Como os traços de impurezas e os limites de grãos definem os supercondutores à base de Nb

Descrição

Esta revisão técnica abrange estudos experimentais sobre temperatura crítica, caminho livre de elétrons, densidade de corrente, orientação de grãos e tratamento térmico, com o apoio das principais referências bibliográficas.

Análise experimental comparativa de temperatura crítica, pureza e diâmetro de grão em supercondutores de nióbio

Diversos estudos confirmaram a relação entre nióbiode alta pureza e temperaturas críticas elevadas (Tc). Por exemplo, Flükiger et al. (1981) demonstraram que o aumento da pureza do nióbio de 99,9% para 99,999% aumentou a Tc em quase 0,5 K, indicando que até mesmo pequenas reduções de impurezas podem produzir melhorias significativas na supercondutividade [1]. Observações semelhantes foram feitas em estudos realizados por Wipf (1980), que descobriu que a lacuna supercondutora era altamente sensível às impurezas intersticiais de oxigênio e nitrogênio [2].

O diâmetro do grão influencia o Tc por meio de seu impacto na densidade do limite do grão. Usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM), Ricker e Ekin (1985) avaliaram supercondutores de Nb-Ti e descobriram que as amostras com grãos maiores tinham segregação reduzida de impurezas nos limites e, consequentemente, valores de Tc mais altos [3].

Influência da impureza no caminho livre do elétron e na densidade de corrente crítica em supercondutores de nióbio

Sabe-se que as impurezas de elementos leves, especialmente O, N e H, perturbam gravemente o comportamento supercondutor. Dimos e Chaudhari (1987) estudaram o efeito do oxigênio intersticial em filmes finos de nióbio policristalino e mostraram que o caminho livre médio do elétron caiu mais de 25% com apenas um aumento de 100 ppm no oxigênio [4].

A difusão de hidrogênio no nióbio também foi amplamente analisada. Koss et al. (1984) relataram que as tensões induzidas pelo hidrogênio em torno dos núcleos de deslocamento contribuem para a degradação da densidade de corrente e para a possível instabilidade de longo prazo em dispositivos supercondutores [5]. Esses resultados são essenciais para compreender e minimizar as instabilidades de fixação de fluxo em sistemas carregados magneticamente.

Melhoria das propriedades elétricas dos filmes finos de nióbio por meio do controle da orientação dos grãos

Métodos de deposição de filmes finos, como pulverização catódica por magnetron e epitaxia por feixe molecular (MBE), foram empregados para controlar a orientação dos grãos em filmes de Nb. Tinkham (1996) observou que os filmes com textura <110> apresentavam melhor comprimento de coerência e um aumento de 10 a 15% em Jc em comparação com grãos orientados aleatoriamente [6]. Uma análise mais aprofundada feita por Babcock et al. (1993) mostrou que o recozimento a 800-900°C durante a deposição resultou em um crescimento quase epitaxial com limites mínimos de grãos de alto ângulo [7].

Otimização da estrutura de grãos por tratamento térmico para melhorar a densidade da corrente supercondutora

O recozimento controlado é amplamente utilizado para projetar o crescimento de grãos e homogeneizar a distribuição de impurezas. Um estudo realizado por Molyneaux et al. (1991) indicou que o tratamento térmico de folhas de Nb a 1100°C por 2 horas melhorou Jc em mais de 30%, além de reduzir o teor de oxigênio próximo à superfície [8]. Um trabalho mais recente de Padamsee et al. (2008) concentrou-se na preparação da cavidade da SRF e revelou que os grãos recristalizados em nióbio tratado termicamente apresentaram maior estabilidade de campo e reduziram as perdas de RF [9]. Para obter mais suporte técnico e produtos de nióbio, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Referências

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. 2ª ed., 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.