Studying flux pinning phenomena in BaFe2As2 based superconducting single crystals and single crystalline thin films

Abstract

Das Hauptziel dieser Dissertation ist die Erforschung von Flussverankerung in BaFe_2As_2 basierten supraleitenden Einkristallen und einkristallinen dünnen Filmen mittels unterschiedlichen experimentellen Techniken sowie die theoretische Beschreibung von diesem Phänomen. Supraleitung kann entweder durch externen Druck oder durch Dotierung in diesem Material hervorgerufen werden. Für diese Studie stehen hochqualitative Einkristalle zur Verfügung. Die unterschiedliche Dotierung hat wesentlichen Einfluss auf die supraleitende Eigenschaften der Kristalle, vor allem bei wichtigen Parameter wie die Übergangstemperatur T_c, die kritische Stromdichte J_c, das obere kritische Feld B_c2 und das Irreversibilitätsfeld B_irr. Das Ziel der Dissertation ist, ein vertieftes Verständnis in die Eigenschaften der unterschiedlich dotierten Einkristalle zu bekommen und anhand der gewonnenen Informationen die Kristalle untereinander zu vergleichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden gut etablierte Messmethoden aus dem Bereich der Supraleitung wie zum Beispiel Magnetisierungs- und Transportstrommessungen angewandt. Die Letzteren sind für das Bestimmen der Irreversibilitätslinien in Einkristallen sowie die kritischen Stromdichten in dünnen Filmen geeignet. Magnetisierungsmessungen sind vor allem bei der Bestimmung von der Übergangstemperatur und der kritischen Stromdichte in supraleitenden Einkristallen nützlich. Der Grund warum J_c aus Magnetisierungsmessungen bestimmt werden muss ist die Tatsache, dass makroskopische Transportströme von über 1000 A für Proben mit größerem Querschnitt und hohen kritischen Stromdichten nötig wären. Winkelaufgelöste Magnetisierungsmessungen von Einkristallen sind besonders interessant. Diese stellen gleichzeitig große Herausforderungen was die Auswertung der experimentellen Messergebnisse anbetrifft. Die größte Schwierigkeit ist das Verändern des kritischen Zustandes für unterschiedliche Orientierungen im externen Magnetfeld. Zusätzlich muss noch berücksichtigt werden, dass die kritischen Ströme, im Gegensatz zu Transportstrommessungen an dünnen Filmen, nicht nur eine vorgegebene Richtung haben. Dieses Messungsartefakt verursacht eine weitere Komplikation, nämlich Ströme, die variablen Lorentzkräften ausgesetzt werden, je nach Orientierung des Kristalls und der Stromschleifen zu dem angelegten Feld. Die korrekte Auswertung dieses komplexen Experimentes wird in dieser Studie erfolgreich durchgeführt und es werden zahlreiche hochinteressante Ergebnisse bezüglich der Anisotropie der kritischen Stromdichte in Einkristallen sowohl im schwachen als auch im starken Verankerungslimit gewonnen. Ein weiteres interessantes Forschungsthema sind die winkelaufgelösten Transportstrommessungen an dünnen Filmen, vor allem wenn Drehungen um zwei aufeinander orthogonalen Achsen möglich sind. So ein Messaufbau ermöglicht eine extensive Studie des Einflusses der Orientierung und Größe der Lorentzkraft auf die kritische Stromdichte. In dieser Dissertation wird der Fall von planaren Defekten in einem einkristallinen Dünnfilm erforscht. Die erhaltenen Ergebnisse ermöglichten das Postulieren eines Models für die kritische Stromdichte in diesem Grenzfall, wobei nur ein einziger Parameter benötigt wurde. Ein weiterer Punkt der von Interesse ist, ist der Einfluss von artifiziellen Verankerungszentren auf die supraleitenden Eigenschaften der unterschiedlich dotierten Einkristalle. Dies ist vor allem deswegen wichtig, da das Optimieren der Flussverankerung in supraleitenden Materialien für deren Relevanz für technologische Anwendungen eine entscheidende Rolle spielt. Bestrahlung mit schnellen Neutronen stellt eine Möglichkeit dar, eine isotrope und stark verankernde Defektstruktur in den Supraleitern zu erzeugen. Eine umfassende Studie der Effekte dieser Bestrahlungstechnik auf T_c, J_c, B_c2, B_irr wurde durchgeführt, zahlreiche wichtige Ergebnisse wurden erzielt, unter anderem die bis dato höchste gemessene kritische Stromdichte in einem BaFe_2As_2 basierten Einkristall (nach dem besten Wissen des Autors).

The main goal of this PhD thesis is the study of flux pinning phenomena in BaFe_2As_2 based superconducting single crystals and single crystalline thin films through various experimental techniques and their theoretical description. Superconductivity in this system is induced either by applying pressure or by doping. High quality crystals with different dopants are available for this study. The dierence in the dopant has a profound Impact on the various superconducting properties of the crystals, especially benchmark values such as the transition temperature Tc, the critical current density J_c, the upper critical field B_c2 and irreversibility line Birr. The aim of the thesis is to obtain insight into the properties of the differently doped crystals and to compare them to each other. In order to achieve this objective, established techniques within the field of superconductivity such as magnetization and transport measurements will be utilized. The latter are useful for the determination of the irreversibility line of bulk samples as well as the critical current densities in thin films. Magnetization measurements, on the other hand, can be utilized in order to establish the transition temperature as well as J_c in single crystals. The reason why J_c has to be evaluated from magnetization measurements are the high macroscopic currents which can reach values above 10 3 A for crystals with a large cross section and high critical currents. Angle-resolved magnetization measurements on single crystals are of particular interest. They represent a significant challenge with regard to the evaluation of the experimental results. The main difficulty is posed by the changes in the critical state for different orientations in an external applied field. Furthermore, the supercurrents do not flow in the same direction during magnetization measurements as is the case in thin films during transport measurements. This leads to the additional complication of currents exposed to variable Lorentz forces depending on the orientation of the sample and the current loops with regard to the applied magnetic field. The proper evaluation of this complex experiment is performed successfully within this study, revealing highly interesting results regarding the anisotropy of the critical current density in single crystals in the weak and strong pinning limits. Another intriguing research topic are angle-resolved transport current measurements on thin films involving rotation along two axes orthogonal to each other. Such a setup allows a thorough study of the inuence of the direction and magnitude of the Lorentz force on the critical current density. In this thesis, the case of pinning by planar defects in a single crystalline film was examined. The obtained results allowed the Establishment of a scaling model for the critical current density in this pinning scenario by using a single parameter. One further point of interest is the influence of artificial pinning centers on the superconducting properties of the individual single crystals. This is an important facet particularly when considering the suitability of a given material for technological applications. Fast neutron irradiation enables the creation of an isotropic and strongly pinning defect structure in the crystals. A thorough study was subsequently carried out on T_c, J_c, B_c2 and the irreversibility line B_irr which returned multiple valuable results, among them the highest, to the author's knowledge, critical current densities in a BaFe_2As_2 based superconductor measured until the present day.