Current limiting mechanism in coated conductors

Abstract

Die Anwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTSL) zur Erzeugung hoher Magnetfelder sowie großer Drahtlängen im Bereich der Energieübertragung ist mittlerweile durch die zweite Generation von HTSL-Drähten, den coated conductors (CC) oder Bandleitern, zur technologischen Realität geworden. Derzeit sind bereits verschiedene Bauweisen von CC verfügbar und die Herausforderung besteht nun darin, die Herstellungskosten zu reduzieren, aber gleichzeitig die ausgezeichneten supraleitenden Eigenschaften hinsichtlich des Stromtransportes beizubehalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Beurteilung und Abschätzung der stromlimitierenden Mechanismen in unterschiedlichen Ausführungen von CC. Zu den wichtigsten Materialeigenschaften von CC, welche die kritische Stromdichte J c limitiern, zählen Korngrenzen und mikrostrukturelle Defekte. Während sich erstere nachteilig auf J c auswirken, können letztere J c erhöhen, speziell in höheren Feldern, da Defekte im Kristallgitter als Verankerungszentren wirken und dadurch die Flusslinien an der Bewegung hindern, was zur Dissipation führen würde. Ein Ergebnis dieser Arbeit war, dass der Stromtransport in mittels gepulster Laserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD) YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO) auf biaxial texturierten (RABiTS) NiW-Substraten hergestellten Bandleitern trotz kleiner Korngrenzen-Verkippungswinkel (< 10°) stark vom granularen Aufbau beeinflusst wird. Mittels Rasterhallsondenmikroskopie wurde nachgewiesen, dass die granulare Textur bei Temperaturen von 4 K bis 77 K und in Magnetfeldern bis zu 5 T besteht. Elektronenrückstreubeu- gung (Electron back scatter diffraction, EBSD)-Messungen bestätigten, dass die lokale Herabsetzung von J c sowie der perkolative Stromfluss durch Fehlorientierung der Körner, variierende Porosität der YBCO-Schicht auf einzelnen NiW-Körnern sowie gestörte Strukturen an den Korngrenzen aufgrund von Unebenheiten des darunter liegenden Templates verursacht werden. Diese granulare Morphologie hat ebenso drastische Auswirkungen auf die Transporteigenschaften. Ein Maximum in der Feldabhängigkeit von J c tritt bereits bei wenigen Tesla auf und hängt sowohl der Feldrichtung als auch von der Temperatur ab. Aus einem schon bestehenden Modell für Abrikosov-Josephson-Flusslinien innerhalb einer Korngrenze lässt sich ableiten, dass das Maximum in J c (B) einen wohldefinierten Übergang zwischen einem von Korngrenzen limitierten Regime - bei Feldern bis 1,5 T und Temperaturen von 40 K representiert - hin zu einem vom Korn selbst limitierten Bereich bei hohen Feldern. Bei der Abscheidung von YBCO aus chemischen Lösungen (chemical solution deposition, CSD) anstelle von PLD, kann die Granularität signifikant verkleinert werden. Die Hinzugabe sekundärer Phasen, wie BaHfO 3 (BHO) und BaYNb 0.5 Ta 0.5 O 6 (BYNTO) während des PLD-Prozesses resultiert ebenfalls in einer Reduktion der magnetischen Granularität und bietet die Möglichkeit für zukünftige Verbesserungen bei PLD auf RABiTS-Templates. Die kritische Stromdichte von Bandleitern mit texturierten Pufferschichten, die entweder mittels Abscheidung unter altenierendem Ionnenstrahl (alternating beam assisted deposition, ABAD) oder Wachstum auf verkippten Substrat (inclined substrate deposition, ISD) aufgetragen wurden, wird durch Flussverankerung begrenzt - Granularitätseffekte hingegen wurden in den untersuchten Feld- und Temperaturbereichen nicht beobachtet. Bandleiter mit ISD-MgO-Pufferschicht zeigen auf Grund des verkippten kristallographischen Wachstums der GdBa 2 Cu 3 O 7-x Schichten für J c ein interessantes anisotropes Verhalten bei verschiedenen Feldern und Stromrichtungen. Das Phänomen von Flusswirbelkanälen (vortex channeling), das bei YBCO-Filmen bisher nur im Temperaturbereich bis 50 K betrachtet worden ist bestand in ISD-Leitern hingegen bis zu 77 K. Die Ausbildung von stabförmigen BHO- und BYNTO-Nanostrukturen in PLD gewachsenen YBCO-Filmen auf ABAD texturierten Templates führt zu einer Erhöhung von J c und einer Ver- ringerung der J c -Anisotropie, wenn die Richtung des Magnetfeldes in Bezug auf die Probe variiert. Im Falle eines zu den BHO-Nanostrukturen parallelen Feldes zeigt J c eine bis zu dreifache Erhöhung bei Temperaturen bis 5 K hinab. Die Winkelabhängigkeit von J c und die Steilheit der Strom-Spannungskurve zeigen bei 77 K eine direkte Korrelation, bei 64 K hingegen eine indirekte und bei 40 K tritt eine scharfe Spitze auf wenn das Feld parallel zu den ab-Ebenen ist. Dieses Verhalten wurde bei allen CC beobachtet, auch bei ISD-Bändern mit verkippten kristallographischen Achsen sowie den BHO- und BYNTO-dotierten Proben. Diese Beobachtungen werden als Manifestation eines geknickten Flusswirbelzustandes (kinked vortex state) und beziehungstweise eines quasi-eingerastetenzustandes (quasi lock-in state) interpretiert, deren Einsetzen ab einem bestimmten Winkel bei allen Bändern gleich ist und deshalb eine intrinsische Eigenschaft der Schichtstruktur von YBCO darstellt.

The application of high temperature superconductors (HTS) for the generation of high magnetic fields and production of long-length wires for power transmission has now become a technological reality using the second-generation design of HTS wires also known as coated conductors (CCs). At the present, there are already quite a number of CC architectures available and the main challenge is to reduce the cost of production while keeping the superconducting properties optimized in terms of current carrying capacity. The main goal of this thesis is to assess current limiting mechanisms in different CC design. The two main material aspects that influence the critical current density of CCs are grain boundaries (GB) and microstructural defects. The former can cause detrimental effects to J c while the latter can increase J c especially at high fields by acting as pinning centers that inhibit motion of flux lines that causes dissipation. In this thesis, it was found that despite successfully confining the GB misorientation angle to a few degrees (<10° ), the current transport in CCs on rolling assisted biaxially textured (RABiTS) NiW substrate with pulsed laser deposited (PLD) YBa 2 Cu 3 O 7¿x (YBCO) is still strongly influenced by its granular morphology. As confirmed by scanning Hall probe microscopy, the granular texture persists from temperatures of 4 K up to 77 K and applied magnetic fields of up to 5 T. Using local orientation mapping, it was found that the GBs are not the sole component that affects the current. The local degradation of J c and the percolative current flow are also influenced by the local misorientation of the YBCO grains, varying porosity of the YBCO layer deposited on top of each NiW grain and grooved GBs due to trenches in the underlying template. Such granular morphology was also found to have drastic effects on the transport property. A peak in the field dependence of J c was found to occur within a few Tesla. It depends on temperature and on the direction of the applied magnetic field. Using an existing model for Abrikosov-Josephson vortex lying in the GBs, the peak in J c (B), characterizes a well-defined transition from GB-limited regime, which persists up to fields of 1.5 T at 40 K, to grain-limited regime at high fields. By using chemical solution deposition of YBCO instead of PLD, the granularity was significantly reduced. Adding secondary phases such as BaHfO3 (BHO) and BaYNb 0.5 Ta 0.5 O 6 (BYNTO) in the PLD process also results in a reduction of magnetic granularity opening further improvements in utilizing PLD with RABiTS templates. The critical current density of CCs with textured buffer layer deposited either by the alternating beam assisted deposition technique (ABAD) or inclined substrate deposition technique (ISD) is found to be limited by vortex pinning. Granularity effects are not observed within the field and temperature range of the investigations. J c turns out to have interesting anisotropic behavior at various fields and current orientations in the ISD-MgO buffered CC owing to the tilted crystallographic growth of the GdBa 2 Cu 3 O 7-x layer. The phenomenon of vortex channeling which was found in the past to be confined to temperatures below 50 K in vicinal YBCO films was observed to persist up to 77 K in the case of ISD-buffered tapes. The formation of BHO and BYNTO nanocolumns in PLD-grown YBCO films on ABAD textured template increases J c and lowers the J c -anisotropy when the orientation of the applied field is varied with respect to the sample. When the applied magnetic field is parallel to the nanocolumns, the BHO phase causes the highest increase in J c of up to three times down to a temperature of 5 K. The angle-dependence of J c and N-value, which characterizes the steepness of the IV-curve, showed direct correlation at 77 K, an inverse correlation at 64 K and a narrow and sharp peak parallel to the ab- planes appeared in N(ø)at 40 K. This behavior is consistent in all the CCs investigated despite the tilted crystallographic axes in ISD-buffered tapes and despite the presence of nanocolumns in the BHO and BYNTO doped samples. These observations are interpreted as manifestation of the kinked vortex state and a quasi lock-in state. Their onsets are the same for all the tapes and are therefore intrinsic to the layered structure of YBCO.