Low temperature electrical and magnetic characterization of superconducting-ferromagnetic thin films deposited by various physical vapor deposition techniques

Abstract

Ferromanyetik/süperiletken (F/S) hibrit ince-filmlerin ferromanyetik ve süperiletken davranışları arasındaki karşılıklı etkileşim araştırıldı. Manyetik alt yapıların üzerine kaplı süperiletken ince film ve elektrik kontak uçlarından teşekkül eden tipik bir F/S hibrit yapısı tasarlandı ve üretildi. Manyetik altyapılar ile süperiletken üst katman arasında ince bir Al2O3 bariyeri ile yalıtım sağlandı.Isıl buharlaştırma ve mıknatıslı saçtırma kaynağı kullanılarak fiziksel buhar kaplama teknikleri ve farklı topografik mikro desenleme metotları kullanıldı. Ferromanyetik permalloy alt yapılar, akım akış yönüne paralel ve dik yönlenmelerde olacak şekilde periyodik ardışık şerit desenlerde büyütüldü. İnce süperiletken Pb82Bi18 film, ısıl-buharlaştırma ve soğuk-yoğunlaşma mekanizması ile 77 K altlık sıcaklığında büyütüldü. Sıcaklık kontrollü dört-nokta temaslı iletkenlik ölçüm tekniği kullanılarak, 3-10 K arasında ve 0-7 kOe harici manyetik alan etkisi altında I-V ölçümleri yapıldı.Süperiletken film üzerinde mikro ölçekte oluşturulan periyodik manyetik alan modülasyonu ile her bir süperiletken numunede farklı TC ve HC2 (T) değerlerinin oluştuğu gözlemlendi. Süperiletken film üzerinden geçirilen akım yönüne referansla, manyetik mikro şeritlerin paralel veya dik olarak yönlenmesine bağlı olarak süperiletkenlik davranışının kontrol edilebildiği, böylece süperiletkenlik ile normal iletim durumları arasında anahtarlama yapılarak yönsel akım bağımlılığı davranışının fonksiyonel bir F/S hibrit tasarımında, örneğin düşük-güç tüketimli süperiletken anahtarda, kullanılabileceği ölçüm sonuçlarından anlaşıldı.

The mutual interaction between ferromagnetism and superconductivity states has been investigated in a coupled ferromagnetic/superconducting thin-film structure, the so-called F/S hybrid. A typical F/S hybrid has been designed and built-up of a layer of magnetic substructures overcoated with thin superconducting film, and electrical contact pads atop on silicon substrate. Ferromagnetic and superconducting films have been spatially separated by ultrathin Al2O3 insulating barrier.Thermal & sputter combined physical vapor deposition techniques and various topographic micro-patterning processes have been utilized. The magnetically soft permalloy substructures have been grown in a pattern of periodic alternating stripes along and across the current flow direction. Thin superconducting Pb82Bi18 films have been grown by thermal-evaporation and quench-condensation mechanism at substrate temperature of 77 K. Using standard four-point probe transport measurement technique, I-V data streams have been collected at temperatures in the range of 3-10 K while the samples have been swept under an externally applied magnetic field from zero to 7 kOe.It has been observed that the artificial periodic modulation of magnetic field in the superconducting film results in various TC and HC2 (T) values exclusive to each sample. Dependent on the orientation of magnetic stripes in paralel or perpendicular to the current flow direction, the superconducting properties can be controlled, and also the F/S hybrid can be switched between superconducting and normal conducting states. The directional current flow dependency behavior can be used to realize a functional F/S device such as a low-power persistent current switch for superconducting applications.