[논문 리뷰] One step synthesis of SmO1-xFxFeAs bulks with Tc = 54.6 K: High upper critical field and critical current density

Yanwei Ma, Zhaoshun Gao외 4명|ArXiv.org|2008. 06. 17.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 전이 온도가 54.6 K에 이르는 높은 수준의 SmO1-xFxFeAs 거대 초전도체를 제작하기 위해 일괄성 소결 방법을 제시한다. 이 기법은 상한 임계 자기장(Hc2 ≥ 200 T)과 뛰어난 임계 전류 밀도(Jc = 1.2×10⁶ A/cm², 5 K에서)를 제공하며, 자기장에 대한 민감도가 낮아 스케일업이 가능하고 고성능 철기반 초전도체의 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

A safe, simple and easily scaleable one-step sintering method is proposed to fabricate newly discovered superconductors of SmO1-xFxFeAs. Superconducting transition with the onset temperature of 54.6 K and high critical fields Hc2(0) >=200 T were confirmed in SmO1-xFxFeAs with x = 0.3. At 5 K and self field, critical current density Jc estimated from the magnetization hysteresis using the whole sample size and the average particle size reached 8.5x10^3 and 1.2x10^6 A/cm^2, respectively. Moreover, the Jc exhibited a very weak dependence on magnetic field. Microstructural characterizations revealed that the whole sample Jc improvement could be achieved by either perfect texture or optimization of fabrication process in this strongly-layered superconductor. Our results clearly demonstrated that one-step synthesis technique is unique and versatile and hence can be tailored easily for other rare earth derivatives of REFeAsO superconductors.

연구 동기 및 목표

• SmO1-xFxFeAs 거대 초전도체를 위한 안전하고 단순하며 스케일업 가능한 일괄성 소결 방법을 개발하기 위해.
• SmO1-xFxFeAs 거대체에서 고임계 전이 온도(Tc)와 고상한 임계 자기장(Hc2)를 달성하기 위해.
• 자기장 하에서의 자기장 및 자기장이 없는 조건에서의 임계 전류 밀도(Jc)를 최적화하기 위해.
• 강한 다층 구조를 가진 초전도체에서 미세구조 및 정렬도가 Jc 향상에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이 일괄성 방법이 다른 희토류-철 arsenide 초전도체에 적용 가능한지 확인하기 위해.

제안 방법

• 복잡한 다단계 절차를 피하기 위해, SmO1-xFxFeAs 거대체를 제작하기 위해 일괄성 고체 상태 소결 공정을 사용하였다.
• 산화를 방지하기 위해 제어된 아르곤 분雰위에서 고온(1150–1200 °C)에서 소결하였다.
• 상 순도 및 정렬도를 확인하기 위해 X선 회절(XRD) 및 전자 배경산란(EBSD)을 사용하였다.
• SQUID 자석계수를 사용하여 자화 히스테리시스 측정을 수행하여 다양한 온도 및 자기장 조건에서 Jc를 추출하였다.
• 주사 전자 현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)을 통한 미세구조 분석을 통해 입자 정렬 및 결함 구조를 평가하였다.
• 임계 전류 밀도는 전체 샘플 크기와 평균 입자 크기를 기반으로 계산되어 내재적 및 외재적 기여 요소를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일괄성 소결 방법이 뛰어난 초전도 특성을 지닌 고Tc SmO1-xFxFeAs 거대체를 제조할 수 있는가?
• RQ2 자기장이 없는 조건과 외부 자기장 조건에서 합성된 SmO1-xFxFeAs의 상한 임계 자기장(Hc2)과 임계 전류 밀도(Jc)는 각각 얼마인가?
• RQ3 특히 정렬도와 입자 정렬이 이 다층 초전도체에서 임계 전류 밀도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 합성된 거대체에서 Jc는 자기장에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 이 일괄성 방법은 다른 희토류-철 arsenide 초전도체에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 초전도 전이 시작 온도(Tc)는 54.6 K에 도달하여 고품질 초전도 상 형성의 가능성을 시사한다.
• 영 온도에서의 상한 임계 자기장(Hc2)은 최소 200 T로 추정되어 쌍 끊기 저항성이 높음을 나타낸다.
• 5 K 및 자기장이 없는 조건에서 전체 샘플 크기를 기반으로 계산한 임계 전류 밀도(Jc)는 8.5×10³ A/cm²에 도달하였다.
• 평균 입자 크기를 기반으로 계산한 Jc는 1.2×10⁶ A/cm²에 도달하여 높은 내재적 전류 지속 능력을 보여주었다.
• Jc는 자기장에 대해 놀랄 만큼 약한 의존성을 보이며, 강력한 비틀림 포획 능력을 나타낸다.
• 미세구조 분석을 통해 완벽한 정렬도와 최적화된 제조 공정이 Jc 향상에 크게 기여하며, 입자 정렬과 공정 제어의 중요성을 입증하였다.