YBa2Cu3O(7−δ)-ohutkalvojen kriittisen virtatiheyden parantaminen nollakentässä monikerrosrakenteilla

Abstract

YBa2Cu3O(7−δ) (YBCO) suprajohteen kiderakenteen ja nollakentän kriittisen virtatiheyden Jc,0 tiedetään huononevan voimakkaasti YBCO:n paksuuden kasvaessa. Paksumpien suprajohdekalvojen valmistamista pidetään kuitenkin tärkeänä keinona suprajohdenauhojen kriittisen virran Ic kasvattamisessa. Tällöin kriittisen virtatiheyden Jc,0 pitäisi kuitenkin pysyä vakiona paksuudesta riippumatta.

Aiemmissa tutkimuksissa YBCO:n paksuudesta riippuva kiderakenteen ja Jc,0:n huononeminen on kuitenkin onnistuttu välttämään YBCO/oksidi-monikerrosrakenteilla, joissa yhden paksun YBCO-kerroksen sijaan YBCO jaetaan useampaan oksidivälikerroksella erotettuun kerrokseen. Tällöin oksidivälikerros toimii uutena kasvualustana seuraavalle YBCO-kerrokselle, jolloin koko kalvon kiderakenne pysyy hyvänä. Tässä työssä tutkittiin YBCO/CeO2- monikerrosrakenteen vaikutusta YBCO:n nollakentän kriittiseen virtatiheyteen Jc,0 ja pyrittiin selvittämään optimaalisin monikerrosrakenne mahdollisimman korkean Jc,0:n saavuttamiseksi. CeO2 valittiin välikerrosmateriaaliksi, sillä sen kiderakenne on lähes täysin yhteensopiva YBCO:n kiderakenteen kanssa.

Monikerrosrakenteen optimointi aloitettiin CeO2-kerroksen kasvatuslämpötilan ja paksuuden optimoimisella. Tutkittavat näytteet valmistettiin laserhöyrystyksellä, jonka jälkeen näytteitä tutkittiin röntgendiffraktiolla, atomivoimamikroskopialla sekä magnetometrisillä mittauksilla. CeO2:n optimaalisimmaksi kasvatuslämpötilaksi saatiin 700 ◦C ja paksuudeksi 20 nm. Lopuksi PLD:llä valmistettiin kaksi YBCO/CeO2-monikerrosrakennetta, jossa toisessa oli neljä ja toisessa kahdeksan erillistä YBCO-kerrosta. Lisäksi valmistettiin vertailunäyte. Kaikissa näytteissä YBCO:n yhteispaksuus oli yhtä suuri.

Jaettaessa YBCO kahdeksaan erilliseen kerrokseen sen kiderakenne heikkeni ja myös suprajohtavuusominaisuudet huononivat. Neljällä YBCO-kerroksella saavutettiin kuitenkin toivottu kiderakenteen parantuminen sekä Jc,0:n kasvu. Nelikerroksisella YBCO/CeO2-monikerrosrakenteella saavutettiin 25 % nousu nollakentän kriittisessä virtatiheydessä. Havaitut tulokset osoittavat selkeästi, että monikerrosrakenteilla saavutetut optimaaliset kerrospaksuudet voivat tarjota uusia ratkaisumalleja suprajohdenauhojen teolliseen optimointiin.