磁場中臨界電流密度の水準比較

図4-16に、MgB₂薄膜試料A、Bの温度4.2Kにおける臨界電流密度J_cの磁場強 度依存性を示す。図4-16(a)は膜面と平行な磁場中（ =0°）での臨界電流密度であり、

図4-16(b)は膜面と垂直な磁場中（ =90°）での臨界電流密度を示す。薄膜試料A、B

は柱状結晶粒の成長角度が異なるにも関わらず、図4-16(a)に示すように、膜面と平行 な磁場中では両者の臨界電流密度に顕著な差は見られない。これは、膜面と平行な磁 場中の臨界電流密度J_cを特徴付けるピンニング機構は、柱状結晶粒の粒界に起因しな いことを示唆する。この場合のピンニング機構は、MgB₂ 薄膜表面もしくは薄膜と基 板との界面に起因すると推測される。一方、図4-16(b)に示すように、膜面と垂直方向 の磁場中の場合、臨界電流密度の磁場依存性は薄膜試料A、Bとで異なる。薄膜試料 Bでは、8 T以上の磁場中で臨界電流密度は10⁵ A/cm²を下回るのに対し、薄膜試料A

では磁場14 Tでも10⁵ A/cm²以上の臨界電流密度を維持する。これらの結果は、膜面

と垂直磁場中において、薄膜試料 A のピンニング力が薄膜試料 B に比べ強いことを 示す。薄膜試料Aの場合、印加磁場角度が柱状結晶粒の成長方向と一致している一方、

薄膜試料 B では、印加磁場角度（膜面と垂直方向： =90°)は柱状結晶粒の成長方向

（ =80°）とずれている。さらに、前述したように、図 4-15 で示したJcピークの急 峻さの違いから、薄膜試料 B では柱状結晶粒の成長方向の均一度が薄膜試料 A より も低いことが示唆される。したがって、柱状結晶粒の成長角度と印加磁場角度との不 一致に起因して、薄膜試料 A と薄膜試料 B のピンニング力に違いが現れたと解釈で きる。

10⁵ 10⁶ 10⁷

Jc (A/cm2 )

14 12 10 8

6 4 2 0

B (T) Film A Film B

Field Angle：0°

I B

I B

T=4.2 K

10⁵ 10⁶ 10⁷

Jc (A/cm2 )

14 12 10 8

6 4 2 0

B (T)

Field Angle：90°

B II B Film A

Film B

T=4.2 K

(a)

(b)

薄膜試料A 薄膜試料B

薄膜試料A 薄膜試料B

図4-16.  MgB2薄膜における臨界電流密度Jcの磁場依存性の比較（温度：4.2K）       (a)膜面と平行磁場、(b)膜面と垂直磁場

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

J c ( A /c m

2

)

14 12 10 8

6 4 2 0

B (T)

Hitachi_Jc_90 Kago_Jc_90 HPCVD_Jc_90 'WM_Jc_90-1' 'WM_Jc_90-2' MBE法（本研究）

MBE法[15,19]

HPCVD法[23]

2段階成長法[31]

2段階成長法[28]

(b)

B I

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

J c ( A /c m

2

)

14 12 10 8

6 4 2 0

B (T)

Hitachi_Jc_90 Kago_Jc_90 HPCVD_Jc_90 'WM_Jc_90-1' 'WM_Jc_90-2' MBE法（本研究）

MBE法[15,19]

HPCVD法[23]

2段階成長法[31]

2段階成長法[28]

(b)

B I B I

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

J c ( A /c m

2

)

14 12 10 8 6 4 2 0

B (T)

Hitachi_Jc_0 Kago_Jc_0 HPCVD_Jc_0 NIMS_Jc_0 Arizona_Jc MBE法（本研究）

MBE法[15,19]

MBE法[20]

HPCVD法[23]

2段階成長法（PLD法）[24,25]

(a)

I B

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

J c ( A /c m

2

)

14 12 10 8 6 4 2 0

B (T)

Hitachi_Jc_0 Kago_Jc_0 HPCVD_Jc_0 NIMS_Jc_0 Arizona_Jc MBE法（本研究）

MBE法[15,19]

MBE法[20]

HPCVD法[23]

2段階成長法（PLD法）[24,25]

MBE法（本研究）

MBE法[15,19]

MBE法[20]

HPCVD法[23]

2段階成長法（PLD法）[24,25]

(a)

I B

I B

図4-17.  MgB2薄膜における臨界電流密度Jcの磁場依存性の比較（温度：4.2K）

      (a)膜面と平行磁場、(b)膜面と垂直磁場

表4-2. MgB₂薄膜形成法

形成方法概要 参考文献

MBE法

（共蒸着法）

真空チャンバーで Mg と B を同時蒸発させ基

板上にMgB2を形成（形成温度：~300℃） [5,6,7,10,15-20]

HPCVD法

Mg蒸気中にBを含むガス(B₂H₆)を導入し、化 学 気 相 成 長 で MgB2 を 形 成 （ 形 成 温 度 ： 700~800℃）

[21-23]

2段階成長法

BもしくはMg＋B混合物をターゲットとして Pulsed Laser Deposition（PLD）やスパッタによ って前駆体薄膜を形成。その後、ポストアニ ー ル に よ っ て MgB2 を 形 成 。（ 形 成 温 度 ： 600~900℃）

[5, 24-39]

4.5.  第4章のまとめ

NMR プローブコイルに適用可能な高品質 MgB2薄膜の形成方法確立を目的とし て、Al₂O3基板を用いた MgB2薄膜の形成条件検討と、超伝導特性の評価を行い、以 下の結論を得た。

（1）Mg とホ ウ素 の供給 レー トと 薄膜 特 性との 相関 を検 討し 、T_c>30K お よび J_c>10⁷ A/cm²（温度4.2K, 磁場0 T）の良好な超伝導特性と、優れた表面平坦性：

RMS<10 nmをともに満足する条件として、供給レート比RMg/RB=16~27の範囲が 最適であると明らかにした。

（2）形成したMgB2薄膜において、磁場中臨界電流密度Jc=6.4×10⁴ A/cm²（温度4.2K, 膜面と平行磁場：14 T）、J_c=1.3×10⁵ A/cm²（温度4.2K, 膜面と垂直磁場：14 T）

を確認し、磁場強度14 TのNMR計測用プローブコイルへの適用に充分な臨界 電流Ic=220 mA（温度4.2K, 膜面と平行磁場：14 T）が得られることを実証した。

（3）形成した MgB₂ 薄膜において膜面と垂直方向の磁場に対して働くピンニング機 構の存在を確認した。柱状結晶粒の成長方向を制御した薄膜試料の形成と評価分 析結果から、このピンニング機構は薄膜中の結晶粒界に起因することを明らかに した。

第4章の参考文献

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ドキュメント内 MgB2 およびBi2Sr2CaCu2Ox を用いた超伝導NMR プローブコイルに関する研究 (ページ 64-71)