Khóa luận tốt nghiệp: Tìm hiểu về hạt nano từ và ứng dụng trong đời sống, y học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

ĐINH THỊ QUỲNH

TÌM HIỂU VỀ HẠT NANO TỪ VÀ ỨNG DỤNG
TRONG ĐỜI SỐNG, Y HỌC
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học

ThS LÊ KHẮC QUYNH

HÀ NỘI - 2018


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình thực hiện khóa luận này, em đã nhận được sự giúp
đỡ tận tình của các quý thầy cô, anh chị và bạn bè.
Em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới các thầy cơ trong khoa Vật lý- Trường
Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 đã dạy dỗ, chỉ bảo và truyền đạt kiến thức cho em
trong st q trình học tập và rèn luyện tại trường cũng như trong q trình
thực hiện khóa luận này.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh đã
tận tình hướng dẫn giúp em trong suốt q trình thực hiện khóa luận của này.
Là một sinh viên lần đầu nghiên cứu khoa học, khóa luận của em khơng
tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
thêm từ bạn bè và thầy cơ để khóa luận được hoàn thiện hơn.

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình em, những người thân
ln bên em, hết lòng ủng hộ em cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá
trình học tập.
Cuối cùng em xin kính chúc thầy cơ khoa Vật lý – Trường Đại học Sư
Phạm Hà Nội 2 dồi dào sức khỏe, thành công trong công việc.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
SINH VIÊN

ĐINH THỊ QUỲNH


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu củ a riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của ThS Lê Khắc Quynh. Những kết quả nghiên cứu khoa học trong
khóa luận là hồn tồn trung thực và chưa từng cơng bố ở bất kì nơi nào khác.
Trong q trình nghiên cứu hồn thành bản khóa luận em có tham khảo một
số tài liệu của một số tác giả đã ghi trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu có vấn đề gì khơng đúng tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2017
SINH VIÊN

ĐINH THỊ QUỲNH


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mơ tả quỹ đạo e chuyển động trong ngun tử .............................. 3
Hình 1.2. Mơ tả chuyển động tự quay của e trong nguyên tử ........................ 6
Hình 1.3. (a) Mơ hình sắp xếp mơmen từ ngun tử; (b) Sự phụ thuộc -1

vào nhiệt độ.............................................................................................7
Hình 1.4. (a) Sự sắp xếp các mômen từ; (b) ) Sự phụ thuộc -1 vào nhiệt
độ..................................................................................................... 9
Hình 1.5. (a) Sự sắp xếp các mômen từ; (b) ) Sự phụ thuộc -1 vào nhiệt
độ................................................................................................... 10
Hình 1.6. Đường cong từ hóa ....................................................................... 11
Hình 1.7. Sự phụ thuộc của  vào H ............................................................ 12
Hình 1.8. Sự phụ thuộc của từ độ (I) và -1 vào nhiệt độ ............................. 13
Hình 1.9. So sánh đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng và từ mềm ......... 14
Hình 2.1. (a) Bình sữa làm bằng nhựa có pha thêm nano bạc; (b) Dược
phẩm có sử dụng nano bạc; (c) Thiết bị điện tử có sử dụng nano
bạc ................................................................................................. 18
Hình 2.2. (a) Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc; (b) Hạt nano
vàng trong làm đẹp........................................................................ 19
Hình 2.3. Các vị trí tứ diện và bát diện ........................................................ 19
Hình 2.4. Cấu trúc spinel đảo của Fe3O4 ...................................................... 20
Hình 2.5. Sự định hướng của các lưỡng cực từ: (a) Thuận từ; (b) Sắt từ;
(c) Phản sắt từ; (d) Ferit từ ............................................................ 22
Hình 2.6. Đường cong từ hóa của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước ..... 22
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của độ kháng từ vào đường kính hạt nano từ......... 23
Hình 2.8. Đồ thị năng lượng dị hướng phụ thuộc vào góc  ....................... 24
Hình 2.9. Sơ đồ biển diễn phương pháp phun nung ..................................... 25
Hình 2.10. Sơ đồ thiết bị tổng hợp hạt nano bằng Laze ............................... 26


Hình 3.1. Ảnh chụp bit thơng tin trên đĩa mềm và đĩa cứng: (a) Chụp
thường; (b) Chụp bằng hạt từ nano Fe3O4 .................................... 28
Hình 3.2. Một số ứng dụng chất lỏng từ trong việc khảo sát nhiệt độ trong
loa điện động bởi nhóm Nguyễn Phúc Dương, Lữ Hà Anh viện
ITIMS ĐH Bách khoa Hà Nội: (a) Loa điện động; (b) Bộ dẫn

từ; (c) Lõi âm ................................................................................ 31
Hình 3.3. Đường thanh áp của loa treble màng giấy loại 1007.................... 32
Hình 3.4. Mơ hình vận chuyển thuốc bằng các hạt nano từ ......................... 33
Hình 3.5. (a) Quá trình đốt nhiệt bằng từ trường xoay chiều; (b) Công suất
đốt nhiệt phụ thuộc vào bán kính của hạt ..................................... 34
Hình 3.6. Q trình quay đảo và hồi phục của mômen từ hạt nhân ............. 35


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài ......................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................. 2
4.Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 2
6. Cấu trúc của đề tài ...................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT RẮN ........................................ 3
1.1. Mômen từ nguyên tử ............................................................................... 3
1.1.1. Mômen từ ngun tử khi chưa có từ trường ngồi .............................. 7
1.2. Các trạng thái từ của vật chất .................................................................. 7
1.2.1. Trạng thái nghịch từ ............................................................................. 7
1.2.3 Trạng thái sắt từ ................................................................................... 9
1.3. Đặc điểm của vật liệu sắt từ .................................................................. 10
1.3.1. Đường cong từ hóa ............................................................................. 11
1.3.2. Sự phụ thuộc độ cảm từ theo độ từ hóa của vật liệu sắt từ ................ 11
1.3.3. Từ dư .................................................................................................. 12
1.3.4. Nhiệt độ Curie .................................................................................... 12
1.3.5. Một vài đặc tính của khác của chất sắt từ .......................................... 13
1.4. Phân loại vật liệu sắt từ ......................................................................... 14
1.4.1. Vật liệu từ mềm .................................................................................. 14

1.4.2. Vật liệu từ cứng .................................................................................. 14
1.4.3. Vật liệu ghi từ..................................................................................... 15
CHƯƠNG 2. HẠT NANO TỪ TÍNH ........................................................ 16
2.1. Cơng nghệ nano..................................................................................... 16
2.1.1. Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano ................................... 16


2.1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano .................................................. 16
2.1.3. Phân loại vật liệu theo kích thước ...................................................... 17
2.1.4. Ứng dụng của một số nano ................................................................ 18
2.2. Hạt nano sắt từ....................................................................................... 19
2.2.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất của Fe3O ............................................. 19
2.2.1.1 Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 ........................................................... 19
2.2.1.2. Tính chất của Fe3O4 ....................................................................... 20
2.2.2.Các phương pháp chế tạo hạt từ nano ................................................. 25
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ ................................... 28
3.1. Ứng dụng trong đời sống ...................................................................... 28
3.1.1. Chất lỏng từ ........................................................................................ 28
3.1.2. Tăng tuổi thọ trục quay ...................................................................... 29
3.1.3. Bôi trơn và truyền nhiệt ..................................................................... 29
3.1.4. Máy in phun ....................................................................................... 29
3.1.5. Gia tốc kế ........................................................................................... 30
3.1.6. Làm bóng bề mặt ................................................................................ 30
3.1.7. Ứng dụng trong quốc phịng hàng khơng. ......................................... 30
3.1.8. Loa điện động..................................................................................... 31
3.2. Ứng dụng trong y học ........................................................................... 32
3.2.1. Phân tách và chọn lọc tế bào .............................................................. 33
3.2.2. Dẫn truyền thuốc ................................................................................ 33
3.2.3. Hiệu ứng đốt nhiệt .............................................................................. 33
3.2.4. Tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân........................... 34

3.2.5. Một số ứng dụng trong tương lai ....................................................... 35
KẾT LUẬN ................................................................................................. 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 38


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Vật liệu từ có cấu trúc nano là một lĩnh vực rất mới mẻ của ngành khoa
học vật liệu trong hiện đại. Các hạt từ kích thước cỡ nanomét (10-9m) và
micromet (10-6m) đại diện cho một lớp vật liệu từ mới, thu hút được sự quan
tâm đặc biệt trên cả hai phương diện, khoa học và công nghệ. So với các vật
liệu khối tương ứng, các hạt nano từ có tính chất từ phong phú, đa dạng khác
thường. Các tính chất này là hệ quả của các hiệu ứng liên quan đến sự hạn chế
kích thước và sự phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc tinh thể tại các biên hạt.
Các hạt nano từ thể hiện một thuộc tính từ độc nhất là tính siêu thuận từ.
Sự đa dạng về tính chất làm cho các hạt nanơ từ có ứng dụng rất phong
phú. Các hạt nano từ hội tụ đầy đủ những yếu tố cần thiết cho các ứng dụng
trong cuộc sống và trong lĩnh vực y sinh học.
Thứ nhất: các hạt nanô từ có kích thước gần với kích thước của các thực
thể sinh học như virus (20-500nm), protein (5-50nm) và gen (đường kính 2nm,
dài (10-100nm)) vì vậy chúng có thể dễ dàng tiếp cận mà không ảnh hưởng
nhiều đến hoạt động của các thực thể sinh học đó.
Thứ hai: các hạt nano từ có diện tích bề mặt lớn, có thể được chức năng
hoá bề mặt làm tăng khả năng hấp phụ và nhả thuốc trong cơ thể. Đặc biệt các
hạt nano từ có từ tính lớn và có khả năng điều khiển được bằng từ trường ngoài
nên phạm vi ứng dụng rất lớn.
Tuy nhiên các ứng dụng trong y học đòi hỏi vật liệu phải đáp ứng được
các yêu cầu khắt khe về các tính chất dược lý, hố học, vật lý cũng như độ
đồng nhất, cấu trúc tinh thể, thuộc tính từ, cấu trúc bề mặt, các tính chất hút
bám, khả năng hoà tan của hạt và đặc biệt phải có tính độc thấp. Chính vì những

lí do trên nên khi nghiên cứu về nano từ tôi đã chọn đề tài “Tìm hiểu về hạt
nano từ và ứng dụng của nó trong đời sống, y học” làm đề tài nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu

1


- Tìm hiểu về lí thuyết và tính chất ( tính từ) của hạt nano từ
- Ứng dụng của hạt nano từ vào trong cuộc sống và y học
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Các hạt nano từ và ứng dụng của nó
4.Nhiệm vụ nghiên cứu
- Các tính chất từ và ứng dụng của hạt từ nano
5. Phương pháp nghiên cứu
- Tra cứu, đọc và tổng hợp tài liệu
6. Cấu trúc của đề tài
- Phần 1: Mở đầu
- Phần 2: Nội dung
Chương 1: Tính chất từ của vật rắn
Chương 2: Hạt nano từ tính
Chương 3: Ứng dụng của hạt nano từ
- Phần 3 : Kết luận

2


CHƯƠNG 1
TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT RẮN
1.1. Mơ men từ nguyên tử
Chúng ta đã đã được tiếp xúc với định nghĩa nguyên tử ngay khi học cấp

II, nhưng mãi cho đến cấp III chúng ta mới đi sâu tìm hiểu về cấu tạo hạt của
nguyên tử. Có thể nói tất cả các nguyên tử đều gồm hạt nhân mang điện dương
và các electron mang điện âm. Các electron này chuyển động khơng ngừng
quanh hạt nhân. Để giải thích nhiều hiện tượng, đặc biệt có các hiện tượng từ,
chúng ta có thể coi gần đúng rằng các electron chuyển động quanh hạt nhân
theo những quỹ đạo tròn hoặc elip tương tự như chuyển động của các hành tinh
trong hệ mặt trời. Các electron của nguyên tử (hay phân tử) quay theo những
quỹ đạo (hình elip hoặc hình trịn) như vậy với tần số rất lớn vào cỡ ≈ 1015
vịng/giây, nó sẽ tạo ra dịng điện khép kín. Dịng điện vừa được tạo ra này sẽ
sinh ra quanh nó một từ trường và sẽ tương tác với từ trường ngồi. Do đó, tùy
thuộc vào từ trường ngồi như thế nào mà mơmen từ sẽ có sự định hướng khác
nhau.
Trước hết chúng ta cần biết thế nào là mômen từ nguyên tử? Đi trả lời
cho câu hỏi này, chúng ta có thể giả sử quỹ đạo của electron chuyển động
quanh hạt nhân trong ngun tử là một đường trịn, bán kính r, có tâm nằm ở
hạt nhân nguyên tử ( hình 1.1)

Hình 1.1. Mô tả quỹ đạo e chuyển động trong nguyên tử [9]

3


Gọi v
⃗ là vận tốc của electron, f là tần số quay của electron trên quỹ đạo thì:
f

v
2 r

Dịng điện do chuyển động của electron quanh quỹ đạo có chiều ngược

lại với chiều chuyển động của electron quanh quỹ đạo (bởi vì e<0) cịn cường
độ dịng điện được tính bằng :
I  ef  e

v
2 r

Gọi S   r : là diện tích giới hạn bởi đường trịn quỹ đạo của electron chuyển
2

động xung quanh hạt nhân.
Khi đó mơmen từ quỹ đạo P m đặc trưng cho dòng điện này là:
P m  IS n 

ev
1
 r 2 n  evrn
2 r
2

Trong đó n : vector đơn vị hướng theo phương pháp tuyến dương của mặt S
(có chiều sao cho chiều dòng điện là chiều quay thuận xung quanh nó).
Mặt khác, vì electron có khối lượng nên khi nó quay quanh hạt nhân nó
có mơmen xung lượng L với:
L   r  mv 

L được gọi là mômen xung lượng quỹ đạo. Theo công thức, ta thấy L vng
góc với mặt phẳng quỹ đạo của electron, và có chiều được xác định bằng quy
tắc vặn nút chai. Vì chiều chuyển động của điện tử ngược chiều với dòng điện
nên L ngược chiều với P m , do đó: L  mvrn và về độ lớn trị số L = mvr.

Gọi  là tỉ số giữa Pm và L; ta có:



Pm 1 evr
e


L 2 mvr
2m

4


Dấu trừ biểu thị cho L ngược chiều với P m

 

e
: được gọi là hệ số từ cơ của electron.
2m

e
: điện tích riêng của electron.
m

Trong cơ học lượng tử đã chứng minh rằng electron nguyên tử chỉ
chuyển động theo những quỹ đạo dừng nhất định với mômen động lượng:
Lk  k

h
2

k  Z , h: hằng số Plăng.

Do đó ta có thể viết:
Pm 

n

e
h
eh
k
k
2m
2
4 m

1,6.1019 0,662.1034
4,91.1031 

Với  B 

 n.0,927 23

eh
: manheton Bohr (J/T).
4m

Manheton Bohr là mômen từ nguyên tố ứng với chuyển động của
electron theo quỹ đạo gần hạt nhân nhất của nguyên tử đơn giản nhất là hydro.
Thực nghiệm và lý thuyết đã chứng tỏ rằng, khi electron chuyển động
trên quỹ đạo ngồi mơmen từ quỹ đạo và mơmen xung lượng quỹ đạo, electron
cịn có mơmen từ riêng P ms và L s mômen động lượng riêng (còn gọi là spin
của electron). Trong cơ học lượng tử chúng có mối liên hệ:

s 

Pms
e
   2
Ls
m

5


Chính vì vậy mà ngồi chuyển động quay, electron cịn tham gia chuyển
động tự quay quanh trục của nó giống như sự tự quay của trái đất (hình 1.2).

Hình 1.2. Mô tả chuyển động tự quay của e trong nguyên tử 9
Khi nghiên cứu cấu trúc phân tử và các hạt tạo thành chúng thì người ta
đã chỉ ra rằng các hạt proton và notron cũng có mơmen từ. Tuy nhiên mômen
từ của chúng rất nhỏ so với mômen từ của electron. Ta có thể coi mơmen từ
của hạt nhân có đóng góp khơng đáng kể vào mơmen từ ngun tử, mà chủ
yếu là đóng góp của mơmen từ của electron.
Vậy khi tính mơmen từ ngun tử (hay phân tử) ta tính tổng vector của
tất cả các mơmen từ quỹ đạo P m và mômen từ riêng P ms của tất cả các electron
:

z

P m   ( P mi  P msi )
i 1

Trong đó:

P m : mơmen từ nguyên tử.
z : số thứ tự của nguyên tử trong bảng hệ thống tuần hồn.
Như vậy, mơmen từ ngun tử nói lên bản chất của từ học, có thể coi
như đặc trưng cho tác dụng của một dòng điện khép kín trong nguyên tử (hay
phân tử). Với mỗi nguyên tố khác nhau thì giá trị mơmen từ ngun tử của
chúng là khác nhau. Độ lớn của mômen từ nguyên tử quyết định bởi số lượng
spin “down” và spin “up” trong lớp chuyển tiếp – lớp điện tử không điền đầy
trong cấu hình điện tử của nguyên tố.[9]

6


1.1.1. Mơmen từ ngun tử khi chưa có từ trường ngoài
- Đối với các chất thuận từ, nghịch từ
Khi chưa có từ trường ngồi, do chuyển động nhiệt nên các mơmen từ
ngun tử sắp xếp hồn tồn hỗn loạn, khơng có phương ưu tiên. Vì vậy,
mơmen từ tổng hợp trong tồn vật bằng khơng và vật khơng có từ tính hay nó
cịn được gọi là nhóm phi từ.
- Đối với các chất sắt từ
Khi khơng có từ trường, mơmen từ của vật khác khơng và chính là
mơmen từ tự phát. Tổng mơmen từ của vật liệu đã bị từ hóa trên một đơn vị
thể tích gọi là độ nhiễm từ hay độ từ hóa hay từ độ M của vật liệu. Gọi là độ
từ cảm hay hệ số từ hóa của vật liệu.

1.2. Các trạng thái từ của vật chất
1.2.1. Trạng thái nghịch từ
Vật liệu từ ở trạng thái
nghịch từ là vật liệu từ có độ
cảm từ âm(   0 ), độ lớn nhỏ
(cỡ 10-6 0 ), ít phụ thuộc vào
nhiệt độ.
Trong một vật liệu
(a )

nghịch từ, các nguyên tử
khơng có mơment từ riêng khi
khơng có từ trường ngồi đặt

(b)

Hình 1.3.(a) Mơ hình sắp xếp mơmen từ
1
ngun tử; (b) Sự phụ thuộc của  vào

nhiệt độ.[9]

vào.
Điều này được giải
thích do chất nghịch từ có

nguyên tử mà trong đó mặt phẳng quỹ đạo của các electron song song với nhau
và có qũy đạo giống nhau. Trên các quỹ đạo ấy, các electron đều chuyển động

7

cùng vận tốc nhưng ngược chiều nhau và do đó làm mômen từ quỹ đạo của
chúng luôn trực đối nhau. Do đó tổng mơmen từ quỹ đạo ln bằng khơng.
Dưới tác dụng củatừ trường ngồi, các electron đều có mơmen từ cảm
ứng cùng chiều nhau và ngược chiều với từ trường ngồi. Kết quả là mơmen
từ của mỗi ngun tử khác khơng thì làm cho tồn bộ chất nghịch từ có mơmen
từ khác khơng và ngược chiều từ trường ngồi.
Tất cả vật liệu đều có hiện tượng nghịch từ xuất hiện nhưng thường bị
bao phủ bởi các hiệu ứng như hiện tượng thuận từ, sắt từ… lớn hơn. Giá trị
của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ..
Ví dụ về một số chất thể hiện rõ tính nghịch tư như: khí trơ, hợp chất
hữu cơ, một số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag, …
Vật liệu nghịch từ lý tưởng là vật liệu siêu dẫn (là vật mà ở dưới nhiệt
1
độ Tc , điện trở của vật bằng khơng) vì nó có   0 và   
, lớn gấp nhiều
4

lần so với các chất nghịch từ khác.
1.2.2. Trạng thái thuận từ
5
3
Là vật liệu từ có độ cảm từ dương   0 , giá trị nhỏ (cỡ 10 10 ). 

phụ thuộc vào nhiệt độ, sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie[9]



C

T

T: nhiệt độ tuyệt đối.
C: nhiệt độ Curie
Khi chưa có từ trường ngồi, các electron định xứ không tương tác với
nhau, ở các trạng thái mà mỗi ngun tử có một mơmen từ định hướng hỗn
loạn do sự chuyển động nhiệt. Vì vậy, mơmen từ tổng hợp tồn vật thuận từ
bằng khơng và vật khơng có từ tính.

8


Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các
mơmen này, do đó tồn bộ vật thuận từ có mơmen từ khác khơng và mômen
từ tổng hợp sẽ cùng chiều với từ trường ngoài. Đây là hiệu ứng thuận từ. Khi
tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó sắp xếp
các mơmen từ ngun tử, vì vậy độ cảm từ sẽ giảm xuống. Tuy nhiên đối với
kim loại kiềm thì độ cảm thuận từ hầu như khơng phụ thuộc nhiệt độ.[7]

(a)

(b)

Hình 1.4. (a) Sự sắp xếp các mômen từ; (b) Sự phụ thuộc của  vào nhiệt độ [9]
Một số chất thuận từ:
Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do, ơxit
nitơ dạng khí (NO), …
Các ngun tử tự do với lớp vỏ không đầy: các nguyên tố chuyển tiếp,
các nguyên tố nhóm Uran, …
Các kim loại: thuộc nhóm 3d (nhóm sắt) : Cr, Mn, Co, …; nhóm kim

loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Sm, Pm, Pr, …
1.2.3 Trạng thái sắt từ
Là vật liệu có   0 , có giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ
chế tạo đặc biệt có thể lên tới hàng triệu).

9


Trong các vật sắt từ, khi nhiệt độ của vật thấp hơn một nhiệt độ xác định
nào đó thì tồn tại độ từ hóa tự
Is

phát. Tức là chất sắt từ tồn tại

I

1


mơmen từ tự phát ngay cả khi
khơng có từ trường ngồi.
Khi từ trường ngồi

O

bằng khơng và ta tiếp tục tăng

(a)

Tc (b)

nhiệt độ, thì độ từ hóa tự phát

Hình 7a

Hình 7b

giảm đi và giảm tới nhiệt độ
xác định nói đến ở trên. Với

T

Hình 1.5. (a) Sự sắp xếp các mơmen từ
1
nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của  vào

mỗi chất sắt từ sẽ có một nhiệt

nhiệt độ [9]

độ xác định mà tại đó tính chất
từ của nó biến mất hay độ từ hóa bằng khơng.

Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ Curie ( Tc ).Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Curie,
chất sắt từ trở thành chất thuận từ. Ở nhiệt này sẽ có sự thay đổi một số tính
chất của vật liệu như: hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung của vật liệu, biến dạng từ
giảo,.....
Sự phụ thuộc của  vào T được biểu thị qua định luật Curie - Weiss:


C
T  Tc

Một số chất sắt từ: Fe, Ni, Co,…, một số hợp kim, kim loại đất hiếm.
1.3. Đặc điểm của vật liệu sắt từ
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 M 0 , ( M 0  0 ), ngay cả khi khơng tác dụng từ
trường ngồi. Độ từ hóa này gọi là độ từ hóa tự phát.

10


Cũng giống như chất thuận từ, chất sắt từ có độ cảm từ  m  0 , nhưng
chất sắt từ có những tính chất từ rất mạnh. Độ từ thẩm của chúng rất lớn (có
thể lên tới hàng vạn, hàng triệu).
Để đặc trưng cho vật liệu sắt từ, ta thường dùng từ độ (I), cảm ứng từ ( B ),
độ cảm từ (  ) và độ từ thẩm (  ). Liên hệ giữa các đại lượng:

B   H  0  I  (0   ) H (hệ SI)
B   H  H  4 I  (1  4 ) H (hệ CGS)
1.3.1. Đường cong từ hóa
Là đường biểu diễn sự phụ
thuộc của I vào H. Sự phụ thuộc này
là phi tuyến.
Đoạn đầu OA, q trình từ
hóa hầu như thuận nghịch và tăng
chậm. Đoạn AB tăng nhanh hơn và
là q trình khơng thuận nghịch.
Hình 1.6. Đường cong từ hóa [9]
[9]cơ bản

hịa (trong chất sắt từ xảy ra hiện tượng bão hòa từ). Từ độ ứng với đoạn này
Đoạn BC tăng chậm cho đến giá trị bão

là từ độ bão hịa kĩ thuật, kí hiệu I s .
1.3.2. Sự phụ thuộc độ cảm từ theo độ từ hóa của vật liệu sắt từ
Sự phụ thuộc được biểu diễn trên đường Xtêlêtơp (hình 1.7). Ở vùng từ
trường thấp,  tăng nhanh và đạt gái trị cực đại  max . Tiếp tục tăng H,  giảm
ứng với giá trị bão hòa từ. Sự biến đổi của  phản ánh sự phụ thuộc phi tuyến
của từ độ I vào H. Sở dĩ chất sắt từ dễ dàng từ hóa là trong chất sắt từ ở dưới
nhiệt độ đặc trưng là nhiệt độ Curie ( Tc ), trật tự từ tự phát ( M S  0 )

11


ngay cả khi khơng có từ trường ngồi.Trật tự từ tự phát tồn tại trong các miền
(đômen) với các đômen từ định hướng khác nhau ở các đơmen khác nhau.

Hình 1.7. Sự phụ thuộc của  vào H
Các số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng chỉ nên dùng chất sắt từ khi cần có
từ trường ngồi khơng q vài Tesla (T).
1.3.3. Từ dư
Các chất sắt từ đều có tính từ dư, nghĩa là khi khơng cịn từ trường ngồi,
các chất sắt từ vẫn cịn từ tính.
Ngun nhân là do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ. Khi
H = 0, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trở lại trạng thái hỗn độn
như chất thuận từ mà còn giữ được từ độ (I) ở giá trị khác khơng. Có nghĩa là
đường cong đảo từ sẽ khơng khớp với đường cong từ hóa ban đầu. Nếu ta từ
hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngồi, ta sẽ có đường cong
khép kín gọi là đường cong từ trễ.
1.3.4. Nhiệt độ Curie

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi tăng nhiệt độ của các vật liệu sắt từ thì
từ dư của nó giảm. Khi nhiệt độ đạt tới giá trị Tc nào đó thì tính từ dư bị mất
hẳn. Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ Curie (hay điểm Curie). Trên nhiệt độ Curie,

12


1
các chất sắt từ trở thành thuận từ; và trên đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của 

vào nhiệt độ là một đường thẳng (hình 1.8).
Hơn nữa, khi đó khơng những các tính chất đặc trưng của chất sắt từ bị
mất đi, mà một số tính chất vật lý

I

( ví dụ nhiệt dung, độ dẫn điện) cũng

1

Is



thay đổi.
Độ từ hóa của chất sắt từ tuân theo
định luật Curie-Weiss:

O

Tc

C

.
T  Tc

T

Hình 1.8. Sự phụ thuộc của từ độ

Các tính chất của sắt từ lại xuất
hiện nếu làm lạnh sắt từ xuống dưới

1
(I) và  vào nhiệt độ

Tc .
Các chất sắt từ khác nhau có nhiệt độ Curie khác nhau.
1.3.5. Một vài đặc tính của khác của chất sắt từ
- Từ độ bão
Là từ độ đạt được trong trạng thái bão hịa từ. Khi đạt được từ độ bão
hịa thì các mômen từ song song với nhau.
- Lực kháng từ
Từ trường ngồi cần thiết để khử mơmen từ của mẫu sắt từ hay là giá trị
để từ đổi chiều. Đôi khi lực kháng từ còn gọi là trường đảo từ.
- Dị hướng từ tinh thể
Là năng lượng liên quan đến sự định hướng của các mômen từ và đối
xứng tinh thể của vật liệu. Do tính dị hướng của cấu trúc tinh thể, sẽ có sự khác
nhau về khả năng từ hóa khi ta từ hóa theo các phương khác nhau dẫn đến vật

liệu từ có phương dễ từ hóa, phương khó từ hóa. Năng lượng cần thiết để quay
mơmen từ từ trục khó sang trục dễ gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể.

13


-Tồn tại cấu trúc đơmen
Trong vật liệu sắt từ thì momen từ khơng hồn tồn trật tự trong cả thể
tích của mẫu mà chỉ tồn tại trật tự trong từng vùng có kích thước xác định và
vùng đó được gọi là đơmen từ.
1.4. Phân loại vật liệu sắt từ
Có nhiều cách khác nhau để phân chia các vật liệu sắt từ. Cách thông
dụng nhất là phân chia theo khả năng từ hóa và khử từ của vật liệu. Theo cách
phân chia đó thì vật liệu sắt từ gồm hai nhóm chính là: vật liệu từ cứng và vật
liệu từ mềm và vật liệu ghi từ.
1.4.1. Vật liệu từ mềm
Vật liệu từ mềm là vật liệu từ có lực kháng từ Hc nhỏ hơn 150 Oe, chu
trình trễ hẹp, cảm ứng từ bão hồ cao. Nhiệt độ Curi cao, chu trình đường cong
từ trễ của vật liệu từ cứng và từ mềm có thể được so sánh như trên hình 1.9

Hình 1.9. So sánh đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng và từ mềm
1.4.2. Vật liệu từ cứng
- Khái niệm
Vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu) là loại vật liệu từ có lực kháng
từ cao (trên 150 Oe), chu trình từ trễ rộng, cảm ứng từ dư tương đối cao và bền
vững.
- Yêu cầu với vật liệu từ cứng
Lực kháng từ ( BH ) lớn.
c

14


Cảm ứng từ dư ( B ) lớn.
r

Tích năng lượng từ cực đại (BH)max lớn.
Nhiệt độ Curie (Tc) lớn.
Bền về mặt cơ học, hóa học.
1.4.3. Vật liệu ghi từ
Các tính chất từ của vật liệu này nằm trong khoảng trung gian giữa vật
liệu từ cứng và từ mềm. Điều này đảm bảo cho việc lưu giữ các tín hiệu (Hc
lớn để lưu giữ thông tin) đồng thời phải là vật liệu có thể dễ dàng ghi được các
tín hiệu cần ghi (Hc nhỏ, là vật liệu dùng làm đầu ghi từ)

15


CHƯƠNG 2
HẠT NANO TỪ TÍNH
2.1. Cơng nghệ nano
2.1.1. Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano
Công nghệ nano là ngành cơng nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân
tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển
hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (1nm = 10-9 m) . Ở kích thước
nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống khơng
có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngồi.
Ý tưởng cơ bản về cơng nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người
Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều
sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng

thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario
Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả
năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.
2.1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau:
Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu
vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa
với rất nhiều ngun tử (1 µm có khoảng 1012 ngun tử) và có thể bỏ qua
các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít ngun tử hơn thì
các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn.
Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm
trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các
hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan
trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật
liệu ở dạng khối.

16


Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có
một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính
chất của nó hồn tồn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật
liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với
kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu.
Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu
Lĩnh vực

Tính chất điện

Tính chất

Độ dài tới hạn (nm)

Bước sóng điện tử

10-100

Qng đường tự do

1-100

trung bình khơng đàn
hồi

Tính chất từ

Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Độ dày vách đômen

10-100

Quãng đường tán xạ

1-100

spin
Hố lượng tử

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Tính chất

Độ sâu bề mặt kim

10-100

quang

loại

2.1.3. Phân loại vật liệu theo kích thước
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước
nanomet. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng
thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ
yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu,
người ta phân ra thành các loại sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, khơng
cịn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano.

17