Synthesis of Nb-Sn thin films

The purpose of this work is to study how to obtain Nb3Sn thin films trough electrochemical processes that can be applied as coating for surface radiofrequency cavities (SRF). SRF cavities are fundamental components of particles accelerators so far built in bulk Nb. Nb3Sn is a superconductive material with A15 crystalline structure already used mainly in superconducting wires and magnets technology. Improvements in material fabrication and treatments are bringing Nb close to its superconducting limit. For this reason new materials will be employed in the future to increase SRF performances and Nb3Sn is a good candidate for this purpose because of its high superconducting properties (critical temperature Tc=18,3K; upper critical field Hc2=30T). Moreover, the higher Tc with respect to the one of Nb (9,2 K) allows for working at higher temperatures, thus reducing the costs of the cooling system. This master thesis work is the continuation of researches about the electrodepostion of Nb3Sn superconducting thin film started from the collaboration of Politecnico di Milano with Fermi National Accelerator Laboratory . Nb3Sn thin film technology has developed in last twenty years, mainly focusing on vapor diffusion processes and sputtering techniques. Electrodeposition represents a cheaper alternative to these processes that does not need a vacuum system and can be carried out on complex shapes. A first part of the work has been performed at Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) in Batavia, IL, USA. Starting from an already established process consisting in the deposition from liquid electrolyte on Nb substrate of a Cu/Sn/Cu film (3 step deposition process) followed by a thermal treatment, the research focused on the definition of current densities ranges for the deposition, the reproducibility of the process and the effect of electrodes geometry. Samples morphology and composition were evaluated by SEM (Scanning Electron Microscopy) and EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) analysis before and after the thermal treatment. Some superconductive samples have been obtained with critical field up to 14T and critical current density up to 215 A/cm2. The second part of the work has been developed at Politecnico di Milano in the department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering. There, the research about an improved electrodeposition process from ionic liquids (BMIC with SnCl2 and NbCl5) has continued. The advantage of this kind of deposition is that the film is obtained by a single step and the electrodeposition is performed on Cu substrates instead of Nb, reducing in this way the material costs and the quench risk. From previous work, pulsed deposition has been selected: the effect of the electrolyte composition and electrochemical parameters as duty cycle and pulse period on the composition, thickness and film morphology have been studied. The film thickness and composition were evaluated by XRF (X-ray Fluorescence) measurements, while for some samples also XRD (X-ray diffraction), SEM and EDS analysis were performed. In this way homogeneous film richer in Sn than in Nb were obtained: characteristic peaks of Nb3Sn are present in some XRD patterns. In a second moment Nb and Ta barrier layers were added in between the Cu substrate and Nb-Sn electrodeposited film to allow for samples post treatment. In particular a thermal treatment and an electron beam treatment were done after the electrodeposition process, resulting in the formation of new Nb-Sn phases among which Nb3Sn. Unfortunately, so far, it was not possible to perform any superconductive tests on these sample.

L’obiettivo di questa tesi consiste nella deposizione per via elettrochimica di film sottili di Nb3Sn. Il Nb3Sn è un materiale con struttura cristallina A15, dalle ottime proprietà superconduttive. Attualmente è utilizzato per la produzione di cavi superconduttori ed elettromagneti, ma l’obiettivo è quello di introdurlo anche nella produzione di cavità di risonanza (SRF). Quest’ultime sono dispositivi ampiamente utilizzati negli acceleratori di perdicele, indispensabili per la fasi di accelerazione, al momento costruite interamente in Nb. Purtroppo, i recenti sviluppi nell’ambito di questa tecnologia hanno spinto il Nb molto vicino ai limiti teorici di superconduttività: per questo motivo la ricerca sta cercando nuovi materiali da impiegare nell’ambito delle cavità di risonanza, tra cui il Nb3Sn è sicuramente un buon candidato date le proprietà superconduttive di gran lunga migliori rispetto a quelle del Nb (temperatura critica Tc=18,3K; campo magnetico critico Hc2=30T). Essendo molto fragile, il Nb3Sn non può essere impiegato direttamente come principale costituente delle cavità, ma può essere invece prodotto come film sottile di rivestimento interno. Diverse tecniche di deposizione sono state studiate negli anni con l’obiettivo di rivestire internamente cavità di risonanza, tra queste principalmente tecniche PVD. L’elettrodeposizione si propone come alternativa più economica, non necessita infatti l’ausilio della tecnologia del vuoto, che permette anche la deposizione su geometre complesse. Questo progetto di ricerca è la prosecuzione di due lavori nati dalla collaborazione del Politecnico di Milano con il Fermi National Accelerator Laboratory. Una prima parte del lavoro è stata svolta all’interno dei laboratori del Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) in Batavia, IL, USA. Il punto di partenza di questa parte è un metodo tramite il quale film superconduttivi sono già stati ottenuti, che unisce l’elettrodeposizione da elettroliti acquosi e un trattamento termico col fine di ottenere uno stato di Nb3Sn su un substrato di Nb. Un film composto da tre stati alternati di Cu/Sn/Cu viene depositato per via elettrochimica su un substrato di Nb; successivamente un trattamento termico viene effettuato per indurre la formazione di Nb3Sn tramite l’interdiffusione di Sn e Nb. Durante questo lavoro sono stati studiati principalmente i ranges di densità di corrente che permettessero un’adeguata deposizione, l’effetto della geometria degli elettrodi e la riproducibilità del processo. La morfologia e la composizione dei campioni sono state analizzate tramite SEM e EDS. Con questo metodo sono stati ottenuti alcuni campioni superconduttivi con campo magnetico critico di massimo 14T e correnti critiche fino a circa 215 A/cm2. La seconda parte del lavoro è stata sviluppata al dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano. Qua è stata portata avanti la ricerca su un nuovo metodo di elettrodeposizione da liquidi ionici (BMIC with SnCl2 and NbCl5) che permette la deposizione diretta di un film di Nb-Sn su substrati di Cu. Questo permetterebbe una notevole riduzione dei costi del materiale e limiterebbe il rischio di quench. Partendo dai risultati ottenuti da lavori precedenti, la deposizione in corrente pulsata è stata scelta ed è stato studiato l‘effetto di alcuni parametri elettrochimici (come periodo e duty cycle) e della composizione dell’elettrolita sullo spessore, la morfologia e la composizione finale del film. Per tutti i campioni, lo spessore del film e la composizione sono state misurate tramite XRF in seguito alle quali alcuni campioni sono stati selezionati per analisi XRD, SEM ed EDS. Con questo metodo film omogenei con un tenore di Sn maggiore di quello di Nb sono stati ottenuti. Nei pattern di diffrazioni di alcuni campioni è possibile identificare picchi caratteristici della fase Nb3Sn. In un secondo momento si è introdotto un barrier layer di Nb o Ta tra il substrato di cu e il film di Nb-Sn che permettesse l’esecuzione di un trattamento post-deposizione. In particolare un trattamento termico e un trattamento con electron beam sono stati eseguiti su alcuni campioni con l’intento di indurre la formazione della fase Nb3Sn. Al momento non c’è stata la possibilità di misurare le proprietà superconduttive di nessun campione.