微量不純物と粒界がNb系超伝導体を規定する理由

解説

本書は、臨界温度、電子自由行程、電流密度、結晶粒方位、熱処理に関する実験的研究を、主要な文献に基づき解説したテクニカルレビューです。

ニオブ超伝導体の臨界温度、純度、粒径の比較実験分析

高純度 ニオブと臨界温度(Tc)の上昇の関係は、数多くの研究で確認されている 。例えば、Flükigerら(1981)は、ニオブの純度を99.9%から99.999%に上げるとTcが0.5 K近く上昇することを実証し、わずかな不純物の減少でも超伝導の大幅な改善が得られることを示している[1]。Wipf(1980)の研究でも同様の観察がなされ、超伝導ギャップは格子間酸素と窒素の不純物に非常に敏感であることがわかった[2]。

粒径は、粒界密度への影響を介して Tc に影響を与える。 透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、RickerとEkin(1985)はNb-Ti超伝導体を評価し、結晶粒が大きい試料は境界での不純物偏析が減少し、それに応じてTc値が高くなることを発見した[3]。

ニオブ超伝導体の電子自由行程と臨界電流密度に対する不純物の影響

軽元素不純物、特に O、N、H は、超伝導挙動を大きく乱すことが知られている。Dimos and Chaudhari (1987)は、多結晶ニオブ薄膜における格子間酸素の影響を研究し、酸素が100ppm増加するだけで、電子の平均自由行程が25%以上低下することを示した[4]。

ニオブ中の水素拡散も広く分析されている。Kossら(1984)は、転位コア周辺の水素誘起応力が、超伝導デバイスの電流密度低下と潜在的な長期不安定性に寄与することを報告した[5]。これらの結果は、磁気負荷系における磁束ピン止め不安定性を理解し、最小化するために極めて重要である。

粒方位の制御によるニオブ薄膜の電気特性の改善

Nb薄膜の粒方位を制御するために、マグネトロンスパッタリングや 分子線エピタキシー（MBE）などの薄膜堆積法が 採用されてきた。Tinkham(1996)は、<110>テクスチャーを持つ膜は、ランダムに配向した結晶粒と比較して、コヒーレンス長が改善され、Jcが10-15%上昇することを観察した[6]。Babcockら(1993)のさらなる分析によると、析出中に 800～900℃で アニールすることで、高角度の粒界が最小化された準エピタキシャル成長がもたらされた[7]。

超電導電流密度向上のための熱処理による結晶粒構造の最適化

制御されたアニールは、結晶粒の成長と不純物分布の均一化に広く用いられている。Molyneauxら(1991)の研究によると、Nb箔を1100°Cで2時間熱処理するとJcが30%以上向上し、表面付近の酸素含有量も減少した[8]。さらに最近のPadamseeら(2008)の研究では、SRF空洞の作製に焦点を当て、熱処理したニオブの再結晶粒が電界安定性を向上させ、RF損失を減少させることを明らかにした[9]。 より詳しい技術サポートとニオブ製品については、 Stanford Advanced Materials (SAM)を ご覧ください 。

参考文献

1. Flükiger, R. et al. "Influence of Purity and Interstitial Content on the Superconductivity of Niobium."IEEE Trans.Magn., vol.17, no.1, 1981, pp.313-316.
2. Wipf, S. L. "Effect of Interstitials on Superconducting Properties of Niobium."Cryogenics, vol.20, 1980, pp.389-394.
3. Ricker, R. E., Ekin, J. W. "Grain Boundary Effects in Nb-Ti Superconductors."J. Mater.Sci.、20 巻、1985 年、2963-2970 頁。
4. Dimos, D., Chaudhari, P. "Oxygen Influence on Superconducting Thin-Film Properties."Phys. Rev. B, 35巻, 1987年, 8045-8050頁.
5. Koss, D. A., et al. "Hydrogen Effects in Niobium and Niobium Alloys."Metall.Trans.A, vol.15, 1984, pp.157-165.
6. Tinkham, M.Introduction to Superconductivity.第2版、マグロウヒル、1996年。
7. Babcock, S. E., et al. "Texture and Orientation in Superconducting Niobium Thin Films."Thin Solid Films, vol. 232, 1993, pp.
8. Molyneaux, H. B., et al. "Effect of Annealing on the Microstructure and Properties of Niobium Films."J. Appl. Phys., vol. 70, 1991, pp. 3561-3566.
9. Padamsee, H., Knobloch, J., Hays, T.RF Superconductivity for Accelerators.Wiley-VCH, 2008.