Kawae, K Inomata, S‐ LatysheL K Nakaiima,T Yamashta,S Kishida and T Hatano, Supercond. Sci々 Technol,14(2001)pp.1102-1105. 4.結 論 A S G Q P 法 と呼 ばれ る新 し いB i 系 ウ ィ ス カ ー 育 成 法 を提 案 した 。 この 方 法 は , 従 来 か らの ガ ラス 急 冷 体 法 に お け る 間 題 点 を解 決 す る こ と に よ って 見 出 され た 。 この方 法 によ って 育 成 され たBi系 ウ イ ス カ ー は 以 下 の 特 徴 を有 す る 。 ( 1 ) 従 来 法 よ り も成 長 速 度 が 3 倍 以 上 速 い 。 ( 2 ) 結晶 性 が 優 れ て お り , B i _ 2 2 1 2 相 ー クのFWHM値 が 0.06° 下 以 ( 0 ∞豊 ) ピ で あ る 。 ( 3 ) 超伝 導 特 性 に お け る 超 伝 導 温 度 遷 移 幅 が 狭 く, 臨 界 電 流 密 度 が 大 き い. さ らに, B i 系 ウ ィス カ ー を用 いた 超 伝 導 デ バ イ ス を紹 介 した が , 今 後 , B i 系 ウ ィ ス カ ー が超 伝 導 デ バ イ ス に 益 々 ,応 用 さ れ る こ と を 期 待 して い る 。 [9]R.meineL nstehmeyer, G.Kunkel, ユMIulleL Phys.Re立 I紀 tt.68 (1992) pp.2394‐2397. nshida, ■ [10]S.率 Httao, ■Yamashita, Physica C, 362 (2001) pp.195r199. [11]S.臨 Shida, N.Sato, mlYLiang, Shgapore」 S.nttLR.Rycroft, S.‐ 」.輸 , ■ Yamashita, .Phys.15(1999)pp.101-106. [12]Yu I LatysheL S‐ J.掩 m and■ JETP Lett.69(1999)pp.84 [14]A,畜 ぼ gens,D.ヽ Vilttler,■Claeson and N.VZavarttsl軌 Appl.Phys.Lett.70 (1997)pp.1760‐1762. shida and [15]D.Okai, S,Ohshima, S.臨 ■Hatano,Jpn.」 .Appl,Phys.40(2001) S‐ 参考文献 YI.LatysheL K.Nalaiima,■ [1]H.Maeda, T.Tanaka, M.Fukutomi, ■Asano, 」 pn, J. Applo Physも 27(1988)1209, Technol.,14,(2001)pp.1102‐ [2]」 .Attmitsu, A「 H.Sawa,H.Fttiki, S.Kishida and■ ramazakょ , 」. Appl. Phvs。 , 26(1987)2080, AoSubramanian, [31 1旺。 」.C.Calabrese, C.C.Torardi, J.Gopalakrishnan, NIorrisse】 ■R.Askew,ユ B.Fttppern, K.」。 U,ChowdhrL A.ヽ ヽ LSleight, Science, Yamashita, [13]S,」.臨m,Yu I Latyshev and■ Yamashita, Appl.Phys.Lett.74(1999)pp.1156‐ 1158. pp.L669‐ L671. K.Inomata, [16]■ .Kawae, , S,‐ 」.Kim, J.輸 Yalnashita, Hatano,Supercond.Sci. 1105. 」`掩m) K.Nakaiima, [17]■ Kawae, S.‐ ■Yamasllita and S.Kishda,Physica C, 362(2001)pp.333‐337, Yamashta [18]S.`」.Kim, Yu,I.LatysheL ■ and S.Kishda, Physica C, Vol.362, pp.150‐155(2001). , Internahonal」 ollrnal of NItodern Physics B,Vol.16,No.20,pp.4497‐ 本研究 に関す る発表論文 Sang‐」ae mm,Yuri I.LatysheL Tsutomu Yamashta and Satoru X■ shda, `` Fabrication of Ultra‐ small and Long grown at various 02 gaS Ilow rates ", Physica C, Vol.378‐ 381, pp.303‐ 2212 Single Crystal WVldskers'',IEEE 305(2002). Trans On Applied Superconducti、 tt】 characterizadon ■Hatano,“ Temperat■ lre Depenedence of superconducting、 vhiskers'', Physica C, the Surface Resistance of a Bi‐ Sr‐Ca‐Cu‐ Vol.392‐396,pp.508‐ 511(2003). Coupledヽ 江icrOstrlp Resonator Attethod“ , 」pn J Appl, Phys., ヽ も1.40, ppoL669‐ 671(2001). S.Kishida, ■ Httao, S.‐」.Ktta and ■Yamashta,“ GrOwth of Bi2Sr2CaCu20y ヽも1.362)pp.195‐199(2001). Yamashta S.‐ 」.Km, Yu.I.LatysheL ■ and S.Kishida, ` New Approach for Farbricating SubEliCrOn Scale lntrinsic 」osephson Junctions using High,Tc Superconductingふ 在aterials",Physica C, Vol.362,pp.150‐ 155(2001). b] ■K a w a e , S . ‐ 」. K l m , K.Nakttima, ■Yよmashita and S.Kishda,“ Electrical Properties of Bl‐2212 Wl工 sker Using Ag F工m Electrodesル , Physica C ,ヽ 61.362, pp 333,337(2001). K,Inomata, [6]■ .Kawae, Ⅵ .Laけ sheL K.Nal奇 S.Kishida and■ J.路 m, S‐ 血 a,■ Yamashita, Hatano,``」 unction area dependence of critical cllrrent density in Bi‐2212 stacked junction", SupercOnd. Sci.Technol.,Vol.14,pp.1102‐ 1105(2001). [7]H.UeII10to, S.Kishida, H.Yoshikawa, S.Fukushima and N.Ikeda:“ GROWTH AND CHARACTERIZA‐ BASED TION OF Bi‐ SUPERCON‐ DUCTING .Phys,, Vol.,18, WHISKERS'', Sing.」 Nol,pp.255‐ 259(2002). [8]StKishida and H.Uemoto : “ CHARACTERIZATIONS OF BI‐ BASED WHISKERS BY THE METHOD OF SEEDED AL203‐ QUENCHED PLATELETS GLASSY ", of Bi‐ based shida and [11]H.UemOto,M.Mizutani,S,掩 ■Yamashita : `` GrOwth mechattsm of Bよ‐ based superconducting 、 vhdskers '', Physica Superconducting tthiskers",Physica C, [4] , H.UeIIloto, M.Okabe and [10]M.MLZuta面 S.Xこshida : “ Effect of atlnospheres on D,Okai) S.Ohshima, S.Kishida and o mア hisker MIeasllred by the Probe‐ 陣] [9]H.UemOto, H.Tanaka, T,Httao, S.Ktthida, S.‐J.Kim and ■ Yamashita : `` B主‐ based superconducdng whdskers lntrinsic Josephson Junctions on Bi‐ 17。 1.11,No.1,pp.948‐ 951(2001). [2] 4501(2002). C, 515(2003). Vol.392‐ 396, pp.512‐
© Copyright 2024 ExpyDoc
