XRD Analizler

Katıhal tepkime yöntemiyle hazırlanan malzemelerin polikristal difraktometresinde elde edilen x-ışını kırınım desenleri, 10o ≤ 2θ ≤ 60o aralığı için Şekil 4.37-43’de gösterilmiştir. İndislenmiş piklerin bulunduğu spektrumlar saf YBCO için Şekil 4.37 ve Gd-YBCO için Şekil 4.38’de gösterilmiştir. Saf YBCO bileşiği ile Gd-YBCO bileşiğine ait spektrumlar Şekil 4.39’de karşılaştırılmıştır. Her iki bileşiğin spektrumlarında 123 yapısına ait olan (002), (003), (100), (012), (102), (013), (103), (005), (113), (006), (020), (200), (115), (007), (116) ve (213) pikleri görülmüştür. 211 yarıiletken yapısına ait yalnızca 30.52o’de (211) piki her iki malzemede de düşük şiddette görülmüştür. Bu piklerin YBCO süperiletkeninden ileri geldiği ve süperiletkenin ortorombik yapısına uygun olduğu görülmüştür. Saf YBCO bileşiğine ait spektrumun literatürde verilen (Doğan 2000) spektrum ile birebir örtüştüğü gözlenmiştir. Şekil 4.37-39’da Gd-YBCO malzemesine ait kırınım desenindeki piklerin (düzlemler) saf YBCO’nun kırınım deseninde gözüken pikler ile (düzlemler) aynı olduğu görülmektedir. Gd katkısı, Gd-YBCO malzemesine ait kırınım desenindeki piklerin 0.1o sola kaymasına ve pik şiddetlerinde değişiklikler meydana gelmesine neden olmuştur. Ba-Nb serisine ait spektrumlar Şekil 4.40-41’de, Cu-Nb serisine ait spektrumlar Şekil 4.42-43’te verilmiştir. Elde edilen kırınım desenlerinden ilgili düzlemlerin (hkl) Miller indisleri belirlenmiştir. İndisler ve düzlemler arası mesafe kullanılarak örgü parametreleri ve birim hücre hacmi (a, b, c ve V) hesaplanmıştır. Hesaplanan a, b, c ve V (hacim) değerlerinin katkı miktarına göre değişimi Ba-Nb serisi için Şekil 4.44’te, Cu-Nb serisi için Şekil 4.45’te verilmiştir. Ayrıca hesaplanan a, b, c ve V değerleri Tablo 4.13’te verilmiştir. Hesaplamada en küçük kareler metodu kullanılarak geliştirilen bilgisayar programından yararlanılmıştır. Hesaplanan değerlerin literatürde verilen değerlere yakın oldukları gözlenmiştir.

Şekil 4.37 Saf YBCO’ya ait X-ışını kırınım deseni.

X-ışını kırınım desenlerindeki indisler ve düzlemler arası mesafe kullanılarak saf YBCO örneğinin örgü parametleri a = 3.82979 , b = 3.89105 , c = 11.69979 ve hacim değeri V = 174.349 3 olarak hesaplanmıştır.

°

A A° A°

° A

Şekil 4.38 Gd-YBCO malzemesine ait X-ışını kırınım deseni.

X-ışını kırınım desenlerindeki indisler ve düzlemler arası mesafe kullanılarak saf

Gd-YBCO örneğinin örgü parametleri a = 3.84493 , b = 3.89523 , c = 11.71360 ve hacim değeri V = 175.433 3 olarak hesaplanmıştır.

°

A A°

°

Şekil 4.39 Saf YBCO ve Gd-YBCO malzemelerine ait X-ışınları kırınım desenleri.

Şekil 4.39’da görüldüğü gibi Gd-YBCO malzemesinde (002) ve (005) piklerinin şiddetleri azalmakta, (003) ve (113) piklerinin şiddetleri artmaktadır. Diğer piklerin değişmediği görülmektedir. Ayrıca saf YBCO’da çok daha net bir şekilde görülen 211 yarıiletken yapısına ait 30.52o’de (211) pikinin şiddetinin Gd-YBCO’da azaldığı görülmektedir. 123 yapısına ait piklerin görünmesi ve yabancı fazlara ait piklerin görünmemesi, Gd’nin Y ile tam olarak yer değiştirdiği, yapıda bir deformasyon oluşturmadığı sonucunu ortaya koymaktadır. Saf YBCO pikleri ile Gd-YBCO piklerinin yaklaşık aynı açı değerlerinde (Gd pikleri 0.1o _{solda) olması, aynı pikleri vermesi ve pik}

genişliklerinin birbirine çok yakın olması, sentezlenen saf YBCO ve Gd-YBCO malzemelerinin tanecik boyutlarının birbirine yakın olduğu sonucunu da göstermektedir. Bu iki malzemenin SEM ve XRD sonuçlarındaki benzerlikler hesaplanan kritik sıcaklık (Tc) ve kritik akım yoğunluğu (Jc) değerlerinde de gözükmektedir. Ayrıca, Gd katkısısının malzemenin a ve c örgü parametrelerini artırıcı yönde olduğu görülmektedir.

Şekil 4.40’da, saf YBCO ve Gd-YBCO’ya ait kırınım desenlerinde görülmeyen ve malzemedeki Nb konsantrasyonunun artışı ile şiddeti artan, kırmızı ve mavi oklar ile gösterilen pikler görülmektedir. Bu piklerin Nb katkısından kaynaklandığı düşünülmektedir. Gd-YBCO, Ba-Nb-1, Ba-Nb-2 ve Ba-Nb-4’te gözlenen piklerin yaklaşık aynı şiddet değerine sahip olması, bu malzemelerin yönelimlerinin birbirine benzer olduğu sonucunu ortaya koymaktadır. Ba-Nb-3’e ait kırınım deseninde pik şiddetlerinin yüksek oluşu taneciklerdeki yönelmenin diğer malzemelerdekine oranla daya iyi olduğunu, Ba-Nb-5’e ait kırınım deseninde ise pik şiddetlerinin düşük oluşu diğer malzemelere oranla daha kötü bir yönelime sahip olduğunu göstermektedir.

Şekil 4.42’de görülen ve Nb katkısından kaynaklandığı düşünülen pikler Şekil 4.30’da da görülmektedir. Bu piklerin şiddeti, Nb konsantrasyonunun artışı ile artmaktadır. Kırmızı ve mavi oklar ile gösterilen piklerin Gd-YBCO’ya ait kırınım deseninde görülmemesi ve Ba-Nb ve Cu-Nb serilerine ait kırınım desenlerinin her ikisinde de Nb konsantrasyonunun artmasıyla pik şiddetinin de yükselmesi, bu piklerin Nb atomundan kaynaklandığı düşünülmektedir. Gd-YBCO ve Cu-Nb-5’te gözlenen piklerin yaklaşık aynı şiddet değerine sahip olması bu yapılarıın yönelimlerinin birbirine benzer olduğu sonucunu ortaya koymaktadır. Cu-Nb-1, Cu-Nb-2, Cu-Nb-3 ve Cu-Nb-4’ün şiddetlerinin düşük oluşu diğer malzemelere oranla daha düzensiz bir yönelime sahip olduğunu göstermektedir.

Şekil 4.41 Ba-Nb serisine ait X-ışınları kırınım desenlerinin üç boyutlu gösterimi.

Şekil 4.43 Cu-Nb serisine ait X-ışınları kırınım desenlerinin üç boyutlu gösterimi.

En küçük kareler yöntemiyle her bir malzeme için hesaplanan örgü parametreleri Tablo 4.13’te verilmiştir. Hesaplanan örgü parametreleri ve hacimlerin Nb katkı miktarı (x) ile değişimi Şekil 4.44 ve Şekil 4.45’te verilmiştir. Nb katkısının malzemelerin örgü parametrelerinde kısmi değişikliklikler ortaya çıkardığı söylenebilir. Genel olarak Gd-YBCO malzemesinin c örgü parametresi ile kıyaslandığında, Nb katkısı, Ba-Nb serisine ait malzemelerin c örgü parametresinde büyüme, Cu-Nb serisine ait malzemelerin c örgü parametresinde küçülme meydana getirmiştir. Ancak Şekil 4.44 ve 4.45’te görüldüğü gibi, örgü parametreleri Nb katkı miktarı (x) ile düzenli bir şekilde değişmemektedir. Bununla birlikte hacim değerlerinde (x) katkı miktarına bağlı bir değişim bulunmamaktadır.

Tablo 4.13 Saf YBCO, Gd-YBCO, Ba-Nb serisi ve Cu-Nb serisine ait malzemelerin a, b, c örgü parametreleri ve birim hücre hacimleri. Malzeme a ( °A ) b ( °A ) c ( °A ) V (A°3) Saf YBCO 3.82979 3.89105 11.69979 174.349 Gd-YBCO 3.84493 3.89523 11.71360 175.433 Ba-Nb-1 3.84197 3.89811 11.72561 175.608 Ba-Nb-2 3.84343 3.89810 11.72614 175.682 Ba-Nb-3 3.83507 3.89174 11.70604 174.713 Ba-Nb-4 3.84729 3.90125 11.73663 176.158 Ba-Nb-5 3.82938 3.88783 11.69257 174.079 Cu-Nb-1 3.83511 3.89336 11.70924 174.836 Cu-Nb-2 3.83454 3.89258 11.70602 174.727 Cu-Nb-3 3.83949 3.89425 11.71487 175.160 Cu-Nb-4 3.82860 3.88927 11.68659 174.019 Cu-Nb-5 3.83619 3.88863 11.69805 174.506

Şekil 4.44 Ba-Nb serisi için a, b, c örgü parametrelerinin ve hacimlerinin Nb katkı miktarları (x)’e göre değişimleri.

Şekil 4.45 Cu-Nb serisi için a, b, c örgü parametrelerinin ve hacimlerinin Nb katkı miktarları (x)’e göre değişimleri.

4.5 R-T Analizleri

Süperiletken malzemelerin karakteristik özelliklerinden en önemlisi kritik sıcaklıktır. Süperiletkenin kritik sıcaklığı hakkında bilgi edinmenin bir yolu da elektriksel özdirenç ölçümleridir. Bu yolla malzemenin süperiletken olup olmadığı, kritik geçiş sıcaklığı, kritik geçişin başladığı ( Tcon ) ve kritik geçişin bittiği ( Tcoff ) sıcaklıklar belirlenebilir. Üretilen malzemelerin elektriksel özdirençleri, standart dört nokta yöntemi kullanılarak, 70-130 K sıcaklık aralığında ve 10-6 Torr vakum altında ölçülmüştür. Dirençteki değişim sıcaklığın fonksiyonu olarak kaydedilmiş ve direnç değerleri denklem 4.1 kullanılarak özdirenç (ρ) değerlerine dönüştürülmüştür. Elektriksel özdirencin sıcaklıkla değişim grafikleri Şekil 4.46-51’de gösterilmiştir.

l s I V = ρ (4.1)

Burada V, iç kontaklar arasındaki gerilim; I, dış kontaklar aracılığı ile malzemeye uygulanan akım; s, numunenin kesit alanı ve l, iç kontaklar arası mesafedir.

Bu işlemler esnasında bir dış magnetik alan uygulanmamıştır. Faz geçişi esnasında birden fazla faz geçişinin olup olmadığının araştırılması amacıyla grafikte gözlenen eğrinin türevi alınarak sıcaklığa karşı grafikleri çizilmiştir. Grafikte gözlenen pik sayısı normal durumdan süperiletken duruma geçiş esnasında faz sayısını göstermektedir.

Direnç değerinin 1 mΩ’u gösterdiği değer kritik sıcaklık (Offset) olarak alınmıştır. Saf YBCO ile Gd-YBCO’nun sıcaklık karşısındaki davranışlarını karşılaştırmak amacıyla çizilen grafik Şekil 4.46, Tc değerlerini karşılaştırmak amacıyla çizilen grafik 4.47’de verilmiştir. Şekil 4.47’te Gd-YBCO malzemesinin oda sıcaklığındaki

özdirencinin saf YBCO’nun özdirencinden daha küçük olduğu görülmektedir. Saf YBCO’nun Tc değeri 92.384 K ve Gd-YBCO’nun Tc değeri 91.672 K olarak

ölçülmüştür.

Gd-YBCO ile Ba-Nb Serisine ait malzemelerin sıcaklık karşısındaki davranışları Şekil 4.48 ve Ba-Nb serisinin kritik sıcaklık (Tc) değerlerini gösteren grafik Şekil 4.49’de verilmiştir. Şekil 4.48’de oda sıcaklığında (süperiletken olmadığı durum) malzemelerin özdirenç değerleri küçükten büyüğe doğru sırasıyla Ba-Nb-1, Gd- YBCO, Ba-Nb-2, Ba-Nb-3, Ba-Nb-5 ve Ba-Nb-4 şeklinde olmuştur. Genel olarak Nb katkı miktarı (x)’nın artışıyla beraber özdirenç değerinde de bir artış olduğu görülmektedir. Ba-Nb-1’e ait özdirenç, Gd-YBCO ve saf YBCO’nun oda sıcaklığı özdirencinden daha düşüktür. Şekil 4.49’a göre, Ba-Nb-1, Ba-Nb-2, Ba-Nb-3, Ba-Nb,4 ve Ba-Nb-5 için Tc değerleri sırasıyla 92.659 K, 91.193 K, 91.785 K, 89.118 K ve 89.421 K olarak ölçülmüştür. Bu değerler, saf YBCO malzemesine ait 92.384 K ve Gd-YBCO malzemesine ait 91.672 K olan Tc değerlerine oldukça yakın değerlerdir. Nb katkı miktarı (x)’nın artışıyla birlikte genel olarak Tc değerlerinde de bir azalma meydana gelmektedir. Ancak, Ba-Nb-1 malzemesine ait Tc değeri hem saf YBCO hem de Gd-YBCO malzemesinin Tc değerinden yüksektir. x = 0.025 mollük Nb katkısı, hem normal durum özdirencini düşürmüş hem de kritik sıcaklık değerini artırmıştır.

Gd-YBCO ile Cu-Nb Serisine ait malzemelerin sıcaklık karşısındaki davranışları Şekil 4.50 ve Cu-Nb serisinin kritik sıcaklık (Tc) değerlerini gösteren grafik Şekil 4.51’de verilmiştir. Şekil 4.50’de oda sıcaklığında malzemelerin özdirenç değerleri küçükten büyüğe doğru sırasıyla Gd- YBCO, Cu-Nb-2, Cu-Nb-1, Cu-Nb-3, Cu-Nb-4 ve Cu-Nb-5 şeklinde olmuştur. Genel olarak Nb katkı miktarı (x)’ın artışıyla beraber özdirenç değerinde de bir artış meydana geldiği gözlemlenmiştir. Şekil 4.51’de Cu-Nb-1, Cu-Nb-2, Cu-Nb-3, Cu-Nb-4 ve Cu-Nb-5 için Tc değerleri sırasıyla 87.681 K, 92.654 K, 91.967 K, 91.818 K ve 88.782 K olarak ölçülmüştür. Bu değerlerden Cu-Nb-2, Cu-Nb-3 ve Cu-Nb-4 malzemelerine ait kritik sıcaklık değeri (Tc), saf YBCO’nun Tc değeri 92.384 K ve Gd-YBCO’nun Tc değeri 91.672 K değerlerine

oldukça yakın değerlerdir. Nb katkı miktarının (x) artışyla birlikte genel olarak Tc değerlerinde de bir azalma meydana gelmektedir. Cu-Nb-1 ve Cu-Nb-5 malzemelerine ait Tc değerleri saf YBCO, Gd-YBCO ve diğer malzemelerin Tc değerlerinden düşük çıkmıştır. Cu bölgesine yapılan 0.075 mollük Nb katkısı kritik sıcaklık değerini saf YBCO ve Gd-YBCO’nun kritik sıcaklık değerlerinin üstüne çıkarmış böylece süperiletkenliği olumlu yönde geliştirmiştir. Cu bölgesine yapılan 0.125 ve 0.175 mollük Nb katkısı Tc değerini Gd-YBCO malzemesinin Tc değerinin üzerine çıkarmıştır.

Şekil 4.46 Saf YBCO ve Gd-YBCO malzemelerinde 70-130 K arasında özdirencin (ρ) sıcaklıkla (T) değişimi.

Şekil 4.47 Saf YBCO ve Gd-YBCO malzemelerinde 85-95 K arasında özdirencin (ρ) sıcaklıkla (T) değişimi.

Şekil 4.48 Gd-YBCO ve Ba-Nb serisi malzemelerinde 70-130 K arasında özdirencin (ρ) sıcaklıkla (T) değişimi.

Şekil 4.49 Ba-Nb serisi malzemelerinde 85-95 K arasında özdirencin (ρ) sıcaklıkla (T) değişimi.

Şekil 4.50 Gd-YBCO ve Cu-Nb serisi malzemelerinde 70-130 K arasında özdirencin (ρ) sıcaklıkla (T) değişimi.

Şekil 4.51 Ba-Nb serisi malzemelerinde 85-95 K arasında özdirencin (ρ) sıcaklıkla (T) değişimi.

Saf YBCO, Gd-YBCO, Ba-Nb serisi ve Cu-Nb serisine ait malzemelerin normal durumdan süperiletken duruma geçişte faz geçişini gözlemlemek amacıyla çizilen grafikler sırasıyla Şekil 4.52-54’te verilmiştir.

Şekil 4.52’de görüldüğü gibi, saf YBCO tek faz geçişi gösterirken Gd-YBCO malzemesinde tek faz geçişi yanında çok zayıf bir faz geçişi eğilimi de görülmektedir.

Şekil 4.53’te Ba-Nb-1, Ba-Nb-2 ve Ba-Nb-3 malzemelerinde baskın olan pikin yanında negatif yönde bir pik daha gözlenmiştir. Saf YBCO’da ve Gd-YBCO’da negatif yönde görülmeyen bu pikin Nb’dan kaynaklandığı düşünülmüştür.

Şekil 4.54’te Cu-Nb-1, Cu-Nb-2 ve Cu-Nb-4 malzemelerinde biri negatif yönde diğeri pozitif yönde iki adet pik gözlenmiştir. Cu-Nb-3 malzemesinde birisi negatif, diğer ikisi pozitif yönde olmak üzere toplam üç pik gözlenmiştir. Pozitif piklerden birisi diğerine göre küçük bir şiddete sahiptir. Cu-Nb-1, Cu-nb-2, Cu-Nb-3 ve Cu-Nb-4 malzemelerinde gözlenen negatife piklerin Nb’dan kaynaklandığı düşünülmektedir.

Şekil 4.54 Cu-Nb serisi için dρ(T)/dT grafiği.

Ölçülen Tc değerlerinin Nb katkı miktarı (x) ile değişimini gösteren grafik Şekil 4.55’te verilmiştir. Nb katkı miktarı (x) arttıkça malzemelerin Tc değerlerinde

Şekil 4.55 Ba-Nb serisine ait Tc değerleri ile Cu-Nb serisine ait Tc değerlerinin Nb katkı miktarı (x) ile değişimi.

4.6 I-V Analizleri

Süperiletkenlerin mikroyapısına önemli ölçüde bağlı olan kritik akım yoğunluğu (Jc), süperiletkenliğin teorisi ve pratik uygulamaları için oldukça önemlidir. Bu çalışmada kritik akım yoğunluğu ölçümleri, sıvı azot sıcaklığında (77 K) standart DC dört nokta yöntemi kullanılarak ölçülmüştür.

Sıvı azot sıcaklığında süperiletken haldeki bir malzemeden geçirilecek akım, süperiletkenliği bozacak kadar büyük değerlere sahip değil ise, iç uçlar arasındaki gerilim sıfır olacaktır. Akım, malzemeyi süperiletken halden normal hale dönüştürünceye kadar artırılırsa, iç uçlar arasında bir gerilim gözlenecektir. Bu gerilime karşılık gelen akım, kritik akım (Ic) olarak adlandırılır.

Saf YBCO, Gd-YBCO, Ba-Nb Serisi ve Cu-Nb Serisi için 77 K’de I-V karakteristikleri için Jc kriteri 2 μV/cm alınarak ölçülmüştür. Bu ölçümlere ilişkin grafikler şekil 4.56-67’de verilmiştir. Genel olarak hem Ba-Nb serisinde hem de Cu-Nb serisinde Nb katkı miktar (x) arttıkça Jc değeri azalmıştır.

Şekil 4.68’de Ba-Nb ve Cu-Nb serilerindeki malzemelerin Nb katkı miktarı (x) ile Jc değerlerindeki değişimler gösterilmiştir. Şekil 4.768’de Cu-Nb serisine ait malzemelerin Jc değerlerinin Ba-Nb serisine ait malzemelerin Jc değerlerinden daha büyük olduğu gözlenmiştir. Özellikle Cu bölgesine yapılan 0.025 mollük Nb katkısı, Cu-Nb-1 malzemesinin Jc değerini (93.8510 A/cm2), saf YBCO (89.9142 A/cm2) ve Gd-YBCO (85.9137 A/cm2) malzemelerinin Jc değerlerinden daha büyük yapmıştır.

Şekil 4.56 Saf YBCO malzemesinin I-V grafiği ve kritik akım yoğunluğu değeri.

Şekil 4.57 Gd-YBCO malzemesinin I-V grafiği ve kritik akım yoğunluğu değeri.

Şekil 4.58 Ba-Nb-1 malzemesinin I-V grafiği ve kritik akım yoğunluğu değeri.

Şekil 4.60 Ba-Nb-3 malzemesinin I-V grafiği ve kritik akım yoğunluğu değeri.

Şekil 4.62 Ba-Nb-5 malzemesinin I-V grafiği ve kritik akım yoğunluğu değeri.

Şekil 4.64 Cu-Nb-2 malzemesinin I-V grafiği ve kritik akım yoğunluğu değeri.

Şekil 4.66 Cu-Nb-4 malzemesinin I-V grafiği ve kritik akım yoğunluğu değeri.

Şekil 4.68 Ba-Nb ve Cu-Nb serisine ait malzemelerin kritik akım yoğunluğu değerlerinin (Jc) Nb katkı miktarına (x) bağlı değişimleri.