超伝導デバイス用ニオブ薄膜の高品質化に関する研究

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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。