我々はこれまでに、高温高圧合成(HPHT)ダイヤモンド上にCVD法を用いて高濃度ボロンドープ膜を作成し、超伝導特性を評価してきました(Tc=11.4[K]、 ボロン濃度：8×1021 cm-3 [1])。この超伝導ダイヤモンドの魅力は、ボロンとカーボンの原子半径の大きさが近いことからダイヤモンドの結晶構造を維持したまま高濃度ドープが可能であることです。これによりキャリア密度が上昇しフェルミレベルが価電子帯の中に存在することが確認されています[2]。
このような特性は膜厚が数umのような比較的厚い超伝導ダイヤモンド試料で得られている特性です。しかし膜厚が数umあるような試料は表面の起伏が非常に大きくなっていて(膜厚: 4.2 um、 Ra: 160 nm)、何か測定をしようとした時や、デバイスを作製しようとした時に起伏が障害となってそれらを行うことが難しいことがあります。また試料膜厚が比較的厚いことからバルク的な性質を示し、表面・界面の影響が現れにくいデバイス応用への障害となっています。

一方、膜厚が非常に薄い高濃度ボロンドープダイヤモンド試料は表面の起伏が非常に小さく(膜厚: 40 nm、 Ra: 2 nm)、測定やデバイス作製が比較的行いやすくなっています。また試料の体積が小さいことから、表面・界面の影響を受けやすいと考えられ、デバイスへの応用に有利となると考えられます。このような期待から、試料膜厚が非常に薄く、かつ超伝導特性を示す高濃度ボロンドープダイヤモンドの研究を行っています。最近では、5nmなどというような超薄膜であっても安定した転移温度が得られています。

図： 膜厚が非常に薄い超伝導ダイヤモンドを利用したスイッチングデバイス概念図

発表論文

H. Umezawa, T. Takenouchi, Y. Takano, K. Kobayashi, M. Nagao, I. Sakaguchi, T. Hatano, G. Zhong, M. Tachiki, H. Kawarada, cond-mat/0503303
T. Yokoya, T. Nakamura, T. Matsushita, T. Muro, Y. Takano, M. Nagao, T. Takenouchi, H. Kawarada, T. Oguchi “Origin of the metallic properties of heavily boron-doped superconducting diamond”, Nature 438, 647-650 (2005)
S. Kitagoh, R. Okada, M. Watanabe, A. Kawano, Y. Takano, T. Chikyow, H.Kawarada
"Cross-sectional TEM study and lm thickness dependence of Tc in heavily 3 boron-doped superconducting diamond", Physica C 207, S610-S612 (2010).
M. Watanabe, A. Kawano, S. Kitagoh, T. Yamaguchi, Y. Takano, H. Kawarada
"Stacked SNS Josephson junction of all boron doped diamond", Physica C 470, S613-S615 (2010)
A. Kawano, H. Ishiwata, S. Iriyama, R. Okada, T. Yamaguchi, Y. Takano, H. Kawarada“Superconductor-to-insulator transition in boron-doped diamond films grown using chemical vapor deposition”, Physical Review B 82, 085318 (2010).

発表学会

北郷 伸弥, 栗原 槙一郎, 渡邉 恵, 野村亮, 鹿又 龍介, 高野 義彦, 山口 尚秀,川原田 洋 "Tc(offset)>10Kの高濃度ボロンドープダイヤモンド(111)薄膜における超伝導特性", 日本物理学会2010年秋季大会, 大阪府立大学, 2010年9月

野村 亮，北郷 伸弥，渡辺 恵，鹿又 龍介, 栗原 慎一郎, 高野 義彦，山口 尚秀，川原田 洋 "ダイヤモンド超伝導体によるNISトンネル接合の特性評価", 2010年秋季物理学会,大阪府立大学,2010年9月

栗原 槙一郎, 野村亮, 鹿又 龍介, 坪井 秀俊, 宇都宮 大起, 山口 尚秀, 高野 義彦, 川原田 洋  "超伝導ボロンドープダイヤモンド薄膜の異方性評価", 日本物理学会2011年秋季大会, 富山大学, 2011年9月

鹿又 龍介, 宇都宮 大起, 野村 亮, 栗原 槙一郎, 坪井 秀俊, 山口 尚秀, 高野 義彦, 川原田 洋 "超伝導ボロンドープダイヤモンド積層構造による接合の特性評価", 日本物理学会2011年秋季大会, 富山大学, 2011年9月

S. Kurihara, S. Kitagoh, M. Watanabe, R. Nomura, R . Kanomata, Y. Takano, T. Yamaguchi, H. Kawarada, “The properties of superconducting heavily boron doped diamond (111) film with Tc above 10K”5th International Conference on New Diamond and Nano Carbons,Matsue,Japan,May 2011

R. Kanomata, M. Watanabe, S. Kitagoh, R. Nomura, S . Kurihara, Y. Takano, T. Yamaguchi, H. Kawarada “Characteristic evaluation of SNS junction by Boron-doped diamond”5th International Conference on New Diamond and Nano Carbons,Matsue,Japan,May 2011