Сверхток плотностью выше 10⁶ А/см² при 77 К в монокристаллическом пленочном проводнике из ВТСП купрата YBa₂Cu₃O₇₋δ – мечта или реальность? - Пан, В.М. (Физика низких температур, 2006)
Явления при протекании сверхтока в эпитаксиальных с-ориентированных тонких пленках
ВТСП купрата YBa₂Cu₃O₇₋δ (YBCO) c высокой плотностью критического тока Jc(77 К) ≥
≥ 2⋅10⁶ А/см² исследованы с помощью четырехзондовых транспортных измерений, низкочастотной магнитной восприимчивости и СКВИД-магнитометрии. Пленки для исследований получены осаждением на монокристаллические подложки из сапфира (r-срез) с буферным слоем
CeO₂ или из LaAlO₃ (100) c помощью неосевого dc-магнетронного распыления или импульсной
лазерной абляции. Модель механизмов пиннинга вихрей Абрикосова и ограничения сверхтока
разработана и обсуждена путем сравнения ее предсказаний с результатами измерений критического тока и его зависимостей от приложенного магнитного поля различной напряженности и
ориентации, а также данными о наноструктуре, полученными с помощью высокоразрешающей
просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции при обратном рассеянии. Показано, что малоугловые субграницы слегка азимутально разориентированных доменов, образовавшиеся в процессе эпитаксиального роста пленки, играют ключевую роль в явлениях, которые обнаружены при транспорте сверхтока. Малоугловые субграницы наклона
представляют собой эквидистантные упорядоченные ряды краевых дислокаций с несверхпроводящими ядрами диаметром около 3–4 нм. Линии дислокаций в субграницах параллельны
друг другу и перпендикулярны плоскости пленки. Средняя плотность дислокаций по площади
пленки зависит от реальной статистики случайной системы субграниц доменов и может достигать 10¹¹ см⁻². Поскольку диаметр «нормального» ядра дислокации близок к диаметру кора
вихря Абрикосова, элементарная сила пиннинга вихря на ядре дислокации оказывается близка
к максимально возможной. Характерные черты пиннинга на дислокационных субграницах:
1) достижение высоких Jc(77 К) ≥ 2⋅10⁶ А/см² и Jc(20 К) > 2⋅10⁷ А/см² в эпитаксиальных
пленках и проводниках; 2) существование «плато» в зависимости Jc(Н), т.е. Jc(Н) = const при
Н < Hm; 3) логарифмическое падение Jc(Н) при Н > Hm, т.е. при переходе от режима одночастичного пиннинга к коллективному пиннингу вихревой решетки на статистическом ансамбле
случайно распределенных дислокационных субграниц; 4) существование порогового поля Нр,
определяющего предел, до которого в тонкой (d ≤ λ ) пленке вихри остаются прямолинейными
и перпендикулярными пленке даже в наклоненном под большим углом приложенном поле;
5) эволюция угловых зависимостей Jc(θ) с изменением напряженности поля полностью согласуется с моделью доминирующего пиннинга на «прошивающих» краевых дислокациях. Новый
«пик-эффект» — повышение Jc(H || ab) с ростом продольного поля — впервые наблюдался при
Н > Hm, т.е. после окончания «плато» Jc(H || ab) = const. Явища при протіканні надструму в епітаксійних с-орієнтованих тонких плівках ВТНП купрату YBa₂Cu₃O₇₋δ (YBCO) з високою густиною критичного струму Jc(77 К) ≥
≥ 2⋅10⁶ А/см²
досліджено за допомогою чотирьохзондових транспортних вимірювань, низькочастотної
магнітної сприйнятливості й СКВІД-магнітометрії. Плівки для досліджень отримані осадженням на монокристалічні підкладинки з сапфіру (r-зріз) з буферним шаром CeO₂ або з LaAlO₃
(100) за допомогою неспіввісного dc-магнетронного розпорошення або імпульсної лазерної абляції. Модель механізмів пінінгу вихорів Абрикосова й обмеження надструму розроблена й обговорена шляхом порівняння її передбачень з результатами вимірювань критичного струму та
його залежностей від прикладеного магнітного поля різної напруженості й орієнтації, а також
з даними про наноструктуру, які отримані за допомогою просвічуючої електронноі мікроскопії
з високою роздільною здатностю та електронної дифракції при зворотньому розсіянні. Показано, що низькокутові субграниці злегка азимутально розорієнтованих доменів, які утворюються
у процесі епітаксійного зростання плівки, відіграють ключову роль у явищах, спостережених
при транспорті надструму. Низькокутові субграниці нахилу є еквідистантними впорядкованими рядами межових дислокацій з ненадпровідними ядрами діаметром близько 3–4 нм. Лінії
дислокацій у субграницях є паралельними одна одній і перпендикулярними площині плівки.
Середня густина дислокацій по площині плівки залежить від реальної статистики випадкової
системи субграниць доменів і може досягати 10¹¹ см⁻². Оскільки діаметр «нормального» ядра
дислокації є близьким до діаметру кора вихоря Абрикосова, елементарна сила пінінгу вихоря на
ядрі дислокації є наближеною до максимально можливої. Характерні риси пінінгу на дислокаційних субграницях: 1) досягнення високих Jc(77 К) ≥ 2⋅10⁶ А/см² и Jc(20 К) > 2⋅10⁷ А/см²
у епітаксійних плівках та провідниках; 2) існування «плато» у залежності Jc(Н), тобто
Jc(Н) = const при Н < Hm; 3) логарифмічне зменшення Jc(Н) при Н > Hm, тобто при переході
від режиму одночастинкового пінінгу до колективного пінінгу вихоревої гратки на статистичному ансамблі випадково розподілених дислокаційних субграниць; 4) існування порогового
поля Нр, що визначає межу, до якої у тонкій (d ≤ ) плівці вихорі залишаються прямолінійними та перпендикулярними плівці навіть у нахиленому під великим кутом прикладеному полі;
5) еволюція кутових залежностей Jc(θ) із зміною напруженості поля повністю узгоджується з
моделлю домінуючого пінінгу на межових дислокаціях. Новий «пік-ефект» — підвищення
Jc(H || ab) із зростанням повздовжного поля — вперше спостерігався при Н > Hm, тобто після
закінчення «плато» Jc(H || ab) = const. The supercurrent transport phenomena in epitaxial
c-axis-oriented thin films of HTS cuprate
YBa₂Cu₃O₇₋δ (YBCO) with high Jc(77 К) ≥
≥ 2⋅10⁶ А/см² are studied by the four-probe
transport current technique, low-frequency ac
magnetic susceptibility and SQUID magnetometry.
The films under study are deposited onto
r-cut sapphire substrates buffered with a CeO₂
layer or LaAlO₃ (100) by the off-axis dc magnetron
sputtering or by the pulse-laser ablation. A
consistent model of vortex pinning and supercurrent
limitation is developed. Its predictions
are compared with the experimental data on transport
current and magnetic field dependences, as
well as the data on nanostructure obtained by
high-resolution transmission electron microscopy
and electron back scattering diffraction. Low angle
subboundaries (LABs) between slightly inplane
misaligned domains, formed in the process
of film growth are shown to play a key role in
the phenomena detected at the supercurrent
flow. Tilt LABs can be presented as equidistant
ordered rows of edge dislocations with nonsuperconducting
cores of about 3–4 nm in diameter.
The dislocation lines are parallel to each others
and perpendicular to the film plane. A mean
area density of dislocations depends on statistical
parameters of the random domain boundaries
network and may reach 10¹¹ см⁻². As the diameter
of «normal» dislocation core is close to the
diameter of Abrikosov vortex core the elementary
pinning force appears to go up to its maximum
value. Our model takes into account both
the transparency of LABs for supercurrent as
well as the pinning of vortex lattice on the network
of LABs and allows to extract the main
statistical parameters of the film nanostructure
such as domain size distribution and mean
misorientation angle from the Jc(H) curves measured
at magnetic fields, H, parallel to the c
axis. The model provides a possibility to comprehend
all the experimental results: 1) the achievement
of the highest Jc(77 К) ≥ 2⋅10⁶ А/см² и Jc(20 К) > 2⋅10⁷ А/см² just in epitaxial
cuprate films and conductors; 2) the existence of
a «plateau» Jc(H) = const in the Jc(H) dependencies
at Í < Hm; 3) the logarithmic of Jc(H)
fall at Í > Hm due to the transition from the
single-vortex pinning regime to the «collective»
one; 4) the existence of the characteristic threshold
field Íð below which the vortices within a
thin film (d ≤ λ) remain straight and perpendicular
to the film surface even in strongly inclined
field, making clear the absence of the expected
maximum at H || c for Jc(); 5) the
evolution of the angle dependences Jc(θ) with H
variation is shown to be consistent with the dominating
pinning on edge dislocations. The observed
effects are found to be consistent with
the model developed. A new «peak-effect», i.e.,
an increase in Jc(H || ab) with applied longitudinal
dc magnetic field, emerging due to the additional
electromagnetic pinning, was detected for
the first time in YBCO films with a very smooth
surface.