CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1. CAC KHAINIEM VE TU TRUONG, TỪ TINH VA VAT LIEU TU 1. Cam ứng tir va từ trường [10] Vì từ trường được tạo ra khi có chuyển động của các điện tích nên nếu ta có một dây điện có dòng điện J chạy qua thì nó sẽ tạo ra một cảm ứng từ Bo xung quanh. Cảm ứng từ là một đại lượng véctơ, chiều của nó phụ thuộc vào chiều chuyển động của dòng điện và được xác định bằng quy tắc bàn tay phải.
Bây giờ nếu ta thay dây điện trên bằng một ống dây điện thì cảm ứng từ tạo ra trong lòng ông dây đó cũng được xác định bang quy tac trên. Nếu xung quanh cuộn dây là chân không thì chúng ta định nghĩa từ trường H như sau: Ho, với Ho là từ thâm chân không. Như vậy thì véc tơ từ trường H chỉ phụ thuộc vào dòng điện J và hình dạng của dây nhưng không phụ thuộc vào môi trường bên trong ống dây. Từ tham và từ cảm [10] Bây giờ trong lòng ống dây không phải là chân không mà là một vật nào đó thì sự có mặt của vật đó sẽ làm thay đổi cảm ứng từ trong ống dây.
Cảm ứng từ này tỷ lệ với từ trường với hệ số tỷ lệ được gọi là từ thắm / thì cảm ứng từ trong lòng vật đó là: ° B=ụu.H " Ta định nghĩa M là véc tơ từ độ xuất hiện bên trong vật © M=y.Ay6i X là từ cảm của vật liệu với B= vol H + M) = (1+ x)Bo Người ta còn định nghĩa: u P Ho với Mr: từ thâm tương đối của vật so với chân không. Domen từ và vòng từ trễ a/ Cấu hình đômen | I Hình 1.2: Su phan chia thành các đômen từ trong mang mong hợp kim Ni-Fe quan sát trên kính hién vi điện tử truyén qua Lorentz ở chê độ Fresnel. 14 Các đường đen, trăng là các vách đômen, mũi tên chỉ chiêu của mômen từ trong các đômen. Trong quá trình từ hóa, cau trúc đômen bị thay đôi b/ Nguồn gốc của đômen từ Khái niệm về đômen tu lân dau tiên được đưa ra vào năm 1907 boi Weiss dé giải thích các tính chât đặc biệt của các vật liệu săt từ, và mô hình được sử dụng đê lý giải là mô hình trường phân tử (Lý thuyết trường phân tử).
Sau đó, hình ảnh về các đômen từ được quan sát và các lý thuyết sau đó đã lý giải chính xác sự tạo thành của đômen từ. Sự hình thành của các đômen từ là do tương tác trao doi dẫn đến việc các momen từ sắp xếp song song với nhau. Có nghĩa là trong mỗi đômen, các mômen từ sắp xếp theo 1 chiều nhất định tạo nên từ độ tự phát của sắt từ. Lý thuyết về đômen từ tiếp tục được hoàn thiện bởi Van Vleck (năm 1945) và Stoner (năm 1948), Néel (năm 1948).
Tuy nhiên, không phải sự sắp xếp song song này tổn tại trên toàn vật sat từ mà mỗi vật tùy theo kích thước, hình dạng mà có thể bị chia thành nhiều đômen khác nhau tạo nên cấu trúc đômen của vật (trong các đômen khác nhau chiều của các momen từ sẽ khác nhau). Câu trúc đômen hình thành chi phối tính chất từ vi mô của vật liệu. Ở trạng thái khử từ, chiều của mômen từ trong các đômen sắp xếp sao cho thỏa mãn các điều kiện: triệt tiêu từ độ và cực tiểu hóa năng lượng tổng cộng trong vật sắt từ. Khi có từ trường ngoài, cấu trúc đômen bị thay đổi (sự lớn lên của các đômen từ có chiều cùng chiều với từ trường, sự quay mômen từ trong các đômen có chiều khác.) dẫn đến sự thay đôi về tính chất từ.
Sự biến đổi khác nhau về đômen từ trong quá trình từ hóa tạo nên các cơ chê từ hóa và các tính chât từ khác nhau của mỗi loại vật liệu sắt từ. Trong các tính toán về từ học, cầu trúc đômen được xác định băng việc cực tiêu hóa năng lượng vi từ, với năm sô hạng của năng lượng vi từ: e Nang lượng trao đôi e Nang lượng dị hướng 15 e Nang lượng tinh từ e Nang luong Zeeman « Nang lượng từ giao Dé chính xác hóa việc xác định câu trúc đômen, các tính toán về nang vi từ còn được kết hợp với việc giải phương trình Landau-Lifshitz-Gilbert. Œ⁄ Vách domen Hình 1.3: Ví dụ về vách đômen (vách 180° và vách 90°) Vách đômen (domain wall) là vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 đômen từ liền kể nhau. Giữa hai đômen từ, mômen từ không thể đột ngột biến đôi về chiều vì sẽ dẫn đến trang thái kém bền do đó hình thành nên vùng chuyến tiếp là các vách đômen.
Trong các vách đômen, momen từ biến đổi về chiều dan dan từ chiều của đômen nay tới đômen kia. Tùy theo sự định hướng mà sẽ có thé có 2 kiểu vách đômen từ chính: e - Vách Bloch: Là cau hình vách tổn tại trong các vật liệu khối hoặc mảng dày, có các mômen từ trong vách phân bố trong không gian 3 chiều. e Vách Néel: Là loại vách đômen hình thành trong các mang mỏng từ (khi kích thước một chiều bị hạn chế), các momen từ sắp xếp trong một mặt phăng. Các nghiên cứu về vách đômen đang là một chủ đề thu hút nhiêu nghiên cứu bởi triên vọng ứng dụng trong các linh kiện spintronic điêu khiên băng vách đômen.
Trong 16 các linh kiện này, thông tin được mã hóa nhờ sự vận chuyển của các vách đômen trong các cấu trúc nano từ tính (các dây nano, các chấm nano.), có khả năng tạo ra các cổng logic, các bộ nhớ, máy phát chất lượng cao. d/ Hạt một dômen Hạt một đômen là dạng vật liệu dùng để chế tạo nam châm có trường khử từ lớn. Ở những vật sắt từ có kích thước đủ lớn, sự phân chia thành đômen làm cho năng lượng tự do của vật giảm xuống. Tuy nhiên trong những vật có kích thước đủ nhỏ thì sự phân chia thành đômen lại làm tăng năng lượng tự do của vật.
Vì vậy trong các hạt nhỏ, không có sự phân chia thành đômen mà cả hạt là một đômen nên ta gọi là hạt một đômen. Phép tính chứng tỏ răng, nếu dị hướng từ tinh thé lớn thì bán kính giới han của hạt một đômen (R„>>đ) bằng 8 =”. 411 1M e/ Hiện tượng siêu thuận từ Ứng dụng của hiện tượng siêu thuận từ: Các vật liệu siêu thuận từ đang được ứng dụng nhiều trong vật lý và y-sinh học nhờ khả năng hồi đáp nhanh với sự tác dụng của từ trường bên ngoài. Siêu thuận từ được sử dụng trong các hạt nano từ tính, đặt trong các chất lỏng từ.
Ứng dụng vật lý Đây là các ứng dụng cô điển, được sử dụng từ rất lâu: ‹ Sử dụng các chất lỏng từ làm tăng tính truyền dẫn trong các hệ dẫn lực, dẫn nhiệt, dan từ, làm giảm nhiễu ôn ở loa điện động. ¢ Làm nhân cho các hệ hat tự lắp ghép 17 Ứng dụng y - sinh hoc Các ứng dụng này mới được phát triển trong thời gian gần đây [5]: ¢ Dẫn thuốc ¢ Làm tăng độ tương phản của ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân ‹ Điều trị ung thư bang đốt nóng thân nhiệt cục bộ. Từ trễ [10] Các định nghĩa cơ bản a/ Quá trình từ hóa: Xét về mặt hiện tượng, từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật chất theo từ trường ngoài. Xét về bản chat, đây là sự thay đổi các mômen từ nguyên tử.
Khi đặt vào từ trường ngoài, các mômen từ nguyên tử có xu hướng bị quay di theo từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ. Tùy theo sự hưởng ứng nay mà có thé phân ra nhiều loại vật liệu từ khác nhau b/ Quá trình khử tw: ngược với quá trình từ hóa là quá trình khử từ. Khử từ là quá trình làm triệt tiêu từ tính của vật từ, bang cách đặt vào một từ trường ngược đủ lớn, hoặc làm tăng nhiệt độ đến trên nhiệt độ định hướng của chất. © Khir từ bang từ trường: Đây là cách thông dụng nhất, bằng cách đặt vào từ trường ngược (với chiều của từ độ dư trong chất) bằng với giá trị lực kháng từ của chất.
Nếu từ trường ngược đặt vào tiếp tục tăng, từ độ của chất sẽ bị đảo ngược, và fa có quá trình đão từ. Đề khử từ hoàn toàn, người ta không dùnxoay chiều có biên độ giảm dân từ trường ngược một chiều mà dùng từ trường (tắt dần theo hàm số mũ và đổi chiêu), như vậy từ trường dư trong mẫu sẽ bị nhỏ dân và đảo liên tục quanh giá trị 0 và ngày càng tiến tới giá trị 0. 18 e Cac cach khác: Có nhiều cách khác dé khử từ, vi dụ đốt nóng vật đến trên nhiệt độ trật tự từ của chất (nhiệt độ Curie với các chất sắt từ, hay nhiệt độ Neél với các chất phản sắt từ.) lúc này các chất từ trạng thái có từ độ lớn sẽ bị mat từ tính và trở thành chất thuận từ. Ngoài ra, sự va đập cơ hoc và ăn mòn hóa hoc cũng là những cách khử di từ tính của chất.
c/ Hiện tượng từ trễ Đây là hiện tượng bat thuận nghịch của 2 quá trình từ hóa và đảo từ của các vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một quá trình đặc trưng quan trọng và dễ quan sát nhất của vật liệu săt từ Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (M(H) hay B(H)) được mô ta như sau: sau khi từ hóa một vật từ đến một từ trường xác định, nếu ta giảm dan từ trường và quay ngược từ trường thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa mà đi theo đường khác. Nếu ta đảo từ theo một chu trình kín, thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu từ và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của các vật liệu từ.
d/ Các tham số trên đường cong từ trễ Từ đô bão hòa: giá tri từ độ đạt được khi từ hóa đến từ trường đủ lớn sao cho vật liệu ở trạng thái bão hóa từ, nghĩa là các mômen từ gần như hoàn toàn song song nhau. Khi đó, đường cong từ trễ có dạng năm ngang. Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ và có ký hiệu là M, hoặc I. Từ dư: giá tri từ độ còn giữ lại khi từ trường H = 0.
Ký hiệu là M, hoặc I,.