Multifunctional colloidal solutions for transient liquid assisted growth of superconducting nanocomposite films

Abstract

Els conductors recoberts (CCs) de superconductors d'alta temperatura (HTS) REBa2Cu3O7-[Delta] (RE = terres rares o itri) han sorgit com una nova classe de materials amb propietats físiques excepcionals, com els seus alts corrents elèctrics sense dissipació. Aquestes propietats úniques els converteixen en materials prometedors per a la producció d'energia, la distribució i el transport eficients d'energia i el consum energètic. No obstant això, l'aplicació generalitzada dels CC de HTS requereix una reducció de l'elevada relació cost-rendiment associada als mètodes de fabricació.

En aquesta tesi, hem continuat la recerca del recentment inventat mètode de Creixement Assistit per un líquid intermedi (TLAG) que utilitza una tècnica de deposició química (CSD) per a fabricar capes de nanocomposites epitaxiales superconductores d'alt rendiment de YBa2Cu3O7-[Delta] (YBCO) a velocitats de creixement ultraràpides. Hem desenvolupat una metodologia nova per a preparar solucions precursores col·loidals i hem demostrat la seva capacitat per a fabricar capes de baix cost i alt rendiment de gran gruix. Per a superar algunes de les limitacions trobades en treballs anteriors, s'ha desenvolupat una solució col·loidal precursora estable de YBCO amb sals metàl·liques de propionat i solucions preformadas de nanopartícules (NPs) d'òxid metàl·lic de 5-10 nm (6-24% mol).

Hem demostrat l'excel·lent rendiment de les solucions col·loidals multifuncionals desenvolupades en el procés TLAG, obtenint capes epitaxiales a velocitats de creixement ultraràpides de 1000-2000 nm/s, que van ser demostrades amb experiments in-situ de difracció de raigs-X de sincrotró. Aquestes velocitats de creixement superen en un factor de 10 els resultats anteriors sobre el mètode TLAG i son entre 1,5 i 3 ordres de magnitud superiors als mètodes de creixement convencionals. A més, aconseguim altes prestacions amb densitats de corrent crítiques de 1,5-2,6 MA/cm² a 77 K per a un gruix total de capa de ~400-900 nm, amb elevades quantitats de NPs de fins al 24 %mol. A més, les característiques desenvolupades de la solució col·loidal de YBCO, juntament amb l'optimització efectiva de les condicions de processament, van permetre millorar l'escenari d'immobilització dels vòrtexs de les capes nanocomposites crescudes mitjançant el mètode TLAG. Per tant, els resultats obtinguts revelen les oportunitats que ofereix el mètode de fabricació TLAG-CSD i l'impacte que pot tenir en la tecnologia industrial per a la producció de superconductors de baix cost i alt rendiment, especialment a camps magnètics elevats.

Los conductores recubiertos (CCs) de superconductores de alta temperatura (HTS) REBa2Cu3O7-[Delta] (RE = tierras raras o itrio) han surgido como una nueva clase de materiales con propiedades físicas excepcionales, como sus altas corrientes eléctricas sin disipación. Estas propiedades únicas los convierten en materiales prometedores para la producción de energía, la distribución y el transporte eficientes de energía y el consumo energético. Sin embargo, la aplicación generalizada de los CC de HTS requiere una reducción de la elevada relación coste-rendimiento asociada a los métodos de fabricación.

En esta tesis, hemos continuado la investigación del recientemente inventado método de Crecimiento Asistido por un líquido intermedio (TLAG) que utiliza una técnica de deposición química (CSD) para fabricar capas de nanocomposites epitaxiales superconductoras de alto rendimiento de YBa2Cu3O7-[Delta] (YBCO) a velocidades de crecimiento ultrarrápidas. Hemos desarrollado una metodología novedosa para preparar soluciones precursoras coloidales y hemos demostrado su capacidad para fabricar capas de bajo coste y alto rendimiento de gran grosor. Para superar algunas de las limitaciones encontradas en trabajos anteriores, se ha desarrollado una solución coloidal precursora estable de YBCO con sales metálicas de propionato y soluciones preformadas de nanopartículas (NPs) de óxido metálico de 5-10 nm (6-24 % mol).

Hemos demostrado el excelente rendimiento de las soluciones coloidales multifuncionales desarrolladas en el proceso TLAG, obteniendo capas epitaxiales a velocidades de crecimiento ultrarrápidas de 1000-2000 nm/s, que fueron demostradas con experimentos in-situ de difracción de rayos X de sincrotrón. Estas velocidades de crecimiento superaron en un factor de 10 los resultados anteriores sobre el método TLAG y fueron entre 1,5 y 3 órdenes de magnitud superiores a los métodos de crecimiento convencionales. Además, conseguimos altas prestaciones con densidades de corriente críticas de 1,5-2,6 MA/cm2 a 77 K para un grosor total de capa de ~400-900 nm, con elevadas cantidades de NPs de hasta el 24 %mol. Además, las características desarrolladas de la solución coloidal de YBCO, junto con la optimización efectiva de las condiciones de procesado, permitieron mejorar el escenario de inmovilización de los vórtices de las capas nanocomposites crecidas mediante el método TLAG. Por tanto, los resultados obtenidos revelan las oportunidades que ofrece el método de fabricación TLAG-CSD y el impacto que puede tener en la tecnología industrial para la producción de superconductores de bajo coste y alto rendimiento, especialmente a campos magnéticos elevados.

High-temperature superconducting (HTS) REBa2Cu3O7-[Delta] (RE = rare earth or yttrium) coated conductors (CCs) have emerged as a new class of materials with exceptional physical properties, such as high electrical currents without dissipation. These unique properties make them promising materials for energy production, efficient energy distribution and transportation, and energy consumption. However, the widespread implementation of HTS CCs requires a reduction in the high cost-performance ratio associated with the fabrication methods.

In this thesis, we have continued the investigation of the recently invented Transient Liquid Assisted Growth (TLAG) method, which uses chemical solution deposition (CSD) to fabricate high-performance epitaxial YBa2Cu3O7-[Delta] (YBCO) nanocomposite films at ultrafast growth rates. We have developed a novel methodology for preparing colloidal precursor solutions and demonstrated their suitability for fabricating low-cost and high-throughput films of high thickness. To overcome some of the limitations encountered in previous works, stable YBCO colloidal solution using metal-propionate salts and preformed-metal oxide nanoparticle (NP) solutions with 5-10 nm-sized NPs (6-24 % mol) have been synthesised.

We have demonstrated the outstanding performance of the developed multifunctional colloidal solutions in the TLAG process, preparing highly epitaxial films at the ultrafast growth rates of 1000-2000 nm/s, which was confirmed through in-situ X-Ray diffraction synchrotron experiments. These growth rates exceeded previous TLAG results by a factor of 10 and were 1.5-3 orders of magnitude higher than conventional growth methods. Furthermore, we achieved high performances with critical current densities of 1.5-2.6 MA/cm2 at 77 K fora total film thickness of ~400-900 nm, with high NP amounts up to 24 %mol. Moreover, the developed YBCO colloidal solution characteristics, along with the effective optimisation of processing conditions allow an improved vortex pinning scenario in TLAG nanocomposite films. Therefore, the results obtained reveal the opportunities offered by the TLAG-CSD fabrication method and the impact it can have on industrial technology for the production of low-cost and high-performance superconducting layers, especially at high magnetic fields.