YBaCuO Süperiletkenler

YBaCuO (YBCO) süperiletken malzemesi 1987 yılının son günlerinde keşfedilen ve sıvı azot sıcaklığı olan 77 K’nin üzerinde süperiletkenliğe sahip olan ilk malzeme özelliğini taşımaktadır. Yaklaşık 92 K de süperiletken faza geçen bu malzemenin biri süperiletken diğeri yalıtkan iki fazı vardır. Oksidasyon durumlarına ve oksijen bağlarının durumuna göre tetragonal formda kristal yapıya sahip olan faz yalıtkan özellik göstermektedir. Ancak ortorombik formda kristal yapıya sahip olan YBCO ise YBa2Cu3O7-x stokiyometrisinde süperiletkendir, Aşağıda verilen şekildeki  malzeme ile ilgili olarak çok sayıda endüstriyel firma, araştırma merkezi ve araştırma grupları uzun yıllardır çalışmakta olup ticari olarak uygulamaları yapılmaya başlanmıştır. YBCO süperiletkenler günümüz teknolojisinde hacimsel (bulk) formda manyetik olarak levite edilen trenlerde (MAGLEV), sürtünmesiz rulmanlarda (frictionless bearing systems) ve volanlar yardımı ile enerji depolanmasında (fly-wheel energy storage systems) kullanılabilmektedirler. Süperiletken YBCO örnekler güçlü bir manyetik kaldırma kuvveti yaratabildikleri için MAGLEV trenleri ve rulman sistemleri için büyük öneme sahiplerdir.


YBCO sistemin ortorombik (süperiletken) ve tetragonal (yalıtkan) kristal yapısı.

Aşağıdaki tablo farklı HTS süperiletkenlerin karakteristik büyüklüklerini göstermektedir. Maksimum geçiş sıcaklığı, uygulanan manyetik alan ab düzlemindeki katmanlara dik (λab) ve paralel (λc) iken sızma derinliği. CuO2 tabakalarına paralel (ξab) ve dik (ξc) doğrultuda Ginzburg Landau uyum uzunluğu. Yine uygulanan manyetik alanın yönü ab düzlemine dik (Bc2┴) ve paralel (Bc2//) olduğu durumlarda üst kritik manyetik alan değerleri.

Yapı             Birim→ Tc,maksK  λabnm  λcμm  ξabnm  ξcnm  Bc2┴T  Bc2//T
La1.83Sr0.17CuO4 38 100 2-5 2-3 0.3 60  
YBa2Cu3O6+x 93 150 0.8 1.6 0.3 110 240
Bi2Sr2CuO6+x 13 310 0.8 3.5 1.5 16-27 43
Bi2Sr2CaCu2O8+x 94 200-300 15-150 2 0.1 ˃60 ˃250
Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x 107 150 ˃1 2.9 0.1 40 ˃250
Tl2Ba2CuO6+x 82 80 2 3 0.2 21 300
Tl2Ba2CaCu2O8+x 97 200 ˃25 3 0.7 27 120
Tl2Ba2Ca2Cu3O10+x 125 200 ˃20 3 0.5 28 200
HgBa2CuO4+x 95 120-200 0.2-.45 2 1.2 72 125
HgBa2CaCu2O6+x 127 205 0.8 1.7 0.4 113 450
HgBa2Ca2Cu3O8+x 133 130-200 0.7 1.5 0.19 108
HgBa2Ca3Cu4O10+x 125 160 7 1.3-1.8 100 ˃200
Sm1.85Ce0.15CuO4-y 11.5 8 1.5
Nd1.84Ce0.16CuO4-y 25 72-100 7-8 0.2-.3 5-6 ˃100

Örneğin, TSMG tekniği ile hazırlanan 53 mm genişliğinde ve 15 mm yüksekliğinde Y123 tek kristal süperiletken örneklerden sürekli bir mıknatıstan 0.2 mm uzaklıkta iken yaklaşık 300 N kadarlık bir manyetik kaldırma kuvveti elde edilebilmektedir. Diğer yönde, eğer manyetik alan sürekli bir mıknatıs tarafından uygulanacak olursa, YBCO süperiletken örnek içerisinde tuzaklanan manyetik alanın değerinin 77 K de yaklaşık 0.5 T’ya kadar ulaşabildiği gözlenmiştir. Bununla birlikte 29 K de 2.65 cm çapında YBCO hacimsel süperiletken malzemeye bir elektromagnet yardımı ile 18 T alan uygulandığında 17.24 T’lık bir manyetik alanın örnek içerisinde tuzaklanabileceği uygulanan alanın sıfırlandığı bir durumda bile deneysel olarak gözlenmiştir. Genel olarak katı hal yöntemi kullanılarak üretilmektedirler. Ancak yüksek manyetik özelliklerin gerekli olduğu durumlarda TSMG tekniği daha olumlu sonuçlar vermektedir. YBCO süperiletkenler ile kalın ve ince film uygulamaları da yapılmaktadır. Kalın filmlerde (1-50 mikron) ~91 K de sert bir şekilde süperiletken faza geçiş gözlenmektedir ve 5 K de ve 0 T da kritik akım yoğunluğunun da 103-105 A/cm2 (üretim tekniklerine bağlı olarak) değerinde olduğu gözlenmiştir. İnce filmlerde ise bu malzeme için en uygun yöntemin “atımlı lazer” ile kaplama (PLD) ve “rf veya dc saçtırma” yöntemleri olduğu bilinmektedir. PLD sistemi ile üretilen tek kristal YBCO ince filmlerde (~100-450 nm kalınlığında) 0 T alanda ve 10 K de yüksek Jc değerlerine ulaşıldığı (105-106 A/cm2) literatürde sıkça görülmektedir. Ayrıca ince film şeklinde kaplanmış YBCO şeritlerinde oldukça yüksek süperiletkenlik özellikleri gösterdiği ve teknolojik uygulamalar için uygun oldukları test edilmiştir. YBCO sistemi hem teknolojik uygulamalar hem de özelliklerin iyileştirilmesi açısından günümüzde de üzerinde yoğun olarak çalışılan sistemler içerisinde yer almaktadır.