khóa luận cao học nghiên cứu về cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hợp chất đất hiếmkim loại chuyển tiếp

Mở đầu
Công trình đầu tiên về từ học được nhà văn người trung quốc Guanzhong ghi lại vào
những năm 640 trước công nguyên, nhưng hiện tượng từ đã được phát hiện ra trước đó
rất lâu ,trước hết đó là những” hòn đá tình yêu” được sử dụng làm la bàn. Hầu như
trong suốt lịch sử của loài người vật liệu từ luôn luôn có mặt trên rất nhiều lĩnh vực
của cuộc sống,đặc biệt là trong ba lĩnh vực lớn như năng lượng,điện tử- viễn thông và
công nghệ thông tin.Trong 20 năm cuối cùng của thế kỷ trước các vật liệu từ mới
những cấu trúc tinh thể và tính chất từ ưu việt của kim loại chuyển tiếp và các nguyên
tố đất hiếm đã cho phép chế tạo được các nam châm đất hiếm cac cấp SmCO5,
Nd2Fe14B, các vật liệu từ giảo TerfeNol và TerfeNol-D,cũng như các vật liệu ghi
quang từ TbFeCo,… ,đặc biệt nhiều cấu trúc tinh thể và tính chất từ mới trong các hợp
chất của vật liệu và các hệ từ tính với kích thước tới hạn đã được phát minh như vật
liệu từ vô định hình,vật liệu từ có cấu trúc nano nhân tạo và vật liệu của kỹ thuật điện
tử spin. Đặc biệt trong khóa luận này tập trung vào việc trình bày các kiến thức về cấu
trúc tinh thể và tính chất từ dựa trên các hợp chất liên kim loại đất hiếm-kim loại
chuyển tiếp có công thức RTX (R=đất hiếm,T=kim loại chuyển tiếp và X=Si,Ge,Al,In
và Sn) đã được nghiên cứu mạnh bởi chúng có các tính chất vật lý thú vị vì vậy em
chọn đề tài “Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hợp chất TbPtSn và TbRhSn” để làm
đề tài nghiên cứu của mình.
Khóa luận được trình bày trên 4 chương:
Chương I: Giới thiệu
Chương II: Thực nghiệm
Chương III: Kết quả và thảo luận
Chương IV: Kết luận

1


CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU
1.Cơ sở lý thuyết của hợp chất TbPtSn và TbRhSn.
1.1. HoPtSn và hợp chất điện tử với Fe2P.

Tinh thể hình học và nghiên cứu Mossbaur được làm với thành phần cấu tạo là
REXSn ( X=Rh, Pt, Pd, Ir) chúng có cấu trúc tinh thể sáu cạnh, cùng cấu trúc với Fe 2P.
Một mẫu điển hình là H0PtSn với a0= 7.418 ± 0.001 A0, c/a = 0.535 và V/M=63.00A0.
Phân tích tia X dẫn đến sự phân chia mặt: H 0 đặt ở mặt 3g tại x,0,1/2, nguyên tử Pt ở
1(b) tại 0,0,1/2 và 2(c) tại 1/3, 2/3, 0 và nguyên tử Sn ở 3(s) tại x, 0, 0. Thể tích trên
công thức khối lượng của YbRhSn là trung bình giữa của TmRhSn và LuRhSn nó chỉ
ra Yb có hóa trị 3 trong hợp chất. Phổ Mossbaner

119

Sn ở 295k là cùng ma trận hoặc

phân ma trận cái được khớp với mô hình các mặt chiếm giữ bởi kết quả tinh thể hình
học cho H0PtSn. Sự ngược trong phổ ở 295k biến mất ở 77.3k cho TbRhSn. Sự thay
đổi Tsomer ở 295k là giống cho tất cả các hợp kim, giá trị điển hình là 1.8mm/s.(so
sánh với 2.6mm cho β-Sn) tuy nhiên cặp từ cực thay đổi bởi một yếu tố của 2 ở 4.2k
TbRhSn và H0PtSn chỉ ra mở rộng ngược cái được can thiệp với từ trường ở 77.3k
GdRhSn bị mở rộng 40% do trên vùng nhiệt độ sắp xếp từ.
Hợp chất điện tử với cấu trúc loại Fe2P là hiếm trong hợp kim nhị phân và phổ
biến với 3 hợp kim, với tỉ lệ 1:1 : 1 các mặt nguyên tử chiếm bởi Fe trong Fe 2P được
lấp đầy bởi nguyên tử có kích thước trung bình và lớn. Một trong 3 nguyên tử tới từ
một vùng khác biệt trong bảng tuần hoàn. Nó cho 1e tập trung được thỏa mãn ở hiện
tại, hợp chất mới được ghi lại ở nguyên tử lớn là đất hiếm (gồm Sc và I) nguyên tử cỡ
trung bình là từ nhóm VIII hoặc Yb, nguyên tử nhỏ là Si, Ge, Sn. Danh sách phần sớm
hơn tương tự hợp phần ở nguyên tử nhỏ là Al và Ga, do hiệu ứng Mossbaner được thể
hiện ở nguyên tử

119

Sn để kiểm tra rằng sự chiếm Sn ở mặt tinh thể đơn và kiểm tra

khả năng đặc điểm từ, sự thay đổi cấu trúc điện tích của nguyên tử Sn ở đất hiếm và
nguyên tắc chuyển đổi đa dạng trong thành phần các hợp kim được làm tan chảy trong
nước lạnh, từ Cu tới Ag vật liệu bắt đầu từ lớp hạt nhân, kim loại đất hiếm, platinum,
palladium, rhodium, iridium sponge và 99.99% Sn,Ge, silicon. Các mẫu đặc biệt đồng
nhất ở 900oC cho nhiều loại và tất cả hợp kim được sử dụng cho nghiên cứu nhiễu xạ
tia X. Hằng số đơn vị tế bào được xác định bằng phương pháp bình phương tối thiểu
và cường độ tính toán bằng phương trình máy tính hỗ trợ.

2


Phổ của loại Kankeleit được sử dụng, nguồn Mossbaner là

119

Sn trong BaSnO3 ở

295k, sự hấp thụ đã làm thoát phần hợp kim trong nhựa làm lạnh. Hợp phần R.E (Gd,
Tb,Dy, H0) RhSn được kiểm tra ở 295k và R.E (Gd, Tb) RhSn và H 0PtSn cũng ở 77.3k
và 4.2k
1.1.1. Điện tử với cấu trúc loại Fe2P

Giảm dần từ Sm đến Lu, khả năng giải thích được cho là a o được điều khiển bởi
khoảng cách điện tử của Rh(Ir) – Sn và C 0 bị ảnh hưởng bởi không gian, khoảng cách
giữa nguyên tử RE – Rh (Ir) hoặc RE – Sn. Xu hướng này biểu diễn rõ rệt trong hình 3
(REPdSn) và hình 4 (REPtSn). Trong hợp chất REPtSn a0 và c0 giảm cùng nhau vì
trong đất hiếm thay đổi từ Gd tới Lu. Hợp chất loại Fe 2P bao gồm sự sai khác đáng kể
Pd từ 3 loại khác H0, Er và Tm , hợp chất của chúng có hằng số mô tương tự trong
tương tác của chúng với Pt, nhưng trong H 0PdSn thì ổn định, một hợp kim thứ 2 giống

thành phần nhưng bị sai khác khi thể hiện cấu trúc Fe 2P .Nó không được biết khi sự
3


khai thác nhỏ trong thành phần là rõ ràng hoặc nhiệt đối với hợp kim là quan trọng.
Hợp chất LuPdSn và ScPdSn cho biết a 0 lớn hơn bất thường và c 0 nhỏ và dường như bị
méo mó mẫu Fe2P không có đường nào thêm vào, có thể chỉ ra sự tồn tại của nó được
quan sát trong thành phần nhiễu xạ.

Sự so sánh của hợp chất Rh và Pt chỉ ra ở hình 5:

Hình 5: So sánh hợp chất Rh, Ir, Pd, Pt
4


Xu hướng giá trị V/M tương ứng của các nguyên tử, nguyên tố Pt, Pd, Ir và Rh
giảm theo thứ tự trừ sự ngược lại của Pd và Pt thì trong các hợp chất này Pd thường
xuyên xuất hiện có nguyên tử Pd lớn hơn Pt, ngược lại giá trị a 0 giảm theo thứ tự
Rh, Ir, Pd và Pt. Nguyên tử lớn nhất cho số a 0 nhỏ nhất, nó có thể suy đoán ra số lớn
hơn của e hóa trị trong Pd và Pt (so sánh với Rh và Ir) dẫn tới sự ràng buộc chặt
hơn REPt và hệ quả của a 0. Đặc tính của hợp kim Yb khá ….. vì trong mẫu Yb của
hợp chất Fe2P với Rh, Ir, Pt nhưng không giống với Pd. Hằng số đơn vị nguyên tử
của 3 hợp chất Yb là bình thường. Chỉ ra rằng Yb có xu hướng cách biệt khi hợp
kim với Pd và Sn. Hai hợp chất Yb, YRhSn và YPtSn thường nằm giữa Tb và Dy
hình 1 và 4.
Jeitschko chỉ ra phần của mẫu nguyên tử tới lớp mạng tinh thể thay đổi từ 1
hợp chất của Fe2P sang chất khác .Ví dụ NbMnSi và ZrNiAl cả hai có cấu trúc Fe 2P
với các phần như nhau .Trong đó Mn và Ni mặc dù cả hai các nguyên tố dịch
chuyển chiếm 3(f) và 1(b),2(c) lớp tương ứng .Nó xuất hiện nguyên tử lớn hơn
chiếm lớp 3(f).Đây là ví dụ cho MnAl.Nguyên tố nhỏ nhơn Si hoặc Li chiếm 2

lớp,do vậy có sự trộn lẫn chiếm đóng với.Nó không thể giả sử trên (s) là 32 hợp
chất mới được báo cáo trong bài này,sẽ chọn được giản đồ chiếm lớp có 6 cách khí
mẫu 3 nguyên tử được phân chia thành 3 lớp ,tính toán cường độ được làm thành 6
khả năng và so sánh với cường độ quan sát.Kết quả cho Pt trong lớp 1(b) và 2(c) Sn
không được trộn với lớp 3(f),sự sắp xếp được chỉ ra ở hình 6 và cường độ tính toán
cho ở bảng II.

5


6


Cường độ tương tác giữa các nguyên tử trong tính toán khoảng cách giữa
nguyên tử theo sau các thông số vij trí nguyên tử được dùng X H0=0.605,XSn=0.265
khoảng cách giữa các nguyên tử là:
Ho in 3(g) – 2 Ho in 3(g) 3.966Å
Ho in 3(g) – 4 Ho in 3(g) 3.947Å
Sn in 3(f) – 2 Sn in 3(f) 3.405Å
Sn in 3(f) – 4 Sn in 3(f) 3.259Å
Sn in 3(f) – 2 Ho in 3(g) 3.208Å
Pt in 2(c) – 6 Ho in 3(g) 3.021Å
Pt in 1(b) – 3 Ho in 3(g) 2.930Å
Sn in 3(f) – 2 Pt in 1(b) 2.792Å
Pt in 2(c) – 3 Sn in 3(f) 2.761Å
Tham số vị trí nguyên tử trong nghiên cứu trước ở CeNiAl,thông số vị trí
nguyên tử được tìm thấy mà Ce,X=0.580±0.001,Al,X=0.219±0.001. Cho HoPtSn,
cường độ tính toán, so sánh với cường độ quan sát chỉ ra sự cần thiết của việc xác định
lại thông số vị trí nghuyên tử.Giải quyết hình học được vẽ bằng X Ho và XSn cho tương
ứng 413,432,602,610 và 612. Khớp được cải thiện với thí nghiệm quan sát cường độ

cho XHo=0,605±0.005 và XSn=0.265±0.005. Các thông số này khá giống với báo cáo trước
cho ZrNiAl và khác đáng kể với NbMnSi. Nó cung cấp cho phân chia Sn ở lớp 3(f).
1.1.2.Nghiên cứu Mossbaner .

7


Kết quả Mossbaner được cho ở bảng III. Không có sự liên hệ nào giữa V/M và
sự thay đổi isomer hoặc cặp tứ cực vì chuyển dịch nguyên tố thay đổi.Khác hẹp kép ở
259k nguyên tử Sn chiếm giữ 1 lớp-đối xứng.Vì TbRhSn tứ cực là khá không đối xứng
ở 259k nhưng trở nên đối xứng ở 77.3k đặc điểm này chỉ ra ở yếu tố Debyewaller(hình 7) ,ở 77.3k là đối xứng với TbRhSn,GdRhSn và HoPtSn ở 42k mẫu mở
rộng và không đối xứng.Phổ không đối xứng này được khớp với mẫu ở 1 cặp tứ cực
lớn bị nhiễu với trường từ siêu tinh tế,H,giả sử nó song song với gradient trường điện
q.Trương nam châm có tính từ ở lớp Sn tăng luwowiis cực điện dẫn dô sắp xếp trương
nguyên tố đất hiếm.trường siêu tinh thế ở 4.2k là rất nhỏ và trong dải từ tính từ 2.93.9KG.Phần(mô) của GdRhSn ở 77.3k là không đáng kể liên hệ với phổ hẹp quan sát
ở 259k.Do đó GdRhSn có thể bị từ tính trên 77.3k.Phần không đối xứng ở 4.2k cho
TbRhSn và HoPtSn là không khớp với mẫu này,do vậy H và q là không song
song.Tính toán cơ bản cho rubi thay đổi isomer tương ứng với cấu hình của
~0.85,~3.2p cho nguyên tử Sn.
1.2. Đặc tính của hợp chất 3 nguyên tố RTSn(R=đất hiếm,T=Pt,Rh).
Nghiên cứu độ nhạy điện tử trong hợp chất nguyên tố 6 cạnh RTSn được nhận
biết,hợp chất này đồng cấu trúc với Fe 2P trong nhóm không gian P62m. Nhiệt độ sắp
xếp của tất cả các hợp chất là nhỏ hơn 19k. Độ nhạy của YTSn là độc lập với nhiệt độ.
Cấu trúc phản sắt từ không cùng tuyến tính của TbPtSn sáu cạnh.
Dưới TN = 12k tinh thể sáu cạnh của TbPtSn (cấu trúc tinh thể loại ZnNiAl) cho
thấy đặc điểm của cấu trúc từ tính không tuyến tính bằng véc tơ sóng
k=[0.726,0.766,1/2] moment từ ở vị trí ion Tb3+ là 8.8 µB tại t=1.9k.
Hợp chất gồm 3 nguyên tố trong đất hiếm RPtSn được biết tới khi kết tinh lai
trong 2 loại cấu trúc: hoặc là loại hình thoi TiNiSi hoặc là loại sáu cạnh ZrNiAl (Fe 2P).
Thành phần của RPtSn cho thấy giản đồ trình tự từ phức tạp ở nhiệt độ thấp . Một

trong số đó TbPtSn được tìm thấy khi kết tinh trong cả hai loại cấu trúc, nó phụ thuộc
vào nhiệt độ chuẩn bị. Điều chỉnh hệ thoi của TbPtSn chỉ ra rằng ở 17k sự sắp xếp
phản sắt từ dạng sin được miêu tả bằng hai thành phần vectơ song, nó chuyển đổi ở
10k thành một vec tơ sóng thành phần. Khi nguyên tử môi trường ở trạng thái 0 kèm
ion Tb3+ ở mỗi phần là hoàn toàn khác nhau, nó khá hấp dẫn để nghiên cứu nếu nó có
ảnh hưởng tới đặc điểm từ của TbPtSn. Nghiên cứu nhiễu xạ của thành phần tinh thể
sáu cạnh được trải qua và có kết quả ở dưới.
8


1.3. Cạnh tranh giữa hiệu ứng Kondo và tương tác RKKY
Nhiệt độ Kondo Tk phụ thuộc vào thông số kép c-f.J cf trong đó tương tác RKKY
gián tiếp đặc trưng bởi TRKKY thay đổi tỷ lệ với Jcf2 . Sự thay đổi mong đợi ở các điểm
từ được minh họa ở giản đồ trong hình 1 phủ 1 hàm của Jg/W, với W là thông số chuẩn
hóa liên hệ vowia độ rộng vùng dẫn hợp chất CeTIn với T= Ni,Pd và Pt trong cấu trúc
Fe2P 6 cạnh ở trạng thái cơ bản J=5/2 với Ce3+ là mong đợi chia thành 3 cặp,phần điện
trở từ cho biết nhiệt độ logarit phụ thuộc vào loại kondo ở nhiệt độ cao và đỉnh mở
rộng xung quanh 90,50 và 37k cho CeNiIn,CePtIn và CePdIn tương ứng .Trở e của
CePdIn có 1 đỉnh thứ 2 ở 3.5k,độ nhạy từ [30] theo định luật Curie-Weiss ở nhiệt độ
cao trên 100k với nhiệt độ Curie thuận từ -15k với CePdIn và -73k cho CePtIn.CePdIn
thể hiện 1 đỉnh nhỏ với độ nhảy từ ở 18k,chỉ ra sự sắpxếp AF.Mặt khác độ nhạy từ của
CeNiIn cho thấy 1 đỉnh yếu hơn phụ thuộc vào nhiệt độ ,gợi ý về sự biến đổi hóa trị tự
nhiên. Hình 2 cho thấy sức nóng đặc trưng chia vùng do nhiệt độ C/T,cho CePd 1-xPtxIn
và CeNiIn.cả CePdIn và CePtIn,C/T tăng đáng kể ở nhiệt độ thấp <10k CePdIn cho 1
đỉnh rõ nét ở 17k phụ thuộc nhiệt độ của C/T,nó tương ứng với truyền dịch AF bởi
phương pháp từ. Ngược lại sự mở rộng của C/T là không rõ với hệ CeNiIn thay đổi
hóa trị,mẫu thứ hai của chuỗi CeTSn ở cấu trúc là phương loại TiNiSi, trong đó hiệu
ứng tinh thể được mong đợi chia trạng thái 2F5/2 của Ce3+ thành 3 cặp. Độ nhạy của
CePdSn và CePtSn tuân theo định luật Curie-Weiss ở nhiệt độ cao >30k và có đỉnh rõ
do chuyển dịch AF ở TN=7 và 7.5k, tương ứng sự dịch chuyển cũng được quan sát bởi

số lượng nhiệt động lực ở hình 3. Tại nhiệt đặc trưng được vẽ không chỉ cho CePtSn
và CePtSn mà còn cho hợp chất tương ứng của CeTGa. Nhiệt đặc trưng của CePtSn có
2 đỉnh rõ ở 5.1k và sự dịch chuyển sắp sếp không cân xứng tới cân xứng CeNiSn có hệ
thay đổi hóa trị với Tk cao và được thảo luận ở phần sau.
Khi đơn vị nguyên tử khối của CeTV giảm tới T=Pd,Pt và Ni được khớp với
X,Jcf được mong là tăng với sự sắp sếp này. Nhiệt độ Kondo T k phụ thuộc vào phần
Jcf:KBT~Dexp(-1/ρJ),trong đó tương tác RKKY gián tiếp T RKKY~J2/D, ở đây ρ là mật
độ trạng thái, D là độ rộng của e dẫn. Trong chuỗi này CeTIn, CePdIn được mong đợi
là có Jcf nhỏ nhất do đó TRKKY cao hơn Tk. Do đó,trạng thái sắp xếp AF là nhận biết
dưới Tn ~TRKKY.Như quan sát ở hình 2 T N giảm như trong mẫu của hợp kim CePd 1PtxIn. Tinh thể CePtIn không chỉ ra dịch chuyển từ ít nhất 60mk mặc dù nhiệt độ thấp

x

đảo ngược C/T để khả năng sắp xếp ở nhiệt độ thấp hơn. Trong CeNiIn,J cf là lớn nhất
9


với Tk được ước lượng ~100k, hoàn toàn chiếm ưu thế so với T RKKY. Do vậy sự thay
đổi hóa trị hoặc trạng thái Tk cao là khá tốt.Ở hình 1,sự thay đổi với X=In,Sn,Ga,Ge.
Biểu đồ này chỉ ra rằng thảo luận ở trên dựa trên thành phần hóa học và sự thay đổi
khối lượng chỉ xảy ra với X. Không có hệ thống đơn giản được tìm thấy do đồng cấu
trúc và sự thay đổi cùng e của nguyên tố X. Hiệu ứng này mạnh hơn với X đề xuất là
p-f có vai trò quan trọng ở các nhiệt độ thấp trong hợp chất.
1.4. Tương tác trao đổi gián tiếp giữa các môment 4f-Tương tác RKKY.
Trong 12 nguyên tố có từ tính của nhóm đất hiếm, các spin 4f chỉ có thể tác
dụng trực tiếp với spin của các điện tử dẫn. Trong thực tế, khi một điện tử dẫn đến gần
ion đất hiếm, nó sẽ tương tác với các điện tử 4f của ion đó.
Nếu ký hiệu spin định xứ 4f là Si và S(r) là spin của các điện tử dẫn, tương tác
này có thể biểu diễn như sau:
(1.1)

Trong đó Γ là tích phân trao đổi s – f ; Γ >0. Do đặc tính định xứ cao của các điện tử
4f, có thể biểu diễn được Γ (Ri - r) =Γδ(Ri - r) (tức là tương tác trao đổi nội nguyên tử ).
Cường độ của tương tác Γ chỉ vào cỡ 10-2 đến 10-1eV.
Có thể hiểu cách mô tả ở phương trình 1.1 theo 1 cách khác: Một điện tử dẫn đã tìm
thấy ở vị trí i một từ trường hi tạo bởi spin Si của ion đất hiếm ở vị trí i.
(1.2)
Từ trường này làm phân cực các điện tử dẫn và sự phân cực đó sẽ truyền trong
mạng tình thể bằng cách gây nên cho tất cả các điện tử dẫn ở tất cả các vị trí j một độ
từ hóa (với hệ số từ hóa là χij) do đó từ độ của các điện tử dẫn ( m j) do từ trường hi
sinh ra ở vị trí j là :
(1.3)
Nếu ta đặt tại vị trí j một spin sj, sẽ tồn tại một tương tác gián tiếp giữa các spin
(hay giữa các moment từ ) đặt ở hai vị trí i và j.
Hãy viết lại biểu thức 1.1 dưới dạng:
(1.4)
Khi đó phương trình này chỉ ra rằng sự phân cực của các điện tử dẫn (đặc trưng
bằng hệ số từ hóa χij) bởi các spin địn xứ (Si, Sj) lại đóng luôn vai trò truyền tải tương
tác từ giữa các spin đó. Theo một cách diễn đạt khác có thể mô tả được rằng moment
10


từ 4f ở một vị trí cho trước làm phân cực các điện tử dẫn ở vị trí đó (hàm sóng 6s có
biên độ khá lớn hơn r nhỏ). Do đặc tính mở rộng không gian của mình, các điện tử dẫn
bị phân cực này sẽ thông tin trạng thái spin đến các vị trí khác. Dấu của tương tác từ
chỉ phụ thuộc vào hệ số từ hóa χij hay phụ thuộc vào cấu trúc của vùng năng lượng
của các điện tử dẫn. Đối với các điện tử tự do, hệ số từ hóa này có thể tính toán được.
Kết quả là có thể tìm thấy sự phân cực hay cường độ của tương tác biến đổi có dạng
giao động như sau:
(1.5)
Với F(x) là hàm RKKY (viết tắt tên của 4 nhà vật lý Rurerman – Kittel –

Kasuia - Yosidda) F(x)=(xcosx-sinx)/x4 và n là nồng độ các điện tử dẫn.
Sự thay đổi của Aij theo khoảng cách có dạng hoàn toàn tương tự như sự phân
cực của mật độ điện tử dẫn (tức là sự khác nhau của các mật độ các điện tử có spin
thuận( ρ↑) và spin nghịch (ρ↓)):
(1.6)
Ở đây Sz là cấu hình spin dọc theo trục z.
Cường độ tương tác Aij giao động giữa giá trị dương và âm theo khoảng cách
giữa các ion rij như trên hình 4.4 đó là tương tác giao động kiểu RKKY.
Do sự giao động của mật độ spin theo khoảng cách nên các nguyên tử 4f lân
cận định vị trên các khoảng cách khác nhau có thể chịu các tương tác trao đổi với dấu
khác nhau. Vì vậy tương tác RKKY có thể thiết lập không những trật tự sắt từ, phản
sắt từ mà cả trật từ từ xoắn ( cấu trúc Heli từ). Tương tác này sẽ thiết lập trạng thái sắt
từ nếu kF nhỏ (vùng năng lượng ít được lấp đầy) và trạng thái phản sắt từ nếu Kf ~ π/a
(vùng năng lượng lấp đầy một nửa). Cường độ của tương tác RKKY yếu hơn tương tác
trao đổi trực tiếp 3d và tương tác siêu trao đổi trong các ôxit kim loại.

11


Hình 4.4: Sự phụ thuộc vào khoảng cách của độ phân cực của các điện tử dẫn
hay dạng giao động của tương tác RKKY.
Mô hình lý thuyết RKKY đã được đề xuất vào những năm 50 đến đầu những
năm 1970, mô hình này đã được sử dụng để giải thích sự thay đổi cấu trúc từ trong
một số hợp chất liên kim loại sắt từ và phản sắt từ. Đến đầu những năm 90 của thế kỷ
XX, mô hình RKKY đã được kiểm chứng trong các hệ vật liệu có cấu trúc dạng lớp
nhân tạo. Trong thực tế tương tác trao đổi giữa các kim loại từ tính cách nhau bởi các
lớp đệm kim loại không từ tính có chiều dày t nm thay đổi đã được nghiên cứu. Trong
cấu hình như vậy sự giao động tắt dần của cường độ tương tác đã được quan sát.
1.5.Các hiện tượng từ.
1.5.1.Tương tác từ của hệ các điện tử.

Từ học mô tả ba hiện tượng từ chính: nghịch từ, thuận từ và trật tự từ. Trạng
thái trật tự từ bao gồm các trạng thái sắt từ, feri từ, phản sắt từ và cấu trúc xoắn từ
(hình 1.4). Các chuyển pha chủ yếu xảy ra với trạng thái trật tự từ. Đó là chuyển pha
trật tự từ - bất trật tự từ(chuyển pha từ pha đối xứng thấp ở nhiệt độ thấp sang pha có
đối xứng cao ở nhiệt độ cao), chuyển pha trật tự - trật tự(chuyển pha tái định hướng
spin)[2].
Moment từ của nguyên tử chủ yếu được gây nên bởi moment quỹ đạo(L) và
moment spin (S) của các lớp vỏ điện từ không lấp đầy. Có hai dãy nguyên tử có từ tính
chủ yếu: dãy các kim loại chuyển tiếp(3D n với n=1 đến 10) và dãy các nguyên tố đất
hiếm(4fn với n=1 đến 14). Hai lớp vỏ điện từ 3d và 4f này có các đặc tính khác nhau,
nên tính chất từ của hai dãy nguyên tố này cũng rất khác nhau.

12


Các điện từ 4f có đặc tính định xứ do chúng nằm trên lớp vỏ điện từ ở sâu bên
trong. Đối với nguyên tử thì tương tác giữa các điện tử (~ 10eV) dẫn đến quy tắc
Hund: S=Smax và L=Lmax tương ứng Smax. Tương tác spin quỹ đạo λLS cũng rất mạnh
(~1eV). Moment toàn phần J=|L-S| cho các nguyên tố đất hiếm nhẹ LR (n<7), J=L+S
cho các nguyên tố đất hiếm nặng HR (n ≥ 7).Ta có thể giải thích được rằng trong các
hợp chất LR-T các moomen từ của cả hai phân mạng LR và T sắp xếp song song còn
trong các hợp chất HR-T chúng sắp xếp phản song song. Vậy các hợp chất LR-T
thường có từ độ cao hơn trong các hợp chất HR-T. Do đó các ứng dụng cần có độ từ
dư (hoặc từ độ bão hòa) cao như các nam châm vĩnh cửu ,các vật liệu LR-T có ưu thế
hơn(ví dụ nam châm vĩnh cửu SmCo5,Nd2Fe14B). Cơ chế tương tác trao đổi 3d-4f lần
đầu tiên được Campbell đề xuất vào năm 1972,xuất phát từ những nhận xét hoàn toàn
có tính chất hiện tượng luận . Ông cho rằng trong các nguyên tố đất hiếm hóa trị 3(R 3+)
và các điện tử 5d1 và 6S2 có thể coi tương tự như các điện tử 3d của các nguyên tố kim
loại chuyển tiếp đầu dãy (LT),trong đó các nguyên tố Fe,Co,Ni là các nguyên tố kim
loại chuyển tiếp cuối dãy (HT). Moomen spin của hai nửa phân nhóm này phải sắp xếp

phản song song với nhau ,them vào đó ta biết rằng tích phân trao đổi là tích phân trao
đổi nội nguyên tử nên có dấu dương,nghĩa là sáp xếp của các moonmen spin S 4f và S5d
là song song.Kết quả là các thành phần tham gia vào cơ chế tương tác 3d-4f.Trong cơ
chế này thì nhận xét về lien kết phản sắt từ giữa các spin S 3d và S5d hoàn toàn chỉ là
nhận xét mang tính hiện tượng luận. Hiện nay sự hình thành của liên kết đó đa được
giải thích theo cơ chế của hệu ứng lai hóa. Trong đó moment từ của nguyên tử được
định nghĩa:
M0=gjµBJ

(1.7)

(với gj là thừa số Lande, µB là manheton Bohr)
Các lớp vỏ 3d nằm phía ngoài. Trong kim loại, các điện tử 3d có đặc tính linh
động, vùng năng lượng của chúng có độ rộng W cỡ 5eV. Các điện tử có cùng spin
( thuận và nghịch) chiếm các trạng thái năng lượng thuộc về hai phân vùng tương ứng.
Tuy nhiên, từ tính chỉ xuất hiện trong một số kim loại như Mn,Fe, Co và Ni nhờ có sự
tách vùng năng lượng(hình 1.5).
Tương tác giữa các moment từ là hệ quả của tương tác xảy ra giữa các điện trên
các nguyên tử khác nhau. Đối với các điện từ 3d, hiệu ứng của tương tác trao đổi giữa
các nguyên tử là sự chuyển chuyển dời của các điện tử từ nguyên tử này sang nguyên
13


tử khác và ngược lại. Cường độ của tương tác này (~ 0,1eV). Do đặc tính định xứ của
các điện tử 4f, không có trao đổi trực tiếp giữa các điện tử 4f trên các nguyên tử khác
nhau. Tuy nhiên các điện tử linh động 5d và 6s tương tác với các điện tử 4f trên cùng
nguyên tử. Điều này dẫn đến sự phân cực của các điện tử linh động và tạo nên tương
tác gián tiếp giữa các moment từ định xứ 4f. Do vậy, tương tác này càng yếu
hơn(0.01eV). Các tương tác trên được gọi là tương tác trao đổi và hiệu ứng của nó
thường được mô tả thông qua khái niệm trường phân tử B m có cường độ tỉ lệ với độ từ

hóa trung bình(M) của mẫu hay các phân mạng:
B m= µ0λM

(1.8)

Trong đó: λ được gọi là hệ số trọng trường phân tử.
1.5.2 Tương tác của hệ điện tử.
1.5.2.1 Thuận từ Pauli
Các điện tử tự do có moment spin s= ½ tương ứng moment M=1µB
Hệ số từ hóa:
(1.9)
ở đây χ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Tuy nhiên các quan sát thực nghiệm lại chỉ ra
rằng hệ số từ hóa của các điện từ tự do là một hằng số, không phụ thuộc vào nhiệt độ.
Các tính chất như vậy được giải thích dựa trên mô hình vùng năng lượng, đó là lý
thuyết Pauli. Có thể trình bày lý thuyết này với hàm mật độ trạng thái có dạng parabol
N(E)~ √E (hình 1.5).
Gọi số điện từ và mức năng lượng Fermi của các phân vùng với spin thuận (↑)
và spin nghịch (↓) tương ứng n± và EF± từ độ có thể được tính như sau:
M= µB(n+ - n-)

(1.10)

Trong đó :
(1.11)

14


Trong từ trường bằng không, n+=n(hình 1.5a) nên M=0. Khi đặt từ trường ngoài
có cảm ứng từ B, các phân vùng bị dịch chuyển bởi năng lượng từ trường ngoài

-µBB(hình 1.5b). Do đó:

(1.12)
Và
(1.13)
Khi đó, từ độ nhận được là:
M= µB(n+ - n-)=2 µB2N(EF)B

(1.14)

Sử dụng mô hình khí điện tử tự do, ta có:
(1.15)
Hệ số từ hóa thuận Pauli là:
(1.16)
1.5.2.2.Mô hình Stoner
Khi tính đến cả lực đẩy Culong giữa các điện tử có spin trái dấu, chính thế năng
của tương tác đó(I) là nguyên nhân của sự tách vùng “tự phát”.
Ep=In↑n↓=I(n/2)2

(1.17)

Xét trường hợp N(EF) δE điện tử ứng phân vùng spin ↓ chuyển sang phân vùng spin ↑
do sự tách vùng, động năng của các điện tử sẽ tăng lên một lượng là:
∆EC= N(EF) δE. δE= N(EF) (δE)2
Thế năng mô tả theo công thức (1.13) trở thành:
15

(1.18)

Ep’ = I[n/2 + N(EF) δE][ n/2 - N(EF) δE]

(1.19)

Sự biến đổi của thế năng tương tác là:
∆EP = EP’- EP = -IN2(EF) (δE)2

(1.20)

Sự biến đổi của năng lượng tổng cộng khi đó là:
∆E= ∆EC + ∆EP = N(EF) (δE)2 + IN2(EF) (δE)2
= N(EF) (δE)2 [1- IN(EF)]
Điều kiện

(1.21)

dẫn đến tiêu chuẩn Stoner đối với sự xuất hiện của tính sắt từ là:
Itb = IN(EF) > 1

Các giá trị cân bằng của độ tỉ đối (m=M/n0 µB)

(1.22)
nhận được như sau:

+ m=0 nếu (EF) < 1, khi N(EF) rất nhỏ.
+ 0+ m=1 nếu IN(EF) = 1 khi N (EF) lớn.
Như vậy, đối với hệ các điện tử linh động từ tính phụ thuộc rất mạnh vào độ lớn
của hàm mật độ trạng thái ở mức độ trạng thái ở mực Fermi.
Hơn thế nữa, trong quá trình từ hóa còn phụ thuộc vào dáng điệu của N(E) ở lân

cận mức Fermi.
1.5.2.3 Chuyển pha từ giả bền.
Pha là một trạng thái của vật chất với các thuộc tính và đối xứng đặc trưng như
pha rắn, pha lỏng của kim loại và hợp kim; pha sắt từ, thuận từ của các vật liệu từ, pha
siêu dẫn hoặc pha dẫn điện thường của các chất siêu dẫn…Chuyển pha là sự thay đổi
trạng thái của vật chất từ mức độ đối xứng sang mức độ đối xứng khác và hình thành
các thuộc tính mới của vật liệu. Đối xứng đề cập ở đâu có thể là đối xứng tinh thể
(chuyển pha rắn – lỏng) nhưng cũng có thể là đối xứng của các tham số vật lý khác. Ví
dụ, ở chuyển pha sắt từ - thuận từ, đối xứng tinh thể nói chung không thay đổi nhưng
đối xứng của moment từ bị thay đổi: các moment từ có một phương dị hướng (đối xứng
thấp) trong pha sắt từ nhưng lại đẳng hướng ( đối xứng cao) trong pha thuận từ .
Chuyển pha từ giả bền là chuyển pha loại một trạng thái thuận sang trạng thái
sắt từ dưới tác dụng của các tham số ngoài như từ trường, áp xuất hoặc nhiệt độ.
Bắt đầu từ trạng thái thuận từ, nếu tiêu chuẩn Stoner gần được thỏa mãn, trạng
thái sắt từ có thể xuất hiện một cách ổn định dưới tác dụng của từ trường ngoài nếu từ
trường ngoài có thể làm tăng mật độ trạng thái ở mức Fermi:
(1.23)
16


Chuyển pha giả bền được giải thích theo mô hình Landau trên cơ sở cấu trúc vùng đặc
biệt của các điện tử linh động.
Wohlfarth và Rohdes là những người đầu tiên tiên đoán giả bền từ của điện tử
linh động trên cơ sở khai triển hàm năng lượng tư do Landau. Mô hình này được sử
dụng rất rộng rãi trong việc giải thích cơ chế của chuyển pha từ giả bền trong vác hợp
chất đất hiếm – kim loại chuyển tiếp.

Hình 1.6: a. Sự sắp xếp các moment từ của vật liệu từ giả bền: dưới tác dụng của từ
trường ngoài đủ mạnh vật liệu chuyển từ trạng thái phản sắt từ sang trạng thái sắt từ.
b. Đường cong từ hóa của vật liệ từ giá bền.

Để tính năng lượng của điện từ lớp d của nguyên tử, ta sử dụng công thức năng lượng
Landau:
(1.24)
Trong đó: M là từ độ; A(T), B(T), C(T) là các hệ số liên quan đến cấu trúc vùng năng
lượng ở mức Fermi(EF) và phụ thuộc vào nhiệt độ. Các hệ số này liên hệ với nhau theo
công thức:
(1.25)
(1.26)
(1.27)
Với ε2(T) là biên độ vuông trung bình của dao động spin.
Tùy thuộc vào giá trị của hệ số này, sự phụ thuộc của F vào M sẽ có dạng khác nhau:

17


+ Nếu A>0, B>0: trên đồ thị F(M) có duy nhất một cực tiểu tại M = 0 tương ứng với
trạng thái thuận từ (đường 1 trên hình 1.7)
+ Nếu A<0, B>0: trên đồ thị F(M) còn có một cực tiểu tương ứng với M ≠ 0. Như
vậy, hệ luôn có moment từ tự phát tương ứng với trạng thái sắt từ (đương 3 trên hình
1.7)

Hình 1.7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc năng lượng tự do vào từ độ.
+ Nếu A>0, B<0, C>0 (C>0 để đảm bảo có cực tiểu hữu hạn) trên đồ thị F(M) có tồn
tại 2 cực tiểu. Một ứng với M 0, còn cực tiểu thứ 2 ứng với M 1 ≠ 0. Tuy nhiên vì
F(Mo)< F(M1) nên thực tế chỉ tồn tại ở trạng thái ứng với cực tiểu lần thứ nhất còn cực
tiểu lần thứ 2 ứng với trạng thái giả bền.
Xét riêng trường hợp khi đặt từ trường ngoài H vào, hệ sẽ nhận thêm năng
lượng từ FH=-M.H, như vậy năng lượng của hệ sẽ là: F T=F + FH . Khi H tăng, cực tiểu
thứ hai (giả bền) có mức năng lượng thấp dần, khi tăng tới một giá trị H=H c, ta có F(0)
= F(Mc ≠ 0 ). Lúc này, hệ có thể chuyển trạng thái từ M=0 tới trạng thái M ≠ 0 (hoặc

ngược lại). Đó là sự chuyển pha từ giả bền điện tử linh động (Itinerant Electron
Metamagnetism - IEM) từ trạng thái thuận từ sang trạng thái sắt từ (hoặc ngược lại).
Trong các lý thuyết trước đây, các hệ số khai triển A, B được tính theo công
thức:

(1.28)
Trong đó: U là năng lượng trao đổi giữa các điện tử: N, N’, N’’ lần lượt là mật độ
trạng thái, đạo hàm bậc một và bậc hai của hàm mật độ trạng thái tại mứcFermi
18


CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Chế tạo mẫu.
Các mẫu được chuẩn bị bởi tan chảy dưới khí He,của nguyên tố hợp phần,tinh thể của
99,99% đất hiếm và 99,99% Rh,Pt và Sn . Để có được mẫu đồng nhất phải được trộn
đều và tan chảy nhiều lần,các mẫu được tôi luyện trong 1 tuần ở 500°c. Các hợp chất
được kiểm tra bằng phân tích tia X và được tìm thấy trong giai đoạn độc lập. Hợp chất
với đất hiếm nặng được tìm thấy để kết tinh trong cấu trúc tinh thể Fe 2P loại 6
mặt/cạnh và thông số mạng của chúng là hoàn toàn thống nhất với Dwight tìm thấy. độ
hạy từ được đo từ 4.2-200k trong trường yêu cầu của 1 kOe.Sau đó mẫu được nấu
bằng phuwowg pháp nóng chảy hồ quang trong môi trường khí Ar.
2.1.1 Phương pháp nóng chảy hồ quang
Sơ đồ hệ nóng chảy hồ quang và ảnh chụp hệ nấu mẫu đã và đang sử dụng tại
phòng thí nghiệm vật lý nhiệt độ thấp (ĐHQGHN) được trình bày trên hình 2.1 và 2.2.
Hồ quang được tạo trong buồng khí trơ (Ar hoặc Heli) đó chính là một loại plasma
nhiệt độ thấp (cỡ 105k). Hồ quang có thể phân chia làm 3 vùng: vùng cực âm, cột hồ
quang và vùng cực dương. Cực âm bị nung nóng do sự va chạm mạnh của các hạt ion
dương, cực dương bị nung nóng do các điện tử nhiệt. Vật liệu làm cực dương bị nóng
chảy, bốc bay và phân li thành các ion dương và các điện tử. Các điện tử bị hút trở lại
cực dương còn các ion dương chuyển động về phía cực âm và truyền toàn bộ động

năng của chúng, làm mòn cực âm và làm cho chúng nóng lên. Một phần vật liệu làm
cực dương (phần không tham gia vào cột hồ quang ) không bị phân li thành ion dương
và điện tử, chủ yếu là vật liệu bị bốc bay từ bề ngoài của phần nóng chảy. Do sự chênh
lệch cao của nhiệt độ ở bề mặt nóng chảy so với phần tiếp xúc đáy nồi, phần vật liệu
này bị kéo trở lại và được giữ trong không gian giữa vật liệu nóng chảy và vật liệu làm
nồi. Quá trình tương tự như vậy cũng xảy ra trong vùng cực âm. Một phần vật liệu làm
cực âm bị phân li thành ion dương và các điện tử. Các điện tử nhiệt này chuyển động
về phía cực dương, nung nóng vật liệu làm cực dương, còn các ion dương bị kéo trở lại
phía cực âm. Như vậy cả hai loại ion dương của cực dương và cực âm không bao giờ
tới được cực dương. Mặt khác do áp suất của cột hồ quang P1 (cỡ 1bar) lớn hơn áp
suất của môi trường khí trơ P2 (cỡ 0,6 – 0,8 bar) nên sự bốc bay vật liệu giữa cực âm
và cực dương rất khó xảy ra. Đây chính là lý do làm cho sự bốc bay trong phương

19


pháp nóng chảy hồ quang nhỏ (nhỏ hơn 2 lần so với phương pháp lò cao tần). Vì vậy
phương pháp này cũng cho độ sạch cao.
Nồi lạnh trong phương pháp nóng chảy hồ quang có cấu tạo như trên hình 2.3.
Vật liệu cần nóng chảy không tiếp xúc trực tiếp với toàn bộ bề mặt của nồi chứa. Như
đã chỉ ra trên hình 2.3 (b) phần mẫu tiếp xúc trực tiếp với đáy nồi rất ít ( do bề mặt nồi
nhấp nhô) không gian giữa mẫu và đáy nồi chứa lớp khí trơ tạo ra một phân cách giữa
kim loại nóng chảy và nồi. Kim loại nóng chảy giữa nguyên hình dạng của nó nhờ sức
căng mặt ngoài. Sức căng này phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần hợp kim. Khi tốc
độ làm lạnh nồi quá nhanh, không gian giữa kim loại nóng chảy và nồi được lấp đầy
bởi các hạt tinh thể rất nhỏ. Lúc này quá trình nóng chảy của các vật liệu trong nồi là
một quá trình tự nó ( hình 2.3c).Khi kim loại nóng chảy được nấu quá sôi, sức căng
mặt ngoài của kim loại nóng chảy giảm xuống. Trong trường hợp này (hình 2.3d), kim
loại nóng chảy lấp đầy không gian giữa bề mặt lồi lõm của đáy nồi và làm ướt nồi.
Nếu dòng nước làm lạnh yếu, khối kim loại nóng chảy sẽ dính vào đáy nồi, nếu dòng

nước làm lạnh đủ mạnh thì xảy ra hiện tượng lớp kim loại ở sát đáy nồi bị làm lạnh
nhanh. Việc tính toán áp lực dòng nước phù hợp là rất cần thiết. Ngoài ra khi nấu chảy
bằng phương pháp hồ quang, mẫu thường được đảo 3 – 4 lần để tăng độ đồng nhất.

20


21


Kỹ thuật nóng chảy hồ quang cũng đã được phát triển đề nuôi các đơn tinh thể
theo phương pháp Czochralski. Trong trường hợp này để tăng độ đồng nhất (nồng độ
và nhiệt độ) của khối vật liệu nóng chảy (cực dương), số cực âm có thể tăng lên đến 3
cực và được đặt nghiêng 1 góc so với phương thẳng đứng. Khi đó, phương thẳng đứng
được dành cho cần nhúng (gọi là mầm). Mầm này được nhúng vào khối vật liệu nóng
chảy và kéo lên từ từ. Nếu quá trình trên được thực hiện với sự cân bằng tốt giữa nhiệt
độ của khối vật liệu nóng chảy và mầm thì một bề mặt rắn lỏng sẽ xuất hiện ở đâu đó
giữa mầm và khối vật liệu nóng chảy. Khi mầm được kéo lên, hợp kim sẽ hóa rắn trên
mầm và mầm được xem như là tâm của sự phát triển tinh thể. Tuy nhiên ban đầu phần
vật liệu kéo lên theo mầm là một khối nhiều hạt tinh thể. Bằng cách thay đổi tốc độ
kéo và cho mầm quay đồng thời có thể làm giảm mầm vật liệu đa dạng này thành mầm
đơn hạt. Sau đó chỉ cần tiếp tục phát triển mầm đơn hạt đó sẽ nhận được đơn tinh thể.
Phương pháp này đã được áp dụng rất hiệu quả để nuôi các đơn tinh thể của các hợp
kim R – T ở Đại Học Tổng Hợp Amsterdam vào những năm cuối thế kỷ trước.
2.1.2 Quy trình nấu mẫu.
Buồng nấu mẫu được làm sạch và hồn hợp kim loại để nấu được đặt và nồi
đồng. Các nguyên tố được đặt vào nòi sao cho nguyên tố nào có nhiệt độ nóng chảy
thấp hơn đặt ở trên nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao hơn.
22

Hút chân không: quá trình hút chân không được bắt đầu với việc hút sơ bộ bằng
bơm sơ cấp cho đến khi áp suất trong buồng mẫu đạt khoảng Torr. Tiếp theo là quá
trình hút bằng bơm khuếch tán đến áp suất 10-5 Torr.
Đuổi khí Ar: sau khi hút chân không đến áp suất P=10 -5 Torr, đóng van nối với
bơm chân không và mở van khí Ar đến áp suất cỡ 10 Torr thì đóng van khí (việc xả
khí có tác dụng đẩy oxi ra ngoài). Mở bơm nối với bơm khuếch tán, Quá trình hút
chân không được thực hiện đến áp suất P=10 -5 Torr. Việc xả khsi được thực hiện 3 lần.
Đóng van nối với hút chân không, sau đó xả khí argon vào buồng mẫu với áp suất 10
Torr để chuẩn bị nấu mẫu.
Nấu mẫu: mở nước làm lạnh nồi nấu và điện cực. Bật nguồn cao tần, nấu chảy
viên titan. Việc nấu chảy viên Titan có tác dụng thu và khử khí oxi còn lại trong buồng
mẫu, tránh sự oxi hóa mẫu trong quá trình nấu mẫu. Viên Titan khi nấu mẫu có màu
sáng là tốt, đủ điều kiện để tiến hành nấu mẫu. Tắt bơm khuếch tán. Nếu viên Titan bị
xám có nghĩa là chân không chưa tốt sẽ không thể tioeesp tục nấu mẫu được mà phải
lặp lại quá trình hút chân không.
Mẫu được lật đảo khoảng 3 lần để tạo sự đồng nhất.
Lấy mẫu ra khỏi buồng mẫu.
2.1.3 Ủ nhiệt
Mẫu sau khi nấu (as-cast) được xử lý nhiệt bằng cách đưa mẫu vào ampul làm
bằng ống thạch anh được hút chân không cao tới P=10 -5 Torr và hàn kín đầu ampul.
Mẫu được ủ nhiệt ở nhiệt độ T=1100 oC trong thời gian 7 ngày để mẫu được
hoàn toàn đồng nhất về pha và ổn định cấu trúc mẫu.
Tôi mẫu trong nước đá.
2.2 Các phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Nhiễu xạ bột tia X
Để xác định sự đơn pha của mẫu và cấu trúc tinh thể của các mẫu chế tạo ta tiến
nhành đo nhiễu xạ bột tai X. Sau khi chế tạo mẫu, mẫu được nghiền thành bột có kích
thước 50 100 để đo nhiễu xạ.
Nhiễu xạ bột tia X là phương pháp sử dụng với các mẫu là đa tinh thể, đó là

phương pháp được sử dunjh rộng rãi nhất để xác định cấu trúc tinh thể bằng cách sự
dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc chiều vào mẫu. Bộ phận chính của nhiễu
xạ kế tia X là: nguồn tia X, mẫu, detector tia X. Chúng được đặt nằm trên chu vi vòng
23


tròn. Góc giữa mặt phẳng mẫu và tia X tới là góc , góc giữa phương chiếu tia X và tia
nhiễu xạ là 2. Người ta sẽ quay mẫu và quay đầu thu chùm nhiễu xạ trên vòng tròn, ghi
lại cường độ chum tia phản xạ và ghi phổ nhiễu xạ bậc 1 (n=1). Phổ nhiễu xạ là sự phụ
thuộc của cường độ nhiễu xạ vào hai lần góc nhiễu xạ (2).
Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ bột tia X là dựa vào ảnh hưởng
khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ. Trong mỗi tinh thể, vị trí của
nguyên tử đưuọc sắp xếp thành những mặt phẳng Bragg. Đối với mặt phẳng Bragg, tia
X tuân theo định luật phản xạ. Nếu dhkl là khoảng cách giữa hai mặt tinh thể liên tiếp
thì theo công thức Bragg ta có mỗi liên hệ giữa dhkl và góc nhiễu xạ với bước sóng là:
(2.1)
Trong đó: dhkl là khoảng cách giữa hai mặt nguyên tử phẩn xạ có cùng chỉ số mặt tinh
thể hkl.
là góc phản xạ (góc tia X tới hợp với mặt tinh thể đang xét).
λ là bước sóng của tia X.
n= 1, 2, 3… được gọi là bậc phản xạ.

24


Tập hợp các cực đại nhiễu xạ Bragg dưới các góc 2 khác nhau có thể ghi nhận
bằng cách sự dụng detector. Cấu trúc tinh thể đặc trưng của các mẫu trong luận văn
này chủ yếu được phân tích dựa trên kết quả nhiễu xạ bột tia X (XRD) được thực hiện
trên máy nhiễu xạ kế RINT-2000 sử dụng bức xạ Cu- có bước sóng λ= 1,540598 Å.
Với chỉ số của các đỉnh trong một phổ nhiễu xạ tia X, một số thong tin lien qua đến

cấu trúc của mẫu có thể được tìm thấy.
Phổ nhiễu xạ thu được trên mẫu bột rời được so sánh với phổ nhiễu xạ tia X của
cấu trúc chuẩn NaZn13. Sự so sánh này cho phép xác định cấu trúc tinh thể là đơn pha
hay đa pha và xác định được các hằng số mạng. Hệ mẫu la(Fe xM1-x)13 có cấu trúc lập
phương kiểu NaZn13 nên hằng số mạng của tinh thể liên hệ với khoảng cách hai mặt
phản xạ có cùng chỉ số (hkl) theo công thức:
(2.2)
Từ biểu thức trên ta có thể tính được gái trị hằng số mạng a=b=c của tinh thể
với cấu trúc lập phương:
(2.3)
Hằng số mạng a của tinh thể sẽ là gái trị trung bình của các kết quả tính ở trên.
Và nếu cấu trúc tinh thể có cấu trúc tứ diện thì công thức tính hằng số mạng a=b và c
của tinh thể được cho bởi:
(2.4)
Điều đó có nghĩa là với cấu trúc tứ diện ta phải thiết lập hệ phương trình để tìm
được hằng số mạng a và c.
2.2.2 Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID)
Tính chất từ của các mẫu được khảo sát bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu
dẫn (superconducing quantum interference device)- SQUID. Một vòng siêu dẫn có
một tiếp xúc Josephson sẽ tạo thành một SQUID xoay chiều (rf SQUID), một vòng
siêu dẫn có hai tiếp xúc Josephson song song với nhau sẽ tạo thành một SQUID một
chiều (dc SQUID). Một SQUID thường bao gồm cả một (rf) hoặc hai (dc) điện trở
mắc song song với lớp tiếp xúc để loại trừ hiện tượng trễ của đặc trưng I-V. Sự kahsc
nhau cơ bản giữa SQUID một chiều và xoay chiều là SQUID một chiều có nền nhiễu
nhỏ hơn. Mặc dù về mặt lịch sử, SQUID một chiều được chế tạo đầu tiên nhưng đòi
25