Süperiletkenlik Ve Süperiletken Malzemeler

SÜPERİLETKENLİK VE SÜPERİLETKEN MALZEMELER
1.Süperiletkenliğin Prensipleri
Süperiletkenlik saf metal,alaşım,oksit ve organiklerden oluşan malzemelerden 1900 yılının başlarından itibaren bulunmaktadır (Şekil-1).Danimarkalı fizikçi H.K. Onnes 1911’de 4,2 K sıcaklığında Hg metalinde süperiletkenliği keşfetti(Şekil-2).Onnes’in bu çalışmalarıyla gerekli koşullar sağlandığında mükemmel diamagnet özellik gösteren ve elektriksel direncin belirli bir kritik sıcaklığın altında bir anda sıfıra düşmesine süperiletkenlik denilmiştir.Askeri,tıbbi,ticari ve bilimsel açıdan çok fazla uygulama alanı bulunan süperiletkenliğin önemi hemen anlaşılsa da malzemelerde süpriletkenliğin başlama sıcaklığı olarak nitelendirilen kritik sıcaklık(Tc) değerinin yeterince yükseğe çıkartılamaması, temel
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr V Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs La Lu Hi Ta W Re Os Tr Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Eg Em Md No Lw
Lantanitler
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm
-Geçiş element süperiletkenleri -Süperiletken*
-Geçiş element süperiletkenleri* -Potansiyel süperiletken
-Geçiş olmayan element süperiletkenleri -Lantanitler
-Geçiş olmayan element süperiletkenleri* -Süperiletken olmayan
*Sadece basınç altında
Şekil-1: Süperiletken elementleri gösteren periyodik tablo-
Direnç(ohm)
0.12 - Direnç(ohm) 0.012 -
0.10 - 0.010 -
0.08 - 0.008 -
0.06 - 0.006 -
0.04 - 0.004 -
0.02 - 0.002 -
0.00 - 0.000 -
- 0.02 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 0 20 40 60 80
Sıcaklık (K) Sıcaklık (K)
(a) (b)
Şekil-2: (a) 1911’de K. Onnes’in Hg ve (b) Bednorz ve Müller’in yüksek sıcaklık seramik süperiletkenlerin keşfedilmesiyle elde edilen süperiletkenlik için sıcaklığın fonksiyonu olarak elek tiksel direnç
Manyetik Alan yok Manyetik Alan var
Süperiletken Mükemmel iletken Süperiletken Mükemmel iletken
B= 0 Oda sıcaklığı B= 0 B Oda sıcaklığı B
(A) (E)
(I) (L)
Soğutma Soğutma
Soğutma Soğutma
(B) (F)
B B B B
(C) (G) (J) (M)
B= 0 B= 0 B= 0
(D) (H) (K) (N)
Şekil-3: Geçiş sıcaklığın altına soğutulduğunda dış manyetik alanın (B) varlığında ve yokluğunda süperiletkenlerin manyetik davranışlarının karşılaştırılması.
problemlerden olmuştur. 1980’li yıllara kadar Nb3Ge bileşiğinde en yüksek geçiş sıcaklığı 23.4 K olmuştur. Ancak 1986 yılında Bednorz ve Müller kritik sıcaklığı 30 K olan La1.85Ba0.15CuO4 seramik bileşiğini sentezlemesiyle bilim dünyasının çehresi değişmiş (Şekil-2b) ve Schilling ve arkadaşları 1193’de kritik sıcaklık Hg-Ba-Ca-Cu-O bileşiğinde 133 K’e kadar çıkartmıştır. Bütün süperiletkenlerin kritik sıcaklığı oda sıcaklığının altında olup,istenen sıcaklığa sıvılaştırılmış gazlar veya atmosferik basınç altında ulaşılır. Bu soğutuculardan en önemlileri sıvı helyum ve azottur. Süperiletken malzemenin direncinin sıfır olması süperiletkenlik geçişinde cereyan eden elektriksel akımların ölçülmesiyle tespit edilmektedir.
Sıfır elektriksel direnç sadece süperiletkenliği tanımlamada kullanılmaz. Ayrıca,süperiletken malzeme mükemmel diamanyetik özellikler de göstermelidir(Şekil-3). Termodinamik faz geçişinde normal iletkenden süperiletkenliğe ani geçiş sadece sıcaklıkla değil,numunenin yüzeyindeki manyetik alan mukavemetiyle (H) de saptanır. Manyetik alan burada bulunan kritik manyetik alanın (Hc) üzerine çıkarsa süperiletkenlik yok olur. Süperiletkenliği tanımlamada sıcaklık,akım yoğunluğu ve manyetik alan gibi parametreler kullanılır. Bir metal manyetik alana konulduğunda alan onun içinden geçer. Manyetik alanın çok kuvvetli olduğu yerlerde alan çizgileri birbirlerine çok yakındır. Bir süperiletken soğutularak manyetik alana konulup ve sonra geçiş sıcaklığın altına indirilirse, numunenin içnden manyetik alan uzaklaştırılır. Süperiletken halde bu malzemenin içinden manyetik alan geçmeyerek dışarıdan dönmesine Meissner etkisi denir. Bu durumda manyetik alan çizgileri süperiletkenin dışından hareket eder. Elektriksel direnç süperiletken içinde sıfır olduğu için elektriksel alanda sıfırdır. Faraday kanunundan süpariletkenin içnde manyetik akının değişmeyeceğini gösterir. Zamana bağlı olarak manyetik alan değişimi sıfırdır. Buna göre mükemmel diamgnetik özellik gösteren malzemeler sıfır direnç göstermesi I tip süperiletkenler olarak adlandırılır. Düşük seviyeli manyetik alanın kovulması kritik geçiş sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda 100-300 A ‘luk karakteristik kalınlıklı çok ince katmanın haricinde tamamlanır. Bir süperiletken yüzeyde manyetik alan uygulanmasıyla normal hale getirilebilir. Bu alan süperiletken içinde akan sayesinde üretilebilir. Ayrıca bu akımlar süperiletken içinde sıfır alana gelen ve iç alana karşı olan manyetik alan üretir. Bu yüzey akımları sonsuz akım yoğunluğuna sahip olmadığı için iç alan kılıfın kalınlığı geçerek süperiletkene nüfuz eder. Bu karakter mesafesine manyetik penetrasyon derinliği ((T)) denirve sıcaklığın bir fonksiyonudur.
Süperiletken malzemelerin mükemmel diamagnetizması süperiletken hali manyetik alanın büyüklüğünün yeterli olması halinde termodinamik kararlılığı durduracağını ifade eder. Böylece termodinamik kritik alan normal ve süperiletken hallerinin hacimsel Gibbs serbest enerjisindeki fark ile tanımlanır. Bu fark yoğunlaşma enerjisi olup,Eşitlik-1 ile belirtilir.
2
Gn(T) – Gs(T) = oHc(T) / 2 Eşitlik-1
Burada, Gn(T)-Gs(T): süperiletken hallerinin volumetrik Gibbs serbest enerjisindeki farkı olan yoğunlaşma enerjisi, o: manyetik süseptibilite, T:sıcaklık ve Hc(T) ise manyetik alandır. Hc’den daha büyük manyetik alan uygulanması süperiletkenlik hali yok edecektir.
1.1.Süperiletkenliğin teorisi
Meissner ve Ochsenfeld 1933 yılında manyetik alan çizgilerin süperiletken tarafından uzaklaştığını keşfetmesinden sonra London kardeşler 1935 yılında süperiletkenlikteki fenomolojik teorilerini buldular. Fritz London 1950’de süperiletkenliğin kuantum mekaniği açısından anlaşılabileceğini önerdi ve buna bağlı olarak manyetik alan ve süperiletken akım akışı arasındaki yeni bağıntıları geliştirdi. Ginzburg ve Landau 1950 yılında kuantum mekanik dalga boyunu veya (x)=ns (ns= süperiletken eloktronların yoğunluğu) iç () düzen parametresini geliştirdiler. Normal metal/süperiletken sınırında önemli derecede değişebilen ns’’in minimum mesafe sıcaklığa bağımlı koherans uzunluğu ((T)) tanımlanır. Ayrıca, ’nin mesafe derecesi süperiletkenliğin önemli mesafelerin üzerinde gelişen iletken eloktronlar arasında birlikte hareket eden olay olduğunu önerir.
1957’de Bardeb,Cooper ve Schrieffer tarafından yapılan teorik çalışmalar süperiletkenliğin zayıf etkileşimler içinde birlikte olan karşıt momentlerin elektronları iletkenliğin bir çifti ile tanımlanabildiğini gösterdiler. Çift etkileşim elektronların bir enerji seviyesinde bir boşluk üretir ve oluşan elektron çiftleri tarafından süperiletkenliğin serbest enerjisinde net azalmaya neden olur. Elektron-Foton etkileşimi görünen fotonların değiş-tokuşu içinde onların birlikte hareketini sağlayarak elektronlar arasındaki ilgi çekici etkileşimi sağlar. Elektron-foton mekanizması enerji boşluğunun boyutu ve izotop etkilerini içeren süperiletkenliği deneysel sonuçlarını tanımlamada çok başarılı olmaktadır.
Şekil-5: (a) Tip I ve (b) Tip II süperiletkenlerin uygulanan manyetik alana bağlı olarak değişen magnetizasyonu.
Abrikosov Ginzburg-Landau teorisinin bir manyetik alanda süperiletkenler için iki mesafe farkını boyutsuz (T) Ginzburg-Landau parametresine bağlı olarak tahmin ettiğini 1957 yılında gösterdi(Şekil-5). (T) iki karakteristik uzunlukların oranı (T)/(T)) olarak tanımlanır ve sıcaklığa bağımlılığı zayıftır. (T)(1/2) ise süperiletken ve normal faz arasındaki bölgeler arasında pozitif yüzey enerjisi vardır. Bu pozitif manyetik alanın bulk penetrasyonu süperiletken içerisinde manyetik alanı içeren normal faz bölgesini üretebileceği için yüzey enerjisi bulk süperiletkenden magnetik flaksın haricinde sorumludur. Bu normal-süperiletken sınırının yüzey enerjisine eşit serbest enerjide bir artışa ihtiyaç duyabilecek ve böylece termodinamik olarak kararlı değildir. (T) (1/2)’ye sahip malzemeler tip I süperiletkenler olarak tanımlanır. (T) (1/2)’ye sahip malzemeler tip II süperiletkenler olarak bilinir ve normal ve süperiletken fazlar arasında negatif yüzey enerjisine sahiptir. Alaşımlardan yapılmış tip II süperiletkenler Hc’den daha küçük olan Hc1 daha küçük manyetik alanların üzerinde mükemmel diamanyetizm sergiler. Hc1’nin altında tip II malzemeler tip I malzemelerine manyetik davranış gösterir. Manyetik alan Hc1’nin üzerine çıktığında süperiletkenlik/normal faz sınırını oluşturarak serbest enerji azalır. Alan büyük süperiletkenlik/ normal faz sınır alanını oluşturarak manyetik flaksın en küçük birimi o = h / 2e olarak verir(Şekil-6). Serbest enerjideki azalma serbest enerji balansı normal hale gelmeden önce uygulanan manyetik alanın çok daha büyük değerlerine süperiletkenlik hali getirmede tip II süperiletkenleri izin verir. Kritik manyetik alanın (Hc2) üzerindeki manyetik alanda süperiletken halin kararlılığı yüksek manyetik alan uygulamalarında istifade edilmesine de tip II malzemeleri izin verir. Uygulanan manyetik alan Hc1 ve Hc2 arasında olduğunda, süperiletkenlik karışık bir halde olduğu söylenir. Süperiletken içinde manyetik kuanta yoğunluk miktarı Bi = no’ye tekabül eden iç alan ile saptanır. N, alan başına düşen miktardır.
1.2.Süperiletkenliğin kritik parametreleri
Süperiletkenlik sadece yüksek manyetik alan veya yüksek sıcaklıklarda yok edilmediği gibi fazla akım geçirilmeye çalışıldığında da kesit alan başına akım yoğunluğu artması da süperiletkenliği yok edebilir. Akım yoğunluğu (Jc) A/mm* birimle ölçülür. Jc’den daha az uygulanan akım yoğunluğumdan süperiletken malzemede akar ve böylece ohmik ısıtma veya güç kayıplarından süperiletken yapı bozulmaz. Jc’den daha büyük akım yoğunluğu Tc’nin üzerindeki sıcaklığı kademeli olarak yükselten ve ısı üreten süperiletkende voltaj kaybını üretir. Kritik sıcaklık (Tc) ve kritik manyetik alan (Hc , Hc1 ve Hc2) verilen malzeme ve kompozisyonlar için malzeme özelliğidir. Bütün bu özellikler mikroyapıdaki değişiklikler ile herhangi bir büyük derecelere etki etmezler. Ancak, tek malzeme içinde Jc çeşitli büyük dereceler üzerinde değişebilir ve metalurjik mikroyapı ve hata dağılımı çok büyük bir şekilde etkilenir. Bu uygun malzeme işlemi içinde Jc’nin kontrolü için bir fırsat sağlar.
Şekil-7 : Nb-Ti alaşımı için kritik yüzey.
Sıcaklık, manyetik alan ve akım yoğunluğu birbirlerine yakın olarak bağımlıdır. Örneğin,Hc2 artan sıcaklıkla ve akımla düşer. Bu üç parametre süperiletkenliğin kararlı olduğu üç boyutlu termodinamik faz alanını tanımlar(Şekil-7). Süperiletken aygıtların tasarımı ve operasyonu üç parametrenin güvenlik marjinlerini sağlamak için faz yüzeyinin tüm şeklinde tutulmalıdır. Süperiletken magnetler için operasyon şartları Y0.5Tc’dedir. Yüksek alan malzemelerin çoğu Eşitlik-2’ye uyarlar.
Jc(T,H) = C Hc2(T) (h) Eşitlik-2
Burada, C malzeme sabiti ve h= Ha/Hc2 (Şekil-8). f(h) fonksiyonu Nb-Ti için h(1-h) ver Nb3Sn için h (1-h)* olduğu bulunmuşken, n parametresi düşük sıcaklıklarda 1.5 ile 2.5 arasında değişir.
Şekil-8: Nb3Sn alaşımları için kritik akım yoğunluğunun h değerleri.
Şekil-9: Nb-Ti tel için akım-voltaj ilişkisi.
Tc,Hc2 ve Jc ölçümleri resistif veya manyetik metodlarla yapılabilir. Tipik resistif ölçümler sıcaklık,manyetik alan veya akım yoğunluğunu fonksiyonu olarak süperiletken boyunca voltajı kaydeden ve süperiletken içinde ölçülen akımının geçmesini içerir. Normalden süperiletken hale geçiş küçük sıcaklık,alan veya akım yoğumluk aralıklarının üzerinde meydana gelebilir. Ancak, çoğu tip II malzemelerinde faz geçişi büyük bir sınıra sahiptir.
2.Süperiletken Malzemeler
2.1.Süperiletken elementler
Çoğu metaller Tablo-1’de gösterildiği gibi süperiletkenlik özellikleri göstermektedir. Tipik olarak bunların kritik sıcaklıklara birkaç K mertebesindedir. Al minimum kritik sıcaklığa sahip olup 1.1K değerine sahiptir. Ayrıca maksimum kritik sıcaklığa sahip olan saf element 9.2 K değeriyle Nb’dir. Oda sıcaklığında elektriği mükemmel ileten soy metallerden Cu, Ag ve Au alkali metallerden Na ve K çok düşük sıcaklıklarda süperiletkenlik göstermezler. Fe,Ni ve Co gibi manyetik malzemeler de süperiletken değildir.
Tablo-1: Bazı süperiletken malzemelerin kritik sıcaklıkları ve kritik manyetik alanları.
Süperiletkenler Tc(K) B(T)
Metalik elementler
Al 1 0.01
Pb 7 0.08
Nb 9 0.2
İkili alaşımlar
Nb-Ti 9 14
İkili bileşikler
Nb3Sn 18 24
Nb3Ge 23 38
Organik gazlar
-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 12 20
Chevrel fazlar
PbMo6S8 15 60
Yüksek Tc oksitler
La2-xSrxCuO4 38 40
YBa2Cu3O7 92 100
Bi2SrCu2Ca2O 110 120
Tl2SrCu2Ca2O 125 130
Hg2SrCu2Ca2O 133
En basit element olan H2 normal basınçta gaz halindedir. Ancak 2-2 Mbar basınçlar altında süperiletken olurlar. Basınçlar altında P,As,Se,Y,Sb,Te,Cs,Ba,Bi,Ce ve U elementleri süperiletken olurlar.
Katı C’nun yeni şekli içerisine başka element katıldığında süperiletken olur. C60 molekülünün yapısı futbol topuna benzemektedir(Şekil-10). C60 yüzey merkezli kübik katıyı oluşturmak için kristallenir. C60’a alkali metaller katıldığında süperiletkenlik keşfedilir. Örneğin, K3C60 ve Rb3C60 için kritik sıcaklık sırasıyla 18 K ve 30 K’dir.
Şekil-10: C60 molekülünün yapısı.
2.2. İkili alaşımlar ve bileşikler
Çoğu alaşımlar ve bileşiklerde kritik sıcaklıklar genellikle elementel metallerden daha yüksektir(Tablo-1). Nb3Sn, Nb3Ge ve Nb-Ti bileşik ve alaşımları ile ilgilenilecektir. 300 K’de standart tellerin arasından geçebilen maksimum akım yoğunluğu yaklaşık 2000 A/cm* iken, süperiletkenliği yok etmeksizin Nb-Ti’den yapılmış bir telin içinden 4.2’de 10Testa yüksek manyetik alanda 10000 A/cm* üzerinde çok yüksek akım yoğunlukları geçer. Bu enerji deposu veya uçan trenlerde kullanılan güçlü süpermagnetlerin yapısını oluşturur. Diğer elementlerle birleştirilen geçiş metaller sıklıkla başlangıç elementinden daha yüksek Tc’ye sahip ikili alaşım ve bileşikler üretilir. İntermetalik bileşikler genellikle yüksek Tc’ye sahiptir. İntermetalikler arasında en önemli grup A3B bileşiklerin oluşturduğu gruplardır. Kübik A-15 yapısı 6 ikili bileşik 17 K üzerinde Tc’ye sahiptir. En yüksek Tc’ye sahip 23 K değeriyle Nb3Ge’dır. A-15 yapısının sistematik yapısı Şekil-11’de verilmiştir. B atomları hacim merkezli kübik yapıdadır. A atomları ortogonal zincirleri oluşturmak için küp yüzeylere oturur. Zincirlerdeki atomlar arasındaki uzaklık zincirler arasından daha kısadır. B malzemede A atomları Nb veya V gibi geçiş metalleridir. B atomları çoğunlukla Sn,Al,Ga,Si ve Ge gibi geçiş olmayan metallerdir.
Sıkı paketlenmiş ortogonal zincirlerin varlığı TmTc ‘de A-15 süperiletkenlerin (Nb3Sn ve V3Si) bazısında keşfedilen kararsızlık kristali için sorumlu olduğuna inanılır. Bu iki bileşikte kübik simetri (a=b=c) V3Si’de Tm=20.5 K’de ve Nb3Sn’de 43 K’de ilk geçiş ile tetragonale (ab=c) dönüşür. Latis parametrelerindeki değişiklik 100 zinciri boyunca A atomları arasında mesafedeki değişimi üretir. Tablo-2 bu tip süperiletkenlerin bazı özelliklerini vermektedir. Martenzitik latis dönüşümün sıcaklıkları arttığında Tc artmaktadır.
Şekil-11: A-15 (A3B bileşiği) ‘nin sistematik yapısı.
Tablo-2: Bazı A-15 süperiletken malzemelerin kritik sıcaklıkları ve kritik manyetik alanları.
Süperiletkenler Tc(K) B(T)
V3Al 9.6
V3Ga 15.4 23
V3Si 17.1 23
V3Ge 7
V3Sn 4.3
Nb3Al 18.9 33
Nb3Ga 20.3 34
Nb3Si 18
Nb3Ge 23 38
Nb3Sn 18 24
2.3. Chevrel fazları
Chevrel ve arkadaşları 1971’de MxMo6X8 tipin üçlü Mo çalkonitlerin yeni bir sınıfını keşfettiler. MxMo6X8’deki M metallerin büyük bir kısmını kapsayan nadir toprak metallerdir(RE). X ise S ,Se ve Te’dir. Bu iletkenlerden bazılarının kritik sıcaklık ve manyetik alan değerleri Tablo-3’de verilmiştir.
Tablo-3: çeşitli chevrel fazların kritik sıcaklıkları ve kritik manyetik alanları.
Süpeiletkenler Tc(K) B(T)
SnMo6S8 12 34
PbMo6S8 15 60
LaMo6S8 7 45
SnMo6Se8 4.8
PbMo6Se8 3.6 3.8
LnMo6Se8 11 5
Şekil-12: Cevrel fazın (MxMo6X8) sistematik yapısı.
Bu bileşikler hegzagonal-rombohedral yapısında kristalleşir(Şekil-12). Bu yapı Mo6X8’deki ünitelerin yığınıyla tanımlanır. Bu ünitelerin her biri köşelerde oturan 8X atomları ve yüzeylerin merkezlerinde 6M atomları ile az miktarda deforme olan küptür. M atomları Mo6X8’deki kübik latisi oluşturur. M’nin bütün boşlukları Pb,Sn toprak alkaliler veya Cu,Ni,Fe ve Co gibi katyonlarla doldurulur. Bu yapı tellerin yapımında özellikle kırılganlık problemlerine yol açar. Bu serilerde en büyük Tc PbMo6S8’de elde edilmiştir. Bunun Tc 15 K ve yüksek kritik alan (RE)Mo6X8 toprak alkalilerin manyetizması ve süperiletkenliğin birlikte olması probleme yol açar. Toprak alkalilerin antiferromanyetizması Gd,Tb,Dy ve Er bileşiklerindeki gibi süperiletkenlikle birlikte olduğu bulunmuştur.
2.4. Organik süperiletkenler
Organik süperiletkenler malzemelerin soy gruplarından oluşmaktadır. TMTSF’nin tetrametiletraselenafulvalini gösteren ilk süperiletken TMTSF2PF6’dır. BU malzemenin Tc’si 1 K’dir. Bundan sonra elektronik ve süperiletkenlik özellik sergileyen daha yüksek Tc’lere sahip malzemeler üretilmiştir. Daha sonra BEDT-TTF2X gibi iki boyutlu karakter gösteren süperiletkenler keşfedilmiştir.
Şekil-13: (a) TMTSF ve (b) BEDT-TTF moleküllerin sistematik şekilleri.
Şekil-14 : (TMTSF)2PF6’nın sistematik elektronik faz diyagramı.
(X=Cu(NCS)2).BU malzemenin Tc’si yaklaşık 10 K’dir. TMTSF ve BEDT-TTF moleküllerin sistematik şekilleri Şekil-13’de verilmektedir. Organik süperiletkenler yüksek Tc oksit süperiletkenlere benzerliğinden dolayı ilgi çekmiştir. Bunlar düşük boyutluluk,düşük elektron veya boşluk konsantrasyonuna sahiptirler. Süperiletkenlik ve manyetizma arasındaki özelliklerden dolayı çalışılmaktadır(Şekil-14).
2.5. Yüksek Tc oksit süperiletkenler
Çoğu yüksek Tc süperiletkenler kaprat bileşiklerdir. Bunların temel karakteristikleri CuO2 katmanlarını içermektedir. Bu süperiletkenler YBa2Cu3O7-x (YBCO), Bi2Sr2CaCu2Ox (BSCCO), TaBa2Ca2Cu3O9 (TBCCO) ve HgBa2Ca1Cu2O6+x dır.
YBCO esaslı tel veya şerit süperiletken üretimindeki çalışmalar ortorombik yapıdaki bileşikler(Şekil-15) veya Y yerine kullanılan toprak alkali metallerdir. YBCO üretimindeki başlıca zorluklar; çoğu metalik ve seramik ara yüzeyli yüksek reaktivite,süperiletkenliği yok eden katyon ve anyonların stokiometriye ve Cu’a duyarlılığıdır. Bu bileşik kuvvetli kristal anizotropiye sahip kırılgan malzemedir. YBCO’nun süperiletkenlik geçiş sıcaklığı 92 k olup ve idealize edilmiş ince filmlerle yeterli kritik akım yoğunluğu üretmek için bu malzemelere diğer elementler katılır. Bu malzemeler tek kristal olarakta üretilmektedir. Ayrıca, araştırmaların büyük çoğunluğu sağlık işlerinde kullanılan YBCO bileşiği üzerinde durulmaktadır.
BSCO sistemi süperiletken tel ve şerit geliştirmede kullanılan başlıca oksit sistemidir(Şekil-16). Bi bileşiği YBCO olarak benzer problemlere sahiptir. Fakat YBCO bileşiğinin tersi durumda,tek faz olarak üretilmesi zordur. Yüksek Tc fazı Bi-2223 bileşiğinde 110 K’de , Bi-2212 bileşiğinde ise 85 k olarak bulunmuştur. Bi bileşiğinin TBCO bileşiğine göre başlıca avantajı proses esnasında oksijen kaybına bağıl olarak duyarsızlıktır. Optimum süperiletkenlik özelliklerini başarmak için özel düşük sıcaklık oksijenleşmeye ihtiyaç duyulmaz.
Şekil-15: YBCO atomik yapısı
Şekil-16: BSCCO atomik yası.
TBCCO sistemi talyum esaslı süperiletken oksitleri içerir.(şekil-17). Yüksek Tc’li tel ve şerit geliştirmede kullanılmak için Ta dışında Ba, Ca ve Cu içeren süperiletkenlerin Tc değeri 125 K’dır. Ta sistemi için işlem Ta oksitlerin yüksek uçuculuğu ve yüksek toksitliğinden dolayı oksit olarak bulunmaz.
Civa esaslı yüksek Tc’li süperiletkenler Hg,Ba,Ca ve Cu metallerini içerip(Şekil-18) 135 K’de süperiletkenlik geçiş sıcaklığı olarak bulunmuştur. Yüksek basınç altında bu Tc değeri 150 K’ye çıkartılmıştır. YBCO daha yüksek dönüşümsüz çizgine sahip olmasına rağmen,Hg1212 ve Hg1223 fazları önemli dönüşümsüzlük alanı sahiptir.
Şekil-17: TBCCO atomik yapısı.
Şekil-18: HgBaCaCuO atomik yapısı.
Yüksek Tc süperiletkenler yüksek alan nükleer manyetik rezonanslarda (NMR) bobin olarak şerit veya tel şeklinde kullanılmaktadır. Seramik malzemeler tel ve şerit olarak yapılması zor olduğundan tüp içinde toz (Powder-in Tube) metoduyla belirli çaplarda hazırlanan çok uzun tüp şeklinde malzemelere süperiletken tozlar konularak üretilir. Daha sonra ısıl işlem ve tavlama proseslerine bağlı olarak malzemeler kararlı hale getirilir. Bu tel ve şeritler sol-jel yöntemiyle kaplandıktan sonra bobin ve magnetler yapılmaktadır. Buna bağlı olarak yüksek manyetik alan üretilerek tıbta vücudun çeşitli yerlerin fotoğrafları hassas olarak çekilmektedir. Şekil-19 tıpta teşhiste kullanılan skuid esaslı ünitenin sistematik diyagramını vermektedir.
Şekil-19: Tıpta teşhiste kullanılan skuid esaslı ünitenin sistematik diyagramı.
KAYNAKLAR
1.Malzeme Bilimi, Prof. Dr. Kaşif ONARAN,8.Baskı-2000
2. Malzeme Bilimine Giriş,Lawrence H. Van VLACK,İstanbul-1998
Çeviren: Recep A. SAFOĞLU
MALZEME BİLİMİ II
DÖNEM ÖDEVİ
KONU: SÜPERİLETKENLİK
HAZILAYAN: Yavuz YILMAZ
0001.08021
Prof. Dr. Cuma BİNDAL

Kaynak: Bu okuduğunuz içerik internet üzerinden derlenmiştir. Sitemizde yer alan içerikler özgün içerik değildir. Bu içerik sizin içeriğinizse iletişim seçeneklerinden bize ulaşıp atıfta bulunabilirsiniz.