单晶性薄膜制造技术

一种单晶性薄膜，该薄膜是在基底层上形成的薄膜，其特征在于，上述薄膜包含与上述基底层不同的物质，　　　　在上述基底层和上述薄膜中共同包含的特定的原子层在上述基底层与上述薄膜的界面中被共有，　　　　在从上述界面起到上述薄膜的单位晶格１００个以内的界面附近区域中，以上述基底层的晶体方位为基准具有偏移角±２度以内的方位而生长的晶体所占的比例大于或等于５０％。（*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底层上形成优质的单晶性薄膜的技术。这样的技术可较好地应用于提供，例如在超导线材或超导器件等中能利用的氧化物高温超导体薄膜。
技术介绍
氧化物高温超导体，因为其临界温度比液氮温度高，不需要极低温的液氦温度，故期待其在超导磁铁、超导电缆和超导器件等领域的实际应用。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，由于可显示出高的临界电流密度及可实现大面积化，故超导薄膜越来越受到关注。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用的强度等的基底层。通过使用外延生长在这样的基底层上首先形成氧化物高温超导体的单晶性薄膜，才能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底层是重要的。而且，已试验了利用各种各样的基底层来形成各种各样的氧化物高温超导体薄膜。再有，在本申请说明书中，所谓基底层，泛指与目的薄膜相接而形成界面的基底。因而，在体的基体材料上形成了目的薄膜的情况下，基底层指的是该基体材料。另一方面，在体的基体材料上经任何一种中间层形成目的薄膜的情况下，基底层则指该中间层。在基底层上形成与该基底层不同物质构成的结晶性目的薄膜情况下，大多不能得到具有与体状态的单晶同等特性的单晶性薄膜。这是因为在基底层上形成目的薄膜时，该薄膜受到来自基底层的影响。例如，在进行了较多的研究的Y123薄膜中，不可能达到像用体单晶那样得到的零电阻的临界温度Tc＝92K，Tc大多为低于或等于90K。再有，在本申请说明书中，RE123表示RE1+xBa2-xCu3O7-y，而且RE表示Y、Nd、Sm等中的至少1种的稀土类元素。在体状态下与Y123相比具有高的临界温度Tc＝96K的Nd123的情况下，在薄膜状态下得到高的Tc更为困难。在Nd123中，能得到高Tc的薄膜的成膜条件处于探索阶段，该成膜条件被限定于窄的范围内，而且，在薄膜状态下，即使是最高值的Tc，也约为93K，与体状态的Tc有差距。作为氧化物超导材料在薄膜状态下显示出低的Tc的理由，可认为薄膜晶体被基底层所束缚，由晶体晶格处于变形了的状态的非平衡过程生成的晶体包含许多缺陷，是不完全的等。但是，由于考虑到在现实中这些原因与其它的原因混在一起的情况较多，故这些理由还未能达到确定的程度。
技术实现思路
鉴于上述那样的现有技术的状况，本专利技术的目的在于在基底层上形成目的薄膜的情况下提供能形成更优质的单晶性薄膜的方法并提供具有与体材料同等或更好特性的薄膜。按照本专利技术，在基底层上形成的单晶性薄膜中，其特征在于该薄膜由与基底层不同的物质构成，在基底层和薄膜中共同包含的特定的原子层在基底层与薄膜的界面处是共有的，在从界面起到薄膜的100个单位晶格以内的界面附近区域中，以基底层的晶体方位为基准具有偏移角±2度以内的方位而生长的晶体所占比例大于或等于50％。再有，希望薄膜和基底层都由具有层状的晶体结构的物质构成。此外，薄膜和基底层的至少一方优选由包含大于或等于2种金属元素的氧化物构成。薄膜和基底层的至少一方优选由具有钙钛矿型的晶体结构的物质构成。薄膜与基底层的晶格常数差优选处于5％～1 5％的范围内。薄膜最好由RE1+xBa2-xCu3O7-y类超导体构成。基底层优选由BaZrO3构成。薄膜在大于或等于91K的温度下可显示出超导性。界面的界面能量最好小于或等于2J/m2。可利用第一原理计算能带法来计算界面能量。附图的简单的说明附图说明图1示出了表示Sm123/BZO界面的晶格像的实际的电子显微镜照片和在其一部分中插入的模拟像。图2示出了在像模拟中使用的Sm123/BZO界面晶格模型。图3是表示在与BZO基底层的界面的附近的Sm123膜的晶体取向的示意图。图4是表示在与MgO基底层的界面附近的Sm123膜的晶体取向的示意图。图5是示出Sm123膜的厚度与临界温度Tc的关系的曲线图。图6是示出Sm123膜中的电阻-温度依存性的曲线图。图7是示出Sm123膜的厚度与临界电流密度Jc的关系的曲线图。图8是示出Sm123膜中的临界电流密度Jc对于外部磁场B的依存性的曲线图。图9A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9B表示缓和后的状态。图10A是Sm123/BZO界面的晶格模型图，表示缓和前的状态，图10B表示缓和后的状态。图11A是表示完全晶体中的离开原子位置的位移量的曲线图，表示Sm123/MgO界面(Ba在Mg之上的情况)的情况，图11B表示Sm123/BZO界面的情况。实施专利技术的最佳方案在本专利技术中使用的基底层由与目的膜不同的物质构成，是在其上外延生长目的膜用的单晶性的基底，形成与目的膜的界面。即，在本专利技术中的基底层中包含不包含覆盖层的单晶性的体材料本身、表面被单晶性的膜覆盖了的体材料、在单晶性体材料(或取向了的金属带材)上外延生长了的中间层和在无取向的金属基板上被取向了的中间层等。作为本专利技术的实施方案的一例，是对于作为表面被单晶性膜覆盖了的体材料的BZO膜/MgO单晶作为基底层被使用、并形成Sm123作为目的膜的例子进行了说明。再有，在本申请的说明书中，令BZO表示BaZrO3。本专利技术者们根据这些物质的晶体结构的观点指出了在外延生长了的Sm123/BZO界面中，其界面的两侧的物质中共同包含的原子层BaO有被两侧的物质共有的可能性(参照日本金属学会志第66卷(2002)第320-328页)。本专利技术者们还认为，在界面由其两侧的物质中共同的原子层构成时，可认为界面能量中的化学项下降，外延性提高。但是，这样的界面的原子的微细结构迄今为止尚未被确定，此外，该目的膜显现出的特性尚未达到预期的水平。在本专利技术的基底层上的薄膜中，根据由高分辨率电子显微镜进行界面的原子结构的观察和分析来确定界面结构，同时利用更宽的区域的组织观察，发现了从界面附近起是晶体取向性良好的单晶性薄膜。再者，为了考察这样的界面结构对目的膜的特性的影响，着眼于离界面的距离即膜厚，研究了膜特性对于该膜厚的依存性。作为比较例，采用了在界面中不能共有同一原子层的Sm123/MgO。MgO是在BZO的外延生长中使用的单晶基板，由于具有与BZO大致相等的晶格常数，而且从其晶体结构上看，不具有与Sm123共同的原子层，故可认为作为本专利技术的比较例是适合的。其结果发现，如本实施方案中所示那样，在目的膜和由与其不同的物质构成的基底层两者的物质中共同包含的特定原子层在目的膜/基底层的界面中被共有，且从其界面附近起作为晶体取向性良好的单晶性薄膜显现出高特性的薄膜的必要条件。在本实施方案中叙述的原理可认为不仅充分地适用于Sm123/BZO界面，而且也充分地适用于置换为与Sm123同样地包含BaO层且具有相同类型的晶体结构的RE123类高温超导体的RE123/BZO界面。此外，作为BZO中间层，不仅在MgO体单晶上形成的情况下，而且如果具有单晶性，则即使使用例如在耐盐酸镍基合金等的高强度金属基板上利用基板倾斜法(参照特开平7-291626号公报)而赋予面内取向性的MgO上形成的BZO膜，也可期待利用本专利技术而显现出良好的特性。再者，本专利技术中通过在具有由单位晶格为6个原子层构成的复杂结构的Sm12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】1.一种单晶性薄膜，该薄膜是在基底层上形成的薄膜，其特征在于，上述薄膜包含与上述基底层不同的物质，在上述基底层和上述薄膜中共同包含的特定的原子层在上述基底层与上述薄膜的界面中被共有，在从上述界面起到上述薄膜的单位晶格100个以内的界面附近区域中，以上述基底层的晶体方位为基准具有偏移角±2度以内的方位而生长的晶体所占的比例大于或等于50％。2.按照权利要求1中所述的单晶性薄膜，其特征在于上述薄膜和上述基底层包含具有层状的晶体结构的物质。3.按照权利要求1中所述的单晶性薄膜，其特征在于上述薄膜和上述基底层的至少一方包括含有大于或等于2种金属元素的氧化物。4.按照权利要求1中所述的单晶性薄膜，其特征在于上述薄膜和上述基底层的至少...

【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：