CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN SƠ LƢỢC VỀ SIÊU DẪN
1.4. Tìm hiểu một số loại SDNĐC điển hình
1.4.3. Những hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình nhất chứa Cu và Oxy
Oxy.
Các hợp chất SDNĐC điển hình nhất chứa Cu và Oxy gồm có :
+ Hệ siêu dẫn La2CuO4 ( gọi tắt là La – 214 ) + Hệ siêu dẫn YBa2Cu3O7-σ ( gọi tắt là Y – 123 ) + Hệ siêu dẫn chứa Bi điển hình là :
- Bi2Sr2CaCu2O8 ( gọi tắt là Bi – 2212 ) - Bi2Sr2Ca2Cu3O10 ( gọi tắt là Bi – 2223 )
+ Hệ La2CuO4 : Hệ hợp chất này có thể thay thế La bằng Sr theo hợp thức: La2-xSrxCuO4. Hoặc có thể thay thế La bằng các nguyên tố đất hiếm khác (RE).
+ Hệ La2CuO4 (214): có cấu trúc lớp và Tc ≈ 10 K. Dƣới áp suất cao, nhiệt độ chuyển pha Tc có thể tăng lên xấp xỉ 90 K. Ở hệ hợp chất này hóa trị của Cu làm ảnh hƣởng mạnh đến tính siêu dẫn của vật liệu.
Hầu hết các hệ SDNĐC chứa oxyt – Cu trên đây đều có cấu trúc thuộc họ Perovskite ABO3 với sự khác nhau về số lớp CuO2. Hình 1.7 minh họa một số cấu trúc tinh thể của các hợp chất SD điển hình chứa Oxyt – đồng.
Các hợp chất SD chứa Cu và Oxy nêu trên có cấu trúc các ơ cơ bản tƣơng đối giống nhau. Chúng đều thuộc họ cấu trúc perovskite. Một điều khác nhau cơ bản là độ dài trục c với cấu trúc số lớp CuO2 khác nhau. Ví dụ vật siêu dẫn La–214 và Bi – 2201 có một lớp CuO2 trong một tầng, vật liệu siêu dẫn Y–123 và Bi – 2212 có hai lớp CuO2 và vật liệu Bi–2223 có ba lớp CuO2 (hình 1.7).
+ Hợp chất siêu dẫn Y – 123:
Có nhiệt độ chuyển pha cỡ 90 K với hợp thức cation là 1Y: 2Ba: 3Cu và hợp thức danh định là: YBa2Cu3O7-x gọi là hợp chất siêu dẫn Y – 123 [11]. Loại hợp chất này có cấu trúc ơ cơ bản liên quan đến cấu trúc perovskite lập phƣơng và có trục c lớn gấp ba lần hai trục b và a. Theo nghiên cứu về hằng số mạng trong ô ơ bản cho biết rằng cấu trúc của Y - 123 là cấu trúc trực thoi với kích thƣớc trục b lớn hơn trục a. Cấu trúc này bắt nguồn từ cấu trúc perovskite lý tƣởng biến dạng nhƣ hình 1.8. Ngƣời ta có thể thay thế Y bằng các nguyên tố đất hiếm khác với hợp thức ( RE ) Ba2Cu3O7-σ , nhƣng nhiệt độ chuyển pha ( Tc ) của các hệ SDNĐC chứa RE này gần nhƣ khơng thay đổi.
Hình 1.7. Mô phỏng một số cấu trúc vật liệu siêu dẫn chứa Cu và Oxy [2]
Hình 1.8. Cấu trúc ô cơ bản của YBa2Cu3O7-y [1]
+ Hợp chất SDNĐC chứa Bi:
Hợp chất siêu dẫn Bi-Sr-Ca-Cu-O thƣờng là đa pha [17]. Thơng thƣờng có ít nhất hai pha siêu dẫn. Tuy nhiên bằng những qui trình cơng nghệ chọn lọc, có thể chế tạo đƣợc những mẫu siêu dẫn đơn pha Bi – 2223 có các nhiệt độ chuyển pha 110 - 120 K. Độ sạch của pha siêu dẫn trong các mẫu này tuỳ theo các điều kiện chế tạo mẫu nhƣ : thành phần danh định ban đầu (hợp thức ban đầu), quy trình xử lý nhiệt, mơi trƣờng chế tạo vật liệu và độ sạch của các nguyên liệu ban đầu.
Cấu trúc của các hệ hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Bi gồm các lớp perovskite xen kẽ nhau với các lớp kép [Bi2O2], ở đây khơng có các chuỗi Cu- O. Hai mặt phẳng perovskite BiO đƣợc cài vào giữa. Các lớp CuO2 trong siêu dẫn chứa Bi có tọa độ của các oxit xung quanh Cu rất giống với cấu hình CuO2 trong Y-123. Đó là sự nối tiếp nhau của các lớp oxit theo trục c. Các tác giả đã khẳng định số mặt CuO2 tỉ lệ với Tc và các lớp Bi-O đóng vai trị rất quan trọng trong việc hình thành siêu dẫn. Cấu trúc tầng và lớp của các hệ siêu dẫn Bi – 2212 và Bi – 2223 đƣợc sắp xếp nhƣ sau:
Bi - 2212: BiO- BiO- SrO- CuO2- Ca- CuO2- SrO- BiO- BiO
Bi - 2223: BiO –BiO –SrO -CuO2 -Ca- CuO2- Ca- CuO2- SrO - BiO-BiO Siêu dẫn Bi - 2223 với hợp thức cation là 2Bi: 2Sr: 2Ca: 3Cu và hợp thức danh định là: Bi2Sr2Ca2Cu3O10-x .
Ngồi ra cịn một số loại hợp chất SDNĐC có cấu trúc đặc biệt (hình 1.9) nhƣ siêu dẫn hữu cơ, siêu dẫn C60 và siêu dẫn MgB…vv
Cấu trúc một số vật liệu siêu dẫn mới (Pirelli Labs) [2]
Hình 1.9. Mơ tả một vài cấu trúc đặc biệt của một số SDNĐC.
Luận văn này đƣợc giới hạn trong việc nghiên cứu qui trình cơng nghệ chế tạo mẫu và một số tính chất siêu dẫn Bi – 2223 với sự pha tạp một phần kim loại chuyển tiếp vào vị trí của Cu trong hợp thức danh định. Tiếp đó là sự so sánh các tính chất SD của vật liệu Bi – 2223 với SD Y – 123 và đƣa ra những giải thích khoa học về mặt định tính.