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結 構和零件的微型化是技術領域的發展趨勢之一，開發經濟上可行的微細加工技術對於微型技術的發展具有重要意義。 目前，產業化的微細製造技術主要用在半導體工業，它們僅僅對大批量生產是經濟的；在印刷製版術行業裡使用的微細製造技術對所加工的幾何形狀及所能加工的材 料又有很大的局限性。與這兩種製造技術比較，微細切削加工可以彌補上述的缺點，因此，開發微細切削技術是微細製造技術的新領域。

微細切削 加工的第一批裝置是美國在60年代末開發的，主要用於加工光學件的表面，並由此誕生了超精加工技術。目前，在光學、電子和機械零件加工中達到了微 米和亞微米的精度和幾十個納米的表面粗糙度。在八十年代末，德國的卡魯斯厄研究中心把微細切削用於在微型元件的表面上加工微細的紋理，製造微型熱交換器： 它們對一個圓筒上的銅箔或鋁箔用單晶金剛石製造的刀尖進行切槽，最終做成一個微型的、效率很高的熱交換器。

直到九十年代，微細切削主要是用金剛石刀具加工有色金屬零件。隨著微型技術應用領域的不斷擴大，要求能加工更多樣化的材料，尤其是對鋼和陶瓷的微細切削，成為微細切削技術的發展方向。

金剛石??近乎理想的切削材料

在 超精加工領域，單晶金剛石刀具幾乎是唯一得到實用的刀具。金剛石摩擦係數低，導熱率高，這對切削過程很有利；它還有很高的硬度和可加工出接近原子尺寸級 的鋒利刃口，而製作鋒利的刃口是微細切削領域中必須解決的關鍵技術。一個亞微米級的鋒利刃口可以加工出幾納米數量級的表面粗糙度。鋒利的刃口及很低的摩擦 係數，可大大減小切削力，這有利於微細切削加工的精度，也降低了對超精加工機床剛性的要求。

金剛石刀具適合加工鋁、純銅、黃銅以及銅鎳合 金等。銅鎳合金有很高的硬度，在加工時可獲得極佳的表面質量。金剛石不適合加工黑色金屬，為了使金剛石能夠加 工鋼，正在開發一些裝置，有一個裝置效果很好。它把一個超聲振動疊加在刀具的運動上，切削時使刀具的接觸時間大大減少，從而降低了切削溫度，抑制了金剛石 向石墨的轉化。

微細切削來源於普通切削

微細切削的知識實際上是從普通的切削加工中獲得的，包括車、銑、鑽、磨，在個別情況下，微細加工也用鋸削或刨削。目前研究最多、最成熟的是超精車削。例如製作壓制菲涅耳透鏡的有色金屬模具或製作表面粗糙度的樣塊。

通過疊加一個由壓電晶體驅動的高頻振動到進給機構裡，在與主軸回轉頻率和振動適當同步時，能產生不旋轉對稱的加工表面，達到磨光的鏡面。目前，超精車削的技術水平已經可加工出極微細的軸徑。
在微細加工中，銑削也被認為是最柔性的加工方法。用單齒的金剛石圓盤銑刀加工槽與前面所述的在薄膜上車槽比較，可以加工出各種角度交叉的槽。可用於製造壓制光學柵格結構的模具，如每毫米100線。已商品化的圓盤銑刀最小寬度約100μm。

用金剛石製造的帶柄銑刀，直徑約300μm，也已經商品化。這種銑刀的結構為通用的直槽單齒銑刀，也可製成有端刃的雕刻刀，它特別適合加工只有幾微米厚的隔板。這種槽銑刀的缺點是最小的槽寬取決於刀具的直徑和裝夾的精度。

鋼是未來微細切削技術加工的對象

微 細切削技術至今還局限於加工硅或非金屬材料，而各種人工合成材料已經可用成形工藝進行加工(包括硬而脆的和軟而韌的)，因此，下一步對鋼的加工就顯得很 有必要。鋼的微細切削加工研究在德國始於九十年代，至今仍處於研究階段。其主要應用領域在工模具行業，模具的耐磨性是成形加工經濟性的重要前提，尤其當模 具的結構有很高的深度??寬度比時，其材料的抗彎強度對成形加工的可靠性有決定性的意義，有時甚至關係到是否能夠成形。

鋼的微細切削不能用金剛石刀具，主要用硬質合金銑刀。硬質合金是由很多晶粒組成的燒結體，其晶粒的大小決定刀刃的微觀鋒利程度。因此，不能加工出像用金剛石刀具所獲得的表面質量，但由於價格低並能加工鋼，因此目前仍然是對鋼進行微細切削的主要刀具。

為了有鋒利的刀刃，通常採用鎢鈷類的超細顆粒硬質合金。超細顆粒硬質合金刀具的晶粒尺寸為0.5～1.0μm，其切削刃圓弧半徑為幾微米。

為 了開發鋼的微細切削技術，德國卡魯斯厄大學的機床和製造技術學院首先進行了硬質合金圓盤銑刀的試驗，刀具寬度為0.15mm。用銑刀作十字交叉的切削， 工件硬度為52HRC的調質鋼，加工出了高1mm、截面0.2×0.2mm2的一排排作為合成材料或粉末注射材料模具的稜柱。

適合微細切削的硬質合金帶柄銑刀在工業上已被廣泛採用，有塗層的和不塗層的，最小直徑為0.1mm，個別工具製造商可生產直徑為50μm的銑刀。

為避免刀具意外的折斷和提前磨損，在加工像鋼這樣的硬材料時，要注意加工過程的安全和機床的平穩，所以要求機床具有足夠的剛性和動態性能，採用高的切削速度和中等的每齒進給量，以保證刀具的切入。

硬 質合金微型銑刀的製造存在著一些難題，即除了要在不均質的刀具材料上加工出鋒利的刃口外，還要對直徑為零點幾毫米的銑刀進行磨削，使之承受磨削力的作 用，為解決這一難題，可選擇一種不產生切削力的加工方法(如激光加工)。用銑削的方法可加工出形狀複雜的表面，也可加工用工具鋼製造的100μm以下的零 件，如在硬度為55HRC的模具鋼上直接銑制加工一個微型汽車(1：160)的輪殼模具，其表面粗糙度達RZ=0.5μm，成形表面達鏡面光潔度，注射成 形後的零件不必再進行後續加工。
磨削是專門用於硬而脆的材料的加工，使微型元件能用玻璃、陶瓷、硅或硬質合金製造。目前用於硅片切割的零點幾毫米 寬的砂輪已商品化，通常用經鍍鎳或鉻的金 剛石磨料作砂輪的材料，最近還開發了CVD塗覆金剛石的硬質合金成形砂輪。與刀具相似，砂輪也有用作成形砂輪的盤狀砂輪和通用性很好的指狀砂輪，後者可加 工微細的任意形狀表面，目前在研究部門使用的指狀砂輪的最小直徑為50μm。

磨削加工硬而脆的材料

為了在硬而脆的材料 (例如單晶硅)上加工微孔，除了通常用電鍍法製造的直徑為0.9mm、金剛石顆粒為D91μm的微型空心鑽頭外，德國 Brauschweig技術大學新開發了同樣直徑的CVD金剛石鑽頭，其金剛石晶粒的尺寸為4μm～8μm。儘管有較大的切削力，用這種新型鑽頭在單晶硅 上鑽了55個盲孔，質量全部合格。這種盲孔鑽頭可以在指狀砂輪加工零件的封閉式型腔前鑽引導孔。電鍍的金剛石空心鑽頭較適合在板材上加工通孔，但在試驗 中，在孔的鑽穿那一面沿著硅的晶軸方向出現了大於100μm的崩刃，在孔的鑽入這一面邊緣也有20μm～150μm的崩刃，這一問題有待進一步研究。
結論和展望

微細切削是微細加工工藝的一個重要延伸，儘管目前微細切削所能加工出的零件細節不及微細電加工所達到的程度，但它與激光刻蝕加工等技術一起可在各種各樣的材料上加工任意的空間結構。

此外，它比基於平板印刷的微細技術需要的設備少，也省去了昂貴的母板製造，總之，零件的微細切削加工對於經濟地製作中等批量的微型構件有很大的優勢。

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1 引言

採用傳統的機械研磨方法製造金剛石刀具時，因研磨線速度高，局部壓力大，對刀具表面及刃口衝擊劇烈，不可避免地會導致刀具表面產生微小溝紋和較厚的加工變質層，且刀刃鋸齒度較大，從而限制了刀具質量的進一步提高。試驗表明，採用機械方法研磨金剛石的表面粗糙度極限值約為3nm，刀刃鋸齒度最小只能達到幾十納米的數量級，表面加工變質層厚度約為200nm。

隨著超精密加工技術的不斷發展以及加工精度的不斷提高，對金剛石刀具的精度及質量要求也更為苛刻。研究還發現，刀具表面變質層厚度將直接影響刀具的壽命與零件的加工質量。因此，開發新型的金剛石刀具加工方法無疑是突破機械研磨方法對刀具質量限制的有效途徑。

此 外，如高精度輪廓儀、隧道掃瞄顯微鏡、原子力顯微鏡等儀器中使用的金剛石探針的前端球頂圓弧半徑要求達到或小於1～2μm，精度要求高於0.1μm；加工 光通信用光柵表面的微細溝紋時，需要使用刀尖圓弧半徑為0.1～3μm，並具有相當高的尺寸與形狀精度的金剛石雕刻刀具。對於此類特殊要求，採用傳統的機 械研磨方法或者無法達到，或者加工成本極高，因此也迫切需要開發新型的金剛石工具加工方法。

下面介紹近年來出現的四種較為典型的金剛石工具加工方法。

2 離子束濺蝕法

離子束濺蝕法是利用高能離子的轟擊作用直接對被加工工件進行物理濺蝕，以實現原子級的微細加工。離子束濺蝕法的加工原理如圖1所示。

圖1離子束濺蝕法的加工原理

採用擴散泵使加工室達到10^-5torr的真空，然後充入壓力為5×10^-4torr的工作氣體(如氬氣)。鎢陰極與環狀陽極之間的電壓為40V，可保證電極間的持續放電。永久磁鐵產生的軸向磁場為熱激發電子形成一個螺旋形長通道，可最大程度地使氬氣電離為等離子體。由等離子體中釋放出的離子束通過雙層柵極聚焦系統(其 中內柵起隔離作用，外柵用於離子束的加速)，由此形成具有強方向性及低散射能的簇射離子束。被加工的金剛石安裝在一個傾斜角可調的回轉工作台上，距柵極約 5mm。通過改變回轉軸的傾角範圍和回轉速度，可得到不同的加工形狀及加工精度。加工速率及質量與離子束能量、工件表面電流密度及離子束相對於被加工表面 的夾角有關。離子束濺蝕法最適於加工關鍵尺寸小於1μm的微小金剛石工具，並可達到很高的形狀精度。

3 真空等離子化學拋光法
真 空等離子化學拋光法的加工原理如圖2所示。轉動的磨盤被中間的高真空區分為左右兩部分。左邊為沉積區，採用真空等離子物理氣相沉積法在磨盤表面鍍上一層細 晶粒氧化硅；右邊為研磨區，金剛石表面處於活化狀態的碳原子通過與磨盤上的氧化硅發生分子級化學反應而形成磨削作用。反應生成的一氧化碳或二氧化碳氣體被 真空泵抽出反應室。該方法的研磨速度為1～3000μm3/s，約每秒0.25～750個原子層，可研磨出極高質量的刃口。該方法最先被美國刀刃技術公司 用於研磨超精密金剛石鏡面切削刀具，該刀具可廣泛用於加工各種納米級精度的超精表面。

圖2真空等離子化學拋光法的加工原理

4 無損傷機械化學拋光法

該方法是在NaOH溶液中加入適量的細金剛石粉和更細微(達納米級)的硅粉，帶強負靜電的細微硅粉會吸附在粒度大得多的單個金剛石微粒上形成具有硅吸附層的金剛石磨料， 然後將其塗敷在多孔的鑄鐵磨盤上對被加工金剛石進行研磨。研磨時，吸附在金剛石微粒上的硅粉一方面可阻止金剛石微粒對被加工金剛石表面的直接衝擊，保護金 剛石表面不會產生深度損傷，另一方面可與被加工金剛石表面發生反應並通過其微弱的磨削作用將反應層去除。該方法的磨削速度非常低，僅為每分鐘一個原子層。

5 熱化學拋光法

在溫度為800℃時，若使金剛石表面與鐵接觸，金剛石晶體中的碳原子能夠擺脫自身晶格的約束，擴散到鐵晶體晶格中去。熱化學拋光法即是運用此機理對金剛石表面進行研磨加工。

研 磨時，在氫氣氣氛中將鐵質研磨盤加熱到800℃，使被加工金剛石表面與鐵質研磨盤接觸並相對滑動，金剛石晶格中的碳原子就會擴散到鐵晶體晶格中，達到磨削 金剛石的目的。進入鐵晶格中的碳又與氫氣反應生成甲烷並隨氣流散發到空氣中。該方法的磨削速度為每秒40～2000個原子層。

利用該方法刻蝕金剛石，還可在其表面加工出圖案和花紋，製成各種精美的金剛石工藝品。

6 結語

上述加工方法具有以下共同特點：

對被加工金剛石表面無衝擊，避免了機械加工方法造成的表面衝擊溝痕，使被加工表面異常光潔，其表面粗糙度可達1nm。
被加工金剛石表面與研磨盤之間的接觸力非常小，易於研磨出高質量的刀刃。
被加工金剛石表面的損傷與變質層較
磨削速度很低，只適用於精磨加工後的超精密拋光。

圖3機械研磨與化學研磨的刀刃圓弧比較淺，可提高金剛石刀具的壽命。

此 外，採用機械方法加工製成的金剛石刀具用於鏡面切削時，通常存在一個「磨合期」，即需要經過一段時間的切削過程，刀具才能達到最佳加工效果。究其原因，是 由於刀刃圓弧實際是由一些不規則的折線組成。研究文獻表明，化學研磨方法可得到比機械加工方法光滑得多的刀具刃口圓弧(如圖3所示)，製成的刀具在使用過 程中可消除「磨合期」，且工件表面加工質量得以大幅度提高。

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Siêu dẫn nhiệt độ cao, trong vật lý học, nói đến hiện tượng siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên. Các hiện tượng này được khám phá từ thập kỷ 1980 và không thể giải thích được bằng lý thuyết BCS vốn thành công với các chất siêu dẫn cổ điển được tìm thấy trước đó.

[sửa] Lịch sử

Trước thập kỉ 1980, siêu dẫn nhiệt độ thấp chỉ được tìm thấy trên các kim loại và hợp kim được làm lạnh đến nhiệt độ thấp hơn 23K, và đã được lý thuyết BCS giải thích một cách định lượng.

Năm 1986, Georg Bednorz và Alex Müller đã phát hiện ra một vật liệu mới khi cấy bari (doping) vào oxit latha-đồng, vốn là một chất cách điện, thì nó trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ thấp hơn 36K. Một loạt các vật liệu có cấu trúc tương tự với nhiệt độ chuyển pha cao hơn đã được tìm thấy sau phát hiện này; như oxit yttrium-barium-đồng (YBCO) với nhiệt độ chuyển pha lớn hơn nhiệt độ của nitơ lỏng, mở ra khả năng cho những ứng dụng mới. Nhiệt độ chuyển pha cao nhất đạt được hiện nay là 130K.

[sửa] Tính chất khác

Ngoài tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao, lớp các vật oxit đồng này còn có những tính chất rất khác thường ngay ở trong trạng thái không siêu dẫn. Hai đặc điểm khác thường này có thể kể đến trạng thái với "hố thế giả" và trạng thái không phải là chất lỏng Fermi, một lý thuyết do Landau đề xuất để giải thích bài toán heli lỏng.

Trong trạng thái bình thường các kim loại và hợp kim được mô tả rất tốt bởi lý thuyết chất lỏng Fermi. Có nghĩa là có thể định nghĩa được trạng thái "chuẩn hạt" (quasi-particle) và từ đó định nghĩa được "mặt Fermi" giống như trong khí Fermi tự do. Nhưng những thí nghiệm ARPES dựa trên hiệu ứng phát xạ photon lại cho thấy các "mặt Fermi" bị suy biến không còn là một mặt liên tục mà lúc này nó trở thành các "túi" rời rạc. Điều đáng chú ý ở đây là không hề có một sự phá vỡ đối xứng nào.

[sửa] Lý thuyết

Do đặc điểm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hiện nay đều có cùng một cấu trúc gồm các mặt tinh thể oxit đồng, nên các mô hình lý thuyết hiện nay thường tập trung vào giải bài toán của mạng tinh thể oxit đồng trong không gian hai chiều. Mô hình lý thuyết đơn giản nhất được đề ra hiện nay là mô hình Hubbard hai chiều nhằm mô tả cấu trúc tinh thể này.

Cũng giống như hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, các nhà vật lý lý thuyết cho rằng nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn là do sự xuất hiện các "cặp điện tử Cooper". Các cặp điện tử này không còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli và có thể tạm hiểu rằng hai điện tử được liên kết tạo thành một dạng phân tử Bose. Do đó các cặp điện tử này có thể ngưng tụ lại cùng một trạng thái lượng tử ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha nào đó, gần giống như hiện tượng ngưng tụ Bose trong vật lý nguyên tử lạnh. Chúng tạo ra một trạng thái lượng tử đồng pha và là nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn. Tuy nhiên, để tạo ra một cặp điện tử Cooper ta cần một tương tác hút hiệu dụng giữa các điện tử, tương tự tương tác "điện tử với phonon" trong lý thuyết BCS. Cho đến này nguyên nhân của tương tác đó vẫn chưa được tìm ra hoặc chưa được tất cả các nhà khoa học cùng đồng tình.

Từ những phát hiện về các tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái không siêu dẫn, một trong những hướng nghiên cứu được quan tâm là xuất phát từ trạng thái cơ bản của hệ oxit đồng khi chưa được cấy các nguyên tử lạ là một "chất cách điện Mott". Ví dụ như lý thuyết RVB của Philip Anderson (đoạt giải thưởng Nobel về vật lý năm 1977) vào những năm 1987, 1988 nhằm giải thích siêu dẫn nhiệt độ cao. Lý thuyết này đề ra một trạng thái cơ bản mới RVB là sự cộng hưởng (hay chồng chập) của tất cả các trạng thái mà trong đó có các liên kết hóa trị giữa các điện tử trên những nút tinh thể kề nhau. Sau này người ta đã chứng minh rằng trạng thái này không phải là trạng thái cơ bản của hệ không cấy nguyên tử lạ. Nhưng trong những năm cuối thập kỉ 1990, Philip Anderson đã hoàn thiện lý thuyết này và cho rằng nồng độ của chất được cấy ghép vào hệ oxit đồng là nguyên nhân khiến trạng thái RVB trở nên bền.

Tuy nhiên cho đến nay chưa một lý thuyết nào đủ hoàn thiện để có thể giải thích đầy đủ các tính chất và cấu trúc của các vật liệu này. Ngoài những tính toán lý thuyết, những phương pháp mô phỏng số cũng đóng một vai trò rất quan trọng. Hiện nay phương pháp DMFT và phiên bản mở rộng của nó CDMFT đang cho nhưng kết quả rất phù hợp với thực nghiệm.

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高溫超導（High-temperature superconductivity）是一種物理現象，指一些具有較其他超導物質相對較高的臨界溫度的物質在較接近室溫的環境下產生的超導現象。

高溫超導體（High-temperature superconductors, High T_c）是超導物質中的一種族類，具有一般的結構特徵以及相對上適度間隔的銅氧化物平面。它們也被稱作銅氧化物超導體。此族類中一些化合物中，超導性出現的臨界溫度是已知超導體中最高的。

不同銅氧化物在常態（以及超導態）性質之間具有共同的特徵；這些性質中，許多無法以金屬的傳統理論來解釋。銅氧化物的一致性理論至今尚不存在，然而這項問題觸發了許多實驗方面與理論方面的研究工作；此一領域的重要性已經遠超過開發出室溫超導體這項目標。

高溫超導在實驗上是由卡爾·亞歷山大·米勒及約翰內斯·格奧爾格·貝德諾爾茨首度發現，不久兩人的研究成果即受到1987年諾貝爾物理學獎的肯定。

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高温超伝導(こうおんちょうでんどう、High-temperature superconductivity)とは、高い転移温度 (Tc)でおこる超伝導。”高温”の意味は、時代、状況によって異なるが、一般に高温超伝導と言えば、ベドノルツとミューラー（ミュラー）がLa-Ba-Cu-O系において1986年に発見したことから始まり、その後続々と発見された転移温度が液体窒素温度を越える一連の銅酸化物高温超伝導物質とその超伝導現象のことを指す場合が多い。高温超伝導を示す物質のことを高温超伝導体という。銅酸化物であるものは銅酸化物高温超伝導体という。

高温という語は、ふつうは人間が「熱い」と感じるほど温度が高いことをあらわすが、高温超伝導における高温とは-200℃～-100℃くらいをいう。従来の超伝導体と比較するとこれでも高温なのである。

[編集] 歴史

1985年、誘電体研究で著名なIBMチューリッヒ研究所のフェローとなっていたアレックス・ミューラーのもとで、ジョージ・ベドノルツはチタン酸ストロンチウムの研究を行っていた。この物質は強誘電体として良く知られている絶縁体であるが、電子ドープにより半導体から金属的となり、低い転移温度ながら超伝導を示す。ミューラーはヤーン・テラー型格子変形と超伝導との関係に興味をもっていた。ベドノルツはある日、図書室でLa-Ba-Cu-Oペロブスカイト系で液体窒素温度まで金属になるという論文を知り、早速作ってみると、試料は30K付近から抵抗が減少し、10K以下でゼロ抵抗になるように見えた。

彼らはドイツの会議でこの結果を発表したが、誰にも評価されることはなかった。そこでIBM T.J. Watson研究所に試料を送って真偽を鑑定してもらったが、比熱測定に超伝導転移による跳びが見られなかったことから超伝導ではないという結果が返ってきた。超伝導を認められなかったものの、1986年4月、ベドノルツとミューラーはとりあえずZeitschrift fur Physikというドイツの雑誌に論文を投稿した。

この論文が公表された1986年、少なくとも世界の数カ所で結果の追試が行われた。このうち東京大学の田中グループはこの物質の結晶構造の同定とマイスナー効果を 確認し、誰もが間違いないと確信できるレベルでLa-Ba-Cu-O系で超伝導が起こっていることを証明した。田中研で超伝導の存在が判明したのが 1986年11月13日であり、12月5日にボストンの材料研究学会においてこの結果が発表された。これ以後、数年間にわたり高温超伝導探索のフィーバー が続いた。1987年2月には、90K級で転移するY-Ba-Cu-O（Y系超伝導体）が発見された。短期間のうちにTcが60Kも高められたことになる。

超伝導転移温度は次々と塗り替えられ、2004年現在、水銀系銅酸化物において高圧下での160ケルビンの転移温度が最高記録である。

ただし、1987年前後をピークとして、研究論文の発表数は減少傾向を示している。学術データベースの統計から判断すると、高温超伝導に関する研究は、2010年から2015年までの間に行き詰まりを迎えるとする見方もある^[1]。

また、2000年前後には、フラーレンなどでも高温超伝導が生じるとする論文が数編提出されたが、後にすべて研究者による捏造と判明して撤回された^[2] 。

[編集] 定義

高温超伝導体は国際電気標準会議(IEC)の国際規定 IEC60050-815(2000)と日本工業規格 JISh7005(1999)により定義されており、「一般的に約25K以上の臨界温度(Tc)を持つ超伝導体」とある。しかし、転移温度が90Kを超えるものが一般的になった今では液体窒素温度(-195.8℃、77K)以上で転移するものを高温超伝導体と呼ぶことが多い。

[編集] 結晶構造

YBa₂Cu₃O_7-δ （Tc～93K）やBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ （Tc～109K）といった銅酸化物高温超伝導体は全て、ペロブスカイト構造を基礎とした結晶構造をしている。

これら銅酸化物高温超伝導体の構造には以下のような特徴がある。

• 2次元正方格子CuO₂面がシート状に広がっている。
• 多くの物質では、このシートの上下にはランタノイド等による電気伝導をブロックする層があり、CuO₂面とブロック層が交互に積層する構造をとっている。ブロック層が存在しない無限層と呼ばれるものもある。

[編集] 超伝導体の名前

これらの超伝導体は、構成する元素の頭文字をとって呼ばれることが多い。たとえばYBa₂Cu₃O_7-δはYBCOと呼ばれ、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀はBSCCO（ビスコ）と呼ばれる。 一方、構成元素の物質量比（モル比）で呼ぶこともある。たとえばYBa₂Cu₃O_7-δはY123、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀はBi2223などである。

[編集] 性質

高温超伝導体にはキャリアがホールであるものと、電子のものの2種類がある。前者をホールドープ型、またはp型と呼ばれ、後者は電子ドープ型、またはn型と呼ばれる。

ホー ルドープ型の高温超伝導体はホール濃度と温度により、右図のような状態をとる。ホール濃度がゼロのとき、反強磁性となり、ドープをすると反強磁 性が消え、擬ギャップと呼ばれる状態になる。さらにドープすると超伝導になる。 ドープを増やすと超伝導転移温度は上昇する。この領域をアンダードープ領域と呼ぶ。 さらにドープすると転移温度はさがる。この領域をオーバードープ領域と呼ぶ。 これ以上ドープすると超伝導は消え金属的になる。

[編集] 機構

高温超伝導においても従来型の超伝導と同様にクーパー対が形成されていることがわかっている。従来型超伝導では、BCS理論により、フォノンを媒介とするクーパー対の形成機構が解明されているのに対し、高温超伝導におけるクーパー対の形成機構に関しては、完全なコンセンサスは得られていない。 高温超伝導体の発見後すぐに行われた同位体効果実験から、高温超伝導機構はフォノン機構では説明できないとされている。 膨大な実験的・理論的な研究により、高温超伝導物質中のCuO₂2次元面内の電子系における、反強磁性的なスピンの揺らぎを媒介にしたクーパー対形成機構で、高温超伝導のメカニズムを理解できるという立場が主流となっている。 しかし酸素の同位体置換により超伝導電子密度が変化するという報告もあり、フォノンも何らかの寄与をしているものと考えられている。

[編集] 応用

YBa₂Cu₃O_7-δの発見で転移温度が液体窒素温度を越えてから、高価な液体ヘリウムにかわって安価な液体窒素を使えることから実用への期待が高まった。しかし加工が難しいことや臨界電流密度を高めるのが難しいことから応用はなかなか進んでいない。応用としては送電線、高周波通信用超伝導フィルター、SQUID、磁界検出器、ジェイアール式マグレブなど。

[編集] 脚注

1. ^ Katharine Sanderson, "Superconductivity research is down but not out", Nature 443, 376-377 (2006). DOI: 10.1038/443376b
2. ^ 村松 秀, 『論文捏造』, 中公新書ラクレ, 中央公論新社、2006年9月. ISBN 978-4121502261

[編集] 関連項目

• 超伝導 - 室温超伝導
• イットリウム系超伝導体
• 強相関電子系
• 結晶構造 - 立方晶 - ペロブスカイト構造

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Ohutkalvon kasvatuksella tarkoitetaan kaikkia niitä tekniikoita, joilla siirretään ohut materiaalikerros kasvatusalustalle (alustasta käytetään usein termiä substraatti). Ohutkalvon "ohuus" on suhteellinen käsite. Joillakin kasvatustekniikoilla (esimerkiksi ALD ja MBE, Molecular Beam epitaxy) päästään atomikerroksittain kasvattamaan kalvon paksuutta, mutta useimmilla menetelmillä pienin säädettävissä oleva paksuus on joitakin kymmeniä nanometrejä. Kalvojen paksuudesta puhuttaessa käytetään usein mittana Ångströmiä. Ohutkalvojen kasvatustekniikat ovat kehittyneet 50-luvulta alkaen elektroniikkateollisuuden kehittyessä. Näitä tekniikoita on alettu yhä laajemmin soveltamaan myös muiden tuotteiden valmistuksessa. Nanoteknologia on käyttää paljolti samoja valmistusmenetelmiä.

Ohutkalvoja käytetään optiikassa esimerkiksi heijastuksen poistokalvoina, elektroniikassa eriste- tai johdekalvoina, hohdekalvoina litteissä näytöissä kuten elektroluminesenssinäytöt, puolijohteissa, pakkauskalvoissa (esimerkiksi alumiinikalvo PET-muovikalvolla). Ohutkalvoja voidaan käyttää myös korroosion estossa tai passivointikerroksina parantamaan materiaalin happojen kestävyyttä tai vähentämään elimistöjen hylkimisefektiä.

Ohutkalvojen kasvatustekniikat jakaantuvat karkeasti kahteen ryhmään riippuen siitä, onko kasvatusprosessi pääosin kemiallinen ja fysikaalinen.

[muokkaa] Kemialliset kalvonkasvatus tekniikat

Kemiallisessa kasvatuksessa virtaava lähtöaine ("prikursori", eng precursor) aiheuttaa kemiallisen reaktion kiinteällä pinnalla aiheuttaen kiinteän aineen kerroksen. Jokapäiväinen esimerkki nokikerroksen muodostuminen kylmän kappaleen pinnalle, joka laitetaan nuotion liekkeihin. Koska virtaus peittää kiinteän kappaleen, kalvoa kasvaa joka puolelle ja kasvun suuntaus ei määräydy kovin tarkasti. Kemiallisella kalvonkasvatuksella tehdyt kalvot ovat lähtökohtaisesti varsin tasaisia, kasvunopeus on sama pinnan kaikilla osilla.

Kemiallinen kalvonkasvatus jakautuu kahteen osaan riippuen siitä, onko lähtöaine neste vai kaasu:

• Galvaaninen pinnoitus, (eng. plating) perustuu nestelähtöaineisiin, usein metallisuolojen vesiliuoksiin. Jotkut pinnoitusprosessit toimivat vain liuoksissa olevilla reaktioaineilla, mitä käytetään tavallisesti jalometalleilla. Kaikista eniten käytetty kaupallinen prosessi sähkökemiallinen pinnoitus (galvanointi). Elektrolyysiä ei aikaisemmin juurikaan käytetty puolijohteiden valmistuksessa, mutta viime aikoina lisääntynyt kemiallismekaanisen hionnan hyödyntäminen on elvyttänyt kiinnostusta asiaan.

• CVDssä (Chemical Vapor Deposition) käytetään yleisesti kaasumaisia lähtöaineita, usein kasvatettavien kalvomateriaalien yhdisteitä tai metallihydridejä. MOCVD tekniikassa käytetään organometalliyhdisteitä. CVD kasvatus tehdään kaupallisissa menetelmissä yleensö hyvin alhaisessa paineessa.
  • Plasma-avusteisessa CVDssä käytetään ionisoituja höyryjä tai plasmaa lähtöaineena. PECVD:ssä käytetään plasman tuottamiseen sähkövirtaa tai mikroaaltoja.

[muokkaa] Fysikaaliset kalvonkasvatusmenetelmät

Fysikaalisessa kalvonkasvatuksessa käytetään mekaanisia tai termodynaamisia keinoja kiinteänaineen ohutkalvon tuottamiseen. Hyvä esimerkki on huurteen muodostuminen. Koska useimpien teknisten materiaalien koossa pysyminen vaatii paljon energiaa ja kemiallisia reaktioita ei käytetä näiden energioiden säilyttämiseen, kaupalliset fysikaaliset kalvonkasvatusmenetelmät edellyttävät usein alhaisia prosessipaineita toimiakseen hyvin. Suurimman osan menetelmistä voidaan luokitella PVD (physical vapor deposition) -ryhmään.

Pinnoituksessa käytetty lähtöaine sijoitetaan sellaiseen energiakenttään, että partikkeleja alkaa irrota sen pinnalta. Lähtöaineen pinnan läheisyyteen asetetaan kylmempi pinta, joka sitoo partikkeleiden energia niiden saapuessa ja mahdollistaa kiinteän aineen kerroksen muodostumisen. Koko prosessi tehdään vakuumiastiassa, jossa partikkelit voivat siirtyä niin esteettä kuin mahdollista. Koska partikkelit pyrkivät kulkemaan suoraa liikerataa, niin näin muodostuneet kalvot ovat yleisesti kalvonkasvun suhteen yhdensuuntaisia.

Esimerkkejä fysikaalisesta kalvonkasvatuksesta:

• Höyrystyspinnoituksessa kasvatusaineena käytettävä metalli kuumennetaan sulaksi, jotta sen höyrynpaine saadaan sopivalle tasolle. Tämä tehdään tyhjiössä, jotta höyry saavuttaisi substraatin pinnan reagoimatta tai törmäämättä muiden reaktioastian kaasufaasissa olevien aineiden kanssa. Tyhjiössä jää myös epäpuhtauksien määrä poistokaasuissa vähäiseksi. Rajoituksena pinnoituksessa on se, että kuumentavien pintojen höyrynpaineen pitää olla huomattavasti pienempi kuin itse pinnoitettavan materiaalin, jotta epäpuhtauksien määrä kasvatettavassa kalvossa jäisi vähäiseksi. Molekyylisuihkuepitaksi(MBE Molekular Beam Epitaxy)-kalvonkasvatus on höyrystysmenetelmän erikoistapaus.
  • Elektronisuihkuhöyrystin tulittaa elektronitykin korkeaenergiaisella suihkulla kohdemetallia kiehauttaen siitä pienen pisteen. Koska kuumennus ei ole tasaista, voidaan kasvattaa pienemmän höyrynpaineen omaavia materiaaleja. Säde on normaalisti taivutettu 270°, jotta varmistetaan tykin filamentti ei altistu suoraan höyrystyvälle materiaalivirralle. Tyypillinen kalvonkasvatusnopeus elektronisuihkuhöyrystyksessä vaihtelee välillä 1-10 nanometriä sekunnissa.
• Sputterointi perustuu jalokaasujen kuten argon plasmalla tapahtuvaan kasvatusmateriaalin (kohtion) pommitukseen, josta irtoaa muutamia atomeja kerrallaan. Kohtio voidaan pitää suhteellisen kylmänä, koska kyseessä ei ole höyrystysprosessi, minkä vuoksi sputteri on joustavimpia kalvonkasvatuslaitteita. Alhainen lämpötila käytettäessä yhdisteitä tai seoksia, jossa toisella materiaalilla olisi taipumus höyrystyä eri nopeudella. Sputteroitu kalvo kasvaa pääasiassa tasaisesti eri pinnan suunnille.
• Pulssitettu laser-avusteinen kalvonkasvatus toimii eroosioperiaatteella. Lasersäteen pulssi kohdistetaan kasvatusmateriaalin pintaan, josta irtoaa materiaalia plasmatilassa. Tämä plasma yleensä kaasuuntuu ennen kuin se kohtaa substraatin.

[muokkaa] Muut kalvonkasvatusprosessit

Jotkut menetlmät jäävät kahden edellä mainitun menetelmän ulkopuolelle, kun ne ovat yhdistelmiä sekä kemiallisista että fysikaalisista menetelmistä.

• Reaktiivisessa sputteroinnissa pieni määrä muita kuin jalokaasuja, kuten happi tai typpi sekoitetaan plasmaa muodostavaan kaasuun. Kun materiaali irtoaa plasman avulla se reagoi kaasun kanssa siten, että muodostuva kalvo on eri materiaalia kuin kohtio eli kohtion oksidia tai nitridiä.

• Molekyylisuihkuepitaksissa (MBE) hidas jonkin alkuaineen virta kohdistetaan substraattiin siten että pintaan kasvaa kalvoa atomikerroksittain. Sellaisia yhdisteitä kuten galliumarsenidi kasvatetaan tavallisesti siten, että alkuaineita gallium ja arseeni suihkutetaan vuoron perään toistuvasti atomikerros kerrallaan, jolloin prosessi on välillä fysikaalinen ja välillä kemiallinen. Materiaalisuihku voidaan kehittää fysikaalisesti kuumennusuunin avulla tai kemiallisen reaktion avulla.

• Topotaksi on epitaksia muistuttava erikoismenetelmä, jossa ohutkalvokiteiden kasvu on kolmidimensionaalista johtuen substraatin kiderakenteen ja kalvon kiderakenteen samankaltaisuuksista.

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Thin-film deposition is any technique for depositing a thin film of material onto a substrate or onto previously deposited layers. "Thin" is a relative term, but most deposition techniques allow layer thickness to be controlled within a few tens of nanometers, and some (molecular beam epitaxy) allow single layers of atoms to be deposited at a time.

It is useful in the manufacture of optics (for reflective or anti-reflective coatings, for instance), electronics (layers of insulators, semiconductors, and conductors form integrated circuits), packaging (i.e., aluminum-coated PET film), and in contemporary art (see the work of Larry Bell). Similar processes are sometimes used where thickness is not important: for instance, the purification of copper by electroplating, and the deposition of silicon and enriched uranium by a CVD-like process after gas-phase processing.

Deposition techniques fall into two broad categories, depending on whether the process is primarily chemical or physical.

[edit] Chemical deposition

Here, a fluid precursor undergoes a chemical change at a solid surface, leaving a solid layer. An everyday example is the formation of soot on a cool object when it is placed inside a flame. Since the fluid surrounds the solid object, deposition happens on every surface, with little regard to direction; thin films from chemical deposition techniques tend to be conformal, rather than directional.

Chemical deposition is further categorized by the phase of the precursor:

• Plating relies on liquid precursors, often a solution of water with a salt of the metal to be deposited. Some plating processes are driven entirely by reagents in the solution (usually for noble metals), but by far the most commercially important process is electroplating. It was not commonly used in semiconductor processing for many years, but has seen a resurgence with more widespread use of Chemical-mechanical polishing techniques.

• Chemical Solution Deposition (CSD) uses a liquid precursor, usually a solution of organometallic powders dissolved in an organic solvent. This is a relatively inexpensive, simple thin film process that is able to produce stoichiometrically accurate crystalline phases.

• Chemical vapor deposition (CVD) generally uses a gas-phase precursor, often a halide or hydride of the element to be deposited. In the case of MOCVD, an organometallic gas is used. Commercial techniques often use very low pressures of precursor gas.
  • Plasma enhanced CVD uses an ionized vapor, or plasma, as a precursor. Unlike the soot example above, commercial PECVD relies on electromagnetic means (electric current, microwave excitation), rather than a chemical reaction, to produce a plasma.

[edit] Physical deposition

Physical deposition uses mechanical or thermodynamic means to produce a thin film of solid. An everyday example is the formation of frost. Since most engineering materials are held together by relatively high energies, and chemical reactions are not used to store these energies, commercial physical deposition systems tend to require a low-pressure vapor environment to function properly; most can be classified as Physical vapor deposition or PVD.

The material to be deposited is placed in an energetic, entropic environment, so that particles of material escape its surface. Facing this source is a cooler surface which draws energy from these particles as they arrive, allowing them to form a solid layer. The whole system is kept in a vacuum deposition chamber, to allow the particles to travel as freely as possible. Since particles tend to follow a straight path, films deposited by physical means are commonly directional, rather than conformal.

Examples of physical deposition include:

• A thermal evaporator uses an electric resistance heater to melt the material and raise its vapor pressure to a useful range. This is done in a high vacuum, both to allow the vapor to reach the substrate without reacting with or scattering against other gas-phase atoms in the chamber, and reduce the incorporation of impurities from the residual gas in the vacuum chamber. Obviously, only materials with a much higher vapor pressure than the heating element can be deposited without contamination of the film. Molecular beam epitaxy is a particular sophisticated form of thermal evaporation.
  • An electron beam evaporator fires a high-energy beam from an electron gun to boil a small spot of material; since the heating is not uniform, lower vapor pressure materials can be deposited. The beam is usually bent through an angle of 270° in order to ensure that the gun filament is not directly exposed to the evaporant flux. Typical deposition rates for electron beam evaporation range from 1 to 10 nanometers per second.

• Sputtering relies on a plasma (usually a noble gas, such as Argon) to knock material from a "target" a few atoms at a time. The target can be kept at a relatively low temperature, since the process is not one of evaporation, making this one of the most flexible deposition techniques. It is especially useful for compounds or mixtures, where different components would otherwise tend to evaporate at different rates. Note, Sputtering's step coverage is more or less conformal.

• Pulsed laser deposition systems work by an ablation process. Pulses of focused laser light vaporize the surface of the target material and convert it to plasma; this plasma usually reverts to a gas before it reaches the substrate.

• Cathodic Arc Deposition or Arc-PVD which is a kind of ion beam deposition where an electrical arc is created that literally blasts ions from the cathode. The arc has an extremely high power density resulting in a high level of ionization (30-100%), multiply charged ions, neutral particles, clusters and macro-particles (droplets). If a reactive gas is introduced during the evaporation process, dissociation, ionization and excitation can occur during interaction with the ion flux and a compound film will be deposited.

[edit] Other deposition processes

Some methods fall outside these two categories, relying on a mixture of chemical and physical means:

• In reactive sputtering, a small amount of some non-noble gas such as oxygen or nitrogen is mixed with the plasma-forming gas. After the material is sputtered from the target, it reacts with this gas, so that the deposited film is a different material, i.e. an oxide or nitride of the target material.

• In Molecular beam epitaxy (MBE), slow streams of an element can be directed at the substrate, so that material deposits one atomic layer at a time. Compounds such as gallium arsenide are usually deposited by repeatedly applying a layer of one element (i.e., Ga), then a layer of the other (i.e., As), so that the process is chemical, as well as physical. The beam of material can be generated by either physical means (that is, by a furnace) or by a chemical reaction (chemical beam epitaxy).

• In Topotaxy, a specialized technique similar to epitaxy, thin film crystal growth occurs in three dimensions due to the crystal structure similarities (either heterotopotaxy or homotopotaxy) between the substrate crystal and the growing thin film material.

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