Bi (Pb) Sr Ca CuO süperiletken ince filmlerinin üretimi, bazı yapısal ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Bu çalışmada elektron-demeti tekniği kullanılarak MgO ve Ag/MgO altlıklar üzerinde Bi(Pb)SrCaCuO ince filmleri elde edildi. Bi(Pb)SrCaCuO ince filmlerin süperiletkenlik özelliklerine tavlama sıcaklığının ve altlık türünün etkisi; x-ışını kırınımı, taramalı elektron mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu, kritik sıcaklık, kritik akım yoğunluğu ve magnetik alınganlık ölçümleriyle incelendi. Her iki altlık türünde elde edilen ve 835°C, 845°C veya 860°C'ta tavlanan filmlerin, Bi-2212 ve Bi-2223 fazlarının değişik oranlardaki karışımından oluştuğu anlaşıldı. Bu filmlerde c-ekseninin film yüzeyine dik doğrultuda yöneldiği görüldü. Gümüş katkılı numunelerde (Ag/MgO altlıkta üretilen), gümüş katkısız numunelerle (MgO altlıkta üretilen) kıyaslandığında; Bi-2223 ve Bi-2212 fazlarının daha yüksek kristalleşme oranı, daha fazla c-ekseni yönelmesi, daha düşük c sabiti (yaklaşık % 0,7), daha yüksek kritik sıcaklık ( p=0'da 107 K) ve daha yüksek kritik akım yoğunluğu (77 K'de Jc= lxlO4 A/cm2 ) gözlendi. MgO altlık üzerinde üretilen ince film numunelerinin, tavlama sıcaklığı olan 860°C'tan, (i) fırından hızlıca çıkarılarak ve (ii) 10°C/dakika'lık bir soğutma hızıyla oda sıcaklığına soğutulmalarının faz oranlarına etkisi incelendi. Burada hızlı soğutulan numunenin baskın fazının, Bi-2223 (H) olduğu ve yavaş soğutmada ise baskın fazın Bi- 2212 (L) olduğu görüldü. 865°C'ta 20 dakika süreyle tavlanan ince film numunesinin kenar kısımlarında kısmi erimeler görüldü. Bu bölgelerin x-ışınları kırınımı deseninde, numunenin orta bölgesine göre, daha fazla miktarda Bi-2201 çok-düşük sıcaklık fazının (VL) var olduğu anlaşıldı. Ayrıca baskın olarak Bi-2212 fazına sahip ince film numunelerinde (820°C'ta tavlanan numuneler), 600-800°C sıcaklık aralığında gümüşün difüzyon katsayısının sıcaklığa bağlılığı, D=2,2xlO`5exp(-l,2/kT) biçiminde bir denklemi ile ifade edildiği bulundu. Anahtar Kelimeler: Bi(Pb)SrCaCuO Süperiletkenleri, Kritik Akım Yoğunluğu, Kritik Sıcaklık, Difüzyon Katsayısı, Magnetik Alınganlık, Bi-2223 Fazı, Aktivasyon Enerjisi. VI

SUMMARY Superconducting Bi(Pb)SrCaCuO films have been evaporated on MgO and Ag/MgO substrates (without and with Ag buffer layer) by electron-beam technique. The effects of annealing temperature and Ag buffer layer on superconducting properties of Bi(Pb)SrCaCuO films were investigated by x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), critical temperature (Tc), critical current density (Jc) and magnetic susceptibility measurements. It was shown that the annealing of both types of films (on MgO and Ag/MgO substrate) at 835°C, 845°C or 860°C resulted in formation of the mixed Bi-2223 and Bi- 2212 phases with a high degree of preferential orientation with the c-axis perpendicular to the substrate. The higher rate of crystallization of the Bi-2223 and Bi-2212 phases, the higher degree of c-axis orientation, the reduced lattice parameter c (by 0,7 %), the significantly enhanced critical temperature (Tc=107 K at p=0) and critical current density (Jc= lxlO4 A/cm2 at 77 K) were observed for Ag doped films (on Ag/MgO substrates), in comparison with those for the undoped films (on MgO substrates). The effect of cooling rates on the phase ratio of samples were investigated for two types of samples: (i) the quenched ones (approximately 1000°C/min.) by taking the sample out of the furnace in air and (ii) the slowly cooled ones in the furnace with a rate of 10°C/min. It was observed that quenching of samples resulted mainly in the Bi-2223 phase (H) whereas the slowly cooled sample consisted of mainly Bi-2212 phase (L). Annealing the sample at 865°C for 20 minutes caused partial melting at the edges of the thin film sample. The x-ray diffraction patterns of this partially melted regions showed that the majority of the reflections corresponded to the Bi-2201 phase (VL) whereas the middle region of the sample had reflections mainly due the Bi-2212 phase. The temperature dependence of the Ag diffusion coefficient in Bi-2212 films in the range 600°C - 800°C was found to obey the relation D=2,2xlO`5exp(-l,2/kT). Key Words: Bi(Pb)SrCaCuO Superconductors, Critical Current Density, Critical Temperature, Diffusion Coefficient, Magnetic Susceptibility, Bi-2223 Phase, Activation Energy. VII