Growth and characterization of chemical solution based nanostructured coated conductors with CeO(2) cap layers
- Autores: Valentina Roxana Vlad
- Directores de la Tesis: Xavier Obradors Berenguer (dir. tes.), Francesc Pi (dir. tes.), Alberto Pomar Barbeito (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2011
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Teresa Puig i Molina (presid.), Bernhard Holzapfel (secret.), Alexander Usoskin (voc.)
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- Resumen
100 años después de que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubriera que el mercurio tiene una resistencia eléctrica igual a cero, cuando se enfría en el helio líquido, los superconductores son lanzados finalmente para su uso en las redes eléctricas. Los cables superconductores pueden transportar diez veces más energía que el mismo volumen de los cables convencionales de cobre. Aunque parte de esta energía se pierde (pérdidas de corriente alterna) y se necesita usar el nitrógeno líquido para enfriar los cables superconductores y otros dispositivos, tales sistemas de energía son mucho más eficientes que las basadas en cableado de cobre, donde las pérdidas de potencia, alrededor de 7-10%, son en forma de calor. Debido a esto, países como EE.UU., Japón, Corea del Sur, China y Europa han establecido objetivos para las redes "verdes" de electricidad, reduciendo la generación de gases de efecto invernadero (CO2) y construyendo "redes inteligentes" basadas en superconductores más eficientes y robustos. Los cables superconductores de alta temperatura están hechos de un óxido de itrio, bario, cobre (YBCO) que forma parte de la familia de las cerámicas superconductoras de “alta temperatura”, descubiertas por primera vez en 1986. Las perspectivas atractivas ofrecidas por los conductores recubiertos (Coated Conductors), conocidos como la 2 ª generación de superconductores de alta temperatura (2G-HTS), han dado lugar a amplios y fructíferos esfuerzos de investigación y desarrollo para que estos sean preparados para el mercado [2]. Recientemente, LS Cable, una compañía de Corea del Sur con sede en Anyang-si, cerca de Seúl, ha ordenado tres millones de metros de cable superconductor de la firma American Superconductor desde EE.UU., en Devens, Massachusetts, que es el más alto pedido comercial de HTS CC hasta el momento [1] . Los superconductores de alta temperatura (HTS) tienen un enorme potencial para mejorar significativamente los sistemas de energía existentes, tales como cables, motores, transformadores, imanes y generadores, debido a que se puede alcanzar una mayor densidad de energía y se pueden reducir las pérdidas, comparado con los cables de cobre o cables superconductores de baja temperatura [3]. Los materiales superconductores abren tecnologías completamente nuevas en el sector de la energía, tales como limitadores de corriente o de levitación magnética inherentemente estable. Como ejemplos de aplicaciones innovadoras, deben ser mencionados sistemas avanzados de energía para barcos "all-electrical", molinos de viento en la costa y sistemas de transporte. Aunque la investigación sobre materiales HTS ha tenido mucho éxito en el pasado, el desarrollo de materiales superconductores de bajo coste sigue siendo un factor clave de éxito y, a fin de traer estos materiales emergentes en el mercado en un plazo razonable, requiere una investigación de materiales mucho más básica y aplicada. El objetivo principal de esta tesis, es el desarrollo de nuevas arquitecturas simplificadas nanoestructuradas de Coated Conductors, basadas en la deposición de soluciones químicas (CSD). Para ello, el crecimiento y la caracterización de estos Coated Conductors, se ha investigado primero sobre monocristales de YSZ, donde el CeO2 se puede crecer fácilmente como tapa tampón. El conocimiento generado puede ser útil para dos tipos de sustratos metálicos: 1.- sustratos Ni5%W RABiTS con MODLZO como capa tampón; 2.- sustratos policristalinos de Stainless Steel (SS) con ABADYSZ como capa tampón. Teniendo en cuenta la calidad de los sustratos metálicos existentes, esta tesis se ha concentrado en los sustratos policristalinos de Stainless Steel (SS), enviados por la empresa alemana Bruker HTS. El primer paso para obtener arquitecturas simplificadas fue la investigación del oxido de cerio dopado con Gd y Zr que mejor se adapta a los sustratos mencionados. El segundo paso consistió en crecer películas delgadas superconductoras de YBa2Cu3O7-x, con la ruta de los trifluoracetatos. Este trabajo comienza con una breve descripción de la superconductividad, seguido por una breve introducción sobre el compuesto superconductor YBCO y termina con los principales métodos para la obtención de películas de YBCO texturadas de alta calidad. Una caracterización completa de las muestras con diversas técnicas (Microscopía de fuerza atómica (AFM), Difracción de rayos X (DRX), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), Difracción de electrones rasantes (RHEED), Deposición con láser pulsado (PLD), SQUID, Reflectividad de rayos X (XRR) y medidas eléctricas de transporte) es necesaria para comprender el mecanismo complejo de cada superconductor y las interacciones entre las diferentes capas. Han sido investigadas varias películas de óxido de cerio dopado usado como capa tampón superior, preparadas por spin coating. Los requisitos técnicos para obtener Coated Conductors de alta calidad son muy diversos. Para lograr una epitaxia de alta calidad y alta Jc, es necesario llevar a cabo una detallada caracterización morfológica y estructural por medio de SEM y DRX. La microestructura de la capa de YBCO debe estar estrechamente correlacionada con la de la capa tampón. Para estudiar más en detalle las propiedades superconductoras, se han realizado medidas inductivas y de transporte para examinar el flujo de corriente en las películas de YBCO depositadas sobre distintos sustratos. Los resultados obtenidos con las capas de CeO2 crecidas sobre ABADYSZ/SS han sido reportados. La última parte de esta tesis está dedicada al desarrollo de películas delgadas de materiales nanocompuestos de MODBaZrO3-YBa2Cu3O7-x y MODBaCeO3-YBa2Cu3O7-x usando el método químico in-situ. El zirconato de bario (BZO) es el material más atractivo para inducir centros de pinning artificiales en las películas delgadas de YBCO, con el fin de aumentar la densidad de corriente crítica. Una caracterización detallada de los nanocompuestos de BaZrO3 (BZO) crecidos por MOD será presentada a través del SEM, XRD y TEM. Referencias [1] Joseph Milton, "Superconductors come of age," Nature (2010). [2] C. Freyhardt Herbert and et al., "Coated conductors and their applications," Superconductor Science and Technology 23 (1), 010201 (2010). [3] "Nespa - NanoEngineered Superconductors for Power Applications," http://www.ifw-dresden.de/nespa.
