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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM THỊ THUỲ NGHIÊN CỨU ẢNH HUỞNG CỦA K PHA TẠP ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỢP CHẤT SIÊU DẪN NHIỆT ĐÔ CAO Bi-2223 Chuyên ngành : Khoa học kỹ thuật vật liệu điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ … NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:TS NGUYỄN KHẮC MẪN TS TRẦN HẢI ĐỨC Hà Nội – Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Nguyễn Khắc Mẫn, TS Trần Hải Đức người trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ em suốt thời gian thực đề tài trình hồn thành luận văn Em xin cảm ơn đề tài khoa học mã số 103.02-2016.11 tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) hỗ trợ thực luận văn Em xin bày tỏ lịng cảm ơn thầy cơ, cán thuộc Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trang bị kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập làm đề tài Viện Sự thành công luận văn có động viên giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp tinh thần vật chất trình học tập thực đề tài Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2018 Phạm Thị Thuỳ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu thân Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin đăng tải tác phẩm, tạp chí, web site …theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Tác giả luận văn Phạm Thị Thuỳ MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO 1.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao 1.2 Các tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao[1,3,4] 1.2.1 Các giá trị tới hạn vật liệu siêu dẫn 1.2.2 Hiệu ứng Meissner 1.2.3 Độ thấm sâu London độ dài liên kết 1.2.4 Cấu trúc vi mô chất siêu dẫn 11 1.3 Một số tính chất hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO 14 1.3.1 Cấu trúc tinh thể hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO 14 1.3.2 Tính chất 16 1.3.3 Sự tạo thành pha hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO 20 1.3.4 Ảnh hưởng kim loại kiềm pha tạp vào hợp chất BSCCO 22 1.3.4 Ứng dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao[1,3] 24 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 29 2.1 Chế tạo mẫu siêu dẫn nhiệt độ cao Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+δ phương pháp phản ứng pha rắn 29 2.2.1 Quy trình chế tạo mẫu 29 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 32 2.2.1 Kỹ thuật phân tích cấu trúc phổ nhiễu xạ tia-X 32 2.2.2 Đo điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ phương pháp bốn mũi dò 33 2.2.3 Kính hiển vi điện tử quét SEM 36 2.2.4 Đo đường cong từ trễ mật độ dòng tới hạn 37 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ 38 3.1 Tính chất cấu trúc mẫu Bi1.6Pb0.4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 38 3.1.1 Kết phân tích nhiễu xạ tia X 38 3.1.2 Kết phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) 41 3.2 Đặc trưng điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ 42 3.3 Mật độ dòng tới hạn Jc phụ thuộc vào từ trường 48 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng việt BSCCO Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hệ Bismuth Tc Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn Tc,onset Nhiệt độ chuyển bắt đầu trình chuyển pha siêu dẫn Tc,0 Nhiệt độ điện trở mẫu hồn tồn khơng ∆Tc Độ rộng vùng chuyển pha Hc Cường độ từ trường tới hạn nhiệt động HC1 Từ trường tới hạn chất siêu dẫn loại II HC2 Từ trường tới hạn chất siêu dẫn loại II Jc Mật độ dòng tới hạn Q Hệ số lấp đầy Lý thuyết John Bardeen, Leon Cooper va Lý thuyết BCS Robert Schrieffer χ Hệ số từ hố động µ Độ từ thẩm vật liệu µ0 Độ từ thẩm chân khơng (=4π.10-7H.m-1) γ Hệ số nhiệt dung trạng thái thường Độ dài kết hợp λ Bước sóng λL Độ thấm sâu Lonđon φ0 Lượng tử từ thông M Hệ số hỗ cảm Cuprate Siêu dẫn chứa lớp CuO2 R(T) Điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ M(H) Các đường cong từ trễ SEM Ảnh hiển vi điện tử quét XPD phổ nhiễu xạ bột tia-X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Nội dung Trang Thống kê số chất siêu dẫn điển hình phát Bảng 1.1 theo thời gian 05 Nhiệt độ TC, độ thấm sâu London λL, độ dài kết hợp ξ Bảng 1.2 0K ba chất siêu dẫn điển hình.[4] 14 Bảng 1.3 Bảng bán kính ion số nguyên tố 24 Bảng 3.1 Tỉ phần pha Bi-2212 Bi-2223 mẫu 41 Các thông số đặc trưng vùng chuyển pha siêu dẫn Bảng 3.2 nồng độ hạt tải lỗ trống hệ mẫu siêu dẫn 45 Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ (với x = 0,00; x = 0,02, x=0,04, x=0,06, x=0,08 x = 0,10) Các thơng số mật độ dịng tới hạn cực đại(Jcm),mật độlực ghim từ cực đại(Fpm) giá trị mật độ tới hạn Bảng 3.3 51 từ trường làm việc tuơng ứng H=1T, H=2T lực ghim từ cực đại hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2xKxCu3Ca2O10+δ (với x = 0,00; x = 0,02, x=0,04, x=0,06, x=0,08 x = 0,10) nhiệt độ 45K Bảng 3.4 Các thơng số mật độ dịng tới hạn cực đại(Jcm),mật độ lực ghim từ cực đại(Fpm) giá trị mật độ tới hạn từ truờng làm việc tuơng ứng H=1T, H=2T, H=3T lực ghim từ cực đại hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2xKxCu3Ca2O10+δ (với x = 0,00; x = 0,02, x=0,04, x=0,06, x=0,08 x = 0,10) nhiệt độ 25K 51 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình phát chất siêu dẫn nhiệt độ chuyển pha Tc tương ứng Hình 1.2 Hiệu ứng Meissner Hình 1.3 Đường cong từ hóa siêu dẫn loại I(a) loại II(b) theo CGS Hình 1.4 Cấu trúc xoáy tứ giác(a) tam giác(b) Đường đứt nét 12 ô 12 Hình 1.5 Ảnh xốy tam giác chất siêu dẫn nhiệt độ cao họ BiCrCaCuO nhận phương pháp bột từ 13 Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể pha Bi-2201, Bi-2212, Bi-2223 15 Hình 1.7 Điện trở suất theo trục c (ρc) điện trở suất theo mặt ab (ρab) đơn tinh thể siêu dẫn Bi2Sr2Ca2Cu3O10 16 Hình 1.8 Đường cong điện trở suất tỉ đối phụ thuộc nhiệt độ R(T)/R(290K) gốm siêu dẫn Bi-2223 đường cong vi phân tương ứng 18 Hình 1.9 Dây dẫn điện vật liệu siêu dẫn 25 Hình 1.10 Máy phát điện máy biến 25 Hình 1.13: Nam châm siêu dẫn lọc sóng 27 Hình 1.14 : Thiết bị SQUIDS 28 Hình 2.1: Quy trình chế tạo mẫu siêu dẫn phương pháp phản ứng pha rắn 29 Hình 2.2 (a) Máy ép thủy lực Viện Itims, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (b) mẫu sau ép 30 Hình 2.3 Lò ủ mẫu Viện Itim, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 31 Hình 2.4 Ngun lí nhiễu xạ ta X 32 Hình 2.5 Hệ máy đo nhiễu xạ tia-X 33 Hình 2.6 Sơ đồ bốn mũi dị đường dòng gần mũi dò dòng: 1,4- mũi dò dòng; 2,3- mũi dò 33 Hình 2.7 Mẫu có kích thước liên quan đến thừa số hiệu chỉnh 35 Hình 2.8 Sơ đồ buồng mẫu hệ đo điện trở bốn mũi dị làm lạnh khí Heli 35 Hình 2.9: Hệ thống kẹp mẫu đo bôn 36 Hình 2.10 Sơ đồ khối Kính hiển vi điện tử quét (SEM) viện AIST, Trường ĐH BK Hà Nội 37 Hình 3.2 Ảnh hiển vi điện tử quét chụp bề mặt hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2xKxCu3Ca2O10+δ 42 Hình 3.3 Các đường đặc trưng điện trở suất tỉ đối R(T)/R(300K) 43 44 Hình 3.3 Các đường vi phân điện trở suất tỉ đối phụ thuộc vào nhiệt độ hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 44 Hình 3.5 Các đường biểu diễn thông số đặc trưng vùng nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 45 Hình 3.6 Đường biểu diễn độ rộng vùng chuyển pha siêu dẫn hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 46 Hình 3.7 Đường biểu diễn nồng độ lỗ trống hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2xKxCu3Ca2O10+δ 46 Hình 3.8 Các đưòng cong từ trễ hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2xKxCu3Ca2O10+δ đo nhiệt độ 45K từ trưòng ±5T 48 Hình 3.9 Các đường cong từ trễ hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2xKxCu3Ca2O10+δ đo nhiệt độ 25K từ trường ±5T 48 49 Hình 3.10 Đường cong mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường nhiệt độ 45K hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 49 Hình 3.11 Đường cong mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường nhiệt độ 25K hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 50 Hình 3.12 Đường lực ghim từ Fp phụ thuộc từ trường nhiệt độ 45K hệ mẫu siêu dẫn Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCu3Ca2O10+δ 52 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài lịch sử nghiên cứu Hiện siêu dẫn nhiệt độ cao nhiều nhà khoa học giới quan tâm nghiên cứu, nhằm mục đích ứng dụng khoa học kỹ thuật đời sống Điều cho thấy chất siêu dẫn nhiệt độ cao đa dạng phải nói đến hợp chất siêu dẫn chứa đồng (Cu) ôxy (O) Cho đến nay, việc chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Bi2223 (Tc=110K) thực số phịng thí nghiệm đại giới nhiều phương pháp khác như: phản ứng pha rắn, sol-gel phún xạ, bốc bay lazer xung… Tuy nhiên vấn đề lựa chọn điều kiện công nghệ để thực phịng thí nghiệm Việt Nam nhằm mục đích chế tạo vật liệu siêu dẫn Bi-2223 chất lượng cao, giá thành hợp lý cần thiết Với lý trên, Tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu: Đánh giá chất lượng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hệ Bi-2223, thông qua việc chế tạo mẫu phương pháp phản ứng pha rắn để thực đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng K pha tạp đến tính chất vật lý hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-2223” Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích: Để kiểm chứng lý thuyết siêu dẫn thực tiễn công nghệ chế tạo vật liệu phát huy khả nghiên cứu vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao từ cơng trình công bố 2.2 Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hệ Bi-2223 có pha tạp K (Bi1,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+δ với x=0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10) 2.3 Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ pha tạp đến tính chất vật lý hệ vật liệu siêu dẫn hệ Bi-2223 có pha tạp K Phương pháp nghiên cứu 3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ... tài: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng K pha tạp đến tính chất vật lý hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao Bi- 2223? ?? Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích: Để kiểm chứng lý thuyết siêu dẫn. .. tạo vật liệu phát huy khả nghiên cứu vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao từ cơng trình công bố 2.2 Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hệ Bi- 2223 có pha tạp K (Bi1 ,6Pb0,4Sr2-xKxCa2Cu3O10+δ... TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO 1.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao 1.2 Các tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao[ 1,3,4] 1.2.1 Các giá trị tới hạn vật liệu siêu dẫn