2022 Fiscal Year Research-status Report
重イオンビーム特有の材料設計による高機能高温超伝導薄膜の創製
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22K04207
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| Research Institution | Kyushu Sangyo University |
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Principal Investigator |
末吉 哲郎 九州産業大学, 理工学部, 准教授 (20315287)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 高温超伝導体 / 臨界電流密度 / 磁束ピンニング / イオン照射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は，高温超伝導体に対して試料作製過程と独立に照射欠陥の形状と密度を制御して臨界電流密度Jc特性への正味の影響を評価できる重イオンビーム固有の材料設計を利用して，c軸，ab面方向の磁場で異なる構造の量子化磁束に特化したピン止めを実現するピン止め構造の構築を図り，全磁場方向で現行のJc値の頭打ち（ex. 3 MA/cm2 @ 1 T）を解消する材料設計指針を示すことである．
令和4年度では，高温超伝導薄膜のc軸方向の磁場でのピン止め点導入によるJc増加の頭打ちの要因を探るために，電子的阻止能の異なる重イオンビームを用いてイオンパスに沿った長さの異なる線状欠陥を導入することで，Jcを最大にするピン止め点の体積分率に対するピン止め点の形状の影響について調べた．ピン止め体積が大きく高いピン止め力を期待できる長い線状欠陥より，高密度の導入でもJcを増加できるピン止め体積の小さい短い形状の照射欠陥の方が，最大となるJc値が特に低温領域において大きい値を示すことが明らかになった．また，このJcが最大となる照射欠陥の体積分率を比較すると，照射欠陥の形状にほぼ依らず，約10vol.%になることがTEM観察から示唆された．以上の結果は，ピン止め点導入によるJcの増加を制限している要因は，ピン止め点の形状に寄らずに導入されたピン止め点のトータルの体積であることと，ただしJcの最大値は小さな形状のピン止め点を高密度に導入することが鍵であることを示唆しており，高温超伝導材料における現在のピン止め点導入によるJcの増加の頭打ちを解消する糸口になる可能性がある．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和４年度の成果として，高温超伝導体でのピン止め点導入による高臨界電流密度Jc化における，(A) 高いピン止め力を期待できるピン止め体積の大きいピン止め点と (B) 低いピン止め力であるが高密度の導入でもJcの増加が期待できるピン止め体積の小さいピン止め点のトレードオフの関係について，電子的阻止能の異なる複数の重イオンビームを用いてナノ線状欠陥の長さを制御して異なる形状のピン止め点を導入した高温超伝導薄膜のJc特性を直接比較することで，定量的な知見を得ることができた．また，直流四端子法でJc特性を評価するために，フォトリソグラフィー法による薄膜試料のマイクロブリッジ加工の環境を整えることができた．ただし，令和4年度の当初計画での，透過型電子顕微鏡による照射欠陥の微細構造観察が遅れており，現時点では他文献から引用したTEM観察像を参考に体積分率を評価している．また，マイクロブリッジ加工した薄膜試料に対して，広範囲の磁場方向にわたるJc特性を評価するための通電特性測定システムの立ち上げも遅れている．このため，現在までの進捗状況を“やや遅れている”と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度では，高温超伝導薄膜に対して質量が重く電子的阻止能の高い200 MeVのAuイオンと電子的阻止能の低い 70 MeVの質量の軽いNiイオンを用いて，太い線状の欠陥とイオンパスに沿った小さな球状の欠陥を導入して，（A）透過型電子顕微鏡観察によりサイズを明らかにし，（B）両者のJcの詳細な照射量依存性を比較することで，高Jc化に対するピン止め点のトータルのピン止め体積（体積分率）の定量的な影響を明確にする．また，広範囲の磁場方向にわたるJc特性を評価するための通電特性測定システムを構築し，c軸とab面方向の磁場でのJc特性を評価することで，全磁場方向での現行のJc値の頭打ちを解消する材料設計指針を探る環境を整えていく．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍および本学に赴任して2年目においても学務に追われる等により，予定していた学会や学外実験への出張費が浮いたことと，実験の遅延により透過型電子顕微鏡の観察依頼が遅れていること，通電特性測定システムの立ち上げに時間を割くことができなかったために未使用額が生じた．
未使用額については，(1) 通電特性測定システムの立ち上げのための備品や消耗品購入（5Aまで電流印加可能な直流電流発生器，専用サンプルホルダ（カンタムデザイン社），Heガス等），(2) 令和5年度での原子力機構（茨城県東海村）のタンデム加速器でのイオン照射実験における旅費と施設供用利用料金（2回），（3）国内外の学会参加における旅費と参加費，などに使用する予定である．
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Research Products
(8 results)
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[Presentation] 高圧ねじり加工されたハイエントロピー合金Hf21Nb25Ti15V15Zr24の超伝導特性2023
Author(s)
西嵜照和, 川崎佑太, 末吉哲郎, 北川二郎, 石津直樹, 唐永鵬, 堀田善治, 加藤勝, 淡路智, 野島勉, 佐々木孝彦
Organizer
日本物理学会2023年春季大会
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