Rối loạn cấu trúc nano hai giai đoạn thường biểu hiện nhiệt độ Curie đơn đó là gần với nhiệt độ Curie của giai đoạn có trao đổi mạnh khớp nối Cấu trúc nano từ tính cứng được đặc trưng bởi độ cao bất đẳng hướng từ tính, trong khi cấu trúc nano từ mềm có tính dị hướng thấp. Bất đẳng hướng từ gồm hai thành phần chính: tinh thể dị hướng và hình dạng bất đẳng hướng. Hình dạng bất đẳng hướng là quan trọng hơn trong vật liệu từ tính nonspherical đa tinh thể . Hình dạng bất đẳng hướng là nổi bật trong hạt rất nhỏ, nhưng trong những hạt lớn đó là giảm thiểu bằng cách đóng cửa thông nội bộ.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM KHOA KỸ THUẬT VẬT LIỆU BỘ MƠN KIM LOẠI-HỢP KIM Tiểu luận mơn Cơng Nghệ Vật Liệu Mới Cấu trúc nano từ tính Giáo viên hướng dẫn: T.s Trần Văn Khải Thành viên: Nguyễn Thị Thùy Vân Nguyễn Thanh Thiên Lê Thanh Tùng Nguyễn Trung Kiên MSSV: V1003947 V1103349 V1104104 V1101705 Mục Lục Khái quát chung Hiện tượng từ tính cấp độ nguyên tử Độ dài từ tính nguồn gốc biến đôi nano từ Những cấu trúc từ Kết luận Mở đầu • Những tiến cấu trúc nano từ tính nhanh chóng lĩnh vực khoa học cơng nghệ tính chất từ đặc biệt quan sát cấp độ nano siêu thuận từ, tăng cường mơmen từ, lĩnh vực bão hịa cao, hình dạng bất đẳng hướng, vv…Các hình thái chung cấu trúc nano từ tính dấu chấm, hạt nano, tinh thể nano, dây nano, ống nano, màng mỏng Với xuất tổng hợp kỹ thuật chế tạo, vật liệu nano từ tính với hình dạng kích cỡ khác chế tạo mối quan hệ tính chất – cấu trúc chúng định sẵn • Các phương pháp mơ tả: kính hiển vi lực từ (MFM), Lorentz kính hiển vi, magnetometry dựa siêu dẫn thiết bị giao thoa lượng tử (SQUID), góc nhỏ tán xạ neutron (SANS) dùng để nghiên cứu tính chất từ trong cấu trúc nano Mở đầu • Phần ta thảo luận: • Từ tính ngun tử xem xét ảnh hưởng cấu trúc nano lên tính chất từ, đặc tính magnetic length scales • Sự thay đổi moment từ dị hướng so với chiều Trong vật liệu cấu trúc nano, hình dáng tính dị hướng bề mặt gây phụ thuộc độ dày dị hướng quan sát màng mỏng • Cơ chế từ hóa đảo ngược việc sử dụng mơ hình micromagnetic việc thiết lập mối quan hệ cấu trúc vi mơ – tính chất • Cấu trúc nano từ tính hạt, dây nano, nanorings, màng mỏng, phân tử nanomagnets • Các tính chất từ nam châm có cấu trúc cứng (mềm) • Các ứng dụng từ trường cấu trúc nano lưu trữ liệu học ứng dụng y sinh học ứng dụng 12.1 Cơ sở • Cấu trúc nano từ tính thu hút đáng kể quan tâm tính độc đáo chúng tiềm ứng dụng bảo quản, cảm biến, điện tử học spin, công nghệ quang điện tử • Các tính chất từ cấu trúc nano điều chỉnh số yếu tố thành phần, hình dạng, kích thước, hình thái bề mặt, bất đẳng hướng, độ dày lớp, tương tác phân tử • Động lực đằng sau nghiên cứu sản xuất cấu trúc nano từ lý thuyết • Và hiểu biết cấu trúc từ tính mối quan hệ tính chất • Về mặt cơng nghệ, thách thức địi hỏi nỗ lực kết hợp nhà hóa học,vật lý , tài liệu khoa học Trước phát triển vật liệu cấu trúc nano, từ tính, thảo luận lý thuyết trình bày tài liệu lĩnh vực 12.1 Cơ sở • Cấu trúc nano từ tính chế tạo tổng hợp thành nanoclusters, hạt nano, màng nano, dây nano, tự lắp ráp, đa lớp, màng mỏng Sự đa dạng thành phần hóa học nhiều loại cấu trúc nano đòi hỏi loạt kỹ thuật sản xuất, kỹ thuật bị hạn chế với tương đối hẹp lớp vật liệu từ tính Do ngưng quỹ đạo momen với số lượng lớn, khơng có đóng góp quỹ đạo để tổng mơmen từ; đó, từ tính thời điểm phần lớn nói chung thấp so với bề mặt bề mặt không đẳng hướng khác số lượng lớn, trao đổi tương tác khác cấu trúc nano Ứng dụng • Cấu trúc nano từ tính tìm thấy loạt ứng dụng lưu trữ thơng tin, từ tính hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) , phân phối thuốc , tăng thân nhiệt từ tính tế bào tách, chuyển gen • Cấu trúc nano từ cứng sử dụng cho bonded magnet preparation, phương tiện ghi, hệ thống ứng dụng vi điện tử (MEMS) • Cấu trúc nano từ mềm sử dụng chế độ chung cuộn cảm điện, tần số cao • máy biến áp, cảm biến từ, che chắn từ tính tờ, để hướng dẫn từ thông nam châm vĩnh cửu 12.2 Ngun tử gốc tượng từ tính • Hiên tượng từ tính lực hấp dẫn hay lực đẩy Các tính chất từ của vật chất xác định hình dạng điện tử Vịng xoay electron tự với điện tích âm xung quanh trục tạo ta mơmen từ song song với trục Ngồi ra, mơmen quay xung quanh hạt nhân vng góc với quỹ đạo Mơmen từ liên quan với electron tính từ mơmen động lượng 12.2.1 Cơ học lượng tử sắt từ: • Theo nguyên lý bất định Heisenberg, vị trí xung lượng electron khơng thể đồng thời tính tốn với độ xác Cơ học lượng tử xem xét lượng tử hóa khơng gian rời rạc quỹ đạo quay xung lượng thông qua khớp nối L-S, đặc trưng số lượng tử L, S, J khớp nối quỹ đạo-quỹ đạo nguyên tử gây quĩ đạo mômen động lượng L, spinspin gây môment spin S, quỹ đạo mômen spin cho tổng góc thời điểm J • Mơmen động lượng J sử dụng để giải thích tượng từ tính magnetocrystalline bất đẳng hướng, từ giảo, hiệu ứng Kerr, từ trở dị hướng 12.2.1 Cơ học lượng tử sắt từ: • Các mức lượng mômnen động lượng J rời rạc nguyên tử bị cô lập Tuy nhiên, bên từ trường áp dụng, mức lượng chia thành trạng thái lượng khác để tổng số (2J+1) cấp; Hiện tượng gọi chia tách Zeeman Hạt nano dây nano • Các tinh thể nano FePt tổng hợp có kháng từ 10 koe Ảnh kính hiển vi TEM cho thấy khoảng cách hạt tăng lên, hạt bị ảnh hưởng hạt tương tác tiếp cận điều kiện Stoner-Wohlfarth, dẫn đến kháng từ cao • Ảnh TEM hợp kim Fe46Pt54 ủ 600oC (a) 650oC (b) Các dây nano • Hình dạng hạt nano dạng dây nano ống nano cung cấp khả để • Điều chỉnh hình dạng bất đẳng hướng Thực nghiệm tổng hợp dây nano • Với tỉ lệ cao Trong số phương pháp sử dụng để • Chế tạo mảng dây nano, kỹ thuật mạ điện có chi phí thấp suất cao, • Đối với FePt Tuy nhiên, giảm nồng độ Nd nên khó tổng hợp dây nano Nd2Fe14B mạ điện FePt sau tổng hợp nhiệt solvo (a) dây, (b) nano, (c) hạt nano hình bầu dục, (d) hình cầu, (e) khối nano, (f) đa cạnh Hạt nano dây nano • KnellerandHawigin 1991 đưa lý thuyết tăng cường độ từ trễ sản phẩm vật liệu composite Nano lượng cao Sự tăng cường độ từ trễ so với nam châm thông thường lần biết đến hợp kim nóng Nd4Fe78B18 Các cứng với bất đẳng hướng cao cung cấp kháng từ cao, pha mềm cung cấp độ bão hòa từ hóa cao Để thay đổi liên kết có hiệu quả, kích thước hạt hai giai đoạn cứng mềm phải dày Vi cấu trúc lý tưởng để nâng cao thay đổi liên làm tan chảy, kéo sợi, phay khí, phát xạ, phương pháp mạ điện, tổng hợp hóa học nghiên cứu Nd2Fe14B / α-Fe, Nd2Fe14B / FECO, FePt / α-Fe, FePt / nano composites Co Ảnh TEM hợp kim Nd9Fe84Ta2B5 thu cách quay nóng chảy Thủy tinh kim loại Nano composite lớn • Sắt từ kim loại lớn nhóm kỹ thuật với vật liệu có tính cơ, nhiệt, từ tính độc đáo Làm mờ thủy tinh kim loại lớn (BMG) kỹ thuật đơn giản để sàn xuất nano composite hợp kim từ tính Q trình sử dụng để chuẩn bị nano composites mật độ cao với tính chất từ độc đáo, không giống với kỹ thuật khác mà tính chất từ suy giảm trình kết khối Màng mỏng Nano composites • Trong màng mỏng từ hợp kim FePt, có màng đa lớp FePt / Fe, mức độ cao tính đồng hóa học vi cấu trúc nó, liên kết tốt so với màng đa lớp Fe / Pt Kháng từ tăng với giảm độ dày lớp Fe 12.4.4 Vật liệu từ mềm • Vật liệu từ mềm dễ dàng từ hóa từ hóa Các ứng dụng vật liệu từ mềm lĩnh vực để tăng cường sản xuất dòng điện AC/DC Ở dịng điện DC, có dịng điện, vật liệu bị từ hóa ngắt dịng điện vật liệu từ mềm tính từ Tuy nhiên, vật liệu từ hóa theo hướng sau đổi sang hướng khác dịng điện xoay chiều, chu trình tiếp tục suốt thời gian hoạt động • Sẽ có lượng vật liệu từ mềm gặp phải vật liệu liên tục thay đổi hướng từ quanh độ trễ vịng lặp phải giảm thiểu 12.4.4 Vật liệu từ mềm • Ngồi lượng bị mát độ trễ, cịn bắt nguồn từ hai ngun nhân • Xốy từ đột ngột, kết dịng điện sinh từ từ thơng vật liệu từ tính tổn thất từ điện trở • Tổn thất bất thường lượng phát sinh từ chuyển động miền • Tổn thất từ xốy từ giảm thiểu cách giảm độ dẫn điện; Tuy nhiên, để giảm độ trễ tổn thất bất thường, độ kháng nội vật liệu trở ngại chuyển động miền giảm xuống phát triển lĩnh vực thủy tinh kim loại hợp kim có cấu trúc nano Các tính chất từ mềm hợp kim Co Fe vơ định hình tinh thể nano phát triển thập kỷ qua vượt qua vật liệu thủy tinh kim loại Nano composite lớn hợp kim thông thường 12.4.4 Vật liệu từ mềm • Thành phần tối ưu hợp kim để có tính chất tốt có mầm mầm phát triển thành tinh thể nano, dẫn đến giảm nồng độ Fe nồng độ B cao, với việc bổ sung chất khơng có từ tính Nb Cu dẫn đến giảm độ bão hịa từ hóa Các nhà khoa học phát triển hợp kim Fe sở • Fe-Zr-B, có nồng độ Fe khoảng 83-89 % so với hợp kim Finemet (≈74%), cho kết độ bão hòa từ hóa có giá trị cao • Thành phần, độ cảm ứng bão hòa, nhiệt độ hợp kim tinh thể nano từ mềm khác Hợp kim màng mỏng từ mềm tinh thể nano • Màng mỏng cấu trúc đa lớp cho phép linh hoạt việc hợp kim hóa, kết cho thiết bị lưu trữ từ tính ứng dụng thiết bị từ siêu nhỏ khác mạch thụ động, cảm biến, đĩa từ,… với từ hóa bão hịa cao độ thẩm thấu cao, ứng dụng quan trọng cộng hưởng sắt từ cao (FMR) • FMR định nghĩa tần số tối đa cho phép mà màng sử dụng thiết bị cảm ứng • Màng mỏng với cấu trúc FeXN với X = Hf, Ta, Al, Rh biết đến vật liệu mềm mại đầy hứa hẹn cho ứng dụng tần số cao Hợp kim màng mỏng từ mềm tinh thể nano • Các màng mỏng dạng vơ định hình tính chất từ mong muốn thu sau ủ, mà kết hình thành tinh thể nano α-Fe Nitrit kim loại hình thành trình ủ cản trở phát triển mầm tinh thể • Sử dụng phương pháp phát xạ điện từ, tổng hợp màng mỏng FeN FeXN (X = Ti, Al, Hf, CoHf, CrHf) có tính chất từ mềm tốt với kháng từ thấp (