MgB2 için Yaklaşımlar Ve Metodolojiler

Geliştirilebilecek Yenilikçi Yaklaşımlar Ve Metodolojiler

i. Tanecikler arası bağlanmanın incelenmesi;

Bu konuda yapılacak ilk iş diliminde hacimsel örnekler ve teller için elde edilen direnç verilerinin toplanıp bir araya getirilmesi olmalıdır. Çünkü bu tür bir başlangıç incelemesi direnç ile Jc arasında ince filmlerde olduğu gibi Jc ∝ 1/Δρ, burada  = 300K – 50K bir ilişki olup olmadığını ortaya koyabilecektir. Literatürde çok sayıda manyetik sonuçlara göre hesaplanan Jc değeri bulunmasına rağmen aslında taşınan (transport) akım yoğunluğunun ölçülmesi de oldukça önemlidir çünkü bu direnç değerleri ile doğrudan karşılaştırılabilecek tam ve göreceli bir deneysel sonuç ortaya koymaktadır. Bununla birlikte özdirenç-sıcaklık ölçüm sonuçları da detaylıca incelenmelidir.

İkinci iş dilimi olarak farklı manyetik alanlar altında özdirenç ölçümleri daha geniş bir formatta çalışılmalı ve hacimsel ve/veya tel örneklerin alan içindeki performansları daha detaylı incelenmelidir. Örneğin alan içerisindeki performansı daha iyileştirebilmek için çok farklı katkılamalar yapılmış olmasına rağmen alan altında özdirenç iyileştirmesi hususunda çalışmalar henüz yetersiz konumdadır. Bundan başka tanecikler arasındaki özdirenci etkileyen faktörleri incelemek için birçok grup tarafından karbon katkılaması yapılmıştır. Bunun sonucunda Tc’de ve örgü parametrelerinde meydana gelen değişim ortaya konmuştur ancak bu katkılamanın özdirenç ile Jc arasındaki ilişkiyi açıklayabilmesi açısından çok kısıtlı çalışmalar yapılmıştır. Ayrıca tanecikler arası ve tanecikler içi direnci bir birinden ayrı olarak düşünmek zordur. Bazı durumlarda B atomu konumunda oksijenle reaksiyonun mümkün olduğu görülmüştür. Ancak karbon atomunun kontrollü olarak katkılanması sonucu CNT ve SiC tanecik içi dirençte etkin rol oynayabilecektir.

ii. MgB2 toz üretimi ve katkı maddelerinin dağılımı:

Kristalleşme sırasında tanecikler arasındaki bağlantı çok büyük bir öneme sahiptir ve bunun iyileştirilmesi için anahtar faktörlerden biride başlangıç toz kimyasal malzemesinin kalitesidir. Özellikle büyük boyutlu safsızlıklar örneğin oksitli safsızlık fazları yapı içerisindeki akım yollarının bloklanmasında (tıkanmasında) önemli roller oynarlar. Bu oksitli fazların temel kaynağı genel olarak bor’un sentezlenmesi sırasında kullanılan metoda bağlı olmaktadır. Bunun en güzel örneği %99.99 saflıkta amorf bor ile hazırlanan MgB2’nin Jc değerinin %95-97 saflıktaki amorf bor ile yapılan MgB2 malzemesinin Jc değerinden 3 kata kadar daha fazla olabilmesidir. Dolayısıyla MgB2 süperiletken malzemeleri üretirken 3 önemli temel problem ile karşılaşılmaktadır:

a- Nano boyutta parçacığa nasıl ulaşılacak?

b- Malzemenin temelini oluşturan tozların homojen olarak dağılımı

c- Alaşım veya bileşiği hazırlarken oksitlenmeden nasıl kaçınılacak?

Nano parçacık üretimi için plazma reaksiyonu ve lazer ile CVD son dönemlerde sıkça kullanılan yöntemler olarak tercih edilmektedir. Tanecik büyüklüğünün yanı sıra parçacıkların şekli de önemli olabilmektedir. Çünkü iyi özelliklere sahip malzeme üretimi için yüzeyin şekli veya malzemenin içinin özellikleri ya da en genel anlamda mikro yapı da önemlidir ve bunun için özellikle nano küresel taneciklerin üretimi oldukça önem arz etmektedir. Küçük boyutlu tanecik üretimi için bir diğer başvurulan yöntem de ultrasonik püskürtme yöntemidir. Bu yöntemle de nano boyutta ve küresel biçimli taneciklere ulaşılabilmektedir. Tozların homojen karışmış bir şekilde elde edilebilmesi için kimyasal sıvı solüsyon veya yarı solüsyon ya da ultrasonik yöntemler günümüzde sıkça başvurulan yöntemler olarak bilinmektedir. Bu yöntemlerin kullanımı ile hem taneciklerin homojen dağılımı hem de kalitesi yüksek materyallere ulaşım sağlanabilmektedir. Üretilen toz kimyasal malzemenin özelliklerini iyileştirmek için yapılacak olan nano toz katkılamalar da önemlidir. Özellikle manyetik alan altında Jc performansları ve Hc2 değerleri üzerinde olumlu etkiler yaptığı deneysel çalışmalar sonucunda ortaya çıkarılmıştır. Ancak çok az miktarda nano parçacıkların ana yapı içerisinde topaklaşmadan homojen olarak dağıtılması oldukça zor bir iş olarak görülmektedir.

Günümüzde az miktarda nano parçacıkları ana yapıya katkılama zorlukları özellikle ultrasonikasyon veya solüsyon hazırlama metotlarının geliştirilmesi ile ortadan kaldırılabilmektedir. Hatta ultrasonikasyon metodunun sadece nano parçacıkları yapı içerisinde homojen dağıtılmasına değil aynı zamanda MgB2 taneciklerin birbirleri ile olan kaynaşmalarını da desteklediği gözlenmiştir. Örneğin polikarbosilanın xylene ile bor karışımı içerisinde çözülmesi sonucu ortaya çıkarılan nano boyuttaki SiC-C karışımından üretilen MgB2 malzemesinin Jc değerinin 4×106 A/cm2 değerlerini aşabildiği görülmüştür. Bu teknikler günümüzde artık yaygın olarak kullanılmaya başlanmış ve nano boyuttaki katkılamaların topaklaşmadan yapıda düzgün dağılmasını sağladığı ve buna bağlı olarak da yüksek Jc performansına sahip malzemelerin üretilmesini kolaylaştırdığı bilinmektedir.

iii. Amorf Bor Prekürsorun Hazırlanması:

MgB2 malzemesini üretirken Bor’u amorf olarak elde etmek çok önemli bir yer tutmaktadır. Çünkü günümüzde gerek ticari gerekse önemli araştırmalarda yüksek performanslı MgB2 tellerin yapımında bor’un sadece amorf formu kullanılmaktadır. Şekil 14 de gösterildiği gibi aynı şartlarda üretilen MgB2 tellerden amorf bor kullanılanı kristal bor kullanılanlardan çok daha yüksek Jc değeri göstermektedir.

Bor’un nano boyutta kristal formuna ulaşmak mümkün olamamaktadır. Bu da bilim insanlarını amorf bor kullanmaya sevk etmektedir. Çünkü kristal bor çok ucuz olmasına ve ticari olarak rahatlıkla bulunabilmesine rağmen Mg ile reaksiyona girip MgB2 oluşturabilmesi için ya özel düzenekler kullanılarak çok yüksek sıcaklıklarda ısıl işlemler görmesi gerekmekte ya da çok uzun süreli ama düşük sıcaklıklarda ısıl işlem görmesi gerekmektedir. Her iki durumda da elde edilen MgB2 malzemesi büyük tanecik (kristal) boyutuna sahip olacağı için çivilenme düşük olacak bu da tellerde ya da diğer teknolojik uygulamalarda düşük performanslı (düşük Jc değerine sahip) malzeme anlamına gelecektir.

Yüksek performansa sahip MgB2 tellerin üretilebilmesi için genellikle bor triklorid (BCl3) ve hidrojen (H2) gaz fazı reaksiyon yöntemi kullanılmaktadır. Ancak bu yöntem hem çok pahalı ve tehlikeli hem de büyük miktarlarda üretimi zor olan bir yöntemdir. Dünyada bu yöntemle az miktarda üretilebilen bor’un fiyatı yaklaşık olarak $8000/kg’dır. Oysa kristal haldeki bor’un fiyatı ise yaklaşık olarak $3000/kg’dır. Bu şartlarda eğer amorf bor’un fiyatı düşürülemeyecek ve yüksek miktarlarda üretilemeyecek olursa MgB2 malzemesinden üretilmiş olan tellerin LTS malzemelerden yapılan teller ile rekabeti oldukça zora girecektir.

Bu durum aslında doğrudan ülkemizi de ilgilendirmektedir. Çünkü dünyada bor maden rezervine en fazla sahip olan ülke ~%73 ile Türkiye’dir dolayısıyla ülkemizin önemli programlarında bu konunun da yer alması gerekmektedir. Bu konuda çalışacak ekipler ile birlikte iş birliği yapılarak yeni projeler ile kapasite artırılıp bor’un saflaştırılması konusunda önemli mesafeler alınabilir. Bu durum aynı zamanda ülkemizi uluslararası boyutta ön plana çıkarabilecektir. Ayrıca bor madeni ile ilgilenen yabancı firmaların teknoloji transferini sağlayabilecek, bor’un uluslararası boyutta değerini artırıp ticari potansiyel sağlayabilecek ve yeni iş kapılarını da aralayabilecektir. Enerji ve çevre ile de yakından ilgili olacağı için birçok kazanımı da beraberinde getirebilecek, ülkemize önemli bir döviz girdisi de sağlayabilecektir.