TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THU HUYỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO GdBa2Cu3O7-5 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học TS. Trần Hải Đức HÀ NỘI – 2015 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện khóa luận em luôn nhận đƣợc sự quan tâm giúp đỡ của thầy hƣớng dẫn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn: TS. Trần Hải Đức, ngƣời thầy đã hƣớng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em làm khóa luận. Cuối cùng, cho em xin gửi làm ơn chân thành tới bố mẹ và những ngƣời thân trong gia đình. Những ngƣời luôn bên cạnh và động viên em vƣợt qua những khó khăn trong cuộc sống cũng nhƣ trong học tập. Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thu Huyền LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đây là bài viết của em. Các số liệu nêu trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực. Em xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong khóa luận này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn đều đƣợc ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thu Huyền MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1 2. Mục tiêu của khóa luận ..................................................................................... 2 3. Đối tƣợng nghiên cứu........................................................................................ 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 5. Dự kiến đóng góp mới....................................................................................... 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .............................................................. 3 1.1. Sơ lƣợc về vật liệu siêu dẫn và ứng dụng ...................................................... 3 1.2. Các thông số tới hạn của vật liệu siêu dẫn ..................................................... 6 1.2.1. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha ..................................................... 6 1.2.2. Từ trƣờng tới hạn ........................................................................................ 7 1.2.3. Mật độ dòng điện tới hạn ............................................................................ 8 1.3. Các tính chất ƣu thế của GdBa2Cu3O7-δ so với YBa2Cu3O7-δ ...................... 10 Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................................ 12 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu siêu dẫn GdBa2Cu3O7-δ ....................................... 12 2.1.1. Chế tạo mẫu gốm GdBa2Cu3O7-δ bằng phản ứng pha rắn ......................... 12 2.1.2. Chế tạo màng siêu dẫn nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7-δ bằng phƣơng pháp lắng đọng laze xung .................................................................................................... 15 2.2. Phân tích màng siêu dẫn nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7-δ .................................. 20 2.2.1. Tính chất cấu trúc ...................................................................................... 20 2.2.2. Tính chất siêu dẫn ..................................................................................... 21 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 23 3.1. Tính chất cấu trúc của màng siêu dẫn GdBCO ............................................ 23 3.1.1. Cấu trúc tinh thể ........................................................................................ 23 3.1.2. Hình thái bề mặt mẫu ................................................................................ 25 3.2. Tính chất siêu dẫn ........................................................................................ 26 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 30 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát hiện ra siêu dẫn của một số vật liệu ở nhiệt độ cao, với khả năng ứng dụng rộng rãi tính chất này trong nhiều lĩnh vực là một bƣớc đánh dấu đặc biệt sự phát triển của khoa học công nghệ đã mở ra một hƣớng nghiên cứu mới thu hút nhiều sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Trƣớc thập kỉ 1980 siêu dẫn nhiệt độ thấp chỉ đƣợc tìm thấy trên các kim loại và hợp kim, đƣợc làm lạnh đến nhiệt độ thấp hơn 23k và đã đƣợc lý thuyết BCS giải thích một cách định lƣợng. Cho đến năm 1986, Georg Bednorz và Alex Muller đã phát hiện ra một vật liệu mới khi cấy các nguyên tố lạ vào oxít đồng –bari thì nó trở thành vật liệu siêu dẫn có cấu trúc tƣơng tự với vật liệu chuyển pha cao hơn và lớn hơn nhiệt độ của nitơ lỏng là 77k. Mở ra khả năng cho những ứng dụng mới, do đó có đóng góp to lớn trong sản xuất ứng dụng thƣơng mại và công nghiệp, để tận dụng hiệu quả chi phí có nguồn ngốc từ một hỗn hợp lạnh giá rẻ (nitơ lỏng) và công nghệ cũng có tầm quan trọng trong cơ chế cơ bản của Tc cao khoa học. Vật liệu siêu dẫn hứa hẹn nhất là (RE)BCO, nó phổ biến nhất là nghiên cứu tỉ mỉ chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Trong đó, (RE) = Gd, Eu, Nd… là một đất hiếm mà có thể quan sát đƣợc ở nhiệt độ cao. Đặc biệt là (RE) = Gd.Mặt khác tham số của GBCS/STO là nhỏ hơn so với YBCO/STO. Ngoài ra ∆G*GBCO nhỏ hơn ∆G*YBCOvì vậy tỉ lệ mầm của GBCS đƣợc cho là cao hơn so với YBCO. Từ kết quả lý thuyết họ cho rằng, các tinh thể GBCS dễ dàng tạo hạt nhân rút ra từ các kết hợp lƣới trên chất nền STO. Bƣớc đầu làm quen với việc nghiên cứu, tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu chế tạo màng siêu dẫn nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7-δ “ làm khóa luận tốt nghiệp của mình. 1 2. Mục tiêu của khóa luận - Chế tạo vật liệu siêu dẫn, nghiên cứu tính chất siêu dẫn của vật liệu GdBa2Cu3O7- δ. - Nghiên cứu tính chất điện từ trên vật liệu siêu dẫn GdBa2Cu3O7- δ ở nhiệt độ cao. - Nghiên cứu cấu trúc màng siêu dẫn ở nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7- δ . 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Màng siêu dẫn GdBa2Cu3O7- δ bằng phƣơng pháp phún xạ laser xung. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm. - Chế tạo màng siêu dẫn GdBa2Cu3O7- δ bằng phƣơng pháp phún xạ laser xung. - Chế tạo màng siêu dẫn GdBa2Cu3O7- δ bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn. 5. Dự kiến đóng góp mới - Tìm ra phƣơng pháp chế tạo vật liệu GdBa2Cu3O7-δ làm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. - Với việc nhận đƣợc kết quả mới, có tính hệ thống về một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản có định hƣớng ứng dụng thuộc chuyên ngành Khoa học Vật liệu. Góp phần đẩy mạnh một hƣớng nghiên cứu mới trong lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao. 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Sơ lƣợc về vật liệu siêu dẫn và ứng dụng Có thể nói việc hóa lỏng heli đã là tiền đề cho sự phát minh ra siêu dẫn. Sau nhiều năm nghiên cứu, năm 1914 hiện tƣợng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn đƣợc phát hiện và trong năm đó, Kamerlingh Onnes đã chế tạo đƣợc nam châm siêu dẫn. Năm 1933, hai nhà khoa học Meissner và Ochsenfeld đã công bố rằng: chất siêu dẫn khi làm lạnh trong từ trƣờng dƣới nhiệt độ chuyển pha thì các đƣờng cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài. Hiệu ứng này đƣợc mang tên là hiệu ứng Meissner. Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1979, các chất siêu dẫn đƣợc tìm ra đều có nhiệt độ chuyển pha không vƣợt quá 24 K và chất lỏng hêli vẫn là môi trƣờng duy nhất đƣợc dùng để nghiên cứu hiện tƣợng siêu dẫn. Năm 1986, J.G.Bednorz và K.A.Muller đã tìm ra hiện tƣợng siêu dẫn có trong chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng nhiệt độ nitơ lỏng và cho thấy một cách rõ ràng hơn về siêu dẫn nhiệt độ cao. Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn đã bắt đầu một hƣớng mới – đó là siêu dẫn nhiệt độ cao. Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành vật lý siêu dẫn. Nó đánh dấu sự phát triển vƣợt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn. Ỏ đây, siêu dẫn đƣợc hiểu nhƣ là một trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt chất siêu dẫn trong từ trƣờng, từ trƣờng còn bị đẩy ra khỏi nó. Về mặt lý thuyết thì năm 1957, các nhà khoa học Barden, Cooper và Schriffer đƣa ra lý thuyết vi mô, đƣợc gọi là lý thuyết BCS đã giải thích đƣợc tất cả các tính chất cơ bản của chất siêu dẫn. Về mặt thực tiễn thì những vật liệu này đƣợc sử dụng để chế tạo các nam châm điện cực mạnh, dùng trong các thiết bị ảnh hóa cộng hƣởng từ tính (MRI), 3 tàu điện từ maglev và các thiết bị tạo từ trƣờng hình xuyến Tokamak trong các lò phản ứng hạt nhân. Trong tƣơng lai vật liệu siêu dẫn còn có thể đƣợc dùng để tăng hiệu suất cho các lƣới điện bằng khả năng truyền dẫn một lƣợng điện rất lớn với tỉ lệ thất thoát rất thấp (P = I2R  0). J.B.bednorz K.A.muller Hình 1.1. Hai nhà khoa học tìm ra vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên Bảng 1.1: Một số chất siêu dẫn điển hình Tên vật liệu Nhiệt độ chuyển Năm phát minh pha siêu dẫn (TC) K Y(Re)-Ba-Cu-O 80-90 1987 TI-Ba-Ca-Cu-O 115-125 1988 Hg-Ba-Ca-cu-O 90-161 1993 Ba-Ca-Cu-O 126 1996 Bi-Ba-Ca-Cu-O 126-130 1997 Từ bảng 1.1 ta thấy, các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao là những hợp chất chứa đồng (Cu) và oxy (O). Một số lý thuyết tập chung vào mối liên kết đặc biệt giữa các nguyên tử đồng và oxi tạo nên các mặt CuO2 và các chuỗi Cu trong cấu trúc tinh thể, là mạch nối cho nhƣng lý thuyết về cơ chế của các siêu dẫn nhiệt 4 độ cao không chứa đồng. một nhà nghiên cứu về siêu dẫn đã phát biểu nhƣ sau: “ Siêu dẫn đã mở ra kỷ nguyên mới giống nhƣ Laser và bóng bán dẫn, nó có thể sản sinh ra toàn bộ một nền công nghiệp mới hoặc chí ít cũng là một khâu cơ bản của nhiều ngành công nghiệp hiện đại trên thế giới”. Hiện nay các nhà khoa học thực nghiệm về vật lý và vật liệu đã và đang nghiên cứu để tìm ra các chất siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao hơn, nhằm mục đích ứng dụng trong khoa học kĩ thuật và đời sống. Mới đây các nhà nghiên cứu đến từ đại học Cambridge đã tạo ra một loại vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao với khả năng tạo ra một từ trƣờng có độ lớn 17,6 Tesla, phá vỡ kỷ lục đƣợc thiết lập trong phòng thí nghiệm này cách đây một thập kỉ. Điều này sẽ là một bƣớc tiến quan trọng nhằm đƣa vật liệu siêu dẫn đến gần với các ứng dụng thực tế nhƣ chế tạo các lƣới điện thông minh quy mô lớn và bánh đà lƣu trữ năng lƣợng. Từ trƣờng lớn là yếu tố thiết yếu ảnh hƣởng đến hiệu quả dẫn điện của vật liệu. Để đạt đƣợc kỷ lục này các nhà khoa học thuộc khoa kỹ thuật của đại học Cambridge đã sử dụng một mẫu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao với thành phần hợp thức là GdBCO. Hình 1.2. Phòng thí nghiệm trường đại học Cambridge Một ví dụ là máy gia tốc hạt Large Hedron Collider hiện đang dùng hệ thống cáp điện dài 10km có lõi bằng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao chứa đồng. 5 Hình 1.3. Máy gia tốc hạt Large Hedron Và bằng cách gia cố GdBa2Cu3O7-δ với một thép không ghi dày 3mm và điều chỉnh cấu trúc micro của vật liệu để tăng hiệu quả truyền dẫn điện nhiệt, kết quả là vật liệu vốn rất giòn nhƣ gốm nhƣng lại có khả năng chịu đƣợc một lực tƣơng đƣơng 3 tấn. Tính siêu dẫn tồn tại ở nhiều kim loại, hợp kim, hợp chất. Tuy nhiên tính siêu dẫn tồn tại trong các chất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: áp suất, độ sạch của vật liệu, môi trƣờng….Trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, tính siêu dẫn còn phụ thuộc vào quy trình công nghệ tạo mẫu, nhiệt độ nung... Ngày nay, chất siêu dẫn đƣợc ứng dụng rông rãi trong đời sống cũng nhƣ trong sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và kĩ thuật sản xuất. 1.2. Các thông số tới hạn của vật liệu siêu dẫn 1.2.1. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Năm 1911, kamerlingh Onnes đã khỏa sát điện trở của những kim loại khác nhau trong vùng nhiệt độ hêli. Khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân (Hg) trong sự phụ thuộc nhiệt độ, ông đã quan sátđƣợc rằng: điện trở của Hg ở trạng thái rắn trƣớc điểm nóng chảy cỡ 234K (-390C) là 37,7Ω, trong trạng thái lỏng tại 00C cỡ (273K) có giá trị là 172,7Ω, tại gần 4K có giá trị là 8.10-2Ω và tại T~ 3K có giá trị nhỏ hơn 3.10-6Ω. Nhƣ vậy có thể coi là ở nhiệt độ T < 4K điện trở của Hg biến mất (hoặc xấp xỉ bằng 0). 6 Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất đƣợc gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu là TC). Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thƣờng sang trạng thái siêu dẫn. Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng 0 đƣợc gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu là ∆T). Ví dụ độ rộng chuyển pha của Hg là ∆T = 5.10-2K. Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu, và công nghệ chế tạo chất siêu dẫn. 1.2.2. Từ trường tới hạn Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trƣờng đến một giá trị xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dƣới tác dụng của từ trƣờng đã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thƣờng. Giá trị xác định này đƣợc gọi là từ trƣờng tới hạn hoặc từ trƣờng tới hạn nhiệt động (HC). Từ trƣờng tới hạn HC là hàm của nhiệt độ T và hàm đó đƣợc mô tả gần đúng nhƣ sau:   H c  H 0 1   T   Tc    2    Với H0 là từ trƣờng tại T = 0 và tại T = TC thì HC (TC) = 0 7 Đƣờng cong ngƣỡng HC Trạng Trạng thái thái thƣờng siêu TC (a) (b) Hình 1.4. Sự phụ thuộc của Hc vào nhiệt độ (a) trên lý thuyết và (b) thực nghiệm Trên hình 1.4(a) xuất hiện đƣờng cong ngƣỡng, đƣờng này chính là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thƣờng. Bên trong đƣờng cong ngƣỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên ngoài đƣờng cong ngƣỡng là trạng thái thƣờng. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của Hc vào nhiệt độ trong trạng thái siêu dẫn của một số vật liệu đƣợc trình bày trên hình 1.4(b) 1.2.3. Mật độ dòng điện tới hạn Dòng cực đại đạt đƣợc trong trạng thái siêu dẫn đƣợc gọi là dòng tới hạn. Nói cách khác dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi điện trở của chất siêu dẫn đƣợc xem nhƣ bằng không. Dòng tới hạn đƣợc ký hiệu là IC. Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên đã phát hiện ra rằng: Nếu trong dây siêu dẫn có một dòng I lớn hơn dòng tới hạn IC chạy qua thì trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ. Đó là hiệu ứng dòng tới hạn. 8 Năm 1916, Silsbee đã làm sáng tỏ hiện tƣợng này. Ông cho rằng vai trò quyết định để đƣa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thƣờng trong hiệu ứng dòng tới hạn không phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ trƣờng do dòng I sinh ra trong dây dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu dẫn. Điều này có bản chất giống nhƣ hiệu ứng Meissner. Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu dây siêu dẫn tròn có đƣờng kính a, dòng trong dây siêu dẫn là I > IC thì mối quan hệ giữa từ trƣờng tới hạn và các đại lƣợng I và a sẽ là: HC = Công thức này đƣợc gọi là công thức Silsbee. Công thức này chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tƣởng). Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đều không thỏa mãn hệ thức Silsbee (còn gọi là các chất siêu dẫn không lý tƣởng). Ngoài khái niệm dòng tới hạn IC thông thƣờng, ngƣời ta còn dùng khái niệm mật độ dòng tới hạn JC để thay khái niệm dòng tới hạn. Đó là giá trị dòng tới hạn IC trên một đơn vị diện tích bề mặt vật mẫu. Đơn vị thƣờng dùng cho đại lƣợng này là A/cm2, giá trị JC phụ thuộc rất mạnh vào từ trƣờng và đƣờng kính của dây siêu dẫn. Thực nghiệm cho thấy rằng dòng tới hạn có liên quan đến độ lớn của từ trƣờng tới hạn HC. Các dòng trong chất siêu dẫn đều chạy trên bề mặt bên trong đoạn đƣờng thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh từ một vài giá trị Ja ở bề mặt. Trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ nếu mật độ dòng siêu dẫn vƣợt quá một giá trị xác định, đó là giá trị mật độ dòng tới hạn JC. Thông thƣờng, có hai sự đóng góp vào dòng điện chạy trên bề mặt chất siêu dẫn. Một là dòng điện chạy dọc theo dây siêu dẫn từ nguồn bên ngoài nhƣ pin, acquy và đƣợc gọi là “dòng truyền” vì nó truyền điện tích vào và ra khỏi dây. Hai là nếu dây dẫn dặt trong từ trƣờng, các dòng chắn sẽ bao quanh để hủy các đƣờng từ thông ở bên trong kim loại. Các dòng chắn này chồng lên trên 9 dòng truyền và ở nhiều điểm, mật độ dòng J có thể xem nhƣ là tổng các thành phần Ji, do dòng truyền và thành phần JH đƣợc làm tăng lên từ các dòng chắn nên: J = Ji + JH Có thể dự đoán rằng siêu dẫn sẽ bị phá vỡ nếu độ lớn của tổng mật độ dòng J ở các điểm vƣợt quá mật độ dòng tới hạn JC. Nếu tổng dòng điện chạy trên chất siêu dẫn là đủ lớn thì mật độ dòng ở bề mặt đạt đến giá trị tới hạn JC và độ lớn từ trƣờng tham gia ở bề mặt sẽ có giá trị là HC. Ngƣợc lại từ trƣờng có độ lớn HC ở bề mặt luôn luôn kết hợp với mật độ dòng siêu dẫn mặt JC. Từ đó ta đƣa ra giả thuyết:  Chất siêu dẫn bị mất đi điện trở không của nó khi mà tổng độ lớn từ trƣờng đặt vào vƣợt quá độ lớn từ trƣờng tới hạn HC tại các điểm trên bề mặt của nó.  Giá trị cực đại của dòng truyền dọc theo một nguyên tố siêu dẫn không có điện trở chính là dòng tới hạn của nguyên tố đó. Rõ ràng rằng từ trƣờng đặt vào chất siêu dẫn càng lớn thì dòng tới hạn của nó càng nhỏ.  Nếu không có từ trƣờng đặt vào, mà chỉ có từ trƣờng đƣợc sinh ra do các dòng truyền, thì dòng tới hạn sẽ là dòng sinh ra độ lớn từ trƣờng tới hạn HC ở bề mặt vật dẫn là trƣờng hợp dặc biệt của giả thuyết Silsbee. Có thể thấy rằng độ lớn của từ trƣờng tới hạn HC phụ thuộc vào nhiệt độ, nó giảm đi khi nhiệt độ tăng lên và trở thành 0 tại nhiệt độ chuyển pha TC. Điều này chứng minh rằng mật độ dòng tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ và giảm đi ở những nhiệt độ cao hơn. Ngƣợc lại, nếu chất siêu dẫn tải dòng điện, thì nhiệt độ chuyển pha của nó sẽ hạ xuống thấp. 1.3. Các tính chất ƣu thế của GdBa2Cu3O7-δ so với YBa2Cu3O7-δ Cấu trúc và vi cấu trúc của hai chất GdBCO và YBCO là giống nhau, chỉ có bán kính ion là khác nhau: của ion Y3+ là 1,019 A và ion Gd3+ là 1,053 Aº. Kết quả này cho thấy các cation của Gd và Ba dễ dàng gây ra sự mất trật tự hơn là các cation của Y và Ba bởi vì bán kính từ ion Gd3+ tới ion Ba2+ là 1,35 Aº thì 10 gần hơn là tới ion Y3+. Kết quả này cũng cho thấy sự trật tự hơn về cấu trúc của YBCO so với GdBCO. Từ một cation nhỏ hơn bán kính dẫn đến sự trật tự hơn, cấc thông số mạng cũng có sự khác biệt nhỏ. Thông số mạng của YBCO là: a = 3,817, b = 3,883 và c = 11,633 (A còn của GdBCO là: a = 3,859, b = 3,885 và c = 11,759 (A . Nhiệt độ chuyển pha TC của GdBCO thì cao hơn của YBCO. Đó có thể là một lý do tại sao mật độ dòng tới hạn JC và từ trƣờng tới hạn HC của GdBCO cao hơn của YBCO ở 77K. Trong ba thông số tới hạn trên, Tc có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế tạo, nghiên cứu vật liệu siêu dẫn do hai thông số còn lại, H c và Jc luôn phụ thuộc vào Tc. Do đó, việc chế tạo màng GdBCO có Tc đủ lớn là bƣớc đầu tiên trong chuỗi nghiên cứu vật liệu siêu dẫn này. Trong bản khóa luận, chúng tôi sẽ tiến hành thí nghiệm, nghiên cứu để tìm ra điều kiện tối ƣu chế tạo đƣợc màng GdBCO có Tc cao. 11 Chƣơng 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu siêu dẫn GdBa2Cu3O7-δ 2.1.1. Chế tạo mẫu gốm GdBa2Cu3O7-δ bằng phản ứng pha rắn 2.1.1.1. Phản ứng pha rắn Trong hệ bậc ba CuO-BaO-Gd2O3 tạo thành nhiều hợp chất trong đó hợp chất có tỷ lệ nguyên tử Gd : Ba : Cu = 1 : 2 : 3 là quan trọng nhất. Vì tính siêu dẫn phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái oxi hóa của đồng. Do đó, điều kiện khí quyển khi nung đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Để tổng hợp pha gốm 1 : 2 : 3 thì chuẩn bị nguyên liệu ban đầu gồm oxit đồng, gadin oxit , cacbonat bari theo đúng hợp thức, tiến hành đồng nhất nguyên liệu bằng cách xay trộn thật kỹ sau đó ép viên rồi nung trong khí quyển oxi. Để thu đƣợc sản phẩm đơn pha thì phải tiến hành giai đoạn này vài ba lần. Sau khi đã thu đƣợc sản phẩm đơn pha dƣới dạng bột mới tiến hành tạo hình bằng cách ép dƣới áp lực cao và kết khối. Phản ứng hóa học đầu tiên diễn ra khi thực hiện các chất siêu dẫn oxit gadolinium-bari-đồng là: 0.5Gd2O3 + 2BaCO3 + 3CuO = GdBa2Cu3O6.5 + 2CO2 Để có đƣợc tỷ lệ chính xác của các thành phần bắt đầu thì tỷ lệ phân tử phải chính xác. Vì tất cả các nguyên tử và phân tử có trọng lƣợng khác nhau nên tỷ lệ trọng lƣợng của các nguyên tử và phân tử phải đƣợc biết trƣớc tỷ lệ trọng lƣợng chính xác của các loại bột hóa học có thể tính toán đƣợc. Trọng lƣợng phân tử của một hợp chất là khối lƣợng của một hợp chất, tính bằng gam và nó chứa 6,02.1023 nguyên tử . Trọng lƣợng phân tử của một hợp chất có thể dễ dàng tính toán bằng cách cộng khối lƣợng nguyên tử cấu thành của nó. Ví dụ, công thức hoá học oxit gadolinium là Gd2O3, nghĩa là mỗi phân tử của oxit gadolinium có hai nguyên tử của gadolin và ba nguyên tử oxy. 12 Trọng lƣợng nguyên tử của oxit gadolin là 362,5 gram.Hay nói cách khác, 362,5 gram gadolin chứa 6,02.1023 nguyên tử. Trọng lƣợng nguyên tử oxy là 15,9994. Đối với Gd2: 2. 362,5 = 725 Đối với O3: 3. 15,9994 = 47,9982 Trọng lƣợng phân tử của Gd2O3 = 772,9982 Vì vậy 772,9982 gram oxit gadolinium chứa 6,02. 1023 phân tử. Vì trọng lƣợng nguyên tử của bari là 137,33 và trọng lƣợng nguyên tử của carbon là 12,011, trọng lƣợng phân tử của bari cacbonat tính toán đƣợc là 197,35. Vì trọng lƣợng nguyên tử của đồng là 63,546, trọng lƣợng phân tử của oxit cupric là 63,546 + 15,9994 = 79,5454. Do đó tỷ lệ thích hợp cho các phản ứng hóa học mong muốn là: 0,5 .722,9982 = 386,4991 gam Gd2O3 2 .197,35 = 394,7 gam BaCO3 3 .79,5454 = 238,6362 gam CuO Khi các trọng số là tỷ lệ chính xác, thì có thể tất cả sẽ đƣợc nhân hay chia bởi bất kỳ số lƣợng để có đƣợc sự thuận tiện hơn trong các tỷ lệ thích hợp. Bằng cách phân chia bằng 10 (và làm một số việc làm tròn số), chúng ta có đƣợc những trọng lƣợng: 38,64991 gam oxit gadolinium 39,47 gam bari cacbonat 23,86 gam oxit đồng Khi đã tính đƣợc khối lƣợng từng chất, ta bắt đầu đi vào quá trình chế tạo mẫu siêu dẫn bằng phản ứng pha rắn. Qúa trình này gồm bốn giai đoạn: trộn các chất, nung, nung trung cấp (tôi luyện oxy),ủ oxy. 2.1.1.1.1.Trộn các chất Hỗn hợp các chất Gd2O3, BaCO3, CuO đƣợc trộn với nhau hình thành một loại bột màu xám. Do trang thiết bị trong phòng thí nghiệm khiêm tốn nên 13 phƣơng pháp lần đầu tiên sử dụng là dùng một cái cối và chày để nghiền mịn và trộn đều các loại bột hóa chất, sau đó lắc trộn mạnh mẽ trong một bình kín trong vài phút (Trộn trong một túi nhựa kín cũng là một phƣơng pháp pha trộn hoàn toàn khả thi, đặc biệt là nếu hóa chất bắt đầu của bạn là sần, nhƣng nó là tốt nhất để lắc chúng triệt để trong một cái bình vào cuối của quá trình pha trộn của bạn). Mục đích cuối cùng của toàn bộ quá trình này là kết hợp các hợp chất bắt đầu ở cấp độ phân tử. Có một sự thật là việc trộn khô hóa chất là một quá trình khó khăn. Đầu tiên ta phải sử dụng một mặt nạ bụi để tránh hít bất kỳ của bột hóa chất. Sau đó các hóa chất phải đƣợc trộn lẫn với tỷ lệ thích hợp mà ta đã tính toán ở phần trên. Một lƣu ý quan trọng về nhiệt độ: Nhiệt độ lò nêu ở đây là nhiệt độ nhƣ chúng thƣờng đo đƣợc trên các chỉ số nhiệt độ của lò. Trong hầu hết các trƣờng hợp, cảm biến nhiệt độ đƣợc đặt trong buồng lò cao hơn các mẫu mà bạn đang bắn. Do đó, nhiệt độ chỉ định sẽ cao hơn nhiệt độ thực tế của vật liệu. Nếu các cảm biến nhiệt độ trong lò của bạn đang ở mức độ tƣơng tự nhƣ các vật liệu bị sa thải, thì nhiệt độ tối đa không bao giờ đƣợc phép vƣợt quá 980 độ C. 2.1.1.1.2. Nung sơ cấp Đối với quá trình nung sơ cấp, hỗn hợp đƣợc xử lý ở nhiệt độ 9000C trong khoảng 24 giờ. Xử lí nhiệt lần đầu tiên này đƣợc thực hiện để tạo thành hỗn hợp có cấu trúc GdBa2Cu3O6.5 và loại bỏ đƣợc CO2 từ BaCO3. Sau đó thu đƣợc một hỗn hợp có màu đen hoặc màu xám. Hỗn hợp dạng bột này đƣợc nghiền cơ học trong 1 giờ và tiếp tục nung nhƣ trên. Quá trình nung/nghiên này đƣợc lặp lại ba lần để gia tăng tính đồng đều của vật liệu. 2.1.1.1.3. Ủ nhiệt Sau quá trình nung sơ cấp, hỗn hợp bột đƣợc nghiền mịn và ép thành bia có đƣờng kính 2.54 cm (1 inch) và tiến hành nung trung cấp (tôi luyện oxy). Nhiệt 14 độ nung lần này cao hơn, 950oC. Nhiệt độ trên 1000oC có thể phá hủy các cấu trúc tinh thể. Sau khi hỗn hợp đã làm nóng trong lò ít nhất 18 giờ ở 950oC, ta giảm nhiệt độ lò xuống 600oC với tốc độ 100oC/giờ. Khi nhiệt độ của lò ổn định ở 600oC, oxy sẽ đƣợc thổi qua, quá trình ủ nhiệt này kéo dài 15 giờ để cung cấp lƣợng oxy cần thiết cho sự tạo pha siêu dẫn. Quá trình làm nguội từ 600oC xuống nhiệt độ phòng đƣợc tiến hành chậm với tốc độ  100oC/giờ. Khi nhiệt độ lò đạt 300oC, ta sẽ tắt oxy. 2.1.1.1.4. Ủ cuối cùng Các mẫu sản phẩm đƣợc nghiền triệt để và để trong đĩa nhôm. Độ dày lớp bột phù hợp với độ dày cần đạt cuối cùng. Đối với quá trình xử lí nhiệt cuối cùng này nhiệt độ ủ phải đạt 950-10000C trong 18 giờ. Nhiệt độ cao hơn là tốt hơn nhƣng không đƣợc vƣợt quá 10000C . Khi nhiệt độ lớn hơn 10000C cơ nguy cơ phá hủy cấu trúc tinh thể và làm chúng bám vào đĩa nhôm. Chú ý: Qúa trình làm mát phải đƣợc diễn ra chậm và có sự lƣu thông khí đầy đủ tỉ lệ làm mát không đƣợc quá 1000C mỗi giờ đặc biệt trong ngƣỡng nhiệt độ quan trọng 750-4000C. Cần chú ý đặc biệt khi làm mát 900-3000C sao cho lƣợng oxy cung cấp vào đầy đủ. Khi nhiệt độ trên 900 0C thì không cần chú ý nhiều đến lƣu lƣợng oxy, nhƣng lƣu lƣợng oxy phải cung cấp đầy đủ trong thời gian xả lạnh. Nếu không khí trong lò không phải oxy thì trong cấu trúc tinh thể sẽ mất đi oxy. 2.1.2. Chế tạo màng siêu dẫn nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7-δ bằng phương pháp lắng đọng laze xung 2.1.2.1. Quy trình chế tạo vật liệu siêu dẫn bằng phương pháp lắng đọng laze xung ( nguyên lí PLD) 15 Hình 2.1. Sơ đồ hệ lắng đọng xung laze Kĩ thuật cắt laze là một kĩ thuật chế tạo vật liệu mà biết dến khi phát hiện ra laze năm 1960 kể từ đó nó đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực. Ngay lập tức hàng loạt các nghiên cứu về lí thuyết và thực nghiệm của kĩ thuật này đƣợc tiến hành. Và vài năm sau đó ngƣời ta đã chứng minh rằng laze cƣờng độ cao có thể sử dụng trong lắng đọng màng mỏng. Các ứng dụng cắt đốt bằng laze xung đƣợc gọi là phƣơng pháp laze xung(PLD) . Trong hai thập kỉ tiếp theo phún xạ laze xung dung để phân tích các vật liệu khác nhau nhƣng sự phát triển rất chậm. Cho đến năm 1986 khi vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đƣợc tìm ra thì ứng dụng của PLD là rất lớn. Hình trên mô tả cấu trúc của laze bằng xung lắng đọng. Laze xung là phƣơng pháp bốc bay gián đoạn. Chùm laze công suất lớn bắn lên bia, bốc bay một vùng mỏng bề mặt bia, hình thành pha hơi của vật liệu. Vùng hóa hơi chỉ sâu khoảng vài trăm đến 1000A0.Khi ấy bề mặt của bia hình thành một khối plasma hình elip. Tốc độ đặc trƣng của các phân tử bốc bay đạt giá trị khoảng 3.105 cm/s, tƣơng ứng với động năng 3 eV 16 Trong kĩ thuật PLD, pha hơi đƣợc hình thành tại vùng mỏng trên bề mặt bia. Khối lasma hình elip đƣợc tạo thành trên chuông chân không cao. Trong thực tế thì quá trình này phức tạp hơn nhiều so với lí thuyết. Các đám mây hạt sẽ hấp thụ một lƣợng lớn năng lƣợng của chùm tia laze tạo sự mở rộng plasma nóng thông qua buồng lắng đọng. Màng mỏng đƣợc hình tành sau khi đƣợc chiếu hàng trăm hàng ngàn xung laze và lắng đọng trên bề mặt đế. Xung laze có mật độ năng lƣợng [ J/cm2] là một trong những thông số quan trọng. Khi mật độ năng lƣợng lớn quá trình bốc bay diễn ra nhanh chóng, những cân bằng hóa học xảy ra nhanh chóng trong chân không. Trong màng oxide, ôxy là chất nền phổ biến nhất.Các thông số( áp suất khí nền, nhiệt độ về mặt, mât độ năng lƣợng laze) là những thông số ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình chế tạo. Tỷ lệ màng mỏng do ảnh hƣởng các thông số và khoảng cách bia đến chất nền. Nói chung, quá trình bốc bay bằng tia laze chia làm ba giai đoạn: - Tƣơng tác bức xạ laze với bia và hình thành khối plasma trên bề mặt - Khối plasma đƣợc mở rộng tới đế - Vật liệu đƣợc chuyển tới và lắng đọng trên bề mặt đế. Hình 2.2. Các giai đoạn chính của quá trình lắng đọng laze xung 2.1.2.2. Tương tác bức xạ laze với bia Sự tƣơng tác giữa các xung laser phụ thuộc mạnh vào cƣờng độ của chùm tia laser đến. Trong PLD, cƣờng độ chùm laze vào khoảng 10 8-109W/cm2 tƣơng ứng với độ dài của một vài nano giây. Vì vậy, có đủ thời gian cho các xung để 17 hấp thụ, làm nóng bề mặt bia. Có rất nhiều cơ chế khác nhau qua đó năng lƣợng có thể đƣợc chuyển giao cho bia. Các cơ chế có tầm quan trọng rất lớn nếu chùm tia đến bao gồm hạt lớn nhƣ các ion. Trong trƣờng hợp của photon, chuyển tối đa năng lƣợng (E2) là không đáng kể nhƣ ngƣời ta có thể nhìn thấy từ phƣơng trình sau: Trong phƣơng pháp phún xạ nhiệt, tia laze hấp thụ làm nóng bề mặt bia làm vặt liệu tan ra và bốc bay. Phún xạ nhiệt đƣợc coi là cơ chế chủ yếu của laze và bia. Khi là photon chiếu đến bia tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Sau khoảng thời gian vài pico giây năng lƣợng đƣợc truyền đến mạng tinh thể và trong vòng vài nano giây cân bằng các điện tử và mạng tinh thể đạt đƣợc. Trong cùng một thời gian thì nhiệt độ ảnh hƣởng đến phún xạ nhiệt. Bƣớc song laze tác động đáng kể đến năng suất cắt bỏ hạt. Thông thƣờng laze có bƣớc song ngắn (UV) đƣợc sử dụng nhiều hơn do khi sử dụng các bƣớc sóng ngắn các phản xạ của vật liệu thấp hơn nhiều bứ xạ hồng ngoại. Khi phản xạ giảm một phần lớn xung laze đƣợc hấp thụ cũng lớn hơn trong vùng UV nhƣ vậy năng lƣợng hấp thụ hiệu quả cao. 2.1.2.3. Khối plasma được mở rộng tới đế Các vật liệu bốc hơi từ bia do đó một phần nguyên tử sẽ bị ion hóa. Ngoài ra các đám mây hạt sẽ hấp thụ năng lƣợng của chùm laze và bị ion hóa hơn. Cuối cùng plasma ion hóa hoàn toàn hình thành vùng lân cận(50μm) của bia.Các plasma sẽ mở roojngra xa bia, phần nhìn thấy đƣợc của các chùm hạt là phần cắt bỏ. Các chùm hạt bao gồm: nguyên tử trung tính, điện tử, các ion. Hơn nữa các hợp chất khác nhau đƣợc quan sát gần bề mặt bia. Ánh sáng nhìn thấy đƣợc là do quá trình phát quang và tổ hợp trong plasma . 18 2.1.2.4. Vật liệu được chuyển tới và lắng đọng bề mặt đế Đây là bƣớc quan trọng để quyết định tính chất màng. Năng lƣơng lớn có thể dễ làm hƣ hỏng bề mặt đế. Màng mỏng phát triển sau khi vùng nhiệt hóa đƣợc hình thành. Khi tốc độ ngƣng tụ cao hơn tốc độ phún xạ điều kiện cân bằng nhiệt có thể đạt đƣợc, màng sẽ phát triển nhanh chóng trên bề mặt đế. Sự phát triển màng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: mật độ, năng lƣợng, tốc độ ion hóa, nhiệt độ áp suất oxy cũng nhƣ là tính chất hóa lí của đế. Kĩ thuật PLD có ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng pháp khác với năng suất bốc bay cao, màng mỏng đƣợc hình thành với cấu trúc và thành phần đúng hợp thức của bia. Qúa trình bốc bay xảy ra nhanh đến mức sự phân hủy các thành phần hóa học không kịp hình thành. Tốc độ mọc màng cao, khoảng 10nm/phút và có khả năng chế tạo màng mỏng đa lớp. Tuy nhiên kĩ thuật PLD có một số nhƣợc điểm: - Khối plasma đƣợc tạo ra hƣớng thẳng về phía đế, không mở rộng ra vùng không gian xung quanh, nên chiều dày của màng mỏng không đồng nhất, thành phần cấu tạo có thể thay đổi theo chiều dài của đế. Diện tích của vật liệu lắng đọng khá nhỏ, khoảng 1 cm2. - Thiết bị có giá thành cao, do nguồn khí sử dụng tạo laser là khí hiếm, điện áp cần để tạo xung laser rất lớn, có thể đến 30 kV. - Năng lƣợng xung không ổn định, suy hao trong quá trình truyền dẫn và theo thời gian. Ngoài ra, tia laser sử dụng trong quá trình bốc bay còn nguy hiểm đối với ngƣời sử dụng. 2.1.2.5. Tối ưu hóa điều kiện chế tạo Phƣơng pháp PLD phụ thuộc vào năng lƣợng tia laser, nhiệt độ và áp suất oxy. Trong khóa luận của mình em giữ nguyên năng lƣợng chùm laser ở 250 mJ và áp suất ở 200 mTorr. Nhiệt độ đế thay đổi theo các giá trị sau 740, 760, 780, 800oC, 820oC . Màng GdBCO đƣợc chế tạo trên đế SrTiO3 (STO) do GdBCO và STO cùng có cấu trúc dạng perovskite . Độ dày của các mẫu đƣợc khống chế 19 ~ 300 nm bằng cách cố định khoảng cách từ bia đến đến là 4.5 cm, tần số xung laser là 8 Hz và thời gian tạo mẫu 15 phút.. Qua đó ta sẽ thấy đƣợc sự thay đổi của Tc và tìm ra nhiệt độ tối ƣu cho mẫu có Tc lớn nhất. 2.2. Phân tích màng siêu dẫn nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7-δ 2.2.1. Tính chất cấu trúc 2.2.1.1. Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) Cấu trúc tinh thể của nguyên tử GdBCO đƣợc nghiên cứu bằng các sử dụng hệ thống nhiễu xạ Xray (XRD). Nhiễu xạ xảy ra khi X-quang chiếu tới mẫu bị tán xạ trong các trƣờng hợp và phù hợp với định luật Bragg (nλ = 2dsinθ). Hình ảnh nhiễu xạ thu đƣợc bằng các cƣờng độ sóng khác nhau, cƣờng độ sóng rất mạnh. Bộ nhiễu xạ tia X bao gồm các dụng cụ 1 nguồn tia X, máy dò, mẫu vật trên máy đo góc. Các tinh thể đƣợc định hƣớng bằng cách quét các góc khác nhau để xác định các mặt của màng mỏng. Điều này đạt đƣợc bằng cách thiết lập các nguồn tia X ( tƣơng ứng với số d khoảng cách) và cho phép máy dò đi qua phạm vi nhất định của góc toàn độ rộng ở nửa cực đại đƣợc đo. Mặt khác góc quét xác định sự liên kết trong mặt phẳng của màng. Một con số lớn đƣợc đo tại góc tán xạ của đỉnh( khoảng cách d không đổi) bao gồm hoàng loạt góc quét(quay quanh tâm mẫu) tại góc nghiêng khác nhau. 2.2.1.2. Phép đo kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hình thái bề mặt của màng GdBCO sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM . Trong một SEM mẫu đƣợc tạo thành bằng cách sử dụng một chùm tia năng lƣợng cao của electron. Các electron đƣợc sản xuất bởi các sung điện từ hút về cực dƣơng. Trên đƣờng đi các electron đƣợc chuẩn trực của một ống kính và bình ngƣng tụ sau đó tập trung vào vật kính. Cuộn dây đƣợc sử dụng để quét chùm electron va chạm với bề mặt electron đƣợc phát ra và các electron phát xạ đƣợc thu vào ống katốt. 20 Mặt khác dùng thang đo có gƣơng với một đàu ngởn cuối để quét bề mặt mẫu. Sự tƣơng tác các nút với bề mặt làm lệch hƣớng thƣờng đo cách sử dụng laze phản xạ từ bề mặt của giá đỡ thành mảng của điốt. 2.2.2. Tính chất siêu dẫn Để kiểm tra tính chất siêu dẫn của mẫu, ta sử dụng phép đo bốn mũi dò. Trong phƣơng pháp này, Vôn kế và Ampe kế đƣợc mắc riêng biệt nhƣ hình 2.3. Hình 2.3. Sơ đồ bố trí Vôn kế và Ampe kế trong phép đo 4 mũi dò Trên sơ đồ ta thấy, hai mũi (1) và (4) đo dòng đặt vào, hai mũi (2) và (3) đo thế hiệu hai đầu điện trở. Với cách bố trí nhƣ vậy, ta đã loại đƣợc thành phần điện trở của hai đầu dò đo dòng vào điện trở tổng cộng. Ta sẽ tính toán thành phần điện trở của hai đầu dò đo thế theo mạch điện hình Hình2.4. Sơ đồ phân bố dòng điện, điện trở thành phần trong mạch điện phép đo 4 mũi dò 21 Gọi đoạn mạch AB là đoạn mạch đo thế hiệu giữa hai đầu điện trở R s, theo tính chất điện trở của đoạn mạch mắc song song ta có R1 = RV + Rp2 + Rcp2 + Rsp2 + Rp3 + Rcp3 + Rsp3 R2 = Rs với R1 và R2 lần lƣợt là điện trở của đoạn mạch chứa Vôn kế và điện trở của đoạn mạch chứa điện trở Rs cần đo. Dòng điện qua đoạn mạch AB: I = I1 + Is với I1 là dòng qua Vôn kế và Is là dòng qua Rs. Thế hiệu ở hai đầu đoạn mạch chứa VA2B = VASB Nhƣ vậy, nếu I1 rất nhỏ (để sụt thế không đáng kể khi dòng chạy qua các thành phần điện trở) nên I ≈ Is. Để làm đƣợc điều này, ngƣời ta luôn mắc Vôn kế có trở kháng cao, khi đó số chỉ Vôn kế sẽ xấp xỉ thế hiệu ở hai đầu Rs. Áp dụng định luật Ôm theo công thức V = IR hoặc R = V/I, ta sẽ tính đƣợc giá trị Rs. 22 Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất cấu trúc của màng siêu dẫn GdBCO 3.1.1. Cấu trúc tinh thể Cấu trúc tinh thể của các mẫu đƣợc khảo sát tại nhiệt độ phòng sử dụng một nhiễu xạ tia X Siemens D5005 với bƣớc song Cu. Đối với các mẫu đã đƣợc sử dụng phép đo này, bao gồm các mẫu vật liệu ban đầu đƣợc chế tạo tại các nhiệt độ T = 7400C, 7800C, 8000C, 8200C. Giản đồ nhiễu xạ tia X thu đƣợc trên các mẫu vật liệu sau khi nung tại nhiệt độ T = 7400C, 7800C, 8000C, 8200C đƣợc trình bày trên hình 3.1. Từ hình vẽ ta thấy các mẫu vật liệu GdBCO đƣợc nung ở các nhiệt độ T = 7400C, 7800C, 8000C, 8200C đều xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ứng với các kí hiệu (00l) với l: 2 → 7, đƣợc tra trong bảng số liệu Xray chuẩn. Các đỉnh này tƣơng ứng với các mặt phẳng (00l) nên tất cả các mặt phẳng nguyên tử trong một ô cơ sở của mẫu GdBCO có xu hƣớng song song với nhau và đều vuông góc với trục c. Kết quả này cho ta thấy mẫu GdBCO chế tạo ở đây có tính chất định hƣớng theo trục c, việc không xuất hiện đỉnh Xray lạ bên cạnh các đỉnh (00l) chứng tỏ màng chế tạo không có tạp chất. Từ hình vẽ ta thấy ta thấy rằng ở nhiệt độ 8000C có cƣờng độ nhiễu xạ tia X lớn nhất, và đây có thể là nhiệt độ tối ƣu để chế tạo màng siêu dẫn GdBCO. 23 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu GdBa2Cu3O7-δ chế tạo tại các nhiệt độ 7400C, 7800C, 8000C, 8200C 24 3.1.2. Hình thái bề mặt mẫu Hình thái bề mặt của màng GdBCO đƣợc kiểm tra, nghiên cứu bằng cách sử dụng kính hiển vi quét SEM. Hình 3.3 cho ta ảnh SEM của mẫu chế tạo ở các nhiệt độ 7400C, 7800C, 8000C, 8200C có giản đồ nhiễu xạ tia X đã trình bày ở trên. 2µm 2µm (a) (b) 8200C 2µm 2µm (c) (d) Hình 3.2. Ảnh SEM của màng GdBCO ở các nhiệt độ 7400C (a), 7800C (b), 8000C (c) và 8200C (d). Quan sát ảnh SEM của các mẫu chế tạo tại bốn nhiệt độ khác nhau ta thấy: Tại nhiệt độ chế tạo thấp T =740oC (hình 3.2(a)), bề mặt mẫu không nhẵn, không đều. Bên cạnh những hạt có kích thƣớc lớn cỡ micro – hạt đặc trƣng của mẫu chế tạo bằng phƣơng pháp PLD, là sản phẩm thứ cấp của quá trình tƣơng 25 tác giữa laze với bia, bề mặt mẫu còn có nhiều dạng phân bố hình học ( hình vuông, hình chữ nhật, hình que ) nằm rải rác trên mặt mẫu. Các phân bố này sẽ song song với mặt phẳng (ab) khiến cho lớp bề mặt của mẫu không hoàn toàn định hƣớng theo trục c mà sẽ ngả dần sang định hƣớng theo mặt phẳng (ab). Kết quả là tính siêu dẫn của mẫu có thể bị giảm. Khi tăng nhiệt độ T = 780oC (hình 3.2(b)), hình dạng và kích thƣớc của các dạng phân bố hình học này giảm, thu lại thành những dạng hình kim, chứng tỏ phần bề mặt định hƣớng theo mặt phẳng (ab) đã giảm. Tại T = 800oC (hình 3.2(c)), bề mặt mẫu nhẵn, đều, ngoài ra có một số hạt cỡ 0,5µm đến 1µm ( do hệ PLD ) ta không thấy các dạng phân bố hình học nhƣ hai mẫu trƣớc. Kết quả này cho màng GdBCO hoàn toàn định hƣớng theo trục c. Tại T = 820oC (hình 3.2(d)), bề mặt mẫu bắt nhám trở lại và xuất hiện trạng thái nứt gãy bề mặt và các vùng vật liệu không hoàn toàn liên kết với nhau. Hiện tƣợng này có thể do nhiệt độ đế quá cao. Từ kết quả hình thái bề mặt, ta thấy T = 800oC là nhiệt độ tối ƣu để chế tạo màng GdBCO định hƣớng theo trục c. 3.2. Tính chất siêu dẫn Bằng phƣơng pháp 4 mũi dò ( Hai mũi dò đo V và hai mũi dò đo I ) ta có đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu ở các nhiệt độ 7400C, 7800C, 8000C, 8200C. Nhìn chung, từ đồ thị ta thấy ở vùng nhiệt độ cao trên 95 K, thì điện trở của mẫu có đặc trƣng kim loại. Khi T ~ 91 K, 92 K thì điện trở của mẫu đột ngột giảm đến nhiệt độ xác định TC ( R = 0 ). 26 Nhiệt độ chế TC ∆TC ( K) ( K) 780 89,2 2,3 800 92,1 1,6 820 89,7 2,3 tạo ( 0C ) Hình 3.3. Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ 27 Từ đồ thị và bảng số liệu ta thấy rằng: - Màng GdBCO chế tạo ở 800oC có nhiệt độ tới hạn TC = 92,1 K cao nhất và có độ rộng chuyển pha ∆TC = 1,6 K nhỏ nhất điều đó chứng tỏ ở nhiệt độ 8000C cho mẫu là đồng đều nhất, điều này phù hợp với kết quả hình thái bề mặt, mẫu này có tính định hƣớng theo trục c tốt nhất. - Màng GdBCO chế tạo ở nhiệt độ 7800C và ở nhiệt độ 8200C có nhiệt độ tới hạn TC lần lƣợt là 89,2 K và 89.7 K, nhỏ hơn Tc của mẫu chế tạo ở 800oC. Độ rộng chuyển pha ∆TC của hai mẫu này vào khoảng 2.3 K, lớn hơn giá trị thu đƣợc của mẫu chế tạo ở 800oC, điều đó chứng tỏ ở nhiệt độ 7800C và ở nhiệt độ 8200C cho mẫu không đồng đều, có vùng siêu dẫn kém. Vì các vùng khác nhau trên bề mặt mẫu có nhiệt độ Tc là khác nhau từ đó dẫn tới độ rộng chuyển pha lớn. Từ 3 kết quả này ta thấy mẫu số 3 ( 8000C) điều kiện chế tạo là tối ƣu nhất. 28 KẾT LUẬN Trong khóa luận của mình em đã đạt đƣợc kết quả nhƣ sau: 1. Đã chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao sử dụng phƣơng pháp phản ứng pha rắn. 2. Đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của các mẫu tại các nhiệt độ khác nhau ( 740oC, 780oC, 800oC, 820oC ) bằng phƣơng pháp XRD và SEM. Kết quả cho thấy các mẫu chế tạo (GdBCO ) đều định hƣớng theo trục c, và mẫu này không có tạp chất. 3. Đã sử dụng phƣơng pháp đo điện trở 4 mũi dò để đo điện trở R phụ thuộc vào nhiệt độ T, từ đó thấy đƣợc ở vùng nhiệt độ cao trên 95 K thì điện trở của mẫu có đặc trƣng kim loại và khi nhiệt độ T ~ 91 K, 92 K thì điện trở của mẫu đột ngột giảm, và đến nhiệt độ xác định (TC) thì điện trở này giảm về 0. 5. Đã tìm ra đƣợc mẫu ở nhiệt độ 8000C có đỉnh nhiễu xạ cao nhất và hình thái bề mặt của mẫu nhẵn đều, ngoài ra mẫu này còn có nhiệt độ tới hạn T C cao nhất và độ rộng chuyển pha ∆ TC nhỏ nhất, từ đó đƣa ra kết luận mẫu ở nhiệt độ 8000C là điều kiện tối ƣu để chế tạo vật liệu siêu dẫn. Những kết quả này mở ra khả năng ứng dụng của màng GdBCO có tính siêu dẫn cao, đáp ứng nhu cầu cuộc sống và khoa học kỹ thuật. 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. Nguyễn Huy Sinh, Vật lý siêu dẫn, NXBGD, 2005 [2]. Thân Đức Hiền, Nhập môn về siêu dẫn (Vật liệu, tính chất và ứng dụng), NXB Bách Khoa – Hà Nội, (2009) Tiếng Anh [3]. C.V.Varanasi, J.Burke, J.H.Lee, Appl.Phys.Left.93, 092501 (2008) [4]. S.R.Foltyn, P.Tiwari, R.C.Dye, M.Q.Le and X.D.Wu, Appl.Phys.left.63, 1848 (1993) [5]. M.Murawaki, N.Sakai, T.Higuchi Sci.Technol.9, 1015 (1996) 30 and S.I.Yoo, Supercond, [...]...Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất đƣợc gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu là TC) Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thƣờng sang trạng thái siêu dẫn Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng 0 đƣợc gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu là ∆T) Ví dụ độ rộng... chế tạo, nghiên cứu vật liệu siêu dẫn do hai thông số còn lại, H c và Jc luôn phụ thuộc vào Tc Do đó, việc chế tạo màng GdBCO có Tc đủ lớn là bƣớc đầu tiên trong chuỗi nghiên cứu vật liệu siêu dẫn này Trong bản khóa luận, chúng tôi sẽ tiến hành thí nghiệm, nghiên cứu để tìm ra điều kiện tối ƣu chế tạo đƣợc màng GdBCO có Tc cao 11 Chƣơng 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu siêu. .. GdBCO chế tạo ở đây có tính chất định hƣớng theo trục c, việc không xuất hiện đỉnh Xray lạ bên cạnh các đỉnh (00l) chứng tỏ màng chế tạo không có tạp chất Từ hình vẽ ta thấy ta thấy rằng ở nhiệt độ 8000C có cƣờng độ nhiễu xạ tia X lớn nhất, và đây có thể là nhiệt độ tối ƣu để chế tạo màng siêu dẫn GdBCO 23 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu GdBa2Cu3O7-δ chế tạo tại các nhiệt độ 74 00C, 78 00C,... vào nhiệt độ 27 Từ đồ thị và bảng số liệu ta thấy rằng: - Màng GdBCO chế tạo ở 800oC có nhiệt độ tới hạn TC = 92,1 K cao nhất và có độ rộng chuyển pha ∆TC = 1,6 K nhỏ nhất điều đó chứng tỏ ở nhiệt độ 8000C cho mẫu là đồng đều nhất, điều này phù hợp với kết quả hình thái bề mặt, mẫu này có tính định hƣớng theo trục c tốt nhất - Màng GdBCO chế tạo ở nhiệt độ 78 00C và ở nhiệt độ 8200C có nhiệt độ tới hạn... thuộc nhiệt độ của các mẫu ở các nhiệt độ 74 00C, 78 00C, 8000C, 8200C Nhìn chung, từ đồ thị ta thấy ở vùng nhiệt độ cao trên 95 K, thì điện trở của mẫu có đặc trƣng kim loại Khi T ~ 91 K, 92 K thì điện trở của mẫu đột ngột giảm đến nhiệt độ xác định TC ( R = 0 ) 26 Nhiệt độ chế TC ∆TC ( K) ( K) 78 0 89,2 2,3 800 92,1 1,6 820 89 ,7 2,3 tạo ( 0C ) Hình 3.3 Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt. .. ra độ lớn từ trƣờng tới hạn HC ở bề mặt vật dẫn là trƣờng hợp dặc biệt của giả thuyết Silsbee Có thể thấy rằng độ lớn của từ trƣờng tới hạn HC phụ thuộc vào nhiệt độ, nó giảm đi khi nhiệt độ tăng lên và trở thành 0 tại nhiệt độ chuyển pha TC Điều này chứng minh rằng mật độ dòng tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ và giảm đi ở những nhiệt độ cao hơn Ngƣợc lại, nếu chất siêu dẫn tải dòng điện, thì nhiệt độ. .. mặt của màng GdBCO đƣợc kiểm tra, nghiên cứu bằng cách sử dụng kính hiển vi quét SEM Hình 3.3 cho ta ảnh SEM của mẫu chế tạo ở các nhiệt độ 74 00C, 78 00C, 8000C, 8200C có giản đồ nhiễu xạ tia X đã trình bày ở trên 2µm 2µm (a) (b) 8200C 2µm 2µm (c) (d) Hình 3.2 Ảnh SEM của màng GdBCO ở các nhiệt độ 74 00C (a), 78 00C (b), 8000C (c) và 8200C (d) Quan sát ảnh SEM của các mẫu chế tạo tại bốn nhiệt độ khác... độ tới hạn TC lần lƣợt là 89,2 K và 89 .7 K, nhỏ hơn Tc của mẫu chế tạo ở 800oC Độ rộng chuyển pha ∆TC của hai mẫu này vào khoảng 2.3 K, lớn hơn giá trị thu đƣợc của mẫu chế tạo ở 800oC, điều đó chứng tỏ ở nhiệt độ 78 00C và ở nhiệt độ 8200C cho mẫu không đồng đều, có vùng siêu dẫn kém Vì các vùng khác nhau trên bề mặt mẫu có nhiệt độ Tc là khác nhau từ đó dẫn tới độ rộng chuyển pha lớn Từ 3 kết quả này... ( 8000C) điều kiện chế tạo là tối ƣu nhất 28 KẾT LUẬN Trong khóa luận của mình em đã đạt đƣợc kết quả nhƣ sau: 1 Đã chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao sử dụng phƣơng pháp phản ứng pha rắn 2 Đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của các mẫu tại các nhiệt độ khác nhau ( 74 0oC, 78 0oC, 800oC, 820oC ) bằng phƣơng pháp XRD và SEM Kết quả cho thấy các mẫu chế tạo (GdBCO ) đều định... thuộc vào nhiệt độ T, từ đó thấy đƣợc ở vùng nhiệt độ cao trên 95 K thì điện trở của mẫu có đặc trƣng kim loại và khi nhiệt độ T ~ 91 K, 92 K thì điện trở của mẫu đột ngột giảm, và đến nhiệt độ xác định (TC) thì điện trở này giảm về 0 5 Đã tìm ra đƣợc mẫu ở nhiệt độ 8000C có đỉnh nhiễu xạ cao nhất và hình thái bề mặt của mẫu nhẵn đều, ngoài ra mẫu này còn có nhiệt độ tới hạn T C cao nhất và độ rộng chuyển ... chất điện từ vật liệu siêu dẫn GdBa2Cu3O7- δ nhiệt độ cao - Nghiên cứu cấu trúc màng siêu dẫn nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7- δ Đối tƣợng nghiên cứu - Màng siêu dẫn GdBa2Cu3O7- δ phƣơng pháp phún xạ... với nhiệt độ chuyển pha nằm vùng nhiệt độ nitơ lỏng cho thấy cách rõ ràng siêu dẫn nhiệt độ cao Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn bắt đầu hƣớng – siêu dẫn nhiệt độ cao Sự phát minh siêu dẫn nhiệt độ. .. 12 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu siêu dẫn GdBa2Cu3O7-δ 12 2.1.1 Chế tạo mẫu gốm GdBa2Cu3O7-δ phản ứng pha rắn 12 2.1.2 Chế tạo màng siêu dẫn nhiệt độ cao GdBa2Cu3O7-δ phƣơng pháp lắng