Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG Fe-Pt 1.1 Hợp kim Fe-Pt 1.1 Giản đồ pha của hệ Fe-Pt Những tính chất của hệ hợp kim Fe-Pt lần đầu tiên được khảo sát một cách có hệ thống vào năm 1907. Kussman và Rittberg đã tìm thấy ba dạng cấu trúc tinh thể bền trong hệ Fe-Pt là FePt3, FePt, Fe3Pt. Các đặc tính cũng như hợp phần pha của ba loại cấu trúc bền này đã được chứng minh bởi Hansen và Bozorth [4] qua giản đồ pha cân bằng (hình 1.
Giản đồ pha cân bằng của hệ Fe100-xPtx Từ giản đồ pha ta thấy ở nhiệt độ cao từ 1300-15000C, hợp kim Fe-Pt tồn tại ở dạng dung dịch rắn fcc (lập phương tâm mặt). Khi nhiệt độ hạ thấp dưới 1300 oC thì bắt đầu có sự chuyển pha mất trật tự-trật tự từ kiểu cấu trúc A1 - fcc mất trật tự sang kiểu cấu trúc L1o – fct (tứ giác tâm mặt) có trật tự. Vùng tồn tại kiểu cấu trúc L1o kéo dài từ 35-55 % nguyên tử Pt. Trong những hợp kim Fe100-xPtx có thành phần hợp thức x < 35, x > 55 có sự hình thành những cấu trúc FePt3 (L12) và Fe3Pt (L12) tương ứng với các nhiệt độ thấp hơn 8500C và 13500C.
Tại nhiệt độ 11600C xảy ra sự chuyển biến cùng tích A1 → L10 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com + L12, thành phần pha A1 vào khoảng 55 % Pt. Ngoài ra còn tồn tại những vùng có hai pha, pha giàu Pt (A1 + L12FePt3) và pha giàu Fe (A1 + L12Fe3Pt). Hình 2 là giản đồ pha của thành phần hợp thức Fe3Pt. Ở trạng thái trật tự, pha L12 Fe3Pt bền ở nhiệt độ xấp xỉ dưới 6000K, sau đó có sự chuyển pha từ Fe3Pt mất trật tự sang pha mactensit bcc tại nhiệt độ phòng.
Giản đồ pha của hệ Fe-Pt với thành phần hợp thức Fe3Pt Cấu trúc vi mô và hợp phần trong những pha riêng biệt thu được trong hệ hợp kim Fe-Pt phụ thuộc vào thành phần nguyên tử và các cơ chế nhiệt động học. Cấu trúc mất trật tự A1 có thể được làm ổn định bằng cách làm biến dạng hay làm nguội nhanh. Trong quá trình hình thành màng mỏng, pha A1 có thể được chế tạo bằng cách phún xạ lên những đế ở nhiệt độ phòng hay được nâng nhiệt nhẹ (khoảng 2000C). Tiếp đó ta có thể thu được pha trật tự L10 hay L12 bằng cách xử lý nhiệt màng mỏng có cấu trúc pha A1 [5].2 Cấu trúc tinh thể của những pha hợp kim Fe-Pt Như ta thấy trên hình 1.1, pha A1 tồn tại ở trên nhiệt độ chuyển pha A1-L10 có cấu trúc mất trật tự fcc.
Vào năm 1941 Lipson đã xác định được rằng pha trật tự L10 của hợp kim Fe-Pt có cấu trúc kiểu CuAuI với hằng số mạng a = 3. Cấu trúc CuAuI có dạng ô mạng tứ diện Bravais nguyên thủy fct, 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com thuộc nhóm không gian tinh thể là P4/mmm. Những hợp kim FePt3 và Fe3Pt có cấu trúc CuAu3 và Cu3Au tương ứng, cả hai đều có kiểu cấu trúc fcc (L12) (xem hình 1. Cấu trúc tinh thể của pha mất trật tự A1 và pha trật tự L10 trong hợp kim Fe-Pt Trong quá trình chuyển pha mất trật tự - trật tự, những nguyên tử Fe và Pt sẽ di chuyển vào trong tinh thể để sắp xếp lần lượt trong các mặt phẳng xen kẽ, dẫn đến sự co thắt nhẹ theo phương trục c.
Quá trình chuyển pha trật tự xảy ra dọc theo phương tinh thể và hình thành những vùng tứ giác trật tự sao cho trục c của pha fct trở nên song song với một trong các trục [100] của pha fcc. Điều đó dẫn đến ba khả năng định hướng cho các hạt có cấu trúc tinh thể fct. Do bán kính nguyên tử của Fe và Pt khác nhau, rFe = 1.39 Å, làm xuất hiện ứng suất cảm ứng trong các mặt phẳng, ứng suất là nén đối với mặt phẳng chứa Pt và ứng suất giãn đối với mặt phẳng chứa Fe. a) Cấu trúc L10 với hằng số mạng a = 2a và c = c , b) Cấu trúc L12, c) Cấu * * trúc mất trật tự A1 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3 Trật tự hóa trong vật liệu hợp kim Fe-Pt có cấu trúc L10 Trong cấu trúc trật tự hoàn toàn L10 (fct) các nguyên tử Fe và Pt được sắp xếp lần lượt trong các mặt phẳng kế tiếp nhau trong các ô mạng dọc theo trục c của tinh thể.
Còn trong cấu trúc mất trật tự A1(fcc) xác suất của các nguyên tử Fe hay Pt chiếm bất kỳ vị trí nút mạng nào là hoàn toàn như nhau. Quá trình chuyển pha cấu trúc tinh thể A1 → L10 không chỉ dẫn đến sự thay đổi xác suất chiếm giữ các vị trí trong ô mạng mà còn dẫn đến sự biến đổi mạng tinh thể, và tỷ số c/a khi đó sẽ nhỏ hơn 1. Theo quan điểm nhiệt động học, quá trình chuyển pha mất trật tự – trật tự là thuộc dạng chuyển pha loại một và quá trình diễn ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm, tuân theo qui luật Jhonson-Mehl-Avrami-Kolmogorov [19]. Độ trật tự trong cấu trúc tinh thể đặc trưng bằng tham số trật tự xa (tham số LRO) S có độ lớn phụ thuộc vào sự sắp xếp các nguyên tử trong toàn bộ tinh thể.
r − c Fe rPt − c Pt S = rPt + rFe − 1 = Fe = (1.1) y Pt y Fe Trong đó rFe và rPt là tỷ phần các vị trí Fe và Pt bị chiếm giữ bởi các nguyên tử đúng tương ứng của chúng. Tham số trật tự S có giá trị bằng 0 khi sự sắp xếp của các nguyên tử là hoàn toàn ngẫu nhiên và có giá trị bằng 1 khi các nguyên tử sắp xếp theo đúng vị trí của mình. Vì thế tham số trật tự S có giá trị lớn nhất bằng 1 chỉ khi hợp kim có thành phần hợp thức chính xác. Thông thường S thường nhỏ hơn 1 do sự xuất hiện của sai hỏng mạng, biên hạt, biên pha, … Đối với các hợp phần khác, giá trị cực đại của tham số S phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và cấu trúc trật tự của hợp kim.
Ví dụ đối với cấu trúc L10, giá trị S max = 1 − 2 Δx , trong đó Δx là độ lệch thành phần của tỷ phần nguyên tử so với giá trị 0. Trên thực tế vật liệu thường tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc khác nhau và thường là không đồng nhất do có những vùng trật tự cao, có những vùng gần như hay mất trật tự hoàn toàn. Trong điều kiện nhiệt độ gần nhiệt độ phòng, các màng mỏng sau chế tạo và được ủ nhiệt tiếp sau đó thường là không đồng nhất do pha trật tự được hình thành và phát triển từ các mầm của pha mất trật tự, trong khi đó các màng chế tạo ở điều 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com kiện nhiệt độ đế cao có xu hướng đồng nhất hơn do pha trật tự được hình thành ngay trong quá trình chế tạo. Với việc hình thành cấu trúc trật tự xa, có hai hiệu ứng quan trọng xảy ra.
Đầu tiên là sự biến đổi về thành phần hóa học dọc theo các trục tinh thể làm hình thành các mặt phẳng nguyên tử có cấu trúc khác nhau dọc theo các trục này. Hiệu ứng thứ hai là hệ quả của hiệu ứng trên, xuất hiện do những thay đổi trong tính đối xứng của ô mạng cơ sở. Khi đó các trục tinh thể tương đương với nhau trong cấu trúc mất trật tự trở nên không tương đương trong cấu trúc trật tự. Cả hai hiệu ứng này có ảnh hưởng lớn đến tính chất từ và quang từ của vật liệu.
Ngoài ra sự hình thành các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể của vật liệu khi quá trình trật tự hóa xảy ra cũng ảnh hưởng mạnh đến các tính chất từ của vật liệu như độ từ hóa, lực kháng từ, … [5, 6] 1.4 Tính chất từ của hợp kim Fe-Pt Tính chất từ của hợp kim Fe-Pt bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1930. Fallot đã xác định rằng hợp kim đẳng nguyên tử (equiatomic) như Fe50Pt50 là một chất sắt từ với nhiệt độ Curie 6700K [4]. Kussman và Rittberg đã nhận thấy rằng độ từ hóa bão hòa của hợp kim mất trật tự cao hơn hợp kim trật tự. Hợp kim Fe-Pt L10 có dị hướng từ tinh thể đơn trục K1=7×106 J/m3 cho vật liệu khối và K1=6×106 J/m3 cho vật liệu màng mỏng, lớn hơn nhiều so với hợp kim mất trật tự có dị hướng lập phương K1=6×103 J/m3.
Hợp kim trật tự có độ từ hóa bão hòa ở 2980K là 1150 G. Độ dày của vách đômen trong hơp kim Fe-Pt dạng khối là 3.1 Mômen từ trong hợp kim Fe-Pt Điều kiện để có sự xuất hiện của các mômen từ là những lớp vỏ nguyên tử chỉ đươc điền đầy một phần. Trật tự sắt từ phát sinh từ những tương tác trao đổi (Coulomb) và nguyên lý Pauli. Nguồn gốc của mômen từ spin (μS) trong những vật liệu có thể được hiểu dựa trên cơ sở kiểu mẫu sắt từ lưu động (the itinerant ferromagnetism model).
Theo lý thuyết này, thường gọi là kiểu mẫu Stoner, tính sắt từ sinh ra do những dải phân chia spin tự phát (spontaneously spin-split bands). Sự khác nhau giữa những trọng tâm ΔE xác định sự phân tách thay đổi trong những dải spin với tham số tương ứng I = ΔE / μ S. Tiêu chuẩn của Stoner cho tính sắt từ là: IN(EF)≥1 (1.2) 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Trong đó I là thế năng tương tác Coulomb giữa các điện tử có spin trái dấu (năng lượng tương tác trao đổi), N(EF) là mật độ trạng thái ở mức Fermi.2) xảy ra đòi hỏi những tương tác trao đổi mạnh và một mật độ lớn những trạng thái ở mức năng lượng Fermi N(EF), đối với những nguyên tố tinh khiết chỉ gặp điều này ở Fe, Co và Ni. Kết quả là mômen từ spin được tính bời: μ S = μ B (n↑ − n↓ ) = −2 μ B S Z / h (1.3) Với n↑ và n↓ là số mật độ trạng thái của những electron có spin hướng lên và spin hướng xuống, S Z là giá trị kỳ vọng của toán tử spin dọc theo trục z.5 mô tả những dải năng lượng phân chia tự phát trong cấu trúc bcc của Fe.
Phần lớn những mức spin 3d ↑ chỉ bị chiếm giữ một phần vì thế Fe được phân loại là một chất sắt từ yếu (Co và Ni là những chất sắt từ mạnh) cho dù nó có mômen từ tương đối lớn. Mật độ trạng thái của Fe tương ứng với mức năng lượng Fermi Trong hợp chất FePt, các nguyên tử Fe và Pt đều có mômen từ.