Superconducting Properties and Nanostructure of YBa2Cu3O7-delta Coated Conductors Prepared By Chemical Solution Deposition

Abstract

Wire fabrication is the enabling technology for superconducting devices in the magnet and energy technology. Up to now no adequate superconducting material for operation at 77 K and magnetic fields larger than 1 T is available. Therefore, there is a fast-growing worldwide interest in the second generation (2G) of high-temperature superconductor (HTS) wires for applications such as fault current limiters and motors. These materials are also known as YBa2Cu3O7-x (YBCO) - coated conductors and are prepared by thin film technologies. Among the various deposition methods, Chemical Solution Deposition (CSD) has specific advantages with respect to Physical Vapor Deposition (PVD) and Chemical Vapor Deposition (CVD) such as flexibility in composition and easy up-scaling, allowing the coating of long-length substrates and since it is a non-vacuum method, less expensive equipment is required. Due to these advantages there is a considerable interest in the development of all-solution based processes. A CSD prepared YBCO coated conductor consists of a biaxially textured nickel tungsten substrate (Rolling-Assisted-Biaxially-Textured Substrates - RABiTS) which is dip-coated in a precursor solution, in this way buffer layers and a superconducting YBCO film are deposited on top of the substrate. The biaxial texture is transferred from the substrate up to the superconducting layer forming a small-angle grain boundary network in the YBCO film, which is necessary for obtaining high-critical current densities. The critical current density is the important figure of merit for determining a high temperature superconducting materials performance. Recently, it has been found that YBCO coated conductors can reach critical currents densities of up to 10 MA/cm2 at 1 T magnetic field and 77 K by introducing BaZrO3 (BZO) nanocomposites into a YBCO matrix. BZO nanoinclusions incorporate randomly into the matrix and act as pinning centers in the system. For a coated conductor that is 1 cm wide and about 1 µm thick a current density of 1 MA/cm2 corresponds to a current of 100 A. Due to the short coherence length of YBCO (<10 nm), nano-scaled non-superconducting defects act as efficient pinning centers for thermally activated flux-flow motion and by the controlled introduction of these the superconducting properties of the films can be enhanced. Non-superconducting defects include: twin boundaries, dislocations, interfaces and nano-scaled secondary phases. The micro- and nano-structure strongly influences the critical current density (jc) and the critical current density (jc)-anisotropy. The samples investigated in this work were prepared and characterized for their superconducting properties (Tc, Bc2 and jc (B,T)) by partner institutions within the framework of two research projects: (i) the Virtual Institute of the Helmholtz Gemeinschaft “Chemically deposited YBCO superconductors” and (ii) the ELSA project (Entwicklung innovativer Supraleiter mit Schichtarchitektur für die Energie technik). This dissertation can be subdivided as follows: (I) development of the methodology for quantitative electron microscopy and spectroscopy of YBCO coated conductors assessed by a Zeiss 912 Omega energy-filtered transmission electron microscope (TEM) operating at 120 kV (energy resolution > 1 eV) and a Jeol 6500-F scanning electron microscope (SEM); both provided with an Oxford X-ray detector, (II) electron microscopy characterization of La2Zr2O7 (LZO) buffer layers for YBCO coated conductors and (III) electron microscopy and spectroscopy of complete YBCO coated conductor samples with and without BZO artificial nano-inclusions.

Die Drahtherstellung ist die Schlüsseltechnologie um Anwendungen der Supraleitung in der Magnet und Energietechnik umzusetzen. Bis jetzt ist kein supraleitendes Material verfügbar, das einen Einsatz bei 77 K und Magnetfeldern grosser 1T ermöglicht. Deshalb wird weltweit intensiv an Leitern der zweiten Generation geforscht, die unterschiedliche Anwendungen bei 77 K und höheren Magnetfeldern ermöglichen werden. Diese Materialien werden als YBa2Cu3O7-x (YBCO) coated conductors bezeichnet und mittels Dünnfilmtechnologie hergestellt.

Ein über Tauchbeschichtungsverfahren hergestellter YBCO coated conductor wird auf ein biaxial texturierte Ni Substrat abgeschieden. Dazu wird unmittelbar auf das Substrat zunächst eine Pufferschicht abgeschieden, auf diese Pufferschicht dann die supraleitende YBCO Schicht. Mittels der Pufferschicht wird die biaxiale Textur vom Substrat in die supraleitende Schicht übertragen. Damit ist sichergestellt, dass in der Supraleiterschicht ein Netzwerk von Kleinwinkelkorngrenzen, aber keine Grosswinkelkorngrenzen erzeugt werden. Grosswinkelkorngrenzen begrenzen die kritische Stromdichte in YBCO dramatisch und dürfen in für Anwendungen relevanten Leitern nicht auftreten, Kleinwinkelkorngrenzen können toleriert werden.

Unter den verschiedenen Beschichtungsverfahren für coated conductors bietet das Verfahren der Tauchbeschichtung besondere Vorteile gegenüber Vakuumverfahren wie physikalischen und chemischen Beschichtungsverfahren: Freiheitsgrade bei der Einstellung der chemischen Zusammensetzung, einfachere Hochskalierung zur Herstellung von Drähten langer Länge, aber auch Reduktion der Leiterkosten. Deshalb besteht ein grosses Interesse, das Tauchbeschichtungsverfahren für die Herstellung der coated conductor einzusetzen.

Die kritische Stromdichte ist die relevanteste Ziel grosse, um supraleitende Eigenschaften von Materialien für Anwendungen zu klassi_zieren. Für YBCO coated conductors konnten vor kurzem kritische Stromdichten von 10 MA/cm2 bei 1 T und 77 K erreicht werden, wenn BaZrO3 (BZO) Nanoausscheidungen in die YBCO Matrix eingebracht wurden. BZO Nanoausscheidungen können sich statistisch verteilt in der YBCO Matrix ausbilden und wirken als Flusslinien-Verankerungszentren. Mit einer Breite von 1 cm und einer Schichtdicke von 1 µm entspricht einer kritischen Stromdichte von 1 MA/cm2 ein kritischer Strom von 100 A.

Nicht-supraleitende Kristallbaufehler wirken als Verankerungszentren für magnetische Flusslinien und führen damit zu einer Erhöhung der kritischen Stromdichte. In YBCO sind diese Kristallbaufehler Zwillingsgrenzen, Versetzungen und nanoskalige Ausscheidungen. Maÿgeschneiderte Mikro- und Nanostruktur von YBCO coated conductor enthalten ausschlieÿlich Kleinwinkelkorngrenzen und nanoskalige Kristallbaufehler, die zur Flusslinien-Verankerung beitragen.

Proben, die in dieser Arbeit untersucht wurden, wurden im Rahmen von folgenden zwei Forschungsprojekten von Partnerinstitutionen hergestellt und bezüglich der supraleitenden Eigenschaften (Tc, Bc2 and jc (B,T)) vermessen: (i) einem virtuellen Institut der Helmholtz Gemeinschaft ²Chemically deposited YBCO superconductors² und (ii) einem Projekt namens ELSA (Entwicklung innovativer Supraleiter mit Schichtarchitektur für die Energietechnik).

Diese Doktorarbeit wird wie folgt unterteilt: (i) methodische Arbeiten für die quantitative Elektronenmikroskopie und Spektroskopie für YBCO coated conductors, (ii) Untersuchungen zu La2Zr2O7 (LZO) Puffer rschichten für YBCO coated conductors und (iii) Elektronenmikroskopie und Spektrokopie von vollständig prozessierten YBCO coated conductor proben, die mit und ohne BZO Nanoausscheidungen hergestellt wurden.