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

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KÍCH THƯỚC LÊN CÁC TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU ( nhóm Từ Học) Hệ thấp chiều ? Thành tựu khoa học vật lý cuối năm 80 kỷ 20 đặc trưng chuyển hướng đối tượng nghiên cứu từ vật liệu khối (có cấu trúc chiều) sang vật liệu thấp chiều Đó là, vật liệu hai chiều (giếng lượng tử, siêu mạng hợp phần, siêu mạng pha tạp, màng mỏng, hệ đa lớp…); vật liệu 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 hạt tải (điện tử, lỗ trống, …) bị giới hạn mạnh theo một, hai, ba chiều không gian mạng tinh thể Hạt tải chuyển động tự theo hai chiều (hệ hai chiều, 2D) chiều (hệ chiều, 1D), bị giới hạn theo 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 làm thay đổi đáng kể mặt định tính định lượng tính chất vật lý vật liệu như: tính chất quang, tính chất động (tán xạ điện tửphonon, tán xạ điện tử-tạp chất, tán xạ bề mặt, v.v…), tính chất từ Nghiên cứu cấu trúc tượng vật lý hệ thấp chiều cho thấy, cấu trúc thấp chiều làm thay đổi đáng kể nhiều đặc tính vật liệu Đồng thời, cấu trúc thấp chiều làm xuất nhiều đặc tính ưu việt mà hệ điện tử chuẩn ba chiều Các hệ với cấu trúc thấp chiều giúp cho việc tạo linh kiện, thiết bị điện tử dựa nguyên tắc hoàn toàn mới, công nghệ cao, đại có tính chất cách mạng khoa học kỹ thuật 1.1 KHÁI NIỆM HỆ THẤP CHIỀU Cấu trúc hệ thấp chiều hình thành ta hạn chế không gian thành mặt phẳng, đường thẳng hay “điểm”, tức hạn chế chuyển động điện tử theo hướng phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng Debroglie (cỡ nm) Trong thập kỷ qua, bước tiến bật việc xây dựng cấu trúc hệ thấp chiều tạo khả hạn chế số chiều hiệu dụng vật liệu khối Để chế tạo vật liệu có cấu trúc hai chiều giếng lượng tử (quantum well - QW), từ vật liệu khối ba chiều người ta tạo lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn Các điện tử bị giam lớp mỏng (cỡ vài lớp đơn tinh thể) vậy, chuyển động chúng chuyển động tự mặt phẳng hai chiều, chuyển động theo chiều thứ ba bị lượng tử hóa mạnh Tiếp tục giảm số chiều vậy, ta thu cấu trúc chiều dây lượng tử (quantum wires - QWs) chí cấu trúc không chiều chấm lượng tử (quantum dots QD) Để đặc trưng cho hệ thấp chiều, người ta đưa thông số như: Bước sóng Fermi, quãng đường tự trung bình độ dài kết hợp pha Một hệ có kích thước nhỏ ba độ dài đặc trưng gọi hệ thấp chiều (mesoscopic) Tỉ đối phụ thuộc vào loại vật liệu, kích thước cỡ nanomet (ở kích thước microcopic marcoscopic) Năng lượng đặc trưng hệ tính theo đơn vị mili-electron Volt (meV), thời gian đặc trưng tính theo đơn vị picro-giây (ps) Vật liệu có cấu trúc nano? Các cấu trúc nanô có kích thước đặc trưng nằm khoảng từ 0,1-100nm Đơn vị chiều dài sử dụng nm (1nm=10 -9m), tương đương với khoảng lần khoảng cách nguyên tử Fe Các cấu trúc nanô từ tính biểu nhiều tượng vật lý thú vị ứng dụng có khả ứng dụng lớn Tại vật liệu nano lại khác biệt ? - Hiệu ứng kích thước - - Một nguyên nhân quan trọng gây nên tính chất vật lý tương quan giới hạn độ dài cấu trúc độ dài đặc trưng từ tính Ví dụ: Trong hạt nanô từ tính không tồn cấu trúc đômen độ dày vách đômen vượt kích thước hạt Ngoài cấu trúc tiệm cận đến giới hạn kích thước nanô,tính chất nguyên tử bề mặt cấu trúc cho đóng góp quan trọng Một số hiệu ứng đáng ý giới hạn kích thước nanô : - - Các giới hạn kích thước buộc véctơ từ độ thay đổi định hướng theo chiều thấp cấu trúc Đó vai trò tương tác trao đổi thuộc tính đơn đômen Giới hạn kích thước tạo nên cạnh tranh lượng tổng cộng hạt lượng nhiệt,tạo nên thuộc tính siêu thuận từ - Hiệu ứng bề mặt Trong vật liệu đa pha, đặc tính vùng giáp ranh pha qui định tương tác trao đổi, tương tác trao đổi hạt lớp từ tính khác tiếp xúc phân cách khoảng vài nanômets nhân tố quan trọng tạo nên số tượng vật lý (ví dụ :hiện tượng từ trở khổng lồ) Hiệu ứng bề mặt hệ có kích thước nanô ? Khác với nguyên tử trạng thái thể tích,các nguyên tử trạng thái bề mặt tạo nên tính chất khác lạ tính đối xứng thấp, số nguyên tử lân cận giảm … 3.1 Sự tăng cường mômen từ bề mặt kim loại có từ tính (kim loại chuyển tiếp Mômen từ nguyên tử (đo đơn vị µB) tăng cường mạnh bề mặt, giảm dần theo vị trí lớp đạt đến giá trị khối lớp trung tâm Khuynh hướng tăng cường mômen từ bề mặt số nguyên tử lân cận gần (n.n) bề mặt giảm trở nên rõ ràng đưa vào dây nguyên tử nguyên tử tự để so sánh Cho ví dụ, Ni, mômen từ khối, bề mặt (001), dây tuyến tính cuối nguyên tử tự do, 0,56; 0,68; 1,1 mB mB 2,0 [41] 2,25; 2,96; 3,3 4,0 cho Fe [41] Rõ ràng, mômen từ đạt đến giá trị nguyên tử tự số chiều bị giảm Một số tác giả sử dụng mô hình vùng Stoner, mô hình mô tả tượng từ điện tử linh động [25], để giải thích tượng tăng cường mômen từ bề mặt Tiêu chuẩn Stoner cho tồn sắt từ chứa đựng đại lượng quan trọng: mật độ trạng thái mức Fermi D(EF), chúng xác định mômen từ cho nguyên tử Tuy nhiên mật độ trạng thái D(EF) phụ thuộc vào phủ hàm sóng điện tử thuộc nguyên tử cạnh chất rắn, phụ thuộc vào số nguyên tử lân cận gần D(EF) thường khác với giá trị mẫu khối hay bên màng mỏng 3.2 Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng nhiệt độ trật tự từ Các vật liệu sắt từ, sắt điện, vật liệu linh kiện điện tử có đặc trưng điện từ phụ thuộc mạnh vào kích thước hệ Hình 0.1 [81] cho thấy chất perovskite sắt từ La0,7Sr0,3MnO3: nhiệt độ Curie sắt từ giảm độ dày màng giảm Rõ ràng điều có liên quan đến lượng thiết lập loại trật tự xa vật liệu chưa khảo sát cụ thể mặt lý thuyết Hình 0.1 Sự phụ thuộc bề dày màng mỏng số mạng nhiệt độ Curie màng mỏng perovskite sắt từ La 0,7Sr0,3MnO3 [81] Hình 3.8 Sự phụ thuộc nhiệt độ thăng giáng nhiệt cho màng mỏng với bề dày n khác - Hạt nano Một số nguyên tử liên kết với cho kích thước chúng cỡ (nm) gọi hạt nano Vd: khử ion kim loại Ag + tạo nguyên tử Ag, nguyên tử liên kết với tạo ta hạt nano bạc Vật liệu nano chế tạo phương pháp: - Phương pháp từ xuống: “dùng kỹ thuật nghiền biến dạng để biến vật liệu hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano” Phương pháp từ lên: phương pháp hình thành hạt nano từ nguyên tử ion ứng dụng công nghệ nano: Y tế ứng dụng lớn công nghệ nano Ví dụ việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác thử nghiệm để hạn chế khối u phát triển tiêu diệt chúng cấp độ tế bào Một nghiên cứu cho kết khả quan sử dụng hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư Các hạt nano đưa đến khối u bên thể, sau chúng tăng nhiệt độ tia laser hồng ngoại chiếu từ bên để tiêu diệt khối u Không dừng lại đó, nhà khoa học nghiên cứu dự án nanorobot vô đặc biệt Với robot có kích thước siêu nhỏ, vào bên thể người để đưa thuốc điều trị đến phận cần thiết Việc cung cấp thuốc cách trực tiếp làm tăng khả hiệu điều trị Công nghệ nano tương lai không xa giúp người chống lại bênh ung thư quái ác Ngay bênh ung thư khó chữa ung thư não, bác sĩ dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ bệnh nhân hay phương pháp hóa trị độc hại Trong kỹ thuật : Nhắc đến công nghệ nano, bạn nghĩ đến dự án khoa học tiến hành giáo sư hàng đầu phòng thí nghiệm, công nghệ cao cấp tiên tiến Tuy nhiên thực tế bạn sử dụng số sản phẩm công nghệ nano lúc Những vi xử lý làm từ vật liệu nano phổ biến thị trường, số sản phẩm chuột, bàn phím phủ lớp nano kháng khuẩn - Công nghệ nano đóng góp không nhỏ lĩnh vực điện tử, đặc biệt công nghệ lượng Pin nano tương lai có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers Cấu trúc ống khiến cực pin có diện tích bề mặt lớn nhiều lần, giúp lưu trữ nhiều điện Trong kích thước viên pin ngày thu hẹp lại Trong may mặc: Kể từ đầu năm 2000, ngành công nghiệp thời trang bước sang trang với việc áp dụng công nghệ nano số loại vải đặc biệt Một ý tưởng vô đặc biệt với loại quần áo có khả diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu quần áo trở thành thực với việc áp dụng hạt nano bạc Các hạt nano bạc thu hút vi khuẩn tiêu diệt tế bào chúng Ứng dụng hữu ích áp dụng số mẫu quần áo thể thao đặc biệt sử dụng loại quần lót khử mùi - - Trong thực phẩm Công nghệ nano tương lai Các nhà khoa học khẳng định vai trò công nghệ nano Tuy nhiên, lĩnh vực áp dụng công nghệ Đằng sau loạt liên quan yếu tố đạo đức (khi sử dụng nanotech để can thiệp vào việc biến đổi gen), yếu tố xã hội yếu tố người Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ Anh, Lord Sainsbury, nói: ""Công nghệ nano có khả tiềm tàng lớn Nó đem lại nhiều lợi ích nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, buộc phải xem xét chúng góc độ khác, góc độ đạo đức, sức khoẻ, an toàn phản ứng xã hội"" Chính thế, nước Anh nhanh chóng cho nghiên cứu khả phát triển loại hình công nghệ đưa chúng vào điều luật ứng dụng chặt chẽ Tuy nhiên giới khoa học dự báo, tương lai không xa, công nghệ nano chiếm lĩnh hầu hết lĩnh vực khoa học chủ đạo người - 5.Siêu thuận từ (Superparamagnetism) tượng, trạng thái từ tính xảy vật liệu từ, mà chất biểu tính chất giống chất thuận từ, nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Neél Đây hiệu ứng kích thước, mặt chất thắng lượng nhiệt so với lượng định hướng kích thước hạt nhỏ Sự phụ thuộc kích thước hạt Hiện tượng siêu thuận từ Hiện tượng (hay trạng thái) siêu thuận từ xảy chất sắt từ có cấu tạo hạt tinh thể nhỏ Khi kích thước hạt lớn, hệ trạng thái đa đômen (tức hạt cấu tạo nhiều đômen từ) Khi kích thước hạt giảm dần, chất chuyển sang trạng thái đơn đômen, có nghĩa hạt đômen Khi kích thước hạt giảm nhỏ, lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ nhiều so với lượng nhiệt, lượng nhiệt phá vỡ định hướng song song mômen từ, mômen từ hệ hạt định hướng hỗn loạn chất thuận từ Giới hạn siêu thuận từ xảy lượng định hướng nhỏ lượng nhiệt, có nghĩa : với số dị hướng từ tinh thể bậc vật liệu, thể tích hạt; số Boltzmann, nhiệt độ môi trường xung quanh Khi xảy tượng siêu thuận từ, chất có mômen từ lớn chất sắt từ, lại thể hành vi chất thuận từ, có nghĩa mômen từ biến đổi theo hàm Langevin : với mật độ hạt, từ trường Ứng dụng Các vật liệu siêu thuận từ ứng dụng nhiều vật lý y-sinh học nhờ khả hồi đáp nhanh với tác dụng từ trường bên ngoài[3] Siêu thuận từ sử dụng hạt nano từ tính, đặt chất lỏng từ  Ứng dụng vật lý Đây ứng dụng cổ điển, sử dụng từ lâu [4]: Sử dụng chất lỏng từ làm tăng tính truyền dẫn hệ dẫn lực, dẫn nhiệt, dẫn từ, làm giảm nhiễu ồn loa điện động • Làm nhân cho hệ hạt tự lắp ghép  Ứng dụng y - sinh học Các ứng dụng phát triển thời gian gần : • Dẫn thuốc • • Làm tăng độ tương phản ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân Điều trị ung thư đốt nóng thân nhiệt cục [...]... 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 : với là mật độ hạt, là từ trường 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. .. 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. .. 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)... 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