Growth and characterization of YBa2[Cu0.95Zn0.05]3O7-δ Thin Film

The goal of this thesis was to grow, by Pulsed Laser Deposition (PLD), thin films of the cuprate high-critical temperature superconductor YBa2[Cu0.95Zn0.05]3O7–δ (Zn-YBCO). Here, a chemical doping, provided by the replacement of a tiny amount of Cu atoms with Zn, is done in order to significantly reduce the superconducting critical temperature of YBa2Cu3O7–δ (YBCO) modifying in a negligible way the crystal structure and ground state. At the first stage, the primary purpose was to determine the optimal growth parameters. The optimization of the films was carried out using the aid of X-ray diffraction (XRD) to assess the crystalline quality of the films. At a second stage, once optimized films have been achieved, the depositions were performed at different post-annealing oxygen pressures so as to span a broad doping range. Here, temperature-dependent resistivity measurements were performed in order to determine, in combination with lattice parameter data obtained via XRD, the doping levels of the Zn-doped YBCO thin films. Based on this analysis, I constructed the phase diagram of Zn-doped YBCO and compared it with that of pristine YBCO. This comparison allowed me to highlight both similarities and differences between the two systems, with a focus on both the superconducting and normal-state properties. The development of this new material platform—where superconductivity is systematically suppressed through chemical doping—opens the way to a more comprehensive investigation of the symmetry-breaking orders that characterize the normal state of cuprate high-Tc superconductors and compete with superconductivity, such as charge density waves and their associated fluctuations. In particular, the suppression of the superconducting phase allows these competing orders to be explored over a much broader temperature range, extending to low temperatures. This thesis lays the groundwork for a wide range of future experiments, both in transport and spectroscopy, aimed at identifying the fundamental interactions responsible for the emergence of the unconventional ground state in cuprates.

L’obiettivo di questa tesi è stato far crescere, mediante Pulsed Laser Deposition (PLD), film sottili del superconduttore cuprato ad alta temperatura critica YBa2[Cu0.95Zn0.05]3O7–δ (Zn-YBCO). Qui, un drogaggio chimico, ottenuto sostituendo una piccola quantità di atomi di Cu con Zn, è stato effettuato allo scopo di ridurre significativamente la temperatura critica superconduttiva di YBa2Cu3O7–δ (YBCO) modificando in modo trascurabile la struttura cristallina e lo stato fondamentale. In una prima fase, lo scopo principale è stato determinare i parametri di crescita ottimali. L’ottimizzazione dei film è stata effettuata con l’ausilio della diffrazione ai raggi X (XRD) per valutare la qualità cristallina dei film. In una seconda fase, una volta ottenuti film ottimizzati, le deposizioni sono state eseguite a diverse pressioni di ossigeno nel post-annealing, in modo da coprire un ampio intervallo di drogaggio. Sono state quindi effettuate misure di resistività in funzione della temperatura per determinare, in combinazione con i dati dei parametri reticolari ottenuti tramite XRD, i livelli di drogaggio dei film sottili di YBCO drogati con Zn. Sulla base di questa analisi, ho costruito il diagramma di fase dello YBCO drogato con Zn e l’ho confrontato con quello dello YBCO puro. Questo confronto mi ha permesso di mettere in evidenza sia le somiglianze sia le differenze tra i due sistemi, con un’attenzione sia alle proprietà superconduttive sia a quelle dello stato normale. Lo sviluppo di questa nuova piattaforma di materiali — in cui la superconduttività è sistematicamente soppressa tramite drogaggio chimico — apre la strada a un’indagine più completa degli ordini di rottura di simmetria che caratterizzano lo stato normale dei superconduttori cuprati ad alto Tc e competono con la superconduttività, come le onde di densità di carica e le relative fluttuazioni. In particolare, la soppressione della fase superconduttiva consente di esplorare questi ordini concorrenti su un intervallo di temperatura molto più ampio, estendendosi fino alle basse temperature. Questa tesi getta le basi per un’ampia gamma di esperimenti futuri, sia di trasporto sia di spettroscopia, volti a identificare le interazioni fondamentali responsabili dell’emergere dello stato fondamentale non convenzionale nei cuprati.