YBCO-Nb-Hybrid-Josephson-Rampenkontakte: Einfluss der 0-pi-Kopplung und geometrischer Parameter auf die Transporteigenschaften

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Herstellung von Hybrid-Josephson-Rampenkontakte aus konventionellen metallischen Supraleitern und Hochtemperatur-Kuprat-Supraleitern entwickelt. Diese Josephsonkontakte bestehen aus einer komplexen Mehrlagenstruktur, welche mittels verschiedener Dünnschicht-Depositions- und Mikro-Strukturierungstechniken realisiert wurde. Als supraleitende Elektroden wurden YBCO und Niob verwendet. Niob ist ein Supraleiter mit einer s-Wellen-Symmetrie des Ordnungsparameters und YBCO ist ein Supraleiter mit einem Hauptanteil einer d-Wellen-Symmetrie, wodurch neben gewöhnlichen Josephsonkontakten auch sogenannte 0-pi- und Multifacetten-Josephsonkontakte hergestellt werden konnte. Die Charakterisierung und Optimierung des Herstellungsprozesses erfolgte durch die Untersuchung der Kristallstruktur, der Topographie sowie durch Messungen des spezifischen Widerstands der Dünnfilme. Die erfolgreiche Herstellung der Josephsonkontakte konnte anhand von Messungen der Strom-Spannungs-Kennlinien und der Abhängigkeit des maximalen kritischen Stroms Ic vom externen Magnetfeld H bestätigt werden. Die Geometrie der Josephson-Rampenkontakte entspricht nicht der Geometrie eines idealen planaren Josephsonkontakts. Dies führt in der Ic(H)-Abhängigkeit zu Abweichungen von der Kennlinie eines idealen Kontakts. Aus diesem Grund wurde der Einfluss der Kontaktgeometrie auf die elektrischen Eigenschaften detailliert untersucht. Die Messungen der Ic(H)-Abhängigkeit für unterschiedliche Orientierungen des angelegten Magnetfelds konnten in Simulationsrechnungen sehr gut reproduziert werden. In 0-pi-Kontakten haben bereits kleine Unterschiede in den Facettenlängen oder in den kritischen Stromdichten der einzelnen Facetten einen starken Einfluss auf die Kontakteigenschaften. Diese Unterschiede sind herstellungsbedingt schwer zu vermeiden. Die asymmetriebedingten Eigenschaften, speziell in der Magnetfeldabhängigkeit des kritischen Stroms, wurden anhand von Simulationsrechnungen untersucht. Eine nachträgliche Korrektur der Längenasymmetrie mittels fokussiertem Ionenstrahlätzens wurde erfolgreich demonstriert.

In this thesis a process for the fabrication of hybrid ramp-type Josephson junctions from conventional metallic superconductors and high-temperature cuprate superconductors has been developed. These Josephson junctions consist of a complex multi-layer structure, which was implemented using various thin-film deposition and micro-patterning techniques. As superconductor electrodes YBCO and niobium were used. Niobium is a superconductor with a s-wave symmetry of the order parameter and YBCO is a superconductor with mainly d-wave symmetry. Hence, in addition to usual Josephson junctions, so-called 0-pi and multi-facet Josephson junctions could be produced. The characterization and optimization of the fabrication process was done by examining the crystal structure and the topography as well as via measurements of the resistivity of the thin films. The successful realization of the Josephson junctions could be confirmed by measurements of the current-voltage characteristics and the critical current Ic dependence on the applied magnetic field H. The geometry of ramp-type Josephson junctions does not correspond to the geometry of an ideal planar Josephson junction. This results in deviations of the Ic(H) dependence from the characteristics of an ideal junction. For this reason, the influence of the junction geometry on the electrical properties was investigated. The measurements of the Ic(H) dependence for different orientations of the applied magnetic field could be very well reproduced by numerical simulations. In 0-pi junctions already small differences in the facets lengths or in the critical current densities of the individual facets have a strong influence on the junction properties. These differences are difficult to avoid due to the fabrication process. The properties caused by these asymmetries, in particular the magnetic field dependence of the critical current Ic were studied by numerical simulations. A subsequent correction of the length asymmetry by focused ion beam milling has been successfully demonstrated.