Bazı Geçiş Metallerinin Ex-Situ ve In-Situ MgB2 Süperiletken Malzemede Difüzyon Etkisi

Abstract

Bu projenin temel amacı gelişen ve ilerleyen teknolojik uygulamalarda adından fazlaca söz ettiren MgB2 süperiletken malzemesine seçilmiş geçiş elementleriyle (elektriksel iletkenliği yüksek olan Fe, Co, Ni ve Au) bir yüzeyine kalın film kaplaması yapılarak, malzemenin yapısal, elektriksel ve manyetik özelliklerinin nasıl bir değişime uğrayacağının araştırılmasıdır. Sadece bu özellikleri araştırılmakla kalınmayacak aynı zamanda kaplanan metalin difüzyon hızı ve aktivasyon enerjileri de hesaplanacaktır. MgB2 tablet (yığın) örnekleri iki farklı yöntemle üretebiliriz, bunlar ex-situ yöntemi; daha önceden ısıl işlem yoluyla elde edilen MgB2 hazır toz ve in-situ: MgB2 faz oluşumunun tavlamayla gerçekleştiği durumdur. Biz bu proje kapsamında her iki yöntemle de MgB2 süperiletken örnekler hazırlayacağız ve hazırlanmış bu iki farklı örneklerin bir yüzeyine metal buharlaştırma yöntemiyle elektriksel iletkenliği yüksek olan demir (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni) ve altın (Au) geçiş metalleri kaplanacaktır. Her bir metal için kaplama yaklaşık 50 micron kalınlığında kalın film kaplaması şeklide olacaktır. Fakat, ex-situ ve in-situ MgB2 süperiletken örneklerin bir yüzeyine bir metal kaplanmasıyla incelenecek, yani MgB2-Fe, MgB2-Co, MgB2-Ni ve MgB2-Au kaplanmış örnekler elde edilecektir. Bir yüzeyi kalın film ile kaplanmış ex-situ/in-situ MgB2 süperiletken örnekler, bir saat sürede beş farklı sıcaklıkta tavlama/fırınlama yapılacak, ısıl etki sayesinde süperiletken bölge ile kaplanan metal arasında birbiriyle etkileşmiş arayüz tabakası oluşturulacaktır. Önceki çalışmalarımızda elde ettiğimiz bulgularımıza göre etkileşim bölgesi 100-120 micronluk bir kalınlığa sahiptir (Ulgen, 2016). Kaplanmış ve beş farklı sıcaklıkta fırınlanmış ex-situ ve in-situ MgB2 süperiletken örneklerin micro-yapısal özellerinin tayini için X-ışını kırınım deseni (XRD) ve taramalı elektron mikroskobunda (SEM) görüntüleri incelenecek, elektriksel ve manyetik özellikleri için hem dış manyetik alan altında hem de manyetik alan olmaksızın özdirenç davranışlarının sıcaklığa bağlı analizleri incelenecektir. Ayrıca üretilen malzemelerin kritik akım değerini hesaplayabilmek için düşük sabit sıcaklıkta (20K) akım-voltaj analizleri yapılacaktır. Bununla birlikte ex-situ/in-situ MgB2 süperiletken örneğe kaplanan her bir metalin difüzyon hızı ve aktivasyon enerji hesaplamasını için kaplanan yüzeyden mekanik olarak artarda yaklaşık 20-25 micronluk inci bir tabaka kaldırılacaktır. Kaldırılan her ince tabakadan sonra süperiletken örneğin kalan kısımdan XRD ölçümleri alınıp, örgü parametrelerinde ki değişim gözlenecektir. Örgü parametrelerinde ki değişim difüz olan metal miktarı hakkında doğrudan sonuç vereceğinden, bu sonuçlar altında Arrhenius denklemi kullanılarak difüzyon hız ve aktivasyon enerji hesaplanabilecektir. Böylelikle süperiletken tel üretiminde kılıf malzemesi olarak tercih edilen Fe, Co ve Ni ve elektronik uygulamalarda söz konusu olabilcek Au için süperiletken ile kılıf veya kaplama malzemesi arasındaki atom/iyon göçü matematiksel olarak hesaplanacak ve literatüre kazandırılacaktır. Ayrıca tavlama işlemi sabit sürede tutulmasından dolayı süperiletken ile metal tabaka arasındaki atom/iyon göçünün beş farklı sıcaklıkta nasıl artıp azaldığını gözlemleyebileceğiz. Farklı sıcaklıkta tavlama işlemi aktivasyon enerjisi hesaplamasında kullanıldığı ve MgB2 süperiletken örnekleri için en düşük tavla sıcaklığı 650oC olduğundan bu sıcaklık değişiminin 650oC?den başlayıp 850oC?e kadar 50oC artışla yapılması uygun görülmüştür. Bu projenin başarılı olmasıyla birlikte literatüre MgB2 süperiletken örnek hazırlama yöntemlerine uygun sıcaklıkla test edilecek, teknolojik uygulamada fazlaca tercih edilen kılıf seçimine ışık tutacak ve belirlenen elektriksel iletkenliği yüksek malzemeler için difüzyon katsayıları ve aktivasyon enerjileri hesaplanacaktır.