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Low-temperature co-sputtering for interlayer-free high performance Nb₃Sn thin film coated copper SRF cavities

Schäfer, Nils (2024)
Low-temperature co-sputtering for interlayer-free high performance Nb₃Sn thin film coated copper SRF cavities.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024755
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Low-temperature co-sputtering for interlayer-free high performance Nb₃Sn thin film coated copper SRF cavities
Language: English
Referees: Alff, Prof. Dr. Lambert ; Lützenkirchen-Hecht, Prof. Dr. Dirk
Date: 7 February 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 131 Seiten
Date of oral examination: 11 December 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024755
Abstract:

Thin film Nb₃Sn is a promising candidate to replace bulk niobium cavities for radiofrequency application. New materials, like Nb₃Sn, can increase cryogenic efficiency and acceleration gradients by lower surface resistivity or higher critical magnetic fields. Nb₃Sn co-sputtering is a technique able to control the sputtering rate and kinetic energy of the elements Nb and Sn separately. This allows precise control of the thin film growth and stoichiometry of Nb₃Sn thin films in a broad range. Using this method, it is possible to achieve a critical temperature Tc,0 (point of fully superconducting sample) of 16.8 K and a critical field Hc1 of 50 mT on copper substrate at only 480 °C and 60 min heat exposure without heat treatments after growth. An excellent homogeneity is demonstrated in surface plane and depth. The used synthesis temperature is shown to be sufficient low to suppress detrimental inter-diffusion of the elements. The produced samples strongly shield the external field in both directions, parallel and perpendicular to the external magnetic field. XRD patterns reveal a high phase purity for fast grown samples with a low defect concentration for synthesis temperatures above 400 °C and a strong texture for samples grown at high sputter power. The sputter power exhibits to promote growth of larger grains. However, it has been shown that unfavorable deposition parameters can be lead to inhomogeneous grain boundary conditions that form weak link networks. The origin is found in tin grain boundary segregations leading to performance limiting off-stoichiometry within the grains. Macroscopically, it leads to a broad transition width from normal to superconducting state and additional intermediate resistances appear within the transition. It is further shown how kinetic energy can contribute to homogenize the film and improve the grain boundary condition. Heat treatment of the Nb₃Sn thin films however, is demonstrated to promote grain growth, but also tin segregation and emphasize the grain boundary limitation. Magnetic flux jumps appear for measurements of thin films coated on fused silica substrates. It is then demonstrated that the flux jump issue can be solved by shunting via well conducting substrate (copper in this case) that fulfills the stability criterion. Deposited films of Nb₃Sn appear to have a surface roughness Rq in the range of 12 nm and grain sizes of up to 200 nm as well as an excellent adhesion shown by scratch and indentation tests. The thickness of Nb₃Sn thin films on copper has shown impact on the physical properties critical temperature Tc,0 and critical field Hc1. While the critical temperature decreases for decreasing thickness, the critical field is enhanced up to 190 mT at a film thickness of 240 nm. The low synthesis temperature together with excellent performance of the sputter-coated films pave the way to highly efficient Nb₃Sn thin film coated copper cavity for lowest power loss and optimal heat removal by the low surface resistivity of Nb₃Sn and high heat conductivity of copper.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Dünne Schichten aus Nb₃Sn sind ein vielversprechender Kandidat, um Vollmaterialkavitäten aus Niob für die Radiofrequenztechnologie zu ersetzen. Neue Materialien, wie Nb₃Sn, sind in der Lage die kryogene Effizienz und Beschleunigungsgradienten durch einen niedrigeren Oberflächenwiderstand und größere kritische magnetische Felder zu erreichen. Co-Sputtering von Nb₃Sn ist ein Prozess, der es ermöglicht die Sputterrate und die kinetische Energie der Elemente Nb und Sn separat zu kontrollieren. Das erlaubt eine präzise Kontrolle des Dünnschichtwachstums und der Stöchiometrie der dünnen Schichten aus Nb₃Sn in großem Maße. Mit dieser Methode ist es möglich eine kritische Temperatur Tc,0 (Punkt, an dem die Probe vollständig im supraleitenden Zustand ist) von 16.8 K und ein kritisches Feld Hc1 von 50 mT auf Kupfersubstrat bei lediglich 480 °C Substrattemperatur bei 60 min Haltedauer ohne Wärmebehandlung nach dem Aufwachsen. Eine exzellente Homogenität in der Oberfläche und Tiefe der Dünnschicht ist gezeigt. Die angewandte Synthesetemperatur ist ausreichend niedrig, um die Durchmischung der Elemente zu unterdrücken. Die erzeugten Proben schirmen das externe Feld überzeugend in beiden Orientierungen parallel und senkrecht zum externen Feld ab. Röntgendiffraktogramme zeugen von einer hohen Phasenreinheit der schnell gewachsenen Proben bei einer niedrigen Defektdichte für Synthesetemperaturen über 400 °C und eine deutliche Textur für Proben gewachsen bei hohen Sputterleistungen. The hohe Sputterleistung unterstützt das Wachstum großerer Körner. Jedoch können unvorteilhafte Abscheideparameter zu inhomogenen Korngrenzenzuständen führen, die ein Netzwerk schwacher Kopplung der Körner bilden. Der Ursprung ist gefunden in Zinnablagerungen an den Korngrenzen, die zu performanzeinschränkender Abweichung der Stöchiometrie innerhalb der Körner führen. Makroskopisch führt das zu einer großen Übergangsbreite vom normalleitenden zum supraleitenden Zustand und zusätzlichen Zwischenniveaus des Widerstandes am Übergang. Es ist weiterhin gezeigt wie kinetische Energie zur Homogenisierung der Schicht beiträgt und die Korngrenzenzustände verbessert. Wärmebehandlung zeigte, dass sie Korngrenzenwachstum unterstützt, jedoch auch Zinnablagerungen und Einschränkungen durch Korngrenzen verstärkt. Sprünge des magnetischen Flusses tauchen auf für dünne Schichten beschichtet auf Quarzglassubstraten. Es wird dann gezeigt, dass die Sprünge des magnetisches Flusses durch Überbrückung über ein gutleitendes Substrat (in diesem Fall Kupfer), das das Stabilitätskriterium erfüllt, gelöst werden. Auf Kupfer abgeschiedene Nb₃Sn Filme scheinen eine Oberflächenrauigkeit Rq in der Größenordnung 12 nm und Korngrößen von bis zu 200 nm, sowie eine exzellente Haftung, bestimmt durch Kratztests und Eindringhärteprüfung, zu haben. Die Dicke der dünnen Schichten aus Nb₃Sn auf Kupfer hat einen einen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften kritische Temperatur Tc,0 und kritisches Feld Hc1. Während die kritische Temperatur für niedriger Schichtdicken abnimmt, nimmt das kritische Feld bis auf 190 mT bei eine Schichtdicke von 240 nm zu. Die niedrige Synthesetemperatur zusammen mit exzellenter Performanz der sputterbeschichteten Filme ermöglichen die hocheffiziente Nb₃Sn Dünnschichtüberzogene Kupferkavitäten für niedrigste Leistungseinbußen und optimaler Wärmeabführung durch niedrigen Oberflächenwiderstand des Nb₃Sn und hoher Wärmeleitfähigkeit des Kupfers.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-247550
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
500 Science and mathematics > 530 Physics
500 Science and mathematics > 540 Chemistry
600 Technology, medicine, applied sciences > 600 Technology
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Advanced Thin Film Technology
TU-Projects: Bund/BMBF|05H18RDRB2|05H2018 STenCiL
DFG|GRK2128|TPZ GRK2128
Date Deposited: 07 Feb 2024 14:23
Last Modified: 09 Feb 2024 07:20
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24755
PPN: 515349186
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