Cải Thiện Mật Độ Dòng Điện Quan Trọng Của Siêu Dẫn Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O

Nghiên cứu tăng mật độ dòng tới hạn của hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O với tâm ghim từ nano, mở ra tiềm năng ứng dụng mới.

• Tác giả: Pham The An
• Người hướng dẫn: Prof. Luu Tuan Tai
• Trường học: Vietnam National University - University of Science
• Chuyên ngành: Thermophysics
• Đề tài: Cải Thiện Mật Độ Dòng Điện Quan Trọng Của Siêu Dẫn Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O Bằng Cách Thêm Các Trung Tâm Ghim Nano
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ha Noi

Mục lục chi tiết

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGMENTS
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. History of Superconductivity
• 1.2. Critical parameters of a superconductor
• 1.3. Vortex state in type-II superconductors
• 1.4. VORTEX DYNAMICS IN TYPE-II SUPERCONDUCTORS
• 1.5. The collective pinning theory
• 1.6. Flux pinning mechanism in type-II superconductor
• 1.7. RECENT STUDIES ON THE FIRST GENERATION SUPERCONDUCTING WIRE
• 1.8. Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor
• 1.9. Recent studies on the BSCCO superconductor
• 1.10. MOTIVATION OF THE DISSERTATION
• 2. CHƯƠNG 2: EXPERIMENTAL METHODS
• 2.1. Fabrication of Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O polycrystalline samples
• 2.2. Fabrication of nanoparticles
• 2.3. Introductions of pinning centers into Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O polycrystalline samples
• 2.4. Crystal structure analyses
• 2.5. Superconducting property analyses
• 3. CHƯƠNG 3: IMPROVEMENTS OF CRITICAL CURRENT DENSITY IN HIGH-Tc Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ SUPERCONDUCTOR BY USING SODIUM SUBSTITUTION EFFECT
• 3.1. FORMATION OF THE SUPERCONDUCTING PHASES
• 3.2. IMPROVEMENTS OF Jc
• 3.3. FLUX PINNING PROPERTIES
• 3.3.1. Improvements of pinning force density
• 3.3.2. Identification of flux pinning type
• 3.3.3. Flux pinning mechanism
• 3.4. CONCLUSION OF CHAPTER 3
• 4. CHƯƠNG 4: IMPROVEMENTS OF CRITICAL CURRENT DENSITY IN HIGH-Tc Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ SUPERCONDUCTOR BY ADDITION OF NON-MAGNETIC TiO2 NANOPARTICLE
• 4.1. FORMATION OF THE SUPERCONDUCTING PHASES
• 4.2. THE CORRELATION BETWEEN LOCAL STRUCTURE VARIATIONS AND CRITICAL TEMPERATURE
• 4.2.1. Fluctuation of mean field region
• 4.2.2. Local structure variations
• 4.3. IMPROVEMENTS OF Jc
• 4.4. FLUX PINNING PROPERTIES
• 4.4.1. Flux pinning mechanism
• 4.4.2. Improvements of pinning force density
• 4.4.3. Identification of flux pinning center
• 4.5. CONCLUSION OF CHAPTER 4
• 5. CHƯƠNG 5: IMPROVEMENTS OF CRITICAL CURRENT DENSITY IN HIGH-Tc Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ SUPERCONDUCTOR BY ADDITION OF MAGNETIC Fe3O4 NANOPARTICLE
• 5.1. FORMATION OF THE SUPERCONDUCTING PHASES
• 5.2. IMPROVEMENTS OF Jc
• 5.3. FLUX PINNING PROPERTIES
• 5.3.1. Identification of pinning center
• 5.3.2. Improvements of pinning potential
• 5.4. COMPARISON OF SUBSTITUTION EFFECT, ADDITIONS OF NON-MAGNETIC AND MAGNETIC NANOPARTICLE ON THE CRITICAL CURRENT DENSITY OF Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ CERAMIC SUPERCONDUCTOR
• LIST OF NOTATIONS AND ABBREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• ABSTRACT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Siêu Dẫn Bi Pb Sr Ca Cu O Tiềm Năng và Thách Thức

Siêu dẫn là một hiện tượng thú vị, xảy ra khi một số vật liệu được làm lạnh đến nhiệt độ tới hạn. Ở nhiệt độ này, vật liệu có thể dẫn điện mà không có điện trở. Điều này có tiềm năng cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp. Siêu dẫn Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) là một vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) quan trọng, hứa hẹn ứng dụng trong truyền tải điện và nam châm siêu dẫn. Tuy nhiên, để khai thác tối đa tiềm năng của BSCCO, cần phải cải thiện mật độ dòng điện quan trọng (Jc) của nó. Bài viết này tập trung vào cách tiếp cận sử dụng trung tâm ghim nano (Nanopinning centers) để đạt được mục tiêu này. Theo nghiên cứu của Pham The An, việc bổ sung các trung tâm ghim nano là một phương pháp hiệu quả để tăng cường Jc trong siêu dẫn BSCCO. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu siêu dẫn hiệu suất cao là một lĩnh vực quan trọng, đóng góp vào sự phát triển của công nghệ tiên tiến.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Siêu Dẫn và Vật Liệu BSCCO

Lịch sử siêu dẫn bắt đầu từ năm 1911 khi Heike Kamerlingh Onnes phát hiện ra hiện tượng này ở thủy ngân. BSCCO, được phát hiện muộn hơn, là một bước tiến lớn vì nó siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn so với các vật liệu truyền thống. Điều này làm cho nó thực tế hơn cho các ứng dụng. Nghiên cứu này tiếp tục phát triển với việc khám phá ra nhiều vật liệu siêu dẫn khác nhau, mỗi loại có những đặc tính riêng. Vật liệu BSCCO thuộc loại chất siêu dẫn loại II, nghĩa là chúng có thể duy trì trạng thái siêu dẫn trong từ trường mạnh. Sự phát triển của vật liệu BSCCO đã mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng siêu dẫn.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng của Siêu Dẫn BSCCO

Ứng dụng tiềm năng của siêu dẫn BSCCO rất đa dạng, bao gồm truyền tải điện không tổn hao, nam châm mạnh cho MRI và các ứng dụng khác, và các thiết bị điện tử tốc độ cao. Tuy nhiên, Jc thấp của BSCCO vẫn là một rào cản lớn. Các nỗ lực nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc nâng cao hiệu suất siêu dẫn thông qua các phương pháp khác nhau, trong đó có việc sử dụng trung tâm ghim nano. Cải thiện Jc sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng của siêu dẫn BSCCO và giúp hiện thực hóa tiềm năng đầy đủ của nó. Ví dụ, các đường dây truyền tải điện siêu dẫn có thể giảm đáng kể tổn thất năng lượng, góp phần vào sự phát triển bền vững.

II. Vấn Đề Vì Sao Cần Cải Thiện Mật Độ Dòng Điện Jc của BSCCO

Mật độ dòng điện quan trọng (Jc) là một trong những thông số quan trọng nhất của vật liệu siêu dẫn. Nó xác định lượng dòng điện tối đa mà vật liệu có thể mang mà không mất tính siêu dẫn. Đối với siêu dẫn BSCCO, Jc thường thấp hơn so với yêu cầu cho nhiều ứng dụng thực tế. Điều này là do sự chuyển động của các từ thông trong vật liệu dưới tác dụng của từ trường. Việc cải thiện Jc là rất quan trọng để mở rộng các ứng dụng của siêu dẫn BSCCO. Theo Pham The An, các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành để điều tra cơ chế cũng như các ứng dụng của vật liệu BSCCO. Một trong những thách thức lớn là nâng cao Jc để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng như truyền tải điện và nam châm siêu dẫn.

2.1. Ảnh Hưởng của Từ Trường Đến Mật Độ Dòng Jc

Trong chất siêu dẫn loại II như BSCCO, từ trường có thể xâm nhập vào vật liệu dưới dạng các từ thông (vortex). Các từ thông này có thể di chuyển dưới tác dụng của lực Lorentz, gây ra điện trở và làm giảm Jc. Hiện tượng này được gọi là ghim từ thông (Flux pinning). Mục tiêu là tạo ra các chướng ngại vật, hay trung tâm ghim, để ngăn chặn sự di chuyển của các từ thông này, từ đó tăng Jc. Việc hiểu rõ cơ chế ghim từ thông là rất quan trọng để phát triển các phương pháp hiệu quả để cải thiện Jc.

2.2. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Jc trong Siêu Dẫn BSCCO

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến Jc của siêu dẫn BSCCO, bao gồm thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể, và sự hiện diện của các khuyết tật. Việc kiểm soát các yếu tố này là chìa khóa để tối ưu hóa Jc. Các trung tâm ghim nano được thêm vào có thể đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự chuyển động của các từ thông, từ đó cải thiện Jc. Kích thước và phân bố của trung tâm ghim nano cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của chúng. Các nghiên cứu tập trung vào việc xác định các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến Jc để phát triển các phương pháp chế tạo vật liệu siêu dẫn hiệu suất cao.

III. Phương Pháp Cải Thiện Jc Bằng Cách Thêm Trung Tâm Ghim Nano

Một phương pháp hiệu quả để cải thiện mật độ dòng điện quan trọng (Jc) của siêu dẫn Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) là thêm trung tâm ghim nano (Nanopinning centers). Các trung tâm ghim này hoạt động như các chướng ngại vật, ngăn chặn sự di chuyển của các từ thông (Flux pinning), từ đó làm tăng Jc. Kích thước, hình dạng, và phân bố của trung tâm ghim nano có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của chúng. Việc lựa chọn vật liệu cho trung tâm ghim cũng rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến tương tác giữa trung tâm ghim và các từ thông. Theo Pham The An, các loại trung tâm ghim nano khác nhau, bao gồm các khuyết tật điểm, các hạt nano phi từ tính và từ tính, đã được thêm vào siêu dẫn BSCCO để nghiên cứu những thay đổi trong đặc tính ghim từ thông.

3.1. Cơ Chế Hoạt Động của Trung Tâm Ghim Nano

Các trung tâm ghim nano tạo ra các vùng năng lượng thấp cho các từ thông. Khi một từ thông cố gắng di chuyển qua một trung tâm ghim, nó phải vượt qua một rào cản năng lượng, ngăn chặn sự di chuyển của nó. Việc tăng số lượng và hiệu quả của trung tâm ghim nano sẽ làm tăng Jc. Cơ chế ghim từ thông phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và loại của trung tâm ghim nano. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các đặc tính của trung tâm ghim nano để đạt được hiệu quả ghim từ thông cao nhất.

3.2. Lựa Chọn Vật Liệu cho Trung Tâm Ghim Nano

Vật liệu cho trung tâm ghim nano cần phải tương thích với siêu dẫn BSCCO và có khả năng tạo ra các trung tâm ghim hiệu quả. Các vật liệu thường được sử dụng bao gồm oxit kim loại (ví dụ: TiO2, Fe3O4) và các khuyết tật cấu trúc. Các hạt nano phi từ tính và từ tính có thể được sử dụng làm trung tâm ghim. Lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào tính chất điện từ của siêu dẫn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung TiO2 và Fe3O4 có thể cải thiện đáng kể Jc của siêu dẫn BSCCO.

IV. Kết Quả Ảnh Hưởng của Na TiO2 và Fe3O4 Đến Jc của BSCCO

Nghiên cứu của Pham The An đã chỉ ra rằng việc thêm các chất khác nhau, bao gồm Na, TiO2 và Fe3O4, có thể cải thiện mật độ dòng điện quan trọng (Jc) của siêu dẫn Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO). Các chất này hoạt động như trung tâm ghim nano, ngăn chặn sự di chuyển của các từ thông (Flux pinning). Kết quả cho thấy rằng việc thêm các hạt nano từ tính (Fe3O4) mang lại sự cải thiện Jc lớn nhất. Tuy nhiên, việc thêm Na và TiO2 cũng mang lại những cải thiện đáng kể. Theo nghiên cứu, việc bổ sung trung tâm ghim nano đã cung cấp những cải thiện rõ ràng về Jc trong khi vẫn duy trì nhiệt độ tới hạn (Tc) trên 77 K.

4.1. Ảnh Hưởng của Na Đến Tính Chất Siêu Dẫn BSCCO

Việc thay thế Ca bằng Na trong BSCCO có thể thay đổi cấu trúc tinh thể và các đặc tính điện tử của vật liệu. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các trung tâm ghim mới và cải thiện Jc. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay thế một lượng nhỏ Ca bằng Na có thể cải thiện đáng kể Jc mà không làm giảm đáng kể nhiệt độ tới hạn Tc. Hiệu ứng này có thể liên quan đến sự thay đổi trong mật độ điện tích và sự hình thành các khuyết tật điểm.

4.2. Vai Trò của TiO2 và Fe3O4 Trong Việc Tăng Jc

TiO2 và Fe3O4 là hai vật liệu oxit thường được sử dụng làm trung tâm ghim nano trong siêu dẫn BSCCO. TiO2 là một vật liệu phi từ tính, trong khi Fe3O4 là một vật liệu từ tính. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả hai vật liệu này đều có thể cải thiện Jc của BSCCO, nhưng Fe3O4 mang lại hiệu quả lớn hơn. Điều này có thể là do tương tác giữa các từ thông và các mômen từ của Fe3O4.

V. Phân Tích Cơ Chế Ghim Từ Thông và Mô Hình Dew Hughes

Để hiểu rõ hơn về cơ chế ghim từ thông (Flux pinning) trong siêu dẫn Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) với trung tâm ghim nano (Nanopinning centers), các mô hình lý thuyết như mô hình Dew-Hughes đã được sử dụng. Mô hình này cho phép xác định các đặc tính của trung tâm ghim, chẳng hạn như kích thước và hình dạng. Phân tích cho thấy rằng việc bổ sung trung tâm ghim nano có thể thay đổi cơ chế ghim từ thông từ ghim trên bề mặt sang ghim thể tích. Theo Pham The An, mô hình Dew-Hughes được sử dụng để xác định hình học của trung tâm ghim, và kết quả cho thấy ghim 2D và 0D chiếm ưu thế trong các mẫu BSCCO nguyên chất và các mẫu có bổ sung trung tâm ghim nano tương ứng.

5.1. Mô Hình Dew Hughes và Phân Tích Dữ Liệu Thực Nghiệm

Mô hình Dew-Hughes là một mô hình toán học mô tả sự phụ thuộc của lực ghim vào từ trường và nhiệt độ. Bằng cách khớp mô hình với dữ liệu thực nghiệm, có thể xác định các thông số như lực ghim tối đa và vị trí của lực ghim tối đa. Các thông số này cung cấp thông tin về kích thước, hình dạng và phân bố của trung tâm ghim.

5.2. Xác Định Cơ Chế Ghim Từ Thông Chủ Đạo

Phân tích bằng mô hình Dew-Hughes cho phép xác định cơ chế ghim từ thông chủ đạo trong siêu dẫn BSCCO với trung tâm ghim nano. Các cơ chế ghim từ thông có thể bao gồm ghim trên bề mặt, ghim thể tích và ghim tại các khuyết tật điểm. Việc xác định cơ chế chủ đạo giúp tối ưu hóa việc thiết kế các trung tâm ghim nano để đạt được hiệu quả cao nhất.

VI. Kết Luận Tiềm Năng và Hướng Phát Triển của Siêu Dẫn BSCCO

Việc cải thiện mật độ dòng điện quan trọng (Jc) của siêu dẫn Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) thông qua việc thêm trung tâm ghim nano (Nanopinning centers) là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn. Nghiên cứu của Pham The An đã chứng minh rằng việc bổ sung các hạt nano từ tính (Fe3O4) là một phương pháp hiệu quả để tăng cường Jc. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để hiện thực hóa tiềm năng đầy đủ của siêu dẫn BSCCO trong các ứng dụng thực tế. Theo kết luận của Pham The An, kết quả này có thể được sử dụng làm bằng chứng cho việc mở rộng các nghiên cứu liên quan đến các ứng dụng điện của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao trong tương lai gần.

6.1. Tối Ưu Hóa Trung Tâm Ghim Nano và Phương Pháp Chế Tạo

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa kích thước, hình dạng và phân bố của trung tâm ghim nano. Ngoài ra, cần phải phát triển các phương pháp chế tạo vật liệu siêu dẫn BSCCO có Jc cao một cách hiệu quả và kinh tế. Các phương pháp chế tạo mới, chẳng hạn như lắng đọng pha hơi (PVD) và lắng đọng hóa học pha hơi (CVD), có thể được sử dụng để tạo ra các lớp mỏng siêu dẫn BSCCO với trung tâm ghim nano được kiểm soát chính xác.

6.2. Ứng Dụng Thực Tế và Nghiên Cứu Thị Trường

Để thúc đẩy việc ứng dụng siêu dẫn BSCCO trong thực tế, cần phải thực hiện các nghiên cứu thị trường để xác định các lĩnh vực có tiềm năng ứng dụng lớn nhất. Các lĩnh vực này có thể bao gồm truyền tải điện, nam châm siêu dẫn, và các thiết bị điện tử. Nghiên cứu về tính khả thi kinh tế của việc sử dụng siêu dẫn BSCCO trong các ứng dụng khác nhau cũng rất quan trọng. Ví dụ, việc phát triển các đường dây truyền tải điện siêu dẫn có thể giảm đáng kể tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu quả của hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY UNIVERSITY OF SCIENCE _______________________ Pham The An IMPROVEMENTS OF CRITICAL CURRENT DENSITY OF Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O HIGH-Tc SUPERCONDUCTOR BY ADDITIONS OF NANO-STRUCTURED PINNING CENTERS Major: Thermophysics Code: 9440130.07 DISSERTATION FOR DOCTOR OF PHILOSOPHY IN PHYSICS SUPERVISORS : 1. Luu Tuan Tai Professor of Physics 2. Tran Hai Duc Associate Professor of Physics Ha Noi - 2023 DECLARATION I hereby declare that this is my own research work. The results written in collaboration with other authors have been approved by the co-authors prior to being included in the thesis.

The results presented in the thesis are truthful and have not been published in any other works. Author Pham The An 1 ACKNOWLEDGMENTS Time as a doctoral student is the first step on our academic long journey. A challenging period that demanded great effort and perseverance, but was extremely rewarding, has enabled me to develop the necessary mindset, skills, and character to conduct independent research and contribute to scientific advancement. The achievements that I have attained today have greatly benefited from the contribution and support of my supervisors, lab-mates, colleagues, friends, and family.

Although these words can never fully express my gratitude and love, I would like to send my sincerest thanks to those who have accompanied me throughout this journey. First and foremost, I would like to express my highest reverent gratitude to my supervisors – Asso. Tran Hai Duc and Prof. Luu Tuan Tai, for their supervision, guidance, and invaluable feedback throughout the journey.

Their insightful comments and constructive criticisms were instrumental in shaping and refining my research work. I am truly grateful for the time and effort they have devoted to helping me achieve my academic goals. I am also grateful to the members of my dissertation committee, for their precise feedback. Their constructive comments and suggestions have immensely improved the quality of my work.

I would like to express my appreciation to my lab-mates, colleagues, and friends, who have provided enthusiasm and valuable support to me during the research. I extend my gratitude to the professors and staffs at my faculty and functional departments, especially, Dr. Nguyen Duy Thien, Dr. Sai Cong Doanh, Dr.

Nguyen Quang Hoa at Faculty of Physics, Asso. Nguyen Hoang Nam at Nano and Energy Center, and Dr. Nguyen Thanh Binh, University of Science, Vietnam National University; Dr. Nguyen Khac Man at International Training Institute for Materials Science, Hanoi University of 2 Science and Technology, who have provided me with administrative and technical support.

I also would like to express my appreciation for the collaboration with the research groups of Dr. Le Minh Tien, Msc. Tran Tien Dzung at Sungkyunkwan University (Korea), Dr. Wantana Klysubun at Synchrotron Light Resource Institute (Thailand), and Prof.

Takafumi Miyanaga at Hirosaki University (Japan). Their assistance has been crucial in facilitating the completion of my doctoral course. I would like to thank PhD Scholarship Programme of Vingroup Innovation Foundation, the Institute of Big Data and The Development Foundation of Vietnam National University, Hanoi for sponsoring my research. Lastly, I would like to express my sincere gratitude to my family and my girlfriend, for their support, encouragement, and spiritual strength during all of this challenging period.

Their love has been my great motivation to achieve every goal. I am most sincerely grateful for their sacrifices and unwavering belief in me. Ha Noi, August 2023 Pham The An 3 CONTENTS DECLARATION. 4 LIST OF NOTATIONS AND ABBREVIATIONS.

7 LIST OF TABLES. 10 LIST OF FIGURES. History of Superconductivity. Critical parameters of a superconductor.

Vortex state in type-II superconductors. VORTEX DYNAMICS IN TYPE-II SUPERCONDUCTORS. The collective pinning theory. Flux pinning mechanism in type-II superconductor.

RECENT STUDIES ON THE FIRST GENERATION SUPERCONDUCTING WIRE. Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor. Recent studies on the BSCCO superconductor. MOTIVATION OF THE DISSERTATION .1 Fabrication of Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O polycrystalline samples.

Fabrication of nanoparticles. Introductions of pinning centers into Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O polycrystalline samples. Crystal structure analyses. Superconducting property analyses.

56 CHAPTER 3 : IMPROVEMENTS OF CRITICAL CURRENT DENSITY IN HIGH-Tc Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+ OF SUPERCONDUCTOR BY USING SODIUM SUBSTITUTION EFFECT. FORMATION OF THE SUPERCONDUCTING PHASES. IMPROVEMENTS OF Jc. FLUX PINNING PROPERTIES.

Improvements of pinning force density. Identification of flux pinning type. Flux pinning mechanism. CONCLUSION OF CHAPTER 3.

75 CHAPTER 4 : IMPROVEMENTS OF CRITICAL CURRENT DENSITY IN HIGH-Tc Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+ SUPERCONDUCTOR BY ADDITION OF NON-MAGNETIC TiO2 NANOPARTICLE. FORMATION OF THE SUPERCONDUCTING PHASES. THE CORRELATION BETWEEN LOCAL STRUCTURE VARIATIONS AND CRITICAL TEMPERATURE. Fluctuation of mean field region.

Local structure variations. IMPROVEMENTS OF Jc. FLUX PINNING PROPERTIES. Flux pinning mechanism.

Improvements of pinning force density. Identification of flux pinning center. CONCLUSION OF CHAPTER 4. 106 5 CHAPTER 5 : IMPROVEMENTS OF CRITICAL CURRENT DENSITY IN HIGH-Tc Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+ SUPERCONDUCTOR BY ADDITION OF MAGNETIC Fe3O4 NANOPARTICLE.

FORMATION OF THE SUPERCONDUCTING PHASES. IMPROVEMENTS OF Jc. FLUX PINNING PROPERTIES. Identification of pinning center.

Improvements of pinning potential. COMPARISON OF SUBSTITUTION EFFECT, ADDITIONS OF NON-MAGNETIC AND MAGNETIC NANOPARTICLE ON THE CRITICAL CURRENT DENSITY OF Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ CERAMIC SUPERCONDUCTOR. 125 6 LIST OF NOTATIONS AND ABBREVIATIONS Notations Explain %Bi-2212 volume fraction of Bi-2212 phase %Bi-2223 volume fraction of Bi-2223 phase APC artifial pinning center b normalized field (b = B/Birr) Bc1 lower critical field Bc2 upper critical field BCS Bardeen-Cooper-Schrieffer Birr irreversibility field Blb large bundle field bpeak reduced field at maximum of flux pinning force density BPSCCO Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O Bsb small bundle field BSCCO Bi-Sr-Ca-Cu-O d effective inter-layering spacing dϕ inter-flux-line spacing e electron charge FL Lorentz force density Fp pinning force density fp normalized pinning force density (fp = Fp/Fp,max) Fp,max maximum value of pinning force density FWHM full width at half maximum ħ Planck constant I electric current I2212 X-ray diffraction intensity of Bi-2212 phase I2223 X-ray diffraction intensity of Bi-2223 phase 7 j normalized critical current density (j = Jc/Jc(0) ) J interlayer coupling strength Jc critical current density Jsv critical current density in single vortex regime k Gaussian critical exponent kB Boltzmann's constant R resistance SEM scanning electron microscopy T temperature t normalized temperature (t = T/Tc) Tc critical temperature TEM transmission electron microscopy TLD Lawrence–Doniach temperature U voltage difference U0 pinning potential v hole concentration V valence XANES X-ray absorption near edge structure XAS X-ray absorption spectrocopy XRD X-ray diffraction ΔM magnetization hysteresis width Δσ excess conductivity ε reduced temperature (ε = (T – Tc)/Tc ) λ coherence length λCu-Kα Cu-Kα radiation wavelength ξ penetration depth ξc c-axis coherence length 8 ρ resistivity ρ0 residual resistivity τ crystallite size Φ0 magnetic flux quantum 9 LIST OF TABLES Table 1. Details of types of pinning properties in type II superconductors.

Variations of volume fractions and lattice parameters for Bi-2223 phase of Bi1.4Sr2Ca2-xNaxCu3O10+ samples. Flux pinning centers properties with modified Dew-Hughes model scaling of the samples at 65 K, 55 K, 45 K, and 35 K. The volume fraction, average crystallite size, lattice constants for Bi- 2223 phase, Tc and ρ0 values of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. Excess conductivity analysis calculated parameters of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0.

Bsb and Blb values of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. Flux pinning centers properties with modified Dew-Hughes model scaling of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. Characteristic fields and Dew–Hughes model fitting parameters of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(Fe3O4)x samples. 117 10 LIST OF FIGURES Figure 1.

History of Superconductivity. Three states of conductivity in a superconductor: zero resistance (inside the innermost surface), transition state (outer surface), and normal conductance (beyond the outer surface). Phase diagram of Type-I and Type-II superconductors. Vortices pinning in type-II superconductor.

Schematic of collective pinning regimes with increasing magnetic field. The Jc(B) pinning regimes as collective pinning theory. Balance of forces acting on vortices. Schematic of different types of nano-sized pinning centers in type- II superconductors.

Classification of types of pinning centers. Illustration of crystal structures of three phases of BSCCO system. BSCCO 1st generation HTS wire. Fabrication process of sample series illustration.

Bragg's Law reflection. The photoelectric effect, in which an x-ray is absorbed and a core level electron is promoted out of the atom. Illustration of estimation of ΔM from a hysteresis loop of a BPSCCO sample measured at 65 K. XRD patterns of Bi1.4Sr2Ca2-xNaxCu3O10+δ samples.

Field dependence of Jc at 65 K for Bi1.4Sr2Ca2-xNaxCu3O10+ samples in which enhancements of Jc were observed. Field dependence of Jc of the Na000 and Na006 samples at different temperatures. Descriptions of the field dependence of Jc of all samples by using the collective pinning theory at (a) 65 K, (b) 45K and (c) 25 K. The solid lines are the fitting curves using Eq.

(a) Field dependence of -ln(Jc(B)/Jc(0)) of Na000 and Na006 samples at 65K. (b) The temperature dependence of Birr of all samples at different temperatures. The solid lines are the fitting curves using Eq. (c) The B-T phase diagram of Na000 sample.

(d) The B-T phase diagram of Na006 sample. Pinning force density (Fp) versus reduced field (b) of the samples at (a) 65K, (b) 55K, (c) 45K, (d) 35K and (e) 25K. The relation between the pinning force density maximum Fp,max and irreversible field Birr with Na content as the hidden variable. Data are shown in double-logarithmic plots.

Scaling behaviors of the normalized pinning force density (fp) versus (b) at all measured temperatures of (a) Na000, (b) Na002, (c) Na004, (d) Na006, (e) Na008 and (f) Na010 samples. The solid lines are the fitting curves using Eq. (a) Normalized critical current density Jc(t)/Jc(0) versus normalized temperature t of all the samples; (b) Crossover field (Bsb) versus normalized temperature of all the samples. The solid lines are the fitting curves using Eq.

(a) TEM images and (b) histogram of TiO2 nanoparticles. XRD patterns of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. SEM images of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. The temperature dependence of resistivity of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0.

Double logarithmic plot of excess conductivity as a function of reduced temperature of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples (a) x = 0, (b) x = 0. The red, green, and blue solid lines correspond to the critical region, 3D and 2D region, respectively. The Cu-O, Cu-Ca and Cu-Sr bond distances of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. (a) Cu K-edge XANES spectra of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1- x(TiO2)x samples, with x = 0, 0.

(b) Copper valence of all samples. (a) Cu L2,3-edge XANES spectra of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1- x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. Ti L2,3-edge spectra of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. The field dependence of Jc of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0.010 with small bundle regimes description using collective pinning theory at (a) 65 K, (b) 55 K, (c) 45 K, and (d) 35 K.

Dash-dot lines are fitting curves using Equation (1. (a) The normalized temperature dependence of normalized Jc and (b) normalized Bsb of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0. Solid lines are fitting curves in terms of the δl pinning and δTc pinning mechanisms using Eqs. The normalized field dependence of flux pinning force density of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(TiO2)x samples, with x = 0, 0.

The normalized field dependence of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1- x(TiO2)x samples, with x = 0, 0.010 with modified Dew-Hughes model scaling at (a) 65 K, (b) 55 K, (c) 45 K ,and (d) 35 K. Solid lines are fitting curves using Eq. (a) TEM images and (b) histogram of Fe3O4 nanoparticles. (a) XRD patterns and (b) Volume fractions and average crystalline size of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(Fe3O4)x samples, with x = 0, 0.

SEM images of (Bi1.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(Fe3O4)x samples, with x = 0, 0. (a) Field dependence of Jc at 65 K with small-bundle regime fitting in double-logarithmic scale, (b) field dependence of –ln[Jc(B)/Jc(0)] of the x = 0 and 0.