Khoá luận tốt nghiệp vật lý ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất mang siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
__________s_____

NGUYỄN THỊ HÈ

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ LÊN TÍNH CHÁT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT Độ CAO
YBa2Cu307.ô

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • • • •

HÀ NỘI - 2015
■
TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
_______ ■______

NGUYỄN THỊ HÈ


ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐÉ LÊN TÍNH CHẤT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO
YBa2Cu307.s

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học:TS. Trần Hải Đức

HÀ NỘI - 2015
_______•_______

Trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện khóa luận tôi luôn nhận được sự quan
tâm giúp đỡ của thầy hướng dẫn và sự ủng hộ của các thày cô, các bạn trong khoa Vật lý
LỜI thành
CẢM và
ƠNsâu sắc tới thầy
trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân
hướng dẫn: TS. Trần Hải Đức, người thầy đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều
kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian tôi làm
khoá luận.
Tôi cũng xin gửi làm ơn chân thành tới bố mẹ và những người thân trong gia đình.
Những người luôn bên cạnh và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong cuộc sống
cũng như trong học tập.

Hà Nội, thảng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hè
Tôi xin cam đoan đây là bài viết của tôi. Các số liệu nêu trong khóa luận tốt
nghiệp là trung thực.
Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong khóa luận này đã được cảm ơn và
các thông tin trích dẫn đều được ghi rõ nguồn gốc.

Hà Nội, thảng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hè


MỤC LỤC

■

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ


MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài
Sự phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn và khả năng ứng dụng rộng rãi tính chất này
trong nhiều lĩnh vực là một bước đánh dấu đặc biệt sự phát triển của khoa học công
nghệ đã mở ra một hướng nghiên cứu mói thu hút nhiều sự quan tâm của các nhóm
nghiên cứu trong và ngoài nước.
Trước thập kỉ 1980 siêu dẫn nhiệt độ thấp chỉ được tìm thấy trên các kim loại và
họp kim, được làm lạnh đến nhiệt độ thấp hơn 23K và đã được lý thuyết BCS giải thích
một cách định lượng. Cho đến năm 1986, Georg Bednorz và Alex Muller đã phát hiện ra
một vật liệu mói: khi cấy các nguyên tố lạ vào oxít đồng - bari thì oxít đồng -bari trở
thành vật liệu siêu dẫn có cấu trúc tương tự với nhiệt độ chuyển pha cao hơn, thậm chí
cao hơn cả nhiệt độ nitơ lỏng là 77K. Mở ra khả năng cho những ứng dụng mới. Chất
siêu dẫn (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu303 (BSCCO) được gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao (high
temperature superconductors - HTS) thế hệ thứ nhất đã được chế tạo. Tuy nhiên, kết quả
thực nghiệm cho thấy mật độ dòng tới hạn ực) của BSCCO khá thấp dẫn đến phạm vi
ứng dụng chưa được rộng rãi - chỉ xung quanh vùng nhiệt độ 20K. Sự phát triển HTS
thế hệ thứ 2 và YBa 2Cu307.8(YBC0) hay (RE) Ba2Cu307_8 (REBCO, RE là viết tắt của
một nguyên tố đất hiếm) dự kiến sẽ khắc phục được những yếu điểm của dây BSCCO
thế hệ thứ nhất, do YBCO và REBCO có Jc cao ở nhiệt độ nitơ lỏng 77K ngay cả khi có
từ trường mạnh. Do đó YBCO và REBCO có đóng góp to lớn trong sản xuất ứng dụng
thương mại và công nghiệp, mở ra bước tiến đáng kể trong công nghiệp điện, điện tử.
Bước đầu làm quen vói việc nghiên cứu, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu sự “Anh
hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa 2Cu307.g” làm khóa
luận tốt nghiệp của mình.

2. Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu307_g.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng siêu dẫn nhiệt


độ cao YBa2Cu307.8.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo yật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu307.g.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng siêu dẫn nhiệt
độ cao YBa2Cu307_ô.

4. Đổi tượng nghiên cứu
- Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu307_g.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng chủ đạo là thực nghiệm.

- Chế tạo mẫu gốm YBa2Cu307.ô bằng phương pháp phản ứng pha rắn.
- Chế tạo mẫu màng YBa2Cu307.sbằng phương pháp phún xạ laze
xung.

6. Dự kiến đóng góp mói
- Tìm ra phương pháp chế tạo vật liệu YBa2Cu307.8 làm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ
cao.

- Với việc nhận được kết quả mới, có tính hệ thống về một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản
có định hướng ứng dụng thuộc chuyên ngành Khoa học Vật liệu. Góp phần đẩy
mạnh một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao.
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VÈ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT Độ CAO YBa2Cu307-8

1.1.

Sơ lược về vật liệu siêu dẫn và ứng dụng
■
• «
o • o
Việc phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn vào năm 191 lđã mở ra một kỉ nguyên mới

trong lịch sử vật lí. Kể từ đó, hiện tượng này đã được các nhà khoa học đã nghiên cứu
sâu và rộng để tìm ra các ứng dụng tiềm năng cho vật liệu có điện trở bằng không dưới
một nhiệt độ nhất định ứng dụng với quy mô lớn.
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 tượng dòng điện phá YỠ trạng thái siêu dẫn được


phát hiện và trong năm đó, Kamerlingh Onnes đã chế tạo được 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 trường dưới nhiệt độ chuyển pha thì các đường cảm ứng từ bị đẩy ra
ngoài. Hiệu ứng này được mang tên là hiệu ứng Meissner.
Trong suốt khoảng thòi gian từ những năm 1911 đến 1985, các chất siêu dẫn
được tìm ra đều có nhiệt độ chuyển pha không vượt quá 24K và chất lỏng He vẫn là môi
trường duy nhất được dùng để nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn. Các nam châm siêu dẫn
nhiệt độ thấp đã được sử dụng ưong nhiều thiết bị đa dạng từ máy quét MRI đến Máy
Va chạm Hadron Lớn (LHC). Tuy nhiên, vì các chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp, nên chúng
cần được làm lạnh, đó không phải yêu cầu dễ dàng gì. Các nhà khoa học tại LHC làm
lạnh các hệ thống xuống nhiệt độ hoạt động 1,9K, lạnh hơn cả không gian vũ trụ bên
ngoài. Họ hoàn thành công việc kì công này bằng cách sử dụng He lỏng để làm lạnh
từng bộ phận của cỗ máy LHC dài 27km, khiến việc bảo dưỡng công nghệ rất tốn kém
và cực kì khó khăn, do vậy nên tính ứng dụng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp là chưa
cao. Điều này đã đặt ra câu hỏi cho các nhà khoa học là phải tìm kiếm ra một loại vật

liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao hơn.
Vào năm 1986, J.G. Bednorz và K.A. Miiller (Thụy sỹ) đã tìm ra hiện tượng siêu
dẫn có trong hợp chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng nhiệt
độ nitơ lỏng (77K). Khi sử dụng loại vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha như vậy,
thì sẽ giúp chúng ta tiết kiệm được chi phí sản xuất vì nguyên liệu để tạo ra nitơ lỏng
trong công nghiệp chủ yếu là không khí. Với phát minh này J.G. Bednorz và K.A.
Miiller đã được nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1987. Từ đây, ngành vật lý siêu
dẫn đã bắt đầu một hướng 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 vượt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ ừong lĩnh
vực siêu dẫn.
Sau phát minh của J.B.bednorz và K.A.muller rất nhiều chất siêu dẫn mới được


xuất hiện, rất nhiều chất siêu dẫn dạng hợp chất đã được tìm ra và hầu hết các chất này
có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm trong vùng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hóa lỏng
của nitơ (77K), và được gọi chung là siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS).
r r
>+>
?
Bảng 1.1. Một sô chât siêu dân điên hình
Tên vật liệu
Năm phát minh
Nhiệt độ chuyên pha siêu
Y(Re)-Ba-Cu-0

dẫn (Tc) K
80-90

1987

TI-Ba-Ca-Cu-0

115-125

1988

Hg-Ba-Ca-Cu-0

90-161

1993

Ba-Ca-Cu-0

126

1996

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 Cu02 và các chuỗi Cu trong
cấu true tính thể, là mạch nối cho những lý thuyết về cơ chế của các siêu dẫn nhiệt
độ cao không chứa đồng. Một nhà nghiên cứu về siêu dẫn đã phát biểu như sau: “
Siêu dẫn đã mở ra kỷ nguyên mởi giống như Laser và bóng bán dẫn, nố cố thể sản
sinh ra toàn bộ một nền công nghiệp mái hoặc chí ít cũng là một khâu cơ bản của
nhiều ngành công nghiệp hiện đại trên thế giới”[2].
Một trong những vật liệu siêu dẫn tiêu biểu được các nhà khoa học nghiên
cứu sâu và rộng nhất phải kể đến đó là УВа2Сиз07.5 (YBCO).

Mầu vật liệu siêu dẫn YBCO nâng các il am châm với khối lượng khác nhau


Hình 1.1. Mẩu vật liệu siêu dẫn YBCO nâng cắc nam châm với khối lượng
khác nhau Bằng cách sử dụng các vật liệu HTS và vật liệu siêu dẫn nói chung, nó cố
thể làm giảm kích thước của các thiết bị điện tử và cảỉ thiện hiệu suất củã nó. Do
các thành phần thiết bị phỉ điện tử có kích thước nhỏ nên đòi hỏi các chất siêu dẫn
phải được chế tạo dưới dạng măng siêu dẫn. Một trong những phương pháp thành
công nhất để sản xuất ra màng siêu dẫn ỉà phương pháp lắng đọng laze xung
(PLD). Phương pháp này dựa trên sự tương tác của chùm tia laze năng lượng cao
chiếu vào một miếng gốm siêu dẫn khiến cho chất siêu dẫn ở bề mặt miếng gốm
bốc bay lên. Sau khi bốc bay lên thì các chất siêu dẫn này đọng lại trên một chất
nền tạo thành màng mỏng mà ta gọi là màng siêu dẫn. Phương pháp đơn giản này
được áp dụng gần như cho tất cả các vật liệu, bao gồm cả chất siêu dẫn nhiệt độ
cao như YBCO. Bằng cách sử
dụng PLD, đã làm cho việc chế tạo màng mỏng YBCO đơn giản

hơnvà đặc

biệt là dễ dàng thay đổi tính chất của chúng.
Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao có rất nhiều ứng dụng, về nguyên tắc, khi dòng
điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy.. .mãi. Cùng kích
thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chuẩn. Vì
vậy thành phần siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều so vói các chất hiện nay. Chất siêu dẫn có
một số đặc tính gần gũi với kĩ thuật nghe nhìn công nghệ cao và hơn nữa việc chuyển
giao điện mà không mất điện áp (vì không có điện trở) là một trong những thuộc tính
quan trọng nhất của HTS và nếu nó được sử dụng trong kỹ thuật điện thì điện năng
chuyển giao sẽ được lưu trữ. Điều quan trọng là chất siêu dẫn không biến điện năng
thành nhiệt năng. Việc này đồng nghĩa vói một máy phát hoặc chip máy tính siêu dẫn có
thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so vói hiện nay. Ngày nay, hầu hết các dây điện đều có

lõi được làm bằng đồng. Các nhà khoa học đang tìm kiếm một loại cáp điện có thể thay
thế dây đồng bằng một loại dây dẫn có mật độ Jc (mật độ dòng tới hạn) so sánh được với
đồng, do đồng có điện trở lớn nên khi truyền tải điện năng đi xa thì sẽ gây ra hao phí
năng lượng rất lớn. Chính điều này đã giải thích nguyên nhân tại sao phải cần đến HTS


với Jc cao. Và cụ thể ở đây là ta sử dụng vật liệu siêu dẫn YBCO.
Hay với quy mô nhỏ hơn thì ứng dụng của các chất siêu dẫn

là tạo

ra

băng siêu dẫn. Thế hệ đầu tiên của băng siêu dẫn sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao
mang tên gọi là Silver - Sheathed Bi - Compound Tape. Tại 77K thì băng này có thể tải
dòng điện với cường độ là 11 OA và chiều dài của băng là hơn 1000m. Từ đó việc thử
nghiệm các ứng dụng thực tế của băng này trong các lĩnh vực khác nhau đã bắt đàu. Sự
phát triển của các thế hệ tiếp theo của băng siêu dẫn được tiến hành tại Nhật Bản, đến
Hoa Kì và châu Âu. cấu trúc của băng này được thể hiện ở mặt cắt ngang trong hình 1.2,
có 3 lớp ( chất nền hay còn gọi là đế được làm bằng kim loại, lớp oxit đệm, chất siêu
dẫn).

Hinh 1.2. Cau true cua bang sieu dan Tinh sieu dan ton tai a nhieu kim loai, hop kim,
hop chat. Tuy nhien tinh sieu din t6n tai trong cac chit phu thuoc vao rit nhi6u y6u t6
nhu: ap suat, do sach cua vat lieu, moi trucmg.. ..Trong cac chat sieu dan nhiet do cao,
tinh sieu dan con phu thuoc vao quy trinh cong nghe tao mau, nhiet do nung...
Cac kha nang umg dung tiem tang cua cac chat sieu dan la het sue rong rai va
quan trong, den muc nhieu nha khoa hoc da cho rang, viec phat minh ra chit sieu dan co
Superconducting wire
the so sanh voi viec phat minh ra nang lucrag nguyen tii, viec chi tao ra cac dung cu ban

din; tham chi mot s6 nha khoa hoc con so sanh voi viec phat minh ra dien. Cac vat lieu
sieu dan se dua den su thay doi Ion lao ve kT thuat, cong nghe va co the ca trong kinh te


va doi song xa hoi.


1.2.
1.2.1.

Các thông sổ tói han của vât liêu siêu dẫn
о
•
• •
Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha
Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của những kim loại khác

nhau trong vùng nhiệt độ He[l,2]. Khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân (Hg) trong sự
phụ thuộc nhiệt độ, ông đã quan sát được rằng: điện trở của Hg ở trạng thái rắn trước
điểm nóng chảy cỡ 234K (-39°C) là 39,10.. Trong trạng thái lỏng tại 0°c (273K) có giá
tri là 172,7Q , tại gần 4K có giá tri là 8.10'2Q và tại Г ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10'6Q. Như
vậy có thể coi là ở nhiệt độ T < 4,OK, điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng
không) thể hiện trên hình 1.3.
Ở nhiệt độ xác định, nếu điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất
đó có thể cho phép dòng điên chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó
được gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện ttạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn.
Nhiệt độ mà tại đó điện ưở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc
nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là Tc). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển pha siêu
dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn.
Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng không

được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ATc). Ví dụ độ rộng chuyển pha của
Hg là A Tc = 5.10 2K. Độ rộng chuyển pha АТ с phụ thuộc vào bản chất của từng vật
liệu siêu dẫn.


7(K)

Hình 1.3. Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của Hg

1.2.2.

Từ trường tới hạn
Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dàn từ trường đến một giá ữị Hc

xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã
làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường
được gọi là từ trường tói hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động (Hc).
Từ trường tới hạn Hc là hàm của nhiệt độ T và hàm đó được mô tả gần đúng như
sau:
Hữ = H0\l-(í-y
L
Tc
Vói Ho là từ trường tại T = 0 và tại T= Tcũlì Hc (Tc) = 0

(1.


\ỉĩí, Ji ít

Thuànạ

/ 1:H.
K.
K.J
Tứlrưcm-g rHgoâi Hfl —
(c

(d)
Hình 1.4. (a), (b) Đồ thị từ

ừteờng tới hạn phụ thuộc nhiệt
độ, và (c), (d) độ từ hóa phụ
thuộc từ trường ngoài của chất
siêu dẫn loại I và loại II. Đương
cong Hc phụ thuộc T được gọi là
Tử Ituang ngoài
đườngHfl
cong ngưỡng. Đường này
1
chính là ranh giói phân chia giữa
trạng thái siêu dẫn và trạng thái
thường. Bên trong đường cong
ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn
và bên ngoài đường cong ngưỡng
là trạng thái thường.


Dựa vào Hc người ta chia vật
liệu siêu dẫn thành haỉ loại: loại
I, loại n.

❖ Siêu dẫn loại I thường là các
kim loại sạch . Khi H < Hc vật
liệu là vật liệu siêu dẫn. Khi H>
Hc toàn phần từ trường thấm vào
vật liệu, tính siêu dẫn bị phá vỡ
hoàn toàn.

❖ Siêu dẫn loại II thường là hợp
chất. Ở đây, ngoài từ trường Hc
còn xuất hiện từ trường tới hạn
Hcl (tới hạn thấp) và từ trường
tới hạn HC2 (tới hạn cao) với giá
trị Hcl < H C < Hc2.


Hcl được gọi là từ trường
tới hạn thấp và Hc2 gọi là từ
trường tới hạn cao của siêu dẫn
loại n. Như vậy trong siêu dẫn
loại II còn tồn tại đến khi H =
Hc2.

- Vùng 1: Từ trường có giá tri từ 0
đến Hcl là trạng thái siêu dẫn. Từ
trường không thấm được vào vật
liệu, vật liệu giữ nguyên trạng thái
siêu dẫn.

- Vùng 2: Từ trường có giá trị từ

Hcl đến Hc2 là trạng thái hỗn
hợp.Từ trường bắt đầu thấm từng
phần vào vật liệu, vật liệu tồn tại
những vùng không còn trạng thái
siêu dẫn và những vùng còn trạng
thái siêu dẫn.

- Vùng 3: Từ trường có giá trị H >
HC2 vật liệu ở trạng thái thường
mất đi tính siêu dẫn. Từ trường
thấm toàn phần vào vật liệu, vật
liệu trở thành trạng thái thường.

1.2.3.

Mật độ dòng tới hạn
Dòng điện cực đại mà yật

liệu có thể tải trong trạng thái siêu


dẫn được gọi là dòng tới hạn. Nói
cách khác dòng tói hạn trong
trạng thái siêu dẫn là dòng điện
lớn nhất khi điện trở của chất siêu
dẫn được xem như bằng không.
Dòng tới hạn được 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.
Năm 1916, Silsbee đã làm
sáng tỏ hiện tượng này. Ông cho
rằng vai ữò quyết định để đưa vật
liệu từ ưạng thái siêu dẫn sang
ữạng thái thường trong hiệu ứng
dòng tới hạn không phải do bản
thân dòng lớn I gây ra mà chính là
từ trường do dòng I sinh ra trong
dây dẫn đã phá võ trạng thái siêu
dẫn. Điều này có bản chất giống
như hiệu ứng Meissner.
Thực nghiệm cho thấy
rằng, nếu dây siêu dẫn tròn có


đường kính a, dòng trong dây siêu
dẫn là I > Ic thì mối quan hệ giữa
từ trường tới hạn và các đại lượng
/ và a sẽ là: Hc = —
Công thức này được 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 tưởng). 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 tưởng).
Ngoài khái niệm dòng tói
hạn Ic thông thường, người 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 /c
ưên một đơn vị diện tích bề mặt
vật mẫu. Đơn vị thường dùng cho
đại lượng này là А/cm2, giá ưị Jc
phụ thuộc rất mạnh vào từ trường
và đường kính của dây siêu dẫn.
Thực nghiệm cho thấy rằng dòng


tới hạn có liên quan đến độ lớn
của từ trường tới hạn #c. Các
dòng trong chất siêu dẫn đều chạy
ưên bề mặt bên trong đoạn đường
thấm sâu, mật độ dòng giảm
nhanh từ một.

1.2.4.

Trạng thái hỗn hợp và tâm

xoáy từ
Trong trạng thái hỗn hợp từ
trường ngoài thấm vào từng phần
dưới dạng tâm xoáy từ . Mỗi một
tâm xoáy từ mang một từ trường
được đặc trưng bởi một lượng tử
tử thông 0o=2,O7.1O'15T. Ta có
thể hình dung mỗi tâm xoáy từ
như ống hình trụ. Với bán kính
được gọi là độ dài kết họp ệ. Độ
dài kết hợp theo nhiệt độ theo
công thức
f = «0).-== (1.2)
’J 1
с
т

Với £(0) độ dài kết hợp ở
nhiệt độ tới hạn Tc
Khi đặt dòng diện vào dưới
tác dụng của lực Lorenxo các
xoáy từ chuyển động hỗn loạn làm
suy yếu tính siêu dẫn của vật liệu.


Khi dòng điện càng lớn thì tâm
xoáy từ càng chuyển động mạnh

mà mục đích của chúng ta chế tạo
các vật liệu siêu dẫn truyền tải
được dòng điện lớn. Vì vậy ta
phải làm thế nào để các tâm xoáy
từ không chuyển động nữa dưới
tác dụng của lực


Lorenxo. Lúc đó ta càn một lực
hãm có độ lớn bằng độ lớn lực
Lorenxo để vật liệu giữ được tính
siêu dẫn.
Lực hãm tính theo công thức trên
một đơn vị chiều dài của tâm xoáy

(1.

từ
32nU Ữ Ẵ%
Lực Lorenxo tính theo công thức
IỈL I ~ /ext xỡội
Khi fp > fL thì vật liệu duy trì
được tính siêu dẫn.

1.3.

Cấu trúc tinh thể của vật
liệu siêu dẫn YBa2Cu307.g
Vật

liệu

siêu

dẫn

YBa2Cu307.8 là yật liệu siêu dẫn
nhiệt độ cao được tìm ra đầu tiên
với Tc= 90K vói hợp thức cation
là lY:2Ba:3Cu và hợp thức danh
định là YBa2Cu307.5 (gọi tắt là
siêu dẫn 123). cấu trúc ô cơ bản
được xác định bằng phép đo nhiễu
xạ điện tử và nhiễu xạ Rơnghen.
cấu trúc này liên quan đến cấu trúc
Perovskite lập phương có trục c
lớn gấp ba lần hai trục a và b.

(1.


Trong đó a = 3,82030A°, b =
3,88548A°, c = 11,68349A°[2].

w
9
Hình 1.5. Câu trúc tinh thê của
một ô mạng YBCO

Mạng tinh thể gồm hai lớp
perovskite cách nhau bởi chuỗi
CuO vì vậy ngưòi ta gọi là
perovskite kép.Trong một ô cơ
bản của một tinh thể có cao nhất là
8 ion ôxy nếu tất cả các ion Cu
đều có hóa trị 3+ hoặc 6,5+ và 5
ion ôxy nếu ion Cu tương ứng với
hóa tri 2+ và 1+. Như vậy, cấu
trúc (123) thiếu ôxy liên quan đến
cấu trúc Perovskite lí tưởng.
Nghiên cứu nhiễu xạ Rơnghen từ
các đơn tinh thể và đa tinh thể
thấy rằng chỉ có 8 ôxy bao quanh
ion Y chứ không phải 12 như nó
phải có trong cấu trúc Peroveskite
lí tưởng. Sự thiếu ôxy cũng phát
hiện trên mặt chứa Cu giữa các
ion Ba. Các nghiên cứu về hằng số
mạng cho thấy cấu trúc tinh thể
của siêu dẫn (123) là dạng trực
thoi với kích thước trục b lớn hơn
trục a. Tính chất siêu dẫn của vật
liệu đạt được hay không là nhờ
vào nồng độ ôxy, khi nồng độ ôxy
lớn hơn 6,4 vật liệu là chất siêu


dẫn còn nhỏ hơn 6,4 là chất cách

điện.
1.4.
Muc đích nghiên cứu vât
liêu siêu dẫn nhiêt đô cao
■ ” • « • •
Ngày nay hầu hết các dây
cáp điện đều có lõi được làm bằng
đồng. Ta đã biết là điện trở của
đồng tương đối lớn nên khi truyền
tải điện năng đi xa sẽ gây ra hao
phí lớn. Chính vì vậy mà các nhà
khoa học đang tìm kiếm một loại
cáp điện có thể thay thế được
đồng. Và điều quan trọng là mật
độ Jc của loại vật liệu thay thế đó
càn so sánh được với đồng. Đây
chính là lí do tại sao chúng ta càn
đến HTS.
Trong khóa luận của mình
chúng tôi sử dụng vật liệu siêu dẫn
YBCO, HTS đầu tiên có nhiệt độ
tới hạn trên 77K. Màng mỏng
YBCO được chế tạo bằng phương
pháp lắng đọng laze xung (PLD).
CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG
PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1.

Chế tạo mẫu