Untersuchung dünner Schichten mittels akustischer Oberflächenwellen

Mit Hilfe von Interdigitalwandlern werden akustische Oberflächenwellen (Rayleigh-Typ) auf Lithiumniobatsubstraten LiNbO3 erzeugt. Bei ihrer Ausbreitung auf dem Substrat werden diese Wellen von dünnen Schichten auf dem Substrat hinsichtlich ihrer Dämpfung und ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit beeinflusst. Durch Messung dieser Größen unter Variation von Temperatur und Magnetfeld können so Rückschlüsse auf die elastischen, elektrischen/ piezoelektrischen Eigenschaften der zu untersuchenden Schichtstrukturen gezogen werden.

Thermische Längenänderung und Magnetostriktion

Es wird die thermische Längenänderung und die Magnetostriktion von supraleitenden und magnetisch dotierten Borkarbiden untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei die Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus. Magnetostriktive Beiträge infolge inhomogener Flusslinienverteilung liefern Erkenntnisse über die Flusslinienverankerung, die kritische Stromdichte, das obere kritische Magnetfeld und die Irreversibilitätslinie. In magnetisch dotierten Borkarbiden sollen magnetische Phasenübergänge untersucht werden. Die Messungen werden erweitert auf konventionelle Supraleiter und andere Festkörper.

Magnetostriktion von Borocarbiden

Polykristalline Proben der neuartigen Borkarbid-Supraleiter wurden in einem wassergekühlten Kupfertiegel unter einem 10 kV - Elektronenstrahl aus den elementaren Konstituenten erschmolzen. Beim Yttrium-Nickel-Borkarbid wurde TC=15,5 K bei einer Übergangsbreite von ca. 1K erreicht. Auch das Yttrium-Palladium-Borkarbid mit der höchsten bisher in dieser Substanzklasse erzielten Sprungtemperatur von 23 K konnte präpariert werden. Magnetostriktionsmessungen am YNi2B2C zeigen Längenänderung durch inhomogene Verteilung verankerter Flussschläuche. Diese geht bei Annäherung an das obere kritische Magnetfeld infolge der Abnahme der Haftkräfte und der Homogenisierung der Flussverteilung wieder zurück. Durch Bestimmung des Magnetfeldes der vollständigen Flusshomogenisierung bei verschiedenen Temperaturen kann die Irreversibilitätslinie im T-B-Phasendiagramm bestimmt und mit AC-suszeptometrischen Messungen des oberen kritischen Magnetfeldes verglichen werden. Dabei zeigt sich eine Korrelation zwischen der Breite des supraleitenden Phasenübergangs und jener des reversiblen Bereiches. Durch thermische Zyklen in einem äußeren Magnetfeld nach feldfreier Abkühlung konnte die Homogenisierung der Flussverteilung durch Abnahme der Haftkraft bei Temperaturerhöhung und das Einfrieren der momentanen Flussverteilung beim Wiederabkühlen gezeigt werden.

Ultraschallmessungen an Hochtemperatur-Supraleitern

Es wurden Hochtemperatur-Supraleiter durch Messung der Ultraschalldämpfung und der Schallgeschwindigkeit untersucht. Eine weitere Charakterisierung erfolgte durch Messungen der AC-Suszeptibilität, der DC-Suszeptibilität und der thermischen Ausdehnung. Es wurde systematisch das Verhalten des Flussliniengitters im Bi-2223-Supraleiter (keramische c-Achsen-texturierte Probe) durch das magnetoakustische Experiment untersucht. Die für Anwendungen der Hochtemperatur-Supraleiter bedeutsamen Aktivierungsenergien für die Bewegung der Flußschläuche wurden für verschiedene Magnetfelder aus den Messergebnissen berechnet. Diese Aktivierungsenergien bestimmen auch die Stromtragfähigkeit der supraleitenden Probe. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist das beobachtete Auftreten von nichtlinearen Effekten in der Ultraschalldämpfung und Schallgeschwindigkeit bei Variation der Schallamplitude bis zu extrem hohen Werten. Dies konnte durch eine Erweiterung und Optimierung der Messapparaturen erreicht werden.

Messungen von Ultraschalldämpfung und Schallgeschwindigkeit

Die Ultraschalldämpfung und die Schallgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur und des Magnetfeldes werden gemessen, um die Flusslinienverankerung in Hochtemperatur-Supraleitern und Borkarbiden zu untersuchen. Darüber hinaus sollen die elastischen Moduli bestimmt werden. Weiterhin werden Relaxationsprozesse und Phasenübergänge, z.B. in La2-xCuO4+d analysiert. Zusätzlich sollen in höchstreinen, metallischen Systemen akustische Quantenoszillationen gemessen werden.

Veröffentlichung im Wissenschaftsmagazin der BTU Cottbus
R. Schubert, I. Henke: Forum der Forschung 16, 28-32, 2003

Präparation von Strukturen in dünnen Schichten

Für zahlreiche physikalische Untersuchungsmethoden ist es notwendig, dünne Schichten zu strukturieren. Dabei liegen die Strukturgrößen oftmals bei mehreren Millimetern, die Strukturdetails bei einigen Mikrometern. Diesem Zweck diente die Entwicklung eines optisch arbeitenden Verfahrens, bei welchem die zu erzeugende Struktur direkt in einen zuvor auf die zu strukturierende Schicht aufgebrachten photoempfindlichen Lack geschrieben wird. Durch nachfolgende nasschemische Behandlung wird die gewünschte Struktur erzeugt.

Präparation und Charakterisierung dünner Schichten

Dünne Schichten aus Hochtemperatur-Supraleitern, z.B. YBa2Cu3Oy, werden durch reaktives HF-Sputtern auf unterschiedlichen einkristallinen Substraten (wie SrTiO3, ZrO2, LiNbO3) hergestellt. Die Strukturierung für Messungen der kritischen Stromdichte und des Magnetowiderstandes erfolgt mit Hilfe eines selbstentwickelten photolithographischen Systems. Weitere Charakterisierungen erfolgen mit Hilfe der AC-Suszeptibilität und mit Oberflächenwellen.