- Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu NGUYỄN VĂN THẮNG Nghiờn cứu đặc trưng chuyển pha siờu dẫn loại 2 của hệ siờu dẫn Bi(Pb)-2223 pha tạp Li chế tạo bằng phương phỏp phản ứng pha rắn. - chuyên nghành: vật liệu điện điện tử LUậN VĂN THạC Sỹ kỹ thuật Ng−ời h−ớng dẫn: TS. - Em xin bày tỏ lũng cảm ơn tới cỏc thầy cụ, cỏn bộ Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS. - MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: Tổng quan hệ siờu dẫn nhiệt độ cao chứa Bismuth . - Hệ vật liệu siờu dẫn nhiệt độ cao chứa Bismuth . - Cấu trỳc vi mụ trong chất siờu dẫn. - Cấu trỳc và tớnh chất của hệ siờu dẫn BSCCO. - Quỏ trỡnh hỡnh thành pha trong HC siờu dẫn nhiệt độ cao BSCCO Cỏc phương phỏp chế tạo bột siờu dẫn nhiệt độ cao BSCCO Màng siờu dẫn nhiệt độ cao chứa Bismuth. - Ứng dụng của hợp chất siờu dẫn nhiệt độ cao. - .28 CHƯƠNG 2: Thực nghiệm Cỏc phương phỏp nghiờn cứu. - 29 2.1.1.Đo điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. - Phương phỏp chế tạo mẫu. - 40 2.2.1.Phương phỏp chế tạo bột siờu dẫn bằng phương phỏp phản ứng pha rắn......40 Luận văn tốt nghiệp. - Đặc trưng điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ. - Đường cong từ trễ và mật độ dũng tới hạn KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo DANH MỤC CÁC HèNH VẼ, BẢNG BIỂU Hỡnh 1.1 Quỏ trỡnh tiến triển theo thời gian của nhiệt độ chuyển pha siờu dẫn Tc Hỡnh 1.2 Ảnh của cỏc xoỏy tam giỏc trong chất siờu dẫn nhiệt độ cao họ BiSrCaCuO nhận được bằng phương phỏp bột từ Hỡnh 1.3 Cấu trỳc xoỏy tứ giỏc (a) và tam giỏc (b) Hỡnh 1.4 Cấu trỳc tinh thể của cỏc pha Bi-2201, Bi-2212 và Bi-2223. - Hỡnh 1.5 Điện trở suất theo trục c (ρc) và điện trở suất theo mặt ab (ρab) của đơn tinh thể siờu dẫn Bi2Sr2Ca2Cu3O10. - Hỡnh 1.6 Đường cong điện trở suất tỉ đối phụ thuộc nhiệt độ R(T)/R(140 K) của gốm siờu dẫn Bi-2223. - Hỡnh 1.7 Đường cong từ độ phụ thuộc từ trường ngoài đối với chất siờu dẫn loại II. - Hỡnh 1.8 Quy trỡnh chế tạo cỏc mẫu siờu dẫn nhiệt độ cao bằng phương phỏp phản ứng pha rắn Hỡnh 1.9 Phương phỏp cỏn. - Hỡnh 1.10 Phương phỏp in lưới. - Hỡnh 1.11 Phương phỏp quay phủ. - Hỡnh 1.12 Phương phỏp nhỳng. - Hỡnh 1.13 Phương phỏp cỏn ộp. - Hỡnh 1.14 Dõy dẫn điện bằng vật liệu siờu dẫn. - Hỡnh 1.15 Tàu chạy trờn đệm từ (Nhật Bản) Hỡnh 1.16 Thiết bị cộng hưởng từ (MRI) dựng trong y học và ảnh chụp nóo người. - Hỡnh 1.17 Mỏy phỏt điện và mỏy biến thế. - Hỡnh 2.1 Sơ đồ bốn mũi dũ và cỏc đường dũng gần hai mũi dũ dũng:1,4-mũi dũ dũng. - Hỡnh 2.2 Mẫu đo với cỏc kớch thước cú liờn quan đến thừa số hiệu chỉnh. - Hỡnh 2.3 Sơ đồ buồng mẫu hệ đo điện trở bốn mũi dũ được làm lạnh bằng khớ He. - Hỡnh 2.4 Hệ thống kẹp mẫu đo điện trở bằng phương phỏp bốn mũi dũ Hỡnh 2.5 NNhhiiễễuu xxạạ ttiiaa XX ((BBrruukkeerr DD55000055)) Hỡnh 2.6 Kớnh hiển vi điện tử quột SEM (Jeol 5410 LV) Hỡnh 2.7 Mối liờn hệ giữa từ độ m, từ trường xoay chiều và cỏc thành phần χ′ và χ′′ của hệ số từ hoỏ động. - Hỡnh 2.8 Sơ đồ nguyờn lý của phộp đo hệ số từ hoỏ động. - Hỡnh 2.9 Quy trỡnh chế tạo bột siờu dẫn bằng phương phỏp gốm Hỡnh 3.1 Cỏc đặc trưng điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu Bi(Pb)-2223. - Hỡnh 3.2a Đặc trưng đts phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu Bi(Pb)-2223. - Hỡnh 3.2b Đường vi phõn điện trở suất tỉ đối theo nhiệt độ của hệ mẫu Bi(Pb)-2223. - Hỡnh 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia-X của mẫu Bi(Pb)-2223 (K0)chưa pha Li Hỡnh 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia-X của hệ mẫu Bi(Pb)-2223 (K5)pha 15%Li Hỡnh 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia-X của hệ mẫu Bi(Pb)-2223 (K0-K5). - Hỡnh 3.6 Ảnh SEM của mẫu siờu dẫn Bi(Pb)-2223 khụng pha tạp Li (mẫu K0). - Hỡnh 3.7 Ảnh SEM của hệ mẫu siờu dẫn Bi(Pb)-2223 pha tạp Li Hỡnh 3.8 Đường cong từ trễ của mẫu Bi(Pb)-2223 pha 2,5% Hỡnh 3.9 Đường cong từ trễ của mẫu Bi(Pb)-2223 pha 7,5% Bảng 1.1 Nhiệt độ TC, độ thấm sõu London λL, độ dài kết hợp ξ ở 0K của 3 chất siờu dẫn điển hỡnh Bảng 1.2 Thụng số vật lý của một số chất SDNĐC Bảng 2.1 Thành phần cỏc oxide cú trong hệ mẫu Bảng 3.1 Cỏc đặc trưng chuyển pha siờu dẫn hệ siờu dẫn Bi(Pb)-2223. - DANH MỤC CÁC Kí HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tờn tiếng việt BSCCO Vật liệu siờu dẫn nhiệt độ cao hệ Bismuth T Nhiệt độ tuyệt đối Tc = Tconset Nhiệt độ chuyển pha siờu dẫn ∆Tc Độ rộng vựng chuyển pha ξ Độ dài kết hợp H Cường độ từ trường Ho Cường độ từ trường ngoài Hc Cường độ từ trường tới hạn . - HC1 Từ trường tới hạn thứ I trong chất siờu dẫn loại II HC2 Từ trường tới hạn thứ II trong chất siờu dẫn loại II q Hệ số lấp đầy BCS J0hn bardeen, Leon Cooper va Robert Schrieffer χ Hệ số từ hoỏ động à Độ từ thẩm của vật liệu à0 Độ từ thẩm chõn khụng (=4π.10-7H.m-1) γ Hệ số nhiệt dung ở trạng thỏi thường λ Bước súng λL Độ thấm sõu Lonđon φ0 Lượng tử từ thụng J Mật độ dũng điện Jc Mật độ dũng điện tới hạn M Hệ số hỗ cảm ω Tần số I Dũng điện sơ cấp Nghiên cứu đặc tr−ng chuyển pha siêu dẫn loại 2 của hệ siêu dẫn Bi(Pb)-2223 pha tạp Li chế tạo bằng ph−ơng pháp phản ứng pha rắn. - Nguyễn Văn Thắng Itims 2011 1MỞ ĐẦU Hiện nay, cỏc nhà khoa học thực nghiệm về vật lý và vật liệu đó và đang nghiờn cứu để tỡm ra cỏc chất siờu dẫn cú nhiệt độ chuyển pha cao hơn, nhằm mục đớch ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và đời sống. - Điều này cho thấy cỏc chất siờu dẫn nhiệt độ cao rất đa dạng đú là những hợp chất chứa đồng (Cu) và ụxy (O), trong đú cú cả những hợp chất đất hiếm và liờn kim loại. - Sự phức tạp và đa dạng của cỏc hợp chất siờu dẫn là đề tài cực kỳ hấp dẫn cho cỏc nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm. - Cỏc nhà lý thuyết đang gắng sức tỡm hiểu về cơ chế vĩ mụ của chất siờu dẫn nhiệt độ cao. - Mặc dự cũn gặp nhiều khú khăn trong việc tỡm hiểu về cơ chế siờu dẫn và đặc biệt là cơ chế siờu dẫn nhiệt độ cao, nhưng những nghiờn cứu về vật liệu siờu dẫn vẫn được tiến hành một cỏch sụi động tại nhiều phũng thớ nghiệm trờn khắp thế giới. - Hiện nay, cỏc nghiờn cứu về siờu dẫn đi theo hai hướng chớnh: thứ nhất là cố gắng tỡm ra vật liệu cú nhiệt độ chuyển pha cao, thứ hai là việc lựa chọn, điều chỉnh cụng nghệ chế tạo nhằm nõng cao tớnh chất (như: mật độ dũng tới hạn, từ trường tới hạn. - ổn định chất lượng của vật liệu dựa trờn nền tảng của cỏc vật liệu siờu dẫn đó được tỡm ra và hướng này hiện nay được nhiều phũng thớ nghiệm cũng như cỏc cụng ty nghiờn cứu về ứng dụng cụng nghệ đặc biệt quan tõm với mục đớch ứng dụng chỳng vào cỏc lĩnh vực của đời sống xó hội: truyền tải điện năng, y tế, cụng nghệ điện tử và truyền thụng… Cỏc tớnh chất đặc trưng của vật liệu siờu dẫn được quan tõm là nhiệt độ chuyển pha siờu dẫn Tc, độ rộng chuyển pha ∆Tc, hàm lượng pha siờu dẫn và mật độ dũng tới hạn Jc. - Trong quỏ trỡnh thực nghiệm, quỏ trỡnh xử lý nhiệt (nhiệt độ, thời gian của quỏ trỡnh nung sơ bộ, thiờu kết) đúng vai trũ quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng màng siờu dẫn hệ Bismuth núi riờng và vật liệu siờu dẫn núi chung. - Nguyễn Văn Thắng Itims 2011 2Cho đến nay, việc chế tạo thành cụng vật liệu siờu dẫn nhiệt độ cao cỏch lớn trong vật liệu. - Tuy nhiờn trong cỏc chất siờu dẫn hai chiều ( cỏc chất siờu dẫn nhiệt độ cao thuộc họ ụ xớt đồng), liờn kết của cỏc cặp cooper xảy ra trờn khoảng cỏch khụng lớn lắm. - Do đú, vấn đề lựa chọn điều kiện cụng nghệ để thực hiện tại cỏc phũng thớ nghiệm ở Việt Nam nhằm mục đớch chế tạo vật liệu siờu dẫn Bi(Pb)-2223 chất lượng cao, giỏ thành rẻ. - Đõy là phương phỏp đơn giản, rẻ tiền Với mục đớch trờn, trong luận ỏn này, chỳng tụi đó lựa chọn vấn đề : “Nghiờn cứu đặc trưng chuyển pha siờu dẫn loại 2 của hệ siờu dẫn Bi(Pb)-2223 pha tạp Li chế tạo bằng phương phỏp phản ứng pha rắn”. - Luận ỏn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan hệ siờu dẫn nhiệt độ cao chứa Bismuth Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Đưa ra cỏc kết quả thu được và cỏc ý kiến nhận xột đỏnh giỏ. - Nguyễn Văn Thắng Itims 2011 3CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ SIấU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO CHỨA BISMUTH 1.1. - Bednorz (Thụy sĩ) phỏt hiện ra một hệ hợp chất siờu dẫn mới là La-Ba-Cu-O [1] mà nhiệt độ chuyển pha đạt tới Tc ~ 35 K. - Wu lại cho ra đời một hợp chất siờu dẫn khỏc cũng chứa đồng là Y-Ba-Cu-O, nhiệt độ chuyển pha của nú vượt quỏ nhiệt độ sụi của Nitơ lỏng (Tc ~ 95 K). - Điều này tạo thuận lợi cho việc nghiờn cứu cỏc tớnh chất của vật liệu siờu dẫn một cỏch rộng rói và thỳc đẩy quỏ trỡnh khỏm phỏ ra cỏc hệ siờu dẫn khỏc cú nhiệt độ Tc cao [2]. - Putilin khỏm phỏ ra hệ siờu dẫn chứa thuỷ ngõn là Hg-Ba-Ca-Cu-O mà cho đến tận bõy giờ hệ này vẫn giữ kỷ lục về nhiệt độ chuyển pha, Tc ~ 135 K [4]. - HgBaCaCuOTlSrCaCuOBiSrCaCuOYBaCuOLaSrCuONbGeNbNNbHgNhiệt độ chuyển pha Tc [K]Năm Hỡnh 1.1: Quỏ trỡnh tiến triển theo thời gian của nhiệt độ chuyển pha siờu dẫn Tc [6]. - Hệ vật liệu siờu dẫn nhiệt độ cao chứa Bismuth 1.2.1. - Cấu trỳc vi mụ trong chất siờu dẫn Nếu quan tõm đến trật tự xa của cặp cooper trong chất siờu dẫn, ta cú thể thấy rằng sẽ cú một sự tương tự như trong vật liệu từ. - Trong chất sắt từ, tương tỏc trao đổi giữa cỏc spin gõy nờn sự định hướng song song của cỏc mụ men từ ở dưới nhiệt độ Curie, trong khi đú trong cỏc chất siờu dẫn trật tự xa liờn quan đến hàm súng ψ của cặp cooper (ψ được viết dưới dạng ϕψψie. - Pha ϕ của cỏc cặp cooper cần phải cú sự liờn kết chặt chẽ trờn một khoảng cỏch lớn trong vật liệu. - Như đó núi ở trờn, trong cỏc chất siờu dẫn loại I, từ trường cú thể thấm vào chất siờu dẫn và phỏ vỡ tớnh siờu dẫn của nú. - Trong chất siờu dẫn loại II, cú tồn tại Hỡnh 1.2: Ảnh của cỏc xoỏy tam giỏc trong chất siờu dẫn nhiệt độ cao họ BiSrCaCuO nhận được bằng phương phỏp bột từ [9] Nghiên cứu đặc tr−ng chuyển pha siêu dẫn loại 2 của hệ siêu dẫn Bi(Pb)-2223 pha tạp Li chế tạo bằng ph−ơng pháp phản ứng pha rắn. - Nguyễn Văn Thắng Itims 2011 5(a) (b) Hỡnh 1.3: Cấu trỳc xoỏy tứ giỏc (a) và tam giỏc (b) Đường đứt nột chỉ ụ cơ bản [7] trạng thỏi trung gian: từ trường yếu bị đẩy ra ngoài, cũn từ trường cú cường độ mạnh hơn BC1 thấm được vào chất siờu dẫn một cỏch khụng đồng nhất mà hỡnh thành cỏc xoỏy cú cấu trỳc tứ giỏc hoặc tam giỏc (hỡnh 1.3). - Cỏc xoỏy tạo thành cỏc đường sức từ thấm vào vật liệu như cỏc ống. - Cú thể quan sỏt điều này bằng phương phỏp bột từ: cỏc hạt sắt từ đặt trờn bề mặt của vật liệu sẽ bị hỳt bởi cỏc đường sức từ và sẽ co cụm lại như hỡnh ảnh của cỏc xoỏy. - Ảnh của cỏc xoỏy trong chất siờu dẫn họ BiSrCaCuO được minh họa trờn hỡnh 1.2. - Từ trường càng tăng thỡ cỏc xoỏy từ càng nở rộng ra trong lũng chất siờu dẫn, tương đương như hiện tượng phỏt triển mầm. - Khi từ trường vượt quỏ giỏ trị tới hạn BC2 thỡ tớnh siờu dẫn sẽ biến mất. - Cỏc chất siờu dẫn khỏc nhau cú giỏ trị từ trường tới hạn BC1 và BC2 khỏc nhau. - Nếu ta xột một xoỏy riờng biệt, cú thể khẳng định rằng đường kớnh của nú là độ dài thấm sõu λL của từ trường trong chất siờu dẫn. - Đối với cỏc chất siờu dẫn nhiệt độ cao loại ụxớt đồng, ξ cú giỏ vào cỡ 1- 2 nm ở nhiệt độ thấp, trong khi λL cú giỏ trị vào cỡ 100 nm. - Nguyễn Văn Thắng Itims 2011 6chất trong vật liệu. - Sự dịch chuyển của cỏc đường xoỏy trong vật liệu cú thể xem là một điều bất lợi vỡ đõy là yếu tố phung phớ năng lượng. - Trong thực tế, để phỏt triển cỏc ứng dụng của cỏc chất siờu dẫn bao giờ người ta cũng muốn ghim cỏc xoỏy lại để trỏnh sự dịch chuyển đú. - Khi đú cỏc sai hỏng điểm sẽ là cỏc yếu tố ổn định của chất siờu dẫn. - Trong cỏc chất siờu dẫn nhiệt độ cao, việc ghim cỏc xoỏy liờn quan đến cấu trỳc mặt của cỏc vật liệu: hai mặt phẳng ụxit đồng CuO2 (mà ở đú cỏc điện tử trong trạng thỏi siờu dẫn thường tập trung) quyết định cấu hỡnh của xoỏy. - Cỏc điện tử chuyển động giữa cỏc mặt phẳng siờu dẫn bởi hiệu ứng đường ngầm qua cỏc lớp này. - Do đặc tớnh của cấu trỳc xếp lớp xen kẽ cỏc mặt dẫn Cu2O và cỏc khối điện mụi hay dẫn yếu mà tớnh dị hướng của vật liệu này rất cao. - Sự dị hướng của chỳng được phản ỏnh bằng sự dị hướng trong cả trạng thỏi thường lẫn trạng thỏi siờu dẫn. - Bảng 1.1 cho chỳng ta những thụng tin về những giỏ trị này cho một số hợp chất tại nhiệt độ T=0K. - Bảng 1.1: Nhiệt độ TC, độ thấm sõu London λL, độ dài kết hợp ξ ở 0K của 3 chất siờu dẫn điển hỡnh [10]. - Cấu trỳc và tớnh chất của hệ siờu dẫn BSCCO 1.2.2.1. - Cấu trỳc tinh thể của hệ BSCCO Hệ siờu dẫn nhiệt độ cao BSCCO cú cụng thức tổng quỏt là YnnOCuCaSrBi122 + tồn tại ba pha siờu dẫn khỏ ổn định [5]: +Bi-2201, n = 0, xCuOSrBi+622 cú Tc =10 ữ 20 K. - Hỡnh 1.4: Cấu trỳc tinh thể của cỏc pha Bi-2201, Bi-2212 và Bi-2223. - Đặc trưng chung của cỏc hợp chất siờu dẫn cuprate là cú cấu trỳc lớp [3]. - Vỡ vậy để mụ tả cỏc đặc trưng này với độ chớnh xỏc vừa đủ song lại đơn giản và thuận tiện, ta xem cỏc chất siờu dẫn nhiệt độ cao cú cấu trỳc kiểu chồng chất xen kẽ một - một theo trục c (trục vuụng gúc với mặt CuO2) của cỏc mặt CuO2 (CuO2 sheet) và cỏc lớp khối (block layer). - Cỏc lớp CuO2 cú vai trũ quan trọng ảnh hưởng đến tớnh chất của vật liệu siờu dẫn. - Số lớp CuO2 tăng (từ 1-3) thỡ nhiệt độ chuyển pha cũng tăng. - Một số tớnh chất cơ bản của hệ siờu dẫn nhiệt độ cao BSCCO * Tớnh dị hướng [7]. - Hỡnh 1.5: Điện trở suất theo trục c (ρc) và điện trở suất theo mặt ab (ρab) của đơn tinh thể siờu dẫn Bi2Sr2Ca2Cu3O10. - Nguyễn Văn Thắng Itims 2011 9Do cấu trỳc đặc biệt như trờn mà vật liệu siờu dẫn nhiệt độ cao cú tớnh dị hướng rất cao. - Vớ dụ về tớnh dị hướng của điện trở suất của đơn tinh thể siờu dẫn Bi2Sr2Ca2Cu3O10 được cho trờn hỡnh 1.5. - Đường đặc trưng ρc phụ thuộc nhiệt độ là rất khỏc so với của ρab. - Ở nhiệt độ phũng ρc cao hơn 4 bậc so với ρab. - ρc khụng biểu thị sự phụ thuộc nhiệt độ tuyến tớnh mà cú một đặc trưng dạng như của một chất bỏn dẫn, tăng nhanh ở vựng nhiệt độ thấp trước khi giảm đột ngột về khụng tại Tc. - Cỏc số liệu ở trờn núi lờn sự tăng lờn của tớnh dị hướng khi nhiệt độ suy giảm trong trạng thỏi thường. - Đặc biệt tớnh dị hướng tăng nhanh gần nhiệt độ chuyển pha Tc. - Điều này cú thể được giải thớch như là sự xuyờn ngầm đơn hạt giữa cỏc lớp bị ngăn trở tại nhiệt độ chuyển pha, thay vào đú là sự xuyờn ngầm của cỏc cặp Cooper dưới nhiệt độ chuyển pha Tc [8]
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt