Nghiên cứu tăng mật độ dòng tới hạn của hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Cu-O sử dụng tâm ghim từ nhân tạo có cấu trúc nano

Đề tài nhằm thực hiện các mục tiêu sau: ứng dụng công nghệ nano chế tạo tâm ghim từ nhân tạo cấu trúc nano trong vật liệu siêu dẫn BSCCO; nghiên cứu hiệu ứng tăng Jc của các mẫu gốm BSCCO có chứa tâm ghim từ nhân tạo cấu trúc nano; và nghiên cứu, chế tạo màng BSCCO có chứa tâm ghim từ nhân tạo cấu trúc nano, phân tích hiệu ứng tăng Jc và và mô hình hóa quá trình phát triển của tâm ghim từ nhân tạo này.

Đề tài đã thu được các kết quả sau:

Nội dung 1: Nghiên cứu tăng Jc của BSCCO thông qua tâm ghim từ 0D-APCs sử dụng hiệu ứng thay thế.

a. Nghiên cứu, chế tạo mẫu siêu dẫn BSCCO thay thế (đơn) Na, Ni, Yb bằng phương pháp phản ứng pha rắn:

– Hệ mẫu BSCCO có thay thế (đơn) Na: hệ mẫu có cấu trúc tinh thể dạng trực thoi và gồm hai pha siêu dẫn là Bi-2223 và Bi-2212 trong đó tỉ phần Bi-2223 khá cao. Nhiệt độ chuyển pha Tc của hệ mẫu sau khi có thay thế Na tăng nhẹ, đạt giá trị tối đa ~ 106 K; Jc tại 65 K tăng mạnh nhất khi hàm lượng thay thế là 0.06. Trong các nghiên cứu so sánh trước đây, điều kiện nung thiêu kết tối ưu để hình thành pha Bi-2223 gồm nhiệt độ đủ lớn (~ 850^oC) và thời gian đủ dài (~168 giờ). Khi thay thế Na vào hệ BSCCO, nhiệt độ nóng chảy của hệ BSCCO có xu thế giảm. Khi đó, điều kiện nhiệt độ 850 ^oC áp dụng cho toàn hệ mẫu sẽ càng gần điểm nóng chảy của BSCCO hơn, dẫn đến tỉ phẩn pha Bi-2223 trong hệ mẫu có thay thế Na tăng – thể hiện qua đồ thị biến đổi %Bi-2223 theo Na. Sự biến đổi Tc của BSCCO phụ thuộc vào sự thay đổi nồng độ lỗ trống (hole) trên mặt phẳng CuO2. Giá trị nồng độ lỗ trống ngoại suy từ đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu cho thấy thay thế Na làm cho nồng độ lỗ trống tăng, dẫn đến Tc tăng.

– Hệ mẫu BSCCO có thay thế (đơn) Ni, Yb: Tc giảm mạnh dưới vùng Nito lỏng, xuất hiện chuyển pha kim loại – bán dẫn ở vùng nhiệt độ cao. Nguyên nhân suy giảm này được cho là có liên quan đến sự lấp đầy lỗ trống trên mặt phẳng CuO2, và tương tác hủy giữa moment nghịch từ (của siêu dẫn) và moment sắt từ của Ni2+. Kết quả cho thấy thay thế Ni, Yb không đáp ứng yêu cầu cải thiện Tc, Jc cho mục đích ứng dụng.

b. Nghiên cứu, chế tạo mẫu siêu dẫn BSCCO thay thế (kép) Na, Ni, Yb bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Khi cố định nguyên tố thay thế thứ nhất là Na, các nguyên tố thay thế thay đổi là Ni, Yb. Tc của hệ mẫu có thay thế kép vẫn không vượt quá vùng Nito lỏng (dưới 77 K). Khi so sánh hai cơ chế tăng và giảm Tc, tuy nhiệt độ nung thiêu kết 850^oC là điều kiện phù hợp để hình thành pha Bi-2223 với tỉ phần cao đối với hệ mẫu có thay thế Na, nhưng hiện tượng lấp đầy lỗ trống xảy ra rất mạnh do mỗi ion Yb3+ sẽ mang theo 3 electron, và moment sắt từ cân bằng trực tiếp với moment nghịch từ của siêu dẫn, đưa đến Tc giảm mạnh như thực nghiệm. Kết quả này cho thấy thay thế kép sử dụng ba nguyên tố này không cải thiện Tc, Jc phục vụ mục đích ứng dụng. Xuất phát từ kết quả này, các nghiên cứu thay đổi điều kiện, phương pháp đưa hạt sắt từ nhưng ngăn chặn được hiệu ứng thay thế có thể thực hiện trong thời gian tới.

Nội dung 2: Nghiên cứu tăng Jc của BSCCO thông qua tâm ghim từ 1D-APCs và 3D-APCs sử dụng hiệu ứng pha tạp.

Trên cơ sở so sánh cấu trúc tinh thể của BSCCO là vật liệu perovskite kép, các vật liệu perovskite đơn nền Ba và Ca đã được lựa chọn để pha vào BSCCO. Một hiện tượng vật lý hấp dẫn đang được các nhà khoa học quan tâm là hiện tượng tự hình thành (self-assembly) các cấu trúc nano dạng ống và dạng hạt nền Ba và Ca khi các vật liệu này được trộn, nghiền trực tiếp vào hệ siêu dẫn. Tùy từng điều kiện, các phản ứng pha rắn xảy ra khi chế tạo mẫu sẽ đưa đến những cấu trúc nano có kích thước, hình thái khác nhau. Tiến hành nghiên cứu trên hệ BSCCO, kết quả cụ thể như sau:

a. Khi pha tạp vật liệu perovskite nền Ba vào BSCCO, Tc của hệ mẫu có xu hướng giảm, nhưng chưa xuất hiện chuyển pha kim loại – bán dẫn ở vùng nhiệt độ cao. Khả năng cải thiện Tc vẫn có thể xảy ra sau khi thay đổi công nghệ chế tạo mẫu.

b. Khi tiếp tục pha tạp vật liệu perovskite nền Ca vào BSCCO, Tc của hệ mẫu có xu hướng ổn định ở vùng 50 K mặc dù đã thay đổi công nghệ chế tạo vật liệu. Kết quả này cho thấy thay thế vật liệu perovskite nền Ca vào BSCCO gây ra sự suy giảm đáng kể về tính chất siêu dẫn. Trái với kì vọng ban đầu khi Tc có thể giảm nhưng vẫn duy trì xung quanh vùng nito lỏng (65 K – 77 K), Tc giảm sâu như kết quả thu được dẫn đến làm giảm khả năng ứng dụng của mẫu trong truyền tải điện năng.

c. Một số kết quả ban đầu khi pha hạt nano Fe3O4 vào hệ BSCCO: Tc hiện có xu hướng giảm xuống dưới 77 K, kết quả này đã công bố tại hội nghị khoa học quốc tế.

Nội dung 3: Nghiên cứu tăng Jc của màng mỏng BSCCO chế tạo bằng phương pháp bốc bay vật lý.

a. Màng mỏng BSCCO chế tạo trên đế Al2O3 có màu đen đặc trưng của màng siêu dẫn, pha Bi-2201 và Bi-2212 đã hình thành, pha Bi-2223 chưa hình thành nhiều, dẫn đến Tc của mẫu màng khá thấp (dưới 50 K).

b. Kết quả đo đạc tính chất cấu trúc và tính chát siêu dẫn cho thấy mẫu màng vẫn chỉ gồm hai pha siêu dẫn Bi-2201 và Bi-2212, tỉ lệ pha Bi-2223 vẫn còn khá thấp. Nhiệt độ chuyển pha Tc của mẫu màng ~ 55 K. Với yêu cầu ứng dụng màng BSCCO chế tạo dây siêu dẫn thế hệ thứ nhất, Tc như vậy chưa đủ lớn.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17099/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

N.P.D (NASATI)