[en] High temperature superconductors (HTS) have been driving research and development programs for about three decades now and are on the verge of entering large scale utilization in the form of Coated Conductors (CCs), a robust and flexible tape architecture that enables textured growth of the rather brittle material class. A remaining bottleneck for widespread CC implementation is the high cost/performance ratio, essentially controlled by the complex and decelerating step of HTS layer growth. In this thesis we challenge the throughput and cost constraints of conventional growth methods through development of a novel growth technique that combines Chemical Solution Deposition (CSD), an inherently low-cost precursor deposition approach, with a high growth rate, non-equilibrium growth scheme that allows the formation of a transient (Ba-Cu-O) liquid phase prior to crystallization of the final product phase: Transient Liquid-Assisted Growth via CSD (TLAG-CSD). We employed the new process to grow YBa2Cu3O7-d (YBCO) thin films, a cuprate-based HTS material with unmatched current carrying performance in applied magnetic field conditions and at high temperatures. The unprecedented properties can only be reached if the electrically anisotropic compound exhibits biaxial texture and provides sufficient nanometric defects to pin vortices. Hence, not only is the fundamental understanding of the TLAG-CSD process required but also ways to promote epitaxial growth at high rates, avoidance of any current-degrading sources and strategies to enrich the pinning landscape. To tackle these challenges, we combined several advanced characterization methods: In-situ growth experiments at a synchrotron facility were carried out to follow growth kinetics under variation of total and oxygen partial pressures, growth temperatures, heating ramps, film thickness/composition and nanoparticle (NP) addition. The combined set of experiments was successfully summarized in the form of so-called kinetic phase diagrams, a visual representation of the out-of-equilibrium processes and a roadmap for its utilization. Epitaxial, c-axis oriented YBCO films were thoroughly studied via X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM), low temperature electrical transport and inductive measurements to identify process related limitations and opportunities. This includes probing of the YBCO microstructuture and intrinsic electrical properties to avoid liquid induced substrate reactivity, segregation of secondary phases, while enabling proper CO2 elimination and oxygen doping of the crystal structure. We disclose that epitaxial layer growth rates above 100nm/s can be accomplished through the TLAG-CSD approach, surpassing conventional techniques used in CC manufacturing schemes (TFA-CSD/PLD/MOCVD) by up to two orders of magnitude. Superconducting films are demonstrated to reach high epitaxial grain alignment (Δω<0.6° and Δφ<1°), optimal critical temperatures (Tc=88-92K) and competitive critical current densities (Jc(77K)=2-5MA/cm2). We further classify the TLAG-CSD process as highly versatile in enriching the vortex pinning landscape, not only through its capability to promote a high density of stacking faults and small ab-oriented YBCO grains (5-10nm) in pristine YBCO films, but also through its compatibility with preformed nanoparticle addition in nanocomposites.

[es] Los superconductores de alta temperatura (HTS) han liderado los programas de investigación y desarrollo durante tres décadas y actualmente se encuentran cerca de ser integrados, en aplicaciones de gran escala, en forma de cintas superconductoras (CCs), una arquitectura de cinta robusta y flexible que permite el crecimiento texturado de este material frágil. Un escollo pendiente para la amplia implementación de las CCs es el alto ratio de coste/prestación, esencialmente controlado por el crecimiento complejo y descelerado de la capa de HTS. En esta tesis, cogimos el reto de mejorar el rendimiento y coste de los métodos de crecimiento convencionales a través del desarrollo de una nueva técnica de crecimiento que combina la deposición de soluciones químicas (CSD), deposición del precursor inherentemente de bajo coste, con la alta velocidad de crecimiento, una aproximación de crecimiento de no equilibro que permite la formación de una fase líquida transitoria (Ba-Cu-O) que conduce a la cristalización del producto final: Crecimiento Asistido por Liquido Transitorio a través de CSD (TLAG-CSD). Hemos utilizado este proceso nuevo para crecer capas delgadas de YBa2Cu3O7-d (YBCO), un material HTS basado en cupratos de inigualables prestaciones bajo campos magnéticos aplicados y altas temperaturas. Estas propiedades tan impresionantes solo se pueden alcanzar si el compuesto, electrónicamente anisotrópico, exhibe una textura biaxial y contiene suficientes defectos para anclar a los vórtices. Por tanto, no solo pretendemos la comprensión de los fundamentos del proceso TLAG-CSD, sino también promover formas de crecimiento epitaxial a grandes velocidades, evitando las causas de degradación de la corriente, y fomentando el enriquecimiento de un paisaje adecuado para el anclaje de vórtices. Para afrontar estos retos, hemos combinado varios métodos avanzados de caracterización: Realizamos experimentos de crecimiento in-situ en una instalación de luz sincrotrón para evaluar la cinética de crecimiento a distintas presiones parcial y total de oxígeno, temperatura de crecimiento, rampa de calentamiento, grosor de la capa HTS y composición, así como la adición de nanopartículas (NP). La combinación de los distintos experimentos se ha resumido satisfactoriamente en los llamados diagramas de fase cinéticos, una representación visual de los procesos fuera del equilibrio y un roadmap para su utilización. Las capas de YBCO epitaxiales orientadas según el eje c se estudiaron minuciosamente con difracción de rayos-X, microscopía electrónica de transmisión (TEM), experimentos de transporte eléctrico a bajas temperaturas e inducción magnética para identificar las limitaciones y oportunidades del proceso. Ello incluyó estudiar la microstructura del YBCO y las propiedades eléctricas para evitar la reactividad del líquido con el sustrato, la segregación de fases secundarias, a la vez que asegurar la eliminación de CO2 y el dopaje de oxígeno de la estructura cristalina. Revelamos que con el método TLAG-CSD se pueden alcanzar velocidades de crecimiento epitaxial por encima de 100nm/s, sobrepasando dos órdenes de magnitud las técnicas convencionales utilizadas en la fabricación de CC (TFA-CSD/PLD/MOCVD). Las capas superconductoras alcanzaron un alineamiento epitaxial alto de los granos (Δω<0.6° y Δφ<1°), temperaturas críticas (Tc=88-92K) y densidades de corriente crítica competitivas (Jc(77K)=2-5MA/cm2). Además, clasificamos al proceso TLAG-CSD como altamente versátil para enriquecer el paisaje de anclaje de vórtices, no solo a través de la capacidad de promover una alta densidad de faltas de apilamiento y granos de YBCO orientados-ab muy pequeños (5-10nm) en las capas de YBCO, sino por su compatibilidad para formar nanocompuestos con la adición de nanopartículas preformadas.