In-depth investigation of the origin, evolution and interaction of structural defects in YBCO nanocomposite thin films

Resumen

Des del descobriment de la superconductivitat d'alta temperatura (HTS), el desenvolupament tecnològic d’un cable superconductor d'alta corrent ha sigut una prioritat per aprofitar plenament les seves capacitats de transport corrent elèctric. Les cintes superconductores basades en el material YBa2Cu3O7-? (YBCO) (o ‘coated conductors’, CC), han assolit els requisits necessaris per a la demanda d'energia i la producció de cables superconductors de segona generació (2G). Aquests cables es basen en una arquitectura en la qual una pel·lícula de material superconductor creix epitaxialment sobre un substrat metàl·lic texturat. Noves tècniques emprades en la producció de cables superconductors 2G, com la deposició de solucions químiques (CSD), han esdevingut una alternativa degut al menor impacte econòmic en la seva fabricació vers les tècniques tradicionals de deposició de vapor que necessiten de sofisticats sistemes d'alt buit. A més, permet una fàcil escalabilitat i per tant és una forma d'obtenir cables superconductors comercials competitius. No obstant això, per aconseguir el màxim potencial de cara a les aplicacions és bo tenir en compte un altre requisit abans de enfrontar-se als processos de deposició a gran escala. Aquest requisit implica la introducció controlada d'una densitat de defectes que permeti la millora de la conducció de corrent en presència d’un camp magnètic. Les capacitats de transportar corrent milloren si s’aconsegueix controlar la presència de defectes nanomètrics dins la matriu superconductora els quals actuen com a centres d’ancoratge de vòrtex magnètics. Per tant, la investigació de l'estructura atòmica dels defectes és crucial per a la comprensió de l'eficiència d'aquests superconductors. Aquesta tesi es centra en la investigació i caracterització dels defectes responsables de la millora de les propietats superconductores, així com el seu origen, evolució i interacció, mitjançant la Microscòpia Electrònica de Transmissió en mode d’escaneig (STEM). Actualment, els microscopis amb corrector d’aberracions s'han convertit en l'eina més potent i versàtil per a la investigació estructural a nivell atòmic. Permeten la possibilitat de combinar la informació estructural amb l'anàlisi químic del material amb alta resolució espacial i d'energia, i vincular l'estructura atòmica i electrònica dels sòlids amb les propietats macroscòpiques. Aquesta tesi està estructurada en sis capítols. El capítol 1 és una introducció a les propietats dels superconductors d'alta temperatura i en especial del material YBCO, que inclou una resum del mètode de creixement per deposició de solucions. En el capítol 2, descriuré breument les tècniques experimentals utilitzades per a la caracterització de les pel·lícules primes que es presenten en aquest treball. El Capítol 3 és una visió general de la microestructura de les pel·lícules de YBCO amb l'addició de les fases secundàries BaZrO3, Ba2YTaO6 i Y2O3 en forma de nanopartícules. Aquestes pel·lícules nanoestructurades ofereixen una alta densitat de defectes artificials i una forta millora de les propietats superconductores en comparació amb les pel·lícules de YBCO pures. Els defectes responsables d'aquesta millora es caracteritzen en el capítol 4. Aquests, consisteixen principalment en la introducció d'un pla extra de Cu-O dins la cel·la unitat del YBCO (localment formant la fase Y248). L'alta densitat de defectes donen lloc a una microestructura molt complexa en la qual els defectes interactuen entre si i amb les nanopartícules no superconductores. En el capítol 5 descriuré aquestes interaccions entre els intercreixements Y248 i els plans de macla. La formació d'una gran quantitat de defectes rics en Cu pot donar lloc a desviaments locals de l’estequiometria del compost, ja que les pel·lícules es preparen a partir d'una solució metalorgànica precursora estequiomètrica que posteriorment es converteix en el. En el capítol 6 es mostrarà com el sistema resol aquest problema, mitjançant la generació de vacants de coure al llarg dels defectes planars. Finalment, es presenten les conclusions generals d'aquest estudi.