Studie van de sputterdepositie van Yttria gestabiliseerd zirconia (ZrO 2 :Y 2 O 3 ) bufferlagen voor coated conductors

Transcriptie

1 Faculteit Wetenschappen Vakgroep Vaste-Stofwetenschappen Studie van de sputterdepositie van Yttria gestabiliseerd zirconia (ZrO 2 :Y 2 O 3 ) bufferlagen voor coated conductors -- Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Doctor in de Wetenschappen: Natuurkunde -- Promotor: Prof. Dr. Ir. Roger De Gryse Academiejaar

2

3 Ik weet dat ik niet weet wat ik niet weet; ik benijd hen die meer zullen weten, maar ik weet dat zij net als ik moeten meten, wegen, afleiden en de gemaakte afleidingen opnieuw bezien, in het onware nog iets van het ware zoeken en in het ware rekening houden met de altijd aanwezige onwaarheid. (...) Ik zal een beetje minder dom sterven dan ik geboren ben. - Marguerite Yourcenar, Het Hermetisch Zwart -

4 Een woordje van dank... Allereerst had ik graag mijn promotor Prof. Dr. Ir. Roger De Gryse bedankt, voor de steun en discussies in het onderzoek wanneer hij maar kon en omdat ik zijn assistente mocht zijn in de Vakgroep Vaste-Stofwetenschappen gedurende de afgelopen zes jaar. Daarnaast een speciaal dankjewel voor Dr. Jurgen Denul, zonder wie dit onderzoek wellicht nooit gestart was, waarmee ik talloze uren discussies over resultaten achter de rug heb en die me jaar na jaar gemotiveerd heeft om verder te doen (lees: me regelmatig een trap onder mijn achterste heeft verkocht). Zonder deze twee mensen zou dit proefschrift er nu niet liggen, en daar ben ik hen heel dankbaar voor. Een doctoraatsproefschrift is het resultaat van een gezamenlijke inspanning, en er zijn verschillende mensen binnen en buiten de vakgroep die deze inspanning mee geleverd hebben. Zo is er in de eerste plaats Ilse De Roeck, waarmee ik jaren heel vlot heb samengewerkt en die zo vriendelijk was me een aantal resultaten te lenen van haar supergeleidende deklagen, waarvoor dank. Stijn Mahieu wil ik bedanken voor zijn inzet in het onderzoek, hij heeft er de laatste jaren heel veel toe bijgedragen. Pieter Ghekiere maakt nog maar een jaar deel uit van de groep maar heeft in die tijd al veel werk verzet en ik ben blij dat mede dankzij hem dit onderzoek zal verder gezet worden. Binnen de vakgroep is er verder nog Olivier Janssens, die het laatste jaar enorm heeft geholpen bij de aankoop van de nieuwe analyse apparatuur, en die ook veel XRD metingen heeft uitgevoerd voor dit onderzoek. Ing. Rudi Van Paemel verdient ook een speciale vermelding, voor alle hulp met de vacuüm- en sputterapparatuur, om nooit zijn geduld te verliezen en voor de dagelijkse koffiebabbel. Zonder Rudi zouden mijn jaren in de vakgroep heel wat minder gezellig geweest zijn! Verder wil ik Dr. Ursus Krüger en Heike Shiewe van Siemens Berlijn bedanken voor de poolfiguur metingen die zij uitvoerden vooraleer wij zelf over de nodige apparatuur beschikten, alsook Prof. Dr. Bartek Glowacki en Dr. Mary Vickers van Cambridge University voor de metingen in het kader van het Europees project MUST. De TEM metingen werden uitgevoerd door Dr. Oleg Lebedev in EMAT en ik wens hem en Prof. Staf Van Tendeloo hiervoor te bedanken. Financiële steun voor dit onderzoek kwam de eerste jaren van de Europese Commissie binnen het kader van het Brite Euram project MUST (BRPR-CT ), waarvoor dank. Voor het grootste deel van de financiële steun voor de latere onderzoeksresultaten wil ik IWT Vlaanderen bedanken voor het toekennen van het budget voor het GBOU project Mechanism of biaxial alignment in thin films, grown by unbalanced magnetron sputtering. Dit maakte het mogelijk om een vervolg op dit onderzoek te verzekeren. Ook wil ik graag mama en papa bedanken, zonder hen zou ik niet zijn wie ik ben en zonder hun steun zouden deze studies niet zomaar mogelijk geweest zijn. Michel wil ik extra bedanken om al die jaren zoveel geduld met me te hebben en vooral in de afrondingsfase van dit doctoraat. Bedankt allemaal! Griet

5

6

7 Voorwoord Keramische hoge temperatuur supergeleiders zoals YBa 2 Cu 3 O 7-x of NdBa 2 Cu 3 O 7-x zijn, door hun supergeleidende eigenschappen, interessante materialen voor gebruik in (onder andere) energiebesparende toepassingen of toepassingen waarvoor een hoog homogeen magneetveld vereist is. Helaas zijn het broze, breekbare materialen en daardoor minder gemakkelijk te hanteren. Om een dergelijk keramisch materiaal te kunnen wikkelen, dient er een deklaag van gevormd te worden op een flexibel substraat, zoals een metaaltape. Voor het vermijden van nefaste chemische interactie met dit metaalsubstraat, wordt er meestal eerst een bufferlaag gegroeid. Deze bufferlaag dient als barrièredeklaag voor metaalatomen van het substraat naar de supergeleider en voor zuurstof van de supergeleider naar het metaalsubstraat. Het bufferlaagmateriaal moet voldoen aan een aantal eisen: het moet kristallografisch passen op de supergeleider, de thermische uitzettingscoëfficiënt moet gelijkaardig zijn als die van de supergeleider en van het metaalsubstraat, en de chemische interactie tussen het bufferlaagmateriaal en de supergeleider moet minimaal zijn. Een veel gebruikt buffermateriaal, dat ook voor dit proefschrift werd onderzocht, is Yttria gestabilizeerd Zirconia. Een bijkomend probleem is het zogenaamde weak-link gedrag van de hoge temperatuur supergeleider: om een maximale supergeleidende stroom te kunnen dragen, dient de supergeleider biaxiaal gealigneerd te zijn, om stroomverlies aan de korrelgrenzen te beperken. Dit betekent dat de korrels in de polykristallijne deklaag een kristallografische voorkeursoriëntatie moeten hebben in twee richtingen: de deklaag moet zoveel mogelijk de structuur van een éénkristal benaderen. Dezelfde voorwaarde geldt dan ook voor de bufferlaag. Er zijn verschillende technieken om zo n biaxiaal gealigneerd substraat voor supergeleiderdepositie te bekomen. In dit proefschrift werd een alternatieve depositietechniek onderzocht voor het bekomen van een biaxiaal gealigneerde bufferlaag voor hoge temperatuur supergeleiders. De techniek is gebaseerd op depositie met een ongebalanceerd sputter magnetron op een gekanteld substraat. Het doel van het proefschrift is meervoudig: biaxiaal gealigneerde YSZ deklagen groeien, de groei ervan te optimaliseren, bewijzen dat deze deklaag kan dienen als bufferlaag voor hoge temperatuur supergeleiders (YBCO en NBCO), en een basis te leggen voor het verklaren van het groeimechanisme van de YSZ deklagen met dit depositieproces. Het proefschrift bestaat uit drie delen: in een eerste deel wordt uiteengezet wat een coated conductor is; daarnaast werd er een uitgebreide literatuurstudie opgenomen omtrent bufferlagen voor hoge temperatuur supergeleiders; verder wordt ingegaan op sputterdepositie en groeimechanismen van de deklaag. een tweede deel geeft een overzicht van de gebruikte karakterisatie-technieken en depositieapparatuur. in het derde deel worden de resultaten uiteengezet en bediscussieerd. Het proefschrift wordt afgesloten met een samenvatting, en een aantal appendices: een trefwoordenindex, een alfabetische referentielijst, een lijst van acroniemen en symbolen die regelmatig in de tekst terugkomen, en tot slot de publicatielijst van de auteur.

8 NOTA OVER REFERENTIES De gebruikte referentiecode is de volgende: [Naam eerste auteur- jaar publicatie], bijvoorbeeld [Abelman94]. De referenties worden dan achteraan elk hoofdstuk alfabetisch opgesomd. Achteraan de doctoraatsthesis, in een appendix, zijn nog eens alle referenties bij elkaar gezet, eveneens in alfabetische volgorde, enerzijds omdat er naar sommige referenties in verschillende hoofdstukken wordt verwezen, anderzijds omdat dit het opzoeken van een referentie kan vergemakkelijken (het is eenvoudiger naar het einde van een boek te bladeren dan naar het einde van hoofdstuk van voor de lezer onbekende lengte). Referenties die niet bij een bepaalde figuur of resultaat zijn weergegeven maar ofwel onderaan een paragraaf of direct na een titel van een paragraaf, slaan respectievelijk op de hele voorgaande of volgende paragraaf.

9 Inhoudstafel Inhoudstafel DEEL I I.1 Coated Conductors 1 I.1.1 Supergeleiders 2 I Korte Geschiedenis 2 I Eigenschappen en Classificatie 3 Nulweerstand 3 Meissner-effect 3 Classificatie 4 I.1.2 HTS materialen 6 I Perovskieten 7 I (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-x 8 I Toepassingen van HTS 10 Elektrotechnische toepassingen 11 I.1.3 Coated Conductor 13 I coated conductor architectuur 13 I Uitdagingen bij het maken van HTS coated conductor 15 Depositie 15 Kritische stroom 16 I Besluit 18 I.2 Bufferlagen voor (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-x 21 I.2.1 Bufferlaag materialen 22 I Algemene kenmerken van een bufferlaag 22 I Yttria gestabilizeerd Zirconia (YSZ) 23 Kristalstructuur en eigenschappen 23 Matching met YBCO 25 Interactie met YBCO 27 I CeO 2 27 Kristalstructuur en fysische eigenschappen 27 Matching met YBCO 28 Interactie met YBCO 29 I MgO 29 Kristastructuur en fysische eigenschappen 29 Matching met YBCO 30 Interactie met YBCO 30 I Bufferlaag combinaties 31 Tabel I.2 A overzichtstabel bufferlagen REBCO 33 I.2.2 Epitaxiaal gegroeide bufferlagen 38 I Het RABiTS substraat 38 I Bufferlagen op RABiTS 40 Physical Vapor Deposition 40

10 Inhoudstafel Chemische depositie 44 Surface Oxidation Epitaxy 47 I.2.3 Groei-geïnduceerde biaxiaal gealigneerde bufferlagen 48 I Ionen Bundel geassisteerde Depositie (IBAD) 48 Wat is IBAD? 48 Dual Ion Beam IBAD 49 IBAD met PLD 51 Ionen bundel geassisteerd magnetron sputteren 51 E-beam IBAD 52 I Inclined Substrate Deposition (ISD) 53 Wat isisd? 53 Inclined Substrate PLD 53 E-beam ISD 54 I Andere technieken 56 Ion Texturing (ITEX) 56 gemodificeerd bias sputteren 56 Ion Assisted Deposition 57 I.2.4 Evaluatie en Besluit 57 I Wat is de beste buffer-benadering? 57 RABiTS: voor- en nadelen 57 IBAD: voor- en nadelen 58 ISD: voor- en nadelen 60 Andere technieken: voor- en nadelen 60 I State of the Art coated conductor 61 Amerikaans onderzoek 61 Japans onderzoek 62 Europees onderzoek 63 I.2.5 Besluit 64 Nieuw perspectief? 65 I.3 Sputterdepositie 73 I.3.1 sputteren algemeen 74 I DC gasontladingen 74 Het kathode gebied 75 de negatieve gloei 76 het anode gebied 77 I Sputteren 78 Ionenbombardement aan een oppervlak 78 Keuze van sputter parameters 80 Angulaire distributie 81 effecten op het substraat 81 I.3.2 Magnetische geassisteerd sputteren 83 I Beweging van een elektron in een magneetveld 83 I Magnetron sputteren 84 planaire magnetrons 85 cilindrische magnetrons 85 ongebalanceerd magnetron sputteren 86

11 Inhoudstafel I.3.3 Ongewenste effecten/instabiliteiten bij reactief sputteren 90 I effecten aan de kathode 90 Target vergiftiging 90 Boogontladingen 93 I Effecten aan de anode 94 I.4 Groei van de Deklaag 97 I.4.1 Deklaag ontwikkeling 98 I groeimodellen 98 I Groeistadia 99 I Invloed van sputterparameters op nucleatie en groei 101 I.4.2 Groei van een biaxiaal gealigneerde deklaag 109 I Epitaxie 109 I Biaxiale alignatie op een niet-gealigneerd substraat 111 I.4.3 Preferentiële oriëntatie uit het vlak 126 I stadia en processen in preferentiële oriëntatie 126 I Dominerende processen 127 Sticking of plakanisotropie 127 oppervlakdiffusie 128 korrelgroei 129 hersputteren door ionenbombardement 129 I Conclusies dominerende processen bij preferentiële oriëntatie uit het vlak129 DEEL II II.1 Karakterisatie 137 II.1.1 X-straal diffractie 138 II Algemeen 138 II Textuur analyse 141 II.1.2 Scanning Electron Microscopy 145 II.1.3 Overige analysetechnieken 147 II.2 Gebruikte depositie-apparatuur 149 II.2.1 Systeem 1: Balzers Metallux II Systeem 1A: met oude pompen 150 II systeem IB: met nieuwe pompen 152 II Glimreiniging en depositie 152 II.2.2 Systeem 2: cilindrisch vacuümsysteem 154 II.2.3 sputter targets 154 DEEL III III.1 Depositie van biaxiaal gealigneerde deklagen met een ongebalanceerd magnetron 157 III.1.1 Eerste depositiereeks 158 III Stationaire YSZ depositie 159 YSZ depositie met 1 ongebalanceerd magnetron 159 YSZ depositie met 1 ongebalanceerd magnetron + ECR bron 177 YSZ depositie met 2 ongebalanceerd magnetrons 183 III Continue YSZ depositie 187

12 Inhoudstafel III Discussie en conclusies 191 III.1.2 Tweede depositiereeks 197 III Invloed van de depositieparameters 198 Invloed van pompsnelheid en gasdebiet 198 Invloed van de toestand van de kamerwanden 200 Invloed van de substraattemperatuur 203 Invloed van de depositietijd/laagdikte 204 Invloed van de target-substraat kantelhoek 211 Invloed van de aangelegde substraat spanning 213 III Karakterisatie reactief sputterproces 214 III.1.3 Hypothese voor biaxiaal gealigneerde groei 217 III preferentiële oriëntatie uit het vlak 217 algemene observaties 217 nucleatie en coalescentie 218 het overgroei-mechanisme 220 invloed van andere parameters 220 III preferentiële oriëntatie in het vlak 223 Observatie 223 Hypothese 224 Invloed van andere factoren 226 verbetering van alignatie 227 III.2 Supergeleiders op IAD bufferlagen 231 III.2.1 YBCO pulsed laser deposition 232 III.2.2 YBCO rotatable magnetron sputteren 232 III.2.3 NBCO rotatable magnetron sputteren 233 III NBCO/YSZ 233 III Interactie van NBCO met YSZ 235 III Vergelijking tussen NBCO/YSZ IAD en NBCO/YSZ éénkristal 236 III Reproduceerbaarheid 237 III.3 Ideeën voor toekomstig onderzoek 239 III.3.1 biaxiaal aligneringsmechanisme 240 III.3.2 bufferlagen voor coated conductors 241 Appendix A: trefwoordenlijst 245 Appendix B: acronymen en symbolen 251 Appendix C: alfabetische referentielijst 253 Appendix D: publicaties en conferenties 263

13 DEEL I

14

15 I.1 Coated conductor p. 1 I.1 Coated Conductor Give me the ninety-two elements, and I ll give you a universe. Ubiquitous hydrogen. Standoffish helium, Spooky boron. No-nonsense carbon. Promiscuous oxygen. Faithful iron. Mysterious phosphorous. Exotic xenon. Brash tin. Slippery Mercury. Heavy-footed Lead. - Chet Raymo. Ik zou graag aan dit citaat willen toevoegen: elusive superconductors of dus ongrijpbare supergeleiders. Toegegeven, een supergeleider is meestal een verbinding, maar dat hoge temperatuur supergeleiders moeilijk hanteerbare materialen zijn, lijdt geen twijfel. In dit eerste hoofdstuk wordt er uitgelegd wat een zogenaamde coated conductor is. Hiervoor wordt eerst een overzicht gegeven van de historiek en de belangrijkste gegevens van supergeleidende materialen. Het verschil tussen type I en type II supergeleiders wordt beschreven. Vervolgens wordt er iets meer verteld over Hoge Temperatuur Supergeleiders (HTS). Hierbij wordt vooral ingegaan op de zogenaamde HTS Cupraten, daar deze in dit kader van het meeste belang zijn. Daarnaast wordt er een bondig overzicht gegeven van de voornaamste toepassingen van HTS, met de nadruk op de elektrotechnische toepassingen, waarvoor coated conductors voornamelijk zullen gebruikt worden. Tenslotte wordt uiteengezet wat een coated conductor is. Er wordt getracht in te gaan op de belangrijkste eigenschappen en kenmerken van coated conductor en de technische vervaardigingproblemen die daar een gevolg van zijn. Het belangrijkste in het kader van dit proefschrift is daarbij het bekomen van een geschikt substraat en vooral van een geschikte bufferlaag. Een overzicht van bufferlaagmaterialen, bufferlaag depositietechnieken en belangrijkste resultaten tot nu toe kan gevonden worden in hoofdstuk I.2 Bufferlagen voor coated conductor.

16 I.1 Coated conductor p. 2 I.1.1 Supergeleiders [Bruynseraede86][Serway90]Mc Graw-Hill91] [Rose-Innes94] [Denul98] I Korte geschiedenis In 1911 ontdekt de Nederlandse fysicus H. Kamerlingh Onnes bijna per toeval het fenomeen supergeleiding: tijdens het bestuderen van de weerstand van vloeibaar kwik ziet hij de elektrische weerstand bij een temperatuur van 4.2 K (vloeibaar He temperatuur) ineens dalen naar een onmeetbaar kleine waarde. Dit was een erg onverwacht resultaat, want men had verwacht dat de weerstand lineair zou dalen en vanaf een bepaalde temperatuur zou stabiliseren bij een eindige waarde, afhankelijk van de zuiverheid van het materiaal. Omdat het materiaal in deze toestand zo n hoge elektrische geleidbaarheid heeft, noemt hij het fenomeen supergeleiding. De temperatuur waarbij de weerstand van het materiaal plots daalt naar een onmeetbaar kleine waarde, wordt de transitietemperatuur of kritische temperatuur T c genoemd. In 1913 krijgt Kamerlingh Onnes de Nobelprijs Natuurkunde voor materiaalonderzoek bij lage temperaturen en het vloeibaar maken van Helium. In 1933 ontdekten Hans Meissner en Robert Ochsenfeld dat een supergeleider meer is dan alleen een perfecte geleider: ze bestudeerden het magnetisch gedrag van supergeleidende materialen en ontdekten dat supergeleiders in aanwezigheid van een magnetisch veld en in supergeleidende toestand, dit magnetisch veld uitstootten. Een supergeleider in supergeleidende toestand gedraagt zich dus ook als een perfecte diamagneet. Bovendien bleek dat een supergeleider niet alleen een kritische temperatuur heeft, waaronder het materiaal zijn nulweerstand verliest, maar ook een kritisch magneetveld: boven een bepaald magneetveld, afhankelijk van het materiaal, verliest de supergeleider eveneens zijn supergeleidende eigenschappen. Dit kritisch magneetveld H c is afhankelijk van de temperatuur. Een eerste, fenomenologische, theorie van de supergeleiding werd halverwege de jaren 30 opgesteld door F. en H. London. Pas in 1957 werd dan een eerste theoretische basis gelegd die het fenomeen gedeeltelijk kon verklaren op kwantummechanische gronden: de BCS-theorie, met de beginletters van de drie grondleggers Bardeen, Cooper en Schrieffer. Aan de hand van de BCS theorie voorspelde Josephson in 1962 het bestaan van een tunnelstroom tussen twee supergeleiders, die van elkaar gescheiden zijn door een dunne laag isolerend materiaal. Dit zogenaamde Josephson-effect is de basis van een hele nieuwe device-ontwikkeling vandaag de dag. Een echte doorbraak in het onderzoek naar supergeleiding en supergeleidende materialen kwam er in 1986, toen J. G. Bednorz en K. A. Müller het optreden van supergeleiding rapporteerden bij een overgangstemperatuur van 30 K in een oxide van La, Ba en Cu. Dit ontketende een ware wedren voor het ontdekken van steeds nieuwe supergeleiders bij steeds hogere kritische temperaturen. Deze hoge temperatuur supergeleiders (HTS) zijn namelijk zeer interessant vanuit technologisch standpunt, aangezien ze vanaf kritische temperaturen van 77 K in supergeleidende toestand kunnen gebracht worden door te koelen met vloeibaar stikstof in plaats van met vloeibaar helium (duur) of waterstof (explosief). Geen vol jaar na deze publicatie kwam de definitieve doorbraak van de Hoge Temperatuur Supergeleidende materialen met de ontdekking van YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) door Chu en medewerkers. YBCO heeft een kritische temperatuur van 93 K. In 1987 kregen Bednorz en Müller de Nobelprijs Natuurkunde voor de ontdekking van de Hoge Temperatuur Supergeleiding. In 1988 werden ook nog de BiSCCO (Bi-

17 I.1 Coated conductor p. 3 Sr-Ca-Cu-O) materialen ontdekt, met een T c van meer dan 110 K, en de Tl-gebaseerde HTS materialen (Tl-Ba-Ca-Cu-O), met een T c van meer dan 125 K. Fig. I.1 (1) toont een tijdslijn met de ontdekking van de verschillende supergeleidende materialen en hun T c s. Recenter ontdekt en dus nog niet aangeduid op deze tijdslijn is de supergeleider HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x met een transitietemperatuur van 133K. De BCS-theorie bleek op deze HTS materialen niet van toepassing te zijn. Fig. I.1 (1) evolutie van supergeleidende materialen en hun T c sinds 1911 [Serway90] I Eigenschappen en classificatie A. Nulweerstand Een materiaal in supergeleidende toestand heeft resistiviteit ρ = 0. Of de elektrische weerstand effectief volledig nul wordt kan onmogelijk vastgesteld worden, maar er kan een strikte bovenste limiet gesteld worden aan de resistiviteit door een elektrische stroom te induceren in een supergeleidende ring of spoel en die te observeren terwijl hij wegsterft in de tijd. Zulke persistente stromen werden geobserveerd voor jaren zonder dat ze enig meetbaar verlies vertoonden. Op die manier werd vastgesteld dat de weerstand in de supergeleidende toestand minstens kleiner is dan in de normale toestand. B. Meissner-effect Stel dat een supergeleider enkel een perfecte geleider is. De toestand van de supergeleider onder T c en in aanwezigheid van een magnetisch veld zou dan afhankelijk zijn van de manier waarop het materiaal in die toestand gebracht is : als men eerst koelt tot onder T c en daarna een magnetisch veld aanlegt, wordt het veld uitgestoten uit de geleider; als men omgekeerd te werk gaat en pas de temperatuur verlaagt tot onder T c als er al een magnetisch veld is aangelegd, zal het veld juist niet uitgestoten worden (fig. I.1 (2)). In 1933 ontdekten Meissner en Ochsenfeld echter dat dit laatste niet gebeurt bij een supergeleider : het veld wordt wèl uitgestoten (zolang het kleiner is dan H c ) en dit onafhankelijk van de gevolgde weg. Dit

18 I.1 Coated conductor p. 4 noemt men het Meissner-effect. Een supergeleider kan dus beschouwd worden als een perfecte diamagneet (magnetische susceptibiliteit χ = -1) onder een bepaalde kritische veldwaarde H c.een mooie demonstratie van het Meissner effect is het zweven van een supergeleider boven een permanente magneet : aangezien een supergeleider een perfecte diamagneet is, zal het een permanente magneet afstoten. Het magneetveld zal uitgestoten worden uit het binnenste van de supergeleider door de vorming van oppervlakstromen. Deze oppervlakstromen worden niet gevormd in een infinitesimaal dun laagje op het oppervlak, maar dringen binnen in het materiaal tot een bepaalde diepte : de indringdiepte λ. In deze dunne laag neemt het aangelegd magnetisch veld exponentieel af van zijn externe waarde naar nul. De waarde van de indringdiepte ligt meestal tussen 10 en 100 nm voor type I supergeleiders (zie verder) en is veel groter bij type II supergeleiders. Verder definieert men ook nog de coherentielengte ξ als belangrijke parameter, die men kan omschrijven als de kleinste afstand waarover supergeleiding kan optreden. De coherentielengte is te visualiseren als de afstand waarover de elektronen in een Cooper-paar samen blijven of gecorreleerd zijn (BCS-theorie). Fig. I.1 (2) magnetisch gedrag van een perfecte geleider: a-b het specimen wordt weerstandsloos in afwezigheid van een magneetveld; c het magneetveld wordt aangelegd; d het magneetveld wordt uitgestoten; e-f het specimen wordt weerstandsloos in een magneetveld; g het aangelegd magneetveld wordt verwijderd [Rose-Innes94] C. Classificatie Uit het bovenstaande volgt dat de supergeleidende toestand voor elke supergeleider gekenmerkt wordt door een kritische temperatuur T c en een kritisch magneetveld H c. Voldoende verhogen van beide parameters of één van de twee zal de supergeleidende toestand vernietigen : het materiaal gaat over naar normale toestand. De manier waarop deze overgang plaatsvindt, kan essentieel op twee manieren gebeuren. Afhankelijk van de manier waarop de overgang gebeurt, spreekt men van een Type I of Type II supergeleider Type I supergeleider Type I supergeleiders gaan plots en volledig over naar de normale toestand als het aangelegd magnetisch veld het kritisch veld overschrijdt. Op figuur I.1 (3) zien we het kritisch

19 I.1 Coated conductor p. 5 veld H c in functie van de temperatuur. De vorm van de curve is voor elke type I supergeleider bij benadering parabolisch. De maximale stroom die kan onderhouden worden in een supergeleider is beperkt door de waarde van het kritisch veld en wordt de kritische stroom I c genoemd. Een stroom in een supergeleidende draad zal namelijk zelf een magnetisch veld creëren die het materiaal zal doen overgaan naar de normale toestand vanaf een bepaalde kritische stroomwaarde. Aangezien het kritisch veld voor een type I supergeleider doorgaans laag is (tot 0.2 T), zijn deze supergeleiders minder geschikt voor technologische toepassingen. Een alternatieve manier om te klasseren is op basis van indringdiepte λ en coherentielengte ξ: als λ < ξ, is de supergeleider van het type I. Type II supergeleider Type II supergeleiders gaan geleidelijk over van de supergeleidende naar de normale toestand tussen twee veldwaarden : het onderste kritisch veld H c1 en het bovenste kritisch veld H c2 (zie fig. I.1 (4)). Bij aangelegde velden kleiner dan H c1, wordt het magnetisch veld volledig buitengesloten uit het binnenste van de supergeleider, zoals bij een type I supergeleider bij velden kleiner dan H c. Als het aangelegde veld groter is dan H c1, zal het magnetisch veld de supergeleider beginnen binnendringen op een niet-uniforme manier : het materiaal bevindt zich in de gemengde toestand. Deze toestand bestaat uit supergeleidende gebieden, die het veld uitstoten, en normale gebieden, waar het veld wel binnendringt. Deze normale gebieden zijn omringd door supergeleidende kringstromen die het veld moeten beperken tot de kern van materiaal in de normale toestand. Die kringstromen worden vortices genoemd. Naarmate het aangelegd veld groter wordt, zal het aantal normale gebieden toenemen, tot bij een veldwaarde H c2 het materiaal volledig in de normale toestand is. In tegenstelling tot bij een type I supergeleider, kan het hoogste kritisch veld H c2 bij een type II supergeleider zeer groot zijn. Aangezien er in de gemengde toestand superstromen kunnen vloeien in de supergeleidende gebieden, kan een type II supergeleider een verliesloze stroom dragen bij zeer grote aangelegde velden. Deze materialen zijn dan ook veel belangrijker vanuit technologisch standpunt dan type I supergeleiders. Maar er zit nog een kink in de kabel : een voldoende grote stroom in de supergeleider veroorzaakt een Lorentz-kracht op de fluxlijnen, waardoor ze beginnen te bewegen, loodrecht op de richting van de stroom. Dit correspondeert met een verandering in de flux met de tijd en produceert weerstand in het materiaal : er wordt energie gedissipeerd, de stroom is niet meer verliesloos. Men tracht dit verliesmechanisme te onderdrukken door defecten (dislocaties, korrelgrenzen, vacatures) in te bouwen waardoor de fluxlijnen vastgepind worden: het zogenaamde flux pinning. Op die manier kan de supergeleider dan wel een hoge kritische stroomdichtheid J c hebben.

20 I.1 Coated conductor p. 6 Fig. I.1 (3) Kritisch magneetveld in functie van kritische temperatuur van een type I supergeleider [Bruynseraede86] Fig. I.1 (4) Kritische magneetvelden in functie van kritische temperatuur van een type II supergeleider [Bruynseraede86] D. Besluit De drie kritische parameters voor een supergeleider zijn : de temperatuur T c, het uitwendig aangelegd magnetisch veld H c (type I) of H c2 (type II) en de stroomdichtheid J c. Enkel binnen deze grenzen gedraagt het materiaal zich supergeleidend. Een supergeleider die geschikt is voor technologische toepassingen, moet dus voor alledrie deze parameters een zo hoog mogelijke waarde hebben. I.1.2 HTS materialen [Hazen88] [Serway90] [McGraw-Hill91] [Oya95] De meest gebruikte en onderzochte HTS materialen zijn koperoxides. Men kan een aantal eigenschappen vaststellen die hetzelfde schijnen te zijn voor al die materialen: Ze hebben allemaal de perovskiet structuur in één of andere aangepaste vorm. Het zijn allemaal type II supergeleiders met zeer hoge bovenste kritische

21 I.1 Coated conductor p. 7 magneetvelden (> 100 T). Ze zijn zeer anisotroop van nature : er is een kleine resistiviteit in de (a,b) vlakken en een veel hogere resitiviteit in de c-richting. Omwille van hun keramische natuur hebben ze het mechanisch nadeel van broos en onbuigbaar te zijn. Substitutie van atomen in de koperoxidelagen vermindert of vernietigt de supergeleiding, terwijl substitutie in andere vlakken meestal weinig effect heeft op de supergeleiding. De kritische stroomdichtheden in bulk polykristallijne samples zijn zeer laag (waarschijnlijk wegens het grote aantal korrelgrenzen in de bulk), maar zijn veel hoger in goed georiënteerde dunne lagen. I Perovskieten Veel van de HTS materialen behoren tot een familie van keramische materialen die perovskieten genoemd worden. Perovskieten zijn technologisch interessante materialen omdat ze, afhankelijk van de precieze kristalstructuur, zowel halfgeleider, isolatoren, geleiders of dus zelfs supergeleiders kunnen zijn. Het ideale kristal van een perovskiet, beschreven door de formule ABX 3, is opgebouwd uit kubussen met drie verschillende chemische elementen : A en B zijn metallische kationen en X zijn niet-metallische anionen (dikwijls zuurstof). De A ionen, die de grootste kationen zijn, bevinden zich in het centrum van de kubus, de kleinere B ionen liggen op de hoekpunten van de kubus en de X ionen bezetten de middelpunten van de 12 kubusribben (Fig. I.1 (5)). Een zeer groot aantal elementen kunnen gecombineerd worden tot de honderden ideale of aangepaste perovskieten die gekend zijn. De A plaatsen worden dikwijls ingenomen door barium, kalium en de zeldzame aarden. Er zijn bijna 50 elementen die de B plaatsen blijken in te nemen en de X plaatsen kunnen gevuld worden met zuurstof of met halogenen : fluor, broom, chloor. Ideale perovskieten zijn elektrisch isolerend en isotroop. Er kunnen echter heel wat aanpassingen optreden in de kristalstructuur die tot andere eigenschappen leiden : De A ionen kunnen ietwat te klein zijn tov. de B kationen. Dit veroorzaakt verplaatsing van de X ionen en soms ook van de B ionen. Men visualiseert dit door de kubussen te beschouwen als bestaande uit acht octaëders van X ionen, met telkens een B ion in het centrum, op de hoekpunten van de kubus met een A ion in het middelpunt (Fig I.1 (6) en (7)). Bij een ideaal perovskiet zijn de assen van de acht octaëders gealigneerd. Bij te kleine A ionen, zullen de assen draaien en kantelen. De symmetrie van het geheel is dan anders en het materiaal zal dan andere optische, elektrische en elastische eigenschappen hebben. Het perovskiet kan ook een elektrische polariteit verkrijgen doordat de B ionen verschoven zijn uit het centrum van de octaëders. De zin en grootte van deze verschuiving kan beïnvloed worden door een uitwendig elektrisch veld aan te leggen. Zulke materialen noemt men ferro-elektrische materialen, bijvoorbeeld BaTiO 3, dat ook piëzoelektrische eigenschappen heeft. De A en B plaatsen kunnen meerdere types kationen bevatten. De soterische centra kunnen ook opgevuld zijn met verschillend geladen ionen van hetzelfde element. Deze verschillen leiden eveneens tot kantelen en draaien van de octaëder- assen en tot andere eigenschappen. Er kunnen zich meerdere soorten kationen op de A plaatsen bevinden.

22 I.1 Coated conductor p. 8 Al de bovenstaande afwijkingen op de ideale perovskiet structuur kunnen in alle mogelijke combinaties optreden. Daarnaast bestaan er ook nog de gewone defecten, roosterfouten, dislocaties, interstitiëlen, vacatures... Op grotere schaal kent men onder andere ook het optreden van twin-boundaries : grote stukken van het kristal die georiënteerd zijn in een andere richting en grenzen aan elkaar. Dit kan sterke gevolgen hebben voor de elektrische eigenschappen van een materiaal. Fig. I.1 (5) de verschillende atomen in een perovskiet [Hazen88] (7) (6) Fig I.1 (6) en (7) de opbouw van een perovskiet met behulp van octaëders en de ideale perovskiet structuur. [Hazen88] I (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-x (RE= Rare Earth, Y, Nd, Sm, ) De eenheidscel van YBCO bestaat uit drie perovskieten die op elkaar gestapeld zijn. Ba bevindt zich in het centrum van de bovenste en onderste kubus en het zeldzame-aard ion (RE= Y, Nd, Sm, Ho, Eu, Gd...) in het centrum van de middelste. Koper zit op de hoekpunten van de kubussen. Zuurstof bevindt zich op alle beschikbare plaatsen op de horizontale vlakken onmiddellijk boven en onder het RE-ion. Op de verticale randen van de RE-kubus is er geen zuurstof. De overige zuurstofatomen zijn verdeeld over de nog lege plaatsen. Fig. I.1 (8) toont de structuur van (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X. T c is afhankelijk van het zuurstof gehalte in het materiaal. Het eerste materiaal in deze serie dat gemaakt werd is YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO), en dit is tevens nog steeds het meest onderzochte van de groep. Toen YBCO voor het eerst gemaakt werd door Chu et al. in 1987 [Chu87], bestond het materiaal uit twee compositionele fasen : een zwarte, opake substantie met als metaal compositie 1:2:3 en een groene fase met als metaalcompositie 2:1:1. Enkel de zwarte fase is supergeleidend. Voor de hoeveelheid zuurstof wist men toen alleen dat er tussen 5 en 8 zuurstof atomen in de structuur moesten zitten, omwille van elektrische neutraliteit. Later bleek dat de chemische formule YBa 2 Cu 3 O 7-x is, met verschillende stabiele thermodynamische fasen voor variabele x-waarde. Als de waarde van x verandert van 0

23 I.1 Coated conductor p. 9 naar 1 (en dus het zuurstof gehalte van 7 naar 6) ondergaat het materiaal een structurele transitie van orthorombisch (supergeleider) naar tetragonaal (halfgeleider), de c-as roosterparameter wordt groter en er zijn twee plateaus waarneembaar in de transitietemperatuur T c. In de orthorombisch II fase is het materiaal nagenoeg volledig geoxideerd en heeft een hoge T c (> 90 K). In de orthorombisch I fase is het materiaal wel al supergeleidend maar niet voldoende geoxideerd om een hoge transitietemperatuur te hebben, wat reflecteert in een T c van rond de 60 K. Het is duidelijk dat het zuurstof gehalte van YBCO zeer belangrijk is voor de supergeleidende eigenschappen. Over de invloed van de zuurstofbehandeling op de supergeleidende eigenschappen van een YBCO of NdBCO deklaag, zal er hier niet verder uitgeweid worden: het is een onderzoek op zich. Voor meer informatie over dit onderwerp verwijs ik graag naar het doctoraat van Jurgen Denul [Denul98]. Ook over de invloed van herordenen van kationen in de structuur, compositie-wijzigingen, en eigenschappen van andere (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X materialen zoals NBCO, verwijs ik hier door naar het doctoraatsonderzoek van Ilse de Roeck [DeRoeck2002][DeRoeck2003]. Naast YBCO werd ook NBCO depositie gedaan op de te onderzoeken bufferlagen. Deze deposities kaderen eveneens in het doctoraatsonderzoek van Ilse De Roeck, maar zijn eveneens van belang voor de evaluatie van de bufferlagen in het kader van dit proefschrift. Nd 1+y Ba 2-y Cu 3 O 7-x (NBCO) is een materiaal uit dezelfde groep, dat in grote lijnen dezelfde supergeleidende eigenschappen heeft als YBCO, maar met iets grotere roosterparameters (de afmeting van het Nd 3+ ion is groter dan van het Y 3+ ion). NBCO heeft in bulk een iets hogere T c dan YBCO (94K), wat eveneens een gevolg zou zijn van de grotere afmeting van het Nd-ion, waardoor het materiaal een hogere roosterstabiliteit zou hebben [Badaye97]. Het gedrag van NBCO in een aangelegd magneetveld is ook beter dan dat van YBCO. NBCO deklagen blijken bovendien vlakker te zijn dan YBCO deklagen, en beter bestand tegen blootstelling aan lucht. [Badaye95] [Badaye97] [Fabbri2000] Onder de vele perovskiet-defecten in (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X zijn onder andere : substitutie van kationen, ontbrekende zuurstofatomen, twinning, ontelbare puntdefecten en fouten in de volgorde van de opeengestapelde lagen. Fig. I.1 (8) structuur van de YBCO eenheidscel

24 I.1 Coated conductor p. 10 I Toepassingen van HTS Tl (2) Ba 2 Ca 2 Cu 3 O y (T c = 127 K) en HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x (T c = 134 K) zijn de twee HTS materialen met de hoogste T c. Maar Tallium en Kwik zijn beide erg giftige materialen en dus in een productieomgeving zeker niet aan te raden. De Bi-Sr-Ca-Cu-oxide materialen (BiSCCO) werden daarom veelvuldig onderzocht. Voor deze supergeleiders bestaan er intussen productieprocessen, gebaseerd op het zogenaamde Powder in Tube proces, waarbij er BiSCCO poeder in Ag buizen wordt gebracht, en deze worden dan gerold en getrokken zoals metaaldraad, en thermisch behandeld. Het probleem met BiSCCO is dat J c snel afneemt bij stijgend aangelegd magneetveld, hetgeen bij (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X veel minder het geval is. Daarom is (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X het meest geschikt voor toepassingen die hoge J c waarden in een magneetveld nodig hebben. In grote lijnen zijn de mogelijke toepassingen van HTS materialen op te delen in drie grote groepen: elektrotechnische toepassingen die steunen op de perfecte elektrische geleidbaarheid, zoals motors, generatoren, kabels, magneten, fault current limiters, SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage),... elektronische toepassingen die steunen op het tunneling of Josephson-effect, zoals SQUIDS en supergeleidende computers toepassingen die steunen op het perfect diamagnetisme, zoals magnetische ophanging, magnetische lagering of magnetische afscherming. Vermits (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X coated conductor ontwikkeld wordt om gebruikt te worden in elektrotechnische toepassingen, zal de verdere uiteenzetting beperkt worden tot een opsomming van deze elektrotechnische toepassingen. Ook deze zal zeer beknopt zijn, daar dit enkel dient om het onderzoek te situeren. Voor meer informatie verwijs ik hierbij naar het doctoraatsproefschrift van Jurgen Denul [Denul98] en naar het doctoraatsonderzoek van Ilse De Roeck [DeRoeck2004]. De andere groepen toepassingen worden hier niet toegelicht, aangezien dit te ver zou leiden. Magneten Elektrotechnische toepassingen [Denul98] [AmSuper2003] [Malozemoff2003] Een supergeleidende magneet is veel kleiner, lichter en vereist veel minder vermogen dan een conventionele Cu elektromagneet. Hoe groter het benodigde magneetveld, hoe meer uitgesproken dat dit verschil nog wordt. Zelfs mits gebruik van een koelvloeistof als He of stikstof en de benodigde cryostaat, is een supergeleidende magneet nog veel goedkoper, kleiner en gebruiksvriendelijker. De enige supergeleidende magneten die momenteel effectief regelmatig gebruikt worden zijn LTS magneten, aangezien de technologie voor het vervaardigen van HTS kabel of draad nog absoluut niet zo ver ontwikkeld is als bij LTS materialen. LTS magneten zijn echter wel beperkt tot een maximum magneetveld van 22 Tesla. Om naar hogere magneetvelden te gaan, dient men gebruik te maken van HTS materialen. Een eerste stap hiervoor is het ontwikkelen van zogenaamde insert magnets : kleine HTS spoelen in een LTS magneet, die het magneetveld kunnen opkrikken boven 22 T. Deze hoge veld magneten zullen in eerste instantie vooral gebruikt worden voor fundamenteel onderzoek. Enkele velden waarvoor supergeleidende magneten gebruikt worden zijn:

25 I.1 Coated conductor p. 11 MRI (Magnetic Resonance Imaging), ook NMR (Nuclear Magnetic Resonance) genoemd, hetgeen een medische beeldvormingtechniek is waarvoor een relatief hoog en vooral erg homogeen magneetveld nodig is, wat alleen praktisch kan uitgevoerd worden met supergeleidende magneten. NMR is economisch gezien momenteel nog steeds de belangrijkste toepassing van lage temperatuur supergeleiders. Magnetische scheiding en filtering: lage T c supergeleidende magneten worden sinds 1984 succesvol toegepast in magnetische filtering en scheiding van kaolien (porselein), voor gebruik in papier en keramiek industrie. Sinds 1989 wordt een stijgend deel van de markt (met een totale marktwaarde van 155 miljoen $ per jaar) overgenomen door scheidingssystemen op basis van supergeleiders. Ook is er een groeiende markt voor het vervangen van oude magneetkernen door supergeleidende spoelen. De vooruitzichten voor hoge temperatuur supergeleiders zijn goed in dit toepassingsgebied, door de belofte van grote kostenreducties in cryogene installaties. [Watson98] Deeltjesversnellers: Lage T c supergeleidende magneten zijn essentiële onderdelen geworden van hadron (proton of zwaardere deeltjes) versnellers, en zijn daarmee de grootste huidige toepassing van supergeleiders. Ze worden ook gebruikt in compacte versnellers (kleine synchrotrons en cyclotrons). De winst in verbruik voor het gebruik van supergeleidende magneten ten opzichte van klassieke magneten, kan heel groot zijn, bijvoorbeeld voor de Large Hadron Collider (LHC) in CERN wordt de winst geschat op een factor 60. [Perin98] fusiereactoren: de temperaturen die nodig zijn om kernfusie te kunnen teweegbrengen zijn dusdanig hoog, dat het enkel met magnetische opsluiting mogelijk is om het fusieplasma te bedwingen. Hiervoor worden eveneens LTS magneten gebruikt. Met conventionele magneten zou er meer vermogen nodig zijn voor de magneten dan er kan opgewekt worden met de reactor in kwestie. Motoren, generatoren en transformatoren Een elektrische motor zet elektrische energie om in roterend mechanisch vermogen. Het magneetveld van de rotor in een conventionele motor is een permanente magneet of een Cu elektromagneet. Indien echter deze Cu magneet zou kunnen vervangen worden door een HTS magneet, zou dit de verliezen in de motor aanzienlijk verlagen en bijgevolg ook de kosten. Daarnaast is het ook zo dat gewicht en volume van de motor tot 50% zou kunnen verlaagd worden, wat transportkosten verlaagt en gebruik van een motor met verhoogd magneetveld mogelijk maakt voor grote machines, zoals bijvoorbeeld voor schepen, zonder de ruimte die nodig is voor een conventionele motor van dergelijk vermogen. Daarnaast zou een HTS motor ook verhoogde stabiliteit hebben en minder vibreren en lawaai maken. De jaarlijkse potentiële markt van HTS motoren wordt momenteel geschat op 1.2 miljard $. Een generator doet in feite precies het omgekeerde van een motor, namelijk roterend mechanisch vermogen, zoals van een stoom- of gasturbine, omzetten in elektrische energie. Bovenstaande beschouwingen over lagere verliezen en lager gewicht en volume voor motoren gaan hier ook op. Een HTS generator zou ook een hogere efficiëntie hebben, ondanks een initiële kost die vergelijkbaar is met een conventionele generator. De wereldwijde potentiële markt voor generatoren werd in 2000 geschat op miljard $ voor het totaal van de komende tien jaar.

26 I.1 Coated conductor p. 12 Een transformator zet spanning om van generatorniveau naar transportniveau en van transport-niveau naar gebruikersniveau. Hier gaan verliezen mee gepaard, die met een HTS transformator ¼ tot ½ zouden zijn van de verliezen bij een conventionele transformator. Daarnaast geldt hier eveneens dat een HTS transformator kleiner en lichter zou zijn, wat transport- en installatiekosten verlaagt. Door bovendien olie als diëlektrisch medium en koelstof te vervangen door vloeibare stikstof, wordt het gevaar op ontploffing en vervuiling van de grond door lekken minimaal. Een techniek voor de toekomst die toch thuishoort in deze categorie is een Magnetohydrodynamische (MHD) generator. Een MHD generator zet de uitlaatgassen van het verbrandingsproces rechtstreeks om in elektriciteit. Dit gaat als volgt in zijn werk: de uitlaatgassen worden geïoniseerd en deze geladen deeltjes worden door een magneetveld gestuwd. Daar worden negatieve en positieve deeltjes in tegengestelde zin afgebogen, en opgevangen op elektrodes, zodat elektrische stroom opgewekt wordt. Bij magneetvelden van 5-10 Tesla wordt dit een heel efficiënt systeem, onder andere ook omdat er geen bewegende onderdelen aan te pas komen. Voor dergelijke magneetvelden is het echter wel nodig om een supergeleidende magneet te gebruiken. Kabels Een HTS kabel is opgebouwd uit HTS draad en zou gebruikt worden voor het transporteren van grote hoeveelheden stroom. Een HTS kabel kan tot 5 keer meer vermogen leveren dan een conventionele kabel met dezelfde afmetingen. HTS kabels is een toepassing waar vooral in de Verenigde Staten zeer uitgebreid onderzoek naar gedaan wordt, aangezien het bestaande elektrisch netwerk daar dringend aan vervanging en verbetering toe is (getuige de grote black out in het Noord-Oosten van de Verenigde Staten in de zomer van 2003). Om HTS kabels te laten concurreren met de huidige materialen qua kostprijs en onderhoudsprijs, zal de prijs echter nog stevig moeten dalen tegenover de huidige productiekosten. Bovendien moet ook de performantie nog omhoog. FCL en SMES Een Fault Current Limiter (FCL) is ontworpen om op niet geanticipeerde stroomstoten in een elektriciteitsnetwerk te reageren en ze te absorberen, zodat verlies van vermogen voor de gebruikers of schade aan het netwerk kan vermeden worden. Een FCL moet zo n stroomstoot snel afbreken, maar moet ook snel de normale stroomtoevoer weer herstellen na de storing. Huidige conventionele systemen om stroomstoten te beperken hebben continu zware verliezen ten gevolge van opwarming door het Joule effect, en leiden bovendien tot verlaagde spanning in het netwerk. Het gebruik van HTS materialen zou hier een oplossing kunnen bieden, maar de eisen die aan het materiaal gesteld worden zijn wel erg hoog. Onderzoek naar HTS FCL wordt verder gezet, maar tot nu toe is er, voor zover wij weten, nog geen prototype op de markt. SMES is de afkorting van Superconducting Magnetic Energy Storage, en is een systeem voor het opslaan van grote hoeveelheden vermogen. In een supergeleidende magneet blijft de stroom immers lopen zonder meetbaar verlies en blijft dus de energie bewaard. Door gebruik te maken van zo n systeem zou de efficiëntie van energiecentrales aanzienlijk verbeterd kunnen worden: men zou de belasting van de centrale constant kunnen houden en het s nachts geproduceerd energieoverschot overdag gebruiken. Andere toepassingen kunnen zijn: meer constante energieproductie voor alternatieve energiebronnen, zoals zonne-energie en windenergie.

27 I.1 Coated conductor p. 13 Andere Een tot de verbeelding sprekende toepassingen die hier tot nu toe niet werd aangehaald, maar die eveneens enkel mogelijk is met supergeleiders, is de magnetische levitatie trein of MAGLEV. In Japan en in Duitsland werden reeds MAGLEVs gebouwd en getest. Snelheden ruim boven 400 km/u werden daarbij behaald. De kostprijs voor het bouwen van zo n MAGLEV en het nodige verbindingsnetwerk zijn wel hoger dan voor een traditionele Hoge Snelheids Trein. Besluit Er valt niet aan te twijfelen dat HTS materialen veel toepassingsmogelijkheden hebben. De huidige stand van zaken is dusdanig dat BiSCCO draad wel al reproduceerbaar kan geproduceerd worden in grote lengtes, en dat er prototypes van toepassingen met BiSCCO draad worden gebouwd. Commerciële toepassingen met dit soort HTS draad zullen dan ook niet lang meer op zich laten wachten. Voor (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X coated conductor ligt de zaak echter helemaal anders: ondanks de optimistische schattingen die vroeger gemaakt werden, is het intussen duidelijk dat de toepassingsmarkt voor coated conductor nog niet voor de komende vijf, of zelfs tien jaar is. Dit heeft te maken met de technische moeilijkheden waarmee de vervaardiging van HTS coated conductor gepaard gaan, en de hoge eisen die aan het materiaal gesteld worden. Dat er ooit toepassingen zullen komen staat echter buiten kijf, aangezien (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-X coated conductor momenteel wellicht het enige materiaal zal zijn dat gebruikt kàn worden voor bepaalde toepassingen, vooral deze waar een (hoog) magneetveld aan te pas komt. Een laatste opmerking betreft de toegevoegde waarde van toepassingen met HTS materialen: ondanks de hogere vervaardigings- en materiaalkost, zijn toepassingen met HTS materialen wel degelijk interessant. Dit is niet alleen omwille van de lagere verliezen en de dikwijls sterk verbeterde efficiëntie van de apparatuur, maar ook omwille van het geringere gewicht en volume, wat voor vele toepassingen van groot belang kan zijn. Dergelijke toegevoegde waarde van deze toepassingen mogen we niet uit het oog verliezen. I.1.3 Coated conductor I Coated conductor architectuur De term coated conductor staat in feite voor niets anders dan een dunne laag (coating) van een supergeleidend materiaal (conductor), op één of andere flexibele drager. Het basisidee is om de broze, onbuigzame keramische HTS materialen af te zetten met één of ander depositieproces op een sterke, flexibele drager, om de supergeleider te kunnen gebruiken voor bepaalde (elektrotechnische) toepassingen, zoals magneten, motoren, generatoren, enz. (zie hierboven). Deze flexibele drager zal nagenoeg altijd een metaal substraat zijn. Aangezien echter de meeste metaalsubstraten een chemische reactie zullen ondergaan met de supergeleider die de supergeleidende eigenschappen verslecht of zelfs doodt, tijdens de supergeleider depositie of tijdens de nabehandeling van de supergeleider, wordt er daarnaast

28 I.1 Coated conductor p. 14 ook gebruik gemaakt van een zogenaamde bufferlaag. Algemeen kan men dus een coated conductor schematisch voorstellen zoals in figuur I.1 (9). Een bufferlaag dient te voldoen aan drie primaire voorwaarden: de chemische interactie met de supergeleidende coating moet minimaal zijn, zodat de buffer werkt als een chemische buffer; de kristalroosters van het buffermateriaal en van de supergeleider moeten voldoende overeenkomen om epitaxiale groei toe te laten; en de thermische uitzettingscoëfficiënt van de buffer en de supergeleider moeten compatibel zijn om barsten ten gevolge van restspanningsrelaxatie bij het koelen van de coated conductor en ten gevolge van spanningen tijdens de hoge temperatuursbehandeling, te beperken. Op deze en bijkomende voorwaarden, bufferlaagmaterialen, depositietechnieken en recente resultaten wordt uitgebreid teruggekomen in hoofdstuk I.2 Bufferlagen voor (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-x coated conductor. Vrij vroeg bij het processen van de (RE)Ba 2 Cu 3 O 7-x materialen merkte men echter dat de supergeleidende eigenschappen, en met name de kritische stroom, afhankelijk is van de kristallografische oriëntatie van het materiaal (zie hieronder: weak-link behaviour) [Dimos90]. In feite komt het er op neer dat de supergeleidende deklaag zoveel mogelijk de structuur van een éénkristal moet benaderen om de hoogste kritische stroom te kunnen voeren. Dat betekent zowel een nagenoeg perfecte kristallografische preferentiële oriëntatie loodrecht op het vlak van de metallische drager (= de uit-het-vlak oriëntatie) als in het vlak van de metallische drager (= de in-het-vlak oriëntatie). Zo n georiënteerde deklaag noemt men een biaxiaal gealigneerde of biaxiaal getextureerde deklaag. Een deklaag met enkel preferentiële oriëntatie uit-het-vlak wordt een uni-axiaal gealigneerde deklaag genoemd. Men spreekt ook van fiber texture. Fig. I.1 (10) toont schematisch beide situaties. Voor XRD poolfiguur-opname van dergelijke deklagen: zie II.1.1. Hoe beter de biaxiale alignatie van de coated conductor is, hoe beter de supergeleidende eigenschappen. Men kan zo n biaxiale alignatie bekomen op verschillende manieren, waarbij steeds vertrokken wordt van een biaxiaal gealigneerd substraat (= metallische drager + bufferlaag). Hierbij kan ofwel de metallische drager al getextureerd zijn door middel van een bepaald rolprocédé, ofwel kan de bufferlaag getextureerd zijn tijdens de groei door gebruik te maken van een specifiek groeiproces. Het eerste proces wordt het RABiTS proces genoemd (RABiTS = Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate), wat een TradeMark is van Oak Ridge National Laboratory [RABiTS], een voorbeeld van het tweede proces is het IBAD proces (Ion Beam Assisted Deposition). Fig. I.1 (11) geeft schematisch beide processen weer. Ook hierop wordt veel uitgebreider ingegaan in hoofdstuk I.2 over de bufferlagen. HTS coating Eén of meerdere bufferagen substraat Fig. I.1 (9) schematische weergave van een coated conductor