SÜPERİLETKENLERİNİN YAPISAL VE SÜPERİLETKENLİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ ...

201 Pages·2008·3.89 MB·Turkish

Y Gd Ba Nb Cu O VE
0.6 0.4 2-x x 3 7-δ
Y Gd Ba Cu Nb O
0.6 0.4 2 3-x x 7-δ
SÜPERİLETKENLERİNİN
YAPISAL VE SÜPERİLETKENLİK
ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Mücahit YILMAZ

DOKTORA TEZİ
FİZİK ANABİLİM DALI

Konya, 2008
T.C.
SELÇUK ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Y Gd Ba Nb Cu O VE Y Gd Ba Cu Nb O
0.6 0.4 2-x x 3 7-δ 0.6 0.4 2 3-x x 7-δ
SÜPERİLETKENLERİNİN YAPISAL VE SÜPERİLETKENLİK
ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Mücahit YILMAZ

DOKTORA TEZİ
FİZİK ANABİLİM DALI

DANIŞMAN
Prof. Dr. Oğuz DOĞAN

Konya, 2008

ÖZET

Doktora Tezi

Y Gd Ba Nb Cu O VE Y Gd Ba Cu Nb O
0.6 0.4 2-x x 3 7-δ 0.6 0.4 2 3-x x 7-δ
SÜPERİLETKENLERİNİN YAPISAL VE SÜPERİLETKENLİK
ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Mücahit YILMAZ

Selçuk Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Fizik Anabilim Dalı

Danışman: Prof. Dr. Oğuz DOĞAN
2008, 200 Sayfa

Jüri;

Prof. Dr. Oğuz DOĞAN
Prof. Ülfet ATAV
Doç. Dr. Ayhan ÖZMEN
Doç. Dr. Haluk ŞAFAK
Doç. Dr. Mevlüt DOĞAN

Bu tezde; Ba ve Cu bölgelerine Nb katkılamasının, Y Gd Ba Cu O süperiletken
0.6 0.4 2 3 7-δ
malzemesinin yapısal ve süperiletkenlik özellikleri üzerine etkisi araştırılmıştır.
Polikristal YBa Cu O oksit süperiletken malzemesi katıhal tepkime yöntemiyle
2 3 7-δ
hazırlanmıştır. İlk olarak, Y bölgesine Gd katkılanarak Y Gd Ba Cu O bileşiği elde
0.6 0.4 2 3 7-δ
edilmiştir. Daha sonra, Ba ve Cu bölgelerine Nb katkılaması (x = 0.025, 0.075, 0.125,
0.175 ve 0.225) yapılarak Y Gd Ba Nb Cu O (Ba-Nb Serisi) ve
0.6 0.4 2-x x 3 7-δ
Y Gd Ba Cu Nb O (Cu-Nb Serisi) olmak üzere iki seri malzeme hazırlanmıştır.
0.6 0.4 2 3-x x 7-δ
Elde edilen malzemelerin, XRD analizleri, polarize optik mikroskop fotoğrafları, SEM
görüntüleri, EDS spektrumları, R-T, I-V ve yoğunluk ölçümleriyle karakterizasyonu
yapılmıştır.
SEM mikrofotoğraflarına ve polarize optik mikroskop fotoğraflarına bakılarak
taneciklerin şekilleri, yönelimleri, büyüklükleri ve tanecikler arası boşluklar
incelenmiştir. Kristal fazları, safsızlıkları ve örgü sabitleri XRD analizlerinden
bulunmuştur. Son olarak, süperiletkenlik özellikleri (kritik sıcaklık T ve kritik akım
c
yoğunluğu J ) R-T ve I-V ölçümleri yapılarak incelenmiştir. Ayrıca bulk halindeki
c
malzemelerin yoğunlukları, yoğunluk ölçüm sistemi ile ölçülmüştür.
Bu ölçümlerin ışığında, hazırlama koşullarının ve katkı oranlarının süperiletkenlikte
oldukça önemli olduğu sonucuna ulaşılmıştır. YBCO seramiğinde, Y yerine kısmi Gd
iii
katkılaması, malzemenin yapısal özelliklerini (tanecik büyüklükleri, tanecikler arası
boşluklar ve örgü parametresi) iyileştirmiş, süperiletlenlik özelliklerinde önemli bir
değişmeye sebep olmamıştır. Ba ve Cu bölgelerine Nb katkısının ise YBCO ve
Y Gd Ba Cu O bileşiklerinde, genel olarak yapısal ve süperiletkenlik özelliklerinde
0.6 0.4 2 3 7-δ
olumsuz etkiler yaptığı tespit edilmiştir. Ancak, x = 0.025, 0.075 katkı oranlarında
süperiletkenlik özelliklerinin iyileştiği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: YBa Cu O seramik süperiletkenlerde Gd ve Nb katkılaması,
2 3 7-δ
YBCO(123) üzerine katkılama etkileri.

iv
ABSTRACT

PhD Thesis

INVESTIGATION OF STRUCTURAL AND SUPERCONDUCTING
PROPERTIES OF THE Y Gd Ba Nb Cu O AND
0.6 0.4 2-x x 3 7-δ
Y Gd Ba Cu Nb O SUPERCONDUCTORS
0.6 0.4 2 3-x x 7-δ

Mücahit YILMAZ

Selcuk University
Graduate School of Natural and Applied Science
Department of Physics

Supervisor: Prof. Dr. Oğuz DOĞAN
2008, 200 Pages

Jury;

Prof. Dr. Oğuz DOĞAN
Prof. Ülfet ATAV
Assoc. Prof. Dr. Ayhan ÖZMEN
Assoc. Prof. Dr. Haluk ŞAFAK
Assoc. Prof. Dr. Mevlüt DOĞAN

In this thesis, the effects of the Nb doping on Ba and Cu sites about structural and
superconducting properties in Y Gd Ba Cu O compound has been invstigated.
0.6 0.4 2 3 7-δ
Polycrystal YBa Cu O oxide superconductor samples have been prepared by solid state
2 3 7
reaction method. Firstly, Y Gd Ba Cu O sample has been synthesized by partial
0.6 0.4 2 3 7-δ
substitutions of Gd instead of Y sites. Then, Y Gd Ba Nb Cu O (Ba-Nb series)
0.6 0.4 2-x x 3 7-δ
and Y Gd Ba Cu Nb O (Cu-Nb series) have been prepared using partial
0.6 0.4 2 3-x x 7-δ
substitution of Nb instead of Ba and Cu sites (x = 0.025, 0.075, 0.125, 0.175 and 0.225).
All the samples have been characterized by XRD analysis, polorized optical microscopy
photographs, SEM microphotographs, EDS spectrums, R-T, I-V and density
measurements.
From SEM microphotographs and polarized optical photographs, shapes, orientations
and sizes of superconducting grains and spaces between the grains of samples have been
observed. Crystal phases, impurities, also lattice parameters could be obtained from
XRD analysis. Finally, superconducting properties (critical temperature T and critical
c
current density J ) have been determined from R-T and I-V measurements. In addition,
c
density of bulk samples has been measured using density kit.
In the light of these measurements, we have concluded that the preparation conditions
and the doping ratios were quite important on superconductivity. Partial substitution of
v
Gd instead of Y sites in YBCO ceramic affected positively the structural properties of
samples (sizes of grains, spaces between grains and lattice parameters). The substitution
did not cause any important changes on the superconducting properties of compound.
The partial substitutions of Nb instead of Ba and Cu sites in YBCO and
Y Gd Ba Cu O compounds resulted in a negative effect. However, It was observed
0.6 0.4 2 3 7-δ
that the compounds showed better superconducting properties when the substitution
amount, x = 0.025 and x = 0.075.

Keywords: Doping of Gd and Nb on YBa Cu O ceramic superconductors, effect of
2 3 7-δ
doping on YBCO (123).

vi
ÖNSÖZ

Bu çalışma Selçuk Üniversitesi Eğitim Fakültesi Fizik Eğitimi Anabilim Dalı
Öğretim Üyelerinden Prof. Dr. Oğuz DOĞAN yönetiminde hazırlanarak, Selçuk
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsüne Doktora Tezi olarak sunulmuştur.
Doktora tezimi yöneten ve çalışmalarımın her safhasında yakın ilgi ve yardımlarını
gördüğüm ve bana her konuda destek olan değerli hocam Prof. Dr. Oğuz DOĞAN’a en
derin saygı ve şükranlarımı sunarım.
Tez süresince çalışmalarımı izleyen Tez İzleme Komitesi üyeleri Doç.Dr. Mevlüt
DOĞAN ve Doç. Dr. Ayhan ÖZMEN hocalarıma teşekkür ederim.
Ölçümlerim esnasında bana yardımcı olan Abant İzzet Baysal Üniversitesi’nden
Prof. Dr. İbrahim BELENLİ, Doç. Dr. Cabir TERZİOĞLU, Doç. Dr. Ahmet
VARİLCİ ve Arş. Gör. Musatafa AKDOĞAN’a, Atatürk Üniversitesi’nden Prof. Dr.
Mehmet ERTUĞRUL, Arş. Gör. Erdal SÖNMEZ ve Arş. Gör. Serdar AYDIN’a,
Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü öğretim elemanlarına ve çalışmalarım
sırasında yardımlarını esirgemeyen, Arş. Gör. Zafer MUTLU, yüksek lisans öğrencileri
Yaşar Gül GÜCÜMAN ve Ismahan DÜZ’e ve Fizik Eğitimi Anabilim Dalı öğretim
üyelerine teşekkür ederim.
Varlıklarını ve desteklerini her daim yanımda hissettiğim sevgili eşim Seval
YILMAZ ve kızım Begüm YILMAZ’a, hayatımın her aşamasında yanımda olan
anneme, babama ve kardeşlerime teşekkür ederim.
Bu tez, Selçuk Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP)
Koordinatörlüğünün 0710103 numaralı projesi ile desteklenmiştir. Desteklerinden dolayı
BAP Koordinatörlüğüne de teşekkürlerimi sunarım.

vii
İÇİNDEKİLER

ÖZET iii

ABSTRACT v

ÖNSÖZ vii

İÇİNDEKİLER viii

ŞEKİLLER DİZİNİ xii

ÇİZELGELER DİZİNİ xviii

KISALTMALAR VE SEMBOLLER DİZİNİ xx

1. GİRİŞ 1

1.1. Süperiletkenliğin Keşfi ve Tarihsel Gelişimi 1
1.2. Temel Deneysel Gerçekler 4
1.2.1. Magnetik akı kuantumlanması 4
1.2.2. Josephson etkisi 5
1.2.3. Meissner – Ochsenfeld etkisi 5
1.3. Süperiletkenlerin Magnetik Özellikleri 9
1.3.1. Tip-I süperiletkenler 10
1.3.2. Orta durum 13
1.3.3. Tip-II süperiletkenler 17
1.3.3.1. Eşuyum uzunluğu (Coherence Length) 19
1.3.3.2. Nüfuz derinliği (Penetration Depth) 21
viii
1.3.4. Yüzey süperiletkenliği ve üçüncü kritik alan 22
1.4. Süperiletkenlik Teorileri 24
1.4.1. London Teorisi 24
1.4.2. Ginzburg-Landau Teorisi 26
1.4.3. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Teorisi 29
1.5. Süperiletkenlerin Termodinamik Özellikleri 35
1.5.1. Süperiletkenin serbest enerjisi 35
1.5.2. Entropi (S) 38
1.5.3. Süperiletkenin ısı sığası (C ) 38
s
1.6. Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri 40
1.6.1. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin yapısal özellikleri 41
1.6.2. Oksit süperiletkenlerde süperiletkenlik mekanizması 43
1.6.3. YBa Cu O (YBCO)’nun yapısı ve genel özellikleri 48
2 3 7-δ
1.7. Kimyasal Yerdeğiştirme ve Katkılama Etkileri 53
1.7.1. Yapısal kusurlar 54
1.7.1.1. İletkenlik tabakası olarak CuO düzlemleri 54
2
1.7.1.2. Oksijen boşlukları 55
1.7.2. Değerlik elektronları ve yük dengesi 57
1.7.3. Holler ve elektronlar 59

2. KAYNAK ARAŞTIRMASI 60

2.1. İtriyum (Y) Bölgesinde Yapılan Katkılama ve Yerdeğiştirme
Çalışmaları 61
2.1.1. İtriyum’un nadir toprak elementleri (Lantanit) ile katkılanması 61
2.1.2. İtriyum’un diğer üç değerlikliler ile katkılanması 64
2.1.3. İtriyum’un Kalsiyum (Ca) ile katkılanması 64
2.1.4. İtriyum’un diğer iki değerlikliler ile katkılanması 65
2.1.5. İtriyum’un tek değerlikliler ile katkılanması 65
2.1.6. İtriyum’un diğer atomlar ile katkılanması 66
ix