Bi 2-x Hg x Ba 2-y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ä الفائق التوصيل الكهربائي

Transcript

1 و. ISSN:1813 الملخص د ارسة تأثير التعويض الجزئي للعنصرHg.sr على الخصائص التركيبية والكهربائية للمركب Bi 2-x Hg x Ba 2-y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ä الفائق التوصيل الكهربائي خالد حمدي رزيج عبد المجيد عيادة إب ارهيم عبد الكريم دهش علي قسم الفيزياء كلية التربية جامعة تكريت تكريت الع ارق ( تاريخ االستالم: / 2 / 2 تاريخ القبول: ) 2122 / 6 / 22 تضمنت هذه الد ارسة تحضير عينات المركب Bi x-2 Hg x Ba y-2 Sr y Ca 2 Cu 3 O δ+10 بطريقة تفاعل الحالة الصلبة وتحت ضغط هيدروستاتيكي 8 طن/ سم 2 ودرجة ح اررة تلوين. 850Co وكانت أفضل الظروف للحصول على عينات المركب المذكور الحاوية على خاصية التوصيل الكهربائي الفائق في درجات الح اررة العالية عند التعويض الجزيئي للعنصر Hg, Sr في المركب وبنسب مختلفة ل (X,Y) تساوي (0.4,0.1),0.2,0.3 أظهرت د ارسة فحص التركيب البلوري بأنه بقى محافظا على النوع الرباعي القائم وزيادة درجة الح اررة الحرجة عند زيادة (X) بنسب (0.2,0.1) ولكن عند زيادة (X) إلى (0.5,0.4) انخفض إلى 125k وحدث تغيير في التركيب البلوري.وتم فحص التركيب البلوري السطحي بواسطة المجهر االلكتروني الماسح ومعرفة نسب العناصر في المركب ومدى تأثير درجة ح اررة التلوين والضغط المسلط لذلك مدى تأثير التعويض الجزيئي في العناصر وتحديد نسب التركيز الكمي والنوعي في المركب المقدم ة Introduction تعتبر ظاهرة التوصيل الكهربائي الفائق )Superconductivity( من أحد أهم الظواهر في فيزياء الحالة الصلبة وتعرف بأنها ظاهرة انعدام المقاومة النوعية لعدد من الفل ازت والمركبات عند تبريدها إلى درجة ح اررة واطئة معينة تعتمد على نوع المادة [1] اكتشفت ظاهرة التوصيل الفائق من قبل العالم أونيس) KamerllingOnnes ( عام 2122 م إذ الحظ انخفاض مقاومة الزئبق الصلب وهبوطها المفاجئ إلى الصفر عند درجة ح اررة مقدارها )4.2K( [2] إذ سميت هذه الدرجة التي تهبط عندها مقاومة المادة إلى الصفر بدرجة ح اررة التحول Temperature( )Transition أو درجة الح اررة الحرجة ( c T(. ونأ خواص هذه المواد في حالة التوصيل الكهربائي الفائق State) (Superconducting تختلف كثي ار عن الحالة االعتيادية )N.S.( Normal State وذلك بسبب التغير الحاصل في سلوك إلكترونات التوصيل التي تتميز.فضال عن [3] خاصية انعدام المقاومة بها المواد الفائقة فإنها تمتلك خاصية مهمة أخرى وهي قدرتها على طرد المجاالت المغناطيسية من داخلها أو من الوسط الذي تحتويه ما دامت بصورتها الفائقة. فالسلوك للمواد الفائقة التوصيل الكهربائي )عدم المقاومة للتيار الكهربائي( وطرد المجال المغناطيسي هما السمتان البارزتان لها محصورة [4,5] فجعال منها مواد ذات تطبيقات غير. ومنذ أن اكتشف العالم أونيس ألول مرة ظاهرة التوصيل الكهربائي الفائق فإن البحث ما ازل مستم ار سعيا و ارء مواد ذات درجات ح اررة حرجة ( c T( اكبر حتى تصبح التطبيقات المهمة متاحة بشكل اوسع. وبدءا من االكتشاف الذي تم عام 2126 على أيدي العالمين )ك.أ. موللر و ج.ج. بدنورز( فإن أنواعا جديدة من االكاسيد الخزفية ذات الدرجات الحرجة فوق )77K( قد اصبحت هدفا للبحوث المستفيضة. وتمتلك بعض هذه المواد موصلية فائقة عند درجات ح اررة تصل إلى )130K( أو أعلى منها. ويشعر كثير من الباحثين إن قيما أعلى من هذه الدرجات الحرجة يمكن الوصول إليها وان الكثير من تطبيقات التوصيل الكهربائي الفائق ستصبح ذات تطبيق عملي في المستقبل [6]. 7- خواص 1-1 الموصالت الكهربائية الفائقة Superconductor Properties درجة الح اررة الحرجة Critical Temperature (T c ) عند انخفاض الدرجة الح اررية لبعض المواد فإنها تفقد مقاومتها للتيار الكهربائي وان تلك الحالة تدعى حالة التوصياللكهربائي الفائق والدرجة الح اررية التي تتحول فيها المادة من الحالة االعتيادية إلى حالة التوصيل الفائق تدعى بالدرجة الح اررية الحرجة ويرمز لها ( c T(. وتختلف هذه الدرجة من مادة إلى أخرى [7,8]. 2-1 المجال المغناطيسي الحرج Critical Magnetic Field (B c ) تتمثل الخاصية األساسية الثانية للمادة فائقة التوصيل الكهربائي بقدرة مقاومتها الكهربائية على أن تعود مجددا وذلك عندما يسلط عليها مجال مغناطيسي ذا قيمة اكبر من القيمة الحرجة مقدار قيمة درجة الح اررة اقل من القيمة الحرجة مقدار المجال الحرج T c B c B c حيث تتحول المادة من الحالة االعتيادية] 3,9,10 [. 3-1 )حتى وان كان لها(. ويعتمد على نوعية المادة ودرجة الح اررة الحرجة ذات التوصيل الفائق إلى الحالة التيار الحرج ) c Critical Current (I حاول اونيس أن يمرر تيا ارت كبيرة في الموصالت الفائقة حتى يحصل على مجاالت مغناطيسية ضخمة إال انه أدرك بسرعة أن المجاالت المغناطيسية الداخلية التي تنشئها هذه التيا ارت هي التي ستصبح معها الموصلية الفائقة مستحيلة [ 6 ].إذ إن تحطيم ظاهرة التوصيل الكهربائي الفائق بواسطة المجال المغناطيسي يح د من القيمة العظمى للتيار الذي يمكن إرساله خالل المادة وهي في حالة التوصيل الكهربائي الفائق. وبذلك فان انعدام خاصية التوصيل الكهربائي الفائق ال يقتصر فقط على تسليط مجال مغناطيسي مناسب 791

2 بل على مرور تيار كهربائي ذو قيمة مناسبة في المادة ذات التوصيل الفائق وهو كفيل في أحيان كثيرة على إ ازلة هذا التوصيل ويطلق على قيمة التيار الكهربائي الالزم أل ازلة خاصية التوصيل الكهربائي الفائق بالتيار الحرج Critical Current. وان قيمة التيار الحرج تعتمد على طبيعة المادة وشكلها الهندسي وكذلك على قيمة المجال المغناطيسي الناتج عن مرور التيار [9]. الجانب العملي : 1-2 تحضير العيناتpreparation Sample تم تحضير العينات باستخدام تقنية تفاعل الحالة الصلبة وبطريقة التلدين. Annealing إلى 2-2 المواد المستخدمة في تحضير العينات Materials used in Sample preparation تم استخدام المواد من مساحيق االكاسيد والكاربوناتذات نقاوة تصل 9999 %.اآلتية في تحضير العينات كما تم استخدامها عند التعويض الجزئي للعنصر Bi 2-x Hg x Ba 2- Hgللمركب, Sr X,Y y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ä وبنسب مختلفة ل ( X=0.05,0.1,0.2,0.3,0.4 و ) اذ كانت Y=0.05,0.1,0.2,0.3,0.4 والمحضرة بدرجة ح اررة تلدين )058( وتحت ضغط هايدروستاتيكي ) 0 طن/سم 2 ( 3-2 تلدين العينات : يتم مزج او ازن االكاسيد والكاربونات المقاسة لكل عينة وذلك للحصول على المركبات )العينات( المطلوبة للد ارسة ومن ثم توضع هذه المواد في طاحونة مصنعة من مادة العقيق mortar( )gate وتطحن طحنا جيدا لمدة نصف ساعة لكي يصبح الخليط متجانسا. يتم اضافة كحول االيزوبروبانول )O C( 3 H 8 وذلك لزيادة التجانس ولتفادي تساقط او فقدان اج ازء من المسحوق من في أثناء عملية الطحن. وبعد االنتهاء يوضع المسحوق داخل فرن كهربائي وبدرجة ح اررة تت اروح بين ( C ( 0 C وذلك للتخلص من كحول االيزوبروبانول.وبعدها يتم كبسها على شكل اق ارص وذلك بواسطة مكبس هيدروليكي وتحت ضغط ( 8 ton (.بعد / cm 2 الحصول على العينات المحضرة بشكل أق ارص توضع في فرن كهربائي وترفع درجة ح اررته من درجة ح اررة الغرفة الى C( )600 0 وبمعدل hr( )120 0 C / ثم تبقى هذه العينة عند هذه الدرجة الح اررية ولمدة )22( ساعة وبعدها يتم رفع درجة ح اررة الفرن C 850 الى 0 C وبمعدل C/hr( 120( 0 ويبقى عند هذه الدرجة لمدة )22( ساعة في جو مشبع من االوكسجين. ثم يتم خفض درجة ح اررة النموذج من C( )850 0 الى C( )600 0 وبمعدل ( / C 30 0 )hr ويبقى عند هذه الدرجة الح اررية ايضا لمدة )22( ساعة وبعد ذلك يتم خفض درجة الح اررة من )C 600( 0 الى درجة ح اررة الغرفة وبمعدل hr( 30( 0 C / والشكل رقم )2( يوضح عملية التلدين للمركب[ 12 ] والشكل رقم )1( يوضح عملية التلدين للمركب[ 12 ] النتائج والمناقشة : 1-3 د ارسة الخصائص التركيبية الحجمية لمركب ( 10+ä )Bi 2-x Hg x Ba 2-y sr y Ca 2 Cu 3 O الفائق التوصيل الكهربائي : لقد أظهرت نتائج حيود االشعة السينية أن التركيب البلوري محافظا على نوعه )Tetragonal( مع زيادة واضحة في طول بقي c وكانت قيم أبعاد الشبيكة تساويA a=b=5.42 o A, 33.81=c o وذلك عند تعويض قيمة )x( و )y(. ويبين الشكل رقم االشعة السينية للمركب عندما نموذج حيود )2( Bi 2-x Hg x Ba 2-y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ و =0.05 X Y=0.05.أما عند زيادة قيمة (x, y) (0.1,0.2) بنسبة ل )x( وبنفس النسبة ل ) y ( فنالحظ من خالل د ارستنا لحيود االشعة السينية للمركب أن التركيب بقي محافظا على نوعه (Tetragonal) مع زيادة واضحة في طول المحور c أبعاد الشبيكة تساويc=35.22 a = b = 5.42, وكانت قيم على التوالي. إن هذه القيم تؤكد صحة العمل فقد ظهرت من خالل د ارسة حيود األشعة السينية والموضحة في الشكل )3( و) 2 ( قمم عالية وبارزة وواضحة ومنفصلة من بعضها البعض وهذا يفسر مدى تأثير التعويض الجزئي للعنصر Hg و Sr في العنصر Biو Ba على التركيب البلوري الذي أدى إلى ارتفاع شدة قمم الحيود. وهذا دليل على تحسن التركيب البلوري أي زيادة حجم الحبيبات وهذه القيمة تتفق مع د ارسات سابقة [13] وبذلك تبين أن أفضل تعويض جزئي لعنصر Hg و Sr في Biو العنصر المركب إلى.بينما زيادة عنصر (0.2) هو Ba Hg و Sr (0.3,0.4) في فنالحظ من خالل د ارستنا لحيود األشعة السينية للمركب أن التركيب قد تغير في الطور من Tetragonal إلى Orthorhombic مع اختفاء قمم بعض زوايا االنعكاس وكما مبين في الشكل )5( و )6( وان قيم أبعاد الشبيكة في الشكلين كما يأتي a =5.43 o A,b =5.31 o A,c=30.11 o A a=5.40 o A,b = 5.30,A o,a c 28.21= o على التوالي. ان نتائج هذه الد ارسة التي تم الحصول عليها تتفق مع ابحاث سابقة ] 22 [.إن ايونات النحاس Cu تتحول إلى اكاسيد النحاس CuO خالل م ارحل التلدين. أي أن المادة تتأكسد خالل مرحلة التبلور ولذا فان العوامل المؤثرة على ظروف التحضير تؤدي إلى تغيير في تركيز األوكسجين وبدورها تؤدي إلى 799

3 تغيير في األطوار البلورية في مادة التوصياللفائق والتي تتفق مع أبحاث ود ارساتسابقة ]25[ ]22[. الشكل )6( د ارسة حيود األشعة السينية للمركب) -2 Bi x-2 Hg x Ba و y=0.4 x عندما = 0.4 ) y sr y Ca 2 Cu 3 O الكهربائي قياس الخصائص الكهربائية للمركب الفائق التوصيل تمت د ارسة الخصائص الكهربائية للمركب كما في الشكل )7( وبينت الد ارسة للنماذج المحضرة عندما كانت نسبة التعويض )0.1 =x( ازدياد درجة الح اررة الى )K 132( وعند زيادة نسبة التركيز الى x = 0.2 التركيز ل ازدادت درجة الح اررة الحرجة الى )K 135 (.وعند زيادة Hg )K 138 (وان هذه بنسبة النتيجة x = 0.3 ازدادت درجة الح اررة الحرجة نسبة إلى يمكن تفسيرها على ان المركب اخذ دور الكمال في التركيب البلوري وهذه النسبة من التعويض ادت الى زيادة درجة الح اررة الحرجة وكذلك زيادة نسبة االوكسجين مع زيادة التركيز مما ادى الى زيادة درجة الح اررة الحرجة وكما مبين في الجدول )2( بينما الحظنا هبوطا في درجة الح اررة الحرجة عندما ازدادت نسبة بنسبة Hg التركيز ل الحرجة للمركب الى x = 0.5, 0.4 Tc =124k و فقد انخفضت درجة الح اررة Tc = 100k والسبب في انخفاض درجة الح اررة الحرجة يعود الى نقصان طول المحور )c( والذي بدوره يؤدي الى انخفاض في قيمة درجة الح اررة الحرجة Tc أي زيادة نسبة التركيز ل )x( اكبر من فيه 1.3 يسبب تغيير في التركيب البلوري للمركب ان هذه القيمة تتفق مع ابحاثسابقة ]26[ والذي تم تعويض العناصر بوصفهتعويضا جزئيا. االرضية النادرة في العنصر )Bi( * ان هذه النتائج تفسر على اساس االنتظام العالي والجيد في البنية البلورية للمركب الفائق التوصيل الكهربائي.ان هذه النتائج تتطابق مع ابحاث سابقة ]22[ ]27[. اما انخفاض درجة الح اررة الحرجة للمركب فتفسر على اساس عدم االنتظام في البنية البلورية بسبب ظهور شوائب الكاسيد النحاس )CuO( في المركب مما ادى الى انخفاض قيمة )Tc( أي زيادة نسبة التركيز لعنصر الزئبق وانخفاض في قيمة c( ) وكما مبين في الشكل )7( والجدول )2( ]27[.]22[ الشكل )2( د ارسة حيود األشعة السينية للمركب) -2 Bi x-2 Hg x Ba و y=0.05 x عندما = 0.05 ) y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ الشكل )3( د ارسة حيود األشعة السينية للمركب) -2 Bi x-2 Hg x Ba و y=0.1 x عندما = 0.1 ) y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ الشكل )4( د ارسة حيود األشعة السينية للمركب) -2 Bi x-2 Hg x Ba و y=0.2 x عندما = 0.2 ) y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ الشكل )5( د ارسة حيود األشعة السينية للمركب) -2 Bi x-2 Hg x Ba و y=0.3 x عندما = 0.3 ) y sr y Ca 2 Cu 3 O

4 الشكل )0( : الفحص ألمجهري للمركب ( 2- Bi 2-x Hg x Ba ودرجة ح اررة تلدين )C 850 (عندماx=0.5 0 و 0.5=y الشكل )9( : الفحص ألمجهري للمركب ( 2- Bi 2-x Hg x Ba ودرجة ح اررة تلدين )C 850 (عندماx=0.1 0 و 0.1=y للمركب) الشكل )7( : العالقة بين المقاومية ودرجة الح اررة الحرجة )x, y) تكون Bi (عندما 2-x Hg x Ba 2-y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+ تساوي y= 0.05,0.1, 0.2, 0.3, و x= 0.05,0.1, 0.2, 0.3, الجدول )1( العالقة بين درجة الح اررة الحرجة ونسبة االوكسجين مع نسبة األوكسجين 2.22 نسبة التركيز. درجة الح اررة الحرجة( K ) T c 232 نسبة التركيز x = 0.05 x = 0.1 x = 0.2 x = 0.3 X = دراسة الخصائص التركيبية للمركب باستخدام المجهر االلكتروني الماسح Scanning Electron Microscopic لقد تمت د ارسة المسح االلكتروني للعينة بواسطة المجهر االلكتروني إذ الحظنا االنتظام في تجانس المادة وكما الحظنا من ظهور المناطق المظلمة الداكنة والمناطق المضيئة إذأن نسبة المناطق الداكنة أكثر من المضيئة وكانت متجانسة. هذا يدل على زيادة نسبة العناصر الثقيلة مثل البزموث )Bi( واوكسيد النحاس )CuO( وزيادة نسبة االوكسجين فقد تطابقت مع د ارسة حيود االشعة السينية للمركب وزيادة درجة الح اررة الحرجة لهذا المركب. وكما مبين في األشكال) 1()2 ( و) 21 ( هذا يدل على صحة العمل ويطابق النتائج اذ اخذ المركب دور الكمال في التركيب البلوري وزيادة درجة الح اررة الحرجة وهذا بسبب زيادة نسبة طبقات CuO وزيادة نسبة األوكسجين في المركب وكما مبين في العالقة البيانية بين شدة األشعة وطاقة اإللكترون ان هذه النتائج تؤكدها د ارسات سابقة ]21[ ]21[ ولكن عن زيادة نسبة تركيز )x( أكثر من )1.3( في المركب الحظنا انخفاضا في شدة القمم لهذه المواد داللة على تأكيد عملنا في د ارسة حيود األشعة السينية إذ انخفضت نسبة األوكسجين في المركب وقل االنتظام في التركيب البلوري مما سبب إنخفاضا في درجة الح اررة الحرجة] 22[]21 [. 217

5 الشكل )11( : الفحص ألمجهري للمركب ( 2- Bi 2-x Hg x Ba ودرجة ح اررة تلدين )C 850 (عندماx=0.3 0 و الشكل )18( : الفحص ألمجهري للمركب ( 2- Bi 2-x Hg x Ba الشكل )12( : يبين العالقة بين نسبة التركيز ودرجة الح اررة الحرجة )22()Tc(.1 ودرجة ح اررة تلدين )C 850 (عندماx=0.2 0 و 0.2=y المصادر References الجمال يحيى نوري " فيزياء الحالة الصلبة" دار الكتب للطباعة والنشر جامعة الموصل )2111(. 2. Hag A. U. " The Advant of Higher Temperature Super Conducting Materials ", Science Technology and Development V. 7,3,(1988) 3. ال اروي صبحي سعيد شاكر جابرب شاكر يوسف مولود حسن "فيزياء الحالة الصلبة" دار الكتب للطباعة والنشر جامعة الموصل )2121( الشاذلي عبد الفتاح " فيزياء الجوامد" الدار العربية للنشر والتوزيع.)2113( 5. Gautreau R., Sarin W., "Modern Phyics", McGraw-Hill Companies, (1999). 6. Omar M. A., "Elementary Solid State Physic Priciples and Applications", Addesion- Wesley, (1975). 7. Maxwell E., 'Phys. Rev.',V.78,P.477,(1950). 8. Kittel C.," Introduction to Solid State Physics", 8 th ed., John Wiley and Sons, Inc, (2005). 9. Rohlf," Superconductivity Concepts", Hyper Physics R.Nave, Georgia Stat University, (2005). 10. Lynn J. W., "High Temperature Superconductivity ", Springer-Verlag, (1990) القيسي غازي ياسين " اساسيات الفيزياء الحديثة" دار الميسرة للنشر والتوزيع والطباعة )2117(. 12. Bahoum S.A., M.Sc., Thesis University if Scince and Technology, Jordan, December, (2005). 13. Nat' Academic Press, Oppertunities in High Magnatic Field Science, (2005). 14. Fathi S. J., Alwahab M. and Zainal, 'K.J. Edu. Sci.' V.16, P.30, (1998). 15. Tomy C. V., Ramprasad. SoniN. C. 'Physical', V.162,P.925, (1989). 16. Tarascon J. M., Barbonx P.,, Greene L. H., Bagley B. G., 'Physica C', V.566, P ,(1988). 17. Kadham A. M., Ali A. D., 'Sept. of Phys.', No.13,P.13,(2000). 18. Ginsberg D. M., " Physical Propertise of HTSC(I)", By Marker. 19. J. T., Dalichaouch Y. and Maple M. B., World Scientific, (1989). 20. Sehilling A., Halliger E. 'physica', V.157, P. 144, (1989). 21. Ali, Abdul-Kareem D., Ph.D. thesis, Mosul University, Feb Kadham A. M., Ali A. D., 'Sept. of Phys.', No.15,P.23,(2002). 23. FahamI.SltanMsc. Unfesty 0f Tikrit (2010) 212

6 Effect of Partial Substitution of Hg.sr on Structure and Electrical of High Temperature Bi 2-x Hg x Ba 2-y sr y Ca 2 Cu 3 O 10+δ Super conductor K. H. Razeg, Abdul-Majeed E. Al-Samar ; ai, A. D. Ali 1 Physics department, College of Education, University of Tikret, Tikret,Iraq. (Received: 2 / 2 / Accepted: 28 / 6 / 2011) Abstract This research included preparing samples of the compound Bi 2-x Hg x Ba 2-y Sr y Ca 2 Cu 3 O 10+δ by the reaction of the solid state under a hydrostatic pressure 8ton/cm2 and annealing temperature 850C o. The best circumstances to obtain samples of the mentioned compound holding the superconductivity property at high temperatures, are at partial substitution for the components Hg, Sr in the compound at different rates to (X,Y) that equals (0.1, 0.2, 0.3, 0.4). The study of the crystal structure test showed that it retained on the tetragonal type, and the critical temperature steps-up from (132 into 140) at increasing the (X ) values to (0.1, 0.2) rates. While at (X) values increasing to (0.4, 0.5) rates, the critical temperature waned to (125K) and a change to the crystal structure occurred. The superficial crystal structure has been tested by Scanning Electron Microscope, to know the components' rates in the compound and how the annealing temperature and the imposed pressure affect the compound, as well as knowing the partial substitution effect in the components and specifying the quantitative and qualitative rates in the compound. 212