Comportamiento magnético y estructural del sistema. La _1.5−xBa_1.5+x−yCa_yCu₃O_z 0.2 ≤ x ≤ 0.4 y 0.3≤ y ≤0.5

Magnetic and structural behavior of La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z system 0.3≤ x ≤0.4 and 0.4≤ y ≤0.5

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Dentro de los descubrimientos más representativos en el campo de los materiales en las últimas décadas del siglo XX e inicios del siglo XXI, los más destacables son los producidos en el campo de los materiales cerámicos. Ello ha requerido el replanteo de conceptos, metodologías y el uso de nuevos y sofisticados procedimientos experimentales. Recíprocamente, el progresivo avance de la tecnología ha incrementado el interés en la búsqueda de nuevos compuestos con propiedades potencialmente aplicables en la industria, con el fin de optimizar procesos, disminuir costos y preservar el medio ambiente. Los anteriores factores crean la impetuosa necesidad de buscar de forma continua nuevas técnicas de síntesis, técnicas de tratamiento térmico o aplicar las técnicas existentes para lograr compuestos con una colección de propiedades que permitan satisfacer las necesidades de nuestros días [3].

Lo que comúnmente se denomina proceso de síntesis, constituye la frontera permanente en el descubrimiento de nuevos materiales. Un concepto fundamental asociado al desarrollo de nuevos materiales establece que todo material es el resultado de un proceso de fabricación, en donde, partiendo de unas materias primas específicas, obtenidas a través de un estricto y controlado procedimiento, y haciendo uso de técnicas de sinterizado se llega a una estructura característica (Redes de Bravais). Esta estructura es la responsable de las propiedades del material que son las que le confieren su comportamiento y potenciales aplicaciones. Es por esto que en las últimas décadas la intensa actividad en el estudio de los materiales cerámicos con estructura tipo perovskita se ha intensificado y está justificada en la posibilidad de variar la posición de los átomos dentro de la red cristalina, originando innumerables propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas, mecánicas, catalíticas y térmicas [4].

Dentro de este contexto la combinación de propiedades específicas en un compuesto permite alcanzar diversos grados de multifuncionalidad, lo cual es un reto dentro del campo de la físico-química del estado sólido. Diferentes propiedades físicas de los materiales tipo perovskita se relacionan con variables como la composición química, la pureza de sus fases, defectos superficiales, estructura cristalina, morfología, condiciones de sinterización, más aún, el control de estos parámetros es crítico dentro de los procesos de producción de este tipo de compuestos [4].

Dos características fundamentales de los óxidos superconductores de alta temperatura crítica (OSATc) son su pequeña longitud de coherencia y su alta anisotropía. Uno de los sistemas más extensamente estudiado es el sistema ortorrómbico Y.Ba.Cu.O_7-d (YBCO). Este sistema presenta algunas características interesantes; el compuesto parece ser más anisotrópico cuando su estructura pasa de ortorrómbica a tetragonal. El sistema CaLaBaCu₃O_7-d (CLBCO), es un sistema superconductor de tipo TR: 123 con T_c = 78 K. (cuando 7-d = 6.90) que posee una estructura tetragonal para todos los valores posibles de oxígeno [2]. Estructuralmente similar al YBCO deficiente de oxígeno, el CLBCO se ha convertido en un excelente sistema para estudiar sus propiedades superconductoras y el efecto de las fluctuaciones superconductoras.

El CLBCO fue descubierto en 1988 por W. T. Fu [3] y D. M. De Leeuw [5] a través de estudios de sustitución y dopaje de los compuestos TR-123. Ellos observaron que el LaBaCaCu₃O_x posee una estructura tetragonal isomorfica, tipo YBaCu₃O_7-d, con el Ca y el La localizados en los sitios de Y y de Ba, presentando una temperatura crítica de aproximadamente 80 K. La fase tetragonal representa simetría de grupo espacial P4/mmm. Este compuesto es denominado comúnmente de TR: 1113 o CLBCO y es un prototipo de TR: Ba₂Cu₃O₇, donde 40 % del sitio de TR es ocupado por el ion de Ca y el 60 % restante es ocupado por el ion de La. Uno de los sitios de Bario es ocupado por una distribución de iones de Ca y La. Esta distribución hace que los sitios de oxígeno O(4) y O(5), en las cadenas, estén aleatoriamente ocupados, formando así una estructura tetragonal independientemente del contenido de oxígeno [6]. Al contrario de la estructura de los elementos TR-123 el CLBCO presenta una estructura siempre tetragonal independiente del contenido de oxígeno con a = b = 3.8655 Å y c = 11.6354 Å, el contenido de oxígeno en ese compuesto es de aproximadamente 7.0. West y colaboradores propusieron el diagrama de fase para el sistema La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z en condiciones normales de presión a una temperatura de 950 °C con 0<x<0.5 y 0<y<0.5 [7]. West observó que la estructura del sistema La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z puede coexistir con pequeñas cantidades de BaCuO₂, Ca₂CuO₃ y CuO y que para ser obtenida una estructura monofásica es preciso usar x≥0.5 y 0.2<y<0.5, obteniendo una temperatura crítica de 77 K. con parametros x=0.5 y y=0.5. Los resultados se esquematizan en la Fig. 1, ampliando la escala de la zona de fase Fig. 2 donde se puede observar los sistemas de estudio.

Fig. 1

Fig. 2

Las muestras superconductoras de La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z fueron preparadas a través del método de reacción de estado sólido. Los óxidos utilizados La₂O₃(Aldrich, 99.999%), BaCO₃(Aldrich 99.999%) CaO(Aldrich, 99.999%), y CuO(Aldrich, 99.999%). Para poder ser utilizados el La₂O₃ y CuO se secaron a 600 ºC, el BaCO₃ y CaO a 250 ºC, durante 4 h. Cantidades apropiadas de dichos óxidos se maceraron y fueron colocados en crisoles llevados a un horno de mufla a 750 ºC durante 24 h para el descarbonatado. Las muestras fueron nuevamente maceradas y llevadas a temperaturas entre 800 ºC y 850 ºC. Las muestras se maceraron y se llevaron al horno hasta obtener productos monofásicos. En los casos en que las muestras no eran de una sola fase, se les dio un tratamiento de calor adicional a una temperatura algo superior hasta obtener una fase pura. Un último tratamiento térmico (oxigenación) fue realizado con flujo de oxígeno disminuyendo la temperatura desde 850 ºC a temperatura ambiente y una disminución gradual con una razón de 20 ºC. por hora.

Las medidas de difracción fueron realizadas utilizando un difractómetro comercial de rayos X con radiación 𝐾𝛼, de Cu con longitud de onda 1.5406 Å de la Universidad Nacional. Todas las muestras fueron analizadas a través de la técnica de Difracción de Rayos X (DRX) con un paso ∆θ=0.02 , en el rango de 20 a 90 grados y un tiempo de conteo de 2 s. El análisis de Microscopia Electrónica de Barrido se realizó con un equipo JOEL, modelo JSM 6490-LV de la Universidad de los Andes. En todas las muestras se realizó un procedimiento similar, observándolas a diferentes aumentos: 3000X y 6000X por medio de los métodos de electrones secundarios (referenciado en las micrografías como ETD). Igualmente se estudiaron las muestras a partir de la técnica EDX con el fin de detectar la presencia de los elementos constituyentes de las muestras de La1.5+xBa1.5+x-yCa_yCu₃O_z.

El sistema La_1.5+xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z fue analizado a partir de bases de datos cristalográficas tales como la ICSD, comparándolo con el modelo propuesto por West [1] y otros [5], el modelo teórico utilizado para comparar las muestras superconductoras se encuentra en la Tabla 1. El resultado de los difractogramas obtenidos para las muestras de La_1.5+xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z, en la Fig. 4, se observa que es muy consistente con lo esperado, pues evidencia la estructura tetragonal predicha por West [1].

Tabla 1

Los difractogramas experimentales fueron comparados con el modelo estructural propuesto por West [2]. A partir de este modelo se generó la celda unitaria del CLBCO, la cual fue comparada con cada difractograma y finalmente se concluyó, al igual que West, que el modelo consistente correspondía al de los datos consignados en la Tabla 1. En esta tabla se consigna el grupo espacial, que corresponde a la estructura tetragonal, los parámetros de red, la posición atómica de cada uno de los iones en la celda y su factor de ocupación. A partir de estos datos fue posible modelar la estructura ideal en el programa PowderCell, denominado modelo teórico, para efectos del refinamiento de los datos de difracción. La estructura ideal del sistema La_1.5+xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z, así como su difractograma más probable Fig. 3. Una primera inspeccion a los difractogramas experimentales permite afirmar que las muestras producidas sí corresponden a una estructura con las características esperadas. En la Fig. 4 se presentan todos los difractogramas obtenidos experimentalmente, y se diferencia cada muestra con un color diferente.

Fig. 3

Fig. 4

Una comparación más estricta de todas las muestras se presenta en la Fig. 5, en ella se representa en diferente color las muestras de acuerdo con la simbología manejada. El análisis de esta imagen permite concluir que las muestras son de fase pura pues presentan las mismas características de otras muestras del mismo sistema La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z.

Fig. 5

De las muestras producidas, la única que presenta picos de impureza que no corresponden a la estructura ideal es la composición La_1.1Ba_1.6Ca_0.3Cu₃O₇. Las fases minoritarias fueron determinadas a partir del software DRXwin y RunCreafit, estableciendo que las impurezas presentes corresponden a fases minoritarias de Ba₂CuO₃, BaCuO₂, CuO.

En la Fig. 6 se muestra el resultado del refinamiento Rietveld para la composición La_1.2Ba_1.3Ca_0.5Cu₃O₇, donde la línea roja corresponde al patrón experimental, la línea negra el patrón teórico ajustado en el programa FullProf, las líneas verdes representan las reflexiones de Bragg de la fase utilizada y la línea azul la diferencia entre el patrón ajustado y el patrón experimental.

Fig. 6

En la Tabla 3 se muestran los resultados obtenidos para los parámetros de red y los parámetros X² y R(F²) del refinamiento Rietveld para el sistema La_1.5-xBa1_.5+x-yCa_yCu₃O_z. Se observa que la variación de La, Ba y Ca en el sistema no afecta de forma notoria los parámetros de red, lo cual es un indicio de la estabilidad estructural del sistema y de su alta anisotropía planar a<

Tabla 3

De los análisis de las micrografías, y a partir de los difractogramas de las mismas, se puede establecer que el sistema La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z, presenta una fase superconductora pura; lo cual comprueba las afirmaciones realizadas anteriormente. En las Figs. 7 y 8 se puede ver una representación típica de las características morfológicas de este tipo de muestras. De estas figuras se puede establecer que la fase superconductora se conformó de una manera similar en cada muestra [8,9]. Igualmente se corrobora que no hay presencia de impurezas y que estas muestras cumplen con la estequiometria esperada. La técnica EDX permitió establecer el porcentaje de los elementos químicos en cada muestra, estos resultados pueden ser vistos en la Tabla 2.

Fig. 7

Fig. 8

La Fig. 9 se muestra la curva de magnetización ZFC en función de la temperatura, la cual es típica de un material superconductor; se muestra la forma como se calculó la temperatura crítica en cada una de las muestras.

Fig. 9

En la Tabla 4 se consigna los resultados obtenidos para los valores de la temperatura crítica todas con un campo aplicado de 200 Oe.

Tabla 4

En la Fig. 10 se representa la Tc Vs x, se evidencia que al variar los parámetros x e y del sistema La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z se presenta un cambio en la temperatura crítica; comparando [1,8,10], con los resultados obtenidos se ve claramente como la Tc crece con el incremento de x e y.

Fig. 10

El método de reacción de estado sólido permitió producir las muestras del sistema La_1.5+xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z demostrando que efectivamente todas las muestras sinterizadas poseen la estructura cristalina esperada.

Los análisis de Microscopía electrónica de barrido permitieron ver una representación típica de las características morfológicas de materiales superconductores. Estableciendo que la fase superconductora se conformó de una manera similar en cada muestra. Igualmente se corroboró que no hay presencia de impurezas en las mismas y que estas muestras cumplen con la estequiometria. La técnica EDX permitió establecer el porcentaje de los elementos químicos en cada muestra, esta nos mostró una aproximación de las estequiometrias de las muestras y ver su coherencia.

El refinamiento Rietveld de las medidas de Difracción de rayos X, así como las de microscopia electrónica de barrido permitieron inferir de manera indudable que las muestras producidas del sistema La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z son efectivamente de fase pura. Corroborando que todas las muestras corresponden a una estructura tetragonal con grupo espacial P4/mmm. Los resultados permitieron establecer que los sistemas de La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z, se ajustan a los parámetros estructurales, corroborando su alta anisotropía.

Se observa que al variar los parámetros x e y del sistema La_1.5-xBa_1.5+x-yCa_yCu₃O_z la temperatura crítica cambia; se presenta una disminución de la temperatura crítica a medida que los parámetros x e y disminuyen.