Транспорт надструму та вихори Абрикосова в плівках YBa2Cu3O7-д

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г.В. КУРДЮМОВА

УДК 538.945: 538.975

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук

ТРАНСПОРТ НАДСТРУМУ ТА ВИХОРИ АБРИКОСОВА В ПЛІВКАХ YBa₂Cu₃O_7-д

Спеціальність 01. 04. 22 - надпровідність

Черпак Юрій Володимирович

Київ - 2005

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Високотемпературні надпровідники, до яких належить і сполука YBa₂Cu₃O_7-д (YBCO), мають досить високі значення температури переходу (T_C) з нормального в надпровідний стан (так для YBCO T_C сягає 92 K), тобто в якості холодоагенту може використовуватись рідкий азот (температура кипіння - 77.3 K), що є економічно вигідним для прикладних застосувань. В той же час високотемпературні надпровідники є надпровідниками другого роду і, як відомо, в зовнішньому магнітному полі, напруженість якого перевищує перше критичне поле, такий надпровідник буде перебувати в змішаному (вихоревому) стані. Якщо пропускати крізь нього транспортний струм в напрямку, що перпендикулярний вихорам то на них буде діяти сила Лоренца, яка створюється цим струмом. В випадку надпровідника, що не має дефектів і є повністю однорідним під дією цієї сили вихори Абрикосова будуть рухатись і критичний струм буде рівний нулю, внаслідок того, що рух вихорів Абрикосова супроводжується дисипацією енергії. В неоднорідному ж надпровіднику, що має різного роду дефекти, вихори Абрикосова будуть закріплятись на них - пінінгуватися. І в цьому випадку критичний струм не буде нульовим, а визначатиметься рельєфом потенціалу Гібса, що зумовлений дефектною структурою надпровідника.

Відомо, що монокристали YBCO забезпечують значення густини критичного струму на рівні 10³ч10⁴A/см² при Т=77 К без прикладання зовнішнього магнітного поля, в той час як за тих же умов в епітаксійних плівках того ж складу досягаються величини на два порядки вищі (10⁶A/см²). Особливо актуальною струмонесуча здатність є для розробки практичних провідників нового покоління, які базуються на використанні YBCO матеріалів. Відповідно виникає питання в чому полягає причина такої суттєвої різниці.

Загалом дефекти в плівці можна класифікувати наступним чином: (1) лінійні, одновимірні подовжені кристалічні дефекти - дислокаційні лінії, або точніше, ядра краєвих дислокацій, які є нормальними, тобто ненадпровідними утвореннями з характерним діаметром перерізу, що приблизно дорівнює довжині когерентності, _ab [1], гвинтові дислокації, (2) планарні двовимірні подовжені дефекти (двійникові або/та антифазні границі), (3) точково-подібні дефекти (кисневі вакансії й нановключення нормальних фаз, наприклад, Y₂O₃), (4) поверхня плівки та її нерегулярності. Варто також відмітити, що одновимірні та двовимірні дефекти відносяться до корельованого безладу той час як точково-подібні дефектами до некорельованими. Згідно робіт, що проводяться в області транспорту надструму, в плівках, порівняно з монокристалами, пінінг вихорів Абрикосова є сильнішим. Внаслідок того, що критичний струм визначається пінінгом на тих, чи інших дефектах, визначальними в забезпеченні високих значень густини критичного струму є саме дефекти. Плівки є більш дефектним матеріалом - в них присутній ширший спектр дефектів. Зокрема в монокристалах пінінг забезпечується, в основному кисневими вакансіями та границями двійників, а в плівках крім цих дефектів присутні також і інші, такі, що можуть забезпечити сильний пінінг. Автори різних робіт в цій галузі обґрунтовують високі значення густини критичного струму за рахунок різних видів дефектів (тих чи інших), тому до цього часу існує суттєва проблема в поясненні природи сильного пінінгу вихорів Абрикосова, який є джерелом надвисоких значень густини критичного струму в плівках високотемпературного надпровідника YBa₂Cu₃O_7-д. Внаслідок того, що пінінг крім того, що є відповідальним за абсолютне значення густини критичного струму, він також відповідає за її магнітопольові, а в випадку корельованих дефектів і за орієнтаційні залежності і тому моделі для пояснення сильного пінінгу базуються на аналізі магнітопольових та орієнтаційних залежностей густини критичного струму.

Магнітопольові залежності густини критичного струму, тобто залежності густини критичного струму від величини зовнішнього магнітного поля, що приводяться в літературі в недостатній мірі досліджено в області малих значень зовнішнього магнітного поля (10^-4 ч0,5 Тл), особливо це стосується залежностей, що отримані при орієнтації поля паралельно площині плівки. Магнітопольові залежності, як правило вимірюють при двох орієнтаціях зовнішнього магнітного поля - паралельно с-вісі (для с - орієнтованих плівок) та паралельно ab-площині, що пов'язано як з тим, що YBa₂Cu₃O_7-д сполука є анізотропною за надпровідними властивостями, так і з тим, що досліджуються тонкі плівки, товщиною порядка глибини проникнення.

Кутові залежності густини критичного струму, тобто залежності густини критичного струму від напрямку орієнтації зовнішнього магнітного поля, що зустрічаються в літературі можуть мати як один максимум (пік) при напрямку поля паралельно чи перпендикулярно площині плівки, так і обидва ці максимуми, причому така поведінка в різних роботах пояснюється по різному. Прослідковується думка, що наявність піку при полі направленому перпендикулярно до площини плівки свідчить про пінінг на корельованих дефектах, зокрема на прошиваючих краєвих дислокаціях, внаслідок того, що максимум густини критичного струму має бути при співпаданні кора вихора з ядром дислокації, при відхиленні від цього напрямку вихора буде відбуватися спад критичного струму. Відповідно, відсутність такого піку на кутовій залежності пов'язують з незначною роллю цих дефектів при пінінзі вихорів Абрикосова в тонких плівках, чи їх відсутністю.

Таким чином, дослідження природи сильного пінінгу вихорів Абрикосова, що є джерелом високих значень густини критичного струму, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота є складовою частиною систематичних досліджень відділу надпровідності Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, в тому числі за темою „Досдідження надпровідних та магнітних властивостей монокристалічних плівок перовскитних оксидів” (№ держ. Реєстрації 0103U000176, затверджено постановою Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України, протокол № 4 від 18 березня 2003 р.).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи було визначення механізмів пінінгу вихорів Абрикосова в плівках високотемпературного надпровідника YBCO в присутності невеликого зовнішнього магнітного поля (), що може бути прикладеним під довільним кутом до поверхні плівки.

У відповідності до мети було сформульовано наступні завдання досліджень:

порівняльна характеристика двох методик вимірювання густини критичного струму: а) транспортний метод, б) безконтактний метод низькочастотної магнітної сприйнятливості;

вимірювання густини критичного струму тонких плівок YBCO, що отримані за допомогою двох різних методик, а саме імпульсного лазерного осадження (ІЛО) та неспіввісного магнетронного розпорошення (НМР);

механізм пінінгу вихорів Абрикосова у випадку орієнтації поля вздовж нормалі до площини плівки, а також механізм проникнення та пінінгу вихорів при полі направленому вздовж площини плівки в тонких плівках YBCO;

Поведінка вихорів Абрикосова при зміні напрямку орієнтації зовнішнього магнітного поля різних значень напруженості;

механізм пінінгу вихорів Абрикосова в товстих плівках YBCO, що отримані за допомогою методу рідкофазної епітаксії (РФЕ) при орієнтації зовнішнього магнітного поля вздовж нормалі до площини плівки при збільшенні його напруженості.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні дисертаційної роботи були вперше одержані наступні наукові результати:

Проведено вимірювання магнітопольових та кутових залежностей густини критичного струму в області малих значень зовнішнього магнітного поля, тобто в діапазоні 10^-4 ч0,5 Тл на плівках високотемпературного надпровідника, що отримані за допомогою неспіввісного магнетронного розпорошення, імпульсного лазерного осадження та рідкофазної епітаксії.

На магнітопольових залежностях виявлено явище зростання густини критичного струму при збільшенні зовнішнього магнітного поля, що прикладене паралельно площини плівки, тобто пік-ефект. Побудовано якісну модель пінінгу вихора Абрикосова за допомогою комбінованого пінінгу для пояснення цього явища. Цей пінінг має складову за рахунок прошиваючих дислокацій і складову за рахунок поверхневого бар'єру внаслідок входу вихорів Абрикосова з краю плівки. Виявлено, що для величини пік-ефекту є важливим стан поверхні плівки. Зокрема при умисному її погіршенні, тобто при деградації надпровідних властивостей біля поверхні плівки, шляхом утримання зразка в відповідно створених умовах, явище пік-ефекту зникає. Підтвердженням того, що стан поверхні відіграє суттєву роль є також те, що пік-ефект виявлено тільки для плівок, що отримані за допомогою неспіввісного магнетронного розпорошення, в той час як на магнітопольових залежностях для плівок, що отримані за допомогою лазерного імпульсного осадження, такого явища виявлено не було. Як відомо, шорсткість поверхні плівок, що отримані за допомогою першого з цих методів є меншою і може не перевищувати 2 нм.

Отримано кутові залежності густини критичного струму, які містять як два піки при напрямках поля паралельно с-вісі плівки та ab-площині, так і один з них, в залежності від величини зовнішнього магнітного поля. Показано, що в магнітних полях напруженістю, що не перевищує деяке порогове значення, на кутовій залежності може бути тільки пік при напрямку поля паралельно площині плівки, що пов'язано з неможливістю входу паралельної компоненти вихорів в плівку при цих значеннях поля. Таким чином, відсутність піку при полі паралельному с-вісі плівки не суперечить моделі пінінгу вихорів на прошиваючих дислокаціях. Показано, що при перевищенні поля входження паралельних вихорів, на кутовій залежності з'являється пік при напрямку поля паралельно с-вісі плівки, що пов'язано з тим, що вихори можуть приймати орієнтацію зовнішнього магнітного поля, а максимальною сила пінінгу є в випадку співпадання кора вихора з ядром дислокації.

Вперше виявлено явище гістерезису на кутовій залежності густини критичного струму при кутах орієнтації зовнішнього магнітного поля близьких до напрямку паралельного площині плівки. Це явище пояснено механізмом входу вихорів в плівку при орієнтації зовнішнього магнітного поля паралельно її площині.

Проведено дослідження властивостей плівок, що отримані за допомогою методу рідкофазної епітаксії. Отримано магнітопольові залежності густини критичного струму для даних плівок і показано, що в цих плівках при пінінзі вихорів Абрикосова відіграють основну роль точкові дефекти. Внаслідок відсутності достатньої концентрації лінійних дефектів, тобто краєвих дислокацій в даних плівках на магнітопольовій залежності густини критичного струму відсутня лінійна, в напівлогарифмічних координатах, ділянка, що на таких залежностях для тонких плівок відповідає депінінгу вихорів Абрикосова з сітки краєвих дислокацій.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в роботі результати носять фундаментальний характер та можуть бути використані для дослідження та пояснення механізмів пінінгу вихорів Абрикосова в тонких плівках високотемпературного надпровідника YBa₂Cu₃O_7-д, при температурах нижче точки кипіння азоту, та при більш високих зовнішніх магнітних полях (>1 Тл).

Наукові результати, що отримані в роботі, дають суттєвий внесок у розвиток фізичних моделей транспорту надструму в монокристалічних плівках високотемпературних надпровідників, зокрема моделі депінінгу вихорів Абрикосова з сітки прошиваючих краєвих дислокацій. Вони є важливими з точки зору розуміння механізмів пінінгу вихорів Абрикосова на структурних дефектах плівок в магнітних полях різної орієнтації. Виявлено нові явища, такі як пік-ефект на магнітопольовій залежності густини критичного струму та гістерезис на кутовій при кутах близьких до напрямку поля паралельно - площині плівки. З практичної точки зору результати роботи мають бути корисними при розробці нового покоління надпровідних матеріалів з найвищою струмонесучою здатністю при температурах рідкого азоту.

В ході досліджень висвітлено перешкоди, які можуть виникнути при використанні товстих плівок, зокрема проблема насичення їх киснем, та значно менша, ніж у тонких плівках концентрація краєвих дислокацій, що призводить до зменшення густини критичного струму.

Особистий внесок автора. Автор дисертаційної роботи самостійно провів більшість вимірювань магнітопольових, кутових, та температурних залежностей густини критичного струму плівок YBCO, як транспортним методом, так і за допомогою методу низькочастотної магнітної сприйнятливості. Автор проводив обробку отриманих даних, приймав участь в обговоренні результатів досліджень, написанні статей та побудові якісних моделей пінінгу вихорів на прошиваючих дислокаціях.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи були представлені на 6 міжнародних конференціях:

IWCC, 10^th International Workshop on Critical Current, Gottingen, Germany, June 4-7, 2001;

CIMTEC, 4^th International Conference “Science and Engineering of HTC Superconductivity ”, Florence, Italy, July 14-18, 2002;

LT 23, The 23^rd International Conference on Low Temp. Physics, Hiroshima, Japan, August 20-27, 2002;

ICMC 2003, International Cryogenic Materials Conference, Enschede, The Netherlands, May 25-28, 2003;

ICMC 2004, International Cryogenic Materials Conference, Wollongong, Australia, February 10-13, 2004;

ASC 2004, Applied Superconductivity Conference, Jacksonville, USA, October 3-8, 2004.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 7 статтях в наукових журналах та матеріалах міжнародних конференцій і представлено на 6 конференціях.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, трьох розділів основних результатів, висновків і списку використаних джерел. Робота містить 134 сторінки, включаючи 54 рисунки, 2 таблиці і список посилань із 128 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обгрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, приведений опис вирішуваних задач і основних напрямів дослідження, показана наукова новизна і практична значимість роботи.

У першому розділі приведено огляд пінінг-центрів різної вимірності таких як лінійні, точкові, планарні. А також проводиться розгляд кутових та магнітопольових залежностей густини критичного струму з точки зору тих чи інших центрів пінінгу як головних для забезпечення найвищих значень густини критичного струму, в плівках високотемпературного надпровідника YBa₂Cu₃O_7-д.

Типові магнітопольові залежності густини критичного струму при орієнтації поля перпендикулярно до площини плівки J_C(H||c) мають низькопольове плато (J_C ? const) з наступним спадом. Приведено пояснення цього спаду J_C, що є лінійним в напівлогарифмічних координатах, за допомогою моделі депінінгу ансамблю вихорів Абрикосова з сітки краєвих дислокацій [1]. Згідно цієї моделі спадну “лінійну” ділянку J_C(H||c) можна апроксимувати наступною залежністю , де коефіцієнт б може змінюватись в межах 0,18ч0,25 згідно моделі.

Пік, що має місце на деяких з кутових залежностей густини критичного струму, при полі направленому паралельно вісі с плівки (H||c), з точки зору пінінгу вихорів на краєвих дислокаціях, пояснюється тим, що максимальна сила пінінгу є при співпаданні кору вихора та ядра дислокації. Відповідно, при зміні напрямку зовнішнього магнітного поля і відхиленні вихора відносно дислокації густина критичного струму спадає. Пік при напрямку поля паралельно ab-площині (H||ab)плівки пояснюється, при цьому, наявністю дислокаційних петель та дислокацій, що лежать в ab-площині.

Також причиною зміни густини критичного струму при зміні кута орієнтації зовнішнього магнітного поля, може слугувати анізотропія електронних мас в YBCO. Відповідно до підходу, що базується на анізотропії характерних масштабних довжин в надпровіднику, якщо пінінг забезпечується випадковими дефектами, то на кутовій залежності буде лише пік при H||ab. Пік при H||c не може бути описаний за допомогою анізотропії. Випадково розподілені точкові дефекти, такі як кисневі вакансії, не можуть забезпечити високі значення густини критичного струму, тому в якості точкових дефектів розглядаються включення, наприклад Y₂O₃. Магнітопольові залежності густини критичного струму, при розгляді сильного колективного пінінгу на включеннях Y₂O₃ мають низькопольове плато, з наступним спадом який можна апроксимувати степеневою функцією від поля (J_C ~ H^-5/8). Ще одними пінінг-центрами, які можуть відігравати суттєву роль для забезпечення високих значень густини критичного струму є планарні дефекти - антифазні та двійникові границі. Такі дефекти забезпечують досить сильний пінінг при напрямку струму паралельно цим дефектам. Відповідно, при перпендикулярному напрямку струму вони слугують каналами легкого проковзування для вихорів.

У другому розділі приведено опис експериментальних методик, які використовувались для визначення надпровідних критичних параметрів. Це були безконтактна методика низькочастотної магнітної сприйнятливості та транспортний метод. За допомогою першої з них густина критичного струму визначається з вимірювань залежностей уявної частини магнітної сприйнятливості від амплітуди змінного (модулюючого) магнітного поля [2]. При використанні транспортного методу густина критичного струму визначається з Вольт-Амперних характеристик надпровідної плівки, на якій реалізована місткова схема і вимірювання проводяться чотирьохконтактним методом. Зовнішнє постійне магнітне поле прикладене в експерименті, може обертатись в площині і вектор орієнтації якого проходить через нормаль до площини (H||c) та через площину плівки H||ab. Причому в випадку транспортних вимірювань орієнтація зовнішнього поля завжди перпендикулярна до напрямку струму, тобто сила Лоренца, що діє на вихор Абрикосова є постійною при обертанні зовнішнього магнітного поля.

З метою порівняння, та визначення наскільки адекватними є дані, що отримані за допомогою методики низькочастотної магнітної сприйнятливості, що не є прямою, приведено залежності густини критичного струму від величини напруженості зовнішнього магнітного поля, що отримані за допомогою трьох різних методик: безконтактної методики низькочастотної магнітної сприйнятливості, транспортного методу та з вимірювань намагніченості за допомогою СКВІДу. Всі криві отримані для однієї й тієї ж плівки й добре узгоджуються між собою.

Залежності густини критичного струму, що приведені в роботі, крім температурних, отримані при температурі кипіння рідкого азоту (77.36 K). Температурні залежності були отримані в діапазоні 77.36 K ? T ? 95 K. Величина зовнішнього постійного магнітного поля змінювалась в межах 10 ^-4ч0,5 Тл, а також була можливість зміни кута орієнтації зовнішнього магнітного поля відносно нормалі до площини плівки, в межах -30 ? и ? 150. Також в цьому розділі описано досліджувані зразки. Так для досліджень використовувались "тонкі" плівки YBCO, що отримані за допомогою неспіввісного магнетронного розпорошення (НМР) на підкладках Al₂O₃ (сапфір) з буферним прошарком CeO₂ та імпульсного лазерного осадження (ІЛО) на підкладках LaAlO₃ і мали товщини 30 ч 300 нм.

Також дослідження проводились на "товстих" плівках, що отримані за допомогою рідкофазної епітаксії (РФЕ) на підкладках NdGaO₃, і мали товщини 8 ч 18 мкм. Для всіх трьох типів плівок приведені дані електронної мікроскопії з високою роздільною здатністю. Головними відмінностями двох типів "тонких" плівок є те, що концентрація прошиваючих (||c-вісі) краєвих дислокацій для ІЛО плівок складає 10¹⁰ ч10¹¹ лін/см² в той час як для НМР плівок ця величина є на порядок величини меншою. Також шаруватість поверхні НМР плівок є меншою, ніж у ІЛО плівок, і може не перевищувати 2 нм. Концентрація дислокацій в РФЕ плівках не перевищує значення 10⁸ лін/см².

У третьому розділі розглядаються залежності густини критичного струму (J_C) від величини зовнішнього постійного магнітного поля - магнітопольові залежності. Особливістю є те, що вони отримані при полях починаючи з 10 ^-4 Тл. Приведено магнітопольові залежності, що отримані при двох напрямках орієнтації зовнішнього магнітного поля, тобто як паралельно площині ab (H||ab) так і паралельно с-вісі плівки (H||c). Так магнітопольові залежності при H||c, що отримані, є досить подібними. При малих зовнішніх магнітних полях на такій залежності спостерігається "плато", тобто величина густини критичного струму не залежить від величини зовнішнього магнітного поля. Після деякого значення поля (~10^-2 Тл) J_C починає спадати. Цей спад в напівлогарифмічних координатах є лінійним, і згідно моделі депінінгу вихорів Абрикосова з сітки краєвих дислокацій [1] його можна апроксимувати залежністю (1). Коефіцієнти б, що пораховані для всіх отриманих магнітопольових залежностей, лежать в межах 0,18ч0,26. Вже було відмічено, що коефіцієнт б для цієї моделі змінюється в межах 0,18ч0,25, таким чином спад густини критичного струму на магнітопольовій залежності J_C можна описати за допомогою цієї моделі. Також відмічено, що поле переходу від "плато" до "лінійного" спаду є близьким до поля утворення вихоревої ґратки, тобто відстань між вихорами (a₀) стає зрівняною з глибиною проникнення магнітного поля . Таким чином "плато" відповідає індивідуальному режиму вихорів Абрикосова, а "лінійний" спад вже існуючій вихоревій ґратці.

Магнітопольові залежності при H||ab мають також, як і при H||c, низькопольове "плато", але його довжина є більшою і ця різниця може складати порядок величини.

Причому, спад густини критичного струму після "плато" є крутішим при H||ab порівняно з H||c і на деяких з магнітопольових залежностей при H||ab має місце "пік-ефект", тобто зростання густини критичного струму, з наступним спадом, при збільшенні зовнішнього магнітного поля. Такі залежності (з "пік-ефектом") були отримані як транспортним методом, так і за допомогою безконтактної методики магнітної сприйнятливості. Варто відмітити, що пік-ефект мав місце на магнітопольових залежностях J_C для НМР плівок, в той час як для ІЛО плівок такого явища виявлено не було, внаслідок того, що поверхня ІЛО плівок є більш шорсткою, ніж у НМР плівок. Тому проведено вимірювання магнітопольових залежностей після навмисного погіршення стану поверхні шляхом термоциклювання у відповідних умовах. При цьому, явище пік-ефекту зникло і густина критичного струму почало суттєво спадати при менших значеннях зовнішнього магнітного поля, в той час як магнітопольові залежності J_C при H||c практично не змінились.

Вираз для поля входження вихорів Абрикосова в плівку при H||ab має наступний вигляд, де - квант магнітного потоку, г - параметр анізотропії ~(5ч7), d - товщина плівки - довжина когерентності. Згідно цього виразу для плівки товщиною 300 нм з Т_С ~ 88 К матиме значення 0,013ч0,17 Тл. В той же час густина критичного струму починає суттєво спадати при полях, що можуть бути значно більшими, так наприклад ~0,1 Тл і навіть більше. На основі отриманих даних було побудовано наступну якісну модель для пояснення "пік-ефекту".

Припустимо, в плівці при зовнішньому магнітному полі, що направлене паралельно площині плівки знаходиться вихор, при значеннях напруженості магнітного поля менших, ніж поле при якому стає енергетично вигідним знаходження паралельного вихора в плівці (тобто в профілі вільної енергії Гібса з'являється мінімум) [3]. Вихор буде знаходитись в нормальному положенні по відношенню до площини плівки. При збільшенні величини зовнішнього магнітного поля, і при перевищенні деякого значення , в плівці вже може знаходитись тангенційна компонента поля (вихорева). Таким чином, вихор Абрикосова, що знаходиться в плівці нормально до її площини, під дією сили Лоренца, що створюється екрануючими струмами, які протікають біля поверхні плівки, внаслідок того, що плівка знаходиться в зовнішньому магнітному полі, буде вигинатись з країв. В результаті чого вихор матиме як нормальну компоненту так тангенційну по відношенню до площини плівки. Отже, в плівці з'явиться вихор, що є частково паралельним до ab-площини плівки. Причому щоб цей вихор міг вийти з плівки йому необхідно подолати приповерхневий бар'єр, що існує як для входу вихорів так і для виходу. За рахунок цього бар'єру забезпечується додатковий пінінг, в результаті чого плато на магнітопольовій залежності густини критичного струму при H||ab затягується до більших значень напруженості зовнішнього магнітного поля. Пік-ефект є результатом того, що комбінований пінінг, тобто пінінг за рахунок приповерхневого бар'єру при H||ab та пінінг на сітці краєвих дислокацій, є сильнішим за пінінг в плівці при H||с в діапазоні полів, що відповідають "плато".Приведено магнітопольові залежності густини критичного струму при H||ab та H||с, що перетинаються. Тобто величина густини критичного струму при стає вищою за величину при H||ab. Також відмічено, що при високих полях ~ 5ч7 Тл густина критичного струму при H||ab стає знову вищою за величину при H||с внаслідок анізотропії, так як , в той час як . Тобто ці криві мають знову перетнутися.

У четвертому розділі розглядаються залежності густини критичного струму від кута орієнтації зовнішнього магнітного поля - кутові залежності. Приведено такі залежності, що отримані в діапазоні полів ~0,05ч0,5 Тл, як транспортним методом так і за допомогою безконтактної методики магнітної сприйнятливості для ІЛО та НМР плівок. На кутових залежностях для НМР плівок спостерігається тільки пік при полі направленому паралельно ab - площині. в той час як для ІЛО плівок, крім піку при H||ab, при збільшенні зовнішнього поля проявляється і максимум при H||с. Також в цьому розділі приведено магнітопольові залежності J_С при різних кутах орієнтації зовнішнього магнітного поля, в діапазоні 0 ч 90^_ (від H||c до H||ab). Залежності для кутів відмінних від напрямку H||ab є досить подібними. Показано, що магнітопольові залежності при проміжних кутах можна отримати, до деякого значення зовнішнього магнітного поля, врахувавши тільки нормальну компоненту поля

.

Тобто, до цього поля в плівці знаходяться тільки вихорі, що паралельні вісі с плівки. І тільки при перевищенні цього поля в плівці з'являються вихори паралельні площині ab плівки, тому треба також враховувати тангенційна компоненту поля

.

Показано, що кутові залежності J_C для одного й того ж зразка можуть містити як два максимуми, при H||c та H||ab, так і один з них - в залежності від величини зовнішнього магнітного поля. Пік при H||c проявляється при значенні поля, що перевищує поле входження паралельних вихорів і є порядку поля перетину магнітопольових залежностей J_C. Цей пік пов'язаний з тим, що вихори можуть приймати орієнтацію зовнішнього магнітного поля і відхилятись від напрямку дислокації, при цьому сила пінінгу [4] і відповідно критичний струм зменшуються Також приведено якісне моделювання поведінки кутових залежностей J_C при збільшенні зовнішнього магнітного поля.

В діапазоні І - кутової залежності не існує, тобто J_C не залежить від кута орієнтації зовнішнього магнітного поля. В цьому діапазоні полів ще не існує вихоревої ґратки і вихори в плівці знаходяться нормально до площини плівки і від кута орієнтації зовнішнього магнітного поля залежить тільки концентрація вихорів в плівці.

В діапазоні ІІ - на кутовій залежності існує тільки максимум при H||ab. В цьому діапазоні також існують тільки нормальні вихори в плівці. І зміна густини критичного струму зумовлена зміною концентрації вихорів в плівці (- нормальних вихорів).

В діапазоні ІІІ - в плівці вже існує крім нормальної (вихоревої) компоненти поля ще й тангенційна (вихорева). В результаті чого на кутовій залежності спочатку проявляється пік при H||c, а потім може і зникнути пік при H||ab.

Вперше виявлено гістерезисну поведінку кутової залежності J_C при кутах близьких до орієнтації поля H||ab, і величині поля, що перевищує поле входження вихорів в плівку при паралельній конфігурації. Це явище пояснюється за допомогою розгляду механізму входження вихорів Абрикосова в плівку при H||ab, тобто тим, що вихори входять перпендикулярно, а виходять паралельно до площини плівки, внаслідок присутності поверхневого бар'єру.

У п'ятому розділі представлено результати досліджень плівок, що отримані за допомогою методу рідкофазної епітаксії. Цей метод дозволяє отримувати „товсті” плівки (~ 10 мкм) з відносно високою швидкістю осадження (~ 1 мкм/хв), що є важливим для практичних застосувань. В цьому розділі, зокрема, приведено залежності дійсної частини магнітної сприйнятливості від температури які свідчать про достатньо високу температуру початку переходу, на рівні , але перехід зразка з нормального в надпровідний стан є затягнутим по температурі. Також приведено залежності уявної частини магнітної сприйнятливості від амплітуди змінного магнітного поля, що отримані при різних температурах в діапазоні 77,4чT_C. Ці криві також свідчать про неоднорідність даних плівок, зокрема про градієнт температури переходу. Як вже було відмічено в другому розділі, товщина цих РФЕ плівок складає 8ч18 мкм, відповідно існує суттєва проблема насичення цих зразків киснем по товщині, яка й призводить до градієнту критичної температури.

Також приведено магнітопольові залежності густини критичного струму, що отримані для РФЕ плівок, на яких, як і для НМР та ІЛО плівок, виявлено низькопольове плато. Внаслідок того, що перехід з нормального в надпровідний стан є затягнутим по температурі, довжина цього плато є на порядок меншою (~10^-3 Тл), ніж для тонких плівок (НМР та ІЛО). Довжина плато відповідає полю утворення вихоревої ґратки, а враховуючи те, що температура переходу більшої частини плівки є нижчою за температуру початку переходу всього зразка (87ч88 К), то відповідно і довжина плато зменшується при цьому.

Магнітопольові залежності J_C для РФЕ плівок так само як і для ІЛО та НМР плівок мають низькопольове плато, але для РФЕ плівок, на відміну від ІЛО та НМР плівок, на таких залежностях відсутня спадна ділянка, що відповідає депінінгу вихорів Абрикосова з сітки краєвих дислокацій.

Натомість є деяка перехідна ділянка, після якої відбувається лінійний спад в напівлогарифмічних координатах густини критичного струму зі збільшенням величини зовнішнього магнітного поля. Магнітопольова залежність J_C для НМР плівки також має третю ділянку яку можна виділити. Ця ділянка є лінійною в напівлогарифмічних координатах. Виявлено, що коефіцієнти її нахилу для двох типів плівок (РФЕ та НМР) є досить близькими (~0,1 Тл), і вважається, що механізми пінінгу для даних плівок на цих ділянках є подібними.

ВИСНОВКИ

В дисертації проведено дослідження транспортних властивостей плівок високотемпературного надпровідника YBa₂Cu₃O_7-д, що отримані за допомогою трьох різних методів, з метою визначення механізмів пінінгу в них. Основними висновками роботи є наступні:

Основну роль в пінінзі вихорів Абрикосова в тонких плівках високотемпературного надпровідника YBCO відіграють краєві дислокації, що знаходяться в міждоменних субграницях. Саме вони зумовлюють логарифмічний спад густини критичного струму при збільшенні напруженості зовнішнього магнітного поля при H||c, і саме вони зумовлюють пік на кутовій залежності густини критичного струму при H||c.

На кутовій залежності густини критичного струму немає піку при H||c в області малих значень напруженості зовнішнього магнітного поля, до поля входження вихоревої тангенційної компоненти, що пов'язано з перпендикулярним положенням вихорів Абрикосова в плівці до її площини при цих значеннях напруженості поля.

Магнітопольові залежності густини критичного струму при H||ab є набагато чутливішими до стану поверхні плівки, ніж магнітопольові залежності густини критичного струму при H||c.

Основну роль в пінінзі вихорів Абрикосова в товстих плівках, що отримані за допомогою методу рідкофазної епітаксії відіграють точкові дефекти.

Пік-ефект на польовій залежності густини критичного струму при H||ab є наслідком додаткового вкладу в пінінг вихорів Абрикосова за рахунок поверхневого бар'єру.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА ТА СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Федотов Ю.В., Рябченко С.М., Пашицкий Э.А., Семенов А.М., Вакарюк В.И., Пан В.М., Флис В.С. Магнитополевые и температурные зависимости критического тока в тонких эпитаксиальных пленках высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7-d. // ФНТ. - 2002. - 28, № 3. - С. 245-261.

Clem J.R., Sanchez A. Hysteretic ac losses and susceptibility of thin superconducting disks. // Phys. Rev. B. - 1994. - 50, № 13. - P. 9355-9362.

Шмидт В.В. “Введение в физику сверхпроводников”. - М.: МЦНМО, 2000. - 402 с.

Пашицкий Э.А., Вакарюк В.И. Пиннинг вихрей Абрикосова на дислокациях и критический ток в высокотемпературных сверхпроводниках. // ФНТ. - 2002. - 28, № 1. - С. 16-23.

Yu.V. Cherpak, V.A. Komashko, V.S. Flis, V.L. Svetchnikov, A.G. Popov, V.M. Pan, M. Lorenz, H.W. Zandbergen, Magnetic-field and orientation dependencies of critical current density for YBa₂Cu₃O_7-d epitaxial thin films with growth-induced edge dislocations arrays // Proceedings of 10^th International Workshop on Critical Current. - Gottingen (Germany), 2001. P.177-179.

V.A. Komashko, V.M. Pan, A.G. Popov, V.L. Svetchnikov, Yu.V. Cherpak, V.S. Melnikov, H.W. Zandbergen, Influence of CeO₂ buffer layer on critical current density and pinning anisotropy of thin epitaxy YBCO films // Proceedings of 10^th International Workshop on Critical Current. - Gottingen (Germany), 2001. P.288-290.

V.M. Pan, C. Tretiatchenko, V. Komashko, Yu. Cherpak, E.A. Pashitskii, A.V. Semenov, S.M. Ryabchenko, A. Pan, S. Dou, Nature of critical current limitation in HTS YBa₂Cu₃O_7-d .films // Proceedings of the 6th European Conference on Applied Superconductivity. - Sorrento (Italy), Conference series. - 2003. - №181. - P.245-252

V.M. Pan, Yu.V. Fedotov, S.M. Ryabchenko, E.A. Pashitskii, A.V. Semenov, V.I. Vakaryuk, V.S. Flis, Yu.V. Cherpak, Nature of magnetic .field and angular dependencies of the critical current density in epitaxial HTS YBa₂Cu₃O_7-d .films // Physica C. - 2003. - 388-389. P. 431-432.

Ю.В. Федотов, Э.А. Пашицкий, С.М. Рябченко, В.А. Комашко, В.М. Пан, В.С. Флис, Ю.В. Черпак, Особенности угловой зависимости критического тока в тонких эпитаксиальных пленках ВТСП YBa₂Cu₃O_7-d в магнитном поле // Физика низких температур. - 2003. - 29. - №8. - P. 842-857.

Yu.V. Fedotov, E.A. Pashitskii, S.M. Ryabchenko, A.V. Semenov, A.V. Pan, S.X. Dou, C.G. Tretiatchenko, Yu.V. Cherpak, V.A. Komashko, V.M.Pan Field behavior of the critical current in quasi-single-cristalline YBCO films // Physica C. - 2004. - 401. - P. 316-319.

В.М. Пан, В.Л. Свечников, А.В. Пронин Ю.В. Черпак, Ю.В. Федотов, С.Н. Барило, В.В. Федотова, Л.А. Курочкин, Г.Л. Бычков, П. Eскинази, Критический ток в толстых пленках высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7-д, полученных методом жидкофазной эпитаксии // Металофиз. Новейшие технол. - 2004. - 26. - №7. С. 851-865.

АНОТАЦІЇ

струм густина низькочастотний абрикосов

Черпак Ю.В. Транспорт надструму та вихори Абрикосова в плівках YBa₂Cu₃O_7-д. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.22 - надпровідність. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено вивченню транспортних властивостей плівок високотемпературного надпровідника YBa₂Cu₃O_7-д. В дослідженнях використовувались “тонкі” (), а також “товсті” () плівки. Проведено вимірювання магнітопольових та кутових залежностей густини критичного струму. Підтверджено основну роль краєвих дислокацій, що знаходяться в міждоменних субграницях, при пінінзі вихорів Абрикосова в тонких плівках високотемпературного надпровідника YBCO.

Показано, що до деякого значення поля в тонку, товщиною порядка чи менше лондонівської глибини проникнення, плівку можуть входити тільки нормальні до її площини вихори Абрикосова.

Показано, що відсутність піку на кутовій залежності при напрямку зовнішнього магнітного поля паралельно с-вісі плівки не суперечить моделі пінінгу вихорів Абрикосова на прошиваючих дислокаціях. Показано, що при перевищенні поля входження паралельних вихорів, на кутовій залежності з'являється пік при напрямку поля паралельно с-вісі плівки.

На магнітопольових залежностях при паралельній орієнтації магнітного поля виявлено пік-ефект. Побудовано якісну модель комбінованого пінінгу (за участю прошиваючих дислокацій та поверхневого бар'єру) вихора Абрикосова для пояснення цього явища.

Ключові слова: плівки YBa₂Cu₃O_7-д, вихор Абрикосова, магнітопольові залежності, кутові залежності, густина критичного струму, пік-ефект.

Черпак Ю.В. Транспорт сверхтока и вихри Абрикосова в пленках YBa₂Cu₃O_7-д. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.22 - сверхпроводимость. - Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН  Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена изучению транспортных свойств пленок высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7-д. В исследованиях использовались “тонкие” () пленки, которые получены с помощью несоосного магнетронного распыления и импульсного лазерного осаждения, а также “толстые” () пленки, которые получены с помощью жидкофазной эпитаксии. Проведено измерения магнитополевых и угловых зависимостей плотности критического тока с помощью транспортного метода и бесконтактной методики низкочастотной магнитной восприимчивости. Подтверждена основная роль краевых дислокаций, которые находятся в междоменных субграницах, при пиннинге вихрей Абрикосова в тонких пленках высокотемпературного сверхпроводника YBCO. Показано, что до некоторого порогового значения поля в тонкую, толщиной порядка или меньше лондоновской глубины проникновения, пленку могут входить только нормальные к ее плоскости вихри Абрикосова. При этом магнитополевые зависимости плотности критического тока при промежуточных углах ориентации внешнего магнитного поля () можно получить из такой же зависимости при поле параллельном оси с пленки () учтя только нормальную составляющую поля. При превышении порогового значения поля нужно также учитывать и тангенциальную составляющую.

Получены угловые зависимости плотности критического тока, на которых есть как два пика при направлениях поля параллельно с - оси пленки и ab - плоскости, так и один из них, в зависимости от величины напряженности внешнего магнитного поля. Показано, что в магнитных полях напряженностью, что не превышает некоторое пороговое значение, на угловой зависимости может быть только пик при направлении поля параллельно плоскости пленки, что является следствием невозможности входа параллельной компоненты вихрей в пленку при этих значениях напряженности поля (вихри находятся в нормальном положении по отношению к плоскости пленки). Показано, что при превышении поля входа параллельной компоненты вихрей, на угловой зависимости появляется пик при направлении поля параллельно с - оси пленки. Это связано с тем, что вихри могут принимать ориентацию внешнего магнитного поля, а максимальной сила пиннинга будет в случае совпадения кора вихря с ядром дислокации. Причем, при превышении порогового значения внешнего магнитного поля вихри, что запинингованы на прошивающих дислокациях, начинают загибаться с концов под действием силы Лоренца, которая возникает вследствие протекания экранирующих токов. Таким образом, отсутствие пика при поле параллельном с - оси пленки в области малых полей не противоречит модели пиннинга вихрей Абрикосова на прошивающих дислокациях. На магнитополевых зависимостях плотности критического тока для тонких пленок, при ориентации внешнего магнитного поля параллельно плоскости ab, впервые обнаружено явление роста плотности критического тока при увеличении внешнего магнитного поля, то есть пик-эффект. Для объяснения этого явления построена качественная модель пиннинга вихря Абрикосова с помощью комбинированного пиннинга. Этот пиннинг имеет составляющую за счет прошивающих дислокаций и составляющую за счет поверхностного барьера в результате входа вихрей Абрикосовая с края пленки.

Ключевые слова: пленки YBa₂Cu₃O_7-д, вихрь Абрикосова, магнитополевые зависимости, угловые зависимости, плотность критического тока, пик-эффект.

Cherpak Yu.V. Supercurrent transport and Abrikosov vortices in YBa₂Cu₃O_7-д films.- Manuscript.

Dissertation by speciality 01. 04. 22 - superconductivity.- G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2005.

Dissertation is devoted to the study of transport properties of high temperature superconducting YBa₂Cu₃O_7-д films. The “thin” () and “thick” () films are investigated. Magnetic field and angle dependencies of critical current density are measured for these films. The dominant contribution of extended linear defects (growth-induced out-of-plane edge dislocations) to pinning mechanism in thin YBCO films is proven out.

It is shown that only normal to film plane Abricosov vortices can enter in the film (by a thickness about or less London penetration depth) at low magnetic field.

It is shown that absence of peak on angular dependence of critical current density at direction of the external magnetic field parallel to c-axis does not contradict with the model of pinning on out-of-plane edge dislocations. This peak emerges with field achievement when the longitudinal vortex component starts to penetrate.

The "peak-effect" in magnetic field dependencies at parallel orientations is detected. The quality model of combining pinning (edge dislocations and surface pinning) to explanations this phenomenon is proposed.

Keywords: YBa₂Cu₃O_7-д films, Abricosov vortex, magnetic field dependencies, angular dependencies, critical current density, peak-effect.

Размещено на Allbest.ru