MgB2薄膜磁通钉扎的各向异性

1、传 感 技 术 学 报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 薄膜磁通钉扎的各向异性吕慧 ,张延显 ,杨祥鹏(东南大学物理系 ,南京 210096)摘要 :测量了不同温度下 ,外场分别平行于样品 ab 面和平行于 c 轴两种情况下的 m2 h 磁滞回线和 i2v 特性曲线 ,从磁测量和传输测量计算出临界电流密度和钉扎力密度 。同时测量了两个方向上的磁弛豫 ,并由此估算了它的有效钉扎势 。通过比较这两个方向上的静态和动态特性 ,我们发现在高度 c2轴取向 mgb2 薄膜中 ,钉扎力的各向异性主要来自于超导体固有的 各向异性 ,其主要的钉

6、扎中心是各向同性的正常态点缺陷 。关键词 : mgb2 薄膜 ;超导薄膜各向异性 ;磁通钉扎中图分类号 :o484 . 4文献标识码 :a文章编号 :100421699( 2006) 0220450204金属化合物超导体 二硼化镁 ( m gb2 ) ,其超导转变温度为 39 k ,即零下 234 ,是目前金属化 合物超导体的最高临界温度 。所谓超导体 ,是指在 低温下阻抗消失的物质 。超导体一般可分为两类 : 一类是氧化物的陶瓷 ,另一类是其他的金属化合物 。在二硼化镁超导电性被发现之前 ,金属化合物超导 体的最高临界转变温度为 23 k , 即零下 250 。陶 瓷超导体的临界转变温度比金

7、属化合物超导体的临 界转变温度高 ,但其加工和应用比较困难 。超导物 质二硼化镁是镁和硼按 1 2 的比例结合而成的金属化合物 。其特点是资源丰富 , 价格低廉 , 导电率高 ,容易合成 ,加工简便 。由于二硼化镁容易制成薄膜和线材 ,能够广泛应用于制造 c t 扫描仪等多种 电子仪器仪表 、制造超级电子计算机的元器件以及 电力传输设备的元器件 ,在电子领域和计算机领域 有着广阔的应用前景 。但它的强钉扎力行为与双能隙结构 、超导电性各 向 异性 的关 系还 不 是很 清楚 。本文对最具有应用前景的 c2轴织构取向 m gb2 薄膜的钉扎力行为进行了研究 ,借助于磁测量和电测量 的实验数据 ,

8、 揭示了 c2轴织构取 m gb2 薄膜钉扎力各向异性的本质 , 讨论了 c2轴织构取 m gb2 薄膜钉 扎力各向异性的起源 ,比较了早期电传输测量中临收稿日期 :2005210218基金项目 :东南大学校基金 ;江苏省六大人才高峰作者简介 :吕 慧 (19812) ,女 ,硕士研究生 ,主要研究 mgb2 薄膜超导性质的研究 ,bl uemoo nbut terf ly sina . co m界电流各向异性的影响 123 。c 方向时利用公式 ,外场平行 a b 方向利用公式 j c =m / d ,m 是磁滞回线高度 , d 是薄 膜样 品厚 度 , r 是根据r2 = 5 ×

9、5 mm2 算出来的类比于圆形样品 的有效半径 。在电传输测量中 , 我们选取 10v 的 电压标准从 i2v 曲线中也能得到近似临界电流密度 值 ,由临界电流密度值计算得到钉扎力密度以及它 的标度行为 。由电传输测量得到的钉扎力标度行为非常良好 ,但由磁测量得到的钉扎力标度行为相对 要差一些 。这一结果与多晶样品钉扎力的非标度行 为完全不同 7 ,引起差异的原因在于多晶样品晶粒实验1m gb2 薄 膜 样 品 是 由 po s t ec h ,ko rea 小 组提供的 ,样品的制备主要包含两个步骤 ,第一步是用脉冲激光沉积法 ( pl d) 沉淀一层无定形的硼层 ,然 后在镁气中用高温退火

10、 ,这样得到的就是早前描述过的 4 c2轴 织 构 取 向 m gb2 薄 膜 。薄 膜 的 尺 寸 是5 mm ×5 mm , 厚度是 400 n m , 转变温度是 38 k。其 磁测量和电传输测量都是用 sq u id (超导量子干涉 仪) 在东南大学和日本 n im s 完成的 。方向的分散性 。标度行为的曲线可以由fp / fp. peak h0 . 71 ( 1 - 0 . 2 h) 3 来拟合 ,其中 h = h/,为找h peak2结果与讨论测量磁场方向分别平行于样品 a b 面和平行于出钉扎力密度的各向异性 ,图 2 展示了两个方向钉扎力标度行为曲线的比较 ,所有曲

11、线的纵坐标值都 是经过峰约化的 。由图 2 ( a) 可以看出在较高约化c 轴的几种外场下的( t) 曲线 ,取电阻为正常态下的 90 %为临界温度 ,得到如图 1 所示的转变温度与 上临界场关系曲线 。上临界场的各向异性也表明了图 1 外场分别平行于样品 a b 面和平行于 c 轴方向时的转变温度与上临界场关系曲线 ( hc2 t) 。图中插图h ab / hc为上临界场各向异性参数( t) =。c2 c2薄膜是 c2轴织 构 取 向 , 与 x 射 线 衍 射 实 验 结 果 相h ab / hc符 。它的上临界场各向异性参数 ( t) =c2 c2在温度 25 k 到 34 k 约为 2

12、 左右 , 如图 1 中插 图 所示 。由简单的多项式拟合 ,外推 hc2 t 曲线 ,得到0 k 温 度 下 的 外 场 平 行 a b 面 方 向 的 上 临 界 场h abc2 ( 0) 约为 38 t , 外 场 平 行 c 轴 方 向 的 上 临 界 场图 2 外场分别平行于样品 a b 面和平行于 c 轴方向时钉扎力标度行为曲线的比较 。场下 , h/ / a b 面方向的约化钉扎力密度略高于 h/ /c 轴方向的值 。我们相信这种差异不是由钉扎力的 各向异性引起的 ,对于 h/ / a b 面的磁测量 ,样品宽 度在厚度方向上的投影大约在 ±8m ( 仪器误差引 起的角

13、度偏离 ±0 . 1°时) ,这是一个远大于厚度的数 量级 ,所以 ,实际上得到的 h/ / a b 面方向上的磁滞hcc2 约 为 15 t , 上 临 界 场 各 向 异 性 参 数 ( t)=h ab cc2 / hc2 为 2 . 5 , 与 m gb2 单 晶 样品 各向 异性 参 数2 . 6相当 5 。在接近于临界温度的温区 ,由于 hc2 t 曲线负曲率的影响 ,上临界场值比直接测量得到 的值要高一些 6 。我们也测量了不同温度下 ,两个不同方向上的 磁滞回线 。由比恩模型计算出临界电流 ,外场平行452传感技术学报2006 年回线 ,并非精确纯粹的 h/

14、/ a b 面方向的成分 ,而是h/ / a b 面和 h/ / c 轴两个方向上的混合贡献 ,与多 晶样品结果相似 。如图 2 ( b) 电传输测量的结果与 图 2 (a) 的结果完全不同 ,钉扎力峰的位置在约化场 中间的位置 8 。这主要是由于我们选取了很小的电 压标准下的电流值作为临界电流 ,在这个小的电压 标准下 ,由于巨大的磁通蠕动 9 ,得到的临界电流值远低于临界态下的值 ,导致了与磁测量相比相对较 小的临界电流值 10 。磁通蠕动对外场的依赖关系改变了 j c2b 关系及钉扎力峰的位置 。所以 ,这种 j c2h 关系并没有真正揭示钉扎力的机理 。两个方 向 上钉扎力标度行为的重

15、合表明了钉扎力的各向异性仅仅是由于超导体本身各向异性引起的 ,而并没有 发现钉扎中心的各向异性 。我们的实验中也并没有 出现如 1 中阐述的由于薄膜和衬底间相互作用而引 起的钉扎力 。为了澄清这种不同 ,我们也测量了两个方向上的磁弛豫 。如图 3 所示 ,表明了各向异性的动力学从磁弛 豫 的 近 似 对 数 关 系 , 根 据 磁 弛 豫 方 程 k t l ntm ( t) = m ( 0) 1 -,我们估算了磁通钉u 0t 0扎势 u 0 的大小 ,图 4 比较了 h/ / a b 面方向和 h/ / c图 4 从磁弛豫的近似对数关系曲线中得出的磁通钉扎势 u 0 与温度的关系曲线轴方向的

16、 u 0 与温度的依赖关系 。钉扎势在 h/ / a b面方 向 上 的 值 比 h/ / c 轴 方 向 的 值 大 4 5 倍 。h/ / c 轴方向上 u 0 与温度的以来关系可以较好的用 u 0 h2 2 关系来拟合 ,根据正常态下模型 ,近c2似于 相 当 , 在 低 温 下 , 薄 膜 的 各 向 异 性 实 验 参 数h ab / hc( t) =c2 c2 为 2 . 5 , 考 虑 到 磁 通 钉 扎 体 积 ,u abc0 / u 0 的值应该约为 4 5 ,这与实验数据相吻合 。所以 ,钉扎势的各向异性主要起源与超导体各向异性 ,文献中报道过的薄膜与衬底间相互作用引起的

17、钉扎效应在本实验中并没有发现 。总之 ,m gb2 薄膜磁通的静态和动力性质表明在 高度 c2轴织构取向 m gb2 薄膜中 ,钉扎力的各向异性主要来自于超导体各向异性 ,钉扎力应该是来源于各向同性的正常钉扎中心 ,没有观察到薄膜与衬 底界面的钉扎力 。致谢 :本次项工作得到了东南大学校基金 、江苏 省“六大人才高峰”的资助 。图 3 不同外场和温度下的磁弛豫曲线行为 。在 h/ / c 方向上时 ,除了开始阶段的很短时 间范围内 ,在较大范围的外场和温度下 ,磁弛豫呈对 数关系 。与高温超导体相比 ,它的磁弛豫率很小 ,无 法用具有合理时间参数 t0 和指数 的集体钉扎模 型来解释 ,这可能

18、是由于在我们测量时间开始之前 , 由于扫描场的热磁效应磁通已经发生跳跃 。磁弛豫 曲线中噪音的出现 ,则可能与在高温高场区由于雪 崩引起的磁通跳跃有关 。但 mo 图象显示 ,在低温 小场区 ,磁通雪崩现象更易发生 11 ,12 。在 h/ / a b 面 方向时 ,磁弛豫的对数关系只在低温小场区域出现 , 磁弛豫曲线出现如图 3 示的小跳跃和大跳跃 ,大跳 跃出现较大外场情况下 。这种情况可能与文献中描 述过的圆形和拉长形 的树 枝 状跳 跃有 关 11 ,12 。结 果显示 ,树枝状的磁通跳跃在 h/ / a b 面方向比 h/ /c 方向更容易发生 。参考文献 : 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

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