Einfluss der Korngröße auf die kritischen Stromdichten in BaFe2As2 Polykristallen

Abstract

Mit der erstmaligen Entdeckung supraleitender Eigenschaften von eisenbasierten Materialien im Jahr 2006, gelang der Forschungsgruppe um Yoichi Kamihara ein Durchbruch in der Festkörperphysik. Als 2008 erneut Materialien entdeckt wurden, die trotz der stark magnetischen Eigenschaften von elementaren Eisen eine deutlich höhere kritische Temperatur aufwiesen als konventionelle Supraleiter, kam es zu einer ähnlichen Euphorie wie es 1987 bei der Entdeckung der Kuprate der Fall war. Im Laufe der folgenden Monate und Jahre wurde eine Vielzahl an eisenhaltigen Verbindungen nachgewiesen, die supraleitende Eigenschaften zeigen. Diese Vielzahl an verschiedenen Materialien lässt sich einigen wenigen Familien von Kristallstrukturen unterordnen. Jene Vertreter der Eisensupraleiter die in dieser Arbeit untersucht werden, gehören zur sogenannten BaFe2As2 oder kurz Ba122 Familie. Im Detail handelt es sich bei den vorliegenden Proben um polykristalline Verbindungen, die unter den Aspekten Dotierung und Korngröße analysiert werden. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick der magnetischen Eigenschaften dieser Materialien aufzustellen, unter dem speziellen Augenmerk von kritischen Stromdichten. Die Messdaten wurden mit magnetometrischen Messmethoden mithilfe eines VSMs und eines SQUID Magnetometers gesammelt. Aufgrund der polykristallinen Struktur treten Ströme in zwei unterschiedlichen Bereichen auf. Dieses Phänomen von über die ganze Probe fließenden Strömen und davon separat auftretende Ströme innerhalb der einzelnen Körner stellt das Zentrum der Untersuchung dar. Als theoretische Basis dieser Arbeit, dient das sogenannte Bean`s critical state model oder Beans Modell des kritischen Zustandes. Im Zentrum stehen verschiedene Methoden und Ansätze um diese kritischen Ströme abzuschätzen. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Untersuchung des remanenten magnetischen Moments gelegt, da diese Messmethode es erlaubt, die jeweiligen Beiträge zum remanenten magnetischen Moment von Korn- und Probenstrom separat voneinander zu beobachten. Zusätzlich wird die Glaubwürdigkeit dieser Abschätzungen mit separat durchgeführten Hall-Messungen der entsprechend magnetisierten Proben überprüft.

With the first discovery of iron-based superconductors in 2006, the team around Yoichi Kamihara had a breakthrough in solid state physics. In 2008, when the iron-based materials have been produced with a significantly higher critical temperature than conventional superconductors despite the strong magnetic properties of elemental iron, there was a similar euphoria as for the discovery of the cuprates in 1987. Over the months and years following 2008, a variety of iron containing compounds have been found which exhibit superconducting properties. This variety of different materials can be subordinated to a few families of crystal structures. Those representatives of the iron superconductors which are investigated in this thesis belong to the so-called BaFe2As2 or more commonly known as Ba122 family. In detail, the present samples are polycrystalline compounds, which are analyzed from the viewpoint of doping and grain size. The aim of this work is to establish an overview of the behaviour of critical current densities, derived from the magnetic properties of these materials. The magnetization data was collected using a VSM and a SQUID magnetometer. Due to the polycrystalline nature of the samples, two different critical currents have to be considered. One is flowing inside each grain and the other is the global critical current flowing over the whole sample. Determining the properties of these two currents is the center of the investigation. The theoretical basis is the well-known Beans critical state model. Furthermore, an analysis of the magnetic behavior of the samples in an applied magnetic field using different methods for estimating critical current densities and grain sizes was done. Particular attention has been paid to the study of the remanent magnetic moment, since this measurement method makes it possible to observe the respective contributions of grain and sample current to the remanent magnetic moment separately. In addition, the reliability of the assessments was checked by scanning Hall probe measurements.