Crecimiento epitaxial de películas delgadas de YBa2Cu3O7-? mediante soluciones químicasanálisis in-situ de la nucleación, el crecimiento y la oxigenación

Resumen

En la presente tesis doctoral se analizaron de forma in-situ las etapas de nucleación, crecimiento y oxigenación en películas delgadas de las fases superconductoras YBa2Cu3O7-? sobre monocristales (001) de LaAlO3 o Ce0.9Zr0.1O2 /ZrO2:Y a partir de distintas soluciones químicas metal-orgánicas de trifluroacetatos (TFA). Mediante medidas de resistencia eléctrica in-situ en función de la temperatura T y del tiempo total ttotal de procesado térmico R(T, ttotal) se evaluó y se obtuvo información sobre los procesos de nucleación, crecimiento epitaxial, sinterización y oxigenación en estos materiales. Con el empleo de esta técnica se realizaron asimismo experimentos de difusión de oxígeno para determinar la dimensión lateral de los granos considerando la difusión en volumen con activación térmica. Por último, se determinaron también las propiedades superconductoras de las películas crecidas de YBa2Cu3O7-?; las mismas son fuertemente dependientes del proceso de oxigenación. Teniendo en cuenta esto último, se consiguió maximizar los valores de la densidad de corriente crítica Jc mediante el control de los parámetros de procesado térmico para películas obtenidas a partir de soluciones de YBa2Cu3O7-? -TFA sin y con aditivo de Ag. Las mediciones de resistencia in-situ en función del tiempo de procesado permitieron evaluar la cinética del proceso de crecimiento y oxigenación; esto la convierte en una herramienta útil para este tipo de estudio. Se estimaron los tiempos típicos de las etapas de nucleación, crecimiento, sinterización y oxigenación en películas de YBa2Cu3O7-? obtenidas a partir de una solución YBa2Cu3O7-?-TFA depositadas sobre sustratos monocristalinos de LaAlO3. En particular, se determinó la velocidad de crecimiento G en función de la temperatura de crecimiento. Se concluyó que existe un tiempo de incubación para el inicio de la formación de la película epitaxial que decrece fuertemente con el aumento de la temperatura; por el contrario, G se incrementa con la misma. Estos estudios también se realizaron en capas epitaxiales crecidas a partir soluciones de YBa2Cu3O7-?-TFA con 5% Ag y YBa2Cu3O7-? preparado a partir de precursores metal-orgánicos con bajo contenido de flúor. Se concluye que la adición de Ag aumenta la difusión atómica y con ello la velocidad de crecimiento de las capas. Por otro lado, en las películas de YBa2Cu3O7-? mediante mediciones de resistencia in-situ en función del tiempo de procesado se estudiaron y determinaron también los tiempos de difusión de oxígeno en función de la temperatura entre 400 y 810oC durante el proceso de post-oxigenación. Se determinó la energía de activación (Eact = 0.04 eV) del proceso para cuando se cambia la presión parcial de oxígeno P(O2) de 1.0 atm a 2×10-4 atm. Para un cambio de la presión parcial de oxígeno P(O2) de 1.0 atm a 0.1 atm se obtuvo una energía de activación Eact de 1.09 eV en el rango de temperatura entre 410 y 460oC; este resultado es consistente con el reportado previamente para capas YBa2Cu3O7-? crecidas por epitaxia en fase líquida y pulverización catódica. Quedó demostrado que si el cambio en la presión parcial de oxígeno es lo suficientemente elevado, a más baja temperatura, la resistencia eléctrica para la difusión de entrada y salida de oxígeno es asimétrica, lo cual probablemente en la difusión de entrada se debe a que la superficie de los granos actúa como un cortocircuito al oxigenarse más rápidamente. Por ello concluimos que son más fiables las medidas de difusión de oxígeno realizadas a partir del proceso de salida de oxígeno. A temperaturas suficientemente bajas hemos mostrado que la cinética de oxigenación se encuentra limitada por barreras superficiales probablemente asociadas a la disociación de moléculas de oxígeno. Por último, se estudió también la optimización del proceso de oxigenación en películas de YBa2Cu3O7-?/LaAlO3 en las cuales se pretende maximizar la densidad de corriente crítica. Entre los resultados obtenidos podemos destacar que mediante la selección de procesos de oxigenación se pueden obtener películas de YBa2Cu3O7-? en el estado sobre-dopado con una elevada homogeneidad y altas corrientes críticas. En concreto, se optimizó el proceso de oxigenación para películas de YBa2Cu3O7-?/LaAlO3 e YBa2Cu3O7-?+(5% Ag)/LaAlO3 obteniéndose valores de Jc a 77.2 K de 5 MA/cm2. Estimamos que dichas películas se encuentran en el estado sobre-dopado con una concentración de portadores p ? 0.178. El estudio realizado nos ha permitido reducir el tiempo total de los procesos de crecimiento-oxigenación en ~ 50 % respecto el proceso que se utilizaba actualmente, lo cual es muy interesante desde el punto de vista de la obtención y procesado industrial de estos materiales.