2. MATERYAL VE YÖNTEM
2.2. Deneysel Çalışmalar
2.2.4. Elektriksel Özdirenç Ölçümleri
Şekil 2.4. XRD cihazı, Rikagu difraktometre
2.2.4. Elektriksel Özdirenç Ölçümleri
Elektriksel özdirençlerin ölçümlerine geçilmeden önce, üretilen numuneler, bir kesici cihaz (Metal Research) ile dikdörtgenler prizması şeklinde kesildi ve gümüş pasta kullanılarak bakır tellerle kontak yapıldı. Daha sonra standart dört nokta yöntemi ile aşağıda şematik olarak gösterilen deneysel düzenekle sıcaklığa bağlı olarak
V A ρ= ⋅I
l
bağıntısı ile özdirençleri ölçüldü.
A numunenin kesiti, l iç kontaklar arası mesafe, V iç kontaklardan ölçülen gerilim ve I numuneye uygulanan akımdır.
Şekil 2.5. Standart dört nokta yöntemi ile özdirenç ölçüm düzeneği
Şekil 2.6. Kriyostat sisteminin fotoğrafı
Elektriksel özdirenç ölçümleri, Bolu Abant Đzzet Baysal Üniversitesi´nde, standart dört nokta yöntemi kullanılarak aşağıda görülen kriyostat sistemi ile gerçekleştirildi. Ölçümler sırasında numuneye 5 mA’ lık akım uygulandı.
Bu yolla malzemenin süperiletken olup olmadığı, Tc kritik geçiş sıcaklığı gibi özellikleri belirlenebilir.
0°C
Kaydedici
Kriyostat
A
R
Numune
2.2.5. Kritik Akım Yoğunluğu Ölçümleri
Kritik akım yoğunluğu ölçümleri standart dört nokta yöntemi kullanılarak sıvı azot sıcaklığında (77 K), Şekil 2.5’de görüldüğü gibi devreden akım geçirilerek gerçekleştirildi.
Numuneler sıvı azot sıcaklığında süperiletken durumda iken, güç kaynağından devreye akım verildi ve iç uçlar arasındaki gerilimin sıfır olduğu gözlendi. Akım belli bir kritik değeri aşınca, iç uçlar arasındaki gerilimin sıfırdan farklılaştığı gözlendi. Bu durum süperiletkenlik halinin ortadan kalktığını göstermektedir. Bu gerilime karşılık gelen akım, kritik akım olarak adlandırılır.
Kririk akım yoğunluğu (J ), ilk voltajın görüldüğü akım-voltaj eğrilerinden c elde edilen I kritik akım değerleri ve numunelerin kesit alanlarından yararlanılarak c hesaplandı.
2.2.6. Manyetik Alınganlık Ölçümleri
Süperiletkenlerin kritik akım karakteristikleri ve akı dinamiğinin anlaşılmasında magnetik alınganlık ölçümleri önemli bir rol oynamaktadır.
Cs katkısı ile hazırlanan numunelerin, 40-100 K aralığında manyetik alınganlıklarının gerçel (real) ve sanal (imaginer) kısımları; 80 A/m’lik bir manyetik alan ve sabit frekans 111 Hz’de ölçüldü. Bu ölçümler, 7130 Lake Shore AC Susceptometer ile yapıldı.
Şekil 2.7. 7130 Lake Shore AC, Manyetik Alınganlık Ölçüm Sistemi
3. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA
3.1. Giriş
Bu çalışmada, nitratlı bileşikler kullanılarak hazırlanan Cs katkılı YBa2-xCsxCu3O7-δ süperiletkeninin, x-ışını kırınım desenleri, SEM analizleri, elektrisel özdirenç, kritik akım yoğunluğu ve manyetik alınganlık ölçümleri yardımıyla, katkı miktarlarının numunenin yapısal ve elektriksel özelliklerine etkisi incelendi.
3.2. SEM Analizleri
Yapılan SEM incelemeleri sonucunda, katkı oranının artmasıyla ortalama tane büyüklüğünün arttığı görülmektedir(27,28,29). Şekil 3.1’den de görülebileceği gibi, 0,05 Cs katkılı numunede tanelerin genellikle yuvarlak yapıda ve 10-15 µm civarında oldukları, buna karşın 0,1 Cs katkılı numunede ise tanelerin dikdörtgen prizması yapısına benzer bir yapıda ve istiflenmiş bir şekilde oldukları, tane boylarının da 30µm’a kadar varabildikleri görülmektedir. Bu istiflenme, x-ışını kırınım desenlerinde c-örgü parametresinin çok belirgin bir şekilde ortaya çıkmasıyla da doğrulanmaktadır.
Şekil 3.2’de görüldüğü gibi, katkı oranının 0,2 ve 0,3 olduğu numunelerde
tane boylarının 50 µm’ a kadar varabildikleri, genişliklerinin de ortalama olarak 10µm civarında oldukları görülmektedir. Ayrıca ilk iki numunenin aksine taneler arasındaki boşlukların büyük ölçüde ortadan kalktıkları görülmektedir. Bu da tanelerin birbirlerine çok daha iyi temas etmelerine neden olmaktadır. Bunun sonucu
olarak da kritik akım yoğunluğu değerlerinin diğerlerine göre daha büyük olmasına yol açacağı tahmin edilmektedir.
Şekil 3.1. (a) 0,05 Cs katkılı YBa2-xCsxCu3O7-δ numunesinin SEM fotoğrafı.
(b) 0,1 Cs katkılı YBa2-xCsxCu3O7-δ numunesinin SEM fotoğrafı (a)
(b)
Şekil 3.2. (a) 0,2 Cs katkılı YBa2-xCsxCu3O7-δ numunesinin SEM fotoğrafı.
(b) 0,3 Cs katkılı YBa2-xCsxCu3O7-δ numunesinin SEM fotoğrafı
Tanelerdeki bu büyük yapılar ve taneler arası boşluğun azlığı x-ışını kırınım desenlerinde daha şiddetli piklerin oluşumuna neden olmaktadır. Nitekim bu durum, Şekil 3.3’de x-ışını kırınım desenlerinin incelenmesinden de anlaşılmaktadır.
(a)
(b)
Numuneye katılan Cs’un YBCO’daki sıvı fazın oluşumunu arttırdığı ve bunun da taneleri olağanüstü büyüttüğü düşünülmektedir.
3.3. X-Işını Kırınım Desenleri Analizi
Cs katkılı (x= 0,05; 0,1; 0,2; 0,3) YBa2-xCsxCu3O7-δ örneklerinden alınan x-ışını kırınım desenleri sırasıyla Şekil 3.3’ de verilmiştir. Buna göre, örneklerin tavlama sonucunda yapısal faz oluşumlarının tamamlandığı ve ortaya çıkan piklerin literatürde verilen(30,31,32) YBa2-xCsxCu3O7-δ pikleri ile uyum içinde oldukları görülmektedir. Süperiletken olmayan faza ve düşük oksijen miktarlı tetragonal faza ait piklere rastlanmamıştır.
Katkı miktarı arttıkça (103), (113) ve (123) piklerinde belirgin bir şekilde azalma görülmektedir. (003), (004), (005) ve (006) gibi c-ekseni yönündeki pikler net bir şekilde ortaya çıkmaktadır. Bu da, SEM fotoğraflarının (Şekil 3.1 ve 3.2) incelenmesinden de görülebileceği gibi, katkı miktarının artmasıyla numunelerdeki tanelerin c-ekseni boyunca yönlendiklerini göstermektedir.
ASTM (American Society For Testing standarts) verilerine dayanılarak, Cs’a ait karakteristik piklerin, numune pikleriyle karşılaştırılması sonucu, herhangi bir karakteristik Cs piki gözlenmemiştir. Bu da, Ba atomları yerine katılan bütün Cs atomlarının, kristal yapıda Ba atomlarının yerine büyük bir olasılıkla yerleştiklerini göstermektedir.
X-ışını kırınım desenlerinden faydalanılarak numunelerin örgü parametreleri hesaplandı(33) ve Şekil 3.4’de gösterildi.
Cs: 0,3
003 103 (110) 005 006 (020) 123 (116)
013 122
0,05 0,1 0,2 0,3 parametresinin pek fazla değişmediği buna karşılık c örgü parametresinin belirgin bir şekilde azaldığı görülmektedir. Buna Ba yerine giren Cs’un iyonik yarıçapının daha
büyük olması nedeniyle O(5) boşluklarından dolayı a-eksenini bir miktar genişletmesinin ve böylece c-ekseninin bir miktar büzülmesinin neden olduğu tahmin edilmektedir. b-ekseninde bulunan O(1) iyonları nedeniyle b parametresinde fazla bir değişme olmayacağı tahmin edilmektedir.
3.4. Elektriksel Özdirenç Ölçümleri
Nitratlı bileşikler kullanılarak 935oC sıcaklıkta 40 saat süreyle oksijen ortamında tavlanarak üretilen numunelerin elektriksel özdirenç ölçümleri yapıldı.
Şekil 3.5 ve Şekil 3.6’de görülebileceği gibi katkı miktarının artmasıyla normal
bölgedeki özdirenç değerlerinde belli bir miktar azalma meydana gelmektedir.
Ayrıca şeklin incelenmesinden süperiletkenlik geçişin (∆T ) keskin olduğu (yaklaşık c olarak 1,5 K) gözlendi. Diğer yandan ağırlıkça 0,05 Cs katkılı numunede yaklaşık 91,5 K olan T değeri katkı miktarının ağırlıkça 0,3’e çıktığı numunede 90 K’e c düşmektedir. Bu durum, katkı miktarının artışının, özdirence az da olsa olumsuz etkisinin olabileceğini göstermektedir.
Sıcaklık (K)
Şekil 3.5. YBa2-xCsxCu3O7-δ (x=0,05; 0,1) numunelerinin özdirenç-sıcaklık eğrileri
Sıcaklık (K)
60 70 80 90 100 110 120
Özdirenç (Ωcm)
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
Cs: 0,3
Sıcaklık (K)
60 70 80 90 100 110 120
Özdirenç (Ωcm)
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
Cs: 0,2
Şekil 3.6. YBa2-xCsxCu3O7-δ (x=0,2; 0,3) numunelerinin özdirenç-sıcaklık eğrileri
Bu durum, Şekil 3.7’de gösterilen normalize edilmiş özdirençlerinin kullanarak ürettiğimiz numunede T 91,5 K olarak ölçülmüştür (Şekil 3.5). c
Yapılan literatür taraması sonucu(35) elektriksel özdirenç ölçümlerinde, soğutma sırasında gözüken geçiş sıcaklığının, ısıtma sırasındaki geçiş sıcaklığından genellikle daha düşük olduğundan bahsedilmektedir. Bu amaçla Cs (x=0,05) katkılı numunenin hem ısıtma hem de soğutma sırasında ölçümleri kaydedildi ve bu
Şekil 3.8’de gösterildi. Buna göre, ısıtma sırasındaki T değerinin soğutma c sırasındaki T değerinden 0,2 K kadar daha büyük olduğu anlaşılmaktadır. c
Sıcaklık (K)
86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100
Özdirenç
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
ısıtma soğutma Cs: 0,05
Şekil 3.8. 0,05 Cs katkılı YBa2-xCsxCu3O7-δ numunesinin ısıtma-soğutma değişim grafiği
3.5. Kritik Akım Yoğunluğu Ölçümleri
Kritik akım yoğunluğu ölçümleri, standart dört nokta yöntemiyle, 5 µA’ lik akım uygulanarak yapıldı. Ölçüm sonuçları Şekil 3.9’da görülmektedir. Yapılan ölçümler sonucunda katkı oranının artmasıyla J değerlerinin de arttığı c
gözlenmektedir. J , düşük katkı miktarlı numunelerde 40-55 c A cm iken, 2 Cs (x=0,3) katkılı numunede maksimum yani 160 A/cm değerine ulaşmaktadır. 2
Jc (A/cm²)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
V (Volt)
0,0 5,0e-4 1,0e-3 1,5e-3 2,0e-3
Cs: 0,05 Cs: 0,1 Cs: 0,2 Cs: 0,3
Şekil 3.9. YBa2-xCsxCu3O7-δ (x=0,05; 0,1; 0,2; 0,3) numunelerinin akım yoğunluğu-gerilim eğrileri
Buna, SEM fotoğraflarının (Şekil 3.1 ve 3.2) incelenmesi ile de görülebileceği gibi, yapıdaki porozitenin azalması nedeniyle taneler arası temasın artmasının ve tane büyüklüğündeki artışın neden olduğu tahmin edilmektedir.
3.6. Manyetik Alınganlık Ölçümleri
Üretilen süperiletken numunelerin 40K-100K aralığındaki manyetik alınganlık ölçümleri Şekil 3.10’da gösterildi. Buna göre, literatürde de(36,37,27,38)
bahsedildiği gibi, nispeten daha taneli olan numunelerde (Cs: 0,05 ve 0,1) çiftlenim diamagnetik perdeleme net bir şekilde gözükmektedir. Cs katkı oranının 0,2 ve 0,3 olduğu numunelerde ise tanecik etkisi oldukça azalmakta (özden diamagnetik perdeleme) ve malzeme daha keskin bir şekilde süperiletkenliğe geçmektedir.
Tanecik etkisinin azalması SEM fotoğraflarından da anlaşılmaktadır.
40 50 60 70 80 90 100
4. SONUÇ
Bu çalışmada bilimsel olarak yaygın bir şekilde çalışılan YBaCuO bileşiği klasik numunelerden farklı olarak nitratlı bileşikler kullanılarak üretildi. Bu yöntem ile sıvı fazdan katı faza dönüşümle başlangıç karışımının ortaya çıkmasından dolayı hem zamandan tasarruf ve hem de daha homojen bir karışım elde edilmektedir.
Çalışmada parametre olarak Ba yerine belirli miktarlarda (x=0,05; 0,1; 0,2; 0,3) Cs konulması uygun görülmüştür.
Cs miktarının artmasıyla süperiletken bileşikteki yapısal, eletriksel ve manyetik bir takım değişiklikler incelenmiştir. 935oC’de oksijen 40 saat tavlanarak üretilen numunelerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntüleri elde edildi.
Bu görüntülerden katkı miktarının artmasıyla numunedeki gözenekli yapının azaldığı ve buna bağlı olarak başlangıçta 10-15 µm mertebesinde, yuvarlak şekilli tanelerin daha sonra 50 µm’ a kadar varabilen dikdörtgensel tanelere dönüştüğü görüldü.
Üretilen numunelerin x-ışınları difraktometresiyle 2θ=10-60˚ aralığında kırınım desenleri elde edildi. Bu desenlerin incelenmesi sonucu katkı miktarının artmasıyla tanelerdeki (001) piklerinin belirgin bir şekilde ortaya çıktığı görüldü.
Diğer yandan numunelerdeki süperiletken olmayan faza ve Cs’a ait herhangi bir pike rastlanmamıştır. SEM fotoğraflarının incelenmesinde karşımıza çıkan gittikçe daha sıkı ve de büyük taneli yapının sonucu olarak x-ışını kırınım desenlerinde katkı miktarının artmasıyla şiddette de önemli ölçüde artış gözlenmemiştir.
X-ışını kırınım desenlerinden yararlanılarak numunelerin örgü parametreleri hesaplandı. Ve bunun sonucu olarak ortorombik yapıdaki süperiletken numunelerde
katkı miktarının artmasıyla a parametresinin arttığı buna karşın b parametresinde dikkate değer bir değişikliğin olmadığı görüldü. c örgü parametresinde ise belirgin bir azalma gözlendi. Bu duruma Ba atomundan daha büyük çaplı olan Cs atomlarının kristal örgüde, arzu edildiği gibi Ba atomlarının yerlerine yerleşmelerinin neden olduğu tahmin edilmektedir. Ba atomunun üst kısmında bulunan a-ekseni üzerindeki oksijen eksikliklerinin ve bu eksendeki bağ kuvvetlerinin daha zayıf olması nedeniyle Ba atomlarının a-eksenini daha rahat bir şekilde genişlettikleri ve bunun sonucu olarak da c-ekseninin bir miktar büzüştüğü tahmin edilmektedir.
10 K-300 K aralığında yapılan elektriksel özdirenç ölçümleri sonucunda katkı miktarının artmasıyla numunelerin özdirençlerinde bir miktar azalmanın meydana geldiği gözlenmektedir. Buna SEM fotoğraflarından da görülebileceği gibi katkı miktarının artmasıyla ortaya çıkan iri taneli ve daha sıkı bağlı yapının neden olduğu düşünülmektedir. Kritik geçiş sıcaklık bölgesi keskin olup geçiş sıcaklığı katkı miktarının artmasiyla 91,5 K’den 90 K’e doğru küçük bir miktar azalmıştır.
Standart dört nokta yöntemiyle 77 K’de yapılan akım-gerilim ölçümleri sonucunda katkı miktarının 0,2’ye kadar olduğu numunelerde kritik akım yoğunluğunun YBaCuO numuneler için bilinen değerler mertebesinde ve 40-55 A/cm olduğu anlaşılmaktadır. Katkı miktarının 0,3’e çıktığı numunede ise 2 J c değeri 160 A/cm2’nin üzerine kadar ulaşmaktadır. Bu durum yukarıda bahsedilen SEM fotoğraflarından, x-ışını ve özdirenç ölçümlerinden de kendini hissettirmektedir.
Üretilen numunelerin manyetik alınganlıkları sıcaklığı bağlı olarak sabit bir frekans ve sabit bir manyetik alan altında ölçüldü. Bu ölçümler sonucunda katkı miktarının artmasıyla manyetik alınganlığın real kısmında ideal değer olan -1’e
doğru gözle görülür bir düşüşün olduğu görüldü. SEM fotoğraflarından da görülebileceği gibi katkı miktarının artmasıyla tanecikli yapıdan kaynaklanan yayvan geçişin, daha keskin bir geçişe doğru dönüştüğü görülmektedir. Bir başka deyişle numuneler daha kısa bir sıcaklık aralığında süperiletken hale bütün olarak geçmektedir.
Numunelere katılan Cs’un YBa2-xCsxCu3O7-δ bileşiğinde sıvı fazın oluşumunu arttırdığı ve bunun sonucu olarak da iri taneli yapının ortaya çıktığı düşünülmektedir.
KAYNAKLAR
1. H. K. Onnes, Leiden Comm., 124, 120(1911).
2. Đlhami Buğdaycı, Süperiletkenlik, www.ch.ic.ac.uk/otway/YBCO.html.
3. J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer, Phys. Rev, 108, 1175(1957).
11. V.L. Ginzburg, Journal of Superconducting Đncorporating Novel Magnetism,Vol 13, 896(2000).
12. A. Oota, A. Krihigashi, Y. Sasaki, K. Ohba, Jpn. J. Appl. Phys., 27, 12 (1988).
13. A.Gencer, et al. Supercond. Sci. Technol. 9, 284(1996).
14. A. J. van Duyneveldt, AC Susceptibility Studies in Solid State Magnetism, Lake Shore Cryotronics, Inc., Ohio, 1991.
15.,S. Nezir, Amonyum Nitrat Yöntemiyle Hazırlanmış Yüksek Sıcaklık
…,,Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O Süperiletken Bileşiklerin Bazı Elektriksel, Yapısal ve … ,,,,,,Magnetik Özellikleri, Doktora Tezi, KTÜ, Trabzon, 1996.
16. D. Dew-Hughes, Met. Mater. 4, 741(1988).
17. M. S. Islam, R. C. Baetzold, Physical Review B, 40, 10926(1989).
18. M. Cyrot, D. ve Pauna, Introduction to Superconductivity and High-Tc Materials, World Scientific, New Jersey, 1992.
19. T. D. Dzhafarov, M. Altunbaş, A. Varilci ve T. Küçükömeroğlu, Materials
Letters, 25, 81(1995)
20. K. Yvon, M. François, Z. Physics B - Condensed Matter, 76, 413(1989).
21. J. R. LaGraff, P. D. Han, D. A. Payne, Physical Review B, 43, 441(1991).
22. E. D. Specht, C. J. Sparks, A. G. Dhere, J. Brynestad, O. B. Cavin, D. M.
Kroeger, H. A. Oye, Physical Review B, 37, 7426(1988).
23. S. J. Rothman, J. L. Routbort, Physical Review B, 40, 8852(1989).
24. J. L. Tallon, D. M. Pooke, R. G. Buckley, M. R. Presland, F. J. Blunt, Physical Review B, 41, 7220(1990).
25. S. Jin, T. H. Tiefel, R. C. Sherwood, M. E. Davis, R. B. Van Dover, G. W.
Kammlott, R. A. Fastnavht, H.D. Keith, Applied Physics Letters, 52, 2074(1988).
26. M. Murakami, M. Morita, K. Doi, M. Miyamoto, Japanese Journal of Applied Physics, 28, 1189(1989).
27. Chun Wel Cheng, A. C. Rose Innes, N. McN Alfords, M. A. Harmer, J. D.
Birchall, Supercond. Sci. Technol. 1, 113(1988).
28. M. Murakami, Supercond. Sci. Technol. 5, 185(1992)
29. John R. LaGraff and David A. Payne, The American Physical Society, Phys.
Rev. B 47, 3380(1993)
30. Klans Yvon, Micheal François, Z. Phys. B - Condensed Matter, 76, 413(1989).
31. Georgeta Alecu, Romanion Reports of Physics, 56, 404(2004).
32. R. J. Cava, B. Batlogg, R. B. van Dover, D. V. Murphy, S. Sunshine, T. Siegrist, J. P. Remeika, E. A. Rietman, S. Zahurak and G. P. Espinosa, Physical Review Letter, 59, 1676(1987).
33. Masae Kikuchi, Yasuhiko Syono, Ayako Tokiwa, Katsuyoshi Oh-Ishi, Hide Araı, Kenji Hiraga, Norio Kobayashi, Tokaaki Sasaoka and Yoshio Muto, Japanese Journal of Applied Physics, 26, L1066(1987).
34. M. Ausloos, Phsical Review B, 39, 2729(1989)
35. David J. Bishop, L. Gammel Peter and A. Huse David, Scientific American Feb., p 24, 48(1993)
36. R. B. Goldford, M. Lelental, C. A. Thompson, NISTIR., 3977, 1(1991) 37. M. Nikola and R. B. Goldfard, Physical Review B, 39, 6615(1989)
38. V. Calzona, M. R. Cimberle, C. Ferdeghini, M. Putti and A. S. Sırı, Physica C 157, 425(1989)