Präparation, Charakterisierung und elektronische Eigenschaften von dünnen Schichten des Hochtemperatursupraleiters HgReBa_1tn2Ca_1tnn_1tn-_1tn1Cu_1tnnO_1tny [Elektronische Ressource] / von Abouelwafa Abouelmaaref Mohamed Salem

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• Physik

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• Publié le: 01 janvier 2005
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Praparation, Charakterisierung und?
elektronische Eigenschaften von dunnen?
Schichten des
Hochtemperatursupraleiters
HgReBa Ca Cu O2 n¡1 n y
Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr.rer.nat.)
am Fachbereich Physik
der Johannes Gutenberg-Universitat? Mainz
von
Abouelwafa Abouelmaaref Mohamed Salem
?aus Qena (Agypten)
Mainz, 2004Tag der Einreichung: 21.12.2004
Tag der mundliche Prufung : 06.06.2005? ?Preparation, Characterization, and
Electronic Properties of Thin Films of
the High-Temperature Superconductor
HgReBa Ca Cu O2 n¡1 n y
Ph.D. thesis
by
Abouelwafa Abouelmaaref Mohamed Salem
Mainz, Germany 2004to my parents, my wife, and RanaZusammenfassung
Ziel dieser Arbeit war die Praparation, Charakterisierung und Untersuchung der?
elektronischen Eigenschaften von dunnen Schichten des Hochtemperatursupra-?
leiters HgReBa Ca Cu O , die mittels gepulster Laser-Deposition hergestellt2 n¡1 n y
wurden. Die HgRe1212-Filme zeigen in der AC-Suszeptibilitat einen scharfen?
? ?Ubergang in die supraleitende Phase bei 124 K mit einer Ubergangsbreite von 2
?K. Die resistiven Ubergange? der Proben wurden mit zunehmender St?arke des ex-
ternen Magnetfeldes breiter. Aus der Steigung der Arrheniusplots konnte die Ak-
tivierungsenergiefurverschiedeneFeldstarkenbestimmtwerden.Weiterhinwurde? ?
dieWinkelabhangigk? eitdesDepinning-FeldesB (?)derFilmegemessen.Hierausdp
wurde ein Anisotropiewert von ? = 7.7 bei 105 K ermittelt. Dies ist relevant, um
den fur Anwendungen wichtigen Bereich im T-B-?-Phasenraum des Materials?
absch?atzen zu k?onnen. Die kritische Stromdichte J der dunnen? Filme aus HgRe-c
1212wurdemitHilfeeinesSQUID-Magnetometersgemessen.Dieentsprechenden
M-H Kurven bzw. das magnetische Moment dieser Filme wurde fur einen weiten?
Temperatur- und Feldbereich mit einem magnetischen Feld senkrecht zum Film
aufgenommen. Fur einen HgRe-1212-Film konnte bei 5 K eine kritische Strom-?
7 2 6 2dichte von 1.2 x 10 A/cm und etwa 2 x 10 A/cm bei 77 K ermittelt werden.
Es wurde die Magnetfeld- und die Temperaturabh?angigkeit des Hall-Effekts im
normalleitenden und im Mischzustand in Magnetfeldern senkrecht zur ab-Ebene
bis zu 12 T gemessen. Oberhalb der kritischen Temperatur T steigt der longitu-c
dinale spezifische Widerstand ‰ linear mit der Temperatur, wahrend? der spezi-xx
fische Hall-Widerstand ‰ sich umgekehrt proportional zur Temperatur andert.?yx
In der Nahe von T und in Feldern kleiner als 3 T wurde eine doppelte Vorzei-? c
chenanderung? des spezifischen Hall-Widerstandes beobachtet. Der Hall-Winkel
22im Normalzustand, cot ? = fiT +fl, folgt einer universellen T -Abhangigkeit?H
in allen magnetischen Feldern. In der Nahe des Nullwiderstand-Zustandes hangt? ?
iiiiv Zusammenfassung
der spezifische Hall-Widerstand ‰ uber ein Potenzgesetz mit dem longitudina-?yx
len Widerstand ‰ zusammen. Das Skalenverhalten zwischen ‰ und ‰ weistxx yx xx
eine starke Feld-Abhangigk? eit auf. Der Skalenexponent fl in der Gleichung ‰yx
fl=A ‰ steigt von 1.0 bis 1.7, wahrend das Feld von 1.0 bis 12 T zunimmt.?xxSummary
Mercurysuperconductorspossessexcellentsuperconductingproperties,evenabove
77 K. This work studies the preparation, characterization, and electronic proper-
tiesofthinfilmsofthehigh-temperaturesuperconductorHgBa Ca Cu O .2 n¡1 n 2n+2+–
The main goal of this thesis was to achieve a reliable technology for reproducible
high quality thin film preparation by understanding the film growth mechanism,
the phase formation, and the influence of different synthesis routes with cationic
substitutions. Fully textured (Hg Re )Ba CaCu O HTSC thin films were0:9 0:1 2 2 6+–
successfully prepared by pulsed laser deposition (PLD) of a precursor on (100)-
oriented SrTiO substrates and then followed by annealing in controlled mercury3
vapor. The films exhibit sharp superconducting transitions at T = 124 K withc
transition width ΔT ’ 2 K. The resistive transitions and the activation energyc
of thermally activated flux-motion have been investigated in magnetic fields up
to 12 T parallel and perpendicular to the c-axis. The irreversibility line for the
(Hg Re )Ba CaCu O thin films has been deduced from the electrical re-0:9 0:1 2 2 6+–
sistance measurements and is compared with published data for other high Tc
cuprates. At different temperatures magnetization loops were measured with a
magnetic field applied normal to the film in a SQUID magnetometer and the cor-
responding critical current densities J were calculated. Under variation of thec
angle?betweenthefielddirectionandthec-axisofthefilmtheanisotropicprop-
erties of the vortex state and the depinning field B (?) have been studied. Thedp
films exhibit a rather low critical field anisotropy of 7.7. The angular dependence
B (?)closetoT resemblesthefunctionalformexpectedforananisotropicvortexdp c
fluxliquid, whichconsistsofpancakevorticesandin-planevortexsegments. This
way of determining the anisotropy yields an effective anisotropy of the material
relevantforestimationsoftheuseful rangeinthe T-B-?phasespace ofthe mate-
rial. The Hall resistivity (‰ ) of thin films has been measured in the ab-plane atxy
vvi Summary
up to 12 T. In the mixed state a power-law behavioris observed, where ‰ scalesxy
2flas a power-law ‰ =A‰ , with fl = 1.4§0.1. Above 130 K the T dependencexy xx
of the cotangent of the Hall angle is observed. The total Hall conductivity for
these compounds is well described by ? (B)=C =B + C B +C .yx 1 2 3Contents
0.1 A short history of superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 Fundamentals of high-T superconductivity 5c
1.1 Basic properties of superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Zero resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Meissner-Ochsenfeld effect (Perfect diamagnetism) . . . . . 6
1.1.3 Critical magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4 Penetration depth and coherence length . . . . . . . . . . 7
1.2 Type-I and type-II superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Type-I sup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Type-II superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Epitaxially grown cuprate films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Aim of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Mercury-based superconductors 19
2.1 General aspects of the crystal structure of cuprate superconductors 19
2.2 Hg-based cuprate crystallographic structures . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Phase relations in the Hg-Ba-Ca-Cu-O system . . . . . . . . . . . 28
2.4 HgRe-1212 HTSC thin films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Methods and procedures 33
3.1 Preparation of Hg,Re-containing HTSC thin films . . . . . . . . . 34
3.2 of the precursor thin films . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Rhenium substitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.2 Preparation of a target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3 of the stable Re-212 doped precursor thin films 39
3.3 Ablation of the precursor films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
viiviii CONTENTS
3.3.1 Laser ablation chamber used in the experiments . . . . . . 41
3.3.2 Deposition of the stable Re-doped precursor thin films . . 43
3.4 The sealed quartz tube technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.1 Sintering with mercury oxide . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2 Formation of (Hg Re )Ba CaCu O thin films by sin-0:9 0:1 2 2 6+–
teringwithmercuryoxideprecursormixture(gas/soliddif-
fusion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Electrical and structural characterization 55
4.1 AC susceptibility measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Structural characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 X-ray diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2 Scanning electron microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5 Vortex dynamics and vortex phase transitions 73
5.1 Phase transitions measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 Transition temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.2 Zero resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.3 Thermal activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.4 Thermally assisted flux flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2 Scaling behavior of the activation energy . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.1 Temperature dependence of the activation energy . . . . . 82
5.2.2 Magnetic field dep of the activation energy . . . . 87
6 Anisotropy of flux flow resistivity in HgRe-1212 films 91
7 Irreversibility line and critical current density 103
7.1 Irreversibility line of HgRe-1212 HTSC thin films . . . . . . . . . 104
7.2 Critical current density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.2.1 Magnetization measurements by SQUID . . . . . . . . . . 112
7.2.2 Critical current density of the HgRe-1212 thin films . . . . 114
8 Normal and mixed state Hall effect 123
8.1 A short review of the Hall effect in High-T superconductors . . . 123c
8.2 Experimental setup and procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130