Die Stabilität des stromtragenden Zustands in MgB2 Schichten mit modifizierter Mikrostruktur

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Im Rahmen dieser Arbeit wurden Instabilitäten des stromtragenden Zustands in dünnen Schichten des metallischen Supraleiters MgB2 untersucht. Es handelt sich dabei um sprunghafte Veränderungen des magnetischen Flussliniensystems aufgrund äußerer Einflüsse. Über die bisher bekannten Rahmenbedingungen für Instabilitäten in dünnen supraleitenden Schichten hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur der Schichten untersucht.

Für die Präparation der supraleitenden Schichten wurde ein relativ einfaches Verfahren verwendet, bei dem ein durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellter Magnesium/Bor Precursor ex – situ ausgeheizt wurde. Dadurch konnten MgB2 Schichten mit guten supraleitenden Eigenschaften erzeugt werden, die jedoch nicht epitaktisch sind. Durch die Variation des Precursors war es möglich, strukturelle Inhomogenitäten im Mikrometerbereich bereits während der Herstellung der Proben zu erzeugen. Es wurden Schichten, mit verschiedenen Mikrostrukturen hergestellt: Neben homogenen Schichten wurden inhomogene Schichten hergestellt, die von ”Kanälen“ mit reduziertem Schichtstrom durchzogen sind. Darüber hinaus wurden Schichten hergestellt, die nur in Teilen diese Kanäle aufweisen. Der besondere Vorteil der Kombination aus homogenen und inhomogenen Teilen ist, dass beide Bereiche unter identischen äußeren Bedingungen verglichen werden können.

Die Abbildung der räumlichen Verteilung des magnetischen Flusses in supraleitenden Schichten wurde über ein auf dem Faraday – Effekt basierendes magnetooptisches Verfahren erreicht. Instabilitäten in Form von sogenannten Flusslawinen können damit ortsaufgelöst abgebildet und auf Größe, Anzahl sowie Form untersucht werden. Über ein numerisches Inversionsverfahren des Gesetzes von Biot und Savart kann die Verteilung der Stromdichte berechnet werden.

Zur zusätzlichen Charakterisierung des supraleitenden Zustands wurde ein hochempfindliches SQUID Magnetometer eingesetzt, mit dessen Hilfe das magnetische Moment bestimmt werden kann. Die Form der Magnetisierungskurven gibt dabei Aufschluss über die supraleitenden Eigenschaften sowie die generelle Stabilität des stromtragenden Zustands. Eine räumliche Auflösung ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich. Darüber hinaus kann der zeitliche Abklang des magnetischen Moments gemessen werden. Dieser kommt durch thermisch aktivierte Flusslinienbewegung in Richtung des Gleichgewichts zustande. Daraus kann die Strom – Spannungs – Charakteristik in einem großen Temperatur – und Magnetfeldbereich bestimmt werden.

Um die Sprungtemperatur präzise zu bestimmen, wurden Vier – Punkt – Widerstandsmessungen verwendet. Der Einfluss des äußeren Magnetfeldes auf die Sprungtemperatur kann dadurch mikrostrukturabhängig gemessen werden. Die dafür benötigte Ortsauflösung ist über eine separate Kontaktierung unterschiedlicher Probenbereiche zugänglich.

Zur strukturellen Charakterisierung der Schichten wurden Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen, die räumlichen Verteilung des magnetischen Flusses sowie die lokal aufgelöste Temperaturabhängigkeit der kritischen Stromdichte verwendet. Die Betrachtung inhomogener Probenteile als System aus zwei Schichtströmen wurde dadurch legitimiert.

Die Abhängigkeit der Sprungtemperatur vom externen Magnetfeld wurde mikrostrukturabhängig bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass homogene und inhomogene Bereiche bei kleinen externen Magnetfeldern dieselbe Sprungtemperatur besitzen. Bei Magnetfeldern oberhalb von einem Tesla zeigte sich jedoch ein unterschiedliches Verhalten der beiden Bereiche. Entgegen den Erwartungen wurde festgestellt, dass das Verschwinden des Widerstands im inhomogenen Bereich bei höheren Temperaturen als im homogenen Bereich eintritt. Der Unterschied kann bei fünf Tesla bis zu fünf Kelvin betragen und ist auf die Auffaltungen im inhomogenen Probenteil zurückzuführen.

Mit Hilfe einer dafür entwickelten präzisen Steuerung für das externe Magnetfeld wurde das Flusseindringen in inhomogenen MgB2 Schichten untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass es auch oberhalb der bekannten Grenztemperatur für Flusslawinen noch sprunghafte Umordnungen der Flusslinien geben kann. Hierbei bleibt jedoch der kritische Zustand erhalten.

Es wurde gezeigt, dass es sinnvoll ist, den Lawinenprozess in einen Bildungs – und einen Ausbreitungsschritt aufzuteilen. Beide Schritte werden auf charakteristische Weise durch die Mikrostruktur beeinflusst: In Schichten mit inhomogener Stromdichteverteilung kommt es aufgrund des Flussfokuseffekts zu lokalen Erhöhungen der Flussdichte im Supraleiter. Dies fördert insbesondere den Bildungsprozess von Flusslawinen, da das kritische Feld der Lawinenentstehung erheblich reduziert wird. Während der Ausbreitung folgen die Flusslawinen stets Kanälen mit reduziertem Schichtstrom. Wechselt die Mikrostruktur der Schicht auf dem Weg der Lawine, kommt es zu einer plötzlichen Veränderung des Ausbreitungsverhaltens.

Ein Vergleich der Eindringtiefe der regulären Flussfront mit der maximalen Länge einer Lawine hat gezeigt, dass die jeweilige Feldabhängigkeit qualitativ dem gleichen Gesetz folgt. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Lorentzkraft auch für die Länge der Lawinen maßgeblich ist.

Um die Beobachtungen bei der Ausbreitung von Flusslawinen zu erklären, wurde ein Modell entwickelt, das nur eine Flusslinie als Repräsentant für die ganze Lawine verwendet. Dieses einfache Modell betrachtet eine Flusslinie als mechanisches System mit Masse, Reibung und treibender Kraft. Es ist in der Lage, sowohl die Abhängigkeit der Lawinenlänge von der Lorentzkraft als auch die plötzliche Veränderung des Ausbreitungsverhaltens plausibel zu erklären.

Für die theoretische Beschreibung von Flusslawinen ist die Kenntnis von thermischen sowie elektrischen Eigenschaften des Materials notwendig. Ein wichtiger Parameter ist dabei die Strom – Spannungs – Charakteristik unterhalb der Sprungtemperatur Tc. In metallischen Supraleitern findet man eine Potenzfunktion der Form V ∝ In. Der Exponent n charakterisiert die Nichtlinearität dieser Beziehung und wurde für die hier betrachteten MgB2 Schichten bestimmt.

Es konnte gezeigt werden, dass der Exponent zuverlässig aus dem zeitlichen Abklang des magnetischen Moments extrahiert werden kann. Der Temperaturbereich T < TL ist mit dieser Messmethode zwar nicht zugänglich, wegen der hohen Anzahl an Messpunkten ist jedoch eine sinnvolle Extrapolation in diesen Bereich möglich.

Die Variation des externen Magnetfeldes ergab, dass der Exponent im Bereich zwischen null und etwa 50 Millitesla sehr stark feldabhängig ist. Er kann in diesem Bereich von über 1000 auf unter 200 abfallen. Dieses Verhalten wurde erstmals detailliert untersucht und sollte für die weitere Verbesserung der Theorie beachtet werden. Eine energetische Betrachtung hat gezeigt, dass diese starke Abhängigkeit nur dann auftritt, wenn sich die Flusslinien unabhängig voneinander bewegen können. Bei μ0Hext 50mT dominiert die Wechselwirkungsenergie gegen über der Pinningenergie und es tritt ein kollektives Verhalten auf, das die Feldabhängigkeit abschwächt.

Insgesamt hat sich herausgestellt, dass Inhomogenitäten in MgB2 Schichten die Stabilität des stromtragenden Zustands erheblich stören. Insbesondere die Variation des Schichtstroms erwies sich dabei als kritisch. Auch bei Voraussetzungen, unter denen der kritische Zustand in homogene Schichten stabil ist, kommt es durch Inhomogenitäten zu magnetischen Flusslawinen, welche die Stromtragefähigkeit von Kabeln reduzieren oder das Rauschniveau von Sensoren stark erhöhen. Bei der Herstellung von dünnen metallischen Supraleiterschichten ist daher darauf zu achten, dass sich jede Form von Inhomogenitäten – insbesondere auch künstliche Strukturierung – nachteilig auf die Stabilität des stromtragenden Zustands auswirkt. Werden diese inhomogenen Schichten hingegen bei hohen externen Magnetfeldern eingesetzt, treten keine Flusslawinen auf und es ergibt sich sogar der Vorteil, dass die Sprungtemperatur wesentlich weniger durch das externe Feld beeinträchtigt wird. Dieses Verhalten könnte zum Beispiel bei der Verwendung von MgB2 – Spulen zur Erzeugung hoher Magnetfelder nützlich sein.