[論文レビュー] Growth and superconducting transition of {\mathrm {Pr}}_{1-x}{\mathrm{Ca}}_x{\mathrm {Ba_2Cu_3O_{7-\delta } }}~(x\approx 0.5) epitaxial thin films

Jiaxin Xiang, Z Y Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2005

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 22被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、パulsed laser ablationを用いて、SrTiO3 (STO) および YSZ 基板上に、Pr1-xCa xBa2Cu3O7-δ (x≈0.5) のエpitaxial薄膜の成長および超伝導特性を調査した。基板温度を調整することで、STO上ではc軸およびa軸配向薄膜が得られ、YSZ上ではc軸配向のみが信頼性高く得られた。YSZ上でのc軸配向薄膜で最大Tc 37 Kが観測され、弱い局在化行動が局在化電子状態からの散乱を示唆した。

ABSTRACT

thin films have been grown on SrTiO3 (STO) and yttrium-stabilized ZrO2 (YSZ) substrates by pulsed laser ablation. The substrate temperature dependence of orientation and superconducting properties were systematically studied. Good quality c-axis and a-axis orientated films can be obtained on SrTiO3 solely by changing the substrate temperature. On YSZ, films with good c-axis orientation can be grown, while it is hard to grow films with good a-axis orientation by changing substrate temperature alone. The highest TC 0 is about 37 K, which is found in the films grown on YSZ with a good c-axis orientation. For the films grown on STO, however, the highest TC 0 is about 35.6 K, with a mixed orientation of c-axis and a-axis. In most of the superconducting films, the weak temperature dependence of the normal state resistivity, as characterized by small ratios, together with a weak localization behaviour just above TC, could be attributed to the essential scattering due to the localized electronic states. The superconducting transitions in a field up to 10 T along the c-axis have been measured on a c-axis oriented film grown on SrTiO3. The zero-temperature in-plane upper critical field BC 2ab(0) is estimated from the resistivity transition data.

研究の動機と目的

• STOおよびYSZ基板上での配向制御を施したPr1-xCa xBa2Cu3O7-δエpitaxial薄膜の最適化を目的とする。
• 基板温度が薄膜の配向および超伝導転移温度（Tc）に与える影響を調査すること。
• 異なる基板上でのc軸およびa軸配向薄膜で達成可能な最高Tcを特定すること。
• 正規状態の抵抗率および弱い局在化行動を、電子散乱機構と関連付けて分析すること。
• STO上にc軸配向した薄膜の高磁場下での面内上臨界磁場（BC2ab(0)）を測定すること。

提案手法

• パルスレーザー剥離法を用いて、SrTiO3（STO）およびジルコニウム酸土化物をジルコニウム酸土化物で安定化させたYSZ基板上にエpitaxial薄膜を成長させた。
• 基板温度を系統的に変化させることで、薄膜の配向（c軸またはa軸）および超伝導特性を制御した。
• X線回折を用いて、薄膜の配向およびエpitaxial品質を確認した。
• 温度依存抵抗率測定を実施し、Tcの特定および正規状態の挙動の分析を行った。
• c軸に沿った磁場まで10 Tまでの磁場依存抵抗率を測定し、BC2ab(0)を抽出した。
• Tcよりわずかに高い領域での抵抗率データから、弱い局在化行動を分析し、散乱機構を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板温度は、STOおよびYSZ上でのPr1-xCa xBa2Cu3O7-δ薄膜の配向（c軸対a軸）にどのように影響するか？
• RQ2 STOおよびYSZ基板上でのc軸およびa軸配向薄膜で達成可能な最大超伝導転移温度（Tc）は何か？
• RQ3 これらの薄膜で観察された正規状態抵抗率の弱い温度依存性および弱い局在化行動の原因は何か？
• RQ4 STO上にc軸配向した薄膜の面内上臨界磁場（BC2ab(0)）は、c軸に沿った磁場の変化に対してどのように変化するか？
• RQ5 温度調整を行っても、なぜYSZ基板上ではa軸配向が困難であるのか？

主な発見

• 基板温度を変化させることで、SrTiO3上に良好な品質のc軸およびa軸配向薄膜を成功裏に成長させた。
• YSZ基板上では、c軸配向薄膜のみが信頼性高く得られ、最大Tc 37 Kが観測された。
• STO上での最高Tcは35.6 Kであり、c軸およびa軸の混合配向を示す薄膜で観測された。
• 正規状態抵抗率は弱い温度依存性を示し、Tcよりわずかに高い領域で弱い局在化行動が観測され、局在化電子状態からの散乱を示唆した。
• c軸配向薄膜のゼロ温度における面内上臨界磁場BC2ab(0)は、磁場が10 Tに達するまでの抵抗率データから推定された。
• YSZ基板上でのa軸配向の困難さは、基板固有のエpitaxial制約に起因しており、温度調整でも克服できなかった。