Granular 고온초전도 박막에서의 자기선속의 거동

Abstract

Granular $SmBa_2Cu_3O_{7-\delta}$ (SmBCO) 박막에서의 자기선속의 거동에 대해 연구하였다. 이러한 박막의 자기선속 밀도 분포와 전류 밀도 분포의 몇가지 특성을 발견하였고 이 특성을 초전도 박막의 히스테리시스 에너지 손실 예측에 적용하였다. Granular SmBCO 박막은 $LaMnO_3$/MgO/$Y_2O_3$/$Al_2O_3$/Hastelloy tape으로 구성된 Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) 기판위에 Evaporation using a Drum in Dual Chambers (EDDC) 방식으로 성장시켰고, 박막의 여러 특성들을 측정하였다. 전이온도 $T_c$와 임계전류 $I_{c0}$는 4-point probe 방법을 이용해 각각 $R-T$ 측정과 $I-V$ 측정으로부터 측정하였는데, $I_{c0}$는 1 $\muV$/cm 기준에 의해 결정되었다. 결정의 정렬도(in-plane과 out-of-plane)는 X-ray diffraction을 통해 측정하였고, SmBCO의 성분비는 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)로 확인하였다. Scanning Electron Microscope (SEM) 이미지를 통해 박막의 granular structure를 확인할 수 있었고 grain의 크기를 측정하였다. SQUID magnetometer를 이용해 $M-H$ hysteresis loop을 구하였다. 임계전류의 자기장 세기 및 각도에 대한 의존성도 측정하였다. SmBCO 박막에 수송전류 ($I_a$)이나 자기장 ($B_a$), 또는 그 둘을 동시에 가하며 scanning Hall probe 방법을 이용해 박막 표면 근처의 자기장 profile $B_\delta(x,B_a,I_a)$를 측정하였다. 이렇게 측정된 profile로부터 수치적인 inversion 계산을 통해 sheet current density 분포 $J(x,B_a,I_a)$를 구하고, 이 전류밀도 분포를 갖고 Biot-Savart 법칙으로 박막의 자기선속밀도 분포 $B_0(x,B_a,I_a)$를 계산하였다. Analytic한 이론적 계산 결과가 존재하는, 자기장만 가해준 경우와 전류만 가해준 경우에 대해서 profile들은 이론 결과와 다른 몇가지 특성들을 나타내었는데, 이는 박막의 granular structure에 기인한다고 생각된다. 세가지 종류의 임계전류 : $I_{c0}$, $I_{c1}$, $I_{c2}$. $I_{c0}$를 정의하였다. $I_{c0}$는 I-V 측정을 통해 결정되는 값이다. $I_{c1}$과 $I_{c2}$는 critical state model의 개념에 기반해 정의하였는데, 각각 current-like한 분포와 field-like한 분포에 대한 $J(x,B_a,I_a)$로부터 결정된다. 구해진 모든 $I_{c2}$ 값들이 $B_{a}$의 함수로 plot하였을 때 한 라인을 이룬다는 것과 $I_{c0}$ 값보다 훨씬 작다는 것이 발견되었다. $I_a$ 값과 같은 값을 갖는 $I_{c1}$은 $I_{c0}(B_a)$와 $I_{c2}(B_{a})$ 사이의 값을 갖는다. Scanning Hall probe 측정으로부터 구한 profile들을 이용해 박막의 히스테리시스 에너지 손실 Q를 구하고 이론값과 비교하였는데, 이론값과 차이를 보이는 영역이 나타났다. $I_{c1}$과 $I_{c2}$를 이용해 일반적인 경우의 $(B_{a},I_{a})$에 model 전류밀도 분포를 계산하여 고자기장에서의 Q를 예측하는 데에 적용하였다. 이렇게 예측된 값들은 측정된 scanning Hall probe 데이터로부터 구한 Q값들과 잘 일치하였다.