Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη των φυσικών και κρυσταλλογραφικών ιδιοτήτων, τριαδικών και τετραδικών υπεραγώγιμων υλικών υψηλής θερμοκρασίας
Authors: Εγγονόπουλος-Παπαδόπουλος Βασίλειος 
Published: January 2014

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή με θέμα ‘Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη των φυσικών και κρυσταλλογραφικών ιδιοτήτων τριαδικών και τετραδικών υπεραγώγιμων υλικών υψηλής θερμοκρασίας’, πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής, του Τομέα Εφαρμογών Φυσικής και Περιβάλλοντος, του Τμήματος Φυσικής (ΑΠΘ), στα πλαίσια του ΠΜΣ Φυσικής Υλικών: Η παραγωγή υπεραγώγιμων υλικών γίνεται συνήθως σε τρία στάδια. Το πρώτο περιλαμβάνει τη σύνθεση των μιγμάτων από τα συστατικά που επιθυμούμε. Το δεύτερο το ψήσιμο του μίγματος, σε σχετικά ψηλές θερμοκρασίες (850o-900οC), οπότε λαμβάνονται τα προϊόντα στην τελική τους μορφή και το τρίτο περιλαμβάνει την μελέτη των προϊόντων με ακτίνες X, SEM, TEM, SQUID κλπ. Τα αρχικά συστατικά των μιγμάτων μπορεί να είναι οξείδια, άλατα ή ακόμη και καθαρά στοιχεία. Η θέρμανση των μιγμάτων γίνεται συνήθως σε ελεύθερη ατμόσφαιρα, ή ατμόσφαιρα οξυγόνου, μέσα σε κοινό φούρνο (classical method), όπου γίνεται και η πυροσυσσωμάτωση (sintering method). Πχ για την παρασκευή ενώσεων του συστήματος Bi-Sr-CaCu-O ετοιμάστηκαν μίγματα Bi2O3, SrCO3, CaCO3, CuO υπό τις απαιτούμενες αναλογίες και θερμάνθηκαν σταδιακά στους 850 οC, 855 οC, 860 οC και 865οC επί ορισμένο χρόνο, σε ελεύθερη ατμόσφαιρα. Η ψύξη που ακολουθεί γίνεται σταδιακά μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλοντος. Στην παρούσα εργασία, εκτός από την κλασσική μέθοδο εφαρμόσαμε και τη μέθοδο παρασκευής με φούρνο μικροκυμάτων. Η μέθοδος αποδείχτηκε πολύ πρωτοποριακή και τα προϊόντα που προέκυψαν ήταν κεραμικά, καθαρά, ομογενοποιημένα και λεπτόκοκκα. Το σημαντικό της μεθόδου αυτής οφείλεται κυρίως στην εξαιρετική ποιότητα και στην ταχύτητα της δημιουργίας νέων υλικών, αντίθετα με τις κλασσικές μεθόδους που είναι χρονοβόρες. Η υπεροχή της μεθόδου επαληθεύθηκε με δείγματα ίδιας χημικής σύστασης που παρασκευάστηκαν με τις δύο μεθόδους. Συνοπτικά παρασκευάστηκαν οι εξής γενικές σειρές υλικών: 1. Βi-Sr-Ca -Cu -O με μερική ή ολική υποκατάσταση των Bi ή Sr με Ba ή Pb. 2. Βi2-ΧRX-Sr-Ca-Cu-O όπου το R σπάνια γαία. 3. Βi3-ΧPbΧCa3Cu4O10 (x=0.0, 0.2... ,1.0). 4. Βi2-ΧPrΧSr2CaCu2Oy (x=0.6, 0.7... ,1.0). 5. Βa3-XPbΧCa2Cu3O9+d (x=0.0, 0.2... ,1.0). 6. Βa3-XPbΧCa2Cu5O9+d (x=0.0, 0.2... ,1.0). 7. Β3-XPbΧCa2Cu6O9+d (x=0.0, 0.2... ,1.0). 8. Βa3-XPrΧCa2Cu5O9+d (x=0.0, 0.2... ,1.0). 9. Ca1-xSrxCuO2 (x=0.0, 0.1...,0.5). 10. Βi2Sr2Ca2Cu3Oy με αντικατάσταση των στοιχείων Ca, Sr από το στοιχείο Zn. 11. Βi-Cd-Ca-Cu-O με αντικατάσταση του στοιχείου Sr από το στοιχείο Cd. 12. Βi-Sr-Ca-Cu-O μελέτη των προϊόντων που προέκυψαν με θέρμανση και μικροκύματα. Ο χαρακτηρισμός των υλικών που παρασκευάσαμε έγινε με ταυτοποίηση διαγραμμάτων σκόνης ακτίνων Χ. Προς τούτο χρησιμοποήθηκαν τα προγράμματα ‘PLOTPOW’ και ‘EVAWIN’ (A. Stegiou) καθώς και η βάση δεδομένων PDF. Η μορφολογική μελέτη των υλικών και η μελέτη του μεγέθους και της σύστασης των κόκκων τους έγινε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης ‘SEM’. Η μελέτη της κρυσταλλικής δομής των φάσεων που προέκυψαν από τον χαρακτηρισμό των υλικών έγινε με την βοήθεια της μεθόδου Rietveld (profile analysis-πρόγραμμα ‘DBWSWIN’, R. A. Young et al - A. Stergiou), με την οποία προέκυψαν οι ακριβείς τιμές των παραμέτρων της δομής των κρυσταλλικών φάσεων, αλλά και τα ακριβή ποσοστά τους στα μελετηθέντα υλικά., Οι αρχικές τιμές των παραμέτρων των φάσεων ελήφθησαν από τη διεθνή βιβλιογραφία και κυρίως από τη βάση δεδομένων ICSD. Βασικός μας στόχος ήταν παρασκευή μονοφασικών υπεραγώγιμων υλικών. Στόχος που επιτεύθηκε ολικά, ή μερικά, γιατί μαζί με τις υπεραγώγιμες φάσεις εμφανίστηκαν και κάποιες καινούριες ανεπιθύμητες φάσεις, ή αναλοίωτες κάποιες από τα αρχικές του μίγματος. Τούτο σημαίνει ότι τα συστατικά αυτά ή ήταν σε περίσσεια ή ανασυντέθηκαν. Σε κάθε περίπτωση, το είδος των συστατικών, οι περιεκτικότητές τους και οι συνθήκες θέρμανσης, ήταν οι κύριοι παράγοντες που συνετέλεσαν στην παραγωγή υπεραγώγιμων ή μη υλικών, και ήταν τα κύρια σημεία στα οποία επικεντρώθηκε η έρευνά μας. Η μελέτη της κρίσιμης θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητας (Tc) έγινε με μαγνητόμετρο SQUID στον ‘ΔΗΜΟΚΡΙΤΟ’ και στο ‘Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης’. Συνολικά, παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν οι υπεραγώγιμες φάσεις: Bi1.82Sr1.39Ca2.91Cu0.70O7.63, Bi2Sr1.95Ca1.05Cu2O8, Bi2Sr2CaCu2O8, Nd2CuO4, Nd2CuO3.864, Ca2CuO3, SrCuO2, Bi2.14Pb0.19Sr1.02Ca0.4CuO6, Ba1.5La1.5Cu3O7.2, Βα0.17Sr0.83CuO2, Ba2BiCuO6, Bi2Sr2Pr2Cu2O10, Pr2CuO4, Bi2Sr2CuO6.104, Bi2Sr2Cu2O10. Οι κρίσιμες θερμοκρασίες των υπεραγώγιμων αυτών υλικών κυμαίνονται μεταξύ 30Κ και 110Κ, οι δε τιμές τους, όπως αποδείχθηκε, εξαρτώνται από τη χημική σύσταση και την θερμοκρασία της παρακευής τους.