Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
2 Quá trình từ hóa

2 Quá trình từ hóa

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



a) Mẫu hoàn toàn khử từ. b) H ≠ 0 và nhỏ, các đômen gần hướng với từ

trường ngoài nở ra, ngược hướng với từ trường ngoài co lại. c) H  0 và đủ lớn,

véc tơ từ độ quay trùng với hướng của H.

Khi H ≠ 0, từ độ trở nên khác không và đạt giá trịSau khi lấy vi phân

phương trình (1.2), Ta có:

I  I S  cos  i Vi   Vi  cos  i 

i



i



(1.3)



Số hạng thứ nhất mơ tả phần đóng góp vào từ độ gây nên bởi sự dịch

chuyển vách đômen và tương ứng với quá trình trên hình 1.2 gọi là quá trình

dịch chuyển vách (wall motion process). Số hạng thứ hai gây bởi sự quay của mơ

men từ theo phương của trường ngồi và tương ứng quá trình trên hình 1.4 gọi là

quá trình quay (rotation process). Tương ứng với hai q trình đó độ cảm từ





dI

cũng có thể chia hai thành phần, một thành phần tương ứng với biến

dH



thiên từ độ gây bởi sự dịch chuyển vách: I dc  I S  cos i vi và một thành phần

ứng với biến thiên từ độ do sự quay của véc tơ I: I q  I S  vi  cos i . Do đó ta có:

dI  dI 

 dI 



 



dH  dH  dc  dH  q



(1.4)



   dc   q



(1.5)



hay



Thông thường vật liệu từ được chia thành hai loại căn cứ theo giá trị của

và HC. Vật liệu từ mềm có lớn và HC nhỏ và q trình từ hố ban đầu cơ bản

qui định bởi quá trình dịch chuyển vách, và vật liệu từ cứng với nhỏ và HC lớn

và q trình từ hố ban đầu cơ bản qui định bởi quá trình quay.

Quá trình từ hoá bất thuận nghịch – Nguyên nhân sự trễ từ:

Ta xét vách 1800 ngăn cách 2 đômen theo mặt phẳng yz trong một tinh thể

thực (H 1.3). Nếu đặt từ trường ngồi H song song với trục z thì vách đômen



10



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



dịch chuyển và đômen có I song song với H nở ra, đơmen có I phản song song

với H bị co lại. Phương trình cho trạng thái cân bằng của vách là:

(Năng lượng do sự đảo từ) = (Cơng dịch chuyển vách đơmen)

Do đó ta có:

HI S yzx    HI S yzx  

 2 HI S x 





x

dx



d

yzx

dx



(1.6)



Trong từ trường ngoài, vị trí mới của vách tương ứng với một năng lượng

vách đômen khác trước. Nếu do tác dụng của từ trường ngồi H vách dịch một

đoạn x < OA (Hình 1.3) thì bởi vì tại đấy năng lượng vách lớn hơn tại vị trí x =

0 nên sau khi ngắt từ trường ngồi, vách đơmen lại dịch chuyển về vị trí x = 0,

phục hồi lại trạng thái khử ban đầu. Đây là quá trình dịch chuyển vách thuận

nghịch.



11



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



Hình 1.3. a)Mơ hình hai đơmen được phân cách bởi một vách 1800 nằm

trên mặt phẳng yz; b) và c) Sự phụ thuộc của năng lượng vách và gradient

/x của lớp chuyển tiếp giữa các đômen (vách đômen) vào từ độ.



Nếu từ trường đủ lớn để vách dịch chuyển qua điểm A, thì vì tại đây năng

lượng vách biến thiên cực đại (/x đạt giá trị max), nên vách có thể tự động

dịch đến điểm C có giá trị /x tương đương mà khơng cần phải có từ trường

ngoài. Đoạn dịch chuyển AC gọi là bước nhảy Barkhausen.

Sau q trình từ hố đó, nếu ngắt từ trường ngồi thì vách khơng về vị trí

x = 0 mà về vị trí B ứng với cực tiểu năng lượng. Kích thước các đơmen thuận

vẫn lớn hơn kích thước các đơmen nghịch gây ra độ từ hố còn dư giữa một cặp

đômen I = 2ISdx/d0 với d0 là độ rộng của đơmen, dx là độ dịch vách. Q trình

này là q trình từ hố bất thuận nghịch và là ngun nhân gây ra sự trễ từ.

1.2.2 Đường cong từ trễ



Hình 1.4. Đường cong từ trễ- Đặc tính lý thú của vật liệu sắt từ.



12



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



Vật liệu được từ hố tới bão hồ khi từ trường ngồi tăng lên và vẫn giữ

giá trị khác 0 khi từ trường ngồi giảm tới 0.



Vật liệu sắt từ có nhiều đặc tính lý thú, khi vật liệu được từ hố tới bão

hoà khi từ trường ngoài tăng lên nhưng vẫn giữ giá trị khác 0 khi từ trường ngoài

giảm tới 0 (hình 1.4). Đó chính là hiện tượng trễ từ được thể hiện trên đường

cong từ trễ. Hiện tượng này có liên quan trực tiếp tới cấu trúc đơmen của vật

liệu. Chính nhờ khả năng nhớ từ này mà một số vật liệu sắt từ được sử dụng để

làm vật liệu ghi từ.

1.2.3 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 trường tác dụng. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi đặt

hay ngắt từ trường 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 trường

từ hóa. Hiện tượng đó gọi là sự nhớt từ. Hình 1.5 mơ tả hiện tượng nhớt từ.



Hình 1.5. Đường cong nhớt từ.

Quy luật suy giảm của từ độ theo thời gian:



13



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



M  H ,t   M  H ,t0   s ln(



t

)

t0



(1.7)



Từ độ suy giảm đó người ta tính được độ nhớt từ:

S  dM / d (ln t )



(1.8)



1.3 Vật liệu FePd

Với nhu cầu nâng cao mật độ ghi từ trên một inch vuông (phổ biến hiện

nay là 100 Gb/in2 có thể nâng đến cỡ Tb/in2) và việc tiểu hình hóa các thiết bị ghi

từ đã thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các hạt nano từ cứng với các tính chất đặc

trưng như: năng lượng dị hướng từ tinh thể cao, lực kháng từ lớn, từ độ bão hòa

cao. Một trong những vật liệu có tính chất lưu trữ từ tính mật độ cao là các hạt

nano FePd với cấu trúc trật tự L10. Tính từ cứng của các hạt nano hợp kim L1 0FePd bắt nguồn từ cấu trúc trật tự tứ giác với năng lượng dị hướng từ tinh thể

cao.

Hợp kim FePd 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 chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct)

L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với ưu điểm là có lực kháng từ lớn.



1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd

Hình 1.6 thể hiện giản đồ pha của hệ hợp kim Fe-Pd. Trước khi ủ vật liệu

có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc). Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng

pha trật tự  1 của hợp kim FePd có cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) loại L1 0 với các

hằng số mạng: a= 3,852 Å và c= 3,723 Å. Cấu trúc này được gọi là pha trật tự

L10 của FePd.



14



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



Hình 1.6 Giản đồ pha của hợp kim Fe-Pd [7]

Trong pha trật tự L10, các nguyên tử Fe (000, ½ ½ 0) và Pd (½ 0 ½, 0 ½

½) tạo nên các mặt phẳng luân phiên dọc theo trục c, dẫn tới hiệu ứng méo mạng

tứ diện. Những pha này có thể tồn tại trong trạng thái bất trật tự với sự phân bố

của các nguyên tử Fe và Pd là tự do hay trật tự một phần hoặc trong trạng thái

trật tự hồn tồn, mà ở đó các ngun tử Fe và Pd chiếm những vị trí xác định

(hình 1.7).



Hình 1.7. Cấu trúc tính thể của các pha bất trật tự (fcc)



15



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



(a) và trật tự (fct) (b) của hợp kim FePd (Hình tròn rỗng là Pd, hình tròn

đặc là Fe).

Ở cấu trúc trật tự hồn tồn L10 (fct), các nguyên tử Fe và Pd sẽ lần lượt

chiếm các mặt phẳng kế tiếp nhau dọc theo trục c của ơ ngun tố, trong khi đó ở

cấu trúc bất trật tự (fcc), xác suất các nguyên tử chiếm bất kỳ bặt phẳng nguyên

tử nào là hoàn toàn như nhau. Q trình chuyển pha bất trật tự-trật tự khơng chỉ

dẫn đến sự thay đổi trong xác suất chiếm giữ các vị trí trong ơ ngun tố mà còn

dẫn đến sự biến đổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1. Khi đó pha bất trất tự được

chuyển sang pha trật tự nhờ việc xử lý nhiệt. Chế độ ủ được điều chỉnh để các

nguyên tử có đủ năng lượng nhiệt để chuyển động tới vị trí của chúng và định xứ

ở đó.

Với sự hình thành cấu trúc trật tự xa, có hai hiệu ứng quan trọng xảy ra.

Đầu tiên là sự thăng giáng về thành phần hoá học dọc theo các trục tinh thể, hiệu

ứng thứ hai là hệ quả của hiệu ứng trên, xuất hiện do những thay đổi trong tính

đối xứng của ơ cơ bản. Lúc này các trục tinh thể tương đương với nhau trong cấu

trúc mất trật tự trở nên không tương đương trong cấu trúc trật tự. Hai hiệu ứng

này ảnh hưởng rất mạnh tới tính chất từ vật liệu.

Với tính chất chuyển pha cấu trúc đặc biệt từ pha fcc sang pha fct, người

ta tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc và sự thay đổi cấu trúc của vật liệu

nano FePd. Bằng cách thay đổi công nghệ hoặc điều kiện xử lý nhiệt để điều

chỉnh quá trình chuyển pha này, từ đó điều chỉnh tỷ phần pha trật tự fct trong

mẫu. Do đặc điểm khơng cân bằng vốn có trong q trình chế tạo nên mẫu FePd

ngay sau chế tạo có cấu trúc tinh thể mất trật tự. Cấu trúc trật tự (fct) chỉ xuất

hiện sau khi mẫu đã được xử lý nhiệt. Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi

tiến hành chế tạo mẫu vật liệu nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau

(FexPd100-x với x= 42, 50, 55, 60, 63) và khảo sát sự chuyển pha cấu trúc khi ủ tại

các nhiệt độ 450oC, 500oC, 550oC, 600oC, 650oC.

1.3.2 Tính chất từ



16



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



a. Dị hướng từ: Trong vật liệu từ, nội năng phụ thuộc vào hướng của độ

từ hoá tự phát. Sự phụ thuộc này gọi là dị hướng từ. Năng lượng ứng với dị

hướng từ gọi là năng lượng dị hướng từ.

Dị hướng từ tinh thể, tăng do tương tác cặp spin - quỹ đạo, rất quan trọng

trong việc xác định biểu hiện từ của hạt đơn. Dạng đơn giản nhất của dị hướng từ

tinh thể là dị hướng đơn trục. Trong tinh thể từ, ln tồn tại một phương dễ từ

hố hơn các phương còn lại. Phương từ hố dễ thường đồng nhất với trục hình

học của tinh thể. Năng lượng từ tinh thể EC phụ thuộc vào hương tương quan của

phương từ hoá và trục của tinh thể và được xác định bởi biểu thức (1.9):

EC  K 1 sin 2   K 2 sin 4   ...



(1.9)



Ở đó,  là góc giữa phương từ hố và trục dễ, Ki là hằng số dị hướng bậc i.

Trong trường hợp dị hướng mặt phẳng, là góc giữa phương từ hố và mặt

phẳng màng. Trong một số trường hợp màng định hướng vng góc,  là góc

giữa phương từ hố và phương vng góc với mặt phẳng màng.

b. Trật tự L10 ở nhiệt độ thấp của vật liệu FePd: Ghi từ là kỹ thuật lưu

trữ thông tin tiến bộ và ngày nay vẫn đang tiếp tục phát triển mạnh với khả năng

lưu trữ thông tin ngày càng tăng lên. Tuy nhiên, có một khó khăn đặt ra là giá trị

nhiệt độ trật tự hố cao hồn tồn khơng thích hợp cho việc chế tạo vật liệu ghi

từ hàng loạt với quy mơ lớn. Vì thế, làm thế nào để giảm nhiệt độ trật tự hoá là

một bài toán hết sức quan trọng và cần thiết. Cần chú ý tới một số thơng số ảnh

hưởng đến nhiệt độ trật tự hố sau: nhiệt độ phát triển mầm [8], các lớp đệm

[9,10].

Cấu trúc L10 là nguyên nhân chính của sự xuất hiện các tính chất từ nổi

bật ở họ hợp kim FePd. Bên cạnh đó, nhiệt độ xử lý lớn sẽ là vấn đề gây trở ngại

và khó thực hiện. Vì vậy, việc tìm kiếm giải pháp làm giảm nhiệt độ chuyển pha

đang là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học. Vật liệu FePd có ưu điểm là có

nhiệt độ chyển pha cấu trúc thấp hơn so với các vật liệu đã được nghiên cứu

trước đây như CoPt, FePt…



17



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc

Sự có mặt của pha trật tự sau khi mẫu được xử lý nhiệt làm cho giá trị H C

tăng lên hơn hẳn so với pha bất trật tự. Hơn nữa, khi có sự trộn lẫn giữa hai pha

trật tự và bất trật tự sẽ hình thành nên các biên “phản pha” ghim chặt các vách

đơmen, chính điều này làm cho giá trị HC tăng lên đáng kể.

Những nghiên cứu tiếp theo ghi nhận rằng giá trị lực kháng từ H C lớn nhất

xuất hiện ngay cả trong hợp kim có cấu trúc trật tự hồn tồn. Đặc biệt, giá trị H C

tăng tuyến tính theo tỷ phần pha trật tự có trong mẫu. Pha trật tự trong mẫu xuất

hiện càng nhiều thì càng làm cho HC lớn. Lý giải cho điều này người ta căn cứ

vào việc xuất hiện các biên “phản pha” khi có sự xuất hiện của pha trật tự. Các

biên pha này đóng vai trò là các tâm ghi ngăn cản sự dịch chuyển của vách

đômen trong mẫu, bản thân các tâm ghim này lại tương ứng với tỷ phần của thể

tích pha trật tự. Do đó, giá trị HC phụ thuộc trực tiếp vào tỷ phần pha trật tự trong

mẫu. Giá trị HC càng lớn nếu như tỷ phần pha L10 càng lớn.



1.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano

Hiện nay có các phương pháp chế tao hạt nano kim loại trên nền kim loại

chuyển tiếp như sau:

 Phương pháp hóa khử

 Phương pháp thủy nhiệt

 Phương pháp sử dụng rượu đa chức

 Phương pháp quang xúc tác

 Phương pháp vi sóng

 Phương pháp hóa siêu âm

1.4.1 Phương pháp hóa khử

Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion

kim loại thành kim loại. Thơng thường các tác nhân hóa học ở dạng



18



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Dung dịch ban

đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl 4, H2PtCl6, AgNO3.

Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+... thành Ag0, Au0...

1.4.2 Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt được định nghĩa là phản ứng xảy ra do sự kết hợp

của dung dịch hoặc các khoáng chất ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để hòa

tan và tái kết tinh vật liệu mà khơng hòa tan được ở nhiệt độ thường. Theo định

nghĩa của Byrappa và Yoshimura, thủy nhiệt chỉ quá trình hóa học xảy ra trong

một dung dịch (có nước hoặc khơng có nước) ở nhiệt độ trên nhiệt độ phòng và

áp suất lớn hơn 1 atm xảy ra trong một hệ kín. Các dung dịch được chọn ở nồng

độ thích hợp. Chúng được trộn với nhau, sau đó cho vào bình thủy nhiệt để phản

ứng xảy ra ở một nhiệt độ và thời gian thích hợp. Sau phản ứng, quay ly tâm thu

được kết tủa rồi lọc rửa vài lần bằng nước cất và cồn. Sấy khô kết tủa ở nhiệt độ

và thời gian sấy hợp lý ta thu được mẫu cần chế tạo.

1.4.3 Phương pháp sử dụng rượu đa chức

Phương pháp sử dụng rượu đa chức (Phương pháp Polyol) các hạt nanơ

được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rượu

đa chức). Polyol có tác dụng như một dung mơi hoặc trong một số trường

hợp như một chất khử ion kim loại. Tiền chất có thể hòa tan trong polyol

rồi được khuấy và nâng đến nhiệt độ sôi của polyol để khử các ion kim

loại thành kim loại. Bằng cách điều khiển động học kết tủa mà chúng ta có

thể thu được các hạt kim loại với kích thước và hình dáng như mong

muốn.

1.4.4 Phương pháp quang xúc tác

Phương pháp này sử dụng nguồn lazer kích thích hay còn goi là phương

pháp ăn mòn laser. Vật liệu ban đầu là một tấm kim loại được đặt trong

một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm laser xung có

bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi



19



Chương 1: Tổng quan



Trương Thành Trung



xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác

dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm

được hình thành.



1.4.5 Phương pháp vi sóng

Phương pháp vi song là phương pháp sử dụng sóng viba làm xúc tác (sóng

vi ba là sóng điện từ mà vùng tần số nằm giữa vùng hồng ngoại và vùng sóng vơ

tuyến, khoảng 0.3 đến 30 GHz tương ứng với bước sóng 1 mm đến 1 m). Khi

chiếu sóng vi ba các dung mơi phân cực chẳng hạn như nước, chỉ xảy ra hiện

tượng tăng nhiệt do cơ chế quay lưỡng cực điện xảy ra đồng đều tại mọi nơi

trong chất lỏng. Nhưng nếu cho thêm các chất có các ion dẫn thì xảy ra thêm cơ

chế tăng nhiệt do sự dao động các ion dẫn. Các ion này không ở mọi nơi trong

chất lỏng như các lưỡng cực điện mà phân bố rải rác một cách đồng đều. Tại

những vị trí có ion dẫn, nhiệt độ tăng mạnh so với các điểm xung quanh theo cơ

chế tăng nhiệt do sự dao động các ion dẫn, đây là điều kiên thuận lợi cho phản

ứng xảy ra. Chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường xung quanh và các vị trí này rất

lớn, vì vậy ngay lập tức xảy ra quá trình cân bằng nhiệt với tốc độ giảm nhiệt

cao. Chính điều này ngăn cản q trình kết tinh của vật liệu, dẫn đến việc tạo ra

các vật liệu vơ định hình.

1.4.6 Phương pháp hóa siêu âm

Trong luận văn này chúng tơi sử dụng phương pháp hóa siêu âm (sử dụng

sóng siêu âm làm xúc tác) để chế tạo hạt nano FePd. Phương pháp hóa siêu âm

có ưu điểm hơn so với các phương pháp khác là các thiết bị đơn giản, sóng siêu

âm tạo ra mơi trường đặc biệt tạo điều kiện thuận lợi để bẽ gãy các gốc acetate,

thời gian chế tạo ngắn, tạo ra hạt nano FePd có kích thước khá đồng đều.

Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó, các phản ứng

hóa học xảy ra dưới tác dụng của sóng siêu âm như một dạng xúc tác [11]. Sóng

siêu âm là sóng dọc, nó là q trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng.



20



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

2 Quá trình từ hóa

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×