The buffer layer is need to protecting thermal diffusion of metal from metal substrate to the superconducting layer since we deposited the superconducting layer at high temperature and high pressure of $O_2$ such that is for the fabrication of coated conductor (CC) using high $T_c$ superconductor. The representative material for the buffer layer is YSZ. We need more buffer layers for the lattice mismatch between the Ni metal substrate and the superconducting layer, so we deposited $CeO_2$ or $Y_2O_3$ for the epitaxial growth. Such that $CeO_2$ and $Y_2O_3$ buffer layers must provide the crystallization and smooth surface morphology.
We deposited the $CeO_2$ and $Y_2O_3$ as $1^{st}$ buffer layer. The property of $Y_2O_3$ is smooth surface morphology and that of $CeO_2$ is good crystallization and having the wide window of deposition. $Y_2O_3$ grown epitaxially at 700℃ of substrate temperature under the $H_2O$ pressure with $2\times^{-5}$Torr. The $CeO_2$ grown epitaxially more wide window than $Y_2O_3$ that the substrate temperature is over 400℃ and the $H_2O$ pressure is over $6\times10^{-6}$Torr.
We deposited YSZ as the $2^{nd}$ buffer layer using DC reactive sputtering with offering the $H_2O$ as the reactive gas. Last buffer layer is $CeO_2$ that is for the good lattice match and crystallization.
SmBCO, DyBCO, SmDyBCO are candidates for the superconducting layer in the deposition using thermal evaporation. The properties of SmBCO such that crystallization, surface morphology, critical temperature, and critical current are closely connected with substrate temperature, $O_2$ pressure, deposition rate, and post $O_2$ annealing etc. In here we deposited superconducting layer at the range of 1∼6mTorr of $O_2$ pressure and 640∼750°C of substrate temperature. The best crystallization sample is for the 4mTorr and 700°C. When the substrate temperature is low the film is grown a-axis, and when the substrate temperature is high the film is grown tilted (103). As the $O_2$ pressure is increase and the substrate temperature is high, there are bigger CuO grains on the surface that suppress the superconducting properties.
Under the magnetic field vortices are formed in the superconductor. Vortices are moved by external current or variation of internal magnetic field. Vortex dynamics explains the movement of vortices. We understand these vortex dynamics in the case of superconducting film deposited on the STO bicrystal. We analyze hysteresis of the critical current density $(J_c)$ to the magnitude and direction of the magnetic filed.
Bicrystal gives one grain boundary (GB) that is cause of decrease of $J_c$. Vortices on the GB are easily moved by external magnetic field and current so we can not have to apply high magnetic field and current. Such vortex is named by Josephson(J-) vortex that is distributed on the GB and determines the $J_c$. We explained the hsyteresis of $J_c$ in the view of separation of magnetic field to perpendicular component and parallel component. In the case of the parallel component there is full penetration of magnetic field so we can apply the Bean or Kim critical state model, in the case of the perpendicular filed we apply the calculation of Brandt to the slab geometry like thin film.
Finally we calculated magnetic profile of the superconducting magnet that will be made by CC that is composed of metal substrate, buffer layers, superconducting layer, Ag or Cu (stabilizer). We considered anisotropy of CC that is represented by $J_c(B)$ having magnitude and direction of B. We used the FEMM4.0 program and $J_c(B)$ satisfied self-consistency. We modeled 6 cases $J_c(B)$ to the pinning that composed of intrinsic pinning, columnar pinning, and random pinning. The maximum magnetic field is 7.58T in the center when columnar pinning peak has 1/4 of intrinsic pinning. Only in the intrinsic pinning case that makes 6.14T. So the columnar pinning is important to the application.
We gave the columnar pinning effect as cooling the edge of the magnet that means Helmholtz coil. When the difference of temperature is 25K, the magnet is efficient.
고온초전도 선재 제작에 있어 완충층은 금속기판이 초전도층 증착시 금속이 Diffusion 하는 것을 막아주기 위하여 증착한다. 이러한 대표적인 물질은 YSZ인데, 이는 금속 기판 위에 곧바로 수직성장하기 어려우므로 $Y_2O_3$ 나 $CeO_2$ 를 증착한다. 이것은 금속기판 Ni과 격자상수를 맞추기 위한 것으로 무엇보다 결정성이 좋아야 하고, 표면이 매끄러워야 한다. 증착 결과 $Y_2O_3$ 는 표면이 매끄럽고, $CeO_2$ 는 결정성이 좋다. $Y_2O_3$ 는 700℃의 기판 온도와 물분압 $2\times10^{-5}Torr$ 에서 수직성장하고, $CeO_2$ 는 $Y_2O_3$ 에 비해 넓은 범위에서 쉽게 증착되어 $600^{O}C$의 이상의 기판 온도와 물분압 $6\times10^{-6}Torr$ 에서 수직성장을 한다. $CeO_2$ 나 $Y_2O_3$ 위에 YSZ를 물을 넣어주면서 DC reactive sputtering을 통해 증착한다. 마지막 완충층은 결정성이 좋은 $CeO_2$ 를 증착하여 결정성을 좋게 하고, 격자상수를 맞추어준다. 그리고 초전도층 SmBCO, DyBCO, SmDyBCO 등을 thermal evaporation으로 증착한다. SmBCO의 결정성, 표면, 임계온도, 임계전류 등의 특성은 증착 온도, 산소분압, 증착률, 증착 후 산소처리 등과 밀접한 관계가 있다. 여기서는 산소 분압 1~6mTorr의 범위와 기판 온도 640~750℃ 의 범위에서 증착하였다. 산소 분압이 5mTorr일 때 결정성이 가장 좋고, 온도가 낮을 때는 a축 성장을 하고, 온도가 높으면 (103) 성장을 한다. 그리고 산소 분압이 높고, 온도가 높을수록 표면에 생성되는 BaCuO 상들의 크기가 증가한다. 이러한 초전도층을 STO bicrystal에 증착하여 자기장의 크기와 방향에 따른 I-V curve의 Hysteresis를 분석해 보았다. Bicrystal은 하나의 Grain Boundary(Josephson junction)를 제공하여 임계전류밀도( )의 감소를 유발한다. 이 때의 는 Josephson vortex의 운동에 의해 결정된다. 자기장의 방향을 바꾸어 주면서 의 Hysteresis 현상을 얻었고, 이를 수평성분과 수직성분으로 나누어 이해해 보았다. 수평성분은 Bean 모델을 따르고, 수직성분은 Brandt 이론을 따르는 것으로 이해하고, 임의의 각에서는 두 성분을 곱하는 것으로 이해해 보았다. 초전도층을 가해지는 액체질소나 수증기로부터 보호하고, eddy current를 형성시켜서 초전도체의 vortex motion을 막아주어 quenching으로부터 보호하기 위해 안정화층으로서 은이나 구리를 증착하여 실제 응용에 사용한다. 이러한 Coated Conductor(CC)가 실제로 응용될 수 있는 자석에 대하여 계산하여 보았다. CC의 이방성을 고려하였을 때 자기장의 분포와 그로 인한 임계전류 변화를 고려하여 FEMM4.0 프로그램을 사용하여 가 self-consistency를 만족하도록 계산하였다. 에 대해 6가지 model을 세우고 그에 따른 자기장 분포를 계산해 보았다. Intrinsic pinning만 존재할 경우 자석 중심에서 형성되는 자기장은 6.14T이고, columnar pinning의 크기가 intrinsic pinning의 1/4이었을 때는 7.58T 이다. 즉 columnar pinning의 성분이 중요하게 작용함을 알 수 있다. 인위적으로 columnar pinning을 제작하기 위해서는 무거운 이온을 irradiation 하거나 nano-material을 patterning하여야 하는데, 이를 자석이 양단의 온도를 낮춤으로서 columnar pinning의 효과를 갖도록 하여 계산해 보았다. 가장자리의 온도와 중심부분의 온도 차가 25K 정도 일 때가 자기장이 효율적으로 증가한다.
