Academic literature on the topic 'Superconducting YBCO thin films'

This PhD work involves the utilization of the femtosecond laser technique to fabricate the novel S-shaped Josephson Junctions on the high - T_C superconducting YBCO thin films. Initially, it was envisaged as the title states to fabricate nano sized Josephson Junctions using this femtosecond laser technique. However in this PhD work, micron sized (1 – 2 µm) and near nano sized (500 – 800 nm) Josephson Junctions where achieved.<br>University of South Africa<br>Electrical and Mining Engineering

Els superconductors d’alta temperatura (HTS) han liderat els programes d’investigació I desenvolupament durant tres dècades i actualment es troben a prop de ser integrats en aplicacions de gran escala, en forma de cintes superconductores (CCs), una arquitectura de cinta robusta i flexible que permet el creixement texturat d’aquest material fràgil. Un escull pendent per l’amplia implementació de les CCs és l’alt ratio de cost/prestació, essencialment controlat pel creixement complexa i descelerat de la capa de HTS. En aquesta tesis, vem agafar el repte de millorar el rendiment i cost dels mètodes de creixement convencionals a través del desenvolupament d’una nova tècnica de creixement que combina la deposició de solucions químiques (CSD), deposició del precursor inherentment de baix cost, amb l’alta velocitat de creixement, una aproximació de creixement de no equilibri que permet la formació d’una fase líquida transitòria (Ba-Cu-O) que condueix a la cristal·lització del producte final: Creixement Assistit per Líquid Transitori a través de CSD (TLAG-CSD). Hem utilitzat aquest procés nou per créixer capes primes de YBa2Cu3O7-d (YBCO), un material HTS basat en cuprats de inigualables prestacions sota camps magnètics aplicats i altes temperatures. Aquestes propietats tan impressionants sols es poden assolir si el compost, elèctricament anisotròpic, exhibeix una textura biaxial i conté suficients defectes per ancorar els vòrtexs, quantificacions de flux magnètic que necessiten ser immobilitzades per obtenir conducció de corrent elèctric sense pèrdues. Per tant, no tan sols pretenem la comprensió dels fonaments del procés TLAG-CSD, sinó també promoure formes de creixement epitaxial a grans velocitats, evitant les causes de degradació del corrent, i fomentant l’enriquiment d’un paisatge adequat per l’ancoratge de vòrtexs. Per afrontar aquests reptes, hem combinat varis mètodes avançats de caracterització: Hem realitzat experiments de creixement in-situ en una instal·lació de llum sincrotró per avaluar la cinètica de creixement a diferents pressions parcial i total d’oxigen, temperatura de creixement, rampa d’escalfament, gruix de la capa HTS i composició, així com l’addició de nanopartícules (NP). La combinació dels diferents experiments s’ha resumit satisfactòriament en els anomenats diagrames de fase cinètics, una representació visual dels processos fora de l’equilibri i un roadmap per la seva utilització. Les capes de YBCO epitaxial orientades segons l’eix c s’han estudiar minuciosament amb difracció de raigs-X, microscòpia electrònica de transmissió (TEM), experiments de transport elèctric a baixes temperatures i inducció magnètica per identificar les limitacions i oportunitats del procés. Això va incloure l’estudi de la microestructura del YBCO i les propietats elèctriques per evitar la reactivitat del líquid amb el substrat, la segregació de fases secundaries, a la vegada que asseguràvem l’eliminació del CO2 i el dopatge d’oxigen de l’estructura cristal·lina. Finalment, hem revelat que amb el mètode TLAG-CSD es poden assolir velocitats de creixement epitaxial per sobre de 100nm/s, sobrepassant dos ordres de magnitud les tècniques convencionals utilitzades en la fabricació de CC (TFA-CSD/PLD/MOCVD). Les capes superconductores van assolir un alineament epitaxial alt dels grans (Δω<0.6º i Δφ<1º), temperatures crítiques (Tc=88-92K) i densitats de corrent competitives (Jc(77K)=2-5MA/cm2). A més, classifiquem el procés TLAG-CSD com altament versàtil per enriquir el paisatge d’ancoratge de vòrtexs, no solament a través de la capacitat de promoure una alta densitat de faltes d’apilament i grans de YBCO orientats-ab molt petits (5-10nm) en les capes de YBCO, sinó per la seva compatibilitat per formar nanocompostos amb l’addició de nanopartícules preformades.<br>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<0.6º y Δφ<1º), 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.<br>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<0.6º and Δφ<1º), 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.

Els superconductors d'alta temperatura, especialment els cuprats en forma de cintes superconductores, tenen el potencial de formar part de la propera revolució tecnològica gràcies a les seves propietats superconductores extraordinàries i inigualables. Els àtoms d'oxigen tenen un paper essencial en aquests superconductors d’alta temperatura, on la superconductivitat es regeix pel dopatge de forats. En aquesta tesi, hem estudiat extensament tots els processos on l'oxigen està implicat, des de la incorporació inicial d'oxigen a l'estructura de l‘YBa2Cu3O7-δ i el mecanisme relacionat a aquesta incorporació, fins a la influència del dopatge d'oxigen en les propietats superconductores. Una comprensió profunda de cada pas concret no només és interessant des del punt de vista acadèmic, sinó que també és necessari en l'optimització i la millora de qualsevol procés de producció comercial. Utilitzant mesures de relaxació de la conductivitat elèctrica in-situ i les mesures de difracció de raigs X in-situ, hem analitzat la cinètica d'intercanvi d'oxigen en capes primes de YBCO. S'ha estudiat una àmplia varietat de mostres i microestructures, obtingudes per diferents mètodes de creixement, amb substitució catiònica, nanocompòsits, variacions de gruix i substrat. Els nostres estudis revelen influències diferents entre la tensió macroscòpica i microscòpica sobre les energies d'activació per a l'intercanvi d'oxigen. En aquest estudi s’ha establert que la plata és un agent catalític excel·lent per a la incorporació d'oxigen, proporcionant una ruta de reacció catalítica alternativa, que permet una cinètica més ràpida d'oxigenació i una menor temperatura d'oxigenació. A més a més, hem identificat amb èxit el pas determinant en la cinètica d'intercanvi d'oxigen en capes primes d‘YBCO recobertes de plata, el qual és la recombinació dels ions d'oxigen amb vacants a la superfície de la capa. L'aprofundiment en les mesures elèctriques in-situ en combinació amb tècniques d'anàlisi ex-situ com ara mesures de XRD, STEM, SEM, resistivitat elèctrica, Hall i magnetització ens ha permès estudiar els efectes dels paràmetres de tractament tèrmic sobre la química de superfície com en la microestructura de les capes primes de YBCO . D'una banda, hem identificat la formació de defecte d'apilament (stacking faults) ja durant els tractaments a baixa temperatura. D'altra banda, hem descobert la desactivació de la cinètica d'intercanvi en superfícies per a capes no recobertes de plata, la qual cosa suposa una cinètica d’incorporació d'oxigen significativament més lenta. Les diferents velocitats de degradció de la superfície depenen del recobriment superficial i apunten cap a una modificació del pas determinant en la cinètica de reacció quan s'afegeix un recobriment de plata en capes primes d'YBCO. No només hem estudiat la incorporació d'oxigen en gran detall, sinó també el seu efecte en l'estat de dopatge del cuprat. S'ha estudiat extensament la influència de la pressió parcial d'oxigen, la temperatura d'oxigenació i el temps d'oxigenació en la densitat de portadors de càrrega i les propietats físiques normals/superconductores. Hem preparat capes primes d'YBCO superdopades per PLD (pulsed laser deposition) i CSD (chemical solution deposition). Hem mostrat que en el cas de PLD es poden acpnseguir densitats de corrent crítiques molt altes, arribant a 90 MA/cm² a 5K i auto-camp, que correspon a un terç de la densitat de corrent crítica fonamental de desaparellament. El dopatge s’ha analitzat mitjançant l'ús de mesures de resistivitat en funció temperatura, mesures d’efecte Hall i mobilitat, així com raigs-X i mesures de temperatura crítica. Mitjançant l'ús d'un model de dues bandes per al transport elèctric d'electrons i forats, hem obtingut una densitat de càrrega independent de la temperatura. Hem demostrat una correlació lineal entre la densitat de portadors de càrrega i la densitat de corrents crítica en l'estat superdopat, evidenciant així el potencial d'aquests estudis per a la millora de les propietats superconductores de les capes d'YBCO.<br>High temperature superconductors, especially cuprates, in the form of coated conductors have the potential to be part of the next technological revolution due to unchallenged, extraordinary superconducting properties. Oxygen plays an essential role in these cuprate high-temperature superconductors, where superconductivity is governed by hole doping. In this thesis we have intensively studied all oxygen involved processes, from the initial incorporation of oxygen into the YBa2Cu3O7-δ structure and related mechanism, up to the influence of oxygen doping on the superconducting properties. A deep understanding of each particular step is not only interesting from an academic point of view, but also necessary in the optimisation and improvement for any commercial production line. Using in situ electrical conductivity relaxation and in situ X-ray diffraction measurements we have analysed oxygen exchange kinetics in YBCO thin films. A broad variety of samples and microstructures, obtained by different growth methods, cation substitution, nanocomposites, variations in thickness and substrate, have been studied. Our studies reveal different influences of macroscopic and microscopic strain on activation energies for oxygen exchange. In this work silver was found to be an excellent catalytic agent for oxygen incorporation, by providing a catalytic alternative reaction path, which enabled faster oxygenation kinetics and lower oxygenation temperatures. Further, we have successfully identified the rate determining step (RDS) of oxygen exchange kinetics in silver coated YBCO thin films, which we have found to be the recombination of oxygen ions with surface vacancies. The thorough use of electrical in situ measurements in combination with ex situ analysis techniques as XRD, STEM, SEM, electrical resistivity, Hall and magnetisation measurements enabled us to study the effects of thermal treatment parameters on the surface chemistry and bulk microstructure of YBCO thin films. On one hand, we have identified the formation of stacking faults already during low temperature annealings . On the other hand, a deactivation of surface exchange kinetics was found for non-silver coated films, resulting in significantly slower oxygen incorporation with increasing annealing time. Surface coating dependent degeneration rates point towards a modification of the RDS upon silver coating of YBCO thin films. We have not only studied the incorporation of oxygen in great detail, but also its effect on the doping state of the cuprate material. The influence of oxygen partial pressure, oxygenation temperature and oxygenation time on the charge carrier density and normal/superconducting physical properties was intensively studied. We have prepared highly overdoped YBCO thin films grown by PLD with record-high critical current densities reaching 90 MA/cm² at 5 K and self-field, reaching a third of the depairing current density. The doping state was analysed by the use of temperature dependent resistivity, Hall and mobility measurements, as well as XRD and critical temperature measurements. By using a two band model for the electrical transport of electrons and holes, we have obtained a temperature independent charge carrier density. We have demonstrated a linear correlation between the charge carrier density and the critical current densities in the overdoped state, thus evidencing the powerfulness of these studies for the enhancement of superconducting properties of YBCO thin films.

Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010.<br>Dissertation presented for the degree of Doctor of Philosophy in Engineering at the University of Stellenbosch<br>ENGLISH ABSTRACT: Planar weak link structures, such as micro-bridges, variable thickness bridges and nanobridges, have always attracted a lot of attention. Their potential to behave as real Josephson elements make them useful devices, with numerous applications. Powerful techniques, such as focused ion-beam and electron-beam lithography, were successfully used and are well understood in planar weak link structure fabrication. In this dissertation the results of an experimental study on planar weak link structures are presented. For the first time these structures have been successfully fabricated using AFM nanolithography on hard high-temperature superconducting YBCO tracks, where diamond coated silicon tips were used as a ploughing tool. Superconducting YBCO thin films were deposited on different substrates, using inverted cylindrical magnetron sputtering. The films were used to fabricate micro-bridges, variable thickness bridges and nano-bridges, by using conventional photolithography, argon ion-beam milling and AFM nanolithography. The measured I-V characteristics of the fabricated micro-bridges (width down to 1.9 µm), variable thickness bridges (thickness down to 15 nm) and nano-bridge (width down to 490 nm) showed well defined DC and AC Josephson effect characteristics. For better understanding of the behaviour of these types of weak links, critical current versus temperature measurements, and magnetic field modulation of the critical current measurements, were also performed, with the results and discussions given inside the chapters. The major challenges that were experienced in the laboratory during the fabrication processes and the operation of the fabricated devices are also discussed, with the solutions given where appropriate.<br>AFRIKAANSE OPSOMMING: Swak-skakel vlakstrukture, soos mikrobr.ue, br.ue met veranderlike dikte en nanobr.ue, het nog altyd baie aandag getrek. Hul het die potensiaal om soos werklike Josephson-elemente te kan funksioneer en is, as gevolg hiervan, nuttige toestelle met veelvuldige toepassings. Kragtige tegnieke, soos gefokuste ioonstraal- en elektronstraal litografie, is suksesvol gebruik en word goed verstaan in die vervaardiging van swak-skakel vlakstrukture. In hierdie proefskrif word die resultate van ¡¦n eksperimentele studie van swak-skakel vlakstrukture voorgel.e. Vir die eerste keer is hierdie strukture suksesvol vervaardig, deur gebruik te maak AFMnanolitografie op harde, ho¡Le-temperatuur supergeleier YBCO (Yttrium Barium Koperoksied) spore, waar diamantbedekte silikonpunte gebruik is as ploeginstrument. ¡¦n Dun lagie van supergeleidende YBCO is op verskillende substrate gedeponeer, deur gebruik te maak van omgekeerde silindriese magnetron verstuiwing. Die dun lagies is gebruik in die vervaardiging van mikrobr.ue, br.ue met veranderlike dikte en nanobr.ue, deur die gebruik van gewone fotolitografie, argon-ioonstraal frees en AFM nanolitografie. Die gemete I-V eienskappe van die vervaardigde mikrobr.ue (met breedte so laag as 1.9 µm), veranderlike-dikte br.ue (dikte tot 15 nm) en nanobr.ue (breedte so min as 490 nm) toon goed gedefinieerde GS en WS eienskappe van die Josephson-effek. Ten einde die gedrag van hierdie tipes swak-skakels beter te kan verstaan, is metings gedoen van kritieke stroom teenoor temperatuur, asook magnetiese veld modulasie van die kritieke stroom. Hierdie resultate en besprekings daarvan word binne die toepaslike hoofstukke aangebied. Die grootste uitdagings wat in die laboratorium, sowel as met die toetsing van die vervaardigde toestelle ondervind is, word ook bespreek. Waar moontlik, word toepaslike oplossings voorgestel.