4.1 結 論
本研究では酸素含量を制御した(Bi, Pb)-2222単結晶の超伝導特性を調べ た。その手段としてキャリアのドープ状態を変えるため、酸素または窒素ア ニー ル 条 件 を 変 え て 作 製 し た(Bi, Pb)-2223単 結 晶 試 料 にAuイ オ ン を 照 射 し 円 柱 状 欠 陥 を 導 入 し た。 試 料 の 臨 界 電 流 密 度 を 測 定 し、 そ の 測 定 結 果 と 磁 束 ク リー プ 理 論、 要 素 的 ピ ン 力 の 加 算 理 論 を 用 い て 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 を 求 め る な ど 超 伝 導 特 性 を 調 べ た。 そ の 結 果 を 以 前 作 製 し た 試 料 やY-123 の 結 果 と 比 較 し、 ア ニー ル 処 理 の 及 ぼ す 影 響 や、 そ の ポ テ ン シャ ル に つ い て 調 べ た。 そ の 結 果、 以 下 の 結 論 を 得 た。
用 意 し た 各 試 料 の 再 現 性 に つ い て は 確 認 で き た。 Tcが 最 も 大 き な 値 を 取 る 最 適 ドー プ 条 件 は 試 料 中 の#3 N350で あ り、Tcを 増 加 さ せ る た め に は 酸 素 を 若 干 抜 く 必 要 が あ る こ と が 分 かっ た。 ま た 重 イ オ ン 照 射 に よ り 円 柱 状 欠 陥 周 辺 に 出 来 た 歪 み に よっ て、 Tcは ドー プ 状 態 に 無 関 係 に 減 少 す る こ と が 分 かっ た。
重 イ オ ン 照 射 に よ り 全 て 試 料 の 臨 界 電 流 密 度 は 向 上 し た。 特 に30 Kの 中温度領域では、照射により低磁界で9 倍程度までJc が向上しており、
照 射 量 を 増 や せ ばJc は 更 に 向 上 す る と 考 え ら れ る。 各 試 料 を 比 較 す る と、 1 気圧で酸素アニールを行った試料のJcが最も高い結果となった。
こ れ は 以 前 作 製 し た 試 料 と 同 様 の 結 果 で あ り、Jcと い う 観 点 か ら み た 最適 ドープ 条件 は酸 素アニー ルを1 気 圧と する ことで ある と分 かった。
酸素 アニール処理 によりキャリ アのドーピン グが進んだ 結果、超伝導 体 の 次 元 性 が 改 善 さ れ Bi の 向 上 が み ら れ た。 特 に1 気 圧 で 酸 素 ア ニー ル し た 試 料 のBiが 非 常 に 高 い 値 を 取っ た が、 Jcの 場 合 と 同 様 に1 atmを
超 え る 酸 素 ア ニー ル を 行っ た 試 料 は 逆 に Bi が 低 い 値 と なっ た。 マッ チ ン グ 磁 界Bを1 Tに 合 わ せ た こ と でBi がB よ り も 低 い 状 況 で 柱 状 欠 陥 が ピ ン ニ ン グ セ ン ター と し て 有 効 に 働 か ず、 重 イ オ ン 照 射 後 の 試 料 のBi は 高 温 度 領 域 で 急 激 に 減 少 し た。 こ の こ と か ら 照 射 前 で は ア ニー ル 条 件 がBi の 結 果 に 影 響 を 与 え、 照 射 後 で はB がBi の 結 果 に 影 響 を 与 え る こ と が 分 かっ た。
凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 を 更 に 詳 し く 解 析 す る た め に 集 合 的 ピ ン ニ ン グ 理 論 を 用 い た。 し か し 残 留 ピ ン と 重 イ オ ン 照 射 で 導 入 し た 柱 状 欠 陥 に よ るピンの温度依存性が異なっていた為に正確な値が算出できなかった。
こ の 解 決 策 と し て は、 重 イ オ ン 照 射 に よっ て 試 料 に 導 入 す る 柱 状 欠 陥 を 更 に 増 や し、 残 留 ピ ン の 影 響 を 相 対 的 に 小 さ く す る こ と が 挙 げ ら れ る。これにより集合的ピンニング理論を使わずに解析が可能となる。そ の 他 にT < 20 Kに お け る 残 留ピ ン を 過 大 評 価 して い る 可 能 性 が考 え ら れ、 こ の 値 を 小 さ く す る こ と で 更 に 正 確 な 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 を 算 出 で き る が、 具 体 的 に ど の 程 度 ま で 小 さ く す る の か 指 標 が 足 り ず 困 難 が 予想さ れる。しかし、 完全に正確 な値でない にしても、凝 縮エネルギー 密 度 に つ い て は Jcな ど と 同 様 に1 atmで 酸 素 ア ニー ル を 行っ た 試 料 が 明 ら か に 高 い 値 を 示 し て お り、 こ の 条 件 が 凝 縮 エ ネ ル ギー 密 度 の 観 点 か ら み た 最 適 ドー プ 条 件 で あ る こ と が 分 か る。
T
cに関する最適ドープ条件と Jcや凝縮エネルギー密度に関する最適ドー プ条件は異なっており、これはTcにはCuO2 面のキャリア密度が影響す るが、Jcや凝縮エネルギー密度にはCuO2 面とブロック層のキャリア密 度 の 両 方 に 影 響 を 受 け る こ と が 原 因 で あ る。 よっ てTc の 影 響 を あ ま り 受 け な い 程 度 ま で 酸 素 を ドー プ す る こ と が、 超 伝 導 特 性 を 向 上 さ せ る 上 で 重 要 に な る こ と が 分 かっ た。
今 後 の 方 針 と し て は、 照 射 前 の 高 温 で の 「3次 元 ピ ン ニ ン グ」 状 態 の ピ ン力のスケール則を利用することで、更に正確な凝縮エネルギー密度を 評 価 す る こ と を 試 み る。
謝辞
本 研 究 を 行 う に あ た り、 多 大 な 御 指 導、 御 助 言 を 頂 い た 松 下 照 男 教 授、
小 田 部 荘 司 教 授、 木 内 勝 助 手 に 深 く 感 謝 致 し ま す。 ま た、 試 料 を 提 供 し て 下 さっ た 東 京 工 業 大 学 の 野 村 朋 哉 さ ん （現 古 河 電 気 工 業 株 式 会 社）、 本 橋 輝 樹 助 手 （現 北 海 道 大 学）、 マー リッ ト カ ル ピ ネ ン 助 教 授、 山 内 尚 雄 教 授 に 感 謝 致 し ま す。 そ し て、 試 料 に イ オ ン 照 射 を し て 下 さっ た 日 本 原 子 力 研 究 開 発 機 構 の 岡 安 悟 さ ん に 感 謝 致 し ま す。 最 後 に 本 研 究 を 行 う に あ た り、 色々 と 支 援 を 頂 い た 松 下・ 小 田 部 研 究 室 の 皆 様 に 深 く 感 謝 致 し ま す。