Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của các hợp chất tbptsn và tbrhsn

Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
…………………..

Hồ Thị Doan

CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HỢP
CHẤT TbPtSn VÀ TbRhSn

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Đỗ Thị Kim Anh

Hà Nội, 2016

Ngành Vật lý Nhiệt
2014-2016

Khóa


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đỗ Thị
Kim Anh, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong luận văn này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Vật lý, Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên và đặc biệt tới các thầy cô ở bộ môn Vật lý Nhiệt –
Khoa Vật lý đã cung cấp cho em kiến thức, kỹ năng là nghiên cứu khoa học và
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em học tập và hoàn thành luận văn.
Nhân dịp này em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã giúp đỡ
em trong thời gian học tập cũng như thời gian làm luận văn.
Hà nội, ngày 19 tháng 11 năm 2016
Học viên

Hồ Thị Doan

Ngành Vật lý Nhiệt
2014-2016

Khóa


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ HỢP CHẤT RTSn ................................ 3
1.1. Cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất RTSn............................................... 3
1.1.1. Cấu trúc tinh thể của TbPtSn ....................................................................... 3
1.1.2. Cấu trúc tinh thể của TbRhSn ...................................................................... 5

1.2. Tính chất từ của hợp chất RTSn .................................................................. 5
CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 11
2.1. Một số khái niệm về từ tính của vật liệu ............................................. 11
2.1.1. Hiện tượng từ .............................................................................................. 11
2.1.2. Các đại lượng đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu .............................. 11

2.2. Phân loại các vật liệu từ ........................................................................ 13
2.2.1. Vật liệu nghịch từ ....................................................................................... 13
2.2.2. Vật liệu thuận từ ......................................................................................... 14
2.2.3. Vật liệu sắt từ.............................................................................................. 15
2.2.4. Vật liệu phản sắt từ..................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.5. Chất Ferit từ ............................................... Error! Bookmark not defined.

2.3. Tƣơng tác từ của hệ các điện tử ........... Error! Bookmark not defined.
2.4. Nhiệt độ trật tự và tƣơng tác trao đổi . Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Nhiệt độ trật tự ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Tương tác trao đổi gián tiếp giữa các mômen 4f-Tương tác RKKY .. Error!
Bookmark not defined.
2.4.3. Thuận từ Pauli ............................................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆMError! Bookmark not
defined.
Ngành Vật lý Nhiệt

1
2016

Khóa 2014-

Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

3.1. Chế tạo mẫu ........................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.1.Sơ đồ cấu tạo ............................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Quy trình nấu mẫu ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.3. Ủ nhiệt ........................................................ Error! Bookmark not defined.

3.2. Nhiễu xạ bột tia X .................................. Error! Bookmark not defined.
3.3. Nhiễu xạ Neutron ................................... Error! Bookmark not defined.
3.4. Giao thoa kế lƣợng tử siêu

dẫn (SQUID) .................................................

CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ

THẢO LUẬN ................................................

4.1. Cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất TbPtSn và TbRhSn .............. Error!
Bookmark not defined.
4.2. Tính chất từ của hệ hợp chất TbPtSn và TbRhSnError!

Bookmark

not defined.
KẾT LUẬN ....................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................... Error! Bookmark not defined.

Ngành Vật lý Nhiệt
2014-2016

Khóa


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các thông số nhiệt độ, mômen từ hiệu dụng của hợp chất RPtSn và
RRhSn…….5

Bảng 1.2: Các thông số của cấu trúc từ của TbRhSn ở 1,7 K............................. 9
Bảng 4.1. Hằng số mạng, thể tích ô đơn vị của hệ hợp chất TbPtSn và TbRhSn
trước và sau khi ủ nhiệt. ..................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.2. Nhiệt độ Néel và từ độ bão hòa và mônen từ hiệu dụng của hệ hợp
chất TbPtSn và TbRhSn trước và sau khi ủ nhiệt.Error!

Bookmark

not

defined.
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể lục giác loại ZrNiAl trong họ hợp chất UXT. .....................3
Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể của hợp chất TbPtSn: (a) cấu trúc trực thoi loại TiNiSn và

(b) cấu trúc lục giác loại ZrNiAl. ....................................................................................4
Hình 1.3: Cấu trúc từ của hợp chất TbRhSn. ..................................................................8
Hình 1.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ của các mômen từ ......................................................9
Hình 1.5: Giản đồ đặc trưng cho phân bố mômen từ của Tb3+ trong 1 lớp...................10
Hình 2.1: (a) Mômen từ của nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài......................14
(b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ. .............................................................. 14
Hình 2.2: a) sự sắp xếp các mômen từ của nguyên tử chất thuận từ khi không có từ
trường

ngoài;
……………………………………………………………………………

…...15
b) đường cong từ hóa của vật liệu thuận từ; ..................................................................15
c) sự phụ thuộc của 1/ χ vào nhiệt độ. .........................................................................15
Hình 2.3: (a) Sự sắp xếp các mômen từ của nguyên tử vật liệu sắt từ khi nhiệt độ T <
TC; ..................................................................................................................................16
(b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ tự phát và nghịch đảo hệ số từ hóa 1/ ở chất
sắt từ............................................................................................................................... 16
Ngành Vật lý Nhiệt
2014-2016

Khóa


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Hình 2.4: (a) Sự sắp xếp của các mômen từ nguyên tử trong vật liệu phản sắt từ khi
độ

nhiệt

T

<

TN;………………………………………………………………………………………
…..Error! Bookmark not defined.
(b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ nghịch đảo độ từ hóa ở chất phản sắt từ.Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.5: (a) Sự sắp xếp mômen từ của nguyên tử trong ferit từ khi nhiệt độ T < TC;
Error! Bookmark not defined.
(b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ tự phát Ms và nghịch đảo độ từ hóa 1/ của
vật liệu ferit từ. .............................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6: Mật độ trạng thái của hệ điện tử spin. ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ nấu mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang tại
Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp. ........................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2: Minh họa vùng hồ quang. .............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp nhiễu xạ tia X. .... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.4: a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID.Error! Bookmark not
defined.
b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều. .............................. Error! Bookmark not defined.
c) Sơ đồ buồng đo của từ kế SQUID. ............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 4.1: Phổ nhiễu xạ bột tia X của hợp chất TbPtSn ở nhiệt độ phòng: ........... Error!
Bookmark not defined.
(a) mẫu đã ủ nhiệt và (b) mẫu chưa ủ nhiệt. .................. Error! Bookmark not defined.

Hình 4.2: Phổ nhiễu xạ tia X của hợp chất TbRhSn ở nhiệt độ phòng: ................ Error!
Bookmark not defined.
(a) mẫu chưa ủ nhiệt và (b) mẫu đã ủ nhiệt. .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 4.3: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ đối với hợp chất TbPtSn đã ủ nhiệt tại
từ trường H = 1000 Oe. ................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 4.4: Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ đối với hợp chất TbPtSn chưa ủ nhiệt
tại từ trường H = 1000 Oe. ............................................ Error! Bookmark not defined.

Ngành Vật lý Nhiệt
2014-2016

Khóa


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Hình 4.5: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ đối với hợp chất TbRhSn đã xử lý nhiệt
tại từ trường H = 1000 Oe. ............................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 4.6 Đường nghịch đảo của hệ số từ hóa theo nhiệt độ đối với hợp chất TbPtSn ủ
nhiệt……………………………………………………………………………………
……...35
Hình 4.7 Đường nghịch đảo của hệ số từ hóa theo nhiệt độ đối với mẫu TbRhSn đã ủ
nhiệt..35
Hình 4.8: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt của các hợp chất TbPtSn khi chưa xử lý
nhiệt Error! Bookmark not defined.
Hình 4.9: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt của hợp chất TbPtSn khi đã xử lý nhiệt
....................................................................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 4.10: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt của hợp chất TbRhSn ở ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.11: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nhiệt dung trong mẫu TbPtSn đã ủ nhiệt.
....................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.12: Nhiễu xạ Neutron của các hợp chất TbPtSn và TbRhSn ở một vài nhiệt độ.
....................................................................................... Error! Bookmark not defined.

Ngành Vật lý Nhiệt
2014-2016

Khóa


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

MỞ ĐẦU
Các nghiên cứu trong các lĩnh vực từ học và vật liệu từ đang được phát
triển từng ngày, nó có ảnh hưởng lớn đến nền công nghiệp và cuộc sống hàng
ngày của con người. Lịch sử nghiên cứu cho thấy nó có liên quan chặt chẽ tới
các ứng dụng thực tế, vật liệu từ tính tạo nên các thành phần quan trọng trong
nhiều ứng dụng như: thiết bị bộ nhớ, nam châm vĩnh cửu, lõi biến áp, thiết bị từ
tính cơ khí, thiết bị từ tính điện tử, thiết bị quang từ,…. Trong rất nhiều ứng
dụng đã kể ở trên ta thấy hợp chất liên kim loại đất hiếm R-T (R - nguyên tố đất
hiếm, T – kim loại chuyển tiếp) đóng một vai trò rất quan trọng khi xem xét các
đặc tính từ của thành phần R và thành phần T. Như đã biết, trong đất hiếm thì từ
tính bắt nguồn từ lớp vỏ được lấp đầy bởi các điện tử 4f, các điện tử có khả năng
định xứ cao, mômen từ của chúng rất lớn, chúng cũng đặc trưng bởi tính bất

đẳng hướng cao của các ion từ đơn tinh thể ở vùng nhiệt độ thấp. Trong dãy các
nguyên tố đất hiếm thì nửa đầu dãy đất hiếm là đất hiếm nhẹ, nửa còn lại là đất
hiếm nặng.
Trong nghiên cứu về các vật liệu từ thì họ hợp chất liên kim loại có công
thức RTX (R = đất hiếm, T = kim loại chuyển tiếp và X = Si, Al, Sn) được
nghiên cứu mạnh bởi chúng có các tính chất vật lý thú vị như tính chất điện, tính
chất từ, …. Họ hợp chất RTX nhận được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên
cứu do chúng có nhiều tính chất từ thú vị ở nhiệt độ thấp [15]. Cấu trúc tinh thể
phổ biến của họ hợp chất này là loại lục giác ZrNiAl, ngoài ra còn có trật tự loại
Fe2P [6,13]. Cấu trúc lục giác này được đặc trưng bởi các lớp, bao gồm hai loại
tấm phẳng cơ bản, một chứa tất cả các nguyên tử R và một số nguyên tử T, tấm
kia chứa các nguyên tử T còn lại và các nguyên tử X. Cấu trúc tinh thể của họ
hợp chất bị thay đổi theo nhiệt độ, đặc biệt cấu trúc bị thay đổi trong vùng thuận
từ. Bằng các phương pháp đo nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ neutron, các phép đo từ,
phổ Mössbauer,…. các nhóm nghiên cứu đã chỉ ra trong họ hợp chất RTX với R
là các đất hiếm nhẹ (Ce, Pr, Nd) thì tồn tại cấu trúc trực thoi loại TiNiSi, còn với
đất hiếm nặng chúng có cấu trúc lục giác loại ZrNiAl thuộc nhóm không gian
P62m [10, 19, 21].
Trên cở sở đó, luận văn chọn hai hợp chất TbPtSn và TbRhSn để nghiên
cứu với tên đề tài: Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của các hợp chất TbPtSn và
Ngành Vật lý Nhiệt

1
2016

Khóa 2014-


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

TbRhSn được khảo sát ở vùng nhiệt độ thấp và xem xét ảnh hưởng của hai
nguyên tố thay thế Pt và Rh lên tính chất từ trong họ hợp chất này.

Ngành Vật lý Nhiệt
2014-2016

Khóa


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Luận văn bao gồm:
Mở đầu
Chương I: Tổng quan về hệ hợp chất RTSn
Chương II: Một số cơ sở lý thuyết
Chương III: Phương pháp thực nghiệm
Chương IV: Kết quả và thảo luận
Kết luận

Ngành Vật lý Nhiệt

2
2016

Khóa 2014-


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ HỢP CHẤT RTSn
1.1.

Cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất RTSn
Hệ hợp chất RTSn (R = đất hiếm, T = kim loại chuyển tiếp) kết tinh trong

hai loại cấu trúc: hoặc là trực thoi loại TiSiNi hoặc là lục giác loại ZrNiAl thuộc


nhóm không gian P 6 2m [7, 11]. Cấu trúc của hệ hợp chất RTSn tương tự với họ
hợp chất UTX (với U = đất hiếm, T = Fe, Co, Rh, Pt và X = Al, Sn). Hình 1.1 chỉ
ra cấu trúc lục giác loại ZrNiAl trong họ hợp chất UTX. Cấu trúc này được tạo bởi
các lớp mặt phẳng cơ bản U-T và T-X được sắp xếp chồng lên nhau dọc theo trục
c. Cấu trúc lục giác có thể được đặc trưng như là lớp chứa hai loại mặt phẳng cơ
bản một gồm tất cả các nguyên tử U và một số nguyên tử T và một mặt khác chứa
các nguyên tử T và X [15, 21].

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể lục giác loại ZrNiAl trong họ hợp chất UXT.
Trong mặt phẳng 1 có ba nguyên tử U nằm ở vị trí 3g và một nguyên tử T
nằm ở vị trí 1b, còn trong mặt phẳng 2 có ba nguyên tử X nằm ở vị trí 3f và hai
nguyên tử T nằm ở vị trí 2c.
1.1.1. Cấu trúc tinh thể của hợp chất TbPtSn

Nghiên cứu nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ neutron cho thấy rằng hợp chất
3


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan


TbPtSn thể hiện cấu trúc tinh thể lục giác loại ZrNiAl (thuộc nhóm không gian P 6
2m) vị trí của các nguyên tử được chỉ ra như sau:




3 nguyên tử Tb ở vị trí 3g: (xTb,0,1/2 ); (0, xTb,1/2); ( x Tb , x Tb ,1/2)




3 nguyên tử Sn ở vị trí 3f: (xSn,0,0); (0,xSn,0); ( x Sn , x Sn ,0)
2 nguyên tử Pt ở vị trí 2c: (1/3,2/3,0); (2/3,1/3,0)
1 nguyên tử Pt ở vị trí 1b: (0,0,1/2).
Hình 1.2 chỉ ra cấu trúc tinh thể của hợp chất TbPtSn với (a) là cấu trúc trực
thoi loại TiNiSn và (b) là cấu trúc lục giác loại ZrNiAl. Hai lớp nguyên tử có thể
nhận ra trong cấu trúc tinh thể của TbPtSn, trong lớp với z = 0 chỉ có các nguyên tử
Pt và Sn định xứ, lớp với z = 1/2 được xếp bởi các nguyên tử Tb và Pt. Các lớp đó
được sắp xếp dọc theo trục lục giác. Trong một lớp, mỗi nguyên tử Tb được bao
quanh bởi 4 nguyên tử Tb ở khoảng cách 3,095 - 3,921 Å. Hai nguyên tử khác cách

nhau 5,231 Å. Ngoài ra, mỗi nguyên tử Tb có 2 lân cận ở lớp trên và dưới với
khoảng cách 4,007 Å.

Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể của hợp chất TbPtSn: (a) cấu trúc trực thoi loại TiNiSn
và (b) cấu trúc lục giác loại ZrNiAl.
4


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Theo một cách khác, một liên kết kém bền vững hơn được hình thành từ các
nguyên tử Tb trong cấu trúc của pha trực thoi. Mỗi nguyên tử Tb có hai lân cận
trong cùng mức ở khoảng cách 3,731 Å và 4 nguyên tử Tb khác chiếm ở lớp trên
và dưới: hai nguyên tử ở khoảng cách bằng 3,944 Å và hai nguyên tử với khoảng
cách dTb-Tb = 5,637 Å. Ngoài ra, còn có hơn 2 nguyên tử Tb định hướng ở trên và
dưới với khoảng cách dTb-Tb = 4,529 Å (hằng số mạng b). Do vậy, khoảng cách TbTb trong cấu trúc của hai pha là rất giống nhau [7].
1.1.2. Cấu trúc tinh thể của hợp chất TbRhSn
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ neutron cho thấy rằng hợp chất
TbRhSn cũng kết tinh trong cấu trúc lục giác loại ZrNiAl (nhóm mạng không gian
P62m). Các nguyên tử Tb định xứ ở vị trí 3g: (xTb,0,1/2 ); (0,xTb,1/2);
(-xTb,-xTb,1/2). Các nguyên tử Sn ở vị trí 3f: (xSn,0,0); (0,xSn,0);(-xSn,- xSn,0). Các
nguyên tử Rh ở vị trí 2c: (1/3,2/3,0); (2/3,1/3,0) và vị trí 1b: (0,0,1/2). Như vậy, tồn
tại hai loại lớp khác nhau trong một ô đơn vị: các lớp Rh-Sn ứng với z = 0 và các
lớp Tb-Rh ứng với z = ½ [8, 19].
1.2. Tính chất từ của hợp chất RTSn
Tính chất từ của các hợp chất TbPtSn và TbRhSn đã được nghiên cứu bởi
các nhóm A. Szytula, Ch.D. Routsi, S. Baran [7-8, 11, 12, 19]. Kết quả cho thấy

các hợp chất tồn tại trật tự phản sắt từ ở dưới nhiệt độ Néel TN. Ở vùng nhiệt độ
thấp hầu hết các hợp chất đều xuất hiện dị thường ở nhiệt độ T1 < TN. Ngoài ra còn
xác định giá trị nhiệt độ Curie thuận từ và mômen từ hiệu. Ở nhiệt độ cao, độ cảm
từ tuân theo định luật Curie-Weiss có dạng:

  0 

C
T  p

(1.1)

Trong đó 0 là hằng số không phụ thuộc vào nhiệt độ, C là hằng số Curie,p là
nhiệt độ Curie thuận từ. Các giá trị âm của p biểu thị cho sự tương quan của phản
sắt từ trong cả hai hợp chất. Giá trị lớn nhất của 0 một phần được gây ra bởi tính
thuận từ độc lập nhiệt độ Van Vleck [12].
5


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Bảng 1.1 liệt kê các thông số từ của hệ hợp chất RTSn như nhiệt độ chuyển
pha Néel TN, nhiệt độ Curie thuận từ, hằng số 0 và mômen từ hiệu dụng thực
nghiệm và lý thuyết. Các giá trị thực nghiệm của mômen từ hiệu dụng µeff của một
số hợp chất là phù hợp so với giá trị lý thuyết như TbRhSn và CePtSn, còn lại hầu
hết trong các hợp chất RTSn giá trị của mômen từ hiệu dụng thực nghiệm là lớn
hơn lý thuyết như trong trường hợp của hợp chất DyRhSn khi tính giá trị lý thuyết

đối với ion tự do Dy3+. Điều này đã được giải thích là do một số mômen từ dư có
thể qui cho đóng góp từ các điện tử phân cực d chưa được trả cho tương tác trao
đổi 4f-5d như trong các nghiên cứu của nhóm tác giả K. Latka đã chỉ ra [14]. Một
số tác giả khác lại cho rằng, bên cạnh các mômen từ định xứ của ion đất hiếm còn
có thể có sự gây ra của mômen Rh trong hợp chất DyRhSn [16-17], tuy nhiên một
số kết quả không xác nhận ý tưởng này [12].
Bảng 1.1: Một số thông số từ của hệ hợp chất RTSn.
0 x 10-6

Tài liệu

µeff

G[J(J+1)]1/2

[cm /g]

[µB/f.u.]

[µB /f.u.]

-

- 9,70

11,20

10,65

[12]

20,8

-

10,0

9,75

9,72

[12]

GdRhSn

14,8

18

-

8

7,95

[11]

HoRhSn

-

6

-

10,70

10,60

[11]

ErRhSn

-

-4

-

9,70

10,0

[11]

CePtSn

5,5

- 28

-

2,50

2,56

[11]

PrPtSn

-

-8

-

3,78

3,62

[11]

NdPtSn

-

-10

-

4,05

3,68

[11]

TN

Nhiệt độ Curie

[K]

thuận từ

DyRhSn

7,4

TbRhSn

3

6

tham
khảo


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

TbPtSn

12,0

-6

-

10,20

9,70

[11]

DyPtSn

8,0

-4

-

10,77

10,60

[11]

HoPtSn

-

4

-

10,70

10,60

[11]

ErPtSn

-

10

-

10

9,60

[11]

TmPtSn

-

22

-

7,93

7,60

[11]

Các phép đo từ được hỗ trợ bởi phổ Mössbauer 119Sn đã chỉ ra trật tự phản
sắt từ trong các hợp chất TbRhSn và DyRhSn ở nhiệt độ chuyển pha Néel [12,16].
Sự thay đổi loại trật tự từ của hợp chất TbRhSn được khẳng định bởi cả phép đo từ
và phổ Mössbauer. Ở nhiệt độ thấp nhất, một cấu trúc phản sắt từ giống như một
tam giác (kim tự tháp) đơn với các mômen từ Tb nằm trong mặt phẳng lục giác đã
được đề xuất, nó thỏa mãn với mô tả của phổ TbRhSn bằng cách sử dụng một
thành phần đơn siêu tinh tế. Khảo sát tương tác siêu tinh tế 119Sn trong hợp chất
TbRhSn cho phép phát hiện tương quan từ vùng ngắn mà tồn tại trạng thái thuận từ
vĩ mô. Các nghiên cứu về từ và phổ Mössbauer chỉ ra một sự chuyển duy nhất từ
thuận từ tới trật tự phản sắt từ giống như tam giác (kim tự tháp). Các hợp chất
TbRhSn và DyRhSn đều trải qua các chuyển pha từ kim loại ở từ trường ngoài lớn
[12].
1.3. Cấu trúc từ của các hợp chất RTSn
Nhiễu xạ neutron của hợp chất TbRhSn ghi lại ở nhiệt độ thấp nhất cho thấy
tất cả các phản xạ được chỉ định bằng giả thiết một trật tự phản sắt từ được miêu tả
bởi véctơ truyền k = ( ½,0, ½). Sự phù hợp nhất nhận được đối với hai mô hình cấu

trúc từ với tất cả các mômen từ trong vòng mặt phẳng cơ bản. Trong mô hình thứ
nhất, các mômen từ của các ion Tb1 và Tb2 có cùng độ lớn trong khi mômen từ của
ion Tb3 là nhỏ hơn. Hình chiếu của cấu trúc từ này trên mặt phẳng cơ bản được chỉ ra
trong hình 1.3 [19].

7


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Hình 1.3: Cấu trúc từ của hợp chất TbRhSn ở 1,7 K theo mô hình thứ nhất. Các
mặt phẳng (001) liền kề là các phản sắt từ liên kết [19].
Trong mô hình thứ 2, tất cả các mômen từ có độ lớn như nhau (hướng của
các mômen từ được giữ nguyên như trong mô hình thứ nhất). Các thông số về cấu
trúc từ trong hợp chất TbRhSn ở 1,7 K được tóm tắt trong bảng 1.2 [17].
Bảng 1.2: Các thông số của cấu trúc từ trong hợp chất TbRhSn ở 1,7 K.
Mô hình cấu trúc từ

Thứ nhất

Thứ hai

µ1, µ2(µB)

9,09

8,32

µ3(µB)

6,64

8,32

Véctơ truyền

Ø1 (deg)

180

Ø2 (deg)

-60

8


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

Ø3 (deg)

60

Trong đó, µ1, µ2, µ3 là mômen từ của các ion Tb1, Tb2, Tb3 tương ứng; Ø1, Ø2, Ø3 là

góc giữa trục a và các mômen từ µ1, µ2, µ3 tương ứng [19].

(B)

Mômen

từ

Cường độ tương đối của các đỉnh từ trong phổ nhiễu xạ neutron của hợp chất
TbRhSn phụ thuộc vào nhiệt độ. Sự thay đổi trong cường độ từ tương đối là do sự
thay đổi tương đối của các mômen từ định xứ ở các vị trí khác nhau.

Nhiệt độ T (K)

Hình 1.4: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các mômen từ Tb trong hợp chất TbRhSn
định xứ ở các vị trí khác nhau.
Hình 1.4 chỉ ra sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các mômen từ định xứ ở các vị
trí khác nhau (nguồn số liệu lấy từ phân tích Rietveld sử dụng mô hình cấu trúc từ
thứ nhất). Nhiệt độ của sự chuyển giữa 2 cấu trúc từ khác nhau có thể được ước
tính bằng 11 K [19].
Đối với hợp chất TbPtSn, kết quả đo phổ nhiễu xạ neutron ở nhiệt độ
1,9 K cho thấy một số lớn các đỉnh nhiễu xạ của trật tự từ. Tuy nhiên, khi tăng
nhiệt độ trong khoảng 10-12 K các đỉnh này biến mất, vùng nhiệt độ này gần với
nhiệt độ chuyển pha Néel TN. Nhóm tác giả A. Szytula và cộng sự đã giả thuyết tồn
tại một cấu trúc từ được đặc trưng bởi véctơ sóng K = [0,726; 0,766; 1/2]. Sự phù
9


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

hợp nhất giữa thực nghiệm và tính toán cường độ từ thu được từ một cấu trúc đặc
trưng bởi sóng spin tuyến tính quay ngược và sự phân bố mômen từ xác định của
ion Tb3+, trong đó µ(K) là độ lớn của véctơ K với µ(K) =11,2 µB tương ứng với
mômen từ ở một thời điểm trong không gian thực với µ(r) =π/4,
μ(K) = 8,81 μB ở 1,9 K, nó gần với gJ tính cho ion Tb3+ tự do. Mômen từ của các
ion Tb1, Tb2, Tb3 tại một thời điểm tạo một góc 56 với trục c và góc ψ là 0; 120
và 60 với trục a tương ứng với spin S1(x, 0, 1/2); S2(0, x, 1/2); S3(x, x, 1/2). Định
hướng của mômen từ Tb trong một lớp được chỉ ra ở hình 1.5.

Hình 1.5: Giản đồ đặc trưng cho phân bố mômen từ của Tb3+ trong 1 lớp.
Trên giản đồ cho thấy mômen từ bị quay ngược ở lớp trên và lớp dưới dẫn
đến sự tăng gấp đôi của độ lớn từ tính dọc theo trục c (KZ = 1/2) [7].

10


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Một số khái niệm về từ tính của vật liệu
Từ tính là một thuộc tính của vật liệu. Tất cả các vật liệu, ở mọi trạng thái dù
ít hay nhiều đều biểu hiện tính chất từ. Các vật liệu từ có những ứng dụng rất quan
trọng, không thể thiếu được trong khoa học kỹ thuật và đời sống.
2.1.1. Hiện tượng từ

Các vật liệu khi được đặt trong từ trường ngoài
(do một dòng điện hoặc
một nam châm vinh cửu sinh ra) thì bị nhiễm từ. Tức là chúng có thể hút các mạt
sắt hoặc bị hút vào các nam châm vĩnh cửu. Khi đó ta nói vật bị từ hóa hay vật đã
bị phân cực từ.
Có thể hình dung một thỏi vật liệu đã được từ hóa, khi đó hai đầu thanh nam
châm bị phân thành hai cực mà ta quen gọi là cực bắc và nam. Sự sắp xếp mạt sắt ở
hai đầu và xung quanh thanh tương tự hình ảnh các đường sức từ đi và vào đi ra ở
hai lưỡng cực điện, tuy nhiên ở các lưỡng cực từ thì không thể tách rời hai cực từ
riêng biệt như từng điện tích một được. Nếu bẻ gãy một thanh nam châm thì ta lại
được những thanh nam châm mới, nhỏ hơn, mỗi thanh đều có cực bắc, cực nam
ngay cả khi thỏi nam châm chỉ còn bằng một nguyên tử thì ta cũng không tìm được
đơn cực từ hay là cực từ cô lập [1].
2.1.2. Các đại lượng đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu
Từ trường và mômen từ
Điện tích chuyển động tạo ra từ trường. Từ trường có thể được tạo ra bằng
hai cách: sử dụng cuộn dây có dòng điện chạy trong dây dẫn hoặc nam châm vĩnh
cửu. Trong các nam châm vĩnh cửu không có dòng điện theo nghĩa thông thường
mà chỉ có chuyển động quỹ đạo và chuyển động spin của các điện tử. Đó là nguồn
gốc cơ bản của hiện tượng từ ở trong vật liệu [1].
Từ trường H của một số dòng điện có dạng đơn giản như sau:
- Từ trường của dòng điện thẳng:

11


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

(2.1)
Trong đó I là cường độ dòng điện, r là khoảng cách tính từ dây dẫn và u là
vectơ đơn vị tiếp tuyến với đường sức từ bán kính r.
- Từ trường tại tâm của dòng điện tròn có bán kính r.
(2.2)
Với uZ là vec tơ pháp tuyến đơn vị của mặt phẳng của vòng dây.
- Từ trường tại tâm của cuộn solenoid với chiều dài l và số vòng N:
(2.3)
Ở đây uZ là vec tơ đơn vị hướng dọc theo trục của cuộn dây.
Mômen từ m của dòng điện tròn I có tiết diện S được định nghĩa như sau:
m = I.S.uZ

[A.m2]

(2.4)

Xét một yếu tố thể tích dv của vật liệu với mômen từ tổng cộng dm. Từ độ
hay độ từ hóa M được xác định như sau:
(2.5)
Như vậy, từ độ M được định nghĩa là tổng các mômen từ trên một đơn vị thể
tích. Theo cách định nghĩa này, nếu mỗi nguyên tử có mômen từ là m0 và nồng độ
nguyên tử là n0 thì từ độ có thể được xác định một cách trực tiếp:
M = n0.m0

(2.6)

Đơn vị tính từ độ M là A/m, tương tự đơn vị đo từ trường H.
Cảm ứng từ
Cảm ứng từ B và từ trường H là đại lượng có ý nghĩa vật lý khác nhau. Từ

trường chỉ mô tả trường do dòng điện sinh ra và độc lập với không gian vật chất
12


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

xung quanh . Trong khi, cảm ứng từ không những biểu diễn trường do dòng điện
sinh ra mà còn cả các đóng góp của từ độ của vật liệu có mặt trong từ trường đó.
Trong chân không, cảm ứng từ B là hàm tuyến tính của từ trường H:
B = µ0H [T]

(2.7)

(ở đây µ0 là độ từ thẩm trong chân không, µ0 = 4π.10-7 [H/m]).
Đối với các vật liệu từ B có thể được biểu diễn trong mối liên hệ với H và M
như sau:
B = µ0(H + M) [T]

(2.8)

Như vậy, cảm ứng từ B bao gồm cả từ trường ngoài µ0H tạo bởi các dòng
điện vĩ mô và sự ảnh hưởng của vật liệu µ0M tạo bởi các dòng điện vi mô. Ngoài
ra, cảm ứng từ B là một tham số kỹ thuật quan trọng vì nó đặc trưng cho mật độ
của từ thông (B = Φ/S) [Wb/m2] và sự thay đổi của nó theo thời gian sẽ sinh ra một
điện trường (hay một suất điện động cảm ứng). Cảm ứng từ B còn được viết dưới
dạng:
B = µH

(2.9)

Trong đó µ là độ từ thẩm của môi trường. Từ biểu thức (2.8) và (2.9), ta có:
µ = µ0(1 + ) với  = M/H là hệ số từ hóa.
2.2. Phân loại các vật liệu từ
Các vật liệu từ có từ tính mạnh yếu khác nhau được phân loại theo cấu trúc
và tính chất từ như sau [5]:
2.2.1. Vật liệu nghịch từ

13


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan
M

Hình 2.1:

(a) Mômen từ của nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài.
(b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ.

Khi chưa đặt vật liệu trong từ trường ngoài, tổng mômen từ nguyên tử của
chúng bằng không. Khi ta đặt vật liệu trong từ trường ngoài, mỗi nguyên tử đều
xuất hiện một mômen từ phụ pm, các mômen từ phụ này tạo ra từ trường phụ ngược
chiều với sự biến đổi của từ trường ngoài (Hình 2.1a), dẫn đến độ cảm từ của chất
nghịch từ có giá trị âm và giảm tuyến tính khi từ trường tăng, các chất nghịch từ
điển hình như: H2O, He, Ne, Ar, Bi, Si, Cu, Ag, Pb,… Mặc dù Cu và Ag có mômen

từ khác không khi chưa đặt trong từ trường ngoài nhưng vẫn là vật liệu từ khi đặt
trong từ trường ngoài do hiệu ứng nghịch từ chiếm ưu thế.
Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ cảm từ χ có giá trị âm và độ lớn chỉ vào
cỡ 10-5 rất yếu, nguồn gốc tính nghich từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh
hạt nhân do cảm ứng điện từ bởi từ trường ngoài (Hình 2.1b). Theo định luật Lenz,
dòng cảm ứng sinh ra từ trường chống lại biến thiên của từ thông sinh ra nó [5].
2.2.2. Vật liệu thuận từ
Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ cảm từ tương đối χ dương và có độ lớn
vào cỡ 10-3 - 10-5 (rất nhỏ). Vật liệu gồm những nguyên tử hoặc ion từ mà mômen
từ cô lập, định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt khi chưa có từ trường ngoài (Hình
2.2a), khi đặt vào từ trường ngoài (H ≠ 0) các mômen từ nguyên tử định hướng
theo từ trường làm M tăng dần theo H (Hình 2.2b) và vật liệu này có χ tỷ lệ với 1/T
14


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

(Hình 2.2c).

M

Hình 2.2:

a) sự sắp xếp các môment từ của nguyên tử chất thuận từ
khi không có từ trường ngoài;
b) đường cong từ hóa của vật liệu thuận từ;
c) sự phụ thuộc của 1/ χ vào nhiệt độ.

Các chất thuận từ điển hình như là Al, Na, Pt…. Trước đây, người ta coi các
chất thuận từ và nghịch từ là các chất từ tính yếu hay phi từ, gần đây các chất có
tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên cứu ứng dụng mạnh và
không phải là từ tính yếu [5].
2.2.3. Vật liệu sắt từ
Trong vật liệu này tương tác giữa các spin là dương và lớn nên các spin sắp
xếp song song với nhau (Hình 2.3a), khi nhiệt đô T tăng do dao động nhiệt làm từ
độ giảm dần và biến mất ở nhiệt độ chuyển pha Curie TC. Trên nhiệt độ TC thì
nghịch đảo của độ cảm từ 1/χ tuân theo định luật tuyến tính với nhiệt độ T (gọi là
định luật Curie-Weiss, Hình 2.3b). Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự
phát, khi T < TC từ độ tự phát xuất hiện cả khi từ trường H = 0, tuy nhiên thông
thường khi H = 0 ta nhận thấy vật liệu bị khử từ, điều này được giải thích bởi cấu
trúc đômen.

15


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan
Ms

Hình 2.3: (a) Sự sắp xếp các mômen từ của nguyên tử vật liệu sắt từ
khi nhiệt độ T < TC;
(b) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ tự phát và nghịch đảo hệ
số từ hóa 1/ ở chất sắt từ.
Vật liệu sắt từ được biết đến là một chất có từ tính rất mạnh, có độ từ thẩm
rất lớn và độ từ hóa lớn hơn nhiều lần độ từ hóa của chất thuận từ. Chất sắt từ điển

hình như Fe, Co, Ni, Gd….
Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó chất sắt từ bị mất trật tự sắt từ song song, tại
đó tính từ dư của nó mất hẳn và khi T > TC thì trật tự trở thành thuận từ hay còn
được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ -thuận từ. TC là thông số đặc trưng và phụ
thuộc vào tương tác trao đổi giữa các mômen từ nguyên tử. Có một số sự khác biệt
giữa trạng thái thuận từ của chất sắt từ và chất thuận từ như sau: Đối với chất sắt từ
các mômen từ vẫn còn tương tác song do thăng giáng nhiệt nên trật tự từ hỗn loạn
và độ cảm từ tuân theo định luật Curie χ = C/(T – TC).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB ĐHQG Hà Nội.
2. Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật lý chuyển pha, NXB ĐHQG Hà Nội.
16


Luận văn thạc sĩ

Hồ Thị
Doan

3. Lưu Tuấn Tài (2010), Vật liệu từ, NXB ĐHQG Hà Nội.
4. Phạm Hồng Quang (2007), Các phép đo từ, NXB ĐHQG Hà Nội.
5. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB ĐHQG Hà Nội.
Tiếng Anh
6. A. Szytula, J. Leciejewicz, Handbook of the Crystal Stuctures and Magnetic
properties of Rare earth Intermetallic, CRC Press, Boca Ranton, FL, 1994,
83.
7. A. Szytula, M. Kolenda, J. Leciejewicz, N. Stusser, Non-collinear
antiferromagnetic structure of hexagonal TbPtSn, Journal of Magnetism and
Magetic Materials 164, 1996, 377.

8. A. Szytula, B. Penc, E. Ressouche, Magnetic structure of DyNiSn and
TbRhSn, Journal of Magnetism and Magetic Materials 2334, 1996, 94.
9. A.E. Dwigh, Gieseen (Ed.), Developments in the Structural Chemistry of
Alloy Phases, Plenum, New York, 1969, 182.
10. A.E. Dwigh, W.C. Harper and C. W. Kimball, HoPtSn and other
intermetallicc compounds with the Fe2P type structure, Journal of
Magnetism and Magetic Materials 30, 1973, 1-8.
11. Ch.D. Routsi, J.K. Yakinthos, Magnetic properties of the equiatomic ternary
RTSn compound (R = rare earth, T = Pt, Rh), Journal of Magnetism and
Magnetic Materials 110, 1992, 317.
12. Jacek Gurgul, Kazimierz Latka, Andrzej W. Pacyna, Sebastian C. Peter,
Rainer Pottgen, TbRhSn and DyRhSn – Detailed magnetic and 119Sn
Mössbauer spectroscopic studis, Intermetallics 46, 2014, 56.
13. J. Schoenes, F. Troisi, E. Bruck and A. A. Menovsky, Electrical resistivity
and hall-effect study of U1NAl single crystals, Journal of Magnetism and
Magetic Materials 108, 1992, 40.

17