超伝導デバイス用ニオブ薄膜の高品質化に関する研究

提高超导器件用铌薄膜质量的研究

• 批准号: 07750334
• 负责人: 松田 瑞史
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Muroran Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1995
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1995 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07750334/
• 关键词: 超伝導薄膜; ニオブ; エピタキシャル成長

本研究は、現在超伝導素子の性能向上を妨げている問題、すなわち超伝導薄膜中に含まれる不純物や結晶粒界での電子散乱・磁束捕捉等の、材料自体に起因する問題を克服することを目的として行われた。具体的には、素子の母体材料として用いられるNb(ニオブ)超伝導薄膜について、エピタキシャル化を試みることでその高品質化を図った。また、得られた薄膜についてその結晶学的・電気的・磁気的性質を評価し、従来の多結晶Nb膜との比較を行うことで、デバイス応用への優位性を検証した。Nb薄膜は酸素等の不純物混入をさけるために、超高真空中において電子ビーム蒸着法により作製した。基板としてはNb薄膜と格子定数の近いsapphireのR面を用い、蒸着速度は2〜10nm/sec程度で薄膜は役200nmとした。特に基板過熱を行わずに作製した薄膜試料は(110)配向した多結晶膜となるのに対して、基板加熱ユニットを用いて500℃以上に基板加熱を行いながら成膜した試料は(100)配向となり、基板表面の結晶格子に対してヘテロ・エピタキシャル成長していることがわかった。又、基板加熱を行うことにより、超伝導転移温度(Tc)は8Kから9Kへと、300Kと10Kとの抵抗比(RRR)は2から23へと増加し、電気的特性も改善されることがわかった。これは薄膜試料中に含まれる不純物・結晶粒界が減少し、電子散乱の寄与が小さくなったためと考えられる。ただし、基板温度をらに650℃程度まで上昇させて成膜すると、基板ヒ-タから発生する不純物ガスが膜中に混入して特性は劣化してしまう。高速電子線回折(RHEED)や原子間力顕微鏡(AFM)によって薄膜表面の結晶構造・表面形状の観察を行った結果、基板加熱を行って作製した試料の表面凹凸の大きさは、1〜3nm程度で、室温成膜の試料(約10nm)に比べて小さいことが判明した。このことはデバイス応用の観点からは有利であると考えられる。

这项研究旨在克服目前阻碍超导器件性能提高的问题，即材料本身引起的问题，如超导薄膜中含有的杂质以及晶界处的电子散射和磁通俘获等问题。的具体来说，我们尝试对用作器件基材的Nb（铌）超导薄膜进行外延生长，以提高其质量。我们还评估了所得薄膜的晶体学、电学和磁学性能，并通过与传统多晶铌薄膜进行比较，验证了其在器件应用中的优越性。 Nb薄膜是在超高真空下通过电子束蒸发制备的，以避免氧气等杂质的污染。采用晶格常数与Nb薄膜相似的蓝宝石R面作为基底，沉积速率约为2～10nm/秒，薄膜厚度约为200nm。特别地，发现在不过度加热衬底的情况下制备的薄膜样品变成(110)取向的多晶膜，而使用衬底加热单元将衬底加热到​​500℃以上时形成的样品具有(100)取向。晶体相对于衬底表面上的晶格以异质外延方式取向。此外，通过加热基板，超导转变温度（Tc）从8K增加到9K，300K和10K之间的电阻比（RRR）从2增加到23，并且电气特性也得到改善。这被认为是因为薄膜样品中含有的杂质和晶界减少，电子散射的贡献变小。然而，如果将衬底温度进一步升高至约650℃以形成膜，则从衬底加热器产生的杂质气体将混入膜中并且特性将劣化。使用高速电子衍射(RHEED)和原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面的晶体结构和表面形状，结果发现，通过加热制备的样品的表面凹凸尺寸发现该基底的厚度小于在室温下形成的样品的厚度(约10nm)。从设备应用的角度来看，这被认为是有利的。

项目成果

松本学: "超高真空蒸着法によるNb薄膜の作製" 平成7年度電気関係学会北海道支部連合大会講演論文集. 179 (1995)

Manabu Matsumoto：“超高真空蒸发法制备铌薄膜”1995年电气相关协会北海道分会会议记录179（1995）。

松田瑞史: "超高真空電子ビーム蒸着法によるNb薄膜の作製" 第43回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 第2分冊. (1996)

松田水志：“超高真空电子束蒸发制备铌薄膜”第43届应用物理学会讲座会议论文集第2卷（1996年）。