CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ 1.1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ 1.1 Hiện tượng từ và tổng quan về vật liệu từ Hiện tượng từ (magnetism) được bắt nguồn từ chữ “Magnesia”, tên một làng ở Asia Minor – Hy Lạp, nơi đá nam châm, một dạng quặng sắt từ, được tìm thấy lần đầu tiên vào thời cổ đại. Hiện tượng từ đã được phát hiện từ lâu, nhưng cho đến những năm 30 của thế kỷ 20, bản chất của nó mới được giải thích rõ ràng. Bất kì dòng điện nào cũng đều gây ra xung quanh nó 1 từ trường. Khi đặt một dòng điện khác vào trong không gian này thì dòng điện này sẽ bị lực từ tác dụng.
Thông qua từ trường, lực từ được truyền từ dòng điện này tới dòng điện khác. Vận tốc truyền tương tác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không. Chính nhờ cơ chế này đã tạo tính chất từ đặc biệt của loại vật liệu này [1] [2] [10] Hình 1-1 Momen từ trong vật liệu Vật liệu từ là loại vật liệu mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từ hóa. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất.
Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam châm điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các lực này được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa, kiểm soát cuộn tiếng trong CD player, v.Các tương tác giữa từ và điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày [10]. Đá nam châm là loại vật liệu từ tự nhiên đầu tiên được tìm thấy, với công thức hóa học Fe2O4. Tuy nhiên sắt không phải là loại vật liệu duy nhất dễ bị từ hóa khi đặt trong từ trường, niken và coban cũng có tính chất tương tự.
Vật liệu từ được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kĩ thuật như điện kĩ thuật, kĩ thuật điện tử, công nghệ vật liệu. Vật liệu từ là vật liệu cốt lõi trong hàng 5 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ trăm triệu máy biến thế và động cơ điện đang hoạt động trên toàn cầu. Trong thiết bị gia đình hay trong mỗi chiếc xe ô tô, xe máy có thể liệt kê được ít nhất 150 linh kiện làm bằng vật liệu từ tính [2] [10]. Trong hơn 100 năm qua, vật liệu từ đã phát triển rất mạnh mẽ cả về chủng loại lẫn tính năng (hình 1-2).
Có thể kể đến sự ra đời của thép kĩ thuật điện dị hướng (1933), ferrite từ mềm (1940). Gần đây là sự xuất hiện của vật liệu từ mềm vô định hình (1970) và nano tinh thể (1988) cho thấy sự mở rộng của chủng loại vật liệu từ hợp kim sang oxit, từ tinh thể sang vô định hình, từ kích thước hạt thô to sang kích thước nano.Vật liệu làm nam châm cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Từ nam châm nền thép (1900) sang nam châm oxit (1952), rồi đến nam châm đất hiếm (SmCo 1970 và NbFeB 1983). Tích năng lượng của nam châm tăng gần 50 lần, từ 1 MG oersted lên tới 50 MG oersted [10].
Hình 1-2 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỉ 20 [10] Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc từ của chúng. * Các đại lượng đặc trưng của vật liệu từ [1] 6 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Mômen từ của các vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích (1m3) được gọi là độ nhiễm từ hay độ từ hoá, hoặc từ độ I. Đó là một véctơ hướng từ cực nam đến cực bắc của một thanh nam châm. Đơn vị của I là Wb/m2 (Tesla).
Trong hệ SI, đơn vị của mômen từ M là Wb.m), đơn vị của độ nhiễm từ là Wb/m2. Vecto cường độ từ trường kí hiệu là H. Độ từ cảm B thể hiện cường độ cảm ứng từ của vật liệu đặt trong từ trường H và được xác định qua công thức B = µ.1) Với µ là độ từ thẩm của môi trường. Trong chân không: B0 = µ0.2) Với µ0 là độ từ thẩm của chân không, µ0 là một hằng số có giá trị là 4π.
Còn một đại lượng thường dùng nữa là độ từ hoá M tính toán bởi: B = µ0.3) Khi tồn tại từ trường H, momen từ trong vật liệu có xu hướng song song với chiều của từ trường ngoài bằng cách xoay từ trường của nó.M trong công thức B = µ0.M thể hiện xu hướng này. Cường độ của độ từ hoá M thể hiện qua: M = χm.4) Với χm là độ cảm từ. Độ cảm từ và độ từ thẩm tỷ đối µ𝑟𝑟 có quan hệ: χm = µ𝑟𝑟 - 1 1.2 Phân loại vật liệu từ Dựa vào giá trị tuyệt đối và dấu của độ từ cảm χ của vật liệu, người ta phân loại các vật liệu thành ba loại chính sau: nghịch từ, thuận từ, sắt từ và ferrite từ.1 Vật liệu nghịch từ [1] [10] [11] Là vật liệu có độ cảm từ χ có giá trị âm và độ lớn vào cỡ 10-6 H/m (rất yếu). 7 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào.
Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ (hình 1-3). Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động quĩ đạo của điện tử quanh hạt nhân do cảm ứng điện từ bởi từ trường ngoài.
Hình 1-3 Cấu hình momen lưỡng cực từ nguyên tử của (a) vật liệu nghịch từ; (b) vật liệu thuận từ [11] 1.1 Vật liệu thuận từ Là vật liệu có độ cảm từ tương đối χ dương và độ lớn vào cỡ 10-3 ÷ 10-5 H/m(rất nhỏ). Vật liệu gồm những nguyên tử hoặc ion từ mà mômen từ (spin) cô lập, định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt. Khi đặt vào từ trường ngoài (H ≠ 0) các mômen từ nguyên tử định hướng theo từ trường làm I tăng dần theo H (hình 1-3). Vật liệu này có χ tỷ lệ với 1/T.
8 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Cả vật liệu nghịch từ và thuận từ đều là vật liệu không có từ tính, không có trật tự từ. Vì chúng chỉ thể hiện tính chất từ khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài. Đồng thời, cả hai đều có độ từ cảm B trong từ trường H giống như trong chân không [1] 1.3 Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ là vật liệu có trật tự từ, có độ cảm từ χm có giá trị dương rất lớn và phụ thuộc vào nhiệt độ. Vật liệu sắt từ tồn tại trật tự từ (từ tính) cả khi không tồn tại từ trường ngoài.
Các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và kim loại đất hiếm là vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ có hai loại: sắt từ và phản sắt từ. Hình 1-4 Sự sắp xếp có trật tự của momen lưỡng cực từ nguyên tử trong (a) vật liệu sắt từ (b) vật liệu phản sắt từ [10] + Vật liệu sắt từ: Trong vật liệu này các spin sắp xếp song song với nhau nên tương tác giữa các spin là dương và lớn (hình 1-4). Khi T tăng, do dao động nhiệt nên từ độ giảm dần và biến mất ở TC.
Trên nhiệt độ TC thì 1/χ tuân theo định luật tuyến tính với T (gọi là định luật Curie - Weiss) 9 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ + Vật liệu phản sắt từ: Trong vật liệu phản sắt từ, các spin sắp xếp phản song song (hình 1-4), vì vậy chúng bù trừ nhau làm cho từ tính yếu đi hoặc bị triệt tiêu. Vật liệu phản sắt từ giống vật liệu thuận từ ở chỗ có từ tính yếu, nhưng khác với vật liệu thuận từ, sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/χ của nó có một cực tiểu tại nhiệt độ TN gọi là nhiệt độ Neel. Khi T < TN các spin có trật tự phản song song (gây bởi tương tác phản sắt từ). Khi T > TN sự sắp xếp spin trở nên hỗn loạn, 1/χ lại tăng như vật liệu thuận từ.4 Vật liệu ferrite từ Vật liệu ferrite từ có tính chất từ trên cơ sở của các oxit có công thức dạng MO.
Fe2O3 với nguyên liệu chế tạo là oxit sắt và oxit của các kim loại hoá trị 2 như Cu, Ni, Mn, Zn.thường có kiểu mạng lập phương dạng spinel (hình 1-5) [1] [2]. Hình 1-5 Cấu trúc ferrite spinen [2] Ngoài công thức hóa học kể trên, vật liệu từ ferrite còn có cấu trúc sáu phương và granat. Vật liệu từ có cấu trúc sáu phương có công thức hóa học là AB12O19, trong đó A là kim loại hóa trị hai như Ba, Pb và B là kim loại hóa trị ba như Al, Ga, Cr, Fe. Ví dụ điển hình cho dạng vật liệu từ này là PbFe12O19 và BaFe12O19.
Vật liệu từ ferrite dạng granat có cấu trúc tinh thể rất phức tạp, thể hiện bằng công thức tổng quát M3Fe5O12 với M là ion của kim loại đất hiếm như Y, Ga, Sa. Trong đó Y3Fe5O12 hay YIG là loại thông dụng nhất trong nhóm này [10]. 10 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Hình 1-6 Sự sắp xếp có trật tự của momen lưỡng cực từ nguyên tử Vật liệu ferrite từ thuộc nhóm vật liệu phản sắt từ không bù trừ. Ở vật liệu ferrite từ, hai vị trí mạng A và B trong tinh thể có các spin với độ lớn khác nhau và sắp xếp phản song song với nhau dẫn đến từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài bằng không (hình 1-6).
Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát. Ở các vật liệu ferrite từ có tồn tại nhiệt độ chuyển pha TC gọi là nhiệt độ Curie. Tại T > TC trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ.3 Tính chất cơ bản của vật liệu từ 1.