قسم الفيزياء يناقش اطروحة دكتوراه تبحث في تأثير طرائق التحضير على خصائص المواد فائقة التوصيل

ناقش قسم الفيزياء في كلية التربية للعلوم الصرفة (ابن الهيثم) اطروحة الدكتوراه الموسومة (تأثير طرق التحضير على الخصائص التركيبية والكهربائية للمواد الفائقة التوصيل) للطالب (حيدر محمد جواد حيدر) التي انجزها باشراف التدريسي في القسم (أ.د. كريم علي جاسم).

 

ونوقشت الاطروحة على قاعة المرحوم (أ. سالم عبد الحميد) من قبل اعضاء لجنة المناقشة التي تألفت من الذوات المدرجة اسمائهم في ما يلي:

• أ.د. خالد هلال حربي           رئيساً

• أ.م.د. ايسر جمعة ابراهيم عضواً

• أ.م.د. اكرم رحيم جبر عضواً

• أ.م.د. اسامة عبد العزيز داخل عضواً

• خبير اول.د.زياد شهاب احمد عضواً

• ا.د.كريم علي جاسم عضواً ومشرفاً

ويهدف البحث الى انتاج مركبات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة حرجة عالية (HTSC) قمنا باختيار انظمة مختلفة(Y-123),(Pb-2223),(Bi-2223),(Hg-1223)، باستخدام طرائق تحضير مختلفة(تفاعل الحالة الصلبة(SSR)، والصول جل(المحلول الجيلاتيني) (SG)وترسيب الليزر النبضي(PLD)) للحصول على افضل الخصائص التركيبية والكهربائية، وتم اختيار هذه المركبات نظراً لما تتميز بها من تطبيقات واستخدامات واسعة في المجالات الصناعية والتكنولوجيا وهي كل منHgBa₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_8+δ Pb₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ ,YBa₂Cu_2.8Zn_0.2O_7+δ ,Bi₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ

 أملين بذلك الى اختيار طرائق تحضير مُثلى لتحسين خواص هذه الانظمة والحصول على أعلى درجة حرارة انتقال حرجة. حيث نهدف في هذا البحث الى ما يأتي:

1- تحضير المركبات فائقة التوصيل انفة الذكر وذات درجة حرارة حرجة عالية وذوات الاطوار(Y-123), (Pb-2223), (Bi-2223), (Hg-1223)، وذلك باستعمال اكاسيد  نقية (كما في طريقة التحضير بتفاعل الحالة الصلبة وترسيب الليزر النبضي) او باستعمال نترات نقية (كما في طريقة التحضير بالصول جل).

2- دراسة تأثير طرائق التحضير على الخواص التركيبية للمركبات المحضرة من حيث تحديد نوع التركيب وطبيعة الاطوار المتكونة ونسبة تركيزها وكذلك تحديد معاملات الشبيكة (a,b,c) وكثافة وحدة الخلية.

3- دراسة تأثير طرائق التحضير على الخواص الكهربائية من حيث سلوك المقاومية الكهربائية مع درجة الحرارة تحت ظروف التبريد بالنتروجين السائل وتحديد درجة حرارة الانتقال الحرجة الابتدائية(T_c(Onset)) ودرجة الحرارة النهائية عندما(ρ=0)(T_c(Offset)) كذلك تحديد(∆Tc) و(T_c(Mid)) وتحديد فجوة الطاقة(E_g) وحسابها لكل مركب لتحديد الانتقال الامثل الى الطور فائق التوصيل وتحديد اعلى درجة حرارة انتقال حرجة ممكن الحصول عليها من هذه الطرائق، وكذلك تحديد محتوى الاوكسجين في العينات وبالطرائق الكيميائية البسيطة والذي يعد عاملاً مهماً جداً في الموصل الفائق عند درجات الحرارة الحرجة.

4- دراسة تأثير طرائق التحضير على الخواص العزلية والتي تتضمن(ثابت العزل الحقيقي(ἐ)، وثابت العزل الخيالي(ἕ)، وظل الفقدtanδ))، والتوصيلية المتناوبة(σ_a.c)) وعند مدى تردد للمجال الكهربائي المسلط(50Hz-1MHz) وعند درجة حرارة الغرفة.

5- دراسة تأثير طرائق التحضير على التركيب البلوري السطحي للمركبات المحضرة واظهار التكوينات الدقيقة لتلك السطوح وذلك من خلال فحص العينات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح .(SEM)

    واخيرا يمكن القول ان الغرض الاساسي من استخدام الطرائق الثلاث المختلفة في التحضير هو لمعرفة الطرائق المُثلى التي من خلالها يتم الحصول على درجة حرارة انتقال عالية((T_c ومعرفة فيما لو كان هناك افضلية لإحدى الطرائق على الاخرى في تعيين كل الخصائص التركيبية والكهربائية للمركب، او هناك افضلية لبعضها في إيجاد بعض الخصائص وافضلية للأخرى في ايجاد البعض الاخر.

 

يتضمن العمل الحالي دراسة تأثير تغير طرائق التحضير على الخصائص التركيبية والكهربائية لمجموعة من المركبات فائقة التوصيل, HgBa₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_8+δ Pb₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ , Bi₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ و YBa₂Cu_2.8Zn_0.2O_7+δ  وبطرائق تحضير مختلفة، تفاعل الحالة الصلبة((SSR والصل جل((SG والترسيب بالليزر النبضي(PLD). وتهدف الدراسة الى التحري عن الظروف وطريقة التحضير المثلى لتشكيل الطور العالي (Y-123),(Pb-2223),(Bi-2223),(Hg-1223) واستقراريته ومحاولة الحصول على أعلى درجة حرارة انتقال حرجة(High-T_c)، وكذلك لمعرفة المديات الترددية التي من الممكن ان تعمل بها هذه العينات في الظروف الاعتيادية، ومنها الحصول على افضل الخصائص التركيبية والكهربائية للموصل فائق التوصيل.

   حضرت العينات بالطرائق الثلاث، وذلك من خلال استخدام أوزان مناسبة من مساحيق اكاسيد ونترات عالية النقاوة. تم خلط المساحيق على مرحلتين، باستخدام الهاون اليدوي ولمدة ساعة كاملة ومن ثم استخدام خلاط كهربائي دوامي ولمدة(4hr)، وبعد اتمام عملية التحضير تم كبس خلطات المساحيق الناتجة باستخدام مكبس هيدروليكي وتحت ضغط كبس مقدارها( (7ton/cm²ولمدة دقيقة واحدة، على شكل أقراص ذات قطر (1.5cm) وسمك يتراوح بين(0.15-0.25cm). ثم بعدها تم تلبيد العينات في الهواء الاعتيادي وتحت درجات حرارة مختلفة ولفترات زمنية مختلفة باختلاف نوع المركب وطريقة التحضير وبمعدل تسخين(5^oC/min) وذلك للحصول على مادة مترابطة ولضمان عملية انتشار تدريجي أمثل بين الذرات، ثم بعد ذلك تم تبريد العينات إلى درجة حرارة الغرفة بمعدل التسخين نفسه.

   أظهرت نتائج فحص حيود الاشعة السينية(XRD) ومن خلال قياس ثوابت الشبيكة(a,b,c) تبين امتلاك جميع العينات ذات الاساس Hg نظاماً بلورياً رباعي (Tetragonal)، اما العينات ذات الاساس Bi,Pb,Y فتمتلك نظاماً بلورياً معيني قائم (Orthorhombic)، وبينت احتواءها على النسبة الكبرى من الطور النقي العالي مع نسب قليلة من الأطوار الواطئة مع ظهور بعض الشوائب، وان أعلى نسبة للطور العالي كانت للعينات المحضرة بطريقة الصول جل ولجميع المركبات. كما تم حساب النسبة(c/a) وحساب كثافة وحدة الخلية والحجم البلوري لجميع العينات. تم قياس المقاومية الكهربائية كدالة لدرجة الحرارة باستخدام تقنية المجسات الاربعة (Four-Probe Technique) وحصلنا من خلالها على قيم درجات حرارة الانتقال الحرجة، حيث ابدت جميع العينات سلوكاً فائق التوصيل وان أعلى درجة حرارة حرجة تم الحصول عليها للمركبات التي حضرت بطريقة الصول جل كانت تساوي T_c=(126,121,103,98.5)K لكل من العينات ذات الاساسHg,Bi,Pb,Y وعلى التوالي، والتي امتازت كذلك بأعلى قيمة لفجوة الطاقة ومحتوى الاوكسجين في العينات المحضرة. اما الخواص العزلية للعينات التي تتضمن(ثابت العزل الحقيقي، وثابت العزل الخيالي، والفقدان العزلي، والتوصيلية الكهربائية المتناوبة) فقد تمت دراستها كدالة للتردد وللمدى(50Hz-1MHz) في درجة حرارة الغرفة، وقد لوحظ ان هناك ازدياداً واضحاً في الخواص العزلية للعينات المحضرة بطريقة الترسيب بالليزر النبضي ولجميع المركبات، وان كل من ثابت العزل الكهربائي(الحقيقي والخيالي) وظل الفقد العزلي يقلان مع زيادة التردد ويبدآن بالاستقرار بعد تردد(~10kHz) وان التوصيلية الكهربائية المتناوبة تزداد بازدياد التردد. ومنه نستنتج ان الخواص العزلية ولجميع العينات تعتمد كثيراً على كل من طريقة التحضير وكذلك على التردد.

   كذلك تم الفحص المجهري للعينات بعد عملية التلبيد لطريقتي (SSR,SG)وعملية التلدين لطريقة(PLD) من خلال الفحص بالمجهر الالكتروني الماسح(SEM) واظهرت النتائج تغيراً في الاحجام الحبيبية، حيث العينات المحضرة بطريقة تفاعل الحالة الصلبة تمتلك تركيباً رقائقياً بينما تمتلك العينات المحضرة بطريقة الصل جل تركيبا صفائحياً، اما العينات المحضرة بطريقة الترسيب بالليزر النبضي فقد اظهرت النتائج تواجد تراكيب حبيبية على شكل صفائح مظلمة وجسيمات مضيئة على شكل بقع. وأخيراً تمت معرفة مكونات العينات(المحضرة بالطرائق الثلاث) ذات الاساسHg من خلال فحوصات((EDX للتأكد من مكونات العناصر الداخلة في المركب وبالنسب المقبولة وعدم وجود عناصر غير مرغوبة.

التوصيات

1- تحضير المركبات التي تحت الدراسة والمتضمنةHgBa₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_8+δ ،Bi₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ،Pb₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ، بالإضافة الى YBa₂Cu_2.8Zn_0.2O_7+δ، من خلال استخدام نسب استبدال مختلفة وبصورة متدرجة (0.2≤x≤0.5) ودراسة الخواص التركيبية والكهربائية والعزلية للمركبات الناتجة.

2- دراسة الخواص الفيزيائية والميكانيكية والمغناطيسية للمركبات.

3- تحضير المركبات بتقنية Milting Point.

4- دراسة التوصيلية الحرارية للمركبات.

5- دراسة تأثير درجة حرارة و زمن التلبيد على المركبات خلال طريقة التحضير نفسها.

6- دراسة مقارنة بين خواص المركبات الملبدة في الجو الاعتيادي وبين المركبات الملبدة في جو من الاوكسجين النقي.

7- دراسة الخواص العزلية للمركبات ضمن مدى الترددات العالية(GHz).

8- اجراء فحوصات فحوصات مجهر القوة الذريةAFM)) على هذه المركبات لإعطاء صورة واضحـة عـن معلمـات سطح العينة المحضرة مـن حيث خشونـة السطح(Surface Roughness) ومعدل الحجم الحبيبي( (size grain Average  ومدى تأثير هذه المعلمات بعملية تغيير طرائق التحضير وظروفه.

---

---

 

Effect of  Preparation Methods on the Structural and Electrical Properties of Superconducting Materials

  

Haider Mohammed Jawad Haider

 

Prof.Dr . Kareem Ali Jasim

 

Abstract

   

 The present study includes the study of the effect of changing the methods of preparation on the structural and electrical properties of          a group of superconducting compounds, HgBa₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_8+δ , Bi₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ , Pb₂Ba₂Ca₂Cu_2.8Zn_0.2O_10+δ , YBa₂Cu_2.8Zn_0.2O_7+δ  and different preparation methods, Solid State Reaction(SSR),Sol Gel (SG) and Pulse Laser Deposition(PLD), The objective of the study is to investigate the conditions and the optimal preparation for the formation of the high phase (Hg-1223),(Bi-2223),(Pb-2223),(Y-123)and its stability and the attempt to obtain the highest temperature of critical transmission (High-Tc), as well as to know the frequency ranges in which these samples can work in normal conditions, including obtaining the best structural and electrical characteristics of the superconductor.

    The samples were prepared in three methods, using appropriate weights of high purity oxides and nitrate powders. The powders were mixed in two stages, using the manual mortar for one hour and then using a vortex electric mixer for (4 hr). After completion of the preparation process, then press powder mixtures by using a hydraulic press and under pressure of (7ton/cm²) for 1 minute, With a diameter of (1.5cm) and a thickness of (0.15-0.25) cm and then samples were sintered in normal air at different temperatures and for different periods of time depending on the type of compound and the method of preparation and the heating rate (5^oC/min) in order to obtain a material of coherent and to ensure an optimum gradual propagation of the atoms, and then the samples were cooled to room temperature at the same heating rate.

    The showed of results of the x-ray diffraction(XRD) examination and by measuring the constants (a,b,c), all of the Hg-based samples have a tetragonal system, while the samples based on Bi,Pb,Y have an orthorhombic system, and have been shown to contain a large proportion of the high pure phase with low percentages of the lower phases with some impurities , And that the highest percentage of the higher phase was for the samples prepared by the method of sol-gel and for all compounds.

The ratio (c/a) was calculated and calculation of cell density and crystalline size for all samples. The electrical resistivity was measured as a function of the temperature using the Four-Probe Technique and obtained the values ​​of the critical transition temperatures, all samples showed superconducting behavior and the highest critical temperature obtained for the compounds prepared by the sol-gel method was equal Tc=(126,121,103,98.5)K for each of the base samples Hg, Bi, Pb and Y respectively, which also had the highest value of the energy gap and the oxygen content in the samples. The dielectric properties of the samples, which include (Real dielectric constant, Imaginary dielectric constant, Loss tangent and Alternating electrical conductivity), were studied as a function of frequency and range (50 Hz-1MHz) at room temperature. It was observed that there is a clear increase in the dielectric properties for the samples prepared by the pulse laser deposition method and for all the compounds, and both the dielectric constant (real and imaginary) and loss tangent decrease with increasing frequency and start to stabilize after(~10kHz) and the alternating electrical conductivity increases with increasing frequency. From this we conclude that the dielectric properties and all the samples depend heavily on both the preparation method and the frequency.

   The microscopic examination of the samples was performed after the sintering process for the methods (SSR, SG) and the annealing process for the method (PLD) by scanning electron microscopy (SEM). The results showed a change in the granular size, where the samples prepared by the solid state reaction method had a flake structure, while the samples prepared by the method of the sol-gel had a platelet composition, the samples prepared by the pulse laser deposition method showed the presence of granular structures in the form of dark sheets and light particles in the form of spots. Finally, the components of the samples (prepared by the three methods) with the basis of Hg were knowledge through (EDX) tests to ascertain the components of the elements in the compound  and acceptable ratios and the absence of undesirable elements.