1.1. Một số vấn đề vật lý trong các hệ từ tính có kích thƣớc nanơ
1.1.1. Hiệu ứng phụ thuộc kích thƣớc trong các hệ từ tính có kích thƣớc nanô
Một trong số các nguyên nhân quan trọng gây nên các tính chất vật lý mới trong các hệ từ tính có kích thƣớc nanơ (NMS – nanosized magnetic system) đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng phụ thuộc kích thƣớc (SE – size effect). Khi cấu trúc của hệ đã tiệm cận đến giới hạn kích thƣớc nanơ thì số các nguyên tử trên bề mặt so với số các nguyên tử ở bên trong khối vật thể là đáng kể, lúc đó sự khác biệt về tính chất của các nguyên tử ở bề mặt cấu trúc (hoặc ở bề mặt tiếp xúc giữa các phần của cấu trúc) là nguyên nhân của nhiều hiện tƣợng vật lý mới lạ. Cho ví dụ, hạt nanô Co – FCC với bán kính khoảng 1,6 nm với một hằng số mạng 0,36 nm, sẽ có khoảng 67% trong số chúng nằm ở bề mặt [23].
Các hiệu ứng phụ thuộc kích thƣớc trong các hệ NMS đã đƣợc nghiên cứu vài thập kỉ trƣớc. Ví dụ, Bloch vào những năm 1930 đã nhận ra là một màng mỏng từ 2 chiều sẽ không bền vững do các thăng giáng nhiệt ở nhiệt độ hữu hạn [20]– kết quả này sau đó đã đƣợc xem xét và xác định tính đúng đắn của nó bởi Mermin và Wagner [93]. Theo Mermin–Wagner, trật tự từ xa không thể tồn tại trong các mơ hình Heisenberg đẳng hƣớng 1 chiều (1D – one dimension) và 2 chiều (2D – two dimension).
Hiệu ứng SE dẫn đến mômen từ không đồng nhất trong các hệ NMS. Bảng 1.1 tóm tắt một số kết quả tính tốn cho mơmen từ của các nguyên tử thuộc lớp bề mặt và các lớp bên trong vật liệu màng mỏng kim loại chuyển tiếp 3d (tính từ lớp trung tâm của màng mỏng). Ở đây cũng đƣa ra cấu trúc mạng cơ bản. Mômen từ của mỗi nguyên tử (đo trong đơn vị B) đƣợc tăng cƣờng mạnh ở bề mặt, giảm dần theo vị trí các lớp và đạt đến giá trị khối ở lớp trung tâm. Khuynh hƣớng tăng cƣờng mômen từ bề mặt khi số các nguyên tử lân cận gần nhất (n.n) trên bề mặt giảm trở nên rõ ràng hơn khi chúng ta đƣa vào các dây nguyên tử và
nguyên tử tự do để so sánh. Cho ví dụ, đối với Ni, các mơmen từ của khối, bề mặt (001), dây tuyến tính và cuối cùng nguyên tử tự do, lần lƣợt là 0,56; 0,68; 1,1 và 2,0 B[41] và 2,25; 2,96; 3,3 và 4,0 B cho Fe [41]. Rõ ràng, các mômen từ đạt đến giá trị của nguyên tử tự do khi số chiều bị giảm. Một số tác giả đã sử dụng mơ hình vùng Stoner, mơ hình mơ tả hiện tƣợng từ các điện tử linh động [25], để giải thích hiện tƣợng tăng cƣờng mơmen từ ở bề mặt. Tiêu chuẩn Stoner cho sự tồn tại của sắt từ chứa đựng một đại lƣợng quan trọng: mật độ trạng thái ở mức Fermi D(EF), chúng xác định mômen từ cho mỗi nguyên tử. Tuy nhiên mật độ trạng thái D(EF) phụ thuộc vào sự phủ của các hàm sóng điện tử thuộc các nguyên tử cạnh nhau trong chất rắn, và do đó cũng phụ thuộc vào số các nguyên tử lân cận gần nhất. D(EF) thƣờng khác với giá trị của nó ở mẫu khối hay bên
trong màng mỏng.
Bảng 1.1.Mômen từ (B) của lớp bề mặt và lớp trung tâm, và mức độ gia tăng (%) tương ứng của mômen từ bề mặt kim loại chuyển tiếp.
Hệ Lớp bề mặt Lớp trung tâm Mức độ gia tăng (%)
BCC Fe(001) [101] 2,96 2,27 30 FCC Ni(001) [40, 145] 0,68 0,56 23 FCC Fe(001) [43] 2,85 1,99 43 BCC Co(001) [73] 1,95 1,76 11 FCC Co(001) [76] 1,86 1,65 13
Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết cũng đã chỉ ra các tính chất nhiệt động lực học của các hệ từ tính cũng phụ thuộc mạnh vào hiệu ứng SE. Nhóm nghiên cứu của R. Masrour [87] sử dụng kĩ thuật khai triển chuỗi nhiệt độ cao và nhóm của Cabral [22] sử dụng lý thuyết trƣờng hiệu dụng tƣơng quan để nghiên cứu sự chuyển pha và các tính chất từ của một màng mỏng sắt từ spin – S cho các mơ hình Heisenberg, XY, Ising. Nhiệt độ tới hạn rút gọn C của các hệ đƣợc nghiên cứu nhƣ một hàm của bề dày màng mỏng và các tƣơng tác trao đổi trong các bề mặt và kết quả là C tăng theo các tƣơng tác trao
đổi của bề mặt và bề dày của màng mỏng.
Ta có thể kể đến ảnh hƣởng của SE lên các tính chất truyền của điện tử trong các hệ thấp chiều. Ví dụ nhƣ hiệu ứng xuyên hầm của điện tử trong các hệ từ tính có kích thƣớc nanơ, và có thể gây ra hiệu ứng từ trở xuyên hầm phụ thuộc spin [138, 150]. Hiệu ứng xuyên hầm là một hiệu ứng cơ học lƣợng tử, chỉ có thể xảy ra với các hệ có kích thƣớc nanơ, khơng quan sát đƣợc trong các hệ khối tƣơng ứng vì bị nhịe đi rất nhiều, … .
Hơn thế nửa, sự phá vỡ tính đối xứng của bề mặt cũng dẫn đến tính dị hƣớng từ bề mặt, là nguyên nhân của nhiều hiện tƣợng vật lý thú vị trong các hệ thấp chiều [64, 67].Equation Chapter 1 Section 1
Nhƣ vậy, đa số các lý thuyết đều tập trung nghiên cứu bốn vấn đề cơ bản của từ học thấp chiều. Mômen từ là đại lƣợng cơ bản nhất trong từ học, nó là một đại lƣợng khơng dễ để đo trong màng mỏng, giúp xác định đƣợc nhiệt độ Curie của các hệ; hằng số trao đổi là một hằng số cơ bản trong từ học, cực kỳ khó để đo chính xác trong các hệ khối, và càng khó hơn trong các hệ NMS; vai trị của số chiều lên các hành vi từ của các màng mỏng và cuối cùng là tính dị hƣớng bề
mặt. Tuy nhiên, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu các tính chất từ của màng mỏng với mơ hình Heisenberg đẳng hƣớng. Vì vậy, trong các phần sau của chƣơng này tác giả trình bày một số vấn đề vật lý liên quan đến hiệu ứng phụ thuộc kích thƣớc và hiệu ứng bề mặt liên quan đến luận án của tác giả.