Development of high-temperature superconducting coated conductors with superior mass productivity where defects and impurities function cooperatively

缺陷与杂质协同作用，开发具有优异量产性的高温超导涂层导体

基本信息

批准号：
22K04703
负责人：
元木貴則
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Aoyama Gakuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

希土類系高温超伝導体(RE123)は90K級の臨界温度を有することから液体窒素浸漬下での通電応用やヘリウムフリーでの磁場応用などに向けて研究開発が進められている。これまでの研究で、RE123配向薄膜材料の作製手法を確立するとともに、RE123材料に積層欠陥が存在することに着目し、後熱処理によって材料形態に依らず普遍的に適用可能な積層欠陥制御手法を開発してきた。当該年度は、積層欠陥制御による高機能化に並行して、強い磁束ピン止め中心となる微細な不純物などの非超伝導領域を薄膜中に導入する手法の開発を進めた。BaMO3のペロブスカイト構造の不純物添加やRE123の銅サイトを置換するNiなどの金属元素をドープすることで、臨界電流特性が改善することを明らかにした。具体的には、積層欠陥制御に関して、成膜後のRE123薄膜に対して300度以下の低温で含水蒸気雰囲気中で１時間以下の短時間熱処理を行うことで、外部磁場を印加いていない環境での臨界電流値が液体窒素温度77 Kにおいて2倍以上改善することに成功した。不純物添加効果については、様々な不純物添加や金属ドープ（Zr,Sn,Hf,Pr,Fe,Ni,Zn等）を試みたが、BaZrO3添加、Niドープがそれぞれ最も効果的であることがわかり、さらに3%のBaZrO3添加と0.1%以下のNiドープを組み合わせることで、さらなる特性改善が見られた。また、Agを薄膜表面に蒸着してアニールすることで積層欠陥の生成を促進するというこれまでに知られていない現象も新たに見出し、詳細な機構解明を進めている。

由于稀土基高温超导体（RE123）的临界温度为90K级，因此正在针对液氮浸没下的通电应用和无氦磁场应用等应用进行研究和开发。在迄今为止的研究中，我们已经建立了一种生产RE123取向薄膜材料的方法，并重点关注RE123材料中堆垛层错的存在，并开发了一种无论材料形态如何都可以通过后处理普遍应用的堆垛层错控制方法。 - 热处理。在本财年，在通过堆垛层错控制改善功能的同时，我们还开发了一种方法，将细小杂质等非超导区域引入薄膜中，作为强磁通钉扎的中心。研究表明，通过在BaMO3的钙钛矿结构中添加杂质并掺杂Ni等金属元素来取代RE123中的铜位点，可以改善临界电流特性。具体而言，关于堆垛层错控制，将沉积后的RE123薄膜在含水蒸汽气氛中在300度以下的低温下进行1小时以下的短时间热处理，这使得可以在300度以下的低温下对其进行加热。在不施加外部磁场的环境下，我们成功地在77 K的液氮温度下将临界电流值提高了2倍以上。关于杂质添加的效果，我们尝试了各种杂质添加和金属掺杂（Zr、Sn、Hf、Pr、Fe、Ni、Zn等），但发现BaZrO3添加和Ni掺杂分别是最有效的此外，通过添加 3% BaZrO3 和 0.1% 或更少的 Ni 掺杂相结合，可以看到进一步的性能改进。我们还发现了一种以前未知的现象，即通过在薄膜表面沉积银并对其进行退火来促进堆垛层错的形成，我们正在努力阐明其详细机制。