Rev. Phys. Appl. (Paris) 25, 61-66 (1990)
DOI: 10.1051/rphysap:0199000250106100

Influence of grain size and stoichiometry on the electrical behaviour of YBa2Cu3O7-δ

D.S. Smith, S. Suasmoro, C. Gault, F. Caillaud et A. Smith

Ecole Nationale Supérieure de Céramique Industrielle, 47 à 73 Avenue Albert Thomas, 87065 Limoges Cedex, France

Abstract
The role of the microstructure for the electrical properties of polycrystalline YBa2Cu3O7-δ is examined. Experimental data are presented showing the effect of (i) variation in grain size and (ii) deviation from stoichiometry for YBa2Cu3O7-δ on the critical current density in « zero » field at 77 K and the room temperature resistivity. Firstly a strong decrease in the critical current density has been observed when an average grain size of 15 μm is exceeded. Large grains promote microcracks due to anisotropic volume changes during cooling from the sintering temperature. This causes a reduction in the effective current carrying cross-section of the material. Ultrasonic measurements were used to confirm an increase in the microcrack density for large grained samples. Secondly, a significant modification of the electrical properties was achieved for deviations from stoichiometry greater than 0.5 mole %. Previous work has shown that the presence of minor phases due to incomplete calcination or poor mixing leads to reduced critical current density. Deviations from stoichiometry of the initial powder will also promote minor phases. These two aspects must be taken into account in the choice of a suitable ceramic processing route.

Résumé
Cette étude est relative au rôle de la microstructure sur les propriétés électriques de YBa2Cu3O7-δ polycristallin. Les données expérimentales concernent les effets de la variation de taille de grains, d'une part, et l'écart à la stoechiométrie, d'autre part, sur la densité de courant critique à champ nul, mesurée à 77 K, et la résistivité à température ambiante. Tout d'abord, une forte décroissance de la densité de courant critique est observée lorsque la taille moyenne des grains excède 15 μm. Les gros grains favorisent les microfissures liées aux changements anisotropes de volume pendant le refroidissement depuis la température de frittage. Ces microfissures réduisent la section efficace du matériau capable de transporter le courant. Les mesures par ultra-sons confirment qu'il existe une augmentation de la quantité de microfissures dans les échantillons possédant de gros grains. Par ailleurs, une modification importante des propriétés électriques est observée lorsque les écarts à la stoechiométrie sont supérieurs à 0,5 mol %. D'autres travaux ont montré que la présence de phases minoritaires conduisent à des courants critiques plus faibles. Un écart à la stoechiométrie dans la poudre de départ favorise la formation de phases minoritaires. En conséquence, le choix d'un procédé d'élaboration de la céramique doit prendre en compte ces paramètres.

PACS
7460J - Critical currents in type II superconductors.
7470V - Perovskite phase superconductors.
6480E - Stoichiometry and homogeneity.
6220M - Fatigue, brittleness, fracture, and cracks.
7220F - Low field transport and mobility: piezoresistance semiconductors/insulators.

Key words
barium compounds -- cracks -- critical current density superconductivity -- electrical conductivity of crystalline semiconductors and insulators -- stoichiometry -- yttrium compounds -- high temperature superconductors -- grain size -- critical current density -- resistivity -- microcracks -- effective current carrying cross section -- calcination -- 77 K -- YBa sub 2 Cu sub 3 O sub 7 delta