[논문 리뷰] Properties of MgB2 bulk

T. A. Prikhna|ArXiv.org|2009. 12. 24.

Superconductivity in MgB2 and Alloys참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 리뷰는 구조적, 초전도적, 기계적 성질에 중점을 두어 막대한 MgB2 기반 재료를 조사한다. 산소 도핑(5–14 wt%)과 나노크기의 MgB12 상이 임계 전류 밀도와 상한 임계장을 크게 향상시키며, 0 T에서 20 K에서 1.8 × 10⁶ A/cm²까지 도달하고, 22 K에서 HC2 = 15 T에 도달함을 확인한다. 이는 부차 상의 XRD 증거가 미미함에도 불구하고 그렇다.

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.

연구 동기 및 목표

• 막대한 MgB2 재료의 구조적 및 초전도적 성질을 분석하고, 산소 및 부차 상의 도입에 중점을 두다.
• 나노스케일의 MgB12 입자와 도핑제(예: C, Ti, Ta, Zr, SiC)가 편재 및 임계 전류 밀도에 미치는 영향을 이해하다.
• XRD로 부차 상을 거의 감지할 수 없음에도 불구하고 산소 및 수소 분포가 초전도 성능에 미치는 영향을 명확히 하다.
• 도핑제에 의한 격자 불순물이 Tc, 저항도, 자석 침투 깊이 및 상한 임계장에 미치는 영향을 평가하다.
• Tc = 37 K인 MgB12 유사 화학 스토이히오메트리의 초전도 거동을 확립하다.

제안 방법

• 나노스케일 상과 산소 분포를 규명하기 위해 투과전자현미경(TEM)과 주사전자현미경(SEM)을 수행하다.
• 결정상의 존재를 확인하기 위해 X선 회절(XRD)을 사용하며, MgB2와 소량의 MgO만 나타나는 경우에도 이를 적용하다.
• 정상상 및 초전도상 성질을 평가하기 위해 전기 저항도, 자석 침투 깊이 및 상한 임계장(HC2)을 측정하다.
• 도핑제(C, Ti, Ta, Zr, SiC)가 격자 불순물과 초전도 매개변수에 미치는 영향을 분석하다.
• 산소 농도(5–14 wt%)와 초전도 성능, 특히 임계 전류 밀도와 비가역성 필드 사이의 상관관계를 분석하다.
• 화학 스토이히오메트리가 MgB12에 가까운 재료에서 초전도 전이 온도와 임계장을 평가하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MgB2에 산소 도핑(5–14 wt%)이 이루어지더라도 XRD로 부차 상을 거의 감지할 수 없음에도 불구하고 초전도 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 나노크기의 MgB12 입자가 다결정 MgB2에서 플럭스 편재 및 임계 전류 밀도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 탄소 또는 전이 금속과 같은 도핑제가 MgB2에서 격자 불순물과 상한 임계장을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 합성 및 소결 중 산소 및 수소 분포와 초전도 성능 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 화학 스토이히오메트리가 MgB12에 가까운 재료는 초전도성을 나타내는가? 그 Tc와 임계장은 얼마인가?

주요 결과

• 자기장이 없는 조건에서 20 K에서 1.8 × 10⁶ A/cm²의 임계 전류 밀도가 달성되었으며, 8 T 자기장에서 1.0 × 10⁶ A/cm²로 감소하였다.
• 35 K에서 자기장이 없는 조건에서도 임계 전류 밀도가 3.0 × 10⁵ A/cm²로 유지되어 고온 성능을 보였다.
• 상한 임계장(HC2)은 22 K에서 15 T에 도달했으며, 20 K에서 비가역성 필드(Hirr)는 13 T였다.
• 산소 함량 5–14 wt%가 XRD에서 MgB2와 소량의 MgO만 나타나는 상황에서도 현미경 분석을 통해 확인되었으며, 숨겨진 산소 도핑이 있음을 시사한다.
• 나노크기의 MgB12 입자가 다결정 MgB2에서 효과적인 플럭스 편재의 핵심 기여 요소로 규명되었다.
• C, Ti, Ta, Zr 및 SiC와 같은 도핑제는 정상 상태 저항도, 자석 침투 깊이 및 HC2를 증가시켰지만, Tc와 이방성은 감소시켰다.