Báo cáo Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tinh thể (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tinh thể (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TINH THỂ ZN0.64 NI0.36 FE2O4 Mã số: T2015 - 01 Chủ nhiệm đề tài: THS. GV. Nguyễn Văn Thức SKC005574 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TINH THỂ ZN0.64 NI0.36 FE2O4 Mã số: T2015-01 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Nguyễn Văn Thức TP. HCM, Tháng 11 năm 2015
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TINH THỂ ZN0.64 NI0.36 FE2O4 Mã số: T2015-01 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Nguyễn Văn Thức TP. HCM, Tháng 11 năm 2015 1
4. DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác Nhiệm vụ đƣợc giao ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH STT Tên đơn vị trong và ngoài nƣớc Nội dung phối hợp 2
5. MỤC LỤC MỤC LỤC 3 - Bản thuyết minh và đĩa CD. 5 - Một bài báo đăng trên web/nội san khoa. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 9 1.1 KHÁI NIỆM CĂN BẢN 10 1.1.1 Từ trường 10 1.1.2 Vecto từ trường 10 1.2 TÍNH CHẤT TỪ CỦA NGUYÊN TỬ 11 1.3 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ 12 1.3.1 Nghịch từ và thuận từ 12 1.3.2 Sắt từ 14 1.3.3 Phản sắt từ 15 1.3.4 Ferit từ 15 1.4 ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TỪ TÍNH 17 1.5 CÁC DẠNG TƢƠNG TÁC CƠ BẢN TRONG VẬT LIỆU TỪ 17 1.5.1 Tương tác trao đổi - Sự từ hóa tự phát 17 1.5.2 Tương tác từ tinh thể - Hằng số dị hướng từ tinh thể 18 1.5.3 Tương tác từ đàn hồi 19 1.5.4 Tương tác từ tĩnh 19 1.6 CẤU TRÚC ĐOMEN 19 1.7 LÝ THUYẾT TỪ HOÁ VÀ TỪ TRỄ 21 1.8 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU TỪ 23 1.8.1 Sắt non và sắt kĩ thuật 26 1.8.2 Thép silic 27 1.8.3 Hợp kim Fe-Ni 29 1.8.4 Vật liệu từ mềm đặc biệt 30 1.8.5 Vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu) 33 1.8.6 Ứng dụng của vật liệu từ 37 1.9 SƠ LƢỢC VỀ VẬT LIỆU TỪ FERIT 39 1.9.1 Công nghệ chế tạo 39 1.9.2 Ferit từ mềm 41 1.9.3 Ferit granat 44 1.9.4 Ferit từ cứng 45 1.10 TỔNG QUAN về vật liệu từ nano tinh thể 45 1.11 CƠ SỞ LỰA CHỌN VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 47 CHƢƠNG 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 49 2.1 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 50 2.1.1 CHẾ TẠO MẪU 50 3
6. 2.1.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55 2.1.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 60 CHƢƠNG 3 KẾT LUẬN 79 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Một số thông số từ tính và đơn vị 11 Bảng 1-2 Độ cảm từ χm ở nhiệt độ phòng của một số vật liệu nghịch từ và thuận từ 14 Bảng 1-3 Momen từ spin của ion Fe2+ và Fe3+ trong một ô cơ sở của Fe3O4 16 Bảng 1-4 So sánh các đặc điểm của vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng 26 Bảng 1-5 Thông số từ của một số hợp kim từ cứng đặc biệt 37 Bảng 1-6Phân loại vật liệu từ theo chức năng 38 Bảng 1-7 Thông số từ của một số loại ferit Ni-Zn không có cấu trúc nano 41 Bảng 1-8 Thông số từ của một số loại ferit Mn-Zn 43 Bảng 1-9 Tính toán momen từ của một số vật liệu ferit từ spinel 44 Bảng 1-10 Lĩnh vực sử dụng của ferit 45 Bảng 1-11 Thông số một số vật liệu nano tinh thể ferit từ 47 Bảng 2-1 So sánh giữa các phương pháp chế tạo 50 Bảng 2-2 Tính toán lượng muối và nước ở nồng độ 0.6 M 51 Bảng 2-3 Tính toán lượng muối và nước ở nồng độ 0.4 M 52 Bảng 2-4 Tính toán lượng muối và nước ở nồng độ 0.2 M 52 Bảng 2-5 Tính toán lượng muối và nước ở nồng độ 0.1 M 52 Bảng 2-6 Thành phần hóa học của mẫu 11 65 Bảng 2-7 Ảnh hưởng của nồng độ tiền chất đến kích thước hạt ferrite 65 Bảng 2-8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt nano 71 Bảng 2-9 Ảnh hưởng của thời gian nung đến kích thước hạt nano 73 Bảng 2-10 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến Hc 75 Bảng 2-11 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến µr (tần số đo 100 kHz) 76 4
7. THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tinh thể Zn0.64Ni0.36Fe2O4. - Mã số: T2015– 01 - Chủ nhiệm: Nguyễn Văn Thức - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM - Thời gian thực hiện: 01/2015 – 11/2015 2. Mục tiêu: Khảo sát ảnh hƣởng của chế độ đồng kết tủa đến kích thƣớc hạt của vật liệu ferit nano tinh thể Zn0.64Ni0.36Fe2O4. 3. Nội dung chính: - Vật liệu từ nano. - Phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ nano tinh thể. - Kiểm tra kích thƣớc hạt bằng kính hiển vi SEM. - Kiểm tra cấu trúc tinh thể hạt bằng XRD. 4. Kết quả nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ tiền chất (NiCl2, FeCl3, ZnSO4), của nhiệt độ và thời gian thiêu kết tới cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ Zn0.64Ni0.36Fe2O4. 5. Sản phẩm: - Bản thuyết minh và đĩa CD. - Một bài báo đăng trên web/nội san khoa. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Giúp hỗ trợ môn học vật liệu học. Ngày 28 tháng 10 năm 2015 Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) 5
8. INFORMATION OF RESEARCH RESULTS 1. General information: - Tittle: “Effect of co-precipitation method on nanocrystalline structure of ferrite Zn0.64 Ni0.36Fe2O4”. - Code number: T2015 – 01 - Author: Nguyen Van Thuc - Organization: HCMCUniversity of Technology and Education - Date: 01/2015 – 11/2015 2. Purpose: The Effect of co-precipitation method on nanocrystalline structure of ferrite Zn0.64 Ni0.36Fe2O4 .was studied. Samples were maken by co-precipitation method from NiCl2, FeCl3, ZnSO4 and NaOH. 3. Main content: This article studied the effect of co–precipitation method, temperature, time on nanocrystalline structure of ferrite Zn0.64Ni0.36Fe2O4 4. Results: Experimental includes effect of concentrations, calcination time and temperature on this magnetic material 5. Product: - CD - Paper 6. Effectivity, delivery method of research results and application ability: Support formaterials science and engineering. Oct, 28 ,2015 6
9. MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc: Ở Việt Nam, vật liệu nano ferit từ đã bắt đầu đƣợc nghiên cứu, thƣờng tập trung vào lĩnh vực y sinh nhƣ đề tài: Chế tạo và nghiên cứu chất lỏng từ tính của TS. Nguyễn Hoàng Hải – ĐH KHTN – ĐHQG HN để đánh dấu tế bào bạch cầu; Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của các hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong y sinh học của Nguyễn Hữu Đức và cộng sự - Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano - Trƣờng ĐHCN, ĐHQG HN; Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ tiền chất lên kích thƣớc và từ tính hạt nano oxide sắt từ Fe3O4 của Trần Yến Mi – ĐH Cần Thơ ứng dụng trong sinh học Nguyễn Văn Dán. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu kết tới tính chất từ của vật liệu ferit Zn0.64Ni0.36Fe2O4. Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, 2008, trang 38÷42. 2. Tính cấp thiết: Bổ sung mẫu ở phòng thí nghiệm Vật Liệu Học, phục vụ chƣơng trình 150 tín chỉ. Mẫu ở phòng thí nghiệm bị mòn nhiều, sắp hết sử dụng đƣợc. 3. Mục tiêu: Khảo sát ảnh hƣởng của chế độ đồng kết tủa đến kích thƣớc hạt của vật liệu ferit nano tinh thể Zn0.64Ni0.36Fe2O4. 4. Cách tiếp cận: Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ tiền chất, nhiệt độ, thời gian đến kích thƣớc hạt của vật liệu ferit nano tinh thể Zn0.64Ni0.36Fe2O4. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: Phân tích cấu trúc và thành phần hóa học và của ferrite bằng phổ XRD và phổ EDX và tại Phòng Thí nghiệm Nano-Khu công nghệ cao Q.9 và Viện vật lý, Tp. HCM. Xác định kích thƣớc hạt bằng phƣơng pháp dùng công thức Scherrer dựa vào chiều rộng ở nửa đỉnh nhiễu xạ có cƣờng độ mạnh nhất trên phổ XRD, kết hợp với dùng 7
10. kính hiển vi điện tử quét SEM, hãng Hitachi S-4800, SerialNumber=HI-9022-0003 độ phóng đại từ 150.000÷200.000x tại Viện hóa học, Tp. HCM. Xác định từ tính (µ, Ms, Hc) bằng thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) của hãng MicroSense-USA và thiết bị Q kế LCR-819 meter INSTEK tại Viện vật lý, Tp. HCM. 6. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Vật liệu ferit nano tinh thể Ferit Zn0.64Ni0.36Fe2O4. 7. Nội dung nghiên cứu: - Vật liệu từ nano. - Phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ nano tinh thể. - Kiểm tra kích thƣớc hạt bằng kính hiển vi SEM. - Kiểm tra cấu trúc tinh thể hạt bằng XRD. 8
11. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 9
12. 1.1 KHÁI NIỆM CĂN BẢN 1.1.1 Từ trƣờng Bất kì dòng điện nào cũng đều gây ra xung quanh nó 1 từ trƣờng. Khi đặt một dòng điện khác vào trong không gian này thì dòng điện này sẽ bị lực từ tác dụng. Thông qua từ trƣờng, lực từ đƣợc truyền từ dòng điện này tới dòng điện khác. Vận tốc truyền tƣơng tác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không. Nhƣ vậy, từ trƣờng là 1 dạng của vật chất, là một dạng đặc biệt của trƣờng điện từ. Hình 1-1 Momen từ trong vật liệu [6] 1.1.2 Vecto từ trƣờng Vecto cƣờng độ từ trƣờng kí hiệu là H. Nếu từ trƣờng tạo bởi cuộn dây có N vòng, chiều dài l, cƣờng độ dòng điện chạy trong cuộn dây là I, thì cƣờng độ từ trƣờng đƣợc tính bằng: N. I = l Hình 1-2 (a) Độ từ cảm B0 trong môi trường chân không (b) Độ từ cảm B trong môi trường chất rắn [6] Độ từ cảm B cũng là một đại lƣợng vecto, thể hiện cƣờng độ cảm ứng từ của vật liệu đặt trong từ trƣờng H: B = µ.H Với µ là độ từ thẩm của môi trƣờng. Trong chân không: 10
13. B0 = µ0 .H -7 Với µ0 là độ từ thẩm của chân không, µ0 là một hằng số có giá trị là 4π.10 H/m. Đôi khi còn dùng độ từ thẩm tỷ đối để so sánh mức độ từ hoá giữa vật rắn và chân không: µ µ = µ0 Còn một đại lƣợng thƣờng dùng nữa là độ từ hoá M tính toán bởi: B = µ0.H + µ0.M Khi tồn tại từ trƣờng H, momen từ trong vật liệu có xu hƣớng song song với chiều của từ trƣờng ngoài bằng cách xoay từ trƣờng của nó. Thông số µ0.M trong công thức B = µ0.H + µ0.M thể hiện xu hƣớng này. Cƣờng độ của độ từ hoá M thể hiện qua: M = χm.H Vớiχm là độ cảm từ. Độ cảm từ và độ từ thẩm tỷ đối µ có quan hệ: χm = µ - 1 Bảng 1-1 Một số thông số từ tính và đơn vị [6] Kí Đơn vị (SI) Thông số hiệu Chuyển đổi Cơ bản Độ từ cảm B Tesla (Wb/m2) Kg/s-C Cƣờng độ từ trƣờng H Amp-vòng/m C/m-s Độ từ hóa M Amp-vòng/m C/m-s Độ từ thẩm trong chân không µ0 Henry/m Không đơn vị Độ từ thẩm tỉ đối µ Không đơn vị Không đơn vị Độ cảm từ χm Không đơn vị Không đơn vị 1.2 TÍNH CHẤT TỪ CỦA NGUYÊN TỬ Tính chất từ của vật liệu đƣợc quyết định bởi tính chất từ của các electron. Mỗi electron trong một nguyên tử có momen từ đƣợc tạo bởi hai thành phần. Thành phần thứ nhất liên quan đến chuyển động ocbitan của electron xung quanh hạt nhân. Electron là hạt mang điện, đƣợc xem nhƣ vòng điện chuyển động quanh hạt nhân. 11
14. Điều này tạo ra một từ trƣờng rất nhỏ, sinh ra một momen từ có chiều dọc trục quay (hình 1-3 a). Thành phần momen thứ hai tạo ra bởi chính chuyển động quay của electron xung quanh trục của nó (hình 1.3 b). Hình 1-3 Mô hình thể hiện (a) ocbitan điện tử, (b) spin điện tử [6] 1.3 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ 1.3.1 Nghịch từ và thuận từ Vật liệu nghịch từ có độ cảm từ χm có giá trị âm, tức là độ từ hoá xuất hiện khi có từ trƣờng ngoài có chiều ngƣợc lại với từ trƣờng tác dụng [1]. Độ cảm từ thƣờng có giá trị rất nhỏ, khoảng -10-6, sinh ra do sự thay đổi ocbitan của electron khi xuất hiện từ trƣờng ngoài. Các khí trơ, một số kim loại không chuyển tiếp (Au, Ag, Cu, Zn ), các chất bán dẫn (Ge, Si), chất điện môi, chất siêu dẫn là chất nghịch từ [1]. Do từ tính yếu, chất nghịch từ hầu nhƣ không có ứng dụng. Vật liệu thuận từ có độ cảm từ χm có giá trị dƣơng, tức là độ từ hoá xuất hiện khi có từ trƣờng ngoài cùng chiều với từ trƣờng tác dụng. Vật liệu thuận từ bị từ hóa yếu bởi từ trƣờng ngoài. Độ cảm từ của vật liệu thuận từ thƣờng có giá trị nhỏ, khoảng 10-3÷10-6, sinh ra do sự thay đổi ocbitan của 12
15. electron khi xuất hiện từ trƣờng ngoài. Một số kim loại (Al, Cr, Ti, Zr, Mo ), muối của các kim loại chuyển tiếp là chất thuận từ [1]. Hình 1-4 Cấu hình từ cực của vật liệu từ (a) Cấu hình từ cực của vật liệu nghịch từ. Khi không có từ trường ngoài, từ cực không xuất hiện. Khi có từ trường ngoài từ cực xuất hiện ngược chiều với chiều của từ trường ngoài. (b) Cấu hình từ cực của vật liệu thuận từ. Khi không có từ trường ngoài, từ cực không xuất hiện. Khi có từ trường ngoài từ cực xuất hiện cùng chiều với chiều của từ trường ngoài [6] 13
16. Hình 1-5 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ từ cảm B và cường độ từ trường H của vật liệu nghịch từ, thuận từ, sắt từ [6] Cả vật liệu nghịch từ và thuận từ đều là vật liệu không có từ tính, không có trật tự từ. Vì chúng chỉ thể hiện tính chất từ khi có sự xuất hiện của từ trƣờng ngoài. Đồng thời, cả hai đều có độ từ cảm B trong từ trƣờng H giống nhƣ trong chân không. Bảng 1-2 Độ cảm từ χm ở nhiệt độ phòng của một số vật liệu nghịch từ và thuận từ [6] Nghịch từ Thuận từ Vật liệu Độ cảm từ Vật liệu Độ cảm từ Nhôm oxit -1.81 x 10-5 Nhôm 2.07 x 10-5 Đồng -0.96 x 10-5 Crom 3.13 x 10-4 Bạc -2.38 x 10-5 Titan 1.81 x 10-4 Kẽm -1.56 x 10-5 Molipden 1.19 x 10-4 1.3.2 Sắt từ Vật liệu sắt từ là vật liệu có trật tự từ, có độ cảm từ χm có giá trị dƣơng rất lớn và phụ thuộc vào nhiệt độ. Vật liệu sắt từ tồn tại trật tự từ (từ tính) cả khi không tồn tại từ trƣờng ngoài. Các kim loại chuyển tiếp nhƣ Fe, Co, Ni và kim loại đất hiếm là vật liệu sắt từ [1]. Tr ật tự từ này tồn tại trong những vùng nhất định gọi là vùng đomen. 6 Độ cảm từ χm của vật liệu sắt từ có thể lên tới 10 , khi đó H<<<M, do đó: B ≈ µ0 .M 14
17. Hình 1-6 Sơ đồ thể hiện sự sắp xếp có trật tự từ một cách thường xuyên của vật liệu sắt từ, tồn tại trật tự từ ngay cả khi không có từ trường ngoài [6] Với mỗi vật liệu sắt từ đều có một nhiệt độ đặc trƣng gọi là nhiệt độ Curie Tc. Khi T Tc thì vật liệu là thuận từ [1]. 1.3.3 Phản sắt từ Vật liệu phản sắt từ cũng có nhiệt độ đặc trƣng nhƣ sắt từ, gọi là nhiệt độ Néel TN: - Khi T > TN thì vật liệu là thuận từ. - Khi T < TN thì vật liệu có độ cảm từ χm có giá trị dƣơng và nhỏ nhƣ vật liệu thuận từ. Tuy nhiên χm lại phụ thuộc mạnh vào từ trƣờng, phƣơng tác dụng của từ trƣờng và vào nhiệt độ [1]. Hình 1-7 Sơ đồ thể hiện momen từ của vật liệu phản sắt từ MnO [6] 1.3.4 Ferit từ Vật liệu ferit từ có tính chất từ rất giống sắt từ, chỉ khác ở chỗ chúng là các vật liệu gốm. Ferit từ có công thức dạng MO. Fe2O3 với nguyên liệu chế tạo là oxit sắt và oxit của các kim loại hoá trị 2 nhƣ Cu, Ni, Mn, Zn có kiểu mạng lập phƣơng dạng spinel [1]. 15
18. 2+ 3+ Hình 1-8 Sơ đồ thể hiện cấu hình momen từ spin của ion Fe và Fe trong Fe3O4[6] Tổng momen từ tạo ra do các ion Fe3+ là bằng không vì chúng triệt tiêu lẫn nhau. Ở các ion Fe2+, các ion thành phần sắp xếp cùng chiều với nhau nên tổng momen của chúng tạo nên momen của vật liệu từ ferit. 2+ 3+ Bảng 1-3 Momen từ spin của ion Fe và Fe trong một ô cơ sở của Fe3O4[6] Lỗ hổng Lỗ hổng Cation Momen từ khối 8 mặt khối 4 mặt ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ Fe2+ Triệt tiêu ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Fe3+ - ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Các ion hoá trị hai nhƣ Cu2+, Ni2+, Mn2+, Zn2+ tạo dung dịch rắn thay thế với ion sắt trong khối cơ bản của ferit từ Fe3O4. Bằng cách điều chỉnh thành phần hóa học, vật liệu từ ferit có một khoảng biến thiên từ tính rộng. Ví dụ, có thể tạo ra niken ferit có công thức NiO. Fe2O3. Cũng có thể tạo ra ferit từ bằng cách sử dụng hai ion hóa trị 2+ 2+ hai cùng lúc nhƣ Mn.Mg.Fe2O4 với tỉ lệ Mn :Mg thay đổi. Ngoài công thức hóa học kể trên, vật liệu từ ferit còn có cấu trúc sáu phƣơng và granat. Vật liệu từ có cấu trúc sáu phƣơng có công thức hóa học là AB12O19, trong đó A là kim loại hóa trị hai nhƣ Ba, Pb và B là kim loại hóa trị ba nhƣ Al, Ga, Cr, Fe. Ví dụ điển hình cho dạng vật liệu từ này là PbFe12O19 và BaFe12O19. 16
19. Vật liệu từ ferit dạng granat có cấu trúc tinh thể rất phức tạp, thể hiện bằng công thức tổng quát M3Fe5O12 với M là ion của kim loại đất hiếm nhƣ Y, Ga, Sa Trong đó Y3Fe5O12hay YIG là loại thông dụng nhất trong nhóm này[6]. 1.4 ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TỪ TÍNH Khi tăng nhiệt độ lên thì năng lƣợng nhiệt làm suy yếu trật tự từ. Năng lƣợng nhiệt ở nhiệt độ nhất định có thể phá hủy trật tự từ, làm cho các momen nguyên tử không còn song song với nhau, trạng thái bão hòa từ mất đi. Nhiệt độ làm cho trạng thái sắt từ bị phá vỡ và thay bằng trạng thái thuận từ gọi là nhiệt độ Curie, ví dụ nhiệt độ Curie của sắt là 700°C [6]. Hình 1-9 Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của Ms vào nhiệt độ của Fe và Fe3O4 [6] 1.5 CÁC DẠNG TƢƠNG TÁC CƠ BẢN TRONG VẬT LIỆU TỪ Có hai dạng tƣơng tác cơ bản trong vật liệu từ: tƣơng tác trao đổi và tƣơng tác từ. Các tƣơng tác từ lại phân ra: tƣơng tác từ tinh thể, từ đàn hồi và từ tĩnh. 1.5.1 Tƣơng tác trao đổi - Sự từ hóa tự phát 17
20. Tƣơng tác trao đổi sinh ra bởi một loại lực đặc biệt: lực trao đổi. Chính điều kiện năng lƣợng cực tiểu gây ra sự định hƣớng song song (hay phản song song) của các momen từ spin trong cấu trúc đomen của sắt từ. Cũng do điều này, giải thích sự từ hóa tự phát trong các loại vật liệu sắt từ. Năng lƣợng tƣơng tác trao đổi có thể xác định theo nhiệt độ Curie của mỗi vật liệu. Khi nung nóng vật liệu từ, do chuyển động nhiệt hỗn loạn tăng lên, sự định hƣớng song song của các momen từ spin của electron bị phá hủy. Điều này làm cho tính từ hóa tự phát giảm xuống. Khi đạt đƣợc nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Néel, tính từ hóa tự phát bị phá hủy, tức là năng lƣợng chuyển động nhiệt hỗn loạn của nguyên tử bằng năng lƣợng trao đổi. ΔEtrao đổi = k.Tk VớiTk là nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Néel [1]. 1.5.2 Tƣơng tác từ tinh thể - Hằng số dị hƣớng từ tinh thể Tƣơng tác trao đổi giữa những electron của các nguyên tử cạnh tranh dẫn đến sự sắp xếp trật tự những vecto từ độ của những nguyên tử đó. Đây chính là thành phần chủ yếu của năng lƣợng từ của vật liệu. Các tƣơng tác từ không hoàn toàn đẳng hƣớng nhƣ tƣơng tác trao đổi mà có tính dị hƣớng. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, sự từ hóa theo các phƣơng tinh thể khác nhau có giá trị khác nhau, tức là có sự dị hƣớng từ tinh thể. Sự khác biệt năng lƣợng khi từ hóa theo hƣớng khó và dễ từ hóa đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể. Sự dị hƣớng từ tinh thể gây ra bởi tác dụng tƣơng hỗ từ giữa momen từ spin và quỹ đạo của electron, tham gia vào sự từ hóa tự phát. Chuyển động quỹ đạo của các electron có liên hệ với cấu trúc mạng tinh thể. Khi nung nóng, tác dụng tƣơng hỗ spin – quỹ đạo sẽ yếu đi, hằng số dị hƣớng từ sẽ giảm xuống. Tuy nhiên, ở một số vật liệu từ khác (Mn-Bi) mối quan hệ này có thể theo quy luật khác. 18
21. Hình 1-10 Đường cong từ hóa của đơn tinh thể cobalt ở các phương tinh thể khác nhau [6] Trong vật liệu từ, cùng với sự dị hƣớng từ tinh thể, còn quan sát thấy nhiều dạng dị hƣớng khác phát sinh khi biến dạng dẻo, ủ trong từ trƣờng [1]. 1.5.3 Tƣơng tác từ đàn hồi Sự thay đổi sự định hƣớng từ hóa tựphát có kèm theo sự biến dạng trong mạng tinh thể, gọi là hiện tƣợng từ giảo. Ngoài ra khi vật liệu từ chuyển trạng thái qua lại giữa sắt từ ↔ thuận từ cũng xảy ra hiện tƣợng từ giảo. Từ giảo đƣợc đặc trƣng bởi hằng số từ giảo λ, bao gồm từ giảo khối và từ giảo tuyến tính. Biến dạng từ giảo đƣợc sinh ra bởi các khuyết tật mạng tinh thể hoặc bởi ứng suất bên ngoài kèm theo ứng suất đàn hồi của mạng tinh thể [1]. 1.5.4 Tƣơng tác từ tĩnh Năng lƣợng từ tĩnh của tƣơng tác vật liệu đã từ hóa với từ trƣờng ngoài đƣợc tính theo: Ett = J.H 1.6 CẤU TRÚC ĐOMEN 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4