Tunnelkontakte aus Hochtemperatursupraleitern: planare YBa2Cu3O7 - Kontakte mit ferromagnetischer Tunnelbarriere und La2-xCexCuO4 - Korngrenzenkontakte

Abstract

In dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Tunnelkontakt-Systeme untersucht, die jeweils aus Hochtemperatursupraleitern aufgebaut waren. Im ersten Teil wurde der “ Long-Range Proximity Effect“ (LRPE) an planaren Kontakten aus Trilagen des Kupratsupraleiters YBa2Cu3O7 und des Halbmetalls La2/3Ca1/3MnO3 (YBCO-LCMO-YBCO-Kontakte) untersucht. Unter dem LRPE versteht man eine Kopplung der supraleitenden Wellenfunktionen über eine ferromagnetische Barriere, die die Längenskala des gewöhnlichen Proximity-Effekts im Ferromagneten um mehrere Größenordnungen übertreffen kann. Es existieren verschiedene Theorien für diese langreichweitige Kopplung wie etwa eine Singulett-Triplett-Konversion der Cooper-Paare an der Grenzfläche oder eine Kopplung über die Domänenwände. Die Motivation dieser Arbeit war es, den LRPE anhand einer Josephson-Kopplung über 10-30 nm dicke LCMO-Schichten zu untersuchen. Dafür wurden 17 Proben mittels gepulster Laserablation, HF-Sputtern und Photolithographie hergestellt. Neben der Beschreibung der einzelnen Herstellungsschritte wird besonders auf die notwendigen Maßnahmen zur Erzeugung einer funktionierenden Trilage eingegangen. Eine erste Charakterisierung erfolgte mittels RHEED, XRD, AFM und Suszeptibilitätsmessungen. Bei Transportmessungen in niedrigen Magnetfeldern konnte ein Josephson-Strom über bis zu 30 nm dicke LCMO-Barrieren beobachtet werden und der direkte Einfluss der ferromagnetischen LCMO-Schicht auf das Tunnelverhalten sichtbar gemacht werden. Zuletzt zeigten Messungen bei hohen Magnetfeldern bis zu 5 Tesla zwei Oszillationen des kritischen Stroms. Eine große Oszillation mit hoher Modulationstiefe und einer Periode von mehreren Tesla wurde von einer kleineren Oszillation mit einer Periode von wenigen Millitesla überlagert. Simulationen zeigten eine rechteckförmige Suprastromverteilung über die Randbereiche des Kontaktes als mögliche Ursache. Im zweiten Teil der Arbeit wird mit dem Kuprat La2-xCexCuO4 (LCCO) ein einzelner Hochtemperatursupraleiter untersucht. Dabei handelt es sich um Messungen des Quasiteilchentunnelns über Korngrenzenkontakte bei Variation der Magnetfeldorientierung. Die Motivation lag in der Untersuchung der Beeinflussung des Tunnelverhaltens durch Ausscheidungen und Nebenphasen, die beim Herstellungsprozess von LCCO nur schwer vermeidbar sind. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei in der Beobachtung eines „Zero Bias Conductance Peaks“ (ZBCP) und der Frage ob dieser als Sonde zur Bestimmung des oberen kritischen Magnetfeldes verwendet werden darf. Es konnte klar gezeigt werden, dass die Bestimmung von Bc2 über den ZBCP für Magnetfelder senkrecht zur Filmebene richtig ist und nicht durch Nebenphasen oder Ausscheidungen beeinflusst wird. Des Weiteren konnten interessante, teilweise nicht erwartete Entdeckungen des ZBCP-Verhaltens im Magnetfeld gemacht werden. So konnte gezeigt werden, dass die Richtung des Magnetfeldes in Bezug auf die CuO2-Ebenen von entscheidender Bedeutung für das Tunnelverhalten und die Bildung des ZBCP ist. Die Entwicklung der Energielücke und der Kohärenzpeaks bei einer Drehung in die Filmebene wird über die Anisotropie von Bc2 erklärt. Das wohl erstaunlichste Ergebnis der Messungen war die starke Abnahme des ZBCP bei einer Drehung des Magnetfeldes in Richtung der Filmebene.

In this thesis two different kinds of tunnel junctions consisting of high temperature superconductors were studied. The first part is about the investigation of the “Long-Range Proximity Effect” (LRPE) on planar junctions of epitaxially grown trilayers of superconducting YBa2Cu3O7 and half-metallic La2/3Ca1/3MnO3 (YBCO-LCMO-YBCO-junctions). The LRPE is a long-range coupling of the superconducting wave functions across a ferromagnetic barrier, which cannot be understood by the common proximity effect. There are different theories for the cause of this coupling like a singlet to triplet conversion of the Cooper pairs at the boundary or a coupling along the domain walls. The motivation of this work was to investigate the LRPE through 10-30 nm thick LCMO-barriers. Therefore 17 samples were made by pulsed laser deposition, HF sputtering and Photolithography. A first characteristation of the trilayers was done by RHEED, XRD, AFM and susceptibility measurements. Transport measurements at low magnetic fields showed Josephson-currents through up to 30 nm thick LCMO-barrieres and also revealed the influence of the ferromagnetic layer on the critical current vs. magnetic field behavior. Measurements at high magnetic fields up to 5 Tesla showed two kinds of oscillations of the critical current. A large oscillation with high amplitude and a period of several Tesla was modulated by a small oscillation with a period of only some Millitesla. Simulations revealed supercurrents across the edges of the junction as a possible reason. The second part of this dissertation is about measurements of the quasiparticle tunneling across grain boundary junctions of the cuprate superconductor La2-xCexCuO4 (LCCO). The motivation was to investigate the development of the tunneling spectra by varying the direction of a magnetic field. By this means one should be able to see the influence of minority phases and chemical dispersions which are both common side-products of the thin film fabrication process of LCCO. A special focus lies on the investigation of a “Zero Bias Conductance Peak” (ZBCP) and the related question of the possibility of using the ZBCP as a probe for the lower bound of the critical magnetic field Bc2. The development of the conductance spectrum when rotating a magnetic field from the c-axis direction towards the in-plane direction of the film reveales some intriguing features. A strong increase of the coherence peaks and the energy gap could be observed which can be explained by the characteristic anisotropy of Bc2 in the cuprates. Surprisingly the behavior of the ZBCP when rotating the field towards the plane film was completely different. The development of the ZBCP while rotating a magnetic field in-plane gives clear evidence that a ZBCP can be used as a probe for Bc2.