Authors:	Tahan, Ayman Mohamed Moussa El
Title:	Transport properties of YBa 2 Cu 3 O 7, PrBa 2 Cu 3 O 7-superlattices
Online publication date:	9-Mar-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	The understanding of the coupling between superconducting YBa2Cu3O7 (YBCO) layers decoupled by non superconducting PrBa2Cu3O7 (PBCO) layers in c-axis oriented superlattices was the aim of this thesis. For this purpose two conceptually different kind of transport experiments have been performed. \r\n\r\nIn the first type of transport experiments the current is flowing parallel to the layers. Here the coupling is probed indirectly using magnetic vortex lines, which are penetrating the superlattice. Movement of the vortex segments in neighbouring YBCO layers is more or less coherent depending on the thickness of both the superconducting and non superconducting layers. This in-plane transport was measured either by sending an external current through bridges patterned in the superlattice or by an induced internal current. \r\nThe vortex-creep activation energy U was determined by analysis of the in-plane resistive transition in an external magnetic field B oriented along the c-axis. The activation energies for two series of superlattices were investigated. In one series the thickness of the YBCO layers was constant (nY=4 unit cells) and the number of the PBCO unit cells was varied, while in the other the number of PBCO layers was constant (nP=4) and nY varied. The correlation length of the vortex system was determined to be 80 nm along the c-axis direction. It was found that even a single PBCO unit cell in a superlattice effectively cuts the flux lines into shorter weakly coupled segments, and the coupling of the vortex systems in neighbouring layers is negligible already for a thickness of four unit cells of the PBCO layers. A characteristic variation of the activation energy for the two series of superlattices was found, where U0 is proportional to the YBCO thickness. A change in the variation of U0 with the current I in the specimen was observed, which can be explained in terms of a crossover in the vortex creep process, generated by the transport current. At low I values the dislocations mediated (plastic) vortex creep leads to thermally assisted flux-flow behaviour, whereas at high current the dc transport measurements are dominated by elastic (collective) creep.\r\nThe analysis of standard dc magnetization relaxation data obtained for a series superlattices revealed the occurrence of a crossover from elastic (collective) vortex creep at low temperature to plastic vortex creep at high T. The crossover is generated by the T dependent macroscopic currents induced in the sample. The existence of this creep crossover suggests that, compared with the well known Maley technique, the use of the normalized vortex creep activation energy is a better solution for the determination of vortex creep parameters.\r\n\r\nThe second type of transport experiments was to measure directly a possible Josephson coupling between superconducting CuO2 double planes in the superlattices by investigation of the transport properties perpendicular to the superconducting planes. Here three different experiments have been performed. The first one was to pattern mesa structures photolithographically as in previous works. The second used three-dimensional nanostructures cut by a focused ion beam. For the these two experiments insufficient patterning capabilities prevented an observation of the Josephson effect in the current voltage curves. \r\nA third experiment used a-axis and (110) oriented YBCO films, where in-plane patterning can in principle be sufficient to measure transport perpendicular to the superconducting planes. Therefore the deposition of films with this unusual growth orientation was optimized and investigated. The structural and microstructural evolution of c-axis to a-axis orientation was monitored using x-ray diffraction, scanning electron microscopy and magnetization measurements. Films with full a-axis alignment parallel to the substrate normal could be achieved on (100)SrTiO3. Due to the symmetry of the substrate the c-axis direction in-plane is twofold. Transferring the deposition conditions to films grown on (110)SrTiO3 allowed the growth of (110) oriented YBCO films with a unique in-plane c-axis orientation. While these films were of high quality by crystallographic and macroscopic visual inspection, electron microscopy revealed a coherent crack pattern on a nanoscale. Therefore the actual current path in the sample was not determined by the macroscopic patterning which prohibited investigations of the in-plane anisotropy in this case.\r\n Das Verständnis der Kopplung zwischen supraleitenden YBa2Cu3O7 (YBCO) Schichten, entkoppelt von nicht supraleitenden PrBa2Cu3O7 (PBCO) Schichten in c-Achsen orientierten Übergittern, war das Ziel dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurden zwei konzeptionell verschiedene Arten von Transportexperimenten durchgeführt. \r\n\r\nIn der ersten Klasse von Transportexperimenten fließt der Strom parallel zu den Schichten. Hier wird die Kupplung indirekt sondiert mittels magnetischer Flusslinien (Vortizes), die das Übergittern durchdringen. Die Bewegung der Vortex-Segmente in benachbarten YBCO Schichten erfolgt mehr oder weniger kohärent, abhängig von der Dicke der beiden supraleitenden und nicht supraleitenden Schichten. Dieser ‚in-plane Transport‘ wurde entweder durch Aufprägung eines externen Stromes durch Stege im Übergitter gemessen oder mittels eines induzierten internen Stromes. \r\nDie Aktivierungsenergie U für Flusskriechen (Vortex-Creep) in einem äußeren Magnetfeld B entlang der c-Achse wurde durch Analyse der resistiven Übergange bestimmt. Die Aktivierungsenergien für zwei Serien von Übergittern wurden untersucht. In einer Serie war die Dicke der YBCO-Schichten konstant war (nY = 4 Einheitszellen) und die Anzahl der Einheitszellen PBCO wurde variiert, während in der anderen die Zahl der Schichten PBCO konstant war (nP = 4) und nY variiert wurde. Die Korrelationslänge der Flusslinien wurde zu 80 nm entlang der c-Achse bestimmt. Es wurde festgestellt, dass auch nur eine einzige PBCO Einheitszelle in einem Übergitter effektiv die Flusslinien in kürzere, schwach gekoppelte Segmente schneidet und dass die Kopplung der Vortizes in benachbarten Schichten bereits ab einer Dicke von vier Einheitszellen der PBCO Schichten vernachlässigbar ist. Eine charakteristische Variation der Aktivierungsenergie wurde für die zwei Serien von Übergittern gefunden wurde, wobei U0 proportional zur YBCO Dicke ist. Eine Änderung in der Variation von U0 mit dem Strom I in der Probe wurde beobachtet. Diese kann verstanden werden durch ein Crossover Verhalten im Flusskriechen das durch den Transport Strom erzeugt wird. Bei niedrigen Werten führt das durch Versetzungen vermittelte (plastische) Flusskriechen zu thermisch unterstützten Flux-Flow-Verhalten, während bei hohen Strömen die DC-Transportmessungen durch elastisches (kollektives) Kriechen dominiert werden. \r\nDaten der Relaxation der Magnetisierung wurden für eine Serie von Übergittern aufgenommen. Sie zeigen das Auftreten eines Crossover von elastischem (kollektiven) Vortex Kriechen bei niedrigen Temperaturen zu plastischem Flusskriechen bei hohen T. Dieser Übergang resultiert aus der Temperaturabhängigkeit der in der Probe induzierten makroskopischen Ströme im Verhältnis zu kritischen Stromdichte. Die Existenz dieses Überganges im Verhalten des Flusskriechens legt nahe, dass, verglichen mit dem bekannten Maley Technik, die Verwendung der normierten Aktivierungsenergie eine bessere Lösung für die Bestimmung der Parameter des Flusskriechens ist.\r\n\r\nDie zweite Art von Transportexperimenten war die direkte Messung einer möglichen Josephson Kopplung zwischen supraleitenden CuO2 Doppelebenen in den Übergittern durch die Untersuchung der Transporteigenschaften senkrecht zu den supraleitenden Ebenen. Hier wurden drei verschiedene Experimente durchgeführt. Das Erste nutzte photolithographisch strukturierte Mesas wie in früheren Arbeiten. Das Zweite verwendete dreidimensionale Nanostrukturen, die durch einen fokussierten Ionenstrahl geschnitten wurden. Für beide verhinderten unzureichende Strukturierungsmöglichkeiten eine direkte Beobachtung des Josephson-Effektes in den Strom-Spannungs-Kurven.\r\n\r\nEin drittes Experiment verwendete a-Achsen und (110) orientierte YBCO Filme, in denen in-plane-Strukturierung im Prinzip ausreichen kann, um Transport senkrecht zu den supraleitenden Ebenen zu messen. Deshalb wurde die Deposition von Filmen mit dieser ungewöhnlichen Wachstums¬orientierung optimiert und untersucht. Die strukturelle und mikrostrukturelle Entwicklung von c- auf a-Achsen Orientierung wurde unter Verwendung von Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Magnetisierungsmessungen verfolgt. Filme mit voller a-Achsen Ausrichtung parallel zur Substratnormalen konnten auf (100) SrTiO3 erreicht werden. Wegen der Symmetrie des Substrates ist die c-Achsen Richtung in der Ebene zweifach entartet. Das Übertragen der Depositionsbedingungen auf (110) SrTiO3 erlaubte das Wachstum von (110) orientierten YBCO Filmen mit einer einzigen in-plane c-Achsen-Orientierung. Während diese Filme von hoher Qualität in der kristallographischen und makroskopischen visuellen Inspektion waren, zeigte die Elektronenmikroskopie eine kohärente Rissbildung im Nanobereich. Daher ist der tatsächliche aktuelle Strompfad in der Probe nicht durch die makroskopische Strukturierung bestimmt und damit die Untersuchungen der In-plane-Anisotropie unmöglich.\r\n
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4751
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-27247
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	130 S.
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