Katalog

FİZİKÜSTÜNİLETKENLİK Yeni bir teknolojik devrimin eşiğinde a ••• j« •• u aam * r\ • • • • • • Yüksek sıcaklık süperlletkenfllmleriı üzerindeçalışmalar başanlırsa, enerji, ulaşım, elektronlkte sarmcı gelişmeler yaşanacak... «#••• Dr. Müzeyyen Ece, Max Planck Enstıtüsü £ svıçre'nın, Zürih şehrındekl IBM (InI ternational Busıness Machıne) şirkeI tınde çalışan J. Oeorg Bodnorz ve K. Al«x Müller, 1986 yılındakı buluşlarıyla bılim ve teknoloji dunyasını yerinden oynatan, yepyenı ve de çok ılginç bir devlr başlattılar (1) Bu da onlara çok doğal olarak 1987 yılının fızık dalındakı Nobel odulunü getirdi Böyle bir buluşun uzerınden dört yıl geçmış olmasına rağmen bu konu ılgınçlığınden hıç bir şey yıtırmediğı gıbı, dort yıl gıbı kısa surede dunyanın dört bir yanındakı bılım adamlarının çok kararlı çabalarının sonucu halen en ılginç konulardan bırı olmayı surdürmektedır Evet, herkesı bu kadar meraka ve de aynı zamanda sevınce boğan buluş ney6Y> Yüksek sıcaklık superıletkenlerı Burada hemen çok genel olarak superıletken ne demektir onu tanımlayalım Eğer bir madde soğutulduğunda elektrıksel direncını tamamen kaybedıyorsa (sıfır dırenç) ve kendısıne uygulanan manyetık alanın ıçıne gırmesıne ızın vermıyorsa (Meıssne etkısı) bu madde superıletken bir maddedır Superıletken madde, dırencının tamamen yok olmasından dolayı, akımı en ustun bir şekılde ıletecektır Duşuk sıcaklıkta dırencın ortadan kalkması atomık hareketın azalmasından ve dolayısıyla superıletken bir maddenın elektronlarının serbestçe dolasabılmesinden oluşur Ekonomik ve teknolojik avantajların dışında, bılimsel açıdan da superıletkenler hâlâ buyük bir bilmece olarak duruyorlar Bılım dunyası ılk defa seramlk bir maddenın superıletkenlığıne şahit oluyor örneğın, BaCCto, Y2O3ve CuO tozlar lyice karıştırıldıkdan ve tabletler halıne getırıldıkten sonra yüksek sıcaklıklarda (>900°C), oksıjen gazında ısıtılınca superıletken madde elde edılebılıyor. Böylesıne çok onemlı olan bir buluş lıse öğrencılerinın bıle yapabıleceğı deneyler arasına girmeyı başarabılıyor Hızlı trenlerden öbbl aletlere kadar Şimdiye kadar superiletkenlerin ileridekı uygulamaları hakkında bir çok şey soylenildı ve yazıldı urneğın, Meissner etkısini kullanarak havaya kaldırılan ve dolayısıyla sürtunmesiz ortamda çok hızlı gldebllecek trenler yarının gerçeğı olabılocektır Çok daha hızlı çalışabilecek bılgısayarlar, enerji uretımınde ve ıletimınde sağlanacak tasarruf, organlanmızdan (örneğin beylnden) gelen çok kuçuk manyetık ve elektrık sinyallerını gözlemleyebılecek tıbbı aletler yaşantımıza gırecek ılk uygulamalar olacaklardır Tıp dünyasından en buyuk gelışım SÛUID (superconductıng quantum ınterference devıce) dediğimiz aletlerin kullanılımıyla gerçekleşecektır Bu aleüer sayesınde, amelıyat yapmadan beyınden gelen çok küçuk sinyallerı olçmek mumkun olabılecek ve boylece hastalıkların teşhisleri daha çabuk ve kolay olacaktır SÖUID'ler aynı zamanda maden, petrol ve su kaynaklarının aranmasında da kul lanılabileceklerdir rınde yapılması zorunludur örneğin Josephson bağlantısına dayanan bılgısayar devrelerının, SOUID'lerın, ya da radyo frekansı karıştırıcılarının yapılması ıçin bir aynanın yuzeyi gibi puruzsuz ve de parlak filimlerın yapılması gereklıdır. 1986 yılında bulunan yüksek sıcaklık superıletkenlerınden hemen çok kısa bir sure sonra, bunlann ince filımlerinı yapmak •n buyük he<tof halıne gelmiştir Bılınen ve uygulanan butun ınce fılm kaplama yontemlerı kullanılarak başarılı uonuçlar elde etmek mümkun olmuştur Bu teknıklerden en çok kullanılan bazılarını normal buharlaştırma, elektron huzmesı ıle buharlaştırma, laser kullanarak buharlaştırma ya da sputterıng oluşturur Şekil 2de bu yontemierden ikısının nasıl çalıştığı basıtçe gosterılmıştır Buharlaştırma yöntemınde superıletken tozlar tane tane, çok yüksek sıcaklıktaki W (tungsten) şerıdın uzerine duşurulerek buharlaştırılır, buharlaşan fılım alttaşlar üzerinde yoğunlaşarak ınce bir fılım tabakası oluşturur (2). Dığer bir yontemde ıse, superıletken tabletier laser ışınları ıle bombardıman edılerek superiletkenin buharlaşması sağlanır (3). „ • r \ (a) tr Ama ne zaman? INCE FİLİM KATMANI \ \ Burada, kendımıze bunlann ne zaman insanlığın hızmetıne sunulacağına sorabllıriz örneğin, superıletken tel satın almak mümkün olacak mı, veya ne zaman çok hızlı gıdebılecek trenlerle yolculuk edebıleceğız? Butun bu yukarıda saydığımız uygulamaların ınsan yaşantısına aktarılabılmesi için superiletken maddelerden tellerin ve çok ınce filmlerin yapılması zorunludur Tel yapımındaki en buyük zorluk, bu maddelerın seramik olmalarından ve dolayısıyla esneklığe sahıp olmamaları ve de bukülme durumunda çok çabuk ALTTAŞ kırılmalarından kaynaklanmaktadır. Bu seramik superıletkenlere esneklik verılemedığı surece 1 (iitı bunlardan tel yapmak bir hayal olarak kalacaktır l Şekil 2: Ince lılm kaplama methodları: a) Buharlaştırma Yukarıda bahsedilen bu me methodu; 1 Superıletken toz, 2 Ince W plaka, 3 Alttaf, todlarla YBaCuO (Tk = 92K,Tk 4 Ince lilm kalınlığını olçen alet, 5 Superiletken tozların dırencın sıfır olduğu sıcaklık), elenerek düşürülmesıni sağlayan vakum bağlantısı. b) BıSrCaCuO ve TlSrCaCuO Laser ışınları ile buharlaştırma medodu; 1 Kuvars pen(Tk=120K) fılimlerı yapmak cere, 2 Laser huzmesl, 3 Süperlletken tablet, 4 Alttaş, mumkün olmuştur Superılet 5 Alttaş ısıbcısı ken ınce fılımler SrTiO3, MgO, Elektrik santrallarından mahallelerdeAI2O3 gıbı alttaşlar ustune kaplanırlar kı dağıtıcılara elektrik ulaştıran tellerdekı Alttaşların yuzeylerınınde çok duzgun, akım yoğunluğu yaklaşık bir santımetre puruzsuz ve de temız olması gerekır karede bir mılyon amper cıvarındadır Eğer filimin kaplanması sırasında oksıEğer superıletken tellerin akım yoğunlujen gazı kullanılır ve de alttaş ısıtılırsa ğu, normal bakır tellerinkınden yüksek (>600°C), kaplama anında elde edılen olmazsa, bunlann elektrik uretımınde ve fılim başka bir ışlem gerektırmeksızln ıletımınde kullanılması ne ılginç ne de (soğutulduğunda) superıletken olabılır malı açıdan çekicı olacaktır Şimdiye kadar yapılan çalışmalardan ınce filimlerın, Krltik akım yoğunluğu bu açıdan, gelecek ıçın çok umut verıcı Superiletkenlerin en önemli ftzellikleolduğu ortaya çıkmıştır rınden bırıde akım kapasıteleri, yani taşıyabıleceklerı maksımum akımdır Bız buna kritik akım yoğunluğu dıyoruz Eğer uygulanan akım sonucu, akım yoğunluğu, krıtik akım yoğunluğunu geçerse, superıletken normal ıletken haline geçer Işte bu konuda ınce filımler çok avantajlılar Ince filimlerın krıtik akım yoğunlukları, tablet (bulk) superıletkenlerinkinden çok daha yüksek olduğu gozlenmıştir. örnegin, YBaCuO superıletken ince fılimlerin 77K de kritik akım yoğunlukları 10 A/cm olurken aynı sıcaklıkta tablet (bulkjj superiletken krıtik yoğunluğu 10 A/cm 'yı geçememiştir. Teknolojik uygulamaların çoğunluğu yüksek kritik aktm yoğunluklarını gerektırdığınden ınce filimlerin önemi çok açık bir şekılde ortadır Fakat bunlann elektronık teknolojısınde kullanılabilmesı ıçin, elektronık devre yapımının vazgeçılmez unsurları olan Sı ve GaAs gıbı yarııletken alttaşlar üzerinde yapılmaları şarttır Yapılan deneylerden Sı alttaşın fılımlerle bir tepkımeye girdiği ve de bu tepkımenın superıletkenlık özelliklerini bozduğu gözlenmıştır Bu ıstenmeyen tepkime, fılımle alttaş arasına tampon ınce fılımler yapılarak çozülduğunde superıletken ınce fılimlerı elektron ikte kullanmanı yolları açılacaktır. Burada esas üzerinde durulmak istenen konu superıletken ınce filımlerdır (çok ınce kaplama) Çeşıtlı teknolojık uygulamalar içın kalınlığı 0 1 ura ile 10 um (1 um = 10 cm) ince fılımlerın ş«kil 1de göruldügu Şmkll 1:1um veya daha Ince süperlletkenff/mkatmanı yaklasık gıbı değışık alttaşlar uze1mm kalmlığmdakl alttaf kristalinin üzerinde buyütulür. 25412 isililillli 1 mm I Ince filmler ıııııııııııııılililil; I Yepyenl uygulamalar Puruzsuz ustun kaliteli superiletken filımlerı ve esnek teller yapıldığında, önümüzdekı 2030 yıl ıçerısınde pıyasada var olabılecek teknolojıye şoyle ozetle