Tìm hiểu tính chất từ nhiệt trên hệ vật liệu heusler

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ   HOÀNG THỊ HƯƠNG TRÀ TÌM HIỂU TÍNH CHẤT TỪ NHIỆT TRÊN HỆ VẬT LIỆU HEUSLER KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, - 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ   HOÀNG THỊ HƯƠNG TRÀ TÌM HIỂU TÍNH CHẤT TỪ NHIỆT TRÊN HỆ VẬT LIỆU HEUSLER Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Tình HÀ NỘI, - 2013 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương đến khóa luận em hoàn thành Trong thời gian nghiên cứu em nhận giúp đỡ tận tình giảng viên – TS Nguyễn Hữu Tình – người trực tiếp hướng dẫn em làm khóa luận thầy cô khoa Vật lý, đặc biệt nhóm Vật lý chất rắn trường Đại học Sư phạm Hà nội bạn sinh viên khoa Vật lý Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà nội 2, thầy cô giáo nhóm Vật lý chất rắn, đặc biệt thầy giáo – TS Nguyễn Hữu Tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện cho em, xin cảm ơn tất bạn sinh viên giúp đỡ hoàn thành khóa luận Sinh viên Hoàng Thị Hương Trà LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu khóa luận trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực khóa luận cảm ơn thông tin trích dẫn khóa luận rõ nguồn gốc Sinh viên thực Hoàng Thị Hương Trà MỞ ĐẦU  Lý chọn đề tài: Vật liệu nói chung vật liệu từ nói riêng có ý nghĩa vô quan trọng sống loài người Chúng đa dạng, phong phú không ngừng nghiên cứu để hoàn thiện Trong xu phát triển chung vật liệu từ nhiệt tạo nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao người sống “xanh” đại Vật liệu từ nhiệt có khả thay đổi nhiệt độ nhờ vào tác động từ trường Cụ thể vật liệu đưa vào đưa khỏi từ trường mômen từ xếp lại làm cho entropy từ vật liệu thay đổi Sự thay đổi entropy từ làm cho entropy mạng biến đổi theo khiến cho vật liệu nóng lên lạnh Hiện nay, vật liệu từ nhiệt ứng dụng nhiều ngành kỹ thuật, chẳng hạn kỹ thuật làm lạnh nhiệt độ thấp (cỡ µK) thử nghiệm với máy làm lạnh từ trường Bên cạnh đó, việc ứng dụng vật liệu từ nhiệt máy làm lạnh có ưu điểm bật không gây ô nhiễm môi trường máy lạnh dùng khí, có khả nâng cao hiệu suất làm lạnh, tiết kiệm lượng có kích thước nhỏ gọn Hướng nghiên cứu vật liệu từ nhiệt tìm vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt cao, biến thiên nhiệt độ lớn xảy xung quanh nhiệt độ phòng biến thiên từ trường nhỏ Mặt khác, vật liệu cần phải bền, không độc hại, giá thành thấp chế tạo đơn giản Cho tới nay, hợp kim Heusler vật liệu đáp ứng yêu cầu Vì vậy, vật liệu nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Hợp kim Heusler dạng hợp kim liên kim loại đơn chất (kim loại, phi kim) không mang tính sắt từ, có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt Tên loại hợp kim đặt theo nhà hóa học, khoáng học người Đức Friedrich Heusler (1866 - 1947), người lần tìm loại hợp kim vào năm 1903 Hợp kim Heusler loại hợp kim sắt từ có độ phân cực spin lớn [10] Năm 2003, nghiên cứu hợp kim Heusler nhóm Zhang công bố, cụ thể hợp kim Fe2MnSi1-xGex đạt biến thiên entropy từ cực đại 1,7 J/(kg.K) biến thiên từ trường T Và năm sau, nghiên cứu mẫu Ni55,2Mn18,6Ga26,2 biến thiên từ trường T, Zhou cộng thu biến thiên entropy từ lớn (20,4 J/kg.K) nhiệt độ chuyển pha TC gần nhiệt độ phòng (315 K) Ngoài khả cho hiệu ứng từ nhiệt lớn hợp kim Heusler thể tính bán kim với phân cực spin lên tới gần 100% Từ điều làm cho ứng dụng vật liệu trở nên đa dạng Một loại hợp kim Heusler nghiên cứu rộng rãi hợp kim NiMnSn Bởi chúng cho hiệu ứng từ nhiệt âm dương gần nhiệt độ phòng với giá trị biến thiên entropy từ lên tới 18,5 J/(kg.K) biến thiên từ trường T Tính chất từ vật liệu điều khiển dễ dàng nhờ vào điều chỉnh hàm lượng Sn thay đổi chế độ xử lý nhiệt Mặt khác, hợp kim NiMnSn có giá thành rẻ, không độc hại chế tạo không phức tạp Vì vậy, vật liệu đối tượng có triển vọng để đưa vào ứng dụng thực tế Ngoài ra, nhà nghiên cứu quan tâm đến nhiều loại hợp kim Heusler khác, hợp kim NiMnSb, Ni2MnSn để khám phá thêm ứng dụng đặc biệt họ hợp kim Với lý nêu nên em định chọn đề tài khóa luận là: “Tìm hiểu tính chất từ nhiệt hệ vật liệu Heusler”  Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu vật liệu từ có hiệu ứng từ nhiệt lớn (hợp kim Heusler) để định hướng ứng dụng thiết bị làm lạnh từ trường vùng nhiệt độ phòng số ứng dụng khác  Giả thuyết khoa học: - Tìm hiểu vật liệu có khả ứng dụng máy làm lạnh từ trường vùng nhiệt độ phòng - Có tác động vấn đề bảo vệ môi trường - Có ý nghĩa việc phát triển khoa học công nghệ tiên tiến  Đối tượng phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng đề tài vật liệu từ có hiệu ứng từ nhiệt lớn vùng nhiệt độ phòng - Phạm vi đề tài nghiên cứu vật liệu từ hợp kim thuộc họ hợp kim Heusler  Nhiệm vụ nghiên cứu: Đánh giá hiệu ứng từ nhiệt hệ vật liệu Heusler  Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu tài liệu  Cấu trúc khóa luận: Khóa luận gồm chương: - Chương 1: Tổng quan vật liệu từ nhiệt - Chương 2: Hợp kim Heusler - Chương 3: Một số ứng dụng hợp kim Heusler Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT 1.1 Hiệu ứng từ nhiệt: 1.1.1 Cơ sở nhiệt động học hiệu ứng từ nhiệt: Hiệu ứng từ nhiệt (Magneto Caloric Effect - MCE) thay đổi nhiệt độ đoạn nhiệt vật liệu tác dụng từ trường (từ hóa khử từ) Bản chất tượng chuyển hóa lượng từ - nhiệt, thay đổi entropy từ hệ tương tác phân mạng từ với từ trường Hiệu ứng có mặt tất vật liệu từ biểu với cường độ phụ thuộc vào chất loại vật liệu Hình 1.1 Giới thiệu hiệu ứng từ nhiệt dương [10] Dựa vào tiêu chuẩn khác mà hiệu ứng từ nhiệt phân loại thành dạng sau: hiệu ứng từ nhiệt âm dương hiệu ứng từ nhiệt thường khổng lồ (Giant Magneto Caloric Effect – GMCE) Hình 1.1 giới thiệu hiệu ứng từ nhiệt dương, hiệu ứng mà vật liệu từ nóng lên trình từ hóa bị lạnh bị khử từ Nếu trình xảy ngược lại hiệu ứng từ nhiệt âm Còn trường hợp hiệu ứng gọi GMCE vật liệu có biến thiên entropy từ cực đại lớn J/(kg.K) [5] Nguyên nhân gây MCE hiểu sau: xét hệ spin thuận từ sắt từ, entropy hệ coi tổng ba đóng góp [16]: S (T,H) = Sm (T,H) + SL (T,H) + Se (T,H), (1.1) đó: Sm entropy liên quan đến trật tự từ (entropy từ); SL entropy liên quan đến nhiệt độ hệ (entropy mạng) Se entropy liên quan đến trạng thái electron (entropy điện tử) Trường hợp vật liệu không chứa đất Se bỏ qua [16] Trong trình từ hóa khử từ đoạn nhiệt entropy thành phần (Sm SL) thay đổi entropy tổng giữ nguyên giá trị Đối với MCE dương, trình từ hóa đoạn nhiệt mômen từ xếp trật tự theo hướng từ trường làm cho entropy từ hệ giảm Sự giảm entropy từ khiến cho entropy mạng phải tăng lên để đảm bảo entropy tổng không đổi, nên nhiệt độ vật liệu tăng Ngược lại, trình khử từ đoạn nhiệt mômen từ có xu trở lại trạng thái trật tự ban đầu, làm tăng lại giá trị entropy từ, gây nên việc giảm entropy mạng, nên nhiệt độ giảm Quá trình xảy ngược lại trường hợp MCE âm Trên phương diện lý thuyết, phương trình nhiệt động học đưa để mô tả mối tương quan thông số từ thông số nhiệt động khác có liên quan Hàm nhiệt động Gibb hệ kín vật liệu từ tích V, đặt từ trường H nhiệt độ T, áp suất p nội U có dạng: G(T, H, p) = U + pV -TS – MH (1.2) Lấy vi phân hàm G ta được: dG = V dp - S dT - M dH, (1.3) mà S (T, H, p) = - ( G ) [H, p] , T (1.4) G ) , H [T, p] (1.5) M(T, H, p) = -  ( nên từ (1.4) (1.5) ta có: ( S (T , H ) M (T , H ) ) [T] = ( )[H] H T (1.6) Lấy tích phân hai vế theo H từ giá trị H1 đến H2 ta thu giá trị biến thiên entropy từ nhiệt độ T: H2 ∆Sm(T) = S(T, H2) – S(T, H1) = ( H1 M(T, H) )[H ] dH T (1.7) Phương trình (1.7) cho thấy biến thiên entropy từ phụ thuộc vào từ trường Nhiệt dung hệ : C(T, H)[H] = T( S ) T [H] (1.8) Nhân hai vế (1.6) với TdS sử dụng phương trình dQ = CdT dQ = - TdS, ta có:  T   M (T, H)  dT     dH  C(T, H)   T  (1.9) Tích phân theo H từ H1 đến H2 ta độ biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt là: H2  T   M T , H   Tad T , H         dH C T , H  T    [H ] H1   (1.10) Từ phương trình (1.7) (1.10) xác định biến thiên entropy từ biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt Từ đó, rút kết luận sau [5,2]: 10 điện tử dẫn tạo nên phân cực electron dẫn nhờ mômen từ tính cục Theo tính loại trừ nguyên lý Pauli, vùng tập trung electron có spin quay lên phải tiếp sau vùng tập trung electron có spin quay xuống Theo chế hình thái sắt từ phản sắt từ nối tiếp độc lập khoảng cách nguyên tử thay đổi Tương tác trao đổi giải thích tính chất từ cho hầu hết oxit từ, hợp kim từ với chất chứa kim loại đất * Tương tác trao đổi hợp kim Heusler: Mômen từ đơn nguyên tử tạo tương tác trao đổi điện tử lớp vỏ Trong kim loại chuyển tiếp, điện tử lớp vỏ 3d nguyên nhân tạo mômen từ tính nguyên tử Với hợp kim Heusler Cu2MnSn có liên kết liên nguyên tử Mn-Mn Nhưng khoảng cách chúng lớn nên trao đổi trực tiếp khó xảy Vì vậy, có vài chế đưa để giải thích tính sắt từ hợp kim như: chế trao đổi gián tiếp để dẫn đến ghép đôi Mn (sự liên kết qua nhóm nguyên tố nghịch từ III-V); chế có liên kết trao đổi trực tiếp gián tiếp chế tương tác trao đổi RKKY Trường hợp nguyên tố Cu thay nguyên tố khác Co Ni tương tác từ diễn phức tạp nhiều có đề xuất cho có tương tác Mn-Mn thông qua nguyên tử Co Ni Trong hợp kim Cu2MnSn nói riêng hợp kim Heusler nói chung có nguyên tố kim loại nên tồn điện tử dẫn Những điện tử góp phần vào tương tác trao đổi RKKY vật liệu Do vậy, lý thuyết tương tác trao đổi RKKY có nhiều điểm hợp lý để giải thích tính sắt từ cho hợp kim Heusler Tuy nhiên, tương tác từ hợp kim Heusler phức tạp nhà khoa học chưa thể lý giải tường minh tính chất từ hợp kim 30 2.3 Tính chất điện hợp kim Heusler: Tính chất điện hợp kim Heusler nhận quan tâm nhà khoa học Hợp kim thể tính bán kim trở thành vật liệu quan trọng cho ứng dụng lĩnh vực spin điện tử Năm 1983, Groot tìm tính bán kim hợp kim Heusler [3] Thuật ngữ “bán kim” để thể tính chất điện khác hướng spin Tại hướng spin quay lên electron dẫn thể tính kim loại, hướng quay xuống xuất hiện tính bán dẫn điện môi Trong cấu trúc dải lượng chất bán kim có đỉnh vùng hóa trị nằm cao đáy vùng dẫn Các phần tử dẫn điện bán kim giống với bán dẫn chỗ bao gồm điện tử lỗ trống Tuy nhiên, với vật liệu có tính bán kim phân cực spin mức cao Chỉ điện tử có spin hướng lên có khả chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, điện tử lại bị cấm Điều có nghĩa lượng Fecmi xác định vùng cấm cấu trúc dải spin quay xuống tồn phân cực gần 100% mức Fecmi Ở số bán kim hợp kim Heusler CrO2, La0,7Sr0,3MnO3 thể độ phân cực spin cao có nhược điểm phân cực spin nhiệt độ thấp Vì vậy, nhiệt độ phòng không xuất phân cực spin đáng kể nào, hợp kim Heusler cho phân cực spin cao nhiệt độ phòng [3] Đây thực tính chất đáng quan tâm cho việc ứng dụng vật liệu Heusler thực tế Nguồn gốc phân cực spin hợp kim có liên quan chặt chẽ tới tồn tính sắt từ Gần người ta chưa rõ liệu có chế đơn lẻ nguyên nhân xuất khe lượng cấu trúc dải lượng hay không Trong hợp kim Heusler, tính bán kim phụ thuộc nhiều vào nguyên tố nhóm III-V Các electron phân lớp p lai hoá với electron phân lớp d thành phần khác để tạo nên dải lân cận mức 31 Fecmi Sự hình thành dải bị ảnh hưởng nhóm nguyên tố III-V Bằng cách xác định số mạng, người ta biết nguyên tố nhóm III-V tác động đến mức lai hóa trực tiếp tác động đến mật độ trạng thái qua số lượng electron hóa trị Tuy nhiên, chế tác động tuân theo lý thuyết chưa làm rõ Tóm lại, tính chất từ điện hợp kim Heusler phức tạp Những tính chất phụ thuộc vào nhiều tham số, chúng lệ thuộc vào thành phần nguyên tố hợp kim mà phụ thuộc vào mẫu dạng khối hay màng mỏng, phụ thuộc vào phần hay vùng biên vật liệu 2.4 Bán hợp kim Heusler NiMnSn: Bán hợp kim Heusler NiMnSn hợp chất thành phần bao gồm kim loại Ni, Mn Sn Cấu trúc hợp kim Heusler NiMnSn thuộc dạng chung bán hợp kim Heusler cấu trúc C1b (F43m) Ô sở chúng mô hình 1.1b Mạng Ni thứ cấp nằm vị trí (0, 0, 0) mạng Mn nằm vị trí (1/4, 1/4, 1/4) mạng Sn nằm vị trí (3/4, 3/4, 3/4) ô sở Cấu trúc NiMnSn suy từ pha Heusler đầy đủ Ni2MnSn cách loại trừ nguyên tử Ni, tạo phần trống vị trí bán hợp kim NiMnSn Bởi vậy, hợp kim NiMnSn dễ xảy trật tự, kể trật tự mạng trật tự nguyên tử Ni Mn Những trật tự tác động đột ngột đến tính chất từ hiệu ứng từ nhiệt hợp kim [2] Các nghiên cứu A Barcza K G Sandeman cho thấy hợp kim NiMnSn họ vật liệu từ nhiệt nhiều triển vọng [2] Các thành phần hợp kim nguyên tố tương đối rẻ tiền, không độc hại với người tác động xấu đến môi trường sống Tính chất từ nhiệt hợp kim tạo điều chỉnh cách thay nguyên tố 32 thành phần xử lý nhiệt Biến thiên entropy từ cực đại đạt cỡ 18 J/(kg.K) từ trường - T [14] Nhiệt độ Curie vật liệu nằm khoảng 130 – 400 K Bảng 2.1 cho ta số kết nghiên cứu hợp kim NiMnSn giới Bảng 2.1 Các giá trị TC Smmax mẫu Ni0,5Mn0,5-xSnx Hợp phần H (kOe) Tc (K) Smmax (J/(kg.K)) TLTK x = 0,1 50 140 3,7 [15] x = 0,13 x = 0,15 10 20 6,5 30 311 11 40 14,5 50 18,5 10 2,3 20 30 320 40 12 50 12 [14] [14] Tóm lại, bán hợp kim Heusler NiMnSn vật liệu có tính bán kim cho hiệu ứng từ nhiệt dương âm lớn vùng nhiệt độ phòng Tính chất từ cấu trúc vật liệu phụ thuộc vào tỉ phần nguyên tố hợp kim điều kiện chế tạo Do vậy, hợp kim cần nghiên cứu để tìm thành phần tối ưu với công nghệ chế tạo thích hợp ổn định 33 Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG HỢP KIM HEUSLER 3.1 Máy làm lạnh: Các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn xung quanh nhiệt độ phòng (hoặc cao hơn) để sử dụng máy lạnh thay cho máy lạnh truyền thống sử dụng chu trình nén khí chúng có ưu sau: + Không gây ô nhiễm (máy lạnh dùng khí nén thải khí phá hủy tầng ôzôn) không thải chất thải ô nhiễm + Hiệu suất cao: Các máy lạnh dùng từ trường cho hiệu suất cao 60%, máy lạnh nén khí cho hiệu suất không 40% + Kích thước nhỏ gọn Mục tiêu tìm loại vật liệu từ nhiệt có đặc tính sau: + Có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ xảy xung quanh nhiệt độ phòng + Hiệu ứng từ nhiệt phải xảy biến thiên từ trường nhỏ máy móc dân dụng tạo từ trường lớn Hầu hết vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ đạt từ trường lớn gây nhiều khó khăn cho ứng dụng + Vật liệu phải có nhiệt dung nhỏ (để tạo biến thiên nhiệt độ lớn, dễ truyền nhiệt ), chế tạo không phức tạp có độ bền cao trình hoạt động Hãng Toshiba cho đời máy làm lạnh vật liệu từ nhiệt dạng thương phẩm vào năm 2003 Máy có công suất 60 W, sử dụng từ trường 0,76T, cho biến đổi nhiệt độ tới 20 K với kim loại Gd làm chất hoạt động Từ Toshiba giới thiệu sản phẩm đến chưa có máy lạnh thương phẩm đời 34 Hiện nhà nghiên cứu ý đến loại vật liệu từ nhiệt đáp ứng yêu cầu Đó hợp kim Heusler Từ bảng 1.1 ta thấy ưu điểm bật hợp kim Heusler so với vật liệu từ nhiệt khác Các hợp kim có khả cho MCE lớn hẳn vùng nhiệt độ phòng biến thiên từ trường tương đối nhỏ Ngoài ra, chúng có điện trở suất lớn, chế tạo không phức tạp nguyên liệu dễ kiếm nên giá thành thấp Vì vậy, loại vật liệu nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với hy vọng cho đời dòng sản phẩm máy lạnh có hiệu suất cao hơn, nhỏ gọn hơn, giá thành rẻ đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường 3.2 Bộ nhớ RAM không tự xóa: Nhóm nhà khoa học từ Pháp, Đức Hoa Kỳ vừa công bố công trình nghiên cứu mà hệ nhớ không tự xóa với tốc độ truy xuất mật độ cao xây dựng từ loại cấu trúc từ gọi “xoáy từ” (magnetic vortex) [9] Đây loại linh kiện thuộc công nghệ điện tử học spin, sử dụng cho hệ nhớ thay cho nhớ bán dẫn đương thời bộc lộ nhiều điểm yếu Nguyên lý điều khiển thông tin nhớ đơn giản, điều khiển định hướng theo hai chiều xoáy từ 35 Hình 3.1 Phân bố mômen từ xoáy từ với hai trạng thái cực [9] Xoáy từ dạng cấu trúc từ phổ biến thường xuất vật từ dạng màng mỏng có hình dạng đối xứng hình học cao (ví dụ đĩa hình tròn, đĩa hình vuông, hình ellipse…) điều kiện tương quan đường kính chiều dày thích hợp Trong cấu trúc này, mômen từ định hướng xoay tròn quanh nhân mặt phẳng vật, nhân xoáy từ thành phần hướng vuông góc với mặt phẳng xoáy từ (gọi cực – xem hình 3.1) Nhân xoáy từ dùng để lưu trữ thông tin với bit thông tin định nghĩ theo chiều định hướng Kỹ thuật có tên gọi nhớ xoáy từ điều khiển tần số (frequencycontrolled magnetic vortex memory) phát triển nhóm lãnh đạo Benjamin Pigeau (Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Saclay, Pháp), cộng tác với nhà khoa học khác đến từ Pháp, Đức Hoa Kỳ dựa việc điều khiển xoáy từ đĩa tròn làm hợp kim NiMnSb (một loại hợp kim Heusler) với đường kính thử nghiệm ban đầu micromet 36 Hình 3.2 Cơ cấu nghiên cứu phần tử lưu trữ thông qua điều khiển nhân xoáy từ kết khả đảo từ phụ thuộc vào từ trường: (a-b) [9] Theo lý giải nhà nghiên cứu, chế đảo từ phần tử thực chất nghiên cứu rộng rãi trước mẫu kim loại Ni, Fe, Co…, nghiên cứu trước chưa tìm cách tối ưu để điều khiển mômen từ bên vật thể (tức chưa thể điều khiển bit thông tin cho phần tử nhớ) Ở đây, nhà nghiên cứu tìm cách tối ưu để điều khiển định hướng cách sử dụng sóng viba dạng xung kết hợp với từ trường tĩnh Trong cấu này, tần số quay lớn nhỏ nhân xoáy từ liên hệ với định hướng lên (dương) hay xuống (âm) nhân xoáy từ Khi trạng thái hướng lên (bit 1), nhân song song với từ trường đặt vào Thiết bị siêu nhạy kính hiển vi lực từ cộng hưởng (magnetic resonance force microscope – MRFM) cho phép ghi lại trình đảo thay đổi tần số sóng viba (hình 3.2) 37 Hình 3.3 Đề xuất thiết kế cho nhớ [9] Từ kết này, nhà nghiên cứu đề xuất thiết kế nhớ gồm ma trận chấm nano từ NiMnSb chứa xoáy từ với nam châm điện nhỏ đặt bên nhằm tạo từ trường vuông góc với ma trận giúp cho việc điều khiển thông tin chấm nano (đường kính khoảng 800 nm) – xem hình 3.3 Để đọc thông tin từ chấm này, từ trường nhỏ (chỉ khoảng 65 mT) dùng để đọc trạng thái định hướng nhân xoáy từ Việc ghi thông tin thực cách tăng độ lớn từ trường xung viba nhằm định hướng nhân xoáy từ theo chiều mong muốn, thông tin lưu lại lưu chiều mômen từ Thông tin bị xóa (đảo chiều mômen từ nhân xoáy từ) tần số thay đổi mạnh Các nhà nghiên cứu chứng tỏ thực nghiệm xác suất đảo xác cực cao mà sai hỏng, đồng thời không ảnh hưởng đến thông tin từ bit bên cạnh “Cơ chế đảo động học thực lại hữu dụng cho ứng dụng công nghệ thông tin với việc sử dụng nhân xoáy từ để mã hóa thông tin nhị phân” - Grégoire de Loubens, đồng tác giả công trình phát biểu [9] Các nhà nghiên cứu tiếp tục cải tiến 38 nhớ theo nhiều hướng khác nhau, ví dụ sử dụng hình dạng khác chấm nano, thay đổi hệ số kích thước đồng thời thiết kế máy dò sóng đọc thông tin thay cho MRFM thí nghiệm phân tích Đồng thời, họ hy vọng tạo nhớ đa ghi 3.3 Nhà máy điện không dùng nước: Đa số nhà máy điện ngày – từ số ma trận điện mặt trời lớn sở lượng hạt nhân – hoạt động đun sôi ngưng tụ nước để sản xuất lượng Quá trình biến nước nóng thành lượng James Watt tìm hiểu năm 1765 Nhiệt từ mặt trời hay từ phản ứng hạt nhân có điều khiển làm sôi nước, sau dâng lên, làm quay tua bin phát điện Tại lại dùng nước? Vì rẻ tiền; hấp thụ nhiều “nhiệt âm ỉ” biến thành hơi; sản nhiều lượng thổi qua tua bin; dễ dàng ngưng tụ trở lại thành nước lỏng qua nguồn môi trường sông chẳng hạn Hình 3.4 Richard James làm thí nghiệm với hợp kim [8] 39 Kĩ sư vật liệu Richard James thuộc trường Đại học Minnesota làm nóng hợp kim lạ đặt ngón đồng; chất liệu đột ngột trở nên có từ tính mạnh trải qua biến đổi pha, biến nhiệt thành điện * Nhiệt thành điện năng: Bắt đầu từ nghiên cứu Nicolas Leonard Sadi Carnot vào năm 1824, kĩ sư biết cách làm sôi làm ngưng tụ nước, sử dụng “sự đặc biệt pha” chất lỏng chất khí để phát điện Thêm nhiệt vào nước thời điểm thích hợp chu trình ngăn trao đổi nhiệt thời điểm khác chu trình cho phép nhà nghiên cứu trích xuất phần lớn lượng từ nước Theo cách này, họ thận trọng thiết kế chu trình để tối đa hóa hiệu suất nó, khái niệm toán học mà Carnot định nghĩa “Sự sôi ngưng tụ nước đòi hỏi bình áp suất bình trao đổi nhiệt cỡ lớn để chứa nước”, phát biểu nhà nghiên cứu Richard James thuộc trường Đại học Minnesota James đội nghiên cứu ông muốn dùng biến đổi pha hoàn toàn khác thay cho sôi ngưng tụ nước * Các hợp kim Heusler: Các nhà nghiên cứu theo đuổi phương án họ hợp kim gọi hợp kim Heusler từ tính, kim loại cấu tạo nên chúng từ tính Hợp kim mang tên kĩ sư khai khoáng người Đức Friedrich Heusler, người để ý thấy Cu2MnSn có từ tính nguyên tố Cu, Mn Sn từ tính, họ hợp kim có xu hướng bất ngờ biểu từ tính Như James lưu ý, Heusler quan tâm đến biến đổi pha martensitic Làm việc nhóm James, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ Vijay Srivastava áp dụng chiến lược để thu độ trễ thấp, làm thay đổi có 40 hệ thống thành phần hợp kim Heusler Ni2MnSn thu Ni45Co5Mn40Sn10 “Ni45Co5Mn40Sn10 hợp kim bật”, James nói “Pha nhiệt độ thấp từ tính pha nhiệt độ cao nam châm mạnh, mạnh gần sắt nhiệt độ” Các nhà nghiên cứu nhận hợp kim tác dụng nước biến đổi pha nhà máy điện “Nếu bạn quấn cuộn dây nhỏ xung quanh hợp kim làm nóng qua biến đổi pha, từ hóa thay đổi đột ngột gây cảm ứng dòng điện cuộn dây”, James nói “Trong trình đó, hợp kim hấp thụ phần nhiệt âm ỉ Nó biến nhiệt trực tiếp thành điện” [8] Với phát thú vị hy vọng nhà khoa học sớm tìm phương án thiết kế cho nhà máy điện không dùng nước (không cần bình áp suất bình trao đổi nhiệt cỡ lớn) tương lai không xa 41 KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu, tìm tòi hoàn thành khóa luận làm công việc sau:  Tìm hiểu sơ lược, tổng quan vật liệu từ nhiệt (hiệu ứng từ nhiệt, hướng nghiên cứu, tiêu chuẩn lựa chọn kết nghiên cứu gần vật liệu từ nhiệt)  Tìm hiểu cấu trúc, tính chất số ứng dụng quan trọng hợp kim Heusler Việc tìm hiểu vật liệu từ nhiệt, đặc biệt hợp kim Heusler, giúp hiểu sâu loại vật liệu này, tính chất thú vị hợp kim Heusler, loại vật liệu hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích cho công nghiệp giới Tuy nhiên thời gian có hạn nên khóa luận trình bày số tính chất ứng dụng bật loại vật liệu này, nhiều vấn đề khác chưa đề cập đến Mặt khác kinh nghiệm nghiên cứu ít, điều kiện làm việc hạn chế nên chắn khóa luận nhiều thiếu sót Mong thầy cô giáo bạn góp ý để khóa luận hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài (2008), Từ học vật liệu từ, NXB Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Nguyễn Thị Mai (2011), Nghiên cứu công nghệ chế tạo, cấu trúc tính chất vật liệu từ nhiệt NiMnSn, Luận văn thạc sĩ, Đại học sư phạm Hà Nội, Hà Nội [3] Nguyễn Hải Nam (2006), Chế tạo khảo sát cấu trúc, tính chất màng mỏng hợp kim Heusler Co2MnSi, Luận văn thạc sĩ, Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà Nội [4] Lưu Tuấn Tài (2008), Vật liệu từ, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà Nội [5] Lê Thị Tuyết Tâm (2010), Nghiên cứu công nghệ chế tạo, cấu trúc tính chất từ nhiệt hợp kim Heusler CoMn1-xFexSi (x =  0,25), Luận văn thạc sĩ, Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà Nội [6] Ngô Đức Thế, Nguyễn Châu, Nguyễn Đức Thọ, Dương Thị Hạnh, Nguyễn Quang Hòa, Cao Xuân Hữu, Hoàng Đức Anh (2005), Hiệu ứng từ nhiệt lớn perovskite, hợp kim intermetalic hơp kim vô định hình sở Finemet, Báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội [7] Bùi Mạnh Tuấn (2010), Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt hệ hợp kim Fe73,5-xMnx Cu1Nb3Si13,5B9 chế tạo phương pháp nguội nhanh, Luận văn thạc sĩ vật lý, Đại học sư phạm Hà Nội 2, Vĩnh Phúc [8] http://www.360.thuvienvatly.com [9] http://www.vatlyvietnam.org [10] http://www.vi.wikipedia.org Tiếng anh: 43 [11] Li S., Yuan Z., Lu Y., Liu M., Huang Z., Zhang F., Du Y (2006), “Effect of annealing on the magnetic entropy change of CoMnSb alloy”, Materials Science and Engineering A, 428, 332 [12] Liu Min, Yu Bing-feng (2009), Development of magnetocaloric materials in room temperature magnetic refrigeration application in recent six years, J Cent South Univ Technol [13] Pecharsky V K., Gschneidner K A (1997), “Giant magnetocaloric Effect in Gd5Si2Ge2” , Physical Review Letters, 78, (23), 4494 [14] Thorsten K., Eyüp D., Mehmet A., Eberhard F W., Xavier M., Lluis M., Antoni P (2005), “Inverse magnetocaloric effect in ferromagnetic Ni – Mn – Sn alloys”, Nature material, vol.4, 450 [15] Thorsten K., Mehmet A., Eberhard F W., Xavier M., Lluís M., Antoni P (2005), “Martensitic transitions and the nature of ferromagnetism in the austenitic and martensitic states of Ni-Mn-Sn alloys”, Physical Review B, 72, 014412 [16] Tishin A M., Spichkin Y I (2003), “The magnetocaloric Effect and its Applications”, Institute of Physics Publishing [17] Zhou X Z., Li W., Kunkel H P., Williams G., Zhang S H (2005), “Relationship between the magnetocaloric effect and sequential magnetic phase transition in NiMnGa alloys”, Journal of Applied Physics 97 (3), 515 44 [...]... hiện nay là tìm ra các loại vật liệu từ nhiệt có các đặc tính cơ bản sau: + Có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ xảy ra xung quanh nhiệt độ phòng + Hiệu ứng từ nhiệt phải xảy ra trong biến thiên từ trường nhỏ vì các máy móc dân dụng không thể tạo ra từ trường lớn Hầu hết các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ hiện tại đều đạt được ở từ trường lớn gây nhiều khó khăn cho ứng dụng + Vật liệu phải có nhiệt dung... biến thiên entropy từ lớn Tuy nhiên, kèm theo đó là rất nhiều nhược điểm như: khó điều khiển giá trị TC, tính chất vật liệu gần giống từ cứng (khó từ hóa) nên biến thiên entropy từ lớn chỉ đạt được khi biến thiên từ trường lớn, mẫu chứa đất hiếm nên độ bền thấp, giá thành cao và công nghệ chế tạo phức tạp 1.4.2 Vật liệu perovskite mangarite: Vật liệu perovskite nói chung có tính chất vật lý rất đa dạng... cong từ hóa M(H) và 0 trục hoành Tóm lại, ta đo một loạt các đường cong từ hóa đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau (hình 1.2) sau đó xác định diện tích chắn bởi đường cong từ hóa và trục hoành, giá trị biến thiên entropy từ  Sm là hiệu các diện tích liên tiếp chia cho biến thiên nhiệt độ 12 Hình 1.2 Hệ đường cong từ hóa đẳng nhiệt của một vật liệu có MCE lớn [10] 1.2 Các hướng nghiên cứu vật liệu từ nhiệt: ... minh về tính chất từ của hợp kim này 30 2.3 Tính chất điện của hợp kim Heusler: Tính chất điện của hợp kim Heusler đã và đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học Hợp kim này thể hiện tính bán kim và đã trở thành một vật liệu quan trọng cho những ứng dụng trong lĩnh vực spin điện tử Năm 1983, Groot đã tìm ra tính bán kim trong hợp kim Heusler [3] Thuật ngữ “bán kim” để thể hiện các tính chất điện... thành sản phẩm Từ trường Vật liệu từ nhiệt Hình 1.6 Máy lạnh từ trường dùng nam châm vĩnh cửu [10] Cùng với những thành công về mặt ứng dụng là những kết quả rất khả quan trong việc nghiên cứu các vật liệu từ nhiệt Năm 1999, Pecharsky và Gschneidner đã công bố một bài báo mô tả hiện tượng MCE trong vật liệu từ ở các dải nhiệt độ khác nhau và thảo luận mối quan hệ giữa MCE và sự chuyển pha từ có và không... từ nhiệt âm và dương với giá trị biến thiên entropy từ lớn Vùng nhiệt độ hoạt động gần với nhiệt độ phòng Mặt khác, qua các tài liệu tham khảo chúng tôi thấy vật liệu này có cấu trúc, tính chất từ và MCE thay đổi rất nhạy theo hàm lượng Sn Qua những kết quả nghiên cứu của mình, chúng tôi hy vọng tìm ra công nghệ chế tạo tối ưu và tỉ phần các nguyên tố hợp lý để tạo ra hợp kim NiMnSn có những tính chất. .. Lịch sử phát triển của vật liệu từ nhiệt bắt đầu từ những năm đầu của thế kỷ 20 Trong suốt quá trình phát triển từ đó đến nay, việc nghiên cứu vật liệu này tập trung vào hai xu hướng Xu hướng thứ nhất là nghiên cứu các vật liệu có MCE lớn xảy ra ở vùng nhiệt độ thấp để dùng cho kỹ thuật tạo nhiệt độ rất thấp Xu hướng thứ hai là nghiên cứu các vật liệu có MCE lớn ở xung quanh nhiệt độ phòng để sử dụng... lại, bán hợp kim Heusler NiMnSn là vật liệu có tính bán kim và cho hiệu ứng từ nhiệt dương và âm lớn ở vùng nhiệt độ phòng Tính chất từ và cấu trúc của vật liệu phụ thuộc vào tỉ phần các nguyên tố trong hợp kim và điều kiện chế tạo Do vậy, hợp kim rất cần được nghiên cứu để tìm ra thành phần tối ưu cùng với công nghệ chế tạo thích hợp và ổn định 33 Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG HỢP KIM HEUSLER 3.1 Máy làm... điểm rất khó khắc phục của vật liệu này là biến thiên entropy từ lớn chỉ đạt được trong biến thiên từ trường cao Với những trường hợp dù đã cho ra entropy từ lớn nhưng giá trị biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt vẫn thấp vì nhiệt dung của họ vật liệu này khá lớn Mặt khác, vật liệu rất nhạy cảm với các biến động về áp suất và nhiệt độ, làm cho giá trị biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt không ổn định Chính vì... chú ý đến một loại vật liệu từ nhiệt đáp ứng được các yêu cầu trên Đó là hợp kim Heusler Từ bảng 1.1 ta có thể thấy ưu điểm nổi bật của các hợp kim Heusler so với các vật liệu từ nhiệt khác Các hợp kim này có khả năng cho MCE lớn hơn hẳn trong vùng nhiệt độ phòng và trong biến thiên từ trường tương đối nhỏ Ngoài ra, chúng còn có điện trở suất lớn, chế tạo không phức tạp và nguyên liệu dễ kiếm nên giá ... việc sau:  Tìm hiểu sơ lược, tổng quan vật liệu từ nhiệt (hiệu ứng từ nhiệt, hướng nghiên cứu, tiêu chuẩn lựa chọn kết nghiên cứu gần vật liệu từ nhiệt)  Tìm hiểu cấu trúc, tính chất số ứng... dụng quan trọng hợp kim Heusler Việc tìm hiểu vật liệu từ nhiệt, đặc biệt hợp kim Heusler, giúp hiểu sâu loại vật liệu này, tính chất thú vị hợp kim Heusler, loại vật liệu hứa hẹn đem lại nhiều... LIỆU TỪ NHIỆT 1.1 Hiệu ứng từ nhiệt: 1.1.1 Cơ sở nhiệt động học hiệu ứng từ nhiệt: Hiệu ứng từ nhiệt (Magneto Caloric Effect - MCE) thay đổi nhiệt độ đoạn nhiệt vật liệu tác dụng từ trường (từ