bizmut tabanlı süperiletken seramiklerde katkı atomları ile yapı analizi

75 Pages·2006·4.76 MB·Turkish

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

İ İ
B ZMUT TABANLI SÜPER LETKEN
İ İ
SERAM KLERDE KATKI ATOMLARI LE YAPI
İ İ
ANAL Z

Güldeniz ÇİMEN

Eylül, 2006
İZMİR
İ İ
B ZMUT TABANLI SÜPER LETKEN
İ İ
SERAM KLERDE KATKI ATOMLARI LE YAPI
İ İ
ANAL Z

Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Yüksek Lisans Tezi
Fizik Anabilim Dalı

Güldeniz ÇİMEN

Eylül, 2006
İZMİR
YÜKSEK LİSANS TEZİ SINAV SONUÇ FORMU

Güldeniz ÇİMEN, tarafından Prof. Dr. Kemal KOCABAŞ yönetiminde hazırlanan
“BİZMUT TABANLI SÜPERİLETKEN SERAMİKLERDE KATKI ATOMLARI
İLE YAPI ANALİZİ” başlıklı tez tarafımızdan okunmuş, kapsamı ve niteliği açısından
bir Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.

Prof. Dr. Kemal KOCABAŞ

Danışman

Jüri Üyesi Jüri Üyesi

Prof. Dr. Cahit HELVACI
Müdür

Fen Bilimleri Enstitüsü

ii
TEŞEKKÜR

Bu tezin hazılanması sırasındaki katkılarından dolayı değerli danışman hocam Prof.
Dr. Kemal KOCABAŞ’a, İstanbul Üniversitesi Fizik Mühendisliği bölümünde
manyetizasyon-sıcaklık ölçümlerini almamıza olanak sağlayan Doç. Dr. Orhan
KAMER’e, İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Malzeme Araştırma Laboratuvarında
SEM mikrofotoğraflarının alınmasını ve EDAX analizlerinin yapılmasını sağlayan Prof.
Dr. Durmuş Ali DEMİR’e, Ayrıca destekleri ve dostlukları için bölüm arkadaşlarım
Ebru Kış ÇAM ve Gönül BİLGEÇ’e,

Son olarak benden desteğini hiç esirgemeyen sevgili eşim Cem ÇİMEN’e ve her
zaman yanımda olan aileme, en içten teşekkürlerimi sunarım.

iii
BİZMUT TABANLI SÜPERİLETKEN SERAMİKLERDE KATKI ATOMLARI
İLE YAPI ANALİZİ

ÖZ

Bu araştırmada süperiletken seramik Bi1,75Pb0,25Sr2Ca2Cu3-xSbxOy sisteminde Sb
katkısının kritik sıcaklığa, süperiletkenliğe ve yapısal özelliklere etkisi incelenmiştir.

Cu’ ın Sb ile kısmi yerdeğiştirmesi x=0,00-0,20 katkılama oranı aralığında araştırıldı.
Katıhal Reaksiyon Yöntemi ile hazırlanan örnekler, 450-500 MPa pelletleme basıncı
o
uygulandıktan sonra 850 C’ de sinterlendi. Manyetizasyonun sıcaklığa bağımlılığı ve
kritik sıcaklık, 55 Oe manyetik alan uygulanarak VSM sisteminde ölçülmüştür. X-ışını
toz difraksiyon (XRD) yöntemiyle örneklerin süperiletkenlik fazları ve buradan da
kristal örgü parametreleri saptandı. Örneklerin mikroyapıları hakkında bilgi almak için,
farklı büyütmelerde taramalı elektron mikroskobu (SEM) fotoğraflarından yararlanıldı.
EDAX analizlerinden örneklerin çeşitli bölgelerindeki elementlerin ağırlık oranları
araştırıldı. Bu ölçümler ile tüm örnekler karakterize edildi.

XRD ölçümleri, x-ışını toz kırınım yöntemiyle yapılmıştır. Örneklerin tanecikli
yapısı hakkındaki veriler; x2000, x3500, x8000, x10000, x15000 büyütmeli Taramalı
Elektron Mikroskobu (SEM) mikrofotoğrafları ile saptanmıştır. Ayrıca EDAX analizleri
ile örneklerin farklı bölgelerindeki elementlerin yoğunlukları incelenmiştir. Son olarak
tüm örnekler için Arşimed Prensibinden yararlanılarak yoğunluk değerleri belirlenmiştir.

Bu araştırma sonucunda Sb2O3 katkısının x = 0,10 oranında yapılmasının yapının
süperiletkenlik özelliklerine olumlu etkileri görülmüştür. Katkı oranı arttırıldıkça
yapının bozulduğu ve süperiletkenlik fazlarının görülmemeye başlandığı saptanmıştır.

Anahtar sözcükler: Yüksek sıcaklık, süperilekenlik, teoriler.
iv
THE STUCTURE ANALYSE WİTH DOPİNG ATOMS ON
BİZMUTH BASED CERAMİC SUPERCONDUCTERS

ABSTRACT

In this thesis, effect of Sb doping on the critical temperature, sperconductivity and
structural properties of Bi Pb Sr Ca Cu Sb O ceramic superconducters were
1,75 0,25 2 2 3-x x y
investigated.

Partial molar replacement of Bi by Sb was investigated in x=0,00-0,20 substitutional
range. Samples, which were prepared by conventional solid state reaction method;
sintered at 850 0C after applying pelletization pressure at 450-500 mPa range. Critical
temperatures of samples and magnetization-temperature dependence were determined by
VSM system applying 55 Oe magnetic field. XRD measurements were done by powder
x-ray diffraction method. Superconductor phases and crystal lattice paremeter were
determined. Data on the microstructure of samples were obtained from scanning electron
microscope (SEM) photographs. The weight ratios of elements in different regions of
samples were investigated by EDAX analysis. Data on the granular structure of samples
were obtained from scanning electron microscope (SEM) photographs with x2000,
x3500, x8000, x10000, x15000 magnifications. The density values for all samples were
determined by using Arshimed methods.

Comparison the results obtained from magnetizaion-temperatre, XRD measurements,
SEM microphotographs and calculated unit cell paremeters indicate that the strucural
and superconducting properties are better for sample C (x=0,10). Superconductivity
phases were disappeared and structure was disordered by increasing doping ratios.

Key words: High temperature, superconductivity, theory.

v
İÇİNDEKİLER

Sayfa

YÜKSEK LİSANS TEZİ SINAV SONUÇ FORMU ...................................................ii

TEŞEKKÜR ....................................................................................................................iii

ÖZ ....................................................................................................................................iv

ABSTRACT .....................................................................................................................v

BÖLÜM BİR – GİRİŞ .....................................................................................................1

1.1 Süperiletkenliğin Keşfi ve Tarihçesi ......................................................................1

1.2 Süperiletkenliğe Teorik Yaklaşımlar .....................................................................4

1.2.1 London Teorisi ..............................................................................................4

1.2.2 Ginzburg Landau Teorisi ...............................................................................6

1.2.3 BCS Teorisi ...................................................................................................7

1.2.3.1 Cooper Çiftlenimi ................................................................................10

1.2.3.2 BCS Taban Durumu ............................................................................12

1.3 I. ve II.Tip Süperiletkenler ...................................................................................13

1.4 Maddelerin Manyetik Özellikleri .........................................................................15

1.4.1 Diamanyetik Maddeler ..............................................................................16

1.4.2 Paramanyetik Maddeler .............................................................................17

1.4.3 Ferromanyetik Maddeler ...........................................................................17

vi
Sayfa

1.4.4 Antiferromanyetik Maddeler .....................................................................19

1.4.5 Ferrimanyetik Maddeler ............................................................................19

BÖLÜM İKİ – YÜKSEK SICAKLIK SÜPERİLETKENLER ................................20

2.1 Yüksek Sıcaklık Süperiletkenlerinin Özellikleri ..................................................20

2.2 Örgü Parametreleri ...............................................................................................22

2.3 Yüksek Sıcaklık Süperiletken Türleri...................................................................22

2.3.1 LaBaCuO Yapısı ..........................................................................................22

2.3.2 YBCO Yapısı ................................................................................................23

2.3.3 TBCCO Yapısı .............................................................................................25

2.4 Bizmut Tabanlı Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri ...............................................25

2.4.1 BSCCO Sistemlerinin Kristal Yapıları .........................................................27

2.4.1.1 Bi Sr CuO Yapısı ................................................................................28
2 2 6

2.4.1.2 Bi Sr CaCu O Yapısı ..........................................................................28
2 2 2 8

2.4.1.3 Bi Sr Ca Cu O Yapısı .......................................................................29
2 2 2 3 10

2.5 Yüksek Sıcaklık Süperiletken Maddelerin Üretimi .............................................29

2.5.1 Örnek Hazırlanış Yöntemleri .......................................................................29

2.5.1.1 Katı Hal Reaksiyon Tekniği .................................................................30

2.5.1.2 Sol – Gel Tekniği .................................................................................30

2.5.1.3 Cam Seramik Tekniği ..........................................................................31

2.5.2 Süperiletken Tozlar İçin İleri İşlem Teknikleri ...........................................31

vii
Sayfa

2.5.2.1 İnce Filmler .........................................................................................32

2.5.2.2 Kalın Filmler .......................................................................................32

BÖLÜM ÜÇ – DENEYSEL YÖNTEMLER ..............................................................33

3.1 Örneklerin Hazırlanması ......................................................................................33

3.1.1 Tozların Hazırlanması .................................................................................33

3.1.2 Kalsinasyon .................................................................................................34

3.1.3 Presleme ......................................................................................................34

3.1.4 Sinterleme ....................................................................................................35

3.2 Örneklerin Karakterizasyonu ................................................................................35

3.2.1 X-Işını Kırınım Çalışmaları .........................................................................35

3.2.2 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) .......................................................37

3.2.3 Manyetizasyon – Sıcaklık Ölçümleri ..........................................................38

BÖLÜM DÖRT – SONUÇLAR VE TARTIŞMA .....................................................41

4.1 Manyetizasyon – Sıcaklık Ölçümleri ...................................................................41

4.2 X–Işını Ölçümleri .................................................................................................46

4.3 SEM ve EDAX Sonuçları .....................................................................................51

4.4 Yoğunluk Ölçüm Sonuçları ..................................................................................56

4.5 Sonuçların Değerlendirilmesi ...............................................................................58

viii
BÖLÜM BİR
GİRİŞ

1.1 Süperiletkenliğin Keşfi ve Tarihçesi

Hollandalı Fizikçi Kammerling Onnes 1908 yılında helyum gazını sıvılaştırıp,
ulaşılabilir en düşük sıcaklığı 4,2 K ‘ne düşürmüş ve düşük sıcaklıklarda deneysel
çalışmalar yapma olanağını bilim dünyasına sunmuştur (Maeda ve Togano, 1996).

Şekil 1.1 Civa için kritik sıcaklık - direnç değişim grafiği

1911 yılındaki araştırmalar boyunca, civanın elektriksel direncinin sıcaklığın
azaltılması ile azaldığı ve T= 4,15 K’nin altında hızlıca sıfıra düştüğü görülmüştür
(Şekil 1.1). Bu değer de civa için süperiletkenlik geçiş sıcaklığı (Tc ) olarak bilinir. Bu
çalışma Onnes’a ilk Nobel ödülünü kazandırmıştır. İki yıl sonra kalay ve kurşunun 4 K
sıcaklıkta süperiletken davranış gösterdiği gözlenilmiştir.

1