Superconductor/piezoelectric artificial structures
Authors: Ζεϊμπέκης Εμμανουήλ 
Published: September 2021

Η ηλεκτρικά ελεγχόμενη πιεζοηλεκτρική μηχανική τάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια παράμετρος που δύναται να τροποποιήσει τις υπεραγώγιμες ιδιότητες σε μια νέα κατηγορία τεχνητών δομών που αποτελούνται από ένα πιεζοηλεκτρικό υπόστρωμα και ένα υπεραγώγιμο υμένιο. Οι τεχνητές δομές που μελετώνται σε αυτή τη διδακτορική διατριβή αποτελούνται από δύο υπεραγώγιμα υμένια Νιοβίου (Nb) εναποτεθημένα στις ελεύθερες επιφάνειες πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-xPT) και αυτές σημειώνονται ως Nb/PMN-xPT/Nb. Πριν από τη διεξαγωγή των πειραμάτων όπου ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο (Eex) εφαρμόζεται στις τεχνητές δομές Nb/PMN-xPT/Nb, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην προετοιμασία υμενίων Nb υψηλής υπεραγώγιμης ποιότητας καθώς και στο χαρακτηρισμό των συστατικών που τις απαρτίζουν. Αναφορικά με την προετοιμασία των λεπτών υμενίων Nb, οι εναποθέσεις εκτελέστηκαν εφαρμόζοντας ένα κατάλληλο πρωτόκολλο που βελτιστοποιεί τις συνθήκες κενού του θαλάμου χρησιμοποιώντας μια αυτοσχέδια κρυοπαγίδα. Για να μελετηθεί η αποδοτικότητα της πιεζοηλεκτρικής μηχανικής τάσης σε χαμηλές θερμοκρασίες πραγματοποιήθηκαν διερευνητικά πειράματα σε παρόμοιες τεχνητές δομές, οι οποίες αποτελούνται από σιδηρομαγνητικά υμένια Κοβαλτίου (Co), υπό την εφαρμογή Eex. Αυτές οι τεχνητές δομές επιτρέπουν τη συγκριτική μελέτη των πιεζοηλεκτρικά τροποποιημένων μαγνητικών ιδιοτήτων των υμενίων Co σε διάφορες θερμοκρασίες (από τους 300 Κ έως τους 10 Κ), δίνοντας σαφείς αποδείξεις για την έντονη επίδραση της μηχανικής τάσης σε χαμηλές θερμοκρασίες. Συγκεκριμένα, η μέγιστη πιεζοηλεκτρική τροποποίηση του συνεκτικού πεδίου (της μαγνήτισης κόρου) στους 10 Κ είναι ίση με -9,4 % (-4,0 %) και σταδιακά εξασθενεί καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, αποδεικνύοντας ότι η θερμική ενέργεια διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε αυτές τις τεχνητές δομές. Επιπλέον, η μελέτη της πιεζοηλεκτρικής τροποποίησης της παραμένουσας μαγνήτισης έδειξε ότι σε αυτές τις τεχνητές δομές είναι πιθανή η σύζευξη μεταξύ των σιδηρομαγνητικών τομέων των υμενίων Co με τους σιδηροηλεκτρικούς τομείς των υποστρωμάτων PMN-xPT. Ολοκληρώνοντας το χαρακτηρισμό των επιμέρους συστατικών που απαρτίζουν τις τεχνητές δομές Nb/PMN-xPT/Nb, μελετήθηκε λεπτομερώς η τροποποίηση των υπεραγώγιμων ιδιοτήτων των υμενίων Νb υπό την εφαρμογή Eex. Γενικότερα, στις τεχνητές δομές Nb/PMN-xPT/Nb η εφαρμογή Eex προκαλεί τη μηχανική παραμόρφωση του PMN-xPT, η οποία διεισδύει στα εναποτεθημένα υμένια Nb προκαλώντας την έμμεση παραμόρφωσή τους. Αυτή η έμμεσα ελεγχόμενη μηχανική παραμόρφωση των υμενίων Nb έχει δύο κύριες συνέπειες στις υπεραγώγιμες ιδιότητες τους. Αρχικά τροποποιεί τους φωνονικούς κλάδους καθώς και το δυναμικό αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων στην υπεραγώγιμη κατάσταση επιδρώντας έτσι στην κρίσιμη θερμοκρασία (Tc) των υμενίων Nb και δεύτερον τροποποιεί τα σημεία δέσμευσης φλαξονίων επιδρώντας έτσι στην κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος (Jc) των υμενίων Nb. Για την πιεζοηλεκτρική τροποποίηση της Tc εξετάζεται η επίδραση δύο πειραματικών παραμέτρων. Η πρώτη παράμετρος είναι η πιεζοηλεκτρική ικανότητα των υποστρωμάτων PMN-xPT στην τροποποίηση της Tc, η οποία εξετάζεται χρησιμοποιώντας κρυστάλλους διαφορετικής στοιχειομετρίας (x) άρα και πιεζοηλεκτρικής ικανότητας (x=0,31 και x=0,27). Συγκεκριμένα, στις τεχνητές δομές που αποτελούνται από PMN-0,31PT και υμένια Nb πάχους 15 nm (20 nm) η μέγιστη μείωση της TC είναι ίση με -400 mK (-200 mK), ενώ στην περίπτωση των τεχνητών δομών που αποτελούνται από PMN-0,27PT η αντίστοιχη μείωση της Tc είναι ίση με -200 mK (-80 mK). Η δεύτερη παράμετρος που μελετάται είναι η επίδραση του πάχους των υμενίων Nb, όπου προετοιμάστηκε μια σειρά τεχνητών δομών που αποτελούνται από κρυστάλλους PMN-0,31PT και από υμένια Nb με πάχη μεταξύ 15 και 100 nm. Αυτή η μελέτη έδειξε ότι η πιεζοηλεκτρική τροποποίηση της Tc εξασθενεί σταδιακά με την αύξηση του πάχος των υμενίων Nb. Για τη μελέτη της πιεζοηλεκτρικής τροποποίηση της Jc διερευνήθηκαν δύο τεχνητές δομές που αποτελούνται από PMN-0,31PT και υμένια Nb πάχους 50 και 100 nm και τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι η πιεζοηλεκτρική τροποποίηση του Jc εξασθενεί με την αύξηση του πάχους των υμενίων Nb. Για τη θεωρητική μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων της πιεζοηλεκτρικής τροποποίησης τόσο της Tc όσο και της Jc σε αυτές τις τεχνητές δομές προτείνονται δύο φαινομενολογικές προσεγγίσεις, οι οποίες εσωκλείουν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των διαφορετικών συστατικών. Ξεκινώντας από τις θεωρητικές εκφράσεις των Tc και Jc εισάγεται η μηχανική τάση (S) σε κατάλληλους όρους αυτών, με αποτέλεσμα να προκύπτουν οι σχέσεις Tc(S) και Jc(S). Εισάγοντας σε αυτές τις εκφράσεις τη σχέση S(Eex) που περιγράφει τις ηλεκτρο-μηχανικές ιδιότητες των PMN-xPT προκύπτουν οι τελικές εκφράσεις Tc(Eex) και Jc(Eex). Τέλος, εξετάζεται πειραματικά η επίδραση της επιφανειακής μορφολογίας των υποστρωμάτων PMN-0,31PT στην πιεζοηλεκτρική τροποποίηση τόσο της Tc όσο και της Jc. Αποδεικνύεται ότι η επιφανειακή τραχύτητα δεν επιδρά στην πιεζοηλεκτρική τροποποίηση της Tc, ενώ αντίθετα στην περίπτωση της πιεζοηλεκτρικής τροποποίησης της Jc η υψηλή επιφανειακή τραχύτητα και η μεταβολή της κατά την εφαρμογή Eex προάγει το μηχανισμό δημιουργίας των θερμο-μαγνητικών ασταθειών, οι οποίες υποβαθμίζουν την Jc. Τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής αποδεικνύουν την ελεγχόμενη μεταβολή της υπεραγωγιμότητας σε τεχνητές δομές Nb/PMN-xPT/Nb κατά την εφαρμογή Eex και υποδεικνύουν τη κατασκευή κατάλληλων τεχνητών δομών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διατάξεις που λειτουργούν σε κρυογενικές συνθήκες.