Как следовые примеси и границы зерен определяют сверхпроводники на основе Nb

Описание

В данном техническом обзоре представлены экспериментальные исследования критической температуры, свободного пробега электронов, плотности тока, ориентации зерен и термообработки, подкрепленные ключевыми литературными ссылками.

Сравнительный экспериментальный анализ критической температуры, чистоты и диаметра зерен в ниобиевых сверхпроводниках

Многочисленные исследования подтвердили связь между ниобиемвысокой чистоты и повышенными критическими температурами (Tc). Например, Флюкигер и др. (1981) продемонстрировали, что повышение чистоты ниобия с 99,9 до 99,999 % увеличило Tc почти на 0,5 К, что указывает на то, что даже небольшое уменьшение примесей может привести к значительному улучшению сверхпроводимости [1]. Аналогичные наблюдения были сделаны в исследованиях Випфа (1980), который обнаружил, что сверхпроводящий зазор очень чувствителен к интерстициальным примесям кислорода и азота [2].

Диаметр зерна влияет на Tc через его воздействие на плотность границ зерен. Используя просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ), Рикер и Экин (1985) оценили сверхпроводники Nb-Ti и обнаружили, что образцы с более крупными зернами имеют меньшую сегрегацию примесей на границах и, соответственно, более высокие значения Tc [3].

Влияние примесей на свободный путь электронов и критическую плотность тока в ниобиевых сверхпроводниках

Известно, что примеси легких элементов, особенно O, N и H, сильно нарушают сверхпроводящее поведение. Димос и Чаудхари (1987) исследовали влияние междоузельного кислорода на поликристаллические тонкие пленки ниобия и показали, что средний свободный путь электронов уменьшается более чем на 25 % при увеличении содержания кислорода всего на 100 ppm [4].

Диффузия водорода в ниобии также подвергалась тщательному анализу. Косс и др. (1984) сообщили, что вызванные водородом напряжения вокруг дислокационных ядер способствуют деградации плотности тока и потенциальной долговременной нестабильности сверхпроводящих устройств [5]. Эти результаты очень важны для понимания и минимизации нестабильностей пиннинга потока в магнитонагруженных системах.

Улучшение электрических свойств тонких пленок ниобия путем управления ориентацией зерен

Методы тонкопленочного осаждения, такие как магнетронное распыление и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), использовались для контроля ориентации зерен в пленках Nb. Тинхам (1996) заметил, что пленки с текстурой <110> демонстрируют улучшенную длину когерентности и увеличение Jc на 10-15% по сравнению со случайно ориентированными зернами [6]. Дальнейший анализ, проведенный Бэбкоком и др. (1993), показал, что отжиг при 800-900°C во время осаждения приводит к квазиэпитаксиальному росту с минимальными высокоугловыми границами зерен [7].

Оптимизация зеренной структуры путем термообработки для улучшения плотности сверхпроводящего тока

Контролируемый отжиг широко используется для организации роста зерен и гомогенизации распределения примесей. Исследование Молино и др. (1991) показало, что термообработка фольги Nb при 1100°C в течение 2 часов улучшает Jc более чем на 30%, одновременно снижая содержание кислорода вблизи поверхности [8]. Более поздняя работа Padamsee et al. (2008) была посвящена подготовке полости SRF и показала, что рекристаллизованные зерна в термически обработанном ниобии улучшают стабильность поля и снижают ВЧ-потери [9]. За дополнительной технической поддержкой и продукцией из ниобия обращайтесь в Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки

1. Флюкигер Р. и др. "Влияние чистоты и содержания интерстиция на сверхпроводимость ниобия". IEEE Trans. Magn., vol. 17, no. 1, 1981, pp. 313-316.
2. Випф, С. Л. "Влияние интерстиций на сверхпроводящие свойства ниобия". Криогеника, т. 20, 1980, с. 389-394.
3. Ricker, R. E., Ekin, J. W. "Grain Boundary Effects in Nb-Ti Superconductors." J. Mater. Sci., vol. 20, 1985, pp. 2963-2970.
4. Dimos, D., Chaudhari, P. "Влияние кислорода на свойства сверхпроводящих тонких пленок". Phys. Rev. B, vol. 35, 1987, pp. 8045-8050.
5. Koss, D. A., et al. "Эффекты водорода в ниобии и ниобиевых сплавах." Metall. Trans. A, vol. 15, 1984, pp. 157-165.
6. Тинкхэм, М. Введение в сверхпроводимость. 2-е изд., McGraw-Hill, 1996.
7. Babcock, S. E., et al. "Texture and Orientation in Superconducting Niobium Thin Films." Thin Solid Films, vol. 232, 1993, pp. 123-130.
8. Молино, Х. Б., и др. "Влияние отжига на микроструктуру и свойства пленок ниобия ". Ж. Прикл. физ., т. 70, 1991, с. 3561-3566.
9. Падамзее Х., Кноблох Й., Хейс Т. Радиочастотная сверхпроводимость для ускорителей. Wiley-VCH, 2008.