JP3025891B2 - 薄膜超電導体およびその製造方法 - Google Patents
薄膜超電導体およびその製造方法Info
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Description
マスを含む酸化物超電導体の薄膜の製造方法に関するも
のである。
ニオブ(NbN)やゲルマニウムニオブ(Nb3Ge)などが知
られていたが、これらの材料の超電導転移温度はたかだ
か23゜Kであった。一方、ペロブスカイト系化合物は、
さらに高い転移温度が期待され、Ba−La−Cu−O系の高
温超電導体が提案された[J.G.Bednorz and K.A.Mulle
r,ツァイトシュリフト・フュア・フィジーク(Zetshrif
t Fr Physik B)−Condensed Matter,Vol.64,189−19
3(1986)]。
転移温度を示すことも発見された[H.Maeda,Y.Tanaka,
M.Fukutomi and T.Asano,ジャパニーズ・ジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス(Japanese Journal o
f Applied Physics)Vol.27,L209−210(1988)]。こ
の種の材料の超電導機構の詳細は明らかではないが、転
移温度が室温以上に高くなる可能性があり、高温超電導
体として従来の2元系化合物より、より有望な特性が期
待される。
り、より高い臨界電流密度およびより高い臨界磁場が従
来から期待されている。
の技術では主として焼結という過程でしか形成できない
ため、セラミックの粉末あるいはブロックの形状でしか
得られない。一方、この種の材料を実用化する場合、薄
膜状に加工することが強く要望されているが、従来の技
術では、良好な超電導特性を有する薄膜作製は難しいも
のであった。すなわち、Bi−Sr−Ca−Cu−O系には超電
導転移温度の異なるいくつかの相が存在することが知ら
れているが、特に転移温度が100゜K以上の相を薄膜の形
態で達成するのは、非常に困難とされていた。
薄膜を形成するためには少なくとも700℃以上の熱処理
あるいは形成時の加熱が必要であり、そのため高い臨界
電流密度、高い臨界磁場が期待される磁性薄膜との周期
的な積層構造を得ることは極めて困難と考えられ、また
この構造を利用した集積化デバイスを構成することもた
いへん困難であるとされていた。
高臨界温度が期待されるビスマスを含む酸化物超電導薄
膜およびその製造方法を提供することである。
成分が少なくともビスマス(Bi)、銅(Cu)、およびア
ルカリ土類(II a族)を含み、結晶構造が層状の酸化物
超電導薄膜と、主体成分がペロブスカイト型酸化物から
なる磁性薄膜が交互に積層された構造を持つものであ
る。
上に、少なくともBiを含む酸化物と少なくとも銅および
アルカリ土類(II a族)を含む酸化物とを周期的に積層
させて形成する結晶構造が層状の酸化物超電導薄膜と、
ペロブスカイト型酸化物からなる磁性薄膜とを、交互に
積層させて得る薄膜超電導体の製造方法である。
も一種あるいは二種以上の元素を示す。また、ペロブス
カイト型酸化物とはRFeO3(R=Y,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,E
r,Tm,Yb,Lu)あるいは、MMnO3(M=Bi,La0.7Ca0.3,La
0.7Sr0.3,La0.7Ba0.3,La0.6,Pb0.4,La0.7Cd0.3),ある
いは、AMnO6(A=Gd2Co,Ba2Fe,Ca2Fe)であらわされる
酸化物磁性体である。
これを主体とした層によりともに覆われた結晶構造とな
っているところの、Bi系超電導薄膜と、ペロブスカイト
型酸化物からなる磁性薄膜とが、交互に積層された構造
をとることによって、超電導薄膜と磁性薄膜との間での
相互拡散の少ない積層が可能となる。また、磁性薄膜の
もつ磁気モーメントまたはスピンと超電導体との相互作
用により、Bi系超電導薄膜における臨界電流密度および
臨界磁場の向上が実現されたものである。
め、少なくともBiを含む酸化物と、少なくとも銅および
アルカリ土類(II a族)を含む酸化物あるいはペロブス
カイト型酸化物とを、周期的に積層させて分子レベルの
制御による薄膜の作製を行うことによって、再現性良く
Bi系超電導薄膜と磁性薄膜との積層を得るものである。
造を実現するため、Bi系超電導薄膜と種々の磁性薄膜と
の界面での相互作用について検討した。
に蒸着して得る。蒸着後、そのままでも薄膜は超電導特
性を示すが、その後800〜950℃の熱処理を施し、超電導
特性を向上させる。
超電導薄膜に続いて積層したり、磁性薄膜を形成後熱処
理を行った場合、超電導薄膜と磁性薄膜との間で、元素
の相互拡散が起こり超電導特性が大きく劣化することが
判明した。相互拡散を起こさないためには、超電導薄
膜,磁性薄膜の結晶性が優れていること、超電導薄膜,
磁性薄膜間での格子の整合性が優れていること、磁性薄
膜が800〜950℃の熱処理に対して安定であることが不可
欠と考えられる。
膜が磁性薄膜として適していることを見いだした。この
理由は明らかではないが、ペロブスカイト型酸化物は、
Bi系超電導体との格子の整合性がきわめて優れており、
また高温の熱処理においても、Bi系超電導体との界面が
非常に安定であると考えられる。
を周期的に積層したとき、Bi系超電導薄膜本来の臨界電
流密度および臨界磁場が向上することを見いだした。
1図を用い具体的な実施例を示す。
スパッタ装置内部の概略図であり、11はBi−Sr−Ca−Cu
−Oターゲット、12はBi−Mn−Oターゲット、13はシャ
ッター、14はアパーチャー、15は基体、16は基体加熱用
ヒーターを示す。焼結体をプレス成形加工して作製した
2個のターゲット11,12を用い、第1図に示すように配
置させた。すなわち、MgO(100)基体15に焦点を結ぶよ
うに各ターゲットが約30゜傾いて設置されている。ター
ゲットの前方には回転するシャッター13があり、その中
にはアパーチャー14が設けられている。シャッター13の
回転をパルスモータで制御することにより、アパーチャ
ー14をBi−Sr−Ca−Cu−OターゲットまたはBi−Mn−O
ターゲット上に停止させることができる。このようにし
て、Bi−Sr−Ca−Cu−O→Bi−Mn−O→Bi−Sr−Ca−Cu
−O→Bi−Mn−O→Bi−Sr−Ca−Cu−Oのサイクルでス
パッタ蒸着が行うことができる。Bi−Sr−Ca−Cu−O
膜、Bi−Mn−O膜の積層の様子を概念的に第2図に示
す。同図において、21はBi−Mn−O膜、22はBi−Sr−Ca
−Cu−O膜を示す。ターゲット11,12への入力電力、お
よびそれぞれのターゲットのスパッタ時間を制御するこ
とにより、基体15上に蒸着するBi−Mn−O膜21、Bi−Sr
−Ca−Cu−O膜22の膜厚を変えることができる。基体15
をヒーター16で約700℃に加熱し、アルゴン・酸素(1:
1)混合雰囲気0.5Paのガス中で各ターゲットのスパッタ
リングを行なった。薄膜作製後は酸素雰囲気中におい
て、800℃の熱処理を2時間施した。本実施例では、各
ターゲットのスパッタ電力を、Bi−Sr−Ca−Cu−O:150
w,Bi−Mn−O:100wとし、ターゲット11,12のスパッタ時
間を制御した。Bi−Sr−Ca−Cu−O膜22の元素の組成比
率がBi:Sr:Ca:Cu=2:2:2:3、Bi−Mn−O膜21の元素の組
成比率がBi:Mn:O=1:1:3になるよう、ターゲット11,12
の元素の組成比率を調整した。Bi−Sr−Ca−Cu−O膜22
をBi−Mn−O膜21と積層せずに基体15上に形成した場
合、すなわちBi−Sr−Ca−Cu−O膜22そのものの特性
は、110゜Kで超電導転移を起こし、100゜Kで抵抗値がゼ
ロになるものであった。また、BiMnO3膜だけを成膜し磁
化を測定するとバルクの値と同一であった。BiMnO3膜お
よびBi2Sr2Ca2Cu3Oy膜の膜厚をそれぞれ500Åとし1層
づつ積層した。この膜の抵抗値の温度特性を第3図に示
す。超電導転移温度(オンセット温度)は、110゜Kであ
りBiMnO3膜を積層していない場合とかわらなかった。外
部磁場10kOeを積層膜の膜面に垂直に印加し、磁性体膜
を磁化させたのち外部磁場を取り除いた状態で測定した
臨界電流密度の温度依存性を第4図に示す。臨界電流密
度は磁場をかける前の値にたいして各温度において約30
%大きくなっている。第5図は外部磁場を印加した状態
における電気抵抗の温度特性を示す。BiMnO3膜を積層し
ていないBi−Sr−Ca−Cu−O膜自身の結果と比較すると
積層膜においては、磁場による超電導転移温度領域の広
がりが小さくなることがわかった。このことは上部臨界
磁場の向上を意味している。これらの臨界電流密度およ
び上部臨界磁場の向上の理由は明らかではないがBiMnO3
膜の磁化またはスピンがBi−Sr−Ca−Cu−O膜の超伝導
機構に影響をもたらした結果であると考えられる。ま
た、BiMnO3膜およびBi−Sr−Ca−Cu−O膜単独で成膜し
たとき、膜厚がそれぞれ100Åおよび50Å以上のとき結
晶性の薄膜が得られることがわかった。第2図におい
て、Bi−Mn−O膜21の膜厚を100ÅとしてBi−Sr−Ca−C
u−O膜22の膜厚が100Å,300Å,500Å,繰り返し回数を
20回としたときの特性をそれぞれ第6図において、特性
61,62,63に示す。特性61においてはゼロ抵抗温度が約30
゜KとBi−Sr−Ca−Cu−O膜22の特性が劣化することが
わかった。この理由として、Bi−Sr−Ca−Cu−O膜22と
Bi−Mn−O膜21との間で元素の相互拡散による膜21,22
の結晶性の破壊が考えられる。さらに特性63において
は、Bi−Mn−O膜21との周期的な積層なしに基体15上に
つけたときのBi−Sr−Ca−Cu−O膜22本来の超電導特性
とほとんど同じであり、磁性薄膜Bi−Mn−O膜21との積
層効果は確認されなかった。しかし、特性62において、
臨界電流密度は磁性膜を積層していない膜と比較して約
30%向上し、77゜Kで320万A/oとなった。上記臨界磁場
はBi−Sr−Ca−Cu−O膜本来のものより約20%向上し
た。4.2゜Kにおいて、c軸に平行方向に磁場を加えたと
きの値は30テスラ、またc軸に垂直方向では450テスラ
であった。現在、これらの効果の詳細な理由については
未だ不明であるが、Bi−Mn−O膜21が持つ磁気モーメン
トまたはスピンの影響、または、薄いBi−Mn−O膜21を
介して複数のBi−Sr−Ca−Cu−O膜22を積層することに
よりBi−Sr−Ca−Cu−O膜22において超電導機構になん
らかの変化が引き起こされたことが考えられる。
てスパッタしたとき、基体15の温度が上記実施例よりも
約100℃低くても、上記実施例と同等な結果が得られる
ことを見いだした。
発源から真空中で別々に蒸発させ、基体上にBi−O→Sr
−Cu−O→Ca−Cu−O→Sr−Cu−O→Bi−Oの順で周期
的に積層させた場合、さらにMnターゲットを用い真空中
で蒸発させ、積層させた場合、(実施例1)に示した積
層構造作製方法より極めて制御性良く、安定した膜質
の、しかも膜表面が極めて平坦なBi−Sr−Ca−Cu−O超
電導薄膜およびBi−Mn−O磁性薄膜が得られることを見
いだした。
Oを別々の蒸発源から蒸発させ、Bi−Sr−Ca−Cu−O超
電導薄膜とBi−Mn−O磁性薄膜を周期的に積層したと
き、極めて制御性良くm(Bi−Sr−Ca−Cu−O)・n
(Bi−Mn−O)の周期構造を持つ薄膜を形成できること
を見いだした。ここでm,nはそれぞれ少なくとも1以上
の正の整数を示す。さらに、このm(Bi−Sr−Ca−Cu−
O)・n(Bi−Mn−O)薄膜は、(実施例1)に示した
Bi−Sr−Ca−Cu−Oを同時に蒸着して得る超電導薄膜
と、Bi−Mn−Oを同時に蒸着して得る酸化物磁性薄膜と
を周期的に積層して得た薄膜に比べて、はるかに結晶性
が優れ、臨界電流密度および上部臨界磁場の特性におい
て勝っていることも併せて見いだした。さらに、上記の
方法で作製したBi−Sr−Ca−Cu−O超電導薄膜とBi−Mn
−O磁性薄膜はともに薄膜表面が極めて平坦であること
を見いだした。
くことにより、基体表面に対し平行な面内だけで積層さ
れた蒸着元素が動くだけで、基体表面に対し垂直方向へ
の元素の移動がないことによるものと考えられる。
度、熱処理温度も、従来より低いことを見いだした。
的に積層させる方法としては、いくつか考えられる。一
般に、MBE装置あるいは多元のEB蒸着装置で蒸発源の前
を開閉シャッターで制御したり、気相成長法で作製する
際にガスの種類を切り替えたりすることにより、周期的
積層を達成することができる。しかしこの種の非常に薄
い層の積層には従来スパッタリング蒸着は不向きとされ
ていた。この理由は、成膜中のガス圧の高さに起因する
不純物の混入およびエネルギーの高い粒子によるダメー
ジと考えられている。しかし、このBi系酸化物超電導体
に対してスパッタリングにより異なる薄い層の積層を行
うと、良好な積層膜作製が可能なことを発見した。スパ
ッタ中の高い酸素ガス圧およびスパッタ放電が、Bi系の
100゜K以上の臨界温度を持つ相の形成、およびBi−Mn−
O絶縁膜の形成に都合がよいためではなかろうかと考え
られる。
は、組成分布を設けた1個のスパッタリングターゲット
の放電位置を周期的に制御するという方法があるが、組
成の異なる複数個のターゲットのスパッタリングという
方法を用いると比較的簡単に達成することができる。こ
の場合、複数個のターゲットの各々のスパッタ量を周期
的に制御したり、あるいはターゲットの前にシャッター
を設けて周期的に開閉したりして、周期的積層膜を作製
することができる。また基板を周期的に運動させて各々
ターゲットの上を移動させる方法でも作製が可能であ
る。レーザースパッタあるいはイオンビームスパッタを
用いた場合には、複数個のターゲットを周期運動させて
ビームの照射するターゲットを周期的に変えれば、周期
的積層膜が実現される。このように複数個のターゲット
を用いたスパッタリングにより比較的簡単にBi系酸化物
の周期的積層が作製可能となる。
具体的な実施例を示す。
装置の概略図を示す。第7図において、71はBiターゲッ
ト、72はSrCu合金ターゲット、73はCaCu合金ターゲッ
ト、74はMnターゲット、75はシャッター、76はアパーチ
ャー、77は基体、78は基体加熱用ヒーターを示す。計4
個のターゲット71,72,73,74は第7図に示すのと同様に
配置させた。すなわち、MgO(100)基体77に焦点を結ぶ
ように各ターゲットが約30゜傾いて設置されている。タ
ーゲットの前方には回転するシャッター75があり、パル
スモータで駆動することによりその中に設けられたアパ
ーチャー76の回転が制御され、各ターゲットのサイクル
およびスパッタ時間を設定することができる。基体77を
ヒーター78で約600℃に加熱し、アルゴン・酸素(5:1)
混合雰囲気3Paのガス中で各ターゲットのスパッタリン
グを行なった。各ターゲットのスパッタ電流を、Bi:30m
A,SrCu:80mA,CaCu:300mA,Mn:80mAにして実験を行った。
Bi→SrCu→CaCu→SrCu→Biのサイクルでスパッタし、Bi
−Sr−Ca−Cu−O膜の元素の組成比率がBi:Sr:Ca:Cu:O
=2:2:2:3となる各ターゲットのスパッタ時間を調整
し、上記サイクルを20周期行うと、110゜K以上の臨界温
度を持つ相を作製することができる。このまま状態でも
このBi−Sr−Ca−Cu−O膜は110゜K以上の超電導転移を
示すが、さらに酸素中で600℃、1時間の熱処理を行う
と非常に再現性がよくなり、超電導転移温度は115゜Kで
抵抗値がゼロになる温度は100゜Kになった。超電導転移
温度が100゜Kを超す相は金属元素がBi−Sr−Cu−Ca−Cu
−Ca−Cu−Sr−Biの順序で並んだ酸化物の層から成り立
っているとも言われており、本発明の製造方法がこの構
造を作るのに非常に役だっているのではないかと考えら
れる。
とも70Å以上でペロブスカイト型結晶構造をとることを
見いだした。
層しその上にBi−Mn−Oを膜厚d(Å)になるよう各タ
ーゲットをスパッタし、n(Bi−Sr−Ca−Cu−O)・d
(Bi−Mn−O)薄膜を基体77上に作製した。ここでnは
1以上の正の整数を示す。n=10のとき、Bi−Mn−O薄
膜の膜厚dを変化させて積層して得た膜の超電導特性を
調べた。このときBi−Sr−Ca−Cu−O薄膜/Bi−Mn−O
薄膜の積層繰り返し回数は10回とした。第8図にd=7
0,200,1000Åのときに得た多層膜の抵抗の温度変化をそ
れぞれ特性81,82,83に示す。第8図において、d=200
Åのとき、最も高い超電導転移温度およびゼロ抵抗温
度、すなわち特性82が得られた。特性82の超電導転移温
度、ゼロ抵抗温度はBi−Sr−Ca−Cu−O膜本来のそれら
の値と同等である。臨界電流密度は77゜Kにおいて、360
万A/oとなり、磁性体薄膜を積層していない薄膜の値よ
り45%高くなった。また、上部臨界磁場はBi−Sr−Ca−
Cu−O膜本来のものより約30%向上する。4.2゜Kにおい
て、c軸に平行方向に磁場を加えたときの値は33テス
ラ、またc軸に垂直方向では490テスラであった。この
効果の詳細な理由については未だ不明であるが、本実施
例に示した方法でBi−Sr−Ca−Cu−O膜とBi−Mn−O膜
とを周期的に積層することによって、Bi−Sr−Ca−Cu−
O膜とBi−Mn−O膜がエピタキシャル成長していること
により積層界面での元素の相互拡散の影響がなく、かつ
結晶性に優れた薄いBi−Mn−O膜を介して同じく結晶性
に優れたBi−Sr−Ca−Cu−O膜を積層することによりBi
−Sr−Ca−Cu−O膜において超電導機構になんらかの変
化が引き起こされたことが考えられる。
してスパッタしたとき、基体77の温度が上記実施例より
も約100℃低くても、上記実施例と同等な結果が得られ
ることを見いだした。
界電流密度、臨界磁場の向上をはかる構造を提供するも
のであり、第2の発明の薄膜超電導体の製造方法は第1
の発明をより効果的に実現し、デバイス等の応用には必
須の低温でのプロセスを確立したものであり、本発明の
工業的価値は大きい。
概略図、第2図は第1の発明の構造概念図、第3図,第
6図は第1図の装置により得た薄膜における抵抗値の温
度特性図、第4図は第1図の装置により得た薄膜におけ
る臨界電流密度の温度依存性を示す図、第5図は第1図
の装置により得た薄膜における外部磁場下における抵抗
値の温度特性図、第7図は第2の発明の実施例における
薄膜の製造装置の概略図、第8図は第7図の装置により
得た薄膜における抵抗値の温度特性図である。 11,12,71,72,73,74……スパッタリングターゲット、13,
75……シャッター、14,76……アパーチャー、15,77……
MgO基体、16,78……ヒーター、21……Bi−Mn−O膜、22
……Bi−Sr−Ca−Cu−O膜、61,62,63,81,82,83……薄
膜の抵抗の温度特性。
Claims (4)
- 【請求項1】主体成分が少なくともビスマス(Bi),銅
(Cu)およびアルカリ土類(II a族)を含み、層状ペロ
ブスカイト構造の酸化物超電導薄膜と、少なくとも1種
類以上のペロブスカイト型酸化物からなる磁性薄膜が交
互に積層された構造を持つことを特徴とする薄膜超電導
体。 ここで、ペロブスカイト型酸化物とは、RFeO3(R=Y,S
m,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)あるいはMMnO3(M=B
i,La0.7Ca0.3,La0.7Sr0.3,La0.7Ba0.3,La0.6Pb0.4,La
0.7Cd0.3)あるいはAMnO6(A=Gd2Co,Ba2Fe,Ca2Fe)で
あらわされる酸化物磁性体およびこれらのうち少なくと
も2種以上を含む複合酸化物磁性体を示す。 - 【請求項2】基板上に,少なくともビスマス(Bi)を含
む酸化物と、少なくとも銅(Cu)およびアルカリ土類
(II a族)を含む酸化物とを周期的に積層させて形成す
る層状ペロブスカイト構造の酸化物超電導薄膜と、ペロ
ブスカイト型酸化物からなる磁性薄膜とを、交互に積層
させて得ることを特徴とする薄膜超電導体の製造方法。 ここで、ペロブスカイト型酸化物とは、RFeO3(R=Y,S
m,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)あるいはMMnO3(M=B
i,La0.7Ca0.3,La0.7Sr0.3,La0.7Ba0.3,La0.6Pb0.4,La
0.7Cd0.3)あるいはAMnO6(A=Gd2Co,Ba2Fe,Ca2Fe)で
あらわされる酸化物磁性体およびこれらのうち少なくと
も2種以上を含む複合酸化物磁性体を示す。 - 【請求項3】積層して形成する物質の蒸発を少なくとも
2種以上の蒸発源で行うことを特徴とする請求項2記載
の薄膜超電導体の製造方法。 - 【請求項4】積層して形成する物質の蒸発をスパッタリ
ングで行うことを特徴とする請求項2記載の薄膜超電導
体の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2101617A JP3025891B2 (ja) | 1990-04-19 | 1990-04-19 | 薄膜超電導体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2101617A JP3025891B2 (ja) | 1990-04-19 | 1990-04-19 | 薄膜超電導体およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH042182A JPH042182A (ja) | 1992-01-07 |
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ID=14305367
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JP2101617A Expired - Lifetime JP3025891B2 (ja) | 1990-04-19 | 1990-04-19 | 薄膜超電導体およびその製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2523647B2 (ja) * | 1987-06-19 | 1996-08-14 | 株式会社日立製作所 | 金属酸化物超電導薄膜 |
JP2714176B2 (ja) * | 1989-09-20 | 1998-02-16 | 株式会社日立製作所 | 酸化物超伝導体と酸化物磁性体の積層薄膜 |
-
1990
- 1990-04-19 JP JP2101617A patent/JP3025891B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH042182A (ja) | 1992-01-07 |
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