Since the discovery of high-temperature superconductors, there has been a worldwide effort towards the development of processes for fabricating coated conductors for power applications. Most of these processes are based on vapour phase deposition techniques that have relatively low growth rates. A high-rate processing route was proposed based on the observation of high growth rate of (RE)Ba2Cu3O7- δ superconducting compounds (RE = rareearth element) from a flux supersaturated with one or more RE elements by liquid phase epitaxy (LPE). LPE has been successfully used to grow YBCO thick films with both c- and a,b-orientations on (110) NdGaO3 substrates and pure c-oriented films on YBCO seeded (100) MgO and (100) SrTiO3 under carefully controlled growth temperature and undercooling. The film growth mode (c- or a,b-oriented) is determined by the growth rate, which is directly related to the level of RE supersaturation that could be controlled by the undercooling used along with the amount of total RE solubility in the solution. The LPE grown films were highly epitaxial and biaxially aligned with good in-plane and out-of-plane textures. YBCO thick films grown on NdGaO3 by LPE showed high Tc of ~92 K and zero-field Jc at 77 K of 2.5x105 A/cm2. The initial growth of YBCO was found to be a multi-nucleation process. However, above a critical film thickness, dislocations started to form as a lattice-misfit stress relieving mechanism that led to step formation and spiral growth around dislocation cores. The growth kinetics from an unstirred solution was found to obey a

Pinning landscapes in modern second generation coated conductors are excellent candidates for studies of vortex pinning. The ability to produce engineered defects in thin films of high temperature superconductors allows one to investigate representative distinct pinning sites, with the objective of understanding how different pinning centers contribute, compete and evolve under varying conditions of magnetic field strength and orientation, and temperature.New contact-free methods were developed specifically to investigate this system in new ways, especially the dependence of the critical current density Jc on orientation of the magnetic field. A superconducting quantum interference device (SQUID)-based magnetometer was used to determine angular critical current density profiles. The induced currents produced in contact-free methods allow one to investigate a range of temperatures that is difficult to access by traditional transport measurements.Materials with three distinctive pinning landscapes were investigated: Specifically, samples were studied that were dominated by columnar defects, by isotropic defects, or a mixture of these two types of pins. These studies over an expanded temperature-field-orientation phase-space clearly show competition between not only strong and weak pinning centers, but also between the angularly selective and nonselective pinning. This evidence is seen in critical current density profiles, the α [alpha]-values describing the falloff of Jc with magnetic field, and matching field effects in the three samples studied.

Orientador: Rafael Zadorosny / Resumo: Neste trabalho é apresentada a produção de condutores revestidos de material supercondutor (superconducting coated conductors – SCC), ou seja, um filme supercondutor cerâmico, obtido por impressão direta da solução precursora sobre um substrato. Este processo foi estudado com o intuito de aplicar uma técnica de fabricação simples e de baixo custo visando a obtenção de filmes de boa qualidade a um custo reduzido. As soluções precursoras de CeO2, BSCCO e YBCO foram obtidas pelo método Pechini, considerada uma rota de produção de baixo custo. A fim de comparar a impressão direta com outra técnica, foram produzidos os mesmos filmes por spin coating. Para se obter os SCC, foi adicionada Ag às soluções dos materiais cerâmicos verificando sua incorporação na estrutura do filme e não apenas como um material de revestimento (como ocorre com as fitas supercondutoras de segunda geração). As caracterizações morfológicas e estruturais foram realizadas para identificar e analisar o processo de impressão direta do SCC. Já o comportamento supercondutor do material foi verificado através de medidas de R x T. / Abstract: This work presents the production of superconducting coated conductors (SCC), that is, a superconducting ceramic film obtained by direct printing of the precursor solution on a substrate. This process was studied with the intention of applying a simple and low cost technique focusing in the obtaining of good quality films at a reduced cost. The precursor solutions of CeO2, BSCCO and YBCO were obtained by the Pechini method, also considered a low cost production route. In order to compare direct printing with another technique, the same films were produced by spin coating. In order to obtain the SCC's, Ag was added to the solutions of the ceramic materials to incorporate in the film structure and not just as a coating material (as with second-generation superconducting tapes). Morphological and structural characterizations were performed to identify and analyze the SCC obtained by direct printing process. The superconductive behavior of the material was verified by measurements of R x T. / Doutor

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Schichtsysteme für die Realisierung biaxial texturierter hochtemperatursupraleitender Bandleiter. Bisher sind eine Vielzahl von Bandleiterarchitekturen bekannt, die sowohl durch physikalische Depositionsmethoden als auch mittels Abscheidung aus der chemischen Lösung hergestellt werden können. Während die Funktion von YBCO-Bandleitern mit Hilfe physikalischer Depositionsmethoden in den letzten Jahren demonstriert werden konnte, zeigen auf chemischem Wege deponierte Bandleiter schlechtere Eigenschaften. Seitens der Industrie besteht ein starkes Interesse, die hohen Produktionskosten, die im Hinblick auf physikalische Depositionsmethoden mit einem hohen Anlagenaufwand verbunden sind, anhand der kostengünstigen chemischen Synthese von Einzelschichten oder der gesamten Bandleiterarchitektur zu senken. Gelöst wurde diese Aufgabe innerhalb der vorliegenden Arbeit durch die Entwicklung metallorganischer Vorstufenlösungen zur Deposition von CaTiO3-, SrTiO3-Pufferschichten und supraleitender YBa2Cu3O7-Schichten.

High temperature superconductors (HTS) and solid oxide fuel cells (SOFCs) both offer the possibility for dramatic improvements in efficiency in power applications such as generation, transmission and use of electrical energy. However, production costs and energy losses prohibit widespread adoption of these technologies. This thesis investigates low-cost methods to tailor the structures of HTS wires and SOFCs to reduce these energy losses. Section I focusses on methods to produce filamentary HTS coated conductors that show reduced AC losses. This includes spark-discharge striation to pattern existing HTS tapes and inkjet printing of different filamentary architectures. The printed structures are directly deposited filaments and ‘inverse’ printed tracks where an initially deposited barrier material separates superconducting regions. Furthermore, the concept and first stages of a more complex ‘Rutherford’ cable architecture are presented. Additionally, Section I investigates how waste material produced during the manufacture of an alternative low-AC loss cable design, the Roebel cable, can be used to make trapped field magnets that produce a uniform magnetic field profile over a large area. This trapped field magnet work is extended to study self-supporting soldered stacks of HTS tape that demonstrate unprecedented magnetic field uniformity. Section II looks at how nanostructuring porous SOFC electrodes via solution infiltration of precursors can improve long-term stability and low temperature performance. Inkjet printing is utilised as a scalable, low-cost technique to infiltrate lab-scale and commercial samples. Anode infiltration via inkjet printing is demonstrated and methods to increase nanoparticle loading beyond ~1 wt% are presented. Symmetric cells with infiltrated cathodes are shown to have improved performance and stability during high temperature aging. Additionally, the sequence of solution infiltration is found to be important for samples dual-infiltrated with two different nanoparticle precursors.

In this work, electrical transport properties and the maximum current carrying capability of YBa2Cu3O7-[delta] thin films and so called quasi-multilayers are investigated. These samples are prepared with pulsed laser deposition on single-crystalline substrates (SrTiO3) as well as on biaxially textured Ni tapes. The critical current density of coated conductors is limited by small-angle grain boundaries in low magnetic fields, but by the intra-grain pinning properties in higher magnetic fields. Accordingly, these investigations are divided into two parts: In the first part, the limitation of the critical current density by grain-boundaries and grain boundary networks is investigated with the main focus on the influence of geometrical factors such as the conductor width or the grain aspect ratio. In the second part, a possible enhancement of the critical current density due to different doping types (atomar doping using Zn and precipitate doping using BaMO3 where M is a transition metal) will be discussed. Here, not only the irreversibility field but also the pinning behaviour in very low magnetic fields is of interest to better understand the pinning mechanism of thin films. / In der vorliegenden Arbeit werden elektrische Transporteigenschaften und die maximale Stromtragfähigkeit von YBa2Cu3O7-[delta]-Dünnschichten und -Schichtsystemen, die mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition sowohl auf einkristallinem Substrat, SrTiO3, als auch auf biaxial texturierten Ni-Bändern deponiert wurden, untersucht. Da in kleinen Magnetfeldern Kleinwinkelkorngrenzen die kritische Stromdichte in Bandleitern begrenzen, in höheren jedoch die Pinningeigenschaften der Körner, gliedern sich diese Untersuchungen in zwei Teile: Im ersten wird die Limitierung der kritischen Stromdichte jc durch Korngrenzen und Korngrenzennetzwerke näher untersucht, wobei besonders Geometrieeinflüsse, wie die Leiterbahnbreite oder das Aspektverhältnis der Körner, interessieren. Im zweiten wird eine mögliche Erhöhung der kritischen Stromdichte durch verschiedene Dotierungen (atomare Dotierung: Zn, Ausscheidungsdotierung: BaMO3, M Metall) erörtert. Dabei ist nicht nur das Irreversibilitätsfeld interessant, sondern auch das Pinningverhalten in sehr kleinen Magnetfeldern, da so die Pinningmechanismen in Dünnschichten besser verstanden werden können.

In der vorliegenden Arbeit wurden Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-δ (YBCO) untersucht, die epitaktisch mittels gepulster Laserabscheidung auf texturierten metallischen Templaten abgeschieden wurden. Dabei kamen ionenstrahltexturiertes ABAD-YSZ-Band und walztexturiertes NiW-Band zum Einsatz. Für Anwendungen solcher sogenannten Bandleiter ist die Fähigkeit zum Transport möglichst hoher kritischer Ströme Ic essentiell. Dies kann durch das Wachstum möglichst dicker Schichten, eine Verbesserung der Flussschlauchverankerung (Pinning), sowie die Reduzierung der durch Korngrenzen verursachten Stromlimitierung erreicht werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden strukturelle und supraleitende Eigenschaften in bis zu 5 µm dicken YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ-Band untersucht. Dazu wurden neben nicht-fremdphasendotierten (undotierten) YBCO-Schichten auch BaHfO3- und BaY(NbTa)O6-dotierte YBCO-Schichten herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten mittels Röntgenbeugungs-methoden (XRD), Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie (REM, AFM), sowie resistiver und induktiver Methoden zur Bestimmung der Sprungtemperatur Tc und der kritischen Stromdichte Jc. Schichtdickenabhängige Messungen konnten u. a. zeigen, dass Ic in undotierten YBCO-Schichten bei einer Dicke oberhalb von 2,8 µm nicht weiter anstieg, während Ic in den dotierten Schichten bis zu einer Dicke von 5 µm nicht limitiert war. Darüber hinaus konnte in temperatur- und feldabhängigen Jc-Messungen ein verbessertes Pinningverhalten bei tiefen Temperaturen und in hohen äußeren Magnetfeldern gefunden werden. Mit Hilfe von transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen (TEM) und Messungen der Jc-Anisotropie wurde zusätzlich ein Strukturschema herausgearbeitet, das eine Verknüpfung von Herstellungsparametern, Mikrostruktur und Pinningeigenschaften ermöglicht. Der zweite Teil befasste sich mit der Analyse der Mikrostruktur und der lokalen Textur von undotierten YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ- und NiW-Band. Die lokale Textur wurde dabei mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) aufgelöst. Die Ergebnisse wurden mit orts-aufgelösten Magnetisierungsmessungen (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie) korreliert, mit denen der lokale Stromfluss untersucht werden kann. Auf beiden Templaten zeigte sich eine granulare Struktur, die durch gegeneinander verkippte bzw. verdrehte YBCO-Körner gekennzeichnet war. Während die granulare Struktur auf ABAD-YSZ-Band durch hauptsächlich in-plane missorientierte YBCO-Bereiche mit einem Durchmesser < 1 µm charakterisiert war, konnten auf NiW-Band hauptsächlich out-of-plane missorientierte Bereiche mit einer typischen Größe von 20-50 µm nachgewiesen werden. Auf NiW-Band hing die YBCO-Mikrostruktur und die Schärfe der lokalen Textur von der individuellen out-of-plane Missorientierung des darunter-liegenden NiW-Korns ab, was auf eine bereits im unbeschichteten NiW-Band vorhandene Facettierung zurückgeführt werden konnte. Zu deren Beschreibung wurde ein Facettenmodel entwickelt, das durch TEM-Untersuchungen bestätigt werden konnte. Abschließend wurde auf einkristallinen Substraten und auf ABAD-YSZ-Band ein homogener Stromfluss nachgewiesen, während die supraleitenden Eigenschaften in YBCO-Schichten auf NiW-Band von der lokalen Mikrostruktur und Textur bestimmt wurden. Damit konnte gezeigt werden, dass die globalen Eigenschaften der Bandleiter vom Zusammenspiel eines über Korngrenzen miteinander verbundenen Ensembles von Körnern mit individuellen Eigenschaften bestimmt werden.

In this work, electrical transport properties and the maximum current carrying capability of YBa2Cu3O7-[delta] thin films and so called quasi-multilayers are investigated. These samples are prepared with pulsed laser deposition on single-crystalline substrates (SrTiO3) as well as on biaxially textured Ni tapes. The critical current density of coated conductors is limited by small-angle grain boundaries in low magnetic fields, but by the intra-grain pinning properties in higher magnetic fields. Accordingly, these investigations are divided into two parts: In the first part, the limitation of the critical current density by grain-boundaries and grain boundary networks is investigated with the main focus on the influence of geometrical factors such as the conductor width or the grain aspect ratio. In the second part, a possible enhancement of the critical current density due to different doping types (atomar doping using Zn and precipitate doping using BaMO3 where M is a transition metal) will be discussed. Here, not only the irreversibility field but also the pinning behaviour in very low magnetic fields is of interest to better understand the pinning mechanism of thin films. / In der vorliegenden Arbeit werden elektrische Transporteigenschaften und die maximale Stromtragfähigkeit von YBa2Cu3O7-[delta]-Dünnschichten und -Schichtsystemen, die mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition sowohl auf einkristallinem Substrat, SrTiO3, als auch auf biaxial texturierten Ni-Bändern deponiert wurden, untersucht. Da in kleinen Magnetfeldern Kleinwinkelkorngrenzen die kritische Stromdichte in Bandleitern begrenzen, in höheren jedoch die Pinningeigenschaften der Körner, gliedern sich diese Untersuchungen in zwei Teile: Im ersten wird die Limitierung der kritischen Stromdichte jc durch Korngrenzen und Korngrenzennetzwerke näher untersucht, wobei besonders Geometrieeinflüsse, wie die Leiterbahnbreite oder das Aspektverhältnis der Körner, interessieren. Im zweiten wird eine mögliche Erhöhung der kritischen Stromdichte durch verschiedene Dotierungen (atomare Dotierung: Zn, Ausscheidungsdotierung: BaMO3, M Metall) erörtert. Dabei ist nicht nur das Irreversibilitätsfeld interessant, sondern auch das Pinningverhalten in sehr kleinen Magnetfeldern, da so die Pinningmechanismen in Dünnschichten besser verstanden werden können.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Schichtsysteme für die Realisierung biaxial texturierter hochtemperatursupraleitender Bandleiter. Bisher sind eine Vielzahl von Bandleiterarchitekturen bekannt, die sowohl durch physikalische Depositionsmethoden als auch mittels Abscheidung aus der chemischen Lösung hergestellt werden können. Während die Funktion von YBCO-Bandleitern mit Hilfe physikalischer Depositionsmethoden in den letzten Jahren demonstriert werden konnte, zeigen auf chemischem Wege deponierte Bandleiter schlechtere Eigenschaften. Seitens der Industrie besteht ein starkes Interesse, die hohen Produktionskosten, die im Hinblick auf physikalische Depositionsmethoden mit einem hohen Anlagenaufwand verbunden sind, anhand der kostengünstigen chemischen Synthese von Einzelschichten oder der gesamten Bandleiterarchitektur zu senken. Gelöst wurde diese Aufgabe innerhalb der vorliegenden Arbeit durch die Entwicklung metallorganischer Vorstufenlösungen zur Deposition von CaTiO3-, SrTiO3-Pufferschichten und supraleitender YBa2Cu3O7-Schichten.

In der vorliegenden Arbeit wurden Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-δ (YBCO) untersucht, die epitaktisch mittels gepulster Laserabscheidung auf texturierten metallischen Templaten abgeschieden wurden. Dabei kamen ionenstrahltexturiertes ABAD-YSZ-Band und walztexturiertes NiW-Band zum Einsatz. Für Anwendungen solcher sogenannten Bandleiter ist die Fähigkeit zum Transport möglichst hoher kritischer Ströme Ic essentiell. Dies kann durch das Wachstum möglichst dicker Schichten, eine Verbesserung der Flussschlauchverankerung (Pinning), sowie die Reduzierung der durch Korngrenzen verursachten Stromlimitierung erreicht werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden strukturelle und supraleitende Eigenschaften in bis zu 5 µm dicken YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ-Band untersucht. Dazu wurden neben nicht-fremdphasendotierten (undotierten) YBCO-Schichten auch BaHfO3- und BaY(NbTa)O6-dotierte YBCO-Schichten herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten mittels Röntgenbeugungs-methoden (XRD), Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie (REM, AFM), sowie resistiver und induktiver Methoden zur Bestimmung der Sprungtemperatur Tc und der kritischen Stromdichte Jc. Schichtdickenabhängige Messungen konnten u. a. zeigen, dass Ic in undotierten YBCO-Schichten bei einer Dicke oberhalb von 2,8 µm nicht weiter anstieg, während Ic in den dotierten Schichten bis zu einer Dicke von 5 µm nicht limitiert war. Darüber hinaus konnte in temperatur- und feldabhängigen Jc-Messungen ein verbessertes Pinningverhalten bei tiefen Temperaturen und in hohen äußeren Magnetfeldern gefunden werden. Mit Hilfe von transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen (TEM) und Messungen der Jc-Anisotropie wurde zusätzlich ein Strukturschema herausgearbeitet, das eine Verknüpfung von Herstellungsparametern, Mikrostruktur und Pinningeigenschaften ermöglicht. Der zweite Teil befasste sich mit der Analyse der Mikrostruktur und der lokalen Textur von undotierten YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ- und NiW-Band. Die lokale Textur wurde dabei mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) aufgelöst. Die Ergebnisse wurden mit orts-aufgelösten Magnetisierungsmessungen (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie) korreliert, mit denen der lokale Stromfluss untersucht werden kann. Auf beiden Templaten zeigte sich eine granulare Struktur, die durch gegeneinander verkippte bzw. verdrehte YBCO-Körner gekennzeichnet war. Während die granulare Struktur auf ABAD-YSZ-Band durch hauptsächlich in-plane missorientierte YBCO-Bereiche mit einem Durchmesser < 1 µm charakterisiert war, konnten auf NiW-Band hauptsächlich out-of-plane missorientierte Bereiche mit einer typischen Größe von 20-50 µm nachgewiesen werden. Auf NiW-Band hing die YBCO-Mikrostruktur und die Schärfe der lokalen Textur von der individuellen out-of-plane Missorientierung des darunter-liegenden NiW-Korns ab, was auf eine bereits im unbeschichteten NiW-Band vorhandene Facettierung zurückgeführt werden konnte. Zu deren Beschreibung wurde ein Facettenmodel entwickelt, das durch TEM-Untersuchungen bestätigt werden konnte. Abschließend wurde auf einkristallinen Substraten und auf ABAD-YSZ-Band ein homogener Stromfluss nachgewiesen, während die supraleitenden Eigenschaften in YBCO-Schichten auf NiW-Band von der lokalen Mikrostruktur und Textur bestimmt wurden. Damit konnte gezeigt werden, dass die globalen Eigenschaften der Bandleiter vom Zusammenspiel eines über Korngrenzen miteinander verbundenen Ensembles von Körnern mit individuellen Eigenschaften bestimmt werden.