Abbildung von Stromverteilungen in supraleitenden Dünnfilmstrukturen

Abstract

Ortsaufgelöste Untersuchungen spielen in vielen Wissenschaftsbereichen eine bedeutende Rolle. Zur Untersuchung von supraleitenden Strukturen werden abbildende Verfahren jedoch eher selten verwendet.

Die an der Universität Tübingen etablierte Methode der Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (TTREM) wird bereits seit über 20 Jahren erfolgreich zur Untersuchung festkörperphysikalischer Phänomene, insbesondere der Supraleitung eingesetzt.

In dieser Doktorarbeit wurde die TTREM zur Abbildung von Stromverteilungen in verschiedenen supraleitenden Dünnfilmstrukturen verwendet:

- Die Abbildung von Stromverteilungen in Josephson-Kontakten mit ferromagnetischer Zwischenschicht, so genannte SIFS-Kontakte, zeigten einen inhomogenen Stromtransport über die Kontakte, was direkt zu einer Verbesserung der Herstellungsmethode führte. Die verbesserten Proben wiesen eine homogene Stromverteilung auf, ohne Hinweise auf magnetische Domänen zu geben. Solche Domänen waren entweder nicht vorhanden oder aber zu klein, um sie mit dem TTREM auflösen zu können.

- Die Untersuchung von Nb-YBCO-Zickzack-Kontakten lieferte wichtige Erkenntnisse zur Signalentstehung im TTREM sowohl für Josephson-Kontakte im kurzen wie auch im langen Limit. Mit Hilfe eines Vergleichskontakts konnte unser Signalentstehungsmodell verifiziert werden, was wiederum frühere Ergebnisse an kurzen Kontakten bestätigt. Diese Ergebnisse, die in dieser Arbeit reproduziert werden konnten, stützen die Theorie einer d-Wellen-Symmetrie des supraleitenden Ordnungsparameters in YBCO. Außerdem konnte anhand von Untersuchungen des Quasiteilchentunnelns in den Zickzack-Kontakten die Existenz von gebundenen Andreev-Zuständen bewiesen werden, die ebenfalls auf eine d-Wellen-Symmetrie in YBCO hindeuten.

- Bei der Untersuchung von Hot Electron Bolometern (HEB) gelang die erste erfolgreiche Abbildung eines stabilen "Hot Spots", einer selbstheizenden Region in HEB-Strukturen. Zudem wurde der Elektronenstrahl dazu verwendet, einen – ansonsten instabilen - Hot Spot zu induzieren. Beide Untersuchungen ergaben wertvolle Informationen über die Homogenität der betrachteten Proben.

- Mit Hilfe der vor einigen Jahren etablierten Flussquantenabbildung in supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs) konnte eine völlig neue Methode zur Abbildung der Stromverteilung in solchen Strukturen entwickelt werden. Hierbei dienen die Flussquanten-Signale als lokale Detektoren für die flussquantenfreie Ringstromverteilung J. Diese Methode der Stromabbildung ist direkter als bisherige Methoden, die J aus einer Messung der Magnetfeldverteilung berechneten. Die Übereinstimmung der experimentellen Ergebnisse mit numerischen Simulationen ist sehr gut.

Die vorgestellten Beispiele zeigen, wie vielfältig und wertvoll die Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie für die Untersuchung von supraleitenden Dünnfilmstrukturen sein kann. Daher ist zu erwarten, dass auch in den nächsten Jahren viele weitere wichtige Erkenntnisse mit Hilfe dieser Methode gewonnen werden können.

Local analysis plays an important role in many fields of scientific research. However, imaging methods are not very common in the investigation of superconductors.

For more than 20 years, Low Temperature Scanning Electron Microscopy (LTSEM) has been successfully used at the University of Tübingen for studying of condensed matter phenomena, especially of superconductivity.

In this thesis LTSEM was used for imaging current distributions in different superconducting thin film structures:

- Imaging of current distributions in Josephson junctions with ferromagnetic interlayer, also known as SIFS junctions, showed inhomogeneous current transport over the junctions which directly led to an improvement in the fabrication process. An investigation of improved samples showed a very homogeneous current distribution without any trace of magnetic domains. Either such domains were not present or too small for imaging with the LTSEM.

- An investigation of Nb/YBCO zigzag Josephson junctions yielded important information on signal formation in the LTSEM both for Josephson junctions in the short and in the long limit. Using a reference junction our signal formation model could be verified, thus confirming earlier results on short zigzag junctions. These results, which could be reproduced in this work, support the theory of d-wave symmetry in the superconducting order parameter of YBCO. Furthermore, investigations of the quasiparticle tunneling in the zigzag junctions showed the existence of Andreev bound states, which is another indication of the d-wave symmetry in YBCO.

- The LTSEM study of Hot Electron Bolometers (HEB) allowed the first successful imaging of a stable 'Hot Spot', a self-heating region in HEB structures. Moreover, the electron beam was used to induce an – otherwise unstable – hot spot. Both investigations yielded information on the homogeneity of the samples.

- An entirely new method of imaging the current distribution in superconducting interference devices (SQUIDs) could be developed. It is based on vortex imaging by LTSEM that had been established several years ago. The vortex signals can be used as local detectors for the vortex-free circulating sheet-current distribution J. Compared to previous inversion methods that infer J from the measured magnetic field, this method gives a more direct measurement of the current distribution. The experimental results were in very good agreement with numerical calculations of J.

The presented investigations show how versatile and useful Low Temperature Scanning Electron Microscopy can be for studying superconducting thin film structures. Thus one may expect that many more important results can be obtained with this method.