CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Vật liệu từ 1. Giới thiệu và lịch sử của từ học Câu chuyện về từ tính bắt đầu từ một loại khoáng vật gọi là Magnetite (Fe3O4) (Hình 1. 1), đây là vật liệu từ tính đầu tiên được con người biết đến.
Lịch sử bắt đầu của nó rất mơ hồ, nhưng khả năng hút sắt của nó chắc chắn đã được biết đến 2500 năm trước công nguyên. Trong thế giới cổ đại, khoáng vật này xuất hiện nhiều ở khu vực Magnesia, của Thổ Nhĩ Kì ngày nay, và từ ”sắt từ” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, được cho là tên của khu vực này. Những đối thoại đầu tiên về từ học và sử dụng nam châm vĩnh cửu (đá thiên nhiên có từ tính) cho các mục đích khác nhau xuất hiện ở Hy Lạp [39], và sử dụng đá nam châm làm la bàn ở Trung Quốc [40]. Vật liệu từ tính Magnetite [41].
Nghiên cứu khoa học thực thụ đầu tiên về từ tính mãi đến năm 1600 mới được thực hiện bởi William Girlbert trong cuốn sách ông viết về điện và từ xuất bản ở Anh. Tiếp đó là phát hiện vĩ đại của Oersted (1775-1851) năm 1820 về tương tác giữa giữa nam châm với dòng điện và dòng điện với nhau đã dẫn đến kết luận dòng điện tạo ra từ trường. Ngay sau đó vào năm 1825 nam châm điện đầu tiên được chế tạo. Sau thí nghiệm Oersted, hàng loạt các nhà khoa học đã tiến hành thí nghiệm và những công trình nghiên cứu của Ampere, Gauss, Faraday,.
đã đưa ra những kiến thức nền tảng về từ học. Maxwell đã thống nhất lí thuyết về từ trường, điện trường, và quang học để phát triển thành lí thuyết tổng quát về trường điện từ. Để đến thế kỉ 20, từ học và các vật liệu từ được phát triển mạnh mẽ cả về mặt nghiên cứu lí thuyết và công nghệ chế tạo vật liệu, từ đó xây dựng các lí thuyết vi mô về hiện tượng từ dựa trên các lí thuyết 6 của cơ học lượng tử và vật lí chất rắn. Đi kèm với nó là sự phát triển của nhiều kĩ thuật chụp ảnh cấu trúc từ và đo đạc các tính chất từ của vật liệu.
Cuối thế kỉ 20, đầu thế kỉ 21, các vật liệu từ hệ thấp chiều được tập trung nghiên cứu và ngành mới spintronics ra đời dựa trên những thành tựu của từ học và điện tử học [42, 41]. Bản chất từ tính của vật liệu Ngay từ những năm 1820 Ampere đã giả thiết rằng từ tính của vật liệu liên quan đến sự tồn tại các dòng điện tròn không tắt dần trong nó. Tới đầu thế kỉ 20 Rutherford xây dựng mô hình hành tinh nguyên tử có các điện tử quay xung quanh một hạt nhân nặng, mang điện tích dương. Theo quan niệm này thì các dòng điện tròn của Ampere sinh ra do các điện tử quay trên các quỹ đạo quanh hạt nhận.
Sau đó, Planck, Bohr, Broglie, Schrodinger, Heisenberg, và nhiều người khác đã đưa ra thuyết lượng tử hoàn thiện thêm về cấu tạo vật chất, trên cơ sở đó làm sáng tỏ hơn bản chất từ tính của vật liệu. Sự hình thành của từ tính: a) mô-men từ quỹ đạo và b) spin của electron [42]. Nếu coi nguyên tử là phần tử nhỏ bé nhất cấu tạo nên các vật thể thì sự hình thành từ tính của nguyên tử chính là nguồn gốc tính chất từ của vật liệu. Vậy chúng ta hãy khảo sát từ tính của nguyên tử, xuất phát từ tính chất từ của điện tử và hạt nhân.
Tính chất từ của nguyên tử được đóng góp bởi ba thành phần. Thứ nhất, mô-men từ quỹ đạo của electron, thành phần từ tính này xuất hiện khi electron quay quanh hạt nhân trên quỹ đạo là một đường tròn bán kính r (Hình 1. Thứ hai, mô-men từ riêng của electron (spin của electron) tạo ra khi điện tử tự quay xung quanh mình nó và có hai khả năng hướng lên (spin up) hoặc hướng xuống (spin down) (Hình 1. Với các nguyên tử phức tạp lớp vỏ điện tử gồm nhiều electron, tổng cộng mô-men từ quỹ đạo và mô-men từ spin bằng tổng các mô-men từ của các electron riêng lẻ.
Các nguyên tử có lớp vỏ điện tử lấp đầy có mô-men từ bằng không. Ở các hợp chất mỗi electron có thể thuộc về nhiều nguyên tử hay toàn mạng (mô hình electron tự do). Trong trường hợp đó từ tính của electron được giải thích theo thuyết vùng ngăng lượng. 7 Thứ ba, mô-men từ hạt nhân, hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương, có thể coi nó như một điện tích sao động nhiệt và có spin do đó có mô-men từ.
Nhưng khối lượng hạt nhân thường rất lớn so với khối lượng electron nên mô-men từ hạt nhân rất nhỏ so với mô-men từ của electron. Vì vậy mô-men từ của hạt nhân thường ảnh hưởng rất ít đến tính chất từ của vật liệu và có thể bỏ qua [42, 41, 43]. Phân loại vật liệu từ Nguồn gốc từ tính của vật liệu do mô-men từ quỹ đạo, mô-men từ spin của electron và cách các electron tương tác với nhau. Khi các vật liệu khác nhau được đặt trong từ trường ngoài thì phản ứng với từ trường của các hệ vật liệu khác nhau cũng rất khác nhau.
Một số vật liệu có từ tính mạnh nhưng một số khác có từ tính yếu. Sự khác biệt chính là trong một số vật liệu không có tương tác tập thể của mômen từ nguyên tử, trong khi ở các vật liệu khác có tương tác rất mạnh giữa các mômen nguyên tử. Từ tính của các vật liệu, dựa trên phản ứng khác nhau của nó với từ trường ngoài, có thể được phân vào năm nhóm: nghịch từ (diamagnetism), thuận từ (paramagnetism), sắt từ (ferromagnetism), phản sắt từ (antiferromagnetism) và ferit từ (ferrimagnetism). Vật liệu trong hai nhóm đầu (thuận từ và nghịch từ) là những vật liệu không có tương tác từ tập thể, không có trật tự từ, và chiếm đa số trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố ở nhiệt độ phòng (Hình 1.
Vật liệu trong ba nhóm cuối thể hiện trật tự từ dưới nhiệt độ tới hạn xác định. Vật liệu sắt từ và ferit từ là những vật liệu có từ tính. Ba nhóm vật liệu còn lại có từ tính rất yếu và thường được coi là "không từ tính". Bảng hệ thống tuần hoàn phân loại theo từ tính của các nguyên tố [nguồn: https://www.ie/Physics/research/groups/magnetism/facts/magnetic-periodic-table.
8 Nghịch từ (diamagnetism) là đặc tính cơ bản của mọi vật chất. Đó là hành vi kháng lại của các electron quỹ đạo khi đặt một từ trường vào. Chất nghịch từ bao gồm các nguyên tử không có mômen từ (nghĩa là tất cả các vỏ quỹ đạo đều được lấp đầy và không có các điện tử chưa ghép đôi), ví dụ như các khí trơ, chất rắn ion, hoặc chất bán dẫn có liên kết cộng hóa trị mạnh. Trong tất cả các vật liệu như vậy, các điện tích có xu hướng che chắn một phần bên trong nó khỏi từ trường.
Kết quả là, độ cảm từ nhỏ, có dấu âm, và bắt nguồn từ tuế sai của các quỹ đạo điện tử xung quanh hướng của từ trường đặt vào. Thuận từ (paramagnetism), một số nguyên tử hoặc ion trong vật liệu có mômen từ do các electron chưa ghép đôi trong các obitan đã được lấp đầy một phần. Một số chất thuận từ điển hình như Al, Pt, O2 (khí) và một số khoáng chất chứa sắt là các chất thuận từ nhiệt độ phòng như: đất sét, silicat, carbonat, sulfua. Tuy nhiên, các mômen từ riêng lẻ không tương tác từ dẫn đến chúng sắp xếp không có trật tự, và giống như nghịch từ, độ từ hóa bằng 0 khi không đặt trong từ trường (Hình 1.
Khi có từ trường, có sự sắp xếp một phần của mômen từ nguyên tử theo hướng của từ trường, dẫn đến độ từ hóa toàn phần khác không (nhưng nhỏ) và độ cảm từ dương. Sắt từ (ferromagnetism) được điển hình là các vật liệu như Fe, Co, Ni, Fe3O4, Y3Fe5O12, và một số hợp kim. Không như vật liệu thuận từ, trong các chất sắt từ có mô- men từ của các nguyên tử riêng lẻ và chúng tương tác mạnh nhưng trong khoảng ngắn giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự sắp xếp song song của các mô-men từ lân cận (Hình 1. Do đó, tương tác khác với lưỡng cực và là một hiệu ứng mạnh hơn nhưng trong khoảng hiệu dụng ngắn, được gọi là tương tác trao đổi, có nguồn gốc từ cơ học lượng tử.
Vật liệu sắt từ thể hiện sự sắp xếp song song của các mô-men dẫn đến độ từ hóa toàn phần lớn ngay cả khi không có từ trường. Phân loại vật liệu từ: (a) Thuận từ; (b) Sắt từ; (c) Phản sắt từ; (d) Ferit từ Phản sắt từ (Antiferromagnetism) là nhóm các vật liệu có các nguyên tử có mô- men từ vĩnh cửu nhưng có tương tác âm mạnh vì thế các mô-men từ lân cận sắp xếp phản song song, ví dụ như: CoO, NiO, …. Thêm vào đó, chỉ có một loại từ tính duy nhất 9 tham gia và nó được phân bố với số lượng bằng nhau trong hai mạng con ngược chiều và đan xen nhau của tinh thể sao cho không có độ từ hóa tự phát toàn phần khi chúng sắp xếp thẳng hàng hoàn hảo như biểu thị trên Hình 1. Ferit từ (ferrimagnetics) thường được quan sát trong các vật liệu (điển hình là các oxit) có hai hoặc nhiều loại từ tính chiếm các vị trí trong các mạng con khác nhau và có mô-men từ khác nhau.
Giữa hai mạng con có sự tương tác âm mạnh dẫn đến sự sắp xếp phản song song. Tuy nhiên, không giống như phản sắt từ, ferti từ thể hiện độ từ hóa tự phát dưới nhiệt độ Curie khi hai mạng con có trật tự như minh họa trên Hình 1. Pha và chuyển pha trong vật liệu từ 1. Pha và chuyển pha Một pha của một hệ nhiệt động, hay một trạng thái của vật chất, có các tính chất vật lí đồng nhất.
Các tính chất của hệ vật liệu ví dụ như nội năng, hoặc độ từ hóa (nếu vật liệu có từ tính) phụ thuộc vào một vài tham số điều khiển, như nhiệt độ. Thông thường, các tính chất thay đổi trơn tru theo các tham số điều khiển, nhưng tồn tại một số điểm mà chúng có thể đột ngột “nhảy” từ giá trị này sang giá trị khác, tức là các điểm mà vật liệu thay đổi tính chất của nó một cách đột ngột. Khi điều này xay ra, chúng ta nói rằng vật liệu trải qua một quá trình chuyển pha. Tính chất “nhảy” có thể được gọi là tham số trật tự của quá trình chuyển pha: bằng cách lựa chọn điểm gốc phù hợp, tham số trật tự có thể được làm cho bằng không trong một pha và có giá trị hữu hạn trong pha khác, hoặc có cùng độ lớn và trái dấu trong hai pha.