بخشی از مقاله
چکیده
نمونههای ابررسانای Y0.98-xCo0.02CaxBa2Cu3O7-δ بهازای 0≤x≤0/008 به روش استاندارد واکنش حالت جامد ساخته شدند. آنالیز پذیرفتاری مغناطیسی بر روی آنها انجام شد. مشاهده می شود که با افزایش ناخالصی کلسیم، به دلیل بالا و بهینه بودن مقدار دمای گذار ابررسانایی برای ترکیب موردنظر دارای 2 درصد کبالت، دمای گذار افزایش بیشتری را نشان نمی دهد.
مقدمه
با کشف ترکیبات ابررسانای دما-بالای Y-123 برای اولین بار در سال 1987، تحقیقات در زمینهی ابررسانایی در دمای نیتروژن مایع ممکن شد. این ترکیب دارای ساختار پرووسکایت میباشد که ویژگیهای الکتریکی آن قویاً وابسته به ساختار شیمیایی، فاز ناخالصی و مقدار اکسیژن آن میباشد .[1] هرچه مقدار اکسیژن کاهش یابد، ترکیب از فاز اورتورومبیک - ابررسانا - به فاز تتراگونال - عایق - تغییر حالت میدهد .[2] کشف ترکیبات اکسید مس با پایه ی Bi، Tl و Hg با دمای گذار بالاتر از ترکیب دارای ایتریم، تصورات اولیه مبنی بر اینکه فقط یون Y یا عناصر نادر زمین مسئول وقوع ابررسانایی در دمای بالا هستند را باطل کرد.
[3] به دنبال آن، محققان تلاش کردند با جاینشینی عناصر دیگر به جای Y و همچنین تغییر روش ساخت، به دماهای گذار بالاتری برسند. جایگزینی Y با عناصر خاکی، وابستگی Tc به شعاع یونی عنصر خاکی را نشان میدهد و مشاهده میشود که دمای گذار Tc با کاهش سایز عنصر خاکی جاینشین شده، کاهش مییابد .[6-4] همچنین، جایگزینی عناصر Mg، Ca، Sr و Ba در جایگاه Y نشان میدهد که با افزایش شعاع عنصر جایگزین، دمای گذار افزایش مییابد .
[7] دیده می شود که جایگزینی عنصر Al3+ به جای Y3+ به علت شعاع یونی کمتری که آلومینیم نسبت به Y دارد، باعث تغییرات بلوری شبکه شده و به علت کاهش اعوجاج اورتورومبیک، دمای گذار Tc کاهش مییابد Ca .[8] به علت دارا بودن شعاع یونی نزدیک به Y، گزینهی مناسبی برای بررسی خواص ماده با جایگزینی آن، محسوب میشود. در تحقیقی جایگزینی عنصر Ca2+ در جایگاه Y3+ در YBa2Cu3O7-δ زمانی که δ=0 - نمونه ابررساناست - سبب کاهش دمای گذار ابررسانایی شده و زمانی که δ 1 - ترکیب ابررسانا نمی باشد - ، تا آلایش %20، نمونه را ابررسانا کردهاست .
[9] در حالتیکه ترکیب با کمبود اکسیژن همراه است، Ca سبب افزایش چگالی حفره ها شده و از این طریق ابررسانایی را بهبود میبخشد. اما در حالتیکه استوکیومتری ترکیب، بهینه است و نمونه کمبود اکسیژن ندارد، افزودن Ca سبب حذف اکسیژن از صفحات ابررسانای CuO2، افزایش پارامتر a شبکه و افزایش زاویهی Cu - 2 - -O - 2 - -Cu - 2 - شده و در نتیجه اورتورومبیسیتی را کاهش میدهد .[10] آلایش عنصر کبالت در ترکیب Y1-xCoxBa2Cu3O7-δ تا مقدار آلایش بهینهی x= 0/02، سبب افزایش دمای گذار می شود.
علت آن،اساساً به ویژگی مغناطیسی این عنصر و نیز به افزایش حفره با آلایش عنصر کبالت - با ظرفیت مخلوط 2+ و - 3+ در جایگاه ایتریم نسبت داده شده است .[11] این مشاهده، در مغایرت با تئوری ابریکوسوف، مبنی بر تخریب ابررسانایی در حضور ممان مغناطیسی میباشد .[12] هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر آلایش یون Ca2+ و Co - باظرفیت مخلوط 2+ و - 3+ در جایگاه یون غیرمغناطیسی Y3+، به منظور بررسی دقیق علت افزایش دمای گذار در آلایشهای پایین کبالت در ترکیب مذکور میباشد .[11] بدین منظور آنالیز پذیرفتاری مغناطیسی بر روی نمونههای Y0.98-xCo0.02CaxBa2Cu3O7-δ انجام شد. مشاهده میشود که افزایش آلایش کلسیم، در ترکیب انتخاب شدهی با دمای گذار بالا و بهینه، موجب افزایش بیشتر دمای گذار ابررسانایی نمیشود.
ساخت و آزمایشات
نمونههای سرامیکی Y0.98-xCo0.02CaxBa2Cu3O7-δ، با میزان آلایش 0 x 0/008 به روش استاندارد واکنش حالت جامد ساخته شدند. پودرهای ترکیبات Y2O3، Co3O4، CaCO3، BaCO3 و CuO طبق نسبتهای استوکیومتری مناسب، تحت یک ساعت سایش مخلوط شده و به مدت 24 ساعت در دمای 850°C حرارت دیدند و سپس به صورت تدریجی تا دمای اتاق سرد شدند. این فرآیند که تکلیس نام دارد جهت همگنی ترکیب، دوبار صورت گرفت. سپس پودر نهایی با استفاده از دستگاه پرس به صورت قرص فشرده درآمده و روی ورقههای طلا در بوته های آلومینا قرارگرفته و در کوره در دمای حدود 950œC به مدت 24 ساعت و تحت اتمسفر اکسیژن بازپخت شدند. پس از کلوخهسازی، نمونهها بهصورت قرص سخت به دست آمدند. از دستگاه پذیرفتاری مغناطیسی برای تعیین فاز مغناطیسی و دمای گذار نمونهها استفاده گردید.
نتایج و بحث
نمونهها در ابتدا، به منظور بررسی ساختار بلوری شان، تحت آنالیز پراش اشعه ایکس قرار گرفتند. آنالیزها، تشکیل فاز 123 را در تمامی نمونهها نشان داده و نیز فاز ناخالصی قابل اندازهگیری، مشاهده نمیشود. اندازهگیری مغناطیسی نمونهها با استفاده از دستگاه اندازهگیری پذیرفتاری مغناطیسی AC شرکت Lakeshore مدل 7000 از دمای اتاق تا دمای 77 کلوین و در میدان مغناطیسی متناوب به بزرگی 0/8 A/m و بسامد 333 Hz انجام گرفت.
شکل - -1الف - ، پذیرفتاری مغناطیسی نمونههای از آلایش صفر تا 0/008 را نشان میدهد. دیده میشود که در نمونهی دارای 2 درصد کبالت، که بیشترین دمای گذار ابررسانایی در بین ترکیبات با آلایش کبالت را دارد، با افزایش مقدار کلسیم - باظرفیت - 2+ در جایگاه ایتریم - با ظرفیت - 3+، دمای گذار ابررسانایی زیاد تفاوتی نمیکند. به عبارتی، در آلایشهای اولیه با مقادیر خیلی کم کلسیم، مقدار دمای گذار تقریبا ثابت و سپس با افزایش بیشتر مقدار کلسیم، دمای گذار شروع به کاهش آشکاری میکند.
این کاهش دمای گذار با آلایش کلسیم، در ترکیبی که بیشترین و بهینه دمای گذار را دارد، به معنای پر بودن صفحات اکسید مسی از حفرهها و اشباع آن میباشد و کلسیم بهبودی در افزایش خواص ابررسانایی را موجب نمیشود. همچنین در شکل - -1الف - ، افت تیزی در قسمت پذیرفتاری حقیقی نمونهها، با کاهش دما، از حالت نرمال به حالت ابررسانایی مشاهده میشود که نشان دهندهی گذار درون دانهای است. در شکل - -1ب - بزرگنمایی پذیرفتاری مغناطیسی نمونهها بر حسب دما در محدوده دمایی گذار نشان دادهشدهاست. کاهش دمای گذار ابررسانایی نمونه با افزایش کلسیم، بهوضوح دیده میشود.
نتیجهگیری
در این مقاله، اثر آلایش دو عنصر Ca و Co در جایگاه Y مورد بررسی قرارگرفته است. مشاهده میشود در آلایشهای اولیهی با مقادیر خیلی کم کلسیم در ترکیبی که 2 درصد کبالت دارد، مقدار دمای گذار ابررسانایی تقریبا ثابت و سپس با افزایش بیشتر مقدار کلسیم، دمای گذار، شروع به کاهش آشکاری میکند. این کاهش دمای گذار با آلایش کلسیم، در ترکیبی که بیشترین و بهینه دمای گذار را دارد، به معنای اشباع صفحات اکسید مسی از حفره بوده و حضور کلسیم تاثیری در بهبود خواص ابررسانایی را موجب نمیشود.
