기울어진 자기장에서 나노 피닝 센터를 가지는 고온초전도체 박막의 볼텍스 피닝의 영향에 관한 연구

Abstract

내부에 BaZrO3(BZO) nano-rod pinning centers(RPCs)을 가지는 (Gd,Y)1.1Ba1.8Cu2.7O7-d(GdYBCO) 고온초전도 선재에 기울어진 자기장을 가하였을 때의 vortex pinning의 효과에 대한 연구를 수행하였다. 실험을 통하여 초전도 선재의 magnetic flux와 current density 분포에서의 비대칭적인 특성들을 확인할 수 있었는데, 이러한 특성들을 기울어진 RPCs와 vortex line shape과의 상호 작용을 통하여 설명할 수 있다는 것을 모델 계산을 통하여 보일 수 있었다.

내부에 BZO RPCs를 가지는 GdYBCO 고온초전도 선재는 LaMnO3/MgO/Y2O3/Al2O3/Hastelloy tape로 구성된 Ion Beam Assisted Deposition(IBAD) template 위에 Metal Organic Chemical Vapor Deposition(MOCVD) 방식을 사용하여 성장시킨 것이다. 이 선재의 자기장이 가해지는 각도와 세기에 따른 임계 전류 Ic는 4-point probe 방법을 사용하여 IV curve에서의 1uV/cm criterion을 만족시키는 전류값을 Ic로 정의하여 측정되었다. 초전도 선재의 in-plane과 out-of-plane에서의 crystal texture의 정도는 X-ray diffraction(XRD)를 통하여 확인하였고, 성분 분석은 Energy Dispersive Spectroscopy(EDS)를 통하여 확인하였다. 단면 Transmission Electron Microscope(TEM) 측정을 통하여 기울어진 RPCs가 존재하며 기울어진 각도는 선재의 c축으로부터 평균적으로 13degree라는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 자기장의 각도에 대한 Ic 데이터의 그래프에서 추가적인 peak이 13degree에서 생긴다는 것과도 일치한다.

초전도 시료에서의 magnetic flux와 sheet current density 특성은 내부에 BZO RPCs를 가지는 GdYBCO 선재에 기울어진 자기장을 가하면서 Magnetic Optical Imaging(MOI) 방법을 이용하여 측정을 하였다. 측정된 magnetic flux profiles Bz로부터 수치해석적인 inversion method를 사용하여 계산된 sheet current density distribution Jc를 구하고, Jc를 Bio-Savart 법칙을 사용하여 Bz, Bx 값을 알 수 있다. 측정된 Bz와 계산된 Jc가 비대칭적인 특성들을 보인다는 것을 확인할 수 있었는데, 이러한 비대칭적인 특성들은 자기장이 가해지는 각도와 세기에 따라서 일정한 경향성이 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 비대칭적인 특성들을 설명하기 위하여 자기장이 가해지는 가해지는 각도와 세기에 따라 변화하는 vortex line shape에 대한 모델 계산을 수행하였다. 이 모델 계산에서는 vortex pinning에 의한 critical current density 값이 vortex lines와 기울어진 RPCs의 기하학적인 관계에 의해 결정된다. 실험을 통하여 확인한 비대칭적인 특성들의 경향성을 이러한 모델 계산을 통하여 설명할 수 있다는 것을 보일 수가 있었고, 이는 초전도 선재 내부에 있는 RPCs와 vortex line shape의 상호작용의 결과라는 것을 알 수 있었다.