新穎過渡金屬硫屬化合物之物性研究與應用---子計畫二 :REBCO Coated Conductor 之製程研究及微結構探討(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫二：REBCO coated conductor 之製程研究及微結構

探討(2/3)

計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC94-2112-M-006-008- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學材料科學及工程學系（所） 計畫主持人： 陳引幹 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 5 月 25 日

新穎過渡金屬硫屬化合物之物性研究與應用－子計畫二：REBCO

coated conductor 之製程研究及微結構探討(2/3)

計畫編號：

NSC 94-2112-M-006 -008 -

執行期限：2005 年 8 月 1 日至 2006 年 7 月 31 日

主持人：陳引幹 國立成功大學材料科學暨工程研究所

計畫參與人員：王俊智、陳柏偉、陳宏道 國立成功大學材料科學暨工程

研究所

摘要 本計畫目的在於製造高性能的高溫超導被覆厚膜，因此目前的工作著重在獲得超導性能較 佳的基板(YBCO)。本實驗室利用同時添加 CeO2 和奈米級的 Sm211 顆粒，使樣品於低外加 磁場及高外加磁場下的Jc 獲得有效提升。此外，微觀結構分析結果顯示此兩種添加物不會 互相起反應，造成Jc 提升的機制也不盡相同：CeO2 添加物與起使粉末在熔融過程中反應， 使樣品中的非超導相顆粒數量增加，粒徑減小，因此產生大量的 123/211 界面以及缺陷； 而奈米級Sm211 顆粒則與樣品反應產生成分差異區，形成場致(Field Induced)釘扎中心。同 時添加以上兩種添加物使樣品中的結構缺陷及成分差異區增加，因此能有效使Jc 在較大外 加磁場範圍下獲得提升。為進一步提高成分差異區在YBCO 樣品中的釘扎效應，我們進一 步將YBCO 起使粉末中的 Y211 以(Sm, Y)211 取代，實驗結果顯示此方式確實能進一步提 高成分差異區在高外加磁場下之效果。另一方面，本實驗室亦嘗試利用離子束等方式在 YBCO 基板上製造柱狀缺陷，以增加單一方向的釘扎中心數量，此方式可做為未來改進超 導被覆厚膜性能的參考。

一. 緣由與目的

利用熔融製程(melt-growth)所成長的單晶粒 YBCO 超導體塊材，由於有效的減少晶界 的弱接點效應(weak linking)，使其臨界電流密度(Jc)、磁浮力(magnetic levitation force)及虜

獲磁通密度(trapped flux density)大幅提高，在工程應用上極具潛力。近年來，有相當多研究 團隊開始發展高溫超導被覆厚膜的研究，但在膜厚上仍有一定限制。另外根據前人研究， 在低磁場範圍下，超導體最有效之釘札中心為與磁力束方向平行之一維柱狀缺陷。 因 此 本 研 究 的 目 的 為 利 用 加 速 離 子 撞 擊 頂 晶 熔 融 製 程 法 （TSMG ， Top-seed melt-growth）所製之釔鋇銅氧高溫超導塊材，在平行超導體 c 軸方向試圖製造直徑約等於 釔鋇銅氧相干長度（1.5 nm），深度為 TFA-MOD 所製之超導厚膜厚度（約 2μm）之柱狀 缺陷，並探討其釘札強度與測量其臨界電流密度，作為未來在TFA-MOD 成長之釔鋇銅氧 超導厚膜引入一維奈米級柱狀釘扎中心之前驅研究。目前實驗由兩方向同時進行：(1) 利用 不同種類的添加物(CeO2，經由溶膠-凝膠法獲得之奈米級 Sm211 粉末，以及(Sm,Y)211)， 在空氣下以熔融製程成長性能良好的大單晶粒Y-Ba-Cu-O 高溫超導體，並進一步對 YBCO 高溫超導體作微結構及超導性質的分析，以瞭解此類添加物對超導樣品微結構影響。(2) 利

1. YBCO 單晶粒塊材成長

1-1

Jc 的低場提升與高場提升的加成作用

之前的研究發現在YBCO 單晶粒超導塊材中添加 CeO2可達到大幅提升低場Jc 的效果，

CeO2在長晶過程的包晶溫度之上會與Y211 反應生成 BaCeO3與Y2O3： Y₂BaCuO₅ + CeO₂

→ BaCeO3 + Y2O3 + CuO，而 Y2O3會成為 Y211 的成核點， BaCeO3會提升Y211

在液相中的表面能.藉此能細化 Y211 來大幅提升其低場的 Jc。 另一方面，添加奈米級 Sm211 於 YBCO 單晶粒超導塊材中可提升其高場的 Jc，這是由於 奈米級 Sm211 會在塊材中形成非常小範圍的成份差異區,而這些成份差異區成為場制釘扎 中心，在高場下提供釘扎磁束的良好效果,因此使高場的 Jc 獲得提升。 在本實驗中，進一步同時添加CeO2和Sm211 於 YBCO 中，結果顯示 Jc 有加成的提升效 果，不但在低場下的Jc 與單獨添加 CeO2 樣品相似，且在較高外加磁場（40000 高斯）下 也表現出與單獨添加奈米級Sm211 樣品相似的 peak effect。此結果顯示同時藉由多種添加 物的添加來達到加成性的提升Jc 效果(在添加物彼此不反應的前提下). 圖1. 添加不同種類添加物之 YBCO 樣品之 Jc 結果

1-2

將起始粉末

85%Y123+15%Y211 的 Y211 以(RE

x

Y

1-x

)211 取代

在YBCO 塊材中添加些稀土元素的 211 化合物，可於成長過程中形成(Y1-xREx)Ba2Cu3O7-y

弱超導相的成份差異區，成為場制釘扎中心進而提前高場 Jc。不過根據先前的研究指出， 其提升的效果並不如在 SmBCO 系統添加稀土元素化合物來得明顯。目前認為可能的原因 是YBCO 的包晶溫度在 REBCO 系統中較低，因此長晶過程所添加的 RE211 已均勻反應成 RE123 而無法形成大量的成份差異區有關。因此本實驗中將稀土元素直接掺入起始 Y211 粉末中形成(RExY1-x)211，其中 x 是 1/15。此種添加方式可使其在長晶過程形成成份差異區。

添加此(RExY1-x)211 於 YBCO 中,在 MTG 成長過程中的反應示意圖如圖二，其 Jc-H 結果如

圖三，可看出此樣品於高外加磁場下之 Jc 確實較標準樣品（85wt%Y123+15wt%Y211）為 高。

圖2. 在 MTG 成長過程中，(RExY1-x)211 於 YBCO 中形成的反應示意圖 圖3. 起使組成為 85wt%Y123 及 15wt%(Sm1/15Y14/15)211 樣品之 Jc 結果 2. 利用離子束在 YBCO 基板上產生柱狀缺陷 首先使用能量3 萬電子伏特之鎵離子（Ga＋ ），撞擊TSMG-YBCO 表面，期望產生約 10 nm（dia.）× 2μm（dept.），密度約 1010 cm-2（假設超導體每個柱狀缺陷可作為每單一磁 束之釘札中心，則擄獲1T 磁通量密度所對應之柱狀缺陷密度為 4.8 × 1010 cm-2）平行c 軸 方向之柱狀缺陷，但受限於離子能量過低，僅能產生直徑約70 nm、深度約 570 nm 之柱狀 缺陷（圖4），此缺陷直徑（70 nm）遠大於 YBCO 之相干長度，無法作為 YBCO 有效率 之釘札中心，同時此柱狀缺陷深度仍有改進（加深）的空間。 未來嘗試使用能量更強（MeV 或更高）、原子序更大（Ag、Au）之離子源，以期達 到上述之結果，同時嘗試改變缺陷密度，探討不同缺陷密度於不同磁場下之釘札能力研究，

圖4 使用 30 keV Ga+ 撞擊 YBCO 所產生平行 c 軸之柱狀缺陷，直徑、深度如右所示 三. 結論 一. 在微觀結構與超導性質關係研究方面，目前結果發現同時添加 CeO2 及奈米級 Sm211 可同時提升 YBCO 超導體於低外加磁場及高外加磁場下之超導性質，並推論出造成 此種結果的可能原因。此外，實驗結果亦顯示以(Sm, Y)211 取代起使粉末中的 Y211，可進 一步提高成分差異區在YBCO 樣品中 Jc 提升作用。 二. 在利用離子束製造柱狀缺陷方面，目前由於使用之離字束能量較低，僅能產生直 徑約70 nm、深度約 570 nm 之柱狀缺陷，因此此柱狀缺陷深度仍有改進（加深）的空間。 未來嘗試使用能量更強、原子序更大之離子源。 四. 參 考 文 獻

[1] I.G. Chen, F.C. Chang, and M.K. Wu, “Enhancement of Superconducting Properties of Air Processed Melt-Growth Sm-Ba-Cu-O by the addition of Sm2BaO4”, Supercond. Sci. Technol. 15 No 5 (May 2002) 717-721, NSC-89-2112-M-006-048 (EI, SCI)

[2] S.Y. Chen, I.G. Chen, and M.K. Wu, “The Effect of Pd/Pt Addition on the Superconductivity of Sm-Ba-Cu-O Materials”, Supercond. Sci. Technol. 15 No 5 (May 2002) 741-747, NSC-89-2112-M-006-048 (EI, SCI)

[3] S.Y. Chen, I.G. Chen, C.P. Liu, P.C. Hsieh, and M.K. Wu “Nano-scale RE123/RE211 interfaces on the superconductivity in the RE-Ba-Cu-O materials”, To be presented at the MRS2002 Spring Meeting, April 1-5, 2002, San Francisco, CA, USA. Symp. R: Nanostructured Interfaces.

[4] S.H. Hsu, I.G. Chen, and M.K. Wu,“Preparation of the C-oriented Nd-Ba-Cu-O/Ag Melt-Growth Sample in Air”, Supercond. Sci. Technol. 15 No 5 (May 2002) 653-659, NSC-89-2112-M-006-048 (EI, SCI)

[5] L. Civale, J.R. Thompson, M.A. Kirk, and J.R Clem et al, Physical Review Letters 67(1991)29

70nm