Enhancement of Critical Current Density and Underlying Vortex Pinning Mechanisms in (Gd, Ho)Ba2Cu3O7-δ = (Gd, Ho)Ba2Cu3O7-δ의 임계전류밀도 향상과 자속 고정 메커니즘에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Superconductivity has attracted continuous interest since its discovery, and extensive efforts have been devoted to discovering new superconductors and exploring their practical applications. Among them, rare-earth based cuprate superconductors, REBa2Cu3O7−δ (REBCO, RE = rare-earth), have been widely investigated due to their high superconducting transition temperature (Tc) and large critical current density (Jc). With these properties, REBCO bulks and coated conductors (CCs) have been widely used in practical applications such as trapped-field magnets and superconducting power devices, where their ability to carry large currents is essential. Despite the high Jc and excellent in-field performance of REBCO, further increases in Jc are demanded as application demands continue to increase and performance requirements continue to grow. Thus, enhancing Jc requires strengthening vortex pinning, and identifying effective routes to optimize the pinning landscape remains a central issue for the applications of REBCO superconductors. In this thesis, a systematic study of rare-earth substitution in REBCO was carried out to investigate its effects on Jc and vortex pinning.
Firstly, the effects of Ho substitution on Jc and vortex pinning in (Gd1-xHox)Ba2Cu3O7−δ (0 ≤ x ≤ 1) single grains and polycrystalline samples were systematically investigated. The superconducting transition temperature remained nearly unchanged with x, indicating that Ho substitution does not significantly degrade the intrinsic superconducting properties. The trapped-field measurement on the single grain did not reveal additional effect induced by Ho substitution. In contrast, a pronounced enhancement of Jc was observed at x = 0.5, particularly over a broad range of temperatures and magnetic fields, and this trend was consistently observed in both polycrystalline and single grain. To clarify the origin of this enhancement, the temperature dependence of Jc and the normalized pinning force under various magnetic fields were analyzed. The results suggest that Ho substitution introduces an additional contribution to vortex pinning beyond the conventional pinning mechanisms typically observed in REBCO single grain system.
Secondly, (Gd1-xHox)Ba2Cu3O7−δ thin films (0 ≤ x ≤ 1) were fabricated by pulsed laser deposition (PLD) to reproduce the trends observed in the single grain and polycrystalline samples, allowing a more detailed investigation of the enhancement of Jc and the underlying vortex pinning mechanisms in thin film form. Structural characterization confirmed high crystalline quality of the PLD grown films. Transport I-V measurements showed that Jc was maximized at x = 0.5 in the low-field regime. However, unlike the bulk samples, the x = 0.5 films did not show a clear Jc enhancement at higher fields. This difference may be related to the strong angular dependence of Jc in REBCO films, motivating further angular-dependent Jc(θ) measurements.
These findings demonstrate that rare earth site substitution can provide a viable pathway to reinforce vortex pinning while maintaining Tc, offering a practical route toward enhancing Jc for superconducting applications of REBCO.

국문 초록 (Abstract)

초전도의 발견 이후 새로운 초전도체와 이를 응용으로 확장하기 위한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다. 그중 희토류 기반 구리계 초전도체인 REBa2Cu3O7−δ (REBCO, RE = 희토류 원소)은 높은 초전도 임계온도(Tc)와 큰 임계전류밀도(Jc)로 인해 응용 관점에서 폭넓게 연구되어 왔다. 이러한 특성을 바탕으로 벌크 및 선재 형태의 REBCO는 높은 전류 운반 능력을 바탕으로 강한 자기장을 구현하는 착자자석과 초전도 전력기기 등 다양한 응용에 활용되고 있다. 이미 높은 Jc와 우수한 자기장 하 특성을 보이는 REBCO 지만, 응용 수요의 확대와 성능 요구의 증가에 따라 더 높은 Jc가 요구되고 있다. 따라서 Jc를 향상시키기 위해서는 볼텍스 꽂음(vortex pinning)을 강화해야 하며, 볼텍스를 효과적으로 고정시킬 방법을 찾는 것은 REBCO 초전도체의 응용을 위한 중요한 과제로 남아 있다. 본 학위논문에서는 REBCO의 희토류 자리에 다른 희토류를 치환함에 따른 Jc와 그의 볼텍스 꽂음 효과를 체계적으로 조사하여 양상을 규명하고자 하였다.
먼저, (Gd1-xHox)Ba2Cu3O7−δ (0 ≤ x ≤ 1) 단일결정립(single grain)과 다결정 시료에서 Ho 치환이 Jc와 볼텍스 고정에 미치는 영향을 비교 및 분석하였다. 치환 비율에 따른 Tc의 변화가 없는 것을 통해, Ho의 치환이 본질적인 초전도 특성을 크게 저하시키지 않음을 확인하였다. 단결정 시료의 착자 자기장(trapped-field) 측정에서는 Ho 치환에 의한 추가적인 효과를 확인하지 못하였다. 반면, 임계전류 측정에서는 x = 0.5 비율에서 Jc의 급격한 향상이 관측되었으며, 이 경향은 넓은 온도 및 자기장 범위에서 관찰되었고 단일결정립과 다결정 시료에서 공통적으로 확인되었다. 이러한 향상의 원인을 규명하기 위해 Jc의 자기장 조건에 따른 온도의존성과 정규화된 꽂음힘(normalized pinning force)을 분석하였다. 그 결과 Ho 치환은 REBCO에서 일반적으로 관찰되는 기존 핀닝 메커니즘에 기여하는 추가적인 볼텍스 꽂음 메커니즘를 유도함을 확인하였다.
다음으로, 단일결정립과 다결정에서 관찰된 경향을 재현하고 박막 형태에서의 Jc 향상과 그에 수반되는 볼텍스 꽂음 메커니즘을 보다 자세히 조사하기 위해, Gd1-xHoxBa2Cu3O7−δ 박막 (0 ≤ x ≤ 1) 을 펄스 레이저 증착(PLD)으로 제작하였다. 구조 분석 결과 PLD로 성장된 박막은 높은 결정성을 갖는 것으로 확인되었다. I-V 측정을 통해 저자기장 영역에서 x = 0.5 박막의 Jc가 최대가 됨을 확인하였다. 그러나 벌크 형태의 시료들과 달리, x = 0.5 박막에서는 고자기장 영역에서 뚜렷한 Jc 향상이 관찰되지 않았다. 이러한 차이는 REBCO 박막들에서 흔히 나타나는 Jc의 각도 의존성(angular dependence)과 관련될 가능성이 있음을 확인하였으며, 향후 Jc(θ) 측정을 통해 박막에서의 Ho 치환 효과를 추가로 규명할 필요가 있다.
종합하면, 본 연구를 통해 희토류 자리 치환이 Tc를 유지하면서 볼텍스 꽂음을 강화할 수 있는 방법이 될 수 있음을 보였으며, REBCO 초전도체의 응용을 위한 Jc 향상에 실질적인 방향성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Figures v
• List of Tables xi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Introduction of Superconductivity 1
• 1.2 Type II Superconductors & Vortex Physics 3
• 1.3 Critical Current Density in Type-II Superconductors 8
• Chapter 2. Experimental methods 15
• 2.1 Growth of REBCO single grains 15
• 2.2 Deposition of REBCO films 22
• 2.3 Trapped-Field measurements 26
• Chapter 3. Enhanced Jc and Underlying Vortex Pinning Mechanisms in (Gd, Ho)Ba2Cu3O7-δ 29
• 3.1 Overview of REBa2Cu3O7-δ superconductors 29
• 3.2 Motivation and approach 31
• 3.3 Characterization of (Gd, Ho)BCO single grain 33
• 3.4 Magnetic properties of (Gd, Ho)BCO single grain 35
• 3.5 Trapped-Field of (Gd, Ho)BCO single grain 38
• 3.6 Analysis of pinning mechanisms 41
• 3.7 Conclusion 49
• Chapter 4. Enhanced Jc in (Gd, Ho)Ba2Cu3O7-δ films 50
• 4.1 Overview and motivation 50
• 4.2 Structural characterization of (Gd, Ho)BCO films 51
• 4.3 Superconducting properties and Jc of (Gd, Ho)Ba2Cu3O7-δ films 54
• 4.4 Conclusion 59
• Bibliography 61
• Appendix A. Single crystal growth by various methods 63
• A.1 Ambient pressure growth of La4Ni3O10 nickelate 63
• A.2 Flux growth of CrSiTe3 65
• A.3 Floating zone growth of CaFe3O(PO4)3 67
• Bibliography 70
• List of Publications 71
• 국문 초록 72