Use of Inkjet Printing to Obtain YBa2Cu3O7-x Thick Films by TLAG-CSD Process

Abstract

En aquesta tesis es presenta una nova metodologia de deposició IJP per a la preparació de capes gruixudes de YBCO basades en solucions de precursors sense fluor (FF). L’avantatge es basa en l’alt rendiment dels precursors FF si s’utilitzen en combinació amb el creixement TLAG (creixement assistit per líquid transitori de capes CSD) amb creixements ultraràpids (> 1000 nm/s). L’ús de diferents additius, estratègies de deposició i evaporació, juntament amb l’ànalisi de les propietats reològiques de la solució i anàlisi termogravimètric per la identificació de les vies de descomposició dels precursors i de mecanismes de tensió, s’han realitzat mitjançant tècniques de caracterització avançada in-situ, per tal d’obtenir deposicions homogènies i capes pirolitzades de precursors sense defectes i amb gruixos elevats per aconseguir capes de ~1000 nm. de supercondcutor YBCO.

Aquesta Tesi es distribueix en els següents capítols: • Capítol 2: Descripció dels materials i mètodes utilitzats al llarg de la tesi. • Capítol 3: Deposició d’impressió d’injecció de tinta amb aparell construit al laboratori. Descripció del procediment, anàlisi i discussió dels resultats. Ús de tècniques de caracterització in-situ amb la intenció d’aconseguir mostres gruixudes sense defectes utilitzant velocitats ràpides de deposició. • Capítol 4: Deposició d’impressió d’injecció de tinta mitjançant una metodologia discreta. Descripció del procediment i de les eines de caracterització utilitzades per a la correcta optimització del procés per assegurar una bona homogeneïtat de les capes gruixudes sense defectes. Descripció d’experimentació d’alt rendiment (HTE) i estudis combinatoris químics. • Capítol 5: Deposició d’impressió d’injecció de tinta mitjançant una metodologia amb una velocitat de deposició més ràpida i contínua per obtenir mostres gruixudes sense defectes, amb o sense escalfament del substrat, sobre monocristalls i substrats CCs. Discussió dels resultats obtinguts mitjançant tècniques de caracterització in-situ. Avaluació de la compatibilitat del mètode de creixement TLAG per a capes gruixudes a través de metodologies inkjet de impressió de tinta.

La combinació de les tecnologies d’impressió d’injecció de tinta (Inkjet Printing) i el procés TLAG-CSD permet la fabricació de capes superconductores de YBCO de manera reproducible i d’alt rendiment, reduint així el cost del procés de fabricació, d’interès per al mercat.

En esta tesis se presenta una nueva metodología de deposición IJP para la preparación de capas gruesas de YBCO basadas en soluciones de precursores sin flúor (FF). La ventaja se basa en el alto rendimiento de los precursores FF si se utilizan en combinación con el crecimiento TLAG (crecimiento asistido por líquido transitorio de capas CSD) con crecimientos ultrarrápidos (>1000 nm/s). El uso de diferentes aditivos, estrategias de deposición y evaporación, junto con el análisis de las propiedades reológicas de la solución y análisis termogravimétrico para la identificación de las vías de descomposición de los precursores y mecanismos de tensión, se han realizado mediante técnicas de caracterización avanzada in-situ, a fin de obtener deposiciones homogéneas y capas pirolizadas de precursores sin defectos y con grosores elevados para conseguir capas de ~1000 nm. de supercondcutor YBCO.

Esta Tesis se distribuye en los siguientes capítulos: • Capítulo 2: Descripción de los materiales y métodos utilizados a lo largo de la tesis. • Capítulo 3: Deposición de impresión de inyección de tinta con aparato construido en el laboratorio. Descripción del procedimiento, análisis y discusión de resultados. Empleo de técnicas de caracterización in-situ con la intención de conseguir muestras gruesas sin defectos utilizando velocidades rápidas de deposición. • Capítulo 4: Deposición de impresión de inyección de tinta mediante una metodología discreta. Descripción del procedimiento y de las herramientas de caracterización utilizadas para la correcta optimización del proceso para asegurar una buena homogeneidad de las gruesas capas sin defectos. Descripción de experimentación de alto rendimiento (HTE) y estudios combinatorios químicos. • Capítulo 5: Deposición de impresión de inyección de tinta mediante una metodología con una velocidad de deposición más rápida y continua para obtener muestras gruesas sin defectos, con o sin calentamiento del sustrato, sobre monocristales y sustratos CCs. Discusión de los resultados obtenidos mediante técnicas de caracterización in situ. Evaluación de la compatibilidad del método de crecimiento TLAG para capas gruesas a través de metodologías inkjet de impresión de tinta.

La combinación de las tecnologías de impresión de inyección de tinta (Inkjet Printing) y el proceso TLAG-CSD permite la fabricación de capas superconductoras de YBCO de forma reproducible y de alto rendimiento, reduciendo así el coste del proceso de fabricación, de interés para el mercado.

A novel drop-on-demand IJP deposition methodology for the preparation of thick YBCO films based on Fluorine-free (FF) precursor solutions is presented. The advantage relies on the high throughput advantages of the FF precursors if used in combination with TLAG growth (Transient Liquid Assisted Growth of CSD layers) with ultrafast growth rates (>1000 nm/s). The use of different additives, deposition and evaporation strategies, together with the rheological properties of the solution, its thermogravimetric analysis, such as the decomposition pathways of the precursors and the identification of stress-relief mechanisms, have been analysed using advanced in-situ characterization techniques in order to obtain homogenous depositions and defect-free pyrolized films with high thicknesses (~1000 nm. YBCO films).

The work of this Thesis is distributed and described in the following chapters: • Chapter 2: Description of Materials and Methods used throughout the thesis. • Chapter 3: Inkjet Printing deposition on the homemade apparatus. Description of the procedure, analysis and discussion of the results. Use of in-situ characterization techniques with the intention to achieve crack-free thick samples at fast rates of deposition. • Chapter 4: Inkjet Printing deposition using a discrete grid methodology. Description of the procedure and the characterization tools used for the correct optimization of the process to ensure good film homogeneity and crack-free thick layers. Description of high-throughput experimentation (HTE) and chemical combinatorial studies. • Chapter 5: Inkjet Printing deposition using a continuous grid methodology to obtain defect-free thick samples, with or without substrate heating, over single crystals and CCs substrates. Discussion of the results by using in-situ characterization techniques. Evaluation of the compatibility of the TLAG growth method for thick inkjet printed films.

The combination of Inkjet Printing technologies and TLAG-CSD allows the fabrication of YBCO films with high throughput in a reproducible way, thus reducing the cost of a scalable industrial process of superconducting coated conductors of interest for the market.