BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANÔ PGS TS TRẦN HOÀNG HẢI

Các nam châm Neodym Sắt Bor :Chúng được tạo ra đầu tiên vào năm 1984; chúng tổ hợp của một độ từ hóa cao với tính chống khử từ tốt.. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ

BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ

CẤU TRÚC NANÔ

PGS TS Trần Hoàng Hải

Phần I

VẬT LIỆU TỪ VÀ ỨNG DỤNG

1 Lịch sử của từ học

học:” De Magnete”.

từ và thuận từ.

Những năm 1920 Vật lý của từ học đã được phát trỉển với các

Chương 1 Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ

Hình 1a Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế

kỷ thứ 20

Hình 1b Lodestone, ferít khối và nam châm hợpkim NdFeB

với cùng năng lượng từ như nhau

Lodestone ( đá nam châm) :

Đây là nam châm vĩnh cửu đầu tiên được ghi nhận; một ôxyt Fe3O4 hiếm có trong tự nhiên Từ trường còn thấp,song trường khử từ là khá cao.

Thép carbon từ :

Chúng được phát triển vào thế kỹ 18 Các thép này là hợp kim vớI tungsten và / hoặc crom để tạo ra carbide kết tủa trong việc xử lý nhiệt thích hợp, là hệ quả trong việc làm cản trở sự dịch chuyển vách đômen Các nam châm loại này có bão hòa từ cao, hơn nhiều so với lodestone, song chúng dễ bị khử từ, nên cần phải sử dụng hình dạng dài để làm cực tiểu các trường khử từ.

Nam châm Alnico : ( hợp kim trên cở sở của Al, Co, và Ni )

Nhóm nam châm này được phát triển trong những năm

1930, là nam châm vĩnh cửu hiện đại nhất đáng chú ý trong

từ cứng trong các thép từ có đến lúc đó Các tính chất của chúng dựa trên sự dị hướng từ hình dạng liên quan đến hai cấu trúc nanô pha bao gồm các hình kim Fe-Co có tính sắt

từ trong một ma trận của các Al-Ni không từ Nhờ nhiệt độ Curie cao của chúng, ~ 850 oC, chúng vẫn được sử dụng cho đến hiện nay

Các nam châm carbon-platinium :

Chúng đã được phát triển vào những năm 1950 Những tính chất đã được cải thiện vượt trên hợp kim Alnico và tính chống ăn mòn của chúng đã làm cho chúng được sử dụng

Các nam châm ferít từ cứng : ( BaFe12O19 hoặc SrFe12O19 )

Chúng là các nam châm có tính thương mại quan trọng nhất trong vài chục năm qua Nhờ cấu trúc dị hướng , chúng đã có lực kháng từ tương đối cao, song tích năng lượng lại thấp Mặc dù vậy , chúng vẫn

có những ứng dụng rộng rãi vì sự phong phú của quặng nguyên liệu và giá thành sản xuất thấp Chúng cũng phù hợp cho việc sử dụng trong việc tạo các hình dạng phức tạp Chúng vẫn giữ là loại vật liệu thông dụng nhất hiện nay trong các ứng dụng với khối lượng lớn

Samari Cobalt :

Được phát triển vào cuối những năm 1960, nhóm này bao gồm tổ hợp hợp kim cobalt, sắt và một ít nguyên tố đất hiếm; Chúng không chỉ biểu

thương mại tương đối cao Chúng đã giữ kỷ lục về tích năng lượng cao nhất trong nhiều năm, nhưng tiếc thay chúng có nhược điểm về giá

ở những nơi làm việc ở nhiệt độ cao

Các nam châm Neodym Sắt Bor :

Chúng được tạo ra đầu tiên vào năm 1984; chúng tổ hợp của một độ từ hóa cao với tính chống khử từ tốt Giá thành cao của samari và sự bất ổn về giá của cobalt đã dẫn các nam châm loại này trở thành sự chọn lựa trong các ứng dụng đòi hỏi các nam châm có năng lượng cao Mặc dù có năng lượng cao, các nam châm này có nhiệt độ Curie tương đối thấp ( 312oC), điều này đã giới hạn những ứng dụng của chúng ở vùng nhiệt độ cao Việc thêm Co và Dy sẽ cải thiện được các đặc trưng nhiệt độ nhưng cũng làm tăng giá thành sản xuất Song điều này vẫn không ngăn cản việc sử dụng chúng ngày càng tăng trên thị trường, đặc biệt trong các ứng dụng cần giảm kích thước

Nitrid Samari Sắt :

Sự phát triển của các hợp kim này vẫn đang tiếp tục; chúng là

2 Nguồn gốc của từ tính.

Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người

điều này thì trước hết chúng ta hãy tìm hiểu mối tương quan giữa hiện tượng từ và hiện tượng điện

Một nam châm điện đơn giản có thể tạo ra bằng cách cuộn dây đồng thành cuộn và nối cuộn dây với một accu Một từ trường được tạo ra bên trong cuộn dây , nhưng nó chỉ tồn tại khi dòng điện vẫn còn chạy qua cuộn dây

Một thanh nam châm thông thường không có một mối liên hệ rõ ràng với dòng đĩện thì nó sẽ làm việc như thế nao? Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động

chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử

Hiện tượng điện là sự chuyển động của các electron ở trong một cuộn dây hoặc trong một nguyên tử., như vậy mỗi nguyên tử biểu hiện như một nam châm vĩnh cửu nhỏ xíu vốn có sẵn của nó Electron dang quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đaợ của riêng nó , được đo bằng

do electron tự quay , giống như trái đất quay trên trục của bản thân nó.( được minh họa trên hình 2) Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây

ra mômen từ bị trượt tiêu bởi lân cận của nó

Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn Các lực này được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa,

Hình 2. Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt

nhân của nguyên tử

3 Các đơn vị từ và thuật ngữ

- Độ từ hóa (M) của vật liệu : Mômen từ trên một đơn vị thể tích của

vật liệu

- Độ từ hóa riêng ( ): Mômen từ trên một đơn vị khốI lượng.

-Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi

qua một đơn vị tiết diện cắt ngang của vật liệu,

B = 0 (H+M) (1a).

B = H + 4M (1b).

0 là độ từ thẩm của chân không ( 4 x 10 -7 Hm -1 ), là tỷ số

của B/H được đo trong chân không

4 Phân loại các vật liệu từ

Hình 3

Bảng tuần hoàn của các nguyên tố cho ta bản chất

1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 1

Chất nghịch từ

Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen

từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn Giá trị của độ cảm từ

là độc lập với nhiệt độ

Có vài lý thuyết về chất thuận từ , phù hợp cho các loại riêng của vật

không tương tác với nhau , ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này

và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường ngoài Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử và vì vậy, độ cảm từ sẽ giảm xuống Bản chất này được biết như định luật Curie và được cho trong phương trình 7, ở đó C là một hằng số vật liệu được gọi là hằng số Curie

(7)

Các vật liệu tuân theo định luật này là các vật liệu trong đó các mômen từ được định xứ tại vị trí nguyên tử hay ion và ở đó không có tương tác giữa các mômen từ lân cận Muối hydrad của các kim loại

T

C





Thực ra thì định luật Curie là trường hợp riêng của định luật

Curie-Weiss tổng quát hơn ( phương trình 8), nó hợp nhất một hằng số nhiệt

kết hợp tương tác giữa các mômen từ

(8)

Trong phương trình này,  có thể dương, âm hoặc bằng không Rõ ràng

là khi  = 0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie Khi  khác không thì có một tương tác giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp nào đó Nếu  dương thì vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị  tương ứng với

phương trình này chỉ có giá trị khi vật liệu ở trong trạng thái thuận từ.Nó cũng không có giá trị cho nhiều kim loại vì các electron đóng góp vào mômen từ đều không định xứ Song định luật áp dụng cho một vài kim loại , chẳng hạn các đất hiếm, ở đó các electron 4f, tạo nên mômen từ là xếp chặt

22

Model Pauli của tính thuận từ là đúng cho các kim loại mà

ở đó các electron là tự do và tương tác để tạo ra một vùng dẫn Điều này đúng cho hầu hết các kim loại thuận từ Trong model này các electron dẫn được xem như là tự do

và dưới một trường ngoài một sự mất cân bằng giữa các electron với spin ngược nhau được tạo ra dẫn đến một độ

từ hóa thấp có cùng phương với từ trường ngoài Độ cảm

từ không phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy rằng cấu trúc vùng electron có thể bị ảnh hưởng, và lại ảnh hưởng lên độ cảm từ.

Tính sắt từ

Tính sắt từ

Tính sắt từ chỉ có thể khi các nguyên tử được sắp xếp trong một mạng

và các mômen từ nguyên tử có thể tương tác lên nhau và sắp xếp song song với nhau Hiệu ứng này được giải thích theo lý thuyết cổ

lần đầu tiên được đưa ra bởi Weiss vào năm 1907 Trường này đủ để

Heisenberg của sắt từ đã mô tả sự định hướng song song của các

dịch chuyển của các đômen này sẽ xác định vật liệu hưởng ứng như thế nào với một từ trường và như một hệ quả, độ cảm là một hàm của

từ trường ngoài Vì vậy, các vật liệu sắt từ thường được so sánh theo

độ từ hóa bão hòa ( độ từ hóa khi tất cả các đômen đã được định

Trong bảng tuần hòan các nguyên tố, chỉ có Fe,

Co và Ni là chất sắt từ tại và trên nhiệt độ phòng Bởi vì các vật liệu sắt từ được nung lên trên nhiệt độ đó sẽ tạo nên sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử, nghĩa là bậc định hướng của các mômen từ nguyên tử giảm đi và

vì vậy,độ từ hóa bão hòa cũng giảm xuống Dần dần, sự chuyển động nhiệt trở nên lớn đến mức vật liệu trở thành thuận từ; nhiệt độ của sự chuyển này là nhiệt độ Curie, Tc ( Fe: Tc =

770oC, Co: Tc= 1131oC và Ni: Tc= 358oC) , Trên

Tc độ cảm từ thay đổi theo định luật Weiss

Curie-Chất phản sắt từ.

Trong bảng tuần hòan, chỉ có một nguyên tố biểu hiện tính phản sắt từ tại nhiệt độ phòng là crom Các vật liệu phản sắt từ rất giống như các vật liệu sắt từ, nhưng tương tác trao đổi

giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự sắp xếp phản song song của các mômen từ nguyên tử Vì vậy, từ trường trượt tiêu và vật liệu xuất hiện bản chất giống như là một vật liệu thuận từ Giống như các vật liệu sắt từ, các vật liệu này trở thành thuận từ ở trên một nhiệt

độ chuyển tiếp , được gọi là nhiệt độ Néel, TN ( Cr: TN = 37oC)

Ferit từ

Ferit từ chỉ được quan sát trong các hợp chất có cấu trúc tinh thể phức tạp hơn so với các nguyên tố thuần khiết Bên trong các vật liệu này các tương tác trao đổi dẫn đến một sự sắp xếp song song của các nguyên tử trong cùng một vị trí tinh thể và sự sắp xếp phản song song trong các vị trí khác Vật liệu bị chia thành các đômen, giống như trong vật liệu sắt từ và bản chất từ cũng như vậy , mặc dù các vật liệu ferít có độ từ hóa bão hòa thấp hơn

Ví dụ trong ferit barium, ( BaO.6Fe2O3), ô đơn vị chứa 64 ion, trong đó các ion Ba và ôxy không có các mômen từ;

16 Fe3+ có các mômen từ sắp xếp song song và 8

Fe3+sắp xếp phản song song , cho một độ từ hóa riêng song song với trường ngoài, nhưng với độ lớn tương đối thấp, chỉ 1/8 của các ion đóng góp vào độ từ hóa của vật liệu.

5 Các tính chất nội tại của các vật liệu

Độ từ hóa bão hòa (Ms)

trường có thể được sinh ra bởi một vật liệu Nó sẽ phụ thuộc vào cường độ của các mômen dipol trên các nguyên tử cấu tạo vật liệu và chúng xếp chặt như thế nào đó với nhau Mômen dipol nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng bởi bản chất của nguyên tử và toàn

bộ cấu trúc electron bên trong hợp chất Mật độ xếp của các mômen nguyên tử sẽ được xác định bởi cấu trúc tinh thể ( tức là không gian của các mômen ) và sự có mặt của các nguyên tố không có từ tính bên trong cấu trúc

Đối với các vật liệu sắt từ, tại các nhiệt độ nhất định, Ms cũng sẽ phụ thuộc vào việc các mômen từ này sắp xép tốt như thế nào, vì dao động nhiệt của các nguyên tử gây ra sự sai hỏng sắp xếp của các mômen và làm giảm Ms Đối với các vật liệu ferit, không phải tất cả các mômen đều sắp xếp song song, ngay cả tại 0 K và

vì vậy, Ms sẽ phụ thuộc vào sự sắp xếp tương đối của các mômen cũng như nhiệt độ

Độ từ hóa bão hòa cũng được xem như độ từ hóa tự phát, tuy nhiên

số hạng này thường được sử dụng để mô tả độ từ hóa bên trong một đơn đômen từ Bảng 3 cho ta vài ví dụ các vật liệu thường dùng trong các ứng dụng từ tính

Bảng 3 Độ phân cực từ bão hòa Js và nhiệt độ Curie Tc của vài vật lịêu từ

Sự dị hướng từ

Sự dị hướng từ

Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc vào các phương tinh thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp Hình 4 biểu diễn hiệu ứng này đối với một đơn tinh thể cobalt Cấu trúc tinh thể hexagonal của cobalt có thể được từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức là dọc theo trục c), nhưng có trục khó của

độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm trong mặt phẳng cơ sở (

90o so với trục dễ).

Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là trường dị hướng, Ha ( được minh họa trên hình 4 ), là trường đòi hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một đơn tinh thể bão hòa Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ đạo electron đối với mạng, và theo phương dễ

từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng lượng thấp nhất.

Hướng dễ từ hóa đối với một nam châm vĩnh cửu, ferít hay hợp kim đất hiếm, có thể là đơn trục , song nó cũng có thể có các vật liệu với nhiều trục

dễ hoặc ở đó trục dễ nằm tại mọi nơi trong một mặt phảng nào đó hoặc trên bề mặt của một hình nón Sự thực là,một nam châm vĩnh cửu có tính dị hướng đơn trục nghĩa là khó để khử từ , vì nó cản trở sự quay của phương từ hóa

Sự dị hướng từ

Các đômen từ

Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ

hóa tự phát có thể tồn tại ở trạng thái khử từ, Weiss đã

đưa ra khái niệm các đômen từ Weiss đã xây dựng trên

cơ sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và

Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng Các kết quả tìm

thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong

một đômen một số lớn các mômen nguyên tử đã được

định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối lượng lớn

hơn nhiều so với những dự đoán trước đó Độ từ hóa bên

trong đômen đã được bão hòa và sẽ luôn nằm theo

phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt

vào Phương của sự định hướng đômen ngang qua một

khối lượng lớn vật liệu là ngẫu nhiên nhiều hay ít và vì

vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không.

Đômen từ tồn tại nhằm giảm năng lượng của hệ Một mẫu được

từ hóa đồng nhất, như trên hình 5(a), có một năng lượng tĩnh từ lớn liên quan đến nó Đó là hệ quả của sự có mặt của cáccự từ tự

do tại bề mặt của mẫu, khi phát sinh ra một trường khử từ , Hd

Từ quy ước được chấp nhận cho dịnh nghĩa của mômen từ cho một dipol từ thì độ từ hóa bên trong mẫu chỉ ra đi từ cực nam cho đến cực bắc, trong khi đó phương của từ trường chỉ ra là đi

từ cực bắc đến cực nam Vì vậy, trường khử từ theo phương ngược với sự từ hóa của mẫu Độ lớn của Hd phụ thuộc vào hình học và độ từ hóa của mẫu Nói chung, nếu mẫu có tỷ lệ cao

Các đômen từ

Các đômen từ

Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai

dômen, (c) Bốn đômen và (e) Các đômen khép kín.

Các đômen từ

Việc phân chia mẫu được từ hóa thành hai đômen như

minh họa trên hình 5(b) đã làm giảm năng lượng tĩnh

từ xuống còn một nửa Trong thực tế , nếu nam châm

được phân chia thành N đômen thì năng lượng tĩnh từ

sẽ được giảm đi N lần, vì vậy, hình 5(c) có ¼ năng

lượng tĩnh từ của hình 5(a) Hình 5(d) chỉ ra cấu trúc

đômen kín, ở đó năng lượng tĩnh từ bằng không, song

điều này chỉ có thể được đối với các vật liệu mà không

có một dị hướng từ đơn trục mạnh, và các đômen lân

nhau

Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của

hệ, vì vậy việc chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen Năng lượng liên quan đến một vách đômen tỷ lệ với diện tích của nó Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra trên hình 6, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lương trao đổi cũng tăng lên bên trong vách Vì vậy, năng lượng vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến các thông số này, vì một dị hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng

Các đômen từ