(Luận án tiến sĩ) ảnh hưởng của một số nguyên tố thay thế lên đặc tính siêu dẫn trong hệ hợp chất bi 2212 luận án TS vật lý

MUG LUC • • Trang Trang phu bla i Loi cam an ii Lai cam doan iii Muc luc iv M6 D A U Chuong M O T S O NET CO BAN VE SI/ PHAT TRIEN CUA VAT LIEU SIEU D A N NHIET CAO 1.1 Ljch suf phat trien cua vat lieu sieu dSn nhiet dp cao 1.2 Mot so tinh chat co ban cua vat lieu sieu dSn nhiet cao 12 1.3 1.2.1 Vdt lieu sieu ddn nhiet cao a trang thdi thudng Yl 1.2.2 Vdt lieu sieu ddn nhiet cao a trang thdi sieu ddn 12 So sanh gitta vat lieu sieu d^n nhiet thap va sieu d^n nhiet cao 16 Ket luan chuong 16 Chuong CAC TINH CHAT CUA VAT LIEU SIEU D A N NHIET D O CAO CHITA BISMUTH 2.1 2.2 18 Cau true tinh the va su dn dinh cau true cua vat lieu sieu din nhiet cao chura bismuth 18 2.1.1 Cau true tinh the 18 2.1.2 Suon dinh cau trite 20 Qua trinh hinh pha hop chat sieu din nhiet cao chura bismuth IV 21 2.3 2.2.7 Qud trinh hinh thdnh plia Bi - 2201 22 2.2.2 Qud trinh hinh thdnh pha Bi - 2272 24 2.2.3 Qud trinh hinh thdnh pha Bi - 2223 26 Anh huang ciia cong nghe che tao 30 ^ •t 2.3, 2.3 J Anh huang cua qui trinh che tgo 30 2.3.2 Anh huang cua mdi truang tgo mdu 32 Cac nghien cihi ve su thay the Pb, RE va kim loai chuyen tiep 3d 33 2.4.7 Nghien cm thay the Pb cho Bi 34 2.4.2 Nghien cuu thay thenguyen tdddt hiem 36 2.4.3 Nghien cuu thay the kim logi chuyen tiep 3d 42 Ket luan chuong 44 Chuong CONG NGHE CHE TAO VA CAC PHl/ONG PHAP NGHIEN CUXJ SIEU D A N NHIET BO CAO LOAI Bi -2212 47 3.1 Mot so phuong phap che tao miu sieu din nhiet cao 47 3.2 Che tao miu sieu din nhiet cao Bi - 2212 bing 3.3 phuong phap gdm 48 Cac phuong phap nghien curu thuc nghiem da su dung 51 3.3.1 Phdn tich cau true bang nhieu xg tia X 51 3.3.2 Phep dien trd 51 3.3.3 Phep phdn tich nhiet DTA vd TGA 52 3.4 y 3.3.4 Anh hien vi dien tUquet (SEM) 52 Mot so phuong phap nghien cuu thong dung khac 52 Chuong MOI QUAN HE GIITA CHE DO CONG NGHE vA TINH CHAT CUA HOP CHAT SDNDC Bi -2212 54 4.1 Anh huong cua che xu ly nhiet len cau triic tinh the 54 4.2 Anh huong ciia che dp xu ly nhiet len dac tinh sieu din 60 Ket luan chuong Chuong 63 A N H HUCJNG C U A C A C NGUYEN TO DAT HIEM THAY THE TRONG HOP CHAT SDNDC Bi - 2212 64 5.1 Dac tinh co ban cua cac nguyen to dat hiem 64 5.2 Anh huong cua mot so nguyen to dat hiem thay the Bi - 2212 65 5.2.7 Hap chat Bi2Sr2.^^CaCu20^^5 66 5.2.2 Hap chat Bi^Sr^.^Nd^CaCujO^^s 72 5.2.3 Hap chat Bi2Sr2.,Sm^CaCu20f^+s 83 52.4 Hap chat Bi2Sr2.fid^CaCu20s^5 89 5.2.5 Hap chat Bi2Sr2.JioJ2aCu20g^s 93 Ket luan chuong Chuong D A N H GIA VA T H A O 101 LUAN c A c KET QUA THl/C NGHIEM 6.1 103 Danh gia anh huong cua nhiet dp u miu len cac tinh chat vat !y cua hop chat gdm Bi - 2212 6.2 103 Danh gia anh huong cua cac nguyen to dat hiem thay the 106 VI 6.2.7 Anh huang len cau true tinh the 108 6.2.2 Anh huang viec thay the len qud trinh nhiet dgng tgo mdu 111 6.2.3 Anh huang tliay the tdi nhiet chuyen pha sieu ddn 112 6.2.4 Nghien cuu cau true be mat 117 Ket luan chuong 118 KET LUAN CHUNG 119 DANH MUC CONG TRINH 121 TAl LIEU THAM KHAo 124 Vll MO DAU J Bednorz va K.A Muller la nhung nguai dau tien phat hien hien tugng si6u din vat lieu gdm La - Ba - Cu - O nhiet xudng thap hon 35 K Kham pha da dSn ddn su ddi cua mot loat vat lieu sieu din nhiet cao (SDNDC) dang gdm, dang dan tinh the, dang mang mong vod phSn va c^u tnic khac Trong tat ca cac loai vat lieu SDNDC da dugc phat hien, cac he hgp ch& chiia cac mat CUO2 (cuprate) la cac hgp chat CO nhiet d6 chuyen pha si6u din T^ cao nhSit De giai thfch ca che hinh sieu din vat lieu SDNDC, nhi6u mo hinh ly thuyet da dugc dua Song cho den mot mo hinh ly thuyet hoan chinh de giai thfch trgn ven ca che hinh sieu din cac vat lieu SDNDC vin la cau hoi chua dugc giai dap Tuy Vciy cac nha khoa hgc thuc nghiem tren nhieu llnh vuc nhu: vat ly, hoa hgc, Vcit lieu hgc vin tiep tuc tim kiem nhiing vat lieu sieu dSn mdi va tim each dua nhiet chuyen pha sieu din cua cac v^t lieu da tim dugc len cao nhim dap ufng nhu cau thuc ti6n cua viec su dung cac nganh ky thuat hien dai Sau hon muai nam ke tir tim SDNDC, n6 luc cua cac nha khoa hgc tren toan ciu linh vuc nghien curu ve SDNDC dugc tap trung chii yen vao cac van de sau: + Tun cac m6 hinh ly thuyet giai thich co che hinh sieu din cac loai vat Ueu SDNDC + Nghien cuu che tao cac loai vat li6u SDNDC mdi voi cac dac tfnh vat ly va cau true khac nhau, dac biet chu trgng tim cac vat lieu co nhi6t chuyen pha sieu din cao de dua vao vtng dung thuc te De thuc hi6n dugc cac muc dfch co ban tren, cac nha khoa hgc ca ly thuyet lin thuc nghidm da khao sat va phan tfch cac tfnh chat cua vat lieu d trang thai sieu din va trang thai thudng - nham tim hieu ca che vi mo qua trinh hinh vat lieu SDNDC vat lieu SDNDC chiia Bi la he ton tai ba pha sieu din vdi ky hieu Bi - 2201, Bi - 2212 va Bi - 2223 ling vdi cac nhiet chuyen pha sieu din T^, khac Pha sieu dSn Bi - 2212 va Bi - 2223 co nhi6u diem uu viet, da va • dang dugc dua vao su dung nhi6u thuc te d mot sd nganh khoa hgc ky thucit tien tien De tiep tuc tim hieu vd vM lieu SDNDC, dac biet la he hgp chat SDNDC tren co sd Bi Dual su hudng din khoa hgc cua TS Nguy6n Huy Sinh va GS TSKH Than DiJc Hien, thdi gian lam luan an tac gia da tap trung khao sat anh hudng thay the ciia m6t sd nguyen td dat hiem (RE) vat li6u SDNDC loai Bi - 2212 len cac tfnh chat vat ly va cac dac trung sieu dSn hgp chit Ngoai phan md diu va ket lu^n, ban luan an dugc phan bd chuong: Chuong M6t sd net co ban ve su phat trien cua vat lieu SDNDC Chuong Cac tfnh chit cua vat lieu sieu din nhiet cao chiia bismuth Chuong Cong nghe che tao va cac phuong phap nghidn cuxi vat lieu SDNDC loai Bi-2212 Chuong Mdi quan he giiia che cong nghe va tfnh chit cua hgp chat SDNDC Bi-2212 Chuong Anh huong ciia cac nguydn td dat hiem thay the hgp chat SDNDC Bi-2212 Chuong Danh gia va thao luan cac ket qua thUc nghiem CHUONG MOT SO NET CO BAN VE 81/ PHAT TRIEN CUA VAT LIEU SIEU D A N NHIET 0 CAO • • • 1.1 Lich sir phat trien cua vdt lieu sieu ddn nhiet cao (SDNDC) Ngay 27 - 01 - 1986, hai nha vat ly K Alex Muller va J Georg Bednorz lam viec tai phong thf nghiem cua hang IBM d Zurich (Thuy sy) da cong bd tren tap chf "Zeischrift Fur Physik" [9] ring: hgp chit gdm each dien La2Cu04 pha them Ba co the trd chat sieu din vung nhiet 30 - 35 K Phat hien cua hai nha vat ly da lam chin dgng du luan khoa hgc tren toan the giai, thu hiit nhi^u nha khoa hgc ca ly thuyet lin thUc nghiem tap trung nghien cuu linh vuc khoa hgc vat lieu mdi - Do la linh vuc vat lieu sieu din nhiet d5 cao (SDNDC) Cac ket qua tuong tu dua Ba vao gdm each dien La2Cu04 cung dugc tim vao thang 11 -1986 tai trudng Dai hgc Tong hgp Tokyo, Nhat ban Mot thang sau, 12- 1986, tai phong thf nghiem AT & T cac nha khoa hgc da tien hanh pha Sr vao hgp chit gdm each dien La2Cu04 va nhan thiy nhiet chuyen pha si6u din ciia hgp chit tang I6n tdi 44 K Trudc vdi cac chit sieu din thong thudng, nhiet chuyen pha T^ cao nhat chi tim thiy d hgp kim Nb3Ge vdi Tc = 23 K Sau su kien rit co y nghia nay, cong cugc tim kidm cac chit SDNDC mdi da loi cudn m6t sd lugng Idn cac nha khoa hgc tren the gidi M6t sd Idn cac cong tiinh thuc nghiem va cac gia thiet ly thuyet v6 co che tao chit situ din nhi6t cao da lien tiep dugc cong bd Diu nam 1987, C W Chu va M K Wu ciing cac dong nghiep [99] d trudng Dai hgc T6ng hgp Houston (My) da chi rang: ndu hgp chit gdm 6xyt La-Sr-Cu-O dugc chd tao m6i trudng ap suit thi nhiet chuyen pha cung tang len Tiep theo qua trinh nay, thay the viec che tao miu mdi trudng ap suit bang thay the cac ion dat hiem (RE), chu yeu la ion Yttrium (Y) cho La cung dugc tien hanh Nhu vay co the khang dinh ring nhd pha Ba^"^ hoac Sr^"^ ma hgp chat gdm each dien La2Cu04 da trd chat sieu din vdi nhiet chuyen pha T, nim khoang 30 - 44 K Nhung ket qua diu tien dien trd va he sd tir hoa cua gdm sieu din La-Ba-Cu-0 Ba-La-Cu-0 aoe 10 OJjm /" • • ^• • ,^ ^* • • 9* V — X ojbs ' 1* • * • • • • »• y T - ao*« *c» n * • •- , y 15 a « a u X-0J6 y i ^ ' •• • " • • • a A/CIB* • O.ftO A / c m * - ;J 001 0^ OfiOt 002 - ^ * %> ã a w ã - Qjota ooz ôãô • i 0LO4 • —w « Q) A/cmằ 1- ã ã 0004 ô -1.0 u - ãt, r ii„-.,a u • J 100 *^ L T(K1 — L 200 ^~ iot , 20 I T(K> 40 „ ' « Hinh 1.1 Dien trd vd he so tit hod cua La-Ba-Cu-0 K, A Muller vd J.G Bednorz [9] K Alex Muller va J Georg Bednorz thuc hien tai Zurich dugc trinh bay tren hinh 1.1 M6t ket qua khong ngd, nhiet chuyen pha sieu din T^ cua he Y-Ba-Cu-0 da len tren nhi6t d6 s6i cua ni to long vdi T^ = 93 K Phan tich cau tnic tinh the cho thay he Y-Ba-Cu-0 cd phan hgp thufc hoa hgc la YiBa2Cu307.x [42] va no dugc ggi la pha Y-123 Bing cac phep phan tich ciu true, nhan thiy he hgp chit Y-Ba-Cu-O chiia cac mat phang CUO2 va chudi CuO Nguyen tit Cu mat phang CUO2 dugc bao quanh bdi nam nguyen tir 6xy nam trSn cac dinh cua hinh chop De danh gia vai trd cua cac nguyen td dat hiem len cac dac tfnh sieu dan he hgp chat Y-123, ngudi ta da tien hanh thay the cac nguyen td dit hiem cho Yttrium Dieu ngac nhien la tit ca cac nguyen td dat hiem deu cd the thay the dugc cho Y (trir Pr) ma khong lam mat tfnh sieu din cua he va nhiet T^ khong thay d6i mOt each dang ke Nhu vay he Y-123 dugc ggi la he RE-123 (RE la cac nguyen td dat hiem, trir hai nguyen td Ce va Tb khdng ton tai pha • Cu Oo laioi pcrovsltitp dao (thieu oxy) — LaO klioi perovsk^ • ^ CUO2 Khoi p*^rovskite — LaO khoi muoi mo t l i i e u OTCV — LaO — CuO, Ba Cu O Hinh 1.2 Cau true tinh the cua La-Sr-Cu-0 vd Y-Ba-Cu-0 [36] Ngay sau tim he hgp chat sieu din RE-123, cac he hgp chat sieu din RE-124 va RE-247 [55,92] cung dong thdi dugc phat hien He hgp chat sieu dan RE-124 cd cau tnic gin tuong djf nhu he RE-123, chi khac la mot cd ban ton tai hai chudi CuO va gia tri cua nhiet chuyen pha sieu din Tc = 81 K, thap hon gia tri cua he RE -123 Rieng he hgp chit sieu din RE - 247, mot mang cd the tdn tai mot hoac hai chudi CuO Cau tnic tinh the he La-Sr-Cu-O va Y-Ba-Cu-O tiinh bay tren hinh 1.2 Cung nam 1987, Michel va ddng nghiep da phat hien he hgp chit sieu din Bi-Sr-Cu-O vdi nhiet chuyen pha sieu din T^ - 20 K Do nhiet chuyen pha sieu din thap so vdi he RE-123, nen he khong dugc quan tarn nhieu Hgp chat cd phSn hoa hgc theo cong thiic Bi2Sr2Cu05^^ (dugc ggi la pha Bi-2201) Vao nam 1988, bing each them Ca vao he Bi-Sr-Cu-0, Maeda va ddng nghiep [50] da phat hien them hai pha sieu din mdi, la pha CUO2 i:7 CuO; 0' SrO BiO CuO: Ca CuOj SrO BiO BiO SrO m[ BIO SrO CuO: BIO SrO SrO SrO CUO2 Ca BiO BIO SrO SrO BiO £1 h CUO2 Ca CUO2 SrO CuO; BIO BiO BijSrjCuOj SrO BiO CuO: Ca BijSrjCaCUjOg m kr SrO CuOj Ca CuO: Hinh 13 Cau true tinh the cua he SDNDC chiia Bi (vai n = l,2vd3) [53] 122 Hoang Nggc Tlianh, Nguyin Huy Sinh, Than Di'rc Hien, Mo'i lien he giua nhiet chuyen pha sieu ddn vd ndng dat hiem thay the hop chat Bi- 2212 VNU Jour nal of Science, Nat Sci 4/1998, trang 90-93 Hoang Ngoc Tlianh, Nguydn Huy Sinh, Tlian Diic Hien, Sieu ddn he hgp chat Bi2Sr2.fid,CaCu20,^s (0,0