Các loại dị hướng trong vật liệu từ tinh thể của GS Nguyễn Hoàng Lương

Dị hướng từ tinh thể; dị hướng hình dạng của một phỏng cầu dài; dị hướng dình dạng của màng mỏng; dị hướng toàn phần

1.3.3.1 Dị hướng hình dạng của một phỏng cầu dài

Dị hướng hình dạng có thể được xác định đơn giản nhờ việc đo sự khác biệt trong năng lượng được liên hệ với sự từ hóa trong các kích thước dài nhất và ngắn nhất của một vật liệu sắt từ (xem hình 1.15)

Trong trường hợp một hình trụ dài có năng lượng tĩnh từ trong hướng trực giao với trục của nó cao hơn hướng có sự từ hóa song song với trục này (song song với trục các cực từ có khoảng cách dài hơn từ hai cực

và có một năng lượng tĩnh từ thấp hơn)

1.3.3.1 Dị hướng hình dạng của một phỏng cầu dài

Trong hình 1.15 Na – Nb được đưa ra như là hàm của tỉ số kích thước a/b Na là thừa số khử từ theo trục ngắn nhất và Nb – theo trục dài nhất Hơn nữa, 2Na + Nb

=1 và vì vậy Na và Nb được đưa ra cho trường hợp kim nam châm (Na = 1/2), hình cầu Na = Nb = 1/3 và đối với màng mỏng Na = 0 và Nb = 1

Hình 1.15 Sự biến thiên của Na – Nb như là một hàm của tỉ số trục a:b là nguyên tác cơ bản cho ellipsoid tròn xoay Các giá trị của Na

và Nb được cung cấp cho dạng kim, cầu và màng mỏng.

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

0.4

0.5

Dạng kim (Na = 0.5)

Hình cầu (Na = Nb =1/3)

Màng mỏng (Na =0, Nb =1)

2Na + Nb =1

Nb b

a

Na

Tỉ số kích thước m = a/b 1.3.3.1 Dị hướng hình dạng của một phỏng cầu dài

Năng lượng dị hướng cho một dạng phỏng cầu dài được cho bởi:

Hằng số phỏng cầu dài có thể được viết như sau:

Cuối cùng, hướng của Hd phụ thuộc vào tỉ số Na : Nb

b a

2 s 0

2

1

b a

2 s 0

2

1

−

=

1.3.3.2 Dị hướng hình dạng của một màng mỏng.

Dị hướng hình dạng trong các hướng chính phụ thuộc vào các kích thước của mẫu và sự khác nhau về hình dạng (cầu, hạt thon dài, màng mỏng) Sự dị hướng theo một trục

Sự dị hướng của một mẫu màng mỏng có thể được liên hệ với năng lượng khử từ Trong trường hợp một màng từ đồng nhất năng lượng khử từ là một hàm của hướng từ hóa được cho bởi:

Ở đây Kd là số hạng dị hướng hình dạng và Nd là thừa số khử từ

θ sin N

M

μ 2

1 θ

sin K

d

2 s 0

2 d

1.3.3.2 Dị hướng hình dạng của một màng mỏng.

Độ dày của các mẫu màng mỏng là rất nhỏ được so sánh với các hướng bên và do đó có thể lấy xấp xỉ cho trường hợp bản vô hạn (Nd = Nz = 1), mà kết quả là:

Căn cứ vào mối quan hệ này thừa số dị hướng hình dạng cho màng mỏng có thể được cho bởi:

Trong trường hợp trường dị hướng hình dạng vuông góc với bề mặt màng mỏng ( Hd = Nd Ms ) tương ứng với:

2

2 s 0

2

1

2 s

μ 2 1

1.3.3.2 Dị hướng hình dạng của một màng mỏng.

Trong trường hợp trường dị hướng hình dạng vuông góc với bề mặt màng mỏng ( Hd = Nd Ms ) tương ứng với:

[A/m]

M μ

K

2 H

s 0 d

1.3.3.3 Dị hướng tinh thể.

Dị hướng từ tinh thể phát sinh do các lực trao đổi bên trong mạng tinh thể và vì vậy là thông số quan trọng thuộc về bản chất tương phản với dị hướng hình dạng Trong các số hạng tổng quát dị hướng từ tinh thể được xác định bởi trạng thái spin của các ion từ và bởi tính đối xứng của sự sắp xếp nguyên tử trong mạng

Các vật liệu có dị hướng tinh thể nếu các momen

từ muốn nằm dọc theo các trục chính thuộc tinh thể học Hướng từ hóa ưu tiên này dẫn đến một năm lượng thấp hơn

1.3.3.3 Dị hướng tinh thể.

Năng lượng từ tinh thể phụ thuộc vào mối quan

hệ giữa hướng từ hóa đối với các trục tinh thể học và được cho bởi:

Trong đó θ là góc giữa trục dị hướng và phương từ hóa,

K1 và K2 lần lượt là các hằng số dị hướng bậc một và bậc 2, dạng chính xác của công thức (1.29) phụ thuộc vào việc xác định góc và trục dễ từ hóa được xác định trên hình 1.12 và một màng mỏng với một trục dễ trực giao với bề mặt thì tất cả hàm sine được thay thế bởi các hàm cosine

[ ] J θ

sin K

θ sin K

1.3.3.3 Dị hướng tinh thể.

Đối với Co ở nhiệt độ phòng có K1 =4.1x105 Jm-3 và

K2 = 1.0x105 Jm-3

Độ lớn của K1 tại nhiệt độ phòng đối với Co là lớn nhất (Co ≈ 10 × Fe) Dị hướng từ tinh thể là nhạy với nhiệt độ và ứng suất và trong hợp kim hay hợp chất có thể trải qua sự thay đổi không thuận nghịch nếu vị trí cư trú của các ion thay đổi

Phương dị hướng là khác nhau đối với việc sử dụng các vật liệu khác nhau Các trục dễ có thể tìm thấy đối với Fe (b.c.c) <1 0 0>; Ni (f.c.c) <1 1 1>; và h.c.p

Co [1 0 0 0] Các trục khó là <1 1 1>, <1 0 0> và [1 0 1 0], theo thứ tự như trên

1.3.3.3 Dị hướng tinh thể.

Đối với tinh thể lục giác, năng lượng Ec là nhỏ nhất đối với hướng từ hóa song song với trục [0 0 0 1] Trường dị hướng từ tinh thể có thể được định nghĩa bởi:

Một dải rộng của giá trị Hk (với đơn vị kA/m) là khả dụng phụ thuộc vào các vật liệu: Fe ≈ 45, Co(h.c.p.) ≈

674, BaM ≈ 1350 và SmCo ≈ 20000

M μ

K K

2 H

s 0

2 1

k

+

1.3.3.4 Dị hướng biến dạng.

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, dị hướng biến dạng hay ứng suất có thể đóng vai trò quan trọng trong dị hướng toàn phần Nguyên nhân của nó bắt nguồn từ việc tạo ra ứng suất trong các vật liệu từ giảo

Dị dướng ứng suất có thể tạo ra phần đóng góp quan trọng cho dị hướng toàn phần đặc biệt là trong các màng mỏng từ do các điều kiện chế tạo đặc biệt và bởi sự không phù hợp về nhiệt giữa chất nền là màng mỏng Năng lượng ứng suất có thể được tính bởi:

Trong đó λs là hệ số từ giảo báo hòa, và σ là ứng suất với đơn vị [N/m2]

2 s

2 3

1.3.3.5 Dị hướng toàn phần.

Cuối cùng, dị hướng toàn phần trong một vật liệu phụ thuộc mạnh vào các tính chất vật liệu như cấu trúc vi

mô, hợp phần hóa học và các phương pháp chế tạo Ảnh hưởng của dị hướng từ toàn phần trong vật liệu là tổng của các dị hướng riêng biệt Bỏ qua dị hướng ứng suất, trong một màng mỏng chúng ta phải xử lí ít nhất là phần đóng góp của dị hướng từ tinh thể và dị hướng hình dạng của màng mỏng Bản thân sự giới hạn chỉ với thừa số dị hướng bậc một và bậc hai chúng ta có thể viết:

2

2 d

1

1.3.3.5 Dị hướng toàn phần.

Qua thí nghiệm trục dẽ dị hướng và các thừa số dị hướng riêng K1 và K2 có thể được xác định bằng các phép đo momen xoắn

Sử dụng phương pháp này có thể xác định được hằng số dị hướng hiệu dụng Keff Đối với môi trường màng mỏng, có một trục dễ trong mặt phẳng, dị hướng hiệu dụng có thể được viết như sau:( K K ) sin 2 θ 4 K sin θcosθ

dθ

2 1

d

(1.31)

2

1 θ 2 sin K

1.3.3.5 Dị hướng toàn phần.

và cuối cùng,

Keff = Kd + K1 + K2 ,

bởi vì Kd đóng góp vào phần dị hướng quay vào bên trong Trong trường hợp của dị hướng trực giao:

Keff = Kd - K1 - K2 ,

mà chắc chắn rằng dị hướng bề mặt màng không bổ sung thêm số hạng cho dị hướng trực giao

(1.32)

(1.33)