Diborure de magnésium

Le diborure de magnésium est un composé ionique de formule MgB2. Il s'agit d'une céramique présentant une phase supraconductrice en dessous d'une température critique de 39 K (−234 °C), la plus élevée pour les matériaux supraconducteurs dits « conventionnels », c'est-à-dire relevant de la théorie BCS[3].

Diborure de magnésium
__ Mg     __ B
Identification
No CAS 12007-25-9
No ECHA 100.031.352
No CE 234-501-2
PubChem 15987061
SMILES
InChI
Propriétés chimiques
Formule B2MgMgB2
Masse molaire[1] 45,927 ± 0,015 g/mol
B 47,08 %, Mg 52,92 %,
Propriétés physiques
T° fusion 830 °C (décomposition)[réf. nécessaire]
Masse volumique 2,57 g·cm-3[réf. nécessaire]
Cristallographie
Système cristallin hexagonal
Symbole de Pearson
Classe cristalline ou groupe d’espace P6/mmm[2] (no 191)
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Il s'agit cependant d'un matériau supraconducteur conventionnel atypique dans la mesure où il existe deux populations d'électrons distinctes au niveau de Fermi, l'une (sigma liante) étant bien plus supraconductrice que l'autre (pi liante), ce qui s'écarte significativement du modèle reposant sur le couplage des électrons par phonons dans le cadre de la théorie BCS, laquelle prévoit que tous les électrons se comportent de la même manière. La supraconductivité du diborure de magnésium a en effet été initialement abordée comme celle des métaux plutôt que comme celle des cuprates[4].

Structure

La structure du diborure de magnésium est constituée de feuillets d'atomes de bore, similaires à ceux du graphite, entre lesquels sont intercalés des atomes de magnésium. Cette structure est très similaire à celle du diborure d'aluminium ou du diborure de manganèse.

Propriétés

Les propriétés électromagnétiques du diborure de magnésium varient fortement en fonction de la stœchiométrie, de la pureté et du mode de production du matériau. La plupart de ces propriétés sont anisotropes en raison de la structure en couches. Les composants altérés, par exemple avec des oxydes aux interfaces entre cristaux, ont un comportement différent des composants purs[5].

MgB2 est un supraconducteur de type II, c'est-à-dire qu'un champ magnétique croissant pénètre progressivement à l'intérieur du matériau.

  • La température critique maximum est TC = 39 K.
  • Le courant critique maximum est JC = 105 A·m-2 à 20 T, JC = 106 A·m-2 à 18 T, JC = 107 A·m-2 à 15 T, JC = 108 A·m-2 à 10 T, JC = 109 A·m-2 à 5 T[5].
  • Le champ magnétique critique maximum HC2 vaut ~14,8 T parallèlement au plan ab, ~3,3 T perpendiculairement au plan ab, jusqu'à 74 T dans les couches minces, jusqu'à 55 T dans les fibres[5].

Production

Le diborure de magnésium peut être produit de plusieurs manières. La plus simple consiste à faire réagir à haute température du bore et du magnésium réduits en poudre. La réaction commence à 650 °C. Le magnésium métallique fondant à 652 °C, on considère généralement que le mécanisme réactionnel est régulé par la vitesse de diffusion du magnésium liquide à travers la surface des grains de bore. Aux température habituelles, le frittage est très faible mais les grains recristallisent suffisamment pour permettre l'établissement d'un effet tunnel Josephson aux joints de grains[4].

D'autres procédés existent, tels que l'infiltration liquide réactive du magnésium dans une préforme granulaire de bore pulvérulent[6] ou encore le dépôt hybride physique-chimique en phase vapeur (HPCVD), qui combine les techniques de dépôt physique en phase vapeur (PVD) et de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui apparaît comme la technique la plus efficiente pour déposer des couches minces de diborure de magnésium[7], permettant notamment d'obtenir des surfaces de MgB2 lisses, pures et stœchiométriques, condition indispensable à la réalisation de jonctions Josephson uniformes et reproductibles.

Notes et références
  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. (de) Jean d'. Ans, Ellen Lax, Roger Blachnik, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, Springer DE, (ISBN 364258842-5), p. 292
  3. (en) Jun Nagamatsu, Norimasa Nakagawa, Takahiro Muranaka, Yuji Zenitani et Jun Akimitsu, « Superconductivity at 39 K in magnesium diboride », Nature, vol. 410,‎ , p. 63-64 (lire en ligne) DOI:10.1038/35065039
  4. (en) D. C. Larbalestier, L. D. Cooley, M. O. Rikel, A. A. Polyanskii, J. Jiang, S. Patnaik, X. Y. Cai, D. M. Feldmann, A. Gurevich, A. A. Squitieri, M. T. Naus, C. B. Eom, E. E. Hellstrom, R. J. Cava, K. A. Regan, N. Rogado, M. A. Hayward, T. He, J. S. Slusky, P. Khalifah, K. Inumaru et M. Haas, « Strongly linked current flow in polycrystalline forms of the superconductor MgB2 », Nature, vol. 410,‎ , p. 186-189 (lire en ligne) DOI:10.1038/35065559 PMID 11242073
  5. (en) M. Eisterer, « Magnetic properties and critical currents of MgB2 », Superconductor Science and Technology, vol. 20, no 12,‎ , R47 (lire en ligne) DOI:10.1088/0953-2048/20/12/R01
  6. (en) G. Giunchi, S. Ceresara, G. Ripamonti, S. Chiarelli et M. Spadoni, « MgB2 reactive sintering from the elements », EEE Transaction on Applied Superconductivity, vol. 13, no 2,‎ , p. 3060-3063 (lire en ligne) DOI:10.1109/TASC.2003.812090
  7. (en) X. X. Xi, A. V. Pogrebnyakov, S. Y. Xu, K. Chen, Y. Cui, E. C. Maertz, C. G. Zhuang, Qi Li, D. R. Lamborn, J. M. Redwing, Z. K. Liu, A. Soukiassian, D. G. Schlom, X. J. Weng, E. C. Dickey, Y. B. Chen, W. Tian, X. Q. Pan, S. A. Cybart et R. C. Dynesf, « MgB2 thin films by hybrid physical–chemical vapor deposition », Physica C: Superconductivity, vol. 456, nos 1-2,‎ , p. 22-37 (lire en ligne) DOI:10.1016/j.physc.2007.01.029
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