TLAG of solution-derived REBCO superconducting films: ultrafast growth mechanism and influence of transient liquid composition

Abstract

La característica més rellevant dels materials superconductors d'alta temperatura (HTS) és la de conduir el corrent elèctric sense pèrdues fins a temperatures de nitrogen líquid i sota camps magnètics elevats. Aquestes propietats han promogut un ingent esforç d'investigació sobre els sistemes REBa2Cu3O7-[Delta] (REBCO, RE= elements de terres rares) que han permès promoure el desenvolupament de molt diverses aplicacions. No obstant això, els costos elevats actuals de la producció de cintes superconductores (CCs) comercials basades en HTS estan encara impedint-ne la difusió a nivell mundial. El treball realitzat en aquesta tesi estableix com a objectiu la reducció de l'elevada relació cost/prestació dels superconductors REBCO mitjançant l'ús combinat de la deposició de solucions químiques (CSD) com a metodologia de baix cost conjuntament amb el procés innovador de creixement assistit per líquids transitoris (TLAG). El desenvolupament de solucions químiques novadores i robustes va permetre aconseguir una homogeneïtat química i microestructural sense precedents en capes amb gruixos de fins a 2,7 [Mu]m. Dues innovacions han estat fonamentals per aquest avenç. Per un cantó, s'han sintetitzat precursors policristal·lins de propionats metàl·lics de gran puresa mitjançant mètodes senzills i econòmics basats en un sol pas. A més, la selecció acurada d'un additiu tipus amina va millorar les propietats reològiques de les solucions químiques precursores per a la fabricació de capes de YBCO i REBCO. Modificacions de la relació molar (Ba:Cu) de les solucions químiques inicials van donar lloc a capes crescudes a partir de líquids transitoris amb diferent composició, cosa que va permetre analitzar en profunditat el mecanisme cinètic fora d'equilibri del TLAG. El control estricte dels paràmetres de processament va donar lloc a capes d'elevades prestacions que presentaven valors de densitat de corrent crític de fins a 3 MA·cm-2 i velocitats de creixement superiors a 2000 nm·s-1. Tècniques avançades de caracterització, com l'anàlisi in-situ mitjançant difracció de raigs X de radiació sincrotró, van clarificar la influència de la sobresaturació en el líquid transitori, la qual actua com a força impulsora de la nucleació de l'YBCO i del seu creixement epitaxial successiu. Aquests anàlisis han generat nous coneixements sobre el complex mecanisme cinètic del TLAG.

La característica más relevante de los materiales superconductores de alta temperatura (HTS)es la de conducir la corriente eléctrica sin pérdidas hasta temperaturas de nitrógeno líquido y a campos magnéticos elevados. Estas propiedades singulares han promovido una ingente actividad investigadora sobre los sistemas REBa2Cu3O7-[Delta] (REBCO, RE= elementos de tierras raras) que ha permitido promover el desarrollo de muy diversas aplicaciones. Sin embargo, los costes de producción aún elevados de las cintas superconductoras (CCs) comerciales basadas en HTS están limitando una difusión amplia a nivel mundial. El trabajo realizado en esta tesis tiene como objetivo la reducción de la relación coste/prestación en la producción de los superconductores REBCO basándose en el uso combinado de la deposición de soluciones químicas (CSD) como metodología de bajo coste junto al proceso innovador de crecimiento asistido por líquidos transitorios (TLAG). El desarrollo de soluciones químicas novedosas y robustas permitió conseguir una homogeneidad química y microestructural sin precedentes en capas con espesores de hasta 2,7 [Mu]m. Dos innovaciones fundamentales han hecho posible dicho avance. Por un lado, se han sintetizado precursores policristalinos de propionatos metálicos de gran pureza mediante métodos sencillos y económicos basados en un solo paso. Además, la selección adecuada de una amina como aditivo permitió mejorar las propiedades reológicas de las soluciones químicas precursoras para la fabricación de capas de YBCO y REBCO. Modificaciones de la relación molar (Ba:Cu) en las soluciones químicas iniciales dieron lugar a capas con diferentes composiciones del líquido transitorio, lo que permitió analizar en profundidad el mecanismo cinético fuera de equilibrio del TLAG. El control estricto de los parámetros de procesado dio lugar a capas de alta calidad que presentaban valores de densidad de corriente crítica de hasta 3 MA·cm-2 y velocidades de crecimiento superiores a 2000 nm·s-1. Técnicas avanzadas de caracterización, como el análisis in-situ mediante difracción de rayos X con radiación sincrotrón, clarificaron la influencia de la sobresaturación del líquido transitorio, la cual actúa como fuerza motriz de la nucleación del YBCO y de su crecimiento epitaxial sucesivo. Estos análisis han generado nuevos conocimientos sobre el complejo mecanismo cinético del TLAG.

The unparalleled feature of High Temperature Superconducting (HTS) materials of lossless electrical current conduction up to liquid nitrogen temperature and at high magnetic fields has encouraged research on REBa2Cu3O7-[Delta] (REBCO, RE= rare earth elements) systems to unravel the opportunities towards a plethora of different applications. Nonetheless, the excessive production costs of the commercialized HTS Coated Conductors (CCs) are impeding their worldwide spread. The work conducted in this thesis sets as an objective the reduction of the high cost/performance ratio of REBCO superconductors by coupling a cost-effective chemical solution deposition-based (CSD) methodology to the innovative transient liquid assisted growth (TLAG) process. The development of novel, robust chemical solutions led to the attainment of unprecedented chemical and microstructural homogeneity of films showing thickness of up to 2.7 [Mu]m, through implementation of two fundamental innovations. High-purity metal propionate powder precursors have been synthesized through facile and inexpensive one-pot methods. Additionally, the careful selection of an amine additive enhanced the rheological properties of the chemical precursor solution for YBCO and REBCO film fabrication. Variation of the (Ba:Cu) molar ratio of the initial chemical solution resulted in films of different transient liquid compositions, enabling the in-depth analysis of the out-of-equilibrium kinetic mechanism of TLAG. Strict control of the processing parameters led to high-performance films exhibiting critical current density values up to 3 MA·cm-2 and growth rates beyond 2000 nm·s-1. Advanced characterization techniques, such as in-situ synchrotron X-ray diffraction, shed light on the influence of transient liquid supersaturation, driving force towards YBCO nucleation and its successive epitaxial growth. These analyses have generated new and fundamental insights into the complex kinetic mechanism of TLAG.