High temperature superconductor (HTS) thin film device applications for IoT
IoT için yüksek sıcaklık süper iletken (HTS) ince film cihaz uygulamaları
- Tez No: 953162
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT KALELİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Süleyman Demirel Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 188
Özet
Nesnelerin interneti (IoT), yapay zekâ, dijital dönüşüm ve dijitalleşmenin hızla ilerlemesi, veri merkezlerini, otomasyonu, telekomünikasyonu, tüketici elektroniğini, veri ve görüntü işlemeyi, sağlık teşhislerini, dijital pazarlamayı, güvenliği, savunmayı ve otomotiv endüstrilerini etkilemektedir. Bu sektörler, daha düşük güç tüketimiyle daha yüksek performans ve verimliliği hedefleyerek teknolojik değişikliklere uyum sağlamaktadır. Dünya çapındaki araştırma ve geliştirme kurumsal kuruluşları daha hızlı performans ve daha düşük güç tüketimi cihazlarının trendini takip etmektedir. Türkiye Cumhuriyeti Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, G20 ülkelerinin etkili bir üyesi olan Türkiye'nin 2025 yılında beklenen güç tüketim gereksiniminin 380,2 TWh olduğunu duyurdu. Öte yandan, Uluslararası Enerji Ajansı IEA'ya (Buckley, 2024) (Beth Kindig, 2024) göre 2026'da yapay zekâ ve veri merkezleri için beklenen küresel güç tüketimi 1000 TWh'dir. Yüksek sıcaklık süperiletken malzemeler ve süperiletkenlik, termal kaybın sıfıra yaklaştığı enerji tüketimi ile yüksek performanslı ve verimli cihaz uygulamaları için vaat edilen bir geleceği sunmaktadır. Kuantum bilgisayar ve kuantum bit'ler de günümüzde trend olan konulardır. Süperiletkenlerin pasif elektronikte kullanım pazarı küresel ölçekte önemli ölçüde artmıştır. Bu araştırma çalışmasında, MgO, STO, LAO; ve AO alt tabaka malzemelerinin ve 900 günlük yaşlanma zaman faktörünün YBCO HTS ince film formunun süperiletkenliği üzerindeki etkisi karakterize edilmiştir. YBCO HTS- altın için kullanılan altlık malzemeleri, heterojen kalın paralel levhalı (sandviç yapı) pasif elektronik kapasitör cihazı için dielektrik malzeme olarak işlevselleştirilmiştir. Kapasitör aygıtın yapısı; Au/YBCO HTS/MgO, STO, LAO, AO/Ag, Cu (saçtırma ve buharlaştırma ile kaplama) olup, -25 V'tan 25 V'a kadar 5 V'luk adımlarla DC voltaj aralığında, 100, 500 KHz, 1, 5 ve 10 MHz frekanslarda ve oda ve sıvı azot kaynama noktası (77 K) sıcaklıklarında, 5280 adet ölçüm ile elektriksel olarak karakterize edilmiştir. YBCO HTS'nin kristal yapısını, süperiletken kararlılığını ve cihazın yaşlanma süresi ve maliyet faktörleri açısından üstün elektriksel özellikleri özetlenmiştir. Detaylı ölçümler göstermiştir ki; cilasız tarafına saçtırma yöntemi ile 100 nm Au kaplanmış tek tarafı cilalı safir (AO) r-düzlemi (100) üzeri seryum oksit ile tamponlanmış, 300 nm'lik bir katmandan oluşan YBCO HTS ince film üzerinde π mm²'lik bir alan (1 mm maskenin çapı) ile yaklaşık 200 nm'lik dairesel bir gümüş üst elektrot ile oluşturulmuş kapasitör cihazı; oda sıcaklığında 0,53 nF'lik bir kapasitans, 10 MHz'de 16,87 nF/cm²'lik bir kapasitans yoğunluğu, 100 kHz'de ~200'lük bir kalite faktörü (Q) ve ~400 Ω'luk bir eşdeğer seri dirence (ESR) sahiptir. Sıvı nitrojenin kaynama noktası (77 K) sıcaklıklarında yapılan ölçümler, yine π mm²'lik bir alan üzerinde 20,7 nF'lik bir kapasitans, 10 MHz'de 658,5 nF.cm⁻² kapasitans yoğunluğu sonuçlarını vermiştir. Yine sıvı nitrojenin kaynama noktası (77 K) sıcaklığı 100 KHz frekansta Q değeri yaklaşık 1000 ve ESR değeri yaklaşık 30 Ω' dur ki bu süperiletkenlik etkisi nedeniyle ciddi bir iyileşmeyi işaret etmektedir. Seryum tampon katmanlı safir (AO) üzerine büyütülen 300 nm YBCO HTS ince film, 5 × 5 μm'lik bir alan üzerinde 13,04 nm'lik bir yüzey pürüzlülüğü (Ra) ve 16,95 nm'lik bir ortalama karekök (RMS) değeri göstermiştir. Bu Sıvı nitrojenin kaynama noktası (77 K) üzerinde kritik sıcaklığa sahip tek numunedir (HTS) ve 900 günlük yaşlanma sonrasında ΔTC< 1 K'de 79 K'lik keskin bir süperiletken faz geçişi göstermektedir. XRD analizleri, bu filmlerin c ekseninde epitaksiyel olarak yüksek oranda yönlendirilmiş olduğunu, herhangi bir safsızlık veya istenmeyen faz içermediğin doğrulamıştır.
Özet (Çeviri)
The significant fast evolution of the technologies of the Internet of Things, artificial intelligence, digital transformation; and digitalization are affecting the industries of data centers, automation, telecommunications and user end device handset, data processing, image processing, human health and medical diagnoses instruments, digital marketing, security and defense; and automobiles. These industries are running to meet the evolution of technologies. And the target is higher performance and efficiency devices with low power consumption. Worldwide research and development institutional organizations are following the trend of faster performance and lower power consumption devices. Turkey one of the effective G20 countries announced that 380.2 TWh is the 2025 expected power consumption requirement, according to the Ministry of Energy and Natural Resources, republic of Turkey (ministry of energy and natural resources republic of Turkey, 2025). While 1000 TWh is the expected global power consumption for the AI and datacenters in 2026, according to International Energy Agency IEA (Buckley, 2024) (Beth Kindig, 2024). The high temperature superconductor materials and superconductivity are offering promised future for high performance and efficient devices applications with very low power consumption approach the zero dissipated energy due to thermal loss. Quantum computer quantum bit is the trending topic nowadays. The global market of the passive electronics of superconductors has increased significantly. In this research study, the influence of substrate materials of MgO, STO, LAO, and AO and the aging time factor of 900 days on the superconductivity of YBCO HTS thin film form has been characterized. The substrate materials used for YBCO HTS - coated gold have been functionalized as dielectric material for heterogenous thick parallel plate (sandwich) structure passive component electronic capacitor device. The capacitor devices structure of Au pads/YBCO HTS/MgO, STO, LAO; and AO/Ag, Cu (sputtered and evaporated) has been characterized electrically with 5280 measurements, function of DC bias voltage from -25 V to 25 V with step of 5 V, frequency range of 100 kHz - 10 MHz, and temperature measurement condition of room temperature and liquid nitrogen boiling point of 77 K. We have summarized the crystal structure of YBCO HTS, its superconductive stability, and the device's superior electrical properties concerning aging time and cost factors. Attractive and valuable measurements show that a YBCO HTS thin film device, consisting of a 300 nm layer coated with 100 nm of Au via in-situ sputtering on a single polished sapphire (AO) r-plane (100) cut to 10 × 10 × 0.5 mm, buffered with cerium oxide, and featuring a circular silver top electrode contact of approximately 200 nm over an area of π mm² (diameter of 1 mm mask), exhibits a capacitance of 0.53 nF at room temperature, resulting in a capacitance density of 16.87 nF/cm² at 10 MHz, with a quality factor (Q) of ~200 at 100 kHz and an equivalent series resistance (ESR) of ~400 Ω. At the boiling point of liquid nitrogen (77 K) (LNBP), a capacitance of 20.7 nF over an area of π mm² corresponds to 658.5 nF.cm⁻²at 10 MHz. The Q value is around 1000 at 100 KHz, with an ESR of about 30 Ω indicating a significant improvement due to the superconductivity effect. The 300 nm YBCO HTS thin film grown on sapphire with a cerium buffer exhibited a surface roughness (Ra) of 13.04 nm and a root mean square (RMS) value of 16.95 nm over a 5 × 5 μm area. It was the only sample that remained in the HTS state with a critical temperature above the LNBP of 77 K, demonstrating a sharp phase transition response of 79 K at ΔTC < 1 K after 900 days of aging. XRD measurements confirmed that the film was highly c-axis epitaxially oriented, without impurities or unwanted phases.
Benzer Tezler
- Electric and magneto-transport properties of magnetic and superconductive iron pnictide and skutterudite compounds
Magnetik ve süperiletken demir pniktid ve skutterudit bileşiklerinin elektrik ve magneto-transport özellikleri
MURAT SERTKOL
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIRHAN ÖNER
- Fabrication of Lu doped YBCO thin films by pulsed laser deposition technique and their characterization
Lu katkılı YBCO ince filmlerinin puls-lazer yığma tekniğiyle yaplması ve karakterizasyonu
BAHTİYAR ŞİRVAN SEZER
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DOĞAN ABUKAY
- Enerji nakil hattında kullanılan yüksek sıcaklık süperiletken (HTS) kablo ile geleneksel bakır kablo karşılaştırması
Comparison of high temperature superconductor (HTS) cable used in energy transmission line and traditional copper cable
AHMET BURAK SANLAV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiGümüşhane ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET BAŞOĞLU
- İçi boş silindirik yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin manyetik perdeleme özelliklerinin sonlu elemanlar yöntemi ile iyileştirilmesi
Improvement of magnetic shielding properties of hollow cylindrical high temperature superconductors using the finite element method
ALPER KARA
Doktora
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ÖZTÜRK
- Yüksek sıcaklık süperiletkenlerine nano parçacık katkılama etkilerinin incelenmesi
Investigation of effects of doping of nanoparticles on high-temperature superconductors
DENİZ YILDIRAN
Doktora
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiNiğde Ömer Halisdemir ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM KARACA