Katalog

Yüksek Sıcaklık Üstüniletkenler ollandalı Fizikçi Kammerlingh Onnes 1908 yılında helyum gazını sıvılaştırarak ulaşılabilir sıcaklığı 4.2K'ne (269 °C) düşürmüş ve bilim dünyası için düşük sıcaklıklarda deneysel çalışmalar yapma şansı yaratmıştır. Helyumu sıvılaştırdıktan sonra 1911 yılında, civanın sıvı helyum içinde (4.2K) elektriksel direncini kaybettiğini bulan Kammerlingh Onnes'a bu çalışması üstün iletkenliğin ilk Nobel ödülünü kazandırmıştır. İki yıl sonra kalay ve kurşunun da 4K sıcaklıkta üstüniletken davranış gösterdiğini gözlemiş ve deneysel sonuçlan üzerine şöyle yazmıştır: "Kalay ve kurşun kolay islenebilir malzemeler, bu nedenle elektriksel direnç istemediğitniz tüm elektrikli deney düzeneklerimizi artık yapabiliriz... Üstüniletken davranısın ekstra özelliklerinden biri de demir çekirdeklere ihtiyaç duymadan güçlü magnetik alan yaratma problenilerimizi çözebilmemizi sağlayacak olmasıdır." Bir demir çekirdek ve etrafındaki sarımlardan oluşan klasik magnetlerde kullanılan demir çekirdekler iki dezavantaja sahiptir: Ağırdırlar ve elde edilecek magnetik alanın büyüklüğü, sarımlara beslenen akrm şiddeti ile değil, demir çekirdeğin doygunluk magnetizasyon değeri ile belirlenir. H Johonnos Georg Bednorz ve Karl Alax Müller, Zürih'teki IBM Arastırma Loboratuvan'nda görülüyorlar. larda üstüniletken davranış gösteren organik malzemeler geliştirilmiştir. Üstüniletken malzemelerin yaratacağı yaşamsal devrim umutları bu konudaki teknolojinin gelişmesini hızlandırmıştır. Yüksek sıcaklıklarda üstüniletken davranış gösteren malzemelerin bulunması bir hayal olmasına karşın o dönemlerde oldukça pahalı olan ilk uygulamalar ortaya çıkmıştır. Bu egzotik malzemeler ancak helyum gazının sıvılaştırılması ile sağlanabilen düşük sıcaklıklarda üstüniletken davranış gösterirler. Bu işlem oldukça pahalı ve sürekli yenilenmesi gereken helyuma gereksinim duyar. Sıvı helyum, yalıtım malzemeleri ve vakuma alınmış "ceket"lerle ısı yalıtımı mükçmmelleştirilmeye çalışılmış tanklarda depolanır, aksi halde kaynayarak hemen buharlaşır. Bu nedenle düşük sıcaklık üstüniletken malzemeler (DSÜİ) bu sınırlamalar altında ancak kısıtlı birkaç uygulama alanı bulmuştur: Japonların magnetik kaldırmalı treni (maglev), bazı parçacık hızlandırıcıların magnetleri, tıbbi magnetik rezonans vucut görüntüleme cihazlan ve laboratuvar donanımları örnek olarak verilebilir. Fakat 1986 yılında IBM Zürich laboratuvarlarında Bednorz ve Müller'in yüksek sıcaklık üstüniletkenlerin lideri olan LaBaCuO ile üstüniletkenlik geçiş sıcaklığını 35K'ye çıkarmaları ile bir anda üstüniletkenlik araştırmaları yeni bir boyut kazandı. Müller ve Bednorz'a Nobel ödülü kazandıran bu çalışmanın sonuçlarının geliştirilmesinin iki veya üç yılı alması beklenirken bu sonuç yeni üstüniletkenlerin hazırlanmasını çok kolaylaştıracak niteliğe büründü. İlk haber Tokyo Üniversitesi'nden Haziran 1986'da Shoji Tanaka ve grubundan geldi. Paul Chu, Müller ve Bednorz'un çalışmalarını tekrar eden ABD'deki ilk bilim adamıydı. 1987 yılında Chu ve arkadaslan 90K (187°C)'in hemen üzerinde üstüniletken geçiş gösteren yeni bir malzeme geliştirdiler ve bu malzeme yitirium, baryum ve bakırın oksitlerindcn oluşuyordu. Bilim dünyasında y|ni bir heyecan yaratan ve birçok laboratuvarın üstüniletkenler ile yeni araştırma programlan başlatması ile oluşan büyük potansiyelin ardından, 1988 Şubat ayında Tokyo Üniversitesi'nden Hirashi Maeda ve grubu tarafından 85K ve 106K'de iki fazı olan Bi(CaSr>CuO bileşiğj geliştirildi. Bu bileşik pahalı olmayan elementleri içermektedir. Aynı miktarda bismuth ve yitrium, maliyet açısından karşılaştırıldığında bismuth'un yitrium'dan 1/10 kadar daha ucuz olduğu görülür. Aynı tarihlerde Arkansas Universitesi'nde A. Hermann ve Z. Sheng tarafından 105K ve 125K'de iki fazı olan TiCaBaCuO bileşiklerinde üstüniletken davranış gözlediler. Kasım 1988'de Liu Hangbao ve grubu tarafından Bi(CaSr)CuO bileşimine antimuan (Sb) ve kurşun (Pb) katkılanarak elde edilen malzelemelerde 130K ve 150K'de üstüniletken geçiş gösteren birden fazla faza rastlandı. Bu malzemeler üzerine araştırmaların geçmişinin henüz yeni olması nedeni ile yüksek sıcaklık üstüniletken fazlar tanımlanamamıştır. Yüksek sıcaklık üstüniletken malzemelerin sıvı azot ile 77K (196°C) sıcaklığa soğutulması ile üstüniletken davranış göstermeleri hem ucuzluk hem de bereketlilik anlamına gelmektedir. Böylece ekonomik ve ULUZ olmayan tüm uygulamalar gerçekleştirilebilecektir. ilk bakışta Onnes'un öngördüğü jeneratör ve motorlar, enerji depolama sistemleri, magnetik kaldırmalı trenlerin geliştirilmesi ve günlük yaşantımıza girmesi mümkün olacaktır. Henüz yeni malzemelerin bazı uygulama alanlarında tel olarak kullanılabilmesi, kolay islenebilir ve bükülebilir formlarının eldesi konusunda yapılan araştırmaların sonuçlarına bağlıdır. Yüksek sıcaklık üstüniletkenlerin seramik malzemeler olması tel olarak kulanılmalarını zorlastırmaktadır. Neden 77K'da üstüniletken davranış gösteren malzeme, 4K'de üstüniletken davranış gösteren malzemeden daha iyidir? Geçiş sıcaklığının altında bir sıcaklıkta tutulmaya çalışılan üstüniletken malzemenin soğuk kalabilmesi için dışardan olan ısı aktarımı ile buharlaşan sıvı helyum (4K) ya da sıvı azot (77K) sisteme tekrar eklenmelidir. Bir saatte bir watt'lık ısı, 1.4 litre sıvı helyum (4 $/lt) veya 0.016 litre sıvı azot (0.25 $/lt) buharlaştıracaktır. Sıvı helyum yerine sıvı azot kulanımı, yıllık sıvı helyum harcaması 50.000 $ olan bir sistemin sıvı azot harcamasının 35$'a inmesi demektir. Böylece büyük ölçekli uygulamalarda soğutma, maliyetin küçük bir kısmını oluşturacak ye ekonomik indirim sağlayacaktır. Özellikle küçük ve orta ölçekli uygulamalarda, sıvı azot kulanımı büyük bir maliyet düşüşü de sağlayacaktır. Yıllar önce, sıvı azot sıcaklığında üstüniletken davranış gösterecek malzemelerin geliştirilmesi bir hayal olarak görülüyordu. Benzer şekilde geçen iki sene içerisinde de oda sıcaklığında ve/veya biraz üstündeki sıcaklıklarda üstüniletken davranış gösterecek O dönemlerde güçlü üstüniletken magnet umutları kalay ve kurşunun büyük değerlerde akım taşıyamamaları nedeniyle sonuçsuz kalmıştır. Elli yıldan kısa bir süre önce araştırıcılar ihtiyaç duyulan akım değerlerini taşıyabilen nıobyumtitanyum ve niobyum3kalay üstüniletken alaşımlarını buldular. Fakat kalay ve kurşun gibı bu malzemeler de, 4K sıcaklık için pahalı sıvı helyuma gerek duyduklarından büyük çapta uygulama alanı bulamamıştır. Bu yıllarda tungsten'den (0.016K) niobyum'a (9.3K) kadar sıcaklıklarda üstüniletken geçiş sıcaklığına sahip elementler ve alaşımları üzerine yapılan araştırmalar ile üstüniletkenlik geçiş sıcaklığı 18K'nin üstüne çıkamamıştır. Arastırıcılar bu sınıfa ait, sayıları binler mertebesinde olan malzemeler bulmuşlardır. 1967 yılında Schooley tarafından, SrTİOa bileşiğinden, 0.3K'de üstüniletken davranış gözlenmesi ile metal oksit malzemelerde de üstüniletkenlik araştırmaları başlamıştır. SrTiOî bilesiğindan sonra 13K sıcaklıkta üstüniletken davranış gösteren ikinci oksit olan Liı + X Tİ2 XQA sistemi bulunmuştur. 1975 yılında Sleight tarafından yüksek sıcaklık üstüniletken malzemeler ile aynı kristal yapıda olan BaPbı,x Bi x O3 bileşiğinde üstüniletken geçiş sıcaklığı 13K olarak gözlenmiştir. 1978 yılında ise NisGe alaşımı ile o güne dek gözlenebilen en yüksek geçiş sıcaklığı• olan 23K'ne (250°C) çıkılmıştır. 1980 yılında ise yüksek basınç altında, düşük sıcaklıkI Do*ya 8 Kasım 1990 malzemelerin gelistirilmesine bir hayal olarak bakuıyor ve araştırmacılar en iyimser tahminlerle on senelik bir zaman dilımine ihtiyaç olduğunu vurguluyorlardı. Ancak ekiıtı 1989 tarihinde bu konuda ilk umut verici haber Wayne State Üniversitesi'nden J.T. Chen ve grubunun yaptığı bir araştırmanın sonucu ile gelcU. J.T. Chen ve araştırma grubu 90K'de üstüniletken davranış gösteren Y,Ba2CuJO7 x bileşiğinin farklı bir kompozısyonundan (YjBatCuuOy) yüksek oksijen basmcı altında ve 150°C sıcaklıkta hazırladıkları malzemede 240K (33°C)'de üstüniletken davranış gözlediklerini açıkladılar. Bu malzeme konusunda yapılacak araştırmaların sonuçlarının geliştirilmesi için zamana ihtiyaç vardır. Ancak son iki yılda yeni malzeme geliştirme konusunda yapılan araştırmalar oldukça büyük masefeler katetmiştir. Bu nedenle oda sıcaklığında üstüniletken umutlarının yakın zaman dilimlerinde gerçekleşeceğini düşünmek hayal olmayacaktır. Oda sıcaklığında üstüniletken davranış gösteren malzemelerin geliştirilmesi ile soğutma problemleri ortadan kalkacaktır. Soğutma işlemine gerek duyulmadan kullanılabilecek üstüniletkenler, hem ucuz maliyetlerle kullanılabilecek hem de sayısız yeni kulanım alanları ortaya çıkacaktır. Bu nokta küçük boyutlu cihazların oldukça ucuza elde edilmesi ve işletilebilmesi açısından önemlidir. YBaCuO 30°C EylOl 1989 Tc (K) Mart 1988 120 150 TlBaCaCuO BISrCaCu0 Şubat 1988 PayettevlUc Şubat1988 Tıukuba Hazlran SmDMgo Mart 1987 Houtton Üstün iletkenlik sıcaklığının 1911 tarihinden bu zamana kadar gösterdiği gelişme. 10 ° •170 YBaCuO 190Sıvı Azot Şubat 1987 210Ocak 1987 40" 230 Sıvı Neon LaSrCuO Arakk 1988 Arallk 1986 Nlsan 1986 20 •250 •270Helyum 1986 ı 1910 'ııııııı 1930 1950 1970 1990