CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày một số khái niệm liên quan tới từ trường, vật liệu từ và các tính chất từ cơ bản. Cùng với đó là tổng quan về các vi hệ thống được sử dụng hiện nay để điều khiển các đối tượng kích thước micro-nano (hạt từ, hạt phi từ, tế bào sinh học). Từ tính và các vật liệu từ Từ tính là một trong những lĩnh vực quan trọng của khoa học và cuộc sống với lịch sử nghiên cứu lâu đời và có những bước phát triển mạnh mẽ.
Khái niệm “từ tính” xuất hiện trong hầu hết các thiết bị và hiện tượng thường ngày. Thuộc tính từ của một số vật liệu đã được biết tới trong nhiều thiên niên kỷ qua. Các tài liệu cho thấy các hiện tượng từ được tìm thấy đầu tiên ở Trung Quốc 4000 năm trước Công nguyên. Vật chất có từ tính được phát hiện đầu tiên vào thời gian này là đá nam châm magnetite, đây là một hợp chất của sắt và ôxy với công thức hóa học là Fe3O4.
Các ứng dụng đầu tiên của vật liệu từ là các la bàn chỉ hướng Bắc – Nam có khoảng 2500 năm trước Công nguyên, và sau này các la bàn hiện đại với kim la bàn nổi. Mối quan hệ giữa hướng của kim la bàn với từ trường trái đất đã được William Gilbert đề cập và giải thích trong sách chuyên khảo “De Magnete” của ông năm 1600. Nhiều năm sau, vào năm 1820, nhà vật lý người Đan Mạch, Hans Christian Oersted, đã quan sát thấy kim la bàn thay đổi hướng khi đặt gần các dòng điện. Mối liên hệ giữa điện và từ đã được thiết lập và những khám phá trong lĩnh vực điện từ này đã bắt đầu một cuộc hành trình dài cho đến ngày nay.
Vài tháng sau, André Marie Ampère, nhà vật lý và toán học người Pháp, làm các thí nghiệm cho thấy một dây dẫn mang dòng điện có thể xem như tương đương với một nam châm bằng cách cuộn nó thành một hình dạng nhất định. Michael Faraday, nhà hóa học và vật lý người Anh, sau đó đã nghiên cứu các hiện tượng điện từ và mối quan hệ của nó với ánh sáng. Các kết quả nghiên cứu của ông đã dẫn đến lý thuyết thống nhất của James Clerk Maxwell về điện, từ, quang. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Một số đại lượng từ cơ bản ⃗ (có đơn vị theo hệ CGS là G, theo hệ SI là T) tại một điểm là đại Cảm ứng từ 𝐵 lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực, phụ thuộc vào môi trường và có thể được tính toán từ định luật Ampere hoặc định luật Biot-Savart. Trong khi ⃗ (có đơn vị là G theo hệ CGS, là A/m theo hệ SI) tại một đó, cường độ từ trường 𝐻 điểm là đại lượng đặc trưng cho mức độ mạnh, yếu của từ trường và không phụ thuộc vào môi trường. ⃗ có chiều giống như Trong chân không hoặc không khí, cường độ từ trường 𝐻 ⃗ và có liên hệ bởi phương trình: chiều của cảm ứng từ 𝐵 ⃗ = 𝜇0 𝐻 𝐵 ⃗ (1. 1) với µ0 = 4×10-7 (không có đơn vị theo hệ CGS, là H/m theo hệ SI) là độ từ thẩm của chân không.
Xét về thuộc tính, mỗi vật liệu từ có một từ trường nội tại khi được đặt trong từ ⃗ , thể hiện qua từ độ 𝑀 trường ngoài 𝐻 ⃗⃗ (đây là đại lượng được đo bằng tổng các mômen từ bên trong vật liệu trên một đơn vị thể tích, có đơn vị theo hệ CGS là emu/cm3 hoặc ⃗⃗ được thay thế bằng vectơ phân cực từ 𝐽. Trong nhiều tài liệu, vectơ từ độ 𝑀 ⃗ sẽ bao gồm cả thành phần của từ trường ngoài 𝐻 Do đó cảm ứng từ 𝐵 ⃗ và từ độ 𝑀 ⃗⃗ bên trong vật liệu: ⃗ = 𝜇0 (𝐻 𝐵 ⃗ +𝑀 ⃗⃗ ) (1. 2) ⃗⃗ và cường độ từ trường 𝐻 Mối liên hệ giữa từ độ 𝑀 ⃗ có thể được biểu diễn theo phương trình sau: ⃗⃗ = 𝐻 𝑀 ⃗ (1. 3) Đại lượng , không có thứ nguyên, được gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa của vật liệu.
Từ các phương trình trên, chúng ta có thể thấy: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 4) Đại lượng µ được gọi là độ từ thẩm của vật liệu và đại lượng µr = 𝜇/𝜇0 không có thứ nguyên được gọi là độ từ thẩm tương đối của vật liệu so với chân không. Phân loại vật liệu từ Có nhiều cách phân loại vật liệu từ khác nhau, một trong số đó dựa trên độ cảm từ của vật liệu. Hệ số không có thứ nguyên này có thể dương, âm, tuyến tính hoặc phi tuyến và có thể suy ra từ đường cong M(H).
Dựa vào giá trị của độ cảm từ, các vật liệu từ thường được phân loại thành ba nhóm chính: vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ và vật liệu sắt từ (hình 1. Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ. - Vật liệu nghịch từ (diamagnetism) là vật liệu chỉ chứa các nguyên tử và phân tử không có mômen từ tĩnh. Khi được đặt trong từ trường ngoài, từ độ của các vật liệu này rất nhỏ và ngược hướng với từ trường ngoài.
Độ cảm từ có giá trị âm nằm trong khoảng từ -10-6 tới -10-4 và không thay đổi theo nhiệt độ. Tính nghịch từ tồn tại trong tất cả các loại vật liệu, ngay cả trong các loại vật liệu từ khác. Tác động của vật liệu nghịch từ yếu hơn nhiều so với các loại vật liệu khác và thường được bỏ qua. Một vài vật liệu nghịch từ phổ biến được sử dụng trong các vi hệ thống là nước ( = -9,06×10-6), silic ( = -14,0×10-6), cacbon ( = -16,0×10-6), đồng ( = -22,0×10-6).
Vật liệu tự nhiên có tính nghịch từ lớn nhất là bismuth ( = -175,0×10-6), chỉ xếp sau graphite pyrolytic tổng hợp có định hướng cao ( = -450,0×10-6) [36, 38]. Những vật 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com liệu này là các đối tượng nghiên cứu liên quan tới hiệu ứng nâng nghịch từ (diamagnetic levitation). - Vật liệu thuận từ (paramagnetism) là vật liệu chứa các nguyên tử có mômen từ tĩnh. Khi không có từ trường ngoài, mômen từ của các nguyên tử không tương tác với nhau và có thể định hướng tự do theo bất kì phương nào, vì vậy mômen từ tổng cộng của vật liệu bằng 0.
Trong từ trường ngoài, toàn bộ mômen từ của vật liệu sẽ sắp xếp theo cùng một hướng với từ trường ngoài và tạo ra một mômen từ tổng khác 0, mômen từ tổng này sẽ biến mất khi từ trường ngoài được loại bỏ. Mômen từ tổng cao hơn ở nhiệt độ thấp và giảm dần khi nhiệt độ tăng do dao động nhiệt của các mômen từ. Đường cong M(H) của vật liệu thuận từ cũng trở nên tuyến tính hơn khi nhiệt độ giảm. Độ cảm từ của vật liệu thuận từ có giá trị trong khoảng 10-5 ÷ 10-3.
- Vật liệu sắt từ (ferromagnetism) giống vật liệu thuận từ ở chỗ có mômen từ tĩnh, nhưng các mômen từ này liên kết chặt chẽ với nhau. Các mômen từ nguyên tử liên kết và sắp xếp song song và cùng chiều với nhau ở trong một vùng không gian gọi là đômen. Nhiệt độ tăng trong các chất sắt từ cũng làm giảm mômen từ tổng của vật liệu. Các chất sắt từ mặc dù có từ độ tự phát nhưng mômen từ tổng cộng vẫn có thể bằng 0 vì mômen từ tổng của các đômen liên kết ngẫu nhiên với nhau và không có định hướng ưu tiên.
Khi vật liệu được đặt trong từ trường ngoài với cường độ tăng dần, các mômen từ nguyên tử sẽ được sắp xếp cùng hướng với từ trường ngoài cho tới khi đạt trạng thái bão hòa từ với giá trị từ độ MS. Khi vật liệu đạt được trạng thái bão hòa từ, nếu từ trường ngoài được loại bỏ thì trong vật liệu sắt từ vẫn tồn tại một mômen từ tổng do định hướng ưu tiên của các mômen thành phần sau khi được từ hóa, gọi là từ độ dư (MR). Lúc này, nếu từ trường ngoài được đưa vào theo hướng ngược lại và tăng dần cường độ để các mômen từ của vật liệu đạt trạng thái bão hòa một lần nữa thì từ độ của vật liệu là một hàm của từ trường ngoài và có đường về khác đường đi. Đồ thị sự phụ thuộc của từ độ vật liệu sắt từ vào từ trường ngoài gọi là đường cong từ trễ.
Đường cong từ trễ là một tính chất quan trọng của vật liệu sắt từ, gắn với nhiều ứng dụng mà một ứng dụng cơ bản và điển hình nhất là dùng để chế tạo nam châm. Đây là một loại dụng cụ được sử dụng để tác động lực hút hoặc lực 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đẩy lên các vật liệu từ và các nam châm khác. Mọi nam châm đều có ít nhất một cực bắc và một cực nam, chúng có hình dạng phong phú và có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm Các thuật ngữ “vật liệu từ cứng” và “vật liệu từ mềm” xuất phát từ sự khác biệt của các đường cong từ trễ của các vật liệu từ khác nhau.
Đầu tiên, chúng ta hãy xem lại cấu trúc từ của vật liệu sắt từ và sự phụ thuộc của chúng vào từ trường ngoài. Thông thường một vật liệu sắt từ chứa nhiều đômen từ định hướng ngẫu nhiên. Các đômen được tạo ra để giảm thiểu năng lượng trong vật liệu và chịu ảnh hưởng của các khuyết tật, lệch mạng… Vị trí chuyển tiếp giữa các đômen là các vùng có sự định hướng lại mômen từ, tức là khi dịch chuyển từ đômen này sang đômen khác, mômen từ sẽ thay đổi dần từ hướng này sang hướng khác. Felix Bloch, nhà vật lý người Thụy Sĩ, là người đầu tiên nghiên cứu các tính chất của vùng chuyển tiếp giữa các đômen từ, do đó thuật ngữ “vách Bloch” được sử dụng để mô tả chiều dày vùng chuyển tiếp (hình 1.
Các vách Bloch có năng lượng liên kết và có thể đáp ứng lại từ trường ngoài. Xét các vật liệu ban đầu được chia thành các đômen từ như được biểu diễn trong hình 1.2b, chúng ta có thể thấy khi được đặt trong từ trường ngoài, từ trường ngoài sẽ gây ra một mômen xoắn lên các mômen từ khiến cho các mômen từ có xu hướng quay theo hướng của từ trường ngoài. Các vách Bloch sẽ di dời và các đômen có mômen từ song song hoặc gần song song với từ trường ngoài sẽ lớn dần trong khi các đômen khác bị triệt tiêu khi từ trường ngoài tăng dần.