Nghiên cứu ứng dụng vật liệu siêu dẫn chứa oxit đồng (cuprate) đã và đang là tâm điểm chú ý của giới khoa học cơ bản và ứng dụng cũng như các đơn vị sản xuất trên toàn thế giới. Hiện nay, hai thế hệ dây siêu dẫn chính đã được chế tạo và ứng dụng là dây siêu dẫn thế hệ thứ nhất (dạng bột nhồi trên nền Bi-Sr-Ca-Cu-O - BSCCO/Ag) và dây siêu dẫn thế hệ thứ hai (dạng màng đa lớp nền Y-Ba-Cu-O - YBCO hoặc Re-Ba-Cu-O - ReBCO). Điểm đáng chú ý là cả hệ BSCCO và YBCO đều có nhiệt độ chuyển pha (Tc) cao, lần lượt khoảng 105 K và 9~90 K. Những giá trị này cao hơn đáng kể so với nhiệt độ Nitơ lỏng (77 K), cho phép đáp ứng điều kiện vận hành tại vùng nhiệt độ này, giúp tiết kiệm chi phí. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải dòng điện cường độ lớn trong điều kiện có từ trường, việc cải thiện mật độ dòng tới hạn (Jc) của BSCCO và YBCO là vô cùng quan trọng. Trong trạng thái hỗn hợp, từ trường đi vào vật liệu siêu dẫn dưới dạng các xoáy từ. Việc ghim chặt các xoáy từ này tại các tâm ghim có thể tăng cường Jc theo định luật Ampe. Một ý tưởng khoa học khả thi để tăng hiệu quả ghim xoáy từ là bổ sung các tâm ghim sắt từ dưới dạng hạt nano. Các tâm ghim có từ tính này sẽ hoạt động như những nam châm siêu nhỏ, hút và ghim xoáy từ, từ đó kỳ vọng tăng mạnh Jc của cả hệ BSCCO và YBCO, đáp ứng tốt hơn yêu cầu truyền tải điện năng. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất khi pha tạp hạt nano sắt từ vào hệ BSCCO và YBCO là sự cạnh tranh giữa hai pha sắt từ và siêu dẫn (nghịch từ lý tưởng).

Nhằm giải quyết vấn đề này, TS. Trần Hải Đức và các cộng sự tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tập trung nghiên cứu cơ chế đồng tồn tại của hai pha này. Từ đó, họ đã đề xuất quy trình chế tạo hệ BSCCO và YBCO có pha tạp sắt từ bằng các phương pháp khác nhau nhằm cải thiện Jc. Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài: “Nghiên cứu cơ chế tăng cường mật độ dòng tới hạn trên hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO và YBCO nhằm ứng dụng trong truyền tải điện”.

Sau một thời gian thực hiện, đề tài thu được các kết quả như sau:

1. Về nghiên cứu cơ chế tăng mật độ dòng tới hạn trên hệ BSCCO

- Nghiên cứu đã chế tạo thành công hệ (Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10+δ)1-x(Fe3O4)x, với x = 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 và 0.05 và hệ Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2−xNaxCu3O10+δ, với x = 0.00, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10 bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Trong các phương pháp chế tạo mẫu siêu dẫn dạng khối có pha tạp hạt nano (đóng vai trò tâm ghim từ nhân tạo), phương pháp phản ứng pha rắn đặc biệt phù hợp.

-  Cấu trúc tinh thể của hệ mẫu được khảo sát bằng phép đo nhiễu xạ tia X cho thấy các mẫu có sự đồng tồn tại của 2 pha Bi-2223 và Bi-2212. Hạt Fe3O4 làm cản trở quá trình hình thành pha Bi-2223, dẫn đến sự suy giảm Tc trên các mẫu pha tạp.

- Jc của hệ mẫu đã được khảo sát thông qua phép đo đường cong từ hóa và tính toán theo mô hình Bean. Kết quả cho thấy Jc được cải thiện với tỉ phần x = 0.01 và 0.02 trên hệ pha tạp hạt nano Fe3O4. Khi tăng pha tạp với các tỉ phần cao hơn, Jc của hệ mẫu bị suy giảm. Trên hệ thay thế Na, Jc được cải thiện trên tất cả các mẫu có thay thế, và đạt Jc cực đại với tỉ phần x = 0.06.

- Năng lượng hoạt hóa của hệ mẫu được khảo sát qua hệ thức Arrhenius áp dụng cho kết quả đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ trong điều kiện có từ trường ngoài. Kết quả cho thấy năng lượng hoạt hóa thay đổi thay quy luật tương tự như Jc khi pha tạp hạt nano Fe3O4

- Lý thuyết ghim tập hợp đã được ứng dụng thành công để mô tả sự phụ thuộc của Jc vào từ trường ngoài.

- Mô hình Dew-Hughes đã chỉ ra nguyên nhân tăng Jc là do sự bổ sung tâm ghim từ 0D, hình thành do thay thế Na hoặc hạt nano Fe3O4 có kích thước phù hợp.

- Sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn để chế tạo vật liệu siêu dẫn BSCCO, trong đó hạt nano Fe3O4 chế tạo riêng biệt được đưa vào trước giai đoạn nung thiêu kết (ở 850 oC trong 168 giờ) sẽ giúp duy trì khả năng tồn tại của hạt Fe3O4 tại các biên hạt tinh thể siêu dẫn, giảm khả năng phân ly thành ion, duy trì được Tc đủ cao trong vùng Nito lỏng trong khi vẫn tăng được Jc và Hc. 

2. Nghiên cứu cơ chế tăng mật độ dòng tới hạn trên hệ YBCO

- Nghiên cứu đã chế tạo thành công hệ (YBa2Cu3O7-δ)1-x(Fe3O4)x, với x = 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 và 0.05 bằng phương pháp phản ứng pha rắn.

- Cấu trúc tinh thể của hệ mẫu được khảo sát bằng phép đo nhiễu xạ tia X cho thấy pha siêu dẫn YBCO được hình thành

- Hình thái bề mặt khảo sát qua ảnh SEM cho thấy khi pha tạp, kích thước hạt bị suy giảm, độ xốp bề mặt tăng lên

- Tc của hệ mẫu giảm mạnh. Khi tỉ phần pha x = 0.05, Tc giảm xuống ~ 45 K.

- Đường cong từ hóa có mở rộng với tỉ phần pha tạp thấp, nhưng giảm rất mạnh ở tỉ phần cao. Đồng thời, với sự suy giảm mạnh của Tc, tăng Jc đã đạt được ở vùng nhiệt độ thấp. Quy trình công nghệ ngăn ngừa khả năng phân ly Fe3O4 thành ion khi nung thiêu kết với YBCO cần được tối ưu hóa để mở rộng phạm vi ứng dụng của mẫu.

Đề tài đã nghiên cứu thành công cơ chế tăng mật độ dòng tới hạn của hệ siêu dẫn nhiệt độ cao BSCCO nhằm mục đích truyền tải điện. Khi pha tạp hạt nano Fe3O4, Tc của hai hệ mẫu đều giảm tuyến tính. Cụ thể là, khi hàm lượng pha tạp x £ 0.05, Tc của hệ BSCCO giảm xuống còn ~ 85 K, trong khi Tc của hệ YBCO giảm xuống còn ~ 45 K. Jc của hệ BSCCO khi pha tạp hạt nano Fe3O4 đã có sự cải thiện rõ rệt ở nhiệt độ xung quanh vùng Nito lỏng. Jc của hệ YBCO có tăng nhẹ khi đo ở các vùng nhiệt độ thấp hơn, dẫn đến phạm vi ứng dụng chưa cao. Các mô hình lý thuyết của DewHughes và Arrhenius đã được áp dụng thành công, cơ chế tăng Jc và sự thay đổi bản chất ghim từ cũng như sự tồn tại của loại tâm ghim từ đã được khẳng định. Đây là những kết quả nghiên cứu có tính mới, có giá trị khoa học, bổ sung những bước tiến quan trọng trong nghiên cứu vật liệu siêu dẫn. Đối với hệ YBCO, do Tc giảm quá mạnh so với vùng nhiệt độ Nito lỏng, việc tăng Jc tại 35 K có triển vọng đáp ứng yêu cầu ứng dụng, cần có những nghiên cứu bổ sung cải thiện công nghệ chế tạo để mở rộng phạm vi lên đến vùng nito lỏng trong tương lai.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 20986/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)