Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN. Lý thuyết về từ học [1],[2],[9] 1. Các khái niệm cơ bản. - Cảm ứng từ và hệ số từ thẩm : Khi một vật liệu được đặt vào trong một từ trường, thì cảm ứng từ hoặc từ thông xuyên qua thiết diện của vật liệu được xác định bởi biểu thức: Trong hệ SI : B = µ0(H + M) ; và trong hệ Gauss: B = H + 4 π M Trong đó: B : cảm ứng từ ; H: từ trường ngoài M: độ từ hóa hưởng ứng với từ trường ngoài µ0 : độ từ thẩm của chân không B và µ là một nhân tố quan trọng cho ta biết các thông tin liên quan đến các loại vật liệu từ và độ mạnh, yếu của các vật liệu từ riêng biệt.
- Độ cảm từ : () là tỉ số giữa độ từ hóa và từ trường ngoài: χ = M / H. Độ từ thẩm của vật liệu µ cho bởi công thức: µ = B / H Liên hệ độ cảm từ và độ từ thẩm: µ = µ0 (1 + χ) (Hệ SI) ; µ = 1 + 4 π χ (Hệ CGS) (1) Trong nghiên cứu về tính chất từ, độ từ thẩm là thông số chính đặc trưng để mô tả các vật liệu từ tương ứng khi có từ trường ngoài. Do từ học liên quan đến hóa học, vật lý và khoa học vật liệu nên có hai hệ thống đơn vị được thừa nhận hiện nay.1: Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS. Đại lượng Hệ đơn vị SI Hệ đơn vị Gauss (CGS) Hệ số chuyển từ CGS sang SI Cảm ứng từ B T G 10-4 Từ trường H A/m Oe 103/4π Độ từ hoá M A/m Emu/cm3 103 Độ từ thẩm μ H/m Không thứ nguyên 4π x 107 Độ cảm từ χ Không thứ nguyên Emu/g.
Phân loại vật liệu từ. Các vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vật liệu từ. Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc từ của chúng và được phân loại dựa vào hệ số từ hóa hay còn gọi là độ cảm từ, có giá trị từ 10-5 đối với vật liệu từ yếu, 106 đối với vật liệu từ mạnh. Ta có thể phân loại thành năm loại 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vật liệu từ cơ bản sau: Vật liệu nghịch từ, thuận từ, phản sắt từ, feri từ, sắt từ.
Vật liệu nghịch từ Chất nghịch từ có hệ số từ hóa <0, độ lớn xấp xỉ 10-5 (rất yếu). Trong các chất nghịch từ không có mômen từ nguyên tử, chỉ có độ từ hóa cảm ứng M nhỏ hướng ngược chiều với từ trường ngoài. Vật liệu thuận từ Các chất thuận từ có >0, độ lớn xấp xỉ 10-3 10-5. Trong các chất thuận từ các mômen từ định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt, chúng nằm khá xa nhau nên tương tác giữa chúng hầu như không tồn tại.
Dưới tác dụng của từ trường ngoài các mômen từ của nguyên tử quay rất chậm theo hướng của từ trường ngoài làm cho độ từ hóa M tăng dần theo H. Vật liệu phản sắt từ Chất phản sắt từ cũng giống như các chất thuận từ ở chỗ nó có từ tính yếu, nhưng các mômen từ của chúng sắp xếp đối song với nhau khi nhiệt độ của nó T<TN (nhiệt độ Néel), khi T>TN dẫn đến các trật tự đối song bị phá vỡ làm cho các mômen từ định hướng hỗn loạn, vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ. Vật liệu feri từ (ferit) Chất feri từ có >1, độ lớn xấp xỉ 102 106. Khi nhiệt độ của feri từ T<TC (nhiệt độ chuyển pha) thì cấu trúc từ của chúng gồm 2 phân mạng A và B trong tinh thể có các spin có độ lớn khác nhau sắp xếp đối song với nhau dẫn đến độ từ hóa M tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngoài bằng không.
Khi đó M được gọi là độ từ hóa tự phát. Khi T>TC trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ. Vật liệu sắt từ. Chất sắt từ có >1, độ lớn xấp xỉ 102 106.
Các mômen từ liên kết với nhau mạnh đến mức chúng có thể định hướng song song với nhau ngay cả khi không có từ trường ngoài. Mỗi chất sắt từ có một nhiệt độ đặc trưng gọi là nhiệt độ chuyển pha TC, khi T<TC nó là sắt từ, khi T tăng dần dao động nhiệt độ từ hóa giảm dần và biến mất ở TC, khi T>TC nó trở thành chất thuận từ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ quay một cách dễ dàng theo hướng từ trường ngoài để đạt trạng thái bão hòa. Do đó chúng có giá trị lớn.1: Trật tự mômen từ: chất nghịch từ (a), thuận từ (b), phản sắt từ (c), feri từ (d), sắt từ (e).
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc đomen. Trong các vật liệu khối, các vách đômen hoặc các vùng lớn (đường kính tới vài trăm nano mét) với độ từ hóa đồng đều được phân chia bởi các vách đômen, làm giảm năng lượng của hệ thống. Trong việc tạo thành các đômen, năng lượng tĩnh từ (năng lượng khử từ) đóng vai trò quan trọng.
Năng lượng này liên quan đến sự tồn tại của các cực từ trên bề mặt mẫu nên khi chia nhỏ dần tinh thể sắt từ thành các đômen với các phương từ độ khác nhau, thì làm cho các trường khử từ bên trong tinh thể giảm dần. Vì vậy năng lượng khử từ của tinh thể giảm dần. Khi tạo thành N đômen, năng lượng trường khử từ giảm đi N lần so với giá trị ban đầu. Trong mỗi đômen, vectơ từ độ hướng theo phương từ dễ.
Nếu năng lượng dị hướng chỉ gây ra bởi dị hướng từ tinh thể thì trong tinh thể lập phương ta có nhiều phương từ dễ, còn trong tinh thể lục giác chỉ có một phương từ dễ. Việc tồn tại nhiều phương từ dễ cho phép tồn tại các đômen khép kín khiến năng lượng từ tĩnh gần bằng 0.2: Sự giảm dần của năng lượng trường khử từ của đơn tinh thể sắt từ do tạo thành đômen. Tuy nhiên sự phân chia đômen dẫn đến sự chuyển phương từ hóa hai đômen được thực hiện một cách liên tục qua nhiều mặt phẳng nguyên tử. Do đó, giữa hai đômen có một lớp chuyển tiếp gọi là vách đômen, trong đó vectơ từ độ quay từ phương từ hóa dễ của đômen thứ nhất đến phương từ hóa dễ của đômen thứ hai.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Khi kích thước của hạt giảm đến một kích thước tới hạn, lúc này năng lượng cần thiết để tạo ra nhiều vách đômen lớn hơn năng lượng từ tĩnh, hạt không thể phân chia thành nhiều vách đômen nên chỉ có các đơn đômen được tạo thành. Kích thước giới hạn được tính toán dựa theo phương trình 1 2 DC = 35 (KA)2 μ 0M S (2) Trong đó: DC : Đường kính tới hạn của hạt (m) K : Mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m-3) A : Mật độ năng lượng trao đổi (J.10-7 : Độ từ thẩm chân không (H/m). Hầu hết các đường kính tới hạn của các hạt nano thông thường dưới 100nm.
Ví dụ DC của Co là 70nm, Trong khi DC của Fe3O4 là 128nm.3 trình bày DC của một số vật liệu từ thông thường.2: Đường kính tới hạn của các vật liệu từ. Vật liệu Đường kính tới hạn của hạt (nm) Co 70 Ni 55 Fe 14 Fe3O4 128 -Fe2O3 166 1. Tính chất siêu thuận từ. Siêu thuận từ là tính chất đáng chú ý của các hạt nano từ.
Khi kích thước của các hạt nano giảm xuống dưới kích thước tới hạn DC. Các mômen từ bị ảnh hưởng mạnh bởi sự dao động nhiệt và hệ thống trở nên siêu thuận từ. Vì thế độ từ hóa không ổn định và lực kháng từ hướng đến 0. Lúc này độ từ dư không còn được giữ theo các định hướng xác định, bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng từ tinh thể của hạt nữa.
Trong trường hợp này, ở ngay nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt cũng đủ để làm cho các mômen từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ. Có hai đặc trưng của trạng thái siêu thuận từ: - Đường cong từ hóa, độ từ hóa chống lại từ trường ngoài không thay đổi với nhiệt độ. - Không có đường cong từ trễ, độ kháng từ HC = 0. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4: Mối liên hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt.
Khi các hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ, chúng cần phải đủ nhỏ để mỗi hạt là một đơn đômen và năng lượng chắn cho spin đảo thì phải thắng được dao động nhiệt. Các hạt từ trở thành đơn đômen khi kích thước của chúng nhỏ hơn 100nm. Các hạt Fe3O4 là đơn đômen khi đường kính của chúng nhỏ hơn 50nm. Khi kích thước của hạt giảm, lực kháng từ giảm dần cho tới 0.
Ở kích thước tới hạn này, các hạt là siêu thuận từ. Đối với các hạt này trạng thái khử từ sẽ xảy ra ngay lập tức khi tắt từ trường, từ độ hầu như luôn đồng nhất trong toàn bộ hạt, nhưng nếu từ hóa theo thời gian thì từ độ bằng không. Lúc này đường cong từ hóa M-H của chất siêu thuận từ cũng tương tự như các chất sắt từ với đặc điểm cơ bản là tiến tới trạng thái bão hòa theo định luật Langevin, nhưng không có hiện tượng từ trễ, tức lực kháng từ bằng không. Quá trình khử từ của chất siêu thuận từ xảy ra không cần lực kháng từ vì đó không phải là quá trình tác dụng của từ trường ngoài mà là do tác dụng của năng lượng nhiệt.5: Đường cong từ hoá của vật liệu siêu thuận từ.
Các hạt nano từ composite. Các hạt oxít sắt từ. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trường không khí nên các vật liệu oxit sắt từ được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ. Hạt nano từ ứng dụng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau : - Tính đồng nhất của các hạt cao: tính đồng nhất về kích thước là tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo.
- Từ độ bão hòa lớn: phụ thuộc vào kích thước hạt, bản chất hạt, lớp phủ. - Vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính): tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Một dạng đặc biệt của các vật liệu từ là các ô xít sắt như Fe3O4, - Fe2O3 và MO.