Đo điện trở suất và đánh giá chất lượng tinh thể 1 Đo điện trở suất 4 mũi dò

ĐƠN TINH THỂ RCoIn5 (R=Tm,Yb)

3.2. Đo điện trở suất và đánh giá chất lượng tinh thể 1 Đo điện trở suất 4 mũi dò

3.2.1. Đo điện trở suất 4 mũi dò

3.2.1.1. Nguyên lý hệđo

Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của mỗi chất. Chất có điện trở suất thấp sẽ dễ dàng cho dòng điện truyền qua chất dẫn điện và chất có điện trở suất lớn sẽ có tính cản trở dòng điện lớn chất cách điện. Điện trở suất thể hiện tính cản trở sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện của mỗi chất. Đơn vị của điện trở suất trong hệ đơn vị chuNn quốc tế SI ( viết tắt SI từ tiếng Pháp Système

International d'Unités) là Ohm.met (Ω.m). Điện trở suất của một vật liệu bằng bao nhiêu có nghĩa là trong 1 giây có bấy nhiêu điện tử tự do di chuyển qua mặt cắt ngang của dây dẫn đó.

Điện trở suất (thường được ký hiệu là ρ) của một chất được định nghĩa bởi điện trở của một khối chất có chiều dài L và tiết diện S, hay một cách tổng quát, nó được cho bởi công thức: L S R = ρ [3.1] Vì thế để xác định điện trở suất của một chất ta cần xác định điện trở của vật liệu. Để xác định điện trở suất của vật liệu thông thường người ta sử dụng phương pháp đo 4 mũi dò. Sử dụng một nguồn dòng ổn định đặt vào hai đầu của mẫu đo, khi dòng điện chạy qua mẫu, giữa hai đầu mẫu sẽ suất hiện một điện thế V, ta sử dụng vôn kế đểđo điện thế đó, sơ đồ nguyên lý được cho trong hình 3.2. Theo định luật Ohm ta sẽ xác định được điện trở của mẫu đo. ) ( ) ( ) ( Ampe I Volt U Ohm R = [3.2]

Hình 3.2. Sơđồ nguyên lý của hệđo điện trở suất theo phương pháp 4 mũi dò. 3.2.1.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất

Hệđo là một buồng được hút chân không và sau đó cho một ít khí Heli (Exchange gas) để làm lạnh xuống nhiệt độ Nitơ lỏng được phủ bên ngoài. Sau đó, khí Heli được bơm vào (4,2 K) và hạ áp suất đểđạt nhiệt độ 1,2 K. Một cảm biến nhiệt độđược đặt cạnh mẫu đo để xác định nhiệt độ của mẫu (là nhiệt độ bên trong hệđo) theo thời gian. Các thông tin trên được lưu vào máy vi tính và biểu diễn trên màn hình bởi giao diện Labview. Như thế ta có sự phụ thuộc điện trở suất theo nhiệt độ.

Nhìn chung, điện trở suất của các kim loại tăng theo nhiệt độ trong khi điện trở suất của các chất bán dẫn giảm theo nhiệt độ, và trong tất cả các trường hợp, điện trở suất của chất phụ thuộc vào các cơ chế tán xạ của điện tử trong vật liệu: tán xạ trên phonon, tán xạ trên sai hỏng, tán xạ trên spin.

Để đo điện trở suất của vật liệu tại nhiệt độ thấp thông thường người ta sử dụng nitơ lỏng kết hợp với 4He và 3He. Nhiệt độ thấp nhất có thểđạt được là 0,5 K.

3.2.2. Đánh giá chất lượng tinh thể

Điện trở suất của vật liệu đất hiếm do sựđóng góp của 4 thành phần: điện trở suất nội tại, điện trở suất do sự đóng góp của tán xạ điện tử-điện tử (electron-electron ρee) ,điện tử-mạng tinh thể (electron-phonon ρe-ph ), điện tử-magnon (electron-magnon ρe-

mag). 2 0 0+ e e+ e ph+ e mag = + AT =ρ ρ − ρ − ρ − ρ ρ [3.3] V R voltmeter∼ 108Ω I V L + - (E,r) Điểm nối 2 cấp dòng Điểm nối 1 cấp dòng Điểm nối 1 đo điện thế Điểm nối 2 đo điện thế

Giá trịρ0 bắt nguồn từ tán xạđiện tử gây ra bởi khuyết tật trong cấu trúc tinh thể và tạp chất,vì thế nó là hằng số tại bất kỳ giá trị nhiệt độ nào. Giá trị của ρ0 là rất quan trọng khi chúng ta muốn xác định chất lượng của mẫu thu được. Nếu giá trịρ0 lớn thì tinh thể thu được chứa nhiều tạp chất hoặc bị khuyết tật mạng. Chất lượng của mẫu có thể tính toán được bằng cách xác định giá trị tỷ suất điện trở dư (Residual Resisitivity Ratio RRR) : 0 300 ρ ρ K RRR= [3.4] Với ρ300K là điện trở suất tại nhiệt độ phòng T=300 K.

Sự phụ thuộc của ρe-ph vào nhiệt độ bắt nguồn từ sự tán xạ electron với phonon (dao động mạng), và nó thay đổi đồng đều. Giá trị của ρe-ph tỷ lệ với nhiệt độ T khi nhiệt độ của mẫu trên nhiệt độ Debye, và nó tỷ lệ với T5 nếu nhiệt độ ở dưới nhiệt độ Debye. Giá trị củaρph sẽ bằng 0 nếu T=0 K.

Tại nhiệt độ thấp thì tương tác của magnon và electron có thể bỏ qua. Vì thế ta có thể xem điện trở suất tổng của mẫu tại nhiệt độ thấp do sựđóng góp của ρ0 và ρe-e

20 0 0+ e e = +AT =ρ ρ − ρ ρ [3.5] Vì thế, tại nhiệt độ thấp ta dễ dàng xác định giá trị của ρ0 , từ đó ta sẽ xác định chất lượng của mẫu tinh thể từ tỷ suất điện trở dưRRR. 3.3. Khảo sát từ tính của vật liệu 3.3.1 Những khái niệm cơ bản về từ tính của vật liệu

Tính chất từ của vật rắn là sự hưởng ứng của nó đối với từ trường ( khi đặt vào từ trường, trạng thái vật lý của nó thay đổi). Đểđặt trưng tính chất từ của chất rắn, người ta dùng khái niệm độ từ hóa ( Magnetization) và độ cảm từ ( Magnetic Susceptibility).

Độ từ hóa hay từ độ (Magnetization) là một đại lượng sử dụng trong từ học được xác định bằng tổng mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật liệu từ. Đôi khi, từđộ còn được định nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng. Từđộ là một đại lượng véctơ. Về mặt toán học, nó được cho bởi công thức:

V m M V ∆ ∑ = → ∆ lim0 [3.6]

Với m là mômen từ nguyên tử, ∆V là thể tích. Từđộ có cùng thứ nguyên với cường độ từ trường, được liên hệ với từ trường qua hệ số từ hóa (hay còn gọi là độ cảm từ của vật liệu, ký hiệu là χ):

H

Một ví dụ minh họa từ hình 3.3 cho thấy độ từ hóa của hợp chất đất hiếm NdRhIn5. Khi áp từ trường vào trục [100] và [001] ở nhiệt độ phản sắt từ. Từđộở của [001] thể hiện sự thay đổi Spin của điện tử với hai bước nhảy và sau đó bão hòa khi H ≥ 10 Tesla. Trong khi đó, từđộ của trục [100] thể hiện bước nhảy giả và bão hòa khi tiếp tục tăng Hđến 50 Tesla.

Hình 3.3. Độ từ hóa của hợp chất đất hiếm NdRhIn5 [21].

Độ cảm từ là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của chất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Độ cảm từ còn có tên gọi khác là hệ số từ hóa . Độ cảm từ thể hiện mối quan hệ giữa từđộ (là đại lượng nội tại) và từ trường ngoài, nên thường mang nhiều ý nghĩa vật lý gắn với các tính chất nội tại của vật liệu.

Độ cảm từ, thường được ký hiệu là χ, hay χm (để phân biệt với χe - độ cảm điện) được định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa và độ lớn của từ trường:

HM M

=

χ [3.8]

với M là độ từ hóa, H là cường độ từ trường. Từ độM và từ trường H có cùng thứ nguyên do đó χ là đại lượng không có thứ nguyên.

Hình 3.4. Độ cảm ứng từ và nghịch đảo độ cảm ứng từ của hợp chất NdRhIn5 [4]. Người ta dựa vào đại lượng của độ cảm từ người ta phân chia các vật liệu thành 5 loại như sau:

- Nghịch từ: là vật liệu có χ nhỏ hơn không (âm) và có giá trị tuyệt đối rất nhỏ, chỉ cỡ khoảng 10- 5.

- Thuận từ: là vật liệu có χ lớn hơn không (dương) và có giá trị tuyệt đối nhỏ cỡ10-3.

- Sắt từ: là vật liệu có χ dương và rất lớn, có thểđạt đến 10 5.

- Feri từ: là vật liệu có χ dương và lớn (tuy nhỏ hơn sắt từ).

- Phản sắt từ: là vật liệu χ dương nhưng rất nhỏ. 3.3.1.1 Vật liệu thuận từ

Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (hình 3.5), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. Tuy nhiên, do mỗi moment nguyên tử này có mômen từ rất bé, nên mômen từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các moment từ nguyên tử này không hề có tương tác với nhau nên chúng không giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài.

Hình 3.5. Sự sắp xếp của moment từ nguyên tử của vật liệu thuận từ. 3.3.1.2. Vật liệu sắt từ

Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi "sắt từ" được đặt cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt. Các chất sắt từ có hành vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài. Tính sắt từ dùng để chỉ thuộc tính (từ tính mạnh) của các chất sắt từ. Các chất này là các chất vốn có mômen từ nguyên tử lớn và nhờ tương tác trao đổi giữa các mômen từ này, mà chúng định hướng song song với nhau theo từng vùng gọi là các đômen từ tính. Mômen từ trong mỗi vùng đó gọi là từđộ tự phát, có nghĩa là các chất sắt từ có từ tính nội tại ngay khi không có từ trường ngoài. Những nguồn gốc cơ bản tạo nên các tính chất của chất sắt từ:

Hiện tượng từ trễ:

Là một đặc trưng dễ thấy nhất ở chất sắt từ. Khi từ hóa một khối chất sắt từ các mômen từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường ngoài do đó từ độ của mẫu tăng dần đến độ bão hòa khi từ trường đủ lớn (khi đó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau). Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo chiều ngược, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ ở giá trị khác không (hình 3.6). Có nghĩa là đường cong đảo từ sẽ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngoài, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ. Có nhiều cơ chế khác nhau để tạo ra hiện tượng trễ như cơ chế dịch chuyển vách, cơ chế quay mômen từ, cơ chế hãm sự phát triển của các mầm đảo từ...Trên đường cong từ trễ, ta sẽ có các đại lượng đặc trưng của chất sắt từ như sau:

Đường cong khử từ

Đường cong từ hóa ban đầu

HC Lực kháng từ Từ mềm Từ cứng μ μ μ μo.H J

- Từđộ bão hòa: Là từđộđạt được trong trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là tất cả các mômen từ của chất sắt từ song song với nhau.

- Từ dư: Là giá trị từđộ khi từ trường được khử về 0.

- Lực kháng từ: Là từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ của mẫu về 0, hay là giá trịđể từđộđổi chiều. Đôi khi lực kháng từ còn được gọi là trường đảo từ.

- Từ thNm: Là một tham số đặc trưng cho khả năng phản ứng của các chất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài. Từ thNm của các chất sắt từ có giá trị lớn hơn 1 rất nhiều, và phụ thuộc vào từ trường ngoài.

Hình 3.6. Đường cong từ trễ của sắt từ [1].

Nhiệt độ Curie

Là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất từ tính. Ở dưới nhiệt độ Curie, chất ở trạng thái sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie, chất sẽ mang tính chất của chất thuận từ. Nhiệt độ Curie là một tham sốđặc trưng cho chất sắt từ, ví dụ như: Nhiệt độ Curie của Sắt là 1043 K.

Dị hướng từ tinh thể

Là năng lượng liên quan đến sựđịnh hướng của các mômen từ và đối xứng tinh thể của vật liệu. Do tính dị hướng của cấu trúc tinh thể, sẽ có sự khác nhau về khả năng từ hóa khi ta từ hóa theo các phương khác nhau, dẫn đến việc vật liệu có phương từ dễ , gọi là trục dễ (từ hóa) và phương từ khó (gọi là trục khó). Năng lượng dị hướng từ tinh thể là năng lượng cần thiết để quay mômen từ trục khó sang trục dễ. Hằng số dị hướng từ tinh thể là các đại lượng đặc trưng cho các chất sắt từ.

Phân loại Vật liệu sắt từ

Có nhiều cách khác nhau để phân chia các vật liệu sắt từ, nhưng cách thông dụng nhất vẫn là phân chia theo khả năng từ hóa và khử từ của vật liệu. Theo cách phân chia này sẽ có 2 nhóm vật liệu sắt từ chính:

Vật liệu từ cứng: Là các vật liệu sắt từ khó từ hóa và khó khử từ thường dùng cho các ứng dụng lưu trữ từ trường như nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ... Các vật liệu từ cứng điển hình là Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt

Vật liệu từ mềm: Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ bị khử từ, thường dùng cho các ứng dụng hoạt động trong từ trường ngoài như lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường,... Các vật liệu từ mềm điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe,...

Ứng dụng vật liệu sắt từ

Có thể nói vật liệu sắt từ đang được nghiên cứu và ứng dụng hết sức rộng rãi trong khoa học, công nghiệp cũng như trong đời sống, từ các nam châm vĩnh cửu, đến các lõi biến thế, hay cao hơn là các ổ cứng máy tính, các đầu đọc ổ cứng,...

3.3.1.3. Vật liệu phản sắt từ

Vật liệu phản sắt từđược liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Đôi khi, cũng có người gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ bởi từ tính của chúng cũng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt nguồn từ tương tác trao đổi giữa các spin. Nếu như tương tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là tương tác trao đổi dương, làm cho các spin song song nhau thì tương tác trao đổi trong phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song với nhau (Hình 3.7).

Hình 3.7. Sự sắp xếp của moment từ nguyên từ trong vật liệu phản sắt từ.

Các tính chất cơ bản của vật liệu phản sắt từ:

Ở không độ tuyệt đối (0 Kelvin), các spin của vật liệu phản sắt từ sắp xếp đối song song nhau nên từđộ bằng 0. Nhiệt độ tăng dần dẫn đến việc phá vỡ trật tự từ kiểu phản song song làm tăng độ từ hóa (và độ cảm từ, χ) của vật liệu phản sắt từ. Từ trường ngoài cũng là nguyên nhân phá vỡ trật tự phản song song của vật liệu.

Nhiệt độ Néel (TN, đặt theo tên nhà vật lý người Pháp Louis Néel): Là đại lượng đặc trưng của vật liệu phản sắt từ (cũng giống như nhiệt độ Curie trong chất sắt từ) là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ.

χ χ χ χ TN T -

Ở dưới nhiệt độ Néel, vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Nếu ta đo sự phụ thuộc của hệ số từ hóa (độ cảm từχ) vào nhiệt độ của chất phản sắt từ thì tại nhiệt độ Néel sẽ xuất hiện một cực đại, hay nói cách khác có chuyển pha tại nhiệt độ Néel (Hình 3.7).

Hình 3.8. Sự chuyển pha từ của vật liệu phản sắt từ.

Khi chúng ta khảo sát điện trở suất của vật liệu phản sắt từ thì tại nhiệt độ TN sẽ xuất hiện sự chuyển pha, ví dụ nhưđiện trở suất của NdRhIn5được cho trong hình 3.9. Vì thế khi đo điện trở suất của vật liệu thông thường ta cũng dựđoán được tính chất từ của vật liệu căn cứ vào nhiệt độ chuyển pha TN.