[論文レビュー] Properties of MgB2 bulk

T. A. Prikhna|ArXiv.org|Dec 24, 2009

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本レビューでは、体積 MgB2材料の構造的・超伝導的・機械的特性に焦点を当て、酸素ドーピング（5–14 wt%）およびナノサイズの MgB12 相が、臨界電流密度と上臨界磁場を顕著に向上させることを明らかにした。XRD による二次相の顕著な検出がなくても、0 T での 20 K で 1.8 × 10⁶ A/cm²、22 K での HC2 が 15 T に達する値が得られている。

ABSTRACT

The review considers bulk MgB2-based materials in terms of their structure, superconducting and mechanical properties. Superconducting transition temperatures of 34.5-39.4 K, critical current densities of 1.8-1.0 x E6 A/sq.cm in self field and 103 in 8 T field at 20 K, 3-1.5xE5 A/sq. cm in self field at 35 K, HC2 15 T at 22 K and Hirr 13 T at 20 K have been registered for polycrystalline materials. As TEM and SEM study show, dispersed higher borides and rather big amount (5-14 percents) of oxygen (bonded simultaneously with Mg and B) can be present in the structure even if X-ray pattern contains only reflexes of well crystallized MgB2 with traces of MgO. Materials with such a rather high oxygen content demonstrated high superconducting characteristics. At present it is established that nanosized MgB12 grains provide effective pinning in polycrystalline material. Besides, additions can introduce the MgB2 structure inducing disorder in lattice sites (for example, C substitution for B). The disorder increases the normal state resistivity, magnetic penetration depth, and the upper critical field, but reduces the transition temperature and anisotropy. It is highly probable that the additives (Ti, Ta, Zr, SiC) together with synthesis or sintering temperature can affect the distribution of oxygen and hydrogen in the material structure as well as the formation of grains of higher borides, thus influencing superconducting properties. The superconductivity of materials with matrix close to MgB12 in stoichiometry (Tc=37 K) has been defined.

研究の動機と目的

• 体積 MgB2 材料の構造的および超伝導的特性を分析し、酸素および二次相の導入に特に注目する。
• ナノスケールの MgB12 粒子およびドーピング元素（例：C、Ti、Ta、Zr、SiC）がピン留めおよび臨界電流密度に与える影響を理解する。
• XRD による二次相の検出が限定的であるにもかかわらず、酸素および水素の分布が超伝導性能に与える役割を明確にする。
• ドーピングによる格子不純度が Tc、抵抗率、磁気浸透深さ、および上臨界磁場に与える影響を評価する。
• Tc = 37 K の MgB12 に類似した化学 stoichiometry の超伝導挙動を確立する。

提案手法

• ナノスケールの相および酸素分布を特定するため、透過型電子顕微鏡（TEM）および走査型電子顕微鏡（SEM）を実施する。
• X線回折（XRD）を用いて、MgB2 および微量の MgO のみが顕在される場合でも結晶相を検出する。
• 電気的抵抗率、磁気浸透深さ、および上臨界磁場（HC2）を測定し、常態および超伝導状態の特性を評価する。
• ドーピング元素（C、Ti、Ta、Zr、SiC）が格子不純度および超伝導パラメータに与える影響を分析する。
• 酸素含有量（5–14 wt%）と超伝導性能、特に臨界電流密度および不逆磁場との相関を分析する。
• MgB12 に類似した化学 stoichiometry の材料における超伝導転移温度および臨界磁場を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XRD による二次相の検出が限定的であるにもかかわらず、MgB2 に 5–14 wt% の酸素が導入されると、超伝導特性にどのように影響するか？
• RQ2 ナノサイズの MgB12 粒子は、多結晶 MgB2 におけるフラックスピン留めおよび臨界電流密度の向上に果たす役割は何か？
• RQ3 炭素や遷移金属などのドーピング元素は、MgB2 における格子不純度および上臨界磁場にどのように影響するか？
• RQ4 合成および焼結過程における酸素および水素の分布と超伝導性能の関係は何か？
• RQ5 MgB12 に類似した化学 stoichiometry の材料は超伝導を示すことができるか？その Tc および臨界磁場は何か？

主な発見

• 0 T での 20 K で臨界電流密度が 1.8 × 10⁶ A/cm² を達成され、8 T 磁場下では 1.0 × 10⁶ A/cm² に低下した。
• 35 K でも自己磁場下で臨界電流密度が 3.0 × 10⁵ A/cm² を維持したため、高温での性能が顕著に優れていた。
• 上臨界磁場（HC2）は 22 K で 15 T に達し、20 K での不逆磁場（Hirr）は 13 T であった。
• XRD で MgB2 および微量の MgO のみが検出されたにもかかわらず、顕微鏡法で 5–14 wt% の酸素含有量が検出され、隠れた酸素の取り込みが示された。
• ナノサイズの MgB12 粒子が、多結晶 MgB2 における有効なフラックスピン留めの主要因であることが同定された。
• C、Ti、Ta、Zr、SiC などのドーピング元素は、常態抵抗率、磁気浸透深さ、および HC2 を増加させたが、Tc や異方性を低下させた。