MgB2薄膜磁通釘扎的各向異性

1、傳 感 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)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(xué)物理系 ,南京 210096)摘要 :測(cè)量了不同溫度下 ,外場(chǎng)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(cè)量和傳輸測(cè)量計(jì)算出臨界電流密度和釘扎力密度 。同時(shí)測(cè)量了兩個(gè)方向上的磁弛豫 ,并由此估算了它的有效釘扎勢(shì) 。通過比較這兩個(gè)方向上的靜態(tài)和動(dòng)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(dǎo)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(diǎn)缺陷 。關(guān)鍵詞 : mgb2 薄膜 ;超導(dǎo)薄膜各向異性 ;磁通釘扎中圖分類號(hào) :o484 . 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :a文章編號(hào) :100421699( 2006) 0220450204金屬化合物超導(dǎo)體 二硼化鎂 ( m gb2 ) ,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為 39 k ,即零下 234 ,是目前金屬化 合物超導(dǎo)體的最高臨界溫度 。所謂超導(dǎo)體 ,是指在 低溫下阻抗消失的物質(zhì) 。超導(dǎo)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(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)之前 ,金屬化合物超導(dǎo) 體的最高臨界轉(zhuǎn)變溫度為 23 k , 即零下 250 。陶 瓷超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度比金

7、屬化合物超導(dǎo)體的臨 界轉(zhuǎn)變溫度高 ,但其加工和應(yīng)用比較困難 。超導(dǎo)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(diǎn)是資源豐富 , 價(jià)格低廉 , 導(dǎo)電率高 ,容易合成 ,加工簡(jiǎn)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(jí)電子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域 有著廣闊的應(yīng)用前景 。但它的強(qiáng)釘扎力行為與雙能隙結(jié)構(gòu) 、超導(dǎo)電性各 向 異性 的關(guān) 系還 不 是很 清楚 。本文對(duì)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(jìn)行了研究 ,借助于磁測(cè)量和電測(cè)量 的實(shí)驗(yàn)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(cè)量中臨收稿日期 :2005210218基金項(xiàng)目 :東南大學(xué)校基金 ;江蘇省六大人才高峰作者簡(jiǎn)介 :呂 慧 (19812) ,女 ,碩士研究生 ,主要研究 mgb2 薄膜超導(dǎo)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(shí)利用公式 ,外場(chǎng)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 ×

9、5 mm2 算出來的類比于圓形樣品 的有效半徑 。在電傳輸測(cè)量中 , 我們選取 10v 的 電壓標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算得到釘扎力密度以及它 的標(biāo)度行為 。由電傳輸測(cè)量得到的釘扎力標(biāo)度行為非常良好 ,但由磁測(cè)量得到的釘扎力標(biāo)度行為相對(duì) 要差一些 。這一結(jié)果與多晶樣品釘扎力的非標(biāo)度行 為完全不同 7 ,引起差異的原因在于多晶樣品晶粒實(shí)驗(yàn)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(gè)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

10、 ,這樣得到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(cè)量和電傳輸測(cè)量都是用 sq u id (超導(dǎo)量子干涉 儀) 在東南大學(xué)和日本 n im s 完成的 。方向的分散性 。標(biāo)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(cè)量磁場(chǎng)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(gè)方向釘扎力標(biāo)度行為曲線的比較 ,所有曲

11、線的縱坐標(biāo)值都 是經(jīng)過峰約化的 。由圖 2 ( a) 可以看出在較高約化c 軸的幾種外場(chǎng)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(chǎng)關(guān)系曲線 。上臨界場(chǎng)的各向異性也表明了圖 1 外場(chǎng)分別平行于樣品 a b 面和平行于 c 軸方向時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度與上臨界場(chǎng)關(guān)系曲線 ( hc2 t) 。圖中插圖h ab / hc為上臨界場(chǎng)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(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 相h ab / hc符 。它的上臨界場(chǎng)各向異性參數(shù) ( t) =c2 c2在溫度 25 k 到 34 k 約為 2

12、 左右 , 如圖 1 中插 圖 所示 。由簡(jiǎn)單的多項(xiàng)式擬合 ,外推 hc2 t 曲線 ,得到0 k 溫 度 下 的 外 場(chǎng) 平 行 a b 面 方 向 的 上 臨 界 場(chǎng)h abc2 ( 0) 約為 38 t , 外 場(chǎng) 平 行 c 軸 方 向 的 上 臨 界 場(chǎng)圖 2 外場(chǎng)分別平行于樣品 a b 面和平行于 c 軸方向時(shí)釘扎力標(biāo)度行為曲線的比較 。場(chǎng)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(duì)于 h/ / a b 面的磁測(cè)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

13、度偏離 ±0 . 1°時(shí)) ,這是一個(gè)遠(yuǎn)大于厚度的數(shù) 量級(jí) ,所以 ,實(shí)際上得到的 h/ / a b 面方向上的磁滯hcc2 約 為 15 t , 上 臨 界 場(chǎng) 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(dāng) 5 。在接近于臨界溫度的溫區(qū) ,由于 hc2 t 曲線負(fù)曲率的影響 ,上臨界場(chǎng)值比直接測(cè)量得到 的值要高一些 6 。我們也測(cè)量了不同溫度下 ,兩個(gè)不同方向上的 磁滯回線 。由比恩模型計(jì)算出臨界電流 ,外場(chǎng)平行452傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2006 年回線 ,并非精確純粹的 h/

14、/ a b 面方向的成分 ,而是h/ / a b 面和 h/ / c 軸兩個(gè)方向上的混合貢獻(xiàn) ,與多 晶樣品結(jié)果相似 。如圖 2 ( b) 電傳輸測(cè)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(chǎng) 中間的位置 8 。這主要是由于我們選取了很小的電 壓標(biāo)準(zhǔn)下的電流值作為臨界電流 ,在這個(gè)小的電壓 標(biāo)準(zhǔn)下 ,由于巨大的磁通蠕動(dòng) 9 ,得到的臨界電流值遠(yuǎn)低于臨界態(tài)下的值 ,導(dǎo)致了與磁測(cè)量相比相對(duì)較 小的臨界電流值 10 。磁通蠕動(dòng)對(duì)外場(chǎng)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(jī)理 。兩個(gè)方 向 上釘扎力標(biāo)度行為的重

15、合表明了釘扎力的各向異性僅僅是由于超導(dǎo)體本身各向異性引起的 ,而并沒有 發(fā)現(xiàn)釘扎中心的各向異性 。我們的實(shí)驗(yàn)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(cè)量了兩個(gè)方向上的磁弛豫 。如圖 3 所示 ,表明了各向異性的動(dòng)力學(xué)從磁弛 豫 的 近 似 對(duì) 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(shì) 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(duì)數(shù)關(guān)系曲線中得出的磁通釘扎勢(shì) u 0 與溫度的關(guān)系曲線軸方向的

16、 u 0 與溫度的依賴關(guān)系 。釘扎勢(shì)在 h/ / a b面方 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c(diǎn)2似于 相 當(dāng) , 在 低 溫 下 , 薄 膜 的 各 向 異 性 實(shí) 驗(yàn) 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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合 。所以 ,釘扎勢(shì)的各向異性主要起源與超導(dǎo)體各向異性 ,文獻(xiàn)中報(bào)道過的薄膜與襯底間相互作用引起的

17、釘扎效應(yīng)在本實(shí)驗(yàn)中并沒有發(fā)現(xiàn) 。總之 ,m gb2 薄膜磁通的靜態(tài)和動(dòng)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(dǎo)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(xiàng)工作得到了東南大學(xué)?；?、江蘇 省“六大人才高峰”的資助 。圖 3 不同外場(chǎng)和溫度下的磁弛豫曲線行為 。在 h/ / c 方向上時(shí) ,除了開始階段的很短時(shí) 間范圍內(nèi) ,在較大范圍的外場(chǎng)和溫度下 ,磁弛豫呈對(duì) 數(shù)關(guān)系 。與高溫超導(dǎo)體相比 ,它的磁弛豫率很小 ,無 法用具有合理時(shí)間參數(shù) t0 和指數(shù) 的集體釘扎模 型來解釋 ,這可能

18、是由于在我們測(cè)量時(shí)間開始之前 , 由于掃描場(chǎng)的熱磁效應(yīng)磁通已經(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(chǎng)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(chǎng)區(qū) ,磁通雪崩現(xiàn)象更易發(fā)生 11 ,12 。在 h/ / a b 面 方向時(shí) ,磁弛豫的對(duì)數(shù)關(guān)系只在低溫小場(chǎng)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(chǎng)情況下 。這種情況可能與文獻(xiàn)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(xiàn) : 1 sha shwat

19、i sen , et al . , a ni so t rop 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 . phy

20、s. rev. b 66 ( 2002) 104525 .eun 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 .

21、science 292 , ( 2001) 1521 .m. 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 m

22、gb2 si ngle cr yst al s j .2779 . 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 t

23、hi n fil ms j . phys. rev. b 68 ( 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

24、ne a nd dense pol ycr yst alli 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(jí)被提高約 60 % 。這就驗(yàn)證了襯 底觸發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)提高混合電壓 i/ o 電路的 esd 級(jí)是 有效的 。電路的有效保護(hù) 。這個(gè)設(shè)計(jì)在深亞微米 cmo s 工藝中十分有用 。參考文獻(xiàn) :結(jié)論6 1 willia ms j . mi xi ng 3 v a nd 5 v ics j .