Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sự thay đổi tính chất của siêu dẫn nhiệt độ cao y 123 và bi 2223 khi pha tạp kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ THU PHƢƠNG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Y-123 VÀ BI-2223 KHI PHA TẠP KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀO VỊ TRÍ Cu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ THU PHƢƠNG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Y-123 VÀ BI-2223 KHI PHA TẠP KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀO VỊ TRÍ Cu Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: Đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: GS TS NGUYỄN HUY SINH TS ĐÀM NHÂN BÁ Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Huy Sinh, Thầy hướng dẫn, bảo giúp đỡ em hoàn thành luận văn Thầy người đóng vai trị quan trọng thành công em ngày hôm Dưới hướng dẫn Thầy em học hỏi nhiều kiến thức khoa học thầy giúp em hiểu biết thêm nhiều giá trị tốt đẹp sống Em xin gửi lời cảm ơn đến TS Đàm Nhân Bá hướng dẫn, động viên em q trình hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy, Cô giáo Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp người giúp đỡ tạo điều kiện cho em học tập, tìm hiểu hồn thành tốt luận văn Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới TS Trần Hải Đức, người đóng góp cho tơi ý kiến khoa học bổ ích thời gian làm luận văn Em gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội đào tạo trang bị cho em kiến thức cần thiết khoa học sống Lời cảm ơn tình cảm đặc biệt tơi muốn gửi tới cha, mẹ gia đình thân u tơi Mái ấm gia đình tình thương yêu cha, mẹ nguồn động lực giúp tơi có thành cơng ngày hơm Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Thu Phƣơng i MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN SƠ LƢỢC VỀ SIÊU DẪN 1.1 Những kiện lịch sử đáng ghi nhớ siêu dẫn 1.2 Một số tính chất điển hình vật liệu siêu dẫn 10 1.2.1 Điện trở không chất siêu dẫn 10 1.2.3 Entropy nhiệt dung liên quan đến từ trƣờng Hc 11 1.3 Vài nét so sánh siêu dẫn loại siêu dẫn loại 14 1.4 Tìm hiểu số loại SDNĐC điển hình 16 1.4.1 Vài nét lịch sử Oxit siêu dẫn 16 1.4.2 Siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Oxit – Cu 18 1.4.3 Những hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu Oxy 20 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24 2.1 Chế tạo mẫu SDNĐC phƣơng pháp gốm 28 2.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 24 2.2.1 Phân tích cấu trúc nhiễu xạ tia X 24 2.2.2 Phép đo điện trở 24 2.3 Các mẫu đƣợc chế tạo 27 CHƢƠNG CHẾ TẠO MẪU VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ 28 3.1 Chế tạo vật liệu SDNĐC chứa Bizmuth (Bi) 31 3.2 Nghiên cứu tạo thành pha siêu dẫn SDNĐC chứa Bi 32 3.2.1 Các trình phản ứng rắn tạo thành sử lý nhiệt 32 3.2.2 Nghiên cứu tạo thành pha SD phép đo nhiệt lƣợng kế vi phân quét (DSC) 35 3.3 Nghiên cứu cấu trúc SDNĐC chứa Bi 37 3.4 Nghiên cứu chuyển pha siêu dẫn hợp chất Bi 2Sr2Ca2(Cu1x(Fe,Co,Ni)x)3Oy 39 ii 3.5 So sánh vài tính chất hệ siêu dẫn YBa 2(Cu1-xMx)O7-y Bi2Sr2Ca2(Cu1-xMx)3Oy ( M = Fe, Co, Ni; x = 0,00 – 0,10) 41 3.5.1 Đặc trƣng hợp chất SD Y - 123 Bi - 2223 thay lƣợng nhỏ Fe, Co, Ni vào vị trí Cu 41 3.5.2 Chuyển pha cấu trúc 43 3.5.3 Sự suy giảm nhiệt độ chuyển pha Tc 48 3.6 Nghiên cứu phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha Tc vào số lớp CuO2 cấu trúc vật liệu siêu dẫn thực nghiệm lý thuyết Anderson .51 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh khác siêu dẫn loại siêu dẫn loại 14 Bảng 3.1 Hằng số mạng thể tích sở pha Bi - 2223 hợp chất SD: Bi2Sr2Ca2(Cu1-x(Fe, Co, Ni)x)3Oy thay đổi nồng độ pha tạp x 38 Bảng 3.2 Mối quan hệ nhiệt độ chuyển pha SD Tc số lớp CuO2 (n) hợp chất SDNĐC chứa ôxit đồng 53 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Đƣờng cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ thủy ngân (Kamerlingh Onnes 1911) Hình 1.2 Hiệu ứng Meissner SD loại Hình 1.3 Từ trƣờng tới hạn siêu dẫn loại Hình 1.4 Nhiệt độ chuyển pha SD (Tc) không ngừng đƣợc nâng cao theo thời gian [2, 15] Hình 1.5 Dòng điện xuyến siêu dẫn [3] 10 Hình 1.6 Entropy nhơm (Al) trạng thái thƣờng trạng thái siêu dẫn 12 Hình 1.7 Mơ số cấu trúc vật liệu siêu dẫn chứa Cu Oxy [2] 21 Hình 1.8 Cấu trúc ô YBa2Cu3O7-y [1] 22 Hình 2.1 Sơ đồ chi tiết hệ đo điện trở phƣơng pháp bốn mũi dị Bộ mơn Vật lý Nhiệt độ thấp, Trƣờng ĐHKHTN - ĐHQGHN 26 Hình 3.1 Thiết bị chế tạo mẫu SDNĐC phƣơng pháp gốm Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Trƣờng ĐHKHTN - ĐHQGHN 29 Hình 3.2 Đồ thị DTA, TGA, TDG mẫu SD Bi- 2223 [5] 35 Hình 3.3a Giản đồ DTA hợp chất SD Bi2Sr2Ca2(Cu1-xNix)3Oy với (x = 0.01; 0.03; 0.06 ) 36 Hình 3.3b Giản đồ DTA hợp chất SD Bi2Sr2Ca2(Cu1-xFex)3Oy với (x = 0.01; 0.03; 0.06 ) 36 Hình 3.3c Độ trọng lƣợng mẫu pha tạp Fe, Co Ni vào vị trí Cu ( x = 0,00 – 0,06) 37 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X – ray mẫu SD Bi -2223 37 Hình 3.5 So sánh thay đổi số mạng thể tích sở SD Y(123) Bi-(2223) pha tạp ( Fe, Co, Ni ) 45 Hình 3.6 Đƣờng cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của: 50 a YBa2(Cu1-xFex)3O7-y 50 b Bi2Sr2(Cu1-xFex)3Oy 50 v Hình 3.7 a Nhiệt độ chuyển pha Tc phụ thuộc vào nồng độ thay kim loại 3d vào vị trí Cu SDNĐC YBa2(Cu1-xM3)3O7-y 50 b Đƣờng cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ Bi2Sr2Ca2(Cu1-xFex)3Oy Tc2 phụ thuộc vào nồng độ Fe, Co Ni hợp chất Bi2Sr2Ca2(Cu1x(Fe,Co,Ni)x)3Oy 50 Hình 3.8 Biểu diễn phụ thuộc T c vào số lớp CuO2 (n) theo bảng 3.3 53 Hình 3.9 Nhiệt độ chuyển pha Tc chất SDNĐC gốc Bi, Tl, Hg phụ thuộc số lớp CuO2 (n) cấu trúc tinh thể theo lý thuyết P W Anderson 54 Hình 3.10 Đƣờng cong kết thực nghiệm Tc J Bok theo số lớp CuO2 (n) so sánh với lý thuyết Anderson theo làm khớp đa thức (3.13) 55 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT SD : siêu dẫn SDNĐC : siêu dẫn nhiệt độ cao Tc : nhiệt độ chuyển pha Jc : mật độ dòng tới hạn Hc : từ trƣờng tới hạn BCS : lý thuyết BCS XRD : nhiễu xạ tia X SEM : hiển vi điện tử quét vii MỞ ĐẦU Năm 1911, tƣợng siêu dẫn đƣợc phát nhà khoa học Hà Lan Kamerlingh Onnes đo điện trở thủy ngân (Hg) Ở nhiệt độ thấp 4,2 K, ông nhận thấy điện trở Hg đột ngột giảm xuống xấp xỉ không [7] Sau nhiều năm nghiên cứu vật liệu siêu dẫn (SD), đến tháng năm 1986, hai nhà vật lý học Bednorz J G Alex Muller K A [8] làm việc hãng IBM – Thụy Sĩ phát tƣợng siêu dẫn vật liệu gốm La-Ba-Cu-O nhiệt độ xuống thấp 35K Khám phá dẫn đến đời loạt vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (SDNĐC) dạng gốm, dạng đơn tinh thể, dạng màng mỏng với thành phần cấu trúc khác Hiện tƣợng siêu dẫn đƣợc phát mở lĩnh vực hoàn tồn vật lý học Với tính chất điện trở khơng vật liệu siêu dẫn, mở đầu cho cách mạng lƣợng công nghiệp điện tử nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn đạt đến nhiệt độ phòng Các nƣớc thành lập phịng thí nghiệm với nhiều nhóm nghiên cứu vật liệu SDNĐC Các nhà khoa học công nghệ đầu tƣ kinh tế, công sức hàng trăm quốc gia đầu tƣ khoản kinh tế khổng lồ để nghiên cứu vật liệu SDNĐC Vật liệu SDNĐC có thành phần cấu trúc đa dạng Hầu hết chất SDNĐC thuộc siêu dẫn loại II Ngƣời ta tạm thời phân chia thành nhóm SDNĐC vào thành phần cấu trúc chúng để nghiên cứu Ví dụ nhƣ loại SDNĐC chứa ôxit đồng, loại không chứa đồng, loại SDNĐC hữu MgB… Loại SDNĐC thông thƣờng loại chứa oxit đồng Các nhà vật lý lý thuyết thực nghiệm nghiên cứu, khảo sát phân tích tính chất hệ vật liệu SDNĐC chứa ơxit đồng Với nhiều tính chất ƣu việt có nhiệt độ chuyển pha Tc tƣơng đối cao, hệ vật liệu SDNĐC chứa oxit đồng Bi-2223 với hệ siêu dẫn Y-123 đƣợc nghiên cứu chi tiết Thể tích sở (Å3) Hằng số mạng (Å) (b) (a) (c) (d) Thể tích sở (c) (e) (a) Sự thay đổi số mạng c siêu dẫn Y-123 pha tạp Fe Ni (b) Sự thay đổi thể tích sở siêu dẫn Y-123 pha tạp Fe Ni (c) Sự thay đổi số mạng c siêu dẫn Bi-2223 thay Cu Fe, Co Ni (d) Sự thay đổi số mạng a, b siêu dẫn Bi-2223 thay Cu Fe, Co , Ni (e) Sự thay đổi thể tích mẫu Bi-2223 thay Fe, Co, Ni cho Cu Hình 3.5: So sánh thay đổi số mạng thể tích sở SD Y-(123) Bi-(2223) pha tạp ( Fe, Co, Ni ) 45 Từ hình 3.5 nhận thấy: Ở hợp chất SD YBa2Cu1-xMxO7-y pha tạp Fe, Co, Ni, giá trị số mạng biểu có chuyển pha cấu trúc từ cấu trúc trực thoi sang cấu trúc tứ diện Cụ thể hình 3.5a, với nồng độ x ≤ 0,02, số mạng a, b,c có thay đôi rõ rệt Khi tăng nồng độ pha tạp x = 0,02, số mạng a b có giá trị xấp xỉ Điều phản ánh rõ hình 3.5b giá trị thể tích ô sở Với giá trị x ≤ 0,02, thể tích V tăng mạnh nhƣng khơng tuyến tính Khi x ≥ 0,02, V tăng chậm hầu nhƣ tuyến tính Những kết chứng tỏ tăng nồng độ pha tạp x vật liệu SD Y – 123 có chuyển cấu trúc Giải thích chế chuyển pha cấu trúc thay vào vị trí Cu đƣợc nhiều tác giả đƣa [2, 4] , có nhiều ý kiến khác vai trò nguyên tố thay nhƣ vị trí chiếm chỗ nguyên tố thay vào vị trí Cu(1) hay Cu(2) Song cách giải thích đƣợc nhiều tác giả đồng tình có liên quan đến trƣờng hợp nguyên tố thay có hóa trị lớn Cu(1) chiếm vị trí Cu(1), làm thay đổi cấu trúc lớp CuO gây chuyển pha cấu trúc Nhƣ vậy, vị trí Cu (1) có vai trị quan trọng chuyển pha cấu trúc vật liệu SD Y – 123 Trong mơ hình cấu trúc SDNĐC Y- 123 có đặc điểm chung nguyên tử Cu định xứ tâm hình bát giác ( octahedra ), cịn ngun tử ơxy trải dọc theo trục c tạo thành lớp CuO2 Đặc điểm liên quan đến cấu trúc Perovskite việc xem xét chi tiết vai trò chế chuỗi CuO SDNĐC cịn tốn đƣợc giải Vai trò Ca Sr siêu dẫn Bi-2212 giống nhƣ Y Ba siêu dẫn –123 Sự giống hợp chất siêu dẫn hóa trị trung bình Cu mặt CuO2 lớn Hóa trị đƣợc gọi hóa trị hỗn hợp Cu xem nhƣ điều kiện tối cần thiết cho tạo thành đặc trƣng siêu dẫn hợp chất SDNĐC chứa ôxit đồng 46 Tóm lại: thay kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni ) cho Cu siêu dẫn Y-123 xuất thay đổi cấu trúc từ trực thoi (Orthorhombic) sang tứ diện (Tetragonal) nồng độ pha tạp thấp x < 0,02 Với nồng độ cao x ≥ 0,02, số mạng c giảm nhƣng a lại tăng theo x, dẫn đến thể tích ô tăng cách không tuyến tính Pha siêu dẫn có cấu trúc tứ diện (80K) cho thấy trật tự dài chuỗi CuO khơng đóng vai trị quan trọng, mà điều định tính siêu dẫn vật liệu lại lớp CuO Trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật liệu SDNĐC, vai trò quan trọng lớp CuO2 đƣợc khẳng định nhiều tài liệu Vấn đề đƣợc nghiên cứu mục 3.7 Trong hình 3.5c, d e cho thấy: Các kim loại nhóm 3d đƣợc thay cho Cu SDNĐC chứa Bi giữ vai trò quan trọng chi phối tính chất chất siêu dẫn Khi thay Fe, Co hay Ni vào vị trí Cu hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao ảnh hƣởng đến số mạng, biến đổi số mạng khác Các kim loại 3d thay vị trí Cu gây ảnh hƣởng trực tiếp đến tính chất mặt CuO2 Nó làm biến dạng tinh thể, đồng thời làm thay đổi nồng độ hạt tải, làm cho số tính chất siêu dẫn hợp chất sau thay bị phá vỡ So sánh : Khác với siêu dẫn Y-123, siêu dẫn Bi-2223 nguyên tử kim loại 3d thay cho Cu từ x = 0,00 – 0,10, khơng quan sát thấy có chuyển pha cấu trúc Kết thu đƣợc từ phép đo nhiễu xạ rơnghen cho thấy giá trị số mạng a, b giảm, c hầu nhƣ khơng thay đổi thể tích ô giảm tuyến tính theo tăng nồng độ Fe, Co Ni ( Hình 3.5c, d e) Có thể cho thay đổi cấu trúc siêu dẫn Y-123 nguyên tử 3d gây nên Bởi siêu dẫn Y-123 nguyên tử 3d có khả vào hai vị trí Cu(1) Cu(2) cịn siêu dẫn Bi, nguyên tử 3d thay 47 vào vị trí Cu(2) Nhƣ vậy, chuyển pha cấu trúc siêu dẫn Y-123 có liên quan trực tiếp đến nguyên tử 3d chiếm vị trí Cu(1) chuỗi CuO Ở nồng độ pha tạp thấp (x < 0,02) nguyên tử 3d chiếm vị trí Cu(1) chƣa đủ làm biến dạng cấu trúc SD Y – 123 Khi x > 0,02 nguyên tử kim loại 3d thay vị trí Cu(1) tăng lên tạo thành cấu hình tứ diện Cấu trúc bền vững tiếp tục tăng nồng độ kim loại 3d Thực nghiệm cho thấy siêu dẫn Bi- 2223 nguyên tử kim loại 3d chiếm vị trí Cu(2) tăng nồng độ pha tạp kim loại 3d kết nhiễu xạ rơnghen cấu trúc tứ diện pha siêu dẫn hợp chất không thay đổi Kết nhiễu xạ neutron cho chứng chiếm chỗ nguyên tử kim loai 3d vị trí Cu(2) [1,2] Sự suy giảm thể tích trƣờng hợp coi hợp lý bán kính ion Fe, Co Ni nhỏ Cu Hiện tƣợng chuyển cấu trúc tăng thể tích siêu dẫn Y-123 có nguồn gốc nguyên tử 3d chiếm chỗ vị trí Cu(1) gây nên giãn mạng tự điều chỉnh theo hai hƣớng a b, đến nồng độ tới hạn (x ≥ 0,02) chuyển thành cấu trúc tứ diện Trong siêu dẫn chứa Bi không tồn vị trí Cu(1) nguyên tử 3d chiếm vị trí Cu(2) khơng gây nên chuyển pha cấu trúc Vì vậy, ta cho chuyển cấu trúc siêu dẫn Y- 123 có nguồn gốc từ cấu hình chuỗi CuO 3.6.2 Sự suy giảm nhiệt độ chuyển pha Tc Các bƣớc công nghệ gốm dùng để chế tạo mẫu siêu dẫn Y-123 siêu dẫn chứa Bi hoàn toàn giống khác chế độ sử lý nhiệt Thông thƣờng, siêu dẫn Y-123 đƣợc nung thiêu kết nhiệt độ cao Trong siêu dẫn Y-123 nồng độ ôxy thay đổi mạnh theo điều kiện chế tạo mẫu môi trƣờng làm thay đổi Tc, nhƣng siêu dẫn chứa Bi nồng độ ơxy thay đổi Nhƣ bƣớc sử lý nhiệt không gây nên thay đổi nghiêm 48 trọng Tc so với trình pha tạp nguyên tố lạ Một số kết nghiên cứu cho thấy siêu dẫn Y-123 có khả nguyên tử 3d thay vị trí Cu(1) với ơxy hóa cao [1] Mặt khác, có thăng giáng ơxy độ bền mẫu siêu dẫn Y- 123 siêu dẫn chứa Bi Nhƣng với siêu dẫn Y-123 dễ dàng chế tạo mẫu đơn pha dạng đa tinh thể mà vấn đề mẫu siêu dẫn chứa Bi gặp nhiều khó khăn Đƣờng cong điện trở đƣờng cong biểu diễn thay đổi nhiệt độ chuyển pha theo nồng độ pha tạp nguyên tử 3d hợp chất Y – 123 Bi – 2223 đƣợc đem so sánh hình 3.6a 3.6b Có thể nhận thấy khác trình chuyển trạng thái vật liệu theo nhiệt độ nhƣ kim loại – siêu dẫn kim loại - bán dẫn Hình 3.7 đồ thị phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha T c vào nồng độ pha tạp Nhận thấy hợp chất siêu dẫn Y-123, Tc giảm chậm vùng nồng độ 3d thấp, chƣa xảy chuyển pha cấu trúc Sau chuyển pha cấu trúc ( x ≈ 0,02 ), Tc bắt đầu giảm mạnh Còn siêu dẫn Bi-2223, Tc giảm mạnh theo nồng độ tạp chất 3d gần nhƣ tuyến tính Sự giảm mạnh Tc hai loại hợp chất siêu dẫn cho nguyên nhân chiếm chỗ nguyên tử 3d vị trí Cu(2) Đối với siêu dẫn Y-123, giả thiết nồng độ thấp, phần lớn nguyên tử 3d chiếm vị trí Cu(1) chuỗi CuO Trong vùng nhiệt độ T c giảm chậm có chuyển pha cấu trúc Sự chuyển pha cấu trúc không quan sát thấy siêu dẫn Bi – 2223 hợp chất khơng chứa vị trí Cu(1) cấu trúc tinh thể Nhƣ nhận thấy nguyên tử 3d chiếm vị trí Cu(1) khơng đóng góp cách định vào trình làm suy giảm Tc 49 Hình 3.6 Đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của: a YBa2(Cu1-xFex)3O7-y b Bi2Sr2(Cu1-xFex)3Oy Hình 3.7 a Nhiệt độ chuyển pha Tc phụ thuộc vào nồng độ thay kim loại 3d vào vị trí Cu SDNĐC YBa2(Cu1-xM3)3O7-y b Đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ Bi2Sr2Ca2(Cu1-xFex)3Oy Tc2 phụ thuộc vào nồng độ Fe, Co Ni hợp chất Bi2Sr2Ca2(Cu1x(Fe,Co,Ni)x)3Oy 50 Tóm lại : So sánh kết nghiên cứu thu đƣợc hệ SD Bi2Sr2Ca2(Cu1xMx)3Oy với kết công bố hệ YBa2(Cu1-xMx)3O7-y ( x = 0,00 – 0,10 M = Fe, Co, Ni ) đƣa nhận xét sau : - Nguyên nhân gây nên chuyển cấu trúc tinh thể từ trực thoi sang tứ diện nồng độ pha tạp thấp (x < 0,03) nguyên tử 3d ( Fe, Co, Ni ) chiếm vị trí Cu(1) SD Y-123 - Sự suy giảm nhiệt độ chuyển pha TC hai hợp chất Y-123 Bi-2223 tăng nồng độ pha tạp 3d rõ ràng có liên quan chặt chẽ đến chiếm vị trí Cu(2) nguyên tử 3d - Điều khẳng định thêm vai trò quan trọng lớp CuO2 cấu trúc tinh thể pha SD chế SDNĐC Vấn đề đƣợc nghiên cứu chi tiết mục 3.6 Tuy nhiên, cần lƣu ý đến ảnh hƣởng mômen từ nguyên tử 3d đƣợc thay hợp chất SD [18] 3.7 Nghiên cứu phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha TC vào số lớp CuO2 cấu trúc vật liệu siêu dẫn thực nghiệm lý thuyết Anderson [6] Mối liên hệ số lớp CuO2 nhiệt độ chuyển pha SD Tc SDNĐC chứa ôxit đồng đƣợc khảo sát [6] Bằng phƣơng trình khe lƣợng, Anderson đƣa cơng thức tính tốn cho phụ thuộc Tc vào số lớp ôxit đồng SDNĐC [7] Sử dụng đa thức bậc cao làm khớp số liệu thực nghiệm lý thuyết phƣơng trình mơ tả Tc Kết cho thấy mối quan hệ nằm phạm vi lý thuyết BCS [6] Cho đến hàng nghìn hợp chất SDNĐC đƣợc cơng bố, theo tài liệu [3] đƣợc phân làm loại chính.Với SDNĐC La2SrCa4Oy (214), YBa2Cu3Oy (123), Bi2Sr2CaCu2O8 (2212), Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (2223), Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (2223), có cấu trúc lớp với số lớp CuO2 tăng dần từ đến 51 Trong nhiều nghiên cứu chế SDNĐC chứa ôxit đồng, giả định đƣợc nhiều tác giả chấp nhận cho nguồn gốc hình thành SD truyền điện tích mặt CuO2 [7, 8, 12, 23] Các chuỗi CuO SD (123), (214), lớp BiO, Tl-O,Hg-O SD Bi Tl (2212) (2223), Hg(1223) đóng vai trị nhƣ bể chứa điện tích truyền từ lớp CuO2 để tạo thành lỗ trống [12] Trên sở nhiều tác giả giả định nhiệt độ chuyển pha SD Tc hợp chất SD chứa ơxit đồng tăng theo số lớp CuO2 (n) có mạng J Labbe J Bok [16] đƣa mơ hình hai chiều cho cấu trúc điện tử lớp CuO2 (n) sử dụng lý thuyết BCS tƣơng tác yếu tính đƣợc giá trị Tc nhƣ sau: Tc  T0 e ( 1 ) n0 (3.11) Theo tài liệu [11] kết tính tốn nhiệt đọ Debye T0 cho số hợp chất SDNĐC T0 ≈ 600 K, đƣợc làm khớp với thực nghiệm theo giá trị 0,14 Với thơng số đây, cơng thức (3.11) biểu diễn mối quan hệ số lớp CuO2 (n) nhiệt độ chuyển pha Tc hợp chất SD chứa ôxit đồng Sử dụng công thức (3.11) tính đƣợc số lớp CuO2 (n) SDNĐC từ giá trị Tc Các giá trị đƣợc đƣa bảng 3.3 Hình 3.8 biểu diễn phụ thuộc T c vào số lớp CuO2 (n) theo bảng 3.3 Nhận thấy đƣờng làm khớp theo phƣơng trình (3, 11) (đƣờng liền) điểm thực nghiệm (o) ( lấy từ tài liệu ) có giá trị trùng khớp n ≤ Ngoài giá trị đƣờng lý thuyết kết thực nghiệm sai lệch cách đáng kể Năm 1994, P W Andeson [7] tính tốn phƣơng trình khe lƣợng cho vật liệu SDNĐC chủ yếu dựa tƣơng tác yếu khe lƣợng lý thuyết BCS Tác giả áp dụng để ƣớc tính ba thơng số: 52 tìm biểu thức Tc, dị hƣớng khe lƣợng hiệu ứng đồng vị Giá trị T c theo lý thuyết đƣợc mô tả theo phƣơng trình sau: Tc ~ h D e 1  + ( số tuyến tính ) (3.12) Bảng 3.2 Mối quan hệ nhiệt độ chuyển pha SD Tc số lớp CuO2 (n) hợp chất SDNĐC chứa ôxit đồng Tc (K) Hợp chất SDNĐC Tài liệu Số lớp CuO2 (n) 30 – 40 La (214) [4] 80 – 90 Bi (2212) [5] 110 – 120 Bi (2223) [6] 150 – 160 Hg (1223) [7] 180 [8] 190 [8] 240 – 250 Y (123), SD – Bi [8, 9] 270 – 280 SD – Bi, SD – [10] 12 Hg Hình 3.8 Đồ thị mơ tả phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha ( Tc ) chất SDNĐC vào số lớp CuO2 tính theo cơng thức J Bok [23] 53 Kết tính tốn theo phƣơng trình (3.12) lý thuyết P W Anderson đƣợc minh họa hình 3.9 [23] So sánh hai kết thu đƣợc từ cơng thức J Bok (hình 3.8) từ phƣơng trình khe lƣợng P W Anderson (hình 3.9), chúng tơi thấy đồ thị mơ tả phụ thuộc Tc vào số lớp CuO2 hợp chất SDNĐC có dạng tƣơng đối giống Sử dụng phƣơng trình Origin cho việc làm khớp số liệu chọn đƣợc đa thức phù hợp bậc là: Y = A0 + A1X + A2X2 + A3X3 + A4X4 (3.13) Hình 3.9 Nhiệt độ chuyển pha TC chất SDNĐC gốc Bi, Tl, Hg phụ thuộc số lớp CuO2 (n) cấu trúc tinh thể theo lý thuyết P W Anderson [23] Hình 3.10 đƣờng cong Tc phụ thuộc số lớp CuO2 sử dụng đa thức (3.13) làm khớp cho đƣờng thực nghiệm J Bok với đƣờng cong lý thuyết P W Anderson ta thấy coi trùng khớp 54 Hình 3.10 Đường cong kết thực nghiệm Tc J Bok theo số lớp CuO2 (n) so sánh với lý thuyết Anderson theo làm khớp đa thức (3.13) [23] Các kết cho thấy công thức J Bok lý thuyết P W Anderson có thống chung việc tính tốn nhiệt độ chuyển pha Tc phụ thuộc vào số lớp CuO2 (n) ô mạng vật liệu SDNĐC chứa ơxit đồng : - Nếu số lớp CuO2 (n) mạng có giá trị n ≤ : Tc coi tăng tuyến tính theo số lớp CuO2 hai trƣờng hợp ƣớc tính Tc theo cơng thức J Bok lý thuyết P W Anderson - Tăng số lớp CuO2 (n ≥ 4) hai phƣơng pháp tính nằm thống chung lý thuyết BCS cổ điển Điều đƣợc minh chứng làm khớp chúng theo đa thức bậc nhƣ phƣơng trình 3.13 Nhƣ vậy: Cơng thức J Labbé J Bok hoàn toàn với giả định cho SDNĐC ôxit đồng chứa lớp CuO2 với n ≤ Trong tƣờng hợp n ≥ mối liên hệ Tc số lớp CuO2 SDNĐC không tuân theo mơ hình chiều đƣợc giả định cơng thức 3.11 55 KẾT LUẬN Luận văn đã: trình bày vắn tắt số lý thuyết tính chất vật liệu siêu dẫn cổ điển Đồng thời tóm lƣợc vài kết nghiên cứu số tính chất chế điển hình vật liệu SDNĐC chứa Bi hệ Y- 123 thời gian từ 1986 đến 2010 Bằng phƣơng pháp công nghệ gốm, chế tạo đƣợc số mẫu SDNĐC Bi – 2223 với thay danh định nguyên tố kim loại 3d có từ tính nhƣ Fe, Co Ni vào vị trí Cu nghiên cứu ảnh hƣởng nguyên tử 3d lên tính chất hệ SDNĐC chứa Bi đem so sánh với hệ Y- 123 Các kết nghiên cứu hệ siêu dẫn Bi2Sr2Ca2(Cu1-xMx)3Oy đƣợc phân tích đem so sánh với hệ YBa2(Cu1-xMx)3O7-y ( M = Fe, Co, Ni; x= 0,00- 0,10) cho thấy: hệ siêu dẫn Y – 123 có chuyển pha cấu trúc cịn hệ Bi – 2223 khơng Ngun nhân gây nên chuyển cấu trúc từ trực thoi sang tứ diện nồng độ pha tạp thấp (x ≤ 0,02 ) nguyên tử 3d chiếm vị trí Cu(1) siêu dẫn Y-123, cịn SD Bi – 2223 ngun tử 3d chiếm vị trí Cu(2) Đã tìm đƣợc suy giảm nhiệt độ chuyển pha Tc tăng nồng độ pha tạp kim loại từ 3d Điều có liên quan chặt chẽ đến chiếm vị trí Cu(2) nguyên tử 3d hai loại hợp chất SDNĐC Y – 123 Bi – 2223 Khảo sát mối quan hệ nhiệt độ chuyển pha T c số lớp CuO2 (n) cấu trúc SDNĐC chứa Bi thơng qua mơ hình cấu trúc điện tử chiều J Bok lý thuyết tính tốn khe lƣợng P W Anderson Kết thu đƣợc : Mơ hình chiều J Labbe J Bok cho hợp chất SDNĐC có số lớp CuO2 n ≤ Với n ≥ hai mơ hình nằm thống chung lý thuyết BCS làm khớp với hàm đa thức bậc nhƣ phƣơng trình (3.13) đƣợc đƣa luận văn 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Nguyễn Huy Sinh (2005), “Vật liệu siêu dẫn”, NXB Giáo Dục, Hà Nội Nguyễn Huy Sinh (2015-2017), Lecturers of High-Temperature superconductivity for Master and Ph.D students Nguyễn Huy Sinh, Nguyễn Thị Thu Phƣơng (1998), “Chuyển pha hệ siêu dẫn YBa2(Cu1-xMx)3O7-y Bi2Sr2Ca2(Cu1-xMx)3Oy (M = Fe, Co, Ni; x = 0.00  0.10)”, Những vấn đề đại Vật lý chất rắn, NXB Khoa học Kỹ thuật, Tập I, p.478, Nguyễn Huy Sinh (1997), “So sánh đặc tính siêu dẫn hợp chất Y-123 với Bi-2223 thay Cu Fe”, Hội nghị KHCB & UD, ĐHSPHN2, p.129 Nguyễn Huy Sinh (2001), “Chế tạo nghiên cứu vài tính chất hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao gốc Bismuth”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, XXXIX(5), p 55-65 Nguyễn Thị Thu Phƣơng, Nguyễn Huy Sinh (1997), “Về phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha Tc vào số lớp oxit đồng thực nghiệm lý thuyết Anderson”, Hội nghị KHCB $ UD, ĐHSPHN2, p.146 Tiếng Anh Anderson P.W (1994), “Two new developments in the theory of high Tc superconductivity”, Physica B, 199-200, p.8-14 Bednorz J.G and Muller K.A (1986), “Possible high Tc superconductivity in the Bi-La-Cu-O system”, Z Phys B, 64, pp.189-193 Chu C W., Gao L., Chen F., Huang Z J., Meng R L and Xue Y Y (1993), “Superconductivity above 150 K in HgBa 2Ca2Cu3O8+δ at high pressures”, Nature 365 , p 323-325 57 10 GopalE.S.R (1966), “Specific Heats at Low Temperatures”, Springer US, Plenum Press 11 HoweB A (2014), “Crystal Structure and Superconductivity of YBa2Cu3O7-x“, Master Thesis, Minnesota State University, Mankato, Minnesota, USA 12 Keimer B., Kivelson S A., Norman M R., Uchida S and Zaanen J (2015), “From quantum matter to high-temperature superconductivity in copper oxides”, Nature, 518, pp 179-186 13 Ketterson J B and Song S N (1998), “Superconductivity 1st Edition”, Cambridge University Press 14 Kent A (1993), “Experimental low temperature physics – MacMillan physical science”, American Institute of Physics 15 Kittel C (2007), “Introduction to Solid State Physics”, 8th Edition, John Willey & Son – Inc, pp.258-296 16 Labbé J and Bok J (1987), “Superconductivity in alcaline-earthsubstituted La2CuO4: a theoretical model”, Europhysics Letters, 3, p.1225 17 Maeda H., Tanaka Y., Fukutomi M and Asano T (1988), “High Tc Bibased Oxide superconductors”, Jpn J Appl Phys Lett, 27, pp.209-250 18 Nguyen Minh Phuong and Nguyen Huy Sinh (1997), “On the suppression of superconductivity by some magnetic impurities in Bi-2223 superconductors”, Communications in Physics, 7(4), p.42 19 Nguyen Huy Sinh (1999), “Possibility of prepation of 110 K single phase superconducting Bi2.1-xPbxSr2Ca2Cu3Oy compound and their properties”, Proceeding of the Third Rencontres du Vietnam – Superconductivity, Magneto-resistive materials and strongly correlated quantum systems, p 91 20 Phillips J C (1989), “ Physics of High - Tc, superconductors”, Academic Press, London 58 21 Rose-Innes A C and Rhoderick E H (1970), “Introduction to Superconductivity”, American Journal of Physics, 38, p 1048 22 Schooley J F., Hosler W R., and Cohen M L (1964), “Superconductivity in Semiconducting SrTiO3”, Phys Rev Lett., 12, pp 474 23 Sinh N H (1997), “Effects of doping hole concentration in bismuth contained superconducting cuprates”, Physica C, 282-287, pp 873-874 24 Tinkham M and Lobb C J (1989), “Physical Properties of the New Superconductors”, Solid State Physics, 42, p.91-134 59 ... PHƢƠNG NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO Y-123 VÀ BI-2223 KHI PHA TẠP KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀO VỊ TRÍ Cu Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: Đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ... dẫn loại siêu dẫn loại Tính chất Siêu dẫn loai Siêu dẫn loại Thƣờng kim loại Thƣờng hợp kim, hợp Vật liệu tinh khi? ??t vài hợp chất kim Chuyển pha điện trở (Tc (K)) Chuyển pha Sắc nét, có nhiệt. .. cứu cho luận văn là: ? ?Nghiên cứu thay đổi tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao Y-123 Bi-2223 pha tạp kim loại chuyển tiếp vào vị trí Cu” Ngồi phần mở đầu kết luận, luận văn đƣợc phân bố thành chƣơng: