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Korrelation von Mikrostruktur und Supraleitung in Bandleiterarchitekturen auf industriell gefertigten Templaten

Antragsteller Dr. Ruben Hühne
Fachliche Zuordnung Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416095983
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für die Anwendung von Hochtemperatursupraleitern in hochstromtragenden Drähten werden kristallographisch scharf texturierte Materialien benötigt, um den negativen Einfluss von Großwinkelkorngrenzen auf den Stromtransport zu eliminieren. Dies wird erreicht, indem die supraleitenden Schichten epitaktisch auf hochtexturierten, metallbasierten Templaten abgeschieden werden, die mittlerweile in großen Längen industriell hergestellt werden. Die resultierenden Bandleiter weisen ein charakteristisches Korngrenzennetzwerk auf, das sowohl vom verwendeten Substrat als auch vom Herstellungsverfahren der Schichten abhängig ist und den Stromtransport im Supraleiter entscheidend bestimmt. Ein ähnliches Verhalten wurde auch für die neue Klasse der Fe-basierten Supraleiter beobachtet. Ziel des Projektes war, das Verständnis des Zusammenspiels zwischen diesem Korngrenzennetzwerk und dem lokalen Stromtransport zu verbessern, um Bandleiter weiter optimieren zu können, so dass durch eine effizientere und preiswertere Herstellung neue Anwendungsfelder erschlossen bzw. bestehende, aufwändig mit Helium gekühlte Materialien ersetzt werden können. Um dies zu erreichen wurden epitaktische Schichten supraleitender Kuprate (BaHfO3 oder Agdotiertes YBa2Cu3O7-x, (Nd,Eu,Gd)Ba2Cu3O7-x) und ausgewählte Fe-basierter Supraleiter (BaFe2-xNixAs2, FeSe1-xTex) auf zwei unterschiedlichen, industriell gefertigten Templaten hergestellt und detailliert charakterisiert. Mit Hilfe der Rückstreuelektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop wurde das Korngrenzennetzwerk der Schichten analysiert, während der lokale Stromtransport mit Hilfe einer Rastersondentechnik untersucht wurde. Auf der Basis wurden anschließend einzelne Korngrenzen für eine detailliertere Charakterisierung im Transmissionselektronenmikroskop ausgewählt. Die Untersuchungen an den Kupratschichten zeigten auf der lokalen Ebene nur geringfügige strukturelle Änderungen mit zunehmender Dotierung oder einer Substitution des Yttriums. In allen Fällen wurde das Korngrenzennetzwerk von der verwendeten Unterlage in die Supraleiterschicht übertragen. Untersuchungen des lokalen Stromtransportes wiesen eine homogene Verteilung auf Bändern auf, in denen die Textur durch eine ionenstrahlunterstützte Deposition eingeprägt wurde. Demgegenüber wurde eine deutliche Granularität auf Substraten beobachtet, für die texturierte Ni-W-Legierungen verwendet wurden. In diesem Fall reduzierte sowohl die Schichtdicke, als auch die Dotierung den Einfluss der Kornstruktur auf die Supraleitung. Im Vergleich dazu gelang es auf Grund der ungünstigen Oberflächenmorphologie nicht, die lokale Struktur Fe-basierter Supraleiterschichten zu charakterisieren. Dagegen zeigte die lokale Stromverteilung das gleiche Verhalten wie es für Kuprate beobachtet wurde. Die Analyse einzelner Korngrenzen machte deutlich, dass neben der Korngrenze auch die Orientierung der Templatoberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Struktur und den lokalen Stromtransport hat.

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