(Luận án tiến sĩ) dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin trong các hệ vật liệu RFe11 ti luận án PTS vật lý1 02 13

MUC LUC
Trang
Lòi càm on
Mcf dau

1

Chaang 1. He vat lieu RTj ^Ti, càc tinh chat chung

9

1.1 Càu truc tinh the

9

1.2 Moment tir

12

1.2.1 Moment tvr3d

12

1.2.2 Moment tir dàt hiem

14

1.2.3 Moment tir ciia hop chat RFe^ ^Ti

15

1.3 Cac Ioai tuong tac trao doi trong vat liéu R F e ^ T i . Nhiét do Curie

15

1.3.1 Mị hình trng phàn tir ciia càc Ioai tucmg tac trao dói

15

1.3.2 Két qua thirc nghiem ve tuong tac trao dói, nhiet dị Curie

18

trong vat lieu R T y T i x
Chuong 2. Ly thuyet mò tà di huótig tir tinh the. Cac nghién cuu ve di

22

hucmg tir va hien tuong tai dinh huóng spin trong he vàt liéu
RFeiiTi
2.1 Mị tà hien tugng luan di hng tir tinh the

22

2.1.1 Nàng lugng di hng

22

2.1.2 Càc qua trình tir boa

25

2.1.3 Su phu thuòc nhiet dò cùa tir dò

27

2.2 Mò tà vi move di huóng tir cùa càc hop chat R-T

29

2.2.1 Di huóng tir cùa phàn mang 3d

29

2.2.2 Dj huóng tir cùa phàn mang 4f

31

2.2.3 Càc qua trình tir hóa

39

2.2.4 Su phu thuòc nhiet dò cùa tir do

.

40


2.3 Càc nghién cuu ve di huóng tir, hien tugng tài dinh huóng spin

43

trong càc vat lieu RFej jTi
Chucmg 3. Phucmg phàp thuc nghiem

50

3.1 Tao màu

50

3.1.1 Tao màu khoi

50

3.1.2 Tao màu bịt dinh hng

50

3.2 He do tir do

54

3.3 Càc phép do

57

3.3.1 Do Mc(T) va Mab(T) (phàn tich tir nhiet).

57

3.3.2 Xàc dinh diém Curie

58

3.3.3 Phép do xàc dinh góc lech cùa phucfng de tir hóa khịi truc tinh the.

58

3.3.4 Do he so' tir hóa dong X^^

65

Chuong 4. Di huóng tir va hien tuong tài dinh huóng spin trong he vat

67

lieuDyi.xYxFeiiTi
Chuong 5. Di huóng tir va hien tircmg tài dinh huóng spin trong he vat

83

lieu Tb^.^Y^Fei j^Ti
Chuong 6. Di huóng tir va hien tuong tài dinh huóng spin trong he vat

93

liéu Tbi_xSmxFe]^iTi.
Ketluan
Tài liéu tham khào

103
^

105


MỊDAU
QUA TRÌNH NGHIÉN OJU C TAO GAG VÀT LIÉU T Ù G I J N G DAT
KIM LOAI GHUYÉN TléP.

HIÉM

-

Mot trong càc tinh chat quan trong nhat cùa mot nam chàm vTnh cxiu là
già tri tich nàng liidng (BH)niax- Muon co già tri (BH)niax ^^^* ^^^ ^^^^
phài co càc già tri càm ling tu d\i Bj- va lij'c khàng tu H^ cao. Qua trình
nghién ciiu tìm tèi càc vat lieu mói dùng làm nam chàm vình ciiu là qua
trình di tìm càc vat lieu co Bj- va He cao. Ngồi ra cùng can nói thèm
ràng già tri nhiet do trat ti^ tu Curie T^ cùng là mot thòng so quan trong
cùa vat lieu. Nam chàm vình ciiu phài duy tri diidc càc tinh chat tu tai
nhiet do dù cao de co the làm viec dxidc trong dieu kien thiic te. Già tri
BJ- cao sé dat du!dc neu vat lieu co già tri tu do bào hịa Mg lón. Trong khi
do diéu kien can de co diidc già tri hic khàng tu cao là vat lieu co di
hxióng tu manh. Bàn chat cùa di hu'óng tu co hai Ioai, chia càc vat lieu tu
ciing làm hai Ioai, Ioai thii nhat co di hufdng tu du!dc xàc dinh tu di
hu'óng hình dang cùa càc hat tao nén khoi nam chàm, Ioai thii hai bao
gịm càc nam chàm vói ìxic khàng tu tao bdi di hi^óng tu tinh the cùa vat
lieu. Viec phàt hien ra càc hdp kim R-T dat hiem-kim Ioai chuyén tiep là

mot bu'óc ngoat lón trong lich sii phàt trién càc nam chàm vình ciiu. Ĩ
càc nam chàm Ioai R-T, dà ket hdp du'dc nhùng tinh chat qui bau cùa cà
dat hiem va kim Ioai chuyén tiep. Do là già tri moment tu cao cùa càc
p h à n mang R va T, tu'dng tac trao dói manh trong p h à n mang T. Càc tinh
chat do dàm bào dièu kien dat du'dc già tri Mg va Te cao. Dac biet quan
trong càc hdp kim R-T thu'dng co di hu'óng tu tinh the lón ma chù yéu
do dóng góp cùa phàn mang dat hiem.


Trong nhùng nam 60, càc hdp kim RC05 dà du'dc nghién ciiu va dUa den
ket qua là nam chàm dat hiem-kim Ioai chuyén tiep dau tién SmGo5 dà
du'dc che tao vói già tri tich nàng tu'dng (BMjj^ax^^^ MGOe [60]. Nhàm
muc dich giàm già thành, ngu'di ta dà cho ra ddi Ioai nam chàm co thành
p h à n hòn hdp Sm(Go,Gu,Fe,Zr)7_8. Trong Ioai vat lieu này, Co dà du'dc
thay the mot p h à n càc nguyén tó khàc (chù yeu là Fé) den miic tòi da
cho phép (15%) [43]. Càc nghién cùu càc hdp kim R-Fe cùng dà du'dc
thxic hien dịng thdi vói sii phàt trién cùa nam chàm Sm-Co. Càc nam
chàm Ioai R-Fe du'dc che tao thành còng sé co y nghìa kinh té rat lón bdi
vi già thành Sm va Co deu rat cao. Tuy nhién, khòng tịn tai hdp kim RFe nào vói càu truc CaCu5. Hdp kim R-Fe chi tịn tai vói càu truc dịng
dang vói R2C017 (Th2Ni]^7 hoac Th2Zni7). Nhu'ng trong càc hdp chat
R2Fei7, nhiet do Curie rat thàp va di hu'óng là mat phàng day. Rat nhieu
co gang dà du^dc thij'c hien nham che tao Ioai nam chàm 2:17 giàu sat
nhvfng cuòi cùng vàn khòng dat du'dc sii thành còng nào [7]. Thdi gian
gàn day, mot so tàc già [28,39] de xuàt khà nàng che tao Ioai vat liéu
(R,R')2 (Fé,Co) 17 trén ed sd sii dung khà nàng chiem chò vtu tién cùa hai
vi tri dàt hiem trong càu truc Th2Nii7 de dat du!dc di hiJÓng ddn truc tu
phàn mang (Fé,Co), khii di hu'óng mat phàng day. Ve mat ly thuyet, tich
nàng tu'dng co the dat tói già tri 62 MGOe. Theo mot chieu hu'óng khàc,
càc nhà nghién ciiu di tìm càc hdp kim R-Fe. co sii tham già cùa mot
nguyén tó thii ha dóng vai trị ịn dinh pha.

Nam 1979 Chaban va còng su' [13] phàt hien su' tòn tai cùa mot pha giàu
Fé trong he ha nguyén Nd-Fe-B. IVIài den nam 1984 Ioai vat liéu Nd-Fe-B
mói thxic s\i dxidc phàt hien nhii mot Ioai nam chàm vình ciiu bdi
Sagawa va cịng sxi [55]. No co càu truc tinh the tii giàc vói thành phàn

2-


hdp thiic Nd2Fex4B. Tich nàng lu'dng cxic dai (BH)jnax *^^^ ^ ^ ^ chàm
Nd2Fei4B co the' lón hdn 40 MGOe. Loai vat liéu này co hai dac tinh
quan trong, tnJÓc het kim loai chuyén tiep d day là Fé, ma già thành cùa
Fé rè hdn nhieu so vói Co, thii hai là càu truc tinh the cùa vat lieu dà
du'a den he qua là Nd va Pr chù khòng phài Sm co di hu'óng ddn truc. Su'
phàt hien ra loai nam chàm Nd2Fei4 B khòng chi co y nghia ùng dung
ma con thùc day càc nghién ciiu ed bàn nhàm tìm ra càc hdp kim R-T
giàu sat khàc co khà nàng dùng làm nam chàm vình ciiu [15,8,9]. Trong
vat liéu R2Fe]^4B, boron co the du'dc thay the bdi carbon, tao nén he hdp
chat R2Fei4C [3]. Cùng ho càu truc 2:14:1, con co mot he vat liéu thù ba,
he R2C014B. Ben canh u'u diém chình là nhiet dị Curie rat cao, he so
nhiet dò nhò, he vàt liéu R2Co]^4B co nhu'dc diém là tniịng di hu'óng H^
•>

giàm nhanh khi nhiet dị tàng. Ci nhiet dị thàp vói càc dàt hiem nhat
dinh, di hu'óng cùa phàn mang dàt hiem là ddn truc

co vai trị quyet

dinh. Tai nhiet dị cao, di hu!Ĩng mat phàng day cùa Co lai trd nén quan
trong, dà làm giàm nhanh di hu'óng tịng cịng. Trong thij'c te ngu'di ta
thu'dng pha tron Fé va Co theo ti le thich hdp de tao nén nam chàm co

p h a m chat tịi u'u phù hdp vói u càu sii dung.
Mot loai vat liéu khàc cùng du'dc quan tàm nghién cùu, do là càc hdp
chat R2F6l7Cx- CJ loai vat liéu này, càc nguyén tu carbon du!dc du'a vào
theo Cd che dièn kè giùa càc vi tri 9e cuà càu truc Th2Zni7. Nhiet do
Curie tàng manh theo nịng dị carbon, dat tói hdn 500 K khi x > 1 [26].
Tù càc nghién ciiu Mòssbauer, nhieu tàc già [25] cho thày già tri tut
dịi c he so tnióng tinh the bàc hai A2^, lién quan den di hu'óng tù
tinh the cùng dà tàng dàng ké, dat den già tri A2^ = -710Kao"^ trong
tru'dng hdp Gd2Fei7Cx [34]. Hiéu ùng này, cùng vói sxi tàng manh cùa

-3


nhiét dò Curie gay bdi carbon dà làm cho vàt liéu R2Fei7Cx trd nén co
khà nàng ùng dung nhu' mot vàt liéu tù cùng.
Dac biet thdi gian gàn day, nhieu nhóm nghién cùu trén the giói dà tap
trung nghién cùu càc hdp kim dàt hiem kim loai chuyén tiep loai
R(TM)i2 trong dò, dàng quan tàm hdn cà là loai vat lieu RT^^Ti.
VÀI NET QUA TRÌNH NGHIÉN CljfU HE VAT LIÉU R(TM) 12 CR = DAT H I É M ;
T = KIM LOAI CHUYÉN TlÉP ; M = CÀC KIM LOAI KHÀC )
Càc hdp chat he R(TM)i2 co càu trùc tinh thè' loai ThMni2 (hình 1.1),
dị là mang tù giàc tàm khoi vói nhóm khịng gian I4/mmm. Càc ngun
tù Thorium chi chiem mot vi tri 2a; càc nguyén tù manganese chiem ba
vi tri 8f, 8i, 8j. Ngay tù nhùng nàm 60, càc hdp kim dàt hiem kim loai
chuyén tiep vói càu truc ThMnx2 dà du'dc nghién cùu, vi du Krichmayr
(1966) [36] nghién cùu càc tinh chat tù cùa càc hdp chat RMnx2- ^^^
nhùng nàm 70, mot so tàc già nghién cùu càc tinh chat tù cùa càc hdp
chat RFe4Al3 [3,8,17]. Dàu nhùng nàm 80, còng viec này du'dc tiep tue
bdi Felner va còng su: trén he RT5AI5 va RT5AI7 (1980)

[18,19]

(T=Cr,Mn,Fe,Cu). Gàn day, Wang va còng sxi (1988) [64] dà md rong giói
han thành p h à n cùa Fé lén den x = 10 trong hdp chat GdFexAl]^2-x bang
ky thuàt p h u n màng va nhiét dò Curie dà di^dc nàng lén den già tri xàp
xi 500 K so vói 345 K cùa GdFe^Als. Mac dù hdp chat RFei2 khòng tòn
tai nhu'ng mot so càc tàc già nhu' de Mooij va Buschow [44], de Boer va
càc còng sxi [4], Buschow va còng su' [9] dà thòng bào rang càc hdp chat
RFei2-xMx co the du'dc òn dinh khi x > 1 vói M = Ti, V, Cr, Mo, W va Si
de tao nén càc hgfp chat trung gian vói càu truc ThMn]^2' Nhiét dò Curie
cùa càc hdp chat này thu'dng lón hdn 500 K, riéng tru'dng hdp Gd dat

-4


den 600 K. Khi thay the mot phàn sat bdi cobalt, hiéu ùng chù yeu là
nhiét dò Curie tàng manh theo nịng dị cobalt. Trong càc hdp chat
RFe]^2-xMx' di hu'óng cùa phàn mang sàt là ddn truc [4]. He so tru'dng
tinh thè' bàc hai A2^ tai vi tri 2a cùa càc nguyén tù dàt hiem co già tri àm
[9], dò lón già tri tut dịi cùa nị nhị hdn so vói càc hdp chat RC05 va
R2Fei4B. Dieu này cho thày càc dàt hiem Sm, Er, Tm va Yb vói he so
Stevens bàc hai aj du'dng là co dóng góp di hu'óng ddn truc .
Trong he vat liéu RTi2Mx, càc hdp chat loai R T n T i dxidc quan tàm hdn
cà bdi vi Ti là nguyén tò co khà nàng dóng vai trị ịn dinh pha càu truc
vói ty le thàp nhàt, mot nguyén tù trong mot ddn vi còng thùc. Trong khi
do mịi ddn vi cịng thùc càn ìt nhàt 1,5 nguyén tù càc nguyén te V, Cr,
Mo, W va Si. Dieu này co y nghla dàm bào già tri moment tù bào hòa it
bi giàm bdi sxi pha lồng cùa càc ngun tị khịng tù.
Nhii dà nói d trén, trong càc dàt hiem nhe, chi co Sm co dóng góp di
hu'óng ddn truc, do vày trong ho vat liéu RT^^Ti cùng chi co SruFe^^Ti

thùc sij' co thè' du'dc su dung de che tao nam chàm vTnh cùu. Vàn de khó
khan cùa cịng nghe che tao nam chàm tù loai vat lieu SmFej^iTi là làm
sao dat diJdc l^c khàng tù lón. Thu'dng phàp làm ngi nhanh dà du!dc
càc nhà che tao su dung. Noi dung cùa phu'dng phàp nhu! sau: ngu'di ta
p h u n hdp kim dà du'dc nàu chày lén thành m.ot trong làm lanh dang
quay nhanh quanh mot truc. San pham thu du!dc là càc dai bang rat
mòng. Càc dai bang này co the du'dc xù ly nhiét tixidc khi dem che tao
thành càc nam chàm ket dinh. Già tri lu'c khàng tù phu thuòc vào vat
liéu ban dàu va càc dieu kien còng nghe khàc nbu* toc dò quay cùa trong,
àp suàt phun, thdi gian, nhiét dò xù ly nhiet v.v... Sun va còng su [62] dà
dat du'dc già tri cao nhàt cùa ìxic khàng tù H^ = 0,56 T tù nguyén liéu
-5-


hdp thùc SmFeiiTi. Trong thi^c te, khi dàt trong tàm nàng cao ìxic khàng
tù, mot so tàc già dà xuàt phàt tù nguyén liéu khòng hdp thùc. Nhieu tàc
già cùng dà su dung cịng nghe nitdrit hồ hoac carbon hóa de tao nén
càc vat lieu loai RFe^iTiNx hoac RFenTiCx- Bang càch do nhiét dị Curie
dà du'dc tàng lén dàng ké.
DĨI Tt/dNG CÙA LUÀN ÀN.
Nhìn vào qua trình nghién cùu, che tao càc nam chàm dàt hiem- kim
loai chuyén tiep chùng ta thày do là mot qua trình phàt trién rat nhanh
chóng, trong do càc nghién cùu ed bàn dà dóng mot vai trò vò cùng
quan trong. Nghién cùu ed bàn dà cung càp nhùng thòng tin hiéu biet
quy bau, giùp cho càc nhà cịng nghe dinh hu'óng tìm tịi càc vat liéu
mói. Càc nghién cùu ed bàn con du!dc thiic hien rat ty mi ngay cà trén
càc loai vat liéu dà du^dc tìm ra, qua do càc nhà khoa hoc dà làm giàu
thém kho tàng kien thùc ve vat lieu. Càc ed che vi mò lién quan den càc
tinh chat cùa vàt liéu du'dc dac biet quan tàm, chùng giùp cho viec cài
tien còng nghe, nàng cao chat liidng, giàm già thành san pham. Tnidng

hdp loai vat liéu R2Fex4B là mot vi du dién hình, tù khi du'dc phàt hien
ra nàm 1984, loai vat liéu này trd thành dòi tu'dng nghién cùu cùa rat
nhieu nhà khoa hoc trén the giói, cho den nay dà co hàng nghìn cịng
trình nghién cùu dà dxidc còng bò.
Loai vàt lieu RT^^Ti cùng là mot loai vàt liéu dàng quan tàm. Nò co
nhiJng dac tinh cùa mot vat liéu tù cùng. Ve mat nghién cùu ed bàn, vàt
liéu RTiiTi cùng là mot dòi tu'dng hàp dàn. Càc bài tồn khào sàt dóng
góp cùa p h à n mang dàt hiem co the co do tin cay cao do dàt hiem chi
chiem mot vi tri tinh the. Do co he so tnidng tinh thè' bàc hai A2O àm vói


già tri tuyét dòi khòng cao, trong nhieu tnidng hdp ngu'di ta quan sàt
thày hien tu'dng tài dinh hu'óng spin xày ra do sxi canh tranh di hu'óng
giùa hai phàn mang dàt hiem va kim loai chuyén tiep. Hien tu'dng tài
dinh hu'óng spin nhxi se thày sau này là mot dieu kien thn Idi tinh
tồn càc thịng so vi mị mò tà vàt lieu. Tuy nhién, loai vat liéu RFei^^Ti
con là mot vàt liéu rat mói, cho den nay so lu'dng càc cịng trình lién
quan den loai vàt liéu này con rat han che. Tham chi mot so thòng tin
con dang trong trang thài khịng thịng nhàt giùa càc nhóm tàc già.
Tịi bàt dàu thxic hien chiidng trình nghién cùu sinh dùng vào thdi diém
loai vat liéu R T ^ T i du'dc phàt hien. Phòng thi nghiem Vat ly Nhiet do
thàp dà nhan thày càc nghién cùu ve vàt lieu này là rat càn thiet de mot
mat hòa nhip càc hoat dịng khoa hoc trén the giói, mat khàc chuàn bi
kien thùc cho còng nghe che tao sau này. Càc yeu tị nói trén dà dàt vàn
de cho tịi dxidi sxi giùp dd cùa càc giào vién hu'óng dàn chon R T ^ T i làm
dòi tu'dng cùa luan àn. Luàn àn du'dc thùc hien tai Phòng thi nghiem Vàt
ly Nhiét do thàp, Dai hoc Tịng hdp Ha nói. Trong pham vi khà nàng ve
thiet bi cùa phòng thi nghiem, chùng tòi khòng khào sàt tàt cà càc tinh
chat cùa vàt liéu ma tap trung nghién cùu ve di hxióng tù va hien tu'dng
lién quan mat thiet vói nị, hien tu'dng tài dinh hu'óng spin. Cu the ba he

màu dà du'dc che tao va nghién cùu:
Tbi-xYxFenTi
Dyi-xYxFeuTi
TbixSmxFeiiTi
d day Dy va Tb co di hxióng àm. Khi thay the mot p h à n Dy (hoac
Tb) bdi mot dàt hiem khàc khịng tù (Y) hoac co di hu'óng diidng (Sm),
di hu'óng cùa vàt liéu sé thay dòi dàn den sxi thay dòi cùa hien tu'dng tài


dinh hxióng spin. Trén ed sd càc phép do tù dị, he so tù hóa dịng thij'c
hien trén càc màu khòi va màu già ddn tinh thè, chùng tòi khào sàt
nhùng sxi thay dói do. Càc mị hình ly thuyet mị tà di hxióng tù dà du'dc
àp dung de ly giài càc ket qua thxic nghiem. Bang càc qua trình làm khóp
giùa càc ket qua thùc nghiem va tinh tồn, chùng tòi dà rùt ra càc thòng
so vi mò mò tà vàt liéu.
Ngoài p h à n md dàu va ket luan, bàn ln àn gịm 6 chu!dng, 10 hình ve,
22 dò thi, 7 bang biéu va 74 tài liéu tham khào.

8-


CHtfdNG 1: HE VÀT UÉU RTuTi, CÀC TINH CHAT CHUNG
1.1. CAU TRÙC TINH THÈ
Càc nghién cùu nhiéu xa tia X va nhiéu xa ndtron dà cho thay càc hdp
chat loai R(TM)i2 ^ói chung hay loai RTex^Ti nói riéng co càu trùc tinh
the' loai ThMni2- ^ ^ ^ ^ ^ ^ ThMn]^2 diidc trình bay trong hình 1.1 là càu
trùc tù giàc vói nhóm khịng gian I4/mmm va Z = 2. Bang 1.1 là càc ket
qua thxic nghiem va tinh toàn ve góc va cu'dng dị nhiéu xa tia X cùa hdp
chat GdFe]^o^2' do càc tàc già de Mooij va còng sxi dvta ra [45].
Su' chiem vi tri tinh the cùa càc nguyén tù dà du'dc mot so nhóm tàc già

thu:c hien, (Helmhold va Buschow trén he RFeioV2 (R=Y,Tb,Er) [27],
Moze va còng sij' trén vàt liéu YFej^^Ti [47]). Càc ket qua cho thày càc
nguyén tù dàt hiem chiem vi tri 2a cùa Th, vi tri co tinh dòi xùng cao
nhàt, 4 / m m m . Trong khi dò càc nguyén tò kim loai chuyén tiep p h à n bò
tai ba vi tri cùa Mn, 8f, 8i, 8j. Càc nguyén tù sàt hàu nhu' chiem hoàn
toàn hai vi tri 8f va 8j, con vi tri 8i co su phàn bò cùa cà hai loai nguyén
tù Fé va IVI (d day là V hoac Ti).
Trong vàt liéu YFe^j^Ti, khoàng càch giùa càc nguyén tù sat làn can thay
dòi tù 2,4 A dịi vói 8f - 8f den 2,97 A dịi vói 8i -8i [47].
Sò liidng càc vi tri làn can là (0; 8; 4; 8) dịi vói vi tri 2a, (2; 2; 4; 4) dịi vói
8f va (1; 4; 5; 4) dịi vói 8i. Ị day càc chù sị trong ngồc thù tu' the hien
càc vi tri làn càn 2a, 8f, 8i, 8j [29] .Càc ket qua quan sàt dxidc ve do chiem
chị

trong he

vàt lieu RFe]^2-xMx du'dng

nhu'

khó

du'dc

giài


02a

8f

đ 8è

Hỡnh 1.1: Cau trực tinh thố hai ThMniz-

10-

â 8i


Thytc

Tinh

nghi ém

toàn

e

J

h k 1

e

I

10, 59

9,4

1 0 1

10, 58

8, 5

14, 65

7,5

2 2 0

14, 65

3,0

14,85

23,1

2 1 1

14, 86

20,2

16, 44

14,0

3 1 0

16, 43

16,5

18, 21

72, 0

3 0 1

18, 22

72,3

18,70

28, 0

0 0 2

18,71

25,2

20, 96

64,5

4 0 0

20, 96

65,3

21, 08

110, 5

3 2 1

21, 11

116, 2

21,55

92, 0

2 0 2

21, 55

82, 3

22, 32

19,7

3 3 0

22, 30

15, 8

23,57

21, 0

4 2 0

23,58

19, 2

23,7:,

21, 0

4 1 1

23,71

21,0

24, 12

35, 0

4 2 2

24,11

34,0

25,32

10,2

3 1 2

25,32

9,9

28, 37

6,7

28, 37

2,9

29, 81

13,3

3 3 2

29, 80

15, 5

30, 48

6, 6

5 2 1

30,51

7,3

30,84

7,2

4 2 2

30, 85

7,7

31, 45

17, 0

5 3 0

31, 44

12, 6

33,42

11,4

3 0 3

33, 43

12, 3

33,89

6,7

5 1 2

33, 89

5,1

35, 40

24,2

3 2 3

35, 40

24, 4

37,75

14,5

5 3 2

37,76

14, 9

38, 40

31, 0

6 3 1

38, 40

29, 9

38, 65

29, 0

6 0 2

38, 70

2 5., 2

39, 90

13,4

0 0 4

39, 91

10, 8

5 0

1

•"

Bang 1.1: Càc ket qua thitc nghiem va tinh tồn ve góc va citịng dị nhiéu xa tia
X cùa hdp chat GdFejoV2 [45].

11


thich dxiB. vào kich thxióc ngun tù. Khồng càch R-T ngàn nhàt là giùa
vi tri 2a va càc vi tri 8i, mat khàc bàn kinh nguyén tù cùa càc nguyén tù

M ìdn hdn dàng ké so vói bàn kinh ngun tù cùa Fé. TÙ hai dieu kien
trén, vi tri 8i le ra phài là vi tri khòng thuàn Idi nhàt cho càc nguyén tù
M. Chùng ta chi co thè giài thich du'dc sxi chiem vi tri 8i cùa càc nguyén
tù IVI neu cho ràng khoàng càch giùa càc nguyén tù kim loai chun tiep
dóng vai trị quyet dinh. That vày, khồng càch trung bình T-T, tinh tù
càc vi tri 8i là Idn.
Dò chiem chò u!u tién vi tri 8i cùa càc nguyén tù IVI con co thè du'dc giài
thich bang hiéu ùng enthanpy, tue là hiéu ùng thu (tòa) nhiet khi tao
thành hdp chat, lién quan den tu'dng tàc Culong giùa càc ion. Ta biet
ràng, he tu'dng tàc giùa d'^t hiem va càc kim loai IVI là ìxic day, nhiét
lu'dng tao hdp chat là du'dng. Nhiét liidng này thàp nhàt khi càc nguyén
tù M chiem vi tri 8i do d vi tri này, su' lién ket giùa càc nguyén tù IVI va
dàt hiem là nhò nhàt.
1.2 MOMENT TÙ
1.2.1. Moment tù 3d
Moment tù cùa kim loai 3d phu thuòc mot càch phùc tap vào mat dò
dinh xù cùa càc trang thài dién tù, phàn ành bàn chat, sị lu'dng, khồng
càch va càu hình khịng gian cùa càc ngun tù làn can.
Moment tù trung bình cùa phàn mang 3d trong mot hdp chat R-T nào
dò co the du'dc xàc dinh tù càc phép do tù dò cùa càc hdp chat vdi R là
dàt hiem khòng tù. bao gòm cà Y. Càc phép do tù dò trén he YFei2-xMx
cho thày m o m e n t tù phàn mang 3d giàm nhanh theo nịng dị x tàng. Ị

- 12-


BA(T)

Ms(tlB/F.U)

R

a (A)

C(À)

Tc(K)

4.2 K

290 K

4.2 K

19.0

16.6(2

4.0

Y

8, 51

4, 78

524

Nd

8, 56

4,78

547

)

Sm

8,54

4,78

584

16. 8

Gd

8, 50

4,77

607

17.1

Tb

8, 51

4,77

554

9.7

12.5

Dy

8, 48

4,77

534

9.7

10.6

Ho

8, 47

4,77

520

Er

8, 46

4,77

505

Tm

8, 46

4,77

Lu

8, 46

4,77

,

290 K
2.0

10.5

2.3

11.3

9.2

8.3

3.6

12.4

496

2.2

488
15.7

Bang 1.2:

Tóng két càc so lieu ve tinh thè hoc va mot so tinh chat tù ed bàn
cùa càc hdp chat RFejjTi, diidc difa ra bài Hu va cgng su' [29].

hdp chat YFeiiTi, do nòng do nguyén tù Ti giàm den 1, do dò già tri
moment tù bào hòa dat den già tri |j.s = 19 ng/f.u. Sii p h u thuòc thành
p h à n cùa moment tù cùa càc nguyén tù 3d cùa hai hdp chat Y(Fe]^.
xCox)iiTi va Y(Fei.xNix)iiTi dà diidc nghién cùu bdi Yang va còng su
[65]. Ket qua cho thày d cà hai tru'dng hdp, du'dng cong M-3d(x) dat cu'c
dai tai x - 0,28 dòi vdi Co va x = 0,07 dòi vdi Ni. Hien tu'dng này co the
diigfc giài thich bang càu truc vùng 3d. Theo du'dng Slater-Pauling, co sxi
giao nhau giùa sàt tù yeu va sàt tù manh trong hdp kim hai nguyén Fe]^.
xCox va Fei_xNix khi ^àng x.

13


De tinh toàn moment tù cùa càc kim loai chuyén tiep 3d, ngu'di ta
thu!dng su dung mị hình hóa tri tù. Mị hình này bị qua càc chi tiet ve
mịi tnidng tinh thè hoc, d\idc thxic hien trén càc vat liéu sàt tù manh
ma tinh chat xàc dinh cùa no là càc vùng 3d spin-up hoàn toàn trén
hoac du'di m ù c Fermi.

Cho den nay, phiidng phàp này dà khà thành

còng khi giài thich sxi phu thuòc thành p h à n cùa càc moment tù trong
nhieu hdp kim hai nguyén, trong do co hdp kim lién kim loai R-T.
Khi àp dung mị hình này cho YTe^Ti, già tri mị ment tù quan sàt du'dc
khà thàp hdn so vdi tinh toàn, cho thày YTe^iTi là chat sàt tù yeu. Tuy
nhién, khi thay the mot phàn Fé bdi Co, già tri mò ment thiic nghiem
tien dàn den cùng càc già tri tinh toàn cho mot sàt tù manh.
1.2.2 Moment tùf dàt hiem
Moment tù cùa càc ion dàt hiem co nguòn gòc Idp vò dién tù 4f khòng
day. Càc dién tù 4f co tinh dinh xù cao do bi che chàn bdi càc Idp vị
ngồi. Tu'dng tàc spin-qul dao giùa càc dién tù là tu'dng tàc manh nhàt
dòi vdi càc dién tù cùa mot ion dàt hiem trong hdp chat R-T, nò tao càp
càc spin sj va mị men qui dao ì[ cùa càc dién tù riéng biet, du'a tdi
nguyén ly Hund S = S ^ a x = S sj, L = Lj^ax = ^ li- Cùng tù nguyén ly
Hund, moment tù tòng còng J co già tri S = L - S dòi vdi càc dàt hiem
nhe, J = L + S dòi vdi càc dàt hiem nàng. Moment tù cùa càc ion dàt
hiem, khàc vdi càc kim loai chuyé'n tiep, co dóng góp tù cà moment
spin va m o m e n t qui dao.
( 1 . 1 . a)

ML ='MB^
Ms-~

[^ = I^L+f^s =-[^BÌL

'^^B^

+ 2S)

( 1 . 1 . b}

{1.2.a)

Trong tru'dng hdp J khòng suy bien
- 14-


[i=-gjf^BJ

(1.2.bl

trong do

gj=

*'

^

^^

^^

(1-3)

27(7+1)

là thùa sò Lande.
1.2.3 Moment tù cùa hdp chat R F e n T i
TÙ càc phép do tù dò d nhiét dò thàp cùa càc vat liéu he RFe^^Ti, ngu'di
ta co the ket luan ràng si^ tao càp giùa càc moment dàt hiem va moment
3d là dòi song dòi vdi càc dàt hiem nàng va song song dòi vdi càc nguyén
tò dàt hiem nhe, co nghià là su' tao càp giùa càc spin dàt hiem va kim
loai chuyén tiep là dòi song. Hu va càc còng su' dà tòng ket càc sò lieu ve
tinh the hoc va mot sò tinh chat tù ed bàn cùa càc hdp chat RFe^^Ti
[29], ket qua dxidc du'a ra trong bang 1.2.
1.3. CAC LOAI TtfdNG TAC TRAO DĨI TRONG VAT U RFenTL NHIÉT
DỊ CURIE
1.3.1 Mị hình tnfdng phàn tù cùa càc Ioai txióng tac trao dòi.
Khi khào sàt tu'dng tàc trao dòi trong mot chat ràn, chùng ta
thiidng già thiet càc spin dinh xù d mịi ion va dùng mị hình trao dịi
Heisenbeg de mị tà. Theo mị hình này Hamiltonian trao dịi du'dc viet
du'di dang :

Viec lày tòng du'dc thiic hien vdi tàt cà càc ion tù trong mang, Jjj là tich
p h à n trao dòi giùa càc ion thù i va thù j va SJQ*) là spin tòng cùa ion tai vi
tri i(j). Phép gàn dùng tru'dng phàn tù là sxi thay the tàt cà càc mò ment

15

spin (trù vi tri thù i) bang già tri trung bình cùa nị. Trong he R-T, xày ra
ba loai tu'dng tàc T-T, R-T va R-R. Goi tich phàn trao dòi trung bình cùa
càc ti^dng tàc trao dịi T-T, R-T, va R-R làn ìxidt là ]YY> JRT ^à JRR, chùng
ta co the tàch riéng 3 sò hang. Hamiltonian (1.4) co the du'dc viet nhii
sau:

T

r

R

T

R

R'

Trong thij'c te de thuàn tién ngu'di ta su dung moment tù cùa nguyén tù
thay vi su dung moment spin. Goi sò nguyén t ù kim loai chuyén tiep va
dàt hiem trong mot ò mang là N j va NR, m ò ment t ù mòi phàn mang
cùa mot ò mang là:
A/y. = Nj. <jUj > - -2NJ.JUQ <S^>

( 1 . 6a}

^R

fl-6b)

=^R <MR >=-gj^R^B

<J>

The 1.6a, 1.6b va 1.5, chùng ta co Hamiltonian tiidng tàc trao dòi cho
mot ò mang :

r

R

R

Ị day phép lày tịng dùdc thùc hien trong tồn ị mang.
Càc sị hang Bxr^^, BRX^^> ^ R R ^ ^ du'dc goi là càc tru'dng p h à n tù, chùng
lién he vdi mò ment tù càc phàn mang bdi càc biéu thùc
B^

- n^Mjj

(1.8a)

B^j =-Yn^j.Mj

(1.8b}

Ódày

r-'-^S^

s.
16-


va nxT' riRT ^^ ^RR ^ti'dc goi là càc he sò tnfdng trao dòi, chùng lién he
vdi càc tich phàn trao dịi bdi càc biéu thùc
^~ì

«7T

(l.lOa

I:A. i-^o Oboe
_

N.^W/^3 i

J ^j

"RT

{1.lOb)

^KB

_

"^ RR

l.lOc,

"RR

Thòng thuidng IxT > ^'^ JRT "^ ^'y JRR < ^I ^^ ^ho càc he sò tnidng trao dòi
du'dng, dàu trù xuàt hien trong càc biéu thùc lién he giù'a nj^x va JRT,

giùa NRR va JRR.
Tu!dng tàc R-T trong phiidng trình 1.7 co the viet theo càch khàc
Y.[^R^RT=Y.^T^^
R

vói

B^

••"

(1-11)

T

=-rf^TR^R

ÌPTR =^RT)

(1-12)

Già tri y = 2(gj-l)/g the hien mòi quan he moment spin va moment qui
dao cùa m o t ion dàt hiem. Cd che tao càp càc moment tù cùa tiidng tàc
R-T p h u thuòc già tri y; JIR song song vdi |j.j dòi vdi dàt hiem nhe (y < 0)

va jiR p h à n song song vdi ji-j dòi vdi dàt hie m nàng (y > 0). Cd che này
cùng dà du'dc néu lén tù càc ket qua thiic nghiem do moment t ù bào
hòa cùa he vat liéu RFei^Ti (muc 1.2.3).
Dxia vào dinh luat Curie, ngu'di ta dà xày dving du'dc mòi lién he giùa
nhiet dò Curie va càc hàng sị tu'dng tàc trao dịi
T^=l[T,^T,^^(T,^T,y+4T,,]

1.13

17-

...:;r:^..
I r«;


Ò day T j , T R va TRX thè' hien sxi dóng góp cùa càc tttdng tàc T-T, R-R, RT va chùng dxidc tinh bdi càc biéu thùc
Tj. = Hj^Cj.

( 1 . 14a)

^r ^V'^^RRCR

(1.14b)

'^RT ^ f^lrCnC,

(1.14C)

trong dị

4N,gjJiJ.Ì)Ml
3k,
là càc hàng sò Curie, 2[S*(S*+l)]^/2^g là mò ment tù hiéu dung cùa mot
nguyén tÙT trong trang thài thuàn tù.
Doi vdi mot he vat liéu R-T, n j j co the du'dc xàc dinh tù vat lieu dòng
càu trùc trong dò dàt hiem là khòng tù, tu'dng tu' URR CO the du'dc xàc
dinh tù vat liéu dòng càu trùc trong dò kim loai chuyén tiep là khòng tù.
Do tifdng tàc R-R rat yeu, URR thu'dng du'dc bò qua. Tù càc già tri dà biet
cùa n x x va URR, ta co the xàc dinh du'dc n R j theo còng thùc

nj^j=-

,

(1.16

1.3.2 Ket qua thiic nghiem ve tiidng tàc trao dói, nhiét dị Curie

trong

vat Ueu RTuTixTifffng tàc R-R
Khàc vdi he R2T14B khòng tòn tai hdp chat ma d dò T là khòng tù. trong
he KIi2y co rat nhieu hdp chat vdi T là kim loai khòng tù nbu* RZn]^2'
18-


RMngAle, RCU4AI8 .v.v. Tù càc già tri nhiét dò Neél do du'dc trén he
RCu4Al8> càc tàc già Felner va Nowik [17] dà dxia ra càc già tri nRR tu'dng

ùng.

DÒi vdi càc dàt hiem nàng, nRR hàu nhu' khòng dòi vdi càc già tri trung
bình 30 [XQ, trong khi dịi vdi dàt hiem nhe nRR tàng nhanh ve phia La.
Tiidng tàc Fe-Fe
Tu'dng tàc trao dòi sàt-sàt trong he RFei^Ti co thè du'dc rùt ra tù nhiét
dò Curie cùa càc hdp chat vdi dàt hiem khịng tù (R=Y hoac Lu, theo mị
hình dà trình bay d trén).
Moment tù hiéu dung cùa sàt 2 [S*(S*+I)]'/2 ^g ^^idc lày là 3.7 I^B ti sxi
so sành dò càm thuàn tù cùa càc hgfp chat lién quan (RFe2, R2Fe]^7 [10]
va R2Fei4B [6]). Lày già tri thè tich trung bình cùa ị mang là 173 À^
cho cà Jay RFenTi, tàc già Hu du'a ra già tri npeFe - 231|ao cho YFenTi
(Tc=524K) hoac npefe = 215|io cho L u F e n T i (Te = 488K [29]). Khi so
sành nhiét dò Curie cùa YTe^^Ti vdi càc hdp chat Y(Fex2-x^x) ( ^ - ^ '
Cr, Mo, W) Buschow va de Mooij [11] cho thày s\i thay the mot p h à n Fé
bdi kim loai khòng tù dàn den sii giàm T^. Tuy nhién nhiét dò Curie T^
sé tàng neu thay the Fé bdi Co hoac tham chi Ni trong càc hdp chat co
càu trùc 1:12. Vi du Yang va còng su' do du'dc già tri T^ = 943 K dịi vói
YCoiiTi [65].
Theo ly thuyet tru'dng phàn tù, dòi vdi mot hdp chat R-T, trong do R là
dàt hiem khòng tù, nhiét do Curie du'dc quy dinh bdi hai dai lu!dng: He
sò tu'dng tàc trao dòi n j x va moment tù trung bình <|J.X> tai O^K hoac
moment tù hiéu dung i^eff ^ trang thài thuàn tù.

19


Nhiét dị Curie du'dc tinh bdi biéu thùc:

le

_N^n^<MT>l

—

{1.17a}

3k,

hồc:
Tc=

TT—^

(1.17b)

àfCg

Khi khào sàt su phu thuòc T^ vào <^j>^, ngiidi ta quan sàt thày d
càc hdp chat vdi Co hoac Ni, T^ ty le vdi <]i'j>^, trong khi dò dòi vdi hàu
het càc hdp chat Y-Fe, nhiet do Curie thàng giàng trong khoàng 500-600
K. Dieu này cho thày d càc hdp chat Y-Fe, he sò npeFe giàm khi <[ipe>^>
tàng.
Tifcfng tàc R-Fe
Tio'dng tàc R-Fe co the du'dc rùt ra tù còng thùc:

^;^.= ^ ^

- ''

^

"

(1.18)

Càc tàc già Hu va còng sxi dà thùc hien càc phép do nhiét dị Curie va
tinh tồn hang sị tij'dng tàc trao dòi, ket qua diJdc du'a ra trong bang
[1.3]. Bang này cùng du'a ra ket qua tinh nj^pg khi bị qua tu'dng tàc trao
dịi R-R.
Trong càc tinh tồn này, già tri nhiét dò trat tù cùa phàn mang sàt là Tpe
~ 488 K lày tù LuFe^iTi, cùa phàn mang dàt hiem T R lày tù day
RCU4AI8, the tich trung bình cùa ị mang cùa day RFe^^Ti là 173 A*^.

-20


So sành càc ket qua tinh toàn trong hai tru'dng hdp tinh den va khòng
tinh den tùdng tàc R-R, ta thày sxi sai khàc rat nhò, chùng tò ràng tùdng
tàc R-R trong càc vàt liéu càu trùc 1:12 co thè du'dc bò qua.

Nd

Sm

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Tc(K)

547

584

607

554

534

520

505

496

^RFe

351

296

178

156

157

163

156

157

"^ R F e

358

303

183

159

159

164

157

158

R

Bang 1.3

Càc già tri nhiét do Curie thi/c nghiem va càc he so tu'dng tàc trao
dói njipQ (ddn vi/UQ) cùa càc hdp chat RFejjTi,

he so n'j^p^

dudc

tinh vài viec bò qua tiidng tàc R-R.

He sò tu'dng tàc trao dòi n^-pe giàm theo thi^ tù day dàt hiem dịi vói
càc dàt hiem nhe, trong khi lai hàu nhu' khòng dòi vdi dàt hiem nàng. Sxi
thay dòi cùa n ^ . p e lén day R F e ^ T i tuJdng t\i vdi nhieu hdp kim lién Idm
loai R-Fe khàc, nò du'dc giài thich chù yeu do su' thay dòi cùa bàn kinh
Idp vò 4f dàn den sii thay dòi cùa tùdng tàc 4f-5d.

21


CHÙdNG 2: LY THUYET MÒ TA DI H L / Ó N G T Ù TINH THÈ. CÀC
NGHIÉN CliU VE DI HÙĨNG Tt/ VÀ HIÉN T L / Ị N G TÀI DINH
HL/ÓNG SPIN TRONG HE VAT UÉU R F e n T i
2.1.

MÒ TÀ mÉN TÙdNG LUAN DI H Ù Ó N G T Ù TINH THÈ

2.1.1. Nàng li:rdng di hiidng
Càc tinh chat tù cùa mot vàt lieu sat tù hay ferri tù nói chung co tinh di
hu:dng, txic là nàng lu'dng noi tai phu thuòc hu!dng cùa véc td tù dò so vdi

hu'dng cùa càc truc tinh the. Trong tru^dng hdp nàng liidng di hi^dng gay
bdi tinh dòi xùng tinh thè cùa vat liéu, ngu'di ta goi là di hu'óng tù tinh
thè'. Di hiidng tù tinh the co nguòn gòc tù su ket hdp càc hiéu ùng tiidng
tàc spin - qui dao va su' dich chuyén cùa càc suy bien qui dao cùa càc
trang thài dién tù do tu'dng tàc vdi tru'dng tinh the. Càc mị hình ly
thuyet vi mò co thè giài thich thòa dàng nhieu ket qua thiic nghiem. Tuy
nhién, mò tà hien tu'dng luan cùng co thè du'a den nhùng giài thich ddn
giàn, trùc tiep, dinh tinh càc qua trình tù hóa va càc chun pha tù ma
khòng càn den nguòn gòc vi mò cùa hien tu!ofng.
Nàng lu!dng di hu'dng tù tinh thè E^ co the du'dc viet du!di dang chuòi càc
lùy t h ù a cùa càc cosin chi phu'dng cùa véc td tù dò vdi càc truc tinh the.
Do tinh dòi xùng dac tru'ng cùa mòi loai càu trùc tinh thè, chuòi này co
the du'dc ddn giàn hóa thành càc phu'dng trình ddn giàn.
Dịi vói mot tinh thè ddn truc co dịi xùng lue giàc, E^ co the d\ióc viet •
E^ = K^ sin" 0-^K^ sìn^ O+K^sìn^ 0+K^ sìn^ Ocosócp

[2. la)

^
trong khi dị, dòi vdi cau
trùc tu' giàc ta co:

E^ = K^ sin" O-^K-, sin^ 0-^K^sìn^ 0-\-{K^sm^ 0-\-K^ sin^ ^cos4^

22

{2.ib)


d day, 9 là góc giùa véc td tù dị va truc e, (p là góc giùa hình chieu cùa

véc td tù dò lén mat phàng ab va truc e, Kj (i = 1, 2, 3...) là càc hàng sò di
hu'dng.
Nhùng phu'dng trong tinh thè tu'dng ùng vdi ci^c tiéu cùa EA goi là
phu'dng de tù hóa, con nhùng phiJdng tu'dng ùng vdi cu'c dai cùa E/^ goi
là phu'dng khó tù hóa. Lày cu'c tié'u càc phu'dng trình (2.1) ta sé xàc dinh
du'dc phu'dng de tù hoà cùa tinh thè'. Trong càc hang sò di hu'dng, hang
sò bàc hai Ki co vai trò quan trong hdn cà, tiep do là hàng sò bàc bòn
K2. Càc dieu kien cùa hang sò K^, K2 dịi vdi mot hu'dng d i tù hóa nhàt
dinh trong mot tinh the ddn truc dxidc trình bay trong bang 2.1. Hình 2.1
trình bay giàn dị phc cùa mot chat sat tù ddn truc vdi hai hàng sò di
hu:dngKi,K2.

Kl

K;L>0

K3_>0

Ki<0

K;i_<0

K2

oo>K2>-Ki

-Kx>K2>-oo

-^Ki>K2>-oo

co>K2>-^K]_

Huóng
tù

de

hóa

Bang 2.1:

9

= 0

Truc

e

Hu'dng de ti/hóa

e
Mat

= 90O
phàng

9

= arsin(

K1/2K2)

day

dói vài càc tinh thè lue giàc va ti/giàc [48].

Trong m o t tù trudng ngoài HQ, nàng lu'dng tu' do cùa mot chat sàt tù co
thè dxidc viet.

F^E.-Mfl,

(2.2)

d day ngoài nàng lu'dng di hu'dng E^» co thèm p h à n nàng lu'dng tinh tù
MsHo-

23