Abstract:
Diese Arbeit befasst sich mit der Implementierung von künstlichen Pinningzentren
durch den Einsatz der Quasi-Mehrschichttechnik für die gepulste Laserabscheidung
(PLD) in Kobalt (Co)-dotierten BaFe$_2$As$_2$ (Ba122)-Verbindungen. Das Ziel hierbei ist
die Erhöhung der kritischen Stromdichten und der Pinningkräfte, welche entscheidende
Parameter für elektrische Anwendungen sind, denn sie geben den Strom an, den
diese Verbindungen in einem Magnetfeld führen können, ohne ihre supraleitenden Eigenschaften
zu verlieren. Quasi-multilagige Schichten mit Perowskit-Pinningzentren aus
... mehr
BaHfO$_3$ (BHO) und BaZrO$_3$ (BZO), die mittels PLD hergestellt wurden, sind bereits für
YBa$_2$Cu$_3$O$_7$-Verbindungen (YBCO) untersucht worden. Durch die Optimierung
des epitaktischen Wachstums von Ba122-Verbindungen, wurde ein reproduzierbarer
Prozess zum Experimentieren mit verschiedenen Mengen an künstlichen Pinningzentren
etabliert, um eine - für den experimentellen Aufbau - optimale Ba122-Schicht ohne
intrinsische Pinningzentren, wie Gitterdefekte oder Fremdphasen, zu erhalten.
Aufgrund der weniger intrinsischen Pinningzentren, hoher kritischer Stromdichten
und kritischer Temperaturen von 20 K und einfach zu handhabenden Abscheidungstemperaturen
von 700 °C, erwies sich Co-dotiertes Ba122 als bestgeeignetes Material für
diesen Zweck. Phosphor (P)-dotiertes Ba122 zeigte Fremdphasen und Ausscheidungen
an der Oberfläche, die als intrinsische Pinningzentren wirken. Obwohl die kritische
Temperatur höher ist als bei Co-dotiertem Ba122, konnte die optimale Abscheidungstemperatur
von 1050 °C zur Erzielung der Reproduzierbarkeit nicht durch die Substratheizung
erreicht werden.
Ein weiterer beeinflussender Faktor auf das Wachstum ist das Substrat und seine Eigenschaften.
Mehrere einkristalline Substrate mit einer Größe von 1 x 1 cm wurden auf
ihre Eignung hin untersucht. Co-dotierte Schichten, die auf CaF$_2$ aufgewachsen wurden,
zeigten die besten Ergebnisse unter Berücksichtigung der kritischen Temperatur, der
kritischen Stromdichte und der geringen Menge an intrinsischen Pinningzentren. MgO
war aufgrund niedriger Reproduzierbarkeitsraten kein geeigneter Kandidat als Substrat
für optimales Wachstum, ebenso wenig wie LaAlO$_3$ (LAO) aufgrund hoher Mengen
an intrinsischen Pinningzentren, verursacht durch Kristallzwillinge auf der Substratoberfläche. Die Laserparameter für das beste erreichbare Wachstum wurden auf 30 mJ (bzw. 3,0 J/cm$^2$) und eine Repetitionsrate von 10 Hz eingestellt. Auf der Grundlage
mehrerer Versuchsreihen mit unterschiedlichen Pulsanzahlen und Targetwechseln, wurde
der Fokus dieser Arbeit auf die Implementierung von BHO als künstliches Pinning-
Material gerichtet, da BZO bereits in mehreren Studien untersucht worden ist, obwohl die untersuchten Schichten nicht mit Quasi-Multilagen-Technik gewachsen wurden. Die
beste Konfiguration der Quasi-Multilagen-Technik wurde bei 12 BHO-Pulsen pro Quasi-
Schicht und einer Gesamtanzahl von 18.000 Pulsen auf dem Co-dotierten Ba122-Target
erreicht. Die Anzahl der Targetwechsel unterschieden sich bei den untersuchten Proben,
um die Menge des künstlichen Pinning-Materials mit einer möglichst gleichmäÿigen
Verteilung in der Schicht einzustellen.
Die untersuchten Proben wiesen 0 Mol-%, 1,03 Mol-%, 1,59 Mol-% und 3,85 Mol-%
BHO auf. Diese Gehalte wurden mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie
(ICP-MS) gemessen.
Sowohl die kritische Stromdichte als auch die Pinningkraftdichte konnten auf 106
A/cm$^2$ bzw. 50,6 GN/m$^3$ für den höchsten getesteten Dotierungsgrad erhöht werden.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass für niedrigere Dotierungsniveaus Nanopartikel
und Nanosäulen für das Pinning verantwortlich waren. Mit zunehmendem Dotierungsgrad
traten mehr Nanosäulen auf. Die Nanosäulen konnten durch energiedispersive
röntgenspektroskopische Messungen (EDX) als BHO identifiziert werden.
Vergleichbare Experimente mit vergleichbaren, auf LAO gewachsenen Schichten zeigten
ein erwartetes Verhalten. Die kritischen Stromdichten und Pinningkraftdichten streuten
aufgrund des starken intrinsischen Pinning im Co-dotierten Ba122. Die zusätzlichen
künstlichen Pinningzentren führten zu mehr Störungen im Gitter, ohne die supraleitenden
Eigenschaften zu verbessern.
Diese Untersuchungen wurden mit der Implementierung von InAs als künstliches
Pinning-Material wiederholt. Der Sphalerit-Halbleiter InAs wurde bisher noch nie als
künstliches Pinning-Material untersucht. Um die optimale Zusammensetzung zu erhalten,
wurden verschiedene Untersuchungsreihen durchgeführt.
Für die beste Zusammensetzung wurden 39 Targetwechsel durchgeführt, wobei nur
die Anzahl der Laserpulse auf InAs verändert wurde, die zwischen 10 und 30 Pulse pro
Wechsel lag.
Der Gehalt des Pinning-Materials der vorherigen Experimenten konnte nicht reproduziert
werden, da der Gehalt an InAs, gemessen durch ICP-MS, nicht mit der
Anzahl der Laserpulse korrelierte. Eine mögliche Erklärung ist die Bildung von Droplets
auf der Oberfläche der Schicht. Ein weiterer Grund können die großen Agglomerationen
von InAs sein, die nicht Teil des Pinning-Mechanismus sind, aber in den ICP-Messungen
angezeigt werden. Transmissive Elektronenmikroskopie (TEM) konnte kein InAs in der
Schicht nachweisen, was möglicherweise auf die Flüchtigkeit von InAs unter Elektronenbeschuss
zurückzuführen ist. Die kritischen Stromdichten zeigten ein Maximum bei 468
InAs-Pulsen.
Es wurde festgestellt, dass der Pinning-Mechanismus durch Punktdefekte verursacht
wird, die jeweils nur mit einer Flusslinie interagieren können. Daher führte ein Anstieg
des InAs-Gehalts in der Schicht zu einer zunehmenden Anzahl von Punktdefekten, die
mit einer Flusslinie interagieren, bis ein Optimum der kritischen Stromdichte erreicht
wird. Jenseits dieses Optimums verursachte der zunehmende InAs-Gehalt lediglich Unordnung im Gitter und die kritische Stromdichte nahm wieder ab.
Abstract (englisch):
This work focuses on the implementation of artificial pinning centers
by deploying the quasi-multilayer technique for pulsed laser deposition
(PLD) in cobalt (Co)-doped BaFe$_{2}$As$_{2}$
(Ba122) compounds. The objective of this is to enhance the critical
current densities and the pinning forces, which are crucial parameters
for electrical applications, as they indicate the current these compounds
can carry in a magnetic field, without losing their superconducting
properties. Quasi-multilayered films with perovskite pinning centers
consisting of BaHfO$_{3}$ (BHO) and BaZrO$_{3}$
... mehr
(BZO) made via PLD have been already investigated for YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7}$-compounds
(YBCO). By optimizing the epitaxial growth of Ba122 compounds, a reproducible process for
experimenting with various amounts of artificial pinning centers was
established, in order to obtain the optimal possible Ba122 film for
the experimental setup, without intrinsic pinning centers, such as
lattice defects or foreign phases.
Co-doped Ba122 proved to be the most suitable candidate, exhibiting
less intrinsic pinning centers, high critical currents and critical
temperatures of 20 K and easy-to-handle deposition temperatures of
700 °C. Phosphorus (P)-doped Ba122 showed foreign phases and precipitates
at the surface acting as intrinsic pinning centers. Although its critical
temperature is higher than for Co-doped Ba122, the substrate heater
could not provide the optimal deposition temperature of 1050 °C, in
order to obtain reproducibility.
As the growth also depends on the substrate and its properties, several
single-crystalline substrates with a size of 1 by 1 cm were investigated
towards their suitability. Co-doped films grown on CaF$_{2}$
showed the best results considering critical temperature, critical
current density and low amount of intrinsic pinning centers. MgO was
not a suitable candidate as a substrate for optimal growth due to
low reproducibility rates as well as LaAlO$_{3}$ (LAO)
due to high amounts of intrinsic pinning centers, caused by crystal
twins on the substrate surface. The laser parameters for best achievable
growth were set to 30 mJ (respectively 3.0 J/cm$^{2}$)
and a repetition rate of 10 Hz. Subsequent to various experiments
with different numbers of pulses and target exchanges, the decision
was made to focus on the implementation of BHO as the artificial pinning
material, since BZO had already been investigated, although the investigated
samples were not grown with quasi-multilayer technique. The best configuration
was found at 12 pulses of BHO for each quasi-layer and a total amount
of 18,000 pulses on the Co-doped Ba122 target. The number of exchanges
differed from sample to sample in order to adjust the amount of artificial
pinning material with a preferably equal distribution in the film.
The investigated samples exhibited 0 mol\%, 1.03 mol\%, 1.59 mol\%
and 3.85 mol\% of BHO. These contents were measured with inductively
coupled plasma mass spectro\-metry (ICP-MS).
The critical current density as well as the pinning force density
could be enhanced to 10$^{6}$ A/cm$^{2}$
respectively 50.6 GN/m$^{3}$ for the highest tested
doping level.
Further investigations proved that nano-particles asided by nanocolumns
were responsible for the pinning in lower doping levels. With increasing
doping levels, more nanocolumns appeared. The nanocolumns could be
identified to consist of BHO by energy dispersive X-ray spectroscopy
measurements (EDX).
Identical experiments with identical films grown on LAO showed an
expected behavior. The critical current densities and pinning
force densities scattered due to strong intrinsic pinning in the Co-doped
Ba122. The additional artificial pinning centers led to more disturbance
in the lattice, without enhancing the superconducting properties.
These investigations were repeated with the implementation of InAs
as the artificial pinning material. The sphalerite semiconductor InAs
has never been investigated before as an artificial pinning material.
Several experiments were performed to obtain the optimal composition.
For the best composition, 39 target exchanges were performed, only
changing the number of pulses on InAs, ranging between 10 and 30 pulses
per exchange.
The contents of pinning material of the previous experiments could
not be reproduced due to contents of InAs measured by ICP-MS, which
were not corresponding to the number of pulses. A possible explanation
was the formation of droplets on the surface or large agglomerations
of InAs, which were not part of the pinning mechanism but were displayed
in the ICP measurements. Transmissive electron microscopy (TEM) could
not show any InAs in the film, which may be due to the volatility
of InAs under electron bombardment. The critical current densities
showed a maximum at 468 pulses of InAs.
It was found that the pinning mechanism was caused by point defects,
which can only interact with solely one flux line at a time. Hence,
an increase of InAs content in the film resulted in an increasing
number of point defects interacting with one flux line, until an optimum
of critical current density was reached. Beyond this optimum, the
increasing InAs content solely caused disorder in the lattice and
the critical current density decreased again.
