Die Stabilität des stromtragenden Zustands in MgB2 Schichten mit modifizierter Mikrostruktur

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Instabilitõten des stromtragenden Zustands in d³nnen Schichten des metallischen Supraleiters MgB2 untersucht. Es handelt sich dabei um sprunghafte Verõnderungen des magnetischen Flussliniensystems aufgrund õu¯erer Einfl³sse. _ber die bisher bekannten Rahmenbedingungen f³r Instabilitõten in d³nnen supraleitenden Schichten hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur der Schichten untersucht. F³r die Prõparation der supraleitenden Schichten wurde ein relativ einfaches Verfahren verwendet, bei dem ein durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellter Magnesium/Bor Precursor ex û 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 Inhomogenitõten im Mikrometerbereich bereits wõhrend der Herstellung der Proben zu erzeugen. Es wurden Schichten, mit verschiedenen Mikrostrukturen hergestellt: Neben homogenen Schichten wurden inhomogene Schichten hergestellt, die von öKanõlenô mit reduziertem Schichtstrom durchzogen sind. Dar³ber hinaus wurden Schichten hergestellt, die nur in Teilen diese Kanõle aufweisen. Der besondere Vorteil der Kombination aus homogenen und inhomogenen Teilen ist, dass beide Bereiche unter identischen õu¯eren Bedingungen verglichen werden k÷nnen. Die Abbildung der rõumlichen Verteilung des magnetischen Flusses in supraleitenden Schichten wurde ³ber ein auf dem Faraday - Effekt basierendes magnetooptisches Verfahren erreicht. Instabilitõten in Form von sogenannten Flusslawinen k÷nnen damit ortsaufgel÷st abgebildet und auf Gr÷¯e, Anzahl sowie Form untersucht werden. _ber ein numerisches Inversionsverfahren des Gesetzes von Biot und Savart kann die Verteilung der Stromdichte berechnet werden. Zur zusõtzlichen 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 ³ber die supraleitenden Eigenschaften sowie die generelle Stabilitõt des stromtragenden Zustands. Eine rõumliche Aufl÷sung ist mit diesem Verfahren jedoch nicht m÷glich. Dar³ber 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 û Charakteristik in einem gro¯en Temperatur - und Magnetfeldbereich bestimmt werden. Um die Sprungtemperatur prõzise zu bestimmen, wurden Vier - Punkt û Widerstandsmessungen verwendet. Der Einfluss des õu¯eren Magnetfeldes auf die Sprungtemperatur kann dadurch mikrostrukturabhõngig gemessen werden. Die daf³r ben÷tigte Ortsaufl÷sung ist ³ber eine separate Kontaktierung unterschiedlicher Probenbereiche zugõnglich. Zur strukturellen Charakterisierung der Schichten wurden Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen, die rõumlichen Verteilung des magnetischen Flusses sowie die lokal aufgel÷ste Temperaturabhõngigkeit der kritischen Stromdichte verwendet. Die Betrachtung inhomogener Probenteile als System aus zwei Schichtstr÷men wurde dadurch legitimiert. Die Abhõngigkeit der Sprungtemperatur vom externen Magnetfeld wurde mikrostrukturabhõngig 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 f³nf Tesla bis zu f³nf Kelvin betragen und ist auf die Auffaltungen im inhomogenen Probenteil zur³ckzuf³hren. Mit Hilfe einer daf³r entwickelten prõzisen Steuerung f³r das externe Magnetfeld wurde das Flusseindringen in inhomogenen MgB2 Schichten untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass es auch oberhalb der bekannten Grenztemperatur f³r 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. Wõhrend der Ausbreitung folgen die Flusslawinen stets Kanõlen mit reduziertem Schichtstrom. Wechselt die Mikrostruktur der Schicht auf dem Weg der Lawine, kommt es zu einer pl÷tzlichen Verõnderung des Ausbreitungsverhaltens. Ein Vergleich der Eindringtiefe der regulõren Flussfront mit der maximalen Lõnge einer Lawine hat gezeigt, dass die jeweilige Feldabhõngigkeit qualitativ dem gleichen Gesetz folgt. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Lorentzkraft auch f³r die Lõnge der Lawinen ma¯geblich ist. Um die Beobachtungen bei der Ausbreitung von Flusslawinen zu erklõren, wurde ein Modell entwickelt, das nur eine Flusslinie als Reprõsentant f³r 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 Abhõngigkeit der Lawinenlõnge von der Lorentzkraft als auch die pl÷tzliche Verõnderung des Ausbreitungsverhaltens plausibel zu erklõren. F³r 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 Nichtlinearitõt dieser Beziehung und wurde f³r die hier betrachteten MgB2 Schichten bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass der Exponent zuverlõssig aus dem zeitlichen Abklang des magnetischen Moments extrahiert werden kann. Der Temperaturbereich T < TL ist mit dieser Messmethode zwar nicht zugõnglich, 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 feldabhõngig ist. Er kann in diesem Bereich von ³ber 1000 auf unter 200 abfallen. Dieses Verhalten wurde erstmals detailliert untersucht und sollte f³r die weitere Verbesserung der Theorie beachtet werden. Eine energetische Betrachtung hat gezeigt, dass diese starke Abhõngigkeit nur dann auftritt, wenn sich die Flusslinien unabhõngig voneinander bewegen k÷nnen. Bei ?0Hext 50mT dominiert die Wechselwirkungsenergie gegen ³ber der Pinningenergie und es tritt ein kollektives Verhalten auf, das die Feldabhõngigkeit abschwõcht. Insgesamt hat sich herausgestellt, dass Inhomogenitõten in MgB2 Schichten die Stabilitõt 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 Inhomogenitõten zu magnetischen Flusslawinen, welche die Stromtragefõhigkeit von Kabeln reduzieren oder das Rauschniveau von Sensoren stark erh÷hen. Bei der Herstellung von d³nnen metallischen Supraleiterschichten ist daher darauf zu achten, dass sich jede Form von Inhomogenitõten û insbesondere auch k³nstliche Strukturierung û nachteilig auf die Stabilitõt 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 beeintrõchtigt wird. Dieses Verhalten k÷nnte zum Beispiel bei der Verwendung von MgB2 - Spulen zur Erzeugung hoher Magnetfelder n³tzlich sein.