Ảnh hưởng áp suất oxy lên quá trình lắng đọng của màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ THÙY

ẢNH HƢỞNG ÁP SUẤT OXY LÊN QUÁ TRÌNH
LẮNG ĐỌNG CỦA MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ
CAO YBa2Cu3O7-

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

\

HÀ NỘI - 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ THÙY

ẢNH HƢỞNG ÁP SUẤT OXY LÊN QUÁ TRÌNH
LẮNG ĐỌNG CỦA MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO
YBa2Cu3O7-

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
KHOÁ 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. 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 em làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn trường ĐHSP Hà Nội 2, ban chủ nhiệm
khoa Vật lý, tổ sư phạm vật lí và các thầy cô giáo trong khoa đã giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình học tập tại khoa.
Cuối cùng, cho tôi xin gửi lời cám 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

Phạm Thị Thùy


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là bài viết của mình. 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

Phạm Thị Thùy


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÍ THUYẾT ............................................. 4
1.1. Sơ lược về siêu dẫn và ứng dụng ............................................................ 4
1.2. Các thông số tới hạn của vật liệu siêu dẫn .............................................. 8
1.2.1. Nhiệt độ tới hạn Tc và độ rộng chuyển pha ...................................... 8
1.2.2. Từ trường tới hạn (Hc) ...................................................................... 9
1.2.3. Trạng thái hỗn hợp, tâm xoáy từ, mật độ dòng tới hạn Jc. ............. 11
1.2.4. Cấu trúc của vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- δ .................................. 14
1.3. Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn ................................................. 15
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ......................... 16
2.1. Chế tạo mẫu .......................................................................................... 16
2.1.1. Chế tạo mẫu gốm(bia) YBCO ......................................................... 16
2.1.2 Chế tạo màng YBCO ........................................................................ 18
2.2. Phân tích tính chất ................................................................................. 23
2.2.1. Tính chất cấu trúc ........................................................................... 23
2.2.2. Tính chất siêu dẫn ........................................................................... 25
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 28
3.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X ..................................................................... 28
3.2. Kết quả hình thái bề mặt ....................................................................... 29
3.3. Tính chất siêu dẫn ................................................................................. 31
KẾT LUẬN ................................................................................................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 35


DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH
Bảng 1.1 Thống kê một số chất siêu dẫn điển hình được phát hiện theo thời

gian. .................................................................................................... 6
Hình 1.1 Hai nhà khoa học tìm ra vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên ...... 5
Hình1.2 Cấu tạo băng siêu dẫn ........................................................................ 7
Hình 1.3 Đường cong từ hóa chất siêu dẫn loại I .......................................... 10
Hình 1.4 Đường cong từ hóa của chất siêu dẫn loại II .................................. 11
Hình 1.5 Tâm xoáy từ vật liệu siêu dẫn loại II ............................................... 11
Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể YBa2Cu3O7- δ......................................................... 15
Hình 2.1 Sơ đồ hệ lắng đọng bằng xung laze ................................................. 19
Hình 2.2 Các giai đoạn chính của quá trình lắng đọng bằng xung laze ........ 20
Hình 2.3 Cấu tạo máy đo nhiễu xạ tia X ......................................................... 24
Hình 2.4 Sơ đầu cấu tạo hệ đo sử dụng kính hiển vị điện tử quét SEM ......... 25
Hình 2.5 Sơ đồ bố trí aVolt kế và Ampere kế trong phép đo bốn mũi dò ....... 26
Hình 2.6 Sơ đồ phân bố dòng điện, điện trở thành phần trong mạch điện phép
đo bốn mũi dò.................................................................................... 26
Hình 3.2 Màng YBCO ở áp suất 150mTorr(a),200m,Torr(b), 250mTorr(c) cỡ
2µm ................................................................................................... 30
Hình 3.4 Đồ thị R-T của màng ở áp suất 150mTorr(a), 200mTor(b), 250
mTorr(c) và bảng nhiệt độ tới hạn Tc ở các áp suất khác nhau ....... 32


MỞ ĐẦU
1. Lí 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 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 đễn phạm vi ứng dụng chưa được rộng rãi – chỉ xung quanh vùng
nhiệt độ 20 K. 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 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.

1


Bước đầu làm quen với việc nghiên cứu chúng tôi chọn đề tài “Ảnh
hƣởng áp suất oxy lên quá trình lắng đọng của màng siêu dẫn nhiệt độ cao
YBa2Cu3O7-” làm khóa luận tốt nghiệp của mình.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu và chế tạo vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- .
- Phân tích cấu trúc màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-.
- Nghiên cứu tính chất của vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- nhiệt độ cao.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
-Chế tạo mẫu gốm YBa2Cu3O7- bằng phản ứng pha rắn.
-Chế tạo màng siêu dẫn bằng phương pháp lắng đọng laser xung(PLD).
-Phân tích cấu trúc tinh thể nguyên tử bằng phép đo nhiễu xạ

Xray(XDR)
-Quan sát hình thái bề mặt mẫu bằng phép đo SEM.
-Tìm hiểu tính chất của màng chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau bằng
phương pháp đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ sử dụng bốn mũi dò.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
- Mẫu gốm YBa2Cu3O7-.
- Mẫu màng YBa2Cu3O7-.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Chế tạo mẫu gốm YBa2Cu3O7- bằng phương pháp phản ứng pha rắn.
- Chế tạo mẫu màng YBa2Cu3O7- bằng phương pháp phún xạ laser
xung.
6. Đóng góp đề tài
Dùng làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên khi nghiên cứu về
ảnh hưởng áp suất lên tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao
YBa2Cu3O7-.

2


7. Bố cục của khóa luận
Ngoài phần: Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và Phục lục, khóa
luận gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về lí thuyết
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm
Chương 3: Kết quả

3


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LÍ THUYẾT
1.1 . Sơ lƣợc về siêu dẫn và ứng dụng
Cách đây hơn một thế kỉ, siêu dẫn là một khái niệm mới mẻ không ai
biết đến thì giờ đây nó đang là chủ đề hấp dẫn được nhiều nhà vật lí hiện đại
quan tâm.
Năm 1908, Kamerlingh Onnes đã đặt tiền đề đầu tiên cho sự phát minh
ra siêu dẫn, ông đã hóa lỏng heli tại trường Đại học Tổng hợp Quốc gia
Leiden (Hà Lan). Năm 1911, cũng chính Kamerlingh Onnes đã nghiên cứu
điện trở của thủy ngân (Hg) đột ngột giảm về không khi nhiệt độ dưới 4,2
K[2].Việc phát hiện ra vật liệu siêu dẫn đã mở ra một kỉ nguyên mới trong
lịch sử vật lí. Kể từ đó hiện tượng này được nghiên cứu sâu hơn để tìm ra
những ứng dụng tiềm năng trong các loại vật liệu hiện nay.
Suốt từ năm 1911-1985 các vật liệu siêu dẫn được tìm ra đều có nhiệt
độ chuyển pha không quá 24K và môi trường hóa lỏng Hêli vẫn là môi trường
duy nhất nghiên cứu hiện tượng này. Vì vậy mà các ứng dụng của hiện tượng
siêu dẫn bị hạn chế do chi phí sản xuất cao. Do đó người ta cố gắng tìm ra
loại có nhiệt độ chuyển pha cao hơn.
Cho đến năm 1986, J.G. Bednorz và K.A. Muller (Thụy Sĩ) đã tổng hợp
chất siêu dẫn chứa Latan, Bari, Oxy và đồng(Cu) với Tc=37K và ngay sau đó,
hàng loạt hợp chất chứa oxy và Cu được chế tạo Tc trên nhiệt độ sôi của nitơ
lỏng(77K)[1]. Từ đây, ngành vật liệu siêu dẫn mở ra một hướng mới- đó là
vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS). Nó đánh dấu sự phát tiển vượt bậc trong
quá trình tìm kiếm của các nhà vật lí và công nghệ siêu dẫn.

4


K.A. Muller

J.G. Bednorz

Hình 1.1 Hai nhà khoa học tìm ra vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên
Bằng việc sử dụng các vật liệu siêu dẫn HTS và các vật liệu siêu dẫn
nói chung có thể giảm được kích thước các thiết bị điện tử và cải thiện hiệu
suất, đặc biệt là chi phí thấp vì ta có thể hóa lỏng Nitơ một cách dễ dàng.
Vậy siêu dẫn là gì?
“ Siêu dẫn là một trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó
cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không điện trở và khi đặt chất
siêu dẫn trong từ trường, từ trường còn bị đẩy ra khỏi nó.”[2]
Từ năm 1986, sau phát minh của J.G. Bednorz và K.A. Muller rất
nhiều chất siêu dẫn nằm trong vùng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hóa lỏng Nitơ
được tìm ra.
Tên vật liệu

Nhiệt độ chuyển pha
siêu dẫn (Tc) /K

Năm phát minh

Hg

4.2

1911

Pb

7.2

1913

Nb

9.2

1930

Nb3Sn

18.1

1954

Nb3(Al0.75Ge0.25)

20-21

1966

5


Nb3Ga

30.3

1971

Nb3Ge

23.2-23.9

1973

13

1974

La1-xCaxMnO3-Ba-Cu-O

30-40

1986

Y(Re)-Ba-Cu-O

80-90

1987

Bi-Sr-Ca-Cu-O

110-120

1988

Tl-Ba-Ca-Cu-O

115-125

1988

KxC60

18-30

1991

Hg-Ba-Ca-Cu-O

90-161

1993

(NH3)4Na2CsC60

33

1994

Y-Pd-B-C

23

1994

13-17

1994

(Ca,Na)2CaCu2O4Cl2

49

1995

Ba-Ca-Cu-O

126

1996

BaPb1-xBixO3

Ln(Re)-Ni-B-C

Li2BeH4

1997

Bi-Ba-Ca-Cu-O

126-130

1997

(CuTl)Ba2Can-1CunO2n+4-y

121

1998

MgB2

39

2001

Bảng 1.1 Thống kê một số chất siêu dẫn điển hình
được phát hiện theo thời gian[1]
Nổi tiếng nhất và được nghiên cứu rộng rãi là vật liệu YBa2Cu3O7- δ
(YBCO). Thành phần cấu tạo vi điện tử rất đặc biệt nó đòi hỏi các chi tiết có
dạng màng mỏng. Một trong những phương pháp thành công nhất để chế tạo
màng mỏng là phương pháp laze xung (PLD). Phương pháp này dựa trên sự
tương tác giữa các chùm tia laze năng lượng cao bắn phá vào tia gốm siêu
dẫn.Trong quá trình bắn phá tại điều kiện nhất định tia gốm sẽ tồn tại ở dạng

6


bốc bay lên một đế chất nền tạo thành màng mỏng- màng SD. Đây là cách chế
tạo một cách trực tiếp, kĩ thuật này đơn giản và được áp dụng tất cả các chất
siêu dẫn bao gồm cả vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao như YBCO vì nó mang
lại hiệu quả cao.
Hay với quy mô nhỏ hơn thì ứng dụng của chất siêu dẫn YBCO là tạo
ra các 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. Các
băng siêu dẫn tải được dòng điện cỡ 110A[3] và trên thế giới người ta đã chế
tạo được những băng siêu dẫn có chiều dài 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 tạo của băng siêu dẫn thường gồm 4 lớp
như hình 1.2
- Lớp đế làm bằng kim loại
- Lớp oxit đệm
- Lớp siêu dẫn có chiều dày cỡ µm
- Lớp bảo vệ

Hình 1.2 Cấu tạo 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

7


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.
1.1. Các thông số tới hạn của vật liệu siêu dẫn
1.1.1 Nhiệt độ tới hạn Tc và độ rộng chuyển pha
Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của những kim loại
khác nhau trong vùng nhiệt độ Heli. 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 (- 390C) là 39,7Ω. Trong trạng
thái lỏng tại 00C (cỡ 273K) có giá trị là 172,7Ω , tại gần 4K có giá trị là 8.10-2

Ω và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10-6 Ω[2]. Như vậy có thể coi là ở nhiệt độ
T < 4,0K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng không).
Ở một nhiệt độ nhất định(TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất,
nghĩa là nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không điện trở,
trạng thái đó gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện như thế là chất siêu
dẫn.
Nhiệt độ mà ở đó điện trở hoàn toàn biến mất gọi là nhiệt độ tới hạn
hay nhiệt độ chuyển pha Tc. Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển pha là nhiệt độ
mà một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn.
Khi T>Tc vật liệu dẫn điện như kim loại.
Khi Tdẫn.

8


Mỗi chất nhất định có một nhiệt độ tới hạn Tc nhất định và dựa vào đó
người ta chia vật liệu siêu dẫn thành hai loại: siêu dẫn ở nhiệt độ thấp có Tc
nhỏ hơn 30K, siêu dẫn nhiệt độ cao có Tc trong khoảng 30K đến 138K.
YBCO vật liệu sử dụng trong khóa luận có Tc ~ 90 K.
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 ∆T)[2].
1.2.2 Từ trường tới hạn (Hc)
Để phân biệt các chất siêu dẫn ta có thể dựa vào mức độ tương tác của
chất đó với từ trường ngoài. Khi tăng từ trường đặt vào vật liệu siêu dẫn tại T
< Tc, tính siêu dẫn sẽ giảm dần, khi tính chất siêu dẫn biến mất vật liệu
chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường gọi là từ trường
tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động Hc.
Từ trường tới hạn Hc là hàm của nhiệt độ và hàm đó được mô tả gần
đúng như sau:

Hc  H0

 T
1  
  Tc





2





(1.1)

với H0 là từ trường tại T=0 và tại T=Tc thì Hc(Tc)=0
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 Hliệu siêu dẫn. Khi H>Hc toàn phần từ trường thấm vào vật liệu tính siêu dẫn
phá vỡ hoàn toàn như hình 1.3

9


Hình 1.3 Đường cong từ hóa chất siêu dẫn loại I
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 Hc1Hc1 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=Hc
- Vùng 1: Từ trường có giá trị từ 0 đến Hc1 là trạng thái siêu dẫn. Từ
trường không thấm được vào 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 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 trở thành trạng thái
thường.

10


Hình 1.4 Đường cong từ hóa của chất siêu dẫn loại II
1.2.3. Trạng thái hỗn hợp, tâm xoáy từ, mật độ dòng tới hạn Jc
1.2.3.1. Trạng thái hỗn hợp, tâm xoáy từ

Hình 1.5 Tâm xoáy từ vật liệu siêu dẫn loại II

11


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.m2[6]. 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[7]

ξ = ξ(0)

1

(1.2)

T
1
Tc

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

02
fp 
32 0 2

(1.3)

Lực Lorenxo tính theo công thức






f l  J ext  0 iz

(1.4)

Khi ƒp > ƒl thì vật liệu duy trì được tính siêu dẫn.
1.2.3.2. Dòng tới hạn Ic, mật độ dòng tới hạn Jc
Dòng cực đại đạt được trong trạng thái siêu dẫn là dòng tới hạn. Nói
cách khác dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng diện lớn nhất khi
điện trở của chất siêu dẫn xem như bằng không. Dòng tới hạn kí hiệu Ic.

12


Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên 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 bị phá vỡ. Đó là hiệu ứng dòng tới hạn. Ba năm sau(1916) Silsbee mới
giải thích và làm sang tỏ điều này. Ông cho rằng vai trò quyết định để đưa vật
liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường trong hiệu ứng tới hạn không
phải do bản than dòng I lớn mà do từ trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn
phá vỡ trạng thái siên dẫn.
Ngoài khái niệm dòng tới hạn người ta còn dùng khái niệm mật độ
dòng tới hạn. Đơn vị của Jc là A/m2, giá trị của Jc phụ thuộc rất mạnh vào từ
trường và đường kính của dây siêu dẫn.
Từ công thức (1.3) ta có các đại lượng , ,

hoàn toàn phụ thuộc tính

chất vật liệu chỉ có đại lượng liên quan đến vấn đề nhân tạo là lượng tử từ
thông 0 hay từ trường bị bẫy trong lòng chất siêu dẫn. Theo định luật Ampe
trong điện động lực học ta có cảm ứng từ trong lòng vật liệu
lượng tử từ thông( tâm xoáy từ) ta có

hay khi có các

=

Ta có là giá trị trung bình, tuy nhiên nếu giá trị mật độ dòng lớn hơn
một giá trị Jc thì tính siêu dẫn bị phá vỡ.Năm 1963 Charles Bean đưa ra công
thức mật độ dòng tới hạn
|

|=

Jc

(1.5)

1.2.3.3. Cơ chế thay đổi mật độ dòng tới hạn vật liệu YBCO
Như mục trên chúng ta đã tìm hiểu mối quan hệ giữa lực hãm ƒp lực
Lorenxo ƒl . Khi tải dòng điện vật liệu siêu dẫn sẽ chịu tác dụng của lực hãm
và lưc Lorenxo,để duy tính tính chất siêu dẫn tức giữ tâm xoáy từ không
chuyển động nữa ta cần tăng cường độ lực hãm ƒp > ƒl . Nếu ta tăng từ trường
ngoài thì theo công thức lực Lorenxo thì lực Lorenxo tăng vì vậy ta phải tăng
cường độ lực hãm. Lực hãm liên quan đến lượng tử từ thông mà lượng tử từ
thông liên quan đến sai học “khi mạng tinh thể đang sắp xếp theo một thứ tự

13

nào đó vì một nguyên nhân nào đó xảy ra sự hỗn loạn được gọi là sai học”.
Nhiều khi sự sai học chưa chắc đã là có hại ví dụ khi từ trường ngoài đặt vào
nếu không có những sai học đó thì từ trường ngoài không thể thấm vào vật
liệu nếu ở giá trị từ trường thấp nhưng nhờ những sai học này mà tính chất
siêu dẫn ở vật liệu ở những chỗ đó mất đi từ trường có thể thấm vào vật liệu
siêu dẫn. Chính nhờ những sai học đó ta có thể giữ được từ trường ngoài do
đó về mặt thuật ngữ ta gọi sai học đó là “tâm ghim từ”. Những vật liệu siêu
dẫn nhiệt độ cao đã có sẵn những “tâm ghim từ” ta gọi là những “tâm ghim từ
tự nhiên”. Từ công thức của lực hãm có lực hãm tỉ lệ lượng tử từ thông khi ta
tăng số lượng tử từ thông bị ghim thì ta duy trì được tính siêu dẫn. Để tăng
lượng tử từ thông ta phải tăng được số tâm ghim từ. Mà số lượng tâm ghim từ
tự nhiên là không đủ ta phải đặt vào vật liệu một lượng tâm ghim từ nhân tạo.
1.2.4. Cấu trúc của vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- δ
Vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7-δ là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được
tìm ra đầu tiên với Tc ~ 90 K với hợp thức cation là 1Y:2Ba:3Cu và hợp thức
danh định là YBa2Cu3O7-δ (gọi tắt là siêu dẫn 123)[2]. Cấu trúc ô cơ bản được
xác định bằng phép đo nhiễu xạ điện tử và nhiễn xạ rơnghen. Câu trúc này
liên quan đến cấu trúc Peroveskite lập phương có trục c lớn gấp ba lần hai
trục a và b. Trong đó a = 3.8227A0, b=3.8872A0, c=11.6802A0[5]. Mạng tinh
thể gồm hai lớp peroveskite cách nhau bởi chuỗi CuO vì vậy người ta gọi là
peroveskite kép.Trong một ô cơ bản của một tinh thể có cao nhất là 8 ion oxy
nếu tất cả các ion Cu đều có hóa trị 3+ hoặc 6,5+ và 5 ion oxy nếu ion Cu
tương ứng với hóa trị 2+ và 1+. Như vậy, cấu trúc (123) thiếu oxy liên quan
đến cấu trúc Peroveskite lí tưởng. Nghiên cứu nhiễu xạ Rơnghen từ các đơn
tinh thể và đa tinh thể thấy rằng chỉ có 8 oxy bao quanh ion Y chứ không phải
12 như nó phải có trong cấu trúc Peroveskite lí tưởng. Sự thiếu oxy 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

14


b lớn hơn trục a. Tính chất siêu dẫn của vật liệu đạt được hay không là nhờ
vào nồng độ oxy, khi nồng độ oxy lớn hơn 6.4 vật liệu là chất siêu dẫn, khi
nồng độ oxy nhỏ hơn 6, vật liệu là chất cách điện.

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể YBa2Cu3O7- δ
1.3. Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn
Như đã thảo luận ở trên một trong ứng dụng của vật liệu siêu dẫn là
truyền tải điện năng mà không có sự hao phí (vì điện trở bằng 0) là một trong
những thuộc tính quan trọng của HTS trong kỹ thuật điện. Ta biết các dây dẫn
diện trong mạng lưới điện thường dung được làm bằng đồng (Cu) nó có mật
độ dòng lớn nhưng hạn chế của nó là điên trở lớn khi truyền tải đi xa thì hao
phí lớn (P = I2R). Nên ta đi tìm một vật liệu nào nó mà truyền tải được dòng
điện lớn nhưng không hao phí khi tải đi xa đó chính là việt liệu siêu dẫn ở
nhiệt độ cao.
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 laser xung lắng đọng (PLD)
15


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
Chế tạo mẫu bằng việc sử dụng phản ứng pha rắn là khá đơn giản nó có

từ rất lâu đời với những dụng cụ đơn giản như cày cối… Phản ứng đầu tiên
xảy ra khi thực hiện chất siêu dẫn có phương trình:
0.5Y2O3 + 2BaCO3 + 3CuO = YBa2Cu3O6.5 + 2CO2
Để có tỷ lệ chính xác thì các chất tham gia phản ứng phải có tỉ lệ phân
tử chính xác. Vì tất cả các phân tử, nguyên tử có trọng lượng khác nhau khi có
tỉ lệ các chất thì ta hoàn toàn tính toán được khối lượng các chất.
Trọng lượng của mỗi phân tử của hợp chất là khối lượng của hợp chất
tính bằng gam. Trọng lượng của chất dễ dàng tính toán bằng cách cộng khối
lượng nguyên tử tạo thành nó. Ví dụ công thức hóa học của Ytrium oxit là
Y2O3 nghĩa là mỗi phân tử có 2 nguyên tử Ytrium và 3 nguyên tử oxy. Trọng
lượng nguyên tử Ytrium là 88.9059gam( nói cách khác 88.9059 gam chứa
6,02.1023 nguyên tử), nguyên tử oxy có khối lượng 15.9994gam (nguyên tử
oxy nhẹ hơn Ytrium, trong 15.9994gam chứa 6.02.1023 nguyên tử).
Y2 88.9059

2 = 177.8818

O3 15.9994

3 = 47.9982

Trọng lượng Y2O3 là 225.88gam
Vì vậy trong 225.88gam Y2O3 chứa 6.02.1023 phân tử. Tương tự như
vậy trọng lượng phân tử bari cacbonat là 197.35gam,trọng lượng Đồng oxit là
79.5454gam.
Do đó tỉ lệ thích hợp phản ứng là
16


0.5

225.88 = 112.94gam Y2O3

2

197.35 = 394.7gam BaCO3

3

79.5454 = 238.6362gam CuO

Kể từ khi có tỉ lệ này thì ta có thể nhân chia chính xác khối lượng bột
mỗi chất cần dung. Ta phân chia thành 10 phần và làm tròn ta có
- 11,29gam Y2O3
- 39.47gam BaCO3
- 23.86gam CuO
Khi được 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 bốn giai đoạn: trộn các
chất, nung sơ cấp, nung trung cấp(tôi luyện oxy),ủ oxy.
 Trộn các chất
Hỗn hợp các chất Y2O3, BaCO3, CuO được trộn với nhau hình thành
một loại bột màu xám. Hỗn hợp được trộn bằng phương pháp nghiền cơ học.
Mục đích cuối cùng của quá trình này là các chất kết hợp với nhau ở cấp độ
phân tử. Qúa trình thực hiện này tương đối khó khăn vì vậy cần thời gian và
sự tỉ mỉ. Các hóa chất phải được trộn theo tỉ lệ mà đã tính toán ở phần trên.
 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
Đối với xử lí nhiệt ban đầu gọi là nung hỗn hợp được làm nóng ở nhiệt

độ 8800C trong khoảng 24 giờ. Để tăng từ nhiệt độ phòng lên 8800C thì ta mất
3 giờ. hỗn hợp này được cho vào một nồi nung làm bằng khay sứ chịu nhiệt
tốt. Xử lí nhiệt lần đầu tiên này tạo thành tinh thể có cấu trúc YBa 2Cu3O6.5 và
loại bỏ được CO2 từ BaCO3, thu được một hỗn hợp bột màu đen. Nếu có màu

17


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. Và nghiền hỗn hợp trong 1 giờ. 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. Và ta lặp lại quá trình nung và
nghiền nhiều lần nữa. Qúa trình này tiến hành càng nhiều càng tốt tăng tính
đồng đều của vật liệu nhưng trong thực nghiệm ta thấy chỉ cần tiến hành 3 lần
thì đã đạt được tính đồng đều cao. Sau khi nung sơ cấp ta ép viên có đường
kính d=2.54 cm, độ dày 2.5mm, khối lượng 20gam.
 Nung trung cấp (tôi luyện oxy)
Sau khi nung sơ cấp ta ép viên có đường kính d=2.54 cm, độ dày
2.5mm, khối lượng 20gam, đặt vào một khay sứ chịu nhiệt tốt và cho vào lò.
Nếu mà nhiệt độ cao hơn 10000C sẽ phá hủy cấu trúc tinh thể. Thời gian làm
tăng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng lên 9200C cũng cần 3 giờ. Sau khi hỗn hợp
được làm nóng trong lò ta nung trong không khí 24 giờ để tạo pha 123. Để ủ
nhiệt, ta giảm nhiệt độ của lò xuống 600oC (tốc độ  1000C/giờ), ủ trong 15
giờ và có oxy thổi qua. Quá trình làm nguội lò cũng diễn ra với tốc độ 
1000C/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
laser xung (PLD)
Trong khóa luận của mình tôi sử dụng phương pháp lắng đọng laser

xung để chế tạo vật liệu siêu dẫn khi ta thay đổi nồng độ áp suất của oxy.

18


Hình 2.1 Sơ đồ hệ lắng đọng laser xung
Kĩ thuật cắt laser là một kĩ thuật chế tạo vật liệu mà biết đến khi phát
hiện ra laser 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 laser cường
độ cao có thể sử dụng trong lắng đọng màng mỏng. Các ứng dụng cắt đốt
bằng laser xung được gọi là phương pháp laser xung (PLD). Trong hai thập kỉ
tiếp theo phún xạ laser xung dung 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[4]. Hình 2.1 mô tả cấu trúc của
laser bằng xung lắng đọng laser xung là phương pháp bốc bay gián đoạn.
Chùm laser 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 đến khoảng vài trăm
đến 1000A0. Khi ấy bề mặt hình thành một khối plasma hình elip.
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. Trong

19