Сверхток плотностью выше 10⁶ А/см² при 77 К в монокристаллическом пленочном проводнике из ВТСП купрата YBa₂Cu₃O₇₋δ – мечта или реальность?

Abstract

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.