ảnh hướng của hiệu ứng kích thước lên các tính chất từ của vật liệu

Tuỳ thuộc vào cấu trúc vật liệu cụ thể mà chuyển động tự do của các hạt tải điện tử, lỗ trống, … bị giới hạn mạnh theo một, hai, hoặc cả ba chiều trong không gian mạng tinh thể.. Việc ch

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KÍCH THƯỚC LÊN CÁC TÍNH

CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU ( nhóm 7 Từ Học)

1. Hệ thấp chiều là gì ?

Thành tựu của khoa học vật lý cuối những năm 80 của thế kỷ 20 được đặc trưng bởi sự chuyển hướng đối tượng nghiên cứu chính từ các vật liệu khối (có cấu trúc 3 chiều) sang vật liệu thấp chiều Đó là, các vật liệu hai chiều (giếng lượng tử, siêu mạng hợp phần, siêu mạng pha tạp, màng mỏng, các hệ đa lớp…); vật liệu một chiều (dây lượng tử hình trụ, dây lượng tử hình chữ nhật,…); vật liệu không chiều (chấm lượng tử hình lập phương, chấm lượng tử hình hình cầu) Tuỳ thuộc vào cấu trúc vật liệu cụ thể mà chuyển động tự do của các hạt tải (điện tử, lỗ trống,

…) bị giới hạn mạnh theo một, hai, hoặc cả ba chiều trong không gian mạng tinh thể Hạt tải chỉ có thể chuyển động tự do theo hai chiều (hệ hai chiều, 2D) hoặc

một chiều (hệ một chiều, 1D), hoặc bị giới hạn theo cả 3 chiều (hệ không chiều, 0D)

Việc chuyển từ hệ vật liệu có cấu trúc ba chiều sang hệ vật liệu có cấu trúc thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể cả về mặt định tính cũng như định lượng các tính chất vật lý của vật liệu như: tính chất quang, tính chất động (tán xạ điện tử-phonon, tán xạ điện tử-tạp chất, tán xạ bề mặt, v.v…), tính chất từ Nghiên cứu cấu trúc cũng như các hiện tượng vật lý trong hệ thấp chiều cho thấy, cấu trúc thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể nhiều đặc tính của vật liệu Đồng thời, cấu trúc thấp chiều làm xuất hiện nhiều đặc tính mới ưu việt hơn mà các hệ điện tử chuẩn ba chiều không có Các hệ với cấu trúc thấp chiều đã giúp cho việc tạo ra các linh kiện, thiết bị điện tử dựa trên nguyên tắc hoàn toàn mới, công nghệ cao, hiện đại có tính chất cách mạng trong khoa học kỹ thuật

Cấu trúc hệ thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt phẳng, một đường thẳng hay một “điểm”, tức là hạn chế chuyển động của các điện tử theo ít nhất một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng Debroglie của nó (cỡ nm) Trong những thập kỷ qua, bước tiến nổi bật trong việc xây dựng cấu trúc hệ thấp chiều là tạo ra khả năng hạn chế số chiều hiệu dụng của các vật liệu khối Để chế tạo vật liệu có cấu trúc hai chiều như giếng lượng

tử (quantum well - QW), từ vật liệu khối ba chiều người ta tạo một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn Các điện tử bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy, chuyển động của chúng là chuyển động tự do trên mặt phẳng hai chiều, còn sự chuyển động theo chiều thứ ba đã bị lượng tử hóa mạnh Tiếp tục giảm số chiều như vậy, ta có thể thu được cấu trúc một chiều như dây lượng tử (quantum wires

- QWs) và thậm chí là cấu trúc không chiều như chấm lượng tử (quantum dots - QD) Để đặc trưng cho các hệ thấp chiều, người ta đưa ra các thông số như: Bước sóng Fermi, quãng đường tự do trung bình và độ dài kết hợp pha Một hệ

có kích thước nhỏ hơn một hoặc cả ba độ dài đặc trưng này được gọi là hệ thấp chiều (mesoscopic) Tỉ đối giữa phụ thuộc vào loại vật liệu, các kích thước này

cỡ nanomet (ở giữa kích thước microcopic và marcoscopic) Năng lượng đặc

trưng của hệ tính theo đơn vị mili-electron Volt (meV), thời gian đặc trưng tính theo đơn vị picro-giây (ps)

2. Vật liệu có cấu trúc nano?

Các cấu trúc nanô có kích thước đặc trưng nằm trong khoảng từ 0,1-100nm Đơn vị chiều dài được sử dụng là nm (1nm=10-9m), tương đương với khoảng 4 lần khoảng cách giữa các nguyên tử Fe Các cấu trúc nanô từ tính biểu hiện rất nhiều hiện tượng vật lý thú vị đã được ứng dụng hoặc đang có khả năng ứng dụng rất lớn Tại sao vật liệu nano lại khác biệt ?

- Hiệu ứng kích thước

- Một trong những nguyên nhân quan trọng gây nên các tính chất vật lý mới là tương quan giới hạn giữa độ dài của cấu trúc và các độ dài đặc trưng từ tính

Ví dụ: Trong các hạt nanô từ tính không tồn tại cấu trúc đômen vì độ dày của vách đômen đã vượt quá kích thước của hạt

- Ngoài ra khi cấu trúc đã tiệm cận đến giới hạn kích thước nanô,tính chất của các nguyên tử ở bề mặt cấu trúc sẽ cho đóng góp quan trọng

Một số hiệu ứng đáng chú ý trong giới hạn kích thước nanô :

- Các giới hạn kích thước đã buộc véctơ từ độ thay đổi định hướng theo chiều thấp nhất của cấu trúc Đó là vai trò của tương tác trao đổi và thuộc tính đơn đômen

- Giới hạn kích thước đã tạo nên sự cạnh tranh giữa năng lượng tổng cộng của hạt và năng lượng nhiệt,tạo nên thuộc tính siêu thuận từ

- Hiệu ứng bề mặt.

- Trong các vật liệu đa pha, đặc tính của vùng giáp ranh giữa các pha được qui định bởi tương tác trao đổi, chính tương tác trao đổi giữa các hạt hoặc các lớp từ tính khác nhau tiếp xúc nhau hoặc phân cách nhau một khoảng vài nanômets là nhân tố quan trọng tạo nên một số hiện tượng vật lý mới (ví

dụ :hiện tượng từ trở khổng lồ)

3. Hiệu ứng bề mặt trong các hệ có kích thước nanô ?

Khác với các nguyên tử ở trạng thái thể tích,các nguyên tử ở trạng thái bề mặt tạo nên những tính chất khác lạ do tính đối xứng thấp, số các nguyên tử lân cận giảm …

3.1.Sự tăng cường mômen từ ở bề mặt của các kim loại có từ tính (kim loại chuyển

tiếp

Mômen từ của mỗi nguyên tử (đo trong đơn vị µB) được tăng cường mạnh ở bề mặt, giảm dần theo vị trí các lớp và đạt đến giá trị khối ở lớp trung tâm Khuynh hướng tăng cường mômen từ bề mặt khi số các nguyên tử lân cận gần nhất (n.n) trên bề mặt giảm trở nên rõ ràng hơn khi chúng ta đưa vào các dây nguyên tử và nguyên tử tự do để so sánh Cho ví dụ, đối với Ni, các mômen từ của khối, bề mặt (001), dây tuyến tính và cuối cùng nguyên tử tự do, lần lượt là 0,56; 0,68; 1,1 và 2,0 B

m

[41] và 2,25; 2,96; 3,3 và 4,0 B

m

cho Fe [41] Rõ ràng, các mômen từ đạt đến giá trị của nguyên tử tự do khi số chiều bị giảm Một số tác giả đã sử dụng mô hình vùng Stoner, mô hình mô tả hiện tượng từ các điện tử linh động [25], để giải thích hiện tượng tăng cường mômen từ ở bề mặt Tiêu chuẩn Stoner cho sự tồn tại của sắt từ chứa đựng một đại lượng quan trọng: mật độ trạng thái ở mức Fermi

D(EF), chúng xác định mômen từ cho mỗi nguyên tử Tuy nhiên mật độ trạng thái

D(EF) phụ thuộc vào sự phủ của các hàm sóng điện tử thuộc các nguyên tử cạnh nhau trong chất rắn, và do đó cũng phụ thuộc vào số các nguyên tử lân cận gần

nhất D(EF) thường khác với giá trị của nó ở mẫu khối hay bên trong màng mỏng

3.2. Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ

Các vật liệu sắt từ, sắt điện, vật liệu của linh kiện điện tử mới đều có các đặc trưng điện từ phụ thuộc mạnh vào kích thước hệ Hình 0.1 [81] cho thấy trong chất perovskite sắt từ La0,7Sr0,3MnO3: nhiệt độ Curie sắt từ giảm khi độ dày màng giảm

Rõ ràng là điều này có liên quan đến năng lượng thiết lập loại trật tự xa trong vật liệu và chưa được khảo sát cụ thể về mặt lý thuyết

Hình 0.1 Sự phụ thuộc bề dày màng mỏng của hằng số mạng và nhiệt độ

Curie trong màng mỏng perovskite sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 [81].

Hình 3.8 Sự phụ thuộc nhiệt độ của thăng giáng nhiệt cho các màng mỏng với bề dày n

khác nhau.

4. Hạt nano

Một số ít các nguyên tử liên kết với nhau sao cho kích thước của chúng cỡ (nm) được gọi là hạt nano Vd: khử các ion của kim loại Ag+ tạo ra nguyên

tử Ag, các nguyên tử này sẽ liên kết với nhau tạo ta hạt nano bạc

- Vật liệu nano được chế tạo bằng 2 phương pháp:

Phương pháp từ trên xuống: “dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano”

Phương pháp từ dưới lên: là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên

tử hoặc ion

- ứng dụng công nghệ nano:

Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp

độ tế bào Một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư Các hạt nano này sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u

Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot

vô cùng đặc biệt Với những chú robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết Việc cung cấp thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng cũng như hiệu quả điều trị

Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người chống lại căn bênh ung thư quái ác Ngay cả những căn bênh ung thư khó chữa nhất như ung thư não, các bác sĩ sẽ có thể dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào

Trong kỹ thuật :

Nhắc đến công nghệ nano, có thể bạn sẽ nghĩ đến những dự án khoa học đang được tiến hành bởi các giáo sư hàng đầu trong phòng thí nghiệm, những công nghệ cao cấp và tiên tiến nhất Tuy nhiên thực tế có thể bạn đang sử dụng một số sản phẩm của công nghệ nano ngay lúc này Những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá phổ biến trên thị trường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một lớp nano kháng khuẩn

-Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công nghệ năng lượng Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống

nanowhiskers Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn Trong khi kích thước của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại

Trong may mặc:

Kể từ đầu những năm 2000, ngành công nghiệp thời trang đã bước sang một trang mới với việc áp dụng công nghệ nano trong một số loại vải đặc biệt Một ý tưởng

vô cùng đặc biệt với loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc áp dụng các hạt nano bạc Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn và tiêu diệt các tế bào của chúng Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao và đặc biệt hơn là được sử dụng trong một loại quần lót khử mùi

Trong thực phẩm

- Công nghệ nano và tương lai

Các nhà khoa học đều khẳng định về vai trò của công nghệ nano Tuy nhiên, không phải bất cứ lĩnh vực nào cũng có thể áp dụng được công nghệ này Đằng sau nó là một loạt những liên quan về yếu tố đạo đức (khi sử dụng nanotech để can thiệp vào việc biến đổi gen), yếu tố xã hội và cả yếu tố con người

Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ Anh, Lord Sainsbury, nói: ""Công nghệ nano

có khả năng tiềm tàng rất lớn Nó có thể đem lại rất nhiều lợi ích trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên, chúng ta buộc phải xem xét chúng dưới một góc độ khác, góc độ đạo đức, sức khoẻ, sự an toàn và phản ứng xã hội""

Chính vì thế, nước Anh đã nhanh chóng cho nghiên cứu các khả năng phát triển của loại hình công nghệ này và đưa chúng vào các điều luật ứng dụng chặt chẽ Tuy nhiên giới khoa học đều dự báo, trong tương lai không xa, công nghệ nano sẽ chiếm lĩnh hầu hết các lĩnh vực khoa học chủ đạo của con người

5.Siêu thuận từ (Superparamagnetism) là một hiện tượng, một trạng thái từ tính

xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó chất biểu hiện các tính chất giống như các chất thuận từ, ngay ở dưới nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Neél Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ

Sự phụ thuộc kích thước hạt

Hiện tượng siêu thuận từ

Hiện tượng (hay trạng thái) siêu thuận từ xảy ra đối với các chất sắt từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ Khi kích thước hạt lớn, hệ sẽ ở trạng thái đa

đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ) Khi kích thước hạt giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen, có nghĩa là mỗi hạt sẽ là một đômen Khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ, và khi đó mômen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ

Giới hạn siêu thuận từ xảy ra khi năng lượng định hướng nhỏ hơn năng lượng

nhiệt, có nghĩa là :

với lần lượt là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1 của vật liệu, thể tích của hạt; là hằng số Boltzmann, nhiệt độ của môi trường xung quanh

Khi xảy hiện tượng siêu thuận từ, chất vẫn có mômen từ lớn của chất sắt từ, nhưng lại thể hiện các hành vi của chất thuận từ, có nghĩa là mômen từ biến đổi theo hàm Langevin :

Ứng dụng

Các vật liệu siêu thuận từ đang được ứng dụng nhiều trong vật lý và y-sinh

học nhờ khả năng hồi đáp nhanh với sự tác dụng của từ trường bên ngoài[3] Siêu thuận từ được sử dụng trong các hạt nano từ tính, đặt trong các chất lỏng

từ

 Ứng dụng vật lý

Đây là các ứng dụng cổ điển, được sử dụng từ rất lâu [4]:

Sử dụng các chất lỏng từ làm tăng tính truyền dẫn trong các hệ dẫn lực, dẫn nhiệt, dẫn từ, làm giảm nhiễu ồn ở loa điện động

• Làm nhân cho các hệ hạt tự lắp ghép

 Ứng dụng y - sinh học

Các ứng dụng này mới được phát triển trong thời gian gần đây :

• Dẫn thuốc

• Làm tăng độ tương phản của ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân

• Điều trị ung thư bằng đốt nóng thân nhiệt cục bộ