Bestimmung der kritischen Stromdichte von Bandsupraleitern mit optimierten Korngrenzen

Diplomarbeit von Stephan Leitenmeier

Einleitung:

Seit der Entdeckung des supraleitenden Zustandes durch Heike Kamerlingh Onnes und seine Mitarbeiter im Jahr 1911 ist die nutzbringende Verwendung dieses interessanten Phänomens Gegenstand zahlreicher Überlegungen und auch Wunschvorstellungen. Stellte sich doch schon Onnes kurz nach seiner Entdeckung leistungsfähige Magnete aus Supraleitern vor, die Magnetfeldstärken erzeugen können jenseits der Möglichkeiten von Spulen aus normalen Leitermaterialien. Nahezu unvorstellbare Ströme fließen durch dünne Kabel aus Supraleitern und versorgen so verlustfrei ganze Großstädte. Der Traum vom gewaltigen Elektrodauermagneten oder von der Großstadt am Suprakabel endet jedoch ebenso plötzlich wie der supraleitende Zustand beim Überschreiten einer bestimmten, für die erhoffte Anwendung meist viel zu kleinen, kritischen Feldstärke oder Stromdichte.

Obwohl die Möglichkeit der sofortigen technischen Nutzung von Supraleitern nicht gegeben war, wurde das Phänomen „Supraleitung“ weiter intensiv erforscht. Experimentelle und theoretische Erkenntnisse über die Supraleitung wurden stetig erweitert. Mit dem wachsenden Verständnis der Supraleiter ergaben sich nun durch neue Erkenntnisse und verbesserte Materialien auch Anwendungsmöglichkeiten, wie \\zB Magnetspulen aus optimierten NbTi-Legierungen oder Nb3Sn für Anwendungen im Labor, in Teilchenbeschleunigern und Speicherringen oder in der Medizin. Aber nicht nur leistungsstarke Magnete für sehr hohe Feldstärken sind mit modernen Supraleitern möglich. Auch hochempfindliche Magnetfeldsensoren, sog. SQUIDs, werden in vielen Labors für Messungen winzig kleiner Feldstärken eingesetzt. Sie sind so empfindlich, dass sich sogar die Herzströme eines noch ungeborenen Kindes im Mutterleib detektieren lassen.

Durch die Einschränkung der Supraleitung auf sehr tiefe Temperaturen unterhalb von 23K waren jedoch nur Anwendungen in Spezialgebieten sinnvoll. Ein weiter Einsatz der Supraleiter, z.B. in Kabeln zum Transport elektrischer Energie über große Distanzen, war durch den hohen Aufwand für die Isolation und Kühlung unwirtschaftlich.

1986 wurde von J.G.Bednorz und K.A.Müller Supraleitung bei einer wesentlich höheren Temperatur als in den bisher bekannten Supraleitern in einem keramischen Mischoxid entdeckt. Diese Entdeckung bewirkte eine stürmische Suche nach ähnlichen Substanzen und in schneller Folge die Entdeckung weiterer Hochtemperatursupraleiter mit immer höheren kritischen Temperaturen. Bereits ein Jahr nach der Entdeckung von Bednorz und Müller wurde Supraleitung im Material YBCO bei 92K nachgewiesen. Mit Sprungtemperaturen über der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffes von 77K ist der Aufwand zur Kühlung für den Betrieb von Hochtemperatursupraleitern erheblich geringer als bei den klassischen supraleitenden Materialien. Damit sind weite Anwendungsfelder für diese neuen Supraleiter und auch eine wirtschaftliche Nutzung möglich.

Obwohl die neu entdeckten Hochtemperatursupraleiter theoretisch noch nicht voll verstanden sind, wird bereits intensiv an ihrer technischen Anwendung gearbeitet. Einige Materialien, wie etwa Bi-2223, werden bereits technisch eingesetzt. Doch die Eigenschaften des Supraleiters YBCO sind in vieler Hinsicht noch besser für Anwendungen geeignet als die von Bi-2223. YBCO ist deswegen für einen technischen Einsatz von besonderem Interesse.

Die spröden Materialien YBCO und Bi-2223 werden für viele technische Anwendungen, wie z.B. die Kabelherstellung, in polykristalliner Form verwendet. Ihre starke Anisotropie bewirkt, dass Korngrenzen zwischen den einzelnen Kristalliten begrenzend für den kritischen Strom in diesen Supraleitern sind. Eine Ausrichtung der einzelnen Kristallite wird für hohe Stromdichten erforderlich. Bei Bi-2223 ist dies für die Kabelherstellung im „Powder-in-Tube“-Verfahren bereits gelungen. Ein YBCO-Kabel kann auf diese Weise jedoch nicht mit brauchbaren Eigenschaften hergestellt werden. Man geht einen anderen Weg und bringt YBCO in dünnen Schichten auf einen Bandleiter auf. Dadurch erhält man eine flexible und für Kabel nutzbare Form. Aber auch in der YBCO-Schicht eines Bandleiters ist eine gute Ausrichtung der einzelnen Körner erforderlich. Die kritischen Ströme an Korngrenzen in \\YBC wurden deswegen sehr genau untersucht. Ausgehend von einem besseren Verständnis der Vorgänge an den Korngrenzen wurden Methoden entwickelt, die kritischen Ströme über die Korngrenzen zu erhöhen. Besonders bemerkenswert ist dabei, dass vor kurzem durch selektives Dotieren von Korngrenzen in \\YBC mit Kalzium eine deutliche Steigerung der kritischen Stromdichten der Grenzen bei 77K erreicht werden konnte. Es ist nun zu erwarten, dass diese, zunächst an isolierten Korngrenzen auf Bikristallen beobachtete Verbesserung, auch in polykristallinen Bandleitern Vorteile bewirkt. Dies zu untersuchen ist mit Thema dieser Arbeit.

In dieser Diplomarbeit werden Möglichkeiten untersucht, die kritischen Stromdichten in Bandsupraleitern zu verbessern. Mittels einer Computersimulation wird gezeigt, dass eine Veränderung der Form der Körner im polykristallinen YBCO in Richtung zu einer größeren Aspektrate der Körner eine erhebliche Steigerung des kritischen Stromes im Bandleiter bewirken kann. Der experimentelle Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Messung der kritischen Stromdichten von RABiTS-Bandleitern in starken Magnetfeldern. Durch Vergleichsmessungen an Proben vor und nach einer Korngrenzendotierung soll deren Einfluss auf das Magnetfeldverhalten untersucht werden.

Gang der Untersuchung:

Nach einem kurzen Blick auf die Entdeckungsgeschichte der Supraleitung, ihrer theoretischen Beschreibung und einiger ihrer Grundphänomene im ersten Kapitel beschäftigt sich das zweite Kapitel mit dem Hochtemperatursupraleiter YBCO. Seine Struktur und seine Eigenschaften, sowie der Aufbau von Korngrenzen in diesem Material werden dargestellt. Die Transporteigenschaften der Korngrenzen, Modelle zu ihrer Beschreibung und Versuche zur Optimierung der Korngrenzeneigenschaften bilden wichtige Voraussetzungen für den Hauptteil dieser Arbeit und werden deswegen genauer beschrieben.

Mögliche Anwendungsgebiete für Supraleiter und supraleitende Kabel, sowie Anforderungen für ihren technischen Einsatz werden im dritten Kapitel vorgestellt. Außerdem stellt dieses Kapitel einige Herstellungsprozesse für Bandleiter aus YBCO vor. Dabei wird besonders auf das RABiTS-Verfahren und den perkolativen Mechanismus des Stromtransportes in RABiTS-Bändern eingegangen.

Im vierten Kapitel wird ein Algorithmus zur Berechnung des kritischen Stromes eines Korngrenzennetzwerkes vorgestellt und erläutert. Erweiterungen und Verbesserungen, die für diese Arbeit am Algorithmus vorgenommen wurden, werden ausführlich dargestellt und erklärt. Dieses verbesserte Verfahren ist die Grundlage für die im fünften Kapitel beschriebene Analyse der Auswirkungen einer Aspektratenerhöhung der Körner auf die kritische Stromdichte von Bandleitern. Es wird dabei als Ergebnis dieser Untersuchungen ein erstaunlich hohes Potential für die Optimierung von Bandleitern auf diesem Wege erkannt.

Nach den bisher eher theoretischen Ausführungen beginnt mit dem sechsten Kapitel der experimentelle Teil dieser Arbeit. Es werden Messungen der Ic(B)-Kennlinie an RABiTS-Stegen in starken Magnetfeldern durchgeführt. Die gemessene Probe und der Aufbau des Experiments werden dabei genau beschrieben. Es werden auch Probleme mit dem Aufbau geschildert, die sich bei den Messungen zeigten. Im siebten Kapitel werden schließlich die Resultate dieser Messungen präsentiert.

Zum Ende der Arbeit werden die wichtigsten Ergebnisse nochmals kurz zusammengefasst und ein Ausblick gegeben. Im Anhang sind tabellarisch die Rechenergebnisse aus dem fünften Kapitel und in Form von Diagrammen die Messergebnisse dieser Arbeit zusammengestellt. Es ist zudem der Quelltext des für diese Arbeit erstellten Computerprogramms wiedergegeben.

Inhaltsverzeichnis: