Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của các hợp chất tbptsn và tbrhsn

Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ………………… Hồ Thị Doan CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HỢP CHẤT TbPtSn VÀ TbRhSn LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Đỗ Thị Kim Anh Hà Nội, 2016 Ngành Vật lý Nhiệt 2014-2016 Khóa Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Lời cảm ơn Lời đầu tiên, cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Thị Kim Anh, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đặc biệt tới thầy cô môn Vật lý Nhiệt – Khoa Vật lý cung cấp cho em kiến thức, kỹ nghiên cứu khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập hoàn thành luận văn Nhân dịp em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè giúp đỡ em thời gian học tập thời gian làm luận văn Hà nội, ngày 19 tháng 11 năm 2016 Học viên Hồ Thị Doan Ngành Vật lý Nhiệt 2014-2016 Khóa Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ HỢP CHẤT RTSn 1.1 Cấu trúc tinh thể hệ hợp chất RTSn 1.1.1 Cấu trúc tinh thể TbPtSn 1.1.2 Cấu trúc tinh thể TbRhSn 1.2 Tính chất từ hợp chất RTSn CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Một số khái niệm từ tính vật liệu 11 2.1.1 Hiện tượng từ 11 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho tính chất từ vật liệu 11 2.2 Phân loại vật liệu từ 13 2.2.1 Vật liệu nghịch từ 13 2.2.2 Vật liệu thuận từ 14 2.2.3 Vật liệu sắt từ 15 2.2.4 Vật liệu phản sắt từ Error! Bookmark not defined 2.2.5 Chất Ferit từ Error! Bookmark not defined 2.3 Tƣơng tác từ hệ điện tử Error! Bookmark not defined 2.4 Nhiệt độ trật tự tƣơng tác trao đổi Error! Bookmark not defined 2.4.1 Nhiệt độ trật tự Error! Bookmark not defined 2.4.2 Tương tác trao đổi gián tiếp mômen 4f-Tương tác RKKY Error! Bookmark not defined 2.4.3 Thuận từ Pauli Error! Bookmark not defined CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆMError! Bookmark not defined Ngành Vật lý Nhiệt 2016 Khóa 2014- Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan 3.1 Chế tạo mẫu Error! Bookmark not defined 3.1.1.Sơ đồ cấu tạo Error! Bookmark not defined 3.1.2 Quy trình nấu mẫu Error! Bookmark not defined 3.1.3 Ủ nhiệt Error! Bookmark not defined 3.2 Nhiễu xạ bột tia X Error! Bookmark not defined 3.3 Nhiễu xạ Neutron Error! Bookmark not defined 3.4 Giao thoa kế lƣợng tử siêu dẫn (SQUID) CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Cấu trúc tinh thể hệ hợp chất TbPtSn TbRhSn Error! Bookmark not defined 4.2 Tính chất từ hệ hợp chất TbPtSn TbRhSnError! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined Ngành Vật lý Nhiệt 2014-2016 Khóa Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thông số nhiệt độ, mômen từ hiệu dụng hợp chất RPtSn RRhSn…….5 Bảng 1.2: Các thông số cấu trúc từ TbRhSn 1,7 K Bảng 4.1 Hằng số mạng, thể tích ô đơn vị hệ hợp chất TbPtSn TbRhSn trước sau ủ nhiệt Error! Bookmark not defined Bảng 4.2 Nhiệt độ Néel từ độ bão hòa mônen từ hiệu dụng hệ hợp chất TbPtSn TbRhSn trước sau ủ nhiệt.Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể lục giác loại ZrNiAl họ hợp chất UXT Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể hợp chất TbPtSn: (a) cấu trúc trực thoi loại TiNiSn (b) cấu trúc lục giác loại ZrNiAl Hình 1.3: Cấu trúc từ hợp chất TbRhSn Hình 1.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ mômen từ Hình 1.5: Giản đồ đặc trưng cho phân bố mômen từ Tb3+ lớp 10 Hình 2.1: (a) Mômen từ nguyên tử nghịch từ từ trường 14 (b) Đường cong từ hóa vật liệu nghịch từ 14 Hình 2.2: a) xếp mômen từ nguyên tử chất thuận từ từ trường ngoài; …………………………………………………………………………… … 15 b) đường cong từ hóa vật liệu thuận từ; 15 c) phụ thuộc 1/ χ vào nhiệt độ .15 Hình 2.3: (a) Sự xếp mômen từ nguyên tử vật liệu sắt từ nhiệt độ T < TC; 16 (b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ từ độ tự phát nghịch đảo hệ số từ hóa 1/ chất sắt từ 16 Ngành Vật lý Nhiệt 2014-2016 Khóa Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Hình 2.4: (a) Sự xếp mômen từ nguyên tử vật liệu phản sắt từ độ nhiệt T < TN;……………………………………………………………………………………… … Error! Bookmark not defined (b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ nghịch đảo độ từ hóa chất phản sắt từ.Error! Bookmark not defined Hình 2.5: (a) Sự xếp mômen từ nguyên tử ferit từ nhiệt độ T < TC; Error! Bookmark not defined (b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ từ độ tự phát Ms nghịch đảo độ từ hóa 1/ vật liệu ferit từ Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Mật độ trạng thái hệ điện tử spin Error! Bookmark not defined Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ nấu mẫu phương pháp nóng chảy hồ quang Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Minh họa vùng hồ quang Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined Hình 3.4: a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID.Error! Bookmark not defined b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều Error! Bookmark not defined c) Sơ đồ buồng đo từ kế SQUID Error! Bookmark not defined Hình 4.1: Phổ nhiễu xạ bột tia X hợp chất TbPtSn nhiệt độ phòng: Error! Bookmark not defined (a) mẫu ủ nhiệt (b) mẫu chưa ủ nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Phổ nhiễu xạ tia X hợp chất TbRhSn nhiệt độ phòng: Error! Bookmark not defined (a) mẫu chưa ủ nhiệt (b) mẫu ủ nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 4.3: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ từ độ hợp chất TbPtSn ủ nhiệt từ trường H = 1000 Oe Error! Bookmark not defined Hình 4.4: Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ hợp chất TbPtSn chưa ủ nhiệt từ trường H = 1000 Oe Error! Bookmark not defined Ngành Vật lý Nhiệt 2014-2016 Khóa Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Hình 4.5: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ từ độ hợp chất TbRhSn xử lý nhiệt từ trường H = 1000 Oe Error! Bookmark not defined Hình 4.6 Đường nghịch đảo hệ số từ hóa theo nhiệt độ hợp chất TbPtSn ủ nhiệt…………………………………………………………………………………… …… 35 Hình 4.7 Đường nghịch đảo hệ số từ hóa theo nhiệt độ mẫu TbRhSn ủ nhiệt 35 Hình 4.8: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt hợp chất TbPtSn chưa xử lý nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 4.9: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt hợp chất TbPtSn xử lý nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 4.10: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt hợp chất TbRhSn Error! Bookmark not defined Hình 4.11: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt dung mẫu TbPtSn ủ nhiệt Error! Bookmark not defined Hình 4.12: Nhiễu xạ Neutron hợp chất TbPtSn TbRhSn vài nhiệt độ Error! Bookmark not defined Ngành Vật lý Nhiệt 2014-2016 Khóa Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan MỞ ĐẦU Các nghiên cứu lĩnh vực từ học vật liệu từ phát triển ngày, có ảnh hưởng lớn đến công nghiệp sống hàng ngày người Lịch sử nghiên cứu cho thấy có liên quan chặt chẽ tới ứng dụng thực tế, vật liệu từ tính tạo nên thành phần quan trọng nhiều ứng dụng như: thiết bị nhớ, nam châm vĩnh cửu, lõi biến áp, thiết bị từ tính khí, thiết bị từ tính điện tử, thiết bị quang từ,… Trong nhiều ứng dụng kể ta thấy hợp chất liên kim loại đất R-T (R - nguyên tố đất hiếm, T – kim loại chuyển tiếp) đóng vai trò quan trọng xem xét đặc tính từ thành phần R thành phần T Như biết, đất từ tính bắt nguồn từ lớp vỏ lấp đầy điện tử 4f, điện tử có khả định xứ cao, mômen từ chúng lớn, chúng đặc trưng tính bất đẳng hướng cao ion từ đơn tinh thể vùng nhiệt độ thấp Trong dãy nguyên tố đất nửa đầu dãy đất đất nhẹ, nửa lại đất nặng Trong nghiên cứu vật liệu từ họ hợp chất liên kim loại có công thức RTX (R = đất hiếm, T = kim loại chuyển tiếp X = Si, Al, Sn) nghiên cứu mạnh chúng có tính chất vật lý thú vị tính chất điện, tính chất từ, … Họ hợp chất RTX nhận quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu chúng có nhiều tính chất từ thú vị nhiệt độ thấp [15] Cấu trúc tinh thể phổ biến họ hợp chất loại lục giác ZrNiAl, có trật tự loại Fe2P [6,13] Cấu trúc lục giác đặc trưng lớp, bao gồm hai loại phẳng bản, chứa tất nguyên tử R số nguyên tử T, chứa nguyên tử T lại nguyên tử X Cấu trúc tinh thể họ hợp chất bị thay đổi theo nhiệt độ, đặc biệt cấu trúc bị thay đổi vùng thuận từ Bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ neutron, phép đo từ, phổ Mössbauer,… nhóm nghiên cứu họ hợp chất RTX với R đất nhẹ (Ce, Pr, Nd) tồn cấu trúc trực thoi loại TiNiSi, với đất nặng chúng có cấu trúc lục giác loại ZrNiAl thuộc nhóm không gian P62m [10, 19, 21] Trên cở sở đó, luận văn chọn hai hợp chất TbPtSn TbRhSn để nghiên cứu với tên đề tài: Cấu trúc tinh thể tính chất từ hợp chất TbPtSn Ngành Vật lý Nhiệt 2016 Khóa 2014- Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan TbRhSn khảo sát vùng nhiệt độ thấp xem xét ảnh hưởng hai nguyên tố thay Pt Rh lên tính chất từ họ hợp chất Ngành Vật lý Nhiệt 2014-2016 Khóa Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Luận văn bao gồm: Mở đầu Chương I: Tổng quan hệ hợp chất RTSn Chương II: Một số sở lý thuyết Chương III: Phương pháp thực nghiệm Chương IV: Kết thảo luận Kết luận Ngành Vật lý Nhiệt 2016 Khóa 2014- Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan  TbPtSn thể cấu trúc tinh thể lục giác loại ZrNiAl (thuộc nhóm không gian P 2m) vị trí nguyên tử sau:   nguyên tử Tb vị trí 3g: (xTb,0,1/2 ); (0, xTb,1/2); ( x Tb , x Tb ,1/2)   nguyên tử Sn vị trí 3f: (xSn,0,0); (0,xSn,0); ( x Sn , x Sn ,0) nguyên tử Pt vị trí 2c: (1/3,2/3,0); (2/3,1/3,0) nguyên tử Pt vị trí 1b: (0,0,1/2) Hình 1.2 cấu trúc tinh thể hợp chất TbPtSn với (a) cấu trúc trực thoi loại TiNiSn (b) cấu trúc lục giác loại ZrNiAl Hai lớp nguyên tử nhận cấu trúc tinh thể TbPtSn, lớp với z = có nguyên tử Pt Sn định xứ, lớp với z = 1/2 xếp nguyên tử Tb Pt Các lớp xếp dọc theo trục lục giác Trong lớp, nguyên tử Tb bao quanh nguyên tử Tb khoảng cách 3,095 - 3,921 Å Hai nguyên tử khác cách 5,231 Å Ngoài ra, nguyên tử Tb có lân cận lớp với khoảng cách 4,007 Å Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể hợp chất TbPtSn: (a) cấu trúc trực thoi loại TiNiSn (b) cấu trúc lục giác loại ZrNiAl Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Theo cách khác, liên kết bền vững hình thành từ nguyên tử Tb cấu trúc pha trực thoi Mỗi nguyên tử Tb có hai lân cận mức khoảng cách 3,731 Å nguyên tử Tb khác chiếm lớp dưới: hai nguyên tử khoảng cách 3,944 Å hai nguyên tử với khoảng cách dTb-Tb = 5,637 Å Ngoài ra, có nguyên tử Tb định hướng với khoảng cách dTb-Tb = 4,529 Å (hằng số mạng b) Do vậy, khoảng cách TbTb cấu trúc hai pha giống [7] 1.1.2 Cấu trúc tinh thể hợp chất TbRhSn Nghiên cứu nhiễu xạ tia X nhiễu xạ neutron cho thấy hợp chất TbRhSn kết tinh cấu trúc lục giác loại ZrNiAl (nhóm mạng không gian P62m) Các nguyên tử Tb định xứ vị trí 3g: (xTb,0,1/2 ); (0,xTb,1/2); (-xTb,-xTb,1/2) Các nguyên tử Sn vị trí 3f: (xSn,0,0); (0,xSn,0);(-xSn,- xSn,0) Các nguyên tử Rh vị trí 2c: (1/3,2/3,0); (2/3,1/3,0) vị trí 1b: (0,0,1/2) Như vậy, tồn hai loại lớp khác ô đơn vị: lớp Rh-Sn ứng với z = lớp Tb-Rh ứng với z = ½ [8, 19] 1.2 Tính chất từ hợp chất RTSn Tính chất từ hợp chất TbPtSn TbRhSn nghiên cứu nhóm A Szytula, Ch.D Routsi, S Baran [7-8, 11, 12, 19] Kết cho thấy hợp chất tồn trật tự phản sắt từ nhiệt độ Néel TN Ở vùng nhiệt độ thấp hầu hết hợp chất xuất dị thường nhiệt độ T1 < TN Ngoài xác định giá trị nhiệt độ Curie thuận từ mômen từ hiệu Ở nhiệt độ cao, độ cảm từ tuân theo định luật Curie-Weiss có dạng:   0  C T  p (1.1) Trong 0 số không phụ thuộc vào nhiệt độ, C số Curie,p nhiệt độ Curie thuận từ Các giá trị âm p biểu thị cho tương quan phản sắt từ hai hợp chất Giá trị lớn 0 phần gây tính thuận từ độc lập nhiệt độ Van Vleck [12] Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Bảng 1.1 liệt kê thông số từ hệ hợp chất RTSn nhiệt độ chuyển pha Néel TN, nhiệt độ Curie thuận từ, số 0 mômen từ hiệu dụng thực nghiệm lý thuyết Các giá trị thực nghiệm mômen từ hiệu dụng µeff số hợp chất phù hợp so với giá trị lý thuyết TbRhSn CePtSn, lại hầu hết hợp chất RTSn giá trị mômen từ hiệu dụng thực nghiệm lớn lý thuyết trường hợp hợp chất DyRhSn tính giá trị lý thuyết ion tự Dy3+ Điều giải thích số mômen từ dư qui cho đóng góp từ điện tử phân cực d chưa trả cho tương tác trao đổi 4f-5d nghiên cứu nhóm tác giả K Latka [14] Một số tác giả khác lại cho rằng, bên cạnh mômen từ định xứ ion đất có gây mômen Rh hợp chất DyRhSn [16-17], nhiên số kết không xác nhận ý tưởng [12] Bảng 1.1: Một số thông số từ hệ hợp chất RTSn 0 x 10-6 Tài liệu µeff G[J(J+1)]1/2 [cm /g] [µB/f.u.] [µB /f.u.] - - 9,70 11,20 10,65 [12] 20,8 - 10,0 9,75 9,72 [12] GdRhSn 14,8 18 - 7,95 [11] HoRhSn - - 10,70 10,60 [11] ErRhSn - -4 - 9,70 10,0 [11] CePtSn 5,5 - 28 - 2,50 2,56 [11] PrPtSn - -8 - 3,78 3,62 [11] NdPtSn - -10 - 4,05 3,68 [11] TN Nhiệt độ Curie [K] thuận từ DyRhSn 7,4 TbRhSn tham khảo Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan TbPtSn 12,0 -6 - 10,20 9,70 [11] DyPtSn 8,0 -4 - 10,77 10,60 [11] HoPtSn - - 10,70 10,60 [11] ErPtSn - 10 - 10 9,60 [11] TmPtSn - 22 - 7,93 7,60 [11] Các phép đo từ hỗ trợ phổ Mössbauer 119Sn trật tự phản sắt từ hợp chất TbRhSn DyRhSn nhiệt độ chuyển pha Néel [12,16] Sự thay đổi loại trật tự từ hợp chất TbRhSn khẳng định phép đo từ phổ Mössbauer Ở nhiệt độ thấp nhất, cấu trúc phản sắt từ giống tam giác (kim tự tháp) đơn với mômen từ Tb nằm mặt phẳng lục giác đề xuất, thỏa mãn với mô tả phổ TbRhSn cách sử dụng thành phần đơn siêu tinh tế Khảo sát tương tác siêu tinh tế 119Sn hợp chất TbRhSn cho phép phát tương quan từ vùng ngắn mà tồn trạng thái thuận từ vĩ mô Các nghiên cứu từ phổ Mössbauer chuyển từ thuận từ tới trật tự phản sắt từ giống tam giác (kim tự tháp) Các hợp chất TbRhSn DyRhSn trải qua chuyển pha từ kim loại từ trường lớn [12] 1.3 Cấu trúc từ hợp chất RTSn Nhiễu xạ neutron hợp chất TbRhSn ghi lại nhiệt độ thấp cho thấy tất phản xạ định giả thiết trật tự phản sắt từ miêu tả véctơ truyền k = ( ½,0, ½) Sự phù hợp nhận hai mô hình cấu trúc từ với tất mômen từ vòng mặt phẳng Trong mô hình thứ nhất, mômen từ ion Tb1 Tb2 có độ lớn mômen từ ion Tb3 nhỏ Hình chiếu cấu trúc từ mặt phẳng hình 1.3 [19] Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Hình 1.3: Cấu trúc từ hợp chất TbRhSn 1,7 K theo mô hình thứ Các mặt phẳng (001) liền kề phản sắt từ liên kết [19] Trong mô hình thứ 2, tất mômen từ có độ lớn (hướng mômen từ giữ nguyên mô hình thứ nhất) Các thông số cấu trúc từ hợp chất TbRhSn 1,7 K tóm tắt bảng 1.2 [17] Bảng 1.2: Các thông số cấu trúc từ hợp chất TbRhSn 1,7 K Mô hình cấu trúc từ Thứ Thứ hai µ1, µ2(µB) 9,09 8,32 µ3(µB) 6,64 8,32 Véctơ truyền Ø1 (deg) 180 Ø2 (deg) -60 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Ø3 (deg) 60 Trong đó, µ1, µ2, µ3 mômen từ ion Tb1, Tb2, Tb3 tương ứng; Ø1, Ø2, Ø3 góc trục a mômen từ µ1, µ2, µ3 tương ứng [19] (B) Mômen từ Cường độ tương đối đỉnh từ phổ nhiễu xạ neutron hợp chất TbRhSn phụ thuộc vào nhiệt độ Sự thay đổi cường độ từ tương đối thay đổi tương đối mômen từ định xứ vị trí khác Nhiệt độ T (K) Hình 1.4: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ mômen từ Tb hợp chất TbRhSn định xứ vị trí khác Hình 1.4 phụ thuộc vào nhiệt độ mômen từ định xứ vị trí khác (nguồn số liệu lấy từ phân tích Rietveld sử dụng mô hình cấu trúc từ thứ nhất) Nhiệt độ chuyển cấu trúc từ khác ước tính 11 K [19] Đối với hợp chất TbPtSn, kết đo phổ nhiễu xạ neutron nhiệt độ 1,9 K cho thấy số lớn đỉnh nhiễu xạ trật tự từ Tuy nhiên, tăng nhiệt độ khoảng 10-12 K đỉnh biến mất, vùng nhiệt độ gần với nhiệt độ chuyển pha Néel TN Nhóm tác giả A Szytula cộng giả thuyết tồn cấu trúc từ đặc trưng véctơ sóng K = [0,726; 0,766; 1/2] Sự phù Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan hợp thực nghiệm tính toán cường độ từ thu từ cấu trúc đặc trưng sóng spin tuyến tính quay ngược phân bố mômen từ xác định ion Tb3+, µ(K) độ lớn véctơ K với µ(K) =11,2 µB tương ứng với mômen từ thời điểm không gian thực với µ(r) =π/4, μ(K) = 8,81 μB 1,9 K, gần với gJ tính cho ion Tb3+ tự Mômen từ ion Tb1, Tb2, Tb3 thời điểm tạo góc 56 với trục c góc ψ 0; 120 60 với trục a tương ứng với spin S1(x, 0, 1/2); S2(0, x, 1/2); S3(x, x, 1/2) Định hướng mômen từ Tb lớp hình 1.5 Hình 1.5: Giản đồ đặc trưng cho phân bố mômen từ Tb3+ lớp Trên giản đồ cho thấy mômen từ bị quay ngược lớp lớp dẫn đến tăng gấp đôi độ lớn từ tính dọc theo trục c (KZ = 1/2) [7] 10 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số khái niệm từ tính vật liệu Từ tính thuộc tính vật liệu Tất vật liệu, trạng thái dù hay nhiều biểu tính chất từ Các vật liệu từ có ứng dụng quan trọng, thiếu khoa học kỹ thuật đời sống 2.1.1 Hiện tượng từ Các vật liệu đặt từ trường (do dòng điện nam châm vinh cửu sinh ra) bị nhiễm từ Tức chúng hút mạt sắt bị hút vào nam châm vĩnh cửu Khi ta nói vật bị từ hóa hay vật bị phân cực từ Có thể hình dung thỏi vật liệu từ hóa, hai đầu nam châm bị phân thành hai cực mà ta quen gọi cực bắc nam Sự xếp mạt sắt hai đầu xung quanh tương tự hình ảnh đường sức từ vào hai lưỡng cực điện, nhiên lưỡng cực từ tách rời hai cực từ riêng biệt điện tích Nếu bẻ gãy nam châm ta lại nam châm mới, nhỏ hơn, có cực bắc, cực nam thỏi nam châm nguyên tử ta không tìm đơn cực từ cực từ cô lập [1] 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho tính chất từ vật liệu Từ trường mômen từ Điện tích chuyển động tạo từ trường Từ trường tạo hai cách: sử dụng cuộn dây có dòng điện chạy dây dẫn nam châm vĩnh cửu Trong nam châm vĩnh cửu dòng điện theo nghĩa thông thường mà có chuyển động quỹ đạo chuyển động spin điện tử Đó nguồn gốc tượng từ vật liệu [1] Từ trường H số dòng điện có dạng đơn giản sau: - Từ trường dòng điện thẳng: 11 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan (2.1) Trong I cường độ dòng điện, r khoảng cách tính từ dây dẫn u vectơ đơn vị tiếp tuyến với đường sức từ bán kính r - Từ trường tâm dòng điện tròn có bán kính r (2.2) Với uZ vec tơ pháp tuyến đơn vị mặt phẳng vòng dây - Từ trường tâm cuộn solenoid với chiều dài l số vòng N: (2.3) Ở uZ vec tơ đơn vị hướng dọc theo trục cuộn dây Mômen từ m dòng điện tròn I có tiết diện S định nghĩa sau: m = I.S.uZ [A.m2] (2.4) Xét yếu tố thể tích dv vật liệu với mômen từ tổng cộng dm Từ độ hay độ từ hóa M xác định sau: (2.5) Như vậy, từ độ M định nghĩa tổng mômen từ đơn vị thể tích Theo cách định nghĩa này, nguyên tử có mômen từ m0 nồng độ nguyên tử n0 từ độ xác định cách trực tiếp: M = n0.m0 (2.6) Đơn vị tính từ độ M A/m, tương tự đơn vị đo từ trường H Cảm ứng từ Cảm ứng từ B từ trường H đại lượng có ý nghĩa vật lý khác Từ trường mô tả trường dòng điện sinh độc lập với không gian vật chất 12 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan xung quanh Trong khi, cảm ứng từ biểu diễn trường dòng điện sinh mà đóng góp từ độ vật liệu có mặt từ trường Trong chân không, cảm ứng từ B hàm tuyến tính từ trường H: B = µ0H [T] (2.7) (ở µ0 độ từ thẩm chân không, µ0 = 4π.10-7 [H/m]) Đối với vật liệu từ B biểu diễn mối liên hệ với H M sau: B = µ0(H + M) [T] (2.8) Như vậy, cảm ứng từ B bao gồm từ trường µ0H tạo dòng điện vĩ mô ảnh hưởng vật liệu µ0M tạo dòng điện vi mô Ngoài ra, cảm ứng từ B tham số kỹ thuật quan trọng đặc trưng cho mật độ từ thông (B = Φ/S) [Wb/m2] thay đổi theo thời gian sinh điện trường (hay suất điện động cảm ứng) Cảm ứng từ B viết dạng: B = µH (2.9) Trong µ độ từ thẩm môi trường Từ biểu thức (2.8) (2.9), ta có: µ = µ0(1 + ) với  = M/H hệ số từ hóa 2.2 Phân loại vật liệu từ Các vật liệu từ có từ tính mạnh yếu khác phân loại theo cấu trúc tính chất từ sau [5]: 2.2.1 Vật liệu nghịch từ 13 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan M Hình 2.1: (a) Mômen từ nguyên tử nghịch từ từ trường (b) Đường cong từ hóa vật liệu nghịch từ Khi chưa đặt vật liệu từ trường ngoài, tổng mômen từ nguyên tử chúng không Khi ta đặt vật liệu từ trường ngoài, nguyên tử xuất mômen từ phụ pm, mômen từ phụ tạo từ trường phụ ngược chiều với biến đổi từ trường (Hình 2.1a), dẫn đến độ cảm từ chất nghịch từ có giá trị âm giảm tuyến tính từ trường tăng, chất nghịch từ điển hình như: H2O, He, Ne, Ar, Bi, Si, Cu, Ag, Pb,… Mặc dù Cu Ag có mômen từ khác không chưa đặt từ trường vật liệu từ đặt từ trường hiệu ứng nghịch từ chiếm ưu Vật liệu nghịch từ vật liệu có độ cảm từ χ có giá trị âm độ lớn vào cỡ 10-5 yếu, nguồn gốc tính nghich từ chuyển động quỹ đạo điện tử quanh hạt nhân cảm ứng điện từ từ trường (Hình 2.1b) Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sinh từ trường chống lại biến thiên từ thông sinh [5] 2.2.2 Vật liệu thuận từ Vật liệu thuận từ vật liệu có độ cảm từ tương đối χ dương có độ lớn vào cỡ 10-3 - 10-5 (rất nhỏ) Vật liệu gồm nguyên tử ion từ mà mômen từ cô lập, định hướng hỗn loạn tác dụng nhiệt chưa có từ trường (Hình 2.2a), đặt vào từ trường (H ≠ 0) mômen từ nguyên tử định hướng theo từ trường làm M tăng dần theo H (Hình 2.2b) vật liệu có χ tỷ lệ với 1/T 14 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan (Hình 2.2c) M Hình 2.2: a) xếp môment từ nguyên tử chất thuận từ từ trường ngoài; b) đường cong từ hóa vật liệu thuận từ; c) phụ thuộc 1/ χ vào nhiệt độ Các chất thuận từ điển Al, Na, Pt… Trước đây, người ta coi chất thuận từ nghịch từ chất từ tính yếu hay phi từ, gần chất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại nghiên cứu ứng dụng mạnh từ tính yếu [5] 2.2.3 Vật liệu sắt từ Trong vật liệu tương tác spin dương lớn nên spin xếp song song với (Hình 2.3a), nhiệt đô T tăng dao động nhiệt làm từ độ giảm dần biến nhiệt độ chuyển pha Curie TC Trên nhiệt độ TC nghịch đảo độ cảm từ 1/χ tuân theo định luật tuyến tính với nhiệt độ T (gọi định luật Curie-Weiss, Hình 2.3b) Trạng thái sắt từ trạng thái từ hóa tự phát, T < TC từ độ tự phát xuất từ trường H = 0, nhiên thông thường H = ta nhận thấy vật liệu bị khử từ, điều giải thích cấu trúc đômen 15 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Ms Hình 2.3: (a) Sự xếp mômen từ nguyên tử vật liệu sắt từ nhiệt độ T < TC; (b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ từ độ tự phát nghịch đảo hệ số từ hóa 1/ chất sắt từ Vật liệu sắt từ biết đến chất có từ tính mạnh, có độ từ thẩm lớn độ từ hóa lớn nhiều lần độ từ hóa chất thuận từ Chất sắt từ điển Fe, Co, Ni, Gd… Nhiệt độ Curie nhiệt độ mà chất sắt từ bị trật tự sắt từ song song, tính từ dư hẳn T > TC trật tự trở thành thuận từ hay gọi nhiệt độ chuyển pha sắt từ -thuận từ TC thông số đặc trưng phụ thuộc vào tương tác trao đổi mômen từ nguyên tử Có số khác biệt trạng thái thuận từ chất sắt từ chất thuận từ sau: Đối với chất sắt từ mômen từ tương tác song thăng giáng nhiệt nên trật tự từ hỗn loạn độ cảm từ tuân theo định luật Curie χ = C/(T – TC) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB ĐHQG Hà Nội Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật lý chuyển pha, NXB ĐHQG Hà Nội 16 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan Lưu Tuấn Tài (2010), Vật liệu từ, NXB ĐHQG Hà Nội Phạm Hồng Quang (2007), Các phép đo từ, NXB ĐHQG Hà Nội Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý tượng từ, NXB ĐHQG Hà Nội Tiếng Anh A Szytula, J Leciejewicz, Handbook of the Crystal Stuctures and Magnetic properties of Rare earth Intermetallic, CRC Press, Boca Ranton, FL, 1994, 83 A Szytula, M Kolenda, J Leciejewicz, N Stusser, Non-collinear antiferromagnetic structure of hexagonal TbPtSn, Journal of Magnetism and Magetic Materials 164, 1996, 377 A Szytula, B Penc, E Ressouche, Magnetic structure of DyNiSn and TbRhSn, Journal of Magnetism and Magetic Materials 2334, 1996, 94 A.E Dwigh, Gieseen (Ed.), Developments in the Structural Chemistry of Alloy Phases, Plenum, New York, 1969, 182 10 A.E Dwigh, W.C Harper and C W Kimball, HoPtSn and other intermetallicc compounds with the Fe2P type structure, Journal of Magnetism and Magetic Materials 30, 1973, 1-8 11 Ch.D Routsi, J.K Yakinthos, Magnetic properties of the equiatomic ternary RTSn compound (R = rare earth, T = Pt, Rh), Journal of Magnetism and Magnetic Materials 110, 1992, 317 12 Jacek Gurgul, Kazimierz Latka, Andrzej W Pacyna, Sebastian C Peter, Rainer Pottgen, TbRhSn and DyRhSn – Detailed magnetic and 119Sn Mössbauer spectroscopic studis, Intermetallics 46, 2014, 56 13 J Schoenes, F Troisi, E Bruck and A A Menovsky, Electrical resistivity and hall-effect study of U1NAl single crystals, Journal of Magnetism and Magetic Materials 108, 1992, 40 17 Luận văn thạc sĩ Hồ Thị Doan 14 K Latka, M Rams, R Kmiec, AW Pacyna, VI Zaremba, UC Rodewald, et al., Structure and properties ò Gd4Pd10In21, Solid State Sci 9, 2007, 173 15 L Havela, M Divis, V Sechovsky, A.V Andreev, F Honda, G Oomi, Y Meresse, S Heathman, U ternaries with ZrNiAl structure – lattice properties, Journal of Alloys and compounds 322, 2001, 16.M Mihalik, V Sechovsky, Magnetic properties of PrRhSn: a single-crystal study, Journal of Magnetism and Magetic Materials 310, 2007, 1758 17 M Mihalik, H Kitazawa, M Divis, V Sechovsky, Magnetism in PrRhSn studied on a single crystal, J Alloys Compd 460, 2008, 26 18 P Rogl, Handbook of Physics and Chemistry of Rare Earth, eds K.A Gschneider Jr and L.Eyring North- Holland, Amsterdam, 1984, Vol.7, p.1 19.S Baran, M Balanda, P Fischer, W Sikora, A Szytula, Magnetic phase transitions in TbRhSn, Journal of Magnetism and Magetic Materials 261, 2003, 369 20.T Fujita, T Suzuki, S Nishigori, T Tahabakete, H Fujii, J Sakurai, Unusual low-temperature properties of Ce compound, Journal of Magnetism and Magetic Materials 108, 1992, 35 21.Yoshikazu Andoha, Do Thi Kim Anh, Hiroyuki Hoshino, Go Nakamoto, Makio Kurisu, Shinji Kawano, Specific heat and high-field magnetization of a TbPdSn single crystal, Physica B 373, 2006, 150 18 ... TỔNG QUAN VỀ HỆ HỢP CHẤT RTSn 1.1 Cấu trúc tinh thể hệ hợp chất RTSn 1.1.1 Cấu trúc tinh thể TbPtSn 1.1.2 Cấu trúc tinh thể TbRhSn 1.2 Tính chất từ hợp chất RTSn ... chất UXT Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể hợp chất TbPtSn: (a) cấu trúc trực thoi loại TiNiSn (b) cấu trúc lục giác loại ZrNiAl Hình 1.3: Cấu trúc từ hợp chất TbRhSn Hình 1.4:... (SQUID) CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Cấu trúc tinh thể hệ hợp chất TbPtSn TbRhSn Error! Bookmark not defined 4.2 Tính chất từ hệ hợp chất TbPtSn TbRhSnError! Bookmark not defined