khóa luận cao học nghiên cứu về cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hợp chất đất hiếmkim loại chuyển tiếp

nghiên cứu về cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hợp chất đất hiếmkim loại chuyển tiếp . Mở đầu Công trình đầu tiên về từ học được nhà văn người trung quốc Guanzhong ghi lại vào những năm 640 trước công nguyên, nhưng hiện tượng từ đã được phát hiện ra trước đó rất lâu ,trước hết đó là những” hòn đá tình yêu” được sử dụng làm la bàn. Hầu như trong suốt lịch sử của loài người vật liệu từ luôn luôn có mặt trên rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống,đặc biệt là trong ba lĩnh vực lớn như năng lượng,điện tử viễn thông và công nghệ thông tin.Trong 20 năm cuối cùng của thế kỷ trước các vật liệu từ mới những cấu trúc tinh thể và tính chất từ ưu việt của kim loại chuyển tiếp và các nguyên tố đất hiếm đã cho phép chế tạo được các nam châm đất hiếm cac cấp SmCO5, Nd2Fe14B, các vật liệu từ giảo TerfeNol và TerfeNolD,cũng như các vật liệu ghi quang từ TbFeCo,… ,đặc biệt nhiều cấu trúc tinh thể và tính chất từ mới trong các hợp chất của vật liệu và các hệ từ tính với kích thước tới hạn đã được phát minh như vật liệu từ vô định hình,vật liệu từ có cấu trúc nano nhân tạo và vật liệu của kỹ thuật điện tử spin. Đặc biệt trong khóa luận này tập trung vào việc trình bày các kiến thức về cấu trúc tinh thể và tính chất từ dựa trên các hợp chất liên kim loại đất hiếmkim loại chuyển tiếp có công thức RTX (R=đất hiếm,T=kim loại chuyển tiếp và X=Si,Ge,Al,In và Sn) đã được nghiên cứu mạnh bởi chúng có các tính chất vật lý thú vị vì vậy em chọn đề tài “Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hợp chất TbPtSn và TbRhSn” để làm đề tài nghiên cứu của mình. Khóa luận được trình bày trên 4 chương: Chương I: Giới thiệu Chương II: Thực nghiệm Chương III: Kết quả và thảo luận Chương IV: Kết luận CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU 1.Cơ sở lý thuyết của hợp chất TbPtSn và TbRhSn. 1.1. HoPtSn và hợp chất điện tử với Fe2P. Tinh thể hình học và nghiên cứu Mossbaur được làm với thành phần cấu tạo là REXSn ( X=Rh, Pt, Pd, Ir) chúng có cấu trúc tinh thể sáu cạnh, cùng cấu trúc với Fe2P. Một mẫu điển hình là H0PtSn với a0= 7.418 ± 0.001 A0, ca = 0.535 và VM=63.00A0. Phân tích tia X dẫn đến sự phân chia mặt: H0 đặt ở mặt 3g tại x,0,12, nguyên tử Pt ở 1(b) tại 0,0,12 và 2(c) tại 13, 23, 0 và nguyên tử Sn ở 3(s) tại x, 0, 0. Thể tích trên công thức khối lượng của YbRhSn là trung bình giữa của TmRhSn và LuRhSn nó chỉ ra Yb có hóa trị 3 trong hợp chất. Phổ Mossbaner 119Sn ở 295k là cùng ma trận hoặc phân ma trận cái được khớp với mô hình các mặt chiếm giữ bởi kết quả tinh thể hình học cho H0PtSn. Sự ngược trong phổ ở 295k biến mất ở 77.3k cho TbRhSn. Sự thay đổi Tsomer ở 295k là giống cho tất cả các hợp kim, giá trị điển hình là 1.8mms.(so sánh với 2.6mm cho βSn) tuy nhiên cặp từ cực thay đổi bởi một yếu tố của 2 ở 4.2k TbRhSn và H0PtSn chỉ ra mở rộng ngược cái được can thiệp với từ trường ở 77.3k GdRhSn bị mở rộng 40% do trên vùng nhiệt độ sắp xếp từ. Hợp chất điện tử với cấu trúc loại Fe2P là hiếm trong hợp kim nhị phân và phổ biến với 3 hợp kim, với tỉ lệ 1:1 : 1 các mặt nguyên tử chiếm bởi Fe trong Fe2P được lấp đầy bởi nguyên tử có kích thước trung bình và lớn. Một trong 3 nguyên tử tới từ một vùng khác biệt trong bảng tuần hoàn. Nó cho 1e tập trung được thỏa mãn ở hiện tại, hợp chất mới được ghi lại ở nguyên tử lớn là đất hiếm (gồm Sc và I) nguyên tử cỡ trung bình là từ nhóm VIII hoặc Yb, nguyên tử nhỏ là Si, Ge, Sn. Danh sách phần sớm hơn tương tự hợp phần ở nguyên tử nhỏ là Al và Ga, do hiệu ứng Mossbaner được thể hiện ở nguyên tử 119Sn để kiểm tra rằng sự chiếm Sn ở mặt tinh thể đơn và kiểm tra khả năng đặc điểm từ, sự thay đổi cấu trúc điện tích của nguyên tử Sn ở đất hiếm và nguyên tắc chuyển đổi đa dạng trong thành phần các hợp kim được làm tan chảy trong nước lạnh, từ Cu tới Ag vật liệu bắt đầu từ lớp hạt nhân, kim loại đất hiếm, platinum, palladium, rhodium, iridium sponge và 99.99% Sn,Ge, silicon. Các mẫu đặc biệt đồng nhất ở 900oC cho nhiều loại và tất cả hợp kim được sử dụng cho nghiên cứu nhiễu xạ tia X. Hằng số đơn vị tế bào được xác định bằng phương pháp bình phương tối thiểu và cường độ tính toán bằng phương trình máy tính hỗ trợ. Phổ của loại Kankeleit được sử dụng, nguồn Mossbaner là 119Sn trong BaSnO3 ở 295k, sự hấp thụ đã làm thoát phần hợp kim trong nhựa làm lạnh. Hợp phần R.E (Gd, Tb,Dy, H0) RhSn được kiểm tra ở 295k và R.E (Gd, Tb) RhSn và H0PtSn cũng ở 77.3k và 4.2k

Mở đầu

Công trình đầu tiên về từ học được nhà văn người trung quốc Guanzhong ghi lại vào những năm 640 trước công nguyên, nhưng hiện tượng từ đã được phát hiện ra trước đórất lâu ,trước hết đó là những” hòn đá tình yêu” được sử dụng làm la bàn Hầu như trong suốt lịch sử của loài người vật liệu từ luôn luôn có mặt trên rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống,đặc biệt là trong ba lĩnh vực lớn như năng lượng,điện tử- viễn thông và công nghệ thông tin.Trong 20 năm cuối cùng của thế kỷ trước các vật liệu từ mới những cấu trúc tinh thể và tính chất từ ưu việt của kim loại chuyển tiếp và các nguyên

tố đất hiếm đã cho phép chế tạo được các nam châm đất hiếm cac cấp SmCO5,

Nd2Fe14B, các vật liệu từ giảo TerfeNol và TerfeNol-D,cũng như các vật liệu ghi quang từ TbFeCo,… ,đặc biệt nhiều cấu trúc tinh thể và tính chất từ mới trong các hợpchất của vật liệu và các hệ từ tính với kích thước tới hạn đã được phát minh như vật liệu từ vô định hình,vật liệu từ có cấu trúc nano nhân tạo và vật liệu của kỹ thuật điện

tử spin Đặc biệt trong khóa luận này tập trung vào việc trình bày các kiến thức về cấu trúc tinh thể và tính chất từ dựa trên các hợp chất liên kim loại đất hiếm-kim loại chuyển tiếp có công thức RTX (R=đất hiếm,T=kim loại chuyển tiếp và X=Si,Ge,Al,In

và Sn) đã được nghiên cứu mạnh bởi chúng có các tính chất vật lý thú vị vì vậy em chọn đề tài “Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hợp chất TbPtSn và TbRhSn” để làm

đề tài nghiên cứu của mình

Khóa luận được trình bày trên 4 chương:

Chương I: Giới thiệu

Chương II: Thực nghiệm

Chương III: Kết quả và thảo luận

Chương IV: Kết luận

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU

1.Cơ sở lý thuyết của hợp chất TbPtSn và TbRhSn

1.1 HoPtSn và hợp chất điện tử với Fe2P

Tinh thể hình học và nghiên cứu Mossbaur được làm với thành phần cấu tạo làREXSn ( X=Rh, Pt, Pd, Ir) chúng có cấu trúc tinh thể sáu cạnh, cùng cấu trúc với Fe2P.Một mẫu điển hình là H0PtSn với a0= 7.418 ± 0.001 A0, c/a = 0.535 và V/M=63.00A0.Phân tích tia X dẫn đến sự phân chia mặt: H0 đặt ở mặt 3g tại x,0,1/2, nguyên tử Pt ở1(b) tại 0,0,1/2 và 2(c) tại 1/3, 2/3, 0 và nguyên tử Sn ở 3(s) tại x, 0, 0 Thể tích trêncông thức khối lượng của YbRhSn là trung bình giữa của TmRhSn và LuRhSn nó chỉ

ra Yb có hóa trị 3 trong hợp chất Phổ Mossbaner 119Sn ở 295k là cùng ma trận hoặcphân ma trận cái được khớp với mô hình các mặt chiếm giữ bởi kết quả tinh thể hìnhhọc cho H0PtSn Sự ngược trong phổ ở 295k biến mất ở 77.3k cho TbRhSn Sự thayđổi Tsomer ở 295k là giống cho tất cả các hợp kim, giá trị điển hình là 1.8mm/s.(sosánh với 2.6mm cho β-Sn) tuy nhiên cặp từ cực thay đổi bởi một yếu tố của 2 ở 4.2kTbRhSn và H0PtSn chỉ ra mở rộng ngược cái được can thiệp với từ trường ở 77.3kGdRhSn bị mở rộng 40% do trên vùng nhiệt độ sắp xếp từ

Hợp chất điện tử với cấu trúc loại Fe2P là hiếm trong hợp kim nhị phân và phổbiến với 3 hợp kim, với tỉ lệ 1:1 : 1 các mặt nguyên tử chiếm bởi Fe trong Fe2P đượclấp đầy bởi nguyên tử có kích thước trung bình và lớn Một trong 3 nguyên tử tới từmột vùng khác biệt trong bảng tuần hoàn Nó cho 1e tập trung được thỏa mãn ở hiệntại, hợp chất mới được ghi lại ở nguyên tử lớn là đất hiếm (gồm Sc và I) nguyên tử cỡtrung bình là từ nhóm VIII hoặc Yb, nguyên tử nhỏ là Si, Ge, Sn Danh sách phần sớmhơn tương tự hợp phần ở nguyên tử nhỏ là Al và Ga, do hiệu ứng Mossbaner được thểhiện ở nguyên tử 119Sn để kiểm tra rằng sự chiếm Sn ở mặt tinh thể đơn và kiểm trakhả năng đặc điểm từ, sự thay đổi cấu trúc điện tích của nguyên tử Sn ở đất hiếm vànguyên tắc chuyển đổi đa dạng trong thành phần các hợp kim được làm tan chảy trongnước lạnh, từ Cu tới Ag vật liệu bắt đầu từ lớp hạt nhân, kim loại đất hiếm, platinum,palladium, rhodium, iridium sponge và 99.99% Sn,Ge, silicon Các mẫu đặc biệt đồngnhất ở 900oC cho nhiều loại và tất cả hợp kim được sử dụng cho nghiên cứu nhiễu xạtia X Hằng số đơn vị tế bào được xác định bằng phương pháp bình phương tối thiểu

và cường độ tính toán bằng phương trình máy tính hỗ trợ

Phổ của loại Kankeleit được sử dụng, nguồn Mossbaner là 119Sn trong BaSnO3 ở295k, sự hấp thụ đã làm thoát phần hợp kim trong nhựa làm lạnh Hợp phần R.E (Gd,Tb,Dy, H0) RhSn được kiểm tra ở 295k và R.E (Gd, Tb) RhSn và H0PtSn cũng ở 77.3k

và 4.2k

1.1.1 Điện tử với cấu trúc loại Fe 2 P

Giảm dần từ Sm đến Lu, khả năng giải thích được cho là ao đượcđiều khiển bởikhoảng cách điện tử của Rh(Ir) – Sn và C0 bị ảnh hưởng bởi không gian, khoảng cáchgiữa nguyên tử RE – Rh (Ir) hoặc RE – Sn Xu hướng này biểu diễn rõ rệt trong hình 3(REPdSn) và hình 4 (REPtSn) Trong hợp chất REPtSn a0 và c0 giảm cùng nhau vìtrong đất hiếm thay đổi từ Gd tới Lu Hợp chất loại Fe2P bao gồm sự sai khác đáng kể

Pd từ 3 loại khác H0, Er và Tm , hợp chất của chúng có hằng số mô tương tự trongtương tác của chúng với Pt, nhưng trong H0PdSn thì ổn định, một hợp kim thứ 2 giốngthành phần nhưng bị sai khác khi thể hiện cấu trúc Fe2P Nó không được biết khi sự

khai thác nhỏ trong thành phần là rõ ràng hoặc nhiệt đối với hợp kim là quan trọng.Hợp chất LuPdSn và ScPdSn cho biết a0 lớn hơn bất thường và c0 nhỏ và dường như bịméo mó mẫu Fe2P không có đường nào thêm vào, có thể chỉ ra sự tồn tại của nó đượcquan sát trong thành phần nhiễu xạ

Sự so sánh của hợp chất Rh và Pt chỉ ra ở hình 5:

Hình 5: So sánh hợp chất Rh, Ir, Pd, Pt

Xu hướng giá trị V/M tương ứng của các nguyên tử, nguyên tố Pt, Pd, Ir và Rhgiảm theo thứ tự trừ sự ngược lại của Pd và Pt thì trong các hợp chất này Pd thườngxuyên xuất hiện có nguyên tử Pd lớn hơn Pt, ngược lại giá trị a0 giảm theo thứ tự

Rh, Ir, Pd và Pt Nguyên tử lớn nhất cho số a0 nhỏ nhất, nó có thể suy đoán ra số lớnhơn của e hóa trị trong Pd và Pt (so sánh với Rh và Ir) dẫn tới sự ràng buộc chặthơn REPt và hệ quả của a0 Đặc tính của hợp kim Yb khá … vì trong mẫu Yb của

của 3 hợp chất Yb là bình thường Chỉ ra rằng Yb có xu hướng cách biệt khi hợpkim với Pd và Sn Hai hợp chất Yb, YRhSn và YPtSn thường nằm giữa Tb và Dyhình 1 và 4

Jeitschko chỉ ra phần của mẫu nguyên tử tới lớp mạng tinh thể thay đổi từ 1

với các phần như nhau Trong đó Mn và Ni mặc dù cả hai các nguyên tố dịchchuyển chiếm 3(f) và 1(b),2(c) lớp tương ứng Nó xuất hiện nguyên tử lớn hơnchiếm lớp 3(f).Đây là ví dụ cho MnAl.Nguyên tố nhỏ nhơn Si hoặc Li chiếm 2lớp,do vậy có sự trộn lẫn chiếm đóng với.Nó không thể giả sử trên (s) là 32 hợpchất mới được báo cáo trong bài này,sẽ chọn được giản đồ chiếm lớp có 6 cách khímẫu 3 nguyên tử được phân chia thành 3 lớp ,tính toán cường độ được làm thành 6khả năng và so sánh với cường độ quan sát.Kết quả cho Pt trong lớp 1(b) và 2(c) Snkhông được trộn với lớp 3(f),sự sắp xếp được chỉ ra ở hình 6 và cường độ tính toáncho ở bảng II

Cường độ tương tác giữa các nguyên tử trong tính toán khoảng cách giữanguyên tử theo sau các thông số vij trí nguyên tử được dùng XH0=0.605,XSn=0.265khoảng cách giữa các nguyên tử là:

1.1.2.Nghiên cứu Mossbaner

Kết quả Mossbaner được cho ở bảng III Không có sự liên hệ nào giữa V/M và

sự thay đổi isomer hoặc cặp tứ cực vì chuyển dịch nguyên tố thay đổi.Khác hẹp kép ở259k nguyên tử Sn chiếm giữ 1 lớp-đối xứng.Vì TbRhSn tứ cực là khá không đối xứng

ở 259k nhưng trở nên đối xứng ở 77.3k đặc điểm này chỉ ra ở yếu tố waller(hình 7) ,ở 77.3k là đối xứng với TbRhSn,GdRhSn và HoPtSn ở 42k mẫu mởrộng và không đối xứng.Phổ không đối xứng này được khớp với mẫu ở 1 cặp tứ cựclớn bị nhiễu với trường từ siêu tinh tế,H,giả sử nó song song với gradient trường điệnq.Trương nam châm có tính từ ở lớp Sn tăng luwowiis cực điện dẫn dô sắp xếp trươngnguyên tố đất hiếm.trường siêu tinh thế ở 4.2k là rất nhỏ và trong dải từ tính từ 2.9-3.9KG.Phần(mô) của GdRhSn ở 77.3k là không đáng kể liên hệ với phổ hẹp quan sát ở259k.Do đó GdRhSn có thể bị từ tính trên 77.3k.Phần không đối xứng ở 4.2k choTbRhSn và HoPtSn là không khớp với mẫu này,do vậy H và q là không songsong.Tính toán cơ bản cho rubi thay đổi isomer tương ứng với cấu hình của

Debye-~0.85,~3.2p cho nguyên tử Sn

1.2 Đặc tính của hợp chất 3 nguyên tố RTSn(R=đất hiếm,T=Pt,Rh).

Nghiên cứu độ nhạy điện tử trong hợp chất nguyên tố 6 cạnh RTSn được nhậnbiết,hợp chất này đồng cấu trúc với Fe2P trong nhóm không gian P62m Nhiệt độ sắpxếp của tất cả các hợp chất là nhỏ hơn 19k Độ nhạy của YTSn là độc lập với nhiệt độ

Cấu trúc phản sắt từ không cùng tuyến tính của TbPtSn sáu cạnh

Dưới TN = 12k tinh thể sáu cạnh của TbPtSn (cấu trúc tinh thể loại ZnNiAl) chothấy đặc điểm của cấu trúc từ tính không tuyến tính bằng véc tơ sóngk=[0.726,0.766,1/2] moment từ ở vị trí ion Tb3+ là 8.8 µB tại t=1.9k

Hợp chất gồm 3 nguyên tố trong đất hiếm RPtSn được biết tới khi kết tinh laitrong 2 loại cấu trúc: hoặc là loại hình thoi TiNiSi hoặc là loại sáu cạnh ZrNiAl (Fe2P).Thành phần của RPtSn cho thấy giản đồ trình tự từ phức tạp ở nhiệt độ thấp Mộttrong số đó TbPtSn được tìm thấy khi kết tinh trong cả hai loại cấu trúc, nó phụ thuộcvào nhiệt độ chuẩn bị Điều chỉnh hệ thoi của TbPtSn chỉ ra rằng ở 17k sự sắp xếpphản sắt từ dạng sin được miêu tả bằng hai thành phần vectơ song, nó chuyển đổi ở10k thành một vec tơ sóng thành phần Khi nguyên tử môi trường ở trạng thái 0 kèmion Tb3+ ở mỗi phần là hoàn toàn khác nhau, nó khá hấp dẫn để nghiên cứu nếu nó cóảnh hưởng tới đặc điểm từ của TbPtSn Nghiên cứu nhiễu xạ của thành phần tinh thểsáu cạnh được trải qua và có kết quả ở dưới

1.3 Cạnh tranh giữa hiệu ứng Kondo và tương tác RKKY

Nhiệt độ Kondo Tk phụ thuộc vào thông số kép c-f.Jcf trong đó tương tác RKKYgián tiếp đặc trưng bởi TRKKY thay đổi tỷ lệ với Jcf2 Sự thay đổi mong đợi ở các điểm

từ được minh họa ở giản đồ trong hình 1 phủ 1 hàm của Jg/W, với W là thông số chuẩnhóa liên hệ vowia độ rộng vùng dẫn hợp chất CeTIn với T= Ni,Pd và Pt trong cấu trúc

Fe2P 6 cạnh ở trạng thái cơ bản J=5/2 với Ce3+là mong đợi chia thành 3 cặp,phần điệntrở từ cho biết nhiệt độ logarit phụ thuộc vào loại kondo ở nhiệt độ cao và đỉnh mởrộng xung quanh 90,50 và 37k cho CeNiIn,CePtIn và CePdIn tương ứng Trở e củaCePdIn có 1 đỉnh thứ 2 ở 3.5k,độ nhạy từ [30] theo định luật Curie-Weiss ở nhiệt độcao trên 100k với nhiệt độ Curie thuận từ -15k với CePdIn và -73k cho CePtIn.CePdInthể hiện 1 đỉnh nhỏ với độ nhảy từ ở 18k,chỉ ra sự sắpxếp AF.Mặt khác độ nhạy từ củaCeNiIn cho thấy 1 đỉnh yếu hơn phụ thuộc vào nhiệt độ ,gợi ý về sự biến đổi hóa trị tựnhiên Hình 2 cho thấy sức nóng đặc trưng chia vùng do nhiệt độ C/T,cho CePd1-xPtxIn

và CeNiIn.cả CePdIn và CePtIn,C/T tăng đáng kể ở nhiệt độ thấp <10k CePdIn cho 1đỉnh rõ nét ở 17k phụ thuộc nhiệt độ của C/T,nó tương ứng với truyền dịch AF bởiphương pháp từ Ngược lại sự mở rộng của C/T là không rõ với hệ CeNiIn thay đổihóa trị,mẫu thứ hai của chuỗi CeTSn ở cấu trúc là phương loại TiNiSi, trong đó hiệuứng tinh thể được mong đợi chia trạng thái 2F5/2 của Ce3+ thành 3 cặp Độ nhạy củaCePdSn và CePtSn tuân theo định luật Curie-Weiss ở nhiệt độ cao >30k và có đỉnh rõ

do chuyển dịch AF ở TN=7 và 7.5k, tương ứng sự dịch chuyển cũng được quan sát bởi

số lượng nhiệt động lực ở hình 3 Tại nhiệt đặc trưng được vẽ không chỉ cho CePtSn

và CePtSn mà còn cho hợp chất tương ứng của CeTGa Nhiệt đặc trưng của CePtSn có

2 đỉnh rõ ở 5.1k và sự dịch chuyển sắp sếp không cân xứng tới cân xứng CeNiSn có hệthay đổi hóa trị với Tk cao và được thảo luận ở phần sau

Khi đơn vị nguyên tử khối của CeTV giảm tới T=Pd,Pt và Ni được khớp vớiX,Jcf được mong là tăng với sự sắp sếp này Nhiệt độ Kondo Tk phụ thuộc vào phần

Jcf:KBT~Dexp(-1/J),trong đó tương tác RKKY gián tiếp TRKKY~J2/D, ở đây  là mật

độ trạng thái, D là độ rộng của e dẫn Trong chuỗi này CeTIn, CePdIn được mong đợi

là có Jcf nhỏ nhất do đó TRKKY cao hơn Tk Do đó,trạng thái sắp xếp AF là nhận biếtdưới Tn ~TRKKY.Như quan sát ở hình 2 TN giảm như trong mẫu của hợp kim CePd1-

xPtxIn Tinh thể CePtIn không chỉ ra dịch chuyển từ ít nhất 60mk mặc dù nhiệt độ thấpđảo ngược C/T để khả năng sắp xếp ở nhiệt độ thấp hơn Trong CeNiIn,Jcf là lớn nhất

với Tk được ước lượng ~100k, hoàn toàn chiếm ưu thế so với TRKKY Do vậy sự thayđổi hóa trị hoặc trạng thái Tk cao là khá tốt.Ở hình 1,sự thay đổi với X=In,Sn,Ga,Ge.Biểu đồ này chỉ ra rằng thảo luận ở trên dựa trên thành phần hóa học và sự thay đổikhối lượng chỉ xảy ra với X Không có hệ thống đơn giản được tìm thấy do đồng cấutrúc và sự thay đổi cùng e của nguyên tố X Hiệu ứng này mạnh hơn với X đề xuất làp-f có vai trò quan trọng ở các nhiệt độ thấp trong hợp chất.

1.4 Tương tác trao đổi gián tiếp giữa các môment 4f-Tương tác RKKY.

Trong 12 nguyên tố có từ tính của nhóm đất hiếm, các spin 4f chỉ có thể tácdụng trực tiếp với spin của các điện tử dẫn Trong thực tế, khi một điện tử dẫn đến gầnion đất hiếm, nó sẽ tương tác với các điện tử 4f của ion đó

Nếu ký hiệu spin định xứ 4f là Si và S(r) là spin của các điện tử dẫn, tương tácnày có thể biểu diễn như sau:

(1.1)Trong đó  là tích phân trao đổi s – f ;  >0 Do đặc tính định xứ cao của các điện tử4f, có thể biểu diễn được  (Ri - r) =(Ri - r) (tức là tương tác trao đổi nội nguyên tử ).Cường độ của tương tác  chỉ vào cỡ 10-2 đến 10-1eV

Có thể hiểu cách mô tả ở phương trình 1.1 theo 1 cách khác: Một điện tử dẫn đã tìmthấy ở vị trí i một từ trường hi tạo bởi spin Si của ion đất hiếm ở vị trí i

từ 4f ở một vị trí cho trước làm phân cực các điện tử dẫn ở vị trí đó (hàm sóng 6s cóbiên độ khá lớn hơn r nhỏ) Do đặc tính mở rộng không gian của mình, các điện tử dẫn

bị phân cực này sẽ thông tin trạng thái spin đến các vị trí khác Dấu của tương tác từchỉ phụ thuộc vào hệ số từ hóa ij hay phụ thuộc vào cấu trúc của vùng năng lượngcủa các điện tử dẫn Đối với các điện tử tự do, hệ số từ hóa này có thể tính toán được.Kết quả là có thể tìm thấy sự phân cực hay cường độ của tương tác biến đổi có dạnggiao động như sau:

(1.5)

Với F(x) là hàm RKKY (viết tắt tên của 4 nhà vật lý Rurerman – Kittel –

Kasuia - Yosidda) F(x)=(xcosx-sinx)/x4 và n là nồng độ các điện tử dẫn

Sự thay đổi của Aij theo khoảng cách có dạng hoàn toàn tương tự như sự phâncực của mật độ điện tử dẫn (tức là sự khác nhau của các mật độ các điện tử có spinthuận( ↑) và spin nghịch (↓)):

Ở đây Sz là cấu hình spin dọc theo trục z

Cường độ tương tác Aij giao động giữa giá trị dương và âm theo khoảng cáchgiữa các ion rij như trênhình 4.4 đó là tương tác giao động kiểu RKKY

Do sự giao động của mật độ spin theo khoảng cách nên các nguyên tử 4f lâncận định vị trên các khoảng cách khác nhau có thể chịu các tương tác trao đổi với dấukhác nhau Vì vậy tương tác RKKY có thể thiết lập không những trật tự sắt từ, phảnsắt từ mà cả trật từ từ xoắn ( cấu trúc Heli từ) Tương tác này sẽ thiết lập trạng thái sắt

từ nếu kF nhỏ (vùng năng lượng ít được lấp đầy) và trạng thái phản sắt từ nếu Kf ~ π/a(vùng năng lượng lấp đầy một nửa) Cường độ của tương tác RKKY yếu hơn tương táctrao đổi trực tiếp 3d và tương tác siêu trao đổi trong các ôxit kim loại

Hình 4.4: Sự phụ thuộc vào khoảng cách của độ phân cực của các điện tử dẫn

hay dạng giao động của tương tác RKKY

Mô hình lý thuyết RKKY đã được đề xuất vào những năm 50 đến đầu nhữngnăm 1970, mô hình này đã được sử dụng để giải thích sự thay đổi cấu trúc từ trongmột số hợp chất liên kim loại sắt từ và phản sắt từ Đến đầu những năm 90 của thế kỷ

XX, mô hình RKKY đã được kiểm chứng trong các hệ vật liệu có cấu trúc dạng lớpnhân tạo Trong thực tế tương tác trao đổi giữa các kim loại từ tính cách nhau bởi cáclớp đệm kim loại không từ tính có chiều dày tnm thay đổi đã được nghiên cứu Trongcấu hình như vậy sự giao động tắt dần của cường độ tương tác đã được quan sát

1.5.Các hiện tượng từ.

1.5.1.Tương tác từ của hệ các điện tử.

Từ học mô tả ba hiện tượng từ chính: nghịch từ, thuận từ và trật tự từ Trạngthái trật tự từ bao gồm các trạng thái sắt từ, feri từ, phản sắt từ và cấu trúc xoắn từ(hình 1.4) Các chuyển pha chủ yếu xảy ra với trạng thái trật tự từ Đó là chuyển phatrật tự từ - bất trật tự từ(chuyển pha từ pha đối xứng thấp ở nhiệt độ thấp sang pha cóđối xứng cao ở nhiệt độ cao), chuyển pha trật tự - trật tự(chuyển pha tái định hướngspin)[2]

Moment từ của nguyên tử chủ yếu được gây nên bởi moment quỹ đạo(L) và moment spin (S) của các lớp vỏ điện từ không lấp đầy Có hai dãy nguyên tử có từ tính

chủ yếu: dãy các kim loại chuyển tiếp(3Dn với n=1 đến 10) và dãy các nguyên tố đấthiếm(4fn với n=1 đến 14) Hai lớp vỏ điện từ 3d và 4f này có các đặc tính khác nhau,nên tính chất từ của hai dãy nguyên tố này cũng rất khác nhau

Các điện từ 4f có đặc tính định xứ do chúng nằm trên lớp vỏ điện từ ở sâu bêntrong Đối với nguyên tử thì tương tác giữa các điện tử (~ 10eV) dẫn đến quy tắcHund: S=Smax và L=Lmax tương ứng Smax Tương tác spin quỹ đạo LS cũng rất mạnh

(~1eV) Moment toàn phần J=|L-S| cho các nguyên tố đất hiếm nhẹ LR (n<7), J=L+S

cho các nguyên tố đất hiếm nặng HR (n ≥ 7).Ta có thể giải thích được rằng trong cáchợp chất LR-T các moomen từ của cả hai phân mạng LR và T sắp xếp song song còntrong các hợp chất HR-T chúng sắp xếp phản song song Vậy các hợp chất LR-Tthường có từ độ cao hơn trong các hợp chất HR-T Do đó các ứng dụng cần có độ từ

dư (hoặc từ độ bão hòa) cao như các nam châm vĩnh cửu ,các vật liệu LR-T có ưu thếhơn(ví dụ nam châm vĩnh cửu SmCo5,Nd2Fe14B) Cơ chế tương tác trao đổi 3d-4f lầnđầu tiên được Campbell đề xuất vào năm 1972,xuất phát từ những nhận xét hoàn toàn

có tính chất hiện tượng luận Ông cho rằng trong các nguyên tố đất hiếm hóa trị 3(R3+)

và các điện tử 5d1

và 6S2có thể coi tương tự như các điện tử 3d của các nguyên tố kimloại chuyển tiếp đầu dãy (LT),trong đó các nguyên tố Fe,Co,Ni là các nguyên tố kimloại chuyển tiếp cuối dãy (HT) Moomen spin của hai nửa phân nhóm này phải sắp xếpphản song song với nhau ,them vào đó ta biết rằng tích phân trao đổi là tích phân traođổi nội nguyên tử nên có dấu dương,nghĩa là sáp xếp của các moonmen spin S4f và S5d

là song song.Kết quả là các thành phần tham gia vào cơ chế tương tác 3d-4f.Trong cơchế này thì nhận xét về lien kết phản sắt từ giữa các spin S3d và S5d hoàn toàn chỉ lànhận xét mang tính hiện tượng luận Hiện nay sự hình thành của liên kết đó đa đượcgiải thích theo cơ chế của hệu ứng lai hóa Trong đó moment từ của nguyên tử đượcđịnh nghĩa:

M0=gjµBJ (1.7)

(với gj là thừa số Lande, µB là manheton Bohr)Các lớp vỏ 3d nằm phía ngoài Trong kim loại, các điện tử 3d có đặc tính linhđộng, vùng năng lượng của chúng có độ rộng W cỡ 5eV Các điện tử có cùng spin( thuận và nghịch) chiếm các trạng thái năng lượng thuộc về hai phân vùng tương ứng.Tuy nhiên, từ tính chỉ xuất hiện trong một số kim loại như Mn,Fe, Co và Ni nhờ có sựtách vùng năng lượng(hình 1.5)

Tương tác giữa các moment từ là hệ quả của tương tác xảy ra giữa các điện trêncác nguyên tử khác nhau Đối với các điện từ 3d, hiệu ứng của tương tác trao đổi giữacác nguyên tử là sự chuyển chuyển dời của các điện tử từ nguyên tử này sang nguyên

tử khác và ngược lại Cường độ của tương tác này (~ 0,1eV) Do đặc tính định xứ củacác điện tử 4f, không có trao đổi trực tiếp giữa các điện tử 4f trên các nguyên tử khácnhau Tuy nhiên các điện tử linh động 5d và 6s tương tác với các điện tử 4f trên cùngnguyên tử Điều này dẫn đến sự phân cực của các điện tử linh động và tạo nên tươngtác gián tiếp giữa các moment từ định xứ 4f Do vậy, tương tác này càng yếuhơn(0.01eV) Các tương tác trên được gọi là tương tác trao đổi và hiệu ứng của nóthường được mô tả thông qua khái niệm trường phân tử Bm có cường độ tỉ lệ với độ từ

hóa trung bình(M) của mẫu hay các phân mạng:

B m = µ0M (1.8) Trong đó:  được gọi là hệ số trọng trường phân tử.

1.5.2 Tương tác của hệ điện tử.

Gọi số điện từ và mức năng lượng Fermi của các phân vùng với spin thuận (↑)

và spin nghịch (↓) tương ứng n và EF từ độ có thể được tính như sau:

M= µB(n+ - n-) (1.10)Trong đó :

(1.11)