WASEDA UNIVERSITY
              
 
 

 超伝導ダイヤモンド

( 文責: 蔭浦 泰資 )

 

はじめに~超伝導とは~

超伝導とは、ある特定の物質を低温に冷却すると、ある温度で電気抵抗がゼロになる現象です。また超伝導を示す物質のことを“超伝導体”、超伝導体が超伝導状態を示す温度を“超伝導転移温度Tc”と呼びます。超伝導体は、ゼロ抵抗以外にも超伝導体内部から磁場が排除される“マイスナー効果”といった特徴が挙げられます。これら超伝導体のユニークな特徴を利用して、超伝導磁石を利用したリニアモーターカーや医療用MRI、超高感度の磁気測定装置SQUIDなどに応用され、現代社会には必要不可欠なテクノロジーになりつつあります。1911年に、カメルリング・オネスが、約4.2K (摂氏-269度) で、水銀の超伝導現象の観察に成功して以来、超伝導体の探索はさかんに行われ、1980年代には銅酸化物高温超電導体(Tc=30K ~ 160K)、2001年には、MgB2(Tc=39K)が発見されました。

ダイヤモンド超伝導の夜明け

2004年、E.A. Ekimovらが、高圧固相拡散法という合成手法によりボロンドープダイヤモンド(ボロン=ホウ素)がTc=約2Kで超伝導状態となることを発見しました。その同2004年に我々は、化学気相堆積(CVD)法による世界初の超伝導ダイヤモンドの作製に成功しました。CVD 法は高純度かつ薄膜状の試料が合成可能であり、これにより様々な物性評価が可能となりました。これまでの研究の中で、転移温度Tc(offset)>10Kの世界で最もTcが高い試料の合成に成功しています。10K という値は超伝導転移を示す半導体材料の中でも最高の温度であり、超伝導応用が充分に期待できる温度になります。そこで我々は、ジョセフソン接合を用いたSNS接合デバイスの作製も行ってきました。

超伝導ダイヤモンドのX線回折法による評価

ダイヤモンド中のボロン濃度が高くなるほど超伝導転移温度が上昇することは明らかになっていましたが、ダイヤモンド中にどの様にボロンが入り、結晶性が変化しているかは明らかになっていませんでした。C-C結合と比べてC-B結合距離は長く、そのため結晶はC-B結合が支配的な方向へ伸張します。そこで、X線回折法による逆格子マッピング測定による評価が重要となります。図1は、逆格子マッピングの模式図になります。この例では、(111)面を上としたときに、面垂直および水平方向への格子伸張を測定するため、(113)面による非対称逆格子マッッピングをとっています。図2(a)は、面方位による格子伸張の依存性を測定したものです。他の面方位と比べて、(111)面は垂直方向への格子伸張率が大きく、またそれに従ってTc も大きくなる傾向がみられます。図2(b)は、面方位による結晶成長の違いを、垂直、水平方向の伸張率から考察したものです。(111)は、結晶が縦方向のみに伸張する歪み層を形成しています。一方、(100)は結晶が縦方向と横方向の両方に伸張している緩和層を形成しています。これまでの研究により、(111)の様な縦方向のみへ伸張する歪み層が、高いTcを出すためには望ましいことがわかってきています。

図1 RSM測定のイメージ図

図2 格子伸張率とTcの関係