東京農工大、内藤方夫教授らのグループは鉄系超伝導体 Sr 1- x K x Fe 2 As 2 の分子線エピタキシー ( MBE ) 成長に世界で初めて成功した。鉄系超伝導体の発見以降、基礎物性測定や超伝導デバイス応用を目指した薄膜成長の研究は精力的に進められている。鉄系超伝導体で最高の T c を持つ 1111 系の薄膜成長は As と O という 2 種類のアニオンを含むために一筋縄ではいかない。それに対して 122 系は T c では 1111 系に劣るものの、アニオンが As の 1 種類であることから薄膜成長もやや容易である。実際、過去に数件の超伝導薄膜の報告がなされている 1-3) 。これらの 122 系薄膜は AEFe 2 As 2 ( AE = Sr, Ba ) の Fe を Co で置換することによって超伝導を得ているが、 T c は 20 ~ 25 K にとどまっている。
　 122 系で最も高い T c を持つ Sr 1-x K x Fe 2 As 2 ( T c = 37 K ) や Ba 1- x K x Fe 2 As 2 ( T c = 38 K ) は、これまで薄膜成長の報告はなかった。農工大グループは分子線エピタキシー成長によって、図 1 に示すような 30K を超える高い T c を示す Sr 1- x K x Fe 2 As 2 のエピタキシャル薄膜の作製に成功した。
　 K を含む 122 系の薄膜成長において一番の問題となるのが K の高い蒸気圧である。 K を含まない母物質 SrFe 2 As 2 の薄膜成長は比較的容易である。 MBE 成長では、成長温度 500 ° C 、 As 圧 10 -6 Torr 台で c 軸配向エピタキシャル薄膜が得られる。しかし、 K が基板に物理吸着するのは 200 ° C 程度であるから、成長温度 500 ° C では K は直ちに基板から再蒸発し薄膜には全く取り込まれない。成長温度を 250 ° C まで下げ、同時に、 As 圧を下げていくと c 軸配向の Sr 1- x K x Fe 2 As 2 が成長し、得られた薄膜は超伝導転移を示す。銅酸化物の薄膜成長では、分解曲線直上の酸素分圧で成膜すると、表面マイグレーションが高まり結晶性が向上するという Bormann-Hammond 則が知られている。鉄系超伝導体の薄膜成長においても、酸素分圧を As 分圧に読み換えれば同じ法則が成り立っているように見える。さらに、 K を含まない SrFe 2 As 2 はこのような低温で成長させることはできないので、 K が低温での成長を促進する役割を果たしている。 250 ° C 程度の基板温度では、蒸気圧が高い K は供給と再蒸発とが平衡状態に近くなると考えられる。 K が薄膜への付着と再蒸発とを繰り返すことで、反応全体のマイグレーションが高まる。このように、 Sr 1- x K x Fe 2 As 2 の低温成長には、低 As 圧及び K の出入りによるマイグレーションの向上が重要なファクターである。 　今回 Sr 1- x K x Fe 2 As 2 薄膜の成長を行った ~ 250 ° C という成長温度は、これまで鉄系超伝導体の薄膜成長が行われてきた温度に比べて格段に低い。同様な方法によって他の物質でも低温成長が可能であればエレクトロニクス応用には大きな進展となる。
　 農工大グループは K の蒸発源の危険性についても注意を与えている。彼らは今回 K の蒸発源として単体の K を用いたが、必ずしもこれがベストな選択ではない。反応性が非常に高い K の取り扱いは常に危険が伴い、 K が塊として残っている場合にはチャンバーをベントするだけでも細心の注意を払わなければならならない。実際に、農工大グループはエフュージョンセル内で K の発火 ( 爆発 ?) を経験している ( 図 2 参照 ) 。高校の化学の副読本にはイソプロパノール中に K 塊を入れると激しく水素が発生すると書かれているが、 K 塊にイソプロパノールを注ぐと発火する ( 硫酸を希釈するとき硫酸に水を加えてはいけないのと同じこと ) 。但し、農工大内藤教授によれば、「 K 塊の量が少なければ発火程度で爆発までは至らない。なにはともあれ、 K を使用する際は、事前に消火器、防炎布、消火用砂などの揃えが必要」とのことである。
取り扱いが容易な K の蒸発源として、 K 2 CrO 4 や K 2 MoO 4 などの酸化物を還元剤と共に加熱して K の蒸発フラックスを得るディスペンサーが市販されているが、酸素による汚染が懸念される。農工大グループでは現在、九州大学の光田暁弘准教授の協力のもとに、 In-K の化合物から K を蒸発させることを試みている。 K の蒸発源については今後十分に検討していく必要があるだろう。 (Guardian)

1  H. Hiramatsu et al ., Appl. Phys. Express 1 (2008) 101702.

2  T. Katase et al ., Solid State Commun . 149 (2009) 2121.

3•  K. Iida et al ., Appl. Phys. Lett . 95 (2009) 192501.

　図 1. Sr 0.6 K 0.4 Fe 2 As 2 薄膜の抵抗率特性。

図 2. 　発火した K のエフュージョンセル。