The Role of Dopant Morphology in Superconducting YBa2Cu3O7-delta Thin Films

Abstract

In this work, the effect of BaCeO3 (BCO) and BaZrO3 (BZO) dopants on structural and superconducting properties of YBa2Cu3O7−d (YBCO) superconducting thin films was studied. The main focus was in the flux pinning properties of the doped thin films but also changes in the intrinsic properties were measured. This thesis is based on experimental work but also a molecular dynamics simulation was written to model the angular dependence of critical current, Jc(q ).

The YBCO films were grown on SrTiO3 single crystal substrates using pulsed laser deposition (PLD). The structural properties of the samples were studied using X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Superconducting properties were studied using magnetic and transport measurements.

As deposited using PLD, BCO creates small particles with concentration-dependent diameter of some nanometres. BZO, in contrast, creates columnar defects parallel to YBCO c axis with concentration-independent diameter being in the range 5–10 nm. Both dopants affect the structure of YBCO although, due to the shape and larger interface area of the BCO particles, BCO creates much larger stress in the YBCO matrix. The enhancements in Jc are most notable in BZO doped samples as the magnetic field is parallel to them. The angular dependence of BCO doped YBCO, on the other hand, is not much affected by the dopant. However, a clear decrease of the anisotropy parameter g is seen. It is triggered by the change of the coherence lengths due to impurity scattering of electrons.

In contrast to BCO, BZO causes pronounced changes in the angular dependence. As the magnetic field is parallel to the rods, a wide peak in Jc(q ) (c peak) can be seen in an optimal sample. However, if the rods are short or splayed enough, no c peak is seen. The rod morphology can be controlled in many ways, for example the deposition temperature determines whether the columns are splayed or straight and continuous or not. Similar disappearance of the c peak was also seen in multilayer films with BCO and BZO doped layers if the BZO columns were short enough. The disappearance of the c peak was also modelled in a molecular dynamics simulation capable of anisotropic scaling. It can be explained using the vortex path model.

Tässä työssä tutkittiin BaCeO3 (BCO) and BaZrO3 (BZO) lisäyksen vaikutusta YBa2Cu3O7−d (YBCO) suprajohdeohutkalvon rakenteellisiin ja suprajohtavuusominaisuuksiin.Päähuomio oli vuon lukkiutumisominaisuuksissa mutta myös sisäisiä ominaisuuksia mitattiin. Tämä väitöskirja perustuu kokeelliseen työhön, mutta sisältää myös molekyylidynamiikkasimulaation, jolla mallinnetaan kriittisen virran kulmariippuvuutta, Jc(q ).

YBCO-ohutkalvot kasvatettiin SrTiO3 yksittäiskiteiselle kasvatusalustalle käyttäen laserhöyrystystä. Rakenteellisia ominaisuuksia tutkittiin röntgendiffraktiolla ja läpivalaisuelektronimikroskopialla. Suprajohtavuuusominaisuuksia tutkittiin sekä magneettisilla että virtamittauksilla.

Laserhöyrystyksellä kasvatettaessa BCO luo pieniä, muutaman nanometrin halkaisijaltaan, olevia partikkeleita, joiden koko riippuu BCO:n konsentraatiosta. BZO puolestaan luo kolumnaarisia kidevirheitä, jotka ovat yhdensuuntaisia YBCO:n c-akselin kanssa. Niiden halkaisija on 5–10 nm, ja se ei riipu konsentraatiosta. Kummatkin lisäykset vaikuttavat YBCO:n rakenteeseen, mutta muotonsa ja suuremman rajapinnan alan vuoksi BCO luo huomattavasti suuremman jännityksen YBCO-matriisiin.

Parannus Jc:ssä on suurin, kun magneettikenttä on BZO-kolumnien suuntainen.BCO-lisätyn YBCO:n kriittisen virran kulmariippuvuus ei taas toisaalta lisäyksestä huomattavasti muutu. Anisotropiaparametrissä g nähdään kuitenkin selkeä lasku BCO:ta sisältävissä ohutkalvoissa. Sen aiheuttaa koherenssipituuksien muuttuminen elektronien epäpuhtaussironnan vuoksi.

Toisin kuin BCO, BZO aiheuttaa selkeitä muutoksia kriittisen virran kulmariippuvuuteen.Kun magneettikenttä on kolumnien suuntainen, optimaalisessa näytteessä nähdään leveä piikki Jc(q ):ssa (c-piikki). Kuitenkin jos kolumnit ovat liian lyhyitä tai hajallaan, piikkiä ei nähdä. Kolumnien muotoa voidaan kontrolloida monella tavalla. Esimerkiksi kasvatuslämpötila määrittää kolumnien suoruuden ja katkonaisuuden. Vastaava c-piikin häviäminen nähtiin myös monikerrosrakenteissa, joissa oli BCO- ja BZOlisättyjä YBCO-kerroksia. Piikki hävisi, mikäli kolumnit olivat riittävän lyhyitä. Sama tulos mallinnettiin kriittisen virran anisotropiaskaalaukseen kykenevällä molekyylidynamiikkasimulaatiolla. Havaittu c-piikin häviäminen voidaan selittää vortex path -mallilla.