Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ đồng kết tủa đến cấu trúc nano tinh thể của vật liệu ferit zn0 64ni0 36fe204

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN THỨC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ ĐỒNG KẾT
TỦA ĐẾN CẤU TRÚC NANO TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
FERIT Zn0.64Ni0.36Fe2O4

Chuyên ngành: VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Mã số: 60.520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN THỨC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ ĐỒNG KẾT
TỦA ĐẾN CẤU TRÚC NANO TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
FERIT Zn0.64Ni0.36Fe2O4

Chuyên ngành: VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015

i


Cơng trình được hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN VĂN DÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ...........Nguyễn Văn Thức...... MSHV:….12054946......................
Ngày, tháng, năm sinh: .....15-10-1986...................Nơi sinh:.Hải Phòng..............
Chuyên ngành: ...............Vật liệu kim loại và hợp kim.........................Mã số
:...............................
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ đồng kết tủa đến cấu trúc nano tinh thể của vật
liệu ferit Zn0.64Ni0.36Fe2O4

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Khảo sát ảnh hưởng của chế độ đồng kết tủa đến kích thước hạt của vật liệu ferit
nano tinh thể Zn0.64Ni0.36Fe2O4.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)
IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN DÁN

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. 01 . năm 2015...
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
(Họ tên và chữ ký)

iii


LỜI CÁM ƠN

Em chân thành cảm ơn sâu sắc thầy PGS.TS Nguyễn Văn Dán đã hướng
dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn em từ
giai đoạn tìm hiểu, tiến hành thí nghiệm đến lúc hoàn thiện luận văn. Em đã học
được nhiều từ sự tận tình, chuyên nghiệp và sâu sắc của thầy.
Em xin cảm ơn đến tồn thể q thầy cơ trong Khoa Công Nghệ Vật Liệu,
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM. Đặc biệt là quý thầy cô trong Bộ Môn Kim Loại
và Hợp Kim đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hồn thành luận văn.
Em xin cảm ơn q thầy cơ trong Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn.
Em cũng xin cảm ơn các bạn cùng khóa đã giúp đỡ và chia sẻ nhiều kinh
nghiệm quý báu.
Con xin cảm ơn bố mẹ đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình
tiến hành làm luận văn.
Mặc dù đã cố gắng nhiều, tuy nhiên luận văn khơng tránh khỏi cịn những
thiếu sót, rất mong được q thầy cơ và các bạn góp ý.

Tp. HCM, tháng 01 năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Thức

iv


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ tiền chất (NiCl2, FeCl3, ZnSO4),
của nhiệt độ và thời gian thiêu kết tới cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ Zn0.64
Ni0.36Fe2O4. Mẫu được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa các muối NiCl2,
FeCl3, ZnSO4 và NaOH.
Phân tích cấu trúc và thành phần hóa học và của ferrite bằng phổ XRD và
phổ EDX và tại Phịng Thí nghiệm Nano-Khu công nghệ cao Q.9 và Viện vật lý,
Tp. HCM.
Xác định kích thước hạt bằng phương pháp dùng cơng thức Scherrer dựa vào
chiều rộng ở nửa đỉnh nhiễu xạ có cường độ mạnh nhất trên phổ XRD, kết hợp với
dùng kính hiển vi điện tử quét SEM, hãng Hitachi S-4800, SerialNumber=HI-90220003 độ phóng đại từ 150.000÷200.000x tại Viện hóa học, Tp. HCM.
Xác định từ tính (µ, Ms, Hc) bằng thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) của hãng
MicroSense-USA và thiết bị Q kế LCR-819 meter INSTEK tại Viện vật lý, Tp.
HCM.
Kết quả nghiên cứu cho thấy:
Thay đổi nhiệt độ nung từ 400, 600, 800, 1000°C, thời gian nung từ 2h, 4h,
6h, nồng độ tiền chất từ 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6 M. Mức độ tinh thể hóa càng cao khi
nhiệt độ và thời gian nung càng lớn. Kích thước của hạt nano ferit từ dao động từ
15÷32 nm.
Mức độ tinh thể hóa của hạt ferrite cao, kích thước hạt nhỏ khi chế tạo ở chế
độ: nồng độ CM ≤ 0.2 M, nhiệt độ nung 800°C, thời gian giữ nhiệt 4 h. Khi này kích
thước hạt nano ferit trong khoảng 18, 21, 23 nm tương ứng với nồng độ 0.05, 0.1,
0.2 M.
Khi giảm kích thước hạt nano ferrite thì Hc giảm. Khi kích thước hạt đạt 14.1
nm thì Hc ≈0, đạt tới trạng thái siêu thuận từ.
MS giảm khi giảm kích thước hạt nano ferrite. MS cao nhất đạt được là 58.66
emu/g ở kích thước 31 nm.

µr giảm mạnh khi giảm kích thước hạt từ mức độ micromet xuống mức độ
nanomet.

v


ABSTRACT
The Effect of co-precipitation method on nanocrystalline structure of ferrite
Zn0.64 Ni0.36Fe2O4 .was studied.
Samples were maken by co-precipitation method from NiCl2, FeCl3, ZnSO4
and NaOH.
The results of X-ray diffaction and SEM showed that at high temperature, long
time, and denser concertrations made big grains.
Chemical compositions and structures of ferrite were studied by EDX and
XRD at Nano Lab – High Tech Park and Physical Institute, HCMC.
Particles size studied by Scherrer equation and SEM images at Chemical Institute, HCMC.
The results of the research are follow:
The results of X-ray diffaction and SEM showed that at high temperature, long
time, and denser concertrations made big grains.
Samples are calcined at 400, 600, 800, 1000°C for 2h, 4h, 6h, precursor
concertrations (NiCl2, FeCl3, ZnSO4) from 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6 M. Grains size is
about 15÷32 nm. Crystalization level is higher when increasing time and
temperature.
High crystalization level, small grain size, when: precursor concertrations CM ≤
0.2 M, calcined at 800°C, for 4h. Grain size will be 18, 21, 23 nm matched
concertrations 0.05, 0.1, 0.2 M.
Decreasing grain size made Hc decrease. When grain size is 14.1 nm, matched
Hc ≈0, reached superparamagnetic.
Ms decreased when decrease grain size. Maximun Ms is 58.66 emu/g when
grain size is 31 nm.

µr decreased rapidly when decrease grain size from micromet to nanomet.

vi


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN ......................................................................................... 1

KHÁI NIỆM CĂN BẢN ............................................................................................................................. 2

1.1.1

Từ trƣờng .......................................................................................................................................... 2

1.1.2

Vecto từ trƣờng .............................................................................................................................. 2

1.2

TÍNH CHẤT TỪCỦA NGUYÊN TỬ...................................................................................................... 4

1.3

PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ..................................................................................................................... 4

1.3.1

Nghị ch từ và thuậ n từ ................................................................................................................ 4

1.3.2

Sắ t từ ................................................................................................................................................... 7

1.3.3

Phả n sắ t từ ....................................................................................................................................... 7

1.3.4

Ferit từ ................................................................................................................................................ 8

1.4

ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TỪTÍNH ................................................................................ 9

1.5

CÁC DẠNG TƢƠNG TÁC CƠBẢN TRONG VẬT LIỆU TỪ........................................................ 10

1.5.1

Tƣơng tác trao đổi - Sự từ hóa tự phát............................................................................. 10

1.5.2

Tƣơng tác từ tinh thể - Hằ ng số dị hƣớng từ tinh thể ............................................ 11

1.5.3

Tƣơng tác từ đàn hồ i................................................................................................................. 12

1.5.4

Tƣơng tác từ tĩnh ........................................................................................................................ 12

1.6

CẤU TRÚC ĐOMEN ............................................................................................................................... 13

1.7

LÝ THUYẾT TỪHOÁ VÀ TỪTRỄ .................................................................................................... 14

1.8

LỊ CH SỬPHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU TỪ.................................................................................. 17

1.8.1

Sắ t non và sắ t kĩ thuậ t ............................................................................................................. 20

1.8.2

Thép silic ......................................................................................................................................... 21

1.8.3

Hợp kim Fe-Ni............................................................................................................................... 23

1.8.4

Vậ t liệu từ mềm đặ c biệt ....................................................................................................... 24

1.8.5

Vậ t liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu) ............................................................................. 27

1.8.6

Ứng dụ ng của vậ t liệ u từ ........................................................................................................ 32

vii


1.9

SƠLƢỢC VỀ VẬT LIỆU TỪFERIT ................................................................................................... 34

1.9.1

Công nghệ chế tạ o ..................................................................................................................... 35

1.9.2

Ferit từ mềm ................................................................................................................................. 36

1.9.3

Ferit granat..................................................................................................................................... 40

1.9.4

Ferit từ cứng .................................................................................................................................. 40

1.10

TỔNG QUAN về vậ t liệ u từ nano tinh thể ................................................................................. 41

1.11

CƠSỞLỰA CHỌN VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI...................................................................................... 43

CHƢƠNG 2
2.1

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 45

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................................................................... 46

2.1.1

CHẾ TẠO MẪU .............................................................................................................................. 46

2.1.2

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 52

2.1.3

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ........................................................................................................... 58

CHƢƠNG 3

KẾT LUẬN ........................................................................................... 77

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
1-1 Momen từ trong vật liệu............................................................................................................................ 2
1-2 (a) Độ từ cảm B0 trong môi trường chân không............................................................................... 2
1-3 Mơ hình thể hiện (a) ocbitan điện tử, (b) spin điện tử .................................................................... 4
1-4 Cấu hình từ cực của vật liệu từ .............................................................................................................. 5
H
1-5 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ từ cảm B và cường độ từ trường H của vật liệu
nghịch từ, thuận từ, sắt từ........................................................................................................................................... 6
1-6 Sơ đồ thể hiện sự sắp xếp có trật tự từ một cách thường xuyên của vật liệu sắt từ, tồn tại
trật tự từ ngay cả khi không có từ trường ngồi.................................................................................................. 7
1-7 Sơ đồ thể hiện momen từ của vật liệu phản sắt từ MnO ................................................................. 8
1-8 Sơ đồ thể hiện cấu hình momen từ spin của ion Fe2+và Fe3+ trong Fe3O4 ......................... 8
1-9 Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của Ms vào nhiệt độ của Fe và Fe3O4 ..................................... 10
1-10 Đường cong từ hóa của đơn tinh thể cobalt ở các phương tinh thể khác nhau ................. 12
1-11 Sự thay đổi hướng của cực từ dọc theo vách đomen .................................................................. 13
1-12 Đồ thị H-B của vật liệu từ ban đầu chưa từ hóa. Cấu hình đomen ở các giai đoạn từ
hóa, độ từ cảm bão hịa Bs và độ từ thẩm ban đầu µi được thể hiện trên đồ thị. .................................. 14
1-13 Chu trình từ trễ của vật liệu từ .......................................................................................................... 15

1-14 Chu trình từ trễ của vật liệu từ ở trạng thái chưa bão hịa (đường cong NP). Đảo từ tại
điểm L bất kì trên đường cong từ trễ bão hòa (đường cong LM). .............................................................. 16
1-15 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỉ 20 ............................................................... 18
1-16 Chu trình từ trễ của vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng .......................................................... 19
1-17 Bảng tuần hoàn các nguyên tố thể hiện bản chất từ tại nhiệt độ phòng .............................. 19
nh 1-18 Sơ đồ thể hiện vùng đomen của vật liệu từ .................................................................................... 21
1-19 Sơ đồ thể hiện lõi dẫn từ .................................................................................................................... 22
1-20 Sơ đồ thể hiện textua của kiểu mạng lập phương tâm khối của sắt ....................................... 23
1-21 Sơ đồ thể hiện thiết bị quay - nung chảy chế tạo băng hợp kim vơ định hình .................... 27
1-22 Sơ đồ đường từ hóa thể hiện vịng trễ và tích năng lượng (B.H)max ................................... 28

ix


1-23 Sự tăng tích năng lượng (B.H)max của các loại nam châm theo thời gian ........................ 28
1-24 Hình ảnh nam châm đất hiếm NdFeB ............................................................................................. 30
1-25 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm SmCo5............................................. 31
1-26 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế tạo nam châm đất hiếm NbFeB ............................................. 31
1-27 Biểu diễn hình khối kích thước của một bit dữ liệu trên một đĩa cứng (x1000) ................ 33
1-28 Sơ đồ đĩa cứng với lớp chứa thông tin và các đầu đọc, đầu ghi ............................................ 34
1-29 Quy trình cơng nghệ chế tạo ferit ..................................................................................................... 35
1-30 Ảnh hưởng của kích thước hạt tới Hc .............................................................................................. 38
1-31 Vịng từ trễ của các loại vật liệu từ.................................................................................................. 41
2-1 Sơ đồ thể hiện quy trình cơng nghệ chế tạo ferit ........................................................................... 50
2-2 Sơ đồ thể hiện chế độ và số lượng mẫu thí nghiệm ....................................................................... 51
2-3 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn ................................................... 52
2-4 Nguyên lý phương pháp nhiễu xạ bột ................................................................................................ 52
2-5 Sơ đồ khối của từ kế mẫu rung ............................................................................................................ 54
2-6 Sơ đồ các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét............................................................................ 56
2-7 Phổ XRD của mẫu 1, nồng độ 0.1 M nung 800°C trong 4 h..................................................... 59

2-8 Ảnh SEM của mẫu 2, nồng độ 0.6 M nung 800°C trong 4 h..................................................... 60
2-9 Ảnh SEM của mẫu 9, nồng độ 0.4 M nung 800°C trong 4 h..................................................... 60
2-10 Ảnh SEM của mẫu 6, nồng độ 0.2 M nung 800°C trong 4 h .................................................. 61
2-11 Ảnh SEM của mẫu 1, nồng độ 0.1 M nung 800°C trong 4 h .................................................. 61
2-12 Ảnh SEM của mẫu 11, nồng độ 0.05 M nung 800°C trong 4 h ............................................. 62
2-13 Phổ EDX của mẫu 11, nồng độ 0.05 M nung 800°C trong 4 h ............................................. 62
2-14 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nồng độ tiền chất đến kích thước hạt ................................. 63
2-15 Ảnh hưởng của kích thước hạt tới mức độ tinh thể hóa khi thiêu kết ở cùng điều kiện
nhiệt độ và thời gian .................................................................................................................................................. 65
2-16 Ảnh SEM của mẫu 3, nồng độ 0.2 M sấy 110°C trong 12 h .................................................... 66
2-17 Ảnh SEM của mẫu 10, nồng độ 0.2 M nung 400°C trong 4 h ................................................ 67

x


2-18 Ảnh SEM của mẫu 4, nồng độ 0.2 M nung 600°C trong 4 h .................................................. 67
2-19 Ảnh SEM của mẫu 8, nồng độ 0.2 M nung 1000°C trong 4 h ................................................. 68
2-20 Phổ XRD của mẫu, nồng độ 0.2 M nung ở các nhiệt độ khác nhau trong 4 h .................. 68
2-21 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến kích thước hạt .................................. 69
2-22 Phổ XRD của mẫu 5, 6, 7 nồng độ 0.2 M nung 800°C trong 2÷6 h ..................................... 70
2-23 Ảnh SEM của mẫu 5, nồng độ 0.2 M nung 800°C trong 2 h .................................................. 71
2-24 Ảnh SEM của mẫu 7, nồng độ 0.2 M nung 800°C trong 6 h .................................................. 71
2-25 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thời gian nung đến kích thước hạt ...................................... 72
2-26 Đồ thị thể hiện vòng trễ của mẫu 11 .............................................................................................. 73
2-27 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến từ tính ................................................................................... 74
2-28 Ảnh hưởng kích thước hạt tới MS .................................................................................................... 74
2-29 Vịng xuyến ............................................................................................................................................. 75
2-30 Độ từ thẩm của vật liệu nano Ni-Zn thay đổi theo tần số [26] ............................................... 75
2-31 Độ từ thẩm của NiZn ferrite biến thiên theo kích thước hạt ([24]- trang 115) ................. 76

xi


DANH MỤC BẢNG
1-1 Một số thơng số từ tính và đơn vị .......................................................................................................... 3
1-2 Độ cảm từ χm ở nhiệt độ phòng của một số vật liệu nghịch từ và thuận từ............................. 6
1-3 Momen từ spin của ion Fe2+ và Fe3+ trong một ô cơ sở của Fe3O4 ...................................... 9
1-4 So sánh các đặc điểm của vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng................................................. 20
1-5 Thông số từ của một số hợp kim từ cứng đặc biệt ........................................................................ 32
1-6 Phân loại vật liệu từ theo chức năng ................................................................................................ 33
1-7 Thông số từ của một số loại ferit Ni-Zn không có cấu trúc nano............................................. 37
1-8 Thơng số từ của một số loại ferit Mn-Zn ......................................................................................... 39
1-9 Tính tốn momen từ của một số vật liệu ferit từ spinel ............................................................... 39
1-10 Lĩnh vực sử dụng của ferit.................................................................................................................. 41
1-11 Thông số một số vật liệu nano tinh thể ferit từ ............................................................................ 42
2-1 So sánh giữa các phương pháp chế tạo............................................................................................ 46
2-2 Tính toán lượng muối và nước ở nồng độ 0.6 M ........................................................................... 48
2-3 Tính tốn lượng muối và nước ở nồng độ 0.4 M ........................................................................... 48
2-4 Tính tốn lượng muối và nước ở nồng độ 0.2 M ........................................................................... 48
2-5 Tính tốn lượng muối và nước ở nồng độ 0.1 M ........................................................................... 49
2-6 Thành phần hóa học của mẫu 11 ....................................................................................................... 62
2-7 Ảnh hưởng của nồng độ tiền chất đến kích thước hạt ferrite .................................................... 63
2-8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt nano ........................................................................ 69
2-9 Ảnh hưởng của thời gian nung đến kích thước hạt nano ............................................................ 71
2-10 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến Hc ............................................................................................ 73
2-11 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến µr (tần số đo 100 kHz) ..................................................... 75

xii

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN

1


1.1 KHÁI NIỆM CĂN BẢN
1.1.1 Từ trƣờng
Bất kì dịng điện nào cũng đều gây ra xung quanh nó 1 từ trường. Khi đặt
một dịng điện khác vào trong khơng gian này thì dịng điện này sẽ bị lực từ tác
dụng.
Thơng qua từ trường, lực từ được truyền từ dòng điện này tới dòng điện
khác. Vận tốc truyền tương tác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không. Như
vậy, từ trường là 1 dạng của vật chất, là một dạng đặc biệt của trường điện từ.

1-1 Momen từ trong vật liệu [6]

1.1.2 Vecto từ trƣờng
Vecto cường độ từ trường kí hiệu là H. Nếu từ trường tạo bởi cuộn dây có N
vịng, chiều dài l, cường độ dịng điện chạy trong cuộn dây là I, thì cường độ từ
trường được tính bằng:

1-2 (a) Độ từ cảm B0 trong mơi trường chân không
(b) Độ từ cảm B trong môi trường chất rắn [6]

2


Độ từ cảm B cũng là một đại lượng vecto, thể hiện cường độ cảm ứng từ của
vật liệu đặt trong từ trường H:
B = µ.H

Với µ là độ từ thẩm của mơi trường. Trong chân khơng:
B0 = µ0.H
Với µ0 là độ từ thẩm của chân khơng, µ0 là một hằng số có giá trị là 4π.10-7
H/m.
Đơi khi cịn dùng độ từ thẩm tỷ đối để so sánh mức độ từ hố giữa vật rắn và
chân khơng:

Cịn một đại lượng thường dùng nữa là độ từ hố M tính tốn bởi:
B = µ0.H + µ0.M
Khi tồn tại từ trường H, momen từ trong vật liệu có xu hướng song song với
chiều của từ trường ngoài bằng cách xoay từ trường của nó. Thơng số µ 0.M trong
cơng thức B = µ0.H + µ0.M thể hiện xu hướng này.
Cường độ của độ từ hoá M thể hiện qua:
M = χm.H
Với χm là độ cảm từ. Độ cảm từ và độ từ thẩm tỷ đối
χm =

có quan hệ:

-1

1-1 Một số thơng số từ tính và đơn vị [6]
Thơng số

Kí

Đơn vị (SI)

hiệu

Chuyển đổi

Cơ bản

Độ từ cảm

B

Tesla (Wb/m2)

Kg/s-C

Cường độ từ trường

H

Amp-vịng/m

C/m-s

Độ từ hóa

M

Amp-vịng/m

C/m-s

Độ từ thẩm trong chân khơng

µ0

Henry/m

Khơng đơn vị

Khơng đơn vị

Khơng đơn vị

Khơng đơn vị

Không đơn vị

Độ từ thẩm tỉ đối
Độ cảm từ

χm

3


1.2 TÍNH CHẤT TỪ CỦA NGUN TỬ
Tính chất từ của vật liệu được quyết định bởi tính chất từ của các electron.
Mỗi electron trong một nguyên tử có momen từ được tạo bởi hai thành phần. Thành
phần thứ nhất liên quan đến chuyển động ocbitan của electron xung quanh hạt nhân.
Electron là hạt mang điện, được xem như vòng điện chuyển động quanh hạt nhân.
Điều này tạo ra một từ trường rất nhỏ, sinh ra một momen từ có chiều dọc trục quay
(hình 1-3 a).
Thành phần momen thứ hai tạo ra bởi chính chuyển động quay của electron

xung quanh trục của nó (hình 1.3 b).

1-3 Mơ hình thể hiện (a) ocbitan điện tử, (b) spin điện tử [6]

1.3 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ
1.3.1 Nghịch từ và thuận từ
Vật liệu nghịch từ có độ cảm từ χm có giá trị âm, tức là độ từ hố xuất hiện
khi có từ trường ngồi có chiều ngược lại với từ trường tác dụng [1].
Độ cảm từ thường có giá trị rất nhỏ, khoảng -10-6, sinh ra do sự thay đổi
ocbitan của electron khi xuất hiện từ trường ngồi. Các khí trơ, một số kim loại
không chuyển tiếp (Au, Ag, Cu, Zn...), các chất bán dẫn (Ge, Si), chất điện môi,
chất siêu dẫn là chất nghịch từ [1].

4


Do từ tính yếu, chất nghịch từ hầu như khơng có ứng dụng.
Vật liệu thuận từ có độ cảm từ χm có giá trị dương, tức là độ từ hố xuất hiện
khi có từ trường ngồi cùng chiều với từ trường tác dụng.
Vật liệu thuận từ bị từ hóa yếu bởi từ trường ngoài. Độ cảm từ của vật liệu
thuận từ thường có giá trị nhỏ, khoảng 10-3÷10-6, sinh ra do sự thay đổi ocbitan của
electron khi xuất hiện từ trường ngoài. Một số kim loại (Al, Cr, Ti, Zr, Mo...), muối
của các kim loại chuyển tiếp là chất thuận từ [1].

1-4 Cấu hình từ cực của vật liệu từ
(a) Cấu hình từ cực của vật liệu nghịch từ. Khi khơng có từ trường ngồi, từ cực khơng
xuất hiện. Khi có từ trường ngồi từ cực xuất hiện ngược chiều với chiều của từ trường
ngồi.
(b) Cấu hình từ cực của vật liệu thuận từ. Khi khơng có từ trường ngồi, từ cực khơng xuất
hiện. Khi có từ trường ngồi từ cực xuất hiện cùng chiều với chiều của từ trường ngoài [6]

5


1-5 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ từ cảm B và cường độ từ trường H của vật
liệu nghịch từ, thuận từ, sắt từ [6]

Cả vật liệu nghịch từ và thuận từ đều là vật liệu không có từ tính, khơng có
trật tự từ. Vì chúng chỉ thể hiện tính chất từ khi có sự xuất hiện của từ trường ngồi.
Đồng thời, cả hai đều có độ từ cảm B trong từ trường H giống như trong chân
khơng.

1-2 Độ cảm từ χm ở nhiệt độ phịng của một số vật liệu nghịch từ và thuận từ [6]
Nghịch từ
Vật liệu

Thuận từ

Độ cảm từ

Vật liệu

Độ cảm từ

Nhôm oxit -1.81 x 10-5

Nhôm

2.07 x 10-5

Đồng

-0.96 x 10-5

Crom

3.13 x 10-4

Bạc

-2.38 x 10-5

Titan

1.81 x 10-4

Kẽm

-1.56 x 10-5 Molipden

6

1.19 x 10-4


1.3.2 Sắt từ
Vật liệu sắt từ là vật liệu có trật tự từ, có độ cảm từ χm có giá trị dương rất
lớn và phụ thuộc vào nhiệt độ. Vật liệu sắt từ tồn tại trật tự từ (từ tính) cả khi khơng
tồn tại từ trường ngồi. Các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và kim loại đất
hiếm là vật liệu sắt từ [1].

Trật tự từ này tồn tại trong những vùng nhất định gọi là vùng đomen.
Độ cảm từ χm của vật liệu sắt từ có thể lên tới 106, khi đó H<<B ≈ µ0.M

1-6 Sơ đồ thể hiện sự sắp xếp có trật tự từ một cách thường xuyên của vật liệu sắt từ,
tồn tại trật tự từ ngay cả khi khơng có từ trường ngồi [6]

Với mỗi vật liệu sắt từ đều có một nhiệt độ đặc trưng gọi là nhiệt độ Curie
Tc. Khi T < Tc thì vật liệu là sắt từ, cịn khi T > Tc thì vật liệu là thuận từ [1].
1.3.3 Phản sắt từ
Vật liệu phản sắt từ cũng có nhiệt độ đặc trưng như sắt từ, gọi là nhiệt độ
Néel TN:
-

Khi T > TN thì vật liệu là thuận từ.

-

Khi T < TN thì vật liệu có độ cảm từ χm có giá trị dương và nhỏ như vật
liệu thuận từ. Tuy nhiên χm lại phụ thuộc mạnh vào từ trường, phương
tác dụng của từ trường và vào nhiệt độ [1].

7


1-7 Sơ đồ thể hiện momen từ của vật liệu phản sắt từ MnO [6]

1.3.4 Ferit từ
Vật liệu ferit từ có tính chất từ rất giống sắt từ, chỉ khác ở chỗ chúng là các
vật liệu gốm. Ferit từ có công thức dạng MO. Fe2O3 với nguyên liệu chế tạo là oxit

sắt và oxit của các kim loại hoá trị 2 như Cu, Ni, Mn, Zn...có kiểu mạng lập phương
dạng spinel [1].

1-8 Sơ đồ thể hiện cấu hình momen từ spin của ion Fe2+và Fe3+ trong Fe3O4 [6]

Tổng momen từ tạo ra do các ion Fe3+ là bằng khơng vì chúng triệt tiêu lẫn
nhau. Ở các ion Fe2+, các ion thành phần sắp xếp cùng chiều với nhau nên tổng
momen của chúng tạo nên momen của vật liệu từ ferit.

8


1-3 Momen từ spin của ion Fe2+ và Fe3+ trong một ô cơ sở của Fe3O4 [6]

Cation
Fe2+
Fe3+

Lỗ hổng

Lỗ hổng

khối 8 mặt khối 4 mặt
↑ ↑ ↑ ↑

↓ ↓ ↓ ↓

↑ ↑ ↑ ↑

↓ ↓ ↓ ↓

↑ ↑ ↑ ↑

-

↑ ↑ ↑ ↑

Momen từ
Triệt tiêu
↑ ↑ ↑ ↑
↑ ↑ ↑ ↑

Các ion hoá trị hai như Cu2+, Ni2+, Mn2+, Zn2+ tạo dung dịch rắn thay thế với
ion sắt trong khối cơ bản của ferit từ Fe3O4. Bằng cách điều chỉnh thành phần hóa
học, vật liệu từ ferit có một khoảng biến thiên từ tính rộng. Ví dụ, có thể tạo ra
niken ferit có cơng thức NiO. Fe2O3. Cũng có thể tạo ra ferit từ bằng cách sử dụng
hai ion hóa trị hai cùng lúc như Mn.Mg.Fe2O4 với tỉ lệ Mn2+:Mg2+ thay đổi.
Ngồi cơng thức hóa học kể trên, vật liệu từ ferit cịn có cấu trúc sáu phương
và granat. Vật liệu từ có cấu trúc sáu phương có cơng thức hóa học là AB12O19,
trong đó A là kim loại hóa trị hai như Ba, Pb và B là kim loại hóa trị ba như Al, Ga,
Cr, Fe. Ví dụ điển hình cho dạng vật liệu từ này là PbFe12O19 và BaFe12O19.
Vật liệu từ ferit dạng granat có cấu trúc tinh thể rất phức tạp, thể hiện bằng
công thức tổng quát M3Fe5O12 với M là ion của kim loại đất hiếm như Y, Ga, Sa...
Trong đó Y3Fe5O12 hay YIG là loại thơng dụng nhất trong nhóm này [6].

1.4 ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TỪ TÍNH
Khi tăng nhiệt độ lên thì năng lượng nhiệt làm suy yếu trật tự từ.
Năng lượng nhiệt ở nhiệt độ nhất định có thể phá hủy trật tự từ, làm cho các
momen ngun tử khơng cịn song song với nhau, trạng thái bão hòa từ mất đi.
Nhiệt độ làm cho trạng thái sắt từ bị phá vỡ và thay bằng trạng thái thuận từ

gọi là nhiệt độ Curie, ví dụ nhiệt độ Curie của sắt là 700°C [6].

9


1-9 Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của Ms vào nhiệt độ của Fe và Fe3O4 [6]

1.5 CÁC DẠNG TƢƠNG TÁC CƠ BẢN TRONG VẬT LIỆU TỪ
Có hai dạng tương tác cơ bản trong vật liệu từ: tương tác trao đổi và tương
tác từ. Các tương tác từ lại phân ra: tương tác từ tinh thể, từ đàn hồi và từ tĩnh.
1.5.1 Tƣơng tác trao đổi - Sự từ hóa tự phát
Tương tác trao đổi sinh ra bởi một loại lực đặc biệt: lực trao đổi. Chính điều
kiện năng lượng cực tiểu gây ra sự định hướng song song (hay phản song song) của
các momen từ spin trong cấu trúc đomen của sắt từ. Cũng do điều này, giải thích sự
từ hóa tự phát trong các loại vật liệu sắt từ.
Năng lượng tương tác trao đổi có thể xác định theo nhiệt độ Curie của mỗi
vật liệu. Khi nung nóng vật liệu từ, do chuyển động nhiệt hỗn loạn tăng lên, sự định
hướng song song của các momen từ spin của electron bị phá hủy. Điều này làm cho
tính từ hóa tự phát giảm xuống.

10


Khi đạt được nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Néel, tính từ hóa tự phát bị phá
hủy, tức là năng lượng chuyển động nhiệt hỗn loạn của nguyên tử bằng năng lượng
trao đổi.
ΔEtrao đổi = k.Tk
VớiTk là nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Néel [1].

1.5.2 Tƣơng tác từ tinh thể - Hằng số dị hƣớng từ tinh thể

Tương tác trao đổi giữa những electron của các nguyên tử cạnh tranh dẫn
đến sự sắp xếp trật tự những vecto từ độ của những ngun tử đó. Đây chính là
thành phần chủ yếu của năng lượng từ của vật liệu. Các tương tác từ khơng hồn
tồn đẳng hướng như tương tác trao đổi mà có tính dị hướng.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng, sự từ hóa theo các phương tinh thể khác nhau có
giá trị khác nhau, tức là có sự dị hướng từ tinh thể.
Sự khác biệt năng lượng khi từ hóa theo hướng khó và dễ từ hóa được đặc
trưng bởi năng lượng dị hướng từ tinh thể.
Sự dị hướng từ tinh thể gây ra bởi tác dụng tương hỗ từ giữa momen từ spin
và quỹ đạo của electron, tham gia vào sự từ hóa tự phát. Chuyển động quỹ đạo của
các electron có liên hệ với cấu trúc mạng tinh thể. Khi nung nóng, tác dụng tương
hỗ spin – quỹ đạo sẽ yếu đi, hằng số dị hướng từ sẽ giảm xuống. Tuy nhiên, ở một
số vật liệu từ khác (Mn-Bi) mối quan hệ này có thể theo quy luật khác.

11


1-10 Đường cong từ hóa của đơn tinh thể cobalt ở các phương tinh thể khác nhau [6]

Trong vật liệu từ, cùng với sự dị hướng từ tinh thể, còn quan sát thấy nhiều
dạng dị hướng khác phát sinh khi biến dạng dẻo, ủ trong từ trường [1].
1.5.3 Tƣơng tác từ đàn hồi
Sự thay đổi sự định hướng từ hóa tự phát có kèm theo sự biến dạng trong
mạng tinh thể, gọi là hiện tượng từ giảo. Ngoài ra khi vật liệu từ chuyển trạng thái
qua lại giữa sắt từ ↔ thuận từ cũng xảy ra hiện tượng từ giảo.
Từ giảo được đặc trưng bởi hằng số từ giảo λ, bao gồm từ giảo khối và từ
giảo tuyến tính.
Biến dạng từ giảo được sinh ra bởi các khuyết tật mạng tinh thể hoặc bởi ứng
suất bên ngoài kèm theo ứng suất đàn hồi của mạng tinh thể [1].
1.5.4 Tƣơng tác từ tĩnh

Năng lượng từ tĩnh của tương tác vật liệu đã từ hóa với từ trường ngồi được
tính theo:

Ett = J.H
12