Trong các vật liệu từ cứng thì từ dư và lực kháng từ lớn hơn so với vật liệu từ mềm và do đó năng lượng cần thiết để triệt tiêu tính chất từ của vật liệu từ cứng cũng lớn hơn so với vật liệu từ mềm. Do các tính chất khác nhau này thì vật liệu từ cứng thường được sử dụng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu.
1.1.2.b. Hiệu ứng từ giảo
James Prescott Joule lần đầu tiên phát hiện ra hiện tượng từ giảo trên vật liệu sắt vào năm 1842 [60]. Từ giảo là hiện tượng hình dạng và kích thước của vật liệu từ thay đổi khi chịu tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật liệu bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch). Khi có sự thay đổi nhiệt độ hoặc chịu tác dụng của từ trường ngoài sẽ dẫn đến sự thay đổi trạng thái từ của vật liệu. Từ giảo thể tích
là hiện tượng thể tích của vật liệu biến đổi khi có sự thay đổi của nhiệt độ và từ giảo tuyến tính Joule là hiện tượng thể tích của vật liệu biến đổi khi có sự tác động của từ trường ngoài.
Bản chất của từ giảo cưỡng bức là do sự định hướng của các mômen từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Sự biến đổi của đám mây điện tử khi có tác động của từ trường ngoài tuỳ thuộc vào mức độ tương tác của chúng với mômen từ spin [76]. Cụ thể là:
- Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu thì các tương tác tĩnh điện là đẳng hướng. Dưới tác động của từ trường ngoài, mômen từ quỹ đạo bị thay đổi nhưng không kéo theo sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử. Sự biến đổi của đám mây điện tử được coi là rất nhỏ và dẫn đến là hầu như không quan sát thấy có hiện tượng từ giảo.
- Khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu thì các tương tác tĩnh điện trở thành bất đẳng hướng. Dưới tác động của từ trường ngoài, mômen từ quỹ đạo bị thay đổi và kéo theo sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử. Trường hợp này hiện tượng từ giảo có thể quan sát được nhưng mức độ khác nhau phụ thuộc vào tương tác spin – quỹ đạo. Có hai trường hợp xảy ra:
* Trường hợp tương tác spin - quỹ đạo yếu. Đối với các vật liệu này (các
kim loại chuyển tiếp nhóm 3d (Fe, Co, Ni)), từ trường ngoài có tác dụng quay
mômen từ spin dễ dàng theo hướng của nó. Đối với mômen từ quỹ đạo, từ trường ngoài hầu như không có tác dụng và được gọi là hiện tượng đóng băng mômen từ quỹ đạo. Trong trường hợp này, hiện tượng từ giảo vẫn quan sát được nhưng rất nhỏ.
* Trường hợp tương tác spin – quỹ đạo mạnh. Sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm quay của mômen từ spin và kéo theo cả sự quay của mômen từ quỹ đạo. Đối với các vật liệu này, hiện tượng từ giảo quan sát được rất rõ ràng và được phân thành hai loại là từ giảo âm và từ giảo dương. Khi vật liệu có sự phân
bố của đám mây điện tử dạng đĩa dẹt (chày) thì vật liệu đó thể hiện từ giảo dương (âm).
Hệ số từ giảo được xác định thông qua thực nghiệm theo công thức:
𝜆(𝜇0. 𝐻) =Δ𝑙(𝜇0. 𝐻) 𝑙0 = 𝑙(𝜇0. 𝐻) − 𝑙0 𝑙0 (1.5) Trong đó:
* l0 là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài
* l(oH) là chiều dài của mẫu khi có từ trường ngoài oH đặt vào
Hệ số từ giảo là một đại lượng không có thứ nguyên.
Có rất nhiều phương pháp xác định hệ số từ giảo khác nhau như: phương pháp sử dụng tensơ kế, phương pháp đo điện dung, phương pháp phản xạ quang học ... [6].
Bên cạnh đó, khái niệm độ cảm từ giảo (đặc trưng cho sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ trường ngoài) được định nghĩa là [6]:
𝜒𝜆 = 𝜕𝜆
𝜕𝐻
(1.6)
Độ cảm từ giảo mang ý nghĩa tương tự như độ cảm từ, tức là đều chỉ khả năng phản ứng của vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Trong trường hợp từ giảo, độ cảm từ giảo có ý nghĩa chỉ khả năng thay đổi tính chất từ giảo do từ trường. Độ cảm từ giảo có thứ nguyên là nghịch đảo của từ trường, có đơn vị
là m/A (SI) hay Oe−1 (CGS).
Các yêu cầu xuất phát từ thực tiễn đòi hỏi các vật liệu từ giảo phải có: độ từ giảo và độ cảm từ giảo lớn, nhiệt độ làm việc tương đương nhiệt độ phòng, từ trường làm việc thấp ... Trong các hệ vi điện – cơ, các vật liệu từ giảo phải đáp ứng yêu cầu có độ từ giảo lớn tại vùng từ trường thấp. Đối với cảm biến từ trường, các vật liệu từ giảo phải đáp ứng yêu cầu có độ cảm từ giảo lớn tại vùng từ trường thấp.
Tổng hợp các nghiên cứu trên các hệ vật liệu từ giảo khác nhau thu được một số nhận xét sau:
- Các nguyên tố là kim loại chuyển tiếp nhóm 3d có nhiệt độ Curie cao nhưng dị hướng từ và hệ số từ giảo của chúng rất nhỏ. Cụ thể với các kim loại điển hình là Fe, Ni và Co thì nhiệt độ Curie tương ứng là 1043 K, 631 K và 1393
K, hệ số từ giảo cực đại λS ~ 10-5. Các hợp kim của chúng (FeCo, NiCo ...) thì có
hệ số từ giảo lớn hơn (λS ~ 10-4) nhưng vẫn chưa đủ cho các ứng dụng thực tiễn
[5,77].
- Các nguyên tố là kim loại đất hiếm nhóm 4f có hệ số từ giảo khá lớn (λS
~ 10-2) nhưng lại có nhiệt độ Curie thấp hơn nhiệt độ phòng (nhiệt độ Curie của
Tb và Dy là 219,5 K và 89 K). Do đó các kim loại thuộc nhóm này khó có thể ứng dụng trong thực tiễn [5,77].
Việc tổ hợp các kim loại chuyển tiếp nhóm 3d với các kim loại đất hiếm nhóm 4f có thể tạo ra vật liệu từ giảo vừa có hệ số từ giảo lớn vừa có nhiệt độ
Curie cao. Điển hình là vật liệu TerfeNol (TbFe2) đã được tạo ra bởi A.E Clark
có giá trị hệ số từ giảo bão hòa rất lớn (λS ~ 1753×10-6) [12,13]. Tuy nhiên vật
liệu từ giảo này lại có một nhược điểm đó là từ trường bão hòa rất lớn.
Các nghiên cứu tiếp theo đã tiến hành thay thế một phần Tb bằng Dy và
đưa ra vật liệu dạng khối Tb0,27D0,73Fe2 (TerfeNol – D) có hệ số từ giảo bão hòa
rất lớn (λS ~ 2400×10-6) [13]. Tuy có hệ số từ giảo rất lớn nhưng vật liệu này vẫn
chưa có nhiều ứng dụng rộng rãi bởi độ cảm từ giảo của nó khá nhỏ.
Các nghiên cứu theo hướng phát triển và tối ưu độ cảm từ giảo của vật liệu
đã chỉ ra vật liệu băng từ vô định hình Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 (Metglas) có độ cảm từ
giảo lớn nhất (χλ = 76×10-2 T-1) đã được công bố [43]. Với sự có mặt của các
nguyên tố B, Si và Ni hợp chất đã bị giảm hệ số từ giảo so với Fe đơn chất nhưng
lại tăng cường tính chất từ mềm của hợp chất. Điều này có được là do các nguyên tố thêm vào đã góp phần tạo pha vô định hình cho hợp chất [19,22]. Vật liệu từ
giảo Metglas không những có nhiệt độ Curie cao mà còn có độ cảm từ giảo rất lớn do đó rất có triển vọng trong ứng dụng trong từ trường thấp.
1.1.3. Vật liệu mutiferroic
Các tính chất sắt cơ bản (primary ferroic) bao gồm: tính chất sắt điện, tính chất sắt từ và tính chất sắt đàn hồi. Từ ba tính chất sắt cơ bản này sẽ dẫn đến sáu tính chất sắt thứ cấp (secondary ferroic) bao gồm: ferrobielectrics, ferrobimagnetics, ferrobielastics, điện – đàn hồi, từ - đàn hồi và từ - điện. Tương ứng với các tính chất sắt điện thứ cấp này là các thông số đặc trưng bao gồm: độ cảm điện, độ cảm từ, hệ số đàn hồi, hệ số áp điện, hệ số từ đàn hồi và hệ số từ- điện [45] (hình 1.10).