Формирование наноструктуры материалов на основе диборида магния с высокими значениями сверхпроводящих характеристик

Abstract

Представлен анализ сверхпроводящих свойств массивных материалов на основе диборида магния, полученных путем нагрева при высоких квазигидростатических давлениях (1–2 ГПа) методами горячего прессования (30 МПа), электроспекания под давлением (16–96 МПа) и свободного спекания. Показано, что оптимизация распределения примесей в MgB₂ достигается путем варьирования условий синтеза и введением легирующих добавок. В частности, в синтезированных при 2 ГПа поликристаллических MgB₂ материалах с большим количеством примесного кислорода получены высокие плотности критического тока (10⁶ и 10³ A/cм² в магнитных полях 1 и 8,5 Tл при температуре 20 К). Установлено, что примесный кислород в основном локализован в гомогенно распределенных в матрице нанослоях или нановключениях, которые являются центрами пиннинга, причем сама MgB₂ матрица также содержит небольшое коли- чество растворенного кислорода. Примесный или специально добавленный углерод, входя в структуру диборида магния, приводит к росту критических магнитных полей до значений Bc₂(22 К) = 15 Tл и Birr(18,5 К) = 15 Tл. Приведены результаты первопринципных расчетов электронной структуры и ста- бильности соединений на основе диборида магния при условии частичного замещения бора кислородом или углеродом, на основе которых показано, что углероду выгоднее распределяться в структуре MgB₂ гомогенно, а атомам кислорода выгоднее замещать бор попарно в ближайших позициях или формировать зигзагообразные цепочки.

Представлено аналіз надпровідних властивостей масивних матеріалів на основі дибориду магнію, отриманих шляхом нагрівання при високих квазігідростатичних тисках (1–2 ГПа), методами гарячого пре- сування (30 МПа), електроспіканням під тиском (16–96 МПа) і вільного спікання. Показано, що оптимізація розподілу домішок в MgB₂ досягається шляхом варіювання умов синтезу і введенням легуючих добавок. Зокрема, в синтезованих при 2 ГПа полікристалічних MgB₂ матеріалах з великою кількістю домішкового кисню були отримані високі густини критичного струму (10⁶ і 10³ A/cм² в магнітних полях 1 і 8,5 Tл при температурі 20 К). Встановлено, що домішковий кисень є в основному локалізований в гомогенно розподілених в матриці наношарах або нановключеннях, які є центрами піннінгу, причому сама MgB₂ матриця також містить невелику кількість розчиненого кисню. Домішковий або спеціально доданий вуглець, входячи в структуру диборида магнію, призводить до зростання критичних магнітних полів до значень Bc2 (22 К) = 15 Tл і Birr (18,5 К) = 15 Tл. Наведено результати першопринципних розрахунків електронної структури і стабільності сполук на основі диборида магнію за умови часткового заміщення бору киснем або вуглецем, на основі яких показано, що вуглецю вигідніше розподілятися в структурі MgB₂ гомогенно, а атомам кисню вигідніше заміщати бор попарно в найближчих позиціях або формувати зигзагоподібні ланцюжки.

The paper presents an analysis of the properties of bulk superconducting magnesium diboride-based materials obtained by heating at high quasi-hydrostatic pressures (1–2 GPa), hot pressing (30 MPa), spark plasma sintering (16–96 MPa) and loose powder sintering. It is shown that the optimization of impurity distribution in MgB₂ can be achieved by varying the synthesis conditions and introducing dopants. In particular, polycrystalline MgB ₂ materials synthesized at 2 GPa and containing a high amount of impurity oxygen demonstrates high critical current densities (10⁶ and 10³ A/cm² at 20 K in magnetic fields of 1 and 8.5 T, respectively). It is found that the oxygen impurities are mainly localized in nanolayers or nanoinclusions, homogeneously distributed in the matrix. They act as pinning centers, while the MgB₂ matrix also contains small amounts of dissolved oxygen. Impurity or intentionally added carbon entering the magnesium diboride structure leads to an increase in the critical magnetic fields up to Bc₂ (22 K) = 15 T and B irr (18.5 K) = 15 T. The results of ab initio calculations of the electronic structure and stability of the magnesium diboride compounds with partial oxygen or carbon substitution for boron show that it is energetically favorable for carbon to distribute homogeneously in MgB₂ structure, while oxygen atoms replace boron pairwise in neighboring positions or form zigzag chains.