Visualization of magnetic flux quanta in YBa2Cu3O7-x SQUIDs and josephson currents in YBa2Cu3O7-x-Niobium contacts

Ziel der Arbeit war es, mit der Tieftemperatur-Rasterelektronenmikroskopie (TTREM) neue Einblicke in das Verhalten von Dünnfilmstrukturen aus YBa2Cu3O7-x im schwachen Magnetfeld zu gewinnen. Dieses Ziel wurde mittels zwei Probenklassen erfolgreich in die Tat umgesetzt: 1. dc SQUIDs aus YBa2Cu3O7-x, an denen mittels TTREM Flussquantenabbildungen sowie Rauschmessungen durchgeführt wurden. 2. YBa2Cu3O7-x -Niob Rampenkontakte, deren Verhalten in kleinen Magnetfeldern erstmals ortsaufgelöst untersucht werden konnte. Bei den Messungen an den SQUIDs konnten durch verbesserte Mess- und Auswertetechniken Stellen erhöhter Pinningwahrscheinlichkeit identifiziert werden. Weiterhin konnte ein Modell für die Rolle der verschiedenen Energien während des Einkühlvorgangs entwickelt werden, das aus den in den Abbildungen messbaren mittleren Abständen der Flussquanten zu ihren jeweils nächsten Nachbarn eine Abschätzung der Pinningenergien der typischen Pinning-zentren zu 1 bis 4 eV ermöglichte. Durch gleichzeitiges Messen des Rauschens der SQUIDs konnten erstmals Untersuchungen zur Abhängigkeit des Rauschens von SQUIDs vom Einkühlfeld durchgeführt werden, in denen zusätzlich zum Rauschen auch die Flussquantenverteilung ortsaufgelöst bestimmt wurde. Aus der simultanen Kenntnis des niederfrequenten Flussrauschens und der räumlichen Verteilung der Flussquanten im SQUID konnten die folgenden physikalischen Schlüsse gezogen werden: - Das Modell, das das Flussrauschen in SQUIDs durch Hopping einzelner Flussquanten zwischen dicht benachbarten Minima des Pinningpotentials beschreibt, konnte an einem dominanten Fluktuator verifiziert werden. - Durch einige zusätzliche Annahmen konnte anhand des einfachen Modells für das Flussrauschen die mittlere Hüpflänge der Flussquanten zu ca. 20 nm bestimmt werden. Eine direkte Abbildung solcher Hüpfprozesse ist mit der hier vorgestellten Methode mit einer Ortsauflösung von ca. 1 µm daher nicht möglich. Die Messungen an YBCO-Nb Rampenkontakten waren die ersten ortsauflösenden Untersuchungen der Stromdichteverteilung in solchen Bauelementen überhaupt. Der Abschirmung des Probenhalters für das TTREM sowie der Optimierung der thermischen Ankopplung dieser Bauelemente an den Kaltfinger des TTREMs kam neben dem Filtern der Zuleitungen zu Magnetfeldspule und Probe eine Schlüsselrolle bei diesem Erfolg zu. Physikalisch konnten hierbei vor allem die folgenden Ziele erreicht werden: - Durch den Vergleich von gemessenen Signalen mit berechneten Stromverteilungen in den Proben gelang die Klärung des Signalentstehungsprozesses bei dieser Abbildungstechnik. Es konnte dargelegt werden, dass die Abbildungen die Stromdichteverteilung in den Kontakten wiedergeben. - Durch Messungen bei vielen verschiedenen Magnetfeldern konnte das Verständnis des Verhaltens dieser Kontakte wesentlich vertieft werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf künftige Anwendungen solcher Proben sehr wichtig. Mit der vorliegenden Arbeit konnte überzeugend dargelegt werden, dass das TTREM auch nach zwanzig Jahren im Einsatz viele neue und spannende Fragestellungen in der Physik der supraleitenden Dünnfilme in einzigartiger Weise beantworten kann. Die an die hier vorgestellten Ergebnisse anschließenden Untersuchungen werden den Einsatz dieser Technik auch in den nächsten Jahren unausweichlich machen.The aim of the thesis was to get new insights in the behavior of thin film structures made of YBa2Cu3O7-x beeing subjected to weak magnetic fileds by the use of low-temperature scanning electron microscopy (LTSEM). This aim was achieved utilizing two different classes of samples: 1. dc SQUIDs made of YBa2Cu3O7-x . At these samples images of the distribution of magnetic flux quantas as well as measurements of magnetic low frequency flux noise were performed. 2. YBa2Cu3O7-x -Niob ramptype junctions. The behavior of these samples in small magnetic fields was investigated spatially resolved for the first time. The measurements with SQUIDs revealed positions of enhanced probability for the pinning of vortices. This was made possible by improved techniques for measurent and data evaluation. Moreover a model for the cooling down of the superconductor could be derived. This model in conjunction with the average nearest neighbour distances (taken from the vortex images) made it possible to estimate the pinning energies of typical pinning sites to be 1 to 4 eV. The simultaneous measurement of the SQUID noise and the spatially resolved analysis of the vortex distributions gave way for the first investigations of SQUID noise related to different cooling fields in conjunction with the knowledge of the positions of individual vortices. The simultaneous knowledge of the low frequency vortex noise and the spatial distribution of the vortices made the following physical results possible: - The model for flux noise in SQUIDs could be verified using a dominant fluctuating vortex. This model says, that flux noise in SQUIDs is generated by hopping of flux quanta between two neighbouring minima of the pinning potential. - Incorporating additional assumptions and a simple model for the generation of flux noise, the average hopping distance of the vortices could be estimated to be about 20 nm. A direct imaging of such hopping processes with the method discribed here is therefor not possible, for the spatial resolution of this method is limited to about 1 µm. The measurements at the YBCO-Nb ramp type junctions were the first spatially resolved investigations of current distributions in such systems. For these measurements the optimization of the magnetic shielding, the thermal coupling of the devices to the cold finger of the LTSEM as well as the filtering of the lines for the magnetic field coil and the sample itself played a keyrole. The following physical aims could be achieved by these investigations: - The signal generation of this imaging technique could be clarified by comparing the measured signals with simulated current distributions in the samples. It was thereby possible to show, that the images describe the current density distributions in the junctions. - Measurements at many different magnetic fields deepened the understanding of this new sample class significantly. This is especially important for future applications of these devices. With this thesis it could be demonstrated convincingly, that LTSEM can even after twenty years of use still give answers to new and exciting questions in the physics of superconducting thin films in an unique way. The results presented here and the following investigations will make the use of this technique in the forecoming years inescapable