Nghiên cứu ảnh hưởng của K pha tạp đến các tính chất vật lý của hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao Bi 2223

Nghiên cứu ảnh hưởng của K pha tạp đến các tính chất vật lý của hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao Bi 2223 Nghiên cứu ảnh hưởng của K pha tạp đến các tính chất vật lý của hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao Bi 2223 luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Nguyễn Khắc Mẫn, TS Trần Hải Đức người trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài và quá trình hoàn thành luận văn

Em xin cảm ơn đề tài khoa học mã số 103.02-2016.11 tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đã hỗ trợ thực hiện luận văn

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn các thầy cô, cán bộ thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình

học tập và làm đề tài tại Viện

Sự thành công của luận văn này có sự động viên giúp đỡ của gia đình, bạn bè đồng nghiệp về tinh thần và vật chất trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2018

Phạm Thị Thuỳ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của bản thân Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đã được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, web site …theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Tác giả luận văn

Phạm Thị Thuỳ

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO 3

1.1 Sơ lược về vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao 3

1.2 Các tính chất cơ bản của siêu dẫn nhiệt độ cao[1,3,4] 7

1.2.1 Các giá trị tới hạn của vật liệu siêu dẫn 7

1.2.2 Hiệu ứng Meissner 8

1.2.3 Độ thấm sâu London và độ dài liên kết 9

1.2.4 Cấu trúc vi mô trong chất siêu dẫn 11

1.3 Một số tính chất của hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO 14

1.3.1 Cấu trúc tinh thể của hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO 14

1.3.2 Tính chất 16

1.3.3 Sự tạo thành pha trong hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO 20

1.3.4 Ảnh hưởng của các kim loại kiềm pha tạp vào hợp chất BSCCO 22

1.3.4 Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao[1,3] 24

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 29

2.1 Chế tạo mẫu siêu dẫn nhiệt độ cao Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+ δ bằng phương pháp phản ứng pha rắn 29

2.2.1 Quy trình chế tạo mẫu 29

2.2 Các phương pháp nghiên cứu 32

2.2.1 Kỹ thuật phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia-X 32

2.2.2 Đo điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ bằng phương pháp bốn mũi dò 33

2.2.3 Kính hiển vi điện tử quét SEM 36

2.2.4 Đo đường cong từ trễ và mật độ dòng tới hạn 37

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ 38

3.1 Tính chất cấu trúc của mẫu Bi1.6Pb0.4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 38

3.1.1 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X 38

3.1.2 Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) 41

3.2 Đặc trưng điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ 42

3.3 Mật độ dòng tới hạn Jc phụ thuộc vào từ trường ngoài 48

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Tc,onset Nhiệt độ chuyển bắt đầu quá trình chuyển pha siêu dẫn

∆Tc Độ rộng vùng chuyển pha

SEM Ảnh hiển vi điện tử quét

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1

Thống kê một số chất siêu dẫn điển hình được phát hiện

theo thời gian

05 Bảng 1.2

Nhiệt độ TC, độ thấm sâu London λL, độ dài kết hợp ξ ở

Bảng 3.2

Các thông số đặc trưng vùng chuyển pha siêu dẫn và

nồng độ hạt tải lỗ trống của hệ mẫu siêu dẫn

Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ (với x = 0,00; x = 0,02,

x=0,04, x=0,06, x=0,08 và x = 0,10)

45

Bảng 3.3

Các thông số về mật độ dòng tới hạn cực đại(Jcm),mật

độlực ghim từ cực đại(Fpm) và các giá trị mật độ tới hạn

tại từ trường làm việc tuơng ứng H=1T, H=2T và lực

ghim từ cực đại của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr

2-xKxCu3Ca2O10+δ (với x = 0,00; x = 0,02, x=0,04, x=0,06,

x=0,08 và x = 0,10) tại nhiệt độ 45K

51

Bảng 3.4 Các thông số về mật độ dòng tới hạn cực đại(Jcm),mật độ

lực ghim từ cực đại(Fpm) và các giá trị mật độ tới hạn tại

từ truờng làm việc tuơng ứng H=1T, H=2T, H=3T và

lực ghim từ cực đại của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr

2-xKxCu3Ca2O10+δ (với x = 0,00; x = 0,02, x=0,04, x=0,06,

x=0,08 và x = 0,10) tại nhiệt độ 25K

51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình phát hiện ra các chất siêu dẫn và nhiệt độ 5

chuyển pha Tc tương ứng 5

Hình 1.2 Hiệu ứng Meissner 8

Hình 1.3 Đường cong từ hóa của siêu dẫn loại I(a) và loại II(b) theo CGS 9

Hình 1.4 Cấu trúc xoáy tứ giác(a) và tam giác(b) Đường đứt nét chỉ 12

ô cơ bản 12

Hình 1.5 Ảnh của các xoáy tam giác trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao họ BiCrCaCuO nhận được bằng phương pháp bột từ 13

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của các pha Bi-2201, Bi-2212, Bi-2223 15

Hình 1.7 Điện trở suất theo trục c (ρc) và điện trở suất theo mặt ab (ρab) của đơn tinh thể siêu dẫn Bi2Sr2Ca2Cu3O10 16

Hình 1.8 Đường cong điện trở suất tỉ đối phụ thuộc nhiệt độ R(T)/R(290K) của gốm siêu dẫn Bi-2223 và đường cong vi phân tương ứng 18

Hình 1.9 Dây dẫn điện bằng vật liệu siêu dẫn 25

Hình 1.10 Máy phát điện và máy biến thế 25

Hình 1.13: Nam châm siêu dẫn và bộ lọc sóng 27

Hình 1.14 : Thiết bị SQUIDS 28

Hình 2.1: Quy trình chế tạo mẫu siêu dẫn bằng phương pháp phản ứng pha rắn 29

Hình 2.2 (a) Máy ép thủy lực tại Viện Itims, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và (b) mẫu sau khi ép 30

Hình 2.3 Lò ủ mẫu tại Viện Itim, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 31

Hình 2.4 Nguyên lí nhiễu xạ ta X 32

Hình 2.5 Hệ máy đo nhiễu xạ tia-X 33

Hình 2.6 Sơ đồ bốn mũi dò và các đường dòng gần mũi dò dòng: 1,4- mũi dò dòng; 2,3- mũi dò thế 33

Hình 2.7 Mẫu có kích thước liên quan đến thừa số hiệu chỉnh 35

Hình 2.8 Sơ đồ buồng mẫu hệ đo điện trở bốn mũi dò được làm lạnh bằng khí Heli 35

Hình 2.9: Hệ thống kẹp mẫu đo bôn 36

Hình 2.10 Sơ đồ khối và Kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại viện AIST, Trường ĐH BK Hà Nội 37

Hình 3.2 Ảnh hiển vi điện tử quét chụp bề mặt của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr

2-xKxCu3Ca2O10+δ 42 Hình 3.3 Các đường đặc trưng điện trở suất tỉ đối R(T)/R(300K) 43 44 Hình 3.3 Các đường vi phân điện trở suất tỉ đối phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 44 Hình 3.5 Các đường biểu diễn các thông số đặc trưng vùng nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 45 Hình 3.6 Đường biểu diễn độ rộng vùng chuyển pha siêu dẫn của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 46 Hình 3.7 Đường biểu diễn nồng độ lỗ trống của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-

xKxCu3Ca2O10+δ 46 Hình 3.8 Các đưòng cong từ trễ của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-

xKxCu3Ca2O10+δ đo tại nhiệt độ 45K trong từ trưòng ±5T 48 Hình 3.9 Các đường cong từ trễ của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-

xKxCu3Ca2O10+δ đo tại nhiệt độ 25K trong từ trường ±5T 48 49 Hình 3.10 Đường cong mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường tại nhiệt độ 45K của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 49 Hình 3.11 Đường cong mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường tại nhiệt độ 25K của hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 50 Hình 3.12 Đường lực ghim từ Fp phụ thuộc từ trường tại nhiệt độ 45K của

hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 52

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài và lịch sử nghiên cứu

Hiện nay siêu dẫn nhiệt độ cao được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, nhằm mục đích ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và

đời sống Điều này cho thấy các chất siêu dẫn nhiệt độ cao rất đa dạng

trong đó phải nói đến những hợp chất siêu dẫn chứa đồng (Cu) và ôxy (O)

Cho đến nay, việc chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Bi-2223 (Tc=110K) đã được thực hiện ở một số phòng thí nghiệm hiện đại trên thế giới bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phản ứng pha rắn, sol-gel

phún xạ, bốc bay lazer xung… Tuy nhiên vấn đề lựa chọn điều kiện công

nghệ để thực hiện tại các phòng thí nghiệm ở Việt Nam nhằm mục đích chế tạo vật liệu siêu dẫn Bi-2223 chất lượng cao, giá thành hợp lý là cần thiết

Với những lý do trên, Tác giả đã lựa chọn hướng nghiên cứu: Đánh giá chất lượng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hệ Bi-2223, thông qua việc chế

tạo mẫu bằng phương pháp phản ứng pha rắn để thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của K pha tạp đến các tính chất vật lý của hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-2223”

2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích: Để kiểm chứng về lý thuyết siêu dẫn và thực tiễn công nghệ

chế tạo vật liệu phát huy khả năng nghiên cứu vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao từ các công trình đã được công bố

2.2 Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hệ Bi-2223 có

pha tạp K (Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+ δvới x=0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10)

2.3 Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng nồng

độ pha tạp đến các tính chất vật lý của hệ vật liệu siêu dẫn hệ Bi-2223 khi có

pha tạp K

3 Phương pháp nghiên cứu

3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

2

+ Đọc và phân tích các tài liệu tham khảo có liên quan tới đề tài

+ So sánh tổng hợp kết quả phân tích của các tài liệu

3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+Chế tạo hệ các mẫu siêu dẫn nhiệt độ cao Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+ δ

(x=0,00-0,10) bằng phương pháp phản ứng pha rắn

+ Khảo sát các đặc trưng điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ R(T), các

đường cong từ trễ M(H), ảnh hiển vi điện tử quét SEM và các phổ nhiễu xạ

bột tia-X (XPD)

+ Phân tích các kết quả và đánh giá vật liệu qua việc thực nghiệm

5 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm ba chương:

Chương I: Tổng quan về vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Chương II: Phương pháp tổng hợp và nghiên cứu hợp chất siêu dẫn

Bi-2223 pha tạp K

Chương III: Kết quả và thảo luận

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO

1.1 Sơ lược về vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

Vào năm 1908, Kamerlingh Onnes và cộng sự đã thành công trong việc hóa lỏng Heli tại trường Đại học Tổng hợp Quốc gia Leiden (Hà Lan) Đây chính là tiền đề cho việc nghiên cứu các chất ở nhiệt độ thấp gần với nhiệt độ không tuyệt đối Vào năm 1911, nhờ môi trường Hêli lỏng mà Kamerlingh Onnes đã phát hiện ra đặc trưng chuyển pha của điện trở suất của thủy ngân (Hg) thay đổi về không tại nhiệt độ 4,2K Ông và cộng sự đã đặt tên cho hiện tượng này là hiện tượng siêu dẫn Việc phát hiện ra vật liệu siêu dẫn đã mở ra một kỉ nguyên mới trong lịch sử ngành vật lí Hiện tượng này ngày càng được nghiên cứu sâu hơn nhằm tìm ra những ứng dụng tiềm năng và cơ chế của loại vật liệu đăc biệt này

Suốt từ năm 1911-1985 đã có hàng trăm chất siêu dẫn đơn nguyên tố, đa nguyên tố được phát hiện và chế tạo Song các chúng đều có nhiệt độ chuyển pha không quá 24K (màng mỏng Nb3Ge) Các chất này được gọi là siêu dẫn nhiệt độ thấp (LTS) và Hêli lỏng vẫn là môi trường duy nhất cho nghiên cứu hiện tượng này Vì vậy mà các ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn bị hạn chế

do chi phí sản xuất cao Do đó các nhà khoa học cố gắng tìm ra loại có nhiệt

độ chuyển pha cao hơn

Năm 1986, J.G Bednorz và K.A Muller (Thụy Sĩ) đã làm việc tại phòng thí nghiệm của hãng IBM ở Zurich (Thụy Sỹ) đã công bố trên tạp chí

“Zeitschrift Fur Physik” của Đức rằng: “Hợp chất gốm Ba0,75La4,25Cu504(3-y)

có điện trở giảm mạnh trong vùng nhiệt độ (30÷35) K và trở về không ở 12 K[1,3] Điều đặc biệt ở đây các tinh thể siêu dẫn có cấu trúc dị hướng với mặt phẳng dẫn điện là các lớp CuO2 Hệ các hợp chất siêu dẫn chứa các mặt phẳng CuO 2 sau này đựơc gọi là các cuprate Phát minh này làm chấn động dư luận trên toàn thế giới Một lần nữa các nhà khoa học đã quay lại với phát hiện về

4

siêu dẫn có trong hợp chất gốm Phát minh của Bednorz và Muller mở ra một chân trời mới đầy hy vọng, nó có sức hấp dẫn và lôi cuốn đa số các nhà khoa học trên toàn thế giới, nó mở đầu một cuộc tấn công mạnh mẽ vào lĩnh vực

khoa học hoàn toàn mới: “Lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao”

Thực ra vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện sớm hơn từ năm 1974 trên

hệ hợp chất 1974 BaPb1-xBix03 (x =0,25) có TC cực đại cỡ 13K Mặc dù nhiệt

độ chuyển pha ở hợp chất này không cao nhưng nó mở ra một hướng mới: Có

thể tìm ra vật liệu siêu dẫn ngay cả trong hợp chất gốm, chứ không chỉ ở kim loại nguyên chất hoặc hợp kim Tiếp nối các nghiên cứu của Bednorz thì hai nhà vật lý ở đại học Houston (Mỹ) là P.W.Chu và M.K.Wu đã thành công trong việc chế tạo một loại gốm siêu dẫn Y-Ba-Cu-O mà nhiệt độ chuyển pha của nó đã vượt quá nhiệt độ sôi của Nitơ lỏng (Tc 95K) Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu các tính chất của vật liệu siêu dẫn một cách rộng rãi và thúc đẩy quá trình khám phá ra các hệ siêu dẫn khác có nhiệt

độ Tc cao hơn Cũng trong năm 1987, H.Maeda (ETL, Nhật Bản) đã tìm ra hệ siêu dẫn Bi-Sr-Ca-Cu-O có nhiệt độ chuyển pha lên đến 115K Hệ Tl-Ba-Ca-

Arkansas (Mỹ) vào năm 1988 Năm 1993 hai nhà vật lý người Nga là E V Antipov và S N Putilin khám phá ra hệ siêu dẫn thủy ngân là Hg-Ba-Ca-Cu-

O có nhiệt độ chuyển pha lên đến 135K Gần đây khi nghiên cứu các chất siêu dẫn ở môi trường áp suất cao đã cho thấy rất nhiều vấn đề mâu thuẫn với lý thuyết BCS Ví dụ các nguyên tố kiềm thổ không có tính siêu dẫn ở môi trường áp suất thông thường thì nay có thể đạt 29K (Ca) Còn hợp chất siêu dẫn H2S ở áp suất 155Gpa cho nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn rất cao (Tc=203K) [10]

5

Hiện nay siêu dẫn nhiệt độ cao được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu Hình dưới đây mô tả quá trình khám phá các chất siêu dẫn theo thời gian, lấy mốc khám phá ra các chất siêu dẫn có Tc cao nhất làm mốc

Hình 1.1 Quá trình phát hiện ra các chất siêu dẫn và nhiệt độ

chuyển pha T c tương ứng[5]

Bảng 1.1 Thống kê một số chất siêu dẫn điển hình được phát hiện theo thời gian [2,10,14]

Tên vật liệu Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc)K Năm phát minh

7

1.2 Các tính chất cơ bản của siêu dẫn nhiệt độ cao [1,3,4]

1.2.1 Các giá trị tới hạn của vật liệu siêu dẫn

Khi nghiên cứu vật liệu siêu dẫn thì bộ ba tham số đặc trưng: Nhiệt độ tới hạn (Tc), từ trường tới hạn (Hc), mật độ dòng tới hạn (Jc) là đặc biệt quan trọng

Nhiệt độ tới hạn T c

Ở đây Tc có thể hiểu là nhiệt độ tới hạn hay nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu mà vùng chuyển pha siêu dẫn rộng hay hẹp cách lấy nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn cũng khá đa dạng Nhiệt độ bắt

đầu của quá trình chuyển pha siêu dẫn (Tc, onset) và nhiệt độ khi mẫu trở về trạng thái điện trở không hoàn toàn (Tc,0)

Từ trường tới hạn H c

Khi vật ở trạng thái siêu dẫn, nếu tăng dần từ trường đến một giá trị Hc

xác định thì có thể làm mất trạng thái siêu dẫn Lúc đó các đường sức từ lập tức xâm nhập vào mẫu siêu dẫn và chuyển nó sang trạng thái dẫn điện thông thường, dù rằng T<Tc Giá trị xác định của từ trường đó gọi là từ trường tới hạn Từ trường tới hạn Hc là hàm của nhiệt độ và hàm đó được mô tả gần

(1.1)với H0 là từ trường tại T=0 và tại T=Tc thì Hc(Tc)=0

Mật độ dòng tới hạn J c

Để ứng dụng vật liệu siêu dẫn thì tham số mật độ tới hạn là rất quan

trọng Đây là mật độ dòng điện cực đại mà mẫu có thể mang

Khi dòng điện có mật độ lớn hơn giá trị Jc thì mẫu trở về trạng thái bình thường

8

1.2.2 Hiệu ứng Meissner

Năm 1933, Meissner và Ochsenfeld đã phát hiện ra rằng nếu một chất siêu dẫn được làm lạnh xuống nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Tc thì từ thông sẽ không xuyên qua chất siêu dẫn đó, cảm ứng từ bên trong mẫu bằng 0 Và hiệu

ứng này được gọi là hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng nghịch từ lý tưởng (hình

1.2) Bỏ qua hiệu ứng khử từ, tức là xét các chất siêu dẫn hình trụ dài và trục của nó song song với từ trường Ha đặt vào, ta có:

Hình 1.2 Hiệu ứng Meissner[5]

Từ định luật Ôm E=(1/ϭ).J với (1/ϭ= ρ), ta thấy khi độ dẫn ϭ tiến tới vô cùng hay điện trở suất ρ tiến tới không trong khi mật độ dòng điện J có giá trị hữu hạn Do đó cường độ dòng điện E phải bằng không Từ phương trình Maxwell, dB/dt ~ rotE, nên điều kiện điện trở đã dẫn tới dB/dt=0 Hệ quả này cho ta thấy từ thông trong kim loại không thay đổi khi làm lạnh đến điểm chuyển pha

9

Theo thí nghiệm của Meissner và Ochsenfeld, đường cong từ hóa của mẫu siêu dẫn hình trụ và có trục song song với phương từ trường đặt vào có thể biểu diễn như hình 1.3 Hình 1.3a biểu diễn hiệu ứng Meissner siêu dẫn loại I Các chất siêu dẫn loại I thường có Hc nhỏ Loại có đường cong từ hóa dạng hình 1.3b được gọi là siêu dẫn loại II, trạng thái siêu dẫn tồn tại đến từ trường tới hạn Hc2 Khi từ trường H nhỏ hơn từ trường dưới hạn dưới Hc1 mẫu

ở trạng thái nghịch từ lý tưởng giống như các chất siêu dẫn loại I Tuy nhiên

sự khác biệt trong các chất siêu dẫn này là chúng tồn tại một vùng hỗn hợp

Hc1< H< Hc2 (Hc2 từ trường tới hạn trên) Trong vùng từ trường này từ thông len lỏi được vào trong chất siêu dẫn tuy nhiên điện trở suất vẫn bằng không Trạng thái siêu dẫn này gọi là trạng thái xoáy từ hay trạng thái trung gian

Hình 1.3 Đường cong từ hóa của siêu dẫn loại I(a) và loại II(b) theo CGS[8]

1.2.3 Độ thấm sâu London và độ dài liên kết

Độ dày của lớp bề mặt chất siêu dẫn có dòng điện chạy qua được gọi là

độ thấm sâu London λ L Thực tế khi từ trường nhỏ (H<Hc với siêu dẫn lọai I, H<Hc1 với siêu dẫn lọai II) thì từ trường vẫn thấm vào bề mặt của mẫu với một độ dài thấm sâu London λ L

Giả sử trên khoảng cách x tính từ bề mặt kim loại, cảm ứng từ giảm theo hàm B(x) thì độ thấm sâu λ L được xác định theo biểu thức:

độ dày bằng độ dày thấm sâu London λ L thỏa mãn điều kiện:

( ) (0) 0

L L

λλ

Thực nghiệm tìm ra thấy quy luật về sự phụ thuộc của λ L vào nhiệt độ theo biểu thức:

( )04 1/ 2

1

K L

t

λ

− (1.7) Trong đó t= T/Tc là nhiệt độ rút gọn, λ 0K là độ thấm sâu London ở 0K

Ngoài độ thấm sâu London, đối với các chất siêu dẫn còn có độ dài đặc trưng độc lập khác là độ dài kết hợp ξ Độ dài kết hợp là khoảng cách mà trong đó nồng độ các điện tử thay đổi mạnh, đặc trưng không gian của điện tử siêu dẫn, do đó nó phải liên hệ với xung lượng p của các điện tử này theo hệ

p

∆

≈ h

ξ

T k

đối với các siêu dẫn cuprate XG-L>> 1.[1,3,15]

1.2.4 Cấu trúc vi mô trong chất siêu dẫn

Khi quan tâm đến trật tự xa của cặp cooper trong chất siêu dẫn, ta thấy rằng sẽ có sự một sự tương tự như trong vật liệu từ Trong chất sắt từ, tương tác trao đổi giữa các spin gây ra sự định hướng song song của các mômen từ ở dưới nhiệt độ Curie, trong khi đó các chất siêu dẫn trật tự xa liên quan đến hàm song ψ của cặp cooper (ψ được viết dưới dạng ψ ψ = e iϕ trong đó |ψ| là

biên độ còn φ là pha) Hướng của ψ (tức là pha φ) đóng vai trò định hướng của các spin Pha φ của các cặp cooper cần có sự liên kết chặt chẽ trên một khoảng cách lớn trong vật liệu[45] Tuy nhiên trong các chất siêu dẫn cuprate liên kết của các cặp cooper sẽ không xảy ra trên khoảng cách lớn

đường sức từ thấm vào vật liệu như trong các ống hình 1.4 Có thể quan sát điều này bằng phương pháp bột từ: các hạt sắt từ đặt trên bề mặt của vật liệu

sẽ bị hút bởi các đường sức từ và sẽ co cụm lại như hình ảnh các xoáy Các hạt sắt từ này cũng có thể tạo bằng kỹ thuật phun màng, khi đó các xoáy có thể quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua Ảnh của các xoáy trong chất siêu dẫn BiSrCaCuO được minh họa bằng hình 1.5 Từ trường càng tăng thì các xoáy từ càng mở rộng ra trong lòng siêu dẫn, tương đương với hiện

tượng phát triển mầm Khi các từ trường vượt qua giới hạn B c2 tính siêu dẫn

sẽ biến mất Các siêu dẫn khác nhau có giá trị từ trường tới hạn B c1 và B c2

khác nhau

13

Hình 1.5 Ảnh của các xoáy tam giác trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao họ

BiCrCaCuO nhận được bằng phương pháp bột từ.[4]

Từ thông trong các xoáy được định lượng, mỗi đường sức từ mang n

lượng tử từ thông ϕ 0 (φ0 =h 2/ e) nếu ta xét một xoáy riêng biệt, có thể khẳng

định rằng đường kính của nó là độ dài thấm sâu London λL của từ trường trong chất siêu dẫn Đối với các chất oxit nhiệt độ cao loại oxit đồng, ξ có giá trị cỡ 1-2 nm ở nhiệt độ thấp, trong khi λL có giá trị cỡ 100nm

Các xoáy thường được ‘‘giam giữ” bởi các sai hỏng cấu trúc hoặc các tạp chất trong vật liệu Sự dịch chuyển các đường xoáy trong vật liệu có thể xem là yếu tố bất lợi vì hao phí năng lượng Trong thực tế, để phát triển các

ứng dụng của vật liệu siêu dẫn bao giờ người ta cũng muốn ghim các xoáy lại

để tránh sự dịch chuyển, khi đó các yếu tố sai hỏng là yếu tố ổn định của chất

siêu dẫn Trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, việc ghim các xoáy liên quan

đến cấu trúc bề mặt của các vật liệu: hai mặt phẳng oxit đồng CuO2 thường

được phân cách bởi các lớp điện môi hay dẫn yếu (hình 1.5) Các điện tử

chuyển động giữa các mặt phẳng siêu dẫn bởi hiệu ứng đường hầm qua các lớp này Để tăng cường tính ổn định của các xoáy, các thay thế hóa học

14

thường được tiến hành để làm tăng khoảng cách giữa các mặt CuO2 và tăng liên kết giữa các lớp này để tăng các tâm ghim từ

Do đặc tính của cấu trúc xếp lớn xen kẽ các mặt dẫn CuO2 và các khối

điện môi hay dẫn yếu mà tính dị hướng của vật liệu này rất cao Sự dị hướng

của chúng được phản ảnh bằng sự dị hướng trong cả trạng thái thường lẫn trạng thái siêu dẫn Giá trị độ dài kết hợp ξ và độ thấm sâu Londonλ L khác nhau theo hướng song song với mặt CuO2 và vuông góc với mặt này[39] Bảng cho chúng ta những thông tin về những giá trị này cho một số hợp chất tạo nhiệt độ T=0K

Bảng 1.2: Nhiệt độ TC, độ thấm sâu London λL, độ dài kết hợp ξ ở 0K của ba

1.3 Một số tính chất của hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO

1.3.1 Cấu trúc tinh thể của hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO

Kể từ khi phát hiện ra siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO)

đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện trên siêu dẫn này Vật liệu siêu dẫn

nhiệt độ cao hệ Bismuth (BSCCO) có công thức tổng quát là Bi2Sr2Ca

n-1CunO2n+4+δ tồn tại ba pha siêu dẫn ổn định:

- Bi -2201, n=1 Bi2Sr2Cu1O6+ δ có TC < 34 K

- Bi-2212, n=2 Bi2Sr2CaCu2O8+δ có TC≈ 96 K

15

- Bi-2223, n=3 Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ có TC≈ 110 K

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của các pha Bi-2201, Bi-2212, Bi-2223[4,8]

Cấu trúc tinh thể của hợp chất BSCCO là cấu trúc lớp Xen giữa các lớp CuO2 là các lớp điện môi hoặc dẫn điện kém Pha Bi-2201 chứa một lớp CuO2 , pha Bi-2212 chứa hai lớp CuO2 , pha Bi-2223 chứa ba lớp CuO2 Đặc trưng chung của các lớp siêu dẫn nhiệt độ cao chứa đồng (hay gọi là siêu dẫn cuprate) có cấu trúc lớp Do đó để mô tả đặc trưng này với độ chính xác vừa

đủ xong lại đơn giản và thuận tiện, ta xem các siêu dẫn nhiệt độ cao có cấu

trúc kiểu chồng chất xen kẽ một – một theo trục c (trục vuông góc với mặt CuO2) của các mặt CuO2 và các lớp khối

Các lớp dẫn điện CuO2 có ảnh hưởng mang tính quyết định đến tính siêu dẫn nhiệt độ cao của vật liệu Số lớp CuO2 tăng (từ 1 -3) thì nhiệt độ chuyển pha cũng tăng Cấu trúc ô mạng là giả tứ giác (a ≈ b ≠c) : pha Bi-2223

và pha Bi-2212 có cùng hằng số mạng a ≈ b =5,4 Å còn hằng số mạng c lần lượt

là 37,1 Å và 30,9 Å

16

1.3.2 Tính chất

Do có cấu trúc đặc biệt nên vật liệu siêu dẫn có tính dị hướng rất cao Tính

dị hướng thể hiện rõ ở tính dẫn điện, độ dài kết hợp, độ thấm sâu London theo mặt ab và theo trục c khác nhau rõ rệt

1.3.2.1 Tính dẫn điện và điện trở suất

Hình 1.7 Điện trở suất theo trục c (ρc) và điện trở suất theo mặt ab (ρab)

của đơn tinh thể siêu dẫn Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 [9]

Do cấu trúc tinh thể có tính dị hướng, nên tính dị hướng được biểu lộ rõ rệt trong đặc tính dẫn điện của tinh thể Độ dẫn điện cao là hướng song song với các mặt CuO2 trong khi đó độ dẫn điện theo hướng vuông góc với các mặt CuO2

là nhỏ cỡ từ 2 đến 5 bậc về độ lớn (nhiệt độ phòng) Số bậc này phụ thuộc vào từng loại hợp chất và chất lượng của đơn tinh thể được sử dụng trong các phép

đo thực nghiệm

Ví dụ về tính dị hướng của điện trở suất của đơn tinh thể siêu dẫn

Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ được cho trên hình 1.7 Điện trở đo theo hướng mặt CuO2

(mặt ab) ρab giảm tuyến tính theo nhiệt độ trong vùng (120÷300)K, sau đó suy giảm nhanh về không tại nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn Tc,0 (Tc = 106 K) Đường

17

đặc trưng ρc phụ thuộc nhiệt độ là rất khác so với của ρab Ở nhiệt độ phòng ρc

cao hơn 4 bậc so với ρab,ρc không biểu thị sự phụ thuộc nhiệt độ tuyến tính mà

có một đặc trưng dạng như của một chất bán dẫn, tăng nhanh ở vùng nhiệt độ thấp trước khi giảm đột ngột về không tại Tc

Ta có tính dẫn điện là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất, nên tính dẫn điện trên mặt ab (σab) cũng lớn hơn cỡ 2÷5 bậc so với tính dẫn điện theo trục c (σc) Các số liệu ở trên nói lên sự tăng tính dị hướng khi nhiệt độ suy giảm trong trạng thái thường Và đặc biệt hơn tính dị hướng tăng gần đến nhiệt độ chuyển pha Tc Điều này có thể giải thích là do sự xuyên ngầm đơn hạt giữa các lớp bị ngăn cản tại nhiệt độ chuyển pha, thay vào đó là sự xuyên ngầm của các cặp Cooper dưới nhiệt độ chuyển pha Tc

Trong các mẫu đa tinh thể, đặc biệt là các mẫu được chế tạo bằng phương pháp gốm, thì điện trở suất của chúng nằm giữa các giá trị của điện trở suất theo trục ab và theo trục c của mẫu đơn tinh thể chất lượng tốt.[44]

Độ rộng vùng chuyển pha của các mẫu gốm thông thường khá lớn (∆Tc ~

3÷10 K) so với mẫu đơn tinh thể (∆Tc ~2÷5 K) tùy thuộc vào điều kiện chế tạo mẫu và chủ yếu phụ thuộc vào tỉ phần các pha siêu dẫn và các tạp chất có trong mẫu Thí dụ về đường cong điện trở suất R(T)/R(290K) và độ rộng chuyển pha

∆Tc của mẫu gốm siêu dẫn Bi-2223 được cho trên hình 1.8 với Tc ~ 110 K và độ rộng chuyển pha ∆Tc ~ 5 K

Mật độ dòng tới hạn (Jc) của hệ siêu dẫn BSCCO phụ thuộc vào từ trường và nhiệt độ của vật liệu Các kết quả công bố về giá trị của Jc cho thấy tuỳ thuộc vào phương pháp chế tạo mẫu mà giá trị của Jc khác nhau Trong khoảng nhiệt độ từ 77÷90K các mẫu khối có Jc ≈ 2,104 A/cm2, còn ở nhiệt độ 4,2K có Jc ≈ (106÷ 107) A/cm2 với mẫu đơn tinh thể có tính dị hướng cao (Jab

lớn hơn Jc khoảng 80.000 lần).[3,27]

19

1.3.2.2 Mật độ dòng tới hạn và cơ chế phá vỡ siêu dòng

Mật độ dòng tới hạn của một chất siêu dẫn nhiệt độ cao (Jc) là một thông số quan trọng cho việc quyết định ứng dụng vật liệu này vào trong mục

đích cụ thể Có ba cơ chế chủ yếu hạn chế mật độ dòng Jc là: Cơ chế phá vỡ cặp Cooper, cơ chế phá vỡ sự ghim và cơ chế phá vỡ các mối liên kết yếu

* Cơ chế phá vỡ cặp Cooper:Theo mô hình London và lý thuyết BCS

thì mật độ dòng tới hạn cần thiết để cặp Cooper bị phá là Jdp ~ n*(ν)e*h/π2m*ξ0 (T = 0K) Với n* là mật độ, e* là điện tích, m* là khối lượng, ν là vận tốc, ξ0 là

độ dài kết hợp của cặp Cooper và h là hằng số Planck Vì độ dài kết hợp ξ rất nhỏ ~ 10 A0 nên Jdp ~ 109 A/cm2 [1,3]

* Cơ chế phá vỡ sự ghim: Do từ trường tới hạn dưới (Hc1) của các chất siêu dẫn loại cuprate là rất nhỏ, kết hợp với mục đích ứng dụng siêu dẫn trong nhiệt độ cao, cho nên các vật liệu này hầu như chỉ được ứng dụng trong trạng thái trung gian, tức là trạng thái tồn tại các xoáy từ và các thăng giáng nhiệt Trên từ trường Hc1/(1-N) với N là hệ số khử từ của mẫu, các đường từ thông mang các lượng tử từ thông Φ0 chui vào trong mẫu Các từ trường này có thể được cung cấp bởi nguồn từ trường ngoài hoặc từ trường riêng do dòng điện truyền trên mẫu tạo ra Dòng truyền J tác động lên các đường từ thông tính trên một đơn vị chiều dài một lực Lorentz là FL

= J.Φ0H/H Lực Lorentz gia tốc đường từ thông đến vận tốc v và một điện trường E = B.v sẽ được sinh ra trong mẫu, kết quả là điện trở suất của mẫu khác không Để cản trở sự chuyển động của các đường từ thông người ta thường tạo ra các tâm ghim nhờ pha tạp, chiếu xạ Các tâm này chính là các sai hỏng điểm, lệch mạng, pha lạ Trong các chất siêu dẫn có tính dị hướng cao như hệ Bi-2212 thì các đường từ thông có thể được hình dung bao gồm các đĩa từ thông chuyển động gần như độc lập với nhau Vấn đề

đối với các mẫu đa tinh thể Jc cũng phụ thuộc gián tiếp vào độ dài kết hợp ξ

thông qua khe năng lượng ∆ Do ∆ suy giảm nhanh bởi cấu trúc và sự biến đổi hoá học gần bề mặt chất siêu dẫn Đối với các chất siêu dẫn nhiệt độ cao dạng cuprate do ξ nhỏ nên các lớp biên làm suy giảm Jc khá mạnh[1]

Trong thực tế, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao có một số điểm ưu việt so với của các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp

1.3.3 Sự tạo thành pha trong hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO

Trong hệ hợp chất BSCCO tồn tại ba pha siêu dẫn: 2201, 2212,

Bi-2223 Ở một nhiệt độ nung thiêu kết phù hợp với thời gian kéo dài thì pha siêu dẫn Bi-2201 hầu như không tồn tại Như vậy mẫu siêu dẫn tồn tại 2 pha chủ yếu

là Bi-2212 và Bi-2223 Tỷ phần pha của chúng được tính theo các công thức sau

đây.[8,9]

Theo lý thuyết nhiễu xạ tia X, tỷ phần pha Bi-2223 trong mẫu có thể xác

định theo phương trình sau:

(1.9)

(1.10) Trong đó I(2223) và I(2212) lần lượt là cường độ đỉnh nhiễu xạ ứng với pha Bi-2223 và pha Bi-2212

Từ việc xác định trên nhận thấy tỷ phần các pha siêu dẫn được hình

thành phụ thuộc rất nhiều yếu tố như nhiệt độ thiêu kết, nhiệt độ nung sơ bộ, nhiệt độ ủ thời gian nung và môi trường tạo mẫu

21

1.3.3.1 Sự tạo thành pha Bi-2201

Quá trình hình thành pha Bi-2201 được mô tả qua các phương trình phản ứng sau:

6 2 2 3

2 3 2

3 2

2 3

2

22

CuO Sr Bi O

Bi CuO Sr

CuO Sr CuO

SrO

CO SrO

SrCO

→+

→+

+

(1.12) (1.13) Các nghiên cứu chỉ ra rằng sự tạo thành pha Bi-2201 nhạy với nhiệt độ thiêu kết những không phụ thuộc vào thời gian nung Nhiệt độ nung thiêu kết vào khoảng 670 – 7500C

1.3.3.2 Sự tạo thành pha Bi-2212

Sự hình thành pha Bi- 2212 được mô tả qua các phương trình phản ứng như sau :

Sr2CuO6 + CaCuO3 → Sr2 CaCu2O8 + CaO (1.14)

Bi2Sr2CuO6 + CaCuO3 → Bi2Sr2CaCu2O8 + CaO (1.15)

Bi2Sr2CuO6 + Ca2CuO3 → Bi2Sr2CaCu2O8 + Ca2CuO3 (1.17)

Bi2Sr2CuO6 + CaO + CuO → Bi2Sr2CaCu2O8 (1.18)

Sự tạo thành pha Bi-2212 phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian thiêu kết Trong khoảng nhiệt độ thiêu kết từ 680-8000C thì các vật liệu vô cơ ban đầu dùng để chế tạo mẫu sẽ tạo thành pha Bi-2201 chiếm một lượng không đáng

kể, phần còn lại là hỗn hợp của Ca2CuO3, CaCu2O3, CaO, CuO… Khi nhiệt

độ lên đến 8200C đến 8400C với thời gian nung thích hợp pha Bi-2201 giảm

và pha Bi-2212 tăng lên đáng kể

1.3.3.3 Sự tạo thành pha Bi-2223

Năm 1988, hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi được phát hiện ra, đã có rất nhiều các nghiên cứu quá trình hình thành nên hệ siêu dẫn này, đặc biệt là quá trình tạo pha 2223 So với hai pha Bi-2201 và Bi-2212 thì sự tạo thành pha Bi-2223 có phần phức tạp hơn Cũng như pha Bi-2212 sự tạo thành pha này

(1.11)(1.12)(1.13)

22

phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, thời gian thiêu kết và tỉ phần của pha siêu dẫn

2212 và 2223 trong hợp chất Sự tạo thành pha Bi- 2223 được mô tả như sau :

Bi2Sr2CaCu2O8 + CaCuO2 → Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (1.19)

Bi2Sr2CaCuO8 + CaCu2O3 → Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + CuO (1.20)

Bi2Sr2CaCuO8 + CaO + CuO→ Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (1.21) Nhiệt độ nung thiêu kết vào khoảng 850ᵒC để 870ᵒC và thời gian nung

có thể kéo dài một tuần (168 giờ).[1,2,3,4,5]

1.3.3.4 Vai trò của Pb thay thế Bi trong quá trình tạo pha Bi-2223[2,5,27]

Trong thực tế việc thu được Bi-2223 đơn pha là khá phức tạp nếu không có sự thay thế của cation Pb Khi thay thế Pb cho Bi là đặc biệt có lợi trong quá trình hình thành và ổn định pha Bi-2223 Hợp chất này có công thức danh định là Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3O10- δ

Rất nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu thay thế một hàm lượng Pb thích hợp thì sẽ thúc đẩy quá trình hình thành pha Bi-2223 Tuy nhiên cơ chế của phản ứng chưa được làm rõ Có thể khi thay thế Pb cho Bi tốc độ phản ứng xảy ra nhanh hơn Ngoài ra, Pb có thể thay thế vào vị trí Bi trong ô mạng và làm ổn định pha siêu dẫn 2223[15] Sự hình thành pha siêu dẫn của một hợp chất thường phụ thuộc vào công nghệ chế tạo mẫu, các chế

độ xử lí nhiệt và các điều kiện môi trường, Kết quả thực nghiệm những năm

qua cho thấy rằng sự thay thế Pb cho Bi trong những hệ siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Bi đã làm tăng nhiệt độ chuyển pha Tc và tỉ lệ các pha siêu dẫn Bi-2223 trong mẫu, đồng thời làm ổn định hơn tính siêu dẫn của vật liệu

1.3.4 Ảnh hưởng của các kim loại kiềm pha tạp vào hợp chất BSCCO

Qua nghiên cứu việc pha tạp các ion kim loại kiềm (Li + , Na + , K + , ) đã phát hiện thấy tính siêu dẫn được cải thiện đáng kể [15-25] Khi nghiên cứu

việc pha tạp Li vào hệ BSCCO các tác giả [15-18] đều cho thấy việc đẩy nhanh tốc độ tạo pha siêu dẫn Bi-2212 [15,16] và pha siêu dẫn Bi-2223 [18-

23

21] Đồng thời các pha siêu dẫn được tạo ra đồng nhất hơn, mặc dù nhiệt độ nung thiêu kết đã được giảm đi đáng kể [15,16,20] S Wu [15] và cộng sự khi phân tích vi cấu trúc đã tìm ra sự thay thế của Cu cho Li dù mức độ thay thế

là chưa đánh giá được chính xác Điều đặc biệt ở đây với những nồng độ pha tạp Li nhất định nào đó, nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn được tăng cường một cách đáng kể Nguyên nhân có thể nồng độ hạt tải dẫn đã được điều chỉnh về mức độ tối ưu Dưới đây chúng tôi đưa vào bảng các giá trị về độ lớn bán kính ion của các nguyên tố tham gia cấu thành trong tinh thể BPSCCO và cả nguyên tố Li để tiện so sánh Ở đây bán kính ion của Li1+ là tương đương với bán kính của Cation Cu2+

Vì các kim loại kiềm hóa trị +1 nên sự thay thế của chúng cho bất cứ một nguyên tố nào trong hệ BSCCO sẽ dẫn đến việc suy giảm hàm lượng ô

xy (O) trong cấu trúc hoặc tạo ra các lỗ trống trên mặt CuO2 do đòi hỏi về sự cân bằng về mặt điện tích [24] Các nguyên tố kim loại kiềm đứng sau Lithium được nghiên cứu ít hơn như Na [22,23], K [24-26] đều cho thấy tính

ưu việt của sự pha tạp như tăng tốc độ tạo pha siêu dẫn, các tính chất siêu dẫn được cải thiện Tuy nhiên với bán kính ion tăng dần và khả năng thay thế cho

các cation khác nhau của hệ BSCCO làm thay đổi các đặc trưng vật lý của hệ Trong các nghiên cứu gần đây tại PTN từ và siêu dẫn, viện ITIMS, Trường ĐHBK Hà Nội trên các hệ BSCCO pha tạp Li [27] và Na [28] cho thấy Li có ảnh hưởng tốt đến tính siêu dẫn nhiệt độ cao, trong khi Na làm tăng

đáng kể mật độ dòng tới hạn

Khi nghiên cứu việc pha tạp K vào hệ BSCCO các tác giả chỉ ra rằng việc pha tạp đó đẩy nhanh tạo ra pha Bi-2212 và Bi-2223 và cũng cho thấy rằng các pha siêu dẫn được tạo ra đồng nhất hơn mặc dù nhiệt độ nung thiêu kết có giảm đi đáng kể Điều kiện để thay thế là sự tương đương về mặt tính chất và bán kính ion giữa nguyên tố thay thế và các nguyên tố tạo thành

24

BSCCO(Bi-Pb-Sr-Ca-Cu) Việc thay thế kim loại kiềm vào vị trí kiềm thổ là lựa chọn phù hợp nhất

Bảng 1.3: Bảng bán kính ion của một số nguyên tố

nhiệt độ cao BSCCO sẽ được nghiên cứu

1.3.4 Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao[1,3]

Với đặc trưng không có sự mất mát năng lượng trong quá trình truyền tải và khả năng đẩy từ ra khỏi chất siêu dẫn mà ngày nay vật liệu siêu dẫn

được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và khoa học đặc biệt là siêu dẫn nhiệt

độ cao Sau đây là một vài ứng dụng nổi trội của vật liệu siêu dẫn:

Dây và băng siêu dẫn

Các dây siêu dẫn BSCCO sẵn có trên thị trường và mật độ dòng điện có thể lên tới 2MA/cm2 với chiều dài 800m Ngoài việc có thể tải dòng điện lớn trên một đơn vị cm2, dùng dây siêu dẫn tải điện còn có nghĩa quan trọng là giảm hao phí năng lượng do sự tỏa nhiệt của dây siêu dẫn gần như bằng không Đối với các dây dẫn thông thường khoảng 10-15% công suất điện bị

25

hao phí trên đường dây tải điện Theo tính toán của Viện nghiên cứu công suất

điện (EPI) của Mỹ nếu thay các đường dây tải điện và các biến thế công suất

lớn bằng dây siêu dẫn, hàng năm chi phí về điện của Mỹ có thể giảm tới 18 tỷ

đô la Mỹ

Hình 1.9 Dây dẫn điện bằng vật liệu siêu dẫn[2]

Máy phát điện và máy biến thế

Trong máy phát điện thường, từ trường được sinh ra bởi các cuộn lớn bằng dây đồng hoặc nhôm

Hình 1.10 Máy phát điện và máy biến thế[1]

Do dây siêu dẫn có khả năng dẫn điện tốt, do vậy sẽ làm giảm kích thước của máy Ví dụ, máy phát điện 1000 mã lực dùng dây siêu dẫn sẽ nhỏ hơn 50% so với máy phát điện thông thường Ngoài ra độ tổn hao của máy phát điện dùng chất siêu dẫn nhỏ (<1%) so với 5÷10% của máy phát điện bằng vật liệu thường

Dây siêu d ẫn nhiệt độ cao thế

h ệ 2 (2G) có chi ề u r ộ ng 4cm