Nghiên cứu sự thay đổi tính chất của siêu dẫn nhiệt độ cao y 123 và bi 2223 khi pha tạp kim loại chuyển tiếp vào vị trí cu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT SDNĐC : siêu dẫn nhiệt độ cao Tc : nhiệt độ chuyển pha Jc : mật độ dòng tới hạn Hc : từ trường tới hạn BCS : lý thuyết BCS XRD : nhiễu xạ tia X SEM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

NGUYỄN THỊ THU PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT

CỦA SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Y-123 VÀ BI-2223 KHI PHA TẠP KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀO VỊ TRÍ Cu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

NGUYỄN THỊ THU PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT

CỦA SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Y-123 VÀ BI-2223 KHI PHA TẠP KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀO VỊ TRÍ Cu

Chuyên ngành: Vật lý nhiệt

Mã số: Đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS TS NGUYỄN HUY SINH

TS ĐÀM NHÂN BÁ

Hà Nội - 2018

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới GS.TS Nguyễn

Huy Sinh, Thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này Thầy là người đóng vai trò quan trọng trong sự thành công của em ngày hôm nay Dưới sự hướng dẫn của Thầy em đã học hỏi được rất nhiều kiến thức về khoa học và thầy đã giúp em hiểu biết thêm rất nhiều những giá trị tốt đẹp của cuộc sống

Em xin gửi lời cảm ơn đến TS Đàm Nhân Bá đã hướng dẫn, động viên

em trong quá trình hoàn thành luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp những người đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em học tập, tìm hiểu và hoàn thành tốt luận văn này

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới TS Trần Hải Đức, người đã đóng góp và cho tôi những ý kiến khoa học bổ ích trong thời gian tôi làm luận văn

Em gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội đã đào tạo và trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong khoa học cũng như trong cuộc sống

Lời cảm ơn và tình cảm đặc biệt nhất tôi muốn gửi tới đó là cha, mẹ và gia đình thân yêu của tôi Mái ấm gia đình và tình thương yêu của cha, mẹ là nguồn động lực giúp tôi có được thành công của ngày hôm nay

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Học viên

Nguyễn Thị Thu Phương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN SƠ LƯỢC VỀ SIÊU DẪN 3

1.1.Những sự kiện lịch sử đáng ghi nhớ về siêu dẫn 3

1.2 Một số tính chất điển hình của vật liệu siêu dẫn 10

1.2.1 Điện trở không của chất siêu dẫn 10

1.2.3 Entropy và nhiệt dung liên quan đến từ trường Hc 11

1.3 Vài nét so sánh về siêu dẫn loại 1 và siêu dẫn loại 2 14

1.4 Tìm hiểu một số loại SDNĐC điển hình 16

1.4.1.Vài nét về lịch sử các Oxit siêu dẫn 16

1.4.2.Siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Oxit – Cu 18

1.4.3.Những hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình nhất chứa Cu và Oxy 20

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24

2.1.Chế tạo mẫu SDNĐC bằng phương pháp gốm 28

2.2.Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 24

2.2.1.Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X 24

2.2.2.Phép đo điện trở 24

2.3.Các mẫu đã được chế tạo 27

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO MẪU VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ 28

3.1 Chế tạo vật liệu SDNĐC chứa Bizmuth (Bi) 31

3.2 Nghiên cứu sự tạo thành các pha siêu dẫn trong SDNĐC chứa Bi 32

3.2.1 Các quá trình phản ứng rắn tạo thành khi sử lý nhiệt 32

3.2.2 Nghiên cứu sự tạo thành pha SD bằng phép đo nhiệt lượng kế vi phân quét (DSC) 35

3.3 Nghiên cứu cấu trúc của SDNĐC chứa Bi 37

3.4 Nghiên cứu chuyển pha siêu dẫn trong các hợp chất Bi2Sr2Ca2(Cu 1-x(Fe,Co,Ni)x)3Oy 39

3.5 So sánh một vài tính chất của các hệ siêu dẫn YBa2(Cu1-xMx)O7-y và

Bi2Sr2Ca2(Cu1-xMx)3Oy ( M = Fe, Co, Ni; x = 0,00 – 0,10) 413.5.1.Đặc trƣng của các hợp chất SD Y - 123 và Bi - 2223 khi thay thế một lƣợng nhỏ Fe, Co, Ni vào vị trí Cu 413.5.2 Chuyển pha cấu trúc 433.5.3.Sự suy giảm nhiệt độ chuyển pha Tc 483.6 Nghiên cứu sự phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha Tc vào số lớp CuO2 trong cấu trúc vật liệu siêu dẫn giữa thực nghiệm và lý thuyết Anderson 51KẾT LUẬN 56TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh sự khác nhau giữa siêu dẫn loại 1 và siêu dẫn loại 2 14Bảng 3.1 Hằng số mạng và thể tích ô cơ sở của pha Bi - 2223 trong các hợp chất SD: Bi2Sr2Ca2(Cu1-x(Fe, Co, Ni)x)3Oy khi thay đổi nồng độ pha tạp x 38 Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa nhiệt độ chuyển pha SD Tc và số lớp CuO2 (n) trong các hợp chất SDNĐC chứa ôxit đồng 53

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ 3

của thủy ngân (Kamerlingh Onnes 1911) 3

Hình 1.2 Hiệu ứng Meissner đối với SD loại 1 5

Hình 1.3 Từ trường tới hạn trong siêu dẫn loại 2 6

Hình 1.4 Nhiệt độ chuyển pha SD (Tc) không ngừng được nâng cao theo thời gian [2, 15] 9

Hình 1.5 Dòng điện trong xuyến siêu dẫn [3] 10

Hình 1.6 Entropy của nhôm (Al) ở trạng thái thường và trạng thái siêu dẫn 12

Hình 1.7 Mô phỏng một số cấu trúc vật liệu siêu dẫn chứa Cu và Oxy [2] 21

Hình 1.8 Cấu trúc ô cơ bản của YBa2Cu3O7-y [1] 22

Hình 2.1 Sơ đồ chi tiết hệ đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN 26

Hình 3.1 Thiết bị chế tạo mẫu SDNĐC bằng phương pháp gốm tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Trường ĐHKHTN - ĐHQGHN 29

Hình 3.2 Đồ thị DTA, TGA, TDG của mẫu SD Bi- 2223 [5] 35

Hình 3.3a Giản đồ DTA của hợp chất SD Bi2Sr2Ca2(Cu1-xNix)3Oy với (x = 0.01; 0.03; 0.06 ) 36

Hình 3.3b Giản đồ DTA của hợp chất SD Bi2Sr2Ca2(Cu1-xFex)3Oy với (x = 0.01; 0.03; 0.06 ) 36

Hình 3.3c Độ mất trọng lượng do mẫu pha tạp Fe, Co và Ni vào vị trí Cu ( x = 0,00 – 0,06) 37

Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X – ray của mẫu SD Bi -2223 37

Hình 3.5 So sánh sự thay đổi các hằng số mạng và thể tích ô cơ sở của SD Y-(123) và Bi-(2223) pha tạp ( Fe, Co, Ni ) 45

Hình 3.6 Đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của: 50

a.YBa2(Cu1-xFex)3O7-y 50

b.Bi2Sr2(Cu1-xFex)3Oy 50

Hình 3.7 a Nhiệt độ chuyển pha Tc phụ thuộc vào nồng độ thay thế kim loại 3d vào vị trí Cu trong SDNĐC YBa2(Cu1-xM3)3O7-y 50

b Đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của Bi2Sr2Ca2(Cu1-xFex)3Oy Tc2 phụ thuộc vào nồng độ Fe, Co và Ni trong các hợp chất Bi2Sr2Ca2(Cu1-

x(Fe,Co,Ni)x)3Oy 50 Hình 3.8 Biểu diễn sự phụ thuộc của Tc vào số lớp CuO2 (n) theo bảng 3.3 53Hình 3.9 Nhiệt độ chuyển pha Tc của các chất SDNĐC gốc Bi, Tl, Hg phụ thuộc số lớp CuO2 (n) trong cấu trúc tinh thể theo lý thuyết P W Anderson 54Hình 3.10 Đường cong kết quả thực nghiệm Tc của J Bok theo số lớp CuO2(n) so sánh với lý thuyết Anderson theo sự làm khớp của đa thức (3.13) 55

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

SDNĐC : siêu dẫn nhiệt độ cao

Tc : nhiệt độ chuyển pha

Jc : mật độ dòng tới hạn

Hc : từ trường tới hạn BCS : lý thuyết BCS XRD : nhiễu xạ tia X SEM : hiển vi điện tử quét

MỞ ĐẦU

Năm 1911, hiện tượng siêu dẫn được phát hiện khi nhà khoa học Hà

Lan Kamerlingh Onnes đo điện trở thủy ngân (Hg) Ở nhiệt độ thấp hơn 4,2

K, ông nhận thấy điện trở Hg đột ngột giảm xuống xấp xỉ bằng không [7]

Sau nhiều năm nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn (SD), đến tháng 1 năm

1986, hai nhà vật lý học Bednorz J G và Alex Muller K A [8] làm việc tại

hãng IBM – Thụy Sĩ đã phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn trong vật liệu gốm

La-Ba-Cu-O khi nhiệt độ xuống thấp hơn 35K Khám phá này đã dẫn đến sự

ra đời của một loạt vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (SDNĐC) dạng gốm, dạng

đơn tinh thể, dạng màng mỏng với thành phần và cấu trúc khác nhau

Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện đã mở ra một lĩnh vực hoàn toàn

mới trong vật lý học Với tính chất điện trở không của vật liệu siêu dẫn, nó có

thể mở đầu cho một cuộc cách mạng về năng lượng và công nghiệp điện tử

khi nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn đạt đến nhiệt độ phòng Các nước đã thành

lập các phòng thí nghiệm với nhiều nhóm nghiên cứu về vật liệu SDNĐC

Các nhà khoa học và công nghệ đầu tư kinh tế, công sức và hàng trăm quốc

gia đầu tư những khoản kinh tế khổng lồ để nghiên cứu về vật liệu SDNĐC

Vật liệu SDNĐC có thành phần và cấu trúc rất đa dạng Hầu hết các

chất SDNĐC đều thuộc siêu dẫn loại II Người ta tạm thời phân chia thành

các nhóm SDNĐC căn cứ vào thành phần hoặc cấu trúc của chúng để nghiên

cứu Ví dụ như loại SDNĐC chứa ôxit đồng, loại không chứa đồng, loại

SDNĐC hữu cơ và cả MgB… Loại SDNĐC thông thường nhất hiện nay là

loại chứa oxit đồng

Các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm đã nghiên cứu, khảo sát và

phân tích tính chất của các hệ vật liệu SDNĐC chứa ôxit đồng Với nhiều tính

chất ưu việt và có nhiệt độ chuyển pha Tc tương đối cao, hệ vật liệu SDNĐC

chứa oxit đồng Bi-2223 với hệ siêu dẫn Y-123 đã được nghiên cứu chi tiết và

đưa vào ứng dụng trong thực tế Vì vậy chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn là:

“Nghiên cứu sự thay đổi tính chất của siêu dẫn nhiệt độ cao Y-123

và Bi-2223 khi pha tạp kim loại chuyển tiếp vào vị trí Cu”

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được phân bố thành 3 chương:

Chương 1 Tổng quan sơ lược về siêu dẫn

Chương 2 Thực nghiệm

Chương 3 Chế tạo mẫu và thảo luận kết quả

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN SƠ LƯỢC VỀ SIÊU DẪN

1.1 Những sự kiện lịch sử đáng ghi nhớ về siêu dẫn

Năm 1908 Kamerlingh Onnes đã hóa lỏng được khí He lần đầu tiên trên thế giới tại trường Tổng hợp Quốc gia Leiden (Hà Lan), nó là tiền đề cho

sự phát minh ra hiện tượng siêu dẫn Năm 1911, khi nghiên cứu về điện trở của thủy ngân Ông nhận thấy rằng sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn các kim loại khác Ở nhiệt độ T= 4,2 K, điện trở của thủy ngân (Hg) giảm về không một cách đột ngột Nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc) và hiện tượng mà điện trở đột ngột biến mất dưới một nhiệt độ xác định được gọi là hiện tượng siêu dẫn (hình 1.1) Vậy:

Siêu dẫn là một trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó cho phép dòng 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

Hình 1.1: Đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của thủy ngân (Kamerlingh Onnes 1911)

Nhiệt độ tới hạn hay còn gọi là nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc) là nhiệt độ mà tại đó trạng thái thường của một vật liệu chuyển sang trạng thái

SD Từ đó có thể suy ra: Chất siêu dẫn là chất trong đó có tồn tại trạng thái

siêu dẫn dưới một nhiệt độ xác định – nhiệt độ chuyển pha [1]

Sự phát minh ra hiện tượng siêu dẫn đã mở ra cho các nhà khoa học trên toàn thế giới một lĩnh vực nghiên cứu mới về bản chất siêu dẫn của các vật liệu

Sau năm 1911, trào lưu nghiên cứu về SD ngày càng mở rộng trên toàn thế giới Năm 1914, hiện tượng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn

đã được phát hiện và cùng năm đó Kemerlingh Onnes đã chế tạo được nam châm siêu dẫn

Năm 1930, người ta đã chế tạo được hợp kim siêu dẫn

Năm 1933, các nhà khoa học Meissner và Ochsenfeld đã phát hiện ra : Chất siêu dẫn khi làm lạnh trong từ trường đến dưới nhiệt độ chuyển pha thì các đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài Nếu tăng từ tường đến một giá trị xác định trong trạng thái siêu dẫn thì từ trường xâm nhập vào trong chất siêu dẫn

và trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ Giá trị từ trường xác định đó được gọi là từ trường tới hạn nhiệt động và được kí hiệu là Hc

Hiệu ứng từ trường bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn được mang tên là hiệu ứng Meissner Hiệu ứng này đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu siêu dẫn

và là một trong hai điều kiện cần và đủ để xem xét một vật là chất siêu dẫn

Các chất biểu hiện hoàn toàn đúng với hiệu ứng Meissner được gọi là siêu dẫn loại 1 Hình 1.2

Những năm sau đó, các nhà khoa học đã tìm ra được một loại siêu dẫn nữa được gọi là siêu dẫn loại 2 Trong siêu dẫn loại 2 có tồn tại một trạng thái hỗn hợp, trạng thái này bao gồm cả trạng thái siêu dẫn và trạng thái không siêu dẫn

H H H Hc

T > Tc T < Tc T < Tc

Hình 1.2 Hiệu ứng Meissner đối với SD loại 1

a Vật liệu SD ở trạng thái thường trong từ trường (H )

b Vật liệu SD ở trạng thái siêu dẫn trong từ trường (H )

c Vật liệu SD ở trạng thái siêu dẫn khi tăng từ trường H ≥ HC Các kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu ứng Meissner không đúng hoàn

toàn với siêu dẫn loại 2 Vì bên trong các chất siêu dẫn loại 2 các từ trường có

thể xâm nhập theo các xoáy từ đối với từ trường lớn hơn Hc1 ( từ trường tới

hạn thấp) Từ trường tiếp tục tăng lên thì mật độ xoáy cũng tăng lên cho đến

từ trường tới hạn Hc2 ( từ trường tới hạn cao) Tại từ trường tới hạn Hc2 siêu

dẫn bị triệt tiêu hoàn toàn Như vậy siêu dẫn loại 2 có tồn tại 3 từ trường tới

hạn đó là Hc1, Hc và Hc2 ( Hình 1.3) [20, 24]

Lý thuyết London (1953) đã rất thành công khi chứng minh được sự

tồn tại của hiệu ứng Meissner trong chất siêu dẫn, nhưng lại không áp dụng

được trong từ trường mạnh (cỡ từ trường tới hạn Hc2) [13]

Minh chứng cho hiệu ứng Meissner trong lý thuyết London được biểu

diễn bằng phương trình London phụ thuộc từ trường bên trong chất siêu dẫn

Phương trình mô tả bằng các đường cảm ứng từ B như sau:

Hình 1.3 Từ trường tới hạn trong siêu dẫn loại 2

a Các từ trường tới hạn của siêu dẫn loại 2 phụ thuộc nhiệt độ

b Siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng – Mômen từ phụ thuộc từ trường Cách giải của phương trình (1.1) đúng cho siêu dẫn loại 1 chỉ khi từ trường trong lòng chất siêu dẫn là đồng nhất

B = const = 0 ( 1 2 ) Nghĩa là các đường từ thông bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn Nhưng khi từ trường thay đổi, từ trường trong lòng chất siêu dẫn không thể đồng nhất Vì vậy cách giải của phương trình (1.1) cho siêu dẫn loại 2 sẽ là:

L

X e B X

B( )  ( 0 )   ( 1 3 ) Phương trình ( 1 3 ) cho thấy từ trường trong vùng hỗn hợp của siêu dẫn loại 2 giảm theo hàm L

Lý thuyết Ginzburg-Landau đã đưa ra được phương trình mang tên Ginzburg - Landau đồng dạng với phương trình Schrodinger và mô tả thông

số trật tự ψ ( r) như một hàm sóng trong phương trình Schrodinger Phương trình Ginzburg – Landau mô tả sự phụ thuộc của mật độ dòng siêu dẫn ( S ) theo thông số  (r) trong trạng thái siêu dẫn như sau :

)]

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[

2

mc

q r r

r r

Năm 1957, Barder, Cooper và Schriffer đã đưa ra lý thuyết vi mô, được gọi là lý thuyết BCS, nó giải thích rất thành công những tính chất vi mô của vật liệu siêu dẫn và nhiệt động lực học của nó Mô hình lý thuyết được đưa ra

ở đây là: ở dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TC, các điện tử được tạo thành các cặp có véctơ xung lượng và spin đối nhau, các cặp điện tử này được gọi là các cặp Cooper Các cặp Cooper này tạo nên dòng siêu dẫn Nhờ có khe năng lượng ở mặt Fecmi liên quan đến tương tác giữa điện tử và phonon nên các cặp cooper không bị phá vỡ dưới nhiệt độ Tc , chúng cũng không va chạm với nhau nên không sinh điện trở và vì vậy trạng thái siêu dẫn xuất hiện

Ngoài việc lý giải định tính và định lượng về sự tồn tại của cặp Cooper trong trạng thái SD, lý thuyết BCS còn tính được giá trị của khe năng lượng trong trạng thái SD đó chính là năng lượng liên kết của các cặp Cooper

Với ∆ là giá trị khe năng lượng,  là tần số giao động Debye, D (E F)

là mật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi và g là hệ số liên kết của các cặp

Cooper

Lý thuyết BCS còn đưa ra được những tiên đoán về một số tính chất

quan trọng của vật liệu SD Chẳng hạn như: nhiệt độ chuyển pha SD (Tc) của

một chất trong từ trường H = 0 sẽ là:

( )

114

c c

T

T T

k

Ngoài ra, lý thuyết BCS còn giải thích được hiệu ứng đồng vị và bước

nhảy nhiệt dung trong trạng thái SD :

  1 , 43

T c T N

N S

C

C

C ( 1 8 )

Trong phương trình (1.7) ta thấy nếu T = Tc thì khe năng lượng ∆( T =

Tc) = 0 phù hợp với hiện tượng trạng thái SD bị phá vỡ

Trong từ trường, lý thuyết BCS tiên đoán rằng:

1 ( )2

)0(

)(

c c

c

T

T H

T

H   ( 1 9 )

Thực nghiệm đã xác nhận phương trình ( 1 9 ) phù hợp với các kết quả

đo từ trường phụ thuộc nhiệt độ [ H = H(T)] ( Hình 1.3 )

Trong khoảng thời gian từ năm 1911 đến năm 1985 đã có rất nhiều chất

siêu dẫn được tìm ra nhưng tất cả đều có nhiệt độ chuyển pha (Tc) không vượt

qua 24K Những vật liệu siêu dẫn này đều cần sử dụng chất lỏng He, là một

chất hiếm và đắt tiền để làm môi trường duy nhất nghiên cứu hiện tượng siêu

dẫn Đó là một khó khăn và cũng là một thách thức cho các nhà khoa học, đòi

hỏi phải tìm ra những chất siêu dẫn mới, thích hợp, khắc phục được những khó khăn nêu trên [2]

đó các nhà khoa học ở nhiều nước trên thế giới không ngừng tìm ra các chất SDNĐC có thành phần và cấu trúc phức tạp, đồng thời nhiệt độ chuyển pha của các chất siêu dẫn tìm được không ngừng được nâng cao theo thời gian

Tc

Năm

Hình 1 4 cho thấy các vật liệu siêu dẫn mới có nhiệt độ chuyển pha Tc ngày càng tăng lên

Cho đến nay, nhiêt độ chuyển pha có thể đạt được ở một số hợp chất gốm siêu dẫn cỡ 165K trong hợp chất chứa Hg

1.2 Một số tính chất điển hình của vật liệu siêu dẫn

1.2.1 Điện trở không của chất siêu dẫn

Trong định nghĩa về siêu dẫn, dưới nhiệt độ chuyển pha điện trở của vật liệu hoàn toàn biến mất, nhưng trên thực tế làm thế nào để kiểm chứng được điều đó vì nó là một giá trị rất nhỏ, mà các Ôm kế có độ chính xác cao nhất cũng không thể đo được Người ta đã chế tạo vòng xuyến siêu dẫn đặt trong

từ trường rồi làm lạnh đến nhiệt độ T < T c, khi ngắt từ trường trong vòng dây xuất hiện dòng điện cảm ứng i(t) = i(0)e(R/L)t và dòng này suy giảm rất chậm, người ta tính thời gian suy giảm của nó khoảng 100000 năm Phép đo từ trường không lấy năng lượng từ mạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định được điện trở của kim loại cỡ < 1026 m Giá trị này thỏa mãn kết luận điện trở không của kim loại siêu dẫn ( Hình 1.5)

1.2.2 Dòng tới hạn, mật độ tới hạn

Dòng cực đại đạt được trong trạng thái siêu dẫn gọi là dòng tới hạn

I c Nói cách khác, dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi điện trở của chất siêu dẫn được xem như bằng không Nếu trong dây dẫn

có một dòng I lớn hơn dòng tới hạn thì trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ Đó

là hiệu ứng dòng tới hạn

Thực nghiệm đã cho thấy rằng , nếu dây siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng trong dây siêu dẫn là I > Ic thì mối quan hệ giữa từ trường tới hạn và các đại lượng I và a sẽ là :

HC 2I

a

Công thức (1.10) là công thức Silsbee Công thức này chỉ đúng cho một

số chất nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn loại I (đơn kim loại ) Các chất siêu dẫn là hợp chất , hợp kim hoặc siêu dẫn có tạp chất (siêu dẫn loại II) đều không thỏa mãn hệ thức này

Ngoài khái niệm dòng tới hạn, thông thường người ta còn dùng khái

niệm mật độ dòng tới hạn (J C ) để thay khái niệm dòng tới hạn Đó là giá trị dòng tới hạn trên một đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn Đơn vị thường dùng

cho đại lượng này là A/cm2.

1.2.3 Entropy và nhiệt dung liên quan đến từ trường H c

a) Entropy trong trạng thái siêu dẫn

Thực nghiệm cho thấy: Trong mọi chất siêu dẫn, entropy giảm mạnh

khi làm lạnh xuống dưới nhiệt độ chuyển pha (T < Tc) (hình 1.6) Sự giảm entropy này chứng tỏ: Một phần hoặc tất cả các điện tử đã bị kích thích nhiệt

ở trạng thái thường trở nên sắp xếp trật tự ở trạng thái siêu dẫn (vì entropy là

đại lượng đo mức độ trật tự của hệ) Nghĩa là trạng thái siêu dẫn trật tự hơn

nhiều so với trạng thái thường

Trong nhiệt động học có thể tính entropy trong từ trường từ biểu thức năng lượng tự do Gibbs:

G = U- TS- HM (1.11) Lấy đạo hàm toàn phần của phương trình (1.11) ta được

dG = dU- TdS- HdM- MdH (1.12)

Mà sự biến thiên nội năng được mô tả bằng tổng đại số của nhiệt và công từ hóa của từ trường:

dU = TdS- HdM (1.13) nên dG = -SdT- MdH (1.14) Theo hiệu ứng Meissner khi B = 0 thì từ phương trình (1.14) ta có:

T T

G T

G

8

1()

)0(()

Tại T = 0 K , entropy trong trạng thái SD sẽ giảm đến 0 nên :

0

4

1)0

 (1.17) Tại H = Hc thì :

4

1 ) 0 ( [ )

(

dT

dH H S

T

G

c s

S

c S

N  (1.19) Phương trình (1.19) đúng với nguyên lý tăng Entropy

b) Nhiệt dung của chất siêu dẫn

Nhiêt dung của một chất siêu dẫn thường bao gồm sự đóng góp của mạng (phonon) và của điện tử được biểu diễn theo công thức sau :

C = Cp + Ce =T3T (1.20)

Thực nghiệm cho thấy rằng tại điểm chuyển pha từ trạng thái thường

sang trạng thái siêu dẫn nhiệt dung có bước nhảy Một số thiết bị đo chính

xác ở nhiệt độ thấp đã chứng minh rằng ở dưới nhiệt độ chuyển pha (T < Tc), nhiệt dung điện tử của kim loại trong trạng thái siêu dẫn thay đổi theo nhiệt

độ theo quy luật:

B

b

k T e

Một số kết quả thực nghiệm đã xác định được bước nhảy nhiệt dung tại điểm chuyển pha SD (Tc) trong vùng nhiệt độ thấp là [ 10, 14 ]:

dS T

S

c S

)4

(

dT

dH T dT

H d TH dT

dH H dT

d T





 (1.26) Phương trình (1.26) được mang tên : Hệ thức Rutger [2]

1.3 Vài nét so sánh về siêu dẫn loại 1 và siêu dẫn loại 2

Để tổng hợp một số đặc trưng của SD loại 1 và SD loại 2, dưới đây

chúng tôi đưa ra những sự khác nhau cơ bản giữa SD loại I và SD loại II (dùng cho cả SDNĐ thấp và SDNĐC) trong bảng 1.1

Bảng 1.1: So sánh sự khác nhau giữa siêu dẫn loại 1 và siêu dẫn loại 2

Vật liệu

Thường là các kim loại tinh khiết và một vài hợp kim

Thường là các hợp kim, hợp chất

Chuyển pha

điện trở (Tc

(K))

Chuyển pha Sắc nét, có một nhiệt chuyển pha Tc :

Có thể có nhiều bước chuyển pha ứng với các nhiệt độ chuyển pha Tc1, Tc2 …

c c

T

T H

1.4 Tìm hiểu một số loại SDNĐC điển hình

1.4.1 Vài nét về lịch sử các Oxit siêu dẫn

Lần đầu tiên trong lịch sử phát hiện ra chất siêu dẫn có trong oxit đó là chất SrTiO3 do Schooley, Hosler và Cohen tìm thấy năm 1964 với nhiệt độ chuyển pha Tc = 0,25 K và các hạt tải điện tử là n = 3.1019 /cm3 [22] Hiện tượng này không nằm trong khuôn khổ của lý thuyết BCS Sau mười bảy năm, khi pha tạp Nb vào SrTiO3 thì nồng độ điện tử được nâng lên n =

1021/cm3 và nhiệt độ chuyển pha Tc = 1,3 K 9 tháng sau, nhóm Matthias đã tìm thấy siêu dẫn trong NaxWO3 với x = 0,3, n = 1022/cm3 và Tc = 0,57 K Năm 1965 hiện tượng siêu dẫn cũng được tìm thấy trong TiO và NbO với các nhiệt độ chuyển pha tương ứng 0,65K và 1,25K Năm 1973 Johnson và đồng nghiệp đã tìm ra siêu dẫn trong LiTi2O4 với Tc = 11 K Năm 1975 Sleight và đồng nghiệp đã tìm ra siêu dẫn có trong hệ Perovskite BaPb1-x BixO3 , với x = 0,25 thì n = 2,4.1021/cm3 và Tc =11,2 K Sau đó người ta thay K+ vào Ba2+trong chất cách điện BaBiO và tìm thấy Tc= 30K trong hợp chất Ba-K-Bi-O

Nhiệt độ chuyển pha của các hợp chất này chưa cao nhưng nó mở ra một hướng mới là có thể tìm kiếm vật liệu siêu dẫn ngay trong hợp chất gốm chứ không phải chỉ ở kim loại nguyên chất và hợp kim [2]

Trong suốt những năm từ 1911-1985, chất lỏng He là môi trường duy nhất dùng để nghiên cứu vật liệu siêu dẫn, điều này dẫn đến những hạn chế trong nghiên cứu và ứng dụng đối với nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới Việc tạo He lỏng rất phức tạp và tốn kém Để khắc phục được hạn chế này, các nhà khoa học cần phải tìm ra các chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha trong vùng nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi của Hêli lỏng Kỹ thuật nhiệt độ thấp cho phép có thể tạo ra nhiệt độ thấp bằng việc hóa lỏng các chất khí thông dụng như: hiđrô có nhiệt độ sôi ở dạng lỏng là (20 K); Neon (27 K), Nitơ (77 K); Không khí (~ 80 K) và Oxy (90 K) Nhưng phổ biến nhất là sử dụng chất lỏng Nitơ vì khí Nitơ chiếm 78% thể tích không khí và qui trình hóa lỏng khí đảm bảo an toàn và không quá phức tạp

Phát hiện của Muller và Bednorz về hợp chất SDNĐC chứa oxit Cu đầu tiên có nhiệt độ chuyển pha cao hơn nhiệt độ hóa lỏng của He Đây là một bước tiến rất quan trọng mở ra một lĩnh vực mới đó là siêu dẫn nhiệt độ cao Sau K A Muller và J G Bednorz [8], các nhà khoa học trên toàn thế giới đã tiến hành nghiên cứu và công bố các kết quả về siêu dẫn nhiệt độ cao trong vùng nhiệt độ Nitơ lỏng Những vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao không ngừng được phát hiện và nhiệt độ chuyển pha ngày càng được nâng cao (Hình 1.2)

Tháng 1 năm 1987 nhóm nghiên cứu của C W Chu [9] lần đầu tiên đã tạo được siêu dẫn có Tc = 90 K ở hợp chất LaBa2Cu3O7 Ông và đồng nghiệp cũng đã chỉ ra rằng: nếu chế tạo gốm oxit La-Sr-Cu-O trong môi trường áp suất cao thì nhiệt độ chuyển pha Tc cũng tăng lên Tháng 3 năm 1987 khi thay thế La bằng Y người ta đã phát hiện ra hợp chất siêu dẫn YBa2Cu3O7-x (gọi là Y-123)có nhiệt chuyển pha Tc > 90 K Cấu trúc pha siêu dẫn của Y-123 được

xác định tại phòng thí nghiệm Geophysical Lab đó là cấu trúc lớp với sự xắp xếp trật tự một cách tuần hoàn (Y-BaO-CuO2-CuO-CuO2-BaO) với hai lớp CuO2 được ngăn cách bằng một chuỗi tuyến tính CuO/l ô mạng Tiếp theo là hàng loạt các hợp chất siêu dẫn mới được nghiên cứu khi thay thế Y bằng các nguyên tố thuộc dãy đất hiếm (RE) như La, Nd, Sm, Eu, Ho, Er và Lu Sự thay thế này không thấy làm thay đổi TC Tại thời điểm này một số nhóm nghiên cứu trên thế giới cũng độc lập tìm ra siêu dẫn RE - 123 có Tc > 90 K (như nhóm Muller- Thụy Sỹ, nhóm Tanaka- Nhật, nhóm Paul Chu- Mỹ và Zhong- Xian- Zhao- Bắc Kinh)

1.4.2 Siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Oxit – Cu

Từ năm 1988 đến nay, hàng loạt các oxit siêu dẫn chứa Cu và Oxy được phát hiện (ngoài La(RE) -214 và Y(RE) -123) còn có các hợp chất SDNĐC điển hình sau đây [2] :

Bi2Sr2 Can-1CunO2n+4 (Gọi tắt là Bi-22(n-1)n; với n = 1, 2, 3, )

Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 (Gọi tắt là Tl-22(n-1)n; với n = 1, 2, 3, ) HgBa2Can-1CunO2n+2+σ (Gọi tắt là Hg-12(n-1)n; với n = 1,2 ,3 , ) CuBa2Can-1CunO2n+2+σ (Gọi tắt là Cu-12(n-1)n; với n = 1, 2, 3, )

A1-xBxCuO2 (A = kim loại kiềm, B = kim loại đất hiếm hoặc vacancy)

Các vật liệu siêu dẫn này có nhiệt độ chuyển pha đã vượt quá 120 K và cấu trúc của chúng cũng đặc biệt hơn Sau đây là một số đặc trưng điển hình của các họ siêu dẫn trên :

+ Hệ siêu dẫn NĐC Bi-22(n-1)n: Hệ vật liệu này do Maeda và đồng

nghiệp phát hiện vào tháng 1/1988 Điển hình là: Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt

là BSCCO system) Đây là loại vật liệu siêu dẫn đa phần có Tc ≥ 105 K Cấu trúc tinh thể gồm 3 pha ứng với n = 1, 2, 3 được xác định là cấu trúc lớp theo trật tự xắp đặt: BiO2-SrO-CuO2-(Ca)-CuO2- -(Ca)-CuO2-SrO, với n lớp CuO2

được ngăn cách bằng (n-1) lớp Ca

Ứng với n = 1, 2, 3 thì Tc có các giá trị tương ứng 22 K, 80 K, 110 K

+ Hệ Tl-22(n-1)n: Hệ siêu dẫn chứa Tl do Shung và Herman công bố

cuối năm 1987 Điển hình là hợp chất Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 Cấu trúc tinh thể của hệ siêu dẫn NĐC này giống như hệ siêu dẫn NĐC chứa Bi Ngoài ra khi thay thế nguyên tố phi từ hóa trị 3 (Tl) cho siêu dẫn (RE) – 123 như (TlBa2Cu3Ox) thì có Tc ≥ 90 K

Tháng 2/1988, Shung và Herman đã thay Ca cho Ba và đươc một hợp chất Tl-Ba-Ca-Cu-O hay (TBCCO), hợp chất này có cấu trúc giống như siêu dẫn Bi-2223 với hai lớp kép (TlO2) và có Tc = 90 K, 110 K và 125 K khi n =

1, 2, 3

+ Hệ Hg-12(n-1)n: Năm 1991 Putilin và đồng nghiệp đã tạo ra hợp chất

HgBa2Can-1CunO4+σ Với n = 1, hợp chất có Tc = 94 K Schilling và đồng nghiệp thay n = 2, 3 trong Hg-12(n-1)n đã làm tăng Tc = 133 K-134 K ở áp suất cao 16 GPa và 164 K ở 30 GPa

Cấu trúc được xắp đặt là: HgOσ-BaO-CuO2-(Ca)-CuO2- -(Ca)-CuO2BaO Với n lớp CuO2 được ngăn cách bằng (n-1) lớp Ca, cấu trúc nay giống với cấu trúc TlBa2Can-1CunO2n+σ

+ CuBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+σ : Công thức chung AmX2Can-1CunO2n+m+2+σ với

m = 1 hoặc 2, X = Ba hoặc Sr, n = 1, 2, 3 tăng theo sự thay đổi của A trong bảng hệ thống tuần hoàn Từ nhóm VB (Bi), nhóm IIIB (Tl) đến nhóm IIB (Hg) trong bảng hệ thống tuần hoàn, có khả năng làm tăng Tc bằng cách thay đổi A đến nhóm IB như Au hoặc Ag nên Tc đạt được 124 K trong hệ này Cấu trúc của loại vật liệu này còn chưa xác định được

+ Hệ A 1-x B x CuO 2 : Năm 1988, khi nghiên cứu trên hợp chất

(Ca0,86Sr0,15)CuO2 một số tác giả đã phát hiện ra rằng số lớp (Can-xCunO2n-2) là

vô tận Khi Smith và đồng nghiệp pha tạp eletron trong hợp chất Sr1-yNdyCu2dưới áp suất 2,4 Gpa thì Tc ≈ 40 K [12] Và các nhà khoa học cũng phát hiện

ra Tc tăng theo số lớp CuO2 Tiếp theo, Takano và đồng nghiệp đã tìm ra hợp chất (Sr1-xCax)0,9CuO2 có siêu dẫn ở Tc = 110 K dưới áp suất 6 Gpa Thành

phần định tính của hợp chất đã gợi mở cho sự pha tạp lỗ trống trong các mẫu siêu dẫn

1.4.3 Những hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình nhất chứa Cu và

Oxy

Các hợp chất SDNĐC điển hình nhất chứa Cu và Oxy gồm có :

+ Hệ siêu dẫn La2CuO4 ( gọi tắt là La – 214 )

+ Hệ siêu dẫn YBa2Cu3O7-σ ( gọi tắt là Y – 123 )

+ Hệ siêu dẫn chứa Bi điển hình là :

- Bi2Sr2CaCu2O8 ( gọi tắt là Bi – 2212 )

- Bi2Sr2Ca2Cu3O10 ( gọi tắt là Bi – 2223 )

+ Hệ La 2 CuO 4 : Hệ hợp chất này có thể thay thế La bằng Sr theo hợp thức: La2-xSrxCuO4 Hoặc có thể thay thế La bằng các nguyên tố đất hiếm khác (RE)

+ Hệ La 2 CuO 4 (214): có cấu trúc lớp và Tc ≈ 10 K Dưới áp suất cao, nhiệt độ chuyển pha Tc có thể tăng lên xấp xỉ 90 K Ở hệ hợp chất này hóa trị của Cu làm ảnh hưởng mạnh đến tính siêu dẫn của vật liệu

Hầu hết các hệ SDNĐC chứa oxyt – Cu trên đây đều có cấu trúc thuộc họ Perovskite ABO3 với sự khác nhau về số lớp CuO2 Hình 1.7 minh họa một số cấu trúc tinh thể của các hợp chất SD điển hình chứa Oxyt – đồng

Các hợp chất SD chứa Cu và Oxy nêu trên có cấu trúc các ô cơ bản tương đối giống nhau Chúng đều thuộc họ cấu trúc perovskite Một điều khác nhau cơ bản là độ dài trục c với cấu trúc số lớp CuO2 khác nhau Ví dụ vật siêu dẫn La–214 và Bi – 2201 có một lớp CuO2 trong một tầng, vật liệu siêu dẫn Y–123 và Bi – 2212 có hai lớp CuO2 và vật liệu Bi–2223 có ba lớp CuO2 (hình 1.7)

+ Hợp chất siêu dẫn Y – 123:

Có nhiệt độ chuyển pha cỡ 90 K với hợp thức cation là 1Y: 2Ba: 3Cu

và hợp thức danh định là: YBa2Cu3O7-x gọi là hợp chất siêu dẫn Y – 123 [11] Loại hợp chất này có cấu trúc ô cơ bản liên quan đến cấu trúc perovskite lập phương và có trục c lớn gấp ba lần hai trục b và a Theo nghiên cứu về hằng

số mạng trong ô ơ bản cho biết rằng cấu trúc của Y - 123 là cấu trúc trực thoi với kích thước trục b lớn hơn trục a Cấu trúc này bắt nguồn từ cấu trúc perovskite lý tưởng biến dạng như hình 1.8 Người ta có thể thay thế Y bằng các nguyên tố đất hiếm khác với hợp thức ( RE ) Ba2Cu3O7-σ , nhưng nhiệt độ chuyển pha ( Tc ) của các hệ SDNĐC chứa RE này gần như không thay đổi

Hình 1.7 Mô phỏng một số cấu trúc vật liệu siêu dẫn chứa Cu và Oxy [2]

La 1,85 Sr 0,15 CuO 4 Bi - 2212 Bi - 2223 Hg - 1223

Hình 1.8 Cấu trúc ô cơ bản của YBa 2 Cu 3 O 7-y [1]

+ Hợp chất SDNĐC chứa Bi:

Hợp chất siêu dẫn Bi-Sr-Ca-Cu-O thường là đa pha [17] Thông thường

có ít nhất hai pha siêu dẫn Tuy nhiên bằng những qui trình công nghệ chọn lọc, có thể chế tạo được những mẫu siêu dẫn đơn pha Bi – 2223 có các nhiệt

độ chuyển pha 110 - 120 K Độ sạch của pha siêu dẫn trong các mẫu này tuỳ theo các điều kiện chế tạo mẫu như : thành phần danh định ban đầu (hợp thức ban đầu), quy trình xử lý nhiệt, môi trường chế tạo vật liệu và độ sạch của các nguyên liệu ban đầu

Cấu trúc của các hệ hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Bi gồm các lớp perovskite xen kẽ nhau với các lớp kép [Bi2O2], ở đây không có các chuỗi Cu-

O Hai mặt phẳng perovskite BiO được cài vào giữa Các lớp CuO2 trong siêu dẫn chứa Bi có tọa độ của các oxit xung quanh Cu rất giống với cấu hình CuO2 trong Y-123 Đó là sự nối tiếp nhau của các lớp oxit theo trục c Các tác giả đã khẳng định số mặt CuO2 tỉ lệ với Tc và các lớp Bi-O đóng vai trò rất quan trọng trong việc hình thành siêu dẫn Cấu trúc tầng và lớp của các hệ siêu dẫn Bi – 2212 và Bi – 2223 được sắp xếp như sau:

Bi - 2212: BiO- BiO- SrO- CuO2- Ca- CuO2- SrO- BiO- BiO

Bi - 2223: BiO –BiO –SrO -CuO2 -Ca- CuO2- Ca- CuO2- SrO - BiO-BiO Siêu dẫn Bi - 2223 với hợp thức cation là 2Bi: 2Sr: 2Ca: 3Cu và hợp thức danh định là: Bi2Sr2Ca2Cu3O10-x

Ngoài ra còn một số loại hợp chất SDNĐC có cấu trúc đặc biệt (hình 1.9) nhƣ siêu dẫn hữu cơ, siêu dẫn C60 và siêu dẫn MgB…vv

Cấu trúc một số vật liệu siêu dẫn mới (Pirelli Labs) [2]

Hình 1.9 Mô tả một vài cấu trúc đặc biệt của một số SDNĐC.

Luận văn này đƣợc giới hạn trong việc nghiên cứu qui trình công nghệ chế tạo mẫu và một số tính chất siêu dẫn Bi – 2223 với sự pha tạp một phần kim loại chuyển tiếp vào vị trí của Cu trong hợp thức danh định Tiếp đó là sự

so sánh các tính chất SD của vật liệu Bi – 2223 với SD Y – 123 và đƣa ra những giải thích khoa học về mặt định tính

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2.1.1 Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X

Cấu trúc tinh thể của mẫu được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X tại Trung tâm Khoa học Tự nhiên và công nghệ Quốc gia và trung tâm

vật liệu, khoa vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Phương pháp này có thể đánh giá được cấu trúc tinh thể của các mẫu chế tạo với góc quét trải rộng

từ 20-80o Bước góc quét 0,100o với anode là Cu Các phép đo được tiến hành trên mẫu bột hoặc mẫu khối Kết quả phân tích tia X, các đỉnh nhiễu xạ được đánh dấu bằng chỉ số dhkl nhờ so sánh với bảng chuẩn câú trúc tinh thể của các chất Trên cơ sở đó các chỉ số Miller h, k,l sẽ được xác định Bằng các phương trình tương ứng với cấu trúc tinh thể, các hằng số mạng a, b và c đã được xác định

2.1.2 Phép đo DSC ( phân tích nhiệt vi phân quét )

Nguyên lý : DSC làm việc dựa trên nguyên lý do sự thay đổi nhiệt độ

và nhiệt lượng tỏa ra từ mẫu khi đốt nóng và so sánh với thông tin từ mẫu chuẩn Buồng mẫu gồm hai đĩa cân, một đĩa cân chuẩn không chứa mẫu và làm bằng vật liệu được chuẩn hóa thông tin nhiệt Đĩa cân còn lại chứa mẫu cần phân tích Đĩa được đặt trên hệ thống vi cân cho phép cân chính xác khối lượng mẫu, cùng với hệ thống cảm biến nhiệt độ nằm bên dưới đĩa cân cho phép xác định nhiệt độ của mẫu Cả hệ thống này được đặt trong buồng đốt

mà tốc độ đốt nhiệt thường được thay đổi bằng các dòng khí thổi Từ các cảm biến đo đạc, dòng nhiệt thu tỏa từ mẫu sẽ được xác định như một hàm của nhiệt độ:

dH p dT f T t( , )

Với H là elthalpy ẩn nhiệt, Cp là nhiệt dung của mẫu, f(T,t) là một hàm của nhiệt độ và thời gian

Bên cạnh việc đo dòng nhiệt, thiết bị DSC có thể đo được sự thay đổi khối lượng nhờ vi cân đặt bên dưới đĩa cân và có thể thực hiện tính năng phân tích nhiệt trọng lượng TGA

Với các dữ liệu về dòng nhiệt thay đổi theo nhiệt độ, phép đo DSC cho phép xác định các tính chất chuyển pha nhiệt của mẫu, từ đó xác định các tham số nhiệt động của vật liệu như:

- Nhiệt dung riêng

- Các điểm chuyển pha nhiệt và hằng số nhiệt

Như vậy, phép phân tích nhiệt DCS nhằm nghiên cứu các biểu hiện chuyển pha hoặc các phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt của mẫu khí chế tạo Trên cơ sở đó có thể đánh giá các quá trình tạo pha trong mẫu Sự thay đổi trọng lượng TGA cho biết quá trình tham gia phản ứng hoặc quá trình chuyển pha của mẫu phụ thuộc nhiệt độ như thế nào

2.1.3 Phép đo điện trở

Nguyên lý : Điện trở của mẫu được xác định thông qua việc so sánh

hiệu điện thế giữa 2 điểm của mẫu với hiệu điện thế giữa 2 đầu điện trở chuẩn

Điện trở của mẫu được đo bằng phương pháp bốn mũi dò Hệ đo được ghép nối với máy tính Sơ đồ khối của hệ đo được trình bày trên hình 2.1

Bốn mũi dò tiếp xúc trực tiếp với mẫu có cấu trúc đặc biệt : được mạ vàng, có lò xo đàn hồi và được đặt thẳng hàng trên bề mặt mẫu Một nguồn dòng chuẩn cung cấp dòng điện chính xác qua điện trở chuẩn RF rồi chạy qua các mũi dò 1 và 4 Tín hiệu thế lấy ra từ hai đầu 2 và 3 được đưa vào kênh

102 của Keithley Tín hiệu thế lấy từ hai đầu điện trở chuẩn được đưa vào kênh 101 của Keithley Một cặp nhiệt điện đồng - constantant được gắn vào