MgB2薄膜磁通釘扎的各向異性

1、傳 感 技 術(shù) 學 報chin es e j ou rnal o f s ensors and ac tua to rs第 19 卷第 2 期2 006 年 4 月vol . 19n o . 2ap r . 2006an isotropy of fl ux pinn ing insuperconduct ivity mg b2thin fil ml u h ui , z h a n g y a n2x i a n , y a n g x i a n g2p e n g( de p a rt ment o f p h y si cs , s out heast u ni ve rsi t y ,

2、 n an j i n g 210096 , chi na)abstract :m2h loop s a nd i2v c ur ve s were mea sured o n m gb2 t hi n fil m atdiff ere nt t e mp erat ure s wit h ap2p lie d fiel d h/ / a b surf ace a nd h/ / c2a xi s re sp ectivel y. fl ux pi nni ng fo rce de n sit y wa s calc ulat ed f ro m bo t hma gnetic a nd t

3、ra n spo r ti ng critical c ur re nt de n sit y. ma gnetizatio n rela xatio n wa s mea sured wit h app lied fiel d fo r bo t h di rectio n , a nd pi nni ng e ner gy wa s e sti mat e d al so . co mp a ri ng t he se st atic a nd dyna mic re2 spo n se s i n t wo di rectio n s , we fo und t hat t he a n

4、i so t rop y of f l ux pi nni ng i n t he hi ghl y c2a xi s o rie nt ed m gb2t hi n fil m i s f ro m t he i nt ri n sic a ni so t rop y of sup e rco nductivit y a nd t he mai n pi nni ng ce nt er s a re t he i so t ropic no r mal st at e poi nt s.key words :m gb2 t hi n fil m ;a ni so t rop y of sup

5、 e rco nductivit y ;f l ux pi nni ngeeacc :7310l ; 3220m gb2 薄膜磁通釘扎的各向異性呂慧 ,張延顯 ,楊祥鵬(東南大學物理系 ,南京 210096)摘要 :測量了不同溫度下 ,外場分別平行于樣品 ab 面和平行于 c 軸兩種情況下的 m2 h 磁滯回線和 i2v 特性曲線 ,從磁測量和傳輸測量計算出臨界電流密度和釘扎力密度 。同時測量了兩個方向上的磁弛豫 ,并由此估算了它的有效釘扎勢 。通過比較這兩個方向上的靜態(tài)和動態(tài)特性 ,我們發(fā)現(xiàn)在高度 c2軸取向 mgb2 薄膜中 ,釘扎力的各向異性主要來自于超導體固有的 各向異性 ,其主要的釘

6、扎中心是各向同性的正常態(tài)點缺陷 。關(guān)鍵詞 : mgb2 薄膜 ;超導薄膜各向異性 ;磁通釘扎中圖分類號 :o484 . 4文獻標識碼 :a文章編號 :100421699( 2006) 0220450204金屬化合物超導體 二硼化鎂 ( m gb2 ) ,其超導轉(zhuǎn)變溫度為 39 k ,即零下 234 ,是目前金屬化 合物超導體的最高臨界溫度 。所謂超導體 ,是指在 低溫下阻抗消失的物質(zhì) 。超導體一般可分為兩類 : 一類是氧化物的陶瓷 ,另一類是其他的金屬化合物 。在二硼化鎂超導電性被發(fā)現(xiàn)之前 ,金屬化合物超導 體的最高臨界轉(zhuǎn)變溫度為 23 k , 即零下 250 。陶 瓷超導體的臨界轉(zhuǎn)變溫度比金

7、屬化合物超導體的臨 界轉(zhuǎn)變溫度高 ,但其加工和應(yīng)用比較困難 。超導物 質(zhì)二硼化鎂是鎂和硼按 1 2 的比例結(jié)合而成的金屬化合物 。其特點是資源豐富 , 價格低廉 , 導電率高 ,容易合成 ,加工簡便 。由于二硼化鎂容易制成薄膜和線材 ,能夠廣泛應(yīng)用于制造 c t 掃描儀等多種 電子儀器儀表 、制造超級電子計算機的元器件以及 電力傳輸設(shè)備的元器件 ,在電子領(lǐng)域和計算機領(lǐng)域 有著廣闊的應(yīng)用前景 。但它的強釘扎力行為與雙能隙結(jié)構(gòu) 、超導電性各 向 異性 的關(guān) 系還 不 是很 清楚 。本文對最具有應(yīng)用前景的 c2軸織構(gòu)取向 m gb2 薄膜的釘扎力行為進行了研究 ,借助于磁測量和電測量 的實驗數(shù)據(jù) ,

8、 揭示了 c2軸織構(gòu)取 m gb2 薄膜釘扎力各向異性的本質(zhì) , 討論了 c2軸織構(gòu)取 m gb2 薄膜釘 扎力各向異性的起源 ,比較了早期電傳輸測量中臨收稿日期 :2005210218基金項目 :東南大學?；?;江蘇省六大人才高峰作者簡介 :呂 慧 (19812) ,女 ,碩士研究生 ,主要研究 mgb2 薄膜超導性質(zhì)的研究 ,bl uemoo nbut terf ly sina . co m界電流各向異性的影響 123 。c 方向時利用公式 ,外場平行 a b 方向利用公式 j c =m / d ,m 是磁滯回線高度 , d 是薄 膜樣 品厚 度 , r 是根據(jù)r2 = 5 5 mm2

9、算出來的類比于圓形樣品 的有效半徑 。在電傳輸測量中 , 我們選取 10v 的 電壓標準從 i2v 曲線中也能得到近似臨界電流密度 值 ,由臨界電流密度值計算得到釘扎力密度以及它 的標度行為 。由電傳輸測量得到的釘扎力標度行為非常良好 ,但由磁測量得到的釘扎力標度行為相對 要差一些 。這一結(jié)果與多晶樣品釘扎力的非標度行 為完全不同 7 ,引起差異的原因在于多晶樣品晶粒實驗1m gb2 薄 膜 樣 品 是 由 po s t ec h ,ko rea 小 組提供的 ,樣品的制備主要包含兩個步驟 ,第一步是用脈沖激光沉積法 ( pl d) 沉淀一層無定形的硼層 ,然 后在鎂氣中用高溫退火 ,這樣得到

10、的就是早前描述過的 4 c2軸 織 構(gòu) 取 向 m gb2 薄 膜 。薄 膜 的 尺 寸 是5 mm 5 mm , 厚度是 400 n m , 轉(zhuǎn)變溫度是 38 k。其 磁測量和電傳輸測量都是用 sq u id (超導量子干涉 儀) 在東南大學和日本 n im s 完成的 。方向的分散性 。標度行為的曲線可以由fp / fp. peak h0 . 71 ( 1 - 0 . 2 h) 3 來擬合 ,其中 h = h/,為找h peak2結(jié)果與討論測量磁場方向分別平行于樣品 a b 面和平行于出釘扎力密度的各向異性 ,圖 2 展示了兩個方向釘扎力標度行為曲線的比較 ,所有曲線的縱坐標值都 是經(jīng)過峰

11、約化的 。由圖 2 ( a) 可以看出在較高約化c 軸的幾種外場下的( t) 曲線 ,取電阻為正常態(tài)下的 90 %為臨界溫度 ,得到如圖 1 所示的轉(zhuǎn)變溫度與 上臨界場關(guān)系曲線 。上臨界場的各向異性也表明了圖 1 外場分別平行于樣品 a b 面和平行于 c 軸方向時的轉(zhuǎn)變溫度與上臨界場關(guān)系曲線 ( hc2 t) 。圖中插圖h ab / hc為上臨界場各向異性參數(shù)( t) =。c2 c2薄膜是 c2軸織 構(gòu) 取 向 , 與 x 射 線 衍 射 實 驗 結(jié) 果 相h ab / hc符 。它的上臨界場各向異性參數(shù) ( t) =c2 c2在溫度 25 k 到 34 k 約為 2 左右 , 如圖 1 中

12、插 圖 所示 。由簡單的多項式擬合 ,外推 hc2 t 曲線 ,得到0 k 溫 度 下 的 外 場 平 行 a b 面 方 向 的 上 臨 界 場h abc2 ( 0) 約為 38 t , 外 場 平 行 c 軸 方 向 的 上 臨 界 場圖 2 外場分別平行于樣品 a b 面和平行于 c 軸方向時釘扎力標度行為曲線的比較 。場下 , h/ / a b 面方向的約化釘扎力密度略高于 h/ /c 軸方向的值 。我們相信這種差異不是由釘扎力的 各向異性引起的 ,對于 h/ / a b 面的磁測量 ,樣品寬 度在厚度方向上的投影大約在 8m ( 儀器誤差引 起的角度偏離 0 . 1時) ,這是一個遠

13、大于厚度的數(shù) 量級 ,所以 ,實際上得到的 h/ / a b 面方向上的磁滯hcc2 約 為 15 t , 上 臨 界 場 各 向 異 性 參 數(shù) ( t)=h ab cc2 / hc2 為 2 . 5 , 與 m gb2 單 晶 樣品 各向 異性 參 數(shù)2 . 6相當 5 。在接近于臨界溫度的溫區(qū) ,由于 hc2 t 曲線負曲率的影響 ,上臨界場值比直接測量得到 的值要高一些 6 。我們也測量了不同溫度下 ,兩個不同方向上的 磁滯回線 。由比恩模型計算出臨界電流 ,外場平行452傳感技術(shù)學報2006 年回線 ,并非精確純粹的 h/ / a b 面方向的成分 ,而是h/ / a b 面和 h/

14、 / c 軸兩個方向上的混合貢獻 ,與多 晶樣品結(jié)果相似 。如圖 2 ( b) 電傳輸測量的結(jié)果與 圖 2 (a) 的結(jié)果完全不同 ,釘扎力峰的位置在約化場 中間的位置 8 。這主要是由于我們選取了很小的電 壓標準下的電流值作為臨界電流 ,在這個小的電壓 標準下 ,由于巨大的磁通蠕動 9 ,得到的臨界電流值遠低于臨界態(tài)下的值 ,導致了與磁測量相比相對較 小的臨界電流值 10 。磁通蠕動對外場的依賴關(guān)系改變了 j c2b 關(guān)系及釘扎力峰的位置 。所以 ,這種 j c2h 關(guān)系并沒有真正揭示釘扎力的機理 。兩個方 向 上釘扎力標度行為的重合表明了釘扎力的各向異性僅僅是由于超導體本身各向異性引起的

15、,而并沒有 發(fā)現(xiàn)釘扎中心的各向異性 。我們的實驗中也并沒有 出現(xiàn)如 1 中闡述的由于薄膜和襯底間相互作用而引 起的釘扎力 。為了澄清這種不同 ,我們也測量了兩個方向上的磁弛豫 。如圖 3 所示 ,表明了各向異性的動力學從磁弛 豫 的 近 似 對 數(shù) 關(guān) 系 , 根 據(jù) 磁 弛 豫 方 程 k t l ntm ( t) = m ( 0) 1 -,我們估算了磁通釘u 0t 0扎勢 u 0 的大小 ,圖 4 比較了 h/ / a b 面方向和 h/ / c圖 4 從磁弛豫的近似對數(shù)關(guān)系曲線中得出的磁通釘扎勢 u 0 與溫度的關(guān)系曲線軸方向的 u 0 與溫度的依賴關(guān)系 。釘扎勢在 h/ / a b面方

16、 向 上 的 值 比 h/ / c 軸 方 向 的 值 大 4 5 倍 。h/ / c 軸方向上 u 0 與溫度的以來關(guān)系可以較好的用 u 0 h2 2 關(guān)系來擬合 ,根據(jù)正常態(tài)下模型 ,近c2似于 相 當 , 在 低 溫 下 , 薄 膜 的 各 向 異 性 實 驗 參 數(shù)h ab / hc( t) =c2 c2 為 2 . 5 , 考 慮 到 磁 通 釘 扎 體 積 ,u abc0 / u 0 的值應(yīng)該約為 4 5 ,這與實驗數(shù)據(jù)相吻合 。所以 ,釘扎勢的各向異性主要起源與超導體各向異性 ,文獻中報道過的薄膜與襯底間相互作用引起的 釘扎效應(yīng)在本實驗中并沒有發(fā)現(xiàn) ?？傊?,m gb2 薄膜磁通

17、的靜態(tài)和動力性質(zhì)表明在 高度 c2軸織構(gòu)取向 m gb2 薄膜中 ,釘扎力的各向異性主要來自于超導體各向異性 ,釘扎力應(yīng)該是來源于各向同性的正常釘扎中心 ,沒有觀察到薄膜與襯 底界面的釘扎力 。致謝 :本次項工作得到了東南大學?；?、江蘇 省“六大人才高峰”的資助 。圖 3 不同外場和溫度下的磁弛豫曲線行為 。在 h/ / c 方向上時 ,除了開始階段的很短時 間范圍內(nèi) ,在較大范圍的外場和溫度下 ,磁弛豫呈對 數(shù)關(guān)系 。與高溫超導體相比 ,它的磁弛豫率很小 ,無 法用具有合理時間參數(shù) t0 和指數(shù) 的集體釘扎模 型來解釋 ,這可能是由于在我們測量時間開始之前 , 由于掃描場的熱磁效應(yīng)磁通已

18、經(jīng)發(fā)生跳躍 。磁弛豫 曲線中噪音的出現(xiàn) ,則可能與在高溫高場區(qū)由于雪 崩引起的磁通跳躍有關(guān) 。但 mo 圖象顯示 ,在低溫 小場區(qū) ,磁通雪崩現(xiàn)象更易發(fā)生 11 ,12 。在 h/ / a b 面 方向時 ,磁弛豫的對數(shù)關(guān)系只在低溫小場區(qū)域出現(xiàn) , 磁弛豫曲線出現(xiàn)如圖 3 示的小跳躍和大跳躍 ,大跳 躍出現(xiàn)較大外場情況下 。這種情況可能與文獻中描 述過的圓形和拉長形 的樹 枝 狀跳 躍有 關(guān) 11 ,12 。結(jié) 果顯示 ,樹枝狀的磁通跳躍在 h/ / a b 面方向比 h/ /c 方向更容易發(fā)生 。參考文獻 : 1 sha shwati sen , et al . , a ni so t ro

19、p y of critical cur rent densit yi n c2a xi s2o rient ed mgb2 thi n fil ms j .( 2002) 214521 .phys. rev. b 65 2 s. k. gup t a , et al . , i2v cha ract eri stic mea sure ment s tost udy t he nat ure of t he vo rt ex st at e and di ssip atio n i n mgb2thi n fil ms j . phys. rev. b 66 ( 2002) 104525 .e

20、un mi choi , et al . , eff ect of two ba nds o n t he scali ng of 3 critical cur rent den sit y i n mgb2 thi n fil ms j .b 69 ( 2004) ,224510 .phys. rev. 4 w. n .ka ng , et al . , mgb2 superco nducti ng thi n fil ms wit ya tra nsitio n te mp erat ure of 39 kel vi n j . science 292 , ( 2001) 1521 .m.

21、 xu , h . kit azawa , et al . , a ni sot rop y of sup erco nductivit y 9 t. t. m . pal st ra , b . batlo gg , et al . , di ssipati ve fl ux mo2tio n i n high2te mp erat ure sup erco nducto r s j . phys. rev. b41 ( 1990) 6621 . 5 appl . phys. l et t . 79 ( 2001 )f ro m mgb2 si ngle cr yst al s j .277

22、9 . 10 d. v . sha nt sev , a . v . bo byl , et al . , size of fl ux j ump s i n sup erco nducti ng fil msj . phys. rev. b 72 ( 02 ) , 024541 , ( 2005) .s. y. xu , qi li , e. wertz , et al . , high critical cur rent den sit y a nd vo rt ex pi nni ng of epit a xial mgb2 thi n fil ms j . phys. rev. b 6

23、8 ( 2003) 224501 .t. h . j o ha n sen , m . ba siljevich , d. v . sha nt sev , et al . , 6 m . h . j ung , m . j ai me , et al , che m.( 2001) 4472451 .phys. l et t j . 343 11 z. x. shi , a . k. pradha n , et al . , fl ux2pi nni ng prop ertie s of 7 si ngle cr yst alli ne a nd dense pol ycr yst alli

24、 ne mgb2 j .rev. b 68 ( 2003) 104514 .phys. 12 8 s. r . shi nde , s. b . ogale , et al . , mo dificeatio n of criticalcur rent den sit y of mgb2 fil ms ir radiat ed wit h 200 me v a gio ns j . appl . phys. l et t . 84 ( 2004) 2352 .dendritic fl ux pat t er ns i n mgb2 fil ms j . sup erco nd .technol . 14 , 726 ( 2001) .sci .(上接第 439 頁)hb m 模型 esd 級被提高約 60 % 。這就驗證了襯 底觸發(fā)設(shè)計對提高混合電壓 i/ o 電路的 esd 級是 有效的 。電路的有效保護 。這個設(shè)計在深亞微米 cmo s 工藝中十分有用 。參考文獻 :結(jié)論6 1 willia ms j . mi xi ng 3 v a nd 5 v ics j . i e