在基体材料上经中间层形成薄膜的方法技术

一种薄膜形成方法，该方法是在基体材料上经中间层形成薄膜的方法，其特征在于：　　　　计算出上述基体材料与上述中间层间的界面Ａ的界面能量Ｅａ和上述中间层与上述薄膜间的界面Ｂ的界面能量Ｅｂ，　　　　计算出在上述中间层不存在的状态下的上述基体材料与上述薄膜间的界面Ｃ的界面能量Ｅｃ，然后　　　　选择满足Ｅａ＜Ｅｃ且Ｅｂ＜Ｅｃ的条件的中间层材料。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在基体材料上经中间层形成优质薄膜的技术。这样的成膜技术可较好地应用于，例如在超导线材和超导器件等中能利用的氧化物高温超导体薄膜的形成。
技术介绍
因为氧化物高温超导体的临界温度比液氮温度高，不需要极低温的液氦温度，故预期将在实用上应用于超导磁铁、超导电缆和超导器件等。而且，关于氧化物高温超导体已进行了各种各样的研究。作为氧化物高温超导体的利用形态，因为显示出高的临界电流密度以及大面积化成为可能，因此超导体薄膜受到广泛关注。但是，为了形成氧化物高温超导体薄膜，必须使用具备支承该薄膜所需强度等的基体材料。通过外延生长的方式在这样的基体材料上形成氧化物高温超导体的单晶性薄膜，首次得到高的临界电流密度。即，为了形成显示出高的临界电流密度的氧化物高温超导体薄膜，选择适合于该薄膜的外延生长的基体材料是重要的。使用单晶基板作为基体材料时，在现有的基板选择方法中，主要考虑基板与其上的薄膜的晶格常数差要小(参照Solid StateCommu.，Vol.98，1996，pp.157-161)。此外，在基体材料上经中间层形成薄膜的情况下，在现有的中间层的选择方法中，也重视减小中间层与其上的薄膜的晶格常数差(参照Physica C，Vol.357-360，2001，pp.1358-1360)。如上所述，在基板与在其上外延生长的薄膜之间，一般来说，使其晶格常数差较小是较为理想的。但是，因为即使是对于应形成的目的薄膜具有大的晶格常数差的材料，从高强度、高的晶体取向性、低成本和低的介电常数等的观点来看，有时也希望作为该薄膜形成用的基体材料来利用。例如，作为使RE123的薄膜生长的基体材料，有时希望使用MgO。尽管在这样的情况下，RE123与MgO之间有大的晶格常数差，但在基体材料上使高品质的目的薄膜生长是必要的。在本申请的说明书中，RE123表示作为稀土类氧化物超导体的RE1+xBa2-xCu3O7-y，RE表示Sm、Y和Nd等的至少1种或1种以上的稀土类元素。在基体材料与应该形成的目的薄膜之间存在大的晶格常数差的情况下，如上所述，一般尝试在基体材料与薄膜之间插入中间层。在选择这种中间层的材料的情况下，以往只将界面中的晶格常数差作为主要考虑。但是，由于中间层材料的选择，为使薄膜与中间层的晶格整合性变好而导致该中间层与基体材料的晶格整合性变差。或相反，为使中间层与基体材料的晶格整合性变好而导致薄膜与中间层的晶格整合性变差，此时，可认为插入中间层是没有意义的。这样，可以认为关于中间层的材料的选择，只考虑晶格常数差是不充分的。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的状况，本专利技术的目的在于提供在基体材料上经中间层形成目的薄膜的情况下能选择更适当的中间层材料、能形成更优质的薄膜的方法。按照本专利技术，的特征在于，计算出该基体材料与中间层间的界面A的界面能量Ea和中间层与薄膜间的界面B的界面能量Eb，并计算出在中间层不存在的状态下的基体材料与薄膜间的界面C的界面能量Ec，然后选择满足Ea＜Ec且Eb＜Ec的条件的中间层材料。而且，优选界面能量Ea和Eb中的任一个都在2J/m2或2J/m2以下。界面能量Ea、Eb和Ec中个每一个，是根据第一原理计算能带法计算出包含界面的晶体的能量Ed和考虑了构成元素的化学势能的完全晶体的能量Ep后，按照Ed-Ep计算而得。此外，理想的是，在界面A和B的至少一方中，其界面的两侧的物质在其界面中共有共同包含的特定的原子层，由此来降低该界面能量。再者，在界面A和B的至少一方中，具有比界面C小的晶体晶格常数差，由此可使该界面能量下降。理想的是，中间层材料是具有包含2种或2种以上的原子层的层叠晶体结构的氧化物，这些原子层的一种是使界面能量Ea比界面能量Ec低的原子层，原子层的另一种是使界面能量Eb比界面能量Ec低的原子层。而且，中间层材料优选具有钙钛矿型的晶体结构。在将中间层材料的氧化物看作包含用包围金属离子的氧离子形成的配位多面体时，在界面A和B的至少一方的界面中，这些氧离子最好都与该界面的另一方的物质结合。基体材料最好具有岩盐型的晶体结构。优选基体材料是MgO，中间层材料是BaZrO3，而且，薄膜是RE123。附图的简单说明附图说明图1A是Sm123/MgO界面(Ba在Mg之上的情况)的晶格模型图，表示缓和前的状态，图1B表示缓和后的状态。图2A是Sm123/BZO界面的晶格模型图，表示缓和前的状态，图2B表示缓和后的状态。图3A表示从完全晶体中的原子位置离开的位移量的曲线图，表示Sm123/MgO界面(Ba在Mg之上的情况)的情况，图3B表示Sm123/BZO界面的情况。实施专利技术的最佳方案本专利技术者们发现，关于MgO单晶基体材料(或利用基板倾斜法赋予了面内取向性的MgO单晶性膜基体材料参照特开平7-291626号公报)和Sm123薄膜，通过插入BZO(在本说明书中，将BaZrO3简单地记为BZO)作为中间层，则可以改善Sm123膜的面内晶体取向性的效果。而且，这种效果的主要原因已有解释，即基于这些物质的晶体结构，通过引入异种物质间界面能量的概念可以说明。(参照日本金属学会志第66卷(2002)第320-328页)。此外，本专利技术者们解释了，在外延生长的Sm123/BZO界面中，其界面两侧的物质中共同包含的BaO原子层在其界面中有被两物质共有的可能性。而且，当界面包含其两侧的物质中共同的原子层时，可认为界面能量中的化学项下降，外延性提高。但是，由于迄今为止的分析还停留于定性的讨论，故作为从几种中间层材料中选择有希望的候补材料的方法尚未达到一般化。即，对异种物质间的界面中的界面能量，目前不能定量化，只不过对于日本金属学会志第66卷(2002)第320-328页中示出的Sm123/BZO/MgO的材料系统的界面，可指出界面能量的大小关系的可能性。而且，就本专利技术者们所知，对于包含高温超导体那样复杂结构的物质的异种界面，迄今为止尚不存在对其界面能量进行了定量化的报道例。最初，在这样的物质系统中选择BZO作为中间层的原因，是因为该BZO对于反应性非常高的Ba-Cu-O熔融液是稳定的(参照特开2000-299026号公报)，在选择BZO的中间层的时候，甚至连在该中间层上是否能进行RE123膜的外延生长都是不明确的。在本专利技术中，发现了使用第一原理计算能带法作为界面能量的计算方法，即使在复杂的物质系统中也能对界面能量进行定量化。可知该界面能量的计算结果与在日本金属学会志第66卷(2002)第320-328页中示出的实验结果符合，可知在该界面中产生了离开单体的晶体结构中各原子的理想位置的位移，该位移的程度与界面能量的大小关系有相关性。这一点意味着，不仅能说明对于Sm123/BZO/MgO的物质系统的实验结果，而且即使在设定今后的未知的界面的情况下，通过计算出该界面能量，也能预先选择有希望的中间层材料的候补。即，本专利技术在设计包含多种物质的层叠结构时，可提供用来得到优质的层叠结构的非常有效的手段。<由第一原理计算的界面能量的计算> (第一原理计算能带法)所使用的方法被称为第一原理计算中适合于固体的问题的处理的能带计算法，具有以下的特征(a)-(d)(参照2001年日本金属学会研究会、正文“用个人计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种薄膜形成方法，该方法是在基体材料上经中间层形成薄膜的方法，其特征在于计算出上述基体材料与上述中间层间的界面A的界面能量Ea和上述中间层与上述薄膜间的界面B的界面能量Eb，计算出在上述中间层不存在的状态下的上述基体材料与上述薄膜间的界面C的界面能量Ec，然后选择满足Ea＜Ec且Eb＜Ec的条件的中间层材料。2.按照权利要求1中所述的薄膜形成方法，其特征在于上述界面能量Ea和Eb中的任一个都小于或等于2J/m2。3.按照权利要求1中所述的薄膜形成方法，其特征在于上述界面能量Ea、Eb和Ec中的每一个，是根据第一原理计算能带法计算出包含界面的晶体的能量Ed和考虑了构成元素的化学势能的完全晶体的能量Ep后，按照Ed-Ep计算出。4.按照权利要求1中所述的薄膜形成方法，其特征在于在上述界面A和B的至少一方中，其界面的两侧的物质在其界面中共有共同包含的特定的原子层，由此降低该界面能量。5.按照权利要求1中所述的薄膜形成方法，其特征在于在上述界面A和B的至少一方中，通过具有比...

【专利技术属性】
技术研发人员：长谷川胜哉，和泉辉郎，盐原融，菅原义弘，平山司，大场史康，几原雄一，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，财团法人国际超电导产业技术研究中心，
类型：发明
国别省市：