MgB2薄膜磁通钉扎的各向异性.doc

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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 5 mm2

9、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 ,这样得到

10、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 ,所有曲线的纵坐标值都 是经过峰

11、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 左右 , 如图 1 中

12、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 起的角度偏离 0 . 1时) ,这是一个远

13、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/ / a b 面方向的成分 ,而是H/ / a b 面和 H/

14、 / 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

15、,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 U 0 与温度的依赖关系 。钉扎势在 H/ / a b面方

16、 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 钉扎效应在本实验中并没有发现 。总之 ,M gB2 薄膜磁通

17、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

18、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 shwati Sen , et al . , A ni so t ro

19、p 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 . Phys. Rev. B 66 ( 2002) 104525 .E

20、un Mi Choi , et al . , Eff ect of Two Ba nds o n t he Scali ng of 3 Critical Cur rent Den sit y i n MgB2 Thi n Fil ms J .B 69 ( 2004) ,224510 .Phys. Rev. 4 W. N .Ka ng , et al . , MgB2 Superco nducti ng Thi n Fil ms wit ya Tra nsitio n Te mp erat ure of 39 Kel vi n J . Science 292 , ( 2001) 1521 .M.

21、 Xu , H . Kit azawa , et al . , A ni sot rop y of Sup erco nductivit y 9 T. T. M . Pal st ra , B . Batlo gg , et al . , Di ssipati ve Fl ux Mo2tio n i n High2Te mp erat ure Sup erco nducto r s J . Phys. Rev. B41 ( 1990) 6621 . 5 Appl . Phys. L et t . 79 ( 2001 )f ro m MgB2 Si ngle cr yst al s J .277

22、9 . 10 D. V . Sha nt sev , A . V . Bo byl , et al . , Size of Fl ux J ump s i n Sup erco nducti ng Fil msJ . Phys. Rev. B 72 ( 02 ) , 024541 , ( 2005) .S. Y. Xu , Qi Li , E. Wertz , et al . , High Critical Cur rent Den sit y a nd Vo rt ex Pi nni ng of Epit a xial MgB2 Thi n Fil ms J . Phys. Rev. B 6

23、8 ( 2003) 224501 .T. H . J o ha n sen , M . Ba siljevich , D. V . Sha nt sev , et al . , 6 M . H . J ung , M . J ai me , et al , Che m.( 2001) 4472451 .Phys. L et t J . 343 11 Z. X. Shi , A . K. Pradha n , et al . , Fl ux2Pi nni ng Prop ertie s of 7 Si ngle Cr yst alli ne a nd Dense Pol ycr yst alli

24、 ne MgB2 J .Rev. B 68 ( 2003) 104514 .Phys. 12 8 S. R . Shi nde , S. B . Ogale , et al . , Mo dificeatio n of CriticalCur rent Den sit y of MgB2 Fil ms Ir radiat ed Wit h 200 Me V A gIo ns J . Appl . Phys. L et t . 84 ( 2004) 2352 .Dendritic Fl ux Pat t er ns i n MgB2 Fil ms J . Sup erco nd .Technol

25、 . 14 , 726 ( 2001) .Sci .(上接第 439 页)HB M 模型 ESD 级被提高约 60 % 。这就验证了衬 底触发设计对提高混合电压 I/ O 电路的 ESD 级是 有效的 。电路的有效保护 。这个设计在深亚微米 CMO S 工艺中十分有用 。参考文献 :结论6 1 Willia ms J . Mi xi ng 3 V a nd 5 V ICs J . I EE E Sp ect r u m , Mar . 1993 ,40242 .Pel gro m Marcel J M a nd Ca rel Dij k ma ns E. A 3/ 5 Co mpati ble

26、I/ O Buff er J . J ul . 1995 ,30 ( 7) .Ker Mi ng2Do u and H su H si n2Chyh , ESD Pro t ectio n De si gn fo r Mi xed2Volt age I/ O Buff er Wit h Subst rat e2Tri ggered Ci rcuit J . I E EE , J an 2005 ,52 ( 1) .Ker Mi ng2Do u a nd Chua ng Chien2Hui . ESD Pro t ectio n De sign fo r Mi xed2Volt age I/ O

27、 Ci rcuit wit h Sub st rat e2Triggered Tech2 nique i n Sub2Q ua rt er2Micro n CMO S Proce ss J . I E EEISQ ED02 .为了提高混合电压 I/ O 电路中层叠式 N MO S器件的 ESD 稳健性 ,一种新的 ESD 保护电路已经 被设计出 ,并且在 0 . 35 mCMO S 工艺下成功的得 到验证 。从试验结果中可知 ,应用衬底触发设计 ,可 以将混合电压 I/ O 电路中沟道宽度为 240 m , 对V ss 为正向的层叠式 N MO S 器件在 HB M 模型下的ESD 级 从 3 . 3 kV 提 高 到 5 . 2 kV , 提 高 幅 度 近60 % 。层叠 式 N MO S 器 件 的 触 发 电 压 从 原 来 的8 . 3 V降低到 5 . 1 V ,这样便保证了对混合电压 I/ O 2 3 4