Investigation of the Effect of Temperature on the Structural and Magnetic Properties of MgB2 Superconductor Produced Using Boron Doped with Carbon by CVD Method

Abstract

Carbon, which is known to play a improvement role on the superconductivity properties of MgB2, was doped into MgB2 by CVD (chemical vapor deposition) method, and the change of structural and magnetic properties observed in MgB2 in relation to the change of sintering temperature was investigated. In this context, in the sample preparation step, amorphous nano boron powders with carbon added by chemical vapor deposition method were mixed with magnesium powders at certain mass ratios and sintered at four different temperatures (700-800-900-1000 0C) with the classical solid state reaction method and converted into carbon-added MgB2 samples. SEM photographs of amorphous nano-boron powders with carbon added were taken and subjected to elemental analysis. The structural and magnetic properties of the samples obtained were examined. X-ray diffraction graph, magnetization values and Magnetic Field-Magnetic Moment (M-H) graphs of the samples obtained by XRD method and the critical current density values with Bean Method were found and Magnetic Field-Critical Current Density (Jc-H) graph was created. It was determined that, in all the samples obtained, the MgB2 superconductor structure was formed and the carbon structures included in the structure caused changes in the lattice parameters due to the ion radius difference, that fracture occurred in the magnetization curve of the sample prepared by sintered at 1000 0C due to the intense impurities caused by the phase transitions due to the high temperature, in samples prepared at low temperatures, and that magnetization curves that could not expand sufficiently were observed, flux jumping occurs in the magnetization curve and this also affected the critical current density. In addition, the change in the critical current density value from 7.0×10^3 A/cm2 to 2.8×10^4 A/cm2 showed that the reaction temperature was an effective parameter on the experimental results. As a result of the examinations, when compared between the 4 different sintering temperature values used, it was found that the sintering temperature of 900 0C was the temperature at which the best physical results were obtained in MgB2.

Keywords

• Chemical vapor deposition
• MgB2
• Magnetization

CVD Yöntemi ile Karbon Katkılanmış Bor Kullanılarak Üretilen MgB2 Süperiletkeninin Yapısal ve Manyetiksel Özelliklerine Sıcaklık Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, MgB2’nin süperiletkenlik özellikleri üzerinde iyileştirici bir rol oynadığı bilinen karbon, CVD (kimyasal buhar biriktirme) yöntemi ile MgB2’ye katkılanarak sinterleme sıcaklığının değişimine bağlı olarak MgB2’de gözlenen yapısal ve manyetiksel özelliklerin değişimi incelendi. Bu kapsamda, numune hazırlama basamağında kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile karbon katkılanmış amorf nano bor tozları, belirli kütle oranlarında magnezyum tozları ile karıştırılıp klasik katıhal reaksiyon yöntemi ile de dört farklı sıcaklıkta (700-800-900-1000 0C) sinterlenerek karbon katkılanmış MgB2 numunelerine dönüştürüldü. Karbon katkılanan amorf nano bor tozlarının SEM fotoğrafları alınarak elementel analize tabi tutuldu. Elde edilen numunelerin XRD yöntemi ile x-ışını kırınımı grafiği, manyetizasyon değerleri ile Manyetik Alan-Manyetik Moment (M-H) grafiği ve Bean Yöntemi ile de kritik akım yoğunluğu değerleri bulunarak Manyetik Alan-Kritik Akım Yoğunluğu (Jc-H) grafiği oluşturuldu. Elde edilen tüm numunelerde MgB2 süperiletken yapısının oluşturulduğu, yapı içerisine dahil olan karbon yapılarının, iyon yarıçap farkından kaynaklı örgü parametrelerinde değişimler meydana getirdiği, yüksek sıcaklığa bağlı olarak faz geçişleri neticesinde oluşan yoğun safsızlıklardan ötürü 1000 0C’de sinterlenerek hazırlanan numunenin manyetizasyon eğrisinde akı zıplamasının meydana geldiği, düşük sıcaklıklarda hazırlanan numunelerde ise yeterince genişleyemeyen manyetizasyon eğrilerinin görüldüğü ve bunun kritik akım yoğunluğuna da etki ettiği saptandı. Ayrıca kritik akım yoğunluğu değerinin 7.0×10^3 A/cm2 değerinden 2.8×10^4 A/cm2 değerine kadar bir değişim göstermesi sinterleme sıcaklığının deneysel sonuçlar üzerinde etkili bir parametre olduğunu kanıtladı. Yapılan incelemeler sonucunda kullanılan dört farklı sinterleme sıcaklığı arasında kıyaslandığında 900 0C sinterleme sıcaklığının MgB2'de en iyi fiziksel sonuçların alındığı sıcaklık olduğu görülmüştür.

Keywords

• Kimyasal buhar biriktirme
• MgB2
• Manyetizasyon

References

1. Nagamatsu, J., Nakagawa, N., Muranaka, T., Zenitani, Y., Akimitsu, J. (2001). Nature, 410, 63–64.
2. Wilke, R. H. T., Bud’ko, S. L., Canfield, P. C., Kramer, M. J., Wu, Y. Q., Finnemore, D. K., Suplinskas, R. J., Marzik, J. V., Hannahs, S. T. (2005). Superconductivity in MgB2 doped with Ti and C. Physica C: Superconductivity, Volume 418, Issues 3–4, (160-167). https://doi.org/10.1016/j.physc.2004.11.022,
3. Aksan, M. A., Yakıncı, M. E., Güldeste, A. (2006). Co-addition into MgB2: The structural and electronic properties of (MgB2)2−xCox. Journal of Alloys and Compounds. Volume 424, Issues 1–2, 9 November, Pages 33-40, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.12.066.
4. Qu, B., Sun, X. D., Li, J-G., Xiu, Z. M., Liu, S. H., Xue, C. P. (2008). Significant improvement of critical current density in MgB2 doped with ferromagnetic Fe3O4 nanoparticles. Superconductor Science and Technology, Volume 22, Number 1, DOI: 10.1088/0953-2048/22/1/015027.
5. Berenov, A., Serquis, A., Liao, X. Z., Zhu, Y. T., Peterson, D. E., Bugoslavsky, Y., Yates, K. A., Blamire, M. G., Cohen, L. F., MacManus-Driscoll J. L. (2004). Enhancement of critical current density in low level Al-doped MgB2. Superconductor Science and Technology, Volume 17, Number 10, DOI: 10.1088/0953-2048/17/10/001.
6. Ueda, S., Yamamoto, A., Shimoyama, J., Horii, S. (2004). Enhanced critical current properties observed in Na2CO3-doped MgB2. Superconductor Science and Technology, 17(7):926, DOI: 10.1088/0953-2048/17/7/017.
7. Kim, J. H., Choi, S. (2015). Carbon doping induced imperfections on MgB2 superconducting wire. Journal of Analytical Science and Technology,6(11), DOI: 10.1186/s40543-015-0048-3.
8. Yeoh, W. K., Horvat, J., Dou, S. X., Munroe P. (2005). Effect of carbon nanotube size on superconductivity properties of MgB2. Ieee Transactıons on Applied Superconductıvıty, Volume 15, Number 2, DOI: 10.1109/TASC.2005.848853.

9. Cheng, H., Zhang, H., Zhao, Y., Feng, Y., Rui, X. F., Munroe, P., Zeng, H. M., Koshizuka, N., Murakami, M. (2003). Doping effect of nano-diamond on superconductivity and flux pinning in MgB2. Superconductor Science and Technology, Volume 16, Number 10, https://doi.org/10.1088/0953-2048/16/10/310
10. Soltanian, S., Horvat, J., Wang, X. L., Munroe, P., Dou, S. X. (2003). Effect of nano-carbon particle doping on the flux pinning properties of MgB2 superconductor. Physica C: Superconductivity, Volume 390, Issue 3, Pages 185-190, DOI: 10.1016/S0921-4534(03)00960-2.
11. Ye, S. J., Matsumoto, A., Zhang, Y. C., Kumakura, H. (2014). Strong enhancement of high-field critical current properties and irreversibility field of MgB2 superconducting wires by coronene active carbon source addition via the new B powder carbon-coating method. Superconductor Science and Technology, 27. 085012 (10pp), https://doi.org/10.1088/0953-2048/27/8/085012.
12. Bean, C. P. (1962) Physical Review Letters, 8, 250.
13. Suryanarayana, C., Norton, M. G. (1998). X-Ray diffraction a practical approach. (1. Press). New York: Plenum Publishing Corporation, 212.
14. Basurto, R-H., Lorente, A-I-L, Valcárcel, M. (2015). Scanning electron microscopy of carbon nanotubes dispersed in ionic liquid: Solvent influence study. Microchemical Journal, (122), 137-143, https://doi.org/10.1016/j.microc.2015.04.012.
15. Shafi, P. M., Bose, A. C. (2015). Impact of crystalline defects and size on X-ray line broadening: A phenomenological approach for tetragonal SnO2 nanocrystals. AIP Advances 5, 057137, https://doi.org/10.1063/1.4921452.
16. Yanmaz E, Savaşkan B, Başoğlu M, Taylan Koparan E, Dilley N R, Grovenor C R M, (2009). Complete flux jumping in nano-structured MgB2 superconductors prepared by mechanical alloying, Journal of Alloys and Compounds, 480(2):203-207, DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.02.031.
17. Gencer, A. (2012). Çok damarlı MgB2 süperiletken üretimi, nano-boyutta katkılama yöntemi ile özelliklerinin iyileştirilmesi ve fiziksel karakterizasyonu, Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Kesin Raporu. Syf:55.
18. Y. Kimishima, S. Takami, T. Okuda, M. Uehara, T. Kuramoto, Y. Sugiyama (2007). Complete flux jump in bulk MgB2 sintered under high pressure, Physica C: Superconductivity and its Applications 463–465 (2007) 281–285.
19. Gencer, A. (2012). Çok damarlı MgB2 süperiletken üretimi, nano-boyutta katkılama yöntemi ile özelliklerinin iyileştirilmesi ve fiziksel karakterizasyonu, Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Kesin Raporu. Syf:53.
20. Durán, A., Verdin, E., Galván, D., H., Romero-Salazar, C., Morales, F., Adem, E., Rickards, J., Maple, M., B., Escudero, R., (2008). Magnetic instability in irradiated MgB2 dense samples. Journal of Applied Physics, 104: 093917(6).