5. Phương pháp nghiên cứu
1.2. Tổng quan về hợp kim Heusler
1.2.2. Tính chất của họp kim Heusler
Hợp kim Heusler là loại vật liệu mang tính sắt từ. Tính chất này có thể được giải thích theo một số lý thuyết khác nhau như: lý thuyết mômen từ định xứ, lý thuyết vùng năng lượng, lý thuyết về tương tác trao đổi. Trong đó lý thuyết về tương tác trao đổi là phù hợp nhất.
Mô hình về tương tác trao đổi được Heisenberg và Dirac độc lập đưa ra vào năm 1926. Lý thuyết này là phần mở rộng cho bài toán phân tử Hyđrô đối với hợp chất sắt từ và cho những kết luận như sau:
Năng lượng tương tác giữa hai điện tử thứ i và thứ j gần nhau có spin lần lượt ổi và ỎJ là:
E e x = - 2 (1.11)
V
trong đó Jịj là tích phân trao đổi.
Khi Jịj > 0, để có trạng thái năng lượng cực tiểu thì hai điện tử phải có spin song song, ta có trạng thái sắt từ. Khi Jij < 0, trạng thái cho năng lượng tối ưu khi hai điện tò có spin đối song, ta có trạng thái phản sắt từ. Tích phân trao đổi Jịj là một
hàm phức tạp, phụ thuộc vào khoảng cách và bán kính nguyên tử mà không liên quan tới trật tự hình học của các nguyên tò.
Khi các nguyên tố hợp thành hợp kim thì tính chất từ của họp kim thay đổi theo nồng độ các nguyên tố và không theo quy luật nhất định.
* Các loại tương tác trao đỗi Tương tác trao đổi trực tiếp:
Trong hệ tương tác giữa các điện tò, năng lượng là khác nhau trong trạng thái song song và phản song song, từ đó quyết định tính chất từ của vật liệu. Trường hợp khoảng cách nguyên tử nhỏ thì sự tương tác trao đổi trực tiếp có đặc điểm phản sắt từ. Ở khoảng cách nguyên tử lớn hơn, sự ghép đôi tạo nên tính sắt từ và ở khoảng cách lớn hơn nữa thì tính chất chuyển thành thuận từ. Sự phụ thuộc của cường độ tương tác vào vị trí và khoảng cách các nguyên tò không chỉ có ở tương tác trao đổi trực tiếp mà nó còn tồn tại ở hầu hết các loại tương tác trao đổi khác.
Tương tác trao đổi gián tiếp:
Xét trong trường hợp các điện tử là định xứ, các ion có mômen từ ở cách xa nhau và giữa các ion này có các nguyên tò nghịch từ. Lúc này sự liên kết phản sắt từ hay sắt từ vẫn có thể xuất hiện bởi tương tác trao đổi gián tiếp. Liên kết này được giải thích do sự có mặt của các nguyên tò nghịch từ. Nguyên tò nghịch từ này mang điện tử cho nguyên tử từ và tuân theo qui tắc Hund. Cơ chế phức tạp này có thể tạo ra liên kết đặc trưng sắt từ và phản sắt từ cho vật liệu.
Tương tác trao đổi RKKY\
Tương tác trao đổi RKKY (đặt theo tên của Ruderman, Kitte, Kasuya và Yoshida) là tương tác trao đổi giữa mômen từ của các nguyên tử thông qua các điện tử dẫn và tạo nên sự phân cực của các điện tử dẫn nhờ mômen từ tính cục bộ.
Theo tính loại trừ của nguyên lý Pauli, một vùng tập trung các điện tử có spin quay lên phải đi tiếp sau một vùng tập trung các điện tử có spin quay xuống. Theo cơ chế này các hình thái sắt từ và phản sắt từ nối tiếp nhau độc lập khi khoảng cách giữa các nguyên tử thay đổi. Tương tác trao đổi này giải thích được tính chất từ cho hầu hết các oxit từ, các hợp kim từ và nhất là với các chất chứa kim loại đất hiếm.
* Tương tác trao đổi trong hợp kim Heusler
Mômen từ của một đơn nguyên tử được tạo ra do tương tác trao đổi giữa các điện tó ở lớp vỏ của nó. Trong kim loại chuyển tiếp, các điện tó của lớp vỏ 3d là nguyên nhân tạo ra mômen từ tính của nguyên tò.
Với họp kim Heusler Cu2MnAl có sự liên kết liên nguyên tó Mn-Mn. Nhưng do khoảng cách giữa chúng lớn nên sự trao đổi trực tiếp là rất khó xảy ra. Vì vậy, đã có một vài cơ chế được đưa ra để giải thích tính sắt từ của hợp kim này như: cơ chế trao đổi gián tiếp để dẫn đến sự ghép đôi Mn (sự liên kết qua nhóm nguyên tố nghịch từ III-V); cơ chế có cả liên kết trao đổi trực tiếp và gián tiếp và cơ chế tương tác trao đổi RKKY. Trường hợp nguyên tố Cu được thay thế bằng các nguyên tố khác như Co hoặc Ni thì tương tác từ còn diễn ra phức tạp hom rất nhiều và đã có những đề xuất cho rằng có sự tương tác Mn-Mn thông qua nguyên tử Co hoặc Ni.
Trong hợp kim Cu2MnAl nói riêng và hợp kim Heusler nói chung có các nguyên tố kim loại nên tồn tại các điện tử dẫn. Những điện tử này góp phần vào tương tác trao đổi RKKY trong vật liệu. Do vậy, lý thuyết về tương tác trao đổi RKKY có nhiều điểm hợp lý hơn để giải thích tính sắt từ cho hợp kim Heusler. Tuy nhiên, các tương tác từ trong hợp kim Heusler là rất phức tạp và cho tới nay các nhà khoa học vẫn chưa thể lý giải được tường minh về tính chất từ của hợp kim này.
I.2.2.2. Tính chất điện của hợp kim Heusler
Tính chất điện của họp kim Heusler đã và đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Họp kim này thể hiện tính bán kim và đã trở thành một vật liệu quan trọng cho những ứng dụng trong lĩnh vực spin tử.
Năm 1983, Groot đã tìm ra tính bán kim trong hợp kim Heusler. Thuật ngữ
“bán kim” để thể hiện các tính chất điện khác nhau ở mỗi hướng của spin. Tại một hướng spin quay lên các điện tử dẫn thể hiện tính kim loại, trong khi ở hướng quay xuống xuất hiện tính bán dẫn hoặc điện môi.
Trong cấu trúc dải năng lượng của chất bán kim có đỉnh vùng hóa trị nằm cao hơn đáy vùng dẫn. Các phần tử dẫn điện trong bán kim giống với bán dẫn ở chỗ bao gồm cả điện tử và lỗ trống. Tuy nhiên, với vật liệu có tính bán kim thì sự phân
cực spin ở mức rất cao. Chỉ những điện tó có spin hướng lên mới có khả năng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, những điện tò còn lại thì bị cấm. Điều này có nghĩa là năng lượng Fecmi xác định tại vùng cấm trong cấu trúc dải spin quay xuống và tồn tại một sự phân cực gần như 100% ở mức Fecmi.
Nguồn gốc của sự phân cực spin trong hợp kim có liên quan chặt chẽ tới sự tồn tại của tính sắt từ. Gần đây người ta vẫn chưa rõ liệu có một cơ chế đơn lẻ nào có thể là nguyên nhân của sự xuất hiện khe năng lượng trong cấu trúc dải năng lượng hay không [8], Trong họp kim Heusler, tính bán kim phụ thuộc rất nhiều vào các nguyên tố nhóm III-V. Các điện tử ở phân lớp p lai hoá với các điện tử ở phân lớp d của thành phần khác để tạo nên các dải lân cận mức Fecmi. Sự hình thành các dải này bị ảnh hưởng bởi nhóm nguyên tố III-V. Bằng cách xác định hằng số mạng, người ta đã biết nguyên tố nhóm III-V tác động đến mức lai hóa và nó trực tiếp tác động đến mật độ trạng thái qua số lượng các điện tử hóa trị của nó. Tuy nhiên, cơ chế tác động ra sao và tuân theo lý thuyết nào thì vẫn chưa được làm rõ.
Tóm lại, tính chất từ và điện trong họp kim Heusler là rất phức tạp. Những tính chất này phụ thuộc vào nhiều tham số, chúng không những lệ thuộc vào thành phần các nguyên tố trong họp kim mà còn phụ thuộc vào mẫu dạng khối hay màng mỏng, phụ thuộc vào phần giữa hay vùng biên của vật liệu.