Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3: Các phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận Kết luận Ngành Vật lýNhiệt 2 Khóa 2010-2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tinh thể của hợp chất R2In Các hợp chất R2In, trong đó R là kim loại đất hiếm, đƣợc kết tinh trong cấu trúc lục giác loại Ni2In thuộc không gian nhóm P63/mmc [11]. Trong một ô cơ sở có hai đơn vị công thức, các nguyên tử đất hiếm nằm ở hai vị trí khác nhau: vị trí 2a và vị trí 2d (Hình 1.1), ở vị trí 2a (trên các cạnh của ô cơ sở) các nguyên tử đất hiếm đƣợc bao quanh bởi các nguyên tử đất hiếm lân cận gần nhất. Ở vị trí 2d (nằm trong ô cơ sở), các nguyên tử đất hiếm có 3 nguyên tử In lân cận gần nhất. Các nguyên tử In nằm ở vị trí 2c (tâm của lăng trụ tam giác), bao quanh là các ion R3+ lân cận gần nhất.
Tất cả các vị trí của các nguyên tử In tƣơng đƣơng nhau về mặt cấu trúc.1: Ô cơ sở của hợp chất R2In Ngành Vật lýNhiệt 3 Khóa 2010-2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh 1.2 Tính chất từ của hợp chất R2In Tất cả các hợp chất R2In (trừ R = Ce, Pr) là chất sắt từ với nhiệt độ chuyển pha tƣơng đối cao [8-13, 15, 16, 19-24]. Khi giảm nhiệt độ, độ từ hóa sẽ giảm hoặc tăng và tới một nhiệt độ nào đó sẽ có sự thay đổi trong cấu trúc từ, điều này đƣợc giả thiết là do xuất hiện trật tự phản sắt từ. Trong các trƣờng hợp R = Sm, Gd, Tb và Dy khi tiếp tục hạ nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha TC sẽ xuất hiện trật tự phản sắt từ. Đối với hợp chất Gd2In còn xuất hiện trạng thái từ giả bền trong pha phản sắt từ khi nhiệt độ ở dƣới 99,5 K [11, 22].
Xung quanh nhiệt độ chuyển pha Curie TC còn xảy ra hiệu ứng từ nhiệt, hiện tƣợng này đã đƣợc nghiên cứu cho hệ vật liệu R2In đƣợc tổng kết trong Bảng 1. Hiệu ứng từ nhiệt trong hệ vật liệu R2In là khá lớn có thể xếp vào loại vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ, tuy nhiên nhiệt độ chuyển pha thấp (dƣới 200 K). Bảng 1: Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp chất R2In (với R = Dy, Er, Tb và Ho). Mẫu vật liệu TC (K) (T) (J.kg-1) Dy2In [6] 125 4 7,1 473 Er2In [14] 46 5 16 490 Tb2In [18] 165 5 6,6 660 2 3,5 200 Ho2In [17] 85 5 11,2 360 2 5,0 - Mặt khác, dƣới tác động của các tác nhân bên ngoài (nhƣ áp suất) thì tính chất trong hệ vật liệu R2In có sự thay đổi rõ rệt.
Cụ thể: khi ta đặt áp suất cao lên hệ vật liệu Ngành Vật lýNhiệt 4 Khóa 2010-2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh sẽ dẫn đến tƣơng tác sắt từ lớn, đồng thời cản trở nhiệt độ trật tự phản sắt từ (TN); ở áp suất trên 29,3 kbar chỉ tồn tại trạng thái sắt từ [24]. Do đó, tính chất từ của các hợp chất này đƣợc đặc trƣng bởi sự cạnh tranh của tƣơng tác sắt từ và phản sắt từ giữa các ion đất hiếm. Ngoài ra, dị hƣớng trƣờng tinh thể (CEF) cũng đƣợc đƣa vào để tính toán, giải thích các đặc trƣng và giúp ta hiểu biết thêm thông tin trong hệ vật liệu này.3 Cấu trúc từ của hợp chất R2In Cấu trúc từ ở nhiệt độ thấp của các hợp chất R2In chƣa đƣợc nghiên cứu chi tiết. Để nghiên cứu về cấu trúc từ ta có thể thực hiện phép đo nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ nơtron.
Phƣơng pháp nhiễu xạ nơtron là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để nghiên cứu các cấu trúc và trạng thái từ vi mô của vật liệu. Nơtron có mômen lƣỡng cực từ và có thể bị phân tán bởi mômen từ của một nguyên tử thông qua tƣơng tác lƣỡng cực-lƣỡng cực. Các nghiên cứu nhiễu xạ nơtron đã đƣợc thực hiện cho các mẫu Tb2In, Ho2In và Er2In. Đối với mẫu Tb2In, nghiên cứu đã chỉ ra đây là chất sắt từ ở 50 K với mômen từ nằm trong mặt phẳng c [13].
Các giá trị mômen từ đối với các vị trí khác nhau của nguyên tử đất hiếm cũng đã đƣợc tìm ra cho hợp chất Er2In [10]. Đối với Ho2In, hai quá trình chuyển pha từ và hƣớng của mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ đã đƣợc nghiên cứu [9]; các mômen từ có hƣớng cùng hoặc gần trục c khi nhiệt độ cao, khi giảm nhiệt độ thì chúng nghiêng dần về mặt phẳng c. Phổ Mössbauer đã chỉ ra các mômen từ định hƣớng dọc theo trục c. Nghiên cứu của M.
Forker và đồng nghiệp [15] đã chỉ ra rằng khi nhiệt độ dƣới khoảng 40 K thì hƣớng của mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đó thì chúng không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa. Ngành Vật lýNhiệt 5 Khóa 2010-2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vật liệu từ Các vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít trong từ trƣờng đƣợc gọi là các vật liệu từ. Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc từ của chúng. Đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho các vật liệu từ là từ độ ⃗⃗ , độ cảm từ.
Hai đại lƣợng này liên hệ với nhau theo công thức: ⃗⃗ ⃗ (1.1) Trong đó ⃗ là từ trƣờng ngoài, đơn vị của từ trƣờng H là Oe – trong hệ CGS, A/m – trong hệ SI. Đơn vị của mômen từ là emu/cm3 (CGS) hoặc A/m (SI). Do đó, đơn vị của độ cảm từ là emu/cm3.Oe (CGS), còn trong hệ đơn vị SI thì không có đơn vị. Ta có thể phân loại các vật liệu từ căn cứ theo cấu trúc của chúng thành các loại vật liệu: nghịch từ, thuận từ, phản sắt từ, ferit từ, sắt từ.
Ở đây chúng ta chỉ xem xét các trạng thái thuận từ, phản sắt từ và sắt từ. a, Vật liệu thuận từ [3] Vật liệu thuận từ có độ cảm từ và có giá trị nhỏ (cỡ ). Các vật liệu thuận từ là các chất mà nguyên tử hoặc phân tử của chúng có mômen từ ngay cả khi không có từ trƣờng ngoài. Cụ thể là: - Các nguyên tử, phân tử hoặc sai hỏng mạng có số điện tử lẻ (có spin tổng khác không).
- Các nguyên tử tự do hoặc ion tự do với lớp vỏ trong không đầy nhƣ các nguyên tố chuyển tiếp, các ion đồng điện tử với các nguyên tố chuyển tiếp, các kim loại đất hiếm và các nguyên tố của nhóm Uran. - Một số liên kết có số điện tử chẵn nhƣ phân tử ôxi, các gốc hữu cơ kép. Ngành Vật lýNhiệt 6 Khóa 2010-2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Khi chƣa đặt từ trƣờng ngoài vào (H = 0) thì mômen từ nguyên tử hoặc ion từ cô lập, định hƣớng hỗn loạn do tác dụng nhiệt. Khi đặt từ trƣờng ngoài vào (H 0) các mômen từ nguyên tử định hƣớng theo từ trƣờng làm M tăng dần theo H.
Ở phần lớn các chất thuận từ, sự phụ thuộc của vào T tuân theo định luật Curie: (1.2) C gọi là hằng số Curie.1: a) Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử trong vật liệu thuận từ. b) Đường cong từ hóa của vật liệu thuận từ. c) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ 1/ của vật liệu thuận từ b, Vật liệu phản sắt từ [3] Vật liệu phản sắt từ cũng giống vật liệu thuận từ ở chỗ nó có từ tính yếu, nhƣng khác với vật liệu thuận từ, sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/ của nó có một hõm tại nhiệt độ TN gọi là nhiệt độ ́. Khi T < TN các spin có trật tự phản song song (gây ra bởi tƣơng tác phản sắt từ).
Khi T > TN sự sắp xếp spin trở nên hỗn loạn, lại tăng nhƣ vật liệu thuận từ. Ngành Vật lýNhiệt 7 Khóa 2010-2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Hình 2.2: a) Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu phản sắt từ ở T < TN khi không có từ trường ngoài. b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ 1/ của vật liệu phản sắt từ c, Vật liệu sắt từ [3] Trong vật liệu này tƣơng tác giữa các spin là dƣơng và lớn nên các spin sắp xếp song song với nhau.3: a) Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu sắt từ khi T < TC. b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hòa MS và nghịch đảo độ cảm từ 1/ của vật liệu sắt từ Ngành Vật lýNhiệt 8 Khóa 2010-2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Khi nhiệt độ T tăng, do dao động nhiệt từ độ giảm dần và biến mất ở TC.
Trên nhiệt độ TC, 1/ tuân theo định luật tuyến tính với T gọi là định luật Curie-Weiss: Với TC là nhiệt độ Curie. Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự phát: Khi T < TC, từ độ tự phát xuất hiện cả khi H = 0. Tuy nhiên, thông thƣờng khi H = 0 ta nhận thấy vật liệu bị khử từ. Điều này đƣợc giải thích bởi cấu trúc đômen.
d, Cấu trúc đômen [2] Nếu xét trên quan điểm vi mô thì ở những nhiệt độ dƣới nhiệt độ Curie, trong vật liệu sắt từ luôn luôn xuất hiện độ từ hóa tự phát bão hòa. Tuy nhiên, với những vật có kích thƣớc đủ lớn, thì khi không có từ trƣờng ngoài tác dụng, vật vẫn có thể ở trạng thái không từ hóa, tức là mômen từ tổng cộng của vật bằng không. Điều này đã đƣợc Weiss giải thích rằng vật sắt từ thƣờng đƣợc cấu tạo từ nhiều miền nhỏ, đƣợc từ hóa đến bão hòa, gọi là các đômen sắt từ. Trong mỗi đômen (chứa từ 109 đến 1015 nguyên tử) vectơ độ từ hóa ⃗⃗ có một hƣớng xác định.
Trạng thái của vật sẽ ứng với một cấu hình đômen nhƣ thế nào để cho năng lƣợng từ của hệ đạt giá trị cực tiểu. Khi không có từ trƣờng ngoài tác dụng, nếu vectơ độ từ hóa ⃗⃗ của các đômen hoàn toàn hỗn loạn thì độ từ hóa tổng cộng của vật sẽ bằng không. Đi từ đômen này sang đômen khác vectơ độ từ hóa ⃗⃗ sẽ đổi hƣớng.