Anisotrope magnetische Eigenschaften von supraleitenden Magnesiumdiborid Einkristallen unter dem Einfluss von Neutronenbestrahlung und Dotieren mit Kohlenstoff

Abstract

Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss unterschiedlicher Defektstrukturen auf die anisotropen magnetischen Eigeschaften von supraleitenden MgB2 [MgB tief 2] Einkristallen zu untersuchen. Dafür standen einerseits Einkristalle mit unterschiedlicher Kohlenstoffdotierung zur Verfügung, andererseits wurden in MgB2 [MgB tief 2] Defekte durch die Bestrahlung mit Neutronen erzeugt. Die Bestimmung der feldabhängigen, reversiblen Parameter erfolgt in diesem durch Zweibandsupraleitung geprägten Material für das Regime kleiner Felder nahe Hc1 [H tief c1], sowie den Bereich hoher Felder nahe Hc2 [H tief c2]. Dabei zeigen sich für die Änderung dieser reversiblen Parameter ähnliche Trends für beide Arten von Defekten. Die Sprungtemperatur nimmt nahezu linear mit steigender Dotierung und Fluenz ab, wobei die Breite des supraleitenden Übergangs wesentlich durch die Homogenität der erzeugten Defektstruktur beeinflußt wird. Für beide Arten von Defekten kommt es zu einer Erhöhung der oberen kritischen Felder. Dieser Effekt ist beim Dotieren stärker ausgeprägt als beim Bestrahlen mit Neutronen. Die Anisotropie nimmt mit zunehmeder Defektdichte ab, durch das Absenken der Sprungtemperatur um rund 16 K an bestrahlten Proben wird das Material isotrop. Weiters nehmen die Kohärenzlänge und ebenso die unteren kritischen Felder ab, die magnetische Eindringtiefe und der GL Parameter mit größeren Fluenzen und Dotierungskonzentrationen zu. Für das thermodynamische kritische Feld und damit auch für die Kondensationsenergie wird in dotierten Kristallen eine Abnahme mit zunehmender Dotierung nachgewiesen. Ein Vergleich der irreversiblen Eigenschaften von bestrahlten und dotierten Proben zeigt signifikante Unterschiede für die zwei Arten von Defekten. Bei der Neutronenbestrahlung kommt es zu einem ausgeprägten Fishtaileffekt, welcher im Rahmen eines Übergangs des Flußliniengitters von einem geordneten in einen ungeordneten Zustand analysiert wird. Die Größe der erzeugten Defekte liegt in der Größenordnung von einigen nm, was durch TEM Untersuchungen unterstützt wird. Hingegen zeigen dotierte Kristalle ein gänzlich anders Verhalten. Im Bereich kleiner Felder kommt es mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt sogar zu einer Abnahme der Hysterese, was jedoch durch die Änderungen in den reversiblen Parametern erklärt wird.<br />Die erzeugten Defekte machen sich erst bei hohen Feldern nahe Hc2 [H tief c2] durch einen kleinen Fishtail bemerkbar. Eine Analyse desselben, wiederum im Rahmen eines Übergangs des Flussliniengitters, resultiert in einer Defektgröße von rund 0.3 nm für alle untersuchten Kohlenstoffkonzentrationen, was vergleichbar ist mit dem Gitterparameter von MgB2 [MgB tief 2]. Dabei geht man von der Annahme aus, dass die Defektdichte mit der Kohlenstoffkonzentration der Probe identifiziert werden kann. In bestrahlten dotierten Proben dominieren wiederum die größeren Defekte aus der Neutronenbestrahlung die irreversiblen Eigenschaften des Materials. Defekte als Folge der Bestrahlung mit Neutronen und als Folge der Dotierung mit Kohlenstoff können also bezüglich ihrer Größe unterschieden werden. Hinsichtlich der effizienteren Verankerung des Flussliniengitters stellen die größeren Defekte aus der Neutronenbestrahlung, welche die Dimension der Kohärenzlänge in diesem Material haben, die bessere Defektmatrix zur Verfügung.

In the present work the influence of different defect structures on the anisotropic magnetic properties of superconducting MgB2 [MgB tief 2] single crystals is investigated. Different kinds of defects were created by means of carbon doping and neutron irradiation. Due to two-band superconductivity, the reversible parameters of this material are essentially field dependent. These parameters are determined for the regime of low fields near the lower critical field and also for high fields near the upper critical field. Concerning the reversible properties, both kinds of defects show a rather similar effect with increasing defect density. The critical temperature decreases nearly linearly with increasing doping level and neutron fluence, the width of the transition is highly dependent on the homogeneity of the created defect structure. The upper critical fields increase for both kinds of defects, the effect being larger for carbon doping than for irradiation.<br />The anisotropy decreases with increasing defect density. After reducing the critical temperature by about 16 K the system becomes isotropic, which is achieved by neutron irradiation to a high fluence. Further reversible parameters, like the coherence length and the lower critical fields, decrease, whereas the penetration depth and the GL parameter increase at higher doping concentration and increasing fluence. For the thermodynamical critical field and, hence, the condensation energy a drecrease with increasing defect density is found in the carbon doped samples. A comparison of the irreversible properties reveals significant differences in carbon doped and neutron irradiated samples. After neutron irradiation a large fishtail effect is found, which is analysed within the model of an order-disorder transition of the flux line lattice. The dimension of the defects created by neutron irradiation turns out to be several nm, which is supported to some extent by TEM investigations. In carbon doped samples a rather different irreversible behaviour is found. In the region of low fields, the hysteresis even decreases with increasing carbon content, but this can be nicely explained by the changes in the reversible properties. The defects show up only at high fields near the upper critical field by a small fishtail effect. An analysis of this fishtail within the model also used for the irradiated samples reveals a defect size of about 0.3 nm for crystals doped between 3.8 and 9.5% carbon. This is close to the lattice parameter in MgB2 [MgB tief 2], which supports the assumption made in this analysis, namely that the defect density is identical to the carbon concentration. The combination of both kinds of defects in irradiated doped samples shows, that the irreversible properties are again dominated by the defects created by neutron irradiation. Therefore, the defects induced by doping and irradiation can be distuinguished by their size. Concerning the pinning properties of the material, the larger defects due to irradiation provide the more efficient defect matrix, because the size of these defects is comparable to the coherence length in MgB2 [MgB tief 2].