Structural Characterization and Structure-property Correlation of Nanostructured Superconducting Coated Conductors and Thermoelectric Materials

Abstract

Materials drive innovation of devices and materials prepared by innovative technologies were investigated in this study. A microstructural study of device relevant nanostructured energy materials, such as DyBa2Cu3O7-x (DyBCO) high-temperature superconductors and Bi2Te3 room-temperature thermoelectric materials, are presented by employing analytical Transmission Electron Microscopy (TEM). Both compounds DyBCO and Bi2Te3 have a layered anisotropic structure and a number of modern electron microscopy and microanalysis methods have been applied for their investigation. Structure-property correlations of device relevant materials of both compounds were established for a better understanding and thereby improving the performance of these materials by controlling the micro- and nanostructure.

DyBCO based Coated Conductors (CCs), i.e. long-length high-temperature superconducting tapes were fabricated as thin-films by the Inclined Substrate Deposition (ISD) technology. The tapes yielded a critical current density of 1.7-2.1 MA cm-2, which give rise to a world record critical current of 1000 A cm-1 for a 6 µm thick superconducting film at 77 K and zero field. In addition, the growth behavior of superconducting DyBCO thin-films deposited by ISD for CCs was investigated and a growth model is presented for the DyBCO growth.

Nanostructured Bi2Te3 bulk materials were produced by two different methods: (i) Ar+ ion irradiation of bulk materials and (ii) Spark Plasma Sintering (SPS) of nanoscale bulk precursors. For the first time, a controlled formation and removal of the natural nanostructure (nns) in bulk Bi2Te3 by Ar+ ion irradiation is shown.

In dieser Arbeit werden Untersuchungen an Materialien vorgestellt, die durch innovative Technologien hergestellt wurden und zu einer Innovation im Bereich Anwendung führten. Die Mikrostrukturuntersuchungen wurden an für die Anwendung relevanten nanostrukturierten Materialien für die Energietechnik durchgeführt. Insbesondere wurden DyBa2Cu3O7-x (DyBCO) Hochtemperatur-Supraleiter und thermoelektrische, für Raumtemperatur geeignete Bi2Te3 Materialien mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Beide Verbindungen, DyBCO und Bi2Te3, besitzen geschichtete, anisotrope Kristallstrukturen. Eine Reihe an modernen, elektronenmikroskopischen und mikroanalytischen Methoden wurde zu deren Analyse angewandt. Für beide Verbindungen wurde eine Struktur-Eigenschafts-Korrelation erarbeitet. Dies diente dem besseren Verständnis, der Kontrolle und der Verbesserung der für die Anwendung relevanten Mikro- und Nanostrukturen dieser Materialien.

DyBCO basierte Coated Conductors (CCs), dies sind bei hohen Temperaturen supraleitende Drähte von mehreren Kilometern Länge, wurden als Dünnfilme mittels der Inclined Substrate Deposition (ISD) Technologie hergestellt. Die Drähte zeigten kritische Stromdichten von 1.7 bis 2.1 MA cm-2, wodurch der kritische Strom zu einem Weltrekordwert von 1000 A cm-1 bei einer Dicke des supraleitenden Films von 6 Micrometer und bei 77 K im Eigenfeld gesteigert werden konnte. Außerdem wurde ein Wachstumsmodell vom Wachstumsverhalten der supraleitenden DyBCO Dünnfilme abgeleitet, die mittels der für CCs angewandten ISD Technologie hergestellt wurden.

Nanostrukturierte Bi2Te3-Volumenmaterialien wurden durch zwei verschiedene Methoden aus herkömmlichen Volumenmaterialien hergestellt: (i) durch Ar+ Ionenbestrahlung und (ii) mittels dem Spark-Plasma-Sinterungsprozess (SPS). Zum ersten Mal wird eine kontrollierte Bildung und Entfernung der natürlichen Nanostruktur in Bi2Te3 Materialien mittels Ar+ Ionenbestrahlung gezeigt.