Ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất mang siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ HÈ

ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ
LÊN TÍNH CHẤT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO
YBa2Cu3O7-δ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI – 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ HÈ

ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ
LÊN TÍNH CHẤT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO
YBa2Cu3O7-δ

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:TS. Trần Hải Đức

HÀ NỘI – 2015

LỜI CẢM ƠN
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 thầy cô,
các bạn trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. Tôi xin gửi lời
cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy 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, tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hè


LỜI CAM ĐOAN
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, tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hè


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO
YBa2Cu3O7- ..................................................................................................... 3

1.1. Sơ lược về vật liệu siêu dẫn và ứng dụng .................................................. 3
1.2. Các thông số tới hạn của vật liệu siêu dẫn ................................................. 8
1.2.1. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha ................................................. 8
1.2.2. Từ trường tới hạn .................................................................................... 9
1.2.3. Mật độ dòng tới hạn .............................................................................. 11
1.2.4. Trạng thái hỗn hợp và tâm xoáy từ ....................................................... 12
1.3. Cấu trúc tinh thể của vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- ............................... 13
1.4. Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ................................ 14
CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................... 15
2.1. Chế tạo mẫu .............................................................................................. 15
2.1.1. Chế tạo mẫu gốm (bia) YBCO.............................................................. 15
2.1.2. Chế tạo màng YBCO ............................................................................ 18
2.2. Các phép đo tính chất cấu trúc, tính chất siêu dẫn ................................... 22
2.2.1. Tính chất cấu trúc .................................................................................. 22
2.2.2. Tính chất siêu dẫn ................................................................................. 25
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 27
3.1. Tính chất cấu trúc ..................................................................................... 27
3.1.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X...................................................................... 27
3.1.2. Kết quả đo hình thái bề mặt mẫu .......................................................... 29
3.2. Tính chất siêu dẫn .................................................................................... 30
KẾT LUẬN .................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 34


DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ
Bảng 1.1. Một số chất siêu dẫn điển hình ......................................................... 4
Hình 1.1. Mẫu vật liệu siêu dẫn YBCO nâng các nam châm ........................... 5
với khối lượng khác nhau .................................................................................. 5
Hình 1.2. Cấu trúc của băng siêu dẫn ............................................................... 7
Hình 1.3. Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của Hg........................................ 9

Hình 1.4. (a), (b) Đồ thị từ trường 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. .................. 10
Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của một ô mạng YBCO ....................................... 13
Hình 2.1. Sơ đồ hệ lắng đọng laze xung ......................................................... 18
Hình 2.2. Các giai đoạn chính của quá trình lắng đọng laze xung ................. 20
Hình 2.3. Sự tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể.................... 23
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí Vôn kế và Ampe kế trong phép đo 4 mũi dò .............. 25
Hình 2.5. Sơ đồ phân bố dòng điện, điện trở thành phần trong mạch điện phép
đo 4 mũi dò ...................................................................................................... 25
Hình 3.1. Đồ thị nhiễu xạ tia X của mẫu YBa2Cu3O7-δ chế tạo tại các nhiệt độ
(a) 720oC, (b) 740oC, (c) 760oC, (d) 780oC, (e) 800oC ................................... 27
Hình 3.2. Hình ảnh SEM của mẫu YBCO chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau. 29
Hình 3.3. Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của màng YBCO chế tạo ở các
nhiệt độ (a) 740oC, (b) 780oC, (c) 800oC và (d) bảng số liệu so sánh ............ 31


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 mới 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 hợp 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 mới: 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)2Sr2Ca2Cu3O3 (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 (Jc) 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 YBa2Cu3O7-(YBCO) hay
(RE) Ba2Cu3O7- (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 với việc nghiên cứu, chúng tôi chọn đề tài nghiên
cứu sự “Ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao
YBa2Cu3O7-δ” làm khóa luận tốt nghiệp của mình.

1


2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng
siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng
siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
- Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng chủ đạo là thực nghiệm.
- Chế tạo mẫu gốm YBa2Cu3O7-δ bằng phương pháp phản ứng pha rắn.

- Chế tạo mẫu màng YBa2Cu3O7-δ bằng phương pháp phún xạ laze
xung.
6. Dự kiến đóng góp mới
- Tìm ra phương pháp chế tạo vật liệu YBa2Cu3O7-δ 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.

2


CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO YBa2Cu3O7-
1.1. Sơ lƣợc về vật liệu siêu dẫn và ứng dụng
Việc phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn vào năm 1911đã 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 vỡ 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 thời 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 trong 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

3


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. M ller (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. M ller 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 trong 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).
Bảng 1.1. Một số chất siêu dẫn điển hình
Tên vật liệu

Nhiệt độ chuyển pha

Năm phát minh

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

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
4


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 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 mới giống như 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”[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 YBa2Cu3O7- (YBCO).

Hình 1.1. Mẫu vật liệu siêu dẫn YBCO nâng các nam châm
với khối lượng khác nhau
Bằng cách sử dụng các vật liệu HTS và vật liệu siêu dẫn nói chung, nó
có thể làm giảm kích thước của các thiết bị điện tử và cải thiện hiệu suất của
nó. Do các thành phần thiết bị phi điện tử có kích thước nhỏ nên đòi hỏi các
chất siêu dẫn phải được chế tạo dưới dạng màng siêu dẫn. Một trong những
phương pháp thành công nhất để sản xuất ra màng siêu dẫn là 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

5


dụng PLD, đã làm cho việc chế tạo màng mỏng YBCO đơn giản hơn và 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 với 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 với một máy phát hoặc chip máy tính
siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với 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 110A 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 đầu. 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).
6


Hình 1.2. Cấu trúc của băng siêu dẫn
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 như: áp
suất, độ sạch của vật liệu, môi trường….Trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao,
tính siêu dẫn còn phụ thuộc vào quy trình công nghệ tạo mẫu, nhiệt độ nung...
Các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng
rãi và quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra
chất siêu dẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc
chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn; thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh với
việc phát minh ra điện. Các vật liệu siêu dẫn sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về
kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội.

7


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 khảo sát điện trở của những kim loại
khác nhau trong vùng nhiệt độ He[1,2]. 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 (-39oC) là 39,7Ω.
Trong trạng thái lỏng tại 0oC (273K) có giá trị là 172,7Ω , tại gần 4K có giá
trị là 8.10-2Ω và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10-6Ω. Như vậy có thể coi là ở
nhiệt độ T < 4,0K, 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 trạng thái
siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn.
Nhiệt độ mà tại đó điện trở 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 ∆TC). Ví dụ
độ rộng chuyển pha của Hg là ∆TC = 5.10-2K. Độ rộng chuyển pha ∆TC phụ
thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn.

8


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 dần từ trường đến một
giá trị 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 tới 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:
(1.1)
Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = TC thì Hc (TC) = 0

9

Hình 1.4. (a), (b) Đồ thị từ trường 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.
Đường cong Hc phụ thuộc T được gọi là đường cong ngưỡng. Đường
này chính là ranh giới 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 hai loại: loại I, loại II.
 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 Hc1 (tới hạn thấp) và từ trường tới hạn Hc2 (tới hạn cao)
với giá trị Hc1 < Hc < Hc2.

10


Hc1 được gọi là từ trường tới hạn thấp và Hc2 gọi là từ trường tới hạn
cao của siêu dẫn loại II. Như vậy trong siêu dẫn loại II còn tồn tại đến khi
H = Hc2 .
- Vùng 1: Từ trường có giá trị từ 0 đến Hc1 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 Hc1 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 vật liệu có thể tải trong trạng thái siêu dẫn được

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 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
trò quyết định để đưa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng 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 vỡ 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 I và a sẽ là: Hc =
11


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 tới 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 Ic trên một đơn vị diện tích bề mặt vật mẫu. Đơn vị thường
dùng cho đại lượng này là A/cm2, giá trị 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 Hc. Các dòng trong
chất siêu dẫn đều chạy trên 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 ∅0=2,07.10-15T. Ta có thể hình dung mỗi tâm xoáy
từ như ống hình trụ. Với bán kính được gọi là độ dài kết hợp ξ. Độ dài kết hợp
theo nhiệt độ theo công thức
ξ = ξ(0).

(1.2)

Với ξ(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
12


Lorenxo. Lúc đó ta cần 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 từ

Lực Lorenxo tính theo công thức
ext ×

(1.4)

Khi ƒP > ƒL thì vật liệu duy trì được tính siêu dẫn.
1.3. Cấu trúc tinh thể của vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7-

Vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được
tìm ra đầu tiên với TC = 90K với hợp thức cation là 1Y:2Ba:3Cu và hợp thức
danh định là YBa2Cu3O7- (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. Trong đó a = 3,82030A0, b = 3,88548A0, c = 11,68349A0[2].

Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của một ô mạng YBCO

13


Mạng tinh thể gồm hai lớp perovskite cách nhau bởi chuỗi CuO vì vậy
người 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 trị 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. Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ 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 cần so sánh được với đồng. Đây chính là lí do tại sao

chúng ta cần 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).

14


CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo mẫu
2.1.1. Chế tạo mẫu gốm (bia) YBCO
2.1.1.1. Phản ứng pha rắn
Trong hệ bậc ba CuO-BaO-Y2O3 tạo thành nhiều hợp chất trong đó hợp
chất có tỷ lệ nguyên tử Y : 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, oxit yttrium, cacbonat bari theo đúng hợp thức, tiến hành đồng nhất
nguyên liệu bằng cách nghiền trộn thật kỹ sau đó ép viên rồi xử lý nhiệt trong
môi trường oxy. Để thu được sản phẩm đơn pha thì phải tiến hành giai đoạn
này vài ba lần. Sau khi đã thu được sản phẩm đơn pha dưới dạng bột mới tiến
hành tạo hình bằng cách ép dưới áp lực cao và kết khối.
Phản ứng hóa học đầu tiên diễn ra khi thực hiện các chất siêu dẫn oxit
yttrium-bari-đồng là:
0,5 Y2O3 + 2BaCO3 + 3CuO = YBa2Cu3O6.5 + 2CO2
Để có được 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 lượng khác nhau
nên tỷ lệ trọng lượng của các nguyên tử và phân tử phải được biết trước tỷ lệ
trọng lượng chính xác của các loại bột hóa học có thể tính toán được.

Trọng lượng phân tử của một hợp chất là khối lượng của một hợp chất,
tính bằng gam và nó chứa 6,02.1023 nguyên tử . Trọng lượng phân tử của một
hợp chất có thể dễ dàng tính toán bằng cách cộng khối lượng nguyên tử cấu
thành của nó. Ví dụ, công thức hoá học yttrium oxit là Y2O3, nghĩa là mỗi
phân tử của yttrium oxit có hai nguyên tử của yttrium và ba nguyên tử oxy.
15


Trọng lượng nguyên tử của yttrium là 88,9059. Hay nói cách khác, 88,9509
gram yttrium chứa 6,02.1023 nguyên tử. Trọng lượng nguyên tử oxy là
15,9994. (Từ nguyên tử oxy là nhẹ hơn nhiều so với yttrium, chỉ 15,9994 gam
oxy chứa 6,02.1023 nguyên tử oxy).
Đối với Y2: 2. 88,9059 = 177,8818
Đối với O3: 3. 15,9994 = 47,9982
Trọng lượng phân tử của Y2O3 = 225,88
Vì vậy 225,88 gram yttrium oxit chứa 6,02.1023 phân tử.
Vì trọng lượng nguyên tử của bari là 137,33 và trọng lượng nguyên tử
của carbon là 12,011, trọng lượng phân tử của bari cacbonat tính toán được là
197,35.
Vì trọng lượng nguyên tử của đồng là 63,546, trọng lượng 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 . 225,88 = 112,94 gam Y2O3
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 được nhân hay
chia bởi bất kỳ số lượng để có được 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 được những trọng lượng:
11,29 gam oxit yttrium

39,47 gam bari cacbonat
23,86 gam oxit cupric
Khi biết được khối lượng ta bắt đầu đi vào quá trình chế tạo mẫu siêu
dẫn bằng phản ứng pha rắn. Qúa trình này gồm các giai đoạn: trộn các chất,
nung sơ cấp, nung trung cấp (tôi luyện oxy).

16


 Trộn các chất
Hỗn hợp các chất Y2O3, BaCO3, CuO được trộn với nhau hình thành
một loại bột màu đen. Do trang thiết bị trong phòng thí nghiệm khiêm tốn nên
phương pháp lần đầu tiên sử dụng là phương pháp nghiền cơ học các loại bột
hóa chất, sau đó lắc trộn mạnh trong một bình kín với dung môi alcohol. Mục
đích cuối cùng của toàn bộ quá trình này là kết hợp các hợp chất bắt đầu ở cấp
độ phân tử.
Một lưu ý quan trọng về nhiệt độ: Nhiệt độ lò nêu ở đây là nhiệt độ như
chúng thường đo được trên các chỉ số nhiệt độ của lò. Trong hầu hết các
trường hợp, nhiệt độ ta đọc được luôn cao hơn nhiệt độ thực của mẫu trong lò
ủ. Chính vì vậy, nhiệt độ tối đa đọc được không bao giờ được phép vượt quá
980oC.
 Nung sơ cấp
Mục đích của việc nung sơ cấp là để loại bỏ CO2 và phá vỡ liên kết
riêng của từng chất
0,5 Y2O3 + 2BaCO3 + 3CuO = YBa2Cu3O6.5 + 2CO2
Trước hết ta phải nâng nhiệt độ phòng lên đến 880oC, để làm được điều
này ta phải mất 3 giờ nung hỗn hợp trong môi trường không khí và đựng nó
trong 1 khay sứ chịu nhiệt. Tiếp theo ta nung nóng ở nhiệt độ 880oC trong
khoảng 18 giờ đến 24 giờ, rồi làm nguội tự do. Ta đem hỗn hợp thu được đi
nghiền cơ học bằng chày và cối trong vòng 1 giờ, rồi lại để vào khay nung

theo sơ đồ cũ. Sau đó thu được một hỗn hợp có màu đen hoặc màu xám. Nếu
có màu xanh không đồng đều thì đó là dấu hiệu cho thấy hỗn hợp chất được
trộn không đều và cần thời gian và chăm sóc tốt hơn đảm bảo nghiền và trộn
các chất kĩ lượng hơn ở bước tiếp theo. Qúa trình được tiến hành càng nhiều
lần càng tốt vì như vậy sẽ tăng tính đồng đều của hỗn hợp, nhưng thực
nghiệm đã cho thấy ta chỉ cần làm 3 lần là được.
17


Xử lí nhiệt lần đầu tiên này tạo thành tinh thể có cấu trúc YBa2Cu3O6.5
và loại bỏ được CO2 từ BaCO3. Sau khi nung lần đầu dường như hỗn hợp sẽ co
lại đáng kể so với ban đầu vì nó đã mất CO2 và dày đặc hơn so với ban đầu.
 Nung trung cấp (tôi luyện oxy)
Hỗn hợp bột màu xám sẽ được nghiền mịn thành bột, ép thành viên có
đường kính 2.54cm (1inch), đặt vào một khay sứ chịu nhiệt tốt và cho lại vào
lò nung. Nhiệt độ của quá trình này là 920oC. Thời gian làm tăng nhiệt độ từ
nhiệt độ phòng lên 920oC vào khoảng 3 giờ. Hỗn hợp được xử lý trong không
khí 24 giờ để tạo pha 123. Sau 24 giờ, ta giảm nhiệt độ của lò xuống 600oC
với tốc độ  100oC/giờ và tiến hành ủ nhiệt. Oxy được thổi qua lò trong 15
giờ ở 600oC để bổ sung lượng oxy mất đi trong các quá trình nung trước. Quá
trình làm nguội lò cũng diễn ra với tốc độ  100oC/giờ.
2.1.2. Chế tạo màng YBCO
2.1.2.1. Quy trình chế tạo vật liệu siêu dẫn bằng phương pháp lắng đọng laze
xung (nguyên lí PLD)

Hình 2.1. Sơ đồ hệ lắng đọng laze xung

18

Kĩ thuật cắt laze là một kĩ thuật chế tạo vật liệu mà biết đến khi phát
hiện ra laze năm 1960 kể từ đó nó được áp dụng trong nhiều lĩnh vực. Ngay lập
tức hàng loạt các nghiên cứu về lí thuyết và thực nghiệm của kĩ thuật này được
tiến hành. Và vài năm sau đó người ta đã chứng minh rằng laze cường độ cao
có thể sử dụng trong lắng đọng màng mỏng. Các ứng dụng cắt đốt bằng laze
xung được gọi là phương pháp laze xung (PLD). Trong hai thập kỉ tiếp theo
phún xạ laze xung dùng để phân tích các vật liệu khác nhau nhưng sự phát triển
rất chậm. Cho đến năm 1986 khi vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được tìm ra thì
ứng dụng của PLD là rất lớn và màng YBCO được chế tạo đầu tiên bằng
phương pháp này vào năm 1987. Hình trên mô tả cấu trúc của laze bằng xung
lắng đọng. Laze xung là phương 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 trưng của các phân tử bốc
bay đạt giá trị khoảng 3.105cm/s, tương ứng với động năng 3eV
Trong kĩ thuật PLD, pha hơi được hình thành tại vùng mỏng trên bề
mặt bia. Khối plasma hình elip được 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 lượng lớn năng lượng của chùm tia laze tạo sự mở
rộng plasma nóng thông qua buồng lắng đọng. Màng mỏng được hình thành
sau khi được chiếu hàng trăm hàng ngàn xung laze và lắng đọng trên bề mặt
đế. Xung laze có mật độ năng lượng [J/cm2] là một trong những thông số
quan trọng. Khi mật độ năng lượng lớn quá trình bốc bay diễn ra nhanh
chóng, những cân bằng hóa học xảy ra nhanh chóng trong chân không. Trong
màng oxit, oxy là chất nền phổ biến nhất. Các thông số (áp suất khí nền, nhiệt
độ bề mặt, mật độ năng lượng laze) là những thông số ảnh hưởng trực tiếp
đến quá trình chế tạo. Tỷ lệ màng mỏng do ảnh hưởng các thông số và khoảng
cách bia đến chất nền.
19