Comparative investigations on superconducting order parameter fluctuations in superconducting thin films and superconductor / ferromagnet bilayers

In der vorliegenden Masterarbeit wurden dünne Filme aus Supraleitern und Doppelschichten von supraleitenden und ferromagnetischen Filmen untersucht. Es ging dabei in erster Linie darum, den Einfluss der ferromagnetischen Schicht auf die elektronischen Transporteigenschaften der supraleitenden Filme zu analysieren. Als supraleitende Materialien wurden NbN und NbTiN, als Ferromagnet wurde eine NiCu-Legierung verwendet. Die Herstellung der Proben war nicht Teil dieser Arbeit, sondern wurde von der Gruppe um Wojciech Slysz am Instytut Technologii Elektronowej in Warschau übernommen. Zur Untersuchung der elektronischen Transporteigenschaften wurden Messungen des elektrischen Widerstands bei verschiedenen Temperaturen im Bereich zwischen 4.2 K und Raumtemperatur und in Magnetfeldern bis zu 1 T durchgeführt. Anhand der so gewonenen Mess daten wurde eine Analyse der supraleitenden Fluktuationen oberhalb der Sprungtemperatur durchgeführt. Außerdem wurden Strom-Spannungs-Kennlinien der Proben aufgenommen, aus denen dann die kritische Stromdichte ermittelt wurde. Die Bestimmung der Probengeometrie erfolgte anhand von Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop. Die Messergebnisse zeigen deutliche Unterschiede im Verhalten der Supraleiter/Ferromagnet-Heterostrukturen im Vergleich zu dem supraleitender Filme auf. Dabei sticht ein Abweichen der Fluktuationen in NbTiN/NiCu von der gängigen Theorie zur Fluktuationsanalyse hervor. Außerdem wurde für NbN beobachtet, dass die Proben, die mit einer ferromagnetischen NiCu Schicht bedeckt sind, eine höhere kritische Stromdichte aufweisen. Dieser Effekt ist auch von anderen Gruppen beobachtet worden und kann wichtig für die Anwendung dieses Materials in supraleitenden Einzel-Photon-Detektoren sein.In this thesis thin superconducting films and bilayers consisting of a superconducting and a ferromagnetic film were examined. The aim was to determine the influence of the ferromagnetic layer on the electronic transport properties of the superconducting films. Samples were fabricated of the superconducting materials NbN and NbTiN and the weak ferromagnetic alloy NiCu. The preparation of these samples was not part of the current work, but was done by the group around Wojciech Slysz at the Institute of Electron Technology (Instytut Technologii Elektronowej) at Warszawa, Poland. For determining the electronic transport properties, measurements of the electrical resistance were carried out at various temperatures between 4.2 K and room temperature and at magnetic fields up to 1 T. With these measurements an analysis of the superconducting order-parameter fluctuations above the superconducting transition temperature was performed. Moreover current-voltage-characteristics of the samples were registered, which were then used to determine the superconducting critical current density. The sample geometry was measured in the scanning electron microscope. The measurement results show distinct differences between the behaviour of superconductor/ferromagnet bilayers and that of superconducting films. The most prominent feature is a significant deviation of the fluctuations in NbTiN/NiCu bilayers from the common theory for fluctuation analysis. Furthermore, for NbN an enhanced critical current density was observed in superconductor/ferromagnet bilayers relative to plain superconducting films. This effect was also reported from other groups and can be important for the application of this material in superconducting single photon detectors