高特性BaFe_2As_2多結晶超伝導材料の合成に向けたTG-DSCによる熱分析

摘要

鉄系超伝導体[1,2]の一種である 122 系化合物は、Tcと Hc2が高く、強力磁石等への応用に期待されている。我々はBa122の多結晶バルク磁石応用を目指しており、これまでに、ボールミルを用いた高エネルギー混合によって、CoドープBa122多結晶バルクのJcが大きく向上することを明らかにした[3]。本研究では、Ba122およびBa122に含まれる不純物の生成温度や融点等を明らかにし、より高特性な試料を合成するための知見を得ることを目的として、Ba-Fe-As（Ba-Fe-Co-As）粉末に対して熱重量-示差走査熱量測定（TG-DSC）を行った。試料の詳細をTable 1に示す。ボールミル条件の制御により、原料金属の混合粉末（No. 1, 3）とメカニカルアロイングBa122粉末（No. 4）を作製した。メカニカルアロイング粉末を加圧成型し、石英管に真空封入した後、600°Cで48 h熱処理することでBa122多結晶試料（No.2, 5）を作製した。TG-DSCは、Ar雰囲気下で、40°Cから1300°Cまで+20°C/minの速度で昇温しながら行った（STA 449 F3 Jupiter, NETZSCH）。TG-DSCの結果をFigure 1に示す。No. 1のみ、600°C付近でTGが約1%減少した。これは、AsまたはBaの気化によると考えられる。Ba122の融点が>1170°Cという報告[4]から、全ての試料のDSCでみられた~1300°Cの吸熱ピークは、Ba122の融解に対応していると考えられる。また、No. 1, 3の圧粉体をDSCピーク前後の温度まで昇温・クエンチして作製した試料に対する、XRD, SEM, EDSによる分析結果から、~350°Cの発熱ピークはFeAsの生成、~630°Cの発熱ピークはBa122の生成、920-950°Cの吸熱ピークはFe2Asの融解、~1010°Cの吸熱ピークはFeAsの融解に対応していることが示唆された。多結晶バルク試料において高いJcを得るためには、焼成時の結晶性の向上・焼結の促進と、粒成長の抑制のバランスが重要だが、No. 4におけるBa122および不純物生成ピークの消失から、< 600°Cの低温焼成による高純度Ba122多結晶試料の合成が、メカニカルアロイング粉末の焼結によって可能になることが示された。