FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI
YENİ (RE)3Ba5Cu8Oy (RE: Y, Nd, Sm, Gd) BULK SÜPERİLETKENLERİNİN ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU
Yüksek Fizikçi Sezai KÜTÜK
Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünce “DOKTOR (FİZİK)”
Unvanı Verilmesi İçin Kabul Edilen Tezdir.
Tezin Enstitüye Verildiği Tarihi: 23.06.2014
Tezin Savunma Tarihi : 11.07.2014 30.07.2007
Tez Danışmanı : Doç. Dr. Süleyman BOLAT
Fizik Anabilim Dalında
Sezai KÜTÜK Tarafından Hazırlanan
YENİ (RE)3Ba5Cu8Oy (RE: Y, Nd, Sm, Gd) BULK SÜPERİLETKENLERİNİN ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU
başlıklı bu çalışma, Enstitü Yönetim Kurulunun 24 / 06 / 2014 gün ve 1559 sayılı kararıyla oluşturulan jüri tarafından yapılan sınavda
DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Jüri Üyeleri
Başkan : Prof. Dr. Cabir TERZİOĞLU ...
Üye : Prof. Dr. Ekrem YANMAZ ...
Üye : Doç. Dr. Süleyman BOLAT ...
Üye : Doç. Dr. Tevfik KÜÇÜKÖMEROĞLU ...
Üye : Doç. Dr. Ali ÖZTÜRK ...
Prof. Dr. Sadettin KORKMAZ Enstitü Müdürü
III
değerli danışmanım Sayın Doç. Dr. Süleyman BOLAT’a,
Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü Katıhal Fiziği Araştırma Laboratuvarında süperiletken numunelerin üretimi ve deneysel ölçümlerin çoğunun alınmasında imkân sağlayan ve ayrıca değerli bilimsel yorumlarını paylaşan hocam Sayın Prof. Dr. Ekrem YANMAZ’a, laboratuvarda elinden gelen her türlü yardımı yapan ve levitasyon ölçüm cihazının programını yazan Sayın Yrd. Doç. Dr. Mehmet BAŞOĞLU’na,
Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümünde Taramalı Elektron Mikroskop Görüntüsü (SEM)-Enerji Dağılımlı X-Işını Spektrometresi (EDS) cihazının kullanılmasını sağlayan Sayın Doç. Dr. Hamdullah ÇUVALCI’ya ve ölçümü alan Arş. Gör. Hüseyin İPEK’e,
Abant İzzet Baysal Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümünde alan altında direnç ölçüm cihazının kullanılmasına olanak sunan Sayın Prof. Dr. Cabir TERZİOĞLU’na ve ölçümü gerçekleştiren Arş. Gör. Sevgi P. ALTINTAŞ’a,
İnönü Üniversitesi Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Merkezinde Fiziksel Özellik Ölçüm Sistemi (PPMS) cihazının kullanılmasına izin veren Sayın Prof. Dr. M. Eyyüphan YAKINCI’ya ve ölçümü yapan Gökhan KIRAT’a,
2010.111.001.1 nolu hızlı destek projesiyle Karadeniz Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) birimine,
Doktora çalışması için 35. Madde ile görevlendirme veren Yüksek Öğretim Kurumu’na, buna müsaade eden Artvin Çoruh Üniversitesi’ne, görevli bulunduğum esnada gerekli imkânı veren Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü Başkanlığı’na,
Bu günlere gelmemde maddi ve manevi her türlü desteği sağlayan babam Zeki KÜTÜK’e ve annem Neriman KÜTÜK’e,
Doktora tez çalışması süresince sabırla her zaman yanımda olan sevgili eşim Sayın Yrd. Doç. Dr. Tuba KÜTÜK’e ve varlığı ile bana moral veren tatlı kızım Elif Almila KÜTÜK’e en içten saygılarımı ve teşekkürlerimi sunarım.
Arş. Gör. Sezai KÜTÜK Trabzon 2014
IV
Doktora Tezi olarak sunduğum “Yeni (RE)3Ba5Cu8Oy (RE: Y, Nd, Sm, Gd) Bulk
Süperiletkenlerinin Üretimi ve Karakterizasyonu” başlıklı bu çalışmayı baştan sona kadar danışmanım Doç. Dr. Süleyman BOLAT’ın sorumluluğunda tamamladığımı, verileri kendim topladığımı, deneyleri ve analizleri ilgili laboratuarlarda yaptığımı, başka kaynaklardan aldığım bilgileri metinde ve kaynakçada eksiksiz olarak gösterdiğimi, çalışma sürecinde bilimsel araştırma ve etik kurallara uygun olarak davrandığımı ve aksinin ortaya çıkması durumunda her türlü yasal sonucu kabul ettiğimi beyan ederim. 23/06/2014
V ÖNSÖZ ... III TEZ BEYANNAMESİ ... IV İÇİNDEKİLER ... V ÖZET ... VII SUMMARY ... VIII ŞEKİLLER DİZİNİ ... IX TABLOLAR DİZİNİ ... XII SEMBOLLER DİZİNİ ... XIII 1. GENEL BİLGİLER ... 1 1.1. Giriş ... 1
1.2. YBCO Süperiletken Sistemleri ... 3
1.2.1. Y123 Sistemi ... 3
1.2.2. Y124 Sistemi ... 4
1.2.3. Y247 Sistemi ... 6
1.2.4. Yeni Y358 Sistemi ... 7
1.3. Süperiletken Malzemelerin Uygulama Alanları ... 10
1.4. Literatür Özeti ve Çalışmanın Amacı ... 12
2. YAPILAN ÇALIŞMALAR ... 15
2.1. (RE)BCO Bulk Numunelerin Üretimi ... 15
2.1.1. Tozların Hazırlanması ... 15
2.1.2. Kalsinasyon ve Ara Öğütme İşlemleri ... 16
2.1.3. Sinterleme İşlemi ... 16
2.1.3.1. SSR Metodu ... 16
2.1.3.2. MPMG Metodu ... 17
2.1.4. Oksijenleme İşlemi ... 17
2.2. (RE)BCO Bulk Numunelerin Yapısal Özellikleri ... 19
2.2.1. Diferansiyel Termal Analiz (DTA)-TermoGravimetri (TG) Ölçümleri ... 19
2.2.2. Bulk Yoğunluğu Ölçümü ... 19
VI
2.3. (RE)BCO Bulk Numunelerin Elektriksel Özellikleri ... 22
2.3.1. Alan Altında Direnç Ölçümü ... 22
2.4. (RE)BCO Bulk Numunelerin Manyetik Özellikleri ... 23
2.4.1. Levitasyon Kuvveti Ölçümü ... 23
2.4.2. Manyetik Alana ve Ölçüm Sıcaklığına Göre Manyetizasyon Ölçümü ... 24
3. BULGULAR VE TARTIŞMA ... 25
3.1. Giriş ... 25
3.2. (RE)BCO Bulk Numunelerinin Yapısal Özellikleri ... 25
3.2.1. Diferansiyel Termal Analiz (DTA)-TermoGravimetri (TG) Ölçümleri ... 25
3.2.2. Bulk Yoğunluğu Ölçümü ... 29
3.2.3. X-Işını Difraktometresi (XRD) Ölçümü ... 30
3.2.4. Polarize Optik Mikroskop (POM) Görüntüsü ... 37
3.2.5. Taramalı Elektron Mikroskop (SEM) Görüntüsü-Enerji Dağılımlı X-Işını Spektrometresi (EDS) Analizi ... 42
3.3. (RE)BCO Bulk Numunelerinin Elektriksel Özellikleri... 49
3.3.1. Alan Altında Direnç Ölçümü ... 49
3.3.2. Aktivasyon Enerjisi (U0), Tersinmez Manyetik Alan (Hirr) ve Üst Kritik Manyetik Alan (Hc2) Hesapları ... 56
3.4. RE)BCO Bulk Numunelerinin Manyetik Özellikleri ... 61
3.4.1. Levitasyon Kuvveti Ölçümü ... 61
3.4.2. Kuvvet Durulma Oranı ve Çivileme Enerjisi Hesapları ... 68
3.4.3. Manyetik Alan Göre Manyetizasyon Ölçümü... 72
3.4.4. Ölçüm Sıcaklığına Göre Manyetizasyon Ölçümü ... 77
3.4.5. Kritik Akım Yoğunluğu Hesabı ... 81
3.4.6. Çivileme Kuvveti Yoğunluğu Hesabı ... 88
4. SONUÇLAR ... 100
5. ÖNERİLER ... 104
6. KAYNAKLAR ... 105 ÖZGEÇMİŞ
VII
YENİ (RE)3Ba5Cu8Oy (RE: Y, Nd, Sm, Gd) BULK SÜPERİLETKENLERİNİN ÜRETİMİ
VE KARAKTERİZASYONU
Sezai KÜTÜK
Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü
Fizik Anabilim Dalı
Danışman: Doç. Dr. Süleyman BOLAT 2014, 111 sayfa
Yeni (RE)3Ba5Cu8Oy (RE: Y, Nd, Sm, Gd)/(RE)358 bulk süperiletken numuneleri
standart SSR ve modifiye MPMG olmak üzere iki farklı metotla üretildi. Yapısal özellikler DTA-TG, bulk yoğunluğu, XRD, POM ve SEM-EDS ölçümleri ile incelendi. XRD ölçümünden Y358 MPMG numunesinin kafes parametreleri a= 3,8855 Å, b=3,8231 Å, c= 31,0282 Å olarak bulundu. EDS ölçümünden Y358 MPMG’ye ait ampirik formül Y3.00Ba4.95Cu7.94Oy olarak tanımlandı. Elektriksel özellikler alan altındaki R-T ölçümünden
tespit edildi. Y358 MPMG’nin kritik sıcaklıkları Tc, başlangıç=96,70 K, Tc, bitiş=93,51 K, ∆Tc=3,19 K olarak tayin edildi. Bununla birlikte, R-T ölçümünden aktivasyon enerjisi, tersinmez manyetik alan ve üst kritik manyetik alan değerleri hesaplandı. Manyetik özellikler Fz, M-H ve M-T ölçümlerinden tetkik edildi. 33 K sıcaklığı için tüm numuneler arasındaki en büyük levitasyon kuvveti değerinin 3634 mN ile Y358 MPMG’ye ait olduğu belirlendi. Ayrıca, Fz ölçümünden kuvvet durulma oranı ile çivileme enerjisi analiz edildi. M-H ölçümünden Jc ile Fp hesaplamaları yapıldı. 77 K sıcaklığı için 40 kOe uygulanan manyetik alanda tüm numuneler arasındaki en yüksek kritik akım yoğunluğu değerinin 1,7 kA.cm-2 ile Gd358 MPMG’ye ait olduğu saptandı. Yeni (RE)358 bulk süperiletkenleri sadece literatürdeki Y123 süperiletkeni ile değil aynı zamanda daha doğru mukayese yapabilmek adına bu tez kapsamında hazırlanan Y123 süperiletkenleri ile de karşılaştırıldı. Bu bulgular dikkate alındığında, söz konusu yeni süperiletkenler gelecekte yararlı bir teknolojik uygulama olmayı vadetmektedir.
Anahtar Kelimeler: (RE)358 bulk süperiletkenleri, MPMG, XRD, SEM-EDS, Direnç,
Aktivasyon enerjisi, Tersinmez manyetik alan, Levitasyon kuvveti, Kuvvet durulma oranı, Kritik akım yoğunluğu, Çivileme kuvveti
VIII
FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF NEW (RE)3Ba5Cu8Oy
(RE: Y, Nd, Sm, Gd) BULK SUPERCONDUCTORS
Sezai KUTUK
Karadeniz Technical University
The Graduate School of Natural and Applied Sciences Physics Graduate Program
Supervisor: Assoc. Prof. Suleyman BOLAT 2014, 111 Pages
New (RE)3Ba5Cu8Oy (RE: Y, Nd, Sm, Gd)/(RE)358 bulk superconducting samples
were fabricated by two different methods which were the standard SSR and modified MPMG. Structural properties were investigated with DTA-TG, bulk density, XRD, POM and SEM-EDS measurements. Lattice parameters for Y358 MPMG sample were obtained as a=3.8855 Å, b=3.8231 Å, c=31.0282 Å from the XRD measurement. Empirical formula for the Y358 MPMG was defined as Y3.00Ba4.95Cu7.94Oy from the EDS measurements.
Electrical properties were examined from R-T measurement under field. Critical temperatures for the Y358 MPMG were found out as Tc,onset=96.70 K, Tc,offset=93.51 K, ∆Tc=3.19 K. In addition, activation energy, irreversible magnetic field and upper critical magnetic field values were calculated from the R-T measurement. Magnetic properties were researched by Fz, M-H and M-T measurements. Maximum value of the levitation force among all samples under a temperature of 33 K was determined to be 3634 mN for the Y358 MPMG. Besides, force relaxation rate and pinning energy were analyzed from the Fz measurement. Jc and Fp were computed from the M-H measurement. The highest value of the critical current density among all samples under a temperature of 77 K and an applied magnetic field of 40 kOe was decided to be 1.7 kA.cm-2 for Gd358 MPMG. The new (RE)358 bulk superconductors were compared with not only the Y123 superconductor in literature but also Y123 superconductors prepared to make the comparison more accurate in this thesis. Taking into account these findings, the mentioned new superconductors are promising to be a useful technical application in the future.
Key Words: (RE)358 bulk superconductors, MPMG, XRD, SEM-EDS, Resistance,
Activation energy, Irreversible magnetic field, Levitation force, Force relaxation rate, Critical current density, Pinning force.
IX
Şekil 1. 1. Süperiletkenliğin kronolojisi ... 3
Şekil 1. 2. Y123 bileşiğinin (a) tetragonal (b) ortorombik kristal yapısı ... 5
Şekil 1. 3. Y123 bileşiğinin oksijene duyarlılığı ... 5
Şekil 1. 4. Y124 bileşiğinin kristal yapısı ... 6
Şekil 1. 5. Y247 bileşiğinin kristal yapısı ... 8
Şekil 1. 6. Farklı basınçlar için üçlü sistemin T-x kesitleri ... 9
Şekil 1. 7. Y358 bileşiğinin kristal yapısı ... 11
Şekil 2.1 SSR metodu için sinterleme diyagramı ... 17
Şekil 2.2. MPMG metodu için sinterleme diyagramı ... 18
Şekil 2.3. Oksijenleme diyagramı ... 18
Şekil 2.4. Diferansiyel Termal Analiz-TermoGravimetri Cihazı ... 19
Şekil 2.5. X-ışını difraktometresi ... 21
Şekil 2.6 Polarize optik mikroskop ... 21
Şekil 2.7. Taramalı elektron mikroskobu ile enerji dağılımlı x-ışını spektrometresi ... 21
Şekil 2.8. Alan altında direnç ölçüm sistemi ... 22
Şekil 2.9. Kriyostat levitasyon sisteminin şematik gösterimi ... 23
Şekil 2.10. Fiziksel Özellik Ölçüm Sistemi ... 24
Şekil 3.1. Y123 ve Y358 Kalsine; Y123, Y358, Nd358, Sm358, Gd358 ve NSG358 MP başlangıç tozlarının DTA eğrileri ... 26
Şekil 3.2. Y123 ve Y358 Kalsine; Y123, Y358, Nd358, Sm358, Gd358 ve NSG358 MP başlangıç tozlarının TG eğrileri ... 27
Şekil 3.3. Tüm numunelerin bulk yoğunluğu ... 29
Şekil 3.4. Y123 ve Y358 MPMG numunelerinin XRD desenleri ... 32
Şekil 3.5. Tüm numunelerin XRD desenleri ... 35
Şekil 3.6. Y123 SSR numunesinin optik mikrografı ... 38
Şekil 3.7. Y358 SSR numunesinin optik mikrografı ... 38
Şekil 3.8. Y123 MPMG numunesinin optik mikrografı ... 39
Şekil 3.9. Y358 MPMG numunesinin optik mikrografı ... 39
Şekil 3.10. Nd358 MPMG numunesinin optik mikrografı ... 40
X
Şekil 3.15. Y358 SSR numunesinin SEM görüntüsü ve EDS spektrumu ile analizi ... 44
Şekil 3.16. Y123 MPMG numunesinin SEM görüntüsü ve EDS spektrumu ile analizi ... 45
Şekil 3.17. Y358 MPMG numunesinin SEM görüntüsü ve EDS spektrumu ile analizi ... 45
Şekil 3.18. Nd358 MPMG numunesinin SEM görüntüsü ve EDS spektrumu ile analizi ... 46
Şekil 3.19. Sm358 MPMG numunesinin SEM görüntüsü ve EDS spektrumu ile analizi ... 46
Şekil 3.20. Gd358 MPMG numunesinin SEM görüntüsü ve EDS spektrumu ile analizi ... 47
Şekil 3.21. NSG358 MPMG numunesinin SEM görüntüsü ve EDS spektrumu ile analiz . 47 Şekil 3.22. Y123 SSR numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 51
Şekil 3.23. Y358 SSR numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 51
Şekil 3.24. Y123 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 52
Şekil 3.25. Y358 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 52
Şekil 3.26. Nd358 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 53
Şekil 3.27. Sm358 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 53
Şekil 3.28. Gd358 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 54
Şekil 3.29. NSG358 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında direncin sıcaklığa göre değişimi ... 54
Şekil 3.30. Y123 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında normalize direncin Arrhenius eğrileri ... 58
Şekil 3.31. Y358 MPMG numunesine ait farklı manyetik alan altında normalize direncin Arrhenius eğrileri ... 58
Şekil 3.32. Y123 ve Y358 MPMG numunelerine ait aktivasyon enerjisinin manyetik alana göre değişimi ... 59
Şekil 3.33. Kalibreli standart Nd-Fe-B mıknatısına ait eksensel manyetik alanın mesafeye göre değişimi. ... 64
Şekil 3.34. Numunelerin 33 K için levitasyon kuvvetinin düşey mesafeyle değişimi ... 65
Şekil 3.35. Numunelerin 50 K için levitasyon kuvvetinin düşey mesafeyle değişimi ... 66
XI
Şekil 3.38. Y123 ve Y358 MPMG numuneleri için farklı düşey mesafelerde (a) kuvvet
durulma oranın (b) çivileme enerjisinin sıcaklıkla değişimi ... 71
Şekil 3.39. Bazı numuneler için 77 K’deki manyetizasyonun alana göre değişimi ... 73
Şekil 3.40. Tüm numuneler için 50 K’deki manyetizasyonun alana göre değişimi ... 74
Şekil 3.41. Tüm numuneler için 33 K’deki manyetizasyonun alana göre değişimi ... 75
Şekil 3.42. Nd358 ve NSG358 MPMG numuneleri için 15 K’deki manyetizasyonun alana göre değişimi ... 76
Şekil 3.43. Bazı numuneler için 3,4 kOe’deki manyetizasyonun sıcaklığa göre değişimi .. 78
Şekil 3.44. Bazı numuneler için 0,1 kOe’deki manyetizasyonun sıcaklığa göre değişimi .. 79
Şekil 3.45. Bazı numunelerinin 77 K’deki kritik akım yoğunluğunun alanla değişimi ... 84
Şekil 3.46. Tüm numunelerinin 50K’deki kritik akım yoğunluğunun alanla değişimi ... 85
Şekil 3.47. Tüm numunelerinin 33K’deki kritik akım yoğunluğunun alanla değişimi ... 86
Şekil 3.48. Nd358 ve NSG358 MPMG numunelerinin 15 K’deki kritik akım yoğunluğunun alanla değişimi ... 87
Şekil 3.49. Y123 SSR numunesinin (a) 77 K (b) 50 K (c) 33 K’deki normalize manyetik alanın fonksiyonu olarak normalize çivileme kuvveti yoğunlukları . 91 Şekil 3.50. Y358 SSR numunesinin (a) 77 K (b) 50 K (c) 33 K’deki normalize manyetik alanın fonksiyonu olarak normalize çivileme kuvveti yoğunlukları . 92 Şekil 3.51. Y123 MPMG numunesinin (a) 77 K (b) 50 K (c) 33 K’deki normalize manyetik alanın fonksiyonu olarak normalize çivileme kuvveti yoğunlukları . 93 Şekil 3.52. Y358 MPMG numunesinin (a) 77 K (b) 50 K (c) 33 K’deki normalize manyetik alanın fonksiyonu olarak normalize çivileme kuvveti yoğunlukları . 94 Şekil 3.53. Nd358 MPMG numunesinin (a) 50 K (b) 33 K (c) 15 K (d) 5 K’deki normalize manyetik alanın fonksiyonu olarak normalize çivileme kuvveti yoğunlukları ... 95 Şekil 3.54. Sm358 MPMG numunesinin (a) 77 K (b) 50 K (c) 33 K’deki normalize
manyetik alanın fonksiyonu olarak normalize çivileme kuvveti yoğunlukları . 96 Şekil 3.55. Gd358 MPMG numunesinin (a) 77 K (b) 50 K (c) 33 K’deki normalize
manyetik alanın fonksiyonu olarak normalize çivileme kuvveti yoğunlukları . 97 Şekil 3.56. NSG358 MPMG numunesinin (a) 50 K (b) 33 K (c) 15 K’deki normalize
XII
Tablo 2.1. Numunelerin üretiminde kullanılan toz bileşikler ... 15
Tablo 3.1. Başlangıç tozlarının peritektik başlama ve oksijen sıcaklıkları ... 28
Tablo 3.2. Y123 numunesinin teorik (hkl) değerleri ... 33
Tablo 3.3. Y358 numunesinin teorik (hkl) değerleri ... 34
Tablo 3.4. Tüm numunelerin kafes parametreleri ve hacimleri ... 36
Tablo 3.5. Y123 ve Y358 numunelerinin teorik EDS analizi ... 48
Tablo 3.6. Tüm numunelere ait farklı manyetik alan altında Tc değerleri ... 55
Tablo 3.7. Tüm numunelere ait manyetik alana göre aktivasyon enerjisi değerleri ... 59
Tablo 3.8. Tüm numunelere ait tersinmez manyetik alana göre sıcaklık değerleri ... 60
Tablo 3.9. Tüm numunelere ait üst kritik manyetik alana göre sıcaklık değerleri ... 60
Tablo 3.10. Numunelerin 33, 50, 77 K sıcaklığındaki maksimum itici kuvvet ve minimum çekici kuvvet değerleri ... 64
Tablo 3.11. Numunelere ait 3,4 ve 0,1 kOe’deki kritik sıcaklık değerleri ... 80
Tablo 3.12. Y123, Y358 ve Gd358 MPMG numunelerine ait farklı alanlardaki kritik akım yoğunluğu değerleri ... 87
Tablo 3.13. Numunelere ait farklı sıcaklıklardaki maksimum çivileme kuvveti yoğunluğu ve buna tekabül eden maksimum manyetik alan değerleri ... 99
XIII a, b, c : Kafes parametreleri
B : Manyetik akı yoğunluğu (alan)
Bmak : Çivileme kuvveti yoğunluğunun maksimumuna tekabül eden manyetik alan
DC : Doğru Akım
Fp : Çivileme kuvveti yoğunluğu
Fp, mak : Çivileme kuvveti yoğunluğunun maksimumu
fp : Normalize çivileme kuvveti yoğunluğu
fp, p : Normal nokta çivilemesi fp, s : Yüzey çivilemesi
fp, ∆κ : ∆κ çivilemesi
Fz : Düşey levitasyon kuvveti
Fz, A : Çekici levitasyon kuvveti Fz, R : İtici levitasyon kuvveti Gd358 : Gd3Ba5Cu8Oy
H : Manyetik alan şiddeti
Hc2 : Üst kritik manyetik alan Hirr : Tersinmez manyetik alan
HTS : Yüksek Sıcaklık Süperiletkeni
hkl : Miller indisi (düzlem)
Jc : Kritik akım yoğunluğu
LTS : Düşük Sıcaklık Süperiletkeni M : Manyetizasyon MPMG : Eritme-Toz-Eritme-Büyütme Nd358 : Nd3Ba5Cu8Oy NSG358 : (NdSmGd)Ba5Cu8Oy PM : Kalıcı Mıknatıs
PPMS : Fiziksel Özellik Ölçüm Sistemi
R : Direnç
XIV
SSR : Katıhal Tepkime
Tc : Kritik sıcaklık
Tc, başlangıç : Özdirenç-sıcaklık grafiğinde süperiletkinliğin başladığı kritik sıcaklık Tc, bitiş : Özdirenç-sıcaklık grafiğinde direncin sıfır olduğu kritik sıcaklık Tp,s :Peritektik başlama sıcaklığı
U : Çivileme enerjisi
U0 : Aktivasyon enerjisi
V : Hacim
VSM : Titreşim Örneklemeli Manyetometre
Y123 : YBa2Cu3Ox
Y211 : Y2BaCuO5
Y358 : Y3Ba5Cu8Oy
z : Süperiletken numune ile kalıcı mıknatıs arasındaki düşey mesafe
ZFC : Alansız Soğutma
α : İtici levitasyon kuvvetinin üssü
β : Aktivasyon enerjisi ile ilişkili manyetik alanın üssü
∆ : Ortorombiklik
∆Tc : Süperiletkenliğe geçişteki sıcaklık aralığı
µ0 : Boşluğun manyetik geçirgenliği
ρ : Özdirenç
1. GENEL BİLGİLER
1.1. Giriş
Bir malzemenin düşük sıcaklıklardaki karakteristik özellikleri 1800 yılların sonlarına doğru merak konusuydu. Bu bağlamda Hollanda’nın Leiden Üniversitesinde araştırma yapan Danimarkalı fizikçi H. K. Onnes 1908 yılında kaynama sıcaklığı 4,15 K olan helyumu sıvılaştırmayı başardı. Böylece araştırmaya devam eden Onnes ve öğrencisi G. J. Holst 1911 yılında metalik civanın (Hg) elektriksel direncinin 4,19 K’de aniden keskin bir şekilde düştüğünü ve akabinde sıfır olduğunu tespit etti (Onnes, 1911). DC direncin bu şekilde sıfır olduğu sıcaklığa kritik sıcaklık (Tc) ve söz konusu duruma ise süperiletkenlik adı verildi.
Dünyada ilgi uyandıran bu durum araştırmacıların dikkati çekti ve 1933 yılında W. Meissner ve R. Ochsenfeld manyetik alan altında iken süperiletken bir malzemenin uygulanan alanı tamamen dışarladığını gözlemledi (Meissner ve Ochsenfeld, 1933). Mükemmel diyamanyetizmayı gösteren bu davranışa Mesissner etkisi denildi ve nihayetinde süperiletkenliğin diğer önemli özelliği de keşfedilmiş oldu.
Süperiletkenliğin elektrodinamik özellikleri 1935 yılında F. ve H. London kardeşler tarafından açıklandı. Onlar bir süperiletken malzeme içerisine uygulanan manyetik alanın ne kadar nüfuz ettiğini veren girme derinliğini Maxwell denklemlerinden yola çıkarak belirledi (London ve London, 1935). Daha sonra konuyla ilgili çalışan V. L. Ginzburg ve
L. D. Landau 1950 yılında düzen parametresini tanımlayarak London denklemleri için yeni
bir türetme ortaya çıkardı (Ginzburg and Landau, 1950). Bahsi geçen ilk sonuç London teorisi ve diğer sonuç ise Ginzburg-Landau teorisi olarak bilinen süperiletkenliğin makroskobik teorileridir.
A. A. Abrikosov 1957 yılında II. Tip süperiletkenler için karışık durumda iken manyetik akının kuantum vortekslerinin düzenli bir diziliminin içine girdiğini öngördü (Abrikosov, 1957).
Süperiletkenliğin doğasının anlaşılmasında büyük bir sıçrama 1956 yılında L. N. Cooper tarafından örgü boyunca hareket eden elektronların bağlı birer çift olduğu düşüncesinin ileri sürülmesi ile yaşandı. Buradaki her bir çift eşit fakat zıt spin ve açısal momentuma sahiptir (Cooper, 1956). Bu düşünce üzerine analize devam eden J. Bardeen,
L. N. Cooper, J. R. Schrieffer 1957 yılında süperiletkenliğinin Cooper çiftlerinin varlığından kaynağını BCS teorisi ile yayınladı (Bardeen vd., 1957). Söz konusu teori süperiletkenliğin mikroskobik teorisi diye bilinmektedir.
II. tip süperiletkenlere ait tersinmez manyetizasyon davranışının (histerezis) makroskobik bir izahı 1962 yılında C. P. Bean tarafından Bean kritik durum modeli ile yapıldı (Bean, 1962).
1962 yılında B. D. Josephson çok ince yalıtkan bir bariyerle birbirinden ayrılan iki süperiletken arasında cooper çiftlerinin tünelleme yapabileceği fikrini ortaya attı (Josephson, 1962). Bu fikir Josephson etkisi ve böyle bir sistem de Josephson eklemi olarak adlandırıldı. Bahsi geçen eklem günümüzde pek çok mühendislik uygulamasında çalışılmakta olup özellikle Süperiletken Kuantum Girişim Cihazının (SQUID) temelinde yer almaktadır.
R. C. Cohn 1973 yılında o zamana kadar 22,3 K ile en yüksek Tc’ye sahip olan düşük sıcaklık süperiletkeni (LTS) metalik Nb3Ge’yi keşfetti (Cohn, 1973).
Bakır oksit (CuO) tabanlı seramik süperiletken BaxLa5-xCu5O5(3-y) bileşiği Tc=30 K değeriyle J. G. Bednorz ve K. A. Muller’in araştırmaları neticesinde 1986 yılında bulundu ve böylece yüksek sıcaklık süperiletkenleri (HTS) çağı başlamış oldu (Bednorz ve Muller, 1986).
Süperiletkenlerin teknolojik uygulamasında soğutma probleminin nasıl aşılacağı mütalaa edilirken, sıvı azot sıcaklığının (77 K) yukarısında olan (Y1-xBax)2CuO4-δ
bileşiğinin Tc=93 K ile 1987 yılında M. K. Wu ve diğerleri tarafından rapor edilmesi dünya çapında büyük bir yankı uyandırdı (Wu vd., 1987).
Cu-O tabanlı süperiletken üzerinde hummalı çalışmaların neticesinde, 1988 yılında H. Maeda ve diğerleri BiSrCaCu2Ox bileşiğini Tc=105 K, 1988 yılında Z. Z. Sheng ve A.
M. Hermann 100 K üzerinde olan Tl2CaBaCu3O8+x bileşiğini Tc=120 K, 1993 yılında
Schilling ve diğerleri 130 K üzerinde olan HgBa2Ca2Cu3O1+x bileşiğini Tc=133 K olarak
tetkik etti (Maeda vd., 1988; Sheng ve Hermann, 1988; Schilling vd., 1993). 1994 yılında L. Gao ve diğerleri şu ana kadarki en yüksek Tc’yi 31 GPa yüksek basınç altında HgBa2Ca2Cu3O8+δ bileşiği ile 164 K olarak elde etti (Gao vd., 1994).
2001 yılında J. Nagamatsu ve diğerleri Cu-O tabanlı olmayan ve metalik bileşikler arasındaki maksimum Tc=39 K sahip olan bileşiğin MgB2 olduğunu söyledi (Nagamatsu
C. Wang ve diğerleri 2008 yılında demir tabanlı süperiletken Tc’nin Gd1-xThxFeAsO metalik bile
Son olarak Şekil 1.1’de kronolojisi gösterilen süperiletkenlik bu güne kadar toplamda 7 kez Nobel ödülüne layık görüldü
günümüzde kısmen mühendislik uygulamasına ba yerini alacak olan inovatif malzemelerdir.
Şekil 1. 1. Süperiletkenliğin kronolojisi
1.2. YBCO Süperiletken Sistemleri 1.2.1. Y123 Sistemi
Yüksek sıcaklık süperiletken sistemleri (HTS) arasında en birisi YBa2Cu3Ox (kısaca YBCO
kompozisyonu ile ilk defa Wu ve di tepkime (SSR) metoduyla
normal basınç altında ve manye
Sı ca kl ık ( K )
erleri 2008 yılında demir tabanlı süperiletken sistemindeki en yüksek FeAsO metalik bileşiği ile 56 K olduğunu rapor etti (Wang vd., 2008
ekil 1.1’de kronolojisi gösterilen süperiletkenlik bu güne kadar toplamda 7 kez Nobel ödülüne layık görüldü (URL-1, 2014). Ayrıca süperiletken malzemeler günümüzde kısmen mühendislik uygulamasına başlanılan ve geleceğ
yerini alacak olan inovatif malzemelerdir.
Süperiletkenliğin kronolojisi
YBCO Süperiletken Sistemleri
Yüksek sıcaklık süperiletken sistemleri (HTS) arasında en yoğ (kısaca YBCO-123/Y123) sistemidir. Bu sistem Y kompozisyonu ile ilk defa Wu ve diğerleri tarafından 1987 yılında keş tepkime (SSR) metoduyla üretilen bulk Y123 (sonradan isimlendirilen) normal basınç altında ve manyetik alan yokluğunda iken alan altında
Yıl
sistemindeki en yüksek unu rapor etti (Wang vd., 2008). ekil 1.1’de kronolojisi gösterilen süperiletkenlik bu güne kadar toplamda
. Ayrıca süperiletken malzemeler lanılan ve geleceğin teknolojisinde
yoğun çalışılanlardan 123/Y123) sistemidir. Bu sistem Yl.2Ba0.8CuO4-δ
erleri tarafından 1987 yılında keşfedildi ve katıhal üretilen bulk Y123 (sonradan isimlendirilen) numunesi için unda iken alan altında direnç ölçümünden
Sıvı He Sıvı H Sıvı Ne Sıvı N Ayda Gece Plutonun yüzeyi
Tc, başlangıç≈93 K ve Tc, bitiş≈80 K olarak bulundu (Wu vd., 1987). İki Tc değeri teknolojik uygulaması açısından sıvı azotun kaynama sıcaklığının (77,4 K) üzerinde elde edilen ilk HTS değerleri olmasından dolayı, dünya genelinde bu numunenin araştırılması yönünde büyük bir ivme dönemi yaşanmaya başlandı.
YBCO süperiletkenleri tabakalı perovskit benzeri ve yüksek anizotropik kristal yapıya sahiptir. Y123 bileşiğinin Şekil 1.2 (a) tetragonal (b) ortorombik kristal yapısını göstermektedir. Bahsilen yapı CuO–BaO–CuO2–Y–CuO2–BaO–CuO gibi sırasıyla
istiflenmiş dört farklı tabaka içeren düzenli atom boşluklarına (vacancies) sahip oksijen eksikli bir perovskittir. CuO tabakasındaki her bir Cu atomu dört O atomuyla koordinelidir, ama bu durum CuO2 tabakasındaki Cu atomlarını çevreleyen beş O atomundan farklıdır.
YBa2Cu3O7-x bileşiği 1 ≥ x ≥ 0,5 ise tetragonal (yarıiletken faz) ve 0 ≤ x < 0,5 ise
ortorombik kristal yapısına (süperiletken faz) sahiptir (Cardwell ve Ginley, 2003). Kısacası bu bileşik birim hücresinde iki tane CuO2 düzlemlerini ve bir tane tek (single) CuO
zincirini içermektedir (Cardwell ve Ginley, 2003; Aliabadi vd., 2009).
YBa2Cu3O6,26 olan tetragonal faz a=3,8573 Å, c=11,7913 Å kafes parametreleri ile
P4/mmm kristalografik yapıda iken, YBa2Cu3O7 olan ortorombik faz a=3,8206 Å,
b=3,8851 Å, c=11,6757 Å kafes parametreleri ile Pmmm kristalografik yapıdadır. Ortorombik süperiletken fazda a ile b kafes parametreleri arasındaki küçük fark BaO tabakaları arasında sıkışmış olan CuO tabakasındaki (zincirindeki) düzenlenen (ordering) oksijen atom boşluğundan kaynaklanmaktadır (Poole, 2000).
Y123 bileşiğinin oksijene karşı duyarlılığı Şekil 1.3’de verilmektedir. Dikkat edilirse x ≥ 0,65 durumda Tc değerinin olmadığı, fakat diğer durumunda ise Tc değerinin giderek arttığı ve nihai 90 K üzerine çıktığı görülmektedir (Poole, 2000).
Y123 bileşiğine dair daha fazla kristal yapı, sıcaklığa göre faz diyagramı, üçlü faz diyagramı ve benzeri gibi detaylı bilgiler yapılan Yüksek Lisans Tezinde mevcuttur (Kutuk, 2008).
1.2.2. Y124 Sistemi
YBCO ailesinde bilinen süperiletken sistemlerden birisi YBa2Cu4O8 (kısaca
YBCO-124/Y124) bileşiğidir. Üstelik bazı kaynaklarda bu bileşik Y2Ba4Cu8O16 (kısaca
YBCO-248/Y248) diye adlandırılmaktadır (Cardwell ve Ginley, 2003). Y124 bileşiği orijinal bir şekilde ilk kez 1988 yılında Zandbergen ve diğeri tarafından Y123 bileşiğinde bir örgü
kusuru olarak keşfedildi (Zandbergen vd., 1988 yıl içerisinde Karpinski ve di
başlangıç≈81 K değerine sahip bir bulk numunede tespit edildi (Karpinski vd., 1988a
Şekil 1. 2. Y123 bileşiğinin (a) tetragonal (b) ortorombik kristal yapısı
Şekil 1. 3. Y123 bile YBa2Cu3O6 P4/mmm (a) y z x Tc ( K )
fedildi (Zandbergen vd., 1988). Ancak söz konusu bile
yıl içerisinde Karpinski ve diğerlerinin yüksek oksijen basıncı altında sentezledi erine sahip bir bulk numunede tespit edildi (Karpinski vd., 1988a
ğinin (a) tetragonal (b) ortorombik kristal yapısı
Y123 bileşiğinin oksijene duyarlılığı YBa2Cu3O7-x’in x değeri
P4/mmm Tc =0 K YBa2Cu3O7 Pmmm Tc
(b)
y z
x
). Ancak söz konusu bileşik ilk defa aynı erlerinin yüksek oksijen basıncı altında sentezlediği Tc, erine sahip bir bulk numunede tespit edildi (Karpinski vd., 1988a).
c =90 K
Y
Cu2, O2, O3 Ba, O1 Cu1, O4
Kafes parametreleri
ortorombik kristalografik yapısındaki Y124 bile
içine Y123 bileşiğine ek olarak bir tane CuO tabakası sıkmı Poole, 2000). Özetle söz konusu bile
tane çift (double) CuO zinciri vardır (Cardwell ve Ginley, 2003; Aliabadi vd., 2009). Y124 bileşiğinin oksijene duyarlılı
azdır (Poole, 2000).
Şekil 1.
1.2.3. Y247 Sistemi
YBCO ailesinin süperiletken bile
247/Y247)’dir. Y247 süperiletkeni ilk kez 1988 yılında Karpinski ve di YBa2Cu3O7+x/YBa2Cu3O6+x
araştırılması esnasında bir safsızlık fazı olarak ta
Bordet ve diğerleri tarafından aynı yıl içinde yüksek oksijen basıncı altında sentezlenen Kafes parametreleri a=3,8411 Å, b=3,8718 Å, c=27,240 Å olan Ammm/Cmmm ortorombik kristalografik yapısındaki Y124 bileşiği Şekil 1.4’te sunulmaktadır. Bu yapının ine ek olarak bir tane CuO tabakası sıkmıştır (Cardwell ve Ginley, 2003; Poole, 2000). Özetle söz konusu bileşiğin birim hücresinde iki tane CuO
tane çift (double) CuO zinciri vardır (Cardwell ve Ginley, 2003; Aliabadi vd., 2009). inin oksijene duyarlılığı Y123 bileşiğinin aksine yok denecek kadar
ekil 1. 4. Y124 bileşiğinin kristal yapısı
YBCO ailesinin süperiletken bileşiklerinden birisi Y2Ba4Cu7O
. Y247 süperiletkeni ilk kez 1988 yılında Karpinski ve di
6+x-O2 sistemi için basınç-sıcaklık-kompozisyon faz diyagramın
tırılması esnasında bir safsızlık fazı olarak tanımlandı (Karpinski vd., 1988b
erleri tarafından aynı yıl içinde yüksek oksijen basıncı altında sentezlenen
Y Cu2, O2, O3 Ba, O1 Cu1, O4 YBa2Cu4O8 Ammm y z x =27,240 Å olan Ammm/Cmmm ekil 1.4’te sunulmaktadır. Bu yapının Cardwell ve Ginley, 2003; in birim hücresinde iki tane CuO2 düzlemleri ve bir
tane çift (double) CuO zinciri vardır (Cardwell ve Ginley, 2003; Aliabadi vd., 2009). inin aksine yok denecek kadar
Oy (kısaca
YBCO-. Y247 süperiletkeni ilk kez 1988 yılında Karpinski ve diğerleri tarafından kompozisyon faz diyagramın nımlandı (Karpinski vd., 1988b). Ayrıca erleri tarafından aynı yıl içinde yüksek oksijen basıncı altında sentezlenen
Y2Ba4Cu7O14+x bileşiği AC alınganlık ölçümünden Tc, başlangıç≈40 K olarak elde edildi
(Bordet vd., 1988).
Şekil 1.5 kristalografik yapısı ortorombik Ammm/Cmmm olan a=3,831 Å, b=3,881 Å, c=50,68 Å kafes parametresi değerlerine sahip Y247 bileşiğini göstermektedir (Cardwell ve Ginley, 2003; Poole, 2000). Kısacası bahsedilen bileşiğin birim hücresinde iki tane eşit olmayan CuO2 düzlemleri ve bir tane tek (Y123) ile 1 tane çift (Y124) CuO
zincirleri yer almaktadır (Cardwell ve Ginley, 2003; Aliabadi vd., 2009).
Y2Ba4Cu7Oy bileşiğinin oksijene duyarlılığı Y123’ünki gibidir ve nitekim y değeri
14,1’den 15,3’ye çıktığında Tc değeri 30 K’den 90 K üzerine yükselmektedir (Poole, 2000).
Çeşitli basınçlar için Y123-CuO bağ çizgisi boyunca üçlü sisteme ait sıcaklık-konsantrasyon (CuO’nun tüm metaller içindeki % atomik oranı) (T-x) kesitleri vasıtasıyla elde edilen faz dengesi Şekil 1.6’da verilmektedir. Genel olarak bakıldığında faz kararlılığının (stability) varyasyonları oksijen basıncına (PO2) göre değişmektedir. Y123, Y124 ve Y247 olmak üzere toplam üç süperiletken faz PO2=1 bar için kararlı durumdadır (Şekil 1.6.a). Y123’ün kararlı alanı PO2’nin artmasıyla azalmaktadır ve bütünüyle PO2=100 bara ulaştığında ortadan kaybolmaktadır (Şekil 1.6.b ve c). Bu noktadan itibaren hem Y124 hem de Y247 fazları PO2=2000 bara kadar mevcuttur (Şekil 1.6.d). Y247 fazı sadece alçak sıcaklık değil yüksek sıcaklık tarafından sınırlandırılan kararlı alana sahiptir. Onun ayrışma sıcaklığı Y124’ün ayrışma sıcaklığının daima üstündedir. Son olarak PO2=3000 bara erişildiğinde yalnızca Y124 kararlı bir faz olarak kalmaktadır (Şekil 1.6.e). Bundan dolayı böyle bir basınç değerinde eritme ile peritektik reaksiyon sayesinde Y124 bulk numunesini üretmek mümkündür (Karpinski vd, 1999).
1.2.4. Yeni Y358 Sistemi
YBCO ailesinin yeni keşfedilen sistemlerinden birisi Y3Ba5Cu8Oy (kısaca
YBCO-358/Y358)’dir. Bu bileşiğin varlığı ilk kez 2008 yılında “www.superconductors.org” adlı web sitesinin editörü E. J. Eck tarafından dünyaya deklare edildi ve ilk üretim 2009 yılında Aliabadi ve diğerleri tarafından SSR metoduyla gerçekleştirildi (URL-2, 2010; Aliabadi vd., 2009). Normal basınç altında ve manyetik alan yokluğunda elektriksel öz direnç sisteminden üretilen bulk numunenin kritik sıcaklık değerleri Tc, başlangıç≈102 K ve Tc, bitiş≈98 K olarak ölçüldü.
Şekil 1. ekil 1. 5. Y247 bileşiğinin kristal yapısı Cu4, O7 Y2Ba4Cu7O15 Ammm Ba2, O6 Cu3, O4, O5 Cu2, O2, O3 Ba1, O1 Cu1, O8 (O9) Y x y z
Şekil 1. 6. Farklı basınçlar için üçlü sistemin T-x kesitleri (a) (b) (c) (d) (e) PO2=3000 bar PO2=1000 bar PO2=100 bar PO2=20 bar PO2=1 bar
Kafes parametreleri a=3,888 Å, b=3,823 Å, c=31,013 Å olan Pmm2 ortorombik kristalografik yapısındaki Y358 Şekil 1.7’de teşhir edilmektedir (Tellez vd., 2012; Tavana ve Akhavan, 2010). Kısacası bahsedilen bileşiğin birim hücresinde beş tane CuO2
düzlemleri ve üç tane CuO zincirleri mevcuttur. Bir CuO tabanlı süperiletken sistem için CuO zinciri ve özellikle CuO2 düzlemi sayısının Tc değerinde radikal bir rol oynadığı literatürden bilinmektedir. Yani bu sayının artışıyla Tc’nin büyük ölçüde yükseldiği aşikârdır. Yalnız bazı sistemler için böyle bir artışın optimum bir seviyesi olduğu malumdur. Dolayısıyla YBCO sistemi için bu durum yıllardır tetkik edilmektedir ve nihayetinde Y358 süperiletkeni ile CuO2 düzlemi sayısı arttırılmıştır. İlaveten tabakalı
süperiletkenlerde Tc ve CuO2 düzlemlerinin sayısı arasındaki genel bağıntıyı anlamak için
yük dengesizliğini içeren pek çok teorik model hâlâ geliştirilmektedir. Söz konusu modeller böyle bir yük dengesizliğinin çok tabakalı (multilayer) bileşiklerde Tc’ye bastırmasına rağmen, tabakalar arası (interlayer) çiftlenimde Tc’yi iyileştirmesi için gerekli olduğunu desteklemektedir (Tavana ve Akhavan, 2010; Cardwell ve Ginley, 2003).
Son olarak YBCO ailesinin bahsi geçen yeni fazı konusunda oksijene karşı duyarlılık; sıcaklığa, basınca ve kompozisyona bağlı faz diyagramları ve benzeri gibi konular hakkında literatürde henüz detaylı bilgi bulunmamaktadır.
1.3. Süperiletken Malzemelerin Uygulama Alanları
Süperiletkenler dünya pazarındaki pek çok sektör için günümüzde kısmen yer alan geleceğin yenilikçi malzemeleridir. Bu bağlamda bulk, tel, şerit, film vb. gibi üretilen süperiletken malzemelerin özellikle son beş yıldır HTS’ler ile muazzam büyüyen (Uluslararası Süperiletkenlik Sanayi Zirvesi (ISIS) verilerine göre) belli başlı uygulama alanları kısaca aşağıdaki gibi ifade edebilir:
Tıp sektöründe Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI), Ultra Düşük Alanlı- Manyetik Rezonans Görüntüleme (ULF-MRI), Magnetoenceptholografi (MEG)-Manyetik Kaynaklı Görüntüleme (MSI) ve Magnetokardiografi (MCG) cihazları için günümüzde,
Eczacılık sektöründe Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektrometresi için şimdilerde,
Şekil 1.
Enerji sektöründe DC güç nakil kablosu, AC güç nakil kablosu, donanma gemisi ve uzay aracı için Süperiletken Manyetik Kalkan Kablosu/Bobini (SDGC), Akıllı
(SG) sistemi, trafo, küçük transformatör, Süperiletken Manyetik Enerji Depolama (SMES) cihazı, motor, jeneratör (rüzgâr, dalga, gelgit vb. gibi yenilenebilir enerji), mil yata (bearing), Hatalı/Kaçak Akım Sınırlayıcı (FCL),
HTS indüksiyon ısıtıcı sistemi, birebir ölçekli araştırmalarda,
Elektronik sektöründe Süpe Tünelleme Eklemleri (STJs), Zincir 1 Düzlem 1 Düzlem 3 Düzlem 4 Zincir 2 Zincir 3 Düzlem 2 Düzlem 5
Şekil 1. 7. Y358 bileşiğinin kristal yapısı
Enerji sektöründe DC güç nakil kablosu, AC güç nakil kablosu, donanma gemisi ve uzay aracı için Süperiletken Manyetik Kalkan Kablosu/Bobini (SDGC), Akıllı
(SG) sistemi, trafo, küçük transformatör, Süperiletken Manyetik Enerji Depolama (SMES) motor, jeneratör (rüzgâr, dalga, gelgit vb. gibi yenilenebilir enerji), mil yata (bearing), Hatalı/Kaçak Akım Sınırlayıcı (FCL), denizaltılar için çok düş
HTS indüksiyon ısıtıcı sistemi, Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörü (ITE tırmalarda,
Elektronik sektöründe Süperiletken Kuantum Girişim Cihazı (SQUID), Süperiletken Tünelleme Eklemleri (STJs), Dinamik Josephson Eklemleri (DJJs),
y x z Cu2 Cu1 Cu4 Cu5 Cu6 Y1 Y1 Y3 Cu3 Y2 Ba5 Ba4 Ba3 Ba2 Ba1 Cu8 Zincir 1 Düzlem 1 Düzlem 3 Düzlem 4 Zincir 2 Zincir 3 Düzlem 2 Düzlem 5 Y3Ba5Cu8O18 Pmm2 Cu7
Enerji sektöründe DC güç nakil kablosu, AC güç nakil kablosu, donanma gemisi ve uzay aracı için Süperiletken Manyetik Kalkan Kablosu/Bobini (SDGC), Akıllı Şebeke (SG) sistemi, trafo, küçük transformatör, Süperiletken Manyetik Enerji Depolama (SMES) motor, jeneratör (rüzgâr, dalga, gelgit vb. gibi yenilenebilir enerji), mil yatağı denizaltılar için çok düşük frekans anteni, Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörü (ITER) için
(SQUID), Süperiletken Dinamik Josephson Eklemleri (DJJs), Özgün Josephson
Eklemi (IJJ)-TeraHertz dalga kaynağı, süperiletken entegre devreleri/Hızlı Tek Akı Kuantum (FSFQ) devreleri, Geçiş Kenar Sensörü (TES), Süperiletken Elektronik Cihaz İşlemcisi (SEDP); Kuantum Bilgisayarı (QC), Süperiletken Dijital Yönlendirici (SDR), Süperiletken X-ışını Detektörü (SXD), Süperiletken Işık Detektörü (SLD), bolometre, jiroskop aygıtı, tek kristal Si ingot üretim sistemi için devam eden çalışmalarda,
Ulaşım sektöründe dünya rekoru kıran ve dolayısıyla yer uçağı diye tabir edilen Manyetik Levitasyon (MagLev) treni, gemi itme motoru, uzay aracı motoru için büyük ölçekli süren araştırma-geliştirmede (Ar-Ge),
Maden sektöründe koalin kil işleme vb. gibi Yüksek Gradyant Manyetik Ayrıştırıcı (HGMS) cihazları için şu anlarda,
Bilim camiasının dallarından yüksek enerji fiziğinde Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) vb. gibi parçacık hızlandırıcılar için bu zamanlarda,
Son olarak Ar-Ge laboratuvarlarında Kapalı Devre Kriyostat Sistemi (CCCS), Fiziksel Özellik Ölçüm Sistemi (PPMS) vb. gibi cihazlar için kullanım sahaları mevcuttur (URL-3, 2014; URL-4, 2014).
1.4. Literatür Özeti ve Çalışmanın Amacı
Son yıllarda mühendislik uygulaması ivmelenen ve böylece inovatif teknoloji olarak dünya pazarında büyük paya sahip olacağı düşünülen süperiletken malzemelere olan ilgi artmaktadır. Bu malzemeler arasında özellikle her geçen gün sıvı azot sıcaklığının üzerinde kullanımı mümkün olduğu için HTS’ler başı çekmektedir. HTS’ler arasında en çok rağbet görenlerden birisi de 77 K’in üzerinde Tc’ye sahip tek kararlı dörtlü bileşik olduğundan, hem zehirli element hem de patlayıcı bileşik içermediğinden, diğer HTS’lere göre daha az anizotropik ve yüksek manyetik alanlarda büyük kritik akım yoğunluğu (Jc) taşıdığından ve tek fazlı yapılması pratik olduğundan dolayı YBCO sistemidir (Cardwell ve Ginley, 2003). YBCO sistemi üzerine ilk keşfedildiği günden beri fen ve mühendislik açısından pek çok çalışma yapılmıştır. Söz konusu çalışmalardan çoğu da maliyeti azalma açısından Tc’ye iyileştirme üzerine olmuştur ve halen de olmaya devam etmektedir.
Tc’yi arttırmak için yapılan çalışmalardan birisi ve aynı zamanda bu tez çalışmasına başlandığında literatürdeki tek deneysel çalışma olan Aliabadi ve diğerleri tarafından keşfedilen Y358 fazı araştırmasıdır. Onlar oksijen atmosferinde SSR metoduyla üretilen bulk Y3Ba5Cu8O18 numunesinin manyetik alan yokluğundaki DC elektriksel öz direncini
sıcaklığa göre (ρ-T) ölçtü. Tc, başlangıç ve Tc, bitiş değerleri sırasıyla 102 K ve 98 K olarak elde edildi (Aliabadi vd., 2009).
Esmaeili ve diğerleri oksijen atmosferinde SSR metodu ile hazırlanan bulk Y3Ba5Cu8O18-x numunesinin elektriksel öz direncini ölçtü ve dalgalanma-indüklenmiş
iletkenliğinin (fluctuation-induced conductivity) 2D (2 boyutlu) ile 3D (3 boyutlu) teori analizlerini hesapladı. ρ-T grafiğinden Tc, başlangıç=100 K ve Tc, bitiş=96,3 K olduğu tespit edildi. Ayrıca öz direncin sıcaklığa göre türevi (dρ/dT) ile sıcaklık grafiğinden tek keskin bir pik gözlendi ve buna tekabül eden kritik sıcaklık Tc, bulk=98,5 K değeri bulundu. (Esmaeili vd., 2011).
Topal ve diğerleri ilk çalışmasında oksijen akışında SSR metoduyla sentezlenen bulk (RE)3Ba5Cu8O18 (RE: Y, Sm, Nd) numunelerinin elektriksel direnç ölçümlerini aldı. Y358,
Sm358 ve Nd358 numunelerine ait art arda Tc, başlangıç değerleri 97,5; 97; 95 K ve Tc, bitiş 91,5; 90; 78 K olarak belirlendi (Topal vd., 2011). Diğer çalışmada ise onlar aynı numuneleri oksijen akışında sonradan tavlama (post-annealing) işlemine tabi tuttu. Y358, Sm358 ve Nd358 numunelerine ait peş peşe Tc, başlangıç değerleri 97,5; 97; 96,5 K ve Tc, bitiş 94; 92,5; 91,1 K değerleri saptandı (Topal vd., 2012). Bu verilerden ışığında sadece Nd için Tc, başlangıç değerinde artışın gözlendiği, fakat Y, Sm ve özellikle Nd için Tc, bitiş değerinde kayda değer bir gelişmenin olduğu anlaşıldı.
Suan ve diğerleri nano kristal Y3Ba5Cu8O18 süperiletken tozu farklı c (sitrat)/n
(nitrat) oranına sahip sitrat-nitrat oto-yanma tepkime (citrate–nitrate auto-combustion reaction) metodu ile üretti. Elektriksel direnç ölçümünden en büyük kritik sıcaklık değerleri Tc, başlangıç=102 K ve Tc, bitiş=99 K ile c/n=0,7 olan optimum seviyede tetkik edildi (Suan vd., 2012).
Gholipour ve diğerleri sol-jel metoduyla çeşitli sinterleme koşulları altında beş farklı Y3Ba5Cu8O18-δ süperiletken numuneleri hazırladı. Bu numunelerinden ikisi elektriksel öz
direnç-sıcaklık grafiğindeki tek bir deneysel veri üzerinde tuhaf bir sonuç sergiledi. Numunede her iki fazın birlikte var olduğu (coexistance); Tc, orta değerinin Y123 fazı için 94 K ve Y358 fazı için 105 K olduğu tespit edildi (Gholipour vd., 2012).
Tellez ve diğerleri oksijen atmosferinde SSR metodu ile bulk Y3Ba5Cu8O18
numunesini sentezledi. Onlar numunenin elektriksel öz direncini ölçtü ve dalgalanma iletkenliğinin 2D ile 3D teori analizlerini hesapladı. ρ-T grafiğinden Tc, başlangıç=98,5 K ve Tc, bitiş=97 K olduğu belirlendi. İlaveten (dρ/dT)-T grafiğinden Tc, bulk=97,86 K olarak bulundu (Tellez vd., 2012).
Akduran yapmış olduğu ilk çalışmada oksijen atmosferinde SSR metoduyla üretilen bulk Y3Ba5Cu8O18 numuneleri 0-44,8 kGy aralığında değişen çeşitli dozlardaki gama
ışınlarına maruz bıraktı. Elektriksel öz direnç grafiğinden en güzel veri Tc, başlangıç=99,3 K ve Tc, bitiş=98,3 K ile hiç ışın verilmeyen numunede elde edildi (Akduran, 2012a). Öteki çalışmada ise Akduran aynı metotla fakat hem oksijen hem de hava ortamında olmak üzere iki farklı koşulda Y3Ba5Cu8O18 süperiletken numuneleri hazırladı. Oksijen ortamındaki
numunenin Tc, başlangıç=101,2 K ve Tc, bitiş =100,2 K ile maksimum değerlere malik olduğunu saptandı. Ek olarak (dρ/dT)-T grafiğinden Tc, bulk değeri hava ortamındaki numune için 93,6 K ve oksijen ortamındaki numune için 101 K tespit edildi (Akduran, 2012b). Dahası ve önemlisi bu çalışma Y358 fazının keşfedildiği zamandan günümüze kadar geçen sürede en yüksek Tc, bitiş değerine sahiptir.
Aliabadi ve diğerleri özel bir termal program içeren kontrollü oksijen atmosferinde SSR metodu ile bulk Gd3Ba5Cu8O18+δ numunesini sentezledi. Onlar numunenin elektriksel
öz direncini ölçtü ve buradan hem Tc, başlangıç=99 K hem de Tc, bitiş=94 K değerleri tayin edildi. Bulunan bu değerlerin standart Gd123’ünkünden daha büyük olduğu, ancak Y358’inkinden daha küçük olduğu rapor edildi (Aliabadi vd., 2014).
Genel manada YBCO sistemi için 95 K’in üzerindeki Tc, bitiş değeri normal şartlar altında diğer Jc, üst kritik manyetik alan, levitasyon, akı tuzaklama vb. gibi teknolojik parametrelerin de yüksek olacağı düşüncesi bakımdan büyük önem arz etmektedir. Yukarıda bahsedilen bulgular göz önünde bulundurulduğunda kısacası yeni Y358 fazı standart Y123 fazına göre yaklaşık 10 K daha yüksek Tc’ye sahip olduğu için dikkati daha fazla üzerine çekmektedir.
Bu doktora tezi çalışmasının amacı, ortaya atılan söz konusu fazı üretebilmek; uygulamaya dönük onun bazı yapısal, elektriksel ve manyetik özelliklerini ölçebilmek ve ilişkili hesaplamalarını yapabilmektir. Ayrıca bu tez kapsamında hem ilk defa detaylı araştırılan yeni Y358 fazının bilinmeyen bulgularını uluslararası camiaya kazandırabilmek hem de uygulama boyutunun ön çalışmasını gerçekleştirebilmek bu çalışmanın ana hedefidir.
2. YAPILAN ÇALIŞMALAR
2.1. (RE)BCO Bulk Numunelerin Üretimi 2.1.1. Tozların Hazırlanması
(RE)BaCuO (RE: Y, Nd, Sm, Gd) yüksek sıcaklık bulk (külçe) süperiletkenleri bazıları katıhal tepkime (Solid State Reaction, SSR) metodu ile olmak üzere tüm numuneler modifiye Eritme-Toz-Eritme-Büyütme (Melt-Powder-Melt-Growth, MPMG) metodu ile hazırlandı. Bu maksatla Tablo 2.1’de verilen yüksek saflık içeren toz halindeki oksit bileşikler kullanıldı.
Tablo 2.1. Numunelerin üretiminde kullanılan toz bileşikler
Adı Sembolü Saflık derecesi
(%)
Molekül ağırlığı
(g.mol-1) Firma
İtriyum oksit Y2O3 99,99 225,81 Sigma-Aldrich
Neodim oksit Nd2O3 99,9 336,48 Aldrich
Samaryum oksit Sm2O3 99,99 348,7 Sigma-Aldrich
Gadolinyum oksit Gd2O3 99,99 362,50 Alfa-Aesar
Baryum karbonat BaCO3 99,999 197,35 Aldrich
Bakır oksit CuO 99,99 79,54 Aldrich
Başlangıç kompozisyonu için oksit bileşikler Denklem (2.1)-(2.3)’e göre stokiyometrik olarak uygun miktarlarda 10-4 gram hassasiyetli elektronik terazide tartıldı ve sonra zirkonyum oksit (ZrO2) potada havanla yaklaşık bir saat iyice karıştırıldı.
2 3 3 2 3
0,5(Y O ) + 2(BaCO ) + 3(CuO)
→
YBa Cu O + ...
x Y123 için (2.1)2 3 3 3 5 8
1,5(Y O ) + 5(BaCO ) + 8(CuO)→Y Ba Cu O + ...y Y358 için (2.2)
2 3 2 3 2 3 3
5 8
0,5(Nd O ) + 0,5(Sm O ) + 0,5(Gd O ) + 5(BaCO ) + 8(CuO) (NdSmGd)Ba Cu O + ...y
Bundan sonra kalsinasyon, MPMG metodu için dökme, sinterleme ve oksijenleme işlemleri Kesim 3.2.1’de sunulan DTA-TG bulguları doğrultusunda icra edildi.
2.1.2. Kalsinasyon ve Ara Öğütme İşlemleri
Toz karışım alümina (Al2O3) pota içerisine konularak kalsinasyon işlemi için Lenton
Euroterm 818 kontrol işlemcili kare fırına yerleştirildi. Süreç üç aşamada yerine getirildi. İlk aşamada hava ortamında fırın sırasıyla oda sıcaklığından 5 ºC. dk-1 hız ile 915 ºC’ye
çıkarıldı, 1440 dk bekletildi, 3 ºC.dk-1 hız ile oda sıcaklığına indirildi. İkinci aşamada
kalsine karışımın daha iyi olması adına oda sıcaklığında ve normal atmosfer basıncı altında ZrO2 pota içerisinde her biri 20 mm çapında 30 g kütlesinde olan 6 adet ZrO2 top
kullanılarak toplamda süre 60 dk olmak üzere bir kontrol işlemcili Retsch PM100 düzlemsel bilyeli değirmende ara öğütme işlemi gerçekleştirildi ve akabinde tekrar kalsinayon işlemi yapıldı. Üçüncü aşamada ikinci kez kalsine karışım partikül boyutunun daha küçük olması ve homojen bir dağılım için tekrar değirmende öğütme işlemine tabi tutuldu. Bu aşamadan sonra sinterleme işlemi için iki farklı metot tercih edildi.
2.1.3. Sinterleme İşlemi 2.1.3.1. SSR Metodu
Değirmede öğütülen toz karışımından önce 4 g tartıldı ve sonra 13 mm çapında 300 MPa basınçta presleme yapılarak silindir geometrili tabletler oluşturuldu. Tabletler Al2O3
altlıkta Lenton Euroterm 818 kontrol işlemcili tüp fırına yerleştirilerek Şekil 2.1’deki hava ortamında sinterleme işlemine tabi tutuldu. Başlangıç tozlarının peritektik başlama sıcaklığı (Tp,s) Kesim 3.2.1’deki bulgulardan alındı. Y3Ba5Cu8Oy süperiletkenin fiziksel
yapısını daha iyi anlayabilmek için standart metot olan SSR metodu seçildi ve elde edilen sonuçların daha doğru değerlendirilmesi adına standart YBa2Cu3Ox süperiletkeni
beraberinde üretildi. Bu metot ile hazırlanan numunelere kolaylık olması açısından Y358 SSR ve Y123 SSR denildi.
2.1.3.2. MPMG Metodu
Değirmende öğütülen toz karışım platin (Pt) potaya yerleştirilerek kalsinasyon işlemindeki fırına konuldu. Fırının art arda20 ºC/dk hız ile oda sıcaklığından 1075 ºC’ye çok hızlı bir şekilde çıkarıldı, 10 ºC/dk hız ile 1460 ºC’ye yükseltildi, 5 dk bekletildi. Hemen ardından kor halindeki eriyik karışım sıvı azotla dolu kabın (dewar) içerisine -196 ºC (77 K) dökülerek çok hızlı soğutuldu. Detaylı bilgi daha önceden yapılan Yüksek Lisans Tezinde mevcuttur (Kutuk, 2008). Katılaşan karışımın değirmende aynı şartlar altında iyice öğütülerek toz haline gelmesi sağlandı.
SSR metodundaki gibi tabletler meydana getirildi ve aynı fırında Şekil 2.2’de gösterilen sinterleme işlemine tabi tutuldu. Başlangıç tozlarının peritektik başlama sıcaklığı (Tp,s) Kesim 3.2.1’deki bulgulardan temin edildi. Bu metot ile üretilen numunelere basitlik açısından Y123, Y358, Nd358, Sm358, Gd358 ve NSG358 MPMG denildi.
2.1.4. Oksijenleme İşlemi
Sinterlenen numuneler birlikte Lenton Euroterm 818 kontrol işlemcili tüp fırına yerleştirildi ve onlara Şekil 2.3’deki gibi oksijen verildi.
Zaman (dk) 0 500 1000 1500 2000 2500 S ıc a k lık ( °C ) 0 200 400 600 800 1000 1 °C/dk 1440 dk 5 °C/dk SSR Tp, s - 85
Zaman (dk) 0 500 1000 1500 2000 S ıc a k lık ( °C ) 0 200 400 600 800 1000 1200 2 °C/dk 60 dk 20 °C/dk 0.02 °C/dk ~ 54 °C/dk Tp, s - 30 M G MPMG Tp, s + 75 Tp, s
Şekil 2.2.MPMG metodu için sinterleme diyagramı
Zaman (dk) 0 100 200 300 400 500 600 S ıc a k lık ( °C ) 200 250 300 350 400 450 500 1 °C/dk 30 dk 2 °C/dk 30 dk 30 dk 0.75 °C/dk 0.75 °C/dk 150 mL/dk O2
2.2. (RE)BCO Bulk Numunelerin Yapısal Özellikleri 2.2.1. Diferansiyel Termal Analiz (DTA)
Süperiletken bulk numunelerin üretim sürecinde
MPMG metodu için dökme, sinterleme ve oksijenleme sıcaklıklarına ait termal faz geçişleri SII (Seiko Inst. Inc.) Exstar 6300 DTA
Sinterleme işlemi öncesi (numune üretilmeden önce) de karışımdan tartılan 20 mg’lık toz platin pota içerisinde cihaza yerle ölçülebilen kütle hassasiyeti 10
hava ortamında, 10 °C.min
Şekil 2.
2.2.2. Bulk Yoğunluğ
Süperiletken bulk numunelerin yo içeren bir malzemenin yoğ
prensibine dayalı bir düzenek (densitometre) sayesinde tespit edildi. Deney düzeneği yoğunlu
phthalate (C12H14O4) sıvısı ve bu
S marka dijital mikro-balans kontrollü bir teraziden olu hacmi yaklaşık π62x6 mm
ortamında (ma) sonra bahsi geçen sıvı içerisine atıldıktan 30 s akabinde Denklem (2.4)’e göre numunelerin yo
/ (
)
s l
m
am
am
lρ
=
ρ
−
(RE)BCO Bulk Numunelerin Yapısal Özellikleri
Diferansiyel Termal Analiz (DTA)-TermoGravimetri (TG) Ölçümleri
Süperiletken bulk numunelerin üretim sürecinde bilinmesi gereken kalsinasyon, MPMG metodu için dökme, sinterleme ve oksijenleme sıcaklıklarına ait termal faz
leri SII (Seiko Inst. Inc.) Exstar 6300 DTA-TG cihazı (Şekil 2.4) ile tayin edildi. lemi öncesi (numune üretilmeden önce) değ
ımdan tartılan 20 mg’lık toz platin pota içerisinde cihaza yerleş
ölçülebilen kütle hassasiyeti 10-8 g ve referans numune ise Al2O3 tozudur. Ölçümler kuru
hava ortamında, 10 °C.min-1’lik sabit bir hızla ve 20-1300 °C sıcaklık aralı
Şekil 2.4. Diferansiyel Termal Analiz-TermoGravimetri Cihazı
unluğu Ölçümü
Süperiletken bulk numunelerin yoğunluğu (ρs, g.cm-3) atomlar arası fazla bo malzemenin yoğunluğunu hassas bir biçimde ölçmeye imkân veren Ar prensibine dayalı bir düzenek (densitometre) sayesinde tespit edildi.
ğunluğu (ρl) 20 ˚C’de 1,122 g.cm-3 olan viskozitesi dü
) sıvısı ve bu sıvıya kısmi batırılan 10-4 g hassasiyetli Sartorius BP 110 balans kontrollü bir teraziden oluşmaktadır. Orijinal üretim halindeki x6 mm3 olan silindir geometrisine sahip numuneler önce hava
si geçen sıvı içerisine atıldıktan 30 s sonra (m akabinde Denklem (2.4)’e göre numunelerin yoğunluğu hesaplandı.
/ (
)
s
=
lm
am
a−
m
l20/02/2011 SK
TermoGravimetri (TG) Ölçümleri
bilinmesi gereken kalsinasyon, MPMG metodu için dökme, sinterleme ve oksijenleme sıcaklıklarına ait termal faz
ekil 2.4) ile tayin edildi. lemi öncesi (numune üretilmeden önce) değirmende öğütülen ımdan tartılan 20 mg’lık toz platin pota içerisinde cihaza yerleştirildi. Bu cihazda tozudur. Ölçümler kuru C sıcaklık aralığında alındı.
TermoGravimetri Cihazı
) atomlar arası fazla boşluk unu hassas bir biçimde ölçmeye imkân veren Arşimet
viskozitesi düşük diethyl g hassasiyetli Sartorius BP 110 maktadır. Orijinal üretim halindeki olan silindir geometrisine sahip numuneler önce hava ml) kütlesi tartıldı ve
2.2.3. X-Işını Difraktometresi (XRD) Ölçümü
Süperiletken bulk numunelerin ana faz, ikincil fazlar, (hkl) düzlemleri, kafes parametreleri vb. gibi kristalografik yapısal özellikleri Rikagu D/Max III toz XRD (Şekil 2.5) vasıtasıyla belirlendi.
Orijinal üretim halinde olan numuneler difraktometreye dikey olarak yerleştirildi ve difraktometrenin çalışma şartları voltaj: 40 kV, akım: 30 mA, ölçü aralığı: 20º≤2θ≤80º, örnekleme aralığı: 0, 05º, tarama hızı: 3º.dk-1 olarak ayarlandı. Ayrıca ölçümler dalga boyu
1,5418 Å olan CuKα x-ışını kullanılarak oda sıcaklığında normal atmosfer basıncı altında
gerçekleştirildi.
2.2.4. Polarize Optik Mikroskop (POM) Çekimi
Süperiletken bulk numunelerin mikron mertebesindeki tane büyüklüğü, dağılımı ve yönelimi; tane sınırı; ikincil fazlar; boşluk; makro-çatlak vb. gibi morfolojik yapısal özellikleri Nikon ECLIPSE ME600 POM (Şekil 2.6) aracılığıyla gözlendi.
Orijinal üretim halinde olan numunelerin yüzeyinde oluşan pürüzü düzeltmek amacıyla zımparalama işlemi yapıldıktan sonra, sırasıyla 23, 10 ve 1 µ’luk elmas tozu ile parlatma işlemi gerçekleştirildi. Parlatma işleminin ardından 320X büyütme yapılarak numunenin mikrografı çekildi.
2.2.5. Taramalı Elektron Mikroskop (SEM) Çekimi ve Enerji Dağılımlı X-Işını Spektrometresi (EDS) Ölçümü
Süperiletken bulk numunelerin nano/bir kaç mikron mertebesindeki tane büyüklüğü, dağılımı, yönelimi ve dokusu; tane sınırı; ikizleme; ikincil fazlar; boşluk; mikro-çatlak vb. gibi morfolojik yapısal özellikleri Zeiss Evo LS 10 SEM ile ve bununla ilgili element analizi SEM’e bağlı Bruker AXS XFlash 5010 EDS (Şekil 2.7) ile entegre bir cihaz kullanılarak gerçekleştirildi.
Orijinal üretim halinde olan numuneler cihaza normal şartlar altında çalışma koşulları 20 kV potansiyel 1kX büyütme olacak biçimde konuldu.
Şekil 2.5
Şekil 2.
Şekil 2.
5. X-ışını difraktometresi
Şekil 2.6.Polarize optik mikroskop
ekil 2.7. Taramalı elektron mikroskobu ile enerji da spektrometresi
06/11/2012 SK 29/09/2012 SK
05/10/2012 SK
2.3. (RE)BCO Bulk Numunelerin Elektriksel 2.3.1. Alan Altında D
Süperiletken bulk numunelerin kritik sıcaklık, geçi tersinmez manyetik alan, üst kritik manyetik alan de düşük sıcaklık DC elektriksel özellikleri
mıknatıs kriyostat sistemi (Ş helyum gazı kontak soğ programlanabilir akım kayna
Orijinal üretim halindeki hacmi yakla numunelerin hepsi, hacmi takriben
kesilerek kroyostatta ölçüm için uygun hale geti
yöntemiyle yapıldı ve burada direnci minimize etmek amacıyla gümü
Ayrıca veriler alansız soğutma (Zero Field Cooled, ZFC) rejimi, 5 mA’lik sabit bir DC akımı, 0; 0,25; 0,50; 1; 5 T’lık sabit bir DC
aralığında bilgisayara aktarıldı.
Şekil 2.8. Alan altında direnç
(RE)BCO Bulk Numunelerin Elektriksel Özellikleri Direnç Ölçümü
Süperiletken bulk numunelerin kritik sıcaklık, geçiş genişliği, aktivasyon enerjisi, tersinmez manyetik alan, üst kritik manyetik alan değerleri gibi manyetik alan altındaki ük sıcaklık DC elektriksel özellikleri bilgisayar kontrollü bir kapalı devre süperiletken mıknatıs kriyostat sistemi (Şekil 2.8) vasıtasıyla tetkik edildi. Bu sistem CRYO Industries helyum gazı kontak soğutucu ile süperiletken bobin mıknatıs ve Keithley 220 programlanabilir akım kaynağı ile Keithley 2182A nano-voltmetreden ibarettir.
üretim halindeki hacmi yaklaşık π62x6 mm3 olan silindir geometrisine sahip numunelerin hepsi, hacmi takriben 3x8x2 mm3 olan dikdörtgen prizması geometrisinde kesilerek kroyostatta ölçüm için uygun hale getirildi. Ölçüm standart dört nokta kontak yöntemiyle yapıldı ve burada direnci minimize etmek amacıyla gümüş
ğutma (Zero Field Cooled, ZFC) rejimi, 5 mA’lik sabit bir DC akımı, 0; 0,25; 0,50; 1; 5 T’lık sabit bir DC manyetik alanı olmak üzere 5
ında bilgisayara aktarıldı.
Alan altında direnç ölçüm sistemi
02/01/2013 SK
ği, aktivasyon enerjisi, erleri gibi manyetik alan altındaki bilgisayar kontrollü bir kapalı devre süperiletken ekil 2.8) vasıtasıyla tetkik edildi. Bu sistem CRYO Industries utucu ile süperiletken bobin mıknatıs ve Keithley 220
voltmetreden ibarettir.
olan silindir geometrisine sahip olan dikdörtgen prizması geometrisinde rildi. Ölçüm standart dört nokta kontak yöntemiyle yapıldı ve burada direnci minimize etmek amacıyla gümüş pasta kullanıldı. utma (Zero Field Cooled, ZFC) rejimi, 5 mA’lik sabit bir DC manyetik alanı olmak üzere 5-150 K sıcaklık
2.4. (RE)BCO Bulk Numunelerin Manyetik Özellikleri 2.4.1. Levitasyon Kuvveti Ölçümü
Süperiletken bulk numunelerin levitasyon kuvveti, kapalı devre kriyostat ile levitasyon kuvveti sistemlerinin kombinasyonundan geli
düzenek (Şekil 2.9) sayesinde ölçüldü.
Kapalı devre kriyostat sistemi Leybold Basiseinheit so RW2 helyum kompresöründen, KYKY FD/J
Instrumets 9700 sıcaklık kontrolörden, sıcaklık sensöründen ve silikon tabanlı ısıtıcıdan oluşmaktadır. Beijing Teyun Science & Tech F3 levitasyon kuvveti siste
yüksekliği 30 mm olan silindir geometrili yüzey merkezinde 5500 G eksensel manyetik alana sahip olan kalibreli standart Nd
sabit düşey hızla (yerçekimine paralel/anti
motorundan, yer değiştirme sensörü içeren lineer potansiyometreden ve
ünitesinden ibarettir. Ek olarak böyle bir levitasyon sistemi daha hassas ölçüm alabilmek adına 10-2 g duyarlıklı maksimumda 600 g tartabilen
HT-600BH elektronik terazi ve TTi 1906 Computing multimetre ile modifiye edildi.
Şekil 2.9. Kriyostat levitasyon sisteminin
(RE)BCO Bulk Numunelerin Manyetik Özellikleri Levitasyon Kuvveti Ölçümü
en bulk numunelerin levitasyon kuvveti, kapalı devre kriyostat ile levitasyon kuvveti sistemlerinin kombinasyonundan geliştirilen bilgisayar kontrollü bir
ekil 2.9) sayesinde ölçüldü.
Kapalı devre kriyostat sistemi Leybold Basiseinheit soğutucu k
RW2 helyum kompresöründen, KYKY FD/J-110A turbo moleküler pompadan, Scientific Instrumets 9700 sıcaklık kontrolörden, sıcaklık sensöründen ve silikon tabanlı ısıtıcıdan
maktadır. Beijing Teyun Science & Tech F3 levitasyon kuvveti siste
i 30 mm olan silindir geometrili yüzey merkezinde 5500 G eksensel manyetik alana sahip olan kalibreli standart Nd-Fe-B kalıcı mıknatıstan (PM), PM’in 0,93
ey hızla (yerçekimine paralel/anti-paralel) taşınımı sağlayan lineer sürücülü servo ğ ştirme sensörü içeren lineer potansiyometreden ve
Ek olarak böyle bir levitasyon sistemi daha hassas ölçüm alabilmek g duyarlıklı maksimumda 600 g tartabilen piezoelektrik sensör içeren Dikomsan 600BH elektronik terazi ve TTi 1906 Computing multimetre ile modifiye edildi.
Kriyostat levitasyon sisteminin şematik gösterimi
en bulk numunelerin levitasyon kuvveti, kapalı devre kriyostat ile tirilen bilgisayar kontrollü bir
utucu kabinden, Leybold 110A turbo moleküler pompadan, Scientific Instrumets 9700 sıcaklık kontrolörden, sıcaklık sensöründen ve silikon tabanlı ısıtıcıdan maktadır. Beijing Teyun Science & Tech F3 levitasyon kuvveti sistemi çapı ile i 30 mm olan silindir geometrili yüzey merkezinde 5500 G eksensel manyetik knatıstan (PM), PM’in 0,93 mm.s-1’lik n lineer sürücülü servo-tirme sensörü içeren lineer potansiyometreden ve kontrol Ek olarak böyle bir levitasyon sistemi daha hassas ölçüm alabilmek piezoelektrik sensör içeren Dikomsan 600BH elektronik terazi ve TTi 1906 Computing multimetre ile modifiye edildi.
