Cơ sở từ học và các vật liệu từ tiên tiến

n g U^ ễ n h o n g n g h ị s i s i l i HỌC UÀ CÁO UÂT LIÊU Từ TIÊN TIÉN and Advanced Magnetic Materials f-f-^ nhà xuất khoa học kỹ thuật N GU YỄN HOÀNG NGHỊ / Cơ SỞ TỪ HỌC VA CÁC VẬT LIỆU TỪTIÊN TIẾN Introduction to Magnetism and Advanced Magnetic Materials d NHẢ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT Chịu trách nhiệm xuất bản: Phạm Ngọc Khỏi Biên tập: Ngứyễn Phương Liên Trình bày bìa: Ngọc Tuấn NHÀ XUÁT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 - T rần Hưng Đạô - Hà Nội In 300 khổ 16x24 Cơng ty in Thanh Bình Số đăng ký kế hoạch xuất bản: 235 -2 2/CXB/408-13/KHKT ngày 6/3/2012 Quyết định xuất số: 257/QĐXB-NXBKHKT ngày 11/12/2012 In xong nộp lưu chiểu tháng 12/2012 Lời t c g iả T T ậ t liệu từ loại vật liệu chức quan trọng, sử dụng * rộng rãi Vật liệu từ vật liệu cốt lỗi hàng trăm triệu máy biến th ế động điện hoạt động ngày đêm bảo đảm việc chuyển đổi lượng tồn cầu Trong hộ bình thường hay xe tơ, xe máy liệt kê 150 linh kiện tàm vật liệu từ tính Trong 100 năm qua, vật liệu từ có bước phát triển vượt bậc chủng loại lẫn tính kỹ thuật Sự đời thép kỹ thuật diện dị hướng (Ỉ933),ferit từ mềm (1940), xuất vật liệu từ mềm vô định hình (1970) vá nano tinh th ể (1988) cho thấy mở rộng thành phần từ kim loại hợp kim sang oxit, mở rộng cấu trúc từ trật tinh thểsạng vơ định hình Các loại nam châm có phát triển vượt bậc từ nam châm nén thép (1900) sang nam châm oxit (1952), từ nam châm hợp kim alnico (1930 - 40) sang nam châm đất (SmCo 1966 - 70 NdFeB 1983) N hờ mà tích lượiĩg nam châm tăng gần 50 lần, từ vài MGOe (thép Cr) lên 50 MGOe (nam châm NdFeB), lực kháng từ tăng vài chục lần, từ vài kOe (nam châm alnico) lên đến 25 - 30 kOe (nam châm SmCo) Cùng với cải thiện mạnh m ẽ thông s ố từ xuất ch ế từ học trật tự từ tồn hệ không trật tự tinh thể (1960), ch ế dẫn diện phụ thuộc spin - mở đầu cho kỹ thuật mới: spintronics (1988), mơ hình dị hướng ngẫu nhiên vật liệu từ nano tinh thể (1990), tương tác trao dổi đàn /lồi tronq nam châm nano composit ( 1991) Sự phát triển mạnh m ẽ loại vật liệu từ tính kèm theo mơ hình /ý thuyết đồi hỏi trường Đại học phải tiếp tục khơng ngửng trotiíỉ việc tạo xuất sách ÍỊĨÚO khoa, sách chuyên khảo từ học vật liệu từ kinh điển vật liệu từ đại Cuốn sách "C( sớ từ học vật liệu từ tiên tiến ” tập hợp chọn lọc cúc bùi giảng cỉu túc giả dành cho sinh viên chun ngíình Vật lý - Kỹ thuật, Đại học BácI khoa Hci Nội nhiều núm Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, tntờng dại học vê công nghệ chuyên ngành Kỹ sư - Vật lý dược mở dây từ năm 70 th ế kỷ trước hì cầu nối vật lý cơng nghệ Chính nội dung sácl gồm sở từ học, ch ế vật lý vật liệu từ nu) tử dó kỹ sư CC thể thiết k ế Ví) diều khiển tính chất cúc loại vật liệu liệu từ tính theo mục đích sử dụng Ngơn ngữ dược sử dụng sách dựa sở vật lý cổ điển vù vật lý lượng tử Bản chất ý nghĩa vật lý tượng tù dược nhấn manh khơng di sâu vào cúc tốn lượng tử phức tạp Trong phần vật liệu từ, người viết giới thiệu rộng rãi chủng loại vật liệu tù tính dang dược sử dụng công nghiệp gồm vật liệu từ kinh điển quan trọng thép kỹ thuật điện,ferit alnico loại cúc vật liệu từ dại vật liệu từ vô định hình nano tinh thể, nam châm dát SmCo Ví) NdFeB Cite chê' từ học, cấu trúc vi mô loại vật liệu dược dề cập Người viết dành chương cuốh sách d ể giới thiệu công nghệ vật liệu từ vô dinh hình vù nano lình thể Hy vọng ráng cttốn sách có ích cho sinh viên, học viên cao học nghiên cứu sinh chuyên ngành vật lý kỹ thuật, vật lý hóa học chất rắn, khoa học vật liệu Ví) kỹ thuật diện - diện tử cùa trưởng Đại học công nghệ Cuon sách tài liệu tham khảo cho kỹ sư làm việc ngành công nghiệp liên quan, lĩnh vực c h ế tạo thiết bi diện - diện tử công nghệ cao khác ' Hà Nội ngày Ị H1112011 T ác giá Lời CẢM ƠN VÀ GHI NHẬN Trước hết, tác giả trân trọng cảm ơn Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật xuất sách Một số nội dung sách liên quan đến kết nghiên cứu vật liệu từ triển khai Đại học Bách khoa Hà Nội khoảng thời gian 1990 - 2005 tài trợ Chương trình Khoa học Cơng nghệ Nhà nước 48E (1990), KC 05 (1995), Chương trình Kỹ thuật - Kinh tế Nhà nước khoa học vật liệu (2000 - 2005) Quĩ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Nosted (2011) Trong q trình triển khai nghiên cứu đó, nhiều cơng nhân, kỹ thuật viên, kỹ sư, học viên cao học nghicn cứu sinh làm việc Phịng Thí nghiệm Vật liệu từ vơ định hình, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội có đóng góp quan trọng Lao động họ tạo bốn loại vật liệu từ lần có Việt Nam, vật liệu từ mềm vơ định hình, vật liệu từ mềm nano tinh thể, nam châm nano - composit vật liệu từ trở, tổng trở khổng lồ GMR GMI Lao động họ tạo nhiều nghìn lõi dẫn từ vơ định hình tần số cao dùng thực tiễn Tên vị Nguyễn Thanh Tao, Nguyễn Văn Thuật, Nguyền Đồng Dũng, Mai Xuân Dương Nguyễn Ngọc Phách, Bùi Xuân Chiến, Vũ Minh Sang, Đào Nhật Vượng, Nguyễn Văn Dũng, Ngơ Quang Thắng VÌ1 nhiều vị khác Tác giả trán trọng cảm ơn biên tập viên Nhà xuất bán Khoa học Kỹ thuật biên tập sách Trước học viên cao học khóa 14 Vật lý chất rắn Đại học Sư phạm Hà Nội 2, số giáo viên môn Vật lý Trường PTTH Đoàn Kết - Hai Bà Trưng Hà Nội đọc sơ thảo giúp sửa lỗi kỹ thuật Cuối cùng, sách xuất tác giả trân trọng cảm ơn vs Nguyễn Văn Hiệu cương vị Chủ tịch Hội Vật lý Việt Nam cổ vũ mạnh mẽ việc nghiên cứu phát triển vật liệu cấu trúc nano vật liệu từ tính nano nói riêng, tác giả bày tỏ biết ơn tới GS Nguyễn Châu (Đại học Khoa học Tự nhiên), GS Thân Đức Hiền (Bộ Giáo dục Đào tạo), GS Nguyễn Xuân Phúc (Viện Khoa học Vật liệu), GS Zhu J.H (Viện CISRI, Bắc Kinh), TS Ovcharov v p (Viện CNIICherMet, Moskva) gia đình GS cố Nguyễn Phú Thùy (Đại học Khoa học Tự nhiên) hợp tác nhiều năm nghiên cứu từ học vật liệu vơ định hình - nano tinh thể Hà Nội, ngày 1m Ỉ/2 Ỉ1 T c giả Chương TỪ TRƯỜNG - DÒNG ĐIỆN VÀ VẬT LIỆU TỪ / 1.1 NAM CHÂM TRO N G T ự NHIÊN Từ kỷ thứ IV trước Cơng ngun, người Trung Hoa tìm thấy khoáng chất hút sắt tự xoay hướng theo cực Trái Đất, sau người Anh gọi đá “loadstone” có nghĩa đá đường, loại nam châm tự nhiên Ngày biết khống chất dạng oxịt sắt, có cơng thức hóa học Fe,04 có tên magnetit (hình 1.1) Đấy vật liệu từ người biết đến sử dụng Dịng điện (vĩ mơ) Từ trường Vật liệu từ (dịng điện vi mơ) Hình 1.1 Đá nam châm tự nhiên magnetit sau từ hóa (bởi từ trường H quanh dịng điện I tia sét) trở thành nam châm, có khả hút gim sắt từ hóa chúng, biến chúng thành nam châm (Bảo tàng Smithsonian, Washington DC) Một việc có từ cổ xưa dễ nhận biết dơn gián lại chứa dựng vấn đề liên quan với nhau: dá magnetil có khắp nơi mặt dát nhiên nam châm lự nhiên chi tìm thấy nhũng nơi thường xun có sấm SĨI í Dưới cách nhìn ngày nay, có thé.ihấy ràng, séỊ dịng điện tụ nhiê" khơng 16, tạo quanh mơt ttt trmg, từ trưỉmg tự nhiên tít hóa đá magnctn íà b i no thành nám chàm Nhu có liên quan chặt chẽ Dịng điện (vĩ mơ vi mỏ) - Từ trường - Vật liệu từ 1.2 KHÁI NIỆM VỀ TỪ TRƯỜNG Thuật ngữ “trường” nói chung đại lượng vật lý, tức tính chất vật lý mà lượng hóa phép đo Thí dụ, người nặng 60 kG Mạt Đất nặng khoảng 10 kG Mật Trăng (đọ nặng đo dộ giãn cân lò xo) Như khống gian gần Trái Đất hay Mặt Trăng tồn trường gọi trọng trng, có khả tác động lực lên khối lượng vật chất đánh giá độ lớn trường đo thông qua độ giãn cân lị xo Khơng gian quanh dịng điện tồn loại trường khác gọi từ trường có tác dụng lực lên số chất, thí dụ sắt Trường tồn điểm khơng - thịi gian kể chân không Khái niệm “trường” loại bỏ khái niệm chân khơng tuyệt đối Trường mang lượng Trường đại lượng vô hướng, vector hay tenxo Trường mà quan tâm từ trường Từ trường trường lực tồn không gian (i) quanh dịng điện (chuyển động điện tích), (ii) gần cực nam châm hay (iu) không gian nơi có biến thiên diện trường (iv) từ trường nội nhiều hạt spin chúng tạo Từ trường tác động lực (đẩy, hút, xoay) nam châm, tác dộng lực lên hạt điện tích chuyển động Sự biến thiên từ trưòng sinh sức điện động dây dần Cũng trường vật lý khác, từ trường mang lượng Liệt kê ngắn cho thấy liên hệ mật thiết tượng điện - lư va 2iữa khái mêm v\ mò (chẳng hạn dịng điện) vi mơ (như spin cùa hạt bản) liên hệ chúng với từ trường, đồng thơi cho tháy kha ứng dụng to lớn từ trườn» ườnỵ đưac ký h,ệu bàng H B H từ trường tồn nong chân không H cịn go trường từ hóa, tức làm chò vật chất b nh.èm lừ B từ tiường tơn tai vật chất B có nhiêu tên gọMiơn H, B có tên từ trường, mật độ từ thông cảm ứng từ Nhiều người ta nói trường H trường B để người đọc tự hiểu giống khác chúng Quan hệ H B sau (hình 1.2): giả sử cách có từ trường H 'Từtrường không gian (chân không): B = H (để đơn giản, sử dụng hệ Gauss) Đại lượng B gọi cảm ứng từ chân khơng VỚI nghĩa môi trường chân không cảm nhận từ trường H, nhiên hệ đo cầm ứng từ chân khơng từ trường mà chân không cảm ứng Hệ số “cảm ứng" ' Từ trường không gian chứa vật chất: B ~H+M Đại lượng M gọi từ độ riêng vật chất Nó vốn tổn sẵn vật chất, nhiên từ trường H tác nhân “xúc tác”, làm xuất Đại lượng J = 4itM gọi độ phân cực từ với nghĩa khộng có H, từ độ trung hòa nhau, H * 0, từ trường H giúp phân cực chúng để tạo từ độ M Hệ số 4it dùng hệ đo Gauss Hình 1.2 Từ trường H tác động lên mơi trường vật chất kích thích từ độ M vật chất (M vốn sẵn có vật chất), bên vật chất tồn từ trường H (từ trường thấm vào) từ trường riêng chất M (gọi từ độ), tổng hai đại lượng gọi từ trường bên vật chất B, cảm ứng từ B, tổng quát gọi trường B B = H + 4ĩtM (hệ Gauss) B = p(lH + fi,,M (hệ SI) (1.1) Đại lượng J = |U0M (SI - hệ đo quốc tế) J = 4ĩiM (Gauss - cgs) gọi độ phân cực từ vật chất với ý nghĩa M có sẵn vật chất, song chúng định hướng hỗn loạn tự triệt tiêu nhau, từ trường H làm chúng song song tức làm chúng bị phân cực (thành cực Bắc N cực Nam S) Các hệ số đứng trước M 4n JL10 = tc10'7 (H/m, Tm/A) phụ thuộc vào hệ đo, Vcà không làm thav đổi ý nghĩa độ phân cực từ J Trong chân không: B = H (hệ Gauss) B = P„H = 47T10 H (hệ SI), (từ độ M cứa chăn từ thẩm tác động hai từ trưịng H ’ H ngồi định (thực thay đổi p làm thay đổi ô) Vật liệu VĐH nano tinh thể vật liệu từ mềm có từ thẩm cao (p ~ hàng trăm nghìn), có bề dày từ nhiên nhỏ (vài chục micro mét), lại có khả dẫn điện (p ~ 150 micro Ohm.cm) tính chất thích hợp để quan sát chế tạo sensơ từ GMI Sự phụ thuộc tỷ số GMI mẫu VĐH Co vào từ trường H trình bày hình 13.63 Có thể thấy tỷ số GMIR (R: tỷ số, ratio) cao (trên 200%) từ trường 300 Oe (24 kA/m) Tỷ số không phụ thuộc vào vật liệu mà cịn phụ thuộc mạnh vào hình dạng mẫu số liệu hình 13.63 nhận từ mẫu có bề rộng 0,3 mm cho tỷ số GMR lớn (chiều dài mẫu không đổi mm) i (DC) (d H ình 13.64 S đồ đo dịng điện không tiếp xúc (a) Theo nguyên lý cảm ứng điện từ (định luật Faraday), tín hiệu méo, tương tự, A C (b) S ensơ G M k bảo tồn dạng tín hiệu, sọ hóa, A C DC (c) M áy đo dịng điện khơng tiếp xúc sử dụng sensơ GMI tín hiệu đo dịng A C D C gần trùng i=(0-30 A) D C A C Nguồn: PTN VĐ H Đ H B K HN 414 Các sensơ GMI sử dụng đế chế tạo thiết bị đo dòng điện khơng tiếp xúc (tươnơ tự ampe kìm) Tín hiệu thiết bị đo dòng theo nguyên ly cảm ứng điẹn từ xung nhọn bị méo so với dịng điện cần đo (hình 13 64a) Ngược lại sensơ GMI phản ảnh thay đổi dòng điện cần đo vây thích hợp cho việc số hóa tín hiệu (hình 13.64b) Điều quan irons kW dùng sense GMI l Vô m ầ I ô b do, c6 h i dong xoay c S u z e h * (A C v DC) ,* “ " u 1l 'h nhiều tương đối tuyến tính dải đo I = - 30 A không chênh lệ h nhw51Tv a tu ^ ự y ìệ n Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa dải o khác hi n e GMI va phối hợp với đơn vị khác 415 PHỤ LỤC Các đại lượng từ đơn vị đo Đại lương Momen từ (magnetic moment) Hệ đo C ông thức Gauss, cgs M- = pl = SI (magnetic fielf strength, erg/Oe.cm3, emu/cm3 A/m T Gauss, cgs Oe, G H = B SI ơ) Cũ II Mx (G.cm2) Gauss, cgs (magnetic induction, magnetic flux density) B Sỉ Mật độ cảm ứng từ, độ phân cực từ Gauss, cgs J = ttM G SI J = H0M T (Vacuum 416 B =H SI + tiH G 1G =1 Oe (103/47t) A/m = 79,6 A/m = 4?r/103Oe 0,01256 Oe = 79,6.104A/m w=10e Mx B = Ho(H + M) 1T = 10" G, Oe 1T= 1Wb/m2 = ịxH = Gauss, cgs 10‘3 Am emu/cm3= 1,256 mT A/m Cảm ứng từ, mật độ từ thông vật chất Hằng số từ, độ từ thẩm chân không = Wb (T.m2) SI (density of induction, polarization), J 1Am2 A/m =10'3 emu/cm3 T e (magnetic flux), emu = Gauss, cgs = 103 emu (erg/Oe) = H Từ thông U /T = A/m, T X magnetizing force) Chuyển đổi J/T, A.m2 o Cường độ từ trường, trường từ hóa M = n/V emu SI II M Gauss, cgs ĨS M = 03 (magnetization) erg/Oe erg/G = M Từ độ Đơn vị T, Wb/m2 tioHH Mo =4n10'7H/m, 1T = 104G Đ i lư ợ n g Hệ C ô n g thứ c Gauss, cgs Pb = Chuyển đổi Đ ơn vị Tm/A N/m* permeability) Ho Magneton Bohr (e/2m) ti 0,274.10'20 erg/Oe, emu 9^27410^ Am2, J/T Hb "si Gauss, cgs Từ cảm (thể tích) (susceptibility) X — M/n IV^/f—1 ỵ= Không thứ nguyên ’ si Gauss, cgs Từ tham, F (permeability) sĩ - emu/cm3.Oe Ị I1-R/H, — 11' Độ từ thẩm tuơng đối Không thứ nguyên LI =B/UnH hm 't • Độ từ thẩm tuyệt đối n=1+4nx |i = B/Pohl' Ghi chú: Không thứ nguyên p=1+x Pabs=PoF (H/m) 6^626/Ũk22 Gauss, cgs Hằng số Planck h Hằng số dị hướng từ tinh thê (Magnetocrystalline anisotropy Constants) K _ _ T ích lượng (Energy product) ( B H ) _ - Sức từ động - mmf (Magnetomotive Gauss, cgs h =1,054.10'34Js erg.s — - - "~o.025.10 "■ erg/cm3 K (K,) Js = ~~ J/m3 SI MGOe Gauss, cgs Gi (Gillbert) p = l.n SI kJ/m3 si Trở kháng từ (reluctance) _— - MQ Gi = 10/4tt s 0,7957 A-vòng (At) A-vòng (Ampere-turn, At) 1/H SI = kJ/m3 SI Gauss, cgs MGOe " ( ii) Force) Độ dẫn từ (permance) J/m3 10 erg/cm3 H (Henry = weber/amper) Ghi chứ: Định luật Hopkinson = F/Q 417 ÀI LIỆU THAM KHẢO A T i liệ u tiế n g nước n g o i E r JIhbuihu ;, 0H3HHecKne CBOỈícTBa M erranoB H CnjiaBOB, ĨH /T H 3#, MocKBa, 1959 357 pp A A IIpeo6pa3eHCKHH H E r EHmap#, E jie M e H T h i, M a rH H H e c K H e M a r e p a jib i H Bbicmaa IIlKOJia, MocKBa, 1986, 341 pp H 37I, M r y , 1976 r c KpHHHHK, B D Cullity, Introduction to Magnetic Materials, John W iley & Sons (Second Edition), W iley, IEEE Press, 2009 537 pp H H K M a rH H T H b I X Jp B Jie H H H , K H J Bushow, R R Boer, Physics o f Magnetism and Magnetic Materials, Spinger, 2003 c O ’H andley, Modern Magnetic Materials: Principles and Applications A W iley - Interscience Publication, John W iley & Sons, R 2000, 727 pp J M D Coey, Magnetism and Magnetic Materials Cambridge Press, 2010 604 pp D c Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 2nd Edition, Chapmann & H all/C RC Press Company, 1998, 529 pp Cambell, Permanent Magnet Materials and their Applications, Cambridge University Press, p & R, 1994, 204 pp p 10 H Kronmuler & S Parkin (Editors), Handbook of Magnetism and Magnetic Materials, V ol 1: Fundamentals and Theory, W iley, 2007, 3062 pp 11 D J Sellmyer, R Skom ski, Advanced Magnetic Nanostructures Spriger, 2006 12 A Toliton, Basic Electromagnetism and Materials, Spinger, 2007, 427 pp 418 13 N.S Spadin, Magnetic Materials - Fundamentals and Applications, 2nd Edition, Cambrige University Press, 2010, 270 pp 14 Chikazumi Soskin, Physics of Ferromagnetism, Oxford University Press 2005, 639 pp 15 K Suzuki H Fujimori, K Hashimoto, Amorphous Metals, 1982, (In ’ Japanese or in Russian), pp 223 - 254, (Russian ed.) B T i liệu tiếng Việt Người viết sách trân trọng giới thiệu tới bạn đọc sô' nhà từ học Việt Nam đồng thời tác giả sách giáo khoa chuyên khảo Từ học Vật liệu từ (Tiêng Việt): Vũ Đình Cự Nguyễn Châu Thân Đức Hiền Nguyền phú Thùy liêu từ (VĐH, nano tính thế, nam châm * nano - c L , Yamauchi, J Appỉ Phys, 64(1988), 6044 pơ* '0 ¿ V Yoshizawa s