Магниторезестивные свойства монокристаллов YBaCuO допированных алюминием и празеодимом Эль Саадауи Мохамед, Абдель Латеф

Введение к работе

Актуальность темы и степень исследования тематики диссертации.
Одной из прикладных задач ВТСП является получение материалов с
высокой токонесущей способностью в магнитных полях при высоких
температурах. Однако исследования направленные на получение
высокой токонесущей способности у этих материалов при азотных
температурах натолкнулись на ряд принципиальных трудностей
связанных с природой высокотемпературных сверхпроводников. В
отличие от низкотемпературных, высокотемпературные

сверхпроводники обладают малой длиной когерентности , большой глубиной проникновения магнитного поля X, и существенно анизотропной кристаллической структурой, которая обуславливает значительную анизотропию физических характеристик. Это приводит к значительному усилению процесса термически активированного депиннинга и, как следствие, к снижению значений критического тока. Причина такого снижения заключается в том, что малая величина Е, приводит к малым значениям энергии пиннинга, а большие значения X — к смятению упругих модулей вихревой решетки и, как следствие, к уменьшению корреляционного объема в котором вихревая решетка неннингуется коллективно. Наклонные модули вихревой решетки становятся очень малыми, так что отдельные сегменты могут депиннинговаться индивидуально, поскольку они обладают малой активационной энергией. Из-за малой энергии активации термически активируемый крип вихрей в высокотемпературных сверхпроводниках наблюдается вплоть до температуры жидкого гелия, что существенно уменьшает токонесущую способность этих материалов. Одним из основных вопросов термоактивируемого крипа является фазовое состояние вихревой системы, которое определяет токовую зависимость эффективного потенциала пешшнта U, а следовательно и динамику термоактивируемого движения магнитного потока.

С другой стороны, как показали исследования эпитаксиальных пленок YBa₂Cu₃0_7x, при температуре жидкого азота в магнитном поле IT можно достигнуть значений критического тока на уровне 10⁶А/см², что эквивалентно значению критического тока для Nb₃Sn в поле 5Т при температуре 4,2К. При этом возникает вопрос о принципиальной возможности получения предельной токонесущей способности ВТСП материалов (на уровне тока распаривания) в достаточно сильных магнитных полях. Ответ на этот вопрос могут дать экспериментальные исследования объектов содержащих контролируемые центры

пиннинга и обладающих высоким совершенством. В качестве таких объектов в настоящей работе; набраны монокристаллы системы YBa,C'u,0.,_x (YHCO) содержащие контролируемые дефекты.

Цель к основные задачи исследований. Цель работы заключалась и выяснении влияния различных типов дефектов на резистивные свойства монокристаллов YBCO в нормальном и сверхпроводящих состояниях, в установлении связи между свойствами нормального и сверхпроводящего состояний, а также в исследовании явления пиннинга в монокристаллах содержащих контролируемые дефекты с использованием резистивных и магнитных методов. В процессе выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Вырастить совершенные монокристаллы YBa^u^O^ с контролируемыми дефектами и определить топологию плоских дефектов.

2. Изготовить мостики для проведения транспортных измерений на постоянном токе при высоких плотностях транспортного тока.

3. Исследовать транспортные характеристики кристаллов в нормальном состоянии.

4. Измерить вольт-амперпые характеристики при различных орионтоциях вектора магнитного ноля по отношению к плоским дефектом.

5. Измерить релаксацию намагниченности и петли намагниченности в широком интервале температур.

6. Определить вклад точечных и плоских центров пиннинга в температурные, угловые и полевые зависимости эффективного потенциала пиннинга и критического тока.

Научная новизна определяется тем, что в процессе выполнения работы (1) выращены совершенные монокристаллы YBa₂Cu₃0_{7 х} с контролируемыми и пространственно однородно распределенными дефектами; (2) изучено влияние легирования алюминием и празеодимом на транспортные свойства в нормальном и в сверхпроводящем состояниях, а также исследовано влияние легирования на токонесущую способность и динамику вихрей в монокристаллах YBa.,Cu.,0_{7 х}; (3) показано, что в монокристаллах легированных алюминием в области высоких температур пиннинг и динамика магнитного потока описываются теорией коллективного пиннинга с учетом теплового движешгя вихревой решетки; фаза незапиннингованной вихревой жидкости в таких кристаллах отсутствует; (4) установлено, что частичная замена Y на Рг приводит к уменьшению как эффективного потенциала пиннинга, так и

критического тока; (5) показано, что в монокристаллах легированных алюминием немонотонная полевая зависимость критического тока, определяемого по уровню падения напряжения на образце является следствием конкуренции двух процессов: возрастанием эффективного потенциала пшиишга и уменьшения критического тока депиннинга при увеличении магнитного поля.

На защиту выносятся следующие цоложения;

!. Границы двойников в монокристаллах являются эффективными центрами рассеяния носителей тока. Твидовая структура в монокристаллах YBa.Cu, А1 0₇._ж при х<0,1 и у<0,05 не образуется. Примеси алюминия являются эффективными центрами рассеяния носителей тока и легирование алюминием в пределах у<0,05 приводит к двухкратному увеличению электросопротивления в аЬ-плоскости.

2. Критический ток депиннинга в монокристаллах с добавками алюминия при увеличении внешнего магнитного поля уменьшается, а немонотонная полевая зависимость критического тока определяемого по уровню падения напряжения на образце является следствием конкуренции двух процессов: ростом потенциала шшнинга и уменьшением критического тока депиннинга при увеличении магнитного поля. Температурные зависимости критического тока в наклонных относительно границ двойников магнитных полях удовлетворительно описываются уравнениями полученными в рамках теории коллективного пиннинга на мелкомасштабных дефектах с учетом тепловых колебаний вихревой решетки. При ориентации поля Н||с оказывается влияние ДГ, что приводит к более слабому росту критического тока при понижении температуры. Угловая зависимость критического тока при небольших углах разориентации вектора Н относительно границ двойников удовлетворительно описывается уравнением полученным в рамках модели зигзагообразной структуры вихревых нитей.

3. Частичная замена Y на Рг в монокристаллах YBCO приводит к уменьшению как величины критического тока, так и величины эффективного потенциала пиннинга. Эффективный потенциал пиннинга в рамках модели Андерсона-Кима немонотонно зависит от температуры: он увеличивается с повышением температуры вплоть до температуры теплового депиннинга, а вблизи температуры теплового депиннинга резко уменьшается.

Практическая ценность работы состоит в том, что в ней определен вклад плоских дефектов в электросопротивление кристаллов YBCO, а также в процессы пиннинга и динамики магнитного потока в

- ()

монокристаллах YBa.Cu, _vAl_yO_v._x {хіО, 1 м у<0,05); установлено влияние частичной замены Y на i'r в монокристаллах YBGO на пиппинг и динамику магнитного потока. Полученные результаты могут Питі. использованы при выборе оптимального соотношения точечных и плоских центров пиппинга и их распределения с целью получения материалов с высокой токонесущей способностью.

''Личный вклад «штора. Автор вырастил чистые и легированные празеодимом и алюминием монокристаллы YBa._,C!u_tO,__x (YBCO), а также исследовал топологию двойниковых границ (ДГ) в полученных монокристаллах. Он провел розиетитше исследования транспортных свойств кристаллов в нормальном и сверхпроводящем состояниях. В рамках существующих моделей осуществил обработку результатов магнитных исследований токонесущей способности и динамики вихревой решетки в чистых и легированных празеодимом монокристаллов YBGO.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной конференции но физике сверхпроводимости, проводившейся в сентябре 199Л г. ФТППТ All Украины, г.Харьков; на межвузовской конференции "Физические явления в твердых телах", проводившейся 1-3 феврали 1995 г., ХГУ, і'. Харьков; па научных семинарах кафедры физики низких температур Харьковского госуниверситета.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 печатных работах, в том числе в 3 статьях и в 1 тезисе докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Списка цитируемой литературы. Она изложена на 100 страницах машинописного текста, включая 29 рисунков и библиографию из 90 наименований.