ảnh hướng của hiệu ứng kích thước lên các tính chất từ của vật liệu

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KÍCH THƯỚC LÊN CÁC TÍNH
CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU ( nhóm 7 Từ Học)
1.

Hệ thấp chiều là gì ?

Thành tựu của khoa học vật lý cuối những năm 80 của thế kỷ 20 được đặc
trưng bởi sự chuyển hướng đối tượng nghiên cứu chính từ các vật liệu khối (có cấu
trúc 3 chiều) sang vật liệu thấp chiều. Đó là, các vật liệu hai chiều (giếng lượng tử,
siêu mạng hợp phần, siêu mạng pha tạp, màng mỏng, các hệ đa lớp…); vật liệu
một chiều (dây lượng tử hình trụ, dây lượng tử hình chữ nhật,…); vật liệu không
chiều (chấm lượng tử hình lập phương, chấm lượng tử hình hình cầu). Tuỳ thuộc
vào cấu trúc vật liệu cụ thể mà chuyển động tự do của các hạt tải (điện tử, lỗ trống,
…) bị giới hạn mạnh theo một, hai, hoặc cả ba chiều trong không gian mạng tinh
thể. Hạt tải chỉ có thể chuyển động tự do theo hai chiều (hệ hai chiều, 2D) hoặc


một chiều (hệ một chiều, 1D), hoặc bị giới hạn theo cả 3 chiều (hệ không chiều,
0D).
Việc chuyển từ hệ vật liệu có cấu trúc ba chiều sang hệ vật liệu có cấu trúc
thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể cả về mặt định tính cũng như định lượng các
tính chất vật lý của vật liệu như: tính chất quang, tính chất động (tán xạ điện tửphonon, tán xạ điện tử-tạp chất, tán xạ bề mặt, v.v…), tính chất từ. Nghiên cứu cấu
trúc cũng như các hiện tượng vật lý trong hệ thấp chiều cho thấy, cấu trúc thấp
chiều đã làm thay đổi đáng kể nhiều đặc tính của vật liệu. Đồng thời, cấu trúc thấp
chiều làm xuất hiện nhiều đặc tính mới ưu việt hơn mà các hệ điện tử chuẩn ba
chiều không có. Các hệ với cấu trúc thấp chiều đã giúp cho việc tạo ra các linh
kiện, thiết bị điện tử dựa trên nguyên tắc hoàn toàn mới, công nghệ cao, hiện đại có
tính chất cách mạng trong khoa học kỹ thuật.
1.1.

KHÁI NIỆM HỆ THẤP CHIỀU

Cấu trúc hệ thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt
phẳng, một đường thẳng hay một “điểm”, tức là hạn chế chuyển động của các
điện tử theo ít nhất một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng
Debroglie của nó (cỡ nm). Trong những thập kỷ qua, bước tiến nổi bật trong việc
xây dựng cấu trúc hệ thấp chiều là tạo ra khả năng hạn chế số chiều hiệu dụng
của các vật liệu khối. Để chế tạo vật liệu có cấu trúc hai chiều như giếng lượng
tử (quantum well - QW), từ vật liệu khối ba chiều người ta tạo một lớp bán dẫn
mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn.
Các điện tử bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy,
chuyển động của chúng là chuyển động tự do trên mặt phẳng hai chiều, còn sự
chuyển động theo chiều thứ ba đã bị lượng tử hóa mạnh. Tiếp tục giảm số chiều
như vậy, ta có thể thu được cấu trúc một chiều như dây lượng tử (quantum wires
- QWs) và thậm chí là cấu trúc không chiều như chấm lượng tử (quantum dots QD). Để đặc trưng cho các hệ thấp chiều, người ta đưa ra các thông số như:
Bước sóng Fermi, quãng đường tự do trung bình và độ dài kết hợp pha Một hệ
có kích thước nhỏ hơn một hoặc cả ba độ dài đặc trưng này được gọi là hệ thấp
chiều (mesoscopic). Tỉ đối giữa phụ thuộc vào loại vật liệu, các kích thước này
cỡ nanomet (ở giữa kích thước microcopic và marcoscopic). Năng lượng đặc


trưng của hệ tính theo đơn vị mili-electron Volt (meV), thời gian đặc trưng tính
theo đơn vị picro-giây (ps).
2.

Vật liệu có cấu trúc nano?

Các cấu trúc nanô có kích thước đặc trưng nằm trong khoảng từ 0,1-100nm. Đơn vị
chiều dài được sử dụng là nm (1nm=10 -9m), tương đương với khoảng 4 lần khoảng
cách giữa các nguyên tử Fe. Các cấu trúc nanô từ tính biểu hiện rất nhiều hiện
tượng vật lý thú vị đã được ứng dụng hoặc đang có khả năng ứng dụng rất lớn.

Tại sao vật liệu nano lại khác biệt ?
- Hiệu ứng kích thước
-

-

Một trong những nguyên nhân quan trọng gây nên các tính chất vật lý mới là
tương quan giới hạn giữa độ dài của cấu trúc và các độ dài đặc trưng từ tính.
Ví dụ: Trong các hạt nanô từ tính không tồn tại cấu trúc đômen vì độ dày của
vách đômen đã vượt quá kích thước của hạt.
Ngoài ra khi cấu trúc đã tiệm cận đến giới hạn kích thước nanô,tính chất của
các nguyên tử ở bề mặt cấu trúc sẽ cho đóng góp quan trọng.

Một số hiệu ứng đáng chú ý trong giới hạn kích thước nanô :
-

-

Các giới hạn kích thước đã buộc véctơ từ độ thay đổi định hướng theo chiều
thấp nhất của cấu trúc. Đó là vai trò của tương tác trao đổi và thuộc tính đơn
đômen.
Giới hạn kích thước đã tạo nên sự cạnh tranh giữa năng lượng tổng cộng của
hạt và năng lượng nhiệt,tạo nên thuộc tính siêu thuận từ.


-

3.

Hiệu ứng bề mặt.

Trong các vật liệu đa pha, đặc tính của vùng giáp ranh giữa các pha được qui
định bởi tương tác trao đổi, chính tương tác trao đổi giữa các hạt hoặc các
lớp từ tính khác nhau tiếp xúc nhau hoặc phân cách nhau một khoảng vài
nanômets là nhân tố quan trọng tạo nên một số hiện tượng vật lý mới (ví
dụ :hiện tượng từ trở khổng lồ).
Hiệu ứng bề mặt trong các hệ có kích thước nanô ?

Khác với các nguyên tử ở trạng thái thể tích,các nguyên tử ở trạng thái bề mặt
tạo nên những tính chất khác lạ do tính đối xứng thấp, số các nguyên tử lân cận
giảm …
3.1. Sự

tăng cường mômen từ ở bề mặt của các kim loại có từ tính (kim loại chuyển
tiếp


Mômen từ của mỗi nguyên tử (đo trong đơn vị µB) được tăng cường mạnh ở bề
mặt, giảm dần theo vị trí các lớp và đạt đến giá trị khối ở lớp trung tâm. Khuynh
hướng tăng cường mômen từ bề mặt khi số các nguyên tử lân cận gần nhất (n.n)
trên bề mặt giảm trở nên rõ ràng hơn khi chúng ta đưa vào các dây nguyên tử và
nguyên tử tự do để so sánh. Cho ví dụ, đối với Ni, các mômen từ của khối, bề mặt
(001), dây tuyến tính và cuối cùng nguyên tử tự do, lần lượt là 0,56; 0,68; 1,1 và
mB
mB
2,0
[41] và 2,25; 2,96; 3,3 và 4,0
cho Fe [41]. Rõ ràng, các mômen từ đạt
đến giá trị của nguyên tử tự do khi số chiều bị giảm. Một số tác giả đã sử dụng mô
hình vùng Stoner, mô hình mô tả hiện tượng từ các điện tử linh động [25], để giải
thích hiện tượng tăng cường mômen từ ở bề mặt. Tiêu chuẩn Stoner cho sự tồn tại

của sắt từ chứa đựng một đại lượng quan trọng: mật độ trạng thái ở mức Fermi
D(EF), chúng xác định mômen từ cho mỗi nguyên tử. Tuy nhiên mật độ trạng thái
D(EF) phụ thuộc vào sự phủ của các hàm sóng điện tử thuộc các nguyên tử cạnh
nhau trong chất rắn, và do đó cũng phụ thuộc vào số các nguyên tử lân cận gần
nhất. D(EF) thường khác với giá trị của nó ở mẫu khối hay bên trong màng mỏng.
3.2.

Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ

Các vật liệu sắt từ, sắt điện, vật liệu của linh kiện điện tử mới đều có các đặc trưng
điện từ phụ thuộc mạnh vào kích thước hệ. Hình 0.1 [81] cho thấy trong chất
perovskite sắt từ La0,7Sr0,3MnO3: nhiệt độ Curie sắt từ giảm khi độ dày màng giảm.
Rõ ràng là điều này có liên quan đến năng lượng thiết lập loại trật tự xa trong vật
liệu và chưa được khảo sát cụ thể về mặt lý thuyết.


Hình 0.1. Sự phụ thuộc bề dày màng mỏng của hằng số mạng và nhiệt độ
Curie trong màng mỏng perovskite sắt từ La 0,7Sr0,3MnO3 [81].

Hình 3.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ của thăng giáng nhiệt cho các màng mỏng với bề dày n
khác nhau.

4.

-

Hạt nano
Một số ít các nguyên tử liên kết với nhau sao cho kích thước của chúng cỡ
(nm) được gọi là hạt nano. Vd: khử các ion của kim loại Ag + tạo ra nguyên
tử Ag, các nguyên tử này sẽ liên kết với nhau tạo ta hạt nano bạc.

Vật liệu nano được chế tạo bằng 2 phương pháp:


-

Phương pháp từ trên xuống: “dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật
liệu hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano”.
Phương pháp từ dưới lên: là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên
tử hoặc ion.
ứng dụng công nghệ nano:
Y tế là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano. Ví dụ như
việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được
thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp
độ tế bào. Một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt
nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư. Các hạt nano này sẽ được đưa
đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt độ bằng tia
laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u.
Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot
vô cùng đặc biệt. Với những chú robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào
bên trong cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần
thiết. Việc cung cấp thuốc một cách trực tiếp như vậy sẽ làm tăng khả năng
cũng như hiệu quả điều trị.

Công nghệ nano trong tương lai không xa sẽ giúp con người chống lại căn bênh
ung thư quái ác. Ngay cả những căn bênh ung thư khó chữa nhất như ung thư não,
các bác sĩ sẽ có thể dễ dàng điều trị mà không cần mở hộp sọ của bệnh nhân hay
bất kỳ phương pháp hóa trị độc hại nào.


Trong kỹ thuật :

Nhắc đến công nghệ nano, có thể bạn sẽ nghĩ đến những dự án khoa học đang được
tiến hành bởi các giáo sư hàng đầu trong phòng thí nghiệm, những công nghệ cao
cấp và tiên tiến nhất. Tuy nhiên thực tế có thể bạn đang sử dụng một số sản phẩm
của công nghệ nano ngay lúc này. Những bộ vi xử lý được làm từ vật liệu nano khá
phổ biến trên thị trường, một số sản phẩm như chuột, bàn phím cũng được phủ một
lớp nano kháng khuẩn.
-

Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là công
nghệ năng lượng. Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống
nanowhiskers. Cấu trúc ống này sẽ khiến các cực của pin có diện tích bề mặt lớn
hơn rất nhiều lần, giúp nó lưu trữ được nhiều điện năng hơn. Trong khi kích thước
của viên pin sẽ ngày càng được thu hẹp lại.
Trong may mặc:
Kể từ đầu những năm 2000, ngành công nghiệp thời trang đã bước sang một trang
mới với việc áp dụng công nghệ nano trong một số loại vải đặc biệt. Một ý tưởng
vô cùng đặc biệt với loại quần áo có khả năng diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu
trong quần áo đã trở thành hiện thực với việc áp dụng các hạt nano bạc. Các hạt
nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn và tiêu diệt các tế bào của chúng. Ứng
dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao và đặc biệt
hơn là được sử dụng trong một loại quần lót khử mùi.
-


-

Trong thực phẩm

Công nghệ nano và tương lai
Các nhà khoa học đều khẳng định về vai trò của công nghệ nano. Tuy nhiên, không

phải bất cứ lĩnh vực nào cũng có thể áp dụng được công nghệ này. Đằng sau nó là
một loạt những liên quan về yếu tố đạo đức (khi sử dụng nanotech để can thiệp vào
việc biến đổi gen), yếu tố xã hội và cả yếu tố con người.
Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ Anh, Lord Sainsbury, nói: ""Công nghệ nano
có khả năng tiềm tàng rất lớn. Nó có thể đem lại rất nhiều lợi ích trong rất nhiều
lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta buộc phải xem xét chúng dưới một góc độ
khác, góc độ đạo đức, sức khoẻ, sự an toàn và phản ứng xã hội"".
Chính vì thế, nước Anh đã nhanh chóng cho nghiên cứu các khả năng phát triển
của loại hình công nghệ này và đưa chúng vào các điều luật ứng dụng chặt chẽ.
Tuy nhiên giới khoa học đều dự báo, trong tương lai không xa, công nghệ nano sẽ
chiếm lĩnh hầu hết các lĩnh vực khoa học chủ đạo của con người.
-

5.Siêu thuận từ (Superparamagnetism) là một hiện tượng, một trạng thái từ tính
xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đó chất biểu hiện các tính chất giống như các
chất thuận từ, ngay ở dưới nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Neél. Đây là một hiệu ứng
kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng
định hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ.


Sự phụ
thuộc
kích
thước
hạt

Hiện tượng siêu thuận từ


Hiện tượng (hay trạng thái) siêu thuận từ xảy ra đối với các chất sắt từ có cấu tạo

bởi các hạt tinh thể nhỏ. Khi kích thước hạt lớn, hệ sẽ ở trạng thái đa
đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ). Khi kích thước hạt
giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen, có nghĩa là mỗi hạt sẽ là
một đômen. Khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà
chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so
với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song
song của các mômen từ, và khi đó mômen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn
loạn như trong chất thuận từ.
Giới hạn siêu thuận từ xảy ra khi năng lượng định hướng nhỏ hơn năng lượng
nhiệt, có nghĩa là :

với

lần lượt là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1 của vật liệu, thể tích của

hạt;
là hằng số Boltzmann, nhiệt độ của môi trường xung quanh.
Khi xảy hiện tượng siêu thuận từ, chất vẫn có mômen từ lớn của chất sắt từ, nhưng
lại thể hiện các hành vi của chất thuận từ, có nghĩa là mômen từ biến đổi theo
hàm Langevin :

với
là mật độ hạt, là từ trường.
Ứng dụng
Các vật liệu siêu thuận từ đang được ứng dụng nhiều trong vật lý và y-sinh
học nhờ khả năng hồi đáp nhanh với sự tác dụng của từ trường bên ngoài[3].
Siêu thuận từ được sử dụng trong các hạt nano từ tính, đặt trong các chất lỏng
từ.

 Ứng dụng vật lý

Đây là các ứng dụng cổ điển, được sử dụng từ rất lâu [4]:
Sử dụng các chất lỏng từ làm tăng tính truyền dẫn trong các hệ dẫn lực, dẫn nhiệt,
dẫn từ, làm giảm nhiễu ồn ở loa điện động...

• Làm nhân cho các hệ hạt tự lắp ghép
 Ứng dụng y - sinh học
Các ứng dụng này mới được phát triển trong thời gian gần đây :

•

Dẫn thuốc


•
•

Làm tăng độ tương phản của ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân
Điều trị ung thư bằng đốt nóng thân nhiệt cục bộ.