2.1. Các tính chất đặc trưng của vật liệu nano pherit spinen
2.1.6. Tính chất siêu thuận từ
Vào năm 1930, Frenkel và Dorfman đã đưa ra khái niệm siêu thuận từ của vật liệu từ tính ở quy mơ hạt nano, theo đó, nếu các hạt nano có từ tính và kích thước hạt là đủ nhỏ thì những hạt nano này sẽ có tính siêu thuận từ [2]. Các nghiên cứu sau đó đã chứng minh tính đúng đắn cho dự đoán này. Năm 1949, Néel đã chỉ ra rằng, khi năng lượng dao động nhiệt (kBT) lớn hơn năng lượng dị
hướng ( E = KV với K- hằng số dị hướng từ tinh thể, V- thể tích hạt) thì mơmen từ
tự phát của hạt có thể thay đổi từ hướng từ hóa dễ này sang hướng từ dễ khác ngay cả khi khơng có từ trường ngồi. Mơmen từ của hạt là = MSV.
Nếu có một từ trường ngoài đặt vào thì mơmen từ sẽ hướng theo hướng của từ trường ngồi cịn năng lượng chuyển động nhiệt sẽ hướng ngược lại. Ở nhiệt độ nhất định, vật liệu dạng khối có năng lượng dị hướng từ lớn hơn nhiều so với năng lượng nhiệt (kBT) (hình 2.9) nên năng lượng nhiệt của hạt không đủ để đảo
ngược hướng quay của spin, vì vậy vật liệu là sắt từ [12]. Tuy nhiên, khi kích thước của các hạt giảm xuống thang nano mét, năng lượng dị hướng nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, vì vậy năng lượng nhiệt đủ để đảo ngược hướng spin ngay
cả khi khơng có từ trường ngồi. Hạt như vậy thể hiện tính chất siêu thuận từ. Đường cong từ hóa có dạng như hình 2.7 (đường mầu đỏ) và tuân theo hàm Langevin cho hệ thuận từ [11].
1 coth( ) S M L a a M a (2.9) với B H a k T
, trong đó là mômen từ của một hạt, MS là mômen từ bão hòa của hạt.
Đường cong từ hóa này có đặc điểm là mômen từ bão hịa cao, khơng có hiện tượng trễ từ (Mr = 0, HC = 0). Hiện tượng từ trễ sẽ xuất hiện và biến mất khi những hạt có kích thước nhất định bị làm lạnh tới một nhiệt độ tới hạn hoặc khi nhiệt độ không thay đổi, kích thước hạt tăng đến mức lớn hơn kích thước tới hạn của hạt.
Bahar Nakhjavan cùng các đồng nghiệp của mình đã chế tạo thành cơng mẫu hạt spinen pherit CuFe2O4 có kích cỡ 5-7 nm và nghiên cứu tính chất từ của mẫu
Hình 2.6. Sơ đồ năng lượng của các hạt từ có
spin liên kết khác nhau thể hiện tính sắt từ trong hạt lớn (trên) và tính siêu thuận từ trong một hạt nano (dưới) [12].
Hình 2.7. Đường cong từ hóa của
(300 K) chỉ ra: ở nhiệt độ 5 K, lực kháng từ HC = 122 Oe, các hạt nano thể hiện tính pheri từ. Cịn khi ở nhiệt độ 300 K, lực kháng từ HC = 0, lúc này các hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ (hình 2.8) [10].
Với hạt có kích thước khơng đổi thì tại nhiệt độ khóa (TB) năng lượng dị hướng từ bị thắng thế bởi năng lượng nhiệt (ΔE < kBT) và các hạt nano trở nên
hồi phục siêu thuận từ. Dưới nhiệt độ này thì từ độ sẽ hướng theo phương trục dễ, còn trên nhiệt độ này từ độ hướng theo phương của từ trường ngoài.
Hình 2.8. Đường cong từ hóa của hạt nano CuFe2O4 ở 5 K và 300 K [10].
Nghiên cứu về nhiệt độ khóa của hạt nano từ được thực hiện trên hai cách đo khác nhau: - Dựa vào hàm HC(T) : 1 2 0 1 (2.10) C C B T H H T
có thể nhận thấy lực kháng từ Hc của mẫu hạt nano bị giảm về 0 ở nhiệt độ TB. (TB là nhiệt độ chuyển pha từ pha pheri từ sang pha siêu thuận từ). HC(0) là lực kháng
từ ở 0 K.
- Dựa vào phép đo mômen từ phụ thuộc nhiệt độ khi làm lạnh mẫu khơng có từ trường ZFC (zezo field cooled) và làm lạnh mẫu có từ trường FC (field cooled): đường biểu diễn giá trị của mômen từ theo nhiệt độ trong hai phép đo sẽ gặp nhau tại nhiệt độ TB (hình 2.9).
Cũng theo kết quả nghiên cứu của Bahar Nakhjavan [10], các hạt CuFe2O4 có kích thước trong khoảng từ 5-7 nm, được đặt trong từ trường 100 Oe và nhiệt độ khóa TB được xác định từ hình 2.9, có giá trị là 60 K.
Hình 2.9. (b) Đường M(T) khi làm lạnh trong từ trường (FC) và làm lạnh khơng có từ
trường (ZFC) của hạt nano CuFe2O4 [10].
Do tính dị hướng của các hạt nano từ, mơmen từ trong hạt thường chỉ có hai định hướng đối song với nhau theo phương của trục dễ, phân cách bởi một rào cản năng lượng. Ở nhiệt độ hữu hạn, có một tần số hữu hạn của mơmen từ để đảo hướng của mômen từ. Thời gian trung bình của quá trình đảo spin được gọi là thời gian hồi phục Néel (τN) và được xác định bởi phương trình Néel – Arrhenius
như sau: N 0.exp B KV k T (2.11)
trong đó: τ0 là thời gian hồi phục đặc trưng của vật liệu, gọi là tần số thực nghiệm, giá trị tiêu biểu của nó là 10-10÷ 10-9 giây [11].