مقاله ساخت و بررسی تاثیر اندازه بلورک‌ها در ترکیب ابررسانای YBa_2 Cu_3 O_7

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله، به بررسی خواص ابررسانای سرامیکی با تکنیک ساخت واکنش حالت جامد میپردازیم. تفاوت نمونههای ساختهشده در نحوه آسیاب کردن مواد آنها است. آزمایشهای پراش پرتو ایکس، اندازهگیری دمای گذار، تعیین ضریب اکسیژن با استفاده از روش تیتراسیون یدومتری برای بررسی نمونهها انجام شد و اندازه بلورکها با استفاده از دادههای آزمایشگاهی و روابط آنها بدست آمدهاست و نتایج مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.

مقدمه

تئوری کامل میکروسکوپی ابررساناها در سال 1957 توسط باردین،کوپر و شریفراراِئه شد. این تئوری BCS1 جریان ابررساناها را به عنوان مادهای با هدایت فوقالعاده زیاد با زوجهای کوپر توضیح میدهد که در واقع مسئول هدایت جریان الکتریکی زوج الکترونها هستند [1] ابررساناهایی که دمای گذار بالاتر از 30K داشته باشند را ابررساناهای گرم مینامند. کشف این ابررساناها به سال 1986 بر میگردد که بدنورز و مولر در ترکیب La-Ba-Cu-O، به ابررسانایی با دمای گذار 35K دست یافتند که این ترکیب اولین ابررسانای کشفشده از خانواده ابررساناهای اکسید مس به حساب میآید.

[2] کمی بعد در سال M.K.Wu21987 با جایگزین کردن لانتان با ایتیریوم به ابررسانای YBa2Cu3O7−δ دست یافتند که دمای گذار 92K داشت.[3] این ترکیب، اولین ابررسانایی بود که امکان سردکردن آن تا دمای گذار به وسیله نیتروژن مایع وجود داشت. مزیت دیگر این ترکیب، امکان مشاهده اثر مایسنر و شناوری مغناطیسی ابررسانا در این ترکیب بود. وجود صفحات 2 که ویژگی مشترک ساختاری ابررساناهای اکسید مس است، نقش مهمی در تشکیل فاز ابررسانایی دارد و به عنوان اصلیترین عامل وجود ابررسانایی در این ترکیبات شناخته میشود.[4]

ابررسانای دمای بالای YBa2Cu3O7−δ ساختار پروسکیت دارد. این ساختار می تواند شامل دو فاز تتراگنال و اورتورومبیک باشد. این دو ساختار از روی هم قرار گرفتن سه مکعب با ابعاد 3/9 × 3/9 × 11/8 Å2 تشکیل شده است. ساختار اورتورومبیک با جذب کافی اکسیژن - = 0 - بدست میآید و خاصیت ابررسانایی از خود نشان میدهد. اما ساختار تتراگنال زمانی تشکیل میشود که اکسیژن به خوبی جذب نمونه ابررسانا نشدهباشد که این ساختار خاصیت ابررسانایی از خود نشان نمیدهد.

نمونهای که در آن ساختار غالب اورتورومبیک باشد به رنگ سیاه و نمونهای که ساختار تتراگنال در آن غالب باشد، سبز رنگ است .[5] به همین علت جذب اکسیژن کافی در حین ساخت نمونه ابررسانای YBa2Cu3O7−δ بسیار حائز اهمیت است. همچنین در ابررسانا صفر شدن مقاومت الکتریکی یکی از خصوصیات مهم ابررساناها به شمار میرود؛ در واقع در دمای خاصی صورت میگیرد که به آن دمای گذار یا دمای بحرانی گفته میشود. در این مقاله، دو نمونه ابررسانای YBa2Cu3O7−δ از تکنیک حالت جامد با روش کلوخهسازی ساخته شد، که تفاوت آنها در نحوه آسیابکردن مواد آنها است. آزمایش اندازهگیری پراش پرتو ایکس، دمای گذار و اندازهگیری ضریب اکسیژن روی نمونهها انجام شد و میزان جذب اکسیژن این دو نمونه با توجه به دادههای آزمایش مورد بررسی قرار گرفت.

روش ساخت

نمونههای ابررسانای YBa2Cu3O7−δ به روش حالت جامد و از روش کلوخهسازی ساخته شد. در این روش به منظور ساخت ابررسانای سرامیکی YBa2Cu3O7−δ ، پودرهای اولیه Y2O3 سفید رنگ، BaCO3 سفید رنگ، CuO سیاه رنگ با درصد خلوص بالا - خلوص - 99/9% استفاده میشود و با استفاده از معادله واکنش موازنه شده - 1 - پودرهای اولیه و جرم مولی هرکدام از واکنش دهندهها، مقدار مورد نیاز هر کدام از پودرهای اولیه را محاسبه میکنیم و با دقت وزنی بالا توزین میکنیم.

پودرها را پس از مخلوطکردن به خوبی آسیاب میکنیم و جهت انجام مرحله تکلیس درون کوره در دمای بالای 950℃ به مدت 24 ساعت قرار میدهیم. پس از انجام عمل تکلیس، نمونه را مجدداً آسیاب کرده و با استفاده از قالب ساخت قرص از جنس فولاد ضد زنگ و با استفاده از دستگاه پرس، تحت فشار به شکل قرص فشرده میکنیم. سپس نمونه را جهت انجام مرحله کلوخهسازی به همراه شارش گاز اکسیژن به مدت 24 ساعت تا دمای 950℃ حرارت میدهیم. برای جذب اکسیژن کافی، به منظور افزایش تشکیل فاز اورتورومبیک، آهنگ سرد شدن نمونه از دمای 750℃ تا 400℃ به آرامی و به مدت 12 ساعت انجام میشود.

پس از انجام مرحله کلوخهسازی، قرصهای ابررسانای ساختهشده را جهت اندازهگیری دمای گذار، به شکل مکعب مستطیل برش میدهیم. اندازهگیری دمای گذار را به روش چهار میله انجام میدهیم. در این روش برای اتصال سیمها به ابررسانا از چسب نقره استفاده میکنیم که دارای رسانایی قابل توجهی است و همچنین جهت اندازهگیری دمای نمونه از سنسور دمایی PT100 استفاده شد - شکل . - 1 جهت اندازهگیری دمای گذار، میبایست نمونه را در نیتروژن مایع قرار داده و با استفاده از نرمافزار، تغییرات مقاومت بر حسب دما را اندازه میگیریم. همچنین برای اندازهگیری ضریب اکسیژن از روش تیتراسیون یدومتری استفاده میکنیم.

نتایج و بحث

در این تحقیق دو نمونه ابررسانای YBa2Cu3O7−δ ساخته شد که تفاوت آنها در نحوه آسیاب اولیه است. نمونه اول را پس از توزین به صورت دستی و به مدت 3 ساعت آسیاب کردیم، همچنین پس از مرحله تکلیس نیز مجدداً به صورت دستی و به مدت 5 ساعت - به جهت سختی بیشتر نمونه - آسیاب کردیم. اما نمونه دوم را پس از توزین به وسیله دستگاه آسیاب سیارهای - گلولهای - به مدت 20 دقیقه با نسبت پودر به گلوله 1 به 5 با سرعت 300 دور در دقیقه آسیاب کردیم - شکل . - 2 آسیاب سیارهای یکی از انواع آسیابهای مورد استفاده در تحقیقات آزمایشگاهی است. این آسیاب شامل یک صفحه دوار به همراه دو محفظه است.

در این آسیاب صفحه دوار در یک جهت چرخیده و محفظه بر اساس مکانیزمی در جهت خلاف حرکت صفحه دوار،  حرکت دوارنی انجام میدهد. گلولهها و پودر به صورت متناوب روی دیوار داخلی غلتیده و ساییده میشوند سپس با سرعت تنظیم شده از جداره محفظه جدا شده و به جداره روبرویی برخورد میکنند. در این حالت ذرات پودر تحت انرژی ضربه بالا به صورت مداوم جوش خورده و پودر میشوند.  پس از مرحله تکلیس نیز به همین ترتیب مراحل آسیاب مجدداً انجام شد. آزمایش اندازهگیری دمای گذار روی نمونهها انجام شد و هر دو نمونه در دمای 91K ابررسانا شدند. نمودار دمای گذار نمونهها را در شکل 3 و 4 مشاهده میکنید.

سپس اندازهگیری ضریب اکسیژن به روش تیتراسیون یدومتری انجام شد [6] - شکل . - 5 که برای نمونه اول 6/667 و برای نمونه دوم 6/816 بدست آمدهاست. آزمایش پراش پرتو ایکس نمونهها نشان می دهد که فاز YBa2Cu3O7−δ در هر دو نمونه تشکیل شدهاست. همانطور که در شکل 6 و 7 مشاهده میکنید قله مربوط به نمونه شماره یک دارای شدت بیشتر و پهنای کمتر و نمونه شماره دو دارای قله با شدت کمتر و پهنای بیشتر است.