Bİ-TABANLI SERAMİK SÜPERİLETKEN TRANSİSTOR

Transkript

1 ÖZEL EGE LİSESİ Bİ-TABANLI SERAMİK SÜPERİLETKEN TRANSİSTOR HAZIRLAYAN ÖĞRENCİLER: Tunç TORT Emincan AYÇİÇEK DANIŞMAN ÖĞRETMEN: A. Ruhşah ERDUYGUN 2006 İZMİR

2 1.GİRİŞ VE AMAÇ Temel bilimlere olan yakınlığı ve pek çok teknik uygulamaya sahip olması bakımından süperiletkenlik(üstün iletkenlik) olayı günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Süperiletkenliğin iki ana göstergesi vardır. Bunlardan ilki kritik bir T c sıcaklığının varlığı olup, direncin bu sıcaklığın altında sıfıra gitmesidir. Örneğin, yeterince düşük sıcaklıkta tutulan süperiletken bir halkada oluşan elektrik akımı, kaydadeğer bir azalma göstermeden geçmeye devam eder. Süperiletken halka, akıma karşı bir direnç ortaya koymaz, dolayısıyla bir ısınma ve kayıp söz konusu olamaz. İkincisi, T c 'nin altında, manyetik alanın süperiletkenin iç bölgesinden dışlanmasıdır (Meissner Olayı). Meissner olayı bir dış manyetik alanın akı çizgilerinin T c 'nin altında süperiletken dışına itilmesi ve içerisinde B=0 olmasıdır. Yani, süperiletkenlik bazı maddelerde elektriksel direncin maddeye özgü bir "kritik sıcaklık" T c değerinin altında aniden sıfıra düşmesi olayıdır. Başlangıcı 1911 lere uzanan süperiletkenlik tarihinde en önemli sayılacak keşif 1986 yılında gerçekleşti. G. Bednorz ve K. A. Müller, IBM Zürih Laboratuvarlannda yaptıkları çalışmalarla metal oksit bileşiklerinde, süperiletkenliğin varlığını ortaya koydular. Böylece yüksek sıcaklık süperiletkenliği denilen yeni bir dönem başladı ve süperiletken geçiş sıcaklıklarında (La,Sr) 2 CuO 4 için T 0 =36 K YBa 2 Cu için T>92 K, Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y için TC=110 K, Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 4 O 10 için T c =125 K ve HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x için T c =133 K gibi çok yüksek değerlere ulaşıldı. Maeda ve arkadaşları tarafından bulunan Bi-tabanlı (Bi-Sr-Ca-Cu-O) yüksek sıcaklık süperiletken seramikler 80 K'lik alçak T c ve 110 K'lik yüksek T c fazı gibi iki süperiletken faza sahiptirler. (Maeda et al.,1988). Bu fazlar süperiletkenliğin meydana geldiği Cu-O düzlemlerindeki taşıyıcıların paylaşılması Bi-tabanlı seramiklerde süperiletkenliğin oluşumunda önemli bir parametredir. Cu atomları ile diğer katkı atomlarının yer değiştirmesi sistemin elektronik yapısında ve örneklerin süperiletken özelliklerinde önemli değişikliklere neden olmaktadır. Yukarıda yazdığımız tüm bilgi ve uygulanabilirlik ölçüleri bizi bu projeye yöneltmiştir. Yarıiletken transistorların akım, genlik yükseltme özellikleri bilinmekte ve birçok elektronik devrede sıklıkla kullanılmaktadır. Geçen yıllarda süperiletkenlerin bir sığaç olarak kullanılabileceği ( çok küçük potansiyel farklar altında çok yüksek elektrik yükleri tutabilen aygıt oluşturulabileceği ) bir projenin hazırlandığını görüp inceleme olanağı bulmuştuk. Bu süperiletken maddeden yapılacak olan bir transistörün daha farklı bir boyut kazanacağı düşünülmüştür.

3 2.GENEL BİLGİLER 2.1.Süperiletkenliğin Gelişimi ve Tarihçesi Düşük sıcaklık süperiletkenliğinin tarihi, 1908 yılında Hollandalı fizikçi Heike Kamerling Onnes'in kaynama sıcaklığı 4,2 K olan helyumu sıvılaştırmasıyla başlamıştır.üç yıl sonra 1911 'de Onnes ve yardımcılarından birisi metallerin düşük sıcaklıkta dirençlerin incelerken süperiletkenlik olayını keşfettiler. İlk olarak platini incelediler. Platinin sıcaklığının 0 K'e doğru azaltıldıkça direncinin sıfıra gitmek yerine belli bir değerde sabit kaldığım gördüler ve bu direnç değerinin metalin saflığına bağlı olarak değiştiğini ortaya koydular. Daha sonra çok saf sıvıları incelemeye karar verdiler. O sırada elde bulunan en saf metal olan civanın sıcaklıkla direncinin değişimini incelediler ve civarım direncinin, 4,15 K'de çok keskin bir şekilde düşerek ölçülemeyecek kadar küçük değerlere (yaklaşık olarak 0'a) ulaştığını gördüler. Cıva bu sıcaklığın altında dirençsiz hale gelmekteydi. Onnes, 4,15 K'nin altındaki sıcaklıklarda civanın önceki bilinen özelliklerinin dışında farklı elektriksel özelliklere sahip yeni bir hale geçtiğini belirtti ve bu durumu süperiletken hal olarak adlandırdı. Civa ve platin için deneysel sonuçlar şekil 2.1. de görülmektedir. R (Ω) R (Ω) Hg Pt R T(K) 0 T(K) Şekil 2.1.Civa ve platin için direnç- sıcaklık değişimi grafiği Helyumun sıvılaşmasıyla ve maddelerin düşük sıcaklık özellikleri üzerinde yaptığı çalışmalar Onnes'e "1913 Nobel Fizik Ödülünü" kazandırmıştır yılında W. Hans Meissner ve Robert Ochsenfold süperiletkenlerin manyetik özellilerini incelediler ve manyetik alanda soğutulan bir süperiletkenin kritik sıcaklık(direncin sıfır olduğu sıcaklık) altında, manyetik akıyı dışladığım buldular(w. Meisner et al., 1933). Ayrıca bu süperiletken malzemelerin, kritik manyetik alanda (B c ) daha büyük alanlarda süperiletkenlik özelliğini kaybettiğini buldular. Ancak süperiletkenliğin asıl doğası ve kökeni John Bardeen, Leon N. Cooper ve J. Robert Schrieffer tarafından 1957'de açıklanmıştır. BCS teorisi olarak bilinen bu teorinin ana teması, iki elektron arasında "Cooper Çiftleri" olarak bilinen bağlı bir halin oluşmasıdır. Süperiletkenlikle ilgili çalışmalar 1962 yılında Brian D. Josephson ile sürmüştür. B. D. Josephson 2 mm kalınlığında yalıtkan bir engel ile ayrılmış iki süperiletken arasında tünelleme akımının oluştuğunu ispatlamıştır. 1986'nm başlarında J. George Bednorce ve Kari Alex Müller, lantanyum, baryum ve bakırın bir oksitinde 30 K'nın üzerinde süperiletkenliğin varlığım buldular. O zamana kadar T c için bilinen en yüksek değer 23 K idi ve bu değer niobyurn ve germanyumun bir bileşiğine aitti. Onların bu buluşu "Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliği" olarak bilinen bir dönemin başlamasına neden olmuştur. Bu konudaki çalışmalar hala devam etmektedir. Eğer kritik sıcaklıkları oda sıcaklığının üzerinde olan süperiletkenler bulunursa günümüz teknolojisinde hızlı ilerlemeler olacaktır.

4 2.2. I.Tip Süperiletkenlerin Manyetik Özellikleri I uzunluğunda ve üzerinde I akımı geçen bir tel düşünelim. Tel normal haldeyken, uçları arasındaki potansiyel farkı V olsun. Sabit sıcaklıkta, telin direncini bulabilmek için Ohm yasasını kullanabiliriz. Buna göre R=V/I yada V=IR dır. Burada R telin direncini gösterir. Telin elektrik alanını bulabilmek içinde E=V/I bağıntısını kullanırız.tel süperiletken durumdayken R=0 olduğundan hem V=0 hem de E=0 olur.yani süperiletken durumda iletkenin içindeki elektrik alan sıfırdır. Faraday 'm indüksiyon kanunu, E.ds= - dφ m dt şeklinde yazılabilir. Yani E elektrik alanının kapalı bir halka boyunca çizgi integali, kapalı halka düzleminden geçen Φ m manyetik akısını zamana göre değişiminin eksi işaretlisine eşittir. Bir süperiletken içindeki her noktada E=0 olduğundan, kapalı yol boyunca alman integral yani dφ m /dt= 0 olur. Bu da, süperiletken içindeki manyetik akının değişmeyeceğini ifade eder. Burada B'nin (B= Φ m / A) süperiletken içinde sabit kaldığı sonucuna varabiliriz yılında Meissner ve Ochsenfold, zayıf bir manyetik alanda soğutulan metalin, süperiletken olduğunda madde içinde her noktada B=0 olacak şekilde alanı dışarıladığını keşfettiler. Bu etki silindir biçimindeki madde için şekil 2.2. de gösterilmiştir. Sıcaklık T c 'den büyük iken alan silindire nüfuz etmektedir. Bununla beraber, sıcaklık T c 'nin altına düşürüldüğünde alan çizgileri süperiletkenden dışlanmaktadır. Yani 1. tip süperiletkenler mükemmel iletken olmanın yanı sıra, aynı zamanda B=0 olan mükemmel diyamanyetik maddelerdir. Manyetik alanın süperiletkenden dışlanması olayına " Meissner Olayı" denir. Birinci tip süperiletken içinde B=0 olması, bu maddenin direncinin sıfır olması kadar temel bir olgudur. Uygulanan alan B> B c olacak şekilde arttırılırsa süperiletkenlik halı bozulur ve alan örneğe girer. (2.1) T> T C T C > T Şekil 2.2. Süperiletken bir silindir tarafından manyetik alanın dışlanması (Meissner Olayı) Mükemmel diyamanyetik olma özelliğini süperiletkeni erin manyetik alandaki davranışlarını öğrenmek amacıyla aşağıdaki şekilleri sırasıyla inceleyebiliriz London Denklemleri Meissner olayının keşfiyle, Fritz ve Heiny London, Maxwell denklemlerini kullanarak süperakımların elektrodinamiğini tanımladılar. Londonun elde ettiği iki önemli denklem aşağıda verilmiştir. B= - m n s e 2 J s n (2.2) s e J 2 s = E (2.3) m

5 Burada J s süperakım yoğunluğu, m süperelektronların kütlesi, e süperelektronların yükü, n s süperelektronların yoğunluğu, E elektrik alan ve B manyetik alandır. (2.2) denklemi süperiletkenlerin dirençsiz olma halini, (2.3) denklemi ise diyamanyetizmayı açıklar. London denklemleri süperiletkenliği çok iyi açıklayamasa da süperiletkenlerin makroskobik özelliklerinin çoğunu açıklayabilmiştir. Bunun yanında, bu denklemlerden elde edilen sonuçların da deneysel verilerle uyum içerisinde olduğu görülmüştür II. Tip Süperiletkenler İkinci tip süperiletkenler ilk defa 1957 yılında Abrikosov tarafından bulunmuştur. Abrikosov süperiletkenleri bir dış manyetik alan içindeki davranışlarına göre birinci tip(metalik süperiletkenler) ve ikinci tip(alaşımlar ve Seramikler) olmak üzere ikiye ayırdı. I.tip süperiletkenler mükemmel diyamanyetizma gösterirler ve uygulanan alan kritik değeri geçtiğinde normal hale geçerler. II. tip süperiletk eni erde B c1 ve B c2 olarak gösterilen iki kritik alan sınırı vardır. Uygulanan alan B c1 alt kritik alanından küçükse, madde tam olarak süperiletkendir ve I.tip süperiletkenlerde olduğu gibi manyetik alan örnek tarafından dışlanır. Uygulanan alan B c2 üst kritik alanından büyükse, manyetik alan örneğin tamamına girer ve örnek normal hale döner, yarı süperiletken hal ortadan kalkar. Fakat B cl ve B c2 arasındaki alan içinde örnek " karışık hal " veya " girdap halı "olarak bilmen halde bulunur. Vortex halinde madde sınır dirence sahip olabilir ve akı kısmen nüfuz edebilir. Yani, B cl ve B c2 arasında normal bölgelerle süperiletken bölgeler birlikte bulunurlar. B (Tesla) B (Tesla) B C2 B C B C1 T C T(K) T C T(K) (a) (b) Şekil 2.3 (a) I. tip ve (b) II. tip süperiletkenler için, kritik alanların sıcaklığın fonksiyonu olarak değişimi. II.Tip süperiletkenler için kritik sıcaklık (T c ) ve üst kritik alan (B c2 ) değerlen çizelge 2.2 de verilmiştir.çizelgeden B c2 nın değerinin I. tıp süperiletkenlerin B0 kritik alan değerlerinden büyük olduğu görülmektedir. Örneğin, Nb 3 (AlGe) alaşımı için üst kritik alan B c2 =44T ve kritik sıcaklık T c =21 K'dir Bu nedenle yüksek manyetik alan veren mıknatıs yapımı için 11. tıp süperiletkenler çok uygundurlar. NbTi kullanılarak güç kaybı olmadan 5T ve 10T arasında alan verebilen süperiletken bobinler sarılabilir. Demir çekirdekli elektromıknatıslarda 2T alanın üzerine çıkmak için bile çok yüksek güç tüketimi gerekir.

6 Süperiletken T c (K) B c2 (Tesla) Nb 3 Al 18,7 32,4 Nb 3 Sn 18,0 24,5 Nb 3 Ge 23,0 38,0 NbTi 9,3 15,0 Nb 3 (AlGe) 21,0 44,0 V 3 Sİ 16,9 23,5 V 3 Ga 14,8 20,8 Çizelge 2.1. T = 0 K'de bazı II. tip süperiletkenler için üst kritik alan ve kritik sıcaklık değerleri Uygulanan bir manyetik alan içinde I. tıp ve II. tıp süperiletkenlerin manyetik davranışları da (mıknatıslanma) farklıdır. B gibi bir dış manyetik alana konulan örnek M mıknatıslanması kazanır. Örnek içerisindeki Biç- 0 olacağından, mıknatıslanma; M= - B = χb (2.3) µ 0 bağıntısıyla verilir. Burada manyetik suseptibilite X(X=-l/uo) dır(doygunluk). Yani, süperiletkenlerin mıknatıslanması, dış manyetik alana karşı koyar ve manyetik doygunluk maksimum negatif değerine sahip olur. I.tip ve II.tip süperiletkenlerin uygulanan manyetik alanın değerine göre mıknatıslanmaları şekil 2.8 de ayrıntılı şekilde görülmektedir. µ om (+) µ om (+) B 0 B (Tesla) B c1 B 0 B c2 B (Tesla) (-) (-) Şekil 2.4. Uygulanan manyetik alan içinde (a) I. tip ve (b) Il.tip süperiletkenlerin manyetik davranışları 2.5. BCS Teorisi Normal bir metalin direncinin bir kısmı, serbest elektronlarla kristal örgüdeki iyonlarının çarpışmalarından kaynaklanmaktadır. Elektronlar, bir tür sürtünme olarak isimlendirilebilecek bu etkiler nedeniyle enerjilerini ısıya dönüştürürler. Metallerde elektronlar her zaman çarpışmaya uğrayacağından süperiletken hal bu klasik modelle açıklanamaz. Çünkü süperiletkenlik elektrik akımının malzeme içinde direnci oluşturan engellemeler olmaksızın kayıpsız akabilirliği demektir. Süperiletkenliği açıklayabilmek için bazı teoriler ileri sürülmüştür. Fakat elektronların nasıl olup da süperiletken hale geçtikleri ve bu halde iken niçin safsızlıklar ve örgü titreşimleri tarafından saçılmaya uğramadıkları bu teoriler tarafından açıklanamamaktadır.

7 J. Bardeen, L. N. Cooper ve J. R. Schieffer tarafından 1957'de ortaya atılan teori süperiletkenliğin değişik özelliklerinin anlaşılmasında başarılı olmuştur. BCS teorisi olarak bilinen bu teorinin ana teması, aralarında bir tür çekici etkileşme bulunan iki elektronun "Cooper Çiftleri" olarak bilinen bağlı durumlar oluşturmasıdır. Elektronlar eksi yüke sahip olduklarından ve aynı cins yüklerin birbirini itmesi gerektiğinden, bu teori ters gelse de, örgü noktası civarından geçen elektronun anlık olarak neden olduğu örgü bozuklukları, iki elektron arasında net bir çekici etkileşme elde edilmesine neden olabilir. Bunu daha iyi anlayabilmek için şekil 2.10'u göz önüne alalım. Eksi yüklü elektron pozitif yüklü iyonların civarından geçerken onları kendine doğru çekip o civarda pozitif yük konsantrasyonunun az da olsa artmasına neden olur. Bir diğer elektron o civardan geçerken, bozulmaya uğramış pozitif yüklü bölgeye doğru çekilir. Bu durumda iki elektron birbirini dolaylı bir yoldan çekmiş olur. Bu etkileşim sonucu metal elektron çiftlerinden(cooper Çiftlerinden) oluşan minimum enerjili hale yani süperiletken hale geçer (Bardeen et al., 1957) Sonuç olarak Cooper Çiftlerini oluşturan neden iki elektron arasından çekici bir -örgü-elektron etkileşmesidir. elektron elektron Şekil 2.5. Cooper çiftleri zıt momentuma ve spine sahiptir. Şekil 2.6. Cooper çiftlerinin oluşumu Örgü elektron etkileşmesi Bir Cooper çifti eşit fakat zıt moment ve spinlere sahip iki elektrondan oluşmaktadır. Yani Cooper Çifti toplam momentumu ve spini sıfır olan bir sistem oluşturur. Cooper Çiftlerinin spini sıfır olduğundan "Bozonlar" gibi davranırlar ve süperiletken halde çiftler bağımsız hareket yerine birlikte davranış sergilerler. Bir süperiletkenin uyarma spektrumunda, 0 K'deki enerji aralığı kt c (yaklaşık 10-3 ev) civarındadır. Bir süperiletkenin E g enerji aralığı,.cooper çiftlerinden birinin bozulması için gereken enerji aralığını temsil eder ve T=0 K de kritik sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki, E g = 3.53 kt c (2.4) bağıntısıyla verilir.burada k Boltzman sabiti ve T c kritik sıcaklıktır. Dolayısıyla, büyük enerji aralığına sahip olan süperiletkenlerin kritik sıcaklığı da daha yüksektir.

8 Bazı süperiletkenler için (2.3) eşitliği kullanılarak hesaplanan enerji aralığı değerleri çizelge 2.2 de verilmiştir..süperiletken E g (mev) Zn 0,24 Ga 0,33 Al 0,34 in 1,05 Sn 1,15 Hg 1,65 Çizelge 2.2. Bazı süperiletkenlerin T = 0 K deki enerji aralıkları 2.6. Yüksek Sıcaklık Süperiletkenleri Yüksek Sıcaklık Süperiletkenlerinin Tarihçesi Şekil 2.7 de süperiletkenliğin keşfinden günümüze, geçiş sıcaklığındaki gelişmeler,kronolojik olarak verilmiştir. Şekil 2.7. Süperiletkenliğin bulunuşundan günümüze geçiş sıcaklığındaki gelişmeler Yüksek Sıcaklık Süperiletkenlerinin Kristal Yapıları Yüksek T c li süperiletken bileşiklerinin hepsi şekil 2.7den de görülebileceği gibi bakır oksitlerden oluşup, Perovskit olarak adlandırılan kristal yapıdadırlar. Bu kristal yapıda bakır ve ona bağlı oksijen atomlarından oluşan bakır-oksit tabakaları, nadir toprak elementlerinin oluşturduğu yalıtkan düzlemlerle birbirinden ayrılırlar. Bu da süperiletkene iki boyutlu bir yapı özelliği kazandırır. Yani, süperiletkenlik iki boyutlu iyi iletken olan bakır oksit düzlemlerinde meydana gelmektedir. Süperiletken bileşiklerindeki bakır-oksijen tabakalarının sayısı ile kritik sıcaklık arasında doğrudan bir ilişki vardır. Bakır- oksijen tabakalarının, periyodik olarak yapı kendini tekrarlayıncaya kadar eklenmesi T c yi arttırır.

9 Bu süperiletkenler anizotoprupiktirler yani, yöne bağımlı özelliklere sahiptirler. Bunun en belirgin delili, direnin, bakır-oksijen düzlemlerinde çok küçük, bu düzleme dik doğrultuda ise çok büyük olmasıdır. Bunlar veya seramik yapıdadırlar. Seramik yapıda olmalarından dolayı esnek değil, kırılgandırlar. Ayrıca bakır-oksit tabakalarındaki atomların yerine başka atomların yerleştirilmesi süperiletkenliği bozmakta veya yok etmektedir. Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n 0 2n+4+x bileşiğinde n= 1,2,3 değerleri için üç değişik süperiletken faz mevcuttur. n=l için (2201), n=2 için (2212), n=3 için (2223) fazlarına sahip süperiletken bileşiklerin birim hücreleri şekil 2.12 de gösterilmiştir. n=l yani Bi 2 Sr 2 Cu 1 O 6+x (2201) fazının geçiş sıcaklığı yaklaşık l0 K'dir ve birim hücresinde bir tane Cu0 2 düzlemi vardır. n=2 yani Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu x (2212) fazının geçiş sıcaklığı yaklaşık 85K'dir ve birim hücresinde iki tane Cu0 2 düzlemi vardır. n=3 yani Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu3O 10+x (2223) fazının geçiş sıcaklığı yaklaşık 1l0 K'dir ve birim hücresinde üç tane Cu0 2 düzlemi vardır. Bu örneklerden, süperiletken bileşiğe bakır-oksijen tabakası eklenmesinin kritik sıcaklığı daha yüksek değerlere çıkardığı gerçeği daha iyi görülebilmektedir. Yani n değerinin artmasıyla T c değeri de artmaktadır(bi-tabanlı bileşiklerde n=1,2,3 için T c sırasıyla 10K,85K, 110 K'dir) n=3'ün üstünde T c 'de önemli bir artış gözlenmez.fakat Tl-tabanlı süperiletkenlerde n=4 için T C =125K değerine sahiptir. Şekil 2.8. Bİ 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n 0 2n+4+x bileşiğinin farklı üç fazının birim hücreleri.2.7. Uygulamalar Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin keşfi bilimsel ve teknolojik alanlarda hepsi çok yeni ve önemli çeşitli kullanım alanlarının gündeme gelmesine yol açmıştır. Yüksek sıcaklık süperiletkeni erinden yeterince yararlanmamızı önleyen en büyük problemlerden biri, bu malzemelerin çok kırılgan olması dolayısıyla tel ve şerit şeklinde malzeme elde etmek ve SQUID(Superconducting Quantum Interferance Decices) gibi küçük cihazlarda kullanılacak ince filmler üretmekte karşılaşılan zorluklardır. Diğer bir problem ise Tc kritik sıcaklığının oda sıcaklığına veya kısmen erişilebilir düzeyde yüksek sıcaklıklara henüz çıkarılamam zorluğudur. Bu türden zorlukların üstesinden gelinebileceğini düşünürsek, yüksek sıcaklık süperiletkenleriyle çeşitli uygulamalar gerçekleştirilebilir. Mesela, elektrik tellerinde iletim hattı olarak bakır gibi normal iletkenler kullanıldığında elektrik gücünün büyük bir kısmı ısı olarak kaybolmaktadır. Bu iletim hatları süperiletken yapılabilirse, kayıplar önlenir ve günümüzün enerji sorununda önemli ölçüde ekonomik yararlar sağlanır. Bu süperiletkenler elektronik sahasında da çok büyük ve olumlu etkiler yapabilirler. Anahtarlama özelliklerinden dolayı, Josephson eklemleri bilgisayar elementleri olarak kullanılabilirler.

10 Ayrıca bilgisayar cipleri arasındaki bağlantılar süperiletkenlerle sağlanabilir ve eğer çip boyutları küçültülebilirse hızlan arttırılabilir. Böylelikle bir devreye daha az ısı üreten çok sayıda çip yerleştirilerek bilgi akışı hızlandırılabilir. Sargıları süperiletken telden yapılmış bir galvanometre şimdiye kadar erişilemeyen bir duyarlılıkta, yaklaşık voltluk küçük potansiyel farklarını ölçebilir. Kritik alam büyük süperiletken sargılara sahip bir elektromıknatıs ile şiddeti yaklaşık 10 Teslalık manyetik alanların elde edilmesi mümkün olabilecektir. Süperiletkenlerden taşıma alanlarında da yararlanmak mümkündür. Japonya'da bir vagona süperiletken mıknatıs yerleştirilmiştir. Normal iletken ray üzerinde hareket eden tren, eddy(girdap) akımı itmesiyle havada asılı kalmak tadır. Süperiletken mıknatıslar Manyetik Rezonans Görüntülemesi olarak adlandırılan alette de kullanılır. Bu cihaz yardımıyla vücudun değişik kısımlarının görüntülenmesinde X-ışınına kıyasla daha güvenli olan radyo frekanslı ışınımlar kullanılır. Bu tekniğin esası süperiletken tarafından üretilen güçlü manyetik alana dayandığından manyetik rezonans görüntüleme sinin yatırım ve işletme masrafları yüksektir. Ayrıca Josephson etkisi ve kuantum girişimlerini kullanan magnetometre ve SQUID gibi cihazlar, beyin tarafından üretilen zayıf manyetik alanların ölçülmesinde ve yorumlanmasında kullanılmaktadır. 2.8 Yüzey Temaslı Transistörler(BJT) Şekil 2.8. Yüzey temaslı transistör Yüzey temaslı transistor, aynı tipten iki bölge arasında, diğer tipten ince bir bölge ihtiva eden yarıiletken kristaldir. PNP ve NPN tipi transistorlar vardır. Transistorlar elektrik bağlantıları için gerekli üç elektroda sahiptir. bunlar emitör(e), beys(b), kolektör(c) NPN tipi bir transistorun çalışmasını açıklamak için aşağıdaki şekildeki gibi kutuplandırılan bir yükelteç devresini göz önüne alırsak; bu devre için beys giriş ve çıkış devreleri için ortaktır. Giriş sinyali emitör-beys uçları arasına uygulanır. Çıkış sinyali (gerilimi) beys-kolektör uçları arasından alınır. Bu durumda IC akımı, çıkış devresine uygulanan VCC gerilimi ile bu devredeki R yük direncini kapsayan PN ekleminin I-V (Akım-Gerilim) karekteristliğine bağlı olacaktır. Bu şekildeki gerilim uygulama E-B eklemini ileri yönde, C-B eklemini ise ters yönde kutuplandırmaktadır. Bu halde N tip bölgenin çoğunluk yük taşıyıcıları olan elektronlar beys i oluşturan P tip bölgeye girererek burada azınlık yük taşıyıcısı olurlar ve kolektör-beys eklemine doğru ilerlerler. Beys bölgesindeki çoğunluk yük taşıyıcıları olan boşlukların bazılarının emiltörden buraya gelen elektronlarla birleşme şansı vardır ancak beys bölgesindeki yabancı madde konsantrasyonu daha az yapıldığından, boşlukların sayısı da azdır. Ayrıca beys bölgesinin ince yapılması da elektronların çoğunun boşluklarla birleşmeden kolektör-beys eklemine ulaşmasını sağlar. Kolektör-beys eklemine uygulanan ters yöndeki gerilim bu bölgenin azınlık yük taşıyıcıları olan elektronların eklemi aşarak kolektöre gelmelerini kolaylaştırır. Kolektöre gelen elektronlar dış devredeki Vcc ve Vee kaynakları yardımıyla tekrar emiltöre dönerler ve olay böylece devam eder. Akım yönü pozitif yüklerin aktığı yön kabul edildiğinden Ie akımı emiltörden dışarıya doğru olup işareti negatiftir; kolektör akımı ise aynı nedenlerle pozitif işaretli; beys akımı beys e doğru olup pozitif işaretlidir. Emiltörden çıkan elektronların bir kısmı kolektöre ulaşabilfiğinden kolektör akımı emiltör akımından daha küçüktür başka bir deyişle kolektör akımı emiltör akımının aie kadarıdır ve a pozitiftir. O halde a=( Ic / Ie) şeklinde ifade edilebilir. Buradan a nın bu devre içi akım yükseltme katsayısı olduğu görülür. Emiltör akımının kolektör akımıyla beys akımlarının toplamı olduğu devreden açıkça görülmektedir.

11 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Bi 16 (Pbo,4)Sr 2 Ca 2 Cu30 y Süperiletken Örneğinin Katı-Hal Tepkime yöntemi ile Hazırlanması BiSrCaCuO süperiletken bileşiği, çok benzer kristal yapıya sahip farklı üç süperiletken faza sahiptir (Hudakova et al., 1995). Süperiletken bileşiğin oluşumu sırasında 85K ve 110 K fazı genelde bir arada bulunmaktadır. Birçok önemli çalışma sonucu, BiSrCaCuO süperiletken bileşiğinde Bi yerine kısmen Pb katkılanması, (2223) fazının oluşumuna yardımcı olarak, (2223) fazını daha stabil hale getirdiği ve süperiletkenlik parametrelerine olumlu etki yaptığı bulunmuştur (Liu et al., 1992; Hudakova et al., 1995; Sinh, 2003; Azzouz et al., 2001).Süperiletkenin hazırlanması : (Bi 2-x Pb x )Sr 2 Ca 2 Cu 3 O Y genel yapıya sahip bileşiği, klasik katı-hal tepkime yöntemi kullanılarak hazırlandı. Yüksek saflıkta Bi 2 O 3 PbO, SrCO 3, CaCO 3 ve CuO başlangıç malzemelerini, x = 0,30; 0,35; 0,40; 0,45; 0,50; 0,60 değerleri için katyonik oranlarda ±0,lmg duyarlıkta tartarak, mekanik yolla karıştırılarak toz karışım haline getirildi. Bu toz karışım, agat havan içerisinde homojen hale gelinceye kadar öğütüldü. Daha sonra bir alümünyum kap içerisine konularak 800 C de 24 saat kalsine edildi. Kalsine edilen bu tozlar öğütülerek, 3, 5-4 ton/cm 2 basınç altında 13mm çapında 1-3mm kalınlığında tabletler haline getirildi. Elde edilen bu tabletler 845 C de 120 saat sinterlendi. Son olarak örnekler, sinterizasyon işlemi sonucunda 10 C / dakika hızla oda sıcaklığına kadar soğutuldu. (Şekil 4.2) 800ºC 800ºC 24 saat 20 ºC 20 ºC (a) 845ºC 845ºC 120 saat 20 ºC 20 ºC (a) Şekil 3.1 BPSCCO süperiletken örneklerin (a) Kalsinasyon ve (b) Sinterizasyon işlemleri.

12 Karıştırma ve öğütme Kalsinasyon Karıştırma ve öğütme Presleme Bi 2 O 3 PbO, SrCO 3, CaCO 3, CuO Sinterizasyon Şekil 3.2. BPSCCO süperiletken örneklerin hazırlanma aşamaları X-ışını analizi Ölçümler 3.2. Dört Uç AC- Metodu İle Elektriksel Direncinin Ölçümü Bu metod, hazırlanan örneklerin direncinin sıcaklıkla değişimini incelemek ve örneklerin süperiletkenliğe geçiş sıcaklıklarını ölçebilmek için kullanılan bir metoddur. Ölçüm sırasında örneğe alternatif akım uygulandığından metot bu adı almıştır. Aşağıda ölçüm için kullanılan devrenin şeması verilmiştir.(şekil 3.4) Bu ölçüm için Lock-in yükselticisi(sr530 iki kanallı Lock-in yükselteç) olarak tanımlanır. Bu aralığın dar olması ile örneğin kalitesi doğru orantılıdır. Bizim örneklerimiz için T C = 8 K olarak bulunmuştur. R (Ω) Şekil 3.3. Bi 1,6 (Pb o,4 )Sr 2 Ca 2 Cu 3 0 Y (2223) sisteminin AC direnç sıcaklık değişim eğrisi T(K) Süperiletken olarak hazırladığımız iki örnek birbirlerine tam paralel olacak şekilde düzenlenmiş ve aralarına yaklaşık 0,12 mm kalınlığında yalıtkan ve saydam bir film tabakası yerleştirilmiştir. Bu şekilde hazırlanan süper kondansatör sistemimizin elektrot bağlantıları gümüş pasta ile sağlandıktan sonra sistem bir akım kaynağma bağlanmış ve bir LCR metre kullanılarak kapasite ölçümü yapılmıştır. DC milivoltmetre (Philips PM-2441), sinyal üretıcisı(wavetek sinyal üretici Model 22), akım kaynağı (KETHLEY 224) ve kalibre edilmiş platin direnç termometresi içeren bir düzenek kullanılmıştır.

13 Yazıcı Sin. Jen. Lock-in Milivoltmetre örnek DC Akım Kaynağı Sıvı azot Pt Termometre Sekil 3.2. Dört Uç AC direnç ölçüm düzeneğinin şematik gösterimi Oluşturduğumuz iki adet BiPbSrCaCuO seramik süperiletkenlerin sıvı azot içinde mükemmele yakın Meissner etkisi(diyamanyetik özellik) gösterdikleri görüldü. Daha sonra bu iki seramik süperiletken arasına EMETRON 10 Leitsilber 200 gümüş ince bir film tabakası kaplanarak bu bölgeden bir uç bağlantısı alındı. Gümüşlü olan bu ara bölge beys olarak kabul edildi. Diğer iki seramik süperiletkenin dışta kalan yüzeylerine yine gümüş kontaktla iki uç bağlantısı daha yapıldı. Bu yüzeyler de emitör ve kolektör olarak düşünüldü. Böylece Bizmut tabanlı seramik süperiletken transistorümüz oluşturuldu.(şekil 3.3 ). Seramik süperiletkenler E Gümüş ara yüzey C Şekil 3.3. Süperiletken transistörümüz B Süperiletken transistorümüz oluşturulduktan sonra beys i ortak NPN tipi bir BJT gibi düşünülerek gerekli kutuplandırmalar yapıldı(şekil 3.4) Şekil 3.4. NPN tipi transistör

14 Transistörümüz hazırlandıktan sonra sıvı azot içine bırakılarak ölçümlere geçildi. Düzeneğimizde bir adet sinyal jeneratörü (NETES Function Generator 8110), bir adet çift kanallı osiloskop (HUNG CHANG 20MHz Oscilloscope 3502C), iki adet voltaj kaynağı (PASCO SF-9584 Low Voltage AC/DC Power Supply), 1,1W 10W 17KW 8,2MW luk yük dirençleri, üç adet ampermetre (BRYMEN Digital Multimeter BM805-4), İkim adet voltmetre (BRYMEN Digital Multimeter BM805-4) ölçmeler için kullanıldı. 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 4.1. Bi 1,6 (Pb 0,4 )Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y (2223) Sisteminin AC Direnç Sıcaklık Ölçüm Sonuçları Hazırlanan Bi 1,6 (Pb 0,4 )Sr 2 Ca 2 Cu 3 0 y süperiletken örneklerden birinin direncinin sıcaklıkla değişimi şekil 4.3.de verilmiştir. Süperiletkenliğin başladığı sıcaklık (onset sıcaklığı, T c 10 ) 110 K olup bu sıcaklığa kadar örneklerden birinin metalik karakter sergilemekte olduğu görülmektedir. Diğer örneğin de aynı karakteri sergilediği belirlenmiştir. 102 K'de ise direnç sıfıra düşmektedir(kritik sıcaklık, T c ). Ayrıca süperiletken örneğin kaliteli bir örnek olup olmadığı Meissner etkisiyle de belirlendi. Süperiletken transistörümüz hazırlandıktan sonra şekil (3.2) ki devre hazırlanarak transistör sıvı azot içinde tutuldu ve aşağıdaki ölçüm sonuçlarına ulaşıldı. Ib(mA) Veb(mV) Ie(mA) Vcb(mV) Ic(mA) 1,49 0,90 0,22 27,1 0,18 2,15 1,90 0,48 25,6 0,43 1,86 2,10 0,51 24,6 0,47 1,70 2,20 0,60 24,0 0,52 1,47 2,30 0,68 22,5 0,64 1,13 3,30 0,72 21,8 0,67 Tablo 4.1. Giriş ve Çıkış Karakteristliği ölçümleri Giriş Karakteristliği Ie(mA) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Veb(mV) Grafik 1. Giriş Karakteristliği

15 Çıkış Karakteristliği Ic(mA) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Vcb(mV) Grafik 21. Çıkış Karakteristliği Giriş ve çıkış karakteristliği grafiklerine göre çıkış karakteristiğinden süperiletken transistörün bir genlik düşürücü (attenuator) olarak çalışacağı değerlendirildi. Küçük genlikli sinyaller için (0,12V değerine kadar) giriş ve çıkış genliklerinin eşit olduğu ve frekansa bağlı olarak giriş ve çıkış genliklerinde değişme olmadığı gözlendi. Ancak giriş genliği büyüdükçe çıkış devresindeki yük direncinin değerine bağlı olarak çıkış sinyali genliğinin azaldığı belirlendi. Sinyal jeneratörünün çıkışı maksimum 11,2 Volt değerine ayarlanarak Tablo 4.2 ölçümleri alındı. RL A=(Vç/Vg) 1,1W 6, W 1, KW 0,80 8,2MW 0,83 Tablo 4.2. RL-A ölçümleri Bu tablodan giriş sinyalinin genliğinin büyümesi halinde çıkış sinyalinin genliğinin devredeki yük direncine de bağlı olarak azaldığı açıkça gözlenmektedir. Sonuç olarak; yukarıda belirtildiği gibi çıkış sinyalinin dalga biçiminde hemen hemen hiç bozulmanın olmadığını da göz önüne alırsak, süperiletken transistörümüz, mükemmele yakın bir genlik düşürücü olarak çalışmaktadır. Yarıiletken transistörlerden farklı olarak süperiletken transistörümüz büyük genlikli sinyalleri işlemektedir. Bu da büyük genlikli sinyallerin zayıflatılması için uygun bir durum olarak ortaya çıkmaktadır. Süperiletken transistörün içinde bulunduğu sıvı azot azaldıkça Ic akımının da giderek azaldığı ve oda sıcaklığına yaklaşıldığı zaman bu değerin 0,9 µa değerine kadar düştüğü gözlendi. Bu durum süperiletken transistörümüzün çalıştığının açık bir kanıtıdır. Son olarak ise katkı atomlarının değiştirilmesinin ve kristalde farklı yönelimlere göre uç bağlantılarının seçilmesinin bu transistorün daha farklı işlemesine neden olabileceği de düşünülmesi gereken bir sonuçtur.

16 KAYNAKÇA ERTAŞ, İ., Denel Fizik Dersleri, (Cilt II, Sayfa 66-67, 3.Baskı, E.Ü.F.F. Yayınları, Bornova-İZMİR,1996) FISHBANE, P.M., GASIOROWICZ, S., THORNTON, S. T.,(Yayına hazırlayan: YALÇIN, C., Cilt II, Sayfa , Arkadaş Yayınları, Ankara, 2003) BAYTOSUN, F.,(Bi,Pb)-Sr-Ca-Cu-O Süperiletken Bileşiğinin K Fazına Termo- Mekaniksel işlemlerin etkisi, E.Ü. Fizik Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Bornova-İZMİR, 2005) ORAL, M., Elektronik Deneyleri, (E.Ü.F.F. Yayınları, Sayfa , Bornova-İZMİR, 1981) Yr. Doç. Dr. Teoman YILDIZ Doç. Dr. Mustafa TEPE

17 RESİMLER