Hybrid approach to obtain high-quality BaMO₃ perovskite nanocrystals for YBa₂Cu₃ O7−δsuperconducting nanocomposite

Abstract

Aquesta tesi descriu la síntesi i caracterització de nanocristalls de perovskita BMO3 i la seva aplicació a millora les propietats de materials superconductors. Els protocols per la síntesi van permetre poder ajustar els nanocristalls al medi desitjat, a més d’aconseguir una alta estabilitat durant llarg períodes de temps en solucions amb contingut d’alta concentració de salts.

La síntesi dels nanocristalls de BMO3 s’ha realitzat a partir d’una metodologia hibrida solvotèrmal, la qual està basada en la combinació d’una reacció aquós sol-gel i un procés solvotèrmal. Utilitzant aquesta metodologia vam reportar una síntesis general, fàcil, ràpida i reproduïble per tal d’obtenir nanocristalls de perovskites BMO3. A més, s’ha estudiat diferents condicions sintètiques, així com, el mecanisme del la formació dels nanocristalls. Considerant les aproximacions anteriors per obtenir aquest tipus de nanocristalls, la nostra metodologia proporciona una alta cristal·linitat amb una reducció dràstica en el temps de reacció. A través de l’estudi de nanocristalls de BaZrO3 vam postular el mecanisme que governa la mida dels nanocristalls. A més, el mecanisme postulat per aquest cas també és aplicable a altres perovskites. La nostra metodologia híbrida va demostrar la síntesi amb èxit de BaMO₃ M= (Ti4+, Zr4+and Hf4+), a més d’obtenir SrTiO3 al canviar el catió bivalent per Sr2+

Hem estudiat l’aplicabilitat dels nanocristalls sintetitzats, els quals millorant les propietats superconductores en nanocomposits en pel·lícules preparades per deposició de solució química utilitza solució de precursor d’Itri, Bari i sals de Coure. A més, aquests nanocristalls romanen estables durant llargs temps a altes concentracions en diferents solucions precursors de YBa2Cu3O7−δ.

Per tant, estem demostrant per primer cop, que uns nanocristalls no reactius com BaMO₃ (M= Zr4+and Hf4+) són adequats per fabricar una alta qualitat de pel·lícules primes i gruixudes. També vam demostrar que la composició i mides dels nanocristalls són un factor crucial per determinar el comportament final de la fixació de vòrtex en aplicar un camp magnètic.

En conclusió, no només es presenta uns nanocristalls amb una mida tunejable i una alta estabilitat al llarg del temps, sinó que també es demostra la seva efectivitat per realçar les propietats superconductores al introduïr els nanocristalls a una matriu de YBa2Cu3O7−δ. Donat la novetat i pertinència del nostre mètode híbrid aquest pot ser aplicable per sintetitzar un ampli ventall de nanocristalls.

Esta tesis describe la síntesis y caracterización de nanocristales de perovskitas BMO3 y su aplicación directa. Los protocolos de síntesis permitieron ajustar el tamaño de los nanocristales y lograr una estabilidad a largo plazo en soluciones con alto contenido de medios salinos. Estas nuevas propiedades de los nanocristales se aprovecharon para incrustarlos en un material superconductor YBa2Cu3O7−δ, mejorando las propiedades superconductoras de este material.

Para sintetizar los nanocristales de BMO₃ se ha utilizado una metodología solvotermica híbrida, la cual está basada en la combinación específica de tratamientos sol-gel acuoso y un proceso solvotermal. Usando esta metodología obtenemos una ruta de síntesis general, fácil, rápida y reproducible de nanocristales de BMO₃. Además, se presenta unos estudios detallados a diferentes condiciones sintéticas, así como conocimientos sobre el mecanismo de formación de los nanocristales. Teniendo en cuenta las aproximaciones anteriores a esta familia de perovskitas, nuestra metodología proporciona nanocristales de forma definida altamente cristalina con una reducción drástica del tiempo de reacción. A través del estudio de los nanocristales de BaZrO₃, postulamos el mecanismo que gobierna el tamaño de los nanocristales. Este mecanismo propuesto resultó no ser solo específico para este caso, sino también aplicable a otros perovskitas. Nuestra metodología híbrida ha demostrado una síntesis exitosa de nanocristales en el caso de BaMO₃ M = (Ti4+, Zr4+ y Hf4+), además de obtener SrTiO3 al cambiar el catión divalente por Sr2+.

Hemos estudiado las aplicaciones de los nanocristales sintetizados mejorando las propiedades superconductoras de películas de nanocompositos preparadas por deposición de solución química utilizando solución precursora de sales de itrio, bario y cobre. Además, los nanocristales muestran una alta estabilidad a largo plazo en diferentes soluciones precursoras de YBa2Cu3O7−δ incluso a altas concentraciones de nanocristales.

En este documento, demostramos por primera vez que los nanocristales no reactivos de BMO₃ (M = Zr4+ y Hf4+) son adecuados para el crecimiento de películas delgadas y gruesas de alta calidad mediante la deposición de solución química. Además, también demostramos que la composición y los tamaños de los nanocristales son un factor crucial para adaptar el rendimiento de fijación de vórtices en campos magnéticos aplicados.

En conclusión, no solo presentamos el logro de nanocristales de perovskita BMO₃ de tamaño fácil de ajustar y de alta estabilidad, sino que también demostramos su eficacia para mejorar las propiedades superconductoras cuando los nanocristales se mezclan en la matriz YBa2Cu3O7.

This thesis describes the synthesis and characterization of novel perovskite BMO3 nanocrystals and its application improving properties of superconducting material. The developed synthesis protocols allowed to tune nanocrystals’ size and achieve long-time stability in solutions with high salt media content. These new properties in the nanocrystals were exploited to embed them into a superconducting material, YBa2Cu3O7−δ, enhancing the superconducting properties of the material.

The general trends of BMO₃ have been unravel using a hybrid solvothermal methodology based on the specific combination of aqueous sol-gel and solvothermal treatments. Using this methodology we reported a general, easy, fast and reproducible synthesis route of BMO₃ nanocrystals. Moreover, we present detailed studies of different synthetic conditions as well as insights in the mechanism of the nanocrystal’s formation. Considering previous approximations to this perovskite family, our methodology provides highly crystalline shape-defined nanocrystals with a drastic reduction on reaction time. Through the study of BaZrO₃ nanocrystals we postulated the governing mechanism tunning the sizes of the nanocrystals. This proposed mechanism proved to be not only specific to this case but also applicable to other perovskites. Our hybrid methodology demonstrated the successful synthesis of BaMO₃ M= (Ti4+, Zr4+ and Hf4+) nanocrystals, besides of, obtaining SrTiO3 when changing the divalent cation for Sr2+.

We have studied the applications of the synthesized nanocrystals improving the superconducting properties of nanocomposites films prepared by chemical solution deposition using precursor solution of Yttrium, Barium and Copper salts. Additionally, the nanocrystals showed long term high stability in different YBa2Cu3O7−δ precursor solutions even at high nanocrystals concentration.

Herein, we demonstrate for the first time, that non-reactive BMO₃ (M= Zr4+ and Hf4+) nanocrystals are suitable for growing high quality thin and thick films using chemical solution deposition. Furthermore, we also demonstrated that the composition and sizes of the nanocrystals are a crucial factor for tailoring vortex pinning performances in applied magnetic fields.

In conclusion, we not only present the achievement of easily tunable-size and high-stable BMO₃ perovskite nanocrystals but demonstrated their effectiveness to enhance the superconducting properties when the nanocrystals are mixed into YBa2Cu3O7 matrix. Given the novelty and potential relevance of our hybrid method in a deep range of nanoscale systems.