Cấu trúc tinh thể và tính chất siêu dẫn của màng mgb2 có bổ sung tâm ghim từ nhân tạo cấu trúc nano

Cấu trúc tinh thể và tính chất siêu dẫn của màng mgb2 có bổ sung tâm ghim từ nhân tạo cấu trúc nano Cấu trúc tinh thể và tính chất siêu dẫn của màng mgb2 có bổ sung tâm ghim từ nhân tạo cấu trúc nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ NHUNG

CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT SIÊU DẪN

CỦA MÀNG MgB2 CÓ BỔ SUNG TÂM GHIM TỪ NHÂN TẠO CẤU TRÚC NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ NHUNG

CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT SIÊU DẪN

CỦA MÀNG MgB2 CÓ BỔ SUNG TÂM GHIM TỪ NHÂN TẠO CẤU TRÚC NANO

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Bản thân em thấy mình vô cùng may mắn khi luôn có những sự đồng hành từ khi chuẩn bị cho tới lúc hoàn thiện luận văn tốt nghiệp Khoảng thời gian vừa qua, em không chỉ nhận được những kiến thức bổ ích về chuyên môn mà còn ở nhiều lĩnh vực khác…Qua trang viết này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình tới những sự giúp đỡ trong thời gian học tập – nghiên cứu khoa học vừa qua

Trước hết, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối tới

TS Trần Hải Đức – người thầy đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như đưa ra những sự khích lệ em trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Em xin cảm ơn những thầy cô trong Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng

em, ngoài ra còn tạo điều kiện và có những lời khuyên cần thiết để em có thể hoàn thành luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên hỗ trợ em hoàn thành luận văn, cũng như nhiệm vụ trong suốt thời gian theo học tại trường

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã khích lệ, tương trợ kịp thời giúp em phần nào trong việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp một cách trọn vẹn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2022

Nguyễn Thị Nhung

MỤC LỤC

Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH I DANH MỤC BẢNG III DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT IV

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 3

1.1 Siêu dẫn 3

1.1.1 Lịch sử và các mốc phát triển quan trọng 3

1.1.2 Phân loại chất siêu dẫn trên cơ sở tính chất từ 4

1.2 Động lực học xoáy từ trong chất siêu dẫn 6

1.3 Hệ siêu dẫn MgB2 10

1.3.1 Các đặc trưng cơ bản 10

1.3.3 Chiếu xạ ion sử dụng máy gia tốc 13

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16

2.1 Chế tạo mẫu 16

2.1.1 Chế tạo màng MgB2 bằng phương pháp HPCVD 16

2.1.2 Chiếu xạ ion lên màng MgB2 18

2.2 Phân tích tính chất mẫu siêu dẫn 19

2.2.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 19

2.2.2 Phép đo phổ Raman 20

2.2.3 Phép đo điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ 21

2.2.4 Phép đo đường cong từ trễ 22

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Cấu trúc tinh thể của màng MgB2 trước và sau khi chiếu xạ ion Sn 24

3.2 Tính chất siêu dẫn của màng MgB2 trước và sau khi chiếu xạ ion Sn 28

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Tiếng Việt 40

Tiếng Anh 40

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Đường cong từ hóa của siêu dẫn loại I (trái) và (phải) siêu dẫn loại II 4

Hình 1.2 Mật độ số electron ns và cường độ từ trường xung quanh các lõi bình thường trong chất siêu dẫn loại II 5

Hình 1.3 Trạng thái hỗn hợp của chất siêu dẫn loại II có dòng điện vận chuyển J 7

Hình 1.4 Hình dạng các tâm ghim từ 9

Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể của MgB2 10

Hình 1.6 Khe năng lượng siêu dẫn phụ thuộc nhiệt độ trong MgB2 11

Hình 1.7 (a) Cấu trúc tinh thể của MgB2 (b) (c) Các trạng thái liên kết σ ở mức Fermi bắt nguồn từ các obitan B ρxy (d) Trạng thái liên kết π ở mức Fermi bắt nguồn từ các pzorbit của B (e) Chế độ dao động của các nguyên tử B kết hợp chặt chẽ với trạng thái điện tử liên kết σ ở mức Fermi 12

Hình 1.8 Sự hình thành cột nano với các điều kiện chiếu xạ khác nhau và ảnh hưởng đến kết quả phép đo Jc phụ thuộc vào góc của từ trường ngoài 15

Hình 2.1 (a) Sơ đồ hệ thống HPCVD (b) Bộ phận treo mà chất nền được gắn trên các mảnh trên cùng và Mg có thể được chứa xung quanh giá đỡ chất nền 16

Hình 2.2 Máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 18

Hình 2.3 Nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể chất rắn 19

Hình 2.4 Hệ đo phổ Raman WITEC ALPHA300M sử dụng bước sóng 531,97 nm 21

Hình 2.5 Hệ đo các tính chất vật lí 22

Hình 3.1 (a) Giản đồ XRD, (b) Giản đồ XRD phóng to tại vị trí đỉnh (0002) (c) Độ rộng toàn phần tại vị trí một nửa cực đại (FWHM) của đỉnh (0002) và (d) Hằng số

mạng c của màng MgB2 trước và sau khi chiếu xạ ion Sn với các liều lượng khác nhau 24 Hình 3.2 (a) Phổ Raman của màng MgB2 trước khi chiếu xạ ion Sn (Pristine) và sau khi chiếu xạ ion Sn (b) Sự thay đổi vị trí đỉnh E2g phụ thuộc vào liều lượng ion

Sn được chiếu xạ vào màng MgB2 26 Hình 3.3 (a) Điện trở suất rút gọn (ρ(T)/ ρ(40K)) phụ thuộc nhiệt độ, (b) đạo hàm dρ/dT của màng MgB2 trước khi chiếu xạ ion Sn và (c) Thay đổi Tc theo liều lượng ion Sn chiếu xạ vào màng MgB2 28 Hình 3.4 Đường cong từ trễ của hai mẫu màng MgB2 trước và sau khi chiếu xạ ion

Sn tại các nhiệt độ khác nhau 30 Hình 3.5 Đồ thị phóng to phần đường cong từ trễ của hai mẫu màng MgB2 trước và sau khi chiếu xạ ion Sn tại tại (a) 5 K và (b) 10 K 32

Hình 3.6 (a-b) Jc phụ thuộc từ trường của màng MgB2 trước và sau khi chiếu xạ ion

Sn tại 10 K; (c) Sự thay đổi của hệ số β theo liều lượng ion Sn chiếu xạ vào màng MgB2 33 Hình 3.7 (a) Lực ghim từ tại 10 K phụ thuộc vào từ trường ngoài của màng MgB2trước và sau khi chiếu xạ ion Sn (b) Lực ghim từ chuẩn hoá, fp = Fp/Fp,max, tại 10 K phụ thuộc vào từ trường ngoài rút gọn, h = H/Hpeak, của màng MgB2 trước và sau khi chiếu xạ ion Sn 35

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PVD Physical Vapor Deposition –Sự lắng đọng hơi vật lý

CVD Chemical Vapor Deposition –Sự lắng đọng hơi hóa học

HPCVD Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition – Sự lắng

đọng hơi hoá – lý kết hợp BCS Barden-Cooper-Schriffer

PPMS Physical Property Measurement System–Hệ thống đo tính

chất vật lý

XRD X-ray Diffraction – Nhiễu xạ tia X

SEM Scanning Electron Microscope – Hiển vi điện tử quét

MỞ ĐẦU

Năm 2001, vật liệu siêu dẫn MgB2 được phát hiện, mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới về lý thuyết và thực nghiệm khi tìm hiểu cơ chế vật lý cũng như khả năng ứng dụng của vật liệu siêu dẫn nói chung Khi so sánh các thông số tới hạn của MgB2 với các vật liệu siêu dẫn khác, bao gồm nhiệt độ tới hạn (Tc), từ trường tới hạn (Hc2), mật độ dòng tới hạn (Jc): Tc của MgB2 ~ 39 K, tương đối thấp

so với Tc của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao như Y-Ba-Cu-O (~ 92 K),

Bi-Sr-Ca-Cu-O (~ 110 K)…, nhưng so với Tc của các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp nền Nb như

Nb3Sn (Tc ~ 18 K), Tc của MgB2 vẫn khá cao: Hc2 của MgB2 ~ 10 T – 20 T (khi nhiệt độ mẫu vào khoảng 10 K – 20 K), và ~ 30 T (khi nhiệt độ mẫu ở vùng Heli lỏng 4,2 K); Jc của MgB2 ~ 102 A/cm2 tại 4,2 K và từ trường 9 T Giá trị Hc2 và Jc của MgB2 khá cao như vậy đã giúp mở ra giai đoạn ứng dụng mới của vật liệu siêu dẫn

Về công nghệ chế tạo, thành phần tạo nên MgB2 gồm Mg và B, đây là hai nguyên liệu phổ biến, giá thành thấp, hứa hẹn có nhiều thuận lợi khi chế tạo dây tải điện/dây cáp điện siêu dẫn Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải khi truyền tải điện trong điều kiện có từ trường của dây MgB2 và các loại dây siêu dẫn nói chung, là sự suy giảm đáng kể của Jc khi tăng từ trường ngoài Do đó, nghiên cứu cải thiện khả năng truyền tải điện – thể hiện qua việc tăng Jc – trên màng MgB2 đã và đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà khoa học Đồng thời, hướng nghiên cứu này cũng

có bổ sung đáng kể vào mảng nghiên cứu lý thuyết – nghiên cứu động lực học xoáy

từ (vortex dynamics) trong vật liệu siêu dẫn Hiện nay, màng MgB2 được chế tạo bằng các phương pháp bốc bay vật lý (Physical Vapor Deposition – PVD) và bốc bay hóa học (Chemical Vapor Deposition – CVD) Sau khi tối ưu hóa điều kiện chế tạo, màng MgB2 thu được đạt yêu cầu có tính định hướng theo trục c (c-axis oriented) cao, khả năng truyền tải điện theo mặt phẳng ab (ab-plane) tốt Gần đây, phương pháp mới trong chế tạo màng MgB2, kết hợp ưu điểm của PVD và CVD, đã

được sử dụng rộng rãi với tên gọi phương pháp bốc bay hóa lý kết hợp (Hybrid Physical Chemical Vapor Deposition – HPCVD)

Trong mô hình về tâm ghim từ nhân tạo áp dụng để tăng khả năng ghim từ, dẫn đến tăng Jc, tâm ghim một chiều (1D) là loại tâm ghim từ có hiệu quả nhất Hệ thống tâm ghim từ trong siêu dẫn loại II được chia thành hai nhóm: ghim từ yếu (weaking pinning ) và ghim từ mạnh (strong pinning) Tâm ghim từ 1D được xếp vào nhóm ghim từ mạnh, với khả năng ghim phần lớn độ dài của xoáy từ Để chế tạo tâm ghim 1D như trên, các nhà khoa học đã và đang thực hiện hai phương pháp: (i) phương pháp tạo sai hỏng cột từ dưới lên (bottom-up) – màng siêu dẫn được bốc bay trên đế đã phủ một lớp hạt nano có mật độ xác định; và (ii) phương pháp tạo sai hỏng cột từ trên xuống (top-down) – sử dụng máy gia tốc chiếu xạ các loại ion khác nhau vào màng siêu dẫn hoàn chỉnh Trong hai phương pháp này, phương pháp (ii)

có nhiều thuận lợi và có tính chủ động về mặt công nghệ, dễ dàng khảo sát ảnh hưởng của liều lượng ion, loại ion, năng lượng chiếu xạ lên sự hình thành tâm ghim

từ 1D Phương pháp (ii) đã và đang được thực hiện tại Việt Nam, kết quả thu được

đã công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín Phát triển theo hướng nghiên cứu này, nội dung luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng chiếu xạ ion thiếc - Sn2+ lên cấu trúc tinh thể và tính chất siêu dẫn của màng MgB2

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Nội dung của luận văn bao gồm các phần sau:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

KẾT LUẬN

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN

1.1 Siêu dẫn

1.1.1 Lịch sử và các mốc phát triển quan trọng

Siêu dẫn là trạng thái điện trở suất của vật liệu biến mất tại một nhiệt độ xác

định, lớn hơn không độ tuyệt đối, gọi là nhiệt độ tới hạn (Tc) Vào năm 1911, hiện tượng siêu dẫn đã lần đầu tiên được phát hiện trêb thủy ngân (Hg) bởi Heike Kamerlingh Onnes, một nhà vật lý lừng danh người Hà Lan Khi ông làm lạnh thủy ngân đến nhiệt độ của Helium lỏng, khoảng 4,2 K, điện trở đột ngột biến mất, và

mở ra một vấn đề hoàn toàn mới trong vật lý nhiệt độ thấp [1-3] Tiếp đó, ông nhận thấy trạng thái điện trở sẽ bị khôi phục trong từ trường đủ lớn hoặc ở dòng điện cường độ cao [4] Chất siêu dẫn không đơn thuần là một chất dẫn điện tốt, chúng hoàn toàn khác về cơ chế dẫn điện thường được biết đến Đến những năm 1930, hiện tượng siêu dẫn tiếp tục được phát hiện trong nhiều nguyên tố như Ga, Sn, Pb,

Nb, Ta, v.v Các mốc quan trọng về siêu dẫn này có thể được tóm lược như sau:

• Hiệu ứng Meissner, năm 1933: từ trường bị đẩy khỏi chất siêu dẫn trong quá trình chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn [5]

• Phương trình London, năm 1935: Phương trình mô tả thành công điện động lực học trong chất siêu dẫn, và giải thích hiệu ứng Meissner [6]

• Lý thuyết Ginzburg-Landau, năm 1950: Mô tả hiện tượng siêu dẫn dựa trên sự chuyển pha bậc hai [7]

• Lý thuyết Bardeen – Cooper - Schrieffer (BCS), năm 1957: Cơ chế vi mô của hiện tượng siêu dẫn [8]

• Hiệu ứng Josephson, năm 1962: Sự xuyên ngầm của các cặp Copper siêu dẫn qua các mặt phân cách mỏng [9]

• Khám phá vật liệu siêu dẫn liên kim loại và hợp kim, năm 1962: chẳng hạn như NbTi, Nb3Sn, NbAl [10]

• Khám phá ra vật liệu siêu dẫn Tc cao, năm 1986 [11]

• Khám phá ra vật liệu siêu dẫn MgB2 (2001) [12]

• Khám phá chất siêu dẫn nền Sắt (2006) [13]

1.1.2 Phân loại chất siêu dẫn trên cơ sở tính chất từ

Các chất siêu dẫn có thể được phân loại dựa một số tiêu chí dựa vào các đặc tính vật lý của chúng, vào sự hiểu biết của chúng ta về chúng hoặc vào vật liệu làm chúng Một trong những phân loại phổ biến nhất là dựa trên tính chất của chúng dưới tác dụng của từ trường ngoài, bao gồm hai loại, siêu dẫn loại I và siêu dẫn loại

II

• Chất siêu dẫn loại I:

Chất siêu dẫn loại I, tuần theo quy luật của hiệu ứng Meissner hoàn toàn, với

từ trường tới hạn, Hc, giá trị xảy ra sự chuyển đổi đột ngột từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái bình thường Các chất siêu dẫn loại I cho phép thâm nhập ngay cả với trường thấp, nên chúng còn được gọi là “chất siêu dẫn mềm” Hiện nay, khoảng

ba mươi kim loại nguyên chất là chất siêu dẫn loại I được ghi nhận, và cơ chế siêu dẫn của chúng được mô tả trọn vẹn bởi lý thuyết BCS Như biểu diễn trong hình 1.1 (a), tại Hc từ độ đột ngột giảm xuống 0 và quá trình chuyển đổi này là thuận nghịch [1,2]

Hình 1.1 Đường cong từ hóa của siêu dẫn loại I (trái) và (phải) siêu dẫn loại II

[14]

• Chất siêu dẫn loại II:

Khác với chất siêu dẫn loại I, chất siêu dẫn loại II (hay chất siêu dẫn cứng) có biểu hiện khác với từ trường, có thể quan sát trong hình 1.1 (b) Tồn tại hai trường tới hạn, Hc1 và Hc2 [1] Dưới Hc1, chất siêu dẫn thể hiện hiệu ứng Meissner tương tự chất siêu dẫn loại I [2] Từ Hc1, từ trường bắt đầu thâm nhập dần vào bên trong của chất siêu dẫn Tuy nhiên, tính siêu dẫn vẫn được duy trì, cho đến khi đạt tới trường tới hạn cao hơn - Hc2 Trong vùng Hc1 < H < Hc2, từ trường có thể xuyên qua các chất siêu dẫn dưới dạng từ thông lượng tử hóa, gọi là xoáy từ, mỗi lượng tử từ thông

có độ lớn Φ0= h/2e, với h là hằng số Plank và e là điện tích của electron Mỗi xoáy

có một lõi với bán kính được xác định bởi độ dài kết hợp (ξ) Siêu dòng quanh lõi xoáy có độ lớn phân rã theo cấp số nhân trên một độ dài được xác định bởi độ thấm

sâu (λ) [7] Hình 1.2 cho thấy mật độ số electron ns và cường độ từ trường xung quanh các lõi bình thường trong chất siêu dẫn loại II Một tỷ lệ quan trọng, κ = λ / ξ, hiện được gọi là tham số Ginzburg – Landau, có thể được sử dụng để phân loại các chất siêu dẫn Đối với chất siêu dẫn loại I, 0 <κ <1 / √2 (năng lượng bề mặt dương)

và κ> 1 / √2 (năng lượng bề mặt âm) đối với chất siêu dẫn loại II [7] Chất siêu dẫn loại II là hữu ích nhất về mặt công nghệ vì trường tới hạn trên (Hc2) có thể cao, cho phép các nam châm điện trường cao được làm bằng dây siêu dẫn

Hình 1.2 Mật độ số electron ns và cường độ từ trường xung quanh các lõi bình

thường trong chất siêu dẫn loại II [7]

1.2 Động lực học xoáy từ trong chất siêu dẫn

❖ Ghim từ thông

Khi có dòng điện dịch chuyển J (thể hiện trong hình 1.3), xoáy từ chịu tác

dụng của lực Lorentz, và trên một đơn vị chiều dài, nó được xác định bởi công thức

fL = Φ0 J × n, trong đó J là mật độ dòng, n là vectơ đơn vị dọc theo từ thông dòng và

Φ0 là lượng tử từ thông [1,2,15] Tính trung bình trên số xoáy sẽ cho mật độ lực

Lorentz, xác định bởi công thức FL = J × B Lực này có xu hướng di chuyển các

đường từ thông theo hướng vuông góc với hướng của dòng điện, tạo ra một điện trường pháp tuyến đối với cả chuyển động và hướng của vecto từ trường Sự chuyển động của dòng xoáy này, cùng với ảnh hưởng của tương tác xoáy-xoáy là những nguyên nhân chính dẫn đến sự tiêu tán công suất trong chất siêu dẫn loại II Để sự tiêu tán theo dòng từ thông không bắt đầu ngay khi các xoáy đi vào vật liệu loại II, thì cần phải có một lực chống lại lực Lorentz để "ghim" các xoáy tại chỗ [2, 15] Các vị trí ghim xoáy như vậy được tạo ra bởi các phần thiếu trong chất siêu dẫn hoạt động như các vị trí thuận lợi về mặt năng lượng mà tại đó dòng thông lượng có thể cư trú Các tâm ghim có thể là các khuyết tật điểm như chỗ trống và tạp chất, khuyết tật đường như lệch vị trí hoặc khuyết tật mặt phẳng như ranh giới hạt Sự hiện diện của các vị trí thuận lợi cho việc ghim tạo ra một lực ghim cho mạng tinh

thể đường thông lượng, fp, chống lại lực Lorentz [16] Tổng lực ghim mà tất cả các tâm ghim sơ cấp trong một đơn vị thể tích có thể tác dụng lên các đường từ thông

được gọi là mật độ lực ghim, ký hiệu là Fp Do đó, có một mật độ dòng điện tới hạn

hữu hạn, Jc, là mật độ dòng điện tối đa mà vật liệu siêu dẫn có thể mang theo mà không cần tiêu tán công suất, và nó là một trong những yếu tố quan trọng nhất đối với các ứng dụng kỹ thuật của chất siêu dẫn [16, 17] Ở mật độ dòng tới hạn Jc, lực Lorentz tác dụng lên các đường từ thông trong một đơn vị thể tích được cân bằng

bởi mật độ lực ghim Do đó, chúng ta có quan hệ: Fp = -Jc × B [16, 17, 18].

Hình 1.3 Trạng thái hỗn hợp của chất siêu dẫn loại II có dòng điện vận chuyển J

[15]

Từ những nội dung trên trên, một phương thức cải thiện Jc bằng cách tăng khả năng ghim bằng cách thêm mật độ khuyết tật vào chất siêu dẫn Một số lý thuyết quan trọng liên quan đến ghim từ thông trong chất siêu dẫn sẽ được trình bày dưới đây

❖ Lý thuyết ghim tập thể

Khái niệm ghim tập thể lần đầu tiên được đề xuất bởi Larkin và Ovchinnikov vào năm 1979 [16] Trong vùng từ trường thấp (lân cận Hc1), nơi xoáy riêng lẻ có thể bị ghim chặt bởi một khuyết tật, được gọi là chế độ ghim xoáy

đơn Trong cơ chế này, lực Lorentz yếu và khoảng cách giữa các xoáy a0 ≈ 1,07(φ

0/B)0,5 đủ lớn để làm cho các tương tác xoáy-xoáy đáng kể, do đó các xoáy có thể được ghim lại mà không bị tiêu tán công suất [7, 8] Do đó, Jc là độc lập với từ

trường và có thể quan sát thấy một vùng không phụ từ trường trong Jc (H) Với sự gia tăng của lực ghim từ trường trở nên yếu hơn so với lực Lorentz và lực tương

tác, vì vậy mỗi khuyết tật riêng lẻ không thể ghim một đường xoáy, nhưng tập hơn của một số khuyết tật có thể ảnh hưởng đáng kể đến động lực học của dòng xoáy Điều này giới thiệu ý tưởng về ghim tập thể [7-10] Khi các lực ghim riêng lẻ tác động lên đường xoáy được tổng hợp lại, các phần đóng góp của các khuyết tật khác nhau sẽ chỉ cộng lại một cách ngẫu nhiên, tức là chỉ những dao động về mật độ và lực của các khuyết tật mới có thể ghim đường thông lượng ở một vị trí xác định

Giả sử mật độ khuyết tật ni tác dụng với một chốt lực riêng biệt fpin trên đường

xoáy, tổng lực đối với một đoạn xoáy có chiều dài L là Fpin ≈ fpin √𝑛𝑖ξL [4] Sự tập trung lớn của các trung tâm ghim yếu có thể dẫn đến ghim tập thể trên các vùng

Trong cơ chế ghim tập thể, Jc phụ thuộc vào các trường bằng quan hệ Jc(H) ∝ H-β

với β ~ 1 [38, 40] Số mũ β có thể được sử dụng để đánh giá độ bền ghim của mẫu

❖ Tâm ghim từ nhân tạo

Ngoài những tâm ghim từ tự nhiên, dạng điểm (0D) và tâm ghim từ dạng mặt phẳng (2D), tâm ghim từ nhân tạo dạng 3 chiều (3D) và 1 chiều (1D) có thể được chế tạo [3-6]

Tâm ghim từ 3 chiều: Là loại tâm ghim từ dạng hạt như các hạt nano, kết tủa

có kích thước nano… (Hình 1.4 c) có kích thước đủ lớn Các hạt nano với kích thước khác nhau khi được pha tạp vào mẫu sẽ phân bố chủ yếu tại biên hạt Tùy thuộc vào tính chất điện, tính chất từ của các loại hạt nano này, Jc của mẫu sẽ tăng với các cơ chế vật lý tương ứng [5,6]

Tâm ghim từ dạng 1 chiều: Là loại tâm ghim từ dạng ống nano hoặc gậy nano [15,16,17,18] Tâm ghim từ loại này thường áp dụng cho màng siêu dẫn nhiệt

độ cao Các vật liệu hình thành ống nano hoặc gậy nano thường có cấu trúc Perovskite (ABO3), có phản ứng với hỗn hợp bột siêu dẫn và hình thành cấu trúc khi lắng đọng màng siêu dẫn Cơ chế vật lý chính xác về quá trình hình thành này vẫn là một câu hỏi đối với các nhà khoa học Một dạng ống nano nhân tạo khác là ống nano cacbon gần đây đã được đưa vào màng siêu dẫn [17,18]

cách áp dụng định luật Ampere, curl H =μ0 Jc, và độ từ hóa được tính từ: M = B /

μ0- H [14, 15] Mật độ từ thông được biểu thị từ định nghĩa: B = 1

𝑣 ∫ Hdυ Cuối

cùng, mối quan hệ giữa Jc và độ từ hóa được biểu thị bằng: Jc = 20∆𝑀/[𝑏(1 − 𝑏/3𝑎)], trong đó ∆M là hiệu số từ độ tại cùng một giá trị từ trường, a và b lần lượt là kích thước chiều dài ,chiều rộng của mẫu [11, 15, 18]

1.3 Hệ siêu dẫn MgB2

1.3.1 Các đặc trưng cơ bản

Năm 2001, nhóm nghiên cứu của Akimitsu đã công bố phát hiện ra tính siêu dẫn trên hợp chất MgB2 với nhiệt độ chuyển pha là 39 K [19], mang lại một bước đột phá trong lịch sử siêu dẫn Sau đó, với những ưu điểm của chất siêu dẫn liên kim loại mới này, vật liệu này đã được cộng đồng khoa học chú ý rộng rãi MgB2 có cấu trúc tinh thể loại AB2 lục giác với nhóm không gian p6 / mmm giống như các

AB2 thông thường khác Cấu trúc chứa các lớp B và Mg thay thế Các nguyên tử B tạo thành graphit giống như mạng lưới tổ ong như hình 1.5 Hằng số mạng tinh thể đơn vị của MgB2 là α = 3,084 Å và c = 3,521 Å [19]

Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể của MgB2 [19]

❖ Cơ chế siêu dẫn trong MgB2

Ngay cả nhiệt độ chuyển pha của MgB2 cũng cao hơn một chút so với dự đoán của lý thuyết BCS hầu hết trong các công trình thực nghiệm và lý thuyết cho

thấy rằng hợp chất này phù hợp với lý thuyết BCS [1, 2, 8] Hầu hết các nghiên cứu

chỉ ra rằng MgB2 có thể được coi là chất siêu dẫn loại BCS với phonon trung gian,

sự kết hợp chọn lọc giữa các trạng thái điện tử cụ thể và các phonon cụ thể là lý do của hiện tượng siêu dẫn [27] MgB2 có cấu trúc phân lớp với hai khoảng trống năng

lượng siêu dẫn là ∆ς (~ 7 meV) và ∆π (~ 2 meV) xuất phát từ các obitan pxy và pz của lớp B tương ứng Cả hai khoảng trống biến mất cùng một Tc như trong hình 1.6 [22]

Hình 1.6 Khe năng lượng siêu dẫn phụ thuộc nhiệt độ trong MgB2 [20]

Hình 1.7 cho thấy trạng thái điện tử ở mức Fermi của MgB2 [20] Các nguyên tử B trong mặt phẳng được giữ với nhau bằng liên kết cộng hóa trị hai chiều (2D) bền chặt Các liên kết kim loại ba chiều (3D) có ở giữa các lớp Sự liên kết electron trong dải 2D và sự liên kết yếu trong 3D là lý do tạo ra hai khoảng trống năng lượng siêu dẫn trong MgB2 Sự tồn tại của hai khoảng trống năng lượng trong MgB2 được hỗ trợ tốt bởi các phép đo nhiệt riêng và quang phổ tiếp xúc điểm [20] Các dải này liên quan chặt chẽ đến hai khoảng trống được dự đoán từ các tính toán

lý thuyết [21] Từ những quan sát trên, người ta có thể kết luận rằng MgB2 là một chất siêu dẫn có các đặc tính giống với chất siêu dẫn thông thường hơn là chất siêu dẫn Tc cao và có thể được đưa vào lý thuyết BCS [1, 2, 8]

Hình 1.7 (a) Cấu trúc tinh thể của MgB2 (b) (c) Các trạng thái liên kết σ ở mức Fermi bắt nguồn từ các obitan B ρxy (d) Trạng thái liên kết π ở mức Fermi bắt nguồn từ các pzorbit của B (e) Chế độ dao động của các nguyên tử B kết hợp chặt

chẽ với trạng thái điện tử liên kết σ ở mức Fermi [20]

❖ Đối tượng nghiên cứu

Chất siêu dẫn MgB2 cho thấy một số ưu điểm so với các chất siêu dẫn khác,

bao gồm nhiệt độ tới hạn tương đối cao (Tc) là 40 K, mật độ dòng tới hạn tự trường

cao (Jc), cấu trúc tinh thể đơn giản, hai khoảng trống năng lượng, hay giá thành thấp

[20], v.v Tuy nhiên, sự suy giảm nhanh chóng của Jc trong từ trường hạn chế các ứng dụng thực tế của nó Nhiều nghiên cứu về cả tính chất vật lý cơ bản và ứng dụng thực tế đã được thực hiện trên vật liệu này Trong số đó, nghiên cứu về động lực học xoáy đã thu hút được sự quan tâm đáng kể, vì chuyển động của xoáy là lý

do chính cho sự tiêu tán hiện tại

1.3.2 Một số hướng nghiên cứu hiện nay trên hệ MgB2

Từ năm 2001 khi vật liệu siêu dẫn MgB2 được tìm ra, thế giới đã có rất nhiều các công bố nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu siêu dẫn này Khi ở trạng thái siêu dẫn thì vật liệu có điện trở không đáng kể, tính chất ưu việt này được ứng dụng vào các hệ thống dây cáp siêu dẫn và các thiết bị tạo từ trường cao So cấu tạo phân tử của MgB2 chỉ gồm 3 nguyên tử, hệ siêu dẫn này chỉ gồm một pha siêu dẫn có Tc ~

39 K, điều kiện chế tạo mẫu không quá phức tạp như các hệ siêu dẫn chứa đồng

(cuprate) [10, 13] Để chế tạo màng MgB2, các nhà khoa học trên thế giới chủ yếu thực hiện theo hai hướng: bốc bay vật lý và bốc bay hóa học Trong hướng bốc bay vật lý, bia gốm (dạng viên nén đa tinh thể) chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, sau đó sử dụng các hệ bốc bay như sputtering, bốc bay laser xung (PLD) để tạo màng [15, 16] Trong hướng bốc bay hóa học, các tiền chất chứa Mg và B được

sử dụng, phản ứng hóa học hình thành MgB2 xảy ra trực tiếp trong quá trình tạo màng Sau khi đã làm chủ công nghệ chế tạo màng MgB2 nguyên chất, nghiên cứu tăng Jc và Hc2 trên màng MgB2 đã được triển khai Phương pháp chiếu xạ ion – như

đã trình bày ở mục 2.1 – là một trong những phương pháp hiệu quả Nhiều loại ions

đã được chiếu xạ lên MgB2 như neutron, ion kim loại nặng [19-22],

Tuy nhiên, hiệu ứng tăng Jc vẫn chưa đạt như mong đợi của các nhà khoa học Nguyên nhân ở đây là chất lượng của mẫu MgB2 nguyên chất Ngay trong quá trình chế tạo, oxit MgO hình thành có thể đóng vai trò tâm ghim từ trong màng MgB2 [16] Khi sử dụng ion Oxy, Jc được tăng mạnh hơn [16] Cũng trong quá trình chiếu xạ, các tác giả muốn nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của tỉ phần (độ dày màng

đã chiếu xạ/độ dày màng chưa chiếu xạ) lên khả năng tăng Jc Nếu tính chất siêu dẫn của lớp bề mặt màng bị phá hủy do chiếu xạ với mật độ ion lớn, tính chất siêu dẫn của lớp màng phía đáy vẫn được duy trì do ion chưa chiếu tới, tương tác giữa hai lớp này có nhiều đặc trưng để nghiên cứu Một thông số nữa cũng đang được quan tâm, đó là điều chỉnh năng lượng chiếu xạ tương ứng với mỗi loại ion để đạt

độ xuyên sâu mong muốn Gần đây, bên cạnh nghiên cứu ảnh hưởng của độ xuyên sâu, nghiên cứu ảnh hưởng của bản chất ion khi được thay thế một phần vào mạng tinh thể MgB2 lên tính chất siêu dẫn cũng được quan tâm [15, 16, 37, 39]

1.3.3 Chiếu xạ ion sử dụng máy gia tốc

Trong các nghiên cứu tiện phong, các nhà khoa học phát hiện ra rằng sai hỏng và lệch mạng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện các đặc tính siêu dẫn Ảnh hưởng của rối loạn đến tính siêu dẫn đã được nghiên cứu rộng rãi [24,25]

Để có thể nghiên cứu chính xác và có hệ thống về ảnh hưởng của chiếu xạ, trước tiên, mẫu siêu dẫn chất lượng cao với rất ít khuyết tật cần được chế tạo thành công

Sau đó, mật độ khuyết tật trên mẫu phải được điều tiết phù hợp Chiếu xạ là phương pháp rất phù hợp để tạo ra các khuyết tật đặc biệt trên vật liệu Sự hội tụ của các khuyết tật có thể được điều khiển bằng cách kiểm soát liều lượng và năng lượng chiếu xạ

Nhiều loại bức xạ khác nhau như bức xạ neutron và ion nặng [37-39] đã được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của sự rối loạn đối với tính chất siêu dẫn của MgB2 Tuy nhiên, kết quả tích cực về mật độ dòng điện tới hạn của nó là chưa thể đáp ứng Điều này có thể do chất lượng màng MgB2 tinh khiết Trong một số công trình, MgO có thể cung cấp các nguồn đường ống rất hiệu quả có thể được pha tạp vào MgB2 bằng cách tạo hợp kim hoặc được đưa vào trong quá trình lắng đọng [15, 16] Trong trường hợp màng mỏng MgB2 được chiếu xạ bằng oxy (O) [16], Jc đã được cải thiện đáng kể Tuy nhiên, trong hầu hết các nghiên cứu, các dòng ion thường được gia tốc để đạt năng lượng đủ cao và xuyên qua các mẫu Trong khi đó, việc chiếu xạ, có thể xem như một phương tiện tốt để tạo ra pha thứ cấp (như MgO hoặc pha tạp cacbon), vẫn chưa được khảo sát rộng rãi Nếu tính siêu dẫn trên lớp trên cùng của màng bị phá hủy do chiếu xạ trong khi lớp dưới cùng vẫn là lớp sạch, thì tương tác giữa các lớp này là đáng quan tâm Tương quan độ dày của hai lớp này có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát năng lượng chiếu xạ

Mặc dù Tc có suy giảm, Jc trong từ trường đã được cải thiện đáng kể trong hầu hết các liều O sử dụng để chiếu vào màng MgB2, mặc dù chiếu xạ được thực hiện ở năng lượng thấp với liều lượng lớn Bằng chứng về sự hình thành MgO trong các mẫu chiếu xạ đã được xác nhận bằng nhiễu xạ tia X (XRD) Ngoài ra, sự

phụ thuộc theo cấp số nhân của Tc vào tỷ lệ giữa độ dày lớp sạch và độ dày các lớp chiếu xạ đã được tìm thấy, cho thấy rõ ràng sự khác biệt về tính chất siêu dẫn của các lớp này và có thể được mong đợi bởi hiệu ứng tiệm cận thông thường [15, 16]

Khi từ trường đặt song song với trục c của mẫu màng, các xoáy từ sẽ thấm từng phần vào màng theo hướng đó Để ghim các xoáy từ này hiệu quả nhất, biện pháp tối ưu có thể đề xuất là “bọc/nhốt” các xoáy từ này trong các APCs dạng ống/gậy nano có chiều dài ~ độ dày màng Về mặt công nghệ, có hai hướng chế tạo

APCs cho ghim từ mạnh [31-34] Hướng thứ nhất, xây dựng từ dưới lên (bottom up), các tác giả sử dụng phương pháp phủ bề mặt đế sạch bằng một giả lớp hạt nano phân bố rời rạc (substrate surface decoration) sau đó màng siêu dẫn với độ dày mong muốn được lắng đọng lên trên [38-40] Các hạt nano sẽ tạo ra các mầm sai hỏng (defects) tại lớp tiếp giáp giữa màng và đế, từ đó kéo dài thành các ống/cột nano mọc từ đáy màng và có thể vươn cao đến bề mặt màng Công nghệ này, tuy nhiên, không đảm bảo được toàn bộ các mầm sai hỏng này sẽ có độ cao ~ độ dày màng, phụ thuộc mạnh vào quá trình lắng đọng màng siêu dẫn Hướng thứ hai, xây dựng từ trên xuống (top down), màng siêu dẫn tinh khiết có độ dày mong muốn được lắng đọng trên đế sạch bằng các phương pháp thích hợp [14, 16, 40] Các

APCs dạng ống/cột nano với xu thế định hướng theo trục c sẽ được tạo ra bằng

chiếu xạ từ máy gia tốc với các ion khác nhau Điều chỉnh năng lượng chiếu xạ, mật độ ion chiếu xạ, ta hoàn toàn thay đổi được độ xuyên sâu và mật độ APCs như trong Hình 1.8 [28]

Hình 1.8 Sự hình thành cột nano với các điều kiện chiếu xạ khác nhau và ảnh hưởng đến kết quả phép đo Jc phụ thuộc vào góc của từ trường ngoài [28]

❖Mục tiêu luận văn:

Từ những phân tích trên, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng chiếu

xạ ion Sn2+ lên cấu trúc tinh thể và tính chất siêu dẫn của màng MgB2 Sự thay đổi tính chất siêu dẫn (Tc, Jc) sẽ được giải thích thông qua phân tích thay đổi cấu trúc địa phương của màng MgB2

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 Chế tạo mẫu

2.1.1 Chế tạo màng MgB2 bằng phương pháp HPCVD

Trong nghiên cứu này, màng MgB2 được chế tạo bằng kỹ thuật lắng đọng hơi hóa lý, một phương pháp rất hiệu quả để tăng trưởng màng mỏng MgB2 chất lượng cao Phương pháp được kết hợp hệ thống giữa lắng đọng hơi vật lý (PVD) và lắng đọng hơi hóa học (CVD) Kỹ thuật HPCVD được phát triển bởi Xi và cộng sự để tạo ra áp suất hơi Mg cao, không giống với nhiều kỹ thuật lắng đọng chân không, cần thiết để giữ cho pha MgB2 ổn định về mặt nhiệt động học ở nhiệt độ cao [21] Hình 2.1 (a) cho thấy sơ đồ của hệ thống HPCVD

Hình 2.1 (a) Sơ đồ hệ thống HPCVD (b) Bộ phận treo mà chất nền được gắn trên các mảnh trên cùng và Mg có thể được chứa xung quanh giá đỡ chất nền [21]

Hệ HPCVD sử dụng bao gồm một buồng phản ứng với ống thạch anh thẳng đứng có dạng hình chuông (đường kính trong: 65 mm, chiều cao: 200 mm), hệ thống điều khiển dòng khí vào và lưu lượng, hệ thống duy trì áp suất, hệ thống điều

khiển nhiệt độ, hệ thống xả và làm sạch khí, bộ gia nhiệt ghép cảm ứng, và một buồng khóa tải Buồng quy trình được kết nối với buồng khóa tải ở phía bên dưới và một bộ gia nhiệt cảm ứng được gắn ở phần ngoại vi bên ngoài buồng quy trình Một dây dẫn làm bằng thép không gỉ được đặt đồng trục bên trong lò phản ứng như trong hình 2.1 (b) Có một van cổng giữa buồng xử lý và buồng khóa tải Van này bảo vệ buồng xử lý khỏi bị nhiễm bẩn trong quá trình tổng hợp màng MgB2 Để tạo màng MgB2, quy trình HPCVD đã sử dụng diborane (B2H6) để làm khí tiền boron,

Với màng MgB2 đã chế tạo, ảnh hưởng độ dày màng lên khả năng truyền tải điện đã được các nhà khoa học khảo sát [29] Kết quả cho thấy, màng MgB2 có độ dày ≤ 600 nm sẽ duy trì được Jc cao Nếu độ dày > 600 nm, Jc sẽ suy giảm khá mạnh, có khả năng không đáp ứng được yêu cầu ứng dụng Khi so sánh các màng với độ dày 130 và 410 nm, Jc của hai màng này thay đổi không đáng kể Khi tính toán sự hình thành sai hỏng 1D trong màng siêu dẫn, thường các màng có độ dày lớn hơn sẽ được lưu tâm do chiều dài hiệu dụng của tâm ghim 1D ở màng dày sẽ

lớn hơn giá trị đó của màng mỏng Chính vì vậy, màng MgB2 có độ dày ~ 400 nm được sử dụng trong luận văn

2.1.2 Chiếu xạ ion lên màng MgB2

Cấu trúc tinh thể và tính siêu dẫn của màng MgB2 đã được khảo sát trước và sau khi chiếu xạ ion Sn2+ Màng MgB2 có độ dày ~ 400 nm được chiếu xạ ion Sn2+

sử dụng máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 tại Khoa Vât lý Độ xuyên sâu

trung bình (δ) của các ion Sn2+ được ước tính bằng cách sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo SRIM [30] Với ion Sn và vật liệu MgB2, năng lượng 2 MeV, giá trị tính toán của δ là ~ 600 nm, vượt qua với độ dày của màng (~ 400 nm), tạo điều kiện cho các ion chiếu xạ đi xuyên hẳn qua màng, giảm thiểu khả năng lắng đọng của ion Sn2+ trong lớp màng MgB2 Mật độ ion Sn sử dụng lần lượt là 210

13, 510 13, và 710 13 ion/cm2, các mẫu được ký hiệu tương ứng là pristine, 2E13, 5E13 và 7E13

Hình 2.2 Máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2