Optimisation of CSD buffer layers for YBa(2)Cu(3)O(7) coated conductor development

Abstract

Las cintas superconductoras de alta temperatura (HTS) han emergido como materiales prometedores para sus uso en el campo de l'energía puesto que permiten reducir a mitad el tamaño de los equipos de energía eléctrica respecto a los convencionales, reducir las pérdidas de energía, aumentar la eficacia en la generación, la transmisión y la distribución de la misma, y así la reducir el impacto ambiental.<br/>Sin embargo, diversamente de los conductores típicos, los materiales superconductores basados en óxido son frágiles, se dañado fácilmente y son así difíciles de procesar. Hasta ahora ha sido posible producir longitudes de un kilómetro de cables HTS de primera generación, para el uso en el trasporte de corriente eléctrica. Las cintas superconductoras de YBCO, por ejemplo, pueden soportar altas densidades de corrientes críticas y por esto representan un candidato prometedor en el trasporte de electricidad.<br/>Uno del los substratos disponible para suportar el superconductor es un acero policristalino con una película epitaxial de YSZ en cima, YSZ(IBAD)/Stainless. El segundo que hemos utilizado es el NiO(SOE)/Ni(Rabit), una cinta de nickel previamente texturada por laminación y sucesivamente oxidata de manera controlada. Numerosas técnicas están disponible para la deposición de YBCO epitaxiale, nosotros elegimos el proceso más barato y industrialmente interesante: la técnica sol-gel. Para evitar la interacción entre el YBCO superconductor y el substrato epitaxial, evitando así la reducción de la corriente que el superconductor puede trasportar, es importante interponer un material inerte que transfiera su epitaxia al YBCO; este clase de películas se llaman capas tampón. <br/>El objetivo principal de esta tesis ha sido optimizar el crecimiento de las capas tampón por técnica química y finalmente estudiar la deposición del YBCO por TFA sobres esas muestras optimizadas. Las capas de cerámica que hemos estudiados han sido: CeO2, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, SrTiO3, BaCeO3 , y depositadas por el método químico: metal 2-4-&#61538;-diketone disuelto en ácido acético, o los metales isopropoxidos disuelto en metanol. Por depositar las soluciones precursoras hemos utilizado la técnica de spin coating. Controlando los diversos parámetros, velocidad, aceleración y la concentración de la solución obtuvimos películas homogéneas con diverso grosor. La fase de la cristalización se alcanza en un horno donde se controla l'atmósfera, la temperatura y la velocidad de calefacción. Durante esta investigación hemos adquirido un conocimiento total del acrecimiento de las películas delgada de MOD-CeO2. De una combinación de las análisis de TEM, de XRD y de RHEED observamos que el mecanismo de crecimiento tiene un comportamiento anómalo comparado con el otro materiales crecidos con la misma técnica.<br/>En este proceso de síntesis de la ceria, la nucleation homogénea de hecho esta favorita debido al bajo valor de Tnuc./Tmel ceria (Tnuc./Tmel=0.21). Solamente los granos nucleados sobre el substrato resultan texturados. La dependencia del tamaño de grano con temperatura sigue una relación de tipo Arrhenius, características de un crecimiento 3D del grano. Los análisis de EELS revelaron una fracción significativa de C residual que adorna los límites de grano, es probable que el crecimiento del límite de grano se quede bloqueando debido estas impurezas.<br/>Un proceso del recocido en aire a posteriores, ha demostrado la posibilidad de crecer las películas de CeO2 totalmente epitaxiales. Los análisis de EELS de tales muestras tratadas en oxígeno demuestran claramente que los límites de grano quedan limpios de las impurezas de C, desbloqueando así el crecimiento del grano. Después de un proceso largo de optimización de los parámetros de síntesis, podemos ahora controlar exactamente el crecimiento epitaxiale de la ceria. Se ha verificado que el óxido del cerio se puede crecer en YSZ(IBAD)/SS con solamente la orientación (00l). Para preservar la cinta del metal contra la oxidación, el proceso optimizado se ha adaptado a la deposición sobre substrato de acero inoxidable reduciendo la temperatura de síntesis a 900ºC. <br/>Hemos optimizado también la preparación de SrTiO3(STO) y BaZrO3(BZO) sobre MgO y YSZ mono-cristales y en seguida también sobre YSZ(IBAD)/SS y NiO(SOE)/Ni.<br/>La arquitectura más prometedora resultó ser STO/BZO/NiO(SOE)/Ni. Por ultimo depositamos YBCO por método TFA (Trifluoracéticetatos) sobre las capas tampones optimizadas. Una muestra de TFA-YBCO sobre CeO2/YSZ(IBAD)/SS preparada en aire a 900ºC en 8 h ha dato como resultado una densidad corriente crítica, Jc de 7 MA/cm2 a 5K, y 6·105A/cm2 a 77K. Estos valores están cerca de objectivo de un millón A/cm2 a 77K. Los experimentos sobre las capas tampón de BZO y de STO han demostrado la posibilidad de usar este sistema doble sobre NiO(SOE)/Ni como plantilla alternativa para el crecimiento de YBCO. Alcanzado una densidad de corriente crítica de Jc(5K) = 5·105A/cm2 con la mejor muestra de YBCO/STO/BZO/NiO(SOE)/Ni.

High-temperature superconducting (HTS) tapes have emerged as promising materials for superconducting power applications since they make possible electric power equipment that is half the size of conventional alternatives, with half energy losses, increasing the efficiency in the generation, transmission and distribution of the electric energy, and thus reducing the impact of power delivery on the environment. <br/>However, unlike typical conductors, oxide based superconductor materials are brittle and easily damaged and thus they are difficult to process and handle, specially forming large and flexible wires.<br/>Up to now it has been possible to produce kilometre lengths of the first generation of HTS wires for use in electrical transmission cables. YBCO coated conductors can support high critical current densities and is a promising candidate. <br/>One of the substrate available is a polycrystalline metal substrate with an epitaxial YSZ film on it, the ion-beam assisted deposition YSZ(IBAD)/Stainless Steel. The second is the textured NiO(SOE)/Ni(Rabit).Numerous methods are available for epitaxial deposition of YBCO, including vacuum techniques but we choose the cheaper non vacuum sol-gel processes.<br/>To avoid the interaction between the superconductor it is important to interpose a inert material that can transfer the epitaxy from the substrate to the YBCO, these kind of films are called buffer layers, avoiding than the reduction of the current that the superconductor can support. <br/>The main aim of this thesis was optimising the buffer layer growth by chemical technique and finally studying the deposition of TFA-YBCO on those optimised templates.<br/>The ceramic buffer layers studied:<br/>CeO2 , BaZrO3 , CaZrO3, SrZrO3, SrTiO3,BaCeO3<br/>The Sol-Gel system used was the Metal &#61538;-diketone dissolved in Acid Acetic, or Metal isopropoxide dissolved in methanol.<br/>The deposition step was performed by spin coating. Controlling the different parameters of rate and acceleration of the spinner and the precursor solution concentration we obtained homogenous films with different thickness. The crystallisation step is achieved in a furnace in a controlled atmosphere, temperature and heating rate.<br/>Important knowledge on the MOD-CeO2 thin film growth has been acquired during this research. From a combination of TEM, XRD and RHEED analyses it was observed that its growth mechanism exhibits an anomalous behaviour compared with other CSD derived films. The homogeneous nucleation in fact is favoured in this MOD process due to the low Tnuc./Tmel value for ceria film (Tnuc./Tmel=0.21). Only grains nucleated on the substrate are textured as observed in XTEM images. The grain size dependence with temperature follows an Arrhenius relation: <r>2=&#61537;otexp(-Q/kT), characteristics of 3D undergoing thermally activated grain growth . EELS analyses revealed a significant fraction of residual C decorating the grain boundaries, that very likely acts as a growth by blocking grain boundary motion. A process of post annealing or direct growth in static air, have demonstrated the possibility of growing completely epitaxial CeO2 films. EELS analyses of such samples clearly demonstrates that the oxygen clean up grain boundaries from C impurities thus unblocking grain growth. After a long process of synthesis parameter optimisation, we are now able to control exactly the epitaxial growth of ceria growth. It has been verified that Cerium oxide can be grown on YSZ(IBAD)/SS with only the (00l) orientation. The optimised process has been adapted to stainless steel substrate reducing the synthesis temperature at 900ºC in order to preserve the metal tape against oxidation. We observed an interesting phenomenon of in plane texture improvement of the ceria film with respect to the underlying YSZ(IBAD)/SS substrate, from &#61508;&#61542;YSZ = 8.3º and to &#61508;&#61542;CeO2 = 7.5º.<br/>The solution preparation and the deposition conditions for STO and BZO on MgO and YSZ have been also optimised. After several experiments of buffer deposition on YSZ(IBAD)/SS and NiO(SOE)/Ni technical metal substrates the most promising architecture resulted to be the STO/BZO/NiO(SOE)/Ni. <br/>We have grown YBCO by the TFA(Trifluor Acetic Acid) method on the optimized buffer layers. A sample of TFA-YBCO on a CeO2/YSZ(IBAD)/SS template prepared in air at 900ºC for 8 h has shown a critical current density, Jc has a value of 7 MA/cm2 at 5K, and 6·105A/cm2 at 77K. These values are near the target of one million A/cm2 at 77K. <br/>The experiments on BZO and STO buffer layers have demonstrated the possibility of using the double buffer on NiO(SOE)/Ni as an alternative template for YBCO deposition. A critical current density of Jc(5K)= 5·105A/cm2 has been achieved for the best sample of YBCO/STO/BZO/NiO(SOE)/Ni.