Введение к работе
Актуальность работы. Создание сверхпроводящих материалов с высокой плотностью критического тока требует разработки способов фиксации (пиниинга) магнитного потока. В случае высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) эта проблема встает особенно остро в связи с низкой эффективностью пинниига на естественных точечных дефектах и большим вкладом термических флуктуации при температурах, близких к критической. Поэтому усилия многих исследователей и научных центров направлены на внедрение искусственных центров пинниига, которые обеспечивали бы достаточно большую плотность критического тока при высоких Температурах, а также на поиск новых сверхпроводящих соединений, у которых естественные дефекты обладали бы высоким потенциалом пиннинга.
В научной литературе описываются разнообразные способы создания искусственных дефектов. Среди них - введение различных добавок, при твердофазном синтезе керамических ВТСП, модификация поверхности путем нанесения царапин, травления ямок, напыления магнитных островков, радиационное воздействие протонами, нейтронами и электронами. Каждый их этих методов позволяет в той или иной мере увеличить плотность критического тока. На сегодняшний день самым эффективным способом усиления пиннинга считается бомбардировка сверхпроводника ионами тяжелых элементов (Ag, Au, Pb, U), разогнанными в ускорителе до энергий порядка 1 ГэВ. Образующиеся на месте ионных треков аморфные несверхпроводящие области цилиндрической формы (колончатые дефекты диаметром около 10 нм) пронизывают насквозь достаточно толстые образцы ВТСП (до 10 мкм). То, что такие дефекты значительно увеличивают плотность критического тока, было убедительно показано многими авторами (смотри, например, обзор [1}). Однако в случае сверхпроводящих пленок толщиной несколько сот нанометров данный метод не только малоэффективен, но и зачастую приводит к отрицательным последствиям. В результате такого воздействия, кристаллическая структура тонкопленочного сверхпроводника оказывается в значительной мере разрушенной, а его критические параметры значительно пониженными [2]. Поэтому проблема создания эффективных центров пиннинга
для сверхпроводников наномасштабного размера остается пока нерешенной.
Нарушения в кристаллической структуре вследствие радиационного воздействия могут быть существенно уменьшены при переходе от энергий порядка 1 ГэВ к низким энергиям порядка десятков и сотен кэВ. Такое облучение обычно считается неэффективным, поскольку радиационные дефекты образуются в мишени на очень малой глубине (десятки нанометров) и при малых дозах облучения в основном представляют собой точечные дефекты. Однако в случае пленок толщиной порядка 200 нм большие глубины проникновения уже не требуются. Выбором подходящих ионов, энергии, дозы и условий облучения можно добиться формирования заглубленных аморфных областей или иных несверхпроводящих образований (микропоры, блистеры, нанокла-стеры новых фаз), обладающих значительной силой пиннинга. Исследование эффективности пиннинга на разных типах дефектов требует систематического подхода с привлечением арсенала различных методов. Сравнительный анализ основных характеристик исходных и облученных образцов позволит найти оптимальные условия облучения, при которых наблюдается улучшение свойств тонкопленочных сверхпроводников.
Недавнее открытие нового класса ВТСП на основе пниктидов железа ReFeAsO (Re = Sm, Nd, Рг, Се, La) [3] послужило новым толчком в развитии физики ВТСП, где многие годы главенствовали соединения на основе купратов (ВігБггСаСигОв, УВагСизОт, Lai.gsSro.isCuOi). Уникальность пниктидов заключается в том, что сверхпроводимость возникает в плоскостях, содержащих ионы железа, обладающие магнитным моментом. До сих пор считалось, что магнетизм и сверхпроводимость конкурируют, и во многих случаях ферромагнитное упорядочение приводит к подавлению сверхпроводимости. Однако в пниктидах ионы железа служат средой для проводимости и сверхпроводимости. Более того по данным мюонной спектроскопии в пник-тиде железа SmOi_xFxFeAs магнитный порядок типа антиферромагнитной волны спиновой плотности сосуществует со сверхпроводимостью в определённом диапазоне допирования фтором [4]. С точки зрения пиннинга эта система особенно интересна, поскольку в результате электронного фазового расслоения внутри сверхпроводника возникают несверхпроводящие области, которые могут служить естественными центрами пиннинга вихревых линий.
Кроме того, среди известных на сегодняшний день пниктидов, соединение SmOi_IFIFeAs обладает наибольшей критической температурой (Тс ~ 55 К). Оба данных факта подчеркивают актуальность исследований пиннинга в Sm-содержащих пниктидах железа с целью их последующего практического применения.
Цель диссертационной работы заключалась в определении влияния низкоэнергетического ионного облучения и электронного фазового расслоения на пиннинг магнитного потока в перспективных ВТСП материалах.
В соответствии с данной целью необходимо было решить следующие задачи:
-
Определить влияние низкоэнергетического облучения на некоторые параметры тонких пленок ВТСП и сделать вывод о степени эффективности пиннинга на полученных радиационных дефектах.
-
Выбрать оптимальные в отношении увеличения силы пиннинга режимы облучения тонких сверхпроводящих пленок Bi2Sr2CaCu20g, способствующие улучшению критических параметров объектов исследования.
-
Установить влияние несверхпроводящих включений, образующихся в результате электронного фазового расслоения, на пиннинг вихрей в пниктидах железа SmOi-^FjFeAs с различным уровнем допирования фтором.
В качестве объектов исследования были выбраны сверхпроводящие монокристаллические тонкие плепки ВігЗггСаСигОв толщиной 200 и 800 нм и керамические образцы пниктида SmOi-^FxFeAs с содержанием фтора х = 0.06, 0.08 и 0.1. Свойства ВігЗггСаСигОв в массивном состоянии хорошо изучены, в то время как проблема закрепления магнитного потока в тонких пленках данного соединения остается актуальной до сих пор. Изменением концентрации фтора в пниктидах SmOi-xFjFeAs можно добиться образования включений несверхпроводящей фазы, которые могут оказывать влияние на пиннинг в системе.
Основные сверхпроводящие параметры исследуемых объектов были определены следующими методами:
1. критическая температура - из измерений высокочастотной магнитной восприимчивости;
-
плотность критического тока - из измерений профиля магнитного потока на поверхности образца с помощью парамагнитной метки и датчика Холла;
-
линия необратимости с помощью метода перезонапсиого модулированного микроволнового поглощения;
Состояние поверхности пленок после облучения с большими дозами контролировалось с помощью атомно-силовой микроскопии.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Показано, что облучением ионами переходных металлов (массой порядка 60) и инертных газов с энергией 40 кэВ можно улучшить характеристики тонкопленочных ВТСП материалов, таких как плотность критического тока и размер области с ненулевой плотностью критического тока.
-
Установлено влияние на сверхпроводящие параметры толщины пленки и ее распыления в процессе облучения с большими дозами ионов инертных газов.
-
Впервые с помощью метода нерезонансного микроволнового поглощения сделаны количественные оценки основных сверхпроводящих параметров керамических образцов нового класса ВТСП SmOi-^Fj-FeAs.
-
Сделан вывод о характере влияния нановключений несверхпроводящей (магнитной) фазы и гранулярности образцов на пиннинг в системе
SmOi-zF^FeAs. Научная и практическая значимость:
-
Показано, что модификация тонкопленочных сверхпроводников посредством ионного облучения с контролируемыми параметрами позволяет улучшить основные критические параметры ВігЗггСаСі^Оз.
-
Проведенные исследования пиннинга в системе SmOi-^FxFeAs позволяют оценить перспективность применения нового класса ВТСП на основе пниктида железа в практических целях.
-
Отработанная методика измерений и уникальные технические приспособления для проведения экспериментов открывают возможность исследования особенностей пиннинга в различных сверхпроводящих системах.
-
Определены условия и режимы ионного облучения тонкопленочных ВТСП материалов, которые позволяют значительно повысить эффективность пиннинга магнитного потока.
-
Исследование влияния электронного фазового расслоения на критические параметры пниктида железа SmOj-^FxFeAs позволяют сделать оценку пространственного масштаба расслоения.
Достоверность результатов работы определяется комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, тщательной подготовкой образцов и отработкой деталей эксперимента, многократной повторяемостью экспериментальных результатов, а также непротиворечивостью оригинальных результатов литературным данным.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
-
Радиационные дефекты, образующиеся в тонких пленках ВТСП, могут служить эффективными центрами пиннинга магнитного потока и обеспечивать значительное (двукратное) увеличение плотности критического тока.
-
Облучение тонких пленок ВТСП ионами Аг+ приводит к блистерингу и образованию наномасштабных ямок на поверхности сверхпроводника, которые служат центрами пиннинга вихрей.
-
Облучение пленок ВТСП толщиной 200 нм ионами В3"1" с энергией 120 кэВ приводит к образованию радиационных дефектов во всем объеме образца, которые не могут служить эффективными центрами пиннинга вследствие их перекрывания.
-
Несверхпроводящие включения, возникающие в результате электронного фазового расслоения в пниктиде SmOi-^FzFeAs, являются эффективными центрами пиннинга и приводят к ослаблению полевой зависимости плотности критического тока.
Личный вклад автора: Выбор режимов облучения, подготовка образцов; проведение измерений температурной зависимости высокочастотной восприимчивости образцов с последующим определением критической температуры сверхпроводника; исследование нерезонансного микроволнового поглощения сверхпроводящих образцов на спектрометре ЭПР с использованием
модуляции магнитного поля и техники синхронного детектирования; измерение профилей магнитного потока с помощью подвижного датчика Холла, определение величины поля полного проникновения и расчет плотности критического тока; обработка, участие в анализе и интерпретации полученных экспериментальных результатов; участие в написании, оформлении и подготовке статей к печати.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:
-
Конференция молодых ученых Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН (Казань, 2006, 2008),
-
2-я Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС'06 (Звенигород, Россия, 2006),
-
XXXIV совещание по физике низких температур, НТ-34 (Лоо, 2006),
-
XI International Yoiith Scientific School "Actual Problems of Magnetic Resonance and its Application "(Kazan, Russia, 2007),
-
International Conference "Modern Development of Magnetic Resonance Zavoisky-100 (Kazan, Russia, 2007),
-
International Conference "Euromar-2008" (St. Petersburg, Russia, 2008),
-
International Conference on Magnetism, ICM-2009 (Karlsrue, Germany, 2009),
-
XIII International Youth Scientific School "Actual Problems of Magnetic Resonance and its Application"(Kazan, Russia, 2010).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них 4 статьи - в рецензируемых журналах [А1, А2, A3, А4], включенных в перечень ВАК, а также в материалах вышеперечисленных конференций [А5, А6, А7, А8, А9, А10, All, А12, А13].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторской литературы и списка цитируемой литературы, содержащего 76 наименований. Работа изложена на 125 страницах, включая 34 рисунка, 7 таблиц и список условных обозначений.
