Cấu trúc và tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao

• Đề tài: Nghiên Cứu Về Cấu Trúc Và Tính Chất Của Vật Liệu Siêu Dẫn Nhiệt Độ Cao

• 1. CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỢP CHẤT SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO LOẠI 1:2:3 (Tổng quan về kết quả thực nghiệm)
• 1.1. Phần A: Vật liệu YBazCu3O7-y
• 1.1.1. A. Cấu trúc tinh thể
• 1.1.2. A. Tính chất điện của vật liệu 1:2:3
• 1.1.3. A. Mật độ dòng tới hạn (Je)
• 1.1.4. A. Tính chất từ của vật liệu 1:2:3
• 1.1.5. A. Nhiệt dung, hiệu ứng đồng vị và giá trị các thông số vi mô của vật liệu 1:2:3
• 1.1.6. A. Tính chất nhiệt, nhiệt dung của vật liệu siêu dẫn 1:2:3
• 1.1.7. A. Hiệu ứng đồng vị
• 1.1.8. A. Các thông số vật lý vi mô khác
• 1.2. Phần B: Ảnh hưởng của việc thay thế các ion lên các tính chất vật lý của vật liệu siêu dẫn loại 1:2:3
• 1.2.1. B. Hợp chất RBazCu3O7-y (R là các nguyên tố đất hiếm)
• 1.2.2. B. Thay thế Y và Ba bằng các ion có hóa trị tương đương và không tương đương
• 1.2.3. Ảnh hưởng của việc thay thế các ion vào vị trí của Cu trong vật liệu 1:2:3
• 1.2.4. Thay thế vào vị trí của ion Oxy
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU SIÊU DẪN LOẠI 1:2:3 VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Công nghệ chế tạo vật liệu
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Phép đo hệ số từ hóa xoay chiều (Kae)
• 2.2.3. Phép đo hệ số từ hóa tĩnh dùng 6° KẾ
• 2.2.4. Phép đo điện trở bằng phương pháp bến och
• 2.3. Ảnh hưởng của môi trường và xử lý nhiệt lên tính chất vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: TRÌNH BÀY CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ
• 4. CHƯƠNG 4: TRÌNH BÀY KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN CÁC HỆ VẬT LIỆU: YBazCu3O7, Yi-xMnx Ba2Cu3O7-y, YBa2 (Cu1-xFex)3O7-y, VBaz (Cu1-xMnx)3O7-y
• 5. CHƯƠNG 5: TRÌNH BÀY CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN TRÊN HỆ VẬT LIỆU Eri-xCuxBa3Cu3O7-y
• MỞ ĐẦU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vật Liệu Siêu Dẫn Nhiệt Độ Cao Tổng Quan Giới Thiệu

Hiện tượng siêu dẫn lần đầu được phát hiện ở thủy ngân, mở ra một chương mới trong vật lý chất rắn. Đến năm 1985, nhiệt độ chuyển pha cao nhất đạt được là 23.3K với Nb3Ge, đòi hỏi sử dụng heli lỏng đắt đỏ. Bước đột phá đến từ Muller, người phát hiện hợp chất gốm La-Ba-Cu-O có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn 35K. Cava và các cộng sự sau đó nâng nhiệt độ chuyển pha lên 40K khi thay thế Ba bằng Sr. Nghiên cứu chỉ ra rằng áp suất nội tại có thể nâng cao nhiệt độ chuyển pha, mở đường cho vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. Định nghĩa vật liệu siêu dẫn: Vật liệu có khả năng dẫn điện hoàn toàn ở dưới một nhiệt độ nhất định, được gọi là nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc).

1.1. Lịch Sử Phát Triển Vật Liệu Siêu Dẫn Nhiệt Độ Cao

Năm 1987, Chu và cộng sự công bố vật liệu Y-Ba-Cu-O (YBCO) có nhiệt độ chuyển pha vượt ngưỡng nitơ lỏng (77K). Vật liệu này, thường được gọi là vật liệu 1:2:3, đã thu hút sự chú ý lớn của cộng đồng khoa học. Tiếp theo đó, Maeda tìm ra vật liệu Tl-Ba-Ca-Cu-O với nhiệt độ điện trở bằng không ở 140K. Năm 1993, vật liệu HgBa2CuO4+y đạt kỷ lục 120K. Các nghiên cứu vẫn tiếp tục tìm kiếm vật liệu mới với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc) cao hơn và giải thích cơ chế siêu dẫn.

1.2. Định Nghĩa và Các Tính Chất Cơ Bản Của Siêu Dẫn

Siêu dẫn là hiện tượng vật chất có điện trở bằng không khi được làm lạnh dưới một nhiệt độ tới hạn. Hiệu ứng Meissner, đẩy hoàn toàn từ trường ra khỏi vật liệu, là một tính chất đặc trưng khác. Vật liệu siêu dẫn có khả năng dẫn điện với dòng điện không suy giảm, mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như truyền tải điện, điện tử và y tế. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn bao gồm: truyền tải điện không tổn hao, nam châm siêu dẫn trong máy MRI, và các thiết bị điện tử tốc độ cao.

II. Cấu Trúc Tinh Thể Siêu Dẫn Cách Vật Liệu 1 2 3 Hoạt Động

Vật liệu YBa2Cu3O7-y (YBCO) có cấu trúc perovskite biến dạng, với các chuỗi và mặt phẳng CuO2 đóng vai trò quan trọng trong tính siêu dẫn. Các ion Y và Ba chiếm vị trí A trong cấu trúc perovskite, trong khi ion Cu chiếm vị trí B. Sự thiếu hụt oxy trên các mặt chứa Ba tạo ra cấu trúc orthorhombic biến dạng. Cấu trúc tinh thể YBCO có cấu trúc orthorhombic, với các mặt phẳng CuO2 và chuỗi CuO là các yếu tố chính trong tính chất siêu dẫn của nó.

2.1. Ảnh Hưởng Của Oxy Đến Cấu Trúc và Tính Siêu Dẫn

Độ lấp đầy của oxy ở vị trí O(1) ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc tinh thể và tính siêu dẫn. Khi nồng độ oxy giảm, hằng số mạng thay đổi và chuyển pha cấu trúc orthorhombic sang tetragonal xảy ra. Nhiệt độ chuyển pha giảm khi giảm áp suất môi trường oxy. Sự thiếu hụt oxy chủ yếu xảy ra ở vị trí O(1), dẫn đến giảm trật tự trong các chuỗi CuO.

2.2. Chuyển Pha Cấu Trúc Orthorhombic Tetragonal Yếu Tố Quan Trọng

Chuyển pha cấu trúc orthorhombic - tetragonal xảy ra ở nhiệt độ cao (500-700°C), phụ thuộc vào áp suất môi trường oxy. Chuyển pha liên quan đến sự mất oxy, bắt đầu ở 300-400°C. Các ion Cu và oxy đóng vai trò quyết định giá trị Te. Các ion Y và Ba là các ion liên kết trong cấu trúc, nhưng không phải ion hóa trị 3+ và 2+ nào cũng có thể thay thế vào vị trí Y và Ba mà không ảnh hưởng đến giá trị Te.

2.3. Mô hình lý thuyết siêu dẫn nhiệt độ cao

Mô hình lý thuyết siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn còn là một chủ đề nghiên cứu tích cực. Lý thuyết BCS không thể giải thích đầy đủ các tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, đặc biệt là cơ chế hình thành cặp Cooper. Các lý thuyết thay thế như lý thuyết RVB (Resonating Valence Bond) và lý thuyết spin fluctuation đang được nghiên cứu để giải thích cơ chế siêu dẫn trong vật liệu này.

III. Tính Chất Điện Tử Vật Liệu Siêu Dẫn Đo Đạc Phân Tích

Điện trở của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái thường (T > Tc) thể hiện tính kim loại. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới Tc, điện trở giảm đột ngột. Mật độ dòng tới hạn (Jc) là thông số quan trọng, thể hiện khả năng mang dòng điện của vật liệu mà không mất tính siêu dẫn. Các hạt siêu dẫn trong mẫu gốm được bao bọc bởi biên hạt không siêu dẫn, ảnh hưởng đến giá trị Jc.

3.1. Điện Trở Suất Nhiệt Độ Chuyển Pha Mối Quan Hệ

Điện trở suất của vật liệu siêu dẫn giảm tuyến tính theo nhiệt độ ở trạng thái thường. Khi đạt đến nhiệt độ Ts, điện trở bắt đầu giảm đột ngột. Nhiệt độ Tc là nhiệt độ mà tại đó điện trở bằng không. Với các mẫu đơn pha 1:2:3, ΔTc ≈ 1-3 K. Kết quả đo điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ theo các hướng tinh thể khác nhau (trục a, b, c).

3.2. Mật Độ Dòng Tới Hạn Jc Yếu Tố Quyết Định Ứng Dụng

Mật độ dòng tới hạn Jc là giá trị mật độ dòng cực đại mà vật liệu có thể mang mà không mất tính siêu dẫn. Giá trị Jc phụ thuộc vào kích thước hạt siêu dẫn và các biên hạt. Các mẫu gốm có Jc thấp hơn so với mẫu màng mỏng do các biên hạt. Mô hình Bean được sử dụng để tính Jc từ các phép đo mô men từ.

3.3. Phổ quang điện tử ARPES và cấu trúc dải năng lượng

Kỹ thuật phổ quang điện tử (ARPES) là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc dải năng lượng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. ARPES cho phép xác định các trạng thái điện tử gần mức Fermi và cung cấp thông tin về khe năng lượng siêu dẫn và sự hình thành cặp Cooper. Kết quả ARPES đã đóng góp quan trọng vào việc hiểu cơ chế siêu dẫn trong vật liệu cuprates.

IV. Tính Chất Từ Hiệu Ứng Meissner Đặc Trưng Vật Liệu Siêu Dẫn

Ở trạng thái thường, vật liệu thể hiện tính chất thuận từ. Ở trạng thái siêu dẫn, hiệu ứng Meissner xảy ra, đẩy hoàn toàn từ trường ra khỏi vật liệu. Hệ số từ hóa xoay chiều (χac) có cực đại liên quan đến liên kết yếu giữa các hạt siêu dẫn. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao loại II có hai giá trị từ trường tới hạn, Hc1 và Hc2. Các nghiên cứu chỉ ra tính dị hướng của mô men từ theo các phương tinh thể khác nhau.

4.1. Hệ Số Từ Hóa Xoay Chiều χac Phản Ánh Liên Kết

Phần ảo (χ''ac) của hệ số từ hóa xoay chiều có hai cực đại liên quan đến liên kết yếu giữa các hạt siêu dẫn và vùng chuyển pha. Các cực đại liên quan đến liên kết yếu giữa các hạt siêu dẫn được bao bọc bởi biên hạt không siêu dẫn. Các cực đại liên quan đến liên kết yếu vùng chuyển pha.

4.2. Từ Trường Tới Hạn Hc1 Hc2 Phân Loại Siêu Dẫn

Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao loại II có hai giá trị từ trường tới hạn, Hc1 và Hc2. Giá trị Hc1 được Goldfarb xác định vào cỡ 19 mT. Giá trị Hc2 được đánh giá vào cỡ 100 T ở 4.2 K. Các nghiên cứu trong từ trường cao chỉ ra tính dị hướng của mô men từ theo các phương tinh thể khác nhau.

4.3. Hiệu ứng Meissner và từ trường tới hạn

Hiệu ứng Meissner là một trong những tính chất đặc trưng của vật liệu siêu dẫn. Khi một vật liệu trở thành siêu dẫn, nó đẩy hoàn toàn từ trường ra khỏi bên trong nó. Từ trường tới hạn (Hc) là từ trường mà trên đó tính siêu dẫn bị phá hủy. Giá trị của Hc phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của vật liệu.

V. Tính Chất Nhiệt Hiệu Ứng Đồng Vị Nghiên Cứu Vật Liệu

Tính chất nhiệt của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao là một trong những tính chất được quan tâm nghiên cứu, trong đó nhiệt dung là thông số quan trọng. Độ dẫn nhiệt (K) và suất điện động nhiệt điện (S) cũng được xác định. Hiệu ứng đồng vị cho thấy sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha khi thay thế đồng vị oxy hoặc đồng. Các nghiên cứu về hiệu ứng đồng vị sử dụng các ion oxy và Cu đồng vị thay vào các ion oxy và Cu thường.

5.1. Nhiệt Dung Độ Dẫn Nhiệt Đo Lường Tương Tác

Nhiệt dung (C) là thông số quan trọng trong nghiên cứu tính chất nhiệt. Độ dẫn nhiệt K được định nghĩa là K = Cv L/3, với C là nhiệt dung, v và L tương ứng là vận tốc trung bình và quãng đường tự do trung bình của hạt mang nhiệt. Khi đo độ dẫn nhiệt của vật rắn có thể thu được những thông tin về tương tác giữa hạt tải và mạng tinh thể.

5.2. Hiệu Ứng Đồng Vị Thay Đổi Nhiệt Độ Chuyển Pha Tc

Các nghiên cứu của Ott và cộng sự đưa ra kết quả đáng ngạc nhiên khi thay thế 16O cho 18O, nhiệt độ chuyển pha Tc giảm tới 59K. Cho đến nay việc khẳng định hiệu ứng đồng vị trong vật liệu YBa2Cu3O7 là vấn đề đang được quan tâm và nghiên cứu. Thay thế đồng vị có thể thay đổi khối lượng và spin của các ion, ảnh hưởng đến tương tác giữa các điện tử và do đó ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha.

VI. Ứng Dụng Tiềm Năng Hướng Nghiên Cứu Vật Liệu Siêu Dẫn Mới

Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hứa hẹn nhiều ứng dụng trong tương lai, bao gồm truyền tải điện không tổn hao, nam châm siêu dẫn, và các thiết bị điện tử tốc độ cao. Nghiên cứu tập trung vào việc tìm kiếm vật liệu mới với nhiệt độ chuyển pha cao hơn và hiểu rõ cơ chế siêu dẫn. Các hướng nghiên cứu tập trung vào vật liệu pnictides, chalcopyrites, và các hợp chất khác.

6.1. Các Ứng Dụng Thực Tế Từ Y Tế Đến Năng Lượng

Ứng dụng trong y tế: Máy MRI sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra hình ảnh chi tiết của cơ thể. Ứng dụng trong năng lượng: Truyền tải điện không tổn hao, lưu trữ năng lượng. Ứng dụng trong giao thông vận tải: Tàu đệm từ. Ứng dụng trong điện tử: Các thiết bị điện tử tốc độ cao và hiệu quả.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Vật Liệu Mới Cơ Chế

Tìm kiếm vật liệu mới: Nghiên cứu vật liệu pnictides, chalcopyrites, và các hợp chất khác. Nghiên cứu cơ chế: Phát triển các lý thuyết giải thích cơ chế siêu dẫn trong vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, bao gồm lý thuyết RVB và lý thuyết spin fluctuation. Cải thiện tính chất: Nâng cao nhiệt độ chuyển pha, mật độ dòng tới hạn, và độ bền cơ học.