Magnetic and transport properties of Bi-based superconductors

Research Collection

Doctoral Thesis

Magnetic and transport properties of Bi-based superconductors

Author(s):

Jin, Rong Ying Publication Date:

1996

Permanent Link:

https://doi.org/10.3929/ethz-a-001693179

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Diss.ETH No. 11738

Magnetic ^{and Transport Properties}

of Bi-Based Superconductors

Adissertation submitted^to

SWISS FEDERAL INSTITUTE OF

TECHNOLOGY

ZURICH

forthedegree^of DoctorofNatureSciences

presented

by RongYingJIN

M.Sc.

Shanghai University

^ofScience and

Technology

bornon25January¹⁹⁶⁴

citizen ofP. R.China

accepted

^ontherecommendation of Prof.Dr.H.R.Ott,^examiner Prof.Dr.T.M.Rice,co-examiner

1996

X

Abstract

In this work, ^the

synthesis

^of single crystals ^ofBi-based cuprates ^and studiesof theirmagneticand transportproperties^{aredescribed.}

Superconducting single

crystals

ofBi-basedcuprates,

including

^the 2201 and2212

phases,

^have beenproduced

by

using^theself-flux method. DC magnetic susceptibilitymeasurementsinaverylowexternalmagnetic^field

yield superconducting

transition temperatures ofTco=15.0 and 90.7 K for

Bii.gsSrx.esLacuCuOe+s

(Bi-2201) and

Bi2Sr2CaCu208+s

(Bi-2212),

respectively.

Thereversiblemagnetization M(T,H)of Bi-2201 and Bi-2212

single crystals

has been

investigated

above and belowTcoⁱⁿ

externally applied

fields Hup to 55 kOe with H //c,where cdenotes the direction

perpendicular

^tothe Cu-0

planes

of these materials. We found thatM(T,H),^{for both}materials, behaves _verysimilarly ^above a crossoverfield

Hw

^but

distinctly

^different below

Hgr.

^AboveHcr, M(T,H)^isH-independent^ata

particular

temperature T*=11.2Kfor Bi-2201 and 86.4 K for Bi-2212.Below

Hcr,

the H- and T-

dependence

^ofM(T,H) ^{ofBi-2201 is similar as} for conventional type-II superconductors. ^ForBi-2212, M(T,H) ^is

H-independent

^{over a limited} temperature intervalAT,andAT

depends

^{onthevalueof H.}These features

are notobservedin conventionaltype-II superconductors. Using^amodel calculation, considering^thedepression^{ofthe order}parameter^atthevortex

coreand thermal fluctuationeffects, theunusualH- and

T-dependence

^of M(T,H), ^forboth materials, ^{canbe well}

explained.

^A

quantitative study

allows not onlyto deduce the anisotropy parameter y⁼

XcAab

^{and the}

T-dependence

of characteristic

lengths

^ofthe

superconductors

^{and their} critical fields, but also to extract the fluctuation-induced

susceptibility

above

Teg.

The latter is_verywell describedby^theLawrence-Doniach model.

Inthe critical regimearound the mean-field transitiontemperature TC(H), M(T,H),forbothmaterials,^exhibitsatwo-dimensional

scaling

^behaviouras

afunction of thescaling^variable

(T-Tc(H)]/(HT)^2.

TheHall effectofsingle crystallineBi-2201 and Bi-2212 has been measured above and belowTco by

applying

magneticfields H// cand DC currents lie. For bothmaterials,the HaU

resistivity Pxy(T,H)

^revealssimilar T- and

H-dependencies.

As T

approaches Tcq

^from

higher

temperatures, ^the

XI

Pxy(T,H)

^{versusHcurves}

^gradually

^{deviate from}

^linearity

and exhibitan

unusual sign ^{reversalin thelow-field} regime. ^{The total Hall} resistivity

Pjy(T,H)

^{may be}

^decomposed

^{into three}

^distinctly

different terms, i.e.,

Pxv(T,H)

⁼

pOy(T)

⁺

^RH(T)H

⁺

p^(T,H).

^The contribution

p^(T.H),

representing

the deviation of

PjEy(T,H)

^from

H-linearity,

^{exhibitsauniversal} scaling^{behaviouras a}function of

H/H0(T)

^forfields between0and

H0(T),

the field below which

PxyCT.H)

^{is no}

^longer

^{linear in} H. Our data demonstrate that thesignreversal of

Pxy(T,H)

^occursattemperatures^above andbelowTco,

indicating

that the additional force that

finally

^{leads toa} sign

change

^of

Pry(T.H)

^{sets inat}temperatures

exceeding

T^.^Acomparison ofourdata belowTco^witha model calculation of the Hall

conductivity

^is also

presented.

In addition, ^{we have} investigated ^the anisotropy ^of the normal-state resistivity of a number of superconducting ^{Bi-2201 and}

Bii.7Pbo.3Sr2CaCu208+8,(Pb-doped

^Bi-2212)single crystals using^bothasix- andafour-terminal

technique.

^ForBi-2201,

Pab(T)

^{increasesalmost}

linearly

withtemperature (dPab/dT^>0)inthe normal-state. Thec-axisresistivity Pc, however,^is

strongly sample dependent.

^Bothametallic-like(dPc/dT^>0) and mixedtemperature

dependencies

of Pc,

including

dPc/dT^<0,^are observed.

Fromaquantitative analysis^{of the} experimental data,^weemphasize^that tiny portions ^ofmisaligned ^Cu-0 planes, ^confirmed by HRTEM, may

significantly

affect the behaviour ofPC(T). ^Asystematic

study

^ofPb-doped Bi-2212single

crystals

indicates that bothPaband Pc^arecorrelated withTc, i.e.,with the carrier

density.

^AsTc^{variesbetween71and80}K, Pab(T),ⁱⁿ

general,

^{exhibits T-linear} dependence ^{in the} normal-state, ^{while the} smallest

extrapolated

^residual resistivity^{ratio ofthe}

in-plane resistivity

Pab(0VPab(300K)

^isobserved for an optimally

doped

sample. However, Pc remains non-metallic incharacterinboth the under-and the

lightly

^over-

doped regime.

For both Bi-2201 and

Pb-doped

^Bi-2212 materials, ^the

anisotropy

^ratio

Pc/Pab

^increases

monotonically

^with

decreasing

temperature, suggestingdifferencesin thetransport^mechanisms

parallel

andperpendicular^{tothe Cu-0}

planes.

xn

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden die

Synthese

^von einkristallinen auf Wismut basierenden Kupraten^und

Untersuchungen

iiber derenmagnetische ^und

Transporteigenschaften

beschrieben.

Fur die HersteUung

supraleitender

Einkristalle von auf Wismut basierendenKupraten,einschliesslich der beiden Phasen2201und 2212, wurdedas Material alsseineigenesFlussmittel verwendet.

DC-Messungen

der

magnetischen Suszeptibilitfit

^{fur kleine aussere}

magnetische

^Felder zeigten ^einen

Ubergang

^{in den}

supraleitenden

^{Zustand mit}

Sprungtemperaturen

^vonTco ^{= 15.0 K fur}

Bii.95Sri.65Lao.4C!u06+5

(Bi- 2201), bzw.90.7 Kfur

Bi2Sr2CaCu208+8

(Bi-2212).

Die reversible

Magnetisierung

M(T,H) von Bi-2201- und Bi-2212- Einkristallenist inder NahevonTco ^mitausserenmagnetischen^Feldern H//cvonbiszu55kOe untersuchtworden,wobeic die

Richtung

^senkrecht

zuden Cu-O-Ebenen bezeichnet. Das VerhaltenvonM(T,H)istoberhalb des Crossover-Feldes

Hcr

^{fur beide} Materialien sehr Shnlich, wShrend unterhalb von

HCT groBe

Unterschiede beobachtet wurden. Fur Felder oberhalbvonHCr^istM(T,H)bei einer bestimmten

Temperatur T*,

welche 11.2Kin Bi-2201 und 86.4 K in Bi-2212

betragt, unabhangig

^{vonH. Fvir} Felderunterhalbvon

Hcr

^{ist die}

Temperatur-

und

Feldabhangigkeit

^von M(T,H) ⁱⁿ Bi-2201 ahnlich

derjenigen

^eines konventionellen Typ-II- Supraleiters. ^{In Bi-2212 ist} M(T,H) tiber ein beschranktes

Temperaturintervall

AT

unabhangig

^von H, ^{wobei die Breite des}

Temperaturintervalls

ATvomWertvonH

abhangt.

Dieses Verhalten wird in konventionellen

Typ-II-Supraleitern

nichtbeobachtet.Dieanomale Feld- und

Temperaturabhangigkeit

^vonM(T,H)kann fur beide Materialien durch eine

Modellrechnung

erklart werden, welche die

Unterdriickung

des

Ordnungsparameters

in den Zentren der Vortices und den Effekt thermischer Fluktuationen

beriicksichtigt.

^Eine quantitative Analyse erlaubt es, nicht nur den

Anisotropieparameter

y⁼

AcAab

^{un<* die}

Temperaturabhangigkeit

^der

Kohaherenzlange

und der kritischenFelder, sondern auch die durch Fluktuationen verursachte magnetische

SuszeptibilitSt

oberhalbvonTco ^zubestimmen. Diese stimmt gut mit den

Erwartungen

^desLorenz-Doniach-Modells iiberein.Inbeiden Materialien skaliertM(T3) als Funktion der

Scaling-Variablen [T-TC(H)]/(HT)^2

^im

xin

kritischen Bereich um die Temperatur TC(H) ^des Mean-Field-

Phaseniibergangs,

was demVerhalten eines zweidimensionalen

Systems

entspricht.

Weiterwurde der Halleffektaneinkristallinem Bi-2201 und Bi-2212 bei Temperaturen oberhalb und unterhalb von Tco ^{mit senkrecht zu c}

angelegtem

Gleichstrom I und

parallel

^{zu c} angelegten

Magnetfeldern

H gemessen. Das beobachtete Verhalten des Hallwiderstandes

Pxy(T,H)

^als

Funktion der

Temperatur

und des Feldesist inbeiden Materialien ahnlich.

Wird Tco ^{von hoheren}

Temperaturen

^her

angenahert,

^so weichen die

Pxy(T,H)

^{vs.H Kurvenvon}einem linearen Verhalten

langsam

ab, und fur kleineFelder wirdeinungewShnlicherVorzeichenwechsel beobachtet. Der gesamteHallwiderstand

Pxy

kann durch drei

Beitrage

beschrieben werden:

pxy(T,H)

⁼

p^(T)

⁺

^RH(T)H

⁺

p^(T>H).

^{Der Beitrag}

p^(T,H)

^beschreibt

dabei die

Abweichung

^von

Pxy

^vonder Linearitat inH.

p* (T,H)

zeigt^ein universelles Skalierungsverhaltenals Funktionvon

H/Ho(T)

^{fur Felder}

zwischen 0 und

H0(T),

^demFeld, unterhalb dessen

Pxy(T,H)

^{nicht mehr}

linear in H ist. Unsere Resultate zeigen ^einen Vorzeichenwechsel von

PxyCT.H)

^furTemperaturen sowohl oberhalb als auch unterhalb vonTeg.

DiesesVerhalten deutet daraufhin,dass die zusatzlicheKraft,^{welche fur} denVorzeichenwechselvon

Pxy(T,H)

verantwortlichist,beiTemperaturen oberhalb vonTco ^einsetzt. Unsere Daten unterhalb vonTco^{werden mit} einer

Modellrechnung

^{fur die}

Hallleitfahigkeit

verglichen.

Imweiteren habenwirdie

Anisotropic

des elektrischen Widerstandesvon

supraleitenden

Bi-2201- und

Bii.7Pbo.3Sr2CaCu208+s-

(Pb-dotierten Bi- 2212-) Einkristallen im normalleitenden Zustand mittels Vier- und

Sechspunktkontakten

untersucht.Imnormalleitenden Zustand nimmt der elektrische Widerstandinder ab-Ebene Pab(T)^vonBi-2201nahezulinear mitsteigender Temperatur^zu(dPai/dT>0).^DasVerhalten des Widerstandes pc,gemessen

entlang

^derc-Achse,^isthingegen^starkvonderverwendeten Probe

abhangig.

Es wurde sowohl metalliscb.es

(dPc/dT>0),

^{als auch} nichtmonotones VerhaltenvonPc beobachtet. Eine

Analyse

^unsererDaten

best&tigt,

^daBeingeringe^{Zahlvonfalsch}

ausgerichteten Cu-O-Ebenen,

wie sie inHRTEM-Bildern nachgewiesen wurden, das VerhaltenvonPc^stark beeinflussen kann. Eine systematische Studie vonmit Blei dotiertenBi- 2212-Einkristallen deutet daraufhin, ^dasssowohl pab ^{als auch}Pc^mit

Tc,

xrv

d.h. mit der

Ladungstrggerdichte,

stark korreliert sind. Fiir kritische

Sprungtemperaturen

Tc ^{im Bereich von 71 bis 80} K, zeigt Pab(T) ^im normalleitenden Zustand im allgemeinen ^{eine lineare}

Temperaturabhangigkeit,

wobei das kleinste Verhaltnis des

extrapolierten

RestwiderstandesPab(0VPab(300K)ⁱⁿ

optimal

dotierten Proben beobachtet wurde. Pe

hingegen

zeigt ^{sowohl im} unterdotierten als auch im iiberdotierten Bereich nichtmetallisches Verhalten. Sowohl fiir Bi-2201 als auch furmitPb dotiertesBi-2212zeigte^essich,dassdasVerhaltnisPc/Pab mit sinkender

Temperatur

^monoton ansteigt. ^Zur

Erklfirung

^werden UnterschiedeindenTransportmechanismen parallel^{undsenkrechtzuden} Cu-O-Ebenen

vorgeschlagen.