Ứng dụng lý thuyết Langevin về thuận từ để xác định kích thước hạt sắt từ trong vật liệu có tính chất siêu thuận từ

Khóa luận tốt nghiệp Trương Tuấn Anh K32C Vật Lý PHẦN 1: MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu rắn có cấu trúc dạng hạt quan tâm nghiên cứu đưa vào ứng dụng đời sống, kỹ thuật từ lâu Ta gặp cấu trúc vật liệu rắn dạng hạt dạng vật liệu thông thường vật liệu bê tông, gồm hạt đá có kích thước cỡ cm hạt cát với kích thước cỡ m vật liệu xi măng Tùy theo yêu cầu kết cấu xây dựng mà người ta đưa thông số khác kích thước loại hạt đá hay cát Như nói kích thước hạt vật liệu dạng hạt quan trọng liên quan đến vấn đề tính vật liệu Nghiên cứu vật liệu dạng hạt, gồm hạt kim loại kim loại khác không hòa tan, chẳng hạn Co Cu Ở thuật ngữ hạt liên quan đến hạt kim loại nhỏ rắn cỡ nano mét (10 - 10 nguyên tử) Trong vật liệu cấu trúc nano dạng hạt, vấn đề then chốt định đến tính chất vật lý vật liệu thơng qua yếu tố tỷ phần thể tích hạt xv (tỷ số thể tích hạt thể tích tồn khối vật liệu) kích thước hạt (2r) Vật liệu rắn kim loại dạng hạt chia thành loại; loại thứ gồm hạt kim loại vật liệu điện môi SiO2 Al2O3, vật liệu biết đến từ năm 1970; loại thứ hai gồm hạt kim loại từ kích thước nanơ mét kim loại phi từ, quan tâm nghiên cứu năm gần đây, vật liệu GMR, ví dụ hệ Co – Cu Khóa luận tốt nghiệp Trương Tuấn Anh K32C Vật Lý Khi nghiên cứu hiệu ứng GMR hợp kim dị thể mặt từ có cấu trúc dạng hạt Co-Cu người ta nhận thấy hiệu ứng GMR phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhiệt độ đo, cấu hình đo, thành phần hợp thức mẫu đặc biệt chế độ xử lí nhiệt Như vậy, yêu cầu đặt cần xác định kích thước hạt sắt từ nghiên cứu hiệu ứng GMR Có nhiều phương pháp sử dụng để xác định kích thước hạt sắt từ, dùng phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử truyền qua TEM, phương pháp xác định kích thước hạt cách so sánh đường cong từ hoá thực nghiệm với đường cong từ hoá lý thuyết M = M(H) với kích thước hạt D khác dựa lý thuyết Langevin thuận từ Trên sở đề tài nghiên cứu khóa luận tốt nghiệp chọn là: “Xác định kích thước hạt sắt từ đường cong từ hóa thực nghiệm sở lý thuyết Langevin thuận từ” Mục đích nghiên cứu Sử dụng lý thuyết Langevin thuận từ để xác định kích hạt sắt từ Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo mẫu băng dạng hạt Co-Cu công nghệ nguội nhanh ngồi khơng khí Nghiên cứu tính chất từ mẫu từ kế mẫu rung Từ khẳng định áp dụng lý thuyết Langevin thuận từ vào mẫu Xây dựng đường cong từ hóa lý thuyết sở lý thuyết Langevin thuận từ So sánh đường cong từ trễ thực nghiệm (sau xử lý tách phần sắt từ siêu thuận từ) với đường cong từ trễ lý thuyết ứng với kích thước hạt sắt từ khác để tìm kích thước hạt Co mẫu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Mẫu băng dạng hạt Co-Cu Phương pháp nghiên cứu Phương pháp đọc sách tài liệu Phương pháp thực nghiệm PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc trạng thái từ 1.1.1 Cấu trúc đơn đô men Trong hệ vật liệu từ dạng hạt với hạt từ tích đủ nhỏ, hạt từ có trục từ Khi khơng có từ trường hạt từ xếp cách ngẫu nhiên có lượng CV, với C tổng dị hướng từ đơn vị thể tích, V thể tích hạt từ Khi có từ trường ngồi khác khơng trục từ quay theo chiều từ trường Như từ độ mẫu (M) tổng từ độ hạt đơn đô men: M M H  M S cos H (1.1.1) Với  góc trục dễ hạt sắt từ phương từ trường ngoài, MS từ độ bão hòa, H từ trường ngồi, cos giá trị trung bình lấy tồn hạt sắt từ Khi đường cong từ trễ mẫu thể q trình quay trục từ hạt đơn men kích thước điều khiển men bị thay đổi tác động từ trường Đường cong từ trễ vật liệu dạng hạt nhiệt độ thấp 5K (hình 1.1) Khi mẫu hóa với M = từ trường H = 0, trục từ hạt từ định hướng ngẫu nhiên, giá trị tổng dị hướng từ hạt từ Hướng mômen từ định hướng ngẫu nhiên trạng thái tĩnh nhiệt độ thấp Khi từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = MS) với từ trường ngồi đủ lớn, lúc tất mơmen từ định hướng hướng theo chiều từ trường Nếu từ trường H giảm tới H = 0, giá trị từ dư M r = MS/2 nhiệt độ thấp 5K, trục từ quay phạm vi nửa bán cầu theo trục dị hướng hạt đơn men Hình 1.1: Đường cong từ trễ đo 5K vật liệu có cấu trúc dạng hạt Cấu trúc đơn men vật liệu từ, có lực kháng từ (HC) hạt từ lớn vật liệu dạng khối đồng Theo nghiên cứu lý thuyết, hạt sắt từ đơn men có lực kháng từ 2K/MS = 600 Oe (K số dị hướng từ tinh thể), mẫu khối 10 Oe Một số vật liệu từ dạng hạt, Co – Ag, Fe – Cu, Fe – Ag có lực kháng từ HC lớn cỡ 3000 Oe Như vật liệu có cấu trúc đơn đô men thể lực kháng từ HC lớn, số dị hướng K lớn, phụ thuộc lực kháng từ HC vào kích thước hạt  M (H )  p mH f (V ) M S L(K )dV BT (3.5) (ii) Phương pháp tách phần sắt từ khỏi từ độ tổng thể mẫu thực xác cách phân tích khác đường cong từ trễ theo hai chiều tăng giảm từ trường M total 10 Mspm M (e m u/ g) Mfm 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 H(T) Hình 3.2: Đồ thị tách phần sắt từ (Mfm) khỏi đường cong từ hoá thực o nghiệm (Mtotal) mẫu Co10Cu90 ủ 450 C, 60 phút 1.0 a/ 1.0 Co10Cu90 0.8 0.6 M/ M s 0.4 M/Ms chưa ủ Co10Cu90,asspun 0.2 0.8 b/ ủ M/Ms Co10Cu90 Co10Cu90,550, o 60' 550 C, 60 phút 0.6 M/ M s 0.4 0.2 0.0 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H(T) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H(T) Hình 3.3: Đồ thị Mfm/Ms phần siêu thuận từ mẫu Co10Cu90 a/ chưa xử lí nhiệt o b/ ủ 550 C, 60 phút 1.2 1.0 1.2 a/ 0.8 M/ 0.6 M s 0.4 Co14Cu84 Co10Cu90 Co 10Cu90 450oC,60' 0.8 M/Ms Co14Cu86,450oC,60' o o ủ 450 C, 60 phút M/ 0.6 M s 0.4 ủ 450 C, 60 phút 0.2 0.2 0.0 0.0 b/ 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H(T) H(T) o Hình 3.4: Đồ thị Mfm/Ms phần siêu thuận từ mẫu ủ 450 C, 60 phút a/ Co14Cu86 1.0 b/ Co10Cu90 D=4nm 0.8 0.6 (6) (5) (4) (3) (2) (1) M/ M 0.4 s 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H(T) Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn trình so sánh đường cong thực nghiệm với o đường lý thuyết mẫu Co10Cu90 ủ 450 C, 60 phút (1)D=3nm; (2)D=3,5nm; (3)D=4nm; (4)D=4,5nm; (6)D=5nm; (5) thực nghiệm 1.0 D=5nm 0.8 0.6 (5) M/ M s 0.4 (4) (3) (2) 0.2 (1) 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H(T) Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn trình so sánh đường cong thực nghiệm o với đường lý thuyết mẫu Co10Cu90 ủ 550 C, 60 phút (1)D=4nm; (2) D=4,5nm; (3) D=5nm; (4) thực nghiệm; (5) D=5.5nm 1.0 D=4nm 0.8 (5) 0.6 M/ M s 0.4 (4) (3) 0.2 0.0 0.0 (2) (1) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H(T) Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn trình so sánh đường cong thực nghiệm o với đường lý thuyết mẫu Co14Cu86 ủ 300 C, 60 phút (1)D=3,5nm; (2) D=4nm; (3)thực nghiệm; (4)D=4,5nm; (5) D=5nm; 1.0 D=4.5nm 0.8 0.6 (5) (4) M/ M s 0.4 (3) (2) (1) 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H(T) Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn trình so sánh đường cong thực nghiệm với o đường lý thuyết mẫu Co14Cu86 ủ 450 C, 60 phút (1)D=4nm; (2) D=4,5nm; (3) thực nghiệm; (4) D=5nm; (5)D=5,5nm Hình 3.2 thể tách phần sắt từ từ đường cong từ hoá thực nghiệm Sau tách phần sắt từ Mfm khỏi đường cong thực nghiệm ta thu phần siêu thuận từ Mspm mẫu Hình 3.3 3.4 kết tách phần đóng góp pha sắt từ đường cong từ trễ thực nghiệm để thu phần đóng góp pha siêu thuận từ Trên hình 3.3 ta thấy: Sau xử lí nhiệt mẫu có xu hướng chuyển sang trạng thái sắt từ (đường cong b/ dốc đường cong a/ vùng từ trường thấp) Sau tách phần siêu thuận từ từ đường cong từ trễ thực nghiệm, ta dựng đường cong (M/Ms - H) phần siêu thuận từ để so sánh với đường cong (M/Ms - H) lý thuyết để tìm kích thước hạt từ Co Hình 3.5 – 3.6 – 3.7 – 3.8 mơ tả q trình so sánh đường cong từ hoá thực nghiệm mẫu (sau xử lí tách phần sắt từ) đường cong lý thuyết giá trị kích thước hạt Co khác Bảng 3.1: Kết kích thước hạt sắt từ Co Mẫu nghiên cứu Co10Cu90 Chưa xử lí nhiệt o 4,0 nm o 5,0 nm o 4,5 nm o 4,0 nm 450 C, 60 phút 550 C, 60 phút Co14Cu86 Đường kính trung bình hạt từ D (nm) 3,0 nm 450 C, 60 phút 300 C, 60 phút Từ hình 3.6 ta nhận thấy đường cong từ hố lý thuyết ứng với kích thước hạt sắt từ Co nm trùng khít với đường cong thực nghiệm (ta quan tâm trùng khít từ trường lớn 0.4T) Do kết luận mẫu Co10Cu90 sau xử lí nhiệt có kích thước hạt trung bình nm Bảng 3.1 bảng tóm tắt lại kết xác định kích thước hạt sắt từ trung bình mẫu nghiên cứu Nhận xét rằng, kích thước hạt sắt từ Co mẫu Co10Cu90 chưa xử lí nhiệt nm Ta thấy kích thước hạt Co tăng dần nhiệt độ ủ tăng dần (trong thời gian ủ 60 phút) Ngoài ra, kích thước hạt Co tăng lên mẫu Co14Cu86 so với mẫu có tỉ lệ thành phần nguyên tử Co thấp Co10Cu90, xử lý nhiệt o chế độ (450 C, 60 phút) KẾT LUẬN Mẫu băng dạng hạt Co-Cu chế tạo cơng nghệ nguội nhanh ngồi khơng khí Đã nghiên cứu cấu tính chất từ mẫu từ kế mẫu rung đến kết luận mẫu thể tính siêu thuận từ từ độ mẫu bao gồm đóng góp pha siêu thuận từ pha sắt từ Từ khẳng định áp dụng lý thuyết thuận từ Langevin vào mẫu Đã tách phần đóng góp pha sắt từ khỏi đường cong từ trễ thực nghiệm, thu phần đóng góp pha siêu thuận từ mẫu nghiên cứu Đã xây dựng đường cong từ hóa lý thuyết sở lý thuyết thuận từ Langevin Đã xác định kích thước hạt sắt từ Co hệ vật liệu dạng hạt Co-Cu đường cong từ hóa thực nghiệm, sở lý thuyết Langevin vật liệu thuận từ Kết xác định kích thước trung bình hạt sắt từ Co mẫu Co10Cu90 3nm (chưa xử lý nhiệt), nm (ủ o o 450 C, 60 phút) 5nm (ủ 550 C, 60 phút), với mẫu Co14Cu86 nm (khi o o ủ 300 C, 60 phút) 4,5 nm (khi ủ 450 C, 60 phút) TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Anh Phong (2004), Áp dụng lý thuyết thuận từ Langenvin cho hệ sắt từ pha lỗng Cu – Co có tính chất từ điện trở khổng lồ, Đồ án tốt nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Vũ Đình Cự (1996), Từ học, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội Phạm Ngọc Nguyên (2004), Kỹ thuật phân tích vật lý, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Xuân Chánh, Nguyễn Hồng Lương, Nguyễn Phú Thuỳ (2001), Vật lý cơng nghệ Điện tử - Tin học - Viễn thông, NXB Bưu điện, Hà Nội Nguyễn Hữu Đức (2003), Giáo trình Vật liệu từ liên kim loại, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội ... chọn là: Xác định kích thước hạt sắt từ đường cong từ hóa thực nghiệm sở lý thuyết Langevin thuận từ Mục đích nghiên cứu Sử dụng lý thuyết Langevin thuận từ để xác định kích hạt sắt từ Nhiệm... lý thuyết Langevin thuận từ So sánh đường cong từ trễ thực nghiệm (sau xử lý tách phần sắt từ siêu thuận từ) với đường cong từ trễ lý thuyết ứng với kích thước hạt sắt từ khác để tìm kích thước. .. nghịch từ, vật liệu thuận từ, vật liệu sắt từ, dựa cấu trúc vi mô vật liệu Vật liệu nghịch từ loại vật liệu mơ men từ ngun tử (mơ men từ ngun tử 0) Hai loại vật liệu từ lại có mơ men từ ngun