Abstract:
In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass beschichtete Leiter (CC), die eine supraleitende Hochtemperaturschicht enthalten, eine vielversprechende Lösung für die Entwicklung von Großanwendungen wie Motoren, Generatoren, Fehlerstrombegrenzern und supraleitenden Magnetspeichern darstellen. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für solche Anwendungen ist die Fähigkeit, große Ströme bei verschiedenen Temperaturen und Magnetfeldern zu leiten. REBa2Cu3O7-ẟ (REBCO)-Supraleiter, insbesondere einer der ersten Vertreter dieser Familie, YBa2Cu3O7-ẟ, erfüllen diese Anforderungen, da sie hohe Übergangstemperaturen, hohe Übergangstemperaturen Tc ≈ 92-94 K und relativ große kritische Stromdichten Jc bei Flüssigstickstofftemperaturen besitzen, die typischerweise im Bereich von 2-6 MAcm-2 liegen. ... mehr
Einer der Hauptvorteile von Supraleitern auf REBCO-Basis, insbesondere in Form von Dünnschichten, ist das Vorhandensein einer großen Dichte von Defekten, die sich während des Wachstumsprozesses bilden. Diese Defekte sind verantwortlich für hohe Jc-Werte im Magnetfeld aufgrund der Wechselwirkung mit Flusslinien, die den Supraleiter in der "gemischten Phase" durchdringen. Daher besteht eine der Hauptstrategien zur weiteren Erhöhung von Jc darin, die Dichte der Defekte durch die Einführung von Sekundärphasen zu erhöhen, die als künstliche Pinning-Zentren bezeichnet werden.
Bei der gepulsten Laserabscheidung, der Methode für die Abscheidung dünner Schichten, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wird, gibt es eine Vielzahl von Parametern wie Substrattemperatur (Tsub), Laserfrequenz (f), Sauerstoffdruck wäh-rend der Abscheidung (pO2) und Laserenergie (Elas), die im Mittelpunkt der Untersuchungen standen, wenn es um die Verbesserung der kritischen Stromdichten ging. In den letzten Jahrzehnten wurde gezeigt, dass eine kontrollierte Änderung der Abscheidebedingungen die Form und Dichte der Defekte in den REBCO-Dünnschichten verändern kann. Daher widmet sich der erste Teil dieser Arbeit der Definition der optimalen Abscheidebedingungen für supraleitende GdBa2Cu3O7-ẟ - Dünnschichten ohne und mit 2.5 Gew.% BaHfO3 (BHO)-Nanopartikeln. Der Auswahlprozess basiert auf dem Vergleich von Tc, Kristallstruktur und Feldabhängigkeit von Jc bei verschiedenen Temperaturen. Für beide Systeme, das ursprüngliche und das BHO-Nanokomposit, sind Tsub=800 °C, f=10 Hz und pO2=0,3-0,4 mbar optimale Wachstumbsbedingungen, die zu Tc-Werten im Bereich von 90-93 K und Jc≈1.7-4.0 MAcm-2 führen.
Zusätzlich zu allen Abscheideparametern umfasst die Herstellung von supraleitenden REBCO-Dünnschichten den Schritt der Sauerstoffglühung, der ebenso wichtig ist wie die Abscheidung selbst. In REBCO-Supraleitern breiten sich die Ströme in den CuO2-Ebenen aus, und die Ladungsträger, in REBCO Löcher, werden von CuO-Ketten bereitgestellt. Aus diesem Grund ist eine Sauerstoffglühung erforderlich, um eine ausreichende Sauerstoffdotierung zu erreichen und die supraleitende Phase zu bilden, da sich die REBCO-Dünnschicht unmittelbar nach der Abscheidung in der isolierenden Phase befindet. Obwohl verschiedene Aspekte des Sauerstoffglühens bereits ausgiebig untersucht worden sind, müssen noch einige Fragen geklärt werden. In der vorliegenden Arbeit versuchen wir, eines der Probleme bezüglich der Korrelation zwischen dem Sauerstoffglühverfahren, den Veränderungen der Defektmorphologie und den daraus resultierenden Transporteigenschaften zu beleuchten. Zu diesem Zweck betrachten wir zwei Systeme: unbehandeltes GdBCO und GdBCO+2.5 Gew.% BHO. Um den Einfluss der Sauerstoffglühung zu untersuchen, berücksichtigen wir vier Parameter: Glühtemperatur (Tann), Glühzeit (tann), Sauerstoffdruck während der Glühung (PO2) und Abkühlgeschwindigkeit (QPLD). Aufgrund der Unterschiede bei der Herstellung von GdBCO-Dünnschichten im Labor- und im Industriemaßstab vergleichen wir außerdem zwei Sauerstoffglühverfahren: In-situ-Sauerstoffglühen in der statischen Umgebung der PLD-Kammer und Ex-situ-Sauerstoffglühen im Ofen mit konstantem Sauerstofffluss.
Bei der separaten Untersuchung jedes Parameters in einem unbehandelten und einem 2.5 Gew.% BHO-Nanokomposit-GdBCO-System konnten wir mehrere wichtige Merkmale beobachten:
1. Tann: Beeinflusst in erster Linie die Stapelfehler in der GdBCO-Matrix. Beide Glühverfahren zeigen bei 450 °C (der niedrigste untersuchte Tann) die höchsten Jc-Werte im Magnetfeld. Aufgrund der Einführung eines zusätzlichen Heiz- und Kühlschritts weisen die ex – situ geglühten GdBCO-Dünnschichten eine reichhaltigere Defektmorphologie auf und zeigen daher ein zweifach höheres Jc und Fp bei 10 K und 14 T.
2. tann: Ex – situ – geglühte GdBCO-Dünnschichten zeigen keine drastischen Abhängigkeiten der Struktur- und Transporteigenschaften von tann, während in – situ – geglühte Schichten mindestens 15 Minuten Glühzeit benötigen, um ein Tc über 77 K zu erreichen.
3. PO2: Beeinflusst in erster Linie die Größe der Gd-reichen Nanopartikel in der GdBCO-Matrix.
4. QPLD: Höhere Abkühlraten führen zur Erhaltung von Stapelfehlern, wodurch möglicherweise Abkürzungen der Diffusionspfade bei der Sauerstoffglühung entstehen, die zu einem höheren Jc-Wert im Magnetfeld führen.
5. Tann für ex – situ geglühtes GdBCO+2.5 Gew.% BHO: die BHO-Nanokomposit-GdBCO-Dünnschichten zeigen die höchsten Jc-Werte im Magnetfeld bei Tann=700 °C.
Auf der Grundlage dieser Merkmale schlagen wir ein Modell vor, das die Glühparameter und die Mikrostruktur der GdBCO-Dünnschicht miteinander in Beziehung setzt. Nach diesem Modell können zwei Szenarien verwendet werden, um die Defektmorphologie und damit die Transporteigenschaften anzupassen:
1. Hohe T, hohe PO2 mit anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur: Dieser Weg bewahrt die in der GdBCO-Matrix vorhandenen Stapelfehler und reduziert die Dichte der Gd-reichen Nanopartikel.
2. Hohe T, niedrig PO2 mit anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur: Dieser Weg erhält die Gd-reichen Nanopartikel und reduziert die Dichte der Stapelfehler.
Abstract (englisch):
In recent years, coated conductors (CC) containing a high – temperature supercon-ducting layer have been shown to be a promising solution for the development of large-scale applications such as motors, generators, fault current limiters, superconducting magnetic storage devices. One of the major requirements for such applications is the ability to carry large currents at various temperatures and magnetic fields. REBa2Cu3O7-ẟ (RE=Rare Earth, REBCO) superconductors, in particular one of the first representatives of this family, YBa2Cu3O7-ẟ, meet these requirements since they possess high transition temperatures Tc ≈ 92-94 K and relatively large critical current densities Jc at liquid nitrogen temperatures, which are usually in the range 2-6 MAcm-2. ... mehr
One of the main advantages of REBCO-based superconductors, especially in the form of thin films, is the presence of a large density of defects, which form during the growth process. These defects are responsible for high in-field Jc values due to the interaction with flux lines penetrating the superconductor in the “mixed phase”. Therefore, one of the main strategies to further increase Jc is to increase the density of defects by introducing additional secondary phases, which are called artificial pinning centers.
Pulsed laser deposition, the main method for thin film growth used in the current work, has a variety of parameters such as substrate temperature (Tsub), laser frequency (f), oxygen pressure during deposition (pO2), and laser energy (Elas), which were the main focus of the studies when it comes to improving critical current densities. In the last decades it was shown that a controlled change of deposition conditions can modify the shape and density of defects present in the REBCO thin films. Therefore, the first part of this work is dedicated to determining the optimum deposition conditions for pristine and 2.5wt% BaHfO3 (BHO)-nanocomposite GdBa2Cu3O7-ẟ superconducting thin films. The selection process is based on comparison of Tc, crystal structure, and field dependence of Jc at various temperatures. In both systems, pristine and BHO nanocomposite, Tsub=800 °C, f=10 Hz and pO2=0.3-0.4 mbar are optimum growth conditions, which resulted in Tc values in the range 90-93 K and Jc≈1.7-4.0 MAcm-2.
In addition to all deposition parameters, the preparation of REBCO superconducting thin films includes an oxygen annealing step, which is as important as the deposition itself. In REBCO-based superconductors, the currents propagate in the CuO2-planes and charge carriers, in case of REBCO holes, are provided by CuO-chains. Therefore, oxygen annealing is required to induce a sufficient oxygen doping level and form the superconducting phase, since right after the deposition, the REBCO thin film is in the insulating phase. Even though various aspects of oxygen annealing have been extensively studied, few questions still need to be addressed. In the current work, we attempt to shade a light on one of the problems regarding the correlation between the oxygen annealing procedure, changes in defect morphology, and resulting transport properties. To do so, we consider two systems: pristine GdBCO and GdBCO+2.5wt% BHO. To study the influence of oxygen annealing, we take into consideration four parameters: annealing temperature (Tann), annealing time (tann), oxygen pressure during annealing (PO2), and cooling rate (QPLD). In addition, due to differences in production of GdBCO thin films on lab and industrial scales, we compare two oxygen annealing approaches: in-situ oxygen annealing in the static environment of PLD chamber and ex-situ oxygen annealing in the furnace with constant oxygen flow.
Studying oxygen annealing in pristine and 2.5wt% BHO-nanocomposite GdBCO, we observed several important features on how each annealing parameter is modifying the defects:
1. Tann: Predominantly affects the stacking faults in the GdBCO matrix. Both annealing approaches show the highest in-field Jc for 450 °C (the lowest Tann investigated). Due to the introduction of additional heating and cooling steps, the ex-situ oxygen annealed GdBCO thin films have a richer defect morphology and, therefore, exhibit 2 times higher Jc and Fp at 10 K and 14 T.
2. tann: Ex-situ annealed GdBCO thin films do not show drastic dependencies of structural and transport properties on tann, while in-situ annealed films require at least 15 min of annealing to reach Tc above 77 K.
3. pO2: Primarily affects the size of Gd-rich nanoparticles present in the GdBCO matrix.
4. QPLD: Higher cooling rates lead to the preservation of stacking faults, thus, possibly creating short cuts for oxygen diffusion during annealing and resulting in a higher in-field Jc.
5. Tann for ex-situ annealed GdBCO+2.5wt% BHO: Compared to ex-situ annealed pristine GdBCO, BHO nanocomposite GdBCO thin films show the highest in-field Jc at Tann=700 °C.
Based on these features, we propose a model that correlates the annealing parameters and the GdBCO thin film microstructure. According to this model, two scenarios can be used to tailor the defect morphology and, thus, the transport properties:
1. High T, high PO2 annealing with consecutive cooling to room temperature: This path preserves the stacking faults present in the GdBCO matrix and reduces the density of Gd-rich nanoparticles.
2. High T, low PO2 annealing with consecutive cooling to room temperature: This path preserves Gd-rich nanoparticles and reduces the density of stacking faults.
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