Comment les traces d'impuretés et les joints de grains définissent les supraconducteurs à base de Nb

Description de l'étude

Cette revue technique couvre les études expérimentales sur la température critique, le libre parcours des électrons, la densité de courant, l'orientation des grains et le traitement thermique, et s'appuie sur des références bibliographiques clés.

Analyse expérimentale comparative de la température critique, de la pureté et du diamètre des grains dans les supraconducteurs au niobium

De nombreuses études ont confirmé la relation entre le niobium de haute pureté et les températures critiques élevées (Tc). Par exemple, Flükiger et al. (1981) ont démontré que l'augmentation de la pureté du niobium de 99,9 % à 99,999 % augmentait la Tc de près de 0,5 K, ce qui indique que même de petites réductions d'impuretés peuvent entraîner des améliorations significatives de la supraconductivité [1]. Des observations similaires ont été faites dans les études de Wipf (1980), qui a constaté que le gap supraconducteur était très sensible aux impuretés interstitielles d'oxygène et d'azote [2].

Le diamètre des grains influe sur Tc par son impact sur la densité des joints de grains. En utilisant la microscopie électronique à transmission (TEM), Ricker et Ekin (1985) ont évalué des supraconducteurs Nb-Ti et ont constaté que les échantillons ayant des grains plus gros présentaient une ségrégation d'impuretés réduite aux limites et des valeurs de Tc plus élevées [3].

Influence des impuretés sur le libre parcours des électrons et la densité de courant critique dans les supraconducteurs au niobium

Les impuretés d'éléments légers, en particulier O, N et H, sont connues pour perturber gravement le comportement supraconducteur. Dimos et Chaudhari (1987) ont étudié l'effet de l'oxygène interstitiel sur des films minces polycristallins de niobium et ont montré que le libre parcours moyen des électrons chutait de plus de 25 % avec une simple augmentation de 100 ppm d'oxygène [4].

La diffusion de l'hydrogène dans le niobium a également fait l'objet d'analyses approfondies. Koss et al. (1984) ont rapporté que les contraintes induites par l'hydrogène autour des noyaux de dislocation contribuent à la dégradation de la densité de courant et à l'instabilité potentielle à long terme des dispositifs supraconducteurs [5]. Ces résultats sont essentiels pour comprendre et minimiser les instabilités de pincement du flux dans les systèmes à charge magnétique.

Amélioration des propriétés électriques des couches minces de niobium par le contrôle de l'orientation des grains

Des méthodes de dépôt de couches minces telles que la pulvérisation magnétron et l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) ont été utilisées pour contrôler l'orientation des grains dans les films de Nb. Tinkham (1996) a observé que les films avec une texture <110> présentaient une longueur de cohérence améliorée et une augmentation de 10 à 15 % de Jc par rapport aux grains orientés de manière aléatoire [6]. Une analyse plus poussée de Babcock et al. (1993) a montré qu'un recuit à 800-900°C pendant le dépôt entraînait une croissance quasi-épitaxiale avec un minimum de joints de grains à angle élevé [7].

Optimisation de la structure des grains par traitement thermique pour améliorer la densité du courant supraconducteur

Le recuit contrôlé est largement utilisé pour favoriser la croissance des grains et homogénéiser la distribution des impuretés. Une étude de Molyneaux et al. (1991) a montré que le traitement thermique de feuilles de Nb à 1100°C pendant 2 heures améliorait Jc de plus de 30 %, tout en réduisant la teneur en oxygène près de la surface [8]. Des travaux plus récents de Padamsee et al. (2008) se sont concentrés sur la préparation des cavités SRF et ont révélé que les grains recristallisés dans le niobium traité thermiquement présentaient une meilleure stabilité du champ et réduisaient les pertes RF [9]. Pour plus d'assistance technique et de produits en niobium, veuillez consulter Stanford Advanced Materials (SAM).

Références

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., vol. 20, 1985, pp. 2963-2970.
4. Dimos, D., Chaudhari, P. "Oxygen Influence on Superconducting Thin-Film Properties" Phys. Rev. B, vol. 35, 1987, pp. 8045-8050.
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. 2e édition, 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. 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.