Superconductor/Ferromagnet Hybrid Thin Film

Abstract

We successfully combined two nanomaterials with antagonistic 2-dimensional high-Tc superconductor and magnetic nanoparticles, utilizing nanohybridization technology. For high-Tc superconductor, we choose Bi-based cuprates, in which the number of copper oxides plays an important role in superconducting character. Magnetite (Fe₃O₄) with inverse spinel structure was utilized as magnetic part, since it is easy to manipulate in nanosize. Ever since magnetism in Fe₃O₄ was discovered, the material has been at the core of applications such as electric motors, electromagnets, transformers, etc.. First, 2-dimensional superconductors were exfoliated by intercalating bulky HgI₂ molecules and sonicating in acetone solvent. Thus colloid containing delaminated Bi₂Sr₂CaCu₂O_(8+x) (Bi2212) was determained to have slightly positive surface charge. Through electrophoretic deposition using Ag plate as working electrode and subsequent heat treatment at 845 ℃, it was enable to fabricate Bi2212 deposited film and wire. Fe₃O₄ colloid could be prepared via two different routes; one is to synthesize in aqueous solution using co-precipitation of ferrous and ferric ions in NH4OH and the other is non-aqueous media utilizing the mixture of iron-oleate as precursor. Electrophoretic deposition methodology was also applied to fabricate to Fe₃O₄ wire using aqueous magnetite colloid, which had positive charge at pH 4. Such surface properties allowed us to apply these colloidal nanosheets and nanoparticles as good precursors to the fabrication of layered structures by EPD method. In artificially fabricated layered ferromagnet/superconductors (F/S) systems the Cooper pairs can penetrate into the ferromagnet layer due to the proximity effect and induce superconductivity there. A strong exchange field acting on the Cooper pairs in the ferromagnet leads to the damping oscillatory behaviour of the superconducting order parameter inside the ferromagnetic layer. In consequence it results in the spatial oscillations of the electron's density of states, the non-monotonous dependence of the critical temperature of S/F multilayers and bilayers on the ferromagnet layer thickness, and realization of the Josephson π-junctions in S/F/S systems. In respecting these results, F/S bilayers system was fabricated through electrophoretic deposition method. First Bi2212 layer was deposited on Ag wire and Fe₃O₄ layer was followed through same process.;초전도의 성질과 강자성은 서로 상충되는 특성을 갖고 있어서, 둘의 특성을 동시에 가진 물질을 제작하는 데 어려움이 따른다. 그러나 우리는 나노 기술을 이용하여 2차원적으로 결합을 시킨 새로운 물질을 성공적으로 제작하였다. 초전도 물질로는 고온 초전도체로서 비스무스 계열의 구리 산화물을 사용하였다. 이 초전도 물질의 특징은 구리 산화물의 개수에 따라 초전도 특성에 변화가 생기는 것이 흥미로운 점이다. 마그네타이트는 역스피넬 구조로서 자기적 부분으로 사용되었고, 그것은 나노 크기로 조작하기에 손쉬운 점이 있다. 마그네타이트는 그 안에서 자기장이 발견된 이후로 전기 모터나 전자기, 변압기 등에 이용됨으로써 중추적인 역할을 하고 있다. 우선, 2차원적의 초전도물질은 벌크한 머큐리 아이오다이드를 비스무스 옥사이드 층사이에 삽입시키고 이를 아세톤에서 초저주파 처리를 하여 분리시켜 준다. 그리하여 분리된 비스무스 계열의 초전도체를 함유한 콜로이드는 약간의 플러스 전하를 띠게 된다. 은 판을 작용전극으로 사용하여 전착을 진행시켰고, 그에 따라 열처리를 845도에서 해줌으로써 비스무스 계열의 초전도 물질이 전착된 필름과 와이어를 제작할 수 있었다. 마그네타이트 콜로이드는 두 가지 방법으로 제작 하였는데, 하나는 암모니아 용액에서 2가와 3가의 철 이온을 공침시킨 수용액을 사용하여 만든 것이다. 다른 하나는 선구물질로써 철과 올레이트가 결합된 물질을 매개로 유기물질에서 합성하는 것이다. 전착 방법은 pH 4에서 양전하를 띠는 수용성의 마그네타이트 콜로이드를 이용하여 마그네타이트 와이어를 만드는데 적합하였다. 이렇게 표면전하를 띠는 성질은 콜로이드에 포함된 나노판과 나노입자를 전착방법으로 층상물질을 만드는 데 적합하도록 만들어 준다. 앞의 과정에 이어서 와이어를 가지고 처음엔 비스무스 계열의 초전도 물질을 전착시키고 열처리를 해주고, 그리고 나서 마그네타이트를 전착시켜 열처리를 해주어 최종적으로 얻고자 하는 초전도체와 강자성체가 층상으로 결합된 물질을 얻을 수 있었다.