Nghiên ứu ảnh hưởng của k pha tạp đến các tính chất vật lý của hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao bi 2223

Tính ấdị hướng thể hiện rõ tính dở ẫn iđ ện, độ dài k t hế ợp, độ thấm sâu London theo mặt ab và theo trục c khác nhau rõ rệt.. Cơ chế dẫn iđ ện c a vủ ật liệu siêu dẫn nhiệ đột cao dạng

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

L I C M N Ờ Ả Ơ

Tr c h t em xin bày t lòng bi t n t i TS Nguy n Kh c M n, TS ướ ế ỏ ế ơ ớ ễ ắ ẫ

Tr n H i ầ ả Đức ng i tr c ti p h ng d n và t n tình giúp em trong su t ườ ự ế ướ ẫ ậ đỡ ố

th i gian th c hi n tài và quá trình hoàn thành lu n v n ờ ự ệ đề ậ ă

Em xin c m n tài khoa h c mã s 103.02-2016.11 tài tr b i Quả ơ đề ọ ố ợ ở ỹPhát tri n khoa h c và công ngh Qu c gia (NAFOSTED) ã h tr th c hi n ể ọ ệ ố đ ỗ ợ ự ệ

lu n v n ậ ă

Em xin bày t lòng c m n các th y cô, cán b thu c Vi n ào t o ỏ ả ơ ầ ộ ộ ệ Đ ạ

Qu c t vố ế ề Khoa h c V t li u (ITIMS) – Tr ng ọ ậ ệ ườ Đạ ọi h c Bách khoa Hà N i ộ

đã trang b ki n th c và t o i u ki n thu n l i cho em trong su t quá trình ị ế ứ ạ đ ề ệ ậ ợ ố

h c t p và làm tài t i Vi n ọ ậ đề ạ ệ

S thành công c a lu n v n này có s ng viên giúp c a gia ình, ự ủ ậ ă ự độ đỡ ủ đ

b n bè ng nghi p v tinh th n và v t ch t trong quá trình h c t p và th c ạ đồ ệ ề ầ ậ ấ ọ ậ ự

hi n tài ệ đề

Hà N i, ngày 30 tháng 10 n m 2018 ộ ă

Ph m Th Thu ạ ị ỳ

L I CAM OAN Ờ Đ

Tôi xin cam oan ây là k t qu nghiên c u c a b n thân N i dung đ đ ế ả ứ ủ ả ộ

lu n v n có tham kh o và s d ng các tài li u, thông tin ã ậ ă ả ử ụ ệ đ đượ đăc ng t i trên ảcác tác ph m, t p chí, web site …theo danh m c tài li u tham kh o c a lu n ẩ ạ ụ ệ ả ủ ậ

v n ă

Tác gi lu n v n ả ậ ă

Ph m Th Thu ạ ị ỳ

CHƯƠNG II: TH C NGHI M 29 Ự Ệ2.1 Ch t o mế ạ ẫu siêu d n nhi t cao Biẫ ệ độ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+δ b ng ằ

ph ng pháp ph n ng pha r n 29 ươ ả ứ ắ2.2.1 Quy trình ch t o m u 29 ế ạ ẫ2.2 Các ph ng pháp nghiên c u 32 ươ ứ2.2.1 Kỹ thu t phân tích c u trúc b ng phậ ấ ằ ổ nhi u x tia-X 32 ễ ạ2.2.2 o i n tr ph thu c vào nhi t b ng ph ng pháp b n m i dò 33 Đ đ ệ ở ụ ộ ệ độ ằ ươ ố ũ2.2.3 Kính hi n vi i n t quét SEM 36 ể đ ệ ử2.2.4 o Đ đường cong t tr và mừ ễ ậ đột dòng t i h n 37 ớ ạ

CHƯƠNG III: K T QU 38 Ế Ả3.1 Tính ch t c u trúc c a m u Biấ ấ ủ ẫ 1.6Pb0.4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 38

3.1.1 K t qu phân tích nhi u x tia X 38 ế ả ễ ạ 3.1.2 K t qu phân tích hi n vi i n t quét (SEM) 41 ế ả ể đ ệ ử 3.2 c tr ng i n tr su t ph thu c nhi t Đặ ư đ ệ ở ấ ụ ộ ệ độ 42 3.3 M t dòng t i h n Jc ph thu c vào t tr ng ngoài 48 ậ độ ớ ạ ụ ộ ừ ườ

DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T Ụ Ệ Ữ Ế Ắ

BSCCO V t li u siêu d n nhi t cao h Bismuth ậ ệ ẫ ệ độ ệ

Tc,onset Nhi t chuy n b t u quá trình chuyệ độ ể ắ đầ ển pha siêu d n ẫ

Tc,0 Nhi t t i ó i n tr c a mệ độ ạ đ đ ệ ở ủ ẫu hoàn toàn b ng không ằ

Hc C ng t tr ng t i h n nhi t ng ườ độ ừ ườ ớ ạ ệ độ

HC1 T tr ng t i h n trên trong ch t siêu d n lo i II ừ ườ ớ ạ ấ ẫ ạ

HC2 T tr ng t i h n d i trong ch t siêu d n lo i II ừ ườ ớ ạ ướ ấ ẫ ạ

R(T) Đ ệi n tr su t ph thu c vào nhi t ở ấ ụ ộ ệ độ

SEM Ảnh hi n vi i n t quét ể đ ệ ử

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ

Hình 1.1 Quá trình phát hi n ra các ch t siêu d n và nhi t 5 ệ ấ ẫ ệ độchuyển pha Tc t ng ng 5 ươ ứHình 1.2 Hi u ng Meissner 8 ệ ứHình 1.3 Đường cong t hóa c a siêu d n lo i I(a) và lo i II(b) theo CGS 9 ừ ủ ẫ ạ ạHình 1.4 C u trúc xoáy t giác(a) và tam giác(b) ấ ứ Đường t nét ch 12 đứ ỉ

ô c b n 12 ơ ảHình 1.5 nh c a các xoáy tam giác trong ch t siêu d n nhi t cao h Ả ủ ấ ẫ ệ độ ọBiCrCaCuO nh n ậ được b ng ph ng pháp b t t 13 ằ ươ ộ ừHình 1.6 C u trúc tinh th c a các pha Bi-2201, Bi-2212, Bi-2223 15 ấ ể ủHình 1.7 Đi n tr su t theo tr c c (ệ ở ấ ụ ρc) và i n tr su t theo m t ab (đ ệ ở ấ ặ ρab) c a ủ

đơn tinh th siêu d n Biể ẫ 2Sr2Ca2Cu3O10 16 Hình 1.8 Đường cong i n tr su t t i ph thu c nhi t R(T)/R(290K) đ ệ ở ấ ỉ đố ụ ộ ệ độ

c a g m siêu d n Bi-2223 và ủ ố ẫ đường cong vi phân t ng ng 18 ươ ứHình 1.9 Dây d n i n b ng v t li u siêu d n 25 ẫ đ ệ ằ ậ ệ ẫHình 1.10 Máy phát i n và máy bi n th 25 đ ệ ế ếHình 1.13: Nam châm siêu d n và b l c sóng 27 ẫ ộ ọHình 1.14 : Thi t b SQUIDS 28 ế ịHình 2.1: Quy trình chế tạo mẫu siêu dẫn bằng phương pháp phản ứng pha rắn 29 Hình 2.2 (a) Máy ép th y l c t i Vi n Itims, Tr ng ủ ự ạ ệ ườ Đạ ọi h c Bách khoa Hà

N i và (b) m u sau khi ép 30 ộ ẫHình 2.3 Lò m u t i Vi n Itim, Tr ng ủ ẫ ạ ệ ườ Đạ ọi h c Bách khoa Hà N i 31 ộHình 2.4 Nguyên lí nhi u x ta X 32 ễ ạHình 2.5 H máy o nhi u x tia-X 33 ệ đ ễ ạHình 2.6 S b n m i dò và các ơ đồ ố ũ đường dòng g n m i dò dòng: 1,4- m i dò ầ ũ ũdòng; 2,3- mũi dò th 33 ếHình 2.7 M u có kích th c liên quan n th a s hi u ch nh 35 ẫ ướ đế ừ ố ệ ỉHình 2.8 S bu ng m u h o i n tr b n m i dò ơ đồ ồ ẫ ệ đ đ ệ ở ố ũ được làm l nh b ng khí ạ ằHeli 35 Hình 2.9: H th ng k p mệ ố ẹ ẫ đu o bôn 36 Hình 2.10 S kh i và Kính hi n vi i n t quét (SEM) t i vi n AIST, ơ đồ ố ể đ ệ ử ạ ệ

Tr ng H BK Hà N i 37 ườ Đ ộ

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

2-xKxCu3Ca2O10+δ 42 Hình 3.3 Các đường c tr ng i n tr su t t i R(T)/R(300K) 43 đặ ư đ ệ ở ấ ỉ đố 44 Hình 3.3 Các đường vi phân i n tr su t t i ph thu c vào nhi t c a h đ ệ ở ấ ỉ đố ụ ộ ệ độ ủ ệ

m u siêu d n Biẫ ẫ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 44 Hình 3.5 Các đường bi u di n các thông s c tr ng vùng nhi t chuyể ễ ố đặ ư ệ độ ển pha siêu d n c a h mẫ ủ ệ ẫu siêu d n Biẫ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+ δ 45 Hình 3.6 Đường bi u di n r ng vùng chuyể ễ độ ộ ển pha siêu d n c a h mẫ ủ ệ ẫu siêu

d n Biẫ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 46 Hình 3.7 Đường bi u di n n ng l tr ng c a h m u siêu d n Biể ễ ồ độ ỗ ố ủ ệ ẫ ẫ 1,6Pb0,4Sr2-

xKxCu3Ca2O10+δ 46 Hình 3.8 Các đưòng cong t tr c a h mừ ễ ủ ệ ẫu siêu d n Biẫ 1,6Pb0,4Sr2-

xKxCu3Ca2O10+δ o t i nhi t 45K trong t tr òng ±5T 48 đ ạ ệ độ ừ ưHình 3.9 Các đường cong t tr c a h m u siêu d n Biừ ễ ủ ệ ẫ ẫ 1,6Pb0,4Sr2-

xKxCu3Ca2O10+δ o t i nhi t 25K trong t tr ng ±5T 48 đ ạ ệ độ ừ ườ 49 Hình 3.10 Đường cong m t dòng t i h n ph thu c t tr ng t i nhi t ậ độ ớ ạ ụ ộ ừ ườ ạ ệ độ45K c a h m u siêu d n Biủ ệ ẫ ẫ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 49 Hình 3.11 Đường cong m t dòng t i h n ph thu c t tr ng t i nhi t ậ độ ớ ạ ụ ộ ừ ườ ạ ệ độ25K c a h m u siêu d n Biủ ệ ẫ ẫ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 50 Hình 3.12 Đường l c ghim t Fự ừ p ph thu c t tr ng t i nhi t 45K c a ụ ộ ừ ườ ạ ệ độ ủ

h m u siêu d n Biệ ẫ ẫ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 52

2223 (Tc=110K) ã đ được th c hi n m t s phòng thí nghi m hi n i trên ự ệ ở ộ ố ệ ệ đạ

th gi i b ng nhi u ph ng pháp khác nhau nh : ph n ng pha r n, sol-gel ế ớ ằ ề ươ ư ả ứ ắphún x , b c bay lazer xung… Tuy nhiên v n l a ch n i u ki n công ạ ố ấ đề ự ọ đ ề ệngh th c hi n t i các phòng thí nghi m Vi t Nam nh m m c ích ch ệ để ự ệ ạ ệ ở ệ ằ ụ đ ế

t o v t li u siêu d n Bi-2223 ch t l ng cao, giá thành h p lý là c n thi t ạ ậ ệ ẫ ấ ượ ợ ầ ế

V i nh ng lý do trên, Tác gi ã l a ch n h ng nghiên c u: ánh giá ớ ữ ả đ ự ọ ướ ứ Đ

ch t l ng c a v t li u siêu d n nhi t cao h Bi-2223, thông qua vi c ch ấ ượ ủ ậ ệ ẫ ệ độ ệ ệ ế

t o mạ ẫu b ng ph ng pháp ph n ng pha r n th c hi n tàiằ ươ ả ứ ắ để ự ệ đề : “Nghiên

c u nh h ng c a K pha t p n các tính ch t v t lý c a h p ch t siêu ứ ả ưở ủ ạ đế ấ ậ ủ ợ ấ

d n nhi t cao Bi-2223” ẫ ệ độ

2 M c ích nghiên c u, i t ng, ph m vi nghiên c u ụ đ ứ đố ượ ạ ứ

2.1 M c ích: ụ đ Để ể ki m ch ng v lý thuy t siêu d n và th c ti n công ngh ứ ề ế ẫ ự ễ ệ

ch t o v t li u phát huy kh n ng nghiên c u v t li u siêu d n có nhi t ế ạ ậ ệ ả ă ứ ậ ệ ẫ ệ độchuyển pha cao t các công trình ã ừ đ được công b ố

2.2 i t ng nghiên c uĐố ượ ứ : H v t li u siêu d n nhi t cao h Bi-2223 có ệ ậ ệ ẫ ệ độ ệpha t p K (Biạ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+δ v i x=0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10)ớ2.3 Ph m vi nghiên c u:ạ ứ tài ch t p trung nghiên c u s nh h ng n ng Đề ỉ ậ ứ ự ả ưở ồ

độ pha t p n các tính ch t v t lý c a h v t li u siêu d n h Bi-2223 khi có ạ đế ấ ậ ủ ệ ậ ệ ẫ ệpha t p K ạ

3 Ph ng pháp nghiên c u ươ ứ

3.1 Ph ng pháp nghiên c u lý thuy t ươ ứ ế

2

+ Đọc và phân tích các tài li u tham kh o có liên quan t i tài ệ ả ớ đề

+ So sánh t ng h p k t qu phân tích c a các tài liổ ợ ế ả ủ ệu

3.2 Ph ng pháp nghiên c u th c nghi m ươ ứ ự ệ

+Ch t o h các m u siêu d n nhi t cao Biế ạ ệ ẫ ẫ ệ độ 1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+δ

Ch ng I ươ : T ng quan v v t li u siêu d n nhi t caoổ ề ậ ệ ẫ ệ độ

Ch ng II: ươ Ph ng pháp t ng h p và nghiên c u h p ch t siêu d n Bi-ươ ổ ợ ứ ợ ấ ẫ

2223 pha t p K.ạ

Ch ng III: ươ K t qu và th o lu n ế ả ả ậ

3

1.1 S l c v v t li u siêu d n nhi t cao ơ ượ ề ậ ệ ẫ ệ độ

Vào n m 1908, Kamerlingh Onnes và c ng s ã thành công trong vi c ă ộ ự đ ệhóa l ng Heli t i tr ng ỏ ạ ườ Đại h c Tọ ổng h p Qu c gia Leiden (Hà Lan) ây ợ ố Đchính là ti n cho vi c nghiên c u các ch t nhi t th p g n v i nhi t ề đề ệ ứ ấ ở ệ độ ấ ầ ớ ệ độkhông tuyệ đốt i Vào n m 1911, nh môi tr ng Hêli l ng mà Kamerlingh ă ờ ườ ỏOnnes ã phát hi n ra c tr ng chuyđ ệ đặ ư ển pha c a i n tr su t c a th y ngân ủ đ ệ ở ấ ủ ủ(Hg) thay i v không t i nhi t 4,2K Ông và c ng s ã t tên cho hi n đổ ề ạ ệ độ ộ ự đ đặ ệ

t ng này là hi n t ng siêu d n Vi c phát hi n ra v t li u siêu d n ã m ra ượ ệ ượ ẫ ệ ệ ậ ệ ẫ đ ở

m t k nguyên m i trong l ch s ngành v t lí Hi n t ng này ngày càng ộ ỉ ớ ị ử ậ ệ ượ được nghiên c u sâu h n nh m tìm ra nh ng ng d ng ti m n ng và cứ ơ ằ ữ ứ ụ ề ă ơ ch c a ế ủ

lo i v t li u c bi t này ạ ậ ệ đă ệ

Su t t n m 1911-1985 ã có hàng tr m ch t siêu d n n nguyên t , a ố ừ ă đ ă ấ ẫ đơ ố đnguyên t ố được phát hi n và ch t o Song các chúng u có nhi t chuyệ ế ạ đề ệ độ ển pha không quá 24K (màng mỏng Nb3Ge) Các ch t này ấ được g i là siêu d n ọ ẫnhi t th p (LTS) và Hêli l ng v n là môi tr ng duy nh t cho nghiên c u ệ độ ấ ỏ ẫ ườ ấ ứ

hi n t ng này Vì v y mà các ng d ng c a hi n t ng siêu d n b h n ch ệ ượ ậ ứ ụ ủ ệ ượ ẫ ị ạ ế

do chi phí s n xu t cao Do ó các nhà khoa h c c g ng tìm ra lo i có nhi t ả ấ đ ọ ố ắ ạ ệ

độ chuyển pha cao h n ơ

N m 1986, J.G Bednorz và K.A Muller (Th y S ) ã làm vi c t i ă ụ ĩ đ ệ ạphòng thí nghi m c a hãng IBM Zurich (Th y Sệ ủ ở ụ ỹ) ã công b trên t p chí đ ố ạ

“Zeitschrift Fur Physik” c a ủ Đức r ng: “H p ch t g m Baằ ợ ấ ố 0,75La4,25Cu504(3-y)

có i n tr gi m mđ ệ ở ả ạnh trong vùng nhi t (30 35) K và trệ độ ÷ ở ề v không 12 ởK[1,3] i u c bi t ây các tinh th siêu d n có c u trúc d h ng v i m t Đ ề đặ ệ ở đ ể ẫ ấ ị ướ ớ ặ

ph ng d n i n là các l p CuOẳ ẫ đ ệ ớ 2 H các h p ch t siêu d n ch a các m t ph ng ệ ợ ấ ẫ ứ ặ ẳCuO 2 sau này đựơc g i là các cuprate Phát minh này làm ch n ng d lu n ọ ấ độ ư ậtrên toàn th gi i M t l n n a các nhà khoa h c ã quay l i v i phát hi n v ế ớ ộ ầ ữ ọ đ ạ ớ ệ ề

độ chuy n pha h p ch t này không cao nh ng nó mể ở ợ ấ ư ở ra m t h ng mới: Có ộ ướ

th tìm ra v t li u siêu d n ngay c trong h p ch t g m, ch không ch kim ể ậ ệ ẫ ả ợ ấ ố ứ ỉ ở

lo i nguyên ch t ho c h p kim Ti p n i các nghiên c u c a Bednorz thì hai ạ ấ ặ ợ ế ố ứ ủnhà v t lý i h c Houston (Mậ ở đạ ọ ỹ) là P.W.Chu và M.K.Wu ã thành công đtrong vi c ch t o m t lo i g m siêu d n Y-Ba-Cu-O mà nhi t chuyệ ế ạ ộ ạ ố ẫ ệ độ ển pha

c a nó ã v t quá nhi t sôi c a Nit l ng (Tủ đ ượ ệ độ ủ ơ ỏ c 95K) i u này t o i u Đ ề ạ đ ề

ki n thu n l i cho vi c nghiên c u các tính ch t c a v t li u siêu d n m t ệ ậ ợ ệ ứ ấ ủ ậ ệ ẫ ộcách r ng rãi và thúc y quá trình khám phá ra các h siêu d n khác có nhi t ộ đẩ ệ ẫ ệ

độ Tc cao h n C ng trong n m 1987, H.Maeda (ETL, Nh t B n) ã tìm ra h ơ ũ ă ậ ả đ ệsiêu d n Bi-Sr-Ca-Cu-O có nhi t chuy n pha lên n 115K H Tl-Ba-Ca-ẫ ệ độ ể đế ệCu-O (Tc 125K) được tìm ra b i A M Hermann và H H Sheng i h c ở ở đạ ọArkansas (Mỹ) vào n m 1988 N m 1993 hai nhà v t lý ng i Nga là E V ă ă ậ ườAntipov và S N Putilin khám phá ra h siêu d n th y ngân là Hg-Ba-Ca-Cu-ệ ẫ ủ

O có nhi t chuyệ độ ển pha lên n 135K G n ây khi nghiên c u các ch t siêu đế ầ đ ứ ấ

d n môi tr ng áp su t cao ã cho th y r t nhi u v n mâu thu n v i lý ẫ ở ườ ấ đ ấ ấ ề ấ đề ẫ ớthuy t BCS Ví d các nguyên t ki m th không có tính siêu d n môi ế ụ ố ề ổ ẫ ở

tr ng áp su t thông th ng thì nay có th t 29K (Ca) Còn h p ch t siêu ườ ấ ườ ể đạ ợ ấ

d n Hẫ 2S áp su t 155Gpa cho nhi t ở ấ ệ độ chuyển pha siêu d n r t cao ẫ ấ(Tc=203K) [10]

Hình 1.1 Quá trình phát hi n ra các ch t siêu d n và nhi t ệ ấ ẫ ệ độ

chuy n pha T ể c t ng ng[5] ươ ứ

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

Tên v t li u ậ ệ Nhi t chuy n pha ệ độ ể

Ở đ ây Tc có th hi u là nhi t t i h n hay nhi t chuy n pha siêu ể ể ệ độ ớ ạ ệ độ ể

d n Tuẫ ỳ thu c vào b n ch t c a v t li u mà vùng chuyộ ả ấ ủ ậ ệ ển pha siêu d n r ng ẫ ộhay h p cách l y nhi t chuyẹ ấ ệ độ ển pha siêu d n c ng khá a d ng Nhi t b t ẫ ũ đ ạ ệ độ ắ

đầu c a quá trình chuyểủ n pha siêu d n (Tẫ c, onset) và nhi t khi mệ độ ẫu tr v ở ề

tr ng thái i n tr không hoàn toàn (Tạ đ ệ ở c,0)

T tr ng t i h n Hừ ườ ớ ạ c

Khi v t tr ng thái siêu d n, n u t ng d n t tr ng n m t giá tr Hậ ở ạ ẫ ế ă ầ ừ ườ đế ộ ị cxác nh thì có th làm m t tr ng thái siêu d n Lúc ó các đị ể ấ ạ ẫ đ đường s c t l p ứ ừ ậ

t c xâm nh p vào m u siêu d n và chuyứ ậ ẫ ẫ ển nó sang tr ng thái d n i n thông ạ ẫ đ ệ

th ng, dù r ng T<Tườ ằ c Giá tr xác nh c a t tr ng ó g i là t tr ng t i ị đị ủ ừ ườ đ ọ ừ ườ ớ

h n T tr ng t i h n Hạ ừ ườ ớ ạ c là hàm c a nhi t và hàm ó ủ ệ độ đ được mô t g n ả ầ

c T

8

1.2.2 Hi u ng Meissner ệ ứ

N m 1933, Meissner và Ochsenfeld ã phát hi n ra r ng n u m t ch t ă đ ệ ằ ế ộ ấsiêu d n ẫ được làm l nh xu ng nhi t nh h n nhi t Tạ ố ệ độ ỏ ơ ệ độ c thì t thông s ừ ẽkhông xuyên qua ch t siêu d n ó, c m ng t bên trong m u b ng 0 Và hi u ấ ẫ đ ả ứ ừ ẫ ằ ệứng này được g i là hi u ng Meissner hay hi u ng ngh ch t lý t ng (hình ọ ệ ứ ệ ứ ị ừ ưở1.2) B qua hi u ng kh t , t c là xét các ch t siêu d n hình tr dài và tr c ỏ ệ ứ ử ừ ứ ấ ẫ ụ ụ

c a nó song song v i t tr ng Hủ ớ ừ ườ a t vào, ta có: đặ

B = µ0 (Ha + M) =0 (1.2)

Ta có: = = − 1

a H

M

χ (1.3) Trong ó: B là c m ng t bên trong m u, µđ ả ứ ừ ẫ 0 là th m t , là h s t hoá độ ẩ ừ Χ ệ ố ừ

K t qu này B = 0 này không th suy ra ế ả ể đượ ừc t tính ch t i n tr b ng không ấ đ ệ ở ằ

9

Theo thí nghi m c a Meissner và Ochsenfeld, ệ ủ đường cong t hóa c a ừ ủ

m u siêu d n hình tr và có tr c song song v i ph ng t tr ng t vào có ẫ ẫ ụ ụ ớ ươ ừ ườ đặ

th bi u di n nh hình 1.3 Hình 1.3a bi u di n hi u ng Meissner siêu d n ể ể ễ ư ể ễ ệ ứ ẫ

lo i I Các ch t siêu d n lo i I th ng có Hạ ấ ẫ ạ ườ c nh Lo i có ỏ ạ đường cong t hóa ừ

d ng hình 1.3b ạ được g i là siêu d n lo i II, tr ng thái siêu d n t n t i n t ọ ẫ ạ ạ ẫ ồ ạ đế ừ

tr ng t i h n Hườ ớ ạ c2 Khi t tr ng H nh h n t tr ng d i h n d i Hừ ườ ỏ ơ ừ ườ ướ ạ ướ c1 mẫu

ở ạ tr ng thái ngh ch t lý t ng gi ng nh các ch t siêu d n lo i I Tuy nhiên ị ừ ưở ố ư ấ ẫ ạ

s khác bi t trong các ch t siêu d n này là chúng t n t i m t vùng h n h p ự ệ ấ ẫ ồ ạ ộ ỗ ợ

Hc1< H< Hc2 (Hc2 t tr ng t i h n trên) Trong vùng t tr ng này t thông ừ ườ ớ ạ ừ ườ ừlen l i ỏ được vào trong ch t siêu d n tuy nhiên i n tr su t v n b ng không ấ ẫ đ ệ ở ấ ẫ ằ

Tr ng thái siêu d n này g i là tr ng thái xoáy t hay tr ng thái trung gian ạ ẫ ọ ạ ừ ạ

Hình 1.3 Đườ ng cong t hóa c a siêu d n lo i I(a) và lo i II(b) theo CGS[8] ừ ủ ẫ ạ ạ

1.2.3 th m sâu London và dài liên k t Độ ấ độ ế

dày c a l p b m t ch t siêu d n có dòng i n ch y qua c g i là

độ ấ th m sâu London λ L Th c t khi t tr ng nh (H<Hự ế ừ ườ ỏ c v i siêu d n l ai I, ớ ẫ ọH<Hc1 v i siêu d n l ai II) thì t tr ng v n th m vào b mớ ẫ ọ ừ ườ ẫ ấ ề ặ ủt c a m u v i ẫ ớ

m t dài th m sâu London ộ độ ấ λ L

Gi s trên kho ng cách x tính t b mả ử ả ừ ề ặt kim lo i, c m ng t gi m ạ ả ứ ừ ảtheo hàm B(x) thì th m sâu độ ấ λ L được xác nh theo bi u th c: đị ể ứ

Trên th c t ng i ta tính ự ế ườ λ L một cách g n úng là B(0) không i trong m t ầ đ đổ ộ

độ dày b ng dày th m sâu London ằ độ ấ λ L th a mãn i u ki n: ỏ đ ề ệ

Th c nghi m tìm ra th y quy lu t v s ph thu c c a ự ệ ấ ậ ề ự ụ ộ ủ λ L vào nhi t theo ệ độ

bi u th c: ể ứ

( )04 1/2

1

K L

t

λ

− (1.7)

Trong ó t= T/Tđ c là nhi t rút g n, ệ độ ọ λ 0K là th m sâu London 0K độ ấ ở

Ngoài th m sâu London, i v i các ch t siêu d n còn có dài c độ ấ đố ớ ấ ẫ độ đặ

tr ng c l p khác là dài k t h p ư độ ậ độ ế ợ ξ Độ dài k t h p là kho ng cách mà ế ợ ảtrong ó n ng các i n t thay i mđ ồ độ đ ệ ử đổ ạnh, c tr ng không gian c a i n t đặ ư ủ đ ệ ửsiêu d n, do ó nó ph i liên h v i xung l ng p c a các i n t này theo h ẫ đ ả ệ ớ ượ ủ đ ệ ử ệ

p

∆

≈ h

ξ

T k

p≈

v i ớ v F là v n t c c a các i n t trên b m t m c Fermi Vì v y: ậ ố ủ đ ệ ử ở ề ặ ứ ậ

Theo lý thuyế ầ đt g n úng Ginzburg Landau phân bi t các ch t siêu để ệ ấ

d n lo i I và lo i II các tác gi ã a vào tham s tr t t siêu d n Xẫ ạ ạ ả đ đư ố ậ ự ẫ G-L= / λ ξSiêu d n là lo i I khi / <1, ng c l i khi / >1 ch t siêu d n là lo i II Còn ẫ ạ λ ξ ượ ạ λ ξ ấ ẫ ạ

đố ới v i các siêu d n cuprate Xẫ G-L>> 1.[1,3,15]

1.2.4 C u trúc vi mô trong ch t siêu d n ấ ấ ẫ

Khi quan tâm n tr t t xa c a c p cooper trong ch t siêu d n, ta th y đế ậ ự ủ ặ ấ ẫ ấ

r ng s có s m t s t ng t nh trong v t li u t Trong ch t s t t , t ng ằ ẽ ự ộ ự ươ ự ư ậ ệ ừ ấ ắ ừ ươtác trao i gi a các spin gây ra s nh h ng song song c a các mômen t đổ ữ ự đị ướ ủ ừ ở

d i nhi t Curie, trong khi ó các ch t siêu d n tr t t xa liên quan n ướ ệ độ đ ấ ẫ ậ ự đếhàm song ψ c a c p cooper (ủ ặ ψđược vi t d i d ng ế ướ ạ ψ ψ = e iϕ trong ó đ | | ψ là biên còn là pha) H ng c a độ φ ướ ủ ψ (t c là pha ) óng vai trò nh h ng ứ φ đ đị ướ

c a các spin Pha c a các c p cooper c n có s liên k t ch t ch trên m t ủ φ ủ ặ ầ ự ế ặ ẽ ộkho ng cách l n trong v t li u[45] Tuy nhiên trong các ch t siêu d n cuprate ả ớ ậ ệ ấ ẫliên k t c a các c p cooper s không x y ra trên kho ng cách l n ế ủ ặ ẽ ả ả ớ

12

Hình 1.4 C u trúc xoáy t giác(a) và tam giác(b) ấ ứ Đườ ng t nét ch đứ ỉ

ô c b n[6,10] ơ ả

Ta bi t trong siêu d n lo i I, t tr ng có th th m vào ch t siêu d n ế ẫ ạ ừ ườ ể ấ ấ ẫ

b ng cách phá v tính siêu d n c a nó Còn trong siêu d n lo i II t n t i tr ng ằ ỡ ẫ ủ ẫ ạ ồ ạ ạthái trung gian: t tr ng y u b y ra ngoài, còn t tr ng có c ng ừ ườ ế ị đẩ ừ ườ ườ độ

m nh h n Bạ ơ c1 th m vào ch t siêu d n m t cách không ng nh t mà hình ấ ấ ẫ ộ đồ ấthành cách xoáy có c u trúc t giác ho c tam giác các xoáy t o thành các ấ ứ ặ ạđường s c t th m vào v t li u nh trong các ng hình 1.4 Có th quan sát ứ ừ ấ ậ ệ ư ố ể

đ ềi u này b ng ph ng pháp b t t : các h t s t t t trên b m t c a v t li u ằ ươ ộ ừ ạ ắ ừ đặ ề ặ ủ ậ ệ

s b hút b i các ẽ ị ở đường s c t và s co c m l i nh hình nh các xoáy Các ứ ừ ẽ ụ ạ ư ả

h t s t t này c ng có th t o b ng kạ ắ ừ ũ ể ạ ằ ỹ thu t phun màng, khi ó các xoáy có ậ đ

th quan sát b ng kính hi n vi i n t truyể ằ ể đ ệ ử ền qua nh c a các xoáy trong Ả ủ

ch t siêu d n BiSrCaCuO ấ ẫ được minh h a b ng hình 1.5 T tr ng càng t ng ọ ằ ừ ườ ăthì các xoáy t càng mừ ở ộ r ng ra trong lòng siêu d n, t ng ẫ ươ đương v i hi n ớ ệ

t ng phát tri n m m Khi các t tr ng v t qua gi i h n ượ ể ầ ừ ườ ượ ớ ạ B c2 tính siêu d n ẫ

s bi n m t Các siêu d n khác nhau có giá tr t tr ng t i h n ẽ ế ấ ẫ ị ừ ườ ớ ạ B c1 và Bc2

khác nhau

13

Hình 1.5 nh c a các xoáy tam giác trong ch t siêu d n nhi t cao h Ả ủ ấ ẫ ệ độ ọ

BiCrCaCuO nh n ậ đượ c b ng ph ng pháp b t t [4] ằ ươ ộ ừ

T thông trong các xoáy ừ đượ địc nh l ng, m i ượ ỗ đường s c t mang n ứ ừ

l ng t t thông ượ ử ừ ϕ 0 (φ0 =h 2/ e) n u ta xét mế ột xoáy riêng bi t, có th kh ng ệ ể ẳ

định r ng ằ đường kính c a nó là dài th m sâu London ủ độ ấ λL c a t tr ng ủ ừ ườtrong ch t siêu d n ấ ẫ Đố ới v i các ch t oxit nhi t cao lo i oxit ng, ấ ệ độ ạ đồ ξ có giá

tr c 1-2 nm nhi t th p, trong khi ị ỡ ở ệ độ ấ λL có giá tr c 100nm ị ỡ

Các xoáy th ng ườ được ‘‘giam gi ” b i các sai h ng c u trúc ho c các ữ ở ỏ ấ ặ

t p ch t trong v t li u S d ch chuyạ ấ ậ ệ ự ị ển các đường xoáy trong v t li u có th ậ ệ ểxem là yế ố ấ ợu t b t l i vì hao phí n ng l ng Trong th c t , phát tri n các ă ượ ự ế để ể

ứng d ng c a v t li u siêu d n bao gi ng i ta c ng mu n ghim các xoáy l i ụ ủ ậ ệ ẫ ờ ườ ũ ố ạ

để tránh s d ch chuy n, khi ó các y u t sai h ng là yự ị ể đ ế ố ỏ ế ố ổ địu t n nh c a ch t ủ ấsiêu d n Trong các ch t siêu d n nhi t cao, vi c ghim các xoáy liên quan ẫ ấ ẫ ệ độ ệ

đến c u trúc b m t c a các v t li u: hai m t ph ng oxit ng CuOấ ề ặ ủ ậ ệ ặ ẳ đồ 2 th ng ườđược phân cách b i các l p i n môi hay d n yở ớ đ ệ ẫ ếu (hình 1.5) Các i n t đ ệ ửchuyể độn ng gi a các mặữ t ph ng siêu d n b i hi u ng ẳ ẫ ở ệ ứ đường h m qua các ầ

l p này ớ Để ă t ng c ng tính n nh c a các xoáy, các thay th hóa h c ườ ổ đị ủ ế ọ

14

th ng ườ được ti n hành làm t ng kho ng cách gi a các mế để ă ả ữ ặt CuO2 và t ng ăliên k t gi a các l p này t ng các tâm ghim t ế ữ ớ để ă ừ

Do c tính c a c u trúc x p l n xen k các mđặ ủ ấ ế ớ ẽ ặt d n CuOẫ 2 và các kh i ố

đ ệi n môi hay d n y u mà tính d h ng c a v t li u này r t cao S d h ng ẫ ế ị ướ ủ ậ ệ ấ ự ị ướ

c a chúng ủ được ph n nh b ng s d h ng trong c tr ng thái th ng l n ả ả ằ ự ị ướ ả ạ ườ ẫ

tr ng thái siêu d n Giá tr dài k t h p ạ ẫ ị độ ế ợ ξ và th m sâu Londonđộ ấ λ L khác nhau theo h ng song song v i m t CuOướ ớ ặ 2 và vuông góc v i m t này[39] ớ ặ

B ng cho chúng ta nh ng thông tin v nh ng giá tr này cho m t s h p ch t ả ữ ề ữ ị ộ ố ợ ấ

1.3 M t s tính ch t c a h siêu d n nhi t ộ ố ấ ủ ệ ẫ ệ độ cao BSCCO

1.3.1 C u trúc tinh th c a h siêu d n nhi t cao BSCCO ấ ể ủ ệ ẫ ệ độ

K t khi phát hi n ra siêu d n nhi t cao Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) ể ừ ệ ẫ ệ độ

đã có nhi u nghiên c u ề ứ được th c hi n trên siêu d n này V t li u siêu d n ự ệ ẫ ậ ệ ẫnhi t cao h Bismuth (BSCCO) có công th c t ng quát là Biệ độ ệ ứ ổ 2Sr2Can-

1CunO2n+4+δ t n t i ba pha siêu d n n nh: ồ ạ ẫ ổ đị

- 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 C u trúc tinh th c a các pha Bi-2201, Bi-2212, Bi-2223[4,8] ấ ể ủ

C u trúc tinh th c a h p ch t BSCCO là c u trúc l p Xen gi a các ấ ể ủ ợ ấ ấ ớ ữ

l p CuOớ 2 là các l p i n môi ho c d n i n kém Pha Bi-2201 ch a m t l p ớ đ ệ ặ ẫ đ ệ ứ ộ ớCuO2 , pha Bi-2212 ch a hai l p CuOứ ớ 2 , pha Bi-2223 ch a ba l p CuOứ ớ 2 c Đặ

tr ng chung c a các l p siêu d n nhi t cao ch a ng (hay g i là siêu d n ư ủ ớ ẫ ệ độ ứ đồ ọ ẫcuprate) có c u trúc l p Do ó mô t c tr ng này v i chính xác v a ấ ớ đ để ả đặ ư ớ độ ừ

đủ xong l i n gi n và thu n ti n, ta xem các siêu d n nhi t cao có c u ạ đơ ả ậ ệ ẫ ệ độ ấtrúc ki u ch ng ch t xen k mể ồ ấ ẽ ột – một theo tr c c (tr c vuông góc v i m t ụ ụ ớ ặCuO2) c a các mủ ặt CuO2 và các l p kh i ớ ố

Các l p d n i n CuOớ ẫ đ ệ 2 có nh h ng mang tính quyả ưở ế địt nh n tính đếsiêu d n nhi t cao c a v t li u S l p CuOẫ ệ độ ủ ậ ệ ố ớ 2 t ng (t 1 -3) thì nhi t ă ừ ệ độchuyển pha c ng t ng C u trúc ô mạng là giả tứ giác (a b c) : pha Bi-2223 ũ ă ấ ≈ ≠

và pha Bi-2212 có cùng hằng s mố ạng 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 li u siêu dệ ẫn có tính dị hướng r t cao Tính ấ

dị hướng thể hiện rõ tính dở ẫn iđ ện, độ dài k t hế ợp, độ thấm sâu London theo mặt ab và theo trục c khác nhau rõ rệt

1.3.2.1 Tính dẫn điện và đ ệ i n trở suất

Hình 1.7 i n tr su t theo tr c c ( Đ ệ ở ấ ụ ρc ) và i n tr su t theo m t ab ( đ ệ ở ấ ặ ρab )

c a n tinh th siêu d n Bi ủ đơ ể ẫ 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 [9]

Do cấu trúc tinh thể có tính d hị ướng, nên tính dị hướng được biể ộu l rõ rệt trong đặc tính dẫ đn iệ ủn c a tinh thể Độ ẫ d n iđ ện cao là hướng song song với các mặt CuO2 trong khi ó dđ độ ẫn iđ ện theo hướng vuông góc v i các mớ ặt CuO2

là nhỏ cỡ t 2 ừ đến 5 b c v l n (nhiậ ề độ ớ ệt phòng) S b c này phđộ ố ậ ụ thuộc vào

t ng loừ ại hợp chất và ch t lượng c a n tinh thấ ủ đơ ể đượ ửc s dụng trong các phép

đo thực nghiệm

Ví dụ về tính dị ướ h ng của iđ ện trở suất của đơn tinh th siêu d n ể ẫ

Bi2Sr2Ca2Cu3O10+ δđược cho trên hình 1.7 i n tr o theo h ng m t CuOĐ ệ ở đ ướ ặ 2

(m t ab) ặ ρab gi m tuyả ến tính theo nhiệt trong vùng (120độ ÷300)K, sau ó suy đgiảm nhanh về không tại nhi t ệ 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 nhi t phòng Ở ệ độ ρc

cao hơn 4 b c so vậ ới ρab,ρc không biểu thị ự s phụ thuộc nhiệt tuyđộ ến tính mà

có một đặc trưng d ng nh cạ ư ủa một chất bán dẫn, tăng nhanh ở vùng nhi t ệ độthấp trước khi giảm t ngđộ ột về không tại Tc

Ta có tính dẫn đi n là i lệ đạ ượng nghịch đảo c a iủ đ ện trở suất, nên tính

d n i n trên mẫ đ ệ ặt ab (σab) c ng l n h n c 2 5 b c so v i tính d n i n theo ũ ớ ơ ỡ ÷ ậ ớ ẫ đ ệ

tr c c (ụ σc) Các s li u trên nói lên s t ng tính d h ng khi nhi t suy ố ệ ở ự ă ị ướ ệ độ

gi m trong tr ng thái th ng Và c bi t h n tính d h ng t ng g n n ả ạ ườ đặ ệ ơ ị ướ ă ầ đếnhi t chuyệ độ ển pha Tc i u này có th gi i thích là do s xuyên ng m n Đ ề ể ả ự ầ đơ

h t gi a các l p b ng n c n t i nhi t chuyạ ữ ớ ị ă ả ạ ệ độ ển pha, thay vào ó là s xuyên đ ự

ng m c a các c p Cooper d i nhi t chuyầ ủ ặ ướ ệ độ ển pha Tc

Trong các mẫ đu a tinh thể, đặc biệt là các mẫu được chế ạ t o bằng phương pháp gốm, thì iđ ện trở ấ su t của chúng n m giằ ữa các giá trị c a iủ đ ện trở su t theo ấtrục ab và theo trục c của mẫu đơn tinh thể chất lượng tốt.[44]

Độ ộ r ng vùng chuyển pha của các mẫu g m thông thố ường khá lớn (∆Tc ~

3 10 K) so v i m÷ ớ ẫ đơu n tinh thể (∆Tc ~2÷5 K) tùy thuộc vào điều kiện chế ạ t o mẫu và chủ yếu phụ thu c vào tộ ỉ phần các pha siêu dẫn và các tạp chất có trong mẫu Thí dụ v ề đường cong iđ ện trở suất R(T)/R(290K) và r ng chuyđộ ộ ển 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

18

Hình 1.8 Đườ ng cong i n tr su t t i ph thu c nhi t R(T)/R(290K) đ ệ ở ấ ỉ đố ụ ộ ệ độ

c a g m siêu d n Bi-2223 và ủ ố ẫ đườ ng cong vi phân t ng ng [8] ươ ứ

Vật li u siêu d n nhi t ệ ẫ ệ độ cao d ng gạ ốm có c u tấ ạo từ các hạt siêu dẫn liên kết yếu với nhau qua biên hạt, ó là liên kđ ết Jonsephson Cơ chế dẫn iđ ện c a vủ ật liệu siêu dẫn nhiệ đột cao dạng h t chạ ủ yếu theo cơ chế xuyên ngầm của các cặp Cooper qua biên hạt

M t dòng t i h n (Jậ độ ớ ạ c) c a h siêu d n BSCCO ph thu c vào t ủ ệ ẫ ụ ộ ừ

tr ng và nhi t c a v t li u Các k t qu công b v giá tr c a Jườ ệ độ ủ ậ ệ ế ả ố ề ị ủ c cho th y ấtuỳ thu c vào ph ng pháp ch t o m u mà giá tr c a Jộ ươ ế ạ ẫ ị ủ c khác nhau Trong kho ng nhi t t 77 90K các m u kh i có Jả ệ độ ừ ÷ ẫ ố c 2,10≈ 4 A/cm2, còn nhi t ở ệ độ4,2K có Jc (10≈ 6 10÷ 7) A/cm2 v i m u n tinh th có tính d h ng cao (Jớ ẫ đơ ể ị ướ ab

l n h n Jớ ơ c kho ng 80.000 l n).[3,27] ả ầ

19

1.3.2.2 M t ậ độ dòng tới hạn và cơ chế phá vỡ siêu dòng

M t dòng t i h n c a m t ch t siêu d n nhi t cao (Jậ độ ớ ạ ủ ộ ấ ẫ ệ độ c) là m t ộthông s quan tr ng cho vi c quy t nh ng d ng v t li u này vào trong mố ọ ệ ế đị ứ ụ ậ ệ ục

đích c th Có ba c ch ch yếụ ể ơ ế ủ u h n ch mậ độạ ế t dòng Jc là: C ch phá v ơ ế ỡ

c p Cooper, c ch phá v s ghim và c ch phá v các m i liên k t y u ặ ơ ế ỡ ự ơ ế ỡ ố ế ế

* C ch ơ ế phá v c p Cooper: ỡ ặ Theo mô hình London và lý thuyết BCS thì m t dòng t i h n c n thi t c p Cooper b phá là Jậ độ ớ ạ ầ ế để ặ ị dp ~ n*( )eν *h/π2m*ξ0 (T = 0K) V i nớ * là m t , eậ độ * là i n tích, mđ ệ * là kh i l ng, là v n t c, ố ượ ν ậ ố ξ0 là

độ dài k t h p c a c p Cooper và h là h ng s Planck Vì dài k t h p rế ợ ủ ặ ằ ố độ ế ợ ξ t ấ

nh ~ 10 Aỏ 0 nên Jdp ~ 109 A/cm2 [1,3]

* C ch phá v s ghim ơ ế ỡ ự : Do t tr ng t i h n d i (Hừ ườ ớ ạ ướ c1) c a các ủ

ch t siêu d n lo i cuprate là r t nh , k t h p v i m c ích ng d ng siêu ấ ẫ ạ ấ ỏ ế ợ ớ ụ đ ứ ụ

d n trong nhi t cao, cho nên các v t li u này h u nh ch ẫ ệ độ ậ ệ ầ ư ỉ đượ ức ng

d ng trong tr ng thái trung gian, t c là tr ng thái t n t i các xoáy t và các ụ ạ ứ ạ ồ ạ ừ

th ng giáng nhi t Trên t tr ng Hă ệ ừ ườ c1/(1-N) v i N là h s kh t c a m u, ớ ệ ố ử ừ ủ ẫcác đường t thông mang các l ng t t thông ừ ượ ử ừ Φ0 chui vào trong m u ẫCác t tr ng này có th ừ ườ ể được cung c p b i ngu n t tr ng ngoài ho c t ấ ở ồ ừ ườ ặ ừ

tr ng riêng do dòng i n truy n trên m u t o ra Dòng truy n J tác ng ườ đ ệ ề ẫ ạ ề độlên các đường t thông tính trên m t n v chi u dài m t l c Lorentz là Fừ ộ đơ ị ề ộ ự L

= J.Φ0H/H L c Lorentz gia t c ự ố đường t thông n v n t c v và m t i n ừ đế ậ ố ộ đ ệ

tr ng E = B.v s ườ ẽ được sinh ra trong m u, k t qu là i n tr su t c a m u ẫ ế ả đ ệ ở ấ ủ ẫkhác không Để ả c n tr s chuy n ng c a các ở ự ể độ ủ đường t thông ng i ta ừ ườ

th ng t o ra các tâm ghim nh pha t p, chi u x Các tâm này chính là ườ ạ ờ ạ ế ạcác sai h ng i m, l ch m ng, pha l Trong các ch t siêu d n có tính d ỏ đ ể ệ ạ ạ ấ ẫ ị

h ng cao nh h Bi-2212 thì các ướ ư ệ đường t thông có th ừ ể được hình dung bao g m các a t thông chuy n ng g n nh c l p v i nhau V n ồ đĩ ừ ể độ ầ ư độ ậ ớ ấ đề

20

này ã gây tr ng i cho vi c ng d ng các ch t siêu d n lo i này c n đ ở ạ ệ ứ ụ ấ ẫ ạ ầ được

kh c ph c [1,3] ắ ụ

* C ch phá v các liên k t y u: ơ ế ỡ ế ế M t dòng t i h n Jậ độ ớ ạ c b suy gi m ị ả

m nh b i các v t li u không siêu d n trong mạ ở ậ ệ ẫ ẫ đu, ây là v n c n quan tâm ấ đề ầ

đố ới v i các mẫ đu a tinh th Jể c c ng ph thu c gián ti p vào dài k t h p ũ ụ ộ ế độ ế ợ ξthông qua khe n ng l ng Do suy gi m nhanh b i c u trúc và s bi n i ă ượ ∆ ∆ ả ở ấ ự ế đổhoá h c g n b m t ch t siêu d n ọ ầ ề ặ ấ ẫ Đố ới v i các ch t siêu d n nhi t cao d ng ấ ẫ ệ độ ạcuprate do nh nên các l p biên làm suy gi m Jξ ỏ ớ ả c khá m nh[1] ạ

Trong thực tế, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao có một s i m u viố đ ể ư ệt so với của các ch t siêu dấ ẫn nhi t ệ độ thấp

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

Trong h hệ ợp chất BSCCO t n t i ba pha siêu d n: Bi-2201, Bi-2212, Bi-ồ ạ ẫ

2223 mỞ ột nhiệt độ nung thiêu kết phù hợp v i thời gian kéo dài thì pha siêu ớdẫn Bi-2201 hầu như không t n t i Nhồ ạ ư ậ v y 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 x tia X, tỷ phần pha Bi-2223 trong mẫu có thể xác ạ

định theo phương trình sau:

(1.9)

(1.10) Trong ó I(2223) và I(2212) l n l t là c ng nh nhi u x ng v i đ ầ ượ ườ độ đỉ ễ ạ ứ ớpha Bi-2223 và pha Bi-2212

T vi c xác nh trên nh n th y t ph n các pha siêu d n ừ ệ đị ậ ấ ỷ ầ ẫ được hình thành ph thu c r t nhi u yụ ộ ấ ề ế ốu t nh nhi t thiêu k t, nhi t nung s b , ư ệ độ ế ệ độ ơ ộnhi t th i gian nung và môi tr ng t o mệ độ ủ ờ ườ ạ ẫu

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 c u ch ra r ng s t o thành pha Bi-2201 nh y v i nhi t ứ ỉ ằ ự ạ ạ ớ ệ độthiêu k t nh ng không ph thu c vào th i gian nung Nhi t nung thiêu k t ế ữ ụ ộ ờ ệ độ ếvào kho ng 670 – 750ả 0C

1.3.3.2 S t o thành pha Bi-2212 ự ạ

S hình thành pha Bi- 2212 ự được mô t qua các ph ng trình ph n ng ả ươ ả ứ

nh sau : ư

Sr2CuO6 + CaCuO3 Sr→ 2 CaCu2O8 + CaO (1.14)

Bi2Sr2CuO6 + CaCuO3 Bi→ 2Sr2CaCu2O8 + CaO (1.15)

Bi2Sr2CuO6 + Ca2CuO3 Bi→ 2Sr2CaCu2O8 + Ca2CuO3 (1.17)

Bi2Sr2CuO6 + CaO + CuO → Bi2Sr2CaCu2O8 (1.18)

S t o thành pha Bi-2212 ph thu c vào nhi t và th i gian thiêu k t ự ạ ụ ộ ệ độ ờ ếTrong kho ng nhi t thiêu k t t 680-800ả ệ độ ế ừ 0C thì các v t li u vô c ban u ậ ệ ơ đầdùng ch t o m u s t o thành pha Bi-2201 chi m mđể ế ạ ẫ ẽ ạ ế ộ ượt l ng không áng đ

k , ph n còn l i là h n h p c a Caể ầ ạ ỗ ợ ủ 2CuO3, CaCu2O3, CaO, CuO… Khi nhi t ệ

độ lên n 820đế 0C n 840đế 0C v i th i gian nung thích h p pha Bi-2201 gi m ớ ờ ợ ả

và pha Bi-2212 t ng lên áng k ă đ ể

1.3.3.3 S t o thành pha Bi-2223 ự ạ

N m 1988, h siêu d n nhi t cao Bi ă ệ ẫ ệ độ được phát hi n ra, ã có r t ệ đ ấnhi u các nghiên c u quá trình hình thành nên h siêu d n này, c bi t là quá ề ứ ệ ẫ đặ ệtrình t o pha 2223 So v i hai pha Bi-2201 và Bi-2212 thì s t o thành pha ạ ớ ự ạBi-2223 có ph n ph c t p h n C ng nh pha Bi-2212 s t o thành pha này ầ ứ ạ ơ ũ ư ự ạ

(1.11)(1.12)(1.13)

22

ph thu c m nh vào nhi t , th i gian thiêu k t và t ph n c a pha siêu d n ụ ộ ạ ệ độ ờ ế ỉ ầ ủ ẫ

2212 và 2223 trong h p ch t S t o thành pha Bi- 2223 ợ ấ ự ạ được mô t nh sau : ả ư

Bi2Sr2CaCu2O8 + CaCuO2 Bi→ 2Sr2Ca2Cu3O10 (1.19)

Bi2Sr2CaCuO8 + CaCu2O3 Bi→ 2Sr2Ca2Cu3O10 + CuO (1.20)

Bi2Sr2CaCuO8 + CaO + CuO→ Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (1.21) Nhi t nung thiêu k t vào kho ng 850ệ độ ế ả ᵒC 870để ᵒC và th i gian nung ờ

có th kéo dài m t tu n (168 gi ).[1,2,3,4,5] ể ộ ầ ờ

1.3.3.4 Vai trò c a Pb thay th Bi trong quá trình t o pha Bi-2223[2,5,27] ủ ế ạ

Trong th c t vi c thu ự ế ệ được Bi-2223 n pha là khá ph c t p n u đơ ứ ạ ếkhông có s thay th c a cation Pb Khi thay th Pb cho Bi là c bi t có l i ự ế ủ ế đặ ệ ợtrong quá trình hình thành và n nh pha Bi-2223 H p ch t này có công ổ đị ợ ấ

th c danh nh là Biứ đị 2-xPbxSr2Ca2Cu3O10-δ

R t nhi u công trình nghiên c u ã ch ra r ng n u thay th m t hàm ấ ề ứ đ ỉ ằ ế ế ộ

l ng Pb thích h p thì s thúc y quá trình hình thành pha Bi-2223 Tuy ượ ợ ẽ đẩnhiên c ch c a ph n ng ch a ơ ế ủ ả ứ ư được làm rõ Có th khi thay th Pb cho Bi ể ế

t c ph n ng x y ra nhanh h n Ngoài ra, Pb có th thay th vào v trí Bi ố độ ả ứ ả ơ ể ế ịtrong ô mạng và làm n nh pha siêu d n 2223[15] S hình thành pha siêu ổ đị ẫ ự

d n c a mẫ ủ ộ ợt h p ch t th ng ph thu c vào công ngh ch t o mẫấ ườ ụ ộ ệ ế ạ u, các ch ế

độ ử x lí nhi t và các i u ki n môi tr ng, K t qu th c nghi m nh ng n m ệ đ ề ệ ườ ế ả ự ệ ữ ăqua cho th y r ng s thay th Pb cho Bi trong nh ng h siêu d n nhi t cao ấ ằ ự ế ữ ệ ẫ ệ độ

ch a Bi ã làm t ng nhi t chuy n pha Tứ đ ă ệ độ ể c và t l các pha siêu d n Bi-2223 ỉ ệ ẫtrong m u, ng th i làm n nh h n tính siêu d n c a v t li u ẫ đồ ờ ổ đị ơ ẫ ủ ậ ệ

1.3.4 nh h ng c a các kim lo i ki m pha t p vào h p ch t BSCCO Ả ưở ủ ạ ề ạ ợ ấ

Qua nghiên c u vi c pha t p các ion kim lo i ki m (Li ứ ệ ạ ạ ề + , Na + , K + , ) ã đ phát hi n th y tính siêu d n ệ ấ ẫ đượ c c i thi n áng k [15-25] ả ệ đ ể Khi nghiên c u ứ

vi c pha t p Li vào h BSCCO các tác gi [15-18] u cho th y vi c y ệ ạ ệ ả đề ấ ệ đẩnhanh t c t o pha siêu d n Bi-2212 [15,16] và pha siêu d n Bi-2223 [18-ố độ ạ ẫ ẫ

23

21] Đồng th i các pha siêu d n ờ ẫ đượ ạc t o ra ng nh t h n, mđồ ấ ơ ặc dù nhi t ệ độnung thiêu k t ã ế đ được gi m i áng k [15,16,20] S Wu [15] và c ng s khi ả đ đ ể ộ ựphân tích vi c u trúc ã tìm ra s thay th c a Cu cho Li dù m c thay th ấ đ ự ế ủ ứ độ ế

là ch a ánh giá ư đ được chính xác i u c bi t ây v i nh ng n ng pha Đ ề đặ ệ ở đ ớ ữ ồ độ

t p Li nh t nh nào ó, nhi t chuyạ ấ đị đ ệ độ ển pha siêu d n ẫ đượ ăc t ng c ng m t ườ ộcách áng k Nguyên nhân có th n ng h t t i d n ã đ ể ể ồ độ ạ ả ẫ đ đượ đ ềc i u ch nh v ỉ ề

m c t i u D i ây chúng tôi a vào b ng các giá tr v l n bán ứ độ ố ư ướ đ đư ả ị ề độ ớkính ion c a các nguyên t tham gia c u thành trong tinh th BPSCCO và c ủ ố ấ ể ảnguyên t Li ti n so sánh ây bán kính ion c a Liố để ệ Ở đ ủ 1+ là t ng ươ đương v i ớbán kính c a Cation Cuủ 2+

Vì các kim lo i ki m hóa tr +1 nên s thay th c a chúng cho b t c ạ ề ị ự ế ủ ấ ứ

m t nguyên t nào trong h BSCCO s d n n vi c suy gi m hàm l ng ô ộ ố ệ ẽ ẫ đế ệ ả ượ

xy (O) trong c u trúc ho c t o ra các l tr ng trên m t CuO2 do òi h i v s ấ ặ ạ ỗ ố ặ đ ỏ ề ựcân b ng v mằ ề ặ đ ệt i n tích [24] Các nguyên t kim lo i ki m ng sau ố ạ ề đứLithium được nghiên c u ít h n nh Na [22,23], K [24-26] u cho th y tính ứ ơ ư đề ấ

ưu vi t c a s pha t p nh t ng t c t o pha siêu d n, các tính ch t siêu d n ệ ủ ự ạ ư ă ố độ ạ ẫ ấ ẫđược c i thi n Tuy nhiên v i bán kính ion t ng d n và kh n ng thay th cho ả ệ ớ ă ầ ả ă ếcác cation khác nhau c a h BSCCO làm thay i các c tr ng v t lý c a h ủ ệ đổ đặ ư ậ ủ ệTrong các nghiên c u g n ây t i PTN t và siêu d n, vi n ITIMS, ứ ầ đ ạ ừ ẫ ệ

Tr ng HBK Hà N i trên các h BSCCO pha t p Li [27] và Na [28] cho ườ Đ ộ ệ ạ

th y Li có nh h ng t t n tính siêu d n nhi t cao, trong khi Na làm t ng ấ ả ưở ố đế ẫ ệ độ ă

đáng k mậ độể t dòng t i h n ớ ạ

Khi nghiên c u vi c pha t p K vào h BSCCO các tác gi ch ra r ng ứ ệ ạ ệ ả ỉ ằ

vi c pha t p ó y nhanh t o ra pha Bi-2212 và Bi-2223 và c ng cho th y ệ ạ đ đẩ ạ ũ ấ

r ng các pha siêu d n ằ ẫ đượ ạc t o ra ng nh t h n m c dù nhi t nung thiêu đồ ấ ơ ặ ệ độ

k t có gi m i áng k i u ki n thay th là s t ng ế ả đ đ ể Đ ề ệ để ế ự ươ đương v m t tính ề ặ

ch t và bán kính ion gi a nguyên t thay th và các nguyên t t o thành ấ ữ ố ế ố ạ

1.3.4 ng d ng c a v t li u siêu d n nhi t cao[1,3] Ứ ụ ủ ậ ệ ẫ ệ độ

V i c tr ng không có s mớ đặ ư ự ất mát n ng l ng trong quá trình truyă ượ ền

t i và kh n ng y t ra kh i ch t siêu d n mà ngày nay v t li u siêu d n ả ả ă đẩ ừ ỏ ấ ẫ ậ ệ ẫđượ ức ng d ng r t nhi u trong i s ng và khoa h c c bi t là siêu d n nhi t ụ ấ ề đờ ố ọ đặ ệ ẫ ệ

độ cao Sau ây là m t vài ng d ng n i tr i c a v t li u siêu d n: đ ộ ứ ụ ổ ộ ủ ậ ệ ẫ

Dây và b ng siêu d n ă ẫ

Các dây siêu d n BSCCO s n có trên th tr ng và m t dòng i n có ẫ ẵ ị ườ ậ độ đ ệ

th lên t i 2MA/cmể ớ 2 v i chi u dài 800m Ngoài vi c có th t i dòng i n l n ớ ề ệ ể ả đ ệ ớtrên mộ đơt n v cmị 2, dùng dây siêu d n t i i n còn có ngh a quan tr ng là ẫ ả đ ệ ĩ ọ

gi m hao phí n ng l ng do s t a nhi t c a dây siêu d n g n nh b ng ả ă ượ ự ỏ ệ ủ ẫ ầ ư ằkhông Đố ới v i các dây d n thông th ng kho ng 10-15% công su t i n b ẫ ườ ả ấ đ ệ ị

25

hao phí trên đường dây t i i n Theo tính toán c a Vi n nghiên c u công su t ả đ ệ ủ ệ ứ ấ

đ ệi n (EPI) c a M n u thay các ủ ỹ ế đường dây t i i n và các bi n th công su t ả đ ệ ế ế ấ

l n b ng dây siêu d n, hàng n m chi phí v i n c a Mớ ằ ẫ ă ề đ ệ ủ ỹ có th gi m t i 18 t ể ả ớ ỷ

th c c a máy Ví d , máy phát i n 1000 mã l c dùng dây siêu d n s nh ướ ủ ụ đ ệ ự ẫ ẽ ỏ

h n 50% so v i máy phát i n thông thơ ớ đ ệ ường Ngoài ra t n hao c a máy độ ổ ủphát i n dùng ch t siêu d n nh (<1%) so v i 5 10% c a máy phát i n đ ệ ấ ẫ ỏ ớ ÷ ủ đ ệ

b ng v t li u th ng ằ ậ ệ ườ

Dây siêu d n nhi t cao th ẫ ệ độ ế

hệ 2 (2G) có chiều rộng 4cm