بخشی از مقاله
چکیده: پس از کشف مواد ابررسانای دمای بالا در سال 1986 توجه ویژهای به تولید و استفاده از این مواد معطوف شد. در این میان ترکیب YBCO به دلیل خواص و دمای ابررسانایی مطلوب کاربری های گستردهتری چون استفاده در ساخت سنسورهای بسیار حساس میدان مغناطیسی - SQUID - و انواع آشکارسازها یافت. خواص و دمای ابررسانایی این ترکیب وابسته به تولید ترکیب خالص و همگن و با نسبت دقیق این ترکیب غیر استوکیومتری میباشد.
در این تحقیق به تولید این ماده ابررسانای دما بالا به کمک روش سل ژل خود احتراق پرداختیم و سپس با بررسی شرایط متفاوت تکلیس، به شرایط بهینه تولید این ماده ابررسانا با خلوص مناسب دست یافتیم. فاز Y:123 در دمای تکلیس 935 درجه سانتیگراد با خلوص مناسب تهیه شد. این در حالی بود که افزایش دما تا 970 درجه سانتیگراد افزایش فاز Y:211 را نشان میداد و دماهای کمتر تا 900 درجه سانتیگراد حضور فازهای BaCO3 و CuO در کنار Y:123 را همراه داشت.
.1 مقدمه1
ابررسانایی پدیدهای است که در بعضی از مواد در دمای بسیار پایین اتفاق می افتد و در این حالت مقاومت الکتریکی و میدان مغناطیسی در این مواد به صفر میرسد. بنابراین ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست میدهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقه ابررسانا میتواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مقاومت الکتریکی هادیهای فلزی معمول، مثل مس و نقره، نیز با کاهش دما کم میشود، با این حال در اثر وجود ناخالصی در این هادیها، حتی در دمای صفر مطلق نیز، مقاومت الکتریکی آنها صفر نخواهد بود. اما مقاومت الکتریکی یک ابررسانا، با کاهش دمای آن به زیر دمای مشخصی، که دمای بحرانی - TC - نامیده میشود، به صفر خواهد رسید.[1]
در سال 1986، ابررسانایی دمابالا کشف شد که دارای دمای بحرانی بیش از 90 کلوین هستند. از نظر عملی ابرساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا میشوند که راحتتر قابل ایجاد هستند. طی 5 سال بعد از کشف ابر رساناهای گرم دمای بحرانی ابر رسانایی در ترکیبات جیوه دار به 134 درجه کلوین رسید - شکل . - 1 امروزه با پیشرفت هایی که صورت گرفته ابر رسانای دمابالای Hg-1223 حتی تا مرز دمایی 134 درجه کلوین نیز پیش رفته است .>7 - 1[
ترکیب YBa2Cu3O7-x، که به اختصار YBCO یا Y:123 نامیده میشود، به دلیل دمای ابررسانایی بالا که در حدود دمای تبخیر نیتروژن مایع است - شکل - 1، یکی از معروفترین و پرکاربردترین مواد ابررسانا به خصوص در مواردی که به تولید فیلم نازک نیاز است مانند سنسورهای اسکوییدی و ... میباشد. در ابتدا آمادهسازی احجام ابررسانا با استفاده از روش تجاری سرامیک بوسیله تعداد زیادی از دانشمندان انجام شد. تخلخل بالا و همگنی ضعیف، علی رغم تولید ابررسانا در مدت زمان اندک، سبب شد تا دانشمندان به دنبال روشهای جایگزین جهت رفع عیوب باشند.[8] روش سل ژل به دلیل توانایی در کنترل مناسب استوکیومتری و تولید ذرات همگن با اندازه زیر میکرومتر مورد توجه بوده است.[9]
.2 آزمایش و ساخت
تفجوشی در اتمسفر اکسیژن در دمای در حدود 920 تا 950 درجه سانتیگراد در محدوده زمانی چند ساعت تا 24 ساعت انجام میشود. نرخ خنک شدن معمولا 1 تا 2 درجه سانتیگراد در دقیقه مخصوصا در محدوده دمایی 400 تا 600 درجه سانتیگراد میباشد. در دمای کمتر از 400 درجه سانتیگراد نمونه میتواند سریعتر خنک شود. بوته پلاتینی در کمتر از 900 درجه سانتیگراد مناسب است اما در دماهای بالاتر بوته آلومینا به دلیل واکنش پلاتین با مواد در بالاتر از 900 درجه سانتیگراد مناسب خواهد بود.[10]
این روش بر مبنای تولید محلول مناسبی از نیترات عناصر سازنده YBCO و ایجاد ژل خود احتراق می باشد. مقادیر مناسبی از ترکیبات Y - NO3 - 3، پودر Ba - NO3 - 2 و پودر Cu - NO3 - 2 و اسید سیتریک انتخاب شده و محلول آبی هر ترکیب با آب مقطر ایجاد میشود. در این صورت یونهای NO3- از ترکیب نیتراتهای فلزی خارج شده و در ادامه اسید سیتریک که در محیطهای با اسیدی با ظرفیت یک شرکت میکند، جایگزین آن خواهد شد. بالن حاوی محلول را در یک حمام آبی با دمای 80 °C، بر روی یک همزن مغناطیسی قرار دادیم و منتظر ماندیم تا مقدار آب محلول آبی رنگ با تبخیر کارهش یابد.
پیوند یون H2Cit- با فلز باریم بسیار ضعیف است. بنابراین مقدار قابل توجهی از یونهای باریم در محلول به صورت آزاد وجود داشته که با ادامه روند تهیه سل ژل و تبخیر آب، این یونها مجددا به صورت نیترات باریم تبدیل شده و رسوب خواهند کرد. در این حالت رنگ محلول به دلیل تشکیل رسوبات سفید رنگ نیترات باریم به سمت سبز متمایل خواهد شد. برای جلوگیری از رسوب نیترات باریم پس از تبخیر آب و تشکیل ذرات سفید رنگ اقدام به افزودن هیدروکسید آمونیم به میزان کافی نمودیم تا در نهایت PH محلول به 7 برسد.
درا ین حالت یونهای Cit3- بسیار بیشتری تشکیل می شود که ترکیب قویتری با یونهای باریم خواهند داشت. در این حالت رسوب از بین خواهد رفت و محلول بنفش رنگ حاصل خواهد شد. در ادامه محلول حاصل را در یک بشر در دمای 100 °C حرارت دادیم تا مقدار آب به کمک تبخیر کاهش یابد. با ادامه روند تبخیر آب ماده ژل مانند ایجاد خواهد شد. پس از تشکیل ژل به دلیل واکنشهای بین اسید سیتریک و هیدروکسید آمونیوم کمکم حبابهای گازی در ژل پدیدار شد. در این هنگام ژل در داخل یک بوته چینی ریخته شد و تا اتمام واکنشهای خود احتراق در داخل کوره با دمای 250 °C قرار گرفت. در نتیجه پس از مدت زمان یک ساعت پودر خاکستری رنگی در داخل بوته برجای ماند که بیانگر انجام واکنشها میبود.
پس از تولید پودر ابررسانا به کمک روش سل ژل خود احتراق ماده حاصل در شرایط متفاوت مورد تکلیس قرار گرفت. سه نمونه از ماده اولیه انتخاب شد و هر یک تا دمای 950 درجه سانتیگراد با نرخهای متفاوت افزایش دما تکلیس گردید. نمونه 1 با توجه به مطالعات صورت پذیرفته تا دمای 900 درجه سانتیگراد سانتیگراد و نمونه 2 تا دمای 935 درجه سانتیگراد و نمونه سوم تا دمای 970 درجه سانتیگراد، هر سه با نرخ گرما دهی 3 °C/min در کوره گرمادهی شدند و سپس هر نمونه تا دمای 700°C با نرخ 1°C/min و سپس تا دمای 400°C با نرخ 0/5°C/min خنک شدند و سپس از کوره خارج و در هوای آزاد قرار گرفتند. پودر حاصل همانطور که در قسمت بحث و نتیجهگیری به آن اشاره خواهد شد در دماهای متفاوت تکلیس شد و پودر سیاه رنگ حاصل به کمک طیف سنجی اشعه ایکس و تحلیل آنالیز حرارتی تحلیل شد تا نتایج حاصل جهت تولید نمونه مناسب YBCO اعلام گردد.
-3 نتایج و بحث
قبل از توضیح روش تولید لازم است برخی ویژگیهای YBCO تذکر داده شود تا مراحل تولید به خوبی مفهوم گردد:
-1 در طی گرما دادن تعادلی ترکیب Y:123، در حدود 1020 تا 1040 درجه سانتیگراد این ماده به صورت پریتکتیک به ترکیبات Y2BaCuO5، CuO و BaCuO2 تجزیه خواهد شد.
-2 فاز ارتورومبیک Y1Ba2Cu3O7 در دمای بالاتر از 650 درجه سانتیگراد ناپایدار خواهد بود. در 900 تا 950 درجه سانتیگراد اندیس محتوای اکسیژن ترکیب کمتر از 6/5 بوده و ساختار تتراگونال خواهد شد. اگر از این حالت کوئنچ شود، ماده ابررسانا نخواهد بود. برای دستیابی به محتوای اکسیژن مطلوب - نزدیک به - 7 ماده میبایست به مدت طولانی در اکسیژن در محدوده دمایی 400 تا 500 درجه سانتیگراد آنیل گردد، تا اکسیژن افزایش یابد. در غیر این صورت آنیل در حدود 900 درجه سانتیگراد در اکسیژن جاری برای زمان کوتاه و سپس سرد کردن آرام در اتمسفر اکسیژن مفید خواهد بود.[11]
تفجوشی در اتمسفر اکسیژن در دمای در حدود 920 تا 950 درجه سانتیگراد در محدوده زمانی چند ساعت تا 24 ساعت انجام میشود. نرخ خنک شدن معمولا 1 تا 2 درجه سانتیگراد در دقیقه مخصوصا در محدوده دمایی 400 تا 600 درجه سانتیگراد میباشد. در دمای کمتر از 400 درجه سانتیگراد نمونه میتواند سریعتر خنک شود. بوته پلاتینی در کمتر از 900 درجه سانتیگراد مناسب است اما در دماهای بالاتر بوته آلومینا به دلیل واکنش پلاتین با مواد در بالاتر از 900 درجه سانتیگراد مناسب خواهد بود.[10]
با توجه به آزمایشات صورت پذیرفته مقداری از پودر تولید شده به منظور بررسی تحلیل آنالیز حرارتی مورد استفاده قرار گرفت که نمودار حاصل بیانگر تشکیل ماده ابررسانای YBCO بوده و تنها نشانگر مقدار بسیار کمی از ترکیبات بازمانده مطابق شکل 2 با توجه به دیاگرام فازی تعادلی YBCO میتوانیم شرایط پایداری ترکیب Y:123 را پیش بینی کنیم. همانطور که از دیاگرام فازی مشخص است محدوده تعادلی دمایی پایداری YBCO در محدوده ای کمتر از 1000 درجه سانتیگراد قرار دارد.
باید توجه نمود که این نمودار شرایط گرم شدن تعادلی را لحاظ مینماید. بنابراین در شرایط معمول عملیات تکلیس ممکن است گرم شدن به صورت غیر تعادلی سبب تشکیل ترکیباتی چون فاز Y:211 گردد. همچنین سایر ترکیبات درصورت عدم رعایت زمان کافی در عملیات تکلیس همچنان پایدار خواهند ماند و از ترکیب خارج نخواهند شد. بنابراین دستیابی به شرایط بهینه تکلیس جهت بدست آوردن بیشترین مقدار Y:123 ، با کمترین میزان ناخالصی و میزان مناسبتر اندیس اکسیژن با توجه به عدم پایداری ترکیب در بالای 900°C و کاهش اندیس اکسیژن، ضروری به نظر میرسد.
