Bài giảng Vật liệu có cấu trúc Nano Phần 3 PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn

Bài giảng Vật liệu có cấu trúc Nano phần 3 Vật liệu từ cấu trúc Nano Spintronics trình bày các nội dung chính về: Tính chất từ ở thang nano, Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ, vật liệu từ khối có cấu trúc nano, màng mỏng từ cấu trúc nano, dây từ và ống từ nano, phân tử và nguyên tử từ cô lập Nam châm phân tử, các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các �...

Trang 1

VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC NANO

NANOSTRUCTURED MATERIALS

PGS TS Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN III VẬT LIỆU TỪ CÓ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS

NANOTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS

Trang 2

PGS TS Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN I : VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO

PGS TS Nguyễn Văn Hiếu

PHẦN II : VẬT LIỆU QUANG TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC NANO

TS Nguyễn Văn Quy

PHẦN III : VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS

PGS TS Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN IV : CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

PGS TS Nguyễn Anh Tuấn PGS TS Nguyễn Văn Hiếu

TS Nguyễn Văn Quy

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Trang 3

• VẬT LIỆU TỪ KHỐI CÓ CẤU TRÚC NANO

• MÀNG MỎNG TỪ CẤU TRÚC NANO

• DÂY TỪ VÀ ỐNG TỪ NANO

• HẠT TỪ NANO, DOT TỪ VÀ CHÙM NANO TỪ

• PHÂN TỬ VÀ NGUYÊN TỬ TỪ CÔ LẬP

• CÁC KỸ THUẬT HIỆN ĐẠI QUAN SÁT VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC TỪ NANO

Phần VI : Các vật liệu nano khác và một số vấn đề liên quan

• CÁC VẬT LIỆU NANO CARBON

• CÁC VẬT LIỆU NANO CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT KHÁC

• HOÁ HỌC NANO

• KHÍA CẠNH AN TOÀN VÀ NHỮNG THÁCH THỨC CỦA VẬT LIỆU NANO

• CÁC CẤU TRÚC NANO TRONG TỰ NHIÊN

• ĐIỆN TỬ HỌC PHÂN TỬ, NGUYÊN TỬ, VÀ THÔNG TIN LƯỢNG TỬ

Trang 4

3.1 Tính chất từ ở thang nano

3.2 Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ

3.4 Màng mỏng từ cấu trúc nano

3.6 Phân tử và nguyên tử từ cô lập - Nam ch âm phân tử

3.7 Các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các đặc trưng

cấu trúc từ nano

Spintronics

Trang 6

- Hành vi nội tại của các cấu trúc nano từ bị thay đổi bởi:

+ hiệu ứng kích thước bị giới hạn

+ hiệu ứng bề mặt

Vấn đề đặt ra: giới hạn bao nhiêu nguyên tử để vẫn duy trì được hành vi

nội tại của một nam châm khối ?

- Một số hành vi nội tại tiêu biểu:

+ Xác lập mức độ dị hướng từ ngẫu nhiên

+ Tăng cường độ từ dư

+ Định xứ tính vi từ (micromagnetic)

+ Xuất hiện các kiểu (mode) tạo mầm từ dạng lồi (bulging-type)

+ Có nhiều loại liên kết trao đổi khác nhau

+ Các hiệu ứng biên hạt

Tính chất/hành vi nội tại ( intrinsic ): các tính chất/hành vi thuộc về bản chất, vốn có,

tự thân có, được tạo ra từ thành phần và cấu trúc bên trong của đối tượng; không phụ thuộc số lượng, hình dạng, kích thước và các yếu tố bên ngoài khác; có tính bất biến

Ngược lại: ➽ extrinsic

- Các tính chất từ nội tại như:

Tc, Ms, K

- Các tính chất từ ngoại lai như:

Hc, Mr, (BH)max

Trang 8

Hiện tượng nhốt (hay giam hãm) lượng tử và hiệu ứng

điện tích khi kích thước thay đổi

Vùng các hiệu ứng lượng tử nổi trội Vùng các hiệu ứng điện tích nổi trội

Trang 9

đóng góp mạnh nhưng không giống nhau vào các hành vi nội tại.

Các tính chất nội tại (mômen từ và năng lượng trao đổi) của cấu trúc đa lớp Pt-Fe (Theo Sabiryanov and Jaswal, 1998)

Mômen từ và năng lượng trao đổi giữa các nguyên tử bị biến đổi:

Trang 10

CĐiểm Curie này gần với điểm Curie của pha có tương tác trao đổi mạnh nhất

Khi kích thước hạt > khoảng cách vài lớp ng.tử ⇛ Thể hiện rõ tính sắt từ không đồng nhất: 2 điểm Curie và MS(T) là chồng chập của 2 pha khác nhau

Magnetic hysteresis loops for (a) 10 and (b) 15 nm diameter nanoparticles

M

H

Trang 12

- Dị hướng từ bề mặt có nguồn gốc nguyên tử, và mạnh hơn khoảng 2 bậc so với dị hướng khối.

Do số ng.tử bề mặt N s của các hạt nano (hay chùm) có thể so sánh được với số

nguyên tử của cả hạt nano, nên đóng góp của dị hướng bề mặt vượt trội so với dị

hướng khối khi hạt có kích thước < 3 nm

Dị hướng bề mặt và tính đối xứng: Thay vì có đặc trưng của dị hướng từ

kiểu BCC, các mặt (011) và (111) xuất hiện đóng góp của các dị hướng

trong mặt phẳng (in-plane) với đối xứng bậc 2 và bậc 6 (tương ứng).

Trang 13

- (Trong từ học vật lý) - Tính nhớt từ là sự trễ về mặt thời gian giữa sự thay đổi của

từ trường tác dụng lên một vật sắt từ và sự thay đổi xảy ra sau đó trong cảm ứng từ

là rất lớn

(Trong vật lý plasma) - Là hiệu ứng, gây ra bởi từ trường khi không có tác động

của lực co học hoặc điện trường mạnh, làm giảm/hạn chế sự chuyển động của một

Trang 14

- Kích thước hạt đơn và lực kháng từ: Từ hạt lớn (đa đômen) xuống đến hạt nano (đơn đômen) và tiến đến chùm phân tử hay nguyên tử: H C tăng mạnh

Xu hướng đa đômen có tác

dụng giảm thất thoát năng

Sự đảo từ trong các cấu trúc

từ khi bị giảm kích thước

Trang 15

bởi các vách domain để giảm năng lượng của toàn bộ hệ ➽ Hệ ở

trạng thái đa domain (đường từ trễ ở bên trái của hình ở slide trước).

dài trao đổi: ➽ việc hình thành các vách domain đòi hỏi quá nhiều

được thực hiện bằng cách quay, xoắn đồng bộ, hoặc các kiểu không

đồng bộ khác (đường từ trễ ở giữa của hình ở slide trước).

- Đối với các hệ có kích thước < độ rộng của vách domain, hoặc của

các liên kết của chúng Mô tả về phương diện lý thuyết quá trình đảo

từ ở các hệ này rất phức tạp do các biên hạt (particle's boundaries)

Trang 16

Đường từ trễ của các hạt nano từ dạng đĩa

có đường kính d, dày t (a) d = 300 nm, t

= 10 nm; (b) d = 100 nm, t = 10 nm.

Kiểu đảo từ trong các hạt từ nano chuyển từ kiểu xoắn đồng bộ sang kiểu quay đồng bộ khi kích thước hạt giảm.

Trang 17

- Các hạt SPM gần như không có lực kháng từ

- Hành vi SPM gần giống như thuận từ của các

Trang 18

- Các vách dômen thông thường phẳng nhẵn và rộng tới nhiều lớp nguyên tử

Với các vật liệu từ rất cứng, như SmCo5, lại có vách rất hẹp.

Trang 19

 Hiện tượng định xứ nano từ

 Các hiệu ứng thao tác đồng thời (cooperative)

 Dị hướng ngẫu nhiên & Tăng cường tính từ dư

 Động lực học từ độ trong các cấu trúc nano

 Các quy luật về hàng rào năng lượng bị thay đổi

Trang 20

Bao gồm 3 thành phần:

- Các hạt từ đơn đômen với mômen từ định hướng ngẫu nhiên

- Môi trường dung môi lỏng không cực (nước/dầu, )

- Trên bề mặt hạt được bao phủ một lớp hoạt tính bề mặt

trên cơ sở hạt nano ferrite Fe3O4

Trang 21

- Các hạt từ đơn đômen có kích thước

cỡ vμi chục nano mét vμ có dạng gần

hình cầu ở trong môi trường chất lỏng,

MS ~ 10-19 Am2 ⇒ Tính siêu thuận từ

- Các hạt siêu thuận từ thực hiện hai

mode quay tự do:

1- Quay Brown với thời gian hồi phục:

2- Quay Néel với thời gian hồi phục:

Trang 22

Một số loại dung môi thương phẩm thường dùng cho

Trang 23

Một số tính chất vật lý chung của nước từ

Từ màu hổ phách cho tới màu đỏ

Mμu sắc

Trang 24

Nước từ có tính chất đặc biệt của hệ hai pha :

tổ hợp của tính lỏng trong các chất lỏng thông thường với tính siêu thuận từ của các hạt sắt từ hay ferri từ ở trạng thái rắn được phân tán trong môi trường chất lỏng

Có thể điều khiển:

• tính chất của chất lỏng từ

• dòng chẩy của chất lỏng từ bằng lực từ hay trọng lực ,

trong các lĩnh vực kỹ thuật

Trang 25

Tớnh siờu thuận từ

Đường từ hoá của chất lỏng từ cho

- Các tương tác từ và tương tác van der Waals có xu hướng làm kết tụ các hạt từ nano thành các hạt to hoặc các đám lớn

- Chuyển động nhiệt của các hạt từ có kích thước < 10 nm có khuynh hướng ngăn cản

sự kết tụ

- Lớp hoạt tính bề mặt ngăn chặn các hạt từ

Trang 26

Lực từ tác dụng lên chất lỏng từ

Trang 27

(d) (c)

(b)

Trang 28

Magnetoviscous effects

TÝnh nhít tõ

Trang 30

-Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Quy trình chế tạo nước từ với dung môi nước

(Water-based magnetic fluid)

Fe 2+ + Fe 3+ +H 2 O Kết tủa Fe 3 O 4

Nhiệt/Chất xúc tác Phủ hoạt tính bề mặt lần thứ nhất

với chất xúc tác là acid decanoic

Làm nguội đến nhiệt độ phòng Kết tụ

Methanol, Acetone Chắt lọc bằng từ

Rửa bằng axêtôn và nước

Gia nhiệt/Chất xúc tác

Làm nguội đến nhiệt độ phòng

Rửa bằng nước Nước từ với dung môi là nước

Gia nhiệt trong môi trường nước Phủ hoạt tính bề mặt lần thứ hai với chất xúc tác là acid nonanoic

Trang 31

200 300 400 500 600 700 800 -0.1

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

0.5 0.495

0.469 0.413

80Ăẫ 60Ăẫ

0 10

20 M(emu/g)

H (kOe)

Đường từ hoá của đám hạt

Fe3O4 kết tủa

Trang 32

2 4 6 8 10 12

Đường cong từ trễ đo tại 5K và 300 K (hình

nhỏ: Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ

tu©n theo hàm mũ)

Trang 33

Đường cong từ hoá của các hạt

nano ferrite (CuxFe1-x)OFe2O3 với

nồng độ Cu khác nhau:

x = 0.1 ( -W- )

x = 0.2 ( - - )

x = 0.3 ( -ế- )

Trang 34

• Quan s¸t domain tõ vµ sai

Trang 36

Quan sát các sai hỏng bề mặt

Hình ảnh từ có thể quan sát dựa trên hiển

vi hiệu ứng Kerr hay hiển vi từ lực MFM,

để phát hiện và định vị những vùng sai

hỏng có kích thước nhỏ cỡ vài micron

được đánh dấu bằng nước từ

Trang 37

- Chất lỏng từ đóng vai trò như một O-ring

- Trục quay được bít kín không có rò rỉ

(a) (b)

(a) Khi không sử dụng nước từ và (b) khi sử dụng nước từ.

Mô tả nguyên tắc bít kín bằng chất lỏng từ

Trang 38

Từ trường ngoài tác dụng làm phân cực các hạt nano trong nước từ thành các dipole Tương tác giữa các dipole làm cho các hạt từ nano sắp xếp theo cấu trúc cột và hướng song song với trường tác dụng, hình thành cấu trúc kiểu “chuỗi xích” và hạn chế chuyển

động của chất lỏn, do đó làm tăng độ nhớt cho hệ thống giảm xóc hay hệ thống treo Khi không có từ trường tác dụng, nước từ thể hiện tính chất giống như chất lỏng Newtonian.

Nguyên lý sử dụng tính lưu biến của nước từ

Sử dụng tính chất lưu biến (Magnetorheological Fluid)

làm đệm giảm xóc

Hệ thống giảm sóc sử dụng tính lưu biến của nước từ

Trang 39

Khung ®iÖn kÕ

ThiÕt bÞ ®o chÊn rung

æ cøng m¸y tÝnh

Trôc m« t¬

ferrofluid

Trang 40

Chống rung/giảm chấn ( damping )

Giảm chấn rung do chuyển động cho cầu

Trang 41

Nâng và cân bằng ổn định

Trục quay không ổn định

Trục quay đ−ợc ổn định 3D

Trang 42

Tản nhiệt bằng nước từ

Công suất của loa tăng đáng kể khi thực

hiện tản nhiệt tốt cho cuộn dây dao động

Trang 43

Gia tốc kế ứng dụng ghi địa chấn

Kiểu 2 trục

Nước từ

Thanh đàn hồi (bằng Al)

Nam châm điện Các tấm biến đổi

Gia tốc kế ứng dụng trong ô-tô, rô-bốt, dẫn

hướng quán tính máy bay,

Trang 44

Gia tốc kế tần số thấp kiểu 2 trục (Low frequency two-axis accelerometer)

¾ Khối nặng quán tính hình trụ ở giữa bằng nhôm với một thanh đàn hồi tĩnh

cũng làm bằng nhôm nhưng được tính toán sao cho sự biến dạng cơ học của

nó bằng 3 lần độ cứng hấp dẫn tương đương của một con lắc dây có cùng độdài Khối quán tính được nhúng vào chất lỏng từ để đảm bảo đồng thời dễ

dàng thay đổi vị trí vừa do được nâng lên bằng từ trường, vừa do sự điều

chỉnh đệm chất lỏng Vị trí của khối quán tính được chuyển đổi bằng 4 tấm

điện cực có dạng ¼ trụ Mối tấm này gồm một lõi sắt từ có độ từ thẩm cao vàmột cuộn nam châm điện Toàn hệ được bịt kín trong một cái thùng hình trụ

có khả năng chắn từ tốt

Gia tốc kế thu nhỏ kiểu ba trục (Three-axis miniature accelerometer)

¾ Có dạng khối với kích thước mỗi cạnh là 15 mm, gồm 3 trục vuông góc với

nhau hình thành nên cột chứa chất lỏng từ Chất lỏng từ được giữ bằng từ

trường của các nam châm cứng dạng vòng xuyến, và được điều khiển bằng

một số trong 6 cuộn cảm ứng (2 cuộn trên mối trục) Loại gia tốc kế này

thường được sử dụng trên ô-tô, người máy, và các ứng dụng dẫn đường

quán tính trong không gian vũ trụ

Sensor tõ

Trang 45

ThiÕt bÞ ®o träng sai (Gravitational gradiometer)

Đo sự biến thiên/thay đổi của trọng trường

(trường hấp hẫn)

Khèi nÆng vÜnh cöu

Khèi nÆng C¸c ®iÖn cùc

§¸y buång chøa n−íc tõ

Bèn miÕng nh«m ®−îc nhóng trong

n−íc tõ

Trang 46

Nguyờn lý của thiết bị đo trọng sai ( Gravitational gradiometer )

Bốn khối nặng (2) đ−ợc đặt theo kiểu chữ thập và đ−ợc nhúng trong chất lỏng từ,

đ−ợc nâng lên bằng các nam châm vĩnh cửu (4) và đ−ợc định vị tâm bằng nam

châm (5) Sự sai lệch khoảng cách giữa bốn khe hở giữa hai phần tử khối nặng

được đo bằng phương phỏp điện lấy từ cỏc tấm điện cực (6) và được kiểm soỏt

bằng sự thay đổi của từ trường tạo ra trong 4 cuộn cảm ứng nối với cỏc điện cực lừi 6 (khụng được vẽ ở đõy) Thực chất đõy là một bộ chuyển đổi (transducer) rất

nhạy với sự thay đổi khoảng cỏch, phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp của chất

lỏng từ cú hằng số điện mụi cao được dựng làm mụi trường cỏch điện Cỏc chất

lỏng từ cú chứa cỏc hạt nhụm hỡnh cầu đường kớnh từ 2-5 μm sẽ cú độ nhạy lờn

đến ~ 10-9 ms-2/m

Sensor từ

Trang 48

TuyÓn thuû tÜnh tõ (Magnetohydrostatic Separation)

Nguyªn lý tuyÓn næi Mét thiÕt bÞ tuyÓn næi PTN

Trang 50

Mùc in tõ & chống giả mạo

Trang 51

(Ferrofluidic Micropump)

Trang 52

Bộ chuyển đổi nhiệt

năng thành điện năng

Trang 54

øng dông trong y-sinh

Trang 55

Một số ứng dụng khác

• Sử dụng trong các robot làm cho các chi chuyển

động mềm mại gần như của con người

• Sử dụng để làm nổi chữ Braille trong các sách

dành cho cho người khiếm thị

• Sử dụng làm một số cơ quan nội tạng bằng nước

từ trong các bện nhân nhân tạo với độ mềm dẻo

và mỏng như thật để huấn luyện sinh viên y khoa thực tập phẫu thuật.

Trang 56

Trang 57

Mµng máng ferrite bari

¶nh AFM cña mµng ferrite bari sau khi sö lý nhiÖt (a) vµ ®−êng tõ trÔ ®−îc ®o trong mÆt ph¼ng (c¸c ®iÓm vu«ng-®en) vµ vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng (c¸c ®iÓm trßn-tr¾ng)

Trang 58

Một số hệ ferrite khác nhau có cấu trúc

hạt nano và các kỹ thuật đã đ−ợc sử

dụng để chế tạo

Một số loại hạt nano ferrite

Trang 59

Trang 60

Trang 61

Mét sè mµng máng tõ cøng tiªu biÓu vµ c¸c tÝnh chÊt

Trang 62

Trang 63

CÊu tróc m¹ng tinh thÓ kiÓu fcc (a) vµ fct (b) cña hîp kim Fe-Pt

Trang 64

Giản đồ pha của hợp kim Fe-Pt

Màng mỏng Fe-Pt

Trang 65

(a) (b)

§iÒu khiÓn vi cÊu tróc mµng máng FePt/C th«ng qua qu¸ tr×nh ñ nhiÖt

¶nh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (TEM )

Trang 66

ảnh hưởng của lớp đệm CuAu đối với quá trình trật tự

hoá trong nàng mỏng Fe-Pt

(a) Có lớp đệm CuAg dày 50 nm: ⇒ H C ~ 13 kOe;

(b) Không có lớp đệm CuAg: H C ~ 200 Oe

Trang 67

¶nh TEM (cross-sectional) cña mµng máng FePt/C cã dÞ h−íng tõ

vu«ng gãc KÝch th−íc h¹t trung b×nh kho¶ng 15 nm, c¸c h¹t cã h×nh

d¹ng dµi theo ph−¬ng vu«ng gãc víi mµng máng

Trang 68

(a) ¶nh TEM cho thÊy c¸c h¹t Fe-Pt cã kÝch th−íc trung b×nh ~ 15 nm c« lËp nhau ë trong nÒn C (b) §−êng tõ trÔ cho thÊy HC ~ 37 kOe

Trang 69

(b)

Trang 70

C¸c mµng máng tõ cøng hÖ kh¸c: Re-T

Mµng máng Sm-Co cho thÊy tÝnh dÞ h−íng tõ vu«ng gãc rÊt

m¹nh, H C (//) ~ 37 kOe, S ~ 1 vµ (BH)max = 25 MGOe

Sm-Co

Trang 72

Các màng mỏng từ cứng hệ khác: Re-T NdFeB

ảnh TEM của các màng mỏng đa lớp

Tính chất từ của mμng mỏng NdFeB với các lớp lót

vμ chiều dμy tương ứng cũng như chế độ ủ nhiệt

Trang 73

So sánh một số thông số quan trọng của pin Li-ion với các loại pin khác

Kiểu pin Điện áp danh định Năng l−ợng riêng Năng l−ợng riêng

theo trọng l−ợng theo thể tích

Một số −u điểm chính của pin Li-ion:

Điện áp danh định cao gấp 3 lần pin Ni-Cd vμ pin Ni-MH

Mật độ năng l−ợng cao, dung l−ợng lớn vμ nhẹ.

Tốc độ tự phóng thấp (từ 2 – 4%/tháng).

Thời gian sống dμi (~5 năm).

Số lần nạp lại trên 1000 lần.

Solid Polymer Electrolyte

-Chất điện phân polime rắn

Trang 74

Vật liệu nano sử dụng cho pin Li-ion

- Một số đặc tr−ng quan trọng của pin Li-ion

Đặc tr−ng Khoảng giá trị

- Nhu cầu và giá thành (USD) của pin Li-ion trên thế giớ:

 Nhu cầu năm 2005: 1 tỷ pin Li-ion

 Lợi nhuận ~ 4 tỷ USD

 Giá thμnh giảm ~ 50% so với 1999

Định dạng
Số trang	201
Dung lượng	9,48 MB