We have investigated the behavior of magnetic flux in granular $SmBa_2Cu_3O_{7-\delta}$ (SmBCO) thin film. We found some characteristics of magnetic flux and current density distributions of the film and applied the characteristics to the estimation of the hysteresis energy loss of superconducting thin film.
The granular SmBCO thin film was grown on an Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) template, composed of $LaMnO_3$/MgO/$Y_2O_3$/$Al_2O_3$ /Hastelloy tape, by Evaporation using a Drum in Dual Chambers (EDDC) method, and the properties of the film was investigated. The transition temperature $\It{T}_c$ and the critical current $\It{I}_{c0}$ were measured by 4-point probe method from $\It{R-T}$ and $\It{I-V}$ measurements, respectively, where $\It{I}_{c0}$ was determined with 1 $\muV$/cm criterion. The degree of crystal texture (in-plane and out-of-plane) was investigated through X-ray diffraction (XRD) and the composition ratio of SmBCO was examined by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). Granular structure of the film was confirmed and the grain size was measured by Scanning Electron Microscope (SEM) image. And the $\It{M-H}$ hysteresis loop was measured by a SQUID magnetometer. Magnetic field and angle dependencies of critical current were also measured.
The field profiles $B_{\delta}(x,\It{B}_a,\It{I}_a)$ near the surface of SmBCO film were measured using scanning Hall probe method with applied current ($\It{I}_a$) and/or applied field ($\It{B}_a$). From the measured profiles, the sheet current density distributions $J(x,\It{B}_a,\It{I}_a)$ were calculated using a numerucal inversion method, and from the current density distributions the magnetic flux density distributions $B_0(x,,\It{B_a},\It{I_a})$ of the film were calculated using Biot-Savart law. For the applied-field-only and applied-current-only cases, for which the solutions of analytic calculation exist, the profiles show some different features from theoretical results, and we think that the differences are due to the granular structure of the film. We defined three different types of critical currents : $\It{I}_{c0}$,$\It{I}_{c1}$, and $\It{I}_{c2}$. $\It{I}_{c0}$ is determined by $\It{I-V}$ measurement. $\It{I}_{c1}$ and $\It{I}_{c2}$, which are defined based on the concept of the critical state model, were determined from $J(x,\It{B}_a,\It{I}_a)$ for current-like and field-like distributions, respectively. It was found that all of the obtained values of $\It{I}_{c2}$ fall on a single line and are much smaller than $\It{I}_{c0}$. The values of $\It{I}_{c1}$, which are identical to the values of $\It{I}_a$, are between the two lines, $\It{I}_{c0}(\It{B}_a)$ and $\It{I}_{c2}(\It{B}_a)$.
Using the profiles from scanning Hall probe measurements, we calculated the hysteresis energy loss $\It{Q}$, and the values of $\It{Q}$ were compared with theoretical results. There were deviations from theoretical results. Using $\It{I}_{c1}$ and $\It{I}_{c2}$, the model current density distributions were calculated for general cases of $\It{B}_a$,$\It{l}_a$, and the model distributions were used for the estimation of $\It{Q}$ for general load lines with high applied magnetic fields. The estimated values were in good agreement with the values from scanning Hall probe data.
Granular $SmBa_2Cu_3O_{7-\delta}$ (SmBCO) 박막에서의 자기선속의 거동에 대해 연구하였다. 이러한 박막의 자기선속 밀도 분포와 전류 밀도 분포의 몇가지 특성을 발견하였고 이 특성을 초전도 박막의 히스테리시스 에너지 손실 예측에 적용하였다.
Granular SmBCO 박막은 $LaMnO_3$/MgO/$Y_2O_3$/$Al_2O_3$/Hastelloy tape으로 구성된 Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) 기판위에 Evaporation using a Drum in Dual Chambers (EDDC) 방식으로 성장시켰고, 박막의 여러 특성들을 측정하였다. 전이온도 $T_c$와 임계전류 $I_{c0}$는 4-point probe 방법을 이용해 각각 $R-T$ 측정과 $I-V$ 측정으로부터 측정하였는데, $I_{c0}$는 1 $\muV$/cm 기준에 의해 결정되었다. 결정의 정렬도(in-plane과 out-of-plane)는 X-ray diffraction을 통해 측정하였고, SmBCO의 성분비는 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)로 확인하였다. Scanning Electron Microscope (SEM) 이미지를 통해 박막의 granular structure를 확인할 수 있었고 grain의 크기를 측정하였다. SQUID magnetometer를 이용해 $M-H$ hysteresis loop을 구하였다. 임계전류의 자기장 세기 및 각도에 대한 의존성도 측정하였다.
SmBCO 박막에 수송전류 ($I_a$)이나 자기장 ($B_a$), 또는 그 둘을 동시에 가하며 scanning Hall probe 방법을 이용해 박막 표면 근처의 자기장 profile $B_\delta(x,B_a,I_a)$를 측정하였다. 이렇게 측정된 profile로부터 수치적인 inversion 계산을 통해 sheet current density 분포 $J(x,B_a,I_a)$를 구하고, 이 전류밀도 분포를 갖고 Biot-Savart 법칙으로 박막의 자기선속밀도 분포 $B_0(x,B_a,I_a)$를 계산하였다. Analytic한 이론적 계산 결과가 존재하는, 자기장만 가해준 경우와 전류만 가해준 경우에 대해서 profile들은 이론 결과와 다른 몇가지 특성들을 나타내었는데, 이는 박막의 granular structure에 기인한다고 생각된다. 세가지 종류의 임계전류 : $I_{c0}$, $I_{c1}$, $I_{c2}$. $I_{c0}$를 정의하였다. $I_{c0}$는 I-V 측정을 통해 결정되는 값이다. $I_{c1}$과 $I_{c2}$는 critical state model의 개념에 기반해 정의하였는데, 각각 current-like한 분포와 field-like한 분포에 대한 $J(x,B_a,I_a)$로부터 결정된다. 구해진 모든 $I_{c2}$ 값들이 $B_{a}$의 함수로 plot하였을 때 한 라인을 이룬다는 것과 $I_{c0}$ 값보다 훨씬 작다는 것이 발견되었다. $I_a$ 값과 같은 값을 갖는 $I_{c1}$은 $I_{c0}(B_a)$와 $I_{c2}(B_{a})$ 사이의 값을 갖는다.
Scanning Hall probe 측정으로부터 구한 profile들을 이용해 박막의 히스테리시스 에너지 손실 Q를 구하고 이론값과 비교하였는데, 이론값과 차이를 보이는 영역이 나타났다. $I_{c1}$과 $I_{c2}$를 이용해 일반적인 경우의 $(B_{a},I_{a})$에 model 전류밀도 분포를 계산하여 고자기장에서의 Q를 예측하는 데에 적용하였다. 이렇게 예측된 값들은 측정된 scanning Hall probe 데이터로부터 구한 Q값들과 잘 일치하였다.
