intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu cấu trúc và một số tính chất vật lý của vật liệu R2In (R=Ho, Tb)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52

Thêm vào BST
Báo xấu
16
lượt xem 3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tính chất từ của các hợp chất R2In cũng chưa được nghiên cứu một cách chi tiết ở vùng nhiệt độ thấp. Do đó, trong luận văn này chúng tôi sẽ đề cập đến một số tính chất vật lý cũng như cấu trúc từ của hợp chất R2In. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu cấu trúc và một số tính chất vật lý của vật liệu R2In (R=Ho, Tb)

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU R2In (R = Ho, Tb) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU R2In (R = Ho, Tb) Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ THỊ KIM ANH Hà Nội – Năm 2014
  3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Đỗ Thị Kim Anh, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Cô đã hết sức tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng nhƣ quá trình làm luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô tại Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt tại bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp. Ở nơi đây, tôi đã đƣợc truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu, tạo tiền đề cho tôi làm luận văn này. Và lời cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian vừa qua. Hà Nội, ngày 1 tháng 1 năm 2014 Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh
  4. MỤC LỤC Trang DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ................................................................................................ 3 1.1 Cấu trúc tinh thể của hợp chất R2In ........................................................................... 3 1.2 Tính chất từ của hợp chất R2In................................................................................... 4 1.3 Cấu trúc từ của hợp chất R2In .................................................................................... 5 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 6 2.1 Vật liệu từ ................................................................................................................... 6 2.2 Hiệu ứng trƣờng tinh thể [1] .................................................................................... 10 2.3 Hiệu ứng từ nhiệt [5] ................................................................................................ 15 Chƣơng 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ................................................... 19 3.1 Chuẩn bị mẫu ........................................................................................................... 19 3.2 Các phép đo .............................................................................................................. 22 3.2.1 Phép đo nhiễu xạ bột tia X ................................................................................. 22 3.2.2 Phép đo nhiễu xạ bột nơtron.............................................................................. 23 3.2.3 Phép đo từ độ [4] ............................................................................................... 24 3.2.4 Phép đo nhiệt dung ............................................................................................ 27 Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 28 4.1 Tính chất từ của hệ mẫu R2In (R = Ho, Tb) ............................................................. 28 4.2 Nhiệt dung của hệ mẫu R2In (R = Ho, Tb) .............................................................. 33 4.3 Cấu trúc tinh thể của hệ mẫu R2In (R = Ho, Tb) ..................................................... 35 4.3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp chất Ho2In ................................................................ 36 4.3.2 Cấu trúc tinh thể của hợp chất Tb2In ................................................................ 37 4.4 Cấu trúc từ của hệ hợp chất R2In (R = Ho, Tb) ....................................................... 38
  5. 4.4.1 Cấu trúc từ của hợp chất Ho2In......................................................................... 38 4.4.2 Nhiễu xạ nơtron của hợp chất Tb2In ................................................................. 41 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 44
  6. DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Trang 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) ....................................................................... 4 Bảng 2: Một số thông số từ tính của hợp chất Ho2In .................................................... 30 Hình 1.1: Ô cơ sở của hợp chất R2In ............................................................................... 3 Hình 2.1: 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 .............................................................................................. 7 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 ........................................................................................................................ 8 Hình 2.3: 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 ............ 8 Hình 2.4: Mô tả cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt ............................................................... 16 Hình 2.5: Cách xác định ∆Tad và ∆Smag từ đồ thị của biến thiên entropy theo nhiệt độ trong điều kiện từ trường H=0 và H 0. ........................................................................ 18 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của Hệ nấu mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp .......................................................................................... 19 Hình 3.2: Minh họa vùng hồ quang ............................................................................... 20 Hình 3.3: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động phương pháp nhiễu xạ tia X ..................... 23 Hình 3.4: Mặt cắt buồng mẫu đo nhiễu xạ nơtron ......................................................... 24 Hình 3.5: Sơ đồ hệ đo từ độ ........................................................................................... 25 Hình 3.6: Hình dạng xung tín hiệu ................................................................................ 26
  7. Hình 4.1: Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ và nghịch đảo của độ cảm từ đối với hợp chất Ho2In tại từ trường H = 1,0 kOe ............................................................................ 28 Hình 4.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ và nghịch đảo của độ cảm từ đối với hợp chất Ho2In tại từ trường H = 0,1 kOe ............................................................................ 29 Hình 4.3: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt đối với mẫu Ho2In ................................. 31 Hình 4.4: Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa vào nhiệt độ đối với mẫu Ho2In ................. 31 Hình 4.5: Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của hợp chất Tb2In tại từ trường H = 0,1 kOe [18] ................................................................................................................... 33 Hình 4.6: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ đối với hợp chất Ho2In ............... 34 Hình 4.7: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ đối với hợp chất Tb2In................ 35 Hình 4.8: Nhiễu xạ bột tia X của hợp chất Ho2In .......................................................... 36 Hình 4.9: Nhiễu xạ tia X của hợp chất Tb2In [18]......................................................... 37 Hình 4.10: Nhiễu xạ nơtron của hợp chất Ho2In ở trạng thái thuận từ tại 170 K ........ 38 Hình 4.11: Nhiễu xạ nơtron của hợp chất Ho2In tại nhiệt độ 2 K . Error! Bookmark not defined. Hình 4.12: Nhiễu xạ nơtron của hợp chất Ho2In thu được tại 45 K. ............................. 40 Hình 4.13: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thể tích ô cơ sở .......................................... 42 Hình 4.14: Hình ảnh phổ nhiễu xạ nơtron của hợp chất Tb2In tại 250 K (a) và 80 K (b) ........................................................................................................................................ 42
  8. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh MỞ ĐẦU Trong một thập kỷ gần đây, đã có sự bùng nổ trong nghiên cứu liên quan đến các vật liệu làm lạnh từ, mà chủ yếu do phát hiện của hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (MCE) trong hợp chất Gd5Ge2Si2 vào năm 1997. Từ đó, hiệu ứng MCE đã đƣợc nghiên cứu cho một số kim loại vô cơ và các ôxit khác, trong đó bao gồm cả liên kim loại-đất hiếm, hợp kim kim loại chuyển tiếp, ôxit mangan perovskite, hợp kim sắt từ (FM) có hiệu ứng nhớ hình v.v. Khi nghiên cứu về tính chất từ của các hợp chất R2In cho thấy chúng là vật liệu thích hợp cho ứng dụng làm lạnh từ dựa vào hiệu ứng từ nhiệt (MCE). Để làm lạnh từ điều quan trọng đối với các vật liệu từ là tồn tại biến thiên entropy từ lớn ( ). Một thông số quan trọng nữa là công suất làm lạnh tƣơng đối (RCP). Hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (giant MCE) liên quan chặt chẽ với chuyển pha từ loại một (FOMT), điều này đã đƣợc quan sát thấy trong các hệ vật liệu khác. Quá trình chuyển pha loại một thƣờng tạo ra nhiệt, từ tính bất thuận nghịch đáng kể sẽ tiêu thụ công suất làm lạnh tƣơng đối (RCP) của vật liệu từ lạnh và hạn chế các ứng dụng thực tế của chúng. Nhƣ vậy, cần tìm kiếm vật liệu làm lạnh từ với MCE nghịch đảo lớn dựa trên quá trình chuyển pha từ loại hai (SOMT). Hơn nữa, trong ứng dụng của thiết bị làm lạnh từ, cần thu đƣợc MCE lớn trên một dải nhiệt độ rộng, tức là nửa độ rộng cực đại ( TFWHM) của đƣờng cong T). Vì vậy, điều quan trọng là nghiên cứu vật liệu SOMT mới với biến thiên entropy từ lớn đồng thời giá trị công suất làm lạnh (RC) và nửa độ rộng cực đại ( TFWHM) lớn. Tuy nhiên, tính chất từ của các hợp chất R2In cũng chƣa đƣợc nghiên cứu một cách chi tiết ở vùng nhiệt độ thấp. Do đó, trong luận văn này chúng tôi sẽ đề cập đến một số tính chất vật lý cũng nhƣ cấu trúc từ của hợp chất R2In. Nội dung của luận văn bao gồm các phần sau: Ngành Vật lýNhiệt 1 Khóa 2010-2012
  9. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh 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
  10. 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. Hình 1.1: Ô cơ sở của hợp chất R2In Ngành Vật lýNhiệt 3 Khóa 2010-2012
  11. 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.K-1) RCP (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
  12. 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. 1.3 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
  13. 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. - Các kim loại. Ngành Vật lýNhiệt 6 Khóa 2010-2012
  14. 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. Hình 2.1: 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
  15. 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. Hình 2.3: 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
  16. 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. Bởi vậy giữa hai đômen cạnh nhau có một lớp chuyển tiếp, trong đó vectơ ⃗⃗ quay dần từ hƣớng này sang hƣớng khác tƣơng ứng với hai đômen ở hai bên. Lớp chuyển tiếp này gọi là vách đômen hay vách Bloch. Trong sắt, bề dày của lớp chuyển tiếp vào khoảng 300 lần hằng số mạng. Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, mômen từ tổng cộng của mẫu chất sẽ tăng lên. Theo lý thuyết đômen của Becker, sự tăng mômen từ tổng cộng có thể xảy ra do Ngành Vật lýNhiệt 9 Khóa 2010-2012
  17. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh hai quá trình độc lập: một là, do sự tăng thể tích của các đômen định hƣớng thuận lợi đối với phƣơng của từ trƣờng so với các đômen định hƣớng không thuận lợi. Khi đó có sự dịch chuyển vách đômen; hai là, do sự quay hƣớng của vectơ độ từ hóa của các đômen về phía từ trƣờng ngoài. Những nghiên cứu chi tiết về vấn đề này đã chứng minh rằng trong các từ trƣờng yếu, độ từ hóa thƣờng thay đổi do sự dịch chuyển các vách đômen, nghĩa là kích thƣớc các đômen sẽ thay đổi. Trong từ trƣờng mạnh, độ từ hóa thƣờng thay đổi do sự quay hƣớng của các vectơ độ từ hóa. Những thay đổi liên quan đến các đômen cũng đƣợc thể hiện trên đƣờng cong từ hóa. Khi từ trƣờng yếu, độ từ hóa thay đổi gần nhƣ tuyến tính với từ trƣờng và là quá trình thuận nghịch. Khi đó xảy ra quá trình dịch chuyển thuận nghịch các vách đômen. Khi tăng cƣờng độ từ trƣờng, độ từ hóa tăng không tuyến tính với từ trƣờng, quá trình này là quá trình không thuận nghịch. Khi đó xảy ra sự dịch chuyển không thuận nghịch các vách đômen. Nếu tiếp tục tăng từ trƣờng, thì sẽ xảy ra sự quay các vectơ độ từ hóa. Quá trình này diễn ra rất chậm và độ từ hóa sẽ đạt tới trạng thái bão hòa, khi các vectơ độ từ hóa của các đômen nằm dọc theo phƣơng của từ trƣờng. Từ trạng thái bão hòa, nếu từ trƣờng giảm thì độ từ hóa sẽ giảm theo một đƣờng khác và khi từ trƣờng bằng không, trong mẫu vẫn còn tồn tại một độ từ hóa, gọi là độ từ hóa còn dƣ Mr. Muốn độ từ hóa trong mẫu trở về giá trị không, ta phải tác dụng một từ trƣờng theo chiều ngƣợc lại. Từ trƣờng cần thiết để làm cho độ từ hóa M trong mẫu bằng không đƣợc gọi là lực kháng từ (-HC). Tiếp tục tăng từ trƣờng theo chiều ngƣợc, độ từ hóa M đạt đến trạng thái bão hòa. Giảm và sau đó, đổi chiều từ trƣờng lần nữa, ta nhận đƣợc đƣờng cong gọi là chu trình từ trễ. 2.2 Hiệu ứng trƣờng tinh thể [1] Trong tinh thể, các nguyên tử (hay iôn) chịu tác dụng của điện trƣờng do điện tích của các iôn lân cận sinh ra. Điện trƣờng này còn đƣợc gọi là trƣờng tinh thể (CEF). Ngành Vật lýNhiệt 10 Khóa 2010-2012
  18. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Thế năng tƣơng tác của trƣờng tinh thể đƣợc biểu diễn bằng các hộp thế năng, trong đó giá trị của thế năng tỉ lệ với khoảng cách từ tâm đến bề mặt của hộp. Các hộp thế năng này có đặc điểm là phát triển về các vùng điện tích dƣơng và bị co lại ở vùng điện tích âm. Do đó, sự phân bố của các điện tử của iôn đang xét có xu hƣớng bị giam trong các hộp thế năng đó. Tuy nhiên, giá trị của thế năng còn phụ thuộc rất nhiều vào phân bố không gian của các điện tử. Các lớp điện tử 4f nằm bên trong nên thế năng tƣơng tác trƣờng tinh thể yếu. Trong trƣờng hợp này, tƣơng tác spin-quỹ đạo và cấu trúc multiplet vẫn đƣợc bảo toàn, nên các quy tắc Hund vẫn đƣợc áp dụng: cả L và S đều đóng góp vào mômen từ. Các điện tử 3d có lớp vỏ rất gần lớp vỏ ngoài cùng nên thế năng tƣơng tác trƣờng tinh thể lớn hơn. Thế năng này không làm vi phạm quy tắc Hund thứ nhất (đối với S) nhƣng đã thắng thế trong cuộc cạnh tranh với liên kết spin-quỹ đạo, dẫn đến sự đóng băng của mômen quỹ đạo (mômen quỹ đạo không quay đƣợc theo phƣơng từ trƣờng ngoài). Do đó, L không có đóng góp vào mômen từ. Đối với các điện tử dẫn 4d, 5d, trƣờng tinh thể có thể thâm nhập mạnh mẽ vào tƣơng tác giữa các điện tử, khiến cho tất cả các quy tắc Hund không còn hữu hiệu. a, Dị hướng từ tinh thể Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có một định hƣớng ƣu tiên dọc theo một hƣớng nào đó của tinh thể. Ta gọi đó là hiện tƣợng dị hƣớng từ. Khi từ hóa theo hƣớng ƣu tiên đó rất dễ đạt đƣợc trạng thái bão hòa nên đƣợc gọi là trục dễ từ hóa. Ngƣợc lại, khi từ hóa theo các hƣớng khác, trạng thái bão hòa từ rất khó đạt đƣợc. Các hƣớng này là các trục khó từ hóa. Dị hƣớng từ có thể gây nên bởi đối xứng tinh thể, ứng suất, hình dạng của mẫu hay trật tự của các cặp spin có định hƣớng khác nhau. Trong các màng mỏng từ còn có dị hƣớng từ bề mặt. Sau đây ta sẽ tìm hiểu về dị hƣớng từ tinh thể. Ngành Vật lýNhiệt 11 Khóa 2010-2012
  19. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Dị hƣớng từ tinh thể đƣợc xác định không chỉ bởi liên kết của mômen từ spin với hình dạng và định hƣớng của quỹ đạo điện tử (liên kết spin-quỹ đạo) mà còn bởi liên kết của các quỹ đạo điện tử đang xét với đối xứng của sự sắp xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể (trƣờng tinh thể). Nếu trƣờng tinh thể có đối xứng thấp và nếu sự phân bố điện tích của nguyên tử đang xét là bất đối xứng, khi đó các quỹ đạo của nguyên tử sẽ tƣơng tác một cách dị hƣớng với trƣờng tinh thể. Nói một cách khác, khi trƣờng tinh thể có đối xứng thấp, hộp thế năng tƣơng tác của điện tử với trƣờng tinh thể cũng có đối xứng thấp. Do đó, chỉ có một vài quỹ đạo nguyên tử có định hƣớng nhất định sẽ có lợi về mặt năng lƣợng. Năng lƣợng dị hƣớng cho phép mô tả một cách chính xác định hƣớng ổn định của vectơ từ độ. Trong trƣờng hợp các tinh thể đơn trục (có một trục từ hóa dễ), năng lƣợng dị hƣớng đƣợc biểu diễn: ∑ Với là hằng số dị hƣớng bậc 2n và là góc giữa vectơ từ độ và trục từ hóa dễ. b, Hiệu ứng trường tinh thể và dị hướng từ trong các nguyên tố kim loại đất hiếm Trong một hệ các mômen từ định xứ, năng lƣợng dị hƣớng có thể nhận đƣợc từ việc chéo hóa Hamiltonian cho các hƣớng khác nhau của từ độ nhƣng phải tính đƣợc các loại năng lƣợng khác nhau. Hamiltonian tổng cộng của hệ bao gồm: (1.5) Trong đó, ba số hạng lần lƣợt biểu diễn năng lƣợng liên kết spin-quỹ đạo, năng lƣợng tƣơng tác trao đổi và năng lƣợng trƣờng tinh thể. còn đƣợc gọi là liên kết Russel-Saunder. Trong hệ tọa độ của một điện tử, tƣơng tác này có thể mô tả bằng tƣơng tác giữa từ trƣờng gây nên bởi chuyển động quỹ đạo với mômen spin của điện tử. (1.6) Ngành Vật lýNhiệt 12 Khóa 2010-2012
  20. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Với Bm là trƣờng phân tử (Bm = nRRMR) Trƣờng tinh thể biểu diễn thế năng tƣơng tác V(r) của các điện tử của một nguyên tử với điện thế gây bởi điện tích của môi trƣờng xung quanh nguyên tử. HCEF có thể đƣợc viết: ∑ ở đây, chỉ số i chỉ điện tử i của nguyên tử đang xét. Sau các tính toán chi tiết, trƣờng tinh thể đƣợc biểu diễn thành: ∑∑ Trong đó, là toán tử tƣơng đƣơng Stevens. Số hạng đƣợc gọi là các thông số trƣờng tinh thể, phụ thuộc vào đối xứng của môi trƣờng và phụ thuộc vào iôn (đất hiếm) đang xét. có thể đƣợc viết nhƣ sau: (1.9) Với là bán kính trung bình bậc n của lớp vỏ điện tử từ (trong trƣờng hợp đang xét là các điện tử 4f), là tenxơ của các hệ số Stevens bậc hai , bậc bốn và bậc sáu , là các hệ số trƣờng tinh thể. Chú ý rằng, dấu của mỗi hệ số (hay mỗi số hạng tƣơng ứng) mô tả một kiểu phân bố của các điện tử 4f còn biên độ của chúng phản ánh giá trị của các hệ số khác nhau. Đặc biệt, các hệ số mô tả đặc trƣng ellipsoid của sự phân bố các điện tử 4f. Khi , các điện tử phân bố với Jz = JR theo dạng hình chày, tức là phân bố dọc theo hƣớng của mômen từ. Khi , sự phân bố của các điện tử có dạng hình đĩa, tức là phân bố trong mặt phẳng vuông góc với mômen từ. Các nguyên tố đất hiếm, ngoài việc đã đƣợc phân chia thành hai nhóm đất hiếm nhẹ và đất hiếm nặng, bây giờ trong mỗi nhóm còn có thể phân chia chi tiết hơn theo dấu của . Các kết quả tính toán chi tiết cho biểu thức của trƣờng tinh thể nhƣ sau: Ngành Vật lýNhiệt 13 Khóa 2010-2012
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1253 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2