Bi-bazlı HTc süperiletkenlerde fiziksel özellikler ile birlikte termoelektrik güç ve termal iletkenlik karakteristiklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada Bi2Sr2Ca2Cu3.xLxO104« (L=Mo (0.5<x<2.0), Er (x=0.5<x<1.0) ve Pr (x=0.5)) nominal kompozisyonlu sistemler cam-seramik yöntemiyle hazırlanmıştır. Elde edilen amorf örnekler farklı periyotlarda ve sıcaklıklarda ısıl işleme tabi tutulmuştur. Örneklerin termal, yapısal ve elektriksel özellikleri DTA. XRD. SEM. R-T. S (T) ve K(T) ölçümleri ile incelenmiştir. Kristalleşme için aktivasyon enerjileri Augis- Bennett ve Kissinger Metotları kullanılarak hesaplanmıştır. Sonuçlar Mo-katkılı örneklerde aktivasyon enerjisinin azaldığım ve Er ve Pr-katkılı sistemlerde ise arttığını ortaya koymaktadır. Avrami Parametresi, n, Ozawa denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Elde edilen n değerleri Mo ve Er-katkılı sistemde düşük katkılama seviyelerinde çekirdeklenmenin ve 3-boyutta parabolik büyümenin aynı anda olduğunu ve yüksek katkılama seviyelerinde ise sadece 3-boyutta parabolik büyüme olduğunu göstermektedir. Pr-katkılaması yapıldığında ise numunede sadece 3-boyutta parabolik büyüme olmaktadır. Mo-katkılı sistemde katkılama seviyesi arttıkça camlaşma azalmıştır. Bununla birlikte. Er ve Pr-katkılı sistemlerde tamamen cam örnekler elde edilebilmiştir. XRD sonuçlarından Mo ve Er-katkılaması sonucu yapıda ana faz Bi-2212 olmuş ve Pr- katkılaması durumunda ise ana faz Bi-2201 olarak elde edilmiştir. Aynı zamanda, örneklerde safsızlık fazlarının olduğu çok fazlı bir yapı meydana gelmiştir. SEM fotoğraflarından Mo-katkılı sistemde iğne şeklinde v bir kristalleşmenin olduğu görülmüştür. Er-katkılı sistemde rasgele yönelmiş yapraksı bir kristalleşme meydana gelirken Pr-katkılı sistemde ise rasgele yönelmiş tanecikli bir yapı oluşmuştur. R-T sonuçlarına göre sistemdeki katkı miktarı arttıkça 7V de azalma olduğu gözlenmiştir. Özellikle Pr-katkılaması durumunda oldukça düşük bir Tc değeri elde edilmiştir. Presland Metodu kullanılarak hesaplanan Cu-0 düzlemi başına hole konsantrasyonu sonuçlan Mo ve Er-katkılı örneklerin Bi-2212 sisteminin hole konsantrasyonu bölgesinde ve Pr-katkılı örneğin ise Bi-2201 sisteminin hole konsantrasyonu bölgesinde olduğunu göstermiştir. Mo ve Pr-katkılaması sonucu negatif termoelektrik güç, S(T), değeri elde edilmiştir. Bununla birlikte, Er-katkılaması sonucu ise pozitif S(T) değeri elde ^,î-Tıf3»`,sı 1 fft? edilmiştir. Elde edilen S(T) verileri Lineer terimli çift band modeli ve Xin' in çift band modeli kullanılarak analiz edilmiştir. K(T) ölçümleri sonucu 2V nin hemen altında termal iletkenlikte ani bir artma olduğu bulunmuştur. Fonon ortalama serbest yolundaki artmayı gösteren bu maksimum pikin büyüklüğü katkılama seviyesi arttıkça düşmüştür. Anahtar kelimeler: Cam-seramikler, hole konsantrasyonu, termoelektrik güç, termal iletkenlik, kristalleşme için aktivasyon enerjisi, Avrami parametresi

In this study, the systems with nominal compositions Bi2Sr2Ca2Cu3.xL.xO 10+5 (L=Mo (0.5<x<2.0), Er (x=0.5<x<1.0) and Pr (x=0.5)) were prepared by glass-ceramic method. The samples obtained were heat treated at different periods and temperatures. The thermal, structural and electrical properties of the samples were investigated by means of DTA, XRD, SEM, R-T, S(T) and k(T). The crystallization activation energies of the samples were computed by using Augis-Bennett and Kissinger Methods. The results obtained showed that the activation energy decreased in the Mo-substituted samples and increased in the Er and Pr-substituted samples. The Avrami parameter, n, were computed by using Ozawa's equation. The obtained n values suggested that in the lower substitution levels for the Mo and Er-substituted systems, nucleation and three- dimensional parabolic growth occurred simultaneously and in the higher substitution levels, only three-dimensional parabolic growth occurred. When Pr was substituted, only three-dimensional parabolic growth was occurred on the sample. For the Mo-substituted system, when the Mo concentration increased the glassification in the samples decreased. However, fully glass samples were obtained in the Er and Pr-substituted samples. From the XRD results, for the Mo and Er- substitutions the main phase in the structure was found to be Bi-2212 (n=2). In the case of the Pr-substitution, the main phase was obtained to be Bi-2201 (n=l) phase. In addition, for all the samples prepared, the multiphase formations including impurities has been obtained. The SEM micrographs showed that the needle-like grains have grown in the Mo- substituted samples. In the Er-substituted samples, randomly oriented flake like grains were formed on the sample surfaces. But randomly oriented granular formation was obtained in the Pr-substituted sample. The R-T results obtained indicated that Tc decreases with the increase of the substitutions. Especially, in the case of the Pr substitution, the lower Tc value was obtained comparing to the Mo and Er-substituted systems. The hole concentration results per Cu-0 planes, computed by using Presland' s formula, showed that the Mo and Er-substituted systems were found to be in the hole concentration region of Bi-2212 111and the Pr-substituted system was found to be in the hole concentration region of Bi- 2201. The negative thermoelectric power, S(T), was obtained with the substitution of Mo and Pr. However, the positive S(T) value was obtained for the Er substitution. The S(T) data obtained were analyzed by using the two band model with the linear T term and Xin's two band model. The k(T) measurements showed that a sharp rise was obtained just below Tc. The magnitude of this peak in k below Tc, which is associated with the increase in the phonon mean free path decreased with the substitutions. Keywords: Glass-ceramics, hole concentration, thermoelectric power, thermal conductivity, activation energy for crystallization, Avrami parameter IV