Transient liquid assisted growth of superconducting nanocomposite films

Els materials superconductors d'alta temperatura tenen propietats úniques, objecte d'investigació des de fa molts anys, especialment les propietats relacionades amb la conductivitat sense resistència a temperatures relativament altes o sota camps magnètics alts. Existeix un gran esforç a nivell internacional per optimitzar les propietats d'aquests materials i desenvolupar metodologies pel seu creixement que siguin compatibles amb la producció a gran escala i baix cost. En aquest context, els resultats inclosos en aquesta tesi són un important pas endavant, ja que demostren per primera vegada la possibilitat d'utilitzar la millora de propietats superconductores aconseguida amb tecnologia de nanocompòsits combinada amb una metodologia de creixement basada en la deposició de solucions químiques i intermedis líquids que presenta un baix cost i alt rendiment. El creixement de l'YBa2Cu3O(7-x) s'ha dut a terme mitjançant una nova metodologia anomenada "creixement assistit per líquid transitori" (TLAG per les seves sigles en anglès), la qual combina el baix cost de la deposició de solucions químiques amb la presència d'un líquid transitori que proveeix velocitats de creixement ultra-ràpides. Hem aconseguit combinar aquest creixement a través de fases líquides amb la presència de nanopartícules a través de l'estudi de la nucleació, la micro-estructura i la disposició de defectes en les nostres capes primes. Pels estudis de capes nanocompòsites vam triar nanopartícules de BaZrO3, BaHfO3 i LaF3, estabilitzades en medis alcohòlics. Els resultats presentats estan dividits segons les diferents rutes de creixement.En la ruta de temperatura, varis paràmetres han estat optimitzats amb l'objectiu d'aconseguir capes nanocompòsites epitaxials, tals com la rampa d'escalfament i el gruix de capes tampó d'YBCO sintetitzades a través de PLD. També presentem resultats amb diferents estequiometries de la fase líquida, elucidant la importància de controlar la sobresaturació per aconseguir capes epitaxials. La densitat de corrent crítica a 77K és 1MA/cm2. Hem demostrat que introduir nanopartícules al creixement d'YBCO per TLAG crea una estructura de defectes amb un gran potencial per millorar la fixació de vòrtexs sota camps magnètics. Hem investigat el creixement de capes nanocompòsites d'YBCO a través de la ruta de PO2 amb quantitats de BaZrO3 o BaHfO3 entre el 6% i el 32%. Hem descrit l'ús d'una capa prima precursora sense nanopartícules per tal d'aconseguir una bona reproductibilitat i capes nanocompòsites completament orientades en l'eix c en el cas de nanocompòsits amb 6% i 12% de nanopartícules. Hem demostrat una Jc de 2.2MA/cm2 a 77K, el qual és un resultat molt prometedor que ens ha portat a avaluar la Jc respecte camps magnètics aplicats. Hem pogut demostrar com les propietats dels nanocompòsits sota camp magnètic són millors que en les mostres estàndard, característica necessària per aplicacions de les cintes recobertes superconductores sota alts camps magnètics. Aquesta dissertació també inclou un estudi preliminar sobre el creixement de capes gruixudes d'YBCO (1um) i sobre la compatibilitat de capes tampó amb TLAG. Hem pogut demostrar la completa eliminació del carbonat de bari en capes de 1um de gruix, i hem aconseguit capes gruixudes completament epitaxials a través de la ruta de PO2. Hem fet servir el mètode de deposició de solucions químiques per créixer capes de Ba2342, Nd2CuO4, LaMnO3 (LMO), la reactivitat de les quals ha estat avaluada durant el creixement amb fases líquides. També s'ha estudiat la nucleació de YBCO a sobre d'aquestes capes tampó. El material més prometedor ha estat LMO, per tant hem utilizat substrats metàl·lics comercials amb LMO com a l'última de les capes tampó de la seva arquitectura. Hem aconseguit el creixement epitaxial de capes d'YBCO amb bona temperatura crítica a sobre d'aquestes capes, demostrant que la metodologia TLAG és compatible amb arquitectures comercial de capes recobertes superconductores.Los materiales superconductores de alta temperatura tienen propiedades únicas, que han sido objeto de investigación des de hace muchos años, especialmente las propiedades relacionadas con la conductividad sin resistencia a temperaturas relativamente altas o bajo campos magnéticos. Existe un gran esfuerzo a nivel internacional para optimizar las propiedades de estos materiales y desarrollar metodologías para su crecimiento que sean compatibles con la producción a gran escala y bajo coste. En este contexto, los resultados incluidos en esta tesis son un importante paso adelante ya que demuestran por primera vez la posibilidad de utilizar la mejora de propiedades superconductoras conseguida con tecnología de nanocompuestos combinada con una metodología de crecimiento basada en la deposición de soluciones químicas e intermedios líquidos que presenta un bajo coste y alto rendimiento. El crecimiento de YBa2Cu3O(7-x) se ha hecho mediante una nueva metodología llamada "crecimiento asistido por líquido transitorio" (TLAG por sus siglas en inglés), la cual combina el bajo coste de la deposición de soluciones químicas con la presencia de un líquido transitorio que da velocidades de crecimiento ultra-rápidas. Hemos conseguido combinar este crecimiento a través de fases líquidas con la presencia de nanopartículas a través del estudio de la nucleación, la microestructura y la disposición de los defectos en nuestras capas delgadas. Para los estudios de capas nanocompuestas hemos elegido nanopartículas de BaZrO3, BaHfO3 y LaF3, estabilizadas en medios alcohólicos. Los resultados están divididos según las diferentes rutas de crecimiento. En la ruta de temperatura, varios parámetros han sido optimizados con el objetivo de conseguir capas nanocompuestas epitaxiales, tales como la rampa de calentamiento y el grosor de capas tampón de YBCO sintetizadas a través de PLD. También presentamos resultados con diferentes estequiometrias de la fase líquida, elucidando la importancia de controlar la sobresaturación para conseguir capas epitaxiales. La densidad de corriente crítica a 77K es 1MA/cm2. Hemos demostrado que introducir nanopartículas al crecimiento de YBCO a través de TLAG crea una estructura de defectos con un gran potencial para mejorar la fixación de vórtices bajo campos magnéticos. Hemos investigado el crecimiento de capas nanocompuestas de YBCO a través de la ruta de PO2 con cantidades de BaZrO3 o BaHfO3 entre el 6% y el 32%. Hemos descrito el uso de una capa delgada precursora sin nanopartículas con tal de conseguir una buena reproductibilidad y capas nanocompuestas completamente orientadas en el eje c en el caso de nanocompuestos con el 6% y el 12% de nanopartículas. Hemos demostrado una Jc de 2.2MA/cm2 a 77K, lo cual es un resultado muy prometedor que nos ha llevado a evaluar la Jc respeto campos magnéticos aplicados. Hemos podido demostrar como las propiedades de las capas nanocompuestas bajo campos magnéticos son mejores que en las muestras estándar, característica necesaria para aplicaciones de las cintas recubiertas superconductoras bajo altos campos magnéticos. Esta disertación también incluye un estudio preliminar sobre el crecimiento de capas gruesas de YBCO (1um) y sobre la compatibilidad de capas tampón con TLAG. Hemos podido demostrar la completa eliminación del carbonato de bario en capas de 1um de grosor. Hemos utilizado el método de CSD para crecer capas de Ba2342, Nd2CuO4, y LaMnO3 (LMO), la reactividad de las cuales ha sido evaluada durante el crecimiento con fases líquidas. El material más prometedor ha sido LMO, y por lo tanto hemos usado sustratos metálicos comerciales con LMO como última capa de su arquitectura. Hemos conseguido el crecimiento epitaxial de capas YBCO con buena temperatura crítica encima de estas capas, demostrando que la metodología TLAG es compatible con la arquitectura comercial de capas recubiertas superconductoras.High temperature superconducting materials have unique properties which have been under investigation for many years, mainly involved with their zero resistance properties at high temperatures or at high magnetic fields. Currently, one of the main interest in the superconducting community is to demonstrate the applicability of these materials, in order to achieve the widespread use of their applications. As such, there is a big international effort on optimizing performances and developing growth methodologies compatible with big-scale production at low cost. In this context, the results presented in this thesis are an important step forward, reporting for the first time the possibility to use the increased superconducting properties of nanocomposite technology together with a low-cost and high throughput liquid-based methodology based on chemical solution deposition. The growth of YBa2Cu3O(7-x) } is performed by the newly reported method of transient liquid assisted growth (TLAG), which combines the inexpensive chemical solution deposition with the presence of a transient liquid that provides ultra-high growth rates. We have been successful in combining this liquid-based growth with the presence of nanoparticles through the understanding of nucleation, microstructure and defect landscape of our films. We have chosen BaZrO3, BaHfO3 and LaF3 pre-formed nanoparticles stabilized in alcoholic media for these studies. The results are divided by the different processing routes, presenting the efforts on optimizing the nucleation, growth and superconducting properties of nanocomposites in two chapters. The two different paths consist of the temperature route (heating at constant PO2), and PO2-route (heating at very low PO2 and then increasing PO2 to reach growth conditions). In the T-route, several parameters were optimized in order to achieve epitaxial nanocomposite films, such as heating ramp and the thickness of a PLD-YBCO buffer layer. Also different liquid stoichiometries were tested, revealing the importance of supersaturation control to achieve epitaxy. Jc is 1MA/cm2, and we demonstrated that introducing pre-formed nanoparticles to TLAG-YBCO creates a defect structure with a lot of potential towards improved vortex pinning. The growth of YBCO nanocomposites through the PO2-route with BaZrO3 and BaHfO3 molar percentages ranging from 6% to 32% was studied through XRD techniques which allow the quantification of different YBCO crystalline orientations. Introduction of a seed layer accomplished a better reproducibility and fully c-axis oriented epitaxial films for 6% and 12% nanocomposites. We demonstrated Jc self-field up to 2.2MA/cm2 at 77K, a very promising result, which led to the evaluation of Jc under applied magnetic fields through dc-SQUID and electrical transport measurements. Thus, we could show the increased performance of nanocomposites with magnetic field in comparison with pristine samples, necessary for high magnetic field applications of coated conductors. This dissertation also includes a preliminary study on the growth of YBCO thick films (1um) and buffer layer compatibility with TLAG. We demonstrated the successful elimination of barium carbonate in films up to 1um thick and fully epitaxial YBCO layers could be processed by the PO2-route. CSD methodologies were used to grow thin films of Ba2342, Nd2CuO4, LaMnO3 and La0.8Sr0.2MnO3, in order to evaluate the reactivity of the transient liquid with these materials as well as the nucleation of YBCO on top. LaMnO_3 (LMO) was found to be a very promising material and was further investigated by using PLD-grown LMO and SuNAM commercial tape with LMO as the last layer of their architecture. We achieved epitaxial YBCO films with good Tc on top of these buffers layers, demonstrating that TLAG is compatible with commercial coated conductors architecture