Limitations of conversion factor approaches in the synthesis of complex oxide superconductors: a case study on Y123 and Y358

Yıl 2025, Cilt: 15 Sayı: 4, 1282 - 1290, 15.12.2025

İbrahim Düzgün

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1786375

https://izlik.org/JA43KF48HC

Öz

Accurate precursor calculation is essential for the successful synthesis of oxide-based superconductors. This study compares two commonly used methods stoichiometric balance and conversion factor (CF) approaches in the synthesis of YBa2Cu3O7-δ (Y123) and Y3Ba5Cu8O18+δ (Y358) superconductors. The analysis reveals that CF methods introduce substantial systematic errors, particularly for Y2O3, with deviations reaching 21.2% in Y123. These errors are exacerbated in Y358 due to its increased stoichiometric complexity. Unlike stoichiometric methods, CF approaches neglect volatile losses such as CO2 and fail to adjust for oxygen non-stoichiometry (δ variations), leading to misestimations in precursor masses. Statistical tests (χ2 < 0.001, RMSE) and experimental data confirm that these inaccuracies can negatively impact phase purity and crystallographic quality. A strong correlation (R2 = 0.847) between stoichiometric accuracy and phase formation quality emphasizes the importance of rigorous calculation. This study highlights the inherent limitations of CF-based shortcuts and underscores the necessity of comprehensive stoichiometric modeling, especially in complex oxide systems. The findings also provide an educational framework to address common misconceptions in materials synthesis, particularly for early-stage researchers in solid-state chemistry and materials science.

Anahtar Kelimeler

Conversion factors , Precursor optimization , Stoichiometric calculations , Synthesis accuracy YBCO superconductors

Destekleyen Kurum

This study was financially supported by the Scientific Research Projects Coordination Unit (GÜBAP) of Gümüşhane University under the project number 13.F5120.02.1.

Proje Numarası

13.F5120.02.1

Teşekkür

The author also extends sincere thanks to the editors and reviewers for their valuable evaluations and constructive feedback during the peer review process.

Kompleks oksit süperiletkenlerin sentezinde dönüşüm faktörü yaklaşımlarının kısıtları: Y123 ve Y358 örneği

https://izlik.org/JA43KF48HC

Öz

Oksit bazlı bazlı süperiletkenlerin başarılı bir şekilde sentezlenebilmesi için doğru öncül hesaplaması kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, YBa2Cu3O7-δ (Y123) ve Y3Ba5Cu8O18+δ (Y358) süperiletkenlerinin sentezinde yaygın olarak kullanılan iki yöntemi stokiyometrik dengeleme ve dönüşüm faktörü (CF) yaklaşımlarını karşılaştırmaktadır. Analizler, CF yöntemlerinin özellikle Y2O3 için %21,2’ye varan ciddi sistematik hatalar içerdiğini ortaya koymaktadır. Bu hatalar, Y358 bileşiğinin artan stokiyometrik karmaşıklığı nedeniyle daha da şiddetlenmektedir. Stokiyometrik yöntemlerin aksine, CF yaklaşımları CO2 gibi uçucu kayıpları göz ardı etmekte ve oksijen stokiyometrisi (δ varyasyonları) için herhangi bir ayarlama yapmamaktadır. Bu da öncül kütlelerinde hatalı tahminlere yol açmaktadır. Yapılan istatistiksel testler (χ2 < 0.001, RMSE) ve deneysel veriler, bu hataların faz saflığını ve kristalografik kaliteyi olumsuz etkileyebileceğini doğrulamaktadır. Stokiyometrik doğruluk ile faz oluşumu kalitesi arasında gözlenen güçlü korelasyon (R2 = 0.847), titiz hesaplamaların önemini vurgulamaktadır. Bu çalışma, CF tabanlı kestirme yolların doğasında var olan sınırlamaları ortaya koymakta ve özellikle karmaşık oksit sistemlerinde kapsamlı stokiyometrik modellemenin gerekliliğinin altını çizmektedir. Bulgular ayrıca, özellikle katı hal kimyası ve malzeme bilimi alanlarında erken aşamadaki araştırmacıların sıkça karşılaştığı kavramsal hatalara karşı eğitici bir çerçeve sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

Dönüşüm faktörleri , Ön madde optimizasyonu , Stokiyometrik hesaplamalar , Sentez doğruluğu , YBCO süperiletkenleri

Proje Numarası

13.F5120.02.1

Kaynakça

• Aliabadi, A., Akhavan-Farshchi, Y., & Akhavan, M. (2009). A new Y-based HTSC with Tc above 100 K. Physica C, 469, 2012-2014. https://doi.org/10.1016/j.physc.2009.09.003
• Aliabadi, A., Akhavan-Farshchi, Y., & Akhavan, M. (2014). Flux Dynamics in Y358 and Gd358 Superconductors. J Supercond Nov Magn. 27, 741-748. https://doi.org/10.1007/s10948-013-2367-1
• Bordet, P., Chaillout, C., Chenavas, J., Hodeau, J. L., Marezio, M., Karpinski, J., & Kaldis, E. (1988). Structure determination of the new high-temperature superconductor Y2Ba4Cu7O14+x. Nature, 334, 596-598. https://doi.org/10.1038/334596a0
• Chu, C.W., Hor, P. H., Meng, R. L., Gao, L., Huang, Z. J., & Wang, Y. Q. (1987). Evidence for superconductivity above 40 K in the La-Ba-Cu-O compound system. Phys. Rev. Lett, 58, 405-407. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.405
• Düzgün, İ. (2018). The investigation of the lattice strains and crystallite sizes of Y358 and Y123 high-temperature superconductors. Turkish Journal of Physics, 42, 378-385. https://doi.org/10.3906/fiz-1802-27
• Gholipour, S., Daadmehr, V., Rezakhani, A. T., Khosroabadi, H., Tehrani, F. S., & Akbarnejad, R. H. (2012). Structural Phase of Y358 Superconductor Comparison with Y123. J Supercond Nov Magn. 25, 2253-2258. https://doi.org/10.1007/s10948-012-1611-4
• Jorgensen, J. D., Veal, B.W., Paulikas, A. P., Nowicki, L. J., Crabtree, G. W., Claus, H., & Kwok, W. K. (1990). Structural properties of oxygen-deficient YBa2CuO7-δ. Physical Review B, 41, 1863-1877. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.1863
• Marsh, P., Fleming, R. M., Mandich, M. L., DeSantolo, A. M., Kwo, J., Hong, M., & Martinez-Miranda, L. J. (1988). Crystal structure of the 80 K superconductor YBa2Cu4O8. Nature, 334, 141-143. https://doi.org/10.1038/334141a0