Optimized pinning in high-temperature superconductor thin films

Abstract

This doctoral dissertation aims to enhance the critical current density (Jc) of high-temperature superconductors (HTS) based on YBa2Cu3O7−δ (YBCO) to maximize their potential. Achieving high Jc in superconductors involves balancing the impact of crystalline perfection on self-field critical current density, Jc(0), and the influence of artificial pinning centers (APCs) on in-field critical current density, Jc(B). The study explores the intricate balance between maximizing pinning efficiency through higher APC density and enhancing crystalline quality in YBCO to optimize Jc (0) and Jc (B). The research aims to find the optimal strain level to stabilize conflicting requirements in APC/YBCO nanocomposite films. Investigations include BaZrO3 (BZO)-doped YBCO thin films on miscut SrTiO3 (STO) substrates, revealing the influence of modified strain produced by the substrate on YBCO and BZO nanorod growth and their impact on critical current densities. The study then extends to superconducting multilayer structures, examining alternating YBCO films doped with different BZO nanocolumn densities and heteromultilayer structures. Experimental outcomes reveal the interplay of crystalline quality and flux pinning, emphasizing the potential of demonstrated multilayer structures to address challenges in achieving optimal Jc for future HTS power applications.

---- Tämä väitöskirja pyrkii tehostamaan korkean lämpötilan suprajohteiden (HTS), erityisesti YBa2Cu3O7−δ (YBCO), kriittistä virrantiheyttä (Jc) niiden potentiaalin maksimoimiseksi. Korkean Jc:n saavuttaminen suprajohteessa edellyttää tasapainoa kiteisen täydellisyyden vaikutuksen ja itse kenttäkriittisen virrantiheyden, Jc(0), sekä keinotekoisten lukkiutumiskeskusten (APC) vaikutuksen välillä kentässä kriittisen virrantiheyden, Jc(B), suhteen. Tutkimuksessa tutkitaan hienovaraista tasapainoa, jonka avulla lukkiutumistehokkuutta voidaan maksimoida korkeammalla APC-tiheydellä ja YBCO:n kiteisen laadun tehostamista, jotta Jc(0) ja Jc(B) voidaan optimoida. Tutkimuksen tavoitteena on löytää optimaalinen rasitustaso, joka vakauttaa ristiriitaiset vaatimukset APC/YBCO-nanokomposiittikalvoissa. Tutkimukset sisältävät BaZrO3 (BZO)-doopatut YBCO-ohutkalvot miscut SrTiO3 (STO) substraateilla, paljastaen substraatin tuottaman muokatun rasituksen vaikutuksen YBCO:n ja BZO-nanotankojen kasvuun ja niiden vaikutukseen kriittisen virrantiheyden suhteen. Tutkimus laajenee sitten suprajohtaviin monikerrosrakenteisiin, jotka tarkastelevat vuorottelevia YBCO-kalvoja, joissa on erilaisia BZO-nanopylvästiheyksiä, ja heteromultikerrosrakenteita. Kokeelliset tulokset käsittelevät kiteisen laadun ja vuon lukkiutumisen vuorovaikutusta, korostaen osoitettujen monikerrosrakenteiden potentiaalia ratkaista haasteita optimaalisen Jc:n saavuttamisessa tulevaisuuden HTS-sovelluksissa.