BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANÔ PGS TS TRẦN HOÀNG HẢI

BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ
CẤU TRÚC NANÔ

PGS TS Trần Hoàng Hải
1
Đ a ch b n đã t i:ị ỉ ạ ả
/>Đ a ch b n đã t i:ị ỉ ạ ả
/>N i b n có th th o lu n:ơ ạ ể ả ậ
/>N i b n có th th o lu n:ơ ạ ể ả ậ
/>D ch tài li u tr c tuy n mi n phíị ệ ự ế ễ :
/>D ch tài li u tr c tuy n mi n phíị ệ ự ế ễ :
/>D án d ch h c li u mự ị ọ ệ ở:
/>D án d ch h c li u mự ị ọ ệ ở:
/>Liên h v i ng i qu n lí trang webệ ớ ườ ả :
Yahoo:
Gmail:
Liên h v i ng i qu n lí trang webệ ớ ườ ả :
Yahoo:
Gmail:
Phần I.
VẬT LIỆU TỪ VÀ ỨNG DỤNG
4
1. Lịch sử của từ học
1600. Dr, William Gilbert - những thí nghiệm đầu tiên về từ
học:” De Magnete”.
1819. Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học.
1825. Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện.
1880. Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt.
1895. Định luật Curie đã được đề xuất
1905. Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất của nghịch

từ và thuận từ.
1906. Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ.
Những năm 1920. Vật lý của từ học đã được phát trỉển với các
lý thuyết liên quan đến spin electron và tương tác trao đổi;
những sự bắt đầu của cơ học lượng tử.
Chương 1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ
5
Hình 1a. S phát tri n c a nam châm vĩnh c u trong th k th 20.ự ể ủ ử ế ỷ ứ
6
Hình 1b. Lodestone, ferít khối và nam châm hợpkim NdFeB
với cùng năng lượng từ như nhau


7
Lodestone ( đá nam châm):
Đây là nam châm vĩnh cửu đầu tiên được ghi
nhận; một ôxyt Fe3O4 hiếm có trong tự nhiên. Từ
trường còn thấp,song trường khử từ là khá cao.
Thép carbon từ:
Chúng được phát triển vào thế kỹ 18. Các thép
này là hợp kim vớI tungsten và / hoặc crom để tạo
ra carbide kết tủa trong việc xử lý nhiệt thích hợp,
là hệ quả trong việc làm cản trở sự dịch chuyển
vách đômen. Các nam châm loại này có bão hòa
từ cao, hơn nhiều so với lodestone, song chúng
dễ bị khử từ, nên cần phải sử dụng hình dạng dài
để làm cực tiểu các trường khử từ.
8
Nam châm Alnico: ( hợp kim trên cở sở của Al, Co, và Ni )
Nhóm nam châm này được phát triển trong những năm

1930, là nam châm vĩnh cửu hiện đại nhất đáng chú ý trong
từ cứng trong các thép từ có đến lúc đó. Các tính chất của
chúng dựa trên sự dị hướng từ hình dạng liên quan đến hai
cấu trúc nanô pha bao gồm các hình kim Fe-Co có tính sắt
từ trong một ma trận của các Al-Ni không từ. Nhờ nhiệt độ
Curie cao của chúng, ~ 850 oC, chúng vẫn được sử dụng
cho đến hiện nay.
Các nam châm carbon-platinium:
Chúng đã được phát triển vào những năm 1950. Những tính
chất đã được cải thiện vượt trên hợp kim Alnico và tính
chống ăn mòn của chúng đã làm cho chúng được sử dụng
trong các ứng dụng y sinh học tại thời điểm đó. Song do giá
thành cao nên chưa được sử dụng rộng rãi và các nam
châm đất hiếm đã thay thế chúng.
9
Các nam châm ferít từ cứng: ( BaFe
12
O
19
hoặc SrFe
12
O
19
)
Chúng là các nam châm có tính thương mại quan trọng nhất trong vài
chục năm qua. Nhờ cấu trúc dị hướng , chúng đã có lực kháng từ
tương đối cao, song tích năng lượng lại thấp. Mặc dù vậy , chúng vẫn
có những ứng dụng rộng rãi vì sự phong phú của quặng nguyên liệu và
giá thành sản xuất thấp Chúng cũng phù hợp cho việc sử dụng trong
việc tạo các hình dạng phức tạp. Chúng vẫn giữ là loại vật liệu thông

dụng nhất hiện nay trong các ứng dụng với khối lượng lớn.
Samari Cobalt:
Được phát triển vào cuối những năm 1960, nhóm này bao gồm tổ hợp
hợp kim cobalt, sắt và một ít nguyên tố đất hiếm; Chúng không chỉ biểu
hiện bản chất từ cứng năng lượng cao , mà SmCo
5
còn thể hiện tính
thương mại tương đối cao. Chúng đã giữ kỷ lục về tích năng lượng cao
nhất trong nhiều năm, nhưng tiếc thay chúng có nhược điểm về giá
thành. Các nam châm này có độ bền vững nhiệt tốt và vì vậy mà được sử
dụng ở những nơi làm việc ở nhiệt độ cao.
10
Các nam châm Neodym Sắt Bor:
Chúng được tạo ra đầu tiên vào năm 1984; chúng tổ hợp của
một độ từ hóa cao với tính chống khử từ tốt. Giá thành cao của
samari và sự bất ổn về giá của cobalt đã dẫn các nam châm loại
này trở thành sự chọn lựa trong các ứng dụng đòi hỏi các nam
châm có năng lượng cao. Mặc dù có năng lượng cao, các nam
châm này có nhiệt độ Curie tương đối thấp ( 312
o
C), điều này đã
giới hạn những ứng dụng của chúng ở vùng nhiệt độ cao. Việc
thêm Co và Dy sẽ cải thiện được các đặc trưng nhiệt độ nhưng
cũng làm tăng giá thành sản xuất. Song điều này vẫn không
ngăn cản việc sử dụng chúng ngày càng tăng trên thị trường, đặc
biệt trong các ứng dụng cần giảm kích thước .
Nitrid Samari Sắt:
Sự phát triển của các hợp kim này vẫn đang tiếp tục; chúng là
vật liệu mới đầy hứa hẹn cho các ứng dụng nam châm vĩnh cửu
nhờ sự chống khử từ cao, độ từ hóa cao và sự chống ăn mòn và

nhiệt độ Curie cao so với neodym sắt bor.
11
2. Nguồn gốc của từ tính.
Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người
biết một nam châm họat động như thế nào?. Để hiểu được
điều này thì trước hết chúng ta hãy tìm hiểu mối tương quan
giữa hiện tượng từ và hiện tượng điện.
Một nam châm điện đơn giản có thể tạo ra bằng cách cuộn dây
đồng thành cuộn và nối cuộn dây với một accu. Một từ trường
được tạo ra bên trong cuộn dây , nhưng nó chỉ tồn tại khi dòng
điện vẫn còn chạy qua cuộn dây.
Một thanh nam châm thông thường không có một mối liên hệ rõ
ràng với dòng đĩện thì nó sẽ làm việc như thế nao? Trường
được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động
và các tương tác của các electron, các hạt tích điện âm,
chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử.
12
Hiện tượng điện là sự chuyển động của các electron ở trong một cuộn
dây hoặc trong một nguyên tử., như vậy mỗi nguyên tử biểu hiện như
một nam châm vĩnh cửu nhỏ xíu vốn có sẵn của nó. Electron dang
quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đaợ của riêng nó , được đo bằng
magneton Bohr ( µ
B
), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó
do electron tự quay , giống như trái đất quay trên trục của bản thân
nó.( được minh họa trên hình 2). Trong hầu hết các vật liệu đều có
mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây
ra mômen từ bị trượt tiêu bởi lân cận của nó.
Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các
electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường

được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một
hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng
sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các lực này
được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa,
kiểm sóat cuộn tiếng trong CD player, v.v Các tương tác giữa từ và
điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều thiết bị mà chúng ta sử
dụng hàng ngày.
13
Hình 2. Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt
nhân của nguyên tử.
14
3. Các đơn vị từ và thuật ngữ
Bảng 1. Mối liên hệ giữa một vài thông số trong hai hệ đơn vị
15
-
Độ từ hóa (M) của vật liệu: Mômen từ trên một đơn vị thể tích của
vật liệu.
-
Độ từ hóa riêng (σ): Mômen từ trên một đơn vị khốI lượng.
-
Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi
qua một đơn vị tiết diện cắt ngang của vật liệu,
B = µ
0
(H+M) (1a).
B = H + 4πM (1b).
µ
0
là độ từ thẩm của chân không ( 4π x 10
-7

Hm
-1
), là tỷ số
của B/H được đo trong chân không .
-
Độ cảm từ của vật liệu:
-
Độ từ thẩm:
-
Độ phân cực từ: J = µ
0
M


16
4. Phân loại các vật liệu từ
Hình 3.
Bảng tuần hoàn của các nguyên tố cho ta bản chất
từ của mỗi nguyên tố tại nhiệt độ phòng.
17
1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A
1
H
1s
1
2
He
1s
2
3

Li
1s
2
2s
1
4
Be
1s
2
2s
2
5
B
1s
2
2s
2
2p
1
6
C
1s
2
2s
2
2p
2
7
N
1s

2
2s
2
2p
3
8
O
1s
2
2s
2
2p
4
9
F
1s
2
2s
2
2p
5
10
Ne
1s
2
2s
2
2p
6
11

Na
[Ne]
3s
1
12
Mg
[Ne]
3s
2
13
Al
[Ne]
3s
2
3p
1
14
Si
[Ne]
3s
2
3p
2
15
P
[Ne]
3s
2
3p
3

16
S
[Ne]
3s
2
3p
4
17
Cl
[Ne]
3s
2
3p
5
18
Ar
[Ne]
3s
2
3p
6
Electronic Structures of Atoms on the Periodic Table
18
Chất nghịch từ
Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen
từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào. Dưới ảnh
hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ
tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra
một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ
trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song

thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ
bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ
là độc lập với nhiệt độ.
19
Chất thuận từ.

T
C
=
χ

20
Có vài lý thuyết về chất thuận từ , phù hợp cho các loại riêng của vật
liệu. Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu với các electron định xứ
không tương tác với nhau , ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một
mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt. Việc áp đặt
một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này
và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường
ngoài. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ
trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử và vì vậy, độ
cảm từ sẽ giảm xuống. Bản chất này được biết như định luật Curie và
được cho trong phương trình 7, ở đó C là một hằng số vật liệu được
gọi là hằng số Curie.
(7)
Các vật liệu tuân theo định luật này là các vật liệu trong đó các
mômen từ được định xứ tại vị trí nguyên tử hay ion và ở đó không có
tương tác giữa các mômen từ lân cận. Muối hydrad của các kim loại
chuyển tiếp, như CuSO
4
.5H

2
O, là các ví dụ của loại này có bản chất
như các ion kim loại chuyển tiếp, có một mômen từ , được bao quanh
bởi nhiều các ion hay các nguyên tử không từ, ngăn cản tương tác
giữa các mômen từ lân cận.
T
C
=
χ
21
Thực ra thì định luật Curie là trường hợp riêng của định luật Curie-
Weiss tổng quát hơn ( phương trình 8), nó hợp nhất một hằng số nhiệt
độ (θ) và bắt nguồn từ lý thuyết Weiss, sử dụng cho các vật liệu sắt từ,
kết hợp tương tác giữa các mômen từ.
(8)
Trong phương trình này, θ có thể dương, âm hoặc bằng không. Rõ ràng
là khi θ = 0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie. Khi θ khác
không thì có một tương tác giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu
chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp nào đó. Nếu θ dương thì
vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị θ tương ứng với
nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, T
C
). Nếu θ là âm, thì khi đó vật
liệu là phản sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, T
N
), song
giá trị của θ không liên quan tới T
N
. Một điều quan trong cần chú ý là
phương trình này chỉ có giá trị khi vật liệu ở trong trạng thái thuận từ.Nó

cũng không có giá trị cho nhiều kim loại vì các electron đóng góp vào
mômen từ đều không định xứ. Song định luật áp dụng cho một vài kim
loại , chẳng hạn các đất hiếm, ở đó các electron 4f, tạo nên mômen từ
là xếp chặt.
θ
χ
−
=
T
C
22
Model Pauli của tính thuận từ là đúng cho các kim loại mà
ở đó các electron là tự do và tương tác để tạo ra một vùng
dẫn . Điều này đúng cho hầu hết các kim loại thuận từ.
Trong model này các electron dẫn được xem như là tự do
và dưới một trường ngoài một sự mất cân bằng giữa các
electron với spin ngược nhau được tạo ra dẫn đến một độ
từ hóa thấp có cùng phương với từ trường ngoài. Độ cảm
từ không phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy rằng cấu trúc vùng
electron có thể bị ảnh hưởng, và lại ảnh hưởng lên độ cảm
từ.
23
Tính s t tắ ừ
24
Tính sắt từ
Tính sắt từ chỉ có thể khi các nguyên tử được sắp xếp trong một
mạng và các mômen từ nguyên tử có thể tương tác lên nhau và sắp
xếp song song với nhau. Hiệu ứng này được giải thích theo lý thuyết
cổ điển bằng sự có mặt của một trường phân tử bên trong vật liệu sắt
từ, lần đầu tiên được đưa ra bởi Weiss vào năm 1907. Trường này đủ

để từ hóa vật liệu đến trạng thái bão hòa. Trong cơ học lượng tử,
model Heisenberg của sắt từ đã mô tả sự định hướng song song của
các mômen từ theo tương tác trao đổi giữa các mômen lân cận.
Weiss đã đưa ra sự có mặt của các đômen từ bên trong vật liệu, là
các vùng mà ở đó các mômen từ nguyên tử được định hướng . Sự
dịch chuyển của các đômen này sẽ xác định vật liệu hưởng ứng như
thế nào với một từ trường và như một hệ quả, độ cảm là một hàm của
từ trường ngoài. Vì vậy, các vật liệu sắt từ thường được so sánh theo
độ từ hóa bão hòa ( độ từ hóa khi tất cả các đômen đã được định
hướng ) hơn là theo độ cảm từ.
25