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Current transport imaging of RE(=Gd, Sm)Ba2Cu3O7 coated conductors by laser-scanning microscopy

Title
Current transport imaging of RE(=Gd, Sm)Ba2Cu3O7 coated conductors by laser-scanning microscopy
Authors
김그라시아
Issue Date
2013
Department/Major
대학원 물리학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
조윌렴
Abstract
We report physical characterization of high-temperature superconducting GdBa2Cu3O7-y (GdBCO) and SmBa2Cu3O7-y (SmBCO) coated conductors grown on ion-beam assisted deposition (IBAD) MgO templates. The architecture of the conductors measured in this study is Ag(5 um) / REBCO(1 ~ 5 um) / LaMnO3(30 nm) /MgO(40 nm) /Y2O3(10 nm) /Al2O3(20 nm) /Hastelloy(80 um). The GdBCO films show extremely high critical current (Ic) of 1530 A/cm-w and a 4.4 MA/cm2 critical current density (Jc) at 77K and a self-field, and 93.1K of critical temperature (Tc) respectively. The SmBCO films show a very high Ic of 1020~1560 A/cm-w and Jc of 2.5~3.0 MA/cm2 at 77K and a self-field. Tc is 93.5K. In order to investigate the current limiting mechanism of REBCO (RE=Sm, Gd) coated conductors, we have visualized the local microstructures and current transport by using several novel microscopes such as laser-induced thermoelectric (LITE) imaging and low-temperature laser scanning microscopy (LTLSM). LITE and LTLSM were investigated at room temperature (RT) and current flow dissipation at near Tc, respectively. LITE allows us to investigate the map of impurities such as second phases, defects and tilted grains due to different thermal gradients. LTLSM shows that two-dimensional imaging of distributed parameters in the superconducting films as a function of the local critical current at superconducting state. In LITE and bias current dependent LTLSM images show strongly uniform surface area and current distribution. Combining with the two techniques, we obtained correlation between local disorders and spatially distributed flux flow dissipation in micrometer scale. We have also used the micro-Raman scattering imaging to analyze the spots which are supposed as non-uniform regions by LITE and LTLSM image. In micro-Raman scattering spectroscopy, high voltage regions are linked to broken-chain mode and secondary phases. High voltage response regions do not consist of only 123 phase. Combination of both the methods allows us to imaging of spatially resolved transport properties in REBCO coated conductors, indicating that the current flow is affected by distribution of defects in a uniform matrix. It has been found that local Jc in the uniform area is 25 % higher than the global Jc that is limited by the local obstacles in REBCO surface. Both techniques can be used for quality control of conductor manufacturing processes as well as for enhancement of the materials properties and inspection of transport phenomena with a comparable speed of inspection.;IBAD-MgO 금속 기판에 동시 증발 증착법 (reactive co-evaporation system)을 이용하여 제작한 박막형 고온초전도선재에 대한 국소적 특성이 선재의 초전도 특성에 미치는 영향을 파악하고 이를 제작 공정에 적용하여 선재의 품질 개선에 기여하고자 연구를 진행하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 레이저 열전 이미징 (laser-induced thermoelectric imaging, LITE)과 저온 주사 레이저 현미경 (low temperature laser scanning microscopy, LTLSM)을 이용하여 마이크로 단위의 시료의 미세 구조와 저온에서의 전류수송 특성을 시각화하고, 각 위치에서의 성분을Raman 분광법을 통하여 정량적으로 분석을 하였다. 그 외에도 시료의 성장 특성, 고해상도의 표면 및 조성 등의 분석은 주사 전자 현미경 (Scanning electron microscopy, SEM), x-선 회절 분석 등을 통하여 선재의 특성을 조사하였다. 사용한 제 2세대 선재는 SmBa2Cu3O7 (SmBCO), GdBa2Cu3O7-y (GdBCO) 두 종류로 각각 한국 전기 연구원과 ㈜서남에서 제작되었다. 편광 Raman스펙트럼은 다른 REBCO (RE = 희토류) 물질과 마찬가지로 몇 가지 진동모드를 확인 할 수 있었으며 이는 적어도 측정에 이용된 시료가 REBCO phase로 잘 성장된 것을 의미한다. 시료에서 보이는 ~315cm-1은 CuO2 plane 안에서의 out-of-phase mode O(2)+/O(3)-이며, 440cm-1의 근처에서 보이는 peak는 CuO2 plane 안에서의 in-phase mode O(2)+/O(3)+이며 각각의 peak는 c축으로 성장한 시료에서는 최대, 최소가 되어야 하는 peak이다. 이 두 peak의 크기와 비율을 통하여 시료가 c축으로 잘 성장했는지를 확인할 수 있다. 507cm-1은 apical O(4) mode로 산소 양을 분석하여 충분한 doping이 이루어졌는가를 알 수 있고, 600cm-1이상에서 관측된 peak를 통하여 이차상(secondary phase)을 분석함으로써 Ba-Cu-O의 존재를 알아낼 수 있었다. 또한 XRD로 확인되지 않는 시료의 defect의 한 종류인 ~220, ~600 cm-1 근처의 broken-chain mode 역시 Raman 분광법을 통하여 관측되었다. 측정 전 시료의 표면 위에 노광 (photolithography)과 화학적 습식 (wet-etching) 과정을 사용하여 150m 1000m 크기의 브릿지를 만들었다. 상온에서 측정한 제백 효과를 이용하여 측정하는 열전 이미징에서는 약 4~5 V의 반응 전압을 보이며 불순물 (impurities), 이차상, 표면 위의 틀어진 grain, grain boundary 등의 위치 등을 시각화하여 확인 할 수 있었다. 또한 임계 온도 이하의 초전도 상태에서 임계 전류 이상의 바이어스 전류를 걸어주면서 측정하는 주사 전자 현미경은 바이어스 전류가 증가함에 따라서 시료 표면의 약한 부위부터 flux flow 전압이 인가 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 바이어스를 임계전류의 약 1.5배 정도 크게 흘려주어도 전압이 나타나지 않는 부분이 관측 되었는데 이는 매우 균일한 부분으로 이를 잘 조정하면 기존의 임계 전류보다 약 30% 이상 큰 임계 전류를 만들 수 있는 것을 의미한다. 또한 위의 두 측정으로부터 균일하게 성장되지 못한 부분이라 생각되는 지점에서 마이크로 Raman 스펙트럼을 측정한 결과 broken-chain mode, in-phase mode 및 Ba2O3, BaCuO3 등의 이차상 관련 peak가 크게 관측 되었다. 위에서 사용한 레이저 열전 이미징 과 저온 주사 레이저 현미경은 빠른 조사 속도와 간편한 방법으로 선재 공정의 특성 조사를 위한 매우 유용한 방법임을 확인할 수 있었고, 이 결과를 공정에 적용하면 좀 더 나은 특성의 선재 개발에 기여할 것으로 생각된다.
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일반대학원 > 물리학과 > Theses_Ph.D
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