Nano boyutta kalay katkılı Bi-2212 seramiklerin süperiletkenlik özellikleri

Abstract

Bu tezde, Bi-2212 seramiklerin süperiletkenlik özellikleri üzerine nano boyutta SnO2 katkısının etkisi araştırıldı. Bi-2212 sisteminin morfolojik yapısı üzerine sodyum katkılamanın olumlu etkisine bağlı olarak Bi2Sr2-xSnxCa1Cu1.75Na0.25Oy (x = 0.0, 0.05, 0.1, 0.20) başlangıç kompozisyonu seçildi. Değişen katkılama oranları ile dört farklı süperiletken örnek katı hal tepkime yöntemi ile hazırlandı. Süperiletken örnekler X-ışını kırınım (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), özdirenç (R-T), manyetizasyon (M-H) ve mekaniksel ölçümler gerçekleştirilerek analiz edildi. XRD ölçüm sonuçlarında, bazı safsızlık fazlarının oluşumuna rağmen tüm örneklerde temel faz yapısının Bi-2212 yüksek sıcaklık süperiletken fazı olduğu tespit edilmiştir. Buna ek olarak, yüksek oranda Bi-2212 süperiletkenlik fazının oluşumu ve Bi-2212 süperiletkenlik fazına ait piklerin şiddetlerinde artış x = 0.05 oranında nano boyutta kalay katkılı örnekte gözlemlenmiştir. SEM mikro yapı analizi sonuçlarında, tüm örneklerde Bi-2212 yüksek sıcaklık fazının varlığını işaret eden plaka benzeri tanelerin oluşumu gözlemlendi. Bunun yanında, daha büyük plaka benzeri taneler ve daha az boşluklu yapının oluşması ile daha iyi yüzey morfolojisi x = 0.05 nano boyutta kalay içeren örneğe aittir. Özdirenç sıcaklık grafiğinde, tüm örneklerin Tconset değerlerinden sonra süperiletkenlik geçişine sahip olduğu açıkça gösterilmektedir. Ayrıca, en yüksek süperiletkenlik geçiş sıcaklığı x = 0.05 oranında nano boyutlu kalay katkılı örnekte elde edildi. Diğer taraftan, örneklerin manyetizasyon özellikleri manyetik histerezis ölçümleri ile tespit edildi. Histerezis ölçümleri sonucunda elde edilen bulgular tüm örneklerde Bi-2212 süperiletkenlerin karakteristik özelliği olan diamagnetik davranış açıkça gözlemlendi. Kritik akım yoğunluğu değerleri ise Bean's modeli kullanılarak hesaplandı. En yüksek kritik akım yoğunluğu nano boyutta kalay içermeyen örnekte tespit edildi. Seramik örneklerin mekaniksel özellikleri Vickers mikro sertlik ve yüzey pürüzlülüğü ölçümleri ile analiz edildi. Elde edilen mikro sertlik ölçüm sonuçlarında, en yüksek sertlik değeri x = 0.1 kalay katkılı örnekte gözlemlendi. Yüzey pürüzlülüğü ölçüm sonucunda elde edilen bulgularda ise, örneklerin yüzey pürüzlülük değeri katkılama oranı ile giderek arttı. En yüksek pürüzlülük değeri ise x = 0.20 nano boyutta kalay katkılı örnekte gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, Bi-2212 sistemindeki optimal oranda sodyum (x = 0.25) ve nano-boyutta SnO2 (x = 0.05) ikili katkısı süperiletkenlik özelliklerin gelişmesinde etkili olmuştur.

In this thesis, the effect of nano-size SnO2 addition on the superconductivity properties of Bi-2212 ceramics has been investigated. The starting composition of Bi2Sr2-xSnxCa1Cu1.75Na0.25Oy (x = 0.0, 0.05, 0.1, 0.20) has selected due to the positive effect of sodium addition on the morphological structure of Bi-2212 system. Four different superconducting samples with varying doping ratios were prepared by solid state reaction method. Superconducting samples have been analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), resistivity (R-T), magnetization (M-H) and mechanical measurements. In XRD measurement results, although some impurity phases were formed, the basic phase structure was determined Bi-2212 high temperature superconductivity phase in all samples. In addition, formation of a high rate of Bi-2212 superconductivity phase and increase in intensity of peaks of Bi-2212 superconductivity phase were observed in x = 0.05 nano-size tin doped sample. In the SEM microstructure analysis results, the formation of plate-like grains indicating the presence of the Bi-2212 high temperature phase in all samples was observed. In addition, the best surface morphology with the formation of larger plate-like grains and less porous structure belong to the sample including x = 0.05 nano-sized tin. The results of electrical resistivity measurement have clearly shown that all samples have superconductivity transition after their Tconset values. Also, the highest superconductivity transition temperature was observed in x = 0.05 nano sized tin doped sample. On the other hand, the magnetization properties of the samples were determined by magnetic hysteresis measurements. In the results of hysteresis graphs, the diamagnetic properties of Bi-2212 superconductors were observed in all samples. Critical current density values were calculated using Bean's model. The highest critical current density was determined in free nano tin doped. The mechanical properties of the ceramic samples were analyzed by Vickers Microhardness and surface roughness measurements. In the obtained microhardness test results, highest hardness value were detected in x = 0.1 tin doped samples. The surface roughness values of the samples have been increased with increasing nano sized tin contents. In the results obtained from the surface roughness measurement, highest roughness value among samples has been observed in sample including x = 0.2 nano-sized tin. The results showed that the optimal ratio of sodium (x = 0.25) and nano-sized SnO2 (x = 0.05) co-doping in the Bi-2212 system was effective in the development of superconducting properties.