high temperature superconductor; two-fluid model; planar defects; microwave losses; scattering length; surface impedance; spatially resolved measurement of the surface resistance
Hochfrequenzfilter aus Hochtemperatursupraleitern (HTSL) benötigen homogene Dünnschichten mit niedrigem Oberflächenwiderstand und hoher Leistungsverträglichkeit. Für die technische Verwendung der Schichten muss der Oberflächenwiderstand bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind verschiedene Messsysteme auf der Basis abgeschirmter Saphir-Resonatoren entwickelt worden, die die Untersuchung der Temperatur-, Feld- und Ortsabhängigkeit des Oberflächenwiderstandes epitaktischer, großflächiger (1 und 2 Zoll) HTSL-Filme bei unterschiedlichen Frequenzen zwischen 5GHz und 20GHz erlauben. Während die Apparatur zur Messung der Temperaturabhängigkeit des Oberflächenwiderstandes Charakterisierung im Bereich zwischen 10K und Tc ermöglicht (10.9GHz), finden die Messungen zur Ortsabhängigkeit (19.7GHz) und Leistungsabhängigkeit (5.6GHz) bei 77K statt. Die Koppelstärke kann bei dem letztgenannten System in-situ variiert werden und man erreicht an Filmpaaren mit hoher Qualität bei 5.6GHz Oberflächenmagnetfelder von bis zu 15mT. Mit den aufgebauten Resonatoren wurden Charakterisierungen an YBa2Cu3O7-, DyBa2Cu3O7- und weiteren Seltenen-Erden-Schichten (RE-BCO) durchgeführt. Diese wurden durch thermisches reaktives Koverdampfen auf Einkristallsubstraten (Al2O3, LaAlO3 und YAlO3) und einer polykristallinen, technischen Keramik (SM210 von Kyocera) hergestellt.Durch den Einsatz eines Helium gekühlten Durchflusskryostaten konnte das Tieftemperaturverhalten von RS zwischen 10K und 60K sowie die Verluste der HTSL-Filme bei 10K gemessen werden. Dabei ergaben sich für YBCO-Filme auf Saphir bei 10.9GHz ein Bestwert von RS(10K) = (90±15)*10-6 Ohm. Die auf Saphirsubstrate deponierten DyBCO-Filme zeigen wie auch die auf andere Substrate abgeschiedenen YBCO-Filme grundsätzlich einen höheren Restwiderstand. Eine drastische Reduzierung der Restverluste konnte bei Ca- dotierten YBCO-Filmen erreicht werden. Der Restwiderstand einer mit 10% Ca-dotierten Probe betrug nur noch etwa die Hälfte im Vergleich zu einem undotierten Film. Als Ursache des festgestellten, dotierungsabhängigen Verhaltens wurden planare Defekte diskutiert. Von 10K bis etwa 40 K nimmt RS(T) bei allen Schichten exponentiell zu. Im Temperaturbereich zwischen 40K und 60K findet sich bei allen undotierten, untersuchten RE-BCO-Schichten die Tendenz zur Ausbildung eines Plateaus, das bei RE-BCO-Filmen auf LaAlO3 am stärksten ausgeprägt ist. Dieses Verhalten kann im Rahmen des Drude-Zwei-Flüssigkeiten-Modells in Verbindung mit einer temperaturabhängigen Streurate der Quasiteilchen erklärt werden. Ab 60K nimmt der Oberflächenwiderstand wieder stärker zu und steigt in der Nähe der Sprungtemperatur stark an.
Übersetzte Kurzfassung:
High frequency filters made of high temperature superconductors (HTS) need homogeneous thin films with low surface resistance and high power handling. This work presents different developed measurement systems based on sapphire dielectric resonators, which allow the characterization of the temperature- and power-dependend and spatially resolved surface resistance of epitaxially grown large area HTS thin films (1 and 2 inch) at frequencies between 5GHz and 20GHz. Characterizations and measurements of the microwave behaviour of YBa2Cu3O7-, DyBa2Cu3O7, rare-earth (RE-BCO) thin films on different substrates and Ca-doped samples are shown and discussed.
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