This dissertation presents the first reported identification and analyses of the phase relations in the YBa2Cu3O7-x (YBCO)-SiO2 system at elevated temperatures. In this regard, a rigorous characterization study of the reaction phases within YBCO glass fibers, heat-treated YBCO+SiO2 pellets, rapid thermally annealed YBCO+SiO2 rods and rapid thermally annealed YBCO powder inside a fused silica tube is provided. These analyses are based on a vast set of generated novel results obtained using energy dispersive spectroscopy analyses on an environmental scanning electron microscope, X-Ray diffraction analyses, Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy analyses and a cross-polarized light study. First, original drawings of YBCO into glass fibers using the molten-core approach on a fiber draw tower in air and oxygen atmospheres are presented and analyzed. The performed analyses reveal the occurrence of reactions between the YBCO core and the silica cladding in as-drawn fibers as well as after additional heat-treatments. A detailed analysis and characterization of the occurring dissolution and diffusion based reaction processes is, then, provided along with the identification of the arising phase separation. Moreover, in order to analyze drawing YBCO glass fibers at lower temperatures, the use of borosilicate as the preform material is also investigated. This varied set of experiments and associated analyses reveal that the as-drawn YBCO fibers contain an amorphous core and that cuprite (Cu2O) is the first phase to crystallize out of the amorphous silicate matrix upon heat-treatment. Furthermore, the obtained results demonstrate the dissolution of the fused silica cladding into Si4+ and O2- ions and their subsequent diffusion into the molten YBCO core, leading to phase separation due to an occurring miscibility gap in the YBCO-SiO2 system as well as to silicate formation and amorphization of the YBCO core. This, as a result, prohibits the formation of the superconductive YBCO (Y-123) phase upon annealing. In addition, heat-treatment analyses show that higher temperatures or prolonged dwelling times at lower temperatures lead to the formation of barium copper and yttrium barium silicates. The analysis focusing on the use of borosilicate as the preform material reveals that drawing at lower temperatures reduces the dissolution and diffusion based reactions, but does not prevent them. Furthermore, the analysis on YBCO glass fibers with a fused silica cladding drawn in oxygen atmosphere shows that a higher oxygen content increases the dissolution of the fused silica cladding into its ions and their subsequent diffusion into the molten YBCO core. In addition, the performed heat-treatments on YBCO+SiO2 pellets in air and oxygen atmospheres demonstrate the gradual decomposition of the Y-123 phase with an increase in SiO2 content. Moreover, the rapid thermal annealing experiments with a subsequent quenching step on YBCO+SiO2 rods and on YBCO powder inserted inside a fused silica tube show the decomposition of the Y-123 phase and the formation of phases similar to the phases obtained in the YBCO glass fiber study, thus corroborating the results thereof. In summary, this dissertation enables the determination of the phase relations and reaction processes within the YBCO-SiO2 system, the identification of the direct effects of the silicon content on the Y-123 phase decomposition, as well as a rigorous characterization of the dissolution and diffusion based reactions within the YBCO-SiO2 glass-clad fiber system. The generated results and drawn conclusions build a fundamental understanding of phase relations in the YBCO-SiO2 system, which enables a definite assessment of the feasibility of manufacturing long-scale purely superconductive YBCO glass fibers using the molten-core approach and introduces advanced contributions to general glass-clad fiber systems manufactured using this method. / Doctor of Philosophy / This dissertation provides the first reported identification and analysis of the phase relations in the YBa2Cu3O7-x (YBCO)-SiO2 system at high temperatures. In this regard, a thorough characterization study of the reaction phases within YBCO glass fibers drawn using the molten-core approach on a fiber draw tower is provided. In addition, heat-treatment analyses considering YBCO+SiO2 pellets, rapid thermally annealed YBCO+SiO2 rods and rapid thermally annealed YBCO powder inside a fused silica tube are performed to gain further fundamental insights. The performed analyses are based on a wide set of characterization methods including energy dispersive spectroscopy on an environmental scanning electron microscope, X-Ray diffraction analyses, Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and a cross-polarized light study. Our experimental results and performed analyses identify the phase relations and reaction processes within the YBCO-SiO2 system at elevated temperatures, demonstrate the direct effects of the silicon content on the superconductive YBCO phase decomposition, enable drawing definite conclusions regarding the feasibility of manufacturing long-scale purely superconductive YBCO glass fibers using the molten-core approach, and, characterize the dissolution and diffusion based reactions occurring within the YBCO-SiO2 glass-clad fiber system. In a nutshell, this dissertation provides a fundamental understanding of phase relations in the YBCO-SiO2 glass-clad system as well as key insights covering general glass-clad fibers drawn using the molten-core approach, paving the way for improved glass-clad fiber manufacturing using this method.

This thesis deals with the transport properties and critical current limitations found in YBa2Cu3O7[-delta] coated conductors prepared by the "rolling assisted biaxially textured substrate" (RABiTS) approach. For this purpose a buffer layer system composed of CeO2 and yttria-stabilised zirconia, and subsequently a YBa2Cu3O7[-delta] film were epitaxially grown by pulsed laser deposition on a biaxially textured metallic substrate. The resulting texture of the YBa2Cu3O7[-delta] film is crucial for the achievement of high critical current densities. A propagation of the granular structure of the metallic substrate into the YBa2Cu3O7[-delta] film was detected, which leads to the formation of a YBa2Cu3O7[-delta] grain boundary network and limits the critical current density of the samples. In order to study this limitation, critical current measurements were performed on the prepared samples at different temperatures and magnetic fields, detecting a transition between intergrain and intragrain current limitation that occurs at the so-called crossover magnetic field. The crossover magnetic field was found to shift to lower values as the temperature was increased. It was concluded that the grain boundary network limits the critical current density of the YBa2Cu3O7[-delta] coated conductor only for magnetic fields below the crossover field. / In der vorliegenden Dissertation werden Transporteigenschaften und die Limitierung der kritischen Stromdichte von YBa2Cu3O7[-delta] Bandleitern untersucht. Für die Präparation wird das epitaktische Schichtwachstum auf biaxial texturierten Substraten genutzt (RABiTS-Technik). Dabei wird mittels gepulster Laserdeposition eine Pufferschicht aus CeO2 und Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxyd (YSZ) und anschließend eine YBa2Cu3O7[-delta] Schicht epitaktisch auf ein Substrat aufgebracht. Die resultierende biaxiale Textur der YBa2Cu3O7[-delta]-Schicht spielt eine Hauptrolle, um möglichst hohe Stromdichten zu erreichen. Es zeigte sich, daß die granulare Struktur des Substrates in die YBa2Cu3O7[-delta]-Schicht übertragen wird und zur Ausbildung eines Korngrenzennetzwerkes führt, welches wiederum die zu erwartende kritische Stromdichte begrenzt. Um die Wirkung des Korngrenzennetzwerkes zu untersuchen, wurden kritische Ströme der gewachsenen Schichten in Abhängigkeit der Temperatur und des angelegten Magnetfeldes gemessen. Es stellte sich heraus, daß die Limitierung des Stroms bei schwachen Magnetfeldern zwischen den einzelnen Körnern bestimmend ist, die dann bei größeren Feldern einer Strombegrenzung innerhalb der Körner weicht. Das beide Bereiche trennende Magnetfeld wird als Übergangsfeld bezeichnet. Daraus kann geschlußfolgert werden, daß das Korngrenzennetzwerk von YBa2Cu3O7[-delta] Bandleitern den Strom nur für magnetische Felder unterhalb des Übergangsfeldes begrenzt.

Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / Dissertation presented for the degree of Doctor of Philosophy in Engineering at the University of Stellenbosch / 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. / 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.

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L'enjeu de cette étude est de concevoir des rubans supraconducteurs à faible coûts de production, destinés au transport de courant et la limitation de courant. Nous avons utilisé des méthodes originales et peu onéreuses comme le laminage pour l'élaboration du substrat et les méthodes de dépôt chimique « metal organic decomposition » (MOD) et « metal organic chemical vapor deposition » (MOCVD) pour la réalisation des différentes couches. <br />La technique MOCVD à injection s'avère particulièrement bien adaptée à la fabrication de rubans supraconducteurs car elle permet d'obtenir des couches épitaxiées d'YBCO de façon reproductible et sur de grandes longueurs. Cependant, le dépôt de couches tampon par MOCVD sur des substrats métalliques souples provoque leur oxydation et dégrade leur structure cristalline. L'utilisation combinée des techniques de dépôt MOD et MOCVD a permis de solutionner ce problème : le dépôt d'une première couche tampon de La2Zr2O7 (LZO) par MOD dans une atmosphère réductrice d'Ar + 5%H2 permet d'éviter l'oxydation du substrat et de limiter la diffusion d'O2 lors des dépôts suivants par MOCVD. Deux architectures ont été développées et caractérisées : NiWRABiTS/LZOMOD/YBCOMOCVD et NiWRABiTS/LZOMOD/CeO2MOCVD/YBCOMOCVD. L'étude de ces conducteurs a prouvé que de telles architectures permettent d'atteindre de forts courants critiques : respectivement JcLZO/LZO/YBCO = 0.8 MA/cm2 avec Ic/cm = 34 A/cm, et JcNW/LZO/CeO2/YBCO = 1.2 MA/cm2 avec Ic/cm = 54 A/cm, sur des rubans de plusieurs centimètres de long recouverts d'une couche de 800 nm d'YBCO. <br />Une étude TEM a permis de comprendre la croissance des couches de LZO par MOD et d'observer la formation de porosités pendant la pyrolyse des précurseurs. L'étude combinée EBSD/MO a démontré que la microstructure des substrats est transférée à la couche supraconductrice et a une influence néfaste sur la qualité du film d'YBCO. L'utilisation de couches tampons épaisses (e > 150 nm) permet d'estomper ces défauts et d'améliorer les propriétés supraconductrices des rubans.<br />Finalement, des essais fructueux en limitation de courant, et en transport de courant sous contrainte mécanique, ont permis de valider le procédé de fabrication des rubans pour cette application spécifique.

Des monocristaux de YBa2Cu3O7 ont été préparés par une méhode de flux en creuset d'or. Une analyse des spirales de croissance et des domaines ferroélastiques révélés par une étude en microscopie optique en lumière polarisée et en microscopie électronique a balayage sur la face principale (001) à été effectuée. Un ensemble de caractérisations physico-chimiques (diffraction X, EPMA, détermination de la température critique par mesures électriques, spectroscopie micro-Raman, mesures des susceptibilités alternatives en champ faible) réalisé sur des cristaux bruts de croissance et recuits sous oxygène à permis de relier l'évolution des propriétés supraconductrices à la non stoechiométrie en oxygène. Enfin le phénomène de dégradation atmosphérique de YBa2Cu3O7 à été confirmé par une étude sur monocristal, à l'aide des techniques spectroscopiques (micro-Raman, Auger, XPS)

L' étude d'une technique originale de croissance cristalline, basée sur l'utilisation d'un échangeur thermique et nommée HEM (Heat Exchanger Method), a été entreprise. Un dispositif expérimental a été développé et optimisé. La modélisation des échanges thermiques a conduit a l'élaboration d'un code de calcul numérique. Ce dernier est valide par confrontation des résultats de la simulation aux données expérimentales obtenues lors de la croissance d'un matériau école, le germanium. Le champ d'application de la technique HEM a alors été étendu à l'obtention de céramiques texturées du supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O7-x. Après une étude de la microstructure des textures, un mécanisme de texturation est proposé. Enfin, des cristaux du compose NaMgF3 (perovskite) sont obtenus par HEM. Leur étude en température, par observation des domaines ferroélastiques et par spectroscopie Raman, révèle l'existence d' une seule transition de phase.