2020 Fiscal Year Research-status Report
Establishment and demonstration of the control of stacking faults for rare-earth based textured high temperature superconducting materials
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19K05006
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
元木 貴則 青山学院大学, 理工学部, 助教 (00781113)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
下山 淳一 青山学院大学, 理工学部, 教授 (20251366)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 化学拡散 / 高温超伝導体材料 / 含水蒸気雰囲気下熱処理 / 配向材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、希土類系銅酸化物超伝導体の配向材料に対して前年度に明らかにした水蒸気を含む雰囲気下における熱処理による積層欠陥生成メカニズムの解明を目指すとともに、欠陥濃度の最適化による臨界電流特性の高機能化や積層欠陥導入による酸素拡散の高速化手法の開発に取り組んだ。
2軸配向薄膜について、水蒸気含有酸素雰囲気での積層欠陥生成量と超伝導特性の関係について熱処理温度・時間を系統的に変えることで定量的に明らかにすることに成功した。これまで、積層欠陥を導入した薄膜において低磁場下での臨界電流特性が最大70%向上する結果が得られている一方で、磁場中での特性は低下してしまっていた。これに対し、200℃以下の低温で長時間の含水蒸気熱処理を行うことで、低磁場中だけでなく、低温磁場中での特性改善にも有用であることが明らかになりつつある。
また、大型の疑似単結晶と見なせる溶融凝固バルクは、酸素拡散が極めて遅く、高い超伝導特性をバルク全体に発現させるには数百時間という酸素アニールプロセスが必要である。これまでに、この溶融凝固バルクに対して、酸素アニールプロセス中に水蒸気を導入することで、超伝導特性を低下させることなく正味の酸素拡散速度が大幅に増大することを明らかにしてきた。本年度は、このバルク内酸素拡散をモデル化し、積層欠陥の導入によって有効拡散長が短縮することために拡散が高速化するというメカニズムを提唱した。さらに、本研究を進める中で単一方向溶融成長法によるバルク全体が一つの結晶成長領域のみからなる新たな溶融凝固バルクの育成手法を確立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度上半期はコロナ禍による緊急事態宣言等の影響により一時的な実験の停止を余儀なくされたが、その間にも拡散機構のモデル化による理論的な考察を進めるなど可能な限り研究を停滞させないよう取り組むことができた。薄膜材料においては、本手法が広範に適用可能な後熱処理プロセスとして見通せるフェーズにあるといえる。また、溶融凝固バルク体に関しては、本研究を進める中で単一方向溶融成長法というバルク全体が一つの結晶成長領域のみからなる画期的な溶融凝固バルクの育成手法を確立することに成功した。この手法では均質な組織かつ優れた捕捉磁場特性を有する大型のバルク体が再現性よく得られるため、今後本研究を進める上で大いに有用であろうと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
溶融凝固バルクは通常、種結晶直下方向と動径方向に成長するため微細組織や超伝導特性が特徴的に異なる2つの成長領域からなる。そのため、バルク全体の酸素拡散を一律に論じるのが困難であった。そこで、単一方向溶融成長法という新たな溶融凝固バルク育成手法を開発し、バルク全体が一つの成長領域のみからなるバルクの作製手法を確立した。今後は、この単一領域のバルクを用いた拡散機構の精密な解明を試みるとともに、酸素拡散の高速化と高捕捉磁場特性を両立する熱処理条件の最適化を進める。
より基礎的な積層欠陥導入および酸素拡散機構を明らかにするため、希土類系銅酸化物超伝導体単結晶体を用いた研究を進める。含水蒸気雰囲気下熱処理による欠陥生成の進行を超伝導特性の変化に加えて透過電子顕微鏡を用いた原子像レベルでの組織観察を逐次行うことで明らかにすることを目指す。
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| Causes of Carryover |
本年度は当初国際会議に2件出席する予定であったが、コロナ禍で全て中止となった。これにより旅費の支出が大幅に減少となった。また、高額の捕捉磁場測定装置の設計を進めていたが、開発企業との調整が累次にわたって延期を余儀なくされた。本装置の発注は次年度に合わせて行う。
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