بخشی از مقاله
چکیده
تأثیر جاینشانی عنصر مغناطیسی Ni2+ در جایگاه عنصر غیرمغناطیسی Y3+ در سیستم ابررسانای YBa2Cu3O7-δ مورد مطالعه قرارگرفت. نمونه جاینشانی شده با ترکیب اسمی YBa2Cu3O7-δ با مقادیر آلایش 0 ≤ x≤0/01 به روش استاندارد واکنش حالت جامد ساخته شدند. آنالیز پذیرفتاری مغناطیسی AC بر روی آنها انجام شد. با ترسیم نمودار پذیرفتاری به شکل تابعی از دما و بررسی افت و خیزهای آن، یک روند افزایشی در دمای بحرانی تا حد غلظت بهینه x=0/004 ، دیده شده و سپس دمای گذار، با آلایش بیشتر کاهش مییابد.
مقدمه
ابررساناهای کوپراتی نقش مهمی در پیشرفت علم ابررسانایی دما-بالا در 30 سال گذشته، چه در زمینه تحقیقات بنیادین و چه در زمینه کاربردها و فنآوری بازی کرده است. شروع این نسل از ابررساناها با مشاهده ابررسانایی در دمای 35K توسط بدنورز و مولر در سال 1986 بود .[1] به دنبال آن، ابررسانایی در دمای حدود 90K در ترکیب YBa2Cu3O7- در سال 1987 مشاهده شد .[2] با کشف ابررسانایی در دمای 90K تلاشهای فراوانی برای
مطالعه ابررسانایی، به منظور فهم مکانیزم جفتشدگی در این دسته از ترکیبات بهوجود آمد. از این رو تعداد زیادی روشهای علمی به قصد بررسی خواص ابررسانا بهکار برده شده است. یکی از راههای بررسی سازوکار این گروه از مواد، آلایش عناصر مختلف در ترکیبهای ابررسانا است. با توجه به ساختار و جایگاه Y در ترکیب [3]، جاینشانی کامل یا جزیی عناصر نادر زمین که دارای ممان مغناطیسی هستند، در جایگاه Y، در ترکیب تفاوت زیادی در دمای گذار ایجاد نمیکند .[4] در حالی که حضور آلایندههای مغناطیسی در ابررساناهای متعارف، به عنوان عامل شکست جفت، دمای گذار را شدیداً کاهش میدهد .[5] همزیستی مغناطیسی و ابررسانایی از آن روی عجیب است که شکافتگی تبادلی مغناطیسی به راحتی قادر است زوجشدگی از نوع تکتایی اسپینی را از بین ببرد .[6] این مشاهدات نشان میدهد که جایگاههایی که توسط عناصر مغناطیسی اشغال شدهاند، برای درک اثر ممان مغناطیسی بر خواص ابررسانا از اهمیت زیادی برخوردار هستند. نکته قابل توجه این است که در تحقیقات اخیر انجام شده بر روی آلایش یون مغناطیسی آهن و کبالت در جایگاه ایتریوم، دمای گذار ابررسانایی تا حد بهینهای از آلایش، روند افزایشی داشته است و سپس با افزایش بیشتر ناخالصی، دمای گذار روند کاهشی را نشان میدهد .[8 ,7] این مشاهدات حاکی از آن است که ناخالصی مغناطیسی نه تنها باعث تخریب ابررسانایی، بلکه در حد بهینه، باعث بهبود آن شده است.
از طرفی دیده شده است، چگالی حاملین بار از طریق افزایش استوکیومتری اکسیژن و همچنین با جاینشانی کاتیونهایی با ظرفیت پایینتر، افزایش مییابد .[9] افزایش استوکیومتری اکسیژن، به دلیل ناپایداری در ساختار نمیتواند ظرفیت مس را بیشتر از حد بهینه افزایش دهد. در چنین وضعیتی تنها راهحل، جاینشانی کاتیون با ظرفیت کمتر است .[10] به طوری که با جاینشانی یونCa2+ در جایگاه Y3+، با شعاع یونی یکسان و ظرفیت کمتر، به ازای هر صفحه CuO2، 1/2 حفره به تعداد حاملین بار افزوده میشود. در این جاینشانی به دلیل کوچکتر بودن عدد همآرایی Ca نسبت به Y، تعداد اکسیژن موجود در ترکیب کاهش مییابد. این کاهش در اکسیژن، بهازای هر صفحه CuO2، 1 حفره را کاهش میدهد. در نهایت به دلیل کاهش در تعداد حاملین بار، دمای گذار کاهش می-یابد .[11]
در این تحقیق، با هدف بررسی تأثیر یون مغناطیسی بر روی
خواص ابررسانایی ترکیب YBa2Cu3O7-، جاینشانی یون دو ظرفیتی مغناطیسیNi2+ در جایگاه یون سه ظرفیتی غیرمغناطیسی Y3+ بررسی شد. برای بررسی موضوع، از آزمون پذیرفتاری مغناطیسی AC بهره گرفته شد. اندازهگیری پذیرفتاری مغناطیسی AC، نشان میدهد دمای گذار تا حد بهینهای از آلایش، افزایش یافته و سپس کاهش مییابد. این مشاهدات، در توافق با افزایش دمای گذار مشاهده شده با آلایش عنصر مغناطیسی آهن و کبالت
در ترکیب مشابه میباشد .[8 ,7]
ساخت و آزمایشات
برای تهیه نمونهها از روش واکنش حالت جامد استفاده شد.
پودر پیشمواد Y2O3 - 99% - ، NiO - >99/999% - ، - 99/98% - BaCO3 و CuO - >96% - طبق مقادیر استوکیومتری مناسب و با دقت 0/1mg، توزین شدند. با حضور ایزوپروپانول و با استفاده از هاون دستی از جنس آلومینا، پودرها بهخوبی تحت سایش قرار گرفتند و سپس عمل تکلیس انجام شد. عملیات حرارتی تکلیس در دمای 850 & در هوای آزاد به مدت 24 ساعت و سپس سردشدن تدریجی تا دمای اتاق میباشد. بعد از دو مرحله تکلیس، پودر، به مدت یک ساعت آسیاب شده و سپس پودر تحت فشار 40bar در داخل قالب، به قرصی بهصورت مکعبمستطیل در ابعاد 10×3×1mm3 درآمدند. سپس قرصها بر روی ورقهای از طلا و در اتمسفر اکسیژن با نرخ تقریبی 2 &/PLQ تا دمای 950 C حرارت دیده و به مدت 24 ساعت در این دما باقی ماندند. در نهایت به آرامی با نرخ دمایی حدود 1 &/PLQ تا دمای اتاق سرد شدند .[12,9] برای مطالعه خواص ابررسانایی نمونهها، از آزمون پذیرفتاری مغناطیسی AC استفاده شد. اندازگیری پذیرفتاری مغناطیسی بر روی نمونهها با استفاده از دستگاه اندازهگیری پذیرفتاری مغناطیسی AC شرکت Lakeshore مدل 7000 از دمای اتاق تا دمای 77K و در میدان مغناطیسی متناوب به بزرگی 0/8A/m و با بسامد 333Hz انجام گرفت. برای کنترل دما از سیستم کنترلکننده حرارتی DRC91C استفاده میشود. اصول کار سیستم براساس تغییر گشتاور مغناطیسی نمونه در یک میدان مغناطیسی متناوب است که توسط یک سیمپیچ تأمین میشود.
تغییرات گشتاور مغناطیسی براساس تغییرات ولتاژ در یک سیمپیچ ثانویه آشکار میشود. در سیستم ACS میدان مغناطیسی با اعمال جریان AC به یک سیمپیچ - سولنوئید - ایجاد میشود و تغییرات شار از طریق اندازهگیری ولتاژ القا شده در سیمپیچ ثانویه، آشکار میگردد. این ولتاژ مستقیماً به پذیرفتاری مغناطیسی وابسته است.
نتایج و بحث
پاسخ مغناطیسی ابررساناهای دما-بالا در میدان مغناطیسی متناوب شامل یک جمله همفاز و یک جمله غیرهمفاز با میدان مغناطیسی خارجی است. این دو جمله به ترتیب جملات حقیقی - χ - و موهومی - - χ پذیرفتاری مغاطیسی نامیده میشود. قسمت حقیقی پذیرفتاری، رفتار دیامغناطیس ذاتی و اتصالات مرزدانهای را نشان میدهد. مؤلفه موهومی پذیرفتاری نشان دهنده میزان اتلاف انرژی میباشد .[13]
در شکل1، تغییرات مؤلفههای حقیقی و موهومی پذیرفتاری
شکل:1 نمودار پذیرفتاری مغناطیسی بر حسب دما بهازای غلظتهای مختلف آلایش Ni در ترکیب Y1-xNixBa2Cu3O7- برای 0 x 0/ 01 در میدان مغناطیسی 0/8A/m و فرکانس .333Hz همانطور که دیده میشود با افزایش آلایش تا مقدار x=0/004 ، دمای گذار افزایش مییابد.
جدول1، مقادیر Tc و پهنای گذار، ΔTc، بهازای غلظتهای مختلف آلایش Ni در ترکیب Y1-xNixBa2Cu3O7- برای 0 [ 0/ 01 ، بهدست آمده از اندازهگیریهای پذیرفتاری مغناطیسی در میدان مغناطیسی0/8A/m و فرکانس .333Hz
همانطور که مشاهده میشود، مؤلفه حقیقی پذیرفتاری، افت سریعی از حالت بهنجار به حالت ابررسانایی دارد. دمای مربوط به این افت را Tconset مینامند. هر چه این گذار تیزتر باشد نشان دهنده اتصال قوی بین دانهها و کم بودن میزان ناخالصی است. برای مشخص کردن مقدار دقیق دمای گذار، مشتق دمایی ، dd ، بر حسب دما رسم و در شکل 2 نشان داده شده است. از روی مکان دنبالهها - مکان جدا شدن از خط افقی سمت چپ و راست - که در این نمودار وجود دارد مقادیر 7F و پهنای گذار، 7 ، به همراه خطای آن، که ناشی از تکرارپذیری ساخت نمونهها و روش استخراج Tc از نمودار است، تعیین و در جدول 1 آورده شده است. پهنای کم گذار همه نمونهها حاکی از آن است که فاز ناخالصی که باعث پهن شدن نمودار در دمای گذار میشود، مقدار ناچیزی است.
شکل:2 نمودار مشتق دمایی χ بر حسب دما بهازای غلظتهای مختلف آلایش Ni در ترکیب Y1-xNixBa2Cu3O7- برای 0 [ 0/ 01 ، در میدان مغناطیسی 0/8A/m و فرکانس .333Hz
همانطور که از شکل 1 و 2 دیده میشود، در نمونههای Y1-xNixBa2Cu3O7- تا 0/4% آلایش، دمای گذار افزایش یافته و سپس با افزایش بیشتر نیکل، دمای گذار کاهش مییابد. روند افزایشی در دمای گذار با افزایش ناخالصی مغناطیسی نیکل، با نظریه ابریکاسوف-گورکوف مغایرت دارد، که شکست جفت الکترونها را عامل کاهش دمای گذار پیشبینی میکند .[14] این روند افزایشی در دمای گذار، با مشاهدات اخیر در ترکیب مشابه با آلایشهای آهن و کبالت، همخوانی دارد. پیشبینی شده است، این افزایش دما ناشی از افزایش حاملین بار است. همچنین برهمکنش ضعیف اسپینی بین اوربیتالهای s-d بهعنوان یکی دیگر از عوامل افزایش دمای گذار ترکیب پیشنهاد شده است .[8 ,7] روند کاهشی
