Growth and characterization of nanocomposite YBa₂Cu₃O₇-[delta] - BaMO₃ (M = Zr, Hf) thin films from colloidal solutions / Ziliang Li ; supervisors: Prof. Xavier Obradors Berenguer, Dr. Mariona Coll Bau ; tutor: Prof. Javier Rodríguez Viejo.
Li, Ziliang, autor.
Obradors, Xavier, supervisor acadèmic.
Coll Bau, Mariona, supervisor acadèmic.
Institut de Ciència de Materials de Barcelona.
Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física.

Publicació: [Barcelona] : Universitat Autònoma de Barcelona, 2018.
Descripció: 1 recurs en línia (176 pàgines)
Resum: El YBa2Cu3O7-δ es el superconductor de alta temperatura con mayor potencial tecnológico para aplicaciones de potencia e imanes que trabajan bajo campos magnéticos elevados. Sin embargo, todavía es un reto mejorar sus prestaciones en forma de película delgada epitaxial con un coste bajo de fabricación. La deposición de soluciones químicas ha surgido como una técnica muy competitiva para obtener láminas delgadas epitaxiales y multicapas de alta calidad con nanoestructuras controladas. Hemos desarrollado un proceso novedoso de crecimiento mediante Calentamiento Flash que muestra un excelente potencial para la producción industrial en continuo de conductores epitaxiales de YBa2Cu3O7-δ. En esta tesis hemos establecido, por primera vez, una imagen completa que describe las fases intermedias y la evolución de la microestructura durante el calentamiento. Hemos extendido la ventana de la temperatura de crecimiento sin ninguna degradación de las propiedades superconductoras, por lo que la deposición de conductores epitaxiales de YBa2Cu3O7-δ es compatible con el uso de sustratos de cinta metálica con capas tampón de CeO2. Además, también hemos encontrado que este proceso de crecimiento promueve la formación de una alta concentración de defectos de apilamiento y, por lo tanto, de tensiones a escala nanométrica. Las láminas ultrafinas de YBa2Cu3O7-δ y nanocompuestos, en el rango de 5-50 nm, se prepararon después de una optimización de los parámetros de crecimiento. La reducción de la energía interfacial induce una alta densidad de defectos de apilamiento, lo que conduce a una matriz de YBa2Cu3O7-δ altamente distorsionada. Esta modificación microestructural se vuelve extremadamente grave cuando el grosor de la lámina delgada disminuye por debajo de 25 nm, degradando significativamente las propiedades superconductoras. También hemos estudiado la evolución de las características de las nanopartículas segregadas espontáneamente con el espesor de las láminas delgadas y su influencia en la eficiencia del anclaje de vórtices. La preparación de nanocompuestos de YBa2Cu3O7-δ a partir de nanopartículas de óxido preformadas y no reactivas que forman soluciones coloidales ha demostrado ser una estrategia muy exitosa para lograr un estricto control de las características de las nanopartículas y la optimización de la nanoestructura de las láminas delgadas superconductoras. Las perovskitas BaMO3 (M = Zr, Hf) son las composiciones más prometedoras de nanopartículas preformadas que hasta ahora han conducido a láminas delgadas de nanocompuestos de alta calidad con altas concentraciones de nanopartículas (20-25% molar). La composición y el tamaño de las nanopartículas han demostrado ser factores cruciales para adaptar el rendimiento del anclaje de vórtices bajo campos magnéticos aplicados. La aplicación del proceso de crecimiento de calentamiento flash al crecimiento de láminas delgadas nanocompuestas permite la preservación del tamaño de las nanopartículas y la generación de una alta densidad de defectos de apilamiento de pequeña longitud, que desempeñan un efecto sinérgico para aumentar la eficiencia de los centros de anclaje de vórtices artificiales y mejorar así las propiedades de los conductores. La técnica de multideposición es efectiva para aumentar aún más el espesor de la lámina delgada, mientras que la eficacia del anclaje de vórtices se conserva y la capacidad de transporte de corriente eléctrica de las láminas delgadas nanocompuestas aumenta.
Resum: YBa2Cu3O7-δ (YBCO) is the best material choice to address the performances required in power applications and magnets working under high magnetic fields. However, it is still challenging to achieve low manufacturing costs and high superconducting performances of coated conductors (CCs) for large scale power applications. Chemical Solution Deposition has emerged as a very competitive technique to obtain epitaxial films and multi-layers of high quality with controlled nanostructures. We have developed a novel Flash Heating growth process that shows high potential to be compatible with the industrial reel-to-reel production of YBCO CCs. Here we have set up, for the first time, a full image describing the intermediate phase and microstructure evolution during this heating process. We extend the growth temperature window down to 750 ºC without any degradation of superconducting properties, making it being compatible with the deposition of YBCO CCs on CeO2-caped metallic tape substrates. In addition, we have also found that this growth process promotes the formation of a high concentration of stacking faults and so of nanostrain. YBCO and nanocomposite ultrathin films, in the range of 5-50 nm, have been prepared after a series optimization of growth parameters. The relief of the interfacial energy induces a high density of stacking faults, leading to a highly distorted YBCO matrix. Such microstructural disorder becomes extremely serious when the film thicknesses decrease below 25 nm, significantly degrading the superconductivity. We have also studied the evolution of the characteristics of spontaneous segregated nanoparticles with nanocomposite film thicknesses and their influence on the vortex pinning efficiency. The preparation of YBCO nanocomposites from non-reactive preformed oxide nanoparticles forming colloidal solutions has demonstrated to be a very successful strategy to achieve a tight control of the nanoparticle characteristics and the optimized nanostructural landscape on the superconducting films. BaMO3 (M=Zr, Hf) perovskites are shown to be the most promising compositions of preformed nanoparticles up to now that led to high quality nanocomposite films at high nanoparticle concentrations (20-25 mol%). The composition and size of nanoparticles have demonstrated to be crucial factors for tailoring vortex pinning performance in applied magnetic field. The application of the Flash Heating growth process in the growth of nanocomposite films allows both the preservation of nanoparticle size and the generation of a high density of short stacking faults, which play a synergistic effect to increase the artificial pinning centers and enhance the strong pinning contribution. Multi-deposition technique is proved effective to further enhance the film thickness while vortex pinning efficiency is preserved and current-carrying capacity of the nanocomposite films is increased.
Nota: Tesi. Doctorat. Institut de Ciència de Materials de Barcelona. 2018.. Tesi. Doctorat. Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física. 2018.
Drets: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: Creative Commons
Llengua: Anglès.
Document: Tesis i dissertacions electròniques. ; doctoralThesis ; publishedVersion
Matèria: Nanocompòsits (Materials) ; Superconductors d'alta temperatura
ISBN: 9788449081521

Adreça alternativa: https://hdl.handle.net/10803/663979


177 p, 10.2 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Tesis doctorals

 Registre creat el 2019-01-28, darrera modificació el 2019-02-15



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