Elektronen- und Positronenstrahlen mit niedrigsten Emittanzen und hohen Strömen werden in zukünftigen Linearbeschleunigern, wie zum Beispiel dem Compact Linear Collider (CLIC), benötigt, um die geforderte Leuchtkraft für physikalische Experimente bereit zu stellen. Diese Strahlen können in Dämpfungsringen, ausgestattet mit starken, supraleitenden Dämpfungswigglermagneten, erzeugt werden. In dieser Arbeit sind Designkonzepte verschiedener supraleitender Dämpfungswigglermagnete entwickelt worden. Testspulen sowie Modelle sind gebaut und getestet, elektrische Verbindungstechniken entwickelt worden. Eine Wärmelastrechnung für den Betrieb in Dämpfungsringen und ein Designkonzept für den kryogenen Betrieb bei 4.2 K ist erstellt worden. Es konnte theoretisch und experimentell gezeigt werden, dass supraleitende Dämpfungswigglermagnete mit Nb-Ti und Nb3Sn Niedertemperatursupraleitern die magnetischen, mechanischen, elektrischen und thermischen Anforderungen erfüllen und in Dämpfungsringen betrieben werden können.

Elektronen- und Positronenstrahlen mit niedrigsten Emittanzen und hohen Strömen werden in zukünftigen Linearbeschleunigern, wie zum Beispiel dem Compact Linear Collider (CLIC), benötigt, um die geforderte Leuchtkraft für physikalische Experimente bereit zu stellen. Diese Strahlen können in Dämpfungsringen, ausgestattet mit starken, supraleitenden Dämpfungswigglermagneten, erzeugt werden. In dieser Arbeit sind Designkonzepte verschiedener supraleitender Dämpfungswigglermagnete entwickelt worden. Testspulen sowie Modelle sind gebaut und getestet, elektrische Verbindungstechniken entwickelt worden. Eine Wärmelastrechnung für den Betrieb in Dämpfungsringen und ein Designkonzept für den kryogenen Betrieb bei 4.2 K ist erstellt worden. Es konnte theoretisch und experimentell gezeigt werden, dass supraleitende Dämpfungswigglermagnete mit Nb-Ti und Nb3Sn Niedertemperatursupraleitern die magnetischen, mechanischen, elektrischen und thermischen Anforderungen erfüllen und in Dämpfungsringen betrieben werden können.

Local studies of magnetic flux line (vortex) distribution in superconducting thin films and their pinning by natural and artificial defects have been performed using low-temperature magnetic force microscopy (LT-MFM). Taken a 100 nm thin NbN film as an example, the depinning of vortices from natural defects under the influence of the force that the MFM tip exerts on the individual vortex was visualized and the local pinning force was estimated. The good agreement of these results with global transport measurements demonstrates that MFM is a powerful and reliable method to probe the local variation of the pinning landscape. Furthermore, it was demonstrated that the presence of an ordered array of 1-μm-sized ferromagnetic permalloy dots being in a magneticvortex state underneath the Nb film significantly influences the natural pinning landscape of the superconductor leading to commensurate pinning effects. This strong pinning exceeds the repulsive interaction between the superconducting vortices and allows vortex clusters to be located at each dot. Additionally, for industrially applicable YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta} thin films the main question discussed was the possibility of a direct correlation between vortices and artificial defects as well as vortex imaging on rough as-prepared thin films. Since the surface roughness (droplets, precipitates) causes a severe problem to the scanning MFM tip, a nanoscale wedge polishing technique that allows to overcome this problem was developed. Mounting the sample under a defined small angle results in a smooth surface and a monotonic thickness reduction of the film along the length of the sample. It provides a continuous insight from the film surface down to the substrate with surface sensitive scanning techniques.

Local studies of magnetic flux line (vortex) distribution in superconducting thin films and their pinning by natural and artificial defects have been performed using low-temperature magnetic force microscopy (LT-MFM). Taken a 100 nm thin NbN film as an example, the depinning of vortices from natural defects under the influence of the force that the MFM tip exerts on the individual vortex was visualized and the local pinning force was estimated. The good agreement of these results with global transport measurements demonstrates that MFM is a powerful and reliable method to probe the local variation of the pinning landscape. Furthermore, it was demonstrated that the presence of an ordered array of 1-μm-sized ferromagnetic permalloy dots being in a magneticvortex state underneath the Nb film significantly influences the natural pinning landscape of the superconductor leading to commensurate pinning effects. This strong pinning exceeds the repulsive interaction between the superconducting vortices and allows vortex clusters to be located at each dot. Additionally, for industrially applicable YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta} thin films the main question discussed was the possibility of a direct correlation between vortices and artificial defects as well as vortex imaging on rough as-prepared thin films. Since the surface roughness (droplets, precipitates) causes a severe problem to the scanning MFM tip, a nanoscale wedge polishing technique that allows to overcome this problem was developed. Mounting the sample under a defined small angle results in a smooth surface and a monotonic thickness reduction of the film along the length of the sample. It provides a continuous insight from the film surface down to the substrate with surface sensitive scanning techniques.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der spezifischen Wärme von Holmium und YNi2B2C in den Temperaturbereichen von 50 bis 200 K bzw. von 380 mK bis 20 K in Magnetfeldern bis 9 T. In der vorliegenden Arbeit werden das kritische Verhalten von YNi2B2C und Eigenschaften des supraleitenden Zustands des nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbids YNi2B2C mit Hilfe eines selbstentwickelten Messaufbaus der spezifischen Wärme nach der quasiadiabatischen Heizpulsmethode sowie von Holmium mit Hilfe der Relaxationsmethode untersucht. In dieser Arbeit konnten zuverlässige Aussagen über die kritischen Exponenten an einkristallinem Holmium gemacht werden. Die Untersuchung an Holmium beweist, dass das kritischen Verhalten der spezifischen Wärme nicht im Rahmen der Vorhersagen der chiralen Universalitätsklassen beschrieben werden kann. Anhand von Messungen der spezifischen Wärme konnte in dieser Arbeit bestätigt werden, dass YNi2B2C ein Multibandsupraleiter ist. Die positive Krümmung der Grenzlinie unterhalb Tc im Phasendiagramm liefert einen ersten Hinweis auf den Mehrband-Charakter von YNi2B2C. Im Nullfeld kann die elektronische spezifische Wärme im supraleitenden Zustand, ces(T), nicht im Rahmen der reinen BCS-Theorie erklärt werden. Bei tiefen Temperaturen konnte ein Restbeitrag durch normalleitende Elektronen nachgewiesen werden, der auf eine nicht vollständig geöffnete Energielücke hinweist. Eine mögliche Erklärung wäre, dass ein Band (oder mehrere Bänder) mit geringer Ladungsträgerkonzentration nicht zur Supraleitung beitragen. Dieses Ergebnis deckt sich mit de Haas-van Alphen-Messungen an isostrukturellen supraleitenden LuNi2B2C-Einkristallen, welche den Mehrband-Charakter der Supraleitung sowie eine verschwindende Energielücke in einem Band nahe legen. Das Fluktuationsverhalten der spezifischen Wärme von YNi2B2C in der Nähe des supraleitend-normalleitenden Übergangs stimmt gut mit demjenigen des 3D-XY-Modells überein.

The present thesis is devoted to the investigation of novel superconductors by phase-sensitive terahertz transmission and infrared to ultraviolet spectroscopy. In particular, a nominally undoped Pr2CuO4 superconducting thin film, an FeTe0.5Se0.5 thin film, and a LiFeAs single crystal have been investigated. The emphasis is on the low-frequency part of the optical spectrum (i.e., the terahertz and infrared spectrum), as the goal of the study was to shed light on the size and symmetry of the superconducting gaps and also to determine the temperature dependences as well as the absolute values of the penetration depth, which are key input parameters for models applicable for new superconductors. In addition, niobium has been investigated as a reference, so as to see what is expected from conventional superconductors and to clarify the electrodynamics of niobium. A superconducting Nb thin film with Tc of 8.04 K has been investigated by backward wave oscillator-based (BWO-based) and time-domain terahertz (TDT) spectrometers in the frequency range between 4 and 100 cm−1 for temperatures ranging from 2 to 10 K. From these measurements an energy gap of 22.50 cm−1 = 2.79 meV = 4.02kBTc have been determined. The optical conductivity below Tc could nicely be described by calculations according to the Eliashberg theory, with the electron-phonon interaction evaluated from tunneling measurements. Absolute values of the penetration depth have been calculated from phase-sensitive terahertz measurements. The zero-temperature limit of at T = 0 is found to be 115 ± 5 nm. From this value, a London penetration depth of 43 ± 2 nm has been obtained. The overall temperature dependence of the penetration depth follows a behavior typical for conventional s-wave superconductors. A superconducting Pr2CuO4 film with T0 structure and Tc of 27 K has been investigated by use of optical methods in a wide frequency (5 – 55000 cm−1) and temperature (2 – 300 K) range. A Drude-like peak centered at zero frequency is observed in the optical conductivity below 150 K, above which it shifts to finite frequencies. The detailed analysis of the low-frequency conductivity reveals that the Drude peak and a far-infrared (FIR) peak centered at about 300 cm−1 persist at all temperatures. The FIR spectral weight is found to grow at the expense of the Drude spectral weight with increasing temperature. Absolute values of the penetration depth have been obtained from temperature and frequency-dependent measurements. The zero-temperature limit of is estimated to be 1600 ± 100 nm. The overall temperature dependence of follows a behaviour typical for cuprate superconductors. However, a closer look at the penetration depth at T 12 K reveals a flattening in the temperature dependence. A superconducting FeTe0.5Se0.5 thin film with Tc = 19 K has been investigated using a combination of BWO and TDT spectroscopy in the frequency range 4 - 80 cm−1 and between 3 and 150 K. From such measurements, a superconducting energy gap of 30 cm−1, representing a coupling strength = 2.27, is observed. Further, the penetration depth has been derived from the temperature dependence of the imaginary part of complex conductivity with the penetration depth = 530 ± 10 nm at lowest measured temperature. The temperature-dependent normalized superfluid density, just as is the case with most iron-based superconductors, could nicely be described by the so-called two-gap gamma model. Finally, a superconducting LiFeAs single crystal with Tc = 18 K has been investigated by optical spectroscopy in the frequency range 15 - 55000 cm−1 between 5 and 300 K. From these measurements, no clear signature of the superconducting energy-gap opening could be identified in spite of the spectral weight been suppressed in the infrared frequency regime below Tc. This indicates that LiFeAs single crystal is in a clean limit. With the aid of the Ferrell-Glover-Tinkham (FGT) sum rule, an absolute penetration depth of 215 nm has been calculated from the missing area at 5 K.

The present thesis is devoted to the investigation of novel superconductors by phase-sensitive terahertz transmission and infrared to ultraviolet spectroscopy. In particular, a nominally undoped Pr2CuO4 superconducting thin film, an FeTe0.5Se0.5 thin film, and a LiFeAs single crystal have been investigated. The emphasis is on the low-frequency part of the optical spectrum (i.e., the terahertz and infrared spectrum), as the goal of the study was to shed light on the size and symmetry of the superconducting gaps and also to determine the temperature dependences as well as the absolute values of the penetration depth, which are key input parameters for models applicable for new superconductors. In addition, niobium has been investigated as a reference, so as to see what is expected from conventional superconductors and to clarify the electrodynamics of niobium. A superconducting Nb thin film with Tc of 8.04 K has been investigated by backward wave oscillator-based (BWO-based) and time-domain terahertz (TDT) spectrometers in the frequency range between 4 and 100 cm−1 for temperatures ranging from 2 to 10 K. From these measurements an energy gap of 22.50 cm−1 = 2.79 meV = 4.02kBTc have been determined. The optical conductivity below Tc could nicely be described by calculations according to the Eliashberg theory, with the electron-phonon interaction evaluated from tunneling measurements. Absolute values of the penetration depth have been calculated from phase-sensitive terahertz measurements. The zero-temperature limit of at T = 0 is found to be 115 ± 5 nm. From this value, a London penetration depth of 43 ± 2 nm has been obtained. The overall temperature dependence of the penetration depth follows a behavior typical for conventional s-wave superconductors. A superconducting Pr2CuO4 film with T0 structure and Tc of 27 K has been investigated by use of optical methods in a wide frequency (5 – 55000 cm−1) and temperature (2 – 300 K) range. A Drude-like peak centered at zero frequency is observed in the optical conductivity below 150 K, above which it shifts to finite frequencies. The detailed analysis of the low-frequency conductivity reveals that the Drude peak and a far-infrared (FIR) peak centered at about 300 cm−1 persist at all temperatures. The FIR spectral weight is found to grow at the expense of the Drude spectral weight with increasing temperature. Absolute values of the penetration depth have been obtained from temperature and frequency-dependent measurements. The zero-temperature limit of is estimated to be 1600 ± 100 nm. The overall temperature dependence of follows a behaviour typical for cuprate superconductors. However, a closer look at the penetration depth at T 12 K reveals a flattening in the temperature dependence. A superconducting FeTe0.5Se0.5 thin film with Tc = 19 K has been investigated using a combination of BWO and TDT spectroscopy in the frequency range 4 - 80 cm−1 and between 3 and 150 K. From such measurements, a superconducting energy gap of 30 cm−1, representing a coupling strength = 2.27, is observed. Further, the penetration depth has been derived from the temperature dependence of the imaginary part of complex conductivity with the penetration depth = 530 ± 10 nm at lowest measured temperature. The temperature-dependent normalized superfluid density, just as is the case with most iron-based superconductors, could nicely be described by the so-called two-gap gamma model. Finally, a superconducting LiFeAs single crystal with Tc = 18 K has been investigated by optical spectroscopy in the frequency range 15 - 55000 cm−1 between 5 and 300 K. From these measurements, no clear signature of the superconducting energy-gap opening could be identified in spite of the spectral weight been suppressed in the infrared frequency regime below Tc. This indicates that LiFeAs single crystal is in a clean limit. With the aid of the Ferrell-Glover-Tinkham (FGT) sum rule, an absolute penetration depth of 215 nm has been calculated from the missing area at 5 K.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der spezifischen Wärme von Holmium und YNi2B2C in den Temperaturbereichen von 50 bis 200 K bzw. von 380 mK bis 20 K in Magnetfeldern bis 9 T. In der vorliegenden Arbeit werden das kritische Verhalten von YNi2B2C und Eigenschaften des supraleitenden Zustands des nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbids YNi2B2C mit Hilfe eines selbstentwickelten Messaufbaus der spezifischen Wärme nach der quasiadiabatischen Heizpulsmethode sowie von Holmium mit Hilfe der Relaxationsmethode untersucht. In dieser Arbeit konnten zuverlässige Aussagen über die kritischen Exponenten an einkristallinem Holmium gemacht werden. Die Untersuchung an Holmium beweist, dass das kritischen Verhalten der spezifischen Wärme nicht im Rahmen der Vorhersagen der chiralen Universalitätsklassen beschrieben werden kann. Anhand von Messungen der spezifischen Wärme konnte in dieser Arbeit bestätigt werden, dass YNi2B2C ein Multibandsupraleiter ist. Die positive Krümmung der Grenzlinie unterhalb Tc im Phasendiagramm liefert einen ersten Hinweis auf den Mehrband-Charakter von YNi2B2C. Im Nullfeld kann die elektronische spezifische Wärme im supraleitenden Zustand, ces(T), nicht im Rahmen der reinen BCS-Theorie erklärt werden. Bei tiefen Temperaturen konnte ein Restbeitrag durch normalleitende Elektronen nachgewiesen werden, der auf eine nicht vollständig geöffnete Energielücke hinweist. Eine mögliche Erklärung wäre, dass ein Band (oder mehrere Bänder) mit geringer Ladungsträgerkonzentration nicht zur Supraleitung beitragen. Dieses Ergebnis deckt sich mit de Haas-van Alphen-Messungen an isostrukturellen supraleitenden LuNi2B2C-Einkristallen, welche den Mehrband-Charakter der Supraleitung sowie eine verschwindende Energielücke in einem Band nahe legen. Das Fluktuationsverhalten der spezifischen Wärme von YNi2B2C in der Nähe des supraleitend-normalleitenden Übergangs stimmt gut mit demjenigen des 3D-XY-Modells überein.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von metall-organisch deponierten (MOD) Pufferschichten für den Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 . Dazu wurde die Texturbildung in CeO2, Gd-dotiertem CeO2 (CGO) und Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) durch epitaktisches Wachstum auf YSZ-Substraten verschiedener Rauhigkeit und Textur untersucht. Nach Deposition der Precursorlösung (Ce-Acetylacetonat in einem Essigsäure/iso-Propanolgemisch) mittels Spin-coating wurden die Proben in einer Ar/H2-Athmosphäre bzw. an Luft bei 700-1300°C ausgelagert, wobei zunächst ein nanokristallines Gefüge entsteht.Nach Bildung einer epitaktischen Keimschicht an der Substratoberfläche konkurrieren während des weiteren Wachstums Kornvergröberung in der polykristallinen Deckschicht und epitaktisches Schichtwachstum miteinander. Die treibende Kraft für beide Prozesse resultiert dabei aus der hohen Korngrenzenergiedichte des nanokristallinen Precursorgefüges. Das Schichtwachstum wurde u.a. mit Röntgenverfahren und RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) verfolgt. Eine biaxiale Textur wurde mit Röntgenverfahren im Falle des CGO auf YSZ-(001)-Einkristallen schon bei Auslagerungstemperaturen von ca. 790°C beobachtet, während eine epitaxiefähige Oberfläche erst bei Temperaturen von 1200-1300°C auftrat. Bei Auslagerungstemperaturen von 790°C verhindert eine untexturierte Deckschicht in der MOD-Schicht ein epitaktisches Anwachsen des YBa2Cu3O7.Die Untersuchung des Wachstumsverhaltens auf technischen IBAD(Ion-Beam-Assisted-Deposition)-YSZ Substraten ergab, daß die Oberflächenrauhigkeit die maßgebliche Einflussgröße ist, die die Erhöhung der mit Röntgenmethoden gemessenen optimalen Auslagerungsbedingungen bestimmt.Die Eignung der mit MOD hergestellten Pufferschichten als Substrat für ein biaxiales Aufwachsen der supraleitenden Schicht wurde durch die hohen Stromtragfähigkeiten nachgewiesen, die in den supraleitenden Filmen erreicht wurden.

Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse der methodologischen Entwicklung räumlich aufgelöster Analyse mittels Scanning Laserablation-ICP-Massenspektrometrie dar. Eine neue Behandlung zur Quantifizierung transienter analytischer Signale wurde für die Wiederherstellung von Konzentrationsprofilen vorgeschlagen. Die Anwendung der entwickelten Modelle auf die räumlich aufgelöste Analyse mittels LA-ICP-MS ermöglicht verbesserten Informationsgewinn und lässt dadurch eine höhere räumliche Auflösung erreichen. Die Anwendbarkeit der LA-ICP-MS für die räumlich aufgelöste Bestimmung der Stöchiometrie in supraleitenden Borokarbiden wurde untersucht. Der Einfluss apparativer Größen auf das analytische Signal wurde aufgeklärt, um die Messbedingungen zu optimieren. Zusätzlich wurden Fraktionierungseffekte untersucht, um die Ursache und deren Auswirkung auf die Analyse supraleitender Borokarbiden zu erklären. / This work represents the results of the methodological development of spatially resolved analysis by scanning laser ablation ICP mass spectrometry. A new approach to the quantification of transient analytical signals was proposed to reveal the concentration profile. An application of the developed models on spatially resolved analysis by LA-ICP-MS allows to gain more information from experimental data and hence to achieve better spatial resolution. The applicability of LA-ICP-MS to the spatially resolved determination of the stoichiometry of superconducting borocarbides was investigated. The effect of experimental parameters on analytical signals was elucidated in order to optimize the experimental conditions. In addition, fractionation effects were investigated to identify the causes for fractionation and their influence on the analysis of superconducting borocarbides.