Die Stabilität des stromtragenden Zustands in MgB2 Schichten mit modifizierter Mikrostruktur

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Instabilitőten des stromtragenden Zustands in dłnnen Schichten des metallischen Supraleiters MgB2 untersucht. Es handelt sich dabei um sprunghafte Verőnderungen des magnetischen Flussliniensystems aufgrund őuŻerer Einflłsse. _ber die bisher bekannten Rahmenbedingungen fłr Instabilitőten in dłnnen supraleitenden Schichten hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur der Schichten untersucht. Fłr die Prőparation der supraleitenden Schichten wurde ein relativ einfaches Verfahren verwendet, bei dem ein durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellter Magnesium/Bor Precursor ex ű 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 m÷glich, strukturelle Inhomogenitőten im Mikrometerbereich bereits wőhrend der Herstellung der Proben zu erzeugen. Es wurden Schichten, mit verschiedenen Mikrostrukturen hergestellt: Neben homogenen Schichten wurden inhomogene Schichten hergestellt, die von öKanőlenô mit reduziertem Schichtstrom durchzogen sind. Darłber hinaus wurden Schichten hergestellt, die nur in Teilen diese Kanőle aufweisen. Der besondere Vorteil der Kombination aus homogenen und inhomogenen Teilen ist, dass beide Bereiche unter identischen őuŻeren Bedingungen verglichen werden k÷nnen. Die Abbildung der rőumlichen Verteilung des magnetischen Flusses in supraleitenden Schichten wurde łber ein auf dem Faraday - Effekt basierendes magnetooptisches Verfahren erreicht. Instabilitőten in Form von sogenannten Flusslawinen k÷nnen damit ortsaufgel÷st abgebildet und auf Gr÷Że, Anzahl sowie Form untersucht werden. _ber ein numerisches Inversionsverfahren des Gesetzes von Biot und Savart kann die Verteilung der Stromdichte berechnet werden. Zur zusőtzlichen 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 łber die supraleitenden Eigenschaften sowie die generelle Stabilitőt des stromtragenden Zustands. Eine rőumliche Aufl÷sung ist mit diesem Verfahren jedoch nicht m÷glich. Darłber 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 ű Charakteristik in einem groŻen Temperatur - und Magnetfeldbereich bestimmt werden. Um die Sprungtemperatur prőzise zu bestimmen, wurden Vier - Punkt ű Widerstandsmessungen verwendet. Der Einfluss des őuŻeren Magnetfeldes auf die Sprungtemperatur kann dadurch mikrostrukturabhőngig gemessen werden. Die dafłr ben÷tigte Ortsaufl÷sung ist łber eine separate Kontaktierung unterschiedlicher Probenbereiche zugőnglich. Zur strukturellen Charakterisierung der Schichten wurden Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen, die rőumlichen Verteilung des magnetischen Flusses sowie die lokal aufgel÷ste Temperaturabhőngigkeit der kritischen Stromdichte verwendet. Die Betrachtung inhomogener Probenteile als System aus zwei Schichtstr÷men wurde dadurch legitimiert. Die Abhőngigkeit der Sprungtemperatur vom externen Magnetfeld wurde mikrostrukturabhőngig 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 h÷heren Temperaturen als im homogenen Bereich eintritt. Der Unterschied kann bei fłnf Tesla bis zu fłnf Kelvin betragen und ist auf die Auffaltungen im inhomogenen Probenteil zurłckzufłhren. Mit Hilfe einer dafłr entwickelten prőzisen Steuerung fłr das externe Magnetfeld wurde das Flusseindringen in inhomogenen MgB2 Schichten untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass es auch oberhalb der bekannten Grenztemperatur fłr 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 Erh÷hungen der Flussdichte im Supraleiter. Dies f÷rdert insbesondere den Bildungsprozess von Flusslawinen, da das kritische Feld der Lawinenentstehung erheblich reduziert wird. Wőhrend der Ausbreitung folgen die Flusslawinen stets Kanőlen mit reduziertem Schichtstrom. Wechselt die Mikrostruktur der Schicht auf dem Weg der Lawine, kommt es zu einer pl÷tzlichen Verőnderung des Ausbreitungsverhaltens. Ein Vergleich der Eindringtiefe der regulőren Flussfront mit der maximalen Lőnge einer Lawine hat gezeigt, dass die jeweilige Feldabhőngigkeit qualitativ dem gleichen Gesetz folgt. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Lorentzkraft auch fłr die Lőnge der Lawinen maŻgeblich ist. Um die Beobachtungen bei der Ausbreitung von Flusslawinen zu erklőren, wurde ein Modell entwickelt, das nur eine Flusslinie als Reprősentant fłr 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 Abhőngigkeit der Lawinenlőnge von der Lorentzkraft als auch die pl÷tzliche Verőnderung des Ausbreitungsverhaltens plausibel zu erklőren. Fłr 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 Nichtlinearitőt dieser Beziehung und wurde fłr die hier betrachteten MgB2 Schichten bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass der Exponent zuverlőssig aus dem zeitlichen Abklang des magnetischen Moments extrahiert werden kann. Der Temperaturbereich T < TL ist mit dieser Messmethode zwar nicht zugőnglich, wegen der hohen Anzahl an Messpunkten ist jedoch eine sinnvolle Extrapolation in diesen Bereich m÷glich. Die Variation des externen Magnetfeldes ergab, dass der Exponent im Bereich zwischen null und etwa 50 Millitesla sehr stark feldabhőngig ist. Er kann in diesem Bereich von łber 1000 auf unter 200 abfallen. Dieses Verhalten wurde erstmals detailliert untersucht und sollte fłr die weitere Verbesserung der Theorie beachtet werden. Eine energetische Betrachtung hat gezeigt, dass diese starke Abhőngigkeit nur dann auftritt, wenn sich die Flusslinien unabhőngig voneinander bewegen k÷nnen. Bei ?0Hext 50mT dominiert die Wechselwirkungsenergie gegen łber der Pinningenergie und es tritt ein kollektives Verhalten auf, das die Feldabhőngigkeit abschwőcht. Insgesamt hat sich herausgestellt, dass Inhomogenitőten in MgB2 Schichten die Stabilitőt des stromtragenden Zustands erheblich st÷ren. 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 Inhomogenitőten zu magnetischen Flusslawinen, welche die Stromtragefőhigkeit von Kabeln reduzieren oder das Rauschniveau von Sensoren stark erh÷hen. Bei der Herstellung von dłnnen metallischen Supraleiterschichten ist daher darauf zu achten, dass sich jede Form von Inhomogenitőten ű insbesondere auch kłnstliche Strukturierung ű nachteilig auf die Stabilitőt 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 beeintrőchtigt wird. Dieses Verhalten k÷nnte zum Beispiel bei der Verwendung von MgB2 - Spulen zur Erzeugung hoher Magnetfelder nłtzlich sein.