Multifunctional nanostructured superconductors by chemical routes: towards high current conductors

Abstract

Uno de los temas de mayor interés en el ámbito de la superconductividad es la fabricación de cintas superconductoras (CCs) de YBa2Cu3O6+δ (YBCO) debido a las excelentes propiedades superconductoras que poseen y a las prometedoras perspectivas en cuanto a aplicaciones se refiere. Sin embargo, para poder generalizar el uso de dichas CCs, se requiere de un proceso de fabricación de bajo coste. En este contexto, la técnica de deposición por solución química se presenta como una alternativa muy prometedora. Las CCs pueden cumplir los requisitos actuales exigidos en diferentes aplicaciones, pero hay otras que están fuera de sus capacidades, especialmente aquellas relacionadas con aplicaciones de potencia en las que están presentes campos magnéticos de gran intensidad. El movimiento de los vórtices que tienes lugar en presencia de tales campos magnéticos hace que el YBCO sea poco efectivo en estos casos. El objetivo de este trabajo es mejorar las propiedades del YBCO de manera que se puedan satisfacer los requerimientos de estas aplicaciones de potencia. Para ello, hemos estudiado, principalmente, dos estrategias: la nanoestructuración de la matriz del YBCO añadiendo nanopartículas (NPs) obteniendo nanocomposites superconductores y la optimización del proceso de oxigenación del YBCO para conseguir aumentar todo lo posible la temperatura crítica y la densidad de corriente crítica. La preparación de los nanocomposites de YBCO se llevó a cabo siguiendo dos métodos diferentes de “deposición y crecimiento secuencial”: el método “in-situ” en el que las NPs se forman de manera espontánea durante el proceso de crecimiento, y el método “ex-situ”, que es un novedoso procedimiento desarrollado durante esta tesis en el cual las NPs se sintetizan primeramente formando una solución coloidal para luego quedar atrapadas en la matriz del YBCO durante los procesos térmicos. El uso del método “in-situ” se ha enfocado al estudio de como diferentes NPs (BaZrO3, Y2O3, Ba2YTaO6 and mezclas de éstas) afectan la microestructura del YBCO creando defectos cristalinos que incrementan la fuerza de anclaje. Hemos estudiado también la influencia de estos defectos, en particular, de las dobles cadenas Cu-O, en las propiedades finales de los nanocomposites de YBCO y GdBCO. En el caso del método “ex-situ”, el primer paso fue sintetizar diferentes soluciones coloidales de NPs magnéticas (MnFe2O4 and CoFe2O4) y no magnéticas (CeO2 and ZrO2). Se comprobó la estabilidad de las soluciones YBCO+NPs mediante medidas de DLS y de TEM para asegurar que las NPs conservaban su tamaño inicial sin formar aglomerados. El proceso de pirólisis fue optimizado para cada tipo de NPs teniendo en cuenta que los ligandos usados para estabilizar las NPs pueden influenciar de manera drástica la homogeneidad de las capas pirolizadas. Por último, el proceso de crecimiento fue también investigado para cada tipo de NPs. El estudio del proceso de oxigenación en la capas de YBCO se llevó a cabo usando medidas de resistencia “in-situ”, que permiten monitorizar la evolución de la resistencia en las capas durante los distintos procesos térmicos. Hemos estudiado como la temperatura, el flujo de gas y la presión parcial de oxigeno afectaba al proceso de difusión. De acuerdo con nuestros resultados, las reacciones que tienen lugar en la superficie de la capa antes de que en oxígeno se difunda en el interior de la misma, son el factor que limita la cinética del proceso de oxigenación. Por último El efecto de la adición de plata como catalizador y la difusión en nanocomposites también se ha estudiado.

One of the hot topics in the field of superconductivity is the YBa2Cu3O6+δ (YBCO) Coated Conductors (CCs) fabrication due to the excellent superconducting properties and promising application prospects. However, in order to spread worldwide the use of YBCO coated conductors, a low cost fabrication is required. Chemical Solution Deposition has emerged as a promising alternative that can accomplish this requirement. Despite that YBCO CCs can satisfy the requirements in many different applications, the fact is that there are other uses that are out of it reach with its current status, especially those power applications in which high magnetic fields are applied. The vortex movement which takes place at such high magnetic fields makes YBCO CCs useless for these particular applications. The aim of this work is to improve the properties of YBCO satisfying the demands of these power applications. For this, we studied, mainly, two different strategies: nanostructuration of the original YBCO matrix by adding NPs (superconducting nanocomposites) and optimization of the YBCO oxygenation process to enhance as much as possible the critical temperature and critical current density. The preparation of YBCO nanocomposites was done following two different “Sequential deposition and growth” approaches: the in-situ approach in which the NPs are spontaneously segregated during the growth process; and the ex-situ approach, a new methodology developed in this thesis in which the NPs are firstly synthesized in a colloidal solution and then embedded in the YBCO matrix. Using the in-situ approach we have made an extensive study of how different NPs (BaZrO3, Y2O3, Ba2YTaO6 and mixtures of these) affect the microstructure of the YBCO creating defects that increase the pinning properties. We have also studied the influence of these defects, in particular, the stacking faults (double chains of Cu-O), on the final properties of the YBCO and GdBCO nanocomposites. With the ex-situ approach we have started by synthesizing different colloidal solutions of both magnetic (CoFe2O4) and non-magnetic (CeO2 and ZrO2) NPs. The stability of YBCO+NPs solutions was checked using TEM and DLS analyses to ensure that the NPs are maintaining the initial size without forming agglomerates. The pyrolysis process was optimized for each type of NPs. We realized that the stabilization agents can critically influence the homogeneity of the pyrolyzed films. Finally, the growth process was also optimized for each type of NPs trying to solve different difficulties that appeared: coarsening, pushing or reactivity. The study of the oxygen diffusion process in YBCO thin films was done using in-situ resistivity measurements that allow to monitor the evolution of the resistance in the thin films in different annealing conditions. We have studied how the temperature, the gas flow and the oxygen partial pressure affect the diffusion process. According to our results, we can conclude that the surface reactions that take place before the oxygen bulk diffusion is the limiting factor for the oxygen diffusion. The effect of the silver addition to the YBCO as oxygen catalyst was also tested. Finally, the first study about the oxygen diffusion process in nanocomposite films gave an idea of how the oxygen diffusion works in this kind of materials.