Lực khỏng từ và dị hướng từ tinh thể

M  Quỏ trỡnh thuận đúng gúp χH trở nờn lớn hơn so

CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CÁC HẠT Gd3Fe5O12 KÍCH THƯỚC NANOMET

4.2.3 Lực khỏng từ và dị hướng từ tinh thể

Lực khỏng từ Hc được xỏc định ở vựng từ trường thấp, quanh gốc tọa độ trờn đường cong từ trễ của vật liệu. Cỏc giỏ trị lực khỏng từ phụ thuộc nhiệt độ của cỏc hạt nano GdIG được chỉ ra trong hỡnh 4.11.

0.00.4 0.4 0.8 1.2 (b) H c ( kO e ) (a) 0 100 200 300 400 500 0 20 40 T (K) H fl ( kO e )

Hỡnh 4.11 Lực khỏng từ phụ thuộc nhiệt độ (a) và từ trường tương ứng với trạng thỏi trễ cực đại (b) của cỏc hạt nano GdIG.

Theo đú, trong khoảng nhiệt độ từ 5 đến 175 K, giỏ trị Hc giảm dần mà nguyờn nhõn chủ yếu bắt nguồn từ năng lượng dị hướng. Đối với vật liệu khối, ở nhiệt độ thấp, giỏ trị hằng số dị hướng từ tinh thể K1 là 105 erg/cm3 và giảm mạnh xuống cũn 103 erg/cm3 khi nhiệt độ tăng đến nhiệt độ phũng [112]. Giỏ trị hằng số dị hướng lớn ở vựng nhiệt độ thấp là do đúng gúp dị hướng của phõn mạng {c}, cụ thể là trật tự spin của phõn mạng Gd ở dưới 100 K. Trong mẫu hạt nano GdIG, ngoài đúng gúp của dị hướng từ tinh thể của lừi hạt cũn cú đúng gúp của dị hướng từ bề mặt và dị hướng ngẫu nhiờn do tương tỏc giữa cỏc hạt. Ở trờn 175 K, giỏ trị Hc bắt đầu tăng và xuất hiện một đỉnh cực đại của Hc = 1,2 kOe ở lõn cận điểm nhiệt độ bự trừ. Khi nhiệt độ tăng lờn, ra xa khỏi nhiệt độ bự trừ, giỏ trị

92

Hc giảm dần và bằng 0 ở khoảng 500 K. Ở nhiệt độ này, cỏc hạt pheri từ kớch thước nanomet chuyển sang trạng thỏi siờu thuận từ. Nhiệt độ khúa TB xỏc định trạng thỏi chuyển pha của vật liệu cú liờn quan với hằng số dị hướng hiệu dụng theo cụng thức (1.25) 25 B B KV T k  .

Đối với cỏc hạt GdIG kớch thước khoảng 38 nm khụng cú tương tỏc và giỏ trị hằng số dị hướng hiệu dụng Keff = 104 erg/cm3, giỏ trị TB tớnh được là 76 K. Kết quả này cho thấy cỏc hạt nano GdIG trong mẫu nghiờn cứu là một hệ tương tỏc mạnh trong đú tương tỏc giữa cỏc hạt khiến cho nhiệt độ khúa của vật liệu rất cao (TB ~ 500 K). Ở nhiệt độ T > TB, năng lượng nhiệt lớn hơn tổng năng lượng dị hướng và năng lượng tương tỏc giữa cỏc hạt, lực khỏng từ của vật liệu bằng 0. Với cỏc hạt đồng nhất, năng lượng tương tỏc giữa cỏc hạt tỉ lệ với bỡnh phương mụmen từ à2 của hạt [113] và do đú, trường tương tỏc tổng cộng Hint tỉ lệ với mụmen từ à. Ta cú thể đỏnh giỏ độ lớn của trường tương tỏc Hint giữa cỏc hạt GdIG cú đường kớnh 38 nm ở 500 K là kBT/à(T)  130 Oe, khi nhiệt độ giảm xuống 5 K, giỏ trị này cao gấp khoảng 30 lần, lờn đến 4 kOe.

Tiếp theo ta thảo luận về sự biến thiờn của lực khỏng từ quanh điểm bự trừ. Hiện tượng xuất hiện đỉnh đơn cực đại Hc tại lõn cận điểm bự trừ đó được quan sỏt thấy trong một số vật liệu pherit ganet núi chung [22] và vật liệu GdIG núi riờng, bao gồm cả đơn tinh thể, đa tinh thể [20,22] và cỏc hạt cú kớch thước micromet [99]. Như đó đề cập trong chương 1, lực khỏng từ của cỏc mẫu ganet biến đổi dưới dạng một đỉnh kộp hoặc đơn quanh điểm bự trừ tựy thuộc vào độ đồng nhất của mẫu. Sự hỡnh thành đỉnh đơn của Hc trong trường hợp này cho thấy mẫu cũn tồn tại sự bất đồng nhất về thành phần. Để phõn tớch tớnh dị thường của quỏ trỡnh từ húa này, Hanton [22] giả thiết rằng cỏc mẫu ganet chuyển về trạng thỏi đơn đụmen khi đi qua điểm nhiệt độ bự trừ do khi đú mụmen từ của mẫu rất nhỏ dẫn đến cấu trỳc đa đụmen khụng được ưu tiờn hỡnh thành. Vỡ thế quỏ trỡnh từ húa mẫu ở khoảng nhiệt độ này xảy ra do quỏ trỡnh quay mụmen từ chứ khụng phải do quỏ trỡnh dịch vỏch đụmen. Sự biến đổi của Hc ở gần Tcomp cú thể được hiểu thụng qua việc khai triển cỏc giỏ trị mụmen từ của cỏc phõn mạng

93 Gd và Fe ở lõn cận Tcomp theo phương phỏp của Geschwind và Walker [114]. Để khai triển biểu thức tớnh cỏc giỏ trị từ độ phõn mạng quanh giỏ trị cõn bằng

MFe(Tcomp) = MR(Tcomp) tại Tcomp cỏc tỏc giả lập luận rằng phõn mạng đất hiếm cú mụmen từ chưa bóo hũa và giỏ trị mụmen từ sẽ tăng khi tăng từ trường ngoài nhờ quỏ trỡnh thuận. Mụmen từ tổng của vật liệu M = MR MFe ở vựng lõn cận Tcomp

được khai triển theo phương trỡnh sau:

1 / 

c Fe comp

M   HM T T (4.1)

Trong đú clà độ cảm từ của phõn mạng đất hiếm, H là từ trường đặt vào. Theo Stoner và Wohlfarth [25], Hc = AKM trong đú A là hệ số phụ thuộc vào định hướng mụmen của hạt, do đú:

 

/ 1 /

c c Fe comp

H AK  H M T T (4.2)

Phương trỡnh này cho thấy Hc ở gần Tcomp thay đổi theo 1T T/ comp , phự hợp về mặt định tớnh với dỏng điệu của sự phụ Hc theo T xỏc định được bằng thực nghiệm như trong hỡnh 4.11. Cỏc tỏc giả trước đõy đó xỏc định được giỏ trị cực đại Hc của cỏc mẫu GdIG dạng đơn, đa tinh thể và hạt kớch thước micromet tương ứng là 55, 255 và 700 Oe. Giỏ trị cực đại của Hc thu được cho mẫu hạt nano GdIG trong nghiờn cứu này lờn tới 1,2 kOe, lớn hơn rất nhiều so với cỏc giỏ trị trờn. Điều này chỉ ra rằng cỏc hạt nano thực sự ở trạng thỏi đơn đụmen trong khi đối với mẫu khối, giả thiết về trạng thỏi đơn đụmen ở nhiệt độ bự trừ chỉ là trường hợp lý tưởng húa [22]. Cỏc giỏ trị cực đại Hc cụng bố trước đõy cú giỏ trị nhỏ hơn cũn cú thể là do từ trường cực đại đặt vào trong quỏ trỡnh nghiờn cứu chưa đủ lớn để tạo ra cỏc đường từ trễ cực đại (full loop). Cỏc giỏ trị từ trường

Hfl cần thiết để xõy dựng được đường cong từ trễ hoàn toàn đối với mẫu hạt nano GdIG ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau được chỉ ra trong đồ thị (b) trong hỡnh 4.11. Trờn hỡnh này, chỳng ta cũng cú thể thấy xuất hiện một đỉnh cực đại của Hfl ở vựng nhiệt độ Tcomp, tương tự như Hc. Ở nhiệt độ trờn 175 K, cỏc giỏ trị Hfl bắt đầu tăng

94 và đạt giỏ trị cực đại. Do vậy, cú thể thấy, quỏ trỡnh thuận ảnh hưởng rất mạnh lờn đường trễ của vật liệu ở lõn cận nhiệt độ bự trừ. Đường cong từ trễ của GdIG ở T = 286,5 K, giỏ trị từ trường Hfl lờn đến 46 kOe. Ở T = Tcomp, dựa trờn phương trỡnh (4.2) và sử dụng cỏc giỏ trị độ cảm từ và lực khỏng từ xỏc định được từ đường cong từ trễ, giỏ trị AKeff tớnh toỏn được là 1,2103 erg/cm3. Giỏ trị này nằm trong khoảng giỏ trị độ lớn của dị hướng từ tinh thể của mẫu khối. Tuy vậy, rất khú để xỏc định được giỏ trị cụ thể của Keff vỡ hệ số A trong trường hợp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tương tỏc giữa cỏc hạt, số cỏc phương định hướng của mụmen từ của cỏc hạt được quyết định bới sự cạnh tranh giữa dị hướng từ phần lừi và bề mặt hạt.

4.3 Kết luận chương 4

Túm lại, trong chương 4, tỏc giả đó trỡnh bày cỏc nghiờn cứu về tập hợp cỏc hạt nano GdIG cú kớch thước trung bỡnh 38 nm, được chế tạo bằng phương phỏp sol-gel. Cỏc nghiờn cứu đó chỉ ra mẫu cỏc hạt nano đó chế tạo cú cấu trỳc ganet đơn pha và cú thành phần phự hợp với cụng thức danh định. Bờn cạnh cỏc đặc trưng tương tự như mẫu khối như nhiệt độ bự trừ và nhiệt độ Curie, lực khỏng từ xuất hiện đỉnh cực đại tại lõn cận nhiệt độ bự trừ, cỏc hạt nano GdIG thể hiện một số tớnh chất từ khỏc biệt do ảnh hưởng của hiệu ứng kớch thước hạt hữu hạn. Sự khỏc biệt thể hiện ở sự giảm mụmen từ tự phỏt so với mẫu khối ở vựng nhiệt độ T

< Tcomp nhưng lại lớn hơn mẫu khối khi T > Tcomp, mẫu thể hiện độ cảm từ lớn ở từ trường cao. Ngoài ra, sự bất thuận nghịch của đường cong từ húa duy trỡ ở từ trường cao cũng khẳng định cấu trỳc phức tạp của cỏc spin bị ghim theo cỏc phương mất trật tự trờn lớp bề mặt của hạt. Tương tỏc giữa cỏc hạt đúng vai trũ quan trọng trong tớnh chất trễ từ của mẫu. Cỏc hiện tượng này đó được phõn tớch, lý giải dựa trờn cỏc mụ hỡnh lý thuyết sẵn cú. Để xỏc định rừ sự ảnh hưởng của lớp vỏ bề mặt, vai trũ của nguyờn tố đất hiếm Gd và tương tỏc giữa cỏc hạt lờn tớnh chất từ, cần cú sự nghiờn cứu sõu hơn.

95

CHƯƠNG 5