Local currents in granular high temperature superconductors

Abstract

Auf hochtemperatursupraleitenden (HTS) Materialen basierende Bandleiter stellen eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Supraleitern für Hochfeldanwendungen, wie beispielsweise Magnete für Teilchenbeschleuniger oder zukünftige Fusionsreaktoren, dar. Dafür werden laufend einfache und billige Produktionstechniken gesucht und die Optimierung der Strombelastbarkeit der Bandleiter wird erforscht. Der Stromtransport in HTS Materialen wird hauptsächlich durch die Granularität begrenzt, dadurch sind aufwendige und teure Texturverfahren für Bandleiter notwendig um limitierende Korngrenzen im Supraleiter möglichst zu vermeiden. Mittels Rasterhallsondenmikroskopie kombiniert mit Elektronenmikroskopie können lokale Strombegrenzungen und Inhomogenitäten in der supraleitenden Schicht optimal untersucht werden. In dieser Arbeit werden die lokalen und globalen Stromtransportfähigkeiten von drei sehr unterschiedlichen HTS Materialen präsentiert. Es wurden hochentwickelte YBCO Filme auf kommerziellen metallischen Substraten, neuartige Fe(Se,Te) Filme auf einfachen und billigen metallischen Substraten, sowie wenig erforschte Thallium-basierte Filme untersucht. Dabei wurde aus lokalen Stromdichteverteilungen eine quantitative statistische Analyse der magnetischen Granularität entwickelt. Es wurden undotierte und BHO-dotierte YBCO Filme auf RABiTS- und IBAD-MgO-basierten Substraten mit supraleitenden Schichtdicken von 250 nm bis 2 μm untersucht. Das Dotieren mit BHO ist eine vielversprechende Strategie zur Optimierung von YBCO Filmen, da die makroskopische kritische Stromdichte durch zusätzliche Verankerungszentren erhöht wird. Die Untersuchungen mit Rasterhallsonden- und Elektronenmikroskopie zeigen, dass das Dotieren mit BHO zu einem besseren Schichtwachstum und weiters zu einer Reduktion der magnetischen Granularität führt, da weniger Fremdphasen und Löcher in der supraleitenden Schicht zu finden sind. Die hohen gemessenen Ströme in den YBCO Filmen auf RABiTS zeigen das Potential für die weitere Entwicklung von supraleitenden Schichten auf diesem Substrattyp auf. Experimente haben gezeigt, dass Eisensupraleiter weniger aufwendig texturiert werden müssen, daher hofft man auf die Produktion von billigen Bandleitern. Dazu wurden Fe(Se,Te) Filme auf einfachen RABiTS Subtraten mit nur einer Pufferschicht untersucht, allerdings zeigen die Hall-Messungen auch in diesen Filmen eine hohe magnetische Granularität. Anhand von Elektronenmikroskopie Analysen sieht man, dass die Orientierung von einzelnen Substratkörnern einen starken Einfluss auf das Wachstum der supraleitenden Schicht hat. Erste Tl-1223 Filme auf texturierten Silbersubstraten und Einkristallen wurden im Rahmen eines CERN Projektes untersucht. Tl-1223 könnte als supraleitende Beschichtung des Strahlrohrs eines neuen Teilchenbeschleunigers dienen. Auch in diesem Material wurden hohe lokale Stromdichten gemessen, allerdings muss die Probenherstellung noch optimiert werden, um eine bessere Phasenreinheit und durchgehende supraleitende Schicht zu erreichen.

Coated conductors based on high temperature superconducting (HTS) materials are a viable alternative to conventional superconductors for high-field applications such as magnets for particle accelerators or future fusion reactors. The search for cheap and simple production techniques as well as the optimization of the current carrying capacity of these conductors is an ongoing process. Granularity is one of the main performance limitations in HTS materials and the production of coated conductors is demanding and expensive due to stringent texture requirements. Scanning Hall probe microscopy (SHPM) in combination with electron microscopy (EM) allows for a detailed investigation of local current limitations such as grain boundaries and inhomogeneities in the superconducting layer. In this thesis, the investigations on the global and local current carrying capabilities of three different HTS materials are presented, ranging from highly-developed YBCO films on commercial technical templates and novel attempts of Fe(Se,Te) films on metallic tapes with simple architectures to early-stage samples of lesser studied thallium-based films. Using local current density maps, obtained by high-resolution SHPM, a quantitative statistical analysis of the magnetic granularity was developed. Undoped and BHO-doped YBCO films with thicknesses from 250 nm to 2 μm, deposited on RABiTS and IBAD-MgO based templates were studied. BHO-doping presents a promising route for the optimization of YBCO films, as the macroscopic critical current density, Jc, is enhanced and its field dependence is reduced due to the introduction of artificial pinning centers. The investigations with SHPM and EM show that the higher Jc can also be attributed to an enhanced film growth with the reduction of porosity and refinement of secondary phases which leads to a reduction of granularity with doping and film thickness. High local currents were measured in the films on RABiTS that show the potential for further optimization of YBCO films based on this template type. The relaxed texture requirements of iron-based superconductors fuel hope for the realization of cheap coated conductors. Therefore, Fe(Se,Te) films on RABiTS templates with a single buffer layer were studied and SHPM measurements show the magnetic granularity of these films. EM analysis reveals that, similar to YBCO, the out-of-plane orientation of underlying Ni-W grains in the substrate has a severe impact on the growth of Fe(Se,Te) films. Early-stage Tl-1223 films on textured silver and single crystalline substrate were studied in order to assess the feasibility of this compound as a coating in the FCC beam screen. Promising high critical temperatures and high local current densities were found, however, the film growth has to be optimized in order to achieve a better phase purity and film coverage on the substrate.