Grain boundaries in high temperature superconductors

Abstract

Der Hauptteil dieser Arbeit befasste sich mit der Planung und Umsetzung eines Zweiachsengoniometers für Transportstrommessungen.<br />In einem bereits bestehenden Messaufbau, der aus einem, mit flüssig He gekühltem Gasfluß kryostaten, besteht, welcher mit einer 6 T Helmholtzspule ausgestattet ist, ermöglicht dieser Probenstab eine beliebige Ausrichtung einer Probe im Magnetfeld.<br />Der Probenstab ist in erster Linie für Niederstrommessungen an supraleitenden Dünnfilmen ausgelegt. Der Stromtransport in Hochtemperatursupraleitern ist meist wesentlich durch Korngrenzen bestimmt. Biaxiale Dünnschichttechnologie erlaubt die Herstellung von isolierten und wohl definierten Korngrenzen. Sie sind hervorragend dazu geeignet, die Transporteigenschaften von Korngrenzen im Detail zu studieren. Ein Zweiachsengoniometer erlaubt die Untersuchung von winkelabhängingen Effekten wie "vortex channelling" bei verschiedenen Feldern und Temperaturen. Die Tranportstrommessungen wurden an einer 200 nm dicken, strukturierten, YBa2Cu3O7 [YBa tief 2 Cu tief 3 O tief [7-[delta]] Dünnschicht durchgeführt. Der Film wurde mit Hilfe von Laserablation auf einem 5° [001]-verkippten SrTiO3 [SrTiO tief 3] Korngrenzensubstrat gezüchtet. Diese Probe wurde am Institut für Materialforschung an der Universtität Cambridge hergestellt.<br />Der strukturierte Film hatte vier 10 [mu]m breite Stege, welche die Korngrenze in den Winkeln 90°, 60°, 45° und 30° kreuzten. Ein weiterer Steg, welcher nicht über die Korngrenze verlief, wurde zum Vergleich der gemessenen Stromdichten an den Krongrenzen herangezogen. Neben der Sprungtemperatur und der kritischen Stromdichte im Selbstfeld bei 77 K wurden Rotationsmessungen bei Temperaturen von 40 K bis 80 K und Magnetfeldern von 1 bis 6 T gemessen. Das Feld wurde parallel zu den ab Ebenen der Dünnschicht rotiert. Das symmetrische Einbrechen der kritischen Stromdichte, wenn das Feld parallel zur Korngrenzenebene ausgerichtet ist, wurde an allen Stegen mit Korngrenze festgestellt. Es wurde versucht, die gemessene Winkelabhängigkeit mit einem Flusslinienmodell, welches die Elastizität einer einzelnen Flusslinie berücksichtigt, zu beschreiben. Die gemessene Winkelabhängigkeit stimmt gut mit dem Modell überein.<br />

The main goal of this work was to design and build a two axis goniometer for transport measurements that can be used at low temperatures and high magnetic fields. The goniometer should be used in a liquid He cooled gas flow cryostat equipped with a superconducting 6 T split coil magnet. With this kind of probe the sample can be oriented in any direction with respect to the applied magnetic field. The probe is targeted to characterise the angular dependence of the critical current density of patterned high temperature superconducting thin films. It is well established that grain boundaries play a dominant role in limiting the transport critical currents in high temperature superconducting materials. Superconducting thin films grown on bi-crystalline substrates provide an isolated grain boundary with well defined misorientation angles and directions of the adjacent grains. Such samples in combination with a two axis probe allow detailed studies of the transport properties of a grain boundary in an applied magnetic field in dependence of the field direction and temperature. Effects like vortex channeling observable only on samples with high crystalline quality were of special interest in this work.<br />Transport measurements were performed on a 200 nm thick YBa2Cu3O7 [YBa tief 2 Cu tief 3 O tief [7-[delta]] thin film grown by pulsed laser deposition on a 5° [001]-tilt grain boundary bi-crystal SrTiO3 [SrTiO tief 3] substrate.<br />It was prepared at the Department of Material Science at the University of Cambridge.<br />The patterned thin film provided four 10 [mu]m wide tracks crossing the grain boundary at angles of 90°, 60°, 45° and 30°. One track, not crossing the grain boundary, was used to compare the intergrain and intragrain critical currents achieved. Besides the transition temperature and the self field critical current density at 77 K extensive angular dependent measurements were performed at temperatures from 40 K to 80 K and magnetic fields ranging from 1 to 6 T. The magnetic field was rotated in the ab plane of the sample. The symmetrical drop of the intergrain critical current density, when the field is aligned in the grain boundary plane, was observed on all grain boundary tracks. An attempt was made to describe the angular dependence with an elastic single vortex model. Good agreement with the measured critical current densities was achieved.<br />