بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، به بررسی خواص ابررسانای سرامیکی با روش ساخت واکنش حالت جامد میپردازیم. پس از ساخت نمونه، اندازهگیری الگوی پراش اشعه ایکس، مقاومت الکتریکی در دمای گذار و همچنین تعیین ضریب اکسیژن بر روی این نمونه انجام میگیرد. الگوی پراش پرتو ایکس نشان میدهد که فاز غالب در این نمونه 123 است. ضریب اکسیژن به روش تیتراسیون یدومتری برای این نمونه اندازه گیری شد و مقدار 6/71 بدست آمد که وجود فاز اورتورمبیک در این نمونه را تایید میکند. همچنین اندازهگیری مقاومت الکتریکی به روش چهار میله انجام شد و مقدار مقاومت این نمونه در دمای 94K به صفر رسید و به فاز ابررسانایی گذار یافت.
مقدمه
ابررسانایی یکی از کشف های مهم قرن بیستم است که موجبتحولی بزرگ در علوم و صنعت از جمله پزشکی، برق، حمل و نقل و صنایع مختلف شدهاست. دو مشخصه اصلی این پدیده صفر شدن مقاومت الکتریکی و دیامغناطیس شدن کامل نمونه در زیر دمای گذار است. نخستین بار کمرلینگ اونس در سال 1911 با آزمایش روی جیوه خالص توانست مقاومت صفر را در دمای 4/2K مشاهده کند.[1] علاوه بر تلاش در زمینههای نظری و کاربردی، محققین ابررسانایی در تلاش بودند تا مواد ابررسانا با دمای گذار بالاتر را پیدا کنند. در سال 1986 جورج بدنورز و الکس مولر ابررسانایی را در ترکیبات لانتانیوم در دمای گذار 30K کشف کردند.[2] با تلاش گروههای بسیاری از محققین روی ترکیبات لانتانیوم مشخص شد که جایگزینی Sr و Ca به جای Ba در این ترکیبات به ابررسانای جدیدی منجر میشود. به دنبال این تحقیقات در سال 1987 ابررسانای دمای بالای توسط ام. کی. وو با استفاده از روش استاندارد حالت جامد در دمای بحرانی [3] 81K کشف شد. کشف این ترکیب برای اولین بار تحقیقات در زمینه ابررسانایی را در دمای نیتروژن مایع ممکن ساخت که از این نظر نقطه عطفی در تاریخ پدیده ابررسانایی به شمار میرود. این ترکیب بهدلیل در دسترس بودن، غیرسمی و غیرمضر بودن مواد اولیه مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفت.
همچنین برای سرد کردن این ابررسانا می توان از نیتروژن مایع استفاده کرد، که ارزان و در دسترس است. ابررسانای دمای بالای شامل دو ساختار اورتورومبیک و تتراگونال است که تنها در ساختار اورتورومبیک حالت ابررسانایی مشاهده شدهاست. جذب اکسیژن در هنگام ساخت این ترکیب نقش به سزایی در رسیدن به فاز ابررسانایی دارد به طوری که ترکیب اورتورومبیک با 7 اتم اکسیژن در فاز ابررسانا و تتراگونال با 6 اتم اکسیژن عایق است. گروهی ژاپنی[4] ساخت ترکیب جدید را با استفاده از روش سل-ژل و با تغییر در ضریب استوکیومتری واکنش دهنده ها در ترکیب گزارش دادند.[5] تلاش برای بررسی ترکیبات دیگر این ابررسانای اکسیدی همچنان ادامه دارد. به طوری که با جایگزینی عنصر Ca با عنصر ترکیب جدید با دمای بحرانی 83/5K ساخته شده است.[6] در این مقاله، با استفاده از روش استاندارد واکنش حالت جامد ابررسانای دمای بالا در دمای بحرانی 94K با هدف بررسی خواص این ترکیب ساخته میشود. نتایج توسط پراش اشعه ایکس، اندازه گیری مقاومت بر حسب دما و همچنین اندازهگیری ضریب اکسیژن توسط تیتراسیون یدومتری بررسی شدهاست.
روش ساخت حالت جامد
برای ساخت نمونه از روش استاندارد واکنش حالت جامد استفاده شده است. این روش شامل واکنشی است که در آن هر دوی مواد اولیه و نهایی در حالت جامد هستند. معمولاً مواد اولیه در نسبتهای وزنی مناسب مخلوط شده و پس از همگن شدن در یک دمای خاص برای مدت زمان طولانی برای عملیات حرارتی نگه داشته میشود. سپس به آرامی تا دمای اتاق در مجاورت اکسیژن سرد میشود. برای ساخت ترکیب از پودرهای سفید رنگ، سفید رنگ، سیاه رنگ با درصد خلوص بالا استفاده میشود. با توجه به جرم مولی و ضریب استوکیومتری واکنش دهندهها مقدار مورد نیاز از مواد اولیه را وزن کرده و در دمای 200 در مدت 5 ساعت حرارت میدهیم تا کاملاً خشک شوند و برای انجام مراحل بعدی آزمایش آماده شوند. سپس نمونه را در مجاورت استون به مدت 4 ساعت و به صورت دستی آسیاب میکنیم تا پودر همگن و بسیار نرم قهوهای رنگی حاصل گردد. پودر حاصل را برای انجام مرحله تکلیس به مدت 24 ساعت در دمای 950 در کوره الکتریکی قرار میدهیم.
مرحله تکلیس دو بار برای این نمونه انجام گرفت و بعد از هر مرحله نمونه در مجاورت استون به مدت 4 ساعت به صورت دستی آسیاب گردید. شکل 1 نمونه را بعد از مرحله تکلیس نشان میدهد. سپس نمونه در قالب ساخت قرص و قالب را در دستگاه پرس قرار دادیم و برای انجام مرحله کلوخه سازی در کوره الکتریکی قرار دادهایم. قرار گرفتن نمونه در قالب ساخت قرص در شکل 2 نشان داده شدهاست. در مرحله کلوخه سازی نمونه به مدت 24 ساعت در دمای 950 در مجاورت اکسیژن قرار گرفت. بعد از تمام شدن مراحل حرارتدهی، نمونه به آرامی به همراه اکسیژن تا دمای اتاق سرد میشود. همچنین این نمونه در دمای 450 به مدت 12 ساعت قرار گرفت تا اکسیژن کافی را برای رسیدن به فاز ابررسانایی را دریافت کند. اندازهگیری مقاومت الکتریکی برحسب دما به روش چهار میله بر روی نمونه صورت گرفت که نمودار آن مطابق شکل 3 میباشد.
در اندازهگیری مقاومت الکتریکی به روش چهار میله، دو سیم به وسیله چسب نقره به ابتدا و انتهای نمونه متصل میشود و جریان ثابتی از آن عبور داده می شود. دو سیم دیگر در طول مسیر عبور جریان به فاصله مساوی از طرفین قرار داده میشود و به وسیله آن ولتاژ عبوری از نمونه اندازهگیری میشود. سپس از این ولتاژ اندازهگیری شده، مقاومت نمونه بدست میآید. همانطور که در نمودار مشاهده میشود با کاهش دما مقاومت الکتریکی نمونه کاهش مییابد، تا اینکه در دمای 94K مقاومت نمونه به صفر میرسد. آزمایش اندازهگیری ضریب اکسیژن به روش تیتراسیون یدومتری بر روی این نمونه انجام گرفت. به دلیل اینکه در ابررساناهای کوپرات مقدار اکسیژن به ×خوبی مشخص نیست در ترکیب حالت اکسیداسیون برابر با +3 و برای برابر +2 میباشد. در حالی که ظرفیت مس به تراکم اکسیژن اضافی بستگی دارد. ظرفیت متوسط 2+p را میتوان برای مس به وسیله عیار سنجی یدومتریک تعیین کرد.[7] در این آزمایش نمونه ابررسانای کوپرات مورد نظر را به دو قسمت مساوی تقسیم میکنیم. ابتدا نمونه اول را در محلول اسیدی اشباع شدهای از یدید پتاسیم حل نمودیم. در طی این فرآیند تمام مسهای موجود در×نمونه×با I ترکیب و به صورت تهنشین خواهد شد. نحوه انجام این فرآیند در شکل 4 نشان داده شدهاست. در این فرآیند واکنش زیر رخ میدهد:
