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Misure di trasporto in superreticoli superconduttori BaCuO2/CaCuO2 cresciuti mediante fotodeposizione laser

Informazioni tesi

  Autore: Simone Lavanga
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 1998-99
  Università: Università degli Studi di Roma La Sapienza
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Fisica
  Relatore: Paolo Calvani
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 140

La struttura cristallina dei cuprati superconduttori simile alla perovskite classica (tipo CaTiO3), è caratterizzata dalla presenza di piani conduttori CuO2 (responsabili del fenomeno dell'alta Tc), separati da piani non conduttori o isolanti. La cella unitaria è costituita da due blocchi elementari differenti, che si alternano con regolarità lungo l’asse c. Un blocco (blocco Infinite-Layer, IL) consiste di n piani CuO2 separati da cationi di atomi alcalino-terrosi o terre rare (tipicamente Ca, Sr, Y); l’altro blocco, invece, non conduttore, detto blocco di riserva di carica (blocco Charge-Reservoir, CR), consiste di strati isolanti di ossidi di elementi metallici (Hg-O, Bi-O) e di strati separatori, tipo Ba-O, Sr-O, e provvede al drogaggio del blocco IL. Grazie alle tecniche di crescita di film sottili epitassiali MBE e PLD (Pulsed Laser Deposition) è possibile realizzare superconduttori ad alta temperatura critica (HTSC), in cui la struttura della cella unitaria può essere opportunamente variata, cambiando spessore e composizione chimica di ciascun blocco elementare. Nel presente lavoro di tesi, abbiamo depositato (su substrati di SrTiO3 [001]) con tecnica PLD e caratterizzato, film sottili epitassiali, con direzione di crescita lungo l’asse c. I film studiati (BaCuO2)2/(CaCuO2)n, chiamati CBCCO, sono superstrutture artificiali non esistenti in natura in forma termodinamicamente stabile. Tipicamente hanno spessore di 500 Å, e sono superconduttori con Tc intorno alla temperatura dell’azoto liquido (77 K); hanno, inoltre, anisotropia e densità di corrente critica intermedia tra i valori riscontrati nel BSCCO e nel YBCO. La loro peculiarità è la struttura della cella unitaria (supercella) formata da un blocco CR composto da due strati di BaCuO2, con struttura simile al blocco CR del YBCO-123, e da un blocco IL composto da un numero variabile n di strati epitassiali di CaCuO2, n=2-6, con struttura simile al blocco IL del BSCCO-22(n-1)n. Tali caratteristiche, unite alla possibilità di variare la composizione della cella unitaria e lo spessore totale del film, lasciano intravedere per i superreticoli Cu1Ba2Can-1CunOy (CBCCO-12(n-1)n) interessanti possibilità di sviluppo nelle applicazioni alla microelettronica, e soprattutto nel campo della ricerca di base. In particolare, nel presente lavoro di tesi, l’interesse è stato rivolto ai composti CBCCO-1223, caratterizzati da elevata Tc (fino a 81 K), e moderata anisotropia della funzione d’onda. Nell’ambito del lavoro di tesi, i film sono stati caratterizzati dapprima mediante diffrattometria a raggi X (XRD), per quanto riguarda le proprietà cristallografiche; poi mediante misure elettriche, per quanto riguarda le proprietà di trasporto. Nella prima parte del Cap. I, saranno brevemente illustrate le proprietà generali dei film CBCCO, poi verrà illustrata la tecnica PLD; nella seconda parte, grazie all’analisi degli spettri XRD, saranno discusse le proprietà cristallografiche dei superreticoli CBCCO-(2xn) (superreticoli detti 2xn, che hanno composizione chimica CBCCO-12n(n+1)) e le caratteristiche strutturali in relazione alla struttura dei più comuni HTSC. Nella prima parte del Cap.II verrà discussa la fenomenologia degli HTSC, ed esposte le proprietà elettriche di trasporto, comuni a gran parte degli HTSC, in presenza o meno di campo magnetico; nella seconda parte i modelli teorici che meglio descrivono il comportamento nello stato normale e superconduttore dei superreticoli CBCCO, e che sono stati utilizzati nel corso dell’analisi dei dati sperimentati raccolti. Nel Cap. III verrà descritto l’apparato sperimentale per la PLD e quello utilizzato per la caratterizzazione dei film mediante misure di trasporto elettrico. Nel Cap. IV, infine, saranno illustrate e discusse le misure sperimentali, realizzate durante il lavoro di tesi. Saranno analizzate alcune proprietà dei film nello stato normale, con particolare attenzione rivolta agli effetti del disordine strutturale e dello spessore, nelle curve di resistività e nella larghezza delle transizioni. Successivamente, verranno discusse le proprietà di trasporto dei film nello stato superconduttore, in presenza di campo magnetico, con l’interesse rivolto allo studio dell’energia di attivazione per il moto dei vortici e dell’anisotropia del materiale. Dall’analisi delle caratteristiche I-V verrà stimata la densità di corrente critica del materiale, e studiata la linea d’irreversibilità, che separa una fase solida di linee di vortice (fase “Vortex-Glass”) da una liquida (fase “Vortex-Fluid”).

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Introduzione A partire dal 1986, anno della scoperta di Bednorz e Müller1 della superconduttività nel sistema La2- x BaxCuO4, con temperatura di transizione (Tc) di 30 K, è stata rivolta grande attenzione, da parte della comunità scientifica, verso la ricerc di nuovi materiali superconduttori basati sugli ossidi del rame, con temperature di transizione e densità di corrente critica (J c) sempre più alte, ed allo stesso tempo stabili e non tossici 2. A distanza di un anno, nel 1987, la scoperta del sistema Y1Ba2Cu3O7-x (YBCO-123) con Tc di 92 K, ha evidenziato la possibilità di realizzare superconduttori utilizzabili nel campo delle applicazioni; successivamente, nel 1988 la temperatura critica è salita fino a 110 K nei sistemi Bi2Sr2Can-1CunOy (BSCCO-22(n-1)n), ed agli inizi degli anni ’90, grazie alla sintesi di materiali basati sul tallio e sul mercurio, (Hg, Tl)1Ba2Can-1CunOy (HBCCO, TBCCO-12(n-1)n) fino a 150 K 2. Con poche eccezioni, la struttura cristallina di questi materiali cuprati, simile alla perovskite classica (tipo CaTiO3), è caratterizzata dalla presenza di piani conduttori CuO2 (ri enuti responsabili del fenomeno della superconduttività ad alta Tc), separati da piani non conduttori o isolanti2,3. La cella unitaria è costituita da due blocchi elementari differenti, che si alternano con regolarità lungo l’asse c. Un blocco (il blocco superconduttore, detto anche blocco Infinite-Layer, IL) consiste di n piani CuO2 separati da cationi di atomi alcalino-terrosi o terre rare (tipicamente Ca, Sr, Y); l’altro blocco, invece, non conduttore, detto blocco di riserva di carica (blocco Charge-Reserv ir, CR), consiste di strati isolanti di ossidi di elementi metallici (Hg-O, Tl-O, Bi-O) e di strati separatori, tipo Ba-O, Sr-O, La-O, e provvede al drogaggio del blocco IL. Grazie alle tecniche di crescita di film sottili epitassiali MBE (Molecular Beam Epitaxy) e PLD (Pulsed Laser Deposition) è possibile realizzare superconduttori ad alta temperatura critica (“High Temperature Super Conductor”, HTSC), in cui la struttura della cella unitaria può essere opportunamente variata, cambiando spessore e composizione chimica di ciascun blocco elementare. Nel presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori del Dipartimento “Scienze e Tecnologie Fisiche ed Energetiche” dell’Università di Roma “Tor Vergata”, abbiamo depositato (su substrati di SrTiO3 [001]) con tecnica PLD e caratterizzato, film sottili epitassiali, con direzione di crescita lungo l’asse c. I film studiati [(BaCuO2)2/(CaCuO2)n], chiamati CBCCO, sono superstrutture artificiali non esistenti in natura in forma termodinamicamente stabile. Tipicamente hanno spessore di 400-500 Å, e sono superconduttori con temperatura critica intorno alla temperatura dell’azoto liquido (77 K); hanno, inoltre, anisotropia e densità di corrente critica intermedia tra i valori riscontrati nel BSCCO

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film sottili
ossidi
superreticoli
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