Доклад: Aukрtatemperatыrinio superlaidininko sintezл ir tirimas
J.Buskevič
Aukštatemperatūrinio superlaidininko YBa2 Cu3O7-x sintezė ir tirimasĮVADAS
1900 - aisiais metais Heike Kamerlingh Onnes suskystino helį, o jau 1911 - aisiais metais buvo paskelbta, jog apie 4 K temperatūroje gyvsidabris pereina į superlaidų būvį, t. y. netenka varžos (R @ 0) . Po dvidešimties metų, 1933-aisiais, Meissner ir Ochsenfeld pastebėjo, jog medžiaga, pasižyminti superlaidžiomis savybėmis, patalpinta magnetiniame lauke, neleidžia jam prasiskverbti į save, t. y. pasižymi puikiomis diamagnetinėmis savybėmis. Šis reiškinys buvo pavadintas Meissner efektu. Ir tik 1986 -aisiais metais Georg Bednorz ir K. Alex Muller paskelbė pranešimą, kad iš bario, lantano ir vario oksidų gavo junginį, kuris pasižymi superlaidžiomis savybėmis apie 30 K temperatūroje. 1987 - aisiais metais grupė mokslininkų iš JAV paskelbė, jog atrado junginį, kuris pasižymi superlaidžiomis savybėmis jau 77 K temperatūroje. Medžiagos perėjimas į superlaidų buvį charakterizuojamas staigiu varžos sumažėjimu šaldant. Varžos atsiradimas yra salygojamas elektronų prėjimu į aukštesnę, sužadintą būseną, o tai nulemia medžiagos būsena ir ją veikiantys pašaliniai faktoriai. Elektronų išbarstymas pasitaiko, jeigu yra atomų vibracija arba yra nemaža gardelės defektų koncentracija. Superlaidumo teorijos pagrindas yra tai, kad elektronai veikiami įvairių sąveikų ir esant pakankamai žemai temperatūrai, sudaro taip vadinamąsias Cooper poras. Didinant temperatūrą, Cooper poros suyra ir superlaidžiosios junginio savybės išnyksta. Tačiau temperatūra nėra vienintelis faktorius lemiantis medžiagos superlaidumą. Jei magnetinis laukas ar tekanti srovė, veikiantys superlaidininką, yra pakankamai stiprūs, tai taip pat gali sukelti Cooper porų disocijaciją ir suprlaidžiųjų savybių išnykimą. Šio darbo tikslas yra sisintetinti,panaudojus keraminės sintezės būdą, YBa2Cu3O7-x ir nustatyti gautų pavyzdžių tankius bei kritinės temperatūras.Kritinė temperatūra labai priklauso nuo deguonies kiekio medžiagoje, todėl reikės nustatyti x reikšmes formulėje (jodometrinio titravimo būdu) . YBa2Cu3O7-x sintezė 1/2Y2O3(k. ) + 2BaCO3(k. ) + 3CuO(k. ) + (0,5 Ц x)/2 O2 = YBa2Cu3O7-x (k. )+ CO 2(d. ). Darbo eiga. Tiksliai atsveriama 0,677 g Y2O3 , 2,37 g BaCO3 ir 1,43 g CuO, jie sumaišomi porcelianiniame grūstuvėlyje ir gerai sutrinami (30-45 min) iki smulkių miltelių. Milteliai perkeliami į porcelianinį tiglį, kurio masė lygi 25,67105g. Porcelianinis tiglis kartu su medžiaga pasveriamas (m=29,92535g), dedamas į šaltą mufletinę kruosnį ir paliekamas iki rytojaus. Kitą dieną porcelianinis tigliukas kartu su medžiaga iškaitinamas (kaitinama apie 4 valandas ~1000 ºC temp). Trečią dieną ataušęs tigliukas su medžiaga išimamas ir pasveriamas, jo masė lygi 29,43030 g. Tada medžiagos masės sumažėjimas Δ m lygus 0,49505g. Tai yra, po kaitinimo medžiagos sumažėjo 11,64 procento. Galiausiai medžiaga iškratoma į grūstuvėlį ir gerai sutrinama. Milteliai supilami į tigliuką, užklijuojama etiketė (vardas, pavardė, grupė) ir padedama į eksikatorių. Kitą savaitę iš miltelių suspaudžiamos dvi tabletės: 1)Pirmosios tabletės darymas. 0,8519g mežiagos suberiama tarp suspaudimo tablečių, išlyginamas, lygiai paskirstomas miltelių tankis ir mechaninio spaustuvo pagalba tabletės suspaudžiamos. Įjungiamas siurblys, lygiai po 1 minutės padaromas 100 kg/cm2 slėgis. Po 5 minučių atjungiamas siurblys, dar po 2 minučių sumažinamas slėgis ir išimama suspausta medžiagos tabletė, kuri imant (dalis) sutrupa.2)Antrosios tabletės darymas. 0,8510g medžiagos suberiama tarp suspaudimo tablečių, išlyginamas, lygiai paskirstomas miltelių tankis ir mechaninio spaustuvo pagalba tabletės suspaudžiamos. Įjungiamas siurblys, lygiai po 1 minutės padaromas 100 kg/cm2 slėgis. Po 8 minučių atjungiamas siurblys ir sumažinus slėgį, išimama suspausta medžiagos tabletė, kuri padedama ant cirkonio oksido padėkliuko, kurio masė lygi 4,0204 g. 3)Trečiosios tabletės darymas. 0,87g medžiagos suberiama tarp suspaudimo tablečių, išlyginamas, lygiai paskirstomas miltelių tankis ir mechaninio spaustuvo pagalba, tabletės suspaudžiamos. Įjungiamas siurblys ir lygiai po 1 minutės pdaromas 100 kg/cm2 slėgis. Tada, po 8 minučių, atjungiamas siurblys ir sumažinus slėgį, išimama suspausta medžiagos tabletė, kuri padedama cirkonio oksido padėkliuko, šalia kitos tabletės (ZrO padėkliuko, kartu su tabletėmis masė yra 5,7199 g) . Padėkliukas su tabletėmis dedamas į šaltą mufelinę krosnį ir kaitinamas ~1000 ºC temperatūroje ~ 4 valandas. Iškaitinus ir pasvėrus, ZrO padėkliuko su tabletėmis masė yra 5,7165 g. Masės sumažėjimas Δm lygus 0,0034g, kas sudaro 0,20% . Tuomet išmatuojamos tablečių varžos. Pirmosios tabletės varža yra 5,9Ώ, antrosios Ц 6,0Ώ. Tabletės pasveriamos: pirmosios tabletės masė yra 0,8502 g, antrosios - 0,8493 g .Išmatuojami tablečių diametrai ir storiai: pirmosios tabletės storis yra 1,3 mm, antrosios - 1,3 mm. Žinant šiuos duomenis apskaičiuojami tablečių tankiai, pagal formules: d = m/V; V = 3,14r2h; kur m Ц masė; d Ц tankis; V Ц tūris; r Ц spindulys; h Ц aukštis. Pirmosios tabletės tankis lygus 4,927 g/cm3; antrosios Ц 4,922 g/cm3; bendras tablečių tankis Ц 4,9245 g/cm3.Na2S2O3 TIRPALO STANDARTIZAVIMAS
Su stiklinę pipete įpilama 10ml standartinio (2,5275g-500ml) Cu 2+ tirpalo ir per vamzdelį pradedama leisti N2 dujas (100 padalų dujų srauto reguliatoriaus 4 kanalo rotametre). Trumpam nukeliamas dangtis ir supilama 10ml šviežiai paruošto tirpalo, turinčio ~ 1,5 g KI. Tirpalas pastoviai maišomas magnetiniu maišikliu ir nesmarkiai kaitinamas. Titruojama, prieš tai įdėjus 1-2ml krakmolo tirpalo. Taip titruojama kol išnyksta tamsi tirpalo spalva ir jis tampa šviesus. Titruojama du kartus. V1 = 27 mL, V2 = 26 mL, Vbendr. = 26,5 mL, cCu = mCu/(0,5 L MCu) = 0,0796 mol/L, c1V1 = c2V2, c(natrio tiosulfato) = 0,03002 mol/L. Reakcijų lygtys : Cu2+(aq. ) + 2I¯(aq. ) = CuI(k. ) + ½ I2(aq.), I2(aq. ) + S2O32- (aq. ) = 2I2(aq. ) + S4O62- (aq. ).SUPERLAIDININKO MILTELIŲ TITRAVIMAS
A titravimas
Tiksliai atsveriama 150 mg susintetinto superlaidininko ir titravimo stiklinėlėje ištirpinama 10ml 1M HCl. Truputį pašildoma, ištirpinama, tada ataušinama. Į stiklinėlę įstatomas kamštis ir pradedamos leisti N2 dujos (tirpalas nuolat maišomas). Tuomet supilama 10 ml šviežiai paruošto KI tirpalo, ir titruojama natrio tiosulfatu. V1 = 18,7 mL, V2 = 18,7 mL, Vbendr = 18,7 mL.B titravimas
Tiksliai atsveriama 150 mg susintetinto superlaidininko ir titravimo stiklinėlėje ištirpinama 10ml 1MHCl. Truputį pašildoma ,ištirpinama, tada ataušinama. Į stiklinėlę įstatomas kamštis ir pradedamos leisti N2 dujos (tirpalas nuolat maišomas). Tuomet supilamama 10 ml šviežiai paruošto KI tirpalo, ir titruojama natrio tiosufatu. V1= 22,5 mL, V2 = 22,7 mL, Vbendr. = 22,6 mL. Reakcijų lygtys : 2Cu3+(aq. ) + H2O(s. ) = 2Cu2+(aq. ) + ½ O2(d. ) + 2H+(aq. ), 2Cu3+(aq. ) + 3 I¯(aq. ) = 2CuI(k. ) + ½ I2(aq. ), Cu2+(aq. ) + 2I¯(aq. ) = CuI(k. ) + ½ I2(aq), I2(aq.) + 2S2O32-(aq. ) = 2I¯(aq. ) + S4O62-(aq. ). Vario oksidacijos laipsnio apskaičiavimas : n+ = 2 + ΔV/VA = 2,173, kur ΔV = VB Ц VA, o VA Ц yra A titravime sunaudotas natrio tiosulfatas, VB Ц B titravime sunaudotas natrio tiosulfatas. SUPERLAIDININKO TABLETĖS TITRAVIMASA titravimas
Tabletė su didesne varža smulkiai sugrūdama. Tada tiksliai atsveriama 150 mg superlaidininko tabletės ir titravimo stiklinėlėje jis ištirpinamas 10 ml 1M HCl. Truputį pašildoma, ištirpinama ir ataušinama. Į stilinėlę įstatomas kamštis ir pradedamos leisti N2 dujos. Tuomet supilama 10 ml šviežiai paruošto KI tirpalo ir titruojamas natrio tiosulfatu. V1 =18,8ml V2 = 18,6ml Vbendr =18,7ml B titravimas Tisliai atsveriama 150 mg superlaidininko tabletės ir titravimo stiklinėlje ištirpinama 10 ml 1M HCl. Truputį pašildoma, ištirpinama ir ataušinama. Į stiklinėlę įstatomas kamštis ir pradedamos leistis N2 dujos. Tuomet supilama 10 ml šviežiai paruošto KI tirpalo, ir titruojama natrio tiosulfatu. V1 =22,8ml V2 =22,6ml Vbendr =22,7ml Reakcijos vyksta analogiškos kaip superlaidininko miltelių titravime. Vario oksidacijos laipsnio nustatymas : n+ = 2 + ΔV/VA =2+0,177=2,177 KRITINĖS TEMPERATŪROS NUSTATYMAS IŠ VARŽOS PRIKLAUSOMYBĖS NUO TEMPERATŪROS MATAVIMŲ Iškaitintos tabletės kritinė temperatūra yra nustatoma iš jos varžos priklausomybės nuo temperatūros (~ 300 - 77 K intervale) keturių kontaktų būdų. Šiuo būdu eliminuojamos kontaktinės varžos ir matuojamas įtampos kritimas tik medžiagoje, tekant per ją srovei, kuri yra tiesiog proporcinga medžiagos varžai. Darbo eiga. Ant tabletės paruošiamos keturios vietos kontaktams, tada ji įstatoma į laikiklį, taip, kad visi kontaktai būtų ant jiems paruoštų vietų. Srovės šaltinyje nustatoma 10 V įtampa, o varžyne Ц 40 Ώ važa. Įjungiamas svorės šaltinis ir saviraščio plunksna pakeliama 12 cm popieriaus skalėje, ampermetras rodo 226 mA srovės stiprumą. Tada nuimamas dangtis ir į diuarą įleidžiamas kontaktų (tabletės) laikiklis. Įsitikinama, kad saviraščio plunksa yra pakelta, tada leidžiamas laikiklis gilyn į diuarą tol, kol pasimerkia į skystą azotą. Tačiau iš plunksnos padėties kitimo nusprendžiama, jog kontaktų laikiklis yra per greitai atšaldomas, todėl jis ištraukiamas iš skysto azoto ir palaukiama kol plunksna sugrįš į pradinę padėtį, tada vėl iš lėto laikiklis nuleidžiamas į skystą azotą. Laukiama ~10 minučių. Tada pakeliamas laikiklis virš skysto azoto paviršiaus, jo vamzdis įtvirtinamas stove ir paliekamas lėtai atšilti, beveik iki kambario temperatūros. Atšilimo metu brėžiama tabletės varžos (tiksliau jai proporcingo įtampos kritimo) priklausomybė nuo temperatūros. LEVITACIJOS REIŠKIMO STEBĖJIMAS Tabletė įmetama į mėgintuvėlį, o ant jos užmetamas magnetukas. Į tam skirtą samtelį pilamas, iš diuaro, skystas azotas, kuris po to per piltuvėlį pilamas į mėgintuvėlį ant tabletės tol, kol po intensyvaus garavimo periodo mėgintuvėlyje lieka skysto azoto sluoksnis. Tuomet stebimas magnetuko pakilimas ir levitavimas virš tabletės. Levitacijos aukštis yra ~ 2 Ц 3 mm. Galutinius darbo rezultatus
| medž. forma | R, W | tabletes masė, storis | d, g/cm3 | jodometr.titr-as m(g), v(1) ir V(2), ml | formulė | Dm* po kaitinimo % | Tc, DTc, K |
| milt.po kaitinimo | 3,7593 | 0,150g 18,7ml 22,6ml | YBa2Cu3 2,173 O6,82 | 11,64 | |||
| tabletė | 5,9 | 0,8502 1,3 | 4,927 | 0,150g 18,6ml 22,7ml | YBa2Cu3 2,177 O6,64 | 0,20 | |
| tabletė | 6,0 | 0,8493 1,3 | 4,922 | Tc0=86,5K Tc=90K DTc=3,5K |