Mechnismen der Stromunterdrückung in supraleitenden YBa2Cu3O7-d Kleinwinkelkorngrenzen

Abstract

Während in hochtexturierten Dünnfilmen des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-d (Y-123) intragranulare kritische Stromdichten von einigen 1011A/m2 bei 4.2 Kelvin erzielt werden können, nimmt in bikristallinen Proben dieses Materials die intergranulare kritische Stromdichte mit zunehmendem Korngrenzfehlorientierungswinkel stark ab. Anhand von Transportmessungen konnte gezeigt werden, dass die Abnahme der intergranularen Stromdichte näherungsweise über eine Exponentialfunktion beschrieben werden kann. Während Transportmessungen lediglich einen über die Breite der Korngrenze gemittelten Wert für die intergranulare Stromdichte liefern, befasst sich die vorleigende Arbeit ausgiebig mit der Frage nach der ortsaufgelösten Verteilung der Stromdichte in der Korngrenze. Hierzu wurden die stromtragenden Eigenschaften bikristalliner Y-123 Dünnfilmproben mittels magneto-optischer Mikroskopie, einer ortsauflösenden Technik zur Abbildung von Fluss- und Stromdichteverteilungen in supraleitenden Dünnfilmen, charakterisiert. Es wurde dabei erstmals gezeigt, dass sich die Stromdichte stark inhomogen über die Breite der Korngrenze verteilt. Weiterführende Experimente konnten schliesslich eine Korrelation zwischen der Verteilung der Stromdichte und dem lokalen elektrischen Feld herstellen. Dabei hat sich die Vermutung bestätigt, dass in der Korngrenze stark dissipative Bereiche, die mit einer hohen kritischen Stromdichte belegt sind, und schnell relaxierende Regionen, in denen eine reduzierte Stromdichte vorherrscht, nebeneinander koexistieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene Verfahren zur Manipulation der Korngrenzeigenschaften bei festem Fehlorientierungswinkel untersucht. Dabei wurde sowohl über eine Substratmanipulation als auch durch chemisches Dotieren der Y-123 Proben mit Kalzium eine Verbesserung der Korngrenzkopplung erzielt. Mittels elektronenholographischer Untersuchungen konnte in diesem Zusammenhang erstmals gezeigt werden, dass im Gegensatz zu bisherigen Vorstellungen sowohl dotierte als auch undotierte supraleitende Korngrenzen mit einem negativen elektrostatischen Potential belegt sind. Mit Hilfe detaillierter Modellrechnungen konnte gezeigt werden, welchen mikroskopischen Einfluss ein derartiges Potential auf die Ladungsverteilung im Bereich von Korgrenzen ausübt und wie daraus die Stromunterdrückung im Kleinwinkelbereich resultiert.