Sơ lược về từ học và vật liệu từ 1. Sơ lược về lịch sử Lịch sử của từ học đượcbắt đầu từ khi người Trung Hoa cổ đại phát hiện ra các đá từ thạch có khả năng định hướng Nam-Bắc, và cókhả năng hút các vật bằng sắt. Nghiêncứu về từ học được mở ra vào thế kỷ 18 khi Girlbertviết cuốn sách về Điện và Từ, sau đó là thí nghiệm về sự tương tácgiữatừ trường vàdòng điện(của Oersted,cáccông trình củaAmperevàFaraday Các nghiên cứu về từ học vàcác vật liệu từ thực sự phát triểnnhư vũ bảo ở thế kỷ 20,và vật liệu từ đã thựcsự được đưa vàoứng dụng rộngrãi trong cuộc sống vàsảnxuất Một ví dụ về ứng dụng của vật liệu từ: Ghi/đọc trong ổ cứng máy tính 2. Nguồn gốc của từ trường Nói mộtcách đơn giản, dòng điện là nguồn gốc của từ trường haynói mộtcách bản chất, chuyển động của các điện tích là nguồn gốc củatừ trường. Mỗi điện tích chuyển động sinhra một từ trường,haymộtlưỡng cực từ (tạothành mộtmômen từ, xemhình).Mômen từ của một nguyên tử sinh ra cóthể do 2 nguyên nhân: - Chuyển động quỹ đạo của các điện tử (mômenquỹ đạo L) - Chuyển động tự quay của các điện tử (mômenspin S).Spinlà mộtđặc trưngcủa một hạt cơ bản Cơ chế tạo thành mômen từ 3. Một số khái niệm - Cảm ứng từ B (Magnetic Induction) : có đơn vị là G hay T, 1T = 10000 G Chú ý rằng từ trường 1 T là khá đáng kể so với các từ trường thường gặp trong đời sống, ví dụ như: + Từ trường của nam châm móng ngựa: 500 G - 1000 G + Từ trường của nam châm đất hiếm ( rất mạnh và khá đắt tiền): 0,75 - 1.4 T + Từ trường của các nam châm điện trong các từ kế (từ trường 1 chiều DC): 2.5 T + Từ trường của nam châm siêu dẫn: 5-9 T + Từ trường xung: 9-15 T + Từ trường Trái đất: 0,5 G - Cường độ từ trường (Magnetic field strength): H, có đơn vị là Oe (1 Oe~ 1G), hay A/m; 1 Oe = 80 A/m - Độ từ hoá, hay từ độ (I, Magnetization) : Là tổng các mômen từ trong một đơn vị thể tích (có cùng đơn vị với từ trường H), hay có thể dùng là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng 4. Phân loại các vật liệu từ 4.1. Chất nghịch từ (Diamagnetic Materials) Tính nghịch từ là bản chất vốn có của mọi vật chất theo quy tắc cảm ứng điện từ (vật chất phản ứng lại tác động vào nó là từ trường). - Chất nghịch từ (Diamagnetic substances), là chất không có môment từ nguyên tử. Tổng môment từ của các điện tử trong chất bằng 0 khi không có từ trường ngoài. Khi đặt vào từ trường, có thể hiểu giống như quy tắc cảm ứng điện từ là sẽ sinh ra một từ trường phụ bù trừ với từ trường ngoài (B'< Ví dụ như ta chế tạo các màng mỏng từ (lớp rất mỏng) trên đế Si. Khi đo trong từ trường cao, tính nghịch từ của Si trở nên mạnh hơn vì màng rất mỏng nên mômen từ thấp. Nên ta có thể quan sát thấy đường cong từ hóa theo kiểu mômen từ giảm theo từ trường hay thậm trí mang giá trị âm trong từ trường dương (xem hình trên). Có thể hiểu rằng, các chất nghịch từ đẩy từ trường ra ngoài. Siêu dẫn là các chất nghịch từ lý tưởng, chúng hoàn toàn đẩy từ trường ra ngoài. 4.2. Chất thuận từ (Paramagnetic Materials) Chất thuận từ (Paramagnetic substances), là chất có mômen từ nguyên tử, nhưng các môment này không có tương tác với nhau nên ở trạng thái thường, tổng mômen từ bằng 0. Khi đặt vào từ trường ngoài, các mômen từ này có xu hướng xoay theo chiều của từ trường (cũng giống như sinh ra từ trường phụ) nên tính nghich từ của từng nguyên tử không còn ý nghĩa. Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2 Hình ảnh quen thuộc mà các bạn hay thấy là ôxy lỏng bị hút vào nam châm điện cũng chỉ quan sát thấy trong các nam châm mạnh bởi tính thuận từ cũng là tính chất yếu. Hình dưới đây mô tả cấu trúc từ của chất thuận từ. Hình ảnh về các mômen từ của chất thuận từ Để hiểu đơn giản về chất thuận từ, ta tưởng tượng chúng giống như một hệ các nam châm nhỏ, các nam châm này đặt cách xa nhau tới mức không còn tương tác được với nhau, như vậy, khả năng phản ứng của chất với từ trường ngoài là rất kém, tức là chúng có độ cảm từ dương nhưng rất bé. Oxy lỏng bị hút vào cực của nam châm điện 4.3. Vật liệu sắt từ Chất sắt từ (Ferromagnetic Materials) được biết đến là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh. Fe, Co, Ni, Gd là những ví dụ điển hình về loại chất này. Đĩa ghi từ của ổ cứng là một sản phẩm của chất sắt từ Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Nhưng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction). Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đômen từ - Magnetic Domain) mà trong mỗi đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau (do tương tác trao đổi), tạo thành từ độ tự phát - spontaneous magnetization của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0. Hình ảnh về các đômen từ Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra: - Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường - Sự quay của các mômen từ theo hướng từ trường Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đômen, tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng không hỗn độn được) do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dư (remanent magnetization). Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu (xem hình vẽ). Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực khác từ (coercivity, hay coercive field). Có thể nói rằng chất sắt từ có 2 đặc trưng quan trọng là: tính trễ (hysteresis behavior) và nhiệt độ Curie T C . Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T > T C , chất trở thành thuận từ và khi T < T C , chất là sắt từ. Nhiệt độ T C được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. T C là một thông số đặc trưng cho chất (thông số nội tại). Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie như dưới đây: Fe: 1043 K Co: 1388 K Gd: 292.5 K Ni: 627 K Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của từ trường ngoài) và khử từ khác nhau. Từ tính chất này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2 nhóm chất sắt từ: a) Sắt từ mềm - Soft magnetic materials Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 10 2 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài. Hình vẽ dưới đây so sánh các chất từ mềm ở 2 phương diện là từ độ bão hòa và độ từ thẩm. So sánh các chất từ mềm Các chất từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt non, ferrite Mn,Zn, Các chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ , có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từ trường ngoài. Do vậy, đặc trưng mà người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy. - Tổn hao trễ sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa, được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xin" có đường trễ càng hẹp càng tốt. - Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu. Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất rất cao, những lõi tôn Si chỉ có thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50- 100 Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao xoáy). Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục điều này (như hình vẽ trên là các vật liệu từ nanocrystalline như Fe-Si-B-Nb-Cu ). Chúng là các vật liệu có cấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm rất cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (dù là các băng nền kim loại) do cấu trúc đặc biệt của nó nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao tần cỡ từ kHz- MHz. Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20, và đưọc coi là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện này (ultrasoft magnetic materials), và là một chủ đề nghiên cứu mạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu, ĐHKHTN. Đặc biệt một số loại trong số các vật liệu này có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như chịu nhiệt độ cao (ứng dụng làm động cơ của máy bay phản lực do khả năng chịu nhiệt độ cao, ở Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong các môi trường ăn mòn như nước biển, kiềm b) Vật liệu từ cứng - Hard magnetic materials Nhóm vật liệu sắt từ thứ hai lại có tính chất trái ngược với nhóm thứ nhất. Chúng khó bị từ hóa, khó bị khử từ (đó là tính chất "cứng"), tức là có lực kháng từ lớn (trên 10 2 Oe) nhưng lại thường có từ độ bão hòa thấp. Khả năng lớn nhất của nhóm này là khả năng giữ từ tính sau khi ngắt từ trường ngoài nên được sử dụng như các vật dụng tồn trữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu), lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng) Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích năng lượng (B.H) max , là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để có (BH) max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi càng tốt. Đơn vị thuiỳng dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe = 8 kJ/m 3 Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrite từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo (khá đắt tiền) Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các nam châm đất hiếm, mở đầu là các hợp chất RCo5 (như SmCo 5 ) và sau đó là R 2 Fe 14 B như (Nd2Fe14B, Pr2Fe14B ), R thường ký hiệu để chỉ các nguyên tố đất hiếm. Biểu đồ dưới đây biểu diễn tiến trình phát triển của nam châm vĩnh cửu Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu và so sánh các thông số của một số loại nam châm Nếu ta so sánh, có thể thấy nam châm vĩnh cửu R2Fe14B là loại tốt nhất(Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về thị phần nam châm đất hiếm với hơn 50% thị phần), nhưng thị phần nam châm trên thế giới phân bố như sau: - 54% là nam châm ferrite - 32% Nd2Fe14B - 14% là các loại khác Nam châm ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất không cao nhưng có ưu điểm là chế tạo rất đơn giản, giá thành rất thấp. Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩm chất rất tốt, nhưng lại có một số nhược điểm: - Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố đắt tiền) - Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mạnh. Nếu chúng ta bỏ một nam châm đất hiếm ngoài không khí, chỉ một thời gian là chúng bị rã thành các bột. - Nhiệt độ Curie thấp (312 o C). Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn đến sự ra đời của một loại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính chất của 2 loại từ cứng và từ mềm, có thể khắc phục các điểm yếu của nam châm tốt nhất (nam châm đất hiếm), có giá thành hạ và cho phẩm chất cao hơn rất nhiều (như tính toán lý thuyết) nhưng chưa đạt được như dự đoán. Loại nam châm này gọi là nam châm tổ hợp nano hay nam châm trao đổi đàn hổi (sẽ trình bày một topic riêng) 4.4. Siêu thuận từ (Superparamagnetic materials) Nếu như trước đây, người ta coi thuận từ là các chất có từ tính yếu và ít có khả năng ứng dụng thì gần đây, siêu thuận từ lại trở thành một "hot topic" trong từ học. Siêu thuận từ là gì? Ta hãy xem xét lại một chút về sắt từ. Một khái niệm cần biết trong sắt từ là "dị hướng từ tinh thể" K, đó là năng lượng định hướng liên quan đến sự định hướng của các mômen từ so với từ trường. Mỗi chất sắt từ có 1 trục dễ từ hóa và khó từ hóa. Năng lượng để quay các mômen từ từ trục khó đến trục dễ gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể, liên quan đến sự bất đối xứng về tinh thể (hiểu một cách đơn giản nhất là năng lượng định hướng. Một vật sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV << kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng định hướng và vật sẽ mang hành vi của một chất thuận từ. Đó là siêu thuận từ Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính). Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính. .5. Phản sắt từ - Antiferromagnetic Materials Ở phần Sắt từ, ta đã biết rằng các chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử và các mômen này tương tác với nhau thông qua tương tác trao đổi làm cho các mômen từ định hướng song song với nhau. Đó là tương tác trao đổi dương. Chất phản sắt từ thì ngược lại, chúng cũng có mômen từ nguyên tử nhưng tương tác giữa các mômen từ là tương tác trao đổi âm và làm cho các mômen từ định hướng phản song song với nhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược chiều) như hình vẽ dưới đây. Định hướng của các mômen từ của chất phản sắt từ Sự định hướng phản song song này tạo ra 2 phân mạng từ. Mn và Cr là 2 kim loại phản sắt từ điển hình. Phản sắt từ là chất thuộc loại có trật tự từ. Nghiên cứu về phản sắt từ thường được tiến hành ở các màng mỏng (ví dụ các lớp kiểu bánh kẹp sắt từ-phản sắt từ) tạo thành hiệu ứng đường trễ dịch, hay exchange bias, ứng dụng trong các đầu đọc valse-spin trong đầu đọc của ổ đĩa cứng. Để nghiên cứu cấu trúc từ, người ta dùng kỹ thuật nhiễu xạ neutron, hạt không mang điện nhưng có mômen từ, các thông tin thu được qua sự phân tích về tương tác giữa mômen từ của neutron với các phân mạng từ. 4.6. Ferri từ - Ferrimagnetic Materials Nếu như chất phản sắt từ có 2 phân mạng từ đối song song và bù trừ nhau thì feri từ có cấu trúc gần giống như vậy. Feri từ cũng có 2 phân mạng từ đối song song, nhưng không có độ lớn như nhau nên không bù trừ hoàn toàn. Do vậy feri từ còn được gọi là các phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Cấu trúc của ferri từ Ferrite là các feri từ điển hình. Chúng có hành vi gần giống với các chất sắt từ. =========================================================== Một số xu thế mới trong nghiên cứu vật liệu từ Tôi xin nói một cách vắn tắt các xu thế đang thu hút nhiều nghiên cứu trên thế giới về vật liệu từ 1. Các màng mỏng ghi từ mật độ cao Ứng dụng trong các ổ cứng lưu trữ thông tin. Đó là các màng mỏng từ (có tính chất từ cứng) mà tiêu biểu là màng FePt và màng CoPt với tính từ cứng rất cao, độ bền và khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa tốt. Hiện nay, xu thế đang tập trung là nâng cao mật độ ghi từ (phổ biến đang là 100 Gb/in 2 ) nâng đến Tb/in 2 bằng cách ghi vuông góc với bề mặt màng và giảm kích thước các bit từ. Ở VN có 2 nhóm làm về vấn đề này là Nhóm của GS Nguyễn Châu, GS Nguyễn Hoàng Lương ở Trung tâm KHVL (ĐHQGHN) và nhóm của GS. Nguyễn Phú Thùy, Thân Đức Hiền ở Viện ITIMS (ĐHBKHN). Còn rất nhiều vấn đề về thực nghiệm và lý thuyết còn chưa được làm sáng tỏ. 2. Các vật liệu từ nano tổ hợp có tính chất siêu mềm và siêu cứng (nam châm nano) Nhóm này nghiên cứu các vật liệu từ tổ hợp kích thước nano có tính chất từ mềm tuyệt vời, hoặc các nam châm nano có phẩm chất cao, giá thành thấp và độ bền lớn. Ở VN có nhóm của GS. Nguyễn Châu và GS Nguyễn Hoàng Nghị (Viện VLKT, ĐHBKHN) nghiên cứu. Trên thế giới, nghiên cứu cả về ứng dụng, cơ bản và lý thuyết đều đang trong giai đoạn phát triển mạnh. [...]... nghiên cứu về các vật liệu bán dẫn pha loãng từ (bán dẫn mang tính chất từ) 5 Các vật liệu có hiệu ứng từ giảo ứng dụng trong công nghệ vi cơ Từ giảo là sự thay đổi kích cỡ, hình dạng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường Chuyên gia lớn của VN về vấn đề này là GS Nguyễn Hữu Đức, trước đây là Trưởng PTN Nhiệt độ thấp, ĐHKHTN (ĐHQGHN), nay đã là Hiệu trưởng trường ĐHCN (ĐHQGHN) 6 Các chất lỏng từ ứng...3 Các vật liệu từ nhiệt cho máy lạnh từ không ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng (xin xem trong topic Hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ - Ứng dụng mới trong công nghệ làm lạnh ) 4 Vật liệu có hiệu ứng từ trở khổng lồ, công nghệ spintronics Nghiên cứu về các vật liệu khối, màng mỏng có hiệu ứng từ trở khổng lồ, ứng dụng trong các đầu đọc tốc độ cao, bộ nhớ RAM từ điện trở Đây đang là công... Hữu Đức, trước đây là Trưởng PTN Nhiệt độ thấp, ĐHKHTN (ĐHQGHN), nay đã là Hiệu trưởng trường ĐHCN (ĐHQGHN) 6 Các chất lỏng từ ứng dụng trong công nghệ y sinh Về vấn đề này, ở VN mới chỉ bắt đầu nghiên cứu Có 1 số nhóm như nhóm của GS Nguyễn Châu và TS Nguyễn Hoàng Hải (Trường ĐHKHTN), nhóm của GS Thân Đức Hiền . Sơ lược về từ học và vật liệu từ 1. Sơ lược về lịch sử Lịch sử của từ học đượcbắt đầu từ khi người Trung Hoa cổ đại phát hiện ra các đá từ thạch có khả năng định hướng Nam-Bắc, và cókhả. củaAmperevàFaraday Các nghiên cứu về từ học vàcác vật liệu từ thực sự phát triểnnhư vũ bảo ở thế kỷ 20 ,và vật liệu từ đã thựcsự được đưa vàoứng dụng rộngrãi trong cuộc sống vàsảnxuất Một ví dụ về ứng. và cókhả năng hút các vật bằng sắt. Nghiêncứu về từ học được mở ra vào thế kỷ 18 khi Girlbertviết cuốn sách về Điện và Từ, sau đó là thí nghiệm về sự tương tácgiữatừ trường vàdòng điện(của Oersted,cáccông