tiểu luận môn từ học vật liệu từ và ứng dụng

Thời sơ khai này, người ta mới biết một đặc tính của chất siêu dẫn, đó là: nếu tuyển một dòng điệnvào một mạch làm bằng chất liệu siêu dẫn thì dòng điện sẽ chạy trong đó mãi màkhông suy

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ -——– -

BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: TỪ HỌC

Giảng viên hướng dẫn : TS Phạm Hương Thảo Học viên thực hiện : Trần Thị Thanh Bình

Nguyễn Thị Nụ Nguyễn Thị Minh Trâm

Huế, tháng 5 năm 2016

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN 2

1.1 Vài nét về lịch sử phát hiện của chất siêu dẫn 2

1.2 Hiện tượng siêu dẫn, nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha 2

1.3 Tính chất của chất siêu dẫn 3

1.3.1 Tính chất điện của chất siêu dẫn 3

1.3.2 Tính chất từ của chất siêu dẫn 4

1.3.3 Tính chất nhiệt và một vài tính chất khác của chất siêu dẫn 7

CHƯƠNG II: SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO 11

2.1 Sơ lược tiến trình phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao 11

2.2 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình 12

2.3 Một số đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao 14

2.3.1 Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái thường 14

2.3.2 Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao trong trạng thái siêu dẫn 14

2.4 Một số hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình 15

2.4.1 Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao 30 – 40 K 15

2.4.2 Hệ siêu dẫn nhiệt độ cao 80 – 90 K 17

2.4.3 Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao 110 – 125 K 18

2.4.4 Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên nền Fe 19

2.4.5.Chất siêu dẫn MgB2 20

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SIÊU DẪN 22

3.1 Sử dụng hiệu ứng điện trở không 22

3.1.1 Ngành công nghiệp điện 22

3.1.2 Máy gia tốc hạt (Particle Accelerators) 26

3.2 Ứng dụng hiệu ứng Meissner: Hiệu ứng nâng 28

3.2.1 Ôtô điện (Electric Automobils) 28

3.2.2 Tách chiết từ (Magnetic Separation) 29

3.2.4 Các màn chắn từ 30

3.3 Ứng dụng hiệu ứng lượng tử: Điện tử học siêu dẫn 30

3.3.1 Cảm biến đo từ thông ba chiều (Three Dimensinal Flux Sensors) 30

3.3.2 Thiết bị thu phát sóng Viba 31

3.3.3 Thiết bị dò sóng milimet (Milimet waves delector) 32

3.3.4 Máy phát sóng tần số Terahertz (THz) 33

3.3.5 Thế chuẩn ( Voltage Standard) 35

3.3.6 Đầu dò bức xạ (Radiation Detectors) 36

KẾT LUẬN 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

MỞ ĐẦU

Năm 1911, lần đầu tiên các nhà khoa học đã phát hiện ra vật chất dẫn điện

với tính năng hoàn toàn không có điện trở, gọi là chất siêu dẫn Thời sơ khai này,

người ta mới biết một đặc tính của chất siêu dẫn, đó là: nếu tuyển một dòng điệnvào một mạch làm bằng chất liệu siêu dẫn thì dòng điện sẽ chạy trong đó mãi màkhông suy giảm, vì nó không gặp một trở kháng nào trên đường đi, nghĩa là nănglượng điện không bị tiêu hao trong quá trình truyền tải từ nơi này đến nơi khác Đó

là hiện tượng siêu dẫn, một trong những điều huyền bí lớn nhất trong khoa học.Nhưng trở ngại là chất siêu dẫn chỉ xuất hiện khi ở nhiệt độ rất thấp, chỉ vài độ K vàphải dùng khí Heli để làm lạnh Đó là một chất phức tạp và đắt tiền nên đòi hỏi phảitìm ra những chất siêu dẫn mới khắc phục những nhược điểm trên

Từ đó đến nay, các công trình nghiên cứu, chủ yếu vẫn là thực nghiệm(chiếm tới 90%) nhằm tìm ra những quy luật, các hiệu ứng của siêu dẫn nhiệt độcao để gợi mở cho các lý thuyết về siêu dẫn nhiệt độ cao

Nhiều nhà khoa học cho rằng, việc phát minh ra chất siêu dẫn có thể so sánhvới việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn,thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh với việc phát minh ra điện Vật liệu siêudẫn nhiệt độ cao đã mở ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các

chất siêu dẫn Và đó cũng là lí do nhóm em quyết định chọn đề tài “Siêu dẫn nhiệt

độ cao và ứng dụng” với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về vấn đề

này, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiệntượng siêu dẫn nhiệt độ cao

NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN

1.1 Vài nét về lịch sử phát hiện của chất siêu dẫn

Năm 1908, Kamerlingh Onnes đã hóa lỏng được khí Heli lần đầu tiên trênthế giới, tại Trường Đại học Tổng hợp Quốc gia Leiden (Hà Lan), tạo tiền đề cho sựphát minh ra siêu dẫn

Những năm sau đó, một số vấn đề liên quan đến siêu dẫn cũng được pháthiện Năm 1933, Meissner và Ochsenfeld đã công bố rằng chất siêu dẫn khi làmlạnh trong từ trường dưới nhiệt độ chuyển pha thì các đường cảm ứng từ bị đẩy rangoài gọi là hiệu ứng Meissner

Về lý thuyết, năm 1957 Barden, Cooper và Schriffer đã đưa ra lý thuyết vi

mô, được gọi là lý thuyết BCS đã giải thích được tất cả các tính chất cơ bản củachất siêu dẫn nhiệt độ thấp

Nhưng đến năm 1986, J.G.Bednorz và K.A.Muller đã tìm ra hiện tượng siêu

nhiệt độ nitơ lỏng Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn bắt đầu một hướng mới – đó làsiêu dẫn nhiệt độ cao Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở ra một kỷnguyên mới cho ngành vật lý siêu dẫn Nó đánh dấu sự phát triển vượt bậc trongquá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn

Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học củatrường Đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội thựchiện trong khoảng gần hai chục năm qua Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnhbằng nitơ lỏng và đã tạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền

1.2 Hiện tượng siêu dẫn, nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha

Siêu dẫn là một trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó cho phépdòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt chất siêu dẫn trong

từ trường, từ trường bị đẩy ra khỏi nó

Đối với nhiều vật dẫn trong tự nhiên (kim loại, hợp kim, hợp chất…) khi

bằng không gọi là hiện tượng siêu dẫn

Nhiệt độ T C là nhiệt độ chuyển từ trạng thái dẫn thường sang trạng thái siêudẫn hay ngược lại gọi là nhiệt độ tới hạn (hay nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn)

Hg là T 5.10 K 2

liệu siêu dẫn

1.3 Tính chất của chất siêu dẫn

1.3.1 Tính chất điện của chất siêu dẫn

a) Điện trở của chất siêu dẫn

Dòng điện chạy trong vật dẫn mang “các điện tử dẫn”, những điện tử nàychuyển động tự do dưới dạng sóng Dao động nhiệt của nút mạng và những khuyếttật của mạng gây ra điện trở trong kim loại Điện trở của tất cả các kim loại và hợpkim giảm xuống khi bị làm lạnh Với những kim loại hoàn toàn sạch, nhiệt độ giảm

về 0 K thì điện trở biến mất gọi là vật liệu siêu dẫn Còn những kim loại có chứa

tạp chất thì điện trở dư 0 được duy trì ở nhiệt độ rất thấp0 K

b) Điện trở không

Bằng thực nghiệm không thể chứng minh điện trở của chất trong trạng tháisiêu dẫn bằng 0 vì độ nhạy của thiết bị có thể lớn hơn điện trở của nó Trongtrường hợp thiết bị nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫnkhép kín thì dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian dài Nếu ở thời

   0

R t L

với R là điện trở, L là độ tự cảm của vòng xuyến

c) Mạch điện không điện trở

Giả sử vòng xuyến kim loại siêu dẫn được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ

đổi kéo theo sự biến thiên từ thông qua xuyến dB a

S dt

không đổi Nếu độ lớn từ trường đặt vào thay đổi thì dòng cảm ứng tạo nên sự bùtrừ từ thông

Mặc khác, nếu mạch điện được làm lạnh khi không có từ trường sao cho từthông ban đầu bên trong mạch bằng 0 , sau đó đặt từ trường ngoài vào thì từ thôngbên trong mạch vẫn duy trì là 0 Tính chất này giúp cho khả năng sử dụng nhữngống siêu dẫn hình trụ rỗng làm màn chắn ngăn cách từ trường ngoài

1.3.2 Tính chất từ của chất siêu dẫn

a) Hiệu ứng Meissner

Năm 1933, Meissner và Ochsenfied phát hiện ra rằng nếu chất siêu dẫn được

từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn Tức là chất siêu dẫn nằm trong từ trường ngoài

a

H còn cảm ứng từ bên trong mẫu B  0 Hiện tượng này gọi là hiệu ứngMeissner

Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: Trong lòng nó

lý tưởng

Hình 1.1.Từ trường bị đẩy ra khỏi vật liệu siêu dẫn.

M B

   

Công thức trên cho thấy vật ở trạng thái siêu dẫn được khảo sát như một vật

giải thích như sau: khi vật ở trạng thái siêu dẫn đặt trong từ trường ngoài yếu thì sẽgây trên bề mặt của vật siêu dẫn một dòng siêu dẫn có mômen từ ngược chiều với từtrường ngoài B 0

làm cho cảm ứng từ bên trong vật ở trạng thái siêu dẫn bằng 0 Nếu đặt vật ở trạng thái siêu dẫn trong từ trường ngoài B 0

đủ mạnh thì trạng tháisiêu dẫn của vật bị phá vỡ và chuyển sang trạng thái thường Khi đó từ trường ngoàikhông bị đẩy ra ngoài khối vật siêu dẫn mà xuyên qua toàn bộ vật siêu dẫn

Vậy, hiệu ứng Meisner cho biết cảm ứng từ B trong lòng chất siêu dẫn bằng

0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát được Về phương diện lý thuyết xét ở đây chỉchấp nhận Bco st n 0 theo thực nghiệm.

Trạng thái siêu dẫn có điện trở không và hiệu ứng Meisner biểu hiện rằng,

trưng cơ bản riêng biệt nhưng cả hai đồng thời là tiêu chuẩn quan trọng để xem xétmột chất có phải là siêu dẫn hay không

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn vào nhiệt độ và

Từ trường ngoài H C cần thiết để chuyển vật từ trạng thái siêu dẫn sang trạng

với H0 là từ trường tại T  và tại 0 T T C thì H T C C  0.

giá trị J C phụ thuộc vào từ trường và đường kính của dây siêu dẫn

c) Phân loại chất siêu dẫn trên cơ sở tính chất từ

Các mẫu lý tưởng là các mẫu không chứa tạp chất hoặc không có những saihỏng về tinh thể Trong thực tế nhiều mẫu không được hoàn hảo như vậy Mẫu lýtưởng có từ trường rất sắc nét và đường cong từ hóa là hoàn toàn thuận nghịch

Với mẫu lý tưởng thì có 3 từ trường tới hạn khác nhau H C1 , H C2 , H C3, cóđường cong từ trễ và có từ thông bị hãm

Hình 1.3 Đường cong từ hóa của chất siêu dẫn theo từ trường.

Siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng có hằng số từ hóa   1 và biểu hiệnhoàn toàn hiệu ứng Meissner gọi là siêu dẫn loại I Siêu dẫn loại I thường là các kim

không hoàn toàn tuân theo hiệu ứng Meissner gọi là siêu dẫn loại II Ngoài từtrường tới hạn H C còn xuất hiện từ trường tới hạn H C1 và H C2 với giá trị

Vùng 3:H H C vật liệu ở trạng thái thường, mất tính siêu dẫn

Thông thường giá trị H C2 lớn gấp hàng trăm lần giá trị H C và càng lớn hơnnhiều lần giá trị H C1 Giá trị H C2thường được tính toán bằng lý thuyết và H C1 đượcxác định bằng thực nghiệm Như vậy, trạng thái hỗn hợp là đặc trưng cho siêu dẫnloại II Đây là trạng thái bền vững và các đường sức từ có thể thấm vào chất siêudẫn

H C H C1 H C1H C H C2 H C H C2

Hình 1.4 Sự phụ thuộc của B theo H C trong chất siêu dẫn loại II.

1.3.3 Tính chất nhiệt và một vài tính chất khác của chất siêu dẫn

a) Nhiệt dung của chất siêu dẫn

Nhiệt dung của một chất thường bao gồm sự đóng góp của phonon và điện

tử Nó được biểu diễn qua công thức sau

mạng là không đổi Như vậy, sự thay đổi nhiệt dung toàn phần ở trạng thái siêu dẫnchỉ do đóng góp của điện tử

2,58 T C

b) Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn

Để tính toán sự truyền nhiệt trong chất siêu dẫn cần phải xác định dòng tớihạn Đặc trưng sự trở lại của điện trở do sự truyền nhiệt là sự xuất hiện hoàn toàncủa điện trở thường khi dòng điện vượt quá dòng tới hạn Kết quả vùng thường lanrộng chiếm toàn bộ mẫu và trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ

Quá trình truyền nhiệt là quá trình va chạm giữa các hạt tải với hạt tải, vớicác sai hỏng mạng và các biên hạt Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ,tạp chất và kích thước mẫu Ở trạng thái siêu dẫn còn phụ thuộc vào từ trường và

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của C e vào nhiệt độ T.

các xoáy từ Các kết quả thực nghiệm cho thấy độ dẫn nhiệt trong trạng thái siêudẫn thấp hơn nhiều so với trạng thái thường Độ dẫn nhiệt của vật liệu siêu dẫngiảm mạnh trong vùng nhiệt độ T T C

Trong một số hợp kim hoặc hợp chất siêu dẫn, người ta còn quan sát thấy độdẫn nhiệt tăng tại vùng chuyển pha, sau đó mới giảm theo nhiệt độ Hiện tượng nàyđược Hulm giải thích là trong siêu dẫn loại II, quá trình chuyển pha siêu dẫn là do

các sóng này mất dần theo sự giảm nhiệt trong trạng thái siêu dẫn

c Khe năng lượng

Khe năng lượng là một đặc trưng của trạng thái siêu dẫn được sinh ra do

biểu hiện như một khí Fecmi các electron Trạng thái thường khác trạng thái siêudẫn được đặc trưng ở phổ năng lượng của electron nằm gần mặt Fecmi Ở trạng tháithường, khi nhiệt độ thấp thì kích thích một electron (kích thích đơn hạt) tương ứngvới sự chuyển electron từ trạng thái bị chiếm với vectơ sóng k(k k       F,k F

là vectơsóng của electron ở mức Fecmi) ở dưới mặt Fecmi lên trạng thái k k  k F

ở trênmặt Fecmi Khi đó xuất hiện một lỗ trống ở dưới mặt Fecmi Khi mặt Fecmi là mặtcầu, năng lượng cần thiết để kích thích một electron như vậy bằng

Điểm đặc trưng quan trọng nhất của vật ở trạng thái siêu dẫn là năng lượngkích thích của một cặp electron có xung lượng và spin ngược chiều nhau để chuyểncặp electron từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường luôn luôn lớn hơn một giới

kết một cặp electron có xung lượng và spin ngược chiều nhau và chuyển chúng từtrạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường

d) Hiệu ứng đồng vị

Xây dựng lý thuyết để giải thích các hiện tượng siêu dẫn là một vấn đề hếtsức phức tạp và khó khăn Hiệu ứng đồng vị vạch ra cho chúng ta con đường để tiếpcận bản chất của hiện tượng siêu dẫn Thực nghiệm đã chứng tỏ sự phụ thuộc của

C

M T const

 ,trong đó  là hằng số có giá trị gần bằng 1 2 và M12 tỉ lệ với tần số dao động

e) Các tính chất khác

Tính chất siêu dẫn của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nhiệt độ tới hạn củacác chất siêu dẫn T Cthay đổi theo khối lượng đồng vị: MT C c on st

trị thực nghiệm tùy thuộc vào vật liệu

Nhiệt độ chuyển pha T C và từ trường tới hạn H C của chất siêu dẫn đều tìmđược bằng thực nghiệm với các giá trị sai lệch chút ít nếu vật liệu chịu áp suất.Nhiều tính chất cơ học của các trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường về mặt nhiệtđộng lực học đều liên quan đến năng lượng tự do của các trạng thái đó Thông

thường, độ lớn từ trường tới hạn H C phụ thuộc vào sự chênh lệch của năng lượng

tự do giữa hai trạng thái

Chất siêu dẫn không thay đổi kích thước khi chuyển pha trong từ trường bằng 0 Tuy nhiên, có sự xuất hiện từ giảo nhỏ trong trạng thái siêu dẫn ở những nhiệt độthấp hơn và có sự thay đổi đột ngột về kích thước khi mẫu trở về trạng thái thườngdưới tác dụng của từ trường Điều này cho thấy tính dị hướng của tinh thể

CHƯƠNG II: SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO 2.1 Sơ lược tiến trình phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao

các nhà khoa học tấn công vào lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới: “Lĩnh vực siêudẫn nhiệt độ cao”

Ngay sau đó là sự bùng nổ thông tin nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao trêntoàn cầu Các phòng thí nghiệm, các nhóm nghiên cứu ở rất nhiều nước trên thế giớichạy đua nhau công bố các kết quả về siêu dẫn nhiệt độ cao Những vật liệu siêu

được nâng cao một cách đáng kể

Tiếp sau phát minh của Bednorz và Muller, ngay trong năm 1986, nhómTOKYO đã xác định được La Ba0.85 0.152CuO4 có cấu trúc Perovskite loại K NiF2 4

đầu chuyển pha siêu dẫn T C  42, 4K trong hợp chất La Sr0.9 0.12CuO4 ở áp suấtthường

Nhiều phòng thí nghiệm khác nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao trên thế giớiA&T.Bell, Beijing, Belcore, Argone, và Naval Research Laboratory cũng khẳngđịnh các kết quả được nghiên cứu trên đây

Cho đến năm 1991, một số nhà khoa học đã tìm ra siêu dẫn còn có cả trong các

giả R.J.Cava đã công bố tìm thấy siêu dẫn trong hợp chất Intermetallic LnNi B C 2 2 có

13 17

C

kim loại và trong cả vật liệu từ

Hơn hai mươi năm qua, các nhà vật lý vẫn không thể lý giải một cách chính xáchiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao tại sao dường như chỉ xảy ra ở nhóm đặc biệt, các

nhà khoa học ở Nhật Bản đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn

sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn trong vật lý chất rắn này.Vật liệu siêu dẫn mới này cũng là một bằng chứng để chứng tỏ rằng tính siêu dẫn

cao, nhưng khám phá đã chỉ ra rằng thậm chí nó có thể tồn tại trong các vật liệu có

từ tính mạnh

2.2 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình

Trước năm 1986, các chất siêu dẫn được phát hiện đều có nhiệt độ chuyển pha

electron-có thể dẫn đến phá vỡ lý thuyết BCS Người ta cũng tìm thấy trong các hợp chất

 , điều này dẫn đến sự tồn tại tính siêu dẫn

  214

La R  và Y R   123, còn có các họ hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hìnhsau đây

A B CuO (Alà kim loại đất hiếm, B là kim loại kiềm hoặc valency).

chúng cũng đặc biệt hơn, có thể lưu ý những nét đặc trưng riêng của một số loạiđiển hình trong các họ siêu dẫn nêu trên

mà T C  105 K Cấu trúc tinh thể gồm ba pha ứng với n 1, 2, 3,được xác định là cấu trúclớp theo trật tự sắp đặtBiO2  SrO CuO 2  Ca CuO2   Ca CuO2  SrO, với n

lớp CuO2 được ngăn bằng n 1lớp Ca Ứng với n 1, 2, 3thì T C có các giá trị cỡ

22 , 80 , 110 K K K , ở đây đã có sự tăng nhiệt độ chuyển pha theo thứ tự tăng số lớp n

nguyên tố phi từ, hóa trị 3  Tl cho  R 123TlBa Cu O2 3 x nhận thấy nhiệt độ

Herman đã thay một phần Cavà Bavà được hợp chất Tl Ba Ca Cu O    hay

TlO2và có T C  90 , 110 K Kvà 125 Kkhi n 1, 2, 3.

Hệ Hg 12n 1n:năm 1991 người ta thay thế Hgcho Cuvà sau đó Putilin vàđồng nghiệp tạo ra hợp chất HgBa CuO2 4n 1với T C  94 K Schilling và đồngnghiệp thay n 2, 3trong Hg 12n 1nđã làm tăng T C  133 –134 K K ở áp suấtcao 16 GPavà 164 K ở 30 GPa.Cấu trúc được sắp đặt

HgOd BaO CuO   Ca  CuO   Ca  CuO  BO Với nlớp CuO2đượcngăn cách bằng n 1lớp Ca, cấu trúc này giống với cấu trúc TlBa Ca Cu O2 n1 n 2n.

Hệ CuBa Ca Cu O2 n1 n 2n 2  có công thức chung A X Ca Cu O m 2 n1 n 2n m  2 với m 1

hoặc m 2, X Bahoặc Sr, n 1, 2, 3tăng theo sự thay đổi của Atrong bảng hệ

thống tuần hoàn Từ nhóm VB Bi ,nhóm IIIB Tl đến nhóm IIB Hg trong bảng

nhóm IBnhư Auhoặc Agvà T Cđạt được 124 Ktrong hệ này

2.3 Một số đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao

2.3.1 Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái thường

Thông thường, vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có cấu trúc tinh thể là cấu trúclớp (loại Perovskite) và không đẳng hướng Các vật liệu này có cấu hình hai chiều

gốm siêu dẫn là các chất điện môi hoặc dẫn điện rất kém Vật liệu sẽ trở thành chất

hạt tải, phụ thuộc mạnh vào quy trình công nghệ, các điều kiện xử lý nhiệt và môitrường tạo mẫu

Nồng độ hạt tải của các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thường nhỏ hơn cáckim loại điển hình từ một đến hai bậc và liên quan đến các dị thường trong trạngthái siêu dẫn

Độ dẫn nhiệt trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao chứa oxit đồng có dòngnhiệt truyền chủ yếu là do mạng Trong kim loại, dòng nhiệt truyền chủ yếu là docác điện tử dẫn

2.3.2 Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao trong trạng thái siêu dẫn

Các kết quả thực nghiệm cho đến nay đã chứng minh rằng, các chất siêu dẫnnhiệt độ cao cũng có tất cả các đặc tính cơ bản như các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp

Điện trở giảm đột ngột về 0khi T T C Trong chất siêu dẫn luôn tồn tại hiệuứng Meissner nhưng không hoàn toàn, tồn tại đồng thời ba từ trường tới hạn

1

,

C C

chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn, nhiệt dung có bước nhảy

Thực nghiệm cho thấy hiệu ứng xuyên ngầm xảy ra khá mạnh trong siêu dẫnnhiệt độ cao Mặt khác, hiệu ứng Ramann cũng được chú ý đến khi nghiên cứu siêudẫn nhiệt độ cao

Thực tế cho thấy, chuyển pha siêu dẫn rất ít khi đi kèm với chuyển pha cấutrúc trong tinh thể, mà chuyển pha cấu trúc trong các hợp chất siêu dẫn nhiệt độ caothường xảy ra độc lập.

Các hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao chủ yếu là hợp chất của đồng, chứa cácmặt phẳng song song của oxit đồng mà ở đó các nguyên tử đồng nằm trên mộtmạng hình vuông và điện tích mang bởi các lỗ trống ở vị trí của oxi Mỗi nguyên tửđồng sẽ có một điện tử không kết cặp và do đó các nhà nghiên cứu tin rằng mômen

từ (hay spin) liên kết với nhau sẽ tạo ra tính chất siêu dẫn trong vật liệu này Cáccông trình sử dụng lý thuyết BCS cho việc nghiên cứu siêu dẫn nhiệt độ cao đều sửdụng tính chất khe năng lượng Nghĩa là trong trạng thái siêu dẫn, cơ chế tương tácchính vẫn là tương tác gián tiếp của cặp Cooper – tương tác hút – điện tử với điện tửthông qua phonon Tuy nhiên, trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên hợpchất oxit đồng, khe năng lượng không đối xứng một cách hoàn hảo mà phân chiathành các thùy riêng biệt được mô tả như đối xứng sóng Do đó, lý thuyết BCSkhông thể giải thích các tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao

trong một khoảng rất rộng

Ngoài các tính chất cơ bản trên vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao còn có vài đặc

nên hầu hết các chất siêu dẫn nhiệt độ cao thuộc siêu dẫn loại II

2.4 Một số hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình

Tất cả các chất siêu dẫn điển hình này đều chứa đồng Cu và oxi  O Cấu

cho cơ chế siêu dẫn trong vật liệu này là quan niệm về sự truyền điện tích giữa cáclớp được coi là các bể điện tích và các lớp dẫn điện CuO2

2.4.1 Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao 30 – 40 K

a) Cấu trúc cơ bản của siêu dẫn La  214

có hợp thức danh định là La Ba CuO2x x 4hoặc La Sr CuO2x 2 4 gọi tắt là siêu dẫn 214

Theo hợp thức này cứ hai nguyên tử kim loại kết hợp với một nguyên tử Cu và bốn

mô tả như hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc tinh thể Perovskite ABO3

Ở trạng thái thường, hợp chất này là chất điện môi Chúng có đặc trưng xennhét điện (ferroelectric) Khi pha tạp, nguyên tử nằm ở trung tâm  B

dịch chuyển

trúc như : tứ diện (Tetragonal), trực giao (Orthorhombic), trực thoi (Rhombohedral)

nguyên tử oxy trong cấu trúc tinh thể theo hình bát diện (Octahedral)

Dạng hợp chất siêu dẫn 214 không pha tạp có hợp chất là La CuO2 4 với cấutrúc tứ diện (tetragonal) loại K MgF2 4 hoặc K NiF2 4 Trong cấu trúc ion tứ diện này,thông thường sự sắp xếp theo trục C rất chặt chẽ (trong cấu trúc K BF2 4 với

hiện trong các tinh thể và sự mất trật tự này có liên quan đến biểu hiện tính siêu dẫn(đặc biệt là phụ thuộc nồng độ pha tạp).

b) Cấu trúc điện tử của La CuO2 4

thay La3  bằng Sr2  thì trong hệ La Sr CuO2x x 4 tạo nên lỗ trống trong các mặt phẳng

2

chất siêu dẫn của vật liệu này

dẫn trong vật liệu này

Hợp thức La CuO2 4 được mô tả đơn giản là La3  , Cu2  và O2  Đối với hợpkim La Sr CuO2x x 4y trở thành La3  , Sr2  ,O2  và Cu 2  x 2y  Như vậy, hóa trị của Cu

có thể viết dưới hình thức: Cu2  và Cu3  khi y 0

Trong La CuO2 4 với các trạng thái hóa trị La3  và O2  , một trong các trạngthái có Cu2  hoặc là cấu hình hóa trị d9 Các quỹ đạo Cu 3d được lai hóa với cácquỹ đạo O 2 p để tạo thành liên kết và những lai hóa phản liên kết

2.4.2 Hệ siêu dẫn nhiệt độ cao 80 – 90 K

a) Cấu trúc cơ bản của siêu dẫn YBa Cu O2 3 7 y

với hợp thức danh định là YBa Cu O2 3 7 y gọi tắt là siêu dẫn 123 Siêu dẫn có cấu trúc