Synthesis of defect free YBa₂Cu₃O₇-x films over 1µm by CSD using inkjet printing
El descubrimiento de los superconductores de alta temperatura (HTS) han supuesto un gran paso en el desarrollo de la tecnología energética. Entre ellos, el YBa2Cu3O7-x (YBCO) epitaxial, ha demostrado una de las mejores propiedades superconductoras, haciendo de este óxido funcional, uno de los superc...
| Autor: | |
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| Formato: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2018 |
| País: | España |
| Recursos: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:202186 |
| Acesso em linha: | https://ddd.uab.cat/record/202186 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palavra-chave: | Capes gruixudes Superconductors d'alta temperatura Superconductors d'òxid de coure Òxid de coure, bari i itri (YBa2Cu3O7) |
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Synthesis of defect free YBa₂Cu₃O₇-x films over 1µm by CSD using inkjet printing Villarejo Reina, Bohores Capes gruixudes Superconductors d'alta temperatura Superconductors d'òxid de coure Òxid de coure, bari i itri (YBa2Cu3O7) |
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Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química Institut de Ciència de Materials de Barcelona Obradors, Xavier Puig i Molina, Mª Teresa García-Antón, Jordi |
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Capes gruixudes Superconductors d'alta temperatura Superconductors d'òxid de coure Òxid de coure, bari i itri (YBa2Cu3O7) |
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El descubrimiento de los superconductores de alta temperatura (HTS) han supuesto un gran paso en el desarrollo de la tecnología energética. Entre ellos, el YBa2Cu3O7-x (YBCO) epitaxial, ha demostrado una de las mejores propiedades superconductoras, haciendo de este óxido funcional, uno de los superconductores más estudiados. La deposición química de disolución (CSD) se presenta como una metodología de bajo coste para la síntesis de una gran variedad de óxidos funcionales, incluyendo el YBCO. Esta técnica consiste en la deposición de un precursor organometálico sobre un sustrato texturado, seguido por un tratamiento térmico para pasar de la solución depositada a una cerámica densa y cristalina de YBCO. Además del bajo coste de la CSD, esta metodología permite una alta flexibilidad y control durante la síntesis de la solución, haciendo de esta ruta sintética, una perfecta candidata para la producción de YBCO a gran escala en un proceso competitivo a nivel de mercado. Para la deposición de la solución precursora de YBCO, presentamos la tecnología Inkjet Prining drop on demand como una técnica perfectamente adaptada a la síntesis de capas de YBCO. La gran flexibilidad y control de deposición, junto con la posibilidad de escalar esta técnica, hacen del Inkjet Printing una candidata perfecta para la producción de capas de YBCO por CSD. Para poder transportar grandes cantidades de energía, las capas de YBCO deben ser gruesas. Sin embargo, conseguir grosores elevados es el principal problema de la CSD. La enorme reducción de grosor que se da durante la combustión de la materia orgánica, en el proceso conocido como pirolisis, produce un estrés enorme que lleva al agrietamiento de la capa cuando esta sobrepasa unos pocos centenares de nanómetros. Esto ha forzado a muchos investigadores a conseguir aumentar el grosor de la capa mediante multicapas delgadas para evitar las grietas. Este proceso no solo ralentiza la producción, sino que también degrada las propiedades superconductoras debido a la acumulación de cobre que se observa en las interfaces. Así pues, el objetivo en esta tesis es el de conseguir capas del mayor grosor posible en un solo recubrimiento por tal de maximizar las propiedades superconductoras del YBCO en un proceso rápido y de bajo coste. Para conseguir este objetivo, nos hemos centrado en el estudio de la deposición por Inkjet Printing y pirolisis de las tintas precursoras de YBCO. A continuación resumimos los principales puntos que vamos a tratar en esta tesis: 1 Hemos diseñado tintas precursoras de YBCO adaptadas para ser depositadas por Inkjet Printing. La deposición de dichas tintas se ha estudiado por tal de obtener capas gruesas y homogéneas. 2 Hemos realizado un análisis exhaustivo de las diferentes propiedades físico-químicas de la capa durante el proceso de pirolisis por tal de evitar la formación de grietas en nuestras capas. 3 Hemos usado el conocimiento adquirido durante los dos puntos previos para obtener capas que sobrepasan la micra de grosor en un solo recubrimiento de YBCO sobre diferentes tipos de sustrato de modo reproducible, demostrando así la alta competitividad de la metodología CSD en la síntesis de capas de YBCO. |
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Además del bajo coste de la CSD, esta metodología permite una alta flexibilidad y control durante la síntesis de la solución, haciendo de esta ruta sintética, una perfecta candidata para la producción de YBCO a gran escala en un proceso competitivo a nivel de mercado. Para la deposición de la solución precursora de YBCO, presentamos la tecnología Inkjet Prining drop on demand como una técnica perfectamente adaptada a la síntesis de capas de YBCO. La gran flexibilidad y control de deposición, junto con la posibilidad de escalar esta técnica, hacen del Inkjet Printing una candidata perfecta para la producción de capas de YBCO por CSD. Para poder transportar grandes cantidades de energía, las capas de YBCO deben ser gruesas. Sin embargo, conseguir grosores elevados es el principal problema de la CSD. La enorme reducción de grosor que se da durante la combustión de la materia orgánica, en el proceso conocido como pirolisis, produce un estrés enorme que lleva al agrietamiento de la capa cuando esta sobrepasa unos pocos centenares de nanómetros. Esto ha forzado a muchos investigadores a conseguir aumentar el grosor de la capa mediante multicapas delgadas para evitar las grietas. Este proceso no solo ralentiza la producción, sino que también degrada las propiedades superconductoras debido a la acumulación de cobre que se observa en las interfaces. Así pues, el objetivo en esta tesis es el de conseguir capas del mayor grosor posible en un solo recubrimiento por tal de maximizar las propiedades superconductoras del YBCO en un proceso rápido y de bajo coste. Para conseguir este objetivo, nos hemos centrado en el estudio de la deposición por Inkjet Printing y pirolisis de las tintas precursoras de YBCO. A continuación resumimos los principales puntos que vamos a tratar en esta tesis: 1 Hemos diseñado tintas precursoras de YBCO adaptadas para ser depositadas por Inkjet Printing. La deposición de dichas tintas se ha estudiado por tal de obtener capas gruesas y homogéneas. 2 Hemos realizado un análisis exhaustivo de las diferentes propiedades físico-químicas de la capa durante el proceso de pirolisis por tal de evitar la formación de grietas en nuestras capas. 3 Hemos usado el conocimiento adquirido durante los dos puntos previos para obtener capas que sobrepasan la micra de grosor en un solo recubrimiento de YBCO sobre diferentes tipos de sustrato de modo reproducible, demostrando así la alta competitividad de la metodología CSD en la síntesis de capas de YBCO.The discovery of the High Temperature Superconductors (HTS) supposed a giant stride on the power applications technological development. Among them, the c-oriented, epitaxial YBa2Cu3O7-x (YBCO) presents top-tier superconducting performances, making of this complex oxide one of the most studied superconductors. Chemical Solution Deposition (CSD) is presented as a low cost manufacturing methodology for the synthesis of many functional oxides, including YBCO. It consists on the deposition of an organometallic precursor solution on top of a textured substrate, followed by a thermal treatment to pass from the deposited solution to the dense, crystalline YBCO. Besides of the low cost of the CSD, this methodology allows a high flexibility and control during the solution synthesis, making of this synthetic route a perfect candidate for the YBCO large scale production in a cost effective process. For the deposition of YBCO precursor solutions, we present drop on demand Inkjet Printing technology as a deposition technique perfectly suited for the YBCO films synthesis. The high flexibility and deposition control, together with the scalability of the technique, makes of inkjet printing an appealing technology for the production of long length YBCO films by CSD. In order to transport large amounts of power, the YBCO films must be thick. However to achieve high thickness is the main challenge of the CSD route. The huge thickens reduction produced during the firing of the organic species, also known as pyrolysis process, produces high stresses that leads to the film cracking when the thickness surpasses a few hundreds of nanometres. This has forced many researchers to increase the film thickness by the multi-processing of thin films in order to avoid the film cracking. This is not only time-expensive, but it also leads to the superconducting properties degradation due to the presence of copper segregated interlayers. Thus, objective of this work was to achieve the largest thickness in one single coating, in order to maximize the YBCO superconducting performances in a fast, low-cost process. To achieve this, we focused in the study of the deposition and pyrolysis of YBCO precursor inks deposited by inkjet printing. What we will present on along this thesis is briefly described as follows: 1 We have designed YBCO precursor inks suited for its deposition using inkjet printing. The deposition of these inks has been studied in order to obtain thick and homogeneous depositions. 2 We have performed an exhaustive analysis on the different physicochemical properties of the film during the pyrolysis process in order to avoid the crack formation. 3 We have used the knowledge generated during the two previous points in order to surpass the micrometre thickness on one single coated YBCO films on top of several substrates in a reproducible way, and thus demonstrating that the high competitiveness of the CSD process for the synthesis of YBCO films.Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de QuímicaInstitut de Ciència de Materials de BarcelonaObradors, XavierPuig i Molina, Mª TeresaGarcía-Antón, Jordi 22018-01-0120182018-01-01Tesi doctoralhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://ddd.uab.cat/record/202186reponame:Dipòsit Digital de Documents de la UABinstname:Universitat Autònoma de BarcelonaInglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, i la comunicació pública de l'obra, sempre que no sigui amb finalitats comercials, i sempre que es reconegui l'autoria de l'obra original. No es permet la creació d'obres derivades.https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:ddd.uab.cat:2021862026-06-06T12:50:31Z |
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