Bài giảng Vật liệu có cấu trúc Nano Phần 3 PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE
VIỆN

VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC NANO
NANOSTRUCTURED MATERIALS

PHẦN III
VẬT LIỆU TỪ CÓ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS
NANOTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

HANOI-2010


PHÂN CÔNG GIẢNG DẠY
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN I: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO
PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu

PHẦN II: VẬT LIỆU QUANG TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC NANO
TS. Nguyễn Văn Quy

PHẦN III: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS
PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN IV: CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn
PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu
TS. Nguyễn Văn Quy
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


CẤU TRÚC PHẦN MÔN HỌC
Phần III: Vật liệu từ cấu trúc nano & Spintronics
•
•
•
•
•
•
•

TÍNH CHẤT TỪ CHUNG Ở THANG NANOMÉT
VẬT LIỆU TỪ KHỐI CÓ CẤU TRÚC NANO
MÀNG MỎNG TỪ CẤU TRÚC NANO
DÂY TỪ VÀ ỐNG TỪ NANO
HẠT TỪ NANO, DOT TỪ VÀ CHÙM NANO TỪ
PHÂN TỬ VÀ NGUYÊN TỬ TỪ CÔ LẬP
CÁC KỸ THUẬT HIỆN ĐẠI QUAN SÁT VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC TỪ NANO

Phần VI: Các vật liệu nano khác và một số vấn đề liên quan
•
•
•
•
•

•
•

CÁC VẬT LIỆU NANO CARBON
CÁC VẬT LIỆU NANO CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT KHÁC
HOÁ HỌC NANO
KHÍA CẠNH AN TOÀN VÀ NHỮNG THÁCH THỨC CỦA VẬT LIỆU NANO
CÁC CẤU TRÚC NANO TRONG TỰ NHIÊN
ĐIỆN TỬ HỌC PHÂN TỬ, NGUYÊN TỬ, VÀ THÔNG TIN LƯỢNG TỬ
TƯƠNG LAI CỦA CÔNG NGHỆ NANO
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS
NANOSTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS & SPINTRONICS

3.1. Tính chất từ ở thang nano
3.2. Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ
3.3. Vật liệu từ khối có cấu trúc nano
3.4. Màng mỏng từ cấu trúc nano

Spintronics

3.5. Dây từ và ống từ nano
3.6. Phân tử và nguyên tử từ cô lập - Nam châm phân tử
3.7. Các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các đặc trưng
cấu trúc từ nano

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.1. Tính chất từ ở thang nano
- Một số cấu trúc hình học nano tiêu biểu:

Chuỗi hạt
nano
Dot nano
Dây nano dạng dải

Dây nano
dạng trụ

Dot ngược (Antidot)
Tiếp xúc nano
Ống nano

Bậc nano bề mặt kề cận

Xuyến (vòng) nano

Màng mỏng được tạo cấu trúc
nano theo khuôn mẫu (pattern).
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
NHỮNG TÍNH CHẤT TỪ NỔI BẬT Ở THANG NANO SO VỚI DẠNG KHỐI:
- Hành vi nội tại của các cấu trúc nano từ bị thay đổi bởi:
+ hiệu ứng kích thước bị giới hạn
+ hiệu ứng bề mặt

Vấn đề đặt ra: giới hạn bao nhiêu nguyên tử để vẫn duy trì được hành vi
nội tại của một nam châm khối ?

Tính chất/hành vi nội tại (intrinsic):
intrinsic các tính chất/hành vi thuộc về bản chất, vốn có,
tự thân có, được tạo ra từ thành phần và cấu trúc bên trong của đối tượng; không phụ
thuộc số lượng, hình dạng, kích thước và các yếu tố bên ngoài khác; có tính bất biến.
Ngược lại: ➽ extrinsic
- Các tính chất từ nội tại như:
T c , Ms , K
- Các tính chất từ ngoại lai như:
Hc, Mr, (BH)max

- Một số hành vi nội tại tiêu biểu:
+ Xác lập mức độ dị hướng từ ngẫu nhiên
+ Tăng cường độ từ dư
+ Định xứ tính vi từ (micromagnetic)
+ Xuất hiện các kiểu (mode) tạo mầm từ dạng lồi (bulging-type)
+ Có nhiều loại liên kết trao đổi khác nhau
+ Các hiệu ứng biên hạt

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
Các độ dài tới hạn cơ sở:
•z

Hằng số mạng:
a ≤ 1 nm

•z Quãng

đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, ví dụ Al:
λ ≅ 102 nm

•z

Độ dày vách domain:
w ∝ (A/K)1/2 ≥ 1 nm

•z

Bước sóng của một số hạt vận chuyển: (Particle wavelength)
λF ∝ kF-1 ∝ n1/3
-

Với các bán dẫn: n ≅ 1016/cm-3
λ > 10 nm

- Với các kim loại: n ≅ 1022/cm-3
λ ~ 0.1 nm
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano

Hiện tượng nhốt (hay giam hãm) lượng tử và hiệu ứng
điện tích khi kích thước thay đổi

Vùng các hiệu ứng
lượng tử nổi trội
Vùng các hiệu ứng
điện tích nổi trội

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
- Các ng.tử bề mặt và mặt phân cách/tiếp xúc trong các cấu trúc nano
đóng góp mạnh nhưng không giống nhau vào các hành vi nội tại.

Các tính chất nội tại (mômen từ và năng lượng trao đổi) của cấu trúc đa lớp Pt-Fe (Theo
Sabiryanov and Jaswal, 1998)

Mômen từ và năng lượng trao đổi giữa các nguyên tử bị biến đổi:
sự thăng giáng mômen rất mạnh và bao trùm qua vài lớp ng.tử.
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
- Trong các cấu trúc nano từ 2 pha không trật tự, chỉ có chung một nhiệt độ TC .
Điểm Curie này gần với điểm Curie của pha có tương tác trao đổi mạnh nhất.
Khi kích thước hạt > khoảng cách vài lớp ng.tử ⇛ Thể hiện rõ tính sắt từ không
đồng nhất: 2 điểm Curie và MS(T) là chồng chập của 2 pha khác nhau.
MS

MS

TC1

TC2

TC

T

T

M

SP
FM

H

Magnetic hysteresis loops for (a) 10 and (b) 15 nm diameter nanoparticles

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
Fe dưới dạng 2D, 1D và 0D mọc bằn kỹ thuật MBE trên lớp Cu(111)

1D

2D

0D

25 nm

25 nm

25 nm

-6000

2D
1D
0D

Mr-2D
Mr-1D
Mr-0D

M (arb.unit)
r

Magnetization (arb.unit)

Tõ ®é (Magnetization) vµ NhiÖt ®é cña trËt tù tõ (Curie Temperature) cña Fe d−íi d¹ng 2D, 1D vµ 0D

T = 45 K
-4000

-2000

0

2000

4000

Magnetic field (Oe)

6000

0

50

100

150

200

Temperature (K)

250

300

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
- Dị hướng từ bề mặt có nguồn gốc nguyên tử, và mạnh hơn khoảng 2 bậc so với dị
hướng khối.
Do số ng.tử bề mặt Ns của các hạt nano (hay chùm) có thể so sánh được với số
nguyên tử của cả hạt nano, nên đóng góp của dị hướng bề mặt vượt trội so với dị
hướng khối khi hạt có kích thước < 3 nm.

Dị hướng bề mặt và tính đối xứng: Thay vì có đặc trưng của dị hướng từ
kiểu BCC, các mặt (011) và (111) xuất hiện đóng góp của các dị hướng
trong mặt phẳng (in-plane) với đối xứng bậc 2 và bậc 6 (tương ứng).
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
§é nhít tõ (Magnetic Viscosity) cña Fe d−íi d¹ng 2D, 1D vµ 0D ®o ë T = 50 K

-20

field on
20

40

60

80 100 120 140

Time (s)

field off

field on
0

20

40

Time (s)

field off

Magnetization (arb. unit)

field off

0

0D

1D
Magnetization (arb. unit)

Magentization (arb. unit)

2D

60

80

100

field on
0

5

10

15

20

Time (s)

- (Trong từ học vật lý) - Tính nhớt từ là sự trễ về mặt thời gian giữa sự thay đổi của
từ trường tác dụng lên một vật sắt từ và sự thay đổi xảy ra sau đó trong cảm ứng từ
là rất lớn.
(Trong vật lý plasma) - Là hiệu ứng, gây ra bởi từ trường khi không có tác động
của lực co học hoặc điện trường mạnh, làm giảm/hạn chế sự chuyển động của một
dòng vật chất dẫn điện theo phương vuông góc với đường sức từ, tương tự như
hiện tượng nhớt thông thường.
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

- Kích thước hạt đơn và lực kháng từ: Từ hạt lớn (đa đômen) xuống đến hạt nano
(đơn đômen) và tiến đến chùm phân tử hay nguyên tử: HC tăng mạnh.
Xu hướng đa đômen có tác
dụng giảm thất thoát năng
lượng để hệ ở trạng thái ổn
định hơn (cực tiểu năng lượng).

Mesoscopic physics
(Nanoscopic)

(Số mômen từ trong một hệ từ, gần đúng với số nguyên tử)

Hình thành, lan truyền và
tiêu biến vách domain.

Quay, vặn đồng bộ & các
kiểu không đồng bộ,...

Xuyên ngầm, giao
thoa, kết hợp lượng tử .

Sự đảo từ trong các cấu trúc
từ khi bị giảm kích thước
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
-Ở

thang vĩ mô, một hệ từ bị chia ra thành các domain từ cách nhau
bởi các vách domain để giảm năng lượng của toàn bộ hệ. ➽ Hệ ở
trạng thái đa domain (đường từ trễ ở bên trái của hình ở slide trước).

Khi kích thước của hệ cỡ độ rộng của vách domain, hoặc của chiều
dài trao đổi: ➽ việc hình thành các vách domain đòi hỏi quá nhiều
năng lượng. ➽ Hệ ở trạng thái đơn domain và sự đảo từ độ cần phải
được thực hiện bằng cách quay, xoắn đồng bộ, hoặc các kiểu không
đồng bộ khác (đường từ trễ ở giữa của hình ở slide trước).
-

- Đối với các hệ có kích thước < độ rộng của vách domain, hoặc của
chiều dài trao đổi: ➽ bắt buộc phải tính đến các mômen từ (spins) và
các liên kết của chúng. Mô tả về phương diện lý thuyết quá trình đảo
từ ở các hệ này rất phức tạp do các biên hạt (particle's boundaries)
(đường từ trễ ở bên phải của hình ở slide trước).
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
H
H
Vortex

H
H

Kiểu đảo từ trong các hạt từ nano
chuyển từ kiểu xoắn đồng bộ sang

kiểu quay đồng bộ khi kích thước
hạt giảm.

Đường từ trễ của các hạt nano từ dạng đĩa
có đường kính d, dày t. (a) d = 300 nm, t
= 10 nm; (b) d = 100 nm, t = 10 nm.
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn
- Tính siêu thuận từ của các hạt nano đơn đômen (single domain: SD) & HC

- Các hạt SPM gần như không có lực kháng từ
- Hành vi SPM gần giống như thuận từ của các
nguyên tử.
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các hiện tượng vách hẹp và bị "thắt eo"

- Các vách dômen thông thường phẳng nhẵn và rộng tới nhiều lớp nguyên tử.
Với các vật liệu từ rất cứng, như SmCo5, lại có vách rất hẹp.
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.1. Tính chất từ ở thang nano
™ Các hiện tượng vách hẹp và bị "thắt eo"
™ Hiện tượng định xứ nano từ

™ Các hiệu ứng thao tác đồng thời (cooperative)
™ Dị hướng ngẫu nhiên & Tăng cường tính từ dư
™ Động lực học từ độ trong các cấu trúc nano
™ Các quy luật về hàng rào năng lượng bị thay đổi

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.2. Ht t, út t v chựm nano t
Cấu trúc của cht lng từ (magnetic fluid)
trên c s hạt nano ferrite Fe3O4
Bao gồm 3 thành phần:
- Các hạt từ đơn đômen với mômen từ định hớng ngẫu nhiên
- Môi trờng dung môi lỏng không cực (nớc/dầu,...)
- Trên bề mặt hạt đợc bao phủ một lớp hoạt tính bề mặt.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.2. Ht t, út t v chựm nano t
Cấu trúc của cht lng từ
(magnetic fluid)
- Các hạt từ đơn đômen có kích thớc
cỡ vi chục nano mét v có dạng gần
hình cầu ở trong môi trờng chất lỏng,
MS ~ 10-19 Am2 Tính siêu thuận từ
- Các hạt siêu thuận từ thực hiện hai
mode quay tự do:
1- Quay Brown với thời gian hồi phục:

2- Quay Néel với thời gian hồi phục:

Trong đó: v là thể tích của hạt, 0 là
độ nhớt của dung môi, K là hằng số
dị hớng, f0 là tần số Larmor (khoảng
109 s-1), k là hằng số Boltzmann và T
là nhiệt độ.
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.2. Hạt từ, đót từ và chùm nano từ
Một số loại dung môi thương phẩm thường dùng cho
chất lỏng từ
1.

C¸c dung m«i h÷u c¬: Heptane, Xylene, Toluene, MEK

2.

C¸c dung m«i v« c¬: N−íc

3.

C¸c Hydrocarbon (tæng hîp hoÆc dÇu má)

4.

Esters tæng hîp

5.

Polyglycols

6.

Polyphenyl ethers

7.

Perfluoropolyethers

8.

Silahydrocarbons

9.

Halecarbons

10. Styrene
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.2. Ht t, út t v chựm nano t
Tính chất của cht lng từ

Một số tính chất vật lý chung của nớc từ
Trung tính
Mật độ
Mu sắc

Từ màu hổ phách cho tới màu đỏ

Kích thớc hạt
Thnh phần
Độ nhớt

Nh nớc hoặc dầu

Từ độ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


3.2. Ht t, út t v chựm nano t
Tính chất của cht lng từ
Nớc từ có tính chất đặc biệt của hệ hai pha:
tổ hợp của tính lỏng trong các chất lỏng thông
thờng với tính siêu thuận từ của các hạt sắt từ hay
ferri từ ở trạng thái rắn đợc phân tán trong môi trờng
chất lỏng.

Có thể điều khiển:
tính chất của cht lng từ
dòng chẩy của cht lng từ
bằng lực từ hay trọng lực,...
Là cơ sở để ứng dụng cht lng từ
trong các lĩnh vực kỹ thuật
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.2. Ht t, út t v chựm nano t
Tính chất của cht lng từ
Tớnh siờu thun t

Đờng từ hoá của cht lng từ cho
thấy tính chất siêu thuận từ điển hình.

- Các tơng tác từ và tơng tác van der
Waals có xu hớng làm kết tụ các hạt từ
nano thành các hạt to hoặc các đám lớn.
- Chuyển động nhiệt của các hạt từ có kích
thớc < 10 nm có khuynh hớng ngăn cản
sự kết tụ.
- Lớp hoạt tính bề mặt ngăn chặn các hạt từ
nano tiếp xúc với nhau.
Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010