báo cáo bài tập lớn chủ đề vật liệu siêu dẫn hg 1212

Giới thiệudẫn dựa trên hợp chất oxit của thủy ngân thuộc nhóm các chất siêu dẫn nhiệt độ cao HTS, có nghĩa rằng chúng có nhiệt độ chuyển đổi siêu dẫn Tc cao hơn 77K, điểm sôi của nitơ lỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU🙞···☼···🙞

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Chủ đề:

Vật liệu siêu dẫn Hg-1212

Nguyễn Xuân Mạnh2011602

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 12 năm 2023

2 Trường không thuận nghịch của chất siêu dẫn Tc cao Hg-1212 10

2.1 Giới thiệu tổng quan 10

2.1 Ứng dụng trong máy quét MRI 25

2.2 Ứng dụng trong điều trị bằng tia proton 25

3 Ứng dụng trong truyền tải điện 26

3.1 Truyền tải điện năng trên khoảng cách dài 26

3.2 Khả năng chịu dòng điện lớn 26

3.3 Khả năng chống lại sự di chuyển của các vòng từ 26

4 Ứng dụng trong lưu trữ dữ liệu 26

4.1 Ứng dụng trong các yếu tố lưu trữ hoặc bộ nhớ 26

4.2 Siêu dẫn rất mỏng 26Tài liệu tham khảo 27

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Mô tả cấu trúc tinh thể của Hg-1212 Các quản cầu màu đỏ, xanh , lam, lục và

lam nhạt lần lượt tương ứng với Hg, Ba, Ca, Cu, O 6

Hình 2: Các mẫu nhiễu xạ điện tử của Hg0.93Mo0.19Sr2Y0.44Ca 0.40Cu 2.07O n+δ 7

Hình 3: Phần thực và phần ảo của độ nhạy xoay chiều của chất siêu dẫn Hg-1212 và (HgTl)-1212 9

Hình 4: Các trường không thể đảo ngược đối với các chất dẫn điện Hg-1212 và 1212 9

(HgTl)-Hình 5: So sánh mối tương quan giữa phần thực và phần ảo của độ nhạy từ đối với (HgTl)-1212 với những dự đoán về mô hình thư giãn, lan tỏa và mô hình Bean 10

Hình 6: Giản đồ XRD và các tham số mạng được tính toán cho Hg-1212 12

Hình 7: DPE được quan sát trong tín hiệu xoay chiều cùng pha của Hg-1212 (đen) và (Hg,Tl)-1212 (trắng) cho hai từ trường: 0,3 T (hình vuông) và 0,5 T (hình tròn) 13

Hình 8: Phần thực và phần ảo của độ nhạy AC có trường bằng 0 và trong trường DC 3T 14

Hình 9: Đường cong chuyển tiếp siêu dẫn thu được bằng AC (đầy đủ các phép đo điểm) và DC (chéo) cho ba ứng dụng từ trường khác nhau 14

Hình 10: Chế độ xem mở rộng của Hình 6a và c hiển thị việc hợp nhất DC điểm và tín hiệu ac tương ứng 15

Hình 11: Sơ đồ pha của (Hg,Tl)-1212 16

Hình 12: Sơ đồ pha của Hg-1212 17

Hình 13: Hiển thị cấu trúc Hg-1212 19

Hình 14: Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất với có Tc khác nhau 19

Hình 15: Mối tương quan giữa ρ–T và sự phụ thuộc nhiệt độ của các đường cong độ T và sự phụ thuộc nhiệt độ của các đường cong độ nhạy dc (χ–T và sự phụ thuộc nhiệt độ của các đường cong độ T) được minh họa cho Hg1212 (Tc=124 K) 19

Hình 19: Ảnh hưởng của áp suất lên Tc của Hg1212 23

Hình 20: Ảnh hưởng của áp suất cao hơn đến tính siêu dẫn ở Hg1212 24

Giới thiệu

dẫn dựa trên hợp chất oxit của thủy ngân thuộc nhóm các chất siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS), có nghĩa rằng chúng có nhiệt độ chuyển đổi siêu dẫn (Tc) cao hơn 77K, điểm sôi của nitơ lỏng.

Chất siêu dẫn Hg-1212 được phát hiện vào đầu năm 1993.Với nhiều nổ lực nghiên cứu đãđược hướng đến việc tổng hợp đồng barium với oxit thủy ngân và nung chúng trong 800°C trong năm giờ Từ đó, các nhà nghiên cứu đã tìm ra được hợp chất siêu dẫn Hg-1212 thực hiện nhiều tính chất từ tính, phát triển mở rộng, thay thế các dạng nguyên tố khác để làm tăng tính khoảng nhiệt độ Tc và ứng dụng màng mỏng trong công cuộc nghiên cứu và phát triển.

Cấu trúcTổng quát

Hg-1212 có cấu trúc tinh thể thuộc nhóm không gian P4/mmm với hằng số mạng a=3.82A và c= 11.91A

Cụ thể hơn, Hg-1212 có cấu trúc như sau:

Hình 1: Mô tả cấu trúc tinh thể của Hg-1212 Các quản cầu màu đỏ, xanh , lam, lục vàlam nhạt lần lượt tương ứng với Hg, Ba, Ca, Cu, O

Phân tích SAED và EDS

Khi mẫu được đem đi phân tích TEM, ta quan sát được nhiều hạt sẫm màu với các cạnh rõ ràng xuất hiện trong ảnh TEM và chúng có thể tạo ra các mẫu phân tích SAED (như

trong hình 1) phù hợp với đặc điểm kết tinh tốt của mẫu Các kết quả phân tích SAED như vậy kết luận đưa ra bằng chứng cho nhóm không gian P4/mmm và ô tứ giác, ngụ ý tồn tại của cấu trúc kiểu 1212.

Hình 2: Các mẫu nhiễu xạ điện tử của Hg0.93Mo0.19Sr2Y0.44Ca0.40Cu2.07On+ δ

Các hạt được phân tích SAED nghiên cứu cũng đc kiểm tra bằng phân tích EDS Vị trí trung bình của chúng có thể được viết là:

Hg0.93Mo0.19Sr2Y0.44Ca 0.40Cu2.07On+ δ.

Chi tiết các cuộc thảo luận bàn về cấu trúc Hg-1212 được thể hiện như sau:

(1) Đôi khi xuất hiện hiện tượng thay thế lẫn nhau, mặc dù tỷ lệ Y/Ca gần bằng 1 ở hầu hết các loại hạt Độ hòa tan của Ca trong vị trí Y thu được bằng phân tích EDS dao động từ 29 đến 60%, điều này chắc chắn ảnh hưởng lớn đến hình dạng của đường cong R-T vì

cập rằng hàm lượng Y và Ca nhỏ hơn 1, cho thấy vị trí (Y, Ca) đã bị các cation khác chiếm giữ một phần.

(2) Từ thành phần trung bình nêu trên, có thể thấy rằng hàm lượng Hg và Cu lớn hơn một

kết hợp trong các lớp (Hg, Mo) Hiện tượng này có vẻ khá phổ biến ở các chất siêu dẫn

trong phương pháp sàng lọc chiếm chỗ của phân tích XRD.

Cấu trúc tinh thể của Hg-1212 cho thấy sự phân bố không đều của các ion Điều này được coi là chìa khóa để giải thích sự mở rộng của ATc trong đường cong R-T Ngoài ra, cấu trúc tinh thể của Hg-1212 cũng cho thấy sự ổn định của nó trong không khí ẩm.Nói chung, hợp chất Hg-1212 đã được nghiên cứu bằng phân tích SAED và EDS Nhóm không gian và hằng số mạng suy ra từ mẫu SAED phù hợp với kết quả XRD: mẫu là một

pha và kết tinh tốt Tuy nhiên, sự phân bố cation không đồng nhất đã được tiết lộ bằng phân tích EDS, mặc dù không phát hiện thấy sự khác biệt nào trong các tham số mạng do hạn chế về độ chính xác của SAED Thành phần trung bình của mẫu thu được qua phân tích EDS là Hg0.93 Mo0.19Sr2Y0.44Ca0.40Cu2.07O6+ δ, Cu và Hg được tích hợp vào các lớp (Hg,

bị thủy phân khi gặp điều kiện môi trường thích hợp Hai yếu tố có thể chịu trách nhiệm cho sự chuyển đổi rộng hơn trong đường cong R - T là:

(1) Sự phân bố cation không đồng nhất, đặc biệt là sự thay thế lẫn nhau giữa Y và

cường Tc.

chất hóa học của chính nguyên tố Hg.

Để có thể ứng dụng loại vật liệu này, điều quan trọng là các nhà nghiên cứu phải chú ý

Tổng hợp màng mỏng chất siêu dẫn Hg-1212Giới thiệu

đã thu hút sự quan tâm đáng kể do nhiệt độ tới hạn cao (T) của các vật liệu này Thông thường, độ dày của các màng này nằm trong khoảng 0,5-1 gm và độ dày tối thiểu vẫn trên200nm Đối với nhiều ứng dụng vi điện tử, chẳng hạn như thiết bị quang học, màng rất mỏng chất lượng cao với độ dày dưới 100nm là cần thiết Khó khăn chính trong việc chế tạo màng mỏng hơn của HTS dựa trên Hg tăng lên từ việc hóa lỏng vật liệu trong quá trình kết tinh màng trong quá trình ủ hơi Hg, dẫn đến các đảo không liên kết khi độ dày màng dưới ngưỡng nhất định Ngoài ra, độ nhạy không khí nghiêm trọng của tiền chất

làm phức tạp thêm quá trình xử lý và dẫn đến khả năng tái tạo mẫu kém ngay cả đối với màng dày Để giải quyết những vấn đề này, gần đây chúng tôi đã phát triển một sơ đồ

Hg để thay thế Tl bằng Hg Trong quá trình trao đổi cation này, một mẫu biểu mô có thể được hình thành trong flhn tiền thân Điều này cho phép phát triển màng Hg-HTS rất mỏng thông qua một cơ chế hoàn toàn khác và loại bỏ tác động bất lợi không khí vì màng

chế tạo màng rất mỏng Hg-1212 biểu mô với độ dày nhỏ hơn 100 nm trên chất nền LaA103 (001) bằng quy trình cationexchange Màng mỏng Tl-1212 biểu mô được sử dụng làm màng tiền chất, được ủ trong hơi Hg để tạo thành màng mỏng Hg-1212.

Thử nghiệm

Màng tiền chất Tl-1212 được chuẩn bị bằng phương pháp phún xạ dc-magnetron và phương pháp sau ủ Màng tiền chất không siêu dẫn được phun ra từ một cặp mục tiêu siêu dẫn Tl-1212 lên chất nền đơn tinh thể LaA103 (001) trong hỗn hợp Ar và 02 khí (Ar/02=4/1) với tổng áp suất 20 mTorr Màng lắng đọng là vô định hình với thành phần kim loại của Tl: Ba: Ca: Cu - 1: 2: 1: 2 Độ dày của màng phụ thuộc vào thời gian phún xạ và thường được kiểm soát trong phạm vi từ 50-200nm Các màng lắng đọng được ủ trong 1

Các màng tiền thân của Tl-1212 sau đó được niêm phong trong một ống thạch anh được

chảy trong 1 giờ để tối ưu hóa hàm lượng oxy của màng.

quét từ bức xạ Cu Ka Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để xác định hình thái bề mặt màng Tcs của phim Tl-1212 và phim Hg1212 được xác định bằng

có thể được ước tính từ các phép đo từ với từ trường áp dụng vuông góc với mặt phẳng của màng.

Hình 3 (a), mẫu bị chi phối bởi pha Tl-1212 với một phần không đáng kể của các pha tạp chất Pha Tl-1212 phát triển với hướng trục c vuông góc với bề mặt chất nền như

được trình bày trong Hình I (b), cho thấy phổ gần như không thay đổi như mong đợi từ cùng một tinh thể Tl-1212 và các pha Hg-1212 có Sự chuyển đổi từ Tl-1212 sang Hg-1212, tuy nhiên, với Hg-1212 được xác nhận bằng phép đo Tc Hình 4 cho thấy sự phụ thuộc nhiệt độ (T) của từ hóa dc (M) làm mát bằng không trường (ZFC) của cùng một màng Hg-1212 trong từ trường 5 Gauss được đo trong từ kế thiết bị nhiễu lượng tử siêu dẫn (SQUID) Tc của màng Hg-1212 cao tới 118 K, gần với giá trị nội tại của 124 K đối với pha Hg-1212 và có thể so sánh với Tc (120-124 K) thu được trên màng Hg-1212 dày (độ dày > 200nm) Người ta đã nhận thấy rằng giá trị Tc này cao hơn khoảng 38 K so với màng tiền thân Tl-1212 Ngoài ra, sự chuyển tiếp suôn sẻ gần Tc cho thấy sự chuyển đổi gần như hoàn toàn từ pha Tl1212 sang pha Hg-1212 sau khi ủ hơi Hg.

Hình 4: Từ hóa một chiều làm mát bằng không trường của màng Hg-1212 (dày 80 nm)như một hàm của nhiệt độ trong từ trường 5 G.

Hình 5: Jc của màng Hg-1212 (dày 80 nm) là chức năng của nhiệt độ và từ trường.

Để ước tính độ lớn của Jc từ các vòng M-H được đo ở các nhiệt độ khác nhau cho cùng

M lần lượt là các nhánh trên và dưới của vòng trễ M-H R, bán kính tuần hoàn của dòng điện, được ước tính cho một mẫu phim hình chữ nhật sử dụng, R= b(1-a/3b) trong đó a

trong Hình 5 dưới dạng các hàm của từ trường và nhiệt độ Khi tính toán các giá trị Jc, tổng diện tích phim (5mm x 2,4 mm) đã được sử dụng để tính toán đưa ra ước tính giới

hơn theo hệ số 2-4 Ở nhiệt độ cao hơn, việc giảm Jc trở nên đáng kể hơn Ở 100 K và

báo cáo tốt nhất cho màng Hg-1212 dày Tối ưu hóa hơn nữa các điều kiện xử lý là cần thiết để cải thiện chất lượng của phim Hg-1212 rất mỏng Mặt khác tay, cần đề cập rằng việc giảm Tc và Jc như vậy không phải là hiếm và đã được báo cáo trên các Tc cao khác màng siêu dẫn (HTS) rất mỏng Kể từ khi một Lớp bảo vệ có thể làm giảm đáng kể sự giảm này, nó được lập luận rằng sự suy giảm oxy gần bề mặt màng có thể là chịu trách nhiệm về các tính chất siêu dẫn xuống cấp của HTS phim rất mỏng Một cuộc điều tra so sánh mẫu chất lượng với hoặc không có lớp bảo vệ sẽ cung cấp hiểu biết sâu sắc về vấn đề này.

χ (a.u)

Hình 6: Hình ảnh SEM của phim Hg-1212 dày 80nm được thực hiện bằng quy trình traođổi cation.

Hình 6 cho thấy hình ảnh SEM điển hình của Hg dày 80 nm- 1212 phim Hình thái mịn và cấu trúc tinh thể dày đặc có thể thấy rõ trên bề mặt Không có ranh giới hạt rõ ràng sfructure hoặc vết nứt có thể nhìn thấy, cho thấy một kết nối tốt Phim ở Thichess of 80nm.

Kết luận

Các màng Hg-12 12 siêu dẫn có độ dày nhỏ hơn 100 nm đã được chế tạo trên LaA10, chất nền bằng cách ủ các màng tiền chất epiticular T1-1212 trong hơi Hg được kiểm soát T, lên tới 11 8K đã thu được trong các phim này Tại trường ứng dụng 0, J, lên tới 1,1 x 1 O7 A/cm* ở 5 K và gần bằng 1 x105 A/cm2 ở 1 1OK Những màng rất mỏng này rất hứa hẹn cho nhiều ứng dụng vi điện tử.

Đặc tính

1 Tính từ tính của chất siêu dẫn Hg-12121.1 Giới thiệu tổng quan

Hg-1212 thể hiện nhiệt độ chuyển tiếp Tc siêu dẫn cao nhất trong số các vật liệu siêu dẫn có Tc cao và do đó rất được quan tâm cho các ứng dụng tiềm năng Tính chất của chúng có thể được cải thiện bằng cách thay thế một phần Hg bằng các nguyên tố khác Để mô tảđặc tính và so sánh các mẫu khác nhau, kiến thức về sự phụ thuộc nhiệt độ của các trườngkhông thuận nghịch tương ứng là đặc biệt quan trọng Một phương pháp phổ biến để xác định các đường không thuận nghịch là đánh giá các giá trị đỉnh của phần ảo của tín hiệu nhạy AC Tuy nhiên, chính xác hơn là việc sử dụng điểm cơ bản ở phía nhiệt độ cao của đỉnh này, tức là 1%

1.2 Thực nghiệm

Để so sánh thông số rõ ràng, ta dùng Hg-1212 với HgTl-1212 Một số mẫu bột của hệ Hg-1212 và (HgTl)-1212 được chuẩn bị trong các ống silica kín sử dụng lò nung một nhiệt độ Hỗn hợp các oxit có thành phần danh nghĩa được ủ ở 880° C trong 10 giờ Nhiệtđộ chuyển tiếp siêu dẫn và các đường không thuận nghịch được xác định bằng phép đo độ nhạy trong từ trường lên tới 14T.

(HgTl)-Hình 3 cho thấy một số kết quả thu được từ các phép đo độ nhạy AC Phần thực và phần ảo là vẽ biểu đồ cho Hg-1212 và (HgTl)-1212 được lấy ở trường 0 và với trường ứng dụng là 3T Các đường cong của mẫu thay thế Tl được dịch chuyển rõ ràng đến nhiệt độ cao hơn Điều này cũng có thể được nhìn thấy trong các đường không thể đảo ngược (Hình 2), được xác định từ tín hiệu tưởng tượng ở mức 1% giá trị cực đại ở phía nhiệt độ cao Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đường không thuận nghịch được phân tích theo lý thuyết của Matsushita, dựa trên cơ chế rút chốt gây ra bởi hiện tượng rão từ thông được kích hoạt bằng nhiệt Theo lý thuyết này, sự phụ thuộc nhiệt độ của trường không thuận nghịch có thể được mô tả bằng

Bi(T) = (K /T )4/ (3−2 γ )[1 – [T /TC]2]2 m /(3−2 γ) [1]

trong đó K, m và c là các tham số của lý thuyết Trong Hình 4, các đường cong phù hợp sử dụng biểu thức này được đưa ra với các tham số kết quả được vẽ trong Bảng 1 Có thể thấy rằng mô tả lý thuyết rất phù hợp trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ

Bảng 1: Nhiệt độ chuyển tiếp và các thông số phù hợp theo lý thuyết của Matsushita đốivới Hg-1212 và (HgTl)-1212

Hình 9: So sánh mối tương quan giữa phần thực và phần ảo của độ nhạy từ đối với(HgTl)-1212 với những dự đoán về mô hình thư giãn, lan tỏa và mô hình Bean.

Nhìn chung, việc giải thích kết quả về tính nhạy cảm của chất siêu dẫn Tc cao chưa được làm rõ trong tài liệu Một số mô hình đã được đề xuất dựa trên các điều kiện động lực họctừ thông khác nhau Ling và Budnick đã thảo luận về ba loại mô hình chính liên quan đếncác phép đo đường không thuận nghịch: bên cạnh mô hình Bean cổ điển còn có mô hình thư giãn và chuyển động khuếch tán Các đường cong trong Hình 3 được lấy từ công

trình của họ thể hiện dự đoán tương ứng trong đồ thị của phần ảo so với phần thực của độnhạy AC Các kết quả thí nghiệm có thể được so sánh với những dự đoán này Hình 3 là một ví dụ về dữ liệu thu được từ mẫu (HgTl)-1212 cho các trường 0,01 và 3T Gần như hiện nay có sự khác biệt trong hoạt động của hai mẫu Sự điều chỉnh duy nhất trong Hình 3 là phép ngoại suy tuyến tính của độ dốc chính ở bên trái của các đường cong thử

nghiệm Như có thể thấy, có sự phù hợp tuyệt vời với dự đoán của mô hình Bean trong trường hợp dữ liệu trường thấp trong khi đối với dữ liệu 3T, cơ chế động lực học thông lượng bổ sung dường như xảy ra Các cuộc điều tra sâu hơn về loại này đang được tiến hành.

3 Hiệu ứng áp suất cao của vật liệu Hg-1212 có nhiệt độ chuyển tiếp cao3.1 Giới thiệu

Để làm rõ điều kiện có thể có của Tc cực đại thực, cần xem lại ảnh hưởng của áp lực lên Tc trong họ Tc cao nhất Ở đây chúng tôi báo cáo một nghiên cứu có hệ thống về sự phụ

đến quá pha Tc có điện trở suất bằng 0 được thử nghiệm bằng thiết bị kiểu đe lập

phương có thể tạo ra áp suất thủy tĩnh Sự biến thiên không những tăng mà còn giảm của Tc trong Hg1212 với áp suất phụ thuộc rất nhiều vào mức độ pha tạp ban đầu

Kiến thức về tác động của áp suất lên nhiệt độ tới hạn của chất siêu dẫn (Tc) là hết sức quan trọng để hiểu cơ chế của chất siêu dẫn, như được minh họa bằng báo cáo mới nhất về chất siêu dẫn trên 200 K do áp suất gây ra Trong các chất siêu dẫn thông thường như

khi ở một số chất siêu dẫn độc đáo như FeSe, Tc tăng khi tăng áp suất ít nhất là trong mộtphạm vi nhất định áp lực Trong hầu hết các chất siêu dẫn có hàm lượng Tc cao (HTSC)

độ pha tạp.

4, ) thể hiện giá trị Tc rất cao ở áp suất xung quanh (AP): 95, 127, 134 , và 130 K tương ứng với n=1, 2, 3 và 4 Các nghiên cứu về tác động của áp suất lên Tc đã được bắt đầu ngay sau khi phát hiện ra chuỗi tương đồng này và các giá trị tối đa của Tc đối với

cộng sự lập luận rằng sự dịch chuyển đi lên phổ biến của Tc là đặc điểm chung của tất cả Hg 12(n−1)n Mặc dù các giá trị này của Tc thường được chấp nhận, chúng tôi tin rằng chúng nên được nghiên cứu lại để hiểu rõ hơn về tác động của áp suất cao dưới ánh sáng của những tiến bộ trong tổng hợp vật liệu và kỹ thuật áp suất cao; các giá trị này của Tc được xác định từ cái gọi là nhiệt độ khởi đầu, tại đó điện trở suất bắt đầu sai lệch với tốc độ nhanh hơn so với nhiệt độ cao hơn khi nhiệt độ giảm, trong khi quan sát thấy điện trở suất bằng 0, nghĩa đen là siêu dẫn, không đạt được Hơn nữa, trong các nghiên cứu trước đây, áp suất trên 10 GPa được tạo ra bằng tế bào đe kim cương, điều này không nhất thiết