[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究通过脉冲激光剥离法，在SrTiO3（STO）和YSZ衬底上生长了Pr1-xCa xBa2Cu3O7-δ（x≈0.5）外延薄膜，系统研究其生长行为与超导特性。通过调节衬底温度，在STO上实现了c轴和a轴取向的薄膜，而在YSZ上仅能可靠获得c轴取向；在YSZ上获得的c轴薄膜最高Tc达37 K，且弱局域化行为表明电子局域态散射的存在。

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.

研究动机与目标

• 优化在STO和YSZ衬底上生长Pr1-xCa xBa2Cu3O7-δ外延薄膜并实现取向可控的生长。
• 研究衬底温度对薄膜取向和超导转变温度（Tc）的影响。
• 确定在不同衬底上c轴和a轴取向薄膜可实现的最高Tc。
• 分析正常态电阻率与弱局域化行为，探讨其与电子散射机制的关系。
• 在高磁场下测量STO上c轴取向薄膜的平面内上临界场（BC2ab(0)）。

提出的方法

• 采用脉冲激光剥离法在SrTiO3（STO）和氧化钇稳定的ZrO2（YSZ）衬底上生长外延薄膜。
• 系统调节衬底温度以控制薄膜取向（c轴或a轴）及超导性能。
• 利用X射线衍射确认薄膜取向与外延质量。
• 通过温度依赖的电阻率测量确定Tc并分析正常态行为。
• 沿c轴方向测量电阻率在10 T磁场下的依赖关系，以提取BC2ab(0)。
• 从Tc以上附近的电阻率数据中分析弱局域化行为，推断散射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 衬底温度如何影响Pr1-xCa xBa2Cu3O7-δ薄膜在STO和YSZ衬底上的取向（c轴与a轴）？
• RQ2 在STO和YSZ衬底上，c轴和a轴取向薄膜可实现的最高超导转变温度（Tc）是多少？
• RQ3 这些薄膜中正常态电阻率的弱温度依赖性以及观测到的弱局域化行为的成因是什么？
• RQ4 STO上c轴取向薄膜的平面内上临界场（BC2ab(0)）沿c轴方向如何随磁场变化？
• RQ5 尽管调节了温度，为何在YSZ衬底上难以实现a轴取向？

主要发现

• 通过调节衬底温度，在SrTiO3上成功生长出高质量的c轴和a轴取向薄膜。
• 在YSZ衬底上，仅能可靠制备c轴取向薄膜，最高Tc达37 K。
• 在STO上测得的最高Tc为35.6 K，出现在c轴与a轴混合取向的薄膜中。
• 正常态电阻率表现出弱温度依赖性，且在Tc以上观察到弱局域化行为，表明存在来自局域电子态的散射。
• 基于磁场高达10 T的电阻率数据，估算了STO上c轴薄膜在零温下的平面内上临界场BC2ab(0)。
• 尽管调节了温度，仍难以在YSZ衬底上实现a轴取向，归因于衬底特有的外延约束。