Influence of oxygen annealing on structural and transport properties of pristine and BaHfO3 nanocomposite GdBa2Cu3O7-δ films
Creators: name: Popov, Ruslan
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: REBCO
GdBCO
thin films
High temperature superconductors
Pulsed laser deposition
oxygen annealing

description: In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass beschichtete Leiter (CC), die eine supraleitende Hochtemperaturschicht enthalten, eine vielversprechende Lösung für die Entwicklung von Großanwendungen wie Motoren, Generatoren, Fehlerstrombegrenzern und supraleitenden Magnetspeichern darstellen. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für solche Anwendungen ist die Fähigkeit, große Ströme bei verschiedenen Temperaturen und Magnetfeldern zu leiten. REBa2Cu3O7-ẟ (REBCO)-Supraleiter, insbesondere einer der ersten Vertreter dieser Familie, YBa2Cu3O7-ẟ, erfüllen diese Anforderungen, da sie hohe Übergangstemperaturen, hohe Übergangstemperaturen Tc ≈ 92-94 K und relativ große kritische Stromdichten Jc bei Flüssigstickstofftemperaturen besitzen, die typischerweise im Bereich von 2-6 MAcm-2 liegen. Einer der Hauptvorteile von Supraleitern auf REBCO-Basis, insbesondere in Form von Dünnschichten, ist das Vorhandensein einer großen Dichte von Defekten, die sich während des Wachstumsprozesses bilden. Diese Defekte sind verantwortlich für hohe Jc-Werte im Magnetfeld aufgrund der Wechselwirkung mit Flusslinien, die den Supraleiter in der "gemischten Phase" durchdringen. Daher besteht eine der Hauptstrategien zur weiteren Erhöhung von Jc darin, die Dichte der Defekte durch die Einführung von Sekundärphasen zu erhöhen, die als künstliche Pinning-Zentren bezeichnet werden. Bei der gepulsten Laserabscheidung, der Methode für die Abscheidung dünner Schichten, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wird, gibt es eine Vielzahl von Parametern wie Substrattemperatur (Tsub), Laserfrequenz (f), Sauerstoffdruck wäh-rend der Abscheidung (pO2) und Laserenergie (Elas), die im Mittelpunkt der Untersuchungen standen, wenn es um die Verbesserung der kritischen Stromdichten ging. In den letzten Jahrzehnten wurde gezeigt, dass eine kontrollierte Änderung der Abscheidebedingungen die Form und Dichte der Defekte in den REBCO-Dünnschichten verändern kann. Daher widmet sich der erste Teil dieser Arbeit der Definition der optimalen Abscheidebedingungen für supraleitende GdBa2Cu3O7-ẟ - Dünnschichten ohne und mit 2.5 Gew.% BaHfO3 (BHO)-Nanopartikeln. Der Auswahlprozess basiert auf dem Vergleich von Tc, Kristallstruktur und Feldabhängigkeit von Jc bei verschiedenen Temperaturen. Für beide Systeme, das ursprüngliche und das BHO-Nanokomposit, sind Tsub=800 °C, f=10 Hz und pO2=0,3-0,4 mbar optimale Wachstumbsbedingungen, die zu Tc-Werten im Bereich von 90-93 K und Jc≈1.7-4.0 MAcm-2 führen. Zusätzlich zu allen Abscheideparametern umfasst die Herstellung von supraleitenden REBCO-Dünnschichten den Schritt der Sauerstoffglühung, der ebenso wichtig ist wie die Abscheidung selbst. In REBCO-Supraleitern breiten sich die Ströme in den CuO2-Ebenen aus, und die Ladungsträger, in REBCO Löcher, werden von CuO-Ketten bereitgestellt. Aus diesem Grund ist eine Sauerstoffglühung erforderlich, um eine ausreichende Sauerstoffdotierung zu erreichen und die supraleitende Phase zu bilden, da sich die REBCO-Dünnschicht unmittelbar nach der Abscheidung in der isolierenden Phase befindet. Obwohl verschiedene Aspekte des Sauerstoffglühens bereits ausgiebig untersucht worden sind, müssen noch einige Fragen geklärt werden. In der vorliegenden Arbeit versuchen wir, eines der Probleme bezüglich der Korrelation zwischen dem Sauerstoffglühverfahren, den Veränderungen der Defektmorphologie und den daraus resultierenden Transporteigenschaften zu beleuchten. Zu diesem Zweck betrachten wir zwei Systeme: unbehandeltes GdBCO und GdBCO+2.5 Gew.% BHO. Um den Einfluss der Sauerstoffglühung zu untersuchen, berücksichtigen wir vier Parameter: Glühtemperatur (Tann), Glühzeit (tann), Sauerstoffdruck während der Glühung (PO2) und Abkühlgeschwindigkeit (QPLD). Aufgrund der Unterschiede bei der Herstellung von GdBCO-Dünnschichten im Labor- und im Industriemaßstab vergleichen wir außerdem zwei Sauerstoffglühverfahren: In-situ-Sauerstoffglühen in der statischen Umgebung der PLD-Kammer und Ex-situ-Sauerstoffglühen im Ofen mit konstantem Sauerstofffluss. Bei der separaten Untersuchung jedes Parameters in einem unbehandelten und einem 2.5 Gew.% BHO-Nanokomposit-GdBCO-System konnten wir mehrere wichtige Merkmale beobachten: 1. Tann: Beeinflusst in erster Linie die Stapelfehler in der GdBCO-Matrix. Beide Glühverfahren zeigen bei 450 °C (der niedrigste untersuchte Tann) die höchsten Jc-Werte im Magnetfeld. Aufgrund der Einführung eines zusätzlichen Heiz- und Kühlschritts weisen die ex – situ geglühten GdBCO-Dünnschichten eine reichhaltigere Defektmorphologie auf und zeigen daher ein zweifach höheres Jc und Fp bei 10 K und 14 T. 2. tann: Ex – situ – geglühte GdBCO-Dünnschichten zeigen keine drastischen Abhängigkeiten der Struktur- und Transporteigenschaften von tann, während in – situ – geglühte Schichten mindestens 15 Minuten Glühzeit benötigen, um ein Tc über 77 K zu erreichen. 3. PO2: Beeinflusst in erster Linie die Größe der Gd-reichen Nanopartikel in der GdBCO-Matrix. 4. QPLD: Höhere Abkühlraten führen zur Erhaltung von Stapelfehlern, wodurch möglicherweise Abkürzungen der Diffusionspfade bei der Sauerstoffglühung entstehen, die zu einem höheren Jc-Wert im Magnetfeld führen. 5. Tann für ex – situ geglühtes GdBCO+2.5 Gew.% BHO: die BHO-Nanokomposit-GdBCO-Dünnschichten zeigen die höchsten Jc-Werte im Magnetfeld bei Tann=700 °C. Auf der Grundlage dieser Merkmale schlagen wir ein Modell vor, das die Glühparameter und die Mikrostruktur der GdBCO-Dünnschicht miteinander in Beziehung setzt. Nach diesem Modell können zwei Szenarien verwendet werden, um die Defektmorphologie und damit die Transporteigenschaften anzupassen: 1. Hohe T, hohe PO2 mit anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur: Dieser Weg bewahrt die in der GdBCO-Matrix vorhandenen Stapelfehler und reduziert die Dichte der Gd-reichen Nanopartikel. 2. Hohe T, niedrig PO2 mit anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur: Dieser Weg erhält die Gd-reichen Nanopartikel und reduziert die Dichte der Stapelfehler.