Uso de sales inorganicas y nanoparticulas en el crecimiento de capas delgadas superconductoras por csd

Resumen

En este trabajo se ha presentado el uso de sales inorgánicas y soluciones de nanopartículas en la síntesis y caracterización de capas delgadas nanocompuestas de YBCO/nanopartículas por CSD. Con el objetivo de aumentar el número de centros artificiales de anclaje de vórtices y de este modo aumentar las propiedades superconductoras del YBCO. La síntesis de capas nanocompuestas ha sido realizada siguiendo dos aproximaciones diferentes que hemos denominado: Aproximación in-situ y aproximación ex-situ. En la aproximación in-situ, el crecimiento de las nanopartículas tiene lugar de forma en el mismo proceso de síntesis de la capa de YBCO. Para ello, una sal precursora de las partículas es añadida a la solución precursora de YBCO-TFA. Mientras, en la aproximación ex-situ, una solución coloidal de nanopartículas previamente sintetizada y caracterizada es usada como solvente de la solución precursora de YBCO-TFA. Esta aproximación supone un nuevo método sintético a la síntesis de capas delgadas nanocompuestas de óxidos cerámico/nanopartículas del que a nuestro conocimiento no existían precedentes al inicio de ésta tesis. El uso de soluciones coloidales de nanopartículas preformadas y caracterizadas (aproximación ex-situ) permite un mayor control de las propiedades de las nanopartículas: Tamaño, forma y estequiometría de las mismas como un mejor conocimiento y control de cómo varían las propiedades del superconductor con las nanopartículas que constituyen la segunda fase. En este sentido se han sintetizado en primer lugar capas delgadas YBCO/Ag mediante la aproximación in-situ y donde se ha comprobado que no es posible sintetizar capas nanocompuestas de YBCO/Ag debido a que la plata sublima durante el proceso térmico de la síntesis de capas de YBCO-TFA. Sin embargo, y a pesar de no poder sintetizar capas nanocompuestas YBCO/Ag se ha visto que existe un aumento de las propiedades superconductoras del YBCO como consecuencia de una importante mejora de las propiedades microestructurales de las capas de YBCO. No obstante, la característica más relevante de estas capas es que la densidad de corriente crítica medida a 77 K y autocampo permanece constante en un amplio rango de temperaturas, 810 ºC-720 ºC. Esta característica abre la posibilidad a la síntesis de capas y cintas superconductoras de YBCO a temperaturas de reacción más bajas sin que se produzca degradación de las propiedades superconductoras y evitando o al menos disminuyendo la reactividad química entre YBCO y capas tampón y/o oxidación de los sustratos metálicos. En el desarrollo de la aproximación ex-situ a la síntesis de capas nanocompuestas ha sido necesario la síntesis soluciones coloidales de nanopartículas preformadas que posteriormente son usadas como disolvente de la solución precursora de YBCO-TFA. Así, basándonos en síntesis bibliográficas se han preparado y caracterizado tres tipos de soluciones coloidales de nanopartículas de oro solubles en metanol o etanol: Au@PVP; Au@Ps/DVB y Au@SPhOH con diferentes tamaños y concentraciones. Mientras que soluciones coloidales de nanopartículas de óxidos tipo ferrita, MFe2O4, estabilizadas con oleilamina y TREG estables en disolventes apolares y polares respectivamente. La síntesis de estas nanopartículas supone un nuevo método de síntesis de soluciones coloidales de nanopartículas de MFe2O4. Con una estrecha distribución de tamaño y buenas propiedades magnética, siendo M: Fe, Co, Mn, Cu y Zn, para nanopartículas estables en hexano. Y M: Fe y Co para nanopartículas estables en etanol. Esta nueva síntesis destaca por el hecho de que los reactivos usados no son ni tóxicos ni sensibles a las condiciones atmosféricas; por lo que puede ser fácilmente escalable con bajo coste de producción. En primer lugar y a través de la síntesis de capas nanocompuestas de YBCO/nanopartículas de oro se ha realizado un estudio comparativo (in-situ/ex-situ) para estudiar la validez de la aproximación ex-situ en la síntesis de capas nanocompuestas. En ambas aproximaciones las nanopartículas de oro han sido encontradas en la superficie de la capa del YBCO; como consecuencia de la gran tendencia del oro a migrar hacia la superficie de la capa; dado la alta energía de interfase que existe entre YBCO y oro. Sin embargo se ha encontrado que existe un comportamiento muy diferente de las nanopartículas en la superficie de las capas de YBCO. Así, mientras que en la aproximación in-situ las nanopartículas coalecen y encontramos que se forman grandes partículas de oro. En la aproximación ex-situ las nanopartículas de oro mantienen su tamaño original. Este diferente comportamiento surge como consecuencia de las diferentes propiedades físico-químicas que presentan partículas de oro sintetizadas en el proceso in-situ frente las nanopartículas presintetizadas. Este estudio comparativo ha mostrado que la aproximación ex-situ se muestra como una opción válida en la síntesis de capas nanocompuestas de YBCO/nanopartículas con soluciones coloidales de nanopartículas. En el caso del uso de nanopartículas de óxidos como son las nanopartículas de MFe2O4 y a diferencia con las nanopartículas de oro, las nanopartículas de MFe2O4 quedan embebidas en el interior de la matriz del YBCO consecuencia de la baja energía de interfase que existe entre las nanopartículas de óxidos y el YBCO (buena mojabilidad entre óxidos); Las capas nanocompuestas de YBCO/nanopartículas Fe3O4 ha supuesto la primera síntesis de capas de YBCO nanocompuestas con altas concentraciones molares de nanopartículas que contienen hierro sin que exista disminución de la temperatura crítica de transición. Por otro lado, se ha encontrado que en las capas nanocompuestas de YBCO/nanopartículas de CoFe2O4, existe una disminución de las propiedades superconductoras del YBCO, bajos valores de Tc y Jc, como consecuencia de la reactividad existente entre nanopartículas y precursores del YBCO y que da lugar a la entrada de hierro y/o cobalto en la estructura cristalina del YBCO. Destaca en estas capas medidas donde se demuestra la coexistencia ferromagnetismo-superconductividad. Aunque queda pendiente determinar la influencia del ferromagnetismo de las nanopartículas en las propiedades superconductoras del YBCO. Resumiendo, podemos decir que la aproximación ex-situ es una alternativa viable a la síntesis de materiales nanocompuestos con el valor añadido que permite controlar las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas que constituyen la segunda fase del material nanocompuesto. Sin embargo, un mayor esfuerzo en la caracterización de la estructura y microestructura de las capas nanocompuestas crecidas mediante esta aproximación así como su posible aplicación a diferentes materiales tanto orgánicos como inorgánicos debe de ser realizada todavía. No debe olvidarse además que en todo momento la síntesis de las capas delgadas nanocompuestas se realiza mediante soluciones químicas lo que permite su fácil escalado a nivel industrial con bajo coste. Es por ello que resulta muy estimulante y conveniente seguir estudiando e investigando en el campo de la síntesis de materiales nanocompuestos con nanopartículas presintetizadas.