Veel materiaalfouten voor betere supergeleiding
Supergeleiders met een perfecte kristalstructuur kunnen minder sterke stromen transporteren dan supergeleiders met veel fouten in hun kristalstructuur. Die paradox wordt veroorzaakt door het magneetveld waarin supergeleiding optreedt. Een magneetveld dat een supergeleider binnendringt, doet dat in de vorm van dunne buisjes (wervels of vortices genoemd). Wanneer er een stroom door de supergeleider gaat lopen, ontstaat er een kracht op die buisjes en gaan ze bewegen. Dat breekt de supergeleiding af. Fouten in de kristalstructuur pinnen echter de buisjes vast. Daardoor komen ze pas bij een sterkere stroom in beweging. De supergeleider kan dus een sterkere stroom transporteren. De zogeheten kritische stroomdichtheid is groter en dat is één van de drie eigenschappen die de kwaliteit van een supergeleider bepalen.
FOM-onderzoeker ir. Jeroen Huijbregtse heeft nu in de groep van prof.dr. Ronald Griessen aan de Vrije Universiteit te Amsterdam die fouten, in het jargon defecten genoemd, nader onderzocht. De fouten ontstaan tijdens het prepareren van de supergeleider. Daarop kan worden ingegrepen. Het blijkt dus mogelijk gewenste fouten in dunne supergeleidende lagen aan te brengen en zo de natuurkundige eigenschappen in te stellen. Bij een geschikte laagstructuur kan de stroomdichtheid wel 10.000 miljard ampère bedragen! Dat is dicht tegen het theoretische maximum. Huijbregtse promoveert op 1 mei op zijn onderzoek.
Hoe zien de defecten er uit?
Huijbregtse heeft gekeken naar 0,0001 millimeter dunne laagjes van de keramische supergeleider YBa2Cu3O7-d. De defecten die voor de grote stroomdichtheden verantwoordelijk zijn, blijken uit zijn onderzoek zogeheten lineaire defecten te zijn. Dat zijn structuurfouten die beginnen op het grensvlak van de dunne laag en de ondergrond waarop die dunne laag wordt aangebracht. Ze lopen vanaf dat grensvlak in een rechte lijn naar het oppervlak van de dunne laag, loodrecht op het oppervlak van de ondergrond. Het bestaan van de defecten kon worden aangetoond door de dunne laag enkele seconden onder te dompelen in een oplossing van broom in zeer zuivere alcohol. De dunne laag lost dan langzaam op, maar waar de lineaire defecten aan het oppervlak komen, lost de laag iets sneller op. Daar ontstaan putjes.
Er blijkt een direct verband tussen de hoeveelheid defecten en de sterkte van het magneetveld waarbij de kritische stroomdichtheid maximaal is. Dat deze lineaire defecten de vortices zo goed vast pinnen, blijkt te komen omdat de lineaire defecten en de vortices evenwijdig aan elkaar staan en van dezelfde orde van grootte zijn. Daardoor worden de vortices over hun hele lengte vastgehouden. De lineaire defecten ontstaan vanzelf en blijken geordend (het putjespatroon dat door het oplossen ontstaat, is heel regelmatig). Proeven om kunstmatig dergelijke defecten aan te brengen, leverden een minder goed resultaat op omdat die defecten niet geordend ontstaan.
Hoe ontstaan de defecten tijdens het maken van de dunne lagen?
Huijbregtse vond dat de defecten ongevoelig zijn voor de atomaire structuur van de ondergrond, het grensvlak, de eerste aanzet van de dunne laag of al aanwezige defecten. Het enigszins verrassende antwoord blijkt te schuilen in het groeiproces van de laag. Dat heeft Huijbregtse weten te ontrafelen door de dunne laag te groeien op een ondergrond van SrTiO3. Dit materiaal bestaat uit lagen SrO en TiO2 die elkaar afwisselen. Het is gelukt om ofwel alleen SrO aan het oppervlak te krijgen ofwel alleen TiO2 en op die twee verschillende oppervlakken de dunne laag te groeien. De verschillende oppervlakken hebben een verschillende energie aan het grensvlak met de dunne laag, terwijl de energiehuishouding van de dunne laag hetzelfde blijft. Bij het groeien neemt de dunne laag aanvankelijk de kristalroosterconstante van de ondergrond over. Het laagje rekt daardoor op en dat kost elastische energie. Er wordt echter ook energie - interactie-energie - gewonnen omdat het groeiende laagje zo sterk aan de ondergrond wordt gebonden. Het dunne laagje krijgt een tweedimensionale structuur. Dit gaat goed zolang beide energieën elkaar compenseren. Bij een bepaalde dikte houdt dat op. Meestal reageert de aangroeiende laag daarop door te vervloeien; hij wordt enigszins plastisch. In dit geval bleek dat niet zo te gaan. Het dunne laagje breekt op in een regelmatig patroon van eilandjes. Dat blijkt uit energieoogpunt gunstiger te zijn. Waar de eilandjes bij elkaar komen, is de elastische energie geconcentreerd en kan heel gemakkelijk een lineair defect ontstaan.
Dit verklaart de regelmatige structuur van de defecten! Door de groei op de verschillende ondergronden te vergelijken komt Huijbregtse tot de conclusie dat de grensvlakenergie veel belangrijker is dan tot nog toe werd aangenomen. Door een ondergrond te kiezen met een hoge grensvlakenergie kan de laagdikte met een tweedimensionale structuur worden vergroot.
Kunnen we door middel van de defecten de supergeleidende eigenschappen controleren?
Ja, zegt Huijbregtse. Het onderzoek heeft geleerd dat de dichtheid aan lineaire defecten, die bepalend is voor de hoogte van de kritische stroomdichtheid, afhangt van de grootte van de eilanden en die wordt bepaald door de temperatuur waarbij de dunne laag wordt gemaakt. Hoe lager de temperatuur van het substraat waarop de dunne laag vanuit damp neerslaat, hoe meer eilandjes er ontstaan en dus ook hoe meer lineaire defecten. Er is echter een ondergrens aan deze temperatuur.
Een alternatieve methode kan zijn om op de ondergrond eerst zeer kleine deeltjes neer te leggen en dan de dunne laag te gaan groeien. De deeltjes veroorzaken extra lineaire defecten. Dit heeft Huijbregtse echter niet nader onderzocht.
Meer informatie bij prof.dr. Ronald Griessen of dr. Bernard Dam.