[論文レビュー] Strong enhancement of critical current density in MgB2 superconductor using carbohydrate doping

Jung Ho Kim, S.H. Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2006

Superconductivity in MgB2 and Alloys参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、炭水化物ドーピングが均一で反応性の高い炭素の組み込みを可能にすることで、MgB2超伝導体における臨界電流密度（Jc）を著しく向上させることを示している。これにより、自己場でのJcに劣化を来さずに、外部磁場下でのJcが10倍以上に増加した。この手法は、従来の炭素ドーピングの限界を克服し、ナノ粒子の凝集を防ぎ、反応性を向上させる。実用的応用に向けた高機能MgB2線材のスケーラブルなルートを提供する。

ABSTRACT

With the relatively high critical temperature (Tc) of 39 K1 and the high critical current density (Jc) of > 100000 A/cm2 in moderate fields, magnesium diboride (MgB2) superconductors could offer the promise of important large-scale and electronic device applications to be operated at 20 K. A significant enhancement in the electromagnetic properties of MgB2 has been achieved through doping with various form of carbon (C). However, doping effect has been limited by the agglomeration of nano-sized dopants and the poor reactivity of C containing dopants with MgB2. Un-reacted dopants result in a reduction of superconductor volume. In this work, we demonstrate the advantages of carbohydrate doping over other dopants, resulting in an increase of in-field Jc by more than one order of magnitude without any degradation of self-field Jc. As there are numerous carbohydrates readily available this finding has significant ramifications not only for the fabrication of MgB2 but also for many C based compounds and composites.

研究の動機と目的

• 従来の炭素ドーピングの限界、例えばナノ粒子の凝集や反応性の低さを克服すること。
• ゼロ磁場下での性能を損なわせずに、磁場下におけるMgB2の臨界電流密度（Jc）を向上させること。
• 入手容易な炭水化物を新規で反応性の高い炭素源として用いて、MgB2をドーピングする手法の検討。
• MgB2超伝導体の電磁気的性質を効果的かつスケーラブルに向上させる手法の開発。
• 高場および大規模デバイスへのMgB2の実用的応用を可能にするために、Jcの安定性と均一性を向上させること。

提案手法

• 炭水化物（例えばショ糖、グルコース）をMgB2前駆体粉末の炭素ドーラントとして用いた。
• ドーピングされたMgB2粉末を固体状態反応法で処理し、制御された条件下で焼結して、バルクまたは線状のサンプルを形成した。
• 焼結過程における炭水化物の分解が、均一で反応性の高い炭素源を供給し、MgB2格子に統合された。
• 相純度および結晶構造の評価のため、微細構造はX線回折（XRD）および走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて分析した。
• 輸送および磁化測定法を用いて、ゼロ磁場および外部磁場下でのJcを含む電磁気的性質を測定した。
• 炭素ブラックやカーボンナノチューブなどの従来の炭素源と比較して、炭水化物ドーピングの有効性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭水化物ドーピングは、自己場でのJcに劣化を来さずに、MgB2における外部磁場下での臨界電流密度（Jc）を著しく向上させることができるか？
• RQ2 炭水化物由来の炭素の反応性および分散性は、従来の炭素ドーラントと比較してどう異なるか？
• RQ3 炭水化物の分解が、MgB2の微細構造および超伝導特性に与える影響は何か？
• RQ4 炭水化物ドーピングは、炭素ドーピングMgB2に一般的に見られるナノ粒子の凝集問題を緩和できるか？
• RQ5 炭水化物ドーピングは、高機能MgB2超伝導体の実用的製造にどの程度スケーラブルに応用可能か？

主な発見

• 炭水化物ドーピングにより、ドーピングされていないまたは従来の方法でドーピングされたサンプルと比較して、MgB2における外部磁場下での臨界電流密度（Jc）が10倍以上に増加した。
• 自己場でのJcは変化しないか、わずかに向上しており、ドーピングプロセスによる劣化がないことが示された。
• 炭水化物の均一な分解が、反応性が高く、均一に分散された炭素源を供給し、凝集を最小限に抑え、フラックスピンナイングを強化した。
• 微細構造分析により、ドーピングされたサンプルでは、改善された界面工学および均一な炭素分布が確認された。
• 炭水化物の低コストおよび広範な入手可能性のおかげで、スケーラビリティが示された。これにより、高JcのMgB2材料の実用的製造が可能になった。
• 結果から、炭水化物ドーピングは、実世界の応用に向けたMgB2性能向上に非常に効果的な戦略であると示唆された。