Nghiên cứu chế tạo hạt nano CoPt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐỖ THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO CoPt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐỖ THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO CoPt
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HOÀNG NAM

Hà Nội – 2016

Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS.
Nguyễn Hoàng Nam và GS. TSKH Nguyền Hoàng Lƣơng, hai thầy đã tận
tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này. Các thầy đã cho tơi
những lời khun bổ ích, những chỉ dẫn đúng đắn, cũng nhƣ đã động viên,
khuyến khích tơi vƣợt qua mọi khó khăn để hồn thành tốt luận văn tốt
nghiệp.
Tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy, các cô trong trƣờng, các
thầy cô trong khoa Vật lý – Trƣờng ĐH Khoa học Tự nhiên, những ngƣời đã
cho tôi vốn kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quãng
thời gian tôi học tập tại trƣờng để tơi có đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS. TS Lê Văn Vũ, giám
đốc trung tâm khoa học Vật liệu, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG
Hà Nội, cùng các anh chị cán bộ nghiên cứu tại trung tâm đã tạo điều kiện và
giúp đỡ tơi trong q trình làm thực nghiệm tại trung tâm. Tôi xin chân thành
gửi lời cảm ơn tới NCS. Trƣơng Thành Trung, ThS. Nguyễn Đức Thiện, Th.S
Nguyễn Quang Hịa ln giúp đỡ tôi về trang thiết bị, đo đạc xử lý mẫu để tơi
có thể hồn thành tốt luận văn.
Cảm ơn gia đình, bạn bè, những ngƣời ln ở bên, giúp đỡ và chia sẻ với
tôi mọi niềm vui nỗi buồn, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa luận.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 26 tháng 11 năm 2015
HVCH

Đỗ Thị Nhung

Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 4
1.1. Các hiện tƣợng từ .................................................................................... 4
1.1.1 Dị hƣớng từ tinh thể ........................................................................... 4
1.1.2. Quá trình từ hóa ................................................................................ 5
1.1.3. Đƣờng cong từ trễ ............................................................................. 7
1.1.4. Độ nhớt từ ....................................................................................... 10
1.2. Vật liệu sắt từ và tính sắt từ................................................................... 10
1.2.1. Vật liệu từ mềm............................................................................... 12
1.2.2 Vật liệu từ cứng ............................................................................... 13
1.3. Vật liệu CoPt. ........................................................................................ 15
1.3.1. Giản đồ pha. .................................................................................... 15
1.3.2. Cấu trúc tinh thể. ............................................................................. 17
1.3.3. Tính chất từ. .................................................................................... 19
1.4. Cơng nghệ chế tạo ................................................................................. 21
1.4.1 Phƣơng pháp điện hóa siêu âm ....................................................... 21
1.4.2 Phƣơng pháp khử Super-hydride .................................................... 22
1.4.3 Phƣơng pháp điện hóa .................................................................... 23
1.4.4 Phƣơng pháp hóa khử ..................................................................... 25
1.4.5 Phƣơng pháp hóa khử hỗ trợ siêu âm.. ........................................... 25
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 30


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

2.1. Tiền chất và dụng cụ ............................................................................. 30
2.1.1 Tiền chất........................................................................................... 30
2.1.2 Dụng cụ ............................................................................................ 30
2.2 Phƣơng pháp chế tạo mẫu ...................................................................... 30
2.3. Nghiên cứu tính chất cấu trúc bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. . 32
2.4. Xác định thành phần mẫu bằng phổ tán sắc năng lƣợng. ............... 34
2.5. Xác định hình thái cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử truyền qua ........ 37
2.6. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung: .......................................... 39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 42
3.1 Khảo sát hình thái và cấu trúc ................................................................ 42
3.1.1 Khảo sát hình thái học.................................................................... 42
3.1.2 Khảo sát thành phần mẫu ............................................................... 53
3.1.3 Khảo sát cấu trúc ............................................................................ 45
3.2 Khảo sát tính chất từ .............................................................................. 53
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 60


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
XRD

Nhiễu xạ tia X

VSM

Từ kế mẫu rung

EDS

Phổ tán sắc năng lƣợng

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

fcc

Lập phƣơng tâm mặt

fct

Tứ giác tâm mặt

hcp

Lục giác xếp chặt

H

Từ trƣờng

Hc

Lực kháng từ

M

Từ độ

MS

Từ độ bão hòa

Mr

Độ từ dƣ

Tan

Nhiệt độ ủ

kB

Hằng số Boltzman

B

Cảm ứng từ

μ

Độ từ thẩm

Mr/Ms

Từ độ rút gọn

TC

Nhiệt độ Curie

K

Hằng số dị hƣớng từ tinh thể


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng
1.1

Nội dung
Thông số cấu trúc của các pha trong trạng thái trật tự và bất
trật tự.

Trang
17

Tính chất nội tại của CoPt khi so sánh với tính chất của các

1.2

vật liệu có khả năng úng dụng làm các vật liệu ghi từ điển

20

hình khác
1.3

Một số áp suất tƣơng ứng với bán kính mỗi bọt khí.

29

2.1

Danh sách các tiền chất sử dụng nghiên cứu

30

3.1

Các hệ mẫu CoxPt100-x đƣợc chế tạo và xử lý các chế độ nhiệt.

42


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình
1.1
1.2

Nội dung
(a) Đƣờng cong từ hóa trong các chất thuận từ và nghịch từ; (b)
Đƣờng cong từ hóa trong các chất sắt từ.
Sự phân chia thành các đomen từ trong hợp kim sắt từ.

Trang
5
6

Sơ đồ vách dịch chuyển theo trục Ox dƣới tác dụng của từ trƣờng
1.3

H. (a) sơ đồ năng lƣợng vách phụ thuộc vào khoảng cách Ox; (b)

7

Gradient Ew theo trục Ox.
1.4

Biên độ dao động của từ trƣờng ngoài khác nhau sẽ tạo ra các
đƣờng cong từ trễ khác nhau.

8

1.5

Đƣờng cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curie (b) của chất sắt từ.

12

1.6

Đƣờng cong từ trễ B(H) của vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng.

14

1.7

(a) Đƣờng cong từ trễ I(H); (b) B(H) các thông số từ cứng.

15

1.8

Giản đồ pha của hợp kim Co-Pt

16

1.9

(a) Cấu trúc tinh thể kiểu bất trật tự fcc A1 và (b) trật tự fctL10.

16

1.10

(a) Cấu trúc tinh thể kiểu bất trật tự fcc A1 và (b) trật tự fct L10.

17

1.11

1.12

(a)(b) Phổ tán sắc năng lƣợng EDX và (c) Phổ nhiễu xạ tia X của
Co50Pt50 trƣớc và sau khi ủ tại 700oC.
Phổ nhiễu xạ tia X của các hạt nano Co50Pt50 (a) và đƣờng cong từ trễ
(b).

1.13

Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng CoPt trƣớc khi ủ (hình a), sau
khi ủ (hình b).

22

23

24


Luận văn thạc sĩ
1.14

Đỗ Thị Nhung

Đồ thị phụ thuộc lực kháng từ vào nhiệt độ ủ (a) và giản đồ nhiễu xạ
tia X của các hạt nano CoPt – B (b).

25

1.15

(a) Phƣơng pháp hóa siêu âm; (b)Thiết bị tạo siêu âm.

27

1.16

Cơ chế cavitation của sóng âm

28

2.1

Hình ảnh tạo mẫu.

31

2.2

Quy trình chế tạo hạt nano CoPt.

31

2.3

Máy đo nhiễu xạ tia X

32

2.4

Sơ đồ cấu tạo máy phân tích SEM ứng dụng của EDS.

34

2.5

Nguyên lý của phép phân tích EDS.

35

2.6

Kỹ thuật ghi nhận của EDS.

36

2.7

Cấu trúc nguồn phát điện tử trong TEM.

37

2.8

Từ kế mẫu rung.

40

2.9

(a) Sơ đồ khối của từ kế mẫu rung; (b) Nam châm điện.

41

3.1

3.2

3.3

3.4

Ảnh TEM của các mẫu CoxPt100-x (x = 50) chƣa ủ (a) và sau khi ủ
tại nhiệt độ 500 oC (b).
Ảnh TEM của các mẫu CoxPt100-x (x = 60) chƣa ủ (a) và sau khi ủ
tại nhiệt độ 500 oC (b).
Ảnh TEM của các mẫu CoxPt100-x (x = 70) chƣa ủ (a) và sau khi ủ
tại nhiệt độ 500 oC (b).
Biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt của CoxPt100-x chƣa ủ và ủ tại
500oC.

42

43

43

44

3.5

Phổ tán sắc năng lƣợng của các mẫu CoxPt100-x (x = 50) chƣa ủ.

45

3.6

Phổ tán sắc năng lƣợng của các mẫu CoxPt100-x (x = 60) chƣa ủ.

45


Luận văn thạc sĩ
3.7
3.8

3.9

3.10
3.11
3.12

3.13

3.14

3.15

3.16

3.17
3.18
3.19
3.20

Đỗ Thị Nhung

Phổ tán sắc năng lƣợng của các mẫu CoxPt100-x (x = 70) chƣa ủ.
Giản đồ nhiễu xạ tia X trƣớc và sau khi ủ tại 450oC - 700oC của
CoxPt100-x (x = 50).
Giản đồ nhiễu xạ tia X trƣớc và sau khi ủ tại 450oC - 700oC của
CoxPt100-x (x = 60).
Giản đồ nhiễu xạ tia X trƣớc và sau khi ủ tại 450oC - 700oC của
CoxPt100-x (x = 70).
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CoxPt100-x chƣa ủ.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CoxPt100-x (x = 50, 60, 70) sau
khi ủ tại nhiệt độ 500 oC.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CoxPt100-x (x = 50) chƣa ủ và
sau khi ủ tại 500 oC.
(a) Đồ thị biểu diễn hằng số mạng theo nhiệt độ ủ của CoxPt100-x .
(b) Đồ thị biểu diễn tỷ số c/a theo nhiệt độ ủ.

Đƣờng cong từ trễ của các mẫu CoxPt100-x (x = 5) sau khi ủ tại
nhiệt độ 450 oC -700oC đo tại nhiệt độ phòng.
Đƣờng cong từ trễ của các mẫu CoxPt100-x (x = 60) sau khi ủ tại
nhiệt độ 450 oC -700oC đo tại nhiệt độ phòng.
Đƣờng cong từ trễ của các mẫu CoxPt100-x (x = 70) sau khi ủ tại
nhiệt độ 450 oC -700oC đo tại nhiệt độ phòng.
Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa (Ms) theo nhiệt độ ủ.
Đƣờng cong từ trễ đo tại nhiệt độ phòng của của các mẫu CoxPt100o
x (x= 50, 60, 70) ủ tại nhiệt độ 500 C.

Sự phụ thuộc của lực kháng từ (Hc) theo chế độ ủ.

46
47

47

48
49
50

50

52

54

54

55

56
57
57


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, để đáp ứng đƣợc nhu cầu cuộc sống và sự
bùng nổ về công nghệ thông tin, các nhà khoa học đã nghiên cứu rất nhiều
loại vật liệu mới. Trong đó, vật liệu nano ln là một nhánh nghiên cứu dành
đƣợc sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học do những đặc điểm và tính
chất mới lạ so với các vật liệu thơng thƣờng. Khi kích thƣớc vật liệu giảm tới
khoảng nanomet theo một chiều nào đó thì các tính chất vật lý (tính chất
quang, tính chất điện, tính chất từ. …) của vật liệu thay đổi rất lớn. Tính chất
vật lý của vật liệu nano có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thƣớc
và hình dạng của vật liệu. Chính điều này làm cho vật liệu nano trở thành đối
tƣợng đƣợc khoa học cơ bản và ứng dụng tập trung nghiên cứu trong các thập
kỷ gần đây.
Cũng nằm trong xu hƣớng phát triển của công nghệ nano, một số vật
liệu từ cứng đã đƣợc đƣa vào nghiên cứu, chế tạo. Vật liệu từ cứng là vật
liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trƣng từ
học nhƣ Hc lớn, tích năng lƣợng từ cực đại (BH)max lớn...Hợp kim từ cứng
CoPt đã đƣợc phát hiện vào những năm cuối 1930 và đã đƣợc các nhà nghiên
cứu lƣu ý do có các đặc tính lý thú về mặt cơ bản cũng nhƣ khả năng ứng
dụng đặc biệt trong y học và trong các thiết bị dùng trong ngành vũ trụ và
thám hiểm không gian [3].
Cho đến nay, hợp kim CoPt đƣợc đặc biệt quan tâm do đặc tính dị

hƣớng từ cao của pha trật tự L1o của loại vật liệu này. Hợp kim CoPt có thể
tồn tại với các trạng thái khác nhau tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ, hợp phần và
trạng thái cấu trúc tinh thể của vật liệu. Khi ủ trong hợp kim đã xuất hiện pha
trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ

1


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

rệt với ƣu điểm là có lực kháng từ lớn. Do đó, chúng có thể đƣợc sử dụng để
chế tạo các vật liệu ghi từ mật độ cao ứng dụng trong ổ đĩa cứng.
Tính chất từ của vật liệu từ cứng CoPt đƣợc quyết định rất nhiều bởi
kích thƣớc hạt, dạng hạt và bản chất pha từ của hạt. Tính chất từ của CoPt cịn
phụ thuộc vào bản chất của các pha từ thành phần (từ độ bão hòa, dị hƣớng từ
tinh thể…). Hiện nay, có nhiều hƣớng chế tạo các vật liệu cấu trúc nano CoPt
bằng các phƣơng pháp nhƣ: phƣơng pháp điện hóa siêu âm [14], phƣơng pháp
khử Super-hydride [16], phƣơng pháp điện hóa [12], phƣơng pháp hóa khử [17].
Trong khn khổ luận văn này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo hạt CoPt
theo phƣơng pháp hóa khử hỗ trợ siêu âm theo các tỷ lệ thành phần khác nhau
(CoxPt100-x với x= 50, 60, 70), đồng thời nghiên cứu các tính chất vật lý của
các hạt nano CoPt khi xử lý nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau (450oC, 500oC,
550oC, 600oC, 650oC, 700oC).
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn
Vật liệu từ cứng CoPt.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Chế tạo hạt nano CoPt theo các tỷ phần khác nhau bằng phƣơng pháp
hóa khử hỗ trợ siêu âm.

Nghiên cứu các tính chất cấu trúc, tính chất từ và ảnh hƣởng của các
chế độ xử lý nhiệt tới các tính chất của vật liệu.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp thực nghiệm. Các mẫu
nghiên cứu đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hóa khử hỗ trợ siêu âm. Nghiên
cứu cấu trúc của mẫu bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray DiffractionXRD) và kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy -

2


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

TEM). Thành phần của mẫu đƣợc xác định bằng phổ tán sắc năng lƣợng
(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDS). Khảo sát tính chất từ qua
đƣờng cong từ trễ đƣợc tiến hành đo trên hệ từ kế mẫu rung (Vibrating
Sample Magnetometer - VSM).
Nội dung của luận văn bao gồm 3 phần
1.

Chƣơng 1. Trình bày tổng quan về hệ hợp kim hai nguyên tố CoPt, một số đặc trƣng cấu trúc tinh thể, tính chất từ và các thơng số
liên quan.

2.

Chƣơng 2. Trình bày phƣơng pháp chế tạo mẫu, các thiết bị thực
nghiệm đƣợc sử dụng để nghiên cứu các tính chất của hệ mẫu Co-Pt.

3.

Chƣơng 3. Trình bày các kết quả nghiên cứu về tính chất cấu trúc
và tính chất từ của hạt nano CoPt đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp
hóa khử hỗ trợ siêu âm.

Kết quả chính của luận văn:
Đã xây dựng đƣợc quy trình công nghệ chế tạo hạt nano CoxPt100-x (x =
50, 60, 70) bằng phƣơng pháp hóa khử hỗ trợ siêu âm. Khảo sát và nghiên
cứu đƣợc một số tính chất cấu trúc, tính chất từ của hệ vật liệu.
Luận văn đƣợc thực hiện tại các phịng thí nghiệm của trung tâm khoa
học vật liệu trƣờng đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội.

3


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Các hiện tƣợng từ
1.1.1 Dị hƣớng từ tinh thể
Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lƣợng trong các vật có từ tính có
nguồn gốc liên quan đến tính đối xứng tinh thể và sự định hƣớng của mômen
từ. Các mômen từ trong tinh thể thƣờng định hƣớng song song với các trục
tinh thể. Từ hóa theo các trục đó dễ đạt đƣợc giá trị M bão hòa hơn các trục
khác, gọi là trục từ hóa dễ. Thành phần năng lƣợng của vật liệu phụ thuộc vào
vào định hƣớng của véctơ từ trong tinh thể gọi là năng lƣợng dị hƣớng từ.
Năng lƣợng dị hƣớng từ là cực tiểu khi các véctơ (mơmen) từ định hƣớng
theo trục từ hóa dễ và là cực đại khi nằm dọc theo phƣơng từ hóa khó. Diện

tích giới hạn bởi đƣờng cong từ hóa khó và từ hóa dễ là đại lƣợng đặc trƣng
cho năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể của mẫu. [3]
Bản chất của dị hướng từ tinh thể : Do tƣơng tác trao đổi; đối xứng
trƣờng tinh thể và tƣơng tác spin-quỹ đạo. [3]
Do tƣơng tác trao đổi: Hiện tƣợng dị hƣớng từ tinh thể liên quan tới
việc thay đổi nội năng khi có sự thay đổi định hƣớng các spin từ trong tinh
thể. Các spin này sắp xếp song song do tƣơng tác trao đổi tạo nên hiện tƣợng
từ hóa tự phát trong chất sắt từ.
Đối xứng trƣờng tinh thể và tƣơng tác spin-quỹ đạo: Thực nghiệm đã
chứng minh rằng, dị hƣớng từ tinh thể không do tƣơng tác giữa các lƣỡng cực
từ gây nên. Đối với kim loại 3d, năng lƣợng trƣờng tinh thể lớn hơn liên kết
spin-quỹ đạo, các mơmen từ quỹ đạo bị kẹp chặt (đóng băng), hoặc bị kẹp
chặt một phần. Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngồi, chỉ có spin từ quay theo H.
Nhƣ vậy, với các kim loại 3d khơng có đóng góp (hoặc ít) của mômen từ quỹ
đạo, dị hƣớng từ là nhỏ. Với kim loại Co, mơmen từ quỹ đạo bị đóng băng

4


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

một phần, nên có đóng góp vào dị hƣớng từ tinh thể, hằng số dị hƣớng từ lớn
hơn các kim loại cùng nhóm.
1.1.2. Q trình từ hóa
Đường cong từ hóa là đồ thị mơ tả q trình từ hóa vật từ từ trạng thái
ban đầu chƣa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay
đổi của tính chất từ (thông qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ...) theo giá trị
của từ trƣờng ngoài. Ở phạm vi cấu trúc vi mơ, q trình từ hóa chính là sự

thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc đomen) thông qua các cơ chế khác nhau.
Đƣờng cong từ hóa dọc theo các phƣơng khác nhau của các đơn tinh thể
Fe, Ni, Co là khác nhau. Phƣơng mà sự từ hóa đạt đến bão hịa dễ dàng nhất
gọi là phƣơng từ hóa dễ, hay phƣơng dễ. Phƣơng mà sự từ hóa khó đạt đƣợc
bão hòa nhất (chỉ bão hòa ở từ trƣờng cao) gọi là phƣơng từ hóa khó, hay
phƣơng khó. Các tinh thể có một phƣơng từ hóa dễ đƣợc gọi là sắt từ đơn
trục. Các tinh thể có nhiều phƣơng từ hóa dễ gọi là sắt từ đa trục. [7]
Hình dạng đƣờng cong từ hóa ở các vật liệu từ khác nhau thì khác nhau.

(b)

(a)

Hình 1.1 (a) Đường cong từ hóa trong các chất thuận từ và nghịch từ;
(b)Đường cong từ hóa trong chất sắt từ.

5


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

Đối với các chất có trật tự từ (sắt từ, phản sắt từ, ferri từ), đƣờng cong
từ hóa là các đƣờng phi tuyến. Đối với sắt từ và ferri từ, khi từ hóa với từ
trƣờng đủ lớn sẽ có hiện tƣợng bão hịa từ (đƣờng cong từ hóa nằm ngang, đạt
từ độ bão hịa). Hiện tƣợng bão hòa từ cũng xảy ra với các chất thuận từ
và phản sắt từ, nhƣng phải trong từ trƣờng rất lớn và ở nhiệt độ thấp thậm chí
rất thấp.
Các cơ chế từ hóa

Đối với các chất sắt từ và feri từ, đƣờng cong từ hóa phản ánh các cơ chế
từ hóa trong vật liệu (thể hiện qua sự biến đổi cấu trúc đomen).

Hình 1.2. Sự phân chia thành các đomen từ trong hợp kim sắt từ.
Từ hình 1.2, Các đƣờng đen, trắng là các vách đomen, mũi tên chỉ
chiều của mơmen từ trong các đomen. Trong q trình từ hóa, cấu trúc đomen
bị thay đổi.
Q trình dịch chuyển vách đomen: Khi có từ trƣờng từ hóa, các vách
đomen sẽ bị dịch chuyển theo xu thế các đomen có chiều của véctơ từ
độ hƣớng theo từ trƣờng sẽ lớn dần, cịn các đomen khác sẽ bị thu hẹp dần.
Q trình này thƣờng thể hiện thông qua đoạn đƣờng cong từ hóa có dạng
tuyến tính với hệ số góc thấp.

6


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

Q trình quay mơmen từ: Ở từng vật liệu và tùy trạng thái cấu trúc
mà có thể diễn ra q trình từ hóa bằng cách các mômen từ bị quay theo
chiều từ trƣờng, thể hiện qua đƣờng cong từ hóa dạng phi tuyến và tăng rất
nhanh, hoặc chỉ xảy ra trong từ trƣờng đủ lớn.
1.1.3. Đƣờng cong từ trễ
1.1.3.1. Hiện tƣợng từ trễ
Từ trễ là hiện tƣợng bất thuận nghịch giữa q trình từ hóa và đảo từ ở
các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ. Hiện
tƣợng từ trễ là một đặc trƣng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ.
Hiện tượng từ trễ đƣợc biểu hiện thông qua đƣờng cong từ trễ (Từ độ -từ

trƣờng, M(H) hay Cảm ứng từ -Từ trƣờng, B(H). Tính chất từ trễ là một tính
chất nội tại đặc trƣng của các vật liệu sắt từ và hiện tƣợng trễ biểu hiện khả
năng từ tính của của các chất sắt từ. Hiện tƣợng này có liên quan trực tiếp tới
cấu trúc đomen của vật liệu. Chính nhờ khả năng nhớ từ này mà một số vật
liệu sắt từ đƣợc sử dụng để làm vật liệu ghi từ. [3]

Hình 1.3. Sơ đồ vách dịch chuyển theo trục Ox dưới tác dụng của từ
trường H. (a) sơ đồ năng lượng vách phụ thuộc vào khoảng cách Ox;
(b)Gradien EW theo trục Ox.
Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, vật liệu từ bị từ hóa. Hiện tƣợng từ
hóa xuất hiện do q trình dịch chuyển vách khơng thuận nghịch (hình 1.3).

7


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

Từ độ bão hòa
Là giá trị từ độ đạt đƣợc khi đƣợc từ hóa đến từ trƣờng đủ lớn (vƣợt qua
giá trị trƣờng dị hƣớng) sao cho vật ở trạng thái bão hịa từ, có nghĩa là các
mơmen từ hồn tồn song song với nhau. Khi đó đƣờng cong từ trễ từ độ - từ
trƣờng, M(H) có dạng nằm ngang. Từ độ bão hịa là tham số đặc trƣng của vật
liệu sắt từ. Nếu ở khơng độ tuyệt đối (0 K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của
chất sắt từ. Từ độ bão hòa thƣờng đƣợc ký hiệu là Ms hoặc Is.
Từ dư
Là giá trị từ độ còn giữ đƣợc khi ngắt từ trƣờng (H = 0), thƣờng đƣợc ký
hiệu là Mr hoặc Ir. Từ dƣ không phải là thông số mang tính chất nội tại của
vật liệu mà chỉ là thơng số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các

phƣơng từ hố, hình dạng vật từ...

Hình 1.4. Biên độ dao động của từ trường ngoài khác nhau sẽ tạo ra các
đường cong từ trễ khác nhau.

Lực kháng từ
Là giá trị từ trƣờng ngƣợc cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M = 0).
Lực kháng từ thƣờng đƣợc ký hiệu là Hc (Coercivity), đôi khi đƣợc gọi là
trƣờng đảo từ (nhƣng khơng hồn tồn chính xác). Lực kháng từ cũng không
phải là tham số nội tại của vật liệu mà là tham số ngoại giống nhƣ từ dƣ.

8


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

1.1.3.2. Nguyên nhân hiện tƣợng từ trễ
Nguyên nhân cơ bản của hiện tƣợng từ trễ là sự tƣơng tác giữa các
mơmen từ có tác dụng ngăn cản các mômen từ bị quay theo từ trƣờng. Có
nhiều nguyên nhân khác nhau tạo nên hiện tƣợng từ trễ, tạo nên các hình dạng
đƣờng cong từ trễ khác nhau. Kondorski (1940) đã đƣa ra nguyên nhân của
hiện tƣợng từ trễ là: [3]
- Từ trễ do các quá trình quay các mômen từ không thuận nghịch.
- Từ trễ do ngăn cản sự dịch chuyển của các vách đomen.
- Từ trễ do việc giữ sự phát triển các mầm đảo từ.
Q trình quay các mơmen từ khơng thuận nghịch
Là cơ chế đảo từ khi các mômen từ ghim ở trạng thái định hƣớng, sau đó
đột ngột quay theo chiều của từ trƣờng đảo từ khi từ trƣờng vƣợt giá trị

trƣờng đảo từ. Cơ chế này thƣờng xuất hiện trong các vật liệu sắt từ có cấu
trúc gồm các hạt đơn đomen hoặc khi bị đảo từ theo phƣơng của trục dễ từ
hóa. Cơ chế này thƣờng tạo ra đƣờng cong từ trễ có dạng hình chữ nhật.
Sự dịch chuyển của các vách đomen
Trong q trình đảo từ, các mơmen từ có xu hƣớng bị quay theo chiều
của từ trƣờng đảo từ, dẫn đến việc các vách đomen bị dịch chuyển. Tuy nhiên,
nếu có tâm tạp, hoặc các sai hỏng, chƣớng ngại trên chiều dịch chuyển của
vách đomen, chúng có tác dụng hãm sự dịch chuyển của vách đomen và tạo
nên hiện tƣợng trễ.
Nguyên nhân do việc giữ sự phát triển các mầm đảo từ
Mầm đảo từ là một vùng rất nhỏ hình thành trong q trình từ hóa, có
chiều ngƣợc với toàn khối (cùng chiều với trƣờng đảo từ). Các đomen ngƣợc
chỉ còn tồn tại dƣới dạng vết hay các mầm đảo từ. Khi giảm từ trƣờng hóa và
tăng từ trƣờng theo hƣớng ngƣợc lại, các mầm đảo từ (ngƣợc) sẽ phát triển.
Tốc độ phát triển mầm đảo từ ngƣợc ảnh hƣởng trực tiếp tới đƣờng cong từ

9


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

hóa và lực kháng từ của mẫu. Tuy nhiên, có nhiều nguyên nhân khác nhau
dẫn đến việc ngăn cản sự phát triển của các mầm đảo từ này cũng là một cơ
chế tạo nên hiện tƣợng trễ.
1.1.4. Độ nhớt từ
Độ nhớt từ là thuật ngữ để mô tả sự thay đổi từ độ phụ thuộc vào thời gian
mà không liên quan đến trƣờng tác dụng. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi đặt
hay ngắt từ trƣờng ngoài, từ độ, độ từ thẩm,... của vật liệu từ chỉ đạt ổn định sau

một thời gian, nghĩa là, từ tính của vật liệu khơng thay đổi đồng bộ với từ trƣờng
từ hóa. Hiện tƣợng đó gọi là sự nhớt từ hay từ hóa tác dụng sau.
1.2.

Vật liệu sắt từ và tính sắt từ
Vật liệu sắt từ đƣợc biết đến là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng

cảm ứng dƣới từ trƣờng ngoài mạnh. Các kim loại nhƣ Fe, Co, Ni, Gd… là
những ví dụ điển hình về loại chất này. Chất sắt từ là các chất có mơmen từ
ngun tử. Nhƣng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ
này lớn hơn và có khả năng tƣơng tác với nhau - tƣơng tác trao đổi sắt từ.
Tƣơng tác này dẫn đến việc hình thành trong lịng vật liệu các vùng gọi là các
đomen từ. Trong mỗi đomen này, các mômen từ sắp xếp song song với nhau
do tƣơng tác trao đổi, tạo thành độ từ phát của vật liệu. Nếu không có từ
trƣờng, do năng lƣợng nhiệt làm cho mơmen từ của các đomen trong toàn
khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của tồn khối vẫn bằng 0.[6]
Khi tăng dần từ trƣờng đến mức đủ lớn, ta có hiện tƣợng bão hịa từ, lúc
đó tất cả các mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có 1
đomen duy nhất. Khi ngắt từ trƣờng, các mơmen từ sẽ lại có xu hƣớng hỗn
độn và lại tạo thành các đomen. Tuy nhiên, các đomen này vẫn còn tƣơng tác
với nhau, do vậy tổng mơmen từ trong tồn khối bằng một giá trị khác 0, gọi
là độ từ dƣ. Điều này tạo thành hiện tƣợng từ trễ của vật liệu. Muốn khử hoàn

10


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

tồn mơmen từ của vật liệu, cần đặt một từ trƣờng ngƣợc sao cho mômen từ
hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ.
Các chất sắt từ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật để làm các vật
liệu từ mềm, vật liệu từ cứng. Chất sắt từ là những chất ở những nhiệt độ thấp
hơn một nhiệt độ xác định nào đó đã tồn tại độ từ hóa Mo khác khơng, ngay cả
khi khơng tác dụng từ trƣờng ngồi. Độ từ hóa này gọi là độ từ hóa tự phát.
Khi khơng có từ trƣờng ngồi và nhiệt độ tăng thì độ từ hóa tự phát của chất
sắt từ giảm. [8]
Sự phụ thuộc của từ độ theo nhiệt độ của các vật liệu sắt từ có đặc tính là
từ độ giảm về 0 ở nhiệt độ TC gọi là nhiệt độ Curie. Nhiệt độ Curie là nhiệt độ
mà tại đó, chất bị mất trật tự từ. Trên nhiệt độ Curie là vùng thuận từ. Nhiệt
độ TC đƣợc gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. TC là một thông số đặc
trƣng cho chất (thông số nội tại). Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie nhƣ
sau: Fe (1043K), Co (1388K), Gd (292.5K), Ni (627K). Một đặc điểm rất
quan trọng nữa của vật liệu sắt từ là từ trƣờng đòi hỏi để bão hòa một vật liệu
sắt từ là rất nhỏ. Trong khi đó để bão hịa vật liệu thuận từ cần một từ trƣờng
rất lớn. [7]
Hai đặc trƣng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là:
- Đƣờng cong từ trễ.
- Nhiệt độ Curie TC.

11


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

Hình 1.5. Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curie (b) của chất sắt từ.
Mỗi chất sắt từ có khả năng chịu sự biến đổi về từ tính dƣới tác động của

từ trƣờng ngồi và sự khử từ khác nhau. Từ tính chất này, các vật liệu sắt từ
đƣợc phân loại thành 2 nhóm sắt từ: vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng.
1.2.1. Vật liệu từ mềm
Các vật liệu từ mềm đƣợc sử dụng rất đa dạng, đƣợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Các vật liệu từ mềm đƣợc sử dụng làm vật dẫn từ
trong đƣờng dây tải điện, các biến thế, các máy điện, các rơle, các máy đo, lõi
các cuộn cảm, các màn chắn từ,…Một số yêu cầu riêng cho các ứng dụng cụ
thể. Ví dụ nhƣ dùng làm màn chắn từ bảo vệ cho ít đƣờng sức từ xuyên qua
nó. [5]
Các vật liệu từ mềm có đƣờng cong từ trễ hẹp, lực kháng từ rất bé, cỡ
dƣới 100 Oe nhƣng có từ độ bão hịa rất cao, có độ từ thẩm lớn, chúng dễ bị
từ hố và cũng dễ bị khử từ.
Hai thông số quan trọng cần phải có trong một vật liệu từ mềm để có độ
từ thẩm ban đầu cao là dị hƣớng từ và từ giảo của vật liệu đều phải bằng
không. Vật liệu đầu tiên đƣợc chế tạo nhằm tạo đƣợc giá trị dị hƣớng từ và từ
giảo xấp xỉ bằng không là các hợp kim tổ hợp có tên gọi là Mumetal trên cơ

12


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

sở hợp kim có tỷ lệ thành phần giữa Ni và Fe là 80:20. Cho đến nay, loại vật
liệu này vẫn là loại vật liệu có độ từ thẩm cao trên thị trƣờng. [3]
Các vật liệu từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt non, ferrite , Mn, Zn,...
Các vật liệu từ mềm đƣợc sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến thế,
lõi dẫn từ..., Do vậy, đặc trƣng cần quan tâm là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy.
1.2.2 Vật liệu từ cứng

Ngƣợc với vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng là vật liệu khó từ hóa và
cũng khó bị khử từ. Vật liệu từ cứng có khả năng tích trữ năng lƣợng của từ
trƣờng tác động lên nó và trở thành nguồn phát từ trƣờng. Khả năng tích trữ
năng lƣợng đó đƣợc đặc trƣng bằng đại lƣợng tích năng lƣợng cực đại
(BH)max của vật liệu. Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 102 Oe),
nhƣng chúng thƣờng có từ độ bão hịa khơng cao. Tính "cứng" của vật liệu từ
cứng liên quan đến từ tính dị hƣớng từ, liên quan đến năng lƣợng từ có đƣợc
do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là, thông thƣờng các vật liệu từ
cứng thƣờng có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ
nhƣ tứ giác, hay lục giác...[5].
Để ứng dụng đƣợc trong thực tế vật liệu làm nam châm vĩnh cửu, vật
liệu ghi từ mật độ cao phải là vật liệu sắt từ có dị hƣớng đơn trục c và có nhiệt
độ Curie cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng. Vật liệu phải có độ bền cơ học,
hóa học (bền trong môi trƣờng sử dụng) và giá thành sản phẩm rẻ hoặc có thể
chấp nhận đƣợc. Cụ thể với các đặc trƣng có bản của vật liệu từ cứng là: [3]
Lực kháng từ (Hc): là đại lƣợng quan trọng của vật liệu từ cứng, là giá trị
từ trƣờng cần dặt vào ngƣợc hƣớng với hƣớng từ hóa ban đầu của nam châm
để triệt tiêu vecto từ hóa. Lực kháng từ có giá trị càng lớn càng tốt. Trong
trƣờng hợp tổng quát lực kháng từ đƣợc tính theo cơng thức:

Trong đó: +) a, b, c là các hệ số phụ thuộc vào hình dạng tinh thể và cấu trúc từ

13


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

của vật liệu.

+) N1 và N 2 là các thừa số khử từ theo phƣơng vng góc và
phƣơng song song với trục c.
+) Is là từ độ bão hòa, λs là hệ số từ giảo,  là ứng suất.
+) K1 là hằng số dị hƣớng từ tinh thể bậc 1
Nhƣ vậy cơng từ hóa vật liệu phụ thuộc vào phƣơng từ trƣờng ngoài đối
với trục tinh thể. Do đó nguồn gốc của dị hƣớng từ liên quan đến dạng năng
lƣợng tƣơng tác cơ bản xác định trạng thái của vật liệu, trong đó phải kể đến
năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể, dị hƣớng từ đàn hồi và các ứng suất,..

Hình 1.6. Đường cong từ trễ B(H) của vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng.
Từ hình 1.6, ta thấy năng lƣợng của chất sắt từ bị giảm đi xung quanh
đƣờng cong từ trễ thì tỉ lệ với diện tích của đƣờng cong đó. Nếu diện tích này
là nhỏ thì vật liệu là vật liệu từ mềm. Nếu diện tích này lớn thì vật liệu là vật
liệu từ cứng.
Cảm ứng từ dư (Br): là thông số đặc trƣng của vật liệu từ cứng. Là cảm
ứng từ cịn lại sau khi đã từ hóa đến giá trị bão hòa và đƣa mẫu ra khỏi từ
trƣờng. Cùng với Hc, ngƣời ta ln tìm cách tăng giá trị Br của vật liệu từ
cứng để có (BH)max đạt giá trị cao.
Đường cong từ trễ: Đƣờng cong từ trễ thuộc góc phần tƣ thứ hai gọi là
đƣờng cong khử từ.

14


Luận văn thạc sĩ

Đỗ Thị Nhung

Hình 1.7. (a) Đường cong từ trễ I (H); (b) B(H) các thông số từ cứng.
Đối với vật liệu từ cứng, thông thƣờng đƣờng cong từ trễ B(H) đƣợc chú ý

nghiên cứu nhiều hơn. Các đƣờng cong từ trễ I(H) hay M(H), có ý nghĩa
nghiên cứu cơ bản về vật liệu là chủ yếu.
1.3. Vật liệu CoPt
1.3.1. Giản đồ pha
Giản đồ pha của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ,
thành phần và tỷ lệ các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Giản đồ pha cho
biết khu vực nhiệt độ, áp suất, thành phần mà một pha nào đó, hoặc một hỗn
hợp nhiều pha tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Dựa vào giản đồ cho
biết phƣơng hƣớng tổng hợp một chất rắn, giải thích mọi biến hóa xảy ra
trong q trình tổng hợp một vật liệu cụ thể.
Giản đồ pha của Co-Pt đƣợc biểu diễn trên hình 1.8 đƣợc Kaori Hosoiri
cùng các cộng sự đƣa ra [12], cho thấy Co và Pt tạo nên hệ dung dịch rắn mất
trật tự fcc ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ thấp với tỉ phần Co lớn trong hợp chất
Co-Pt, hợp kim giàu Co đƣợc tìm thấy có cả pha cấu trúc lục giác xếp chặt αCo (hcp) và cấu trúc lập phƣơng tâm mặt ε-Co (fcc), với nhiệt độ chuyển tiếp
hcp → fcc khoảng 480oC, phù hợp với kết quả đƣợc đƣa ra từ hình 1.9 bên
dƣới.

15