LUẬN văn sư PHẠM vật lý HIỆU ỨNG từ điện TRỞ và ỨNG DỤNG

Với mong muốn cung cấp cho người đọc một cái nhìn tổng quát những kiến thức khoa học cơ bản về bản chất của các hiệu ứng trong vật liệu từ nói chung và hiệu ứng từ điện trở trong vật liệ

Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

ThS Dương Quốc Chánh Tín Thạch Thị Thu Hương

MSSV: 1090256

Cần Thơ - 2013

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô,cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Dương Quốc Chánh Tín, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này Em cũng xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Hữu Hậu và Thầy Phạm Văn Tuấn, hai giáo viên phản biện cho em Đây là lần đầu tiên em thực hiện một bài báo cáo khoa học, chưa có nhiều kinh nghiệm để thực hiện đề tài, nên ít nhiều cũng có sai sót, em mong Thầy góp ý nhiệt tình cho em

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn Sư Phạm Vật

Lý đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, em xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và bạn bè đã hỗ trợ cho em rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AMR Ansitropic Magneto Resistance – Hiệu ứng từ điện trở dị hướng

CIP Current In Plane – Cấu trình từ điện trở spin value song song

CPP Current Perpendi cular to Plane – Cấu hình từ điện trở spin value vuông góc EEPROM Electronically Erasable Read-Only Memory – Bộ nhớ không tự xóa

EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory – Bộ nhớ xóa bằng tia cực tím

FC Field Cooled – Làm lạnh có từ trường

GMR Giant Magnetoresistance Effect – Hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ

HDD Hybrid hard Disk Drive - Ổ cứng

MCE Magnetocaloric - Hiệu ứng từ nhiệt

MOKE Magneto-Optic Kerr Effect – Hiệu ứng từ quang

MRAM Magnetoresistive Random Access Memory – Bộ nhớ RAM từ điện trở

MTJ Magnetic Tunnel Junction – Tiếp xúc xuyên hầm từ tính

OMR Ordinary Magnet Resistance – Hiệu ứng từ điện trở thường

RAM Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

SRAM Static Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không tự xóa TMR Tunneling Magnrtoresistance – Hiệu ứng từ điện trở chui hầm

ZFC Zero-Field Cooled – Làm lạnh không có từ trường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 2

MỤC LỤC 3

PHẦN A MỞ ĐẦU 5

PHẦN B NỘI DUNG 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ 8

1.1 LỊCH SỬ TỪ HỌC 8

1.2 CÁC KHÁI NIỆM 9

1.2.1 Mômen lưỡng cực từ 9

1.2.2 Độ cảm từ 9

1.2.3 Độ cảm từ và từ thẩm 10

1.2.4 Độ từ hóa 10

1.2.5 Độ từ thẩm 10

1.2.6 Từ hóa Quá trình từ hóa Đường cong từ hóa 10

1.2.7 Từ Trễ 12

1.2.8 Lực kháng từ, từ dư, từ độ bão hòa 13

1.2.9 Các dạng năng lượng vi từ 13

1.3 VẬT LIỆU TỪ 16

1.3.1 Nguồn gốc từ tính trong vật liệu 16

1.3.2 Phân loại vật liệu từ 16

1.3.2.1 Phân loại theo hệ số từ hóa 16

1.3.2.2 Phân loại theo lực kháng từ Hc 22

CHƯƠNG II CÁC HIỆU ỨNG TRONG VẬT LIỆU TỪ 29

2.1 HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT 29

2.1.1 Phát hiện hiệu ứng từ nhiệt 29

2.1.2 Sơ lược về hiệu ứng từ nhiệt 29

2.1.3 Các phương pháp đo hiệu ứng từ nhiệt trong vật lý chất rắn 30

2.1.3.1 Nguyên tắc đo chung: 30

2.1.3.2 Phép đo đường cong từ nhiệt FC và ZFC 31

2.1.4 Hiệu ứng từ nhiệt trong Perovskite 32

2.1.4.1 Sơ lược về cấu trúc perovskite 32

2.1.4.2 Hiệu ứng từ nhiệt trong Perovskite 33

2.1.5 Hiệu ứng từ nhiệt trong một số vật liệu khác 34

2.1.5.2 Hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp kim vô định hình 36

2.1.6 Ứng dụng của hiệu ứng từ nhiệt 38

2.2 HIỆU ỨNG TỪ QUANG KERR 39

2.3 HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ 40

2.3.1 Sơ lược về hiệu ứng từ điện trở 40

2.3.1.1 Nguồn gốc điện trở của kim loại 40

2.3.1.2 Sơ lược về hiệu ứng từ điện trở 41

2.3.2 Hiệu ứng từ điện trở thường và hiệu ứng từ điện trở dị hướng 41

2.3.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magnet Resistance) 41

2.3.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR (Ansitropic Magneto Resistance) 42

2.3.3 Từ điện trở khổng lồ GMR ( Giant Magnetoresistance Effect) 43

2.3.3.1 Đôi nét về lịch sử hiệu ứng từ trở khổng lồ 43

2.3.3.2 Giải thích hiệu ứng GMR 45

2.3.3.3 Giải thích hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin của mẫu hạt 49

2.3.3.4 Phương pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR 51

2.3.3.5 Kết quả đo từ trở khổng lồ từ thực nghiệm 52

2.3.4 Hiệu ứng từ điện trở chui hầm 59

2.3.4.1 Tiếp xúc xuyên hầm từ tính (MTJ) 59

2.3.4.2 Hiệu ứng từ điện trở chui hầmTMR (TunnelingMagnrtoresistance) 60

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ 62

3.1 ĐIỆN TỬ HỌC SPIN 62

3.1.1 Điện tử học spin (spintronics) 62

3.1.2 Sự ra đời của spintronics 62

3.1.3 Các khái niệm và thao tác trên linh kiện spintronics 63

3.1.4 Một số linh kiện spintronics 65

3.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ 66

3.2.1 Cảm biến GMR 66

3.2.2 Các bộ nhớ ứng dụng trong công nghệ thông tin 71

3.2.3 Spin valve 74

3.2.3.1 Hiệu ứng từ điện trở và spin valve ban đầu 74

3.2.3.2 Spin valve với liên kết phản sắt từ 75

3.2.3.3 Spin valve CPP và CIP 76

PHẦN C KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHẦN A MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1.1 Lịch sử vấn đề nghiên cứu

Vật liệu từ đã được phát hiện cách đây hàng nghìn năm và được ứng dụng trong cuộc

sống con người từ rất sớm mà đầu tiên là ở Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại Ở Hy Lạp, lịch

sử ghi nhận những đối thoại về từ học giữa Aristotle và Thales từ những năm 625 đến

545 trước công nguyên song song với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu (là những đá thiên nhiên) cho một số mục đích khác nhau Ở Phương Đông, Trung Hoa là nơi sớm nhất sử dụng các đá nam châm làm kim chỉ nam để chỉ phương Nam-Bắc từ thời đại của Chu Công (thời đại nhà Chu, 1122-256 trước Công nguyên), và cuốn sách chính thức ghi

lại việc sử dụng các đá nam châm là cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tôn Tẫn) vào thế kỷ

thứ 4 trước công nguyên Alexander Neckham là người Châu Âu đầu tiên mô tả về la bàn

và việc sử dụng la bàn cho việc định hướng vào năm 1187 Vào năm 1269, Peter

Peregrinus de Maricourt viết cuốn Epistola de magnete, được coi là một trong những luận

thuyết đầu tiên về nam châm và la bàn

Tương tác giữa dòng điện và từ trường lần đầu tiên được phát hiện và mô tả bởi Hans Christian Oersted, một giáo sư Đại học Copenhagen (Đan Mạch) Ông đã phát hiện ra việc kim la bàn bị lệch hướng khi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện Thí nghiệm này

được coi là một bước ngoặt trong lịch sử ngành từ học, và được đặt tên là Thí nghiệm

Oersted Sau Oersted, hàng loạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các

công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa điện và từ trường như Andre-Marie Ampere, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản

về từ học cũng như từ trường

Có thể dễ dàng nhận thấy các linh kiện từ tính được sử dụng trong các thiết bị, dụng

cụ quanh ta như: máy ghi âm, ti vi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô- xe máy, các bộ phận nhớ

trong máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ em

Vật liệu từ không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp điện ( tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động), công nghệ thông tin liên lạc, công nghệ chế tạo ô tô, tàu thủy

Cho đến nay các nhà khoa học đã lý giải được nhiều hiện tượng từ trên cơ sở lý thuyết

cơ học lượng tử, các nhà công nghệ đã chế tạo được nhiều loại vật liệu từ, kể cả vật liệu

từ có kích thước nanomet với tính năng cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, thân thiện với môi trường hơn so với các thế hệ vật liệu từ trước để đáp ứng đòi hỏi của phát triển kĩ thuật

Với những tính chất lý thú và kỳ lạ của nó, hiện nay vật liệu từ vẫn là đối tượng được con người quan tâm tìm hiểu, nghiên cứu và đưa vào ứng dụng.Với công nghệ ngày càng phát triển, các tính năng của vật liệu từ cũng dần dần được phát hiện Con người không ngừng nghiên cứu để tìm ra những vật liệu từ mới dựa trên các đặc tính, bản chất của chúng Tuy nhiên kiến thức khoa học là mênh mông nên vẫn còn những khía cạnh nhỏ của vật liệu từ chưa được đào sâu, chưa được làm rõ và còn rời rạc Với mong muốn cung cấp cho người đọc một cái nhìn tổng quát những kiến thức khoa học cơ bản về bản chất của các hiệu ứng trong vật liệu từ nói chung và hiệu ứng từ điện trở trong vật liệu từ nói riêng và đưa ra một vài ứng dụng của nó trong thực tế, nên em quyết định thực hiện đề tài

“HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ VÀ ỨNG DỤNG”

1.2 Mục đích của đề tài

- Khám phá thêm những đều bí ẩn của thiên nhiên, nắm vững kiến thức khoa học kỹ

thuật để ứng dụng ngày càng có hiệu quả hơn phục vụ lợi ích con người, đặc biệt trong

lĩnh vực từ học

- Nghiên cứu, khai thác và biên soạn tài liệu mang tính chất giới thiệu các hiệu ứng

trong vật liệu từ đặc biệt là hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng của nó

- Tổng hợp một cách hệ thống các kiến thức có liên quan đến hiệu ứng từ điện trở và

một số hiệu ứng khác trong vật liệu từ

- Làm tài liệu cho sinh viên vật lý và những ai đam mê nghiên cứu trong lĩnh vực từ học và vật liệu từ

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu ba phần :

- Tổng quan về vật liệu từ

- Các hiệu ứng trong vật liệu từ

- Ứng dụng thực tế của hiệu ứng từ điện trở

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

- Vật liệu từ là gì ?

- Chúng có những tính chất như thế nào ?

- Trong vật liệu từ có những hiệu ứng gì ?

- Thế nào là hiệu ứng từ điện trở ?

- Có những hiệu ứng từ điện trở nào ?

- Có những phương pháp nào để khảo sát hiệu ứng từ điện trở ?

- Các hiệu ứng từ điện trở được giải thích theo giả thuyết hay mô hình nào ?

- Hiệu ứng từ điện trở được ứng dụng trên thực tế ở lĩnh vực nào ?

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài

- Thu thập thông tin, tài liệu

- Phân tích tài liệu, thông tin thu nhận được

- Tổng hợp và hoàn thiện các tài liệu một cách có hệ thống

3.2 Phương tiện thực hiện đề tài

- Máy vi tính

- Các loại sách và tài liệu liên quan đến đề tài

- Internet

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Thu thập tài liệu từ thư viện, trung tâm học liệu, internet

- Tiếp thu và ghi nhận ý kiến đóng góp từ GVHD, thầy cô và bạn bè

- Nghiên cứu, phân tích, chọn lọc tài liệu và thông tin đã thu nhận

- Tổng hợp các dữ liệu để hoàn chỉnh nội dung

cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tôn Tẫn) vào thế kỷ thứ 4 trước công nguyên

Alexander Neckham là người Châu Âu đầu tiên mô tả về la bàn và việc sử dụng la bàn cho việc định hướng vào năm 1187 Vào năm 1269, Peter Peregrinus de Maricourt

viết cuốn Epistola de magnete, được coi là một trong những luận thuyết đầu tiên về nam

châm và la bàn

Tương tác giữa dòng điện và từ trường lần đầu tiên được phát hiện và mô tả bởi Hans Christian Oersted, một giáo sư Đại học Copenhagen (Đan Mạch) Ông đã phát hiện ra việc kim la bàn bị lệch hướng khi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện Thí nghiệm này

được coi là một bước ngoặt trong lịch sử ngành từ học, và được đặt tên là Thí nghiệm

Oersted Sau Oersted, hàng loạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các

công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa điện và từ trường như Andre-Marie Ampere, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản

về từ học cũng như từ trường

James Clerk Maxwell đã tổng hợp các lý thuyết về từ trường, điện trường, và quang học để phát triển thành lý thuyết tổng quát về trường điện từ vào năm 1905 Albert Einstein đã sử dụng những định luật này để xây dựng lý thuyết tương đối hẹp

Thế kỷ 20 cũng là thế kỷ mà từ học được phát triển mạnh mẽ từ việc tạo ra các vật liệu từ đa chức năng, xây dựng các lý thuyết vi mô về hiện tượng từ dựa trên các lý

học lượng tử và vật lý chất rắn như lý thuyết vi từ học, lý thuyết về đômen từ, vách đômen, vật liệu sắt từ, tương tác trao đổi, phản sắt từ,…Đi kèm với nó là sự phát triển của nhiều kỹ thuật chụp ảnh cấu trúc từ và đo đạc các tính chất từ của vật liệu Cuối thế kỷ

20, đầu thế kỷ 21, ngành mới spintronics ra đời dựa trên thành tựu của từ học và điện tử học

1.2 CÁC KHÁI NIỆM

1.2.1 Mômen lưỡng cực từ

Mômen từ, hay mômen lưỡng cực từ (magneticdipole moment) là đại lượng vật lý đặc

trưng cho độ mạnh yếu của nguồn từ Trong trường hợp đơn giản là một dòng điện kín, mômen lưỡng cực từ được định nghĩa bởi:

Độ cảm từ (hệ số từ hóa) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật

liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của chất dưới tác dụng của từ trường ngoài Độ cảm

Hình 1.1 Momen từ

từ thường được ký hiệu là  hoặc m, và được định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa và độ

1.2.4 Độ từ hóa

Độ từ hóa hay từ độ là một đại lượng sử dụng trong từ học được xác định bằng tổng

mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ Đôi khi từ độ còn được định nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng

Từ độ là một đơn vị véctơ, và có biểu thức

V

m M

1.2.6 Từ hóa Quá trình từ hóa Đường cong từ hóa

Từ hóa là quá trình thay đổi các tính chất từ (cấu trúc từ, momen từ…) của vật chất dưới tác dụng của từ trường ngoài

Quá trình từ hóa: Xét về mặt hiện tượng, từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật chất

theo từ trường ngoài, xét về mặt bản chất, đây là sự thay đổi các momen từ nguyên tử Khi đặt vào từ trường ngoài, các momen từ nguyên tử có xu hướng bị quay đi theo từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ Tùy theo sự hưởng ứng này mà có thể

phân ra nhiều loại vật liệu từ khác nhau:

- Nghịch từ là bản chất cố hữu của mọi loại vật chất, ở đó, chất không có momen từ nguyên tử, và tạo ra một từ trường phụ ngược với chiều từ trường ngoài theo xu hướng của cảm ứng từ (quy tắc Lenz) Vì thế, chất nghịch từ có momen từ âm và ngược với chiều từ theo trường ngoài

- Thuận từ: Quá trình từ hóa ở chất thuận từ, chất có momen từ nguyên tử nhỏ và không liên kết, xảy ra đơn giản, các momen từ nguyên tử sẽ quay theo từ trường ngoài và tạo ra một từ trường phụ dương (thắng thế hiệu ứng nghịch từ cố hữu) Vì thế, quá trình

từ hóa chỉ đơn giản là sự tăng tuyến tính của từ độ theo từ trường ngoài và đạt bão hòa khi từ trường rất lớn và nhiệt độ rất thấp

- Sắt từ và các vật liệu có trật tự từ khác (phản sắt từ, feri từ): Trong các vật liệu này, momen từ nguyên tử lớn và có liên kết với nhau thông qua tương tác trao đổi nên quá trình từ hóa trở nên phức tạp Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc từ, cấu trúc tinh thể cũng như sự đồng nhất của vật liệu Các quá trình từ hóa lúc này là sự thay đổi cấu trúc đômen của chất, và dẫn đến nhiều loại chất khác nhau, ví dụ như vật liệu sắt từ mềm, vật liệu sắt từ cứng…

Đường cong từ hóa: Là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất từ (thông qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ…) theo giá trị của từ trường ngoài Ở phạm vi cấu trúc

vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc đômen) thông qua các

cơ chế khác nhau

Đối với các chất thuận từ và nghịch từ, đường cong từ hóa có dạng là đường thẳng (từ

độ phụ thuộc tuyến tính vào từ trường), từ độ của chất thuận từ mang giá trị dương trong khi chất nghịch từ có từ độ nhận giá trị âm

Hình 1.2 Hình dạng đường cong từ hóa

Đối với các chất có trật tự từ (sắt từ, phản sắt từ, feri từ), đường cong từ hóa là các đường phi tuyến Đối với sắt từ và feri từ, khi từ hóa với từ trường đủ lớn sẽ có hiện tượng bão hòa từ (đường cong từ hóa nằm ngang, đạt từ độ bão hòa) Hiện tượng bão hòa

từ cũng xảy ra đối với các chất thuận từ và phản sắt từ, nhưng phải trong từ trường rất lớn

và ở nhiệt độ thấp

1.2.7 Từ Trễ

Từ trễ là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt

từ, hiện tượng từ trễ là một hiện tượng đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở chất sắt từ Hiện tượng từ trễ được mô tả như sau: sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất

kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác

Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ

Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng từ trễ biểu hiện khả năng từ tính của các chất sắt từ

Hình 1.3 Đường cong từ hóa phụ thuộc vào từ trường

1.2.8 Lực kháng từ, từ dư, từ độ bão hòa

Lực kháng từ là giá trị từ trường cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M=0) Lực

kháng từ thường được ký hiệu là Hc (Coercivity)

Từ dư là giá trị từ độ còn giữ được khi ngắt từ trường (H=0), thường được ký hiệu là

Mr hoặc Ir, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các phương trình từ hóa, hình dạng vật từ…

Từ độ bão hòa là giá trị từ độ đạt được khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt quá giá

trị trường dị hướng) sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các momen từ hoàn toàn song song với nhau Từ độ bão hòa thường được ký hiệu là Ms hay Is

1.2.9 Các dạng năng lượng vi từ

Năng lượng vi từ: (tiếng Anh: Micromagnetic energy) là tổng hợp các dạng năng

lượng thể hiện các tương tác vi mô giữa các mômen từ với nhau và với trường tương tác bên ngoài trong một vật sắt từ Năng lượng vi từ có thể quy gọn thành năm số hạng: năng lượng trao đổi, năng lượng dị hướng, năng lượng tĩnh từ, năng lượng Zeeman, và năng lượng từ giảo Sự cực tiểu hóa năng lượng tổng hợp sẽ quy định cấu trúc đômen của vật

từ

Hình 1.4 Đường cong từ trễ của vật liệu

từ cứngvà vật liệu từ mềm

Năng lượng trao đổi: (Exchange energy) là dạng năng lượng có được do tương tác

trao đổi giữa các spin cạnh nhau khi hàm sóng của điện tử phủ nhau, làm cho các spin

song song với nhau Năng lượng này được cho bởi:  

ij

ij

là tích phân trao đổi và độ lớn của spin, ψij là góc giữa hai spin i và j

Năng lượng dị hướng: (Anisotropy energy) là dạng năng lượng liên quan đến các

tính chất dị hướng của vật từ, trong đó quá trình từ hóa bị phụ thuộc vào phương từ hóa

do sự định hướng ưu tiên của các mômen từ và do cấu trúc tinh thể của vật từ quy định

Có thể chia dạng năng lượng này thành hai số hạng: năng lượng dị hướng từ tinh thể và

năng lượng dị hướng hình dạng

Năng lượng dị hướng từ tinh thể: (Magnetocrystalline anistropy energy) năng

lượng này liên quan đến sự dị hướng tạo ra do tính chất bất đẳng hướng của cấu trúc tinh thể Mômen từ sẽ ưu tiên định hướng theo một trục (gọi là trục dễ từ hóa), và một trục

khác (vuông góc với trục dễ) được gọi là trục khó hầu như không có mômen từ định hướng Năng lượng dị hướng từ tinh thể là năng lượng cần thiết để quay mômen từ từ trục dễ sang trục khó Năng lượng này phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của mômen từ với các trục tinh thể và đối xứng tinh thể Ví dụ như trong cấu trúc lập phương

thì năng lượng dị hướng từ tinh thể cho bởi:

Năng lượng dị hướng hình dạng: (Shape anistropy energy) là năng lượng có

được do sự bất đối xứng trong quá trình từ hóa do hình dạng hình học của vật từ quy định Do tương tác giữa các từ cực, sẽ xuất hiện một trường khử từ ngược với chiều từ hóa, chống lại sự từ hóa Do đó, mômen từ sẽ có xu hướng định hướng theo trục dài của

vật Và số hạng năng lượng này được xác định bởi: 

V

eff K

dV K

Năng lượng tĩnh từ : (Magnetostatic energy) là dạng năng lượng có được do sự phân

bố các mômen từ trong vật từ Sự phân bố bất đồng nhất các mômen từ sẽ dẫn đến việc xuất hiện các từ tích bề mặt và tạo ra hai dạng trường: nội trường (trường khử từ) và ngoại trường (trường phân tán bên ngoài vật) Năng lượng này được xác định bởi:







Năng lượng Zeeman: là năng lượng có được do tương tác giữa mômen từ và từ

trường ngoài và được cho bởi công thức:  

Năng lượng từ giảo: (Magnetostrictive energy) là dạng năng lượng liên quan do hiệu

ứng từ giảo, có được do sự biến đổi về hình dạng hình học của vật từ do từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc sự thay đổi tính chất từ khi có sự thay đổi về thể tích hay hình dạng Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo trong các điện tử trong vật liệu sắt từ Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân

bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo sự quay của mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ và điện tích của môi trường Năng lượng này

E

E total  ex  k  d  z 

Cực tiểu hóa năng lượng tổng cộng sẽ quy định cấu trúc đômen của vật từ Tùy vào hình dạng vật từ và cấu hình mômen từ mà có thể xuất hiện từng dạng năng lượng tuy nhiên sự cực tiểu hóa năng lượng tổng cộng luôn là điều kiện cần cho việc xác định trạng thái cân bằng của hệ spin Ngoài ra, áp dụng phương trình Landau-Liftshitz-Gilbert có thể bổ sung đầy đủ hơn cho việc xác định các trạng thái của hệ từ Xác định năng lượng tổng cộng là một trong những nội dung cơ bản của phương pháp vi từ học Đôi khi, các

số hạng có thể được viết dưới các dạng toán học khác trong các giáo trình khác nhau, nhưng cũng có cùng bản chất và đều có thể quy về một cách biểu diễn toán học

1.3 VẬT LIỆU TỪ

1.3.1 Nguồn gốc từ tính trong vật liệu

Ngay giữa thế kỷ XIX, Faraday đã chứng tỏ rằng tất cả các vật liệu đều có tính chất

từ Cụ thể là tất cả các chất khi đặt vào trong một từ trường ngoài (H) thì bên trong chúng đều xuất hiện một cảm ứng từ (B), gây ra bởi chính các chất đó, nghĩa là đã có một quá trình từ hóa xảy ra ở trong chúng

Những vật liệu có tính chất từ được gọi là vật liệu từ Trong vật liệu từ tính chất từ được quyết định bởi momen và cấu trúc điện tử của các nguyên tử Xét một nguyên tử không chịu tác dụng của từ trường ngoài Như đã biết nguyên tử gồm hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh Electron chuyển động tương đương như một dòng điện tròn có chiều ngược với chiều quay của electron Ứng với dòng điện này là một vecto momen từ, gọi là momen từ quỹ đạo của electron

Ngoài chuyển động trên quỹ đạo electron còn tham gia một chuyển động “quay” riêng nữa Ứng với chuyển động “quay” riêng đó, electron có một vectơ momen từ riêng được gọi là momen từ spin

Momen từ nguyên tử bằng tổng các momen từ của tất cả các electron trong nguyên tử

)(

1.3.2 Phân loại vật liệu từ

Có nhiều cách phân loại vật liệu từ, hiện nay phân loại vật liệu từ có hai cách thông dụng đó là: phân loại theo hệ số từ hóa  và phân loại theo lực kháng từ H

"Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ trường Đó là thuộc tính cố hữu của mọi vật chất Ta biết rằng, khi đặt một vật vào từ trường, theo quy tắc cảm ứng điện từ, trong

nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng theo quy tắc Lenz, tức là dòng sinh ra sẽ

có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trường), và tạo ra một mômen từ phụ ngược với chiều của từ trường ngoài Đó là tính nghịch từ Chất nghịch từ là chất không có mômen

từ nguyên tử (tức là mômen từ sinh ra do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một

từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các mômen từ ngược với từ trường ngoài (quy tắc nghịch từ nói ở trên)

Theo nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ trường Nhưng thông thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính nghịch từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10-6) Các chất nghịch từ điển hình là H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au

b.Vật liệu thuận từ

Thuận từ là chất có từ tính yếu (trong ngành từ học sắp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính) Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là chất này có momen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các momen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên Vì thế mômen từ của chất thuận từ là dương

Có thể xem một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ, nhưng không liên kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và mômen từ yếu) Hơn nữa, do các nam châm này không hề có tương tác với nhau nên chúng không giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài

Hình 1.5 Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ

Chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trường (một hình ảnh ví dụ là Ôxy lỏng bị hút vào cực của nam châm điện nhưng thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy trong từ trường mạnh

Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2, Pt , và độ cảm từ μ của 1 số chất thuận từ như sau: Al: μ = 2,10.10-5, Pt: μ = 2,90.10-5, Ôxy lỏng: μ = 3,50.10-5

c.Vật liệu sắt từ và tính sắt từ (Ferromagnetic materials -Ferromagnetism)

Chất sắt từ được biết đến là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh Fe, Co, Ni, Gd là những ví dụ điển hình về loại chất này Chất sắt từ

là các chất có mômen từ nguyên tử Nhưng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ),

ta tưởng tượng tương tác này như là các nam châm đứng gần nhau, chúng hút nhau và giữ cho nhau song song Tất nhiên, bản chất vật lý của tương tác trao đổi không như thế, bản chất của tương tác trao đổi là tương tác tĩnh điện đặc biệt Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đômen từ - Magnetic domain) mà trong mỗi đômen

Hình 1.6 Oxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam châm

điện

Hình 1.7 Ảnh các đômen từ (các vùng có màu sắc khác nhau)

trên một mẫu hợp kim Ni80Fe20 có chiều dày 20 nm, cạnh

500 nm.Vật được chia thành 4 đômen

này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau (do tương tác trao đổi), tạo thành

từ độ tự phát – spontaneous magnetization của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay

cả khi không có từ trường)

Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0

Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra:

- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường

- Sự quay của các mômen từ theo hướng từ trường

Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duy nhất Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đômen, tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng không hỗn độn được) do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dư (remanent magnetization), điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực

kháng từ (coercivity, hay coercive field) Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào

từ trường ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó là đường cong phi tuyến (của thuận từ là tuyến tính) và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn

Hai đặc trưng cơ bản của chất sắt từ là:

- Đường cong từ trễ (hysteresis loop)

- Nhiệt độ Curie TC

Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T > TC, chất trở thành thuận từ và khi T < TC, chất là sắt từ Nhiệt độ TC được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ TC là một thông số đặc trưng cho chất (thông số nội tại)

Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie như : Fe: 1043K, Co: 1388K, Gd: 292.5K, Ni: 627K

Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của

từ trường ngoài) và khử từ (sự mất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài ngược với nội trường) khác nhau

Hình 1.8 Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ curie (b) của chất sắt từ

c Siêu thuận từ (Superparamagnetic materials)

Siêu thuận từ là một hiện tượng, một trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở

đó chất biểu hiện các tính chất giống như các chất thuận từ, ngay ở dưới nhiệt độ Curie.Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước hạt quá nhỏ

Một khái niệm cần biết trong sắt từ là "dị hướng từ tinh thể" K, đó là năng lượng định hướng liên quan đến sự định hướng của các mômen từ so với từ trường Mỗi chất sắt

từ có 1 trục dễ từ hóa và khó từ hóa Năng lượng để quay các mômen từ từ trục khó đến trục dễ gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể, liên quan đến sự bất đối xứng về tinh thể Một vật sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác và liên kết với nhau Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng định hướng và vật sẽ có những tính chất của một chất thuận từ Đó là siêu thuận từ

Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có những tính chất như chất thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học

Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) Tính đồng nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu, 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 trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính

d Phản sắt từ - Antiferromagnetic Materials

Ở phần sắt từ, ta đã biết rằng các chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử và các mômen này tương tác với nhau thông qua tương tác trao đổi làm cho các mômen từ

Hình 1.9 Cấu trúc từ của vật liệu sắt từ

định hướng song song với nhau Đó là tương tác trao đổi dương.Chất phản sắt từ thì ngược lại, chúng cũng có mômen từ nguyên tử nhưng tương tác giữa các mômen từ là tương tác trao đổi âm và làm cho các mômen từ định hướng phản song song với nhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược chiều)

Sự định hướng phản song song này

tạo ra 2 phân mạng từ Mn và Cr là 2

kim loại phản sắt từ điển hình Phản sắt

từ là chất thuộc loại có trật tự từ Nghiên

cứu về phản sắt từ thường được tiến

hành ở các màng mỏng (ví dụ các lớp

kiểu bánh kẹp sắt từ-phản sắt từ) tạo

thành hiệu ứng đường trễ dịch, hay

exchange bias, ứng dụng trong các đầu

đọc valse-spin trong đầu đọc của ổ đĩa

cứng

Để nghiên cứu cấu trúc từ, người ta dùng kỹ thuật nhiễu xạ neutron, hạt không mang điện nhưng có mômen từ, các thông tin thu được qua sự phân tích về tương tác giữa mômen từ của neutron với các phân mạng từ Nếu như chất phản sắt từ có 2 phân mạng

từ đối song song và bù trừ nhau thì feri từ có cấu trúc gần giống như vậy Feri từ cũng có

2 phân mạng từ đối song song, nhưng không có độ lớn như nhau nên không bù trừ hoàn toàn Do vậy feri từ còn được gọi là các phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn Ferrite là các feri từ điển hình Chúng có những tính chất giống với các chất sắt từ

1.3.2.2 Phân loại theo lực kháng từ Hc

a.Vật liệu sắt từ cứng

Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa.Nghĩa của tính từ

"cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ

Các đặc trưng

- Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng.Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, sự phụ thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn dưới đây liệt kê một số đặc trưng quan trọng

- Lực kháng từ, kí hiệu là HC đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên Nguồn gốc của lực kháng

từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn

Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường được biết đến qua công thức:

s

s S s

c

I c I N N b

• Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N1, N2 là thừa số khử từ đo theo hai phương khác nhau

• Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với s là từ giảo bão hòa,  là ứng suất nội,

a, b, c lần lượt là các hệ số

- Tích năng lượng cực đại là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ Đại lượng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng 3

m

J

Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ thuộc về góc phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trường H là cực đại Vì thế, tích năng lượng từ cực đại thường được kí hiệu là BHmax Vì là tích của B (đơn vị trong CGS

là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lượng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thường dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ) 3

1000

8 1

- Cảm ứng từ dư, thường kí hiệu là Br hay Jr, là cảm ứng từ còn dư sau khi ngắt từ trường

- Nhiệt độ Curie đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất

thuận từ Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt

độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao nhất hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ Curie từ 500°C đến trên 1000°C

- Mật độ từ tích hiệu dụng: Các phương trình Maxwell (trong hệ đo lường SI) áp dụng cho vật liệu từ cứng, khi không có dòng điện tự do chạy bên trong vật liệu này:

0 ) (

H



Ở đây, B là cảm ứng từ, H là cường độ từ trường, M là độ từ hóa Vậy tồn tại trường

vô hướng Vm, gọi là thế vô hướng từ (đóng vai trò tương tự điện thế trong tĩnh điện học),

thỏa mãn:

m V

V H

Với ρm là mật độ từ tích hiệu dụng (đóng vai trò tương tự mật độ điện tích trong

• Vật liệu từ cứng ferrite: Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari (BaFexO), stronsti (SrFexO) và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ lanthannium (La)) để cải thiện tính từ cứng Ferrite là vật liệu có 2 phân mạng từ bù trừ nhau, và chứa hàm lượng ôxi lớn nên khó tạo ra từ độ lớn, nhưng lại có lực kháng từ lớn hơn rất nhiều so với AlNiCo Lực kháng từ của ferrite có thể đạt tới 5 kOe Ferrite có điểm mạnh là rẻ tiền, chế tạo dễ dàng và có độ bền cao Vì thế nó chiếm phần lớn thị phần nam châm thế giới (tới hơn 50%) dù có phẩm chất không phải là cao

• Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm: Điển hình là hai hợp chất

B

Fe

Nd2 14 và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ cứng, do đó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt

độ Curie rất cao nên thường sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao) Tuy nhiên, nhược điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm (312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt được Nam châm đất hiếm có tích năng lượng từ kỷ lục là đạt tới 57 MGOe

• Hợp kim FePt và CoPt: Bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1950 Hệ hợp kim này

có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu điểm là

có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao Loại hợp kim này hiện nay đang được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng

• Nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi: Loại vật liệu được bắt đầu phát triển từ những thập kỷ 90 của thế kỷ 20, với cấu trúc tổ hợp của 2 loại vật liệu: vật liệu từ mềm cung cấp

từ độ bão hòa lớn, vật liệu từ cứng cho lực kháng từ cao, và các hạt tổ hợp ở kích thước nanomet, có liên kết trao đổi với nhau, tạo ra tính chất tổ hợp và sẽ cho loại nam châm mới với tính từ cứng tuyệt vời, lớn hơn tất cả các vật liệu từ cứng đã biết Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại, các tính chất đạt được trong thực tế còn thua xa dự đoán lý thuyết do chưa tạo được cấu trúc hoàn hảo như dự đoán Loại vật liệu này vẫn trong giai đoạn nghiên cứu phát triển

b Vật liệu sắt từ mềm

Vật liệu từ mềm, (Soft magnetic material) là vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện

từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ Vật liệu sắt từ mềm thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ

Các thông số của vật liệu từ mềm

• Thông số quan trọng đầu tiên để nói lên tính chất từ mềm của vật liệu từ mềm là lực kháng từ (coercivity, thường kí hiệu là Hc) Lực kháng từ là từ trường ngoài ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu Lực kháng từ của các vật liệu từ mềm phải nhỏ hơn

cỡ 100 Oe Những vật liệu có tính từ mềm tốt, thậm chí có lực kháng từ rất nhỏ (tới cỡ 0,01Oe)

• Độ từ thẩm ban đầu (intial permeability): Là thông số rất quan trọng nói lên tính từ mềm của vật liệu từ mềm, vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến vài ngàn, thậm chí hàng trăm ngàn

• Độ từ thẩm cực đại (Maximum permeability): Ta biết rằng vật liệu sắt từ không những có độ từ thẩm lớn mà còn có độ từ thẩm là một hàm của từ trường ngoài Và độ từ thẩm cực đại cũng là một thông số quan trọng Có những vật liệu sắt từ mềm có độ từ thẩm cực đại rất cao, tới hàng vài trăm ngàn ví dụ như permalloy, hay hợp kim nano tinh thể Finemet

• Cảm ứng từ bão hòa, hay từ độ bão hòa : Vật liệu từ mềm thường có từ độ bão hòa rất cao Loại có từ độ cao nhất là hợp kim có từ độ bão hòa đạt tới 2,34 T

• Tổn hao dòng xoáy: Như đã biết, vật liệu từ mềm được sử dụng trong từ trường ngoài, và nếu sử dụng trong trường xoay chiều, sẽ sinh ra các dòng điện Foucault gây mất mát năng lượng và tỏa nhiệt Công suất tổn hao Foucault được tính theo công thức:



3

4 2 2 2 2

f k d B

P Foucault s f , trong đó:

Bs: là cảm ứng từ bão hoà của lõi

d: độ dày của lõi

• Từ giảo: Về mặt bản chất, từ giảo là sự thay đổi hình dạng vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài Việc khử từ giảo giúp cho việc tạo ra tính từ mềm tốt Có những vật liệu có từ giảo bằng 0 như vật liệu vô định hình nền Co

Hình 1.11 Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm

và một số thông số trên đường trễ

Một số loại vật liệu từ mềm

• Tôn Silic: Là hợp kim của sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), hoặc chứa thêm khoảng 5,4% nhôm (Al), còn được gọi là hợp kim Sendust, là một trong những vật liệu sắt từ mềm được dùng phổ biến nhất có độ cứng cao, có độ từ thẩm cao và tổn hao trễ thấp Tuy nhiên, vật liệu này trên nền kim loại, nên có điện trở suất thấp, do đó không thể

sử dụng ở tần số cao do sẽ làm xuất hiện tổn hao xoáy lớn

• Hợp kim Permalloy: Là hợp kim của niken (Ni) và sắt (Fe), có lực kháng từ rất nhỏ, độ từ thẩm rất cao (vật liệu có độ từ thẩm ban đầu lớn tới 10000), có độ bền cơ học

và khả năng chống ăn mòn cao Tuy nhiên, permalloy có từ độ bão hòa không cao

• Hợp kim FeCo: là các hợp kim từ mềm có từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao

• Các vật liệu gốm ferrite: Là hợp chất của ôxit Fe (Fe2O3 ) với một ôxit kim loại hóa trị 2 khác, có công thức chung là MO.Fe2O3 Các ferrite mang bản chất gốm, nên có điện trở suất rất cao nên tổn hao dòng xoáy của ferrite rất thấp, được dùng cho các ứng dụng cao tần và siêu cao tần

• Hợp kim vô định hình và nanô tinh thể: Là các hợp kim nền sắt hay cô ban (Co), ở trạng thái vô định hình, do đó có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh thể, đồng thời có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, và có thể sử dụng ở tần số cao hơn so với các vật liệu tinh thể nền kim loại Vật liệu vô định hình không có cấu trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì thế nó có tính từ mềm rất tốt Vật liệu vô định hình nền Co còn có từ giảo bằng 0 nên còn có lực kháng từ cực nhỏ

Khi kết tinh từ trạng thái vô định hình, ta có vật liệu nano tinh thể, là các hạt nanô kết tinh trên nền vô định hình dư, triệt tiêu từ giảo từ tổ hợp hai pha vô định hình và tinh thể nên có tính từ mềm cực tốt và có thể sử dụng ở tần số cao Vật liệu từ mềm nano tinh thể thương phẩm tốt nhất là [FINEMET] (Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1 ) được phát minh bởi Yoshizawa (Hitachi Metal Ltd, Nhật Bản) năm 1988 và nhiều thế hệ khác được phát triển sau đó

CHƯƠNG II CÁC HIỆU ỨNG TRONG VẬT LIỆU TỪ

2.1 HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT

2.1.1 Phát hiện hiệu ứng từ nhiệt

Hiệu ứng từ nhiệt lần đầu tiên được phát hiện năm 1881 bởi E.warburg khi tiến hành

từ hóa sắt tạo ra sự thay đổi nhiệt độ từ 0.5 đến 2K cho một T biến thiên theo từ trường Hiệu ứng này được phát triển và giải thích nguyên lý bởi Debye (năm 1926) và Giauque (năm 1927)

2.1.2 Sơ lược về hiệu ứng từ nhiệt

Hiệu ứng từ nhiệt (magnetocaloric effect-MCE) là sự thay đổi nhiệt độ đoạn nhiệt khi vật liệu từ được làm lạnh hay đốt nóng dưới tác dụng của từ trường (thực chất là do sự tương tác của các phân tử mạng với từ trường ngoài làm cho entropy từ của hệ thay đổi) Khi ta đặt một từ trường vào một vật liệu từ, các moment từ sẽ có xu hướng sắp xếp định hướng theo từ trường, sự định hướng này làm giảm entropy của hệ moment từ Nếu

ta thực hiện quá trình này một cách đoạn nhiệt (tổng entropy của hệ vật không đổi) thì entropy của mạng tinh thể phải tăng để bù lại sự giảm của entropy moment từ.Quá trình này làm cho vật từ bị nóng lên Ngược lại nếu ta khử từ (đoạn nhiệt), các moment từ sẽ bị quay trở lại trạng thái bất trật tự, dẫn đến việc tăng entropy của hệ moment từ Do đó entropy của hệ bị giảm và vật từ bị lạnh đi

Biến thiên entropy của hệ:

dH H

S T dT T

S T

T

M S

0

)(Biến thiên nhiệt độ trong các quá trình đoạn nhiệt này sẽ được cho bởi công thức:

Hình 2.1 Nguyên lý của hiệu ứng từ nhiệt

Các quá trình nhiệt động trong các thiết bị sử dụng hiệu ứng từ nhiệt

• Từ hóa đoạn nhiệt: Tức là đặt một

từ trường (+H) để định hướng các mômen

từ, dẫn đến việc tăng nhiệt độ của khối vật

liệu từ

• Hấp thu nhiệt: Người ta sử dụng các

chất lỏng (nước, dầu, nitơ lỏng ) để thu

nhiệt, đưa nhiệt độ của mẫu trở lại ban đầu

mà vẫn giữ nguyên từ tính của khối vật

liệu

• Khử từ đoạn nhiệt: Quá trình này, từ

tính của mẫu bị phá hủy bằng cách đặt các

từ trường ngược, tạo nên sự hỗn loạn trong

định hướng của các mômen từ, và khối vật

liệu bị lạnh đi

• Lấy nhiệt của môi trường làm lạnh: Sử dụng các chất dẫn nhiệt để truyền nhiệt từ môi trường cần làm lạnh vào vật Vật trở lại trạng thái ban đầu, quay trở lại điểm bắt đầu của chu trình

2.1.3 Các phương pháp đo hiệu ứng từ nhiệt trong vật lý chất rắn

2.1.3.1 Nguyên tắc đo chung:

Trong nghiên cứu về các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn, có thể có nhiều cách khác nhau để xác định tính chất của hiệu ứng này, và có 2 cách được dùng phổ biến nhất:

• Đo trực tiếp: Mẫu cần đo được đặt vào buồng cách nhiệt và có thể điều khiển nhiệt

độ, tiếp xúc với cảm biến nhiệt độ Đặt từ trường vào để từ hóa và khử từ mẫu đo, cảm biến nhiệt độ sẽ ghi lại trực tiếp sự biến đổi nhiệt độ của vật liệu Cách này cho trực tiếp biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt T ad nhưng khó thực hiện hơn do phải tạo cho vật không

có sự trao đổi nhiệt trong quá trình đo

• Đo gián tiếp: Là cách đo được dùng phổ biến nhất, tức là người ta xác định biến thiên entropy từ từ đó xác định biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt Cách này có độ chính xác không cao, nhưng lại dễ tiến hành nên được dùng phổ biến nhất Cách thức của phép đo dựa trên biểu thức: m H  T dH

T

M S

0

)(

Ta có thể biến đổi biểu thức như sau:



H

MdH

0

chính là diện tích đường cong chắn dưới đường cong từ hóa M(H) Như vậy, để

đo biến thiên entropy từ, ta chỉ việc đo một loạt các đường cong từ hóa đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, xác định diện tích chắn bởi đường cong và biến thiên entropy từ là hiệu các diện tích liên tiếp chia cho biến thiên nhiệt độ

2.1.3.2 Phép đo đường cong từ nhiệt FC và ZFC

Phép đo FC là đo từ độ sau khi hệ được làm lạnh có từ trường (Field cooled) Từ một nhiệt độ nào đó trong trạng thái thuận từ (T>T), hệ được làm lạnh trong sự có mặt

Hình 2.2 Hệ các đường cong từ hóa đẳng nhiệt của một vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn

của từ trường H nào đó xuống một nhiệt độ thấp nhất mà hệ có thể đạt được sau đó, nhiệt

độ của hệ có thể tăng dần với tốc độ không đổi, và các giá trị FC(T) được ghi lại trong quá trình tăng nhiệt đó

Phép đo ZFC là đo từ độ của mẫu sau khi được làm lạnh tại từ trường bằng không trong trạng thái thuận từ tới một nhiệt độ thấp nhất nào đó, sau đó đặt từ trường H và các giá trị ZFC(T) được đo như trong quá trình tăng nhiệt độ trong phép đo FC

Sự khác nhau cơ bản giữa hai phép đo FC(T) và ZFC(T) là quá trình làm lạnh mẫu có hay không có từ trường trước khi tăng nhiệt độ và ghi nhận số liệu Do đó, cấu hình các momen từ đóng băng khác nhau, hoặc đóng băng theo cấu trúc hỗn độn trong pha thuận

từ của chế độ ZFC, hay đóng băng theo cấu hình định hướng của các momen từ theo từ trường ngoài của chế độ FC Do vậy đường cong FC luôn cao hơn ZFC trước khi đạt đến nhiệt độ thuận nghịch Tf – nhiệt độ mà bắt đầu từ đó các giá trị của FC và ZFC là như nhau

Từ đường cong FC hoặc ZFC có thể xác định nhiệt độ chuyển pha Curie (TC) bằng phương pháp Arrot plot Arrot plot là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ bình phương vào tỉ số (H/T), TC là điểm mà tại đó đường cong này dốc nhất

2.1.4 Hiệu ứng từ nhiệt trong Perovskite

2.1.4.1 Sơ lược về cấu trúc perovskite

Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm canxi titanat (CaTiO3) Cấu trúc perovskite lý tưởng (không pha tạp) có dạng ABO3, ô mạng cơ sở là hình lập phương có a =b = c, 8 đỉnh là 8 cation kim loại đất hiếm A, tâm là cation kim loại chuyển tiếp B; tâm của 6 mặt bên là 6 anion O Đặc trưng quan trọng của cấu trúc perovskite là tồn tại các bát diện BO6 nội tiếp trong

ô mạng cơ sở với 6 anion O2- tại các đỉnh của bát diện, 1 cation B nội tiếp tại tâm bát diện

2.1.4.2 Hiệu ứng từ nhiệt trong Perovskite

Để khảo sát sự chuyển pha và nhiệt độ chuyển pha từ của hệ mẫu, người ta thực hiện phép đo đường cong từ nhiệt ở hai chế độ: làm lạnh không có từ trường (ZFC) và làm lạnh có từ trường (FC) ở từ trường thấp H=20 Oe

Tiến hành khảo sát 2 mẫu: Pr1-xPbxMnO3 (x = 0,1; 0,2; 0,3; 0,5)- hệ P1 và (La0.5Pr0.5)

1-xPbxMnO3 (x = 0,1; 0,2; 0,3; 0,5) – hệ P2 Thông qua đo các đường cong từ nhiệt FC-ZFC được đo trong từ trường nhỏ 20 Oe, chuyển pha sắt từ - thuận từ sắc nét đã được quan sát

và giá trị nhiệt độ Curie TC cũng đã được xác định Đối với cả hai hệ P1 và P2, TC tăng khi hàm lượng Pb thay thế tăng lên Khi tăng hàm lượng Pb, sự thay đổi lớn về góc liên kết Mn3+-OMn4+ do méo mạng Jahn-Teller lớn dẫn đến việc tăng cường tương tác trao đổi kép do vậy dẫn đến việc tăng tính sắt từ (tăng TC)

Họ đường cong từ nhiệt cho thấy sự tách biệt rõ rệt giữa hai đường FC và ZFC tại vùng nhiệt độ thấp, ở vùng nhiệt độ cao 2 vùng này gần như trùng nhau Điều này được giải thích như sau: Khi làm lạnh từ trường các spin hỗn loạn và linh động ở trạng thái thuận từ được định hướng trong từ trường và ở nhiệt độ thấp các spin này bị đóng băng nhưng vẫn giữ nguyên định hướng cũ (đường từ nhiệt FC) Đối với đường ZFC khi làm

Hình 2.4 Các đường cong từ nhiệt FC

và ZFC của hệ mẫu P2

lạnh không có từ trường sự hỗn loạn của các spin được giữ nguyên như sự hỗn loạn trong trạng thái thuận từ vốn có của mẫu Do đó giá trị từ độ của các đường FC là lớn hơn các đường ZFC Trong từ trường nhỏ vị trí tách nhau của hai đường cong FC và ZFC tại một nhiệt độ xác định nào đó gọi là nhiệt độ bất thuận nghịch

Biến thiên entropy từ |ΔSm|(T) đã được xác định bằng công thức:

  max  

0

)),((

S thông qua việc đo một họ các đường cong M(H) xung

quanh TC của các mẫu Hình 2.5 biểu diễn sự phụ thuộc giá trị cực đại |ΔSm|max đạt được ở gần nhiệt độ Curie và vật liệu cho hiệu ứng từ nhiệt lớn ở gần nhiệt độ phòng

Giá trị biến thiên entropy từ trong vật liệu Perovskite phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và công nghệ chế tạo mẫu, được đặc trưng bởi hai thông số: giá trị từ độ của mẫu và

độ sắc nét của chuyển pha sắt từ-thuận từ

2.1.5 Hiệu ứng từ nhiệt trong một số vật liệu khác

2.1.5.1 Hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp kim liên kim loại

Gadolinium (Gd) và các hợp kim của chúng: Gd là một nguyên tố đất hiếm có tính sắt

từ có mômen từ lớn nên có khả năng cho hiệu ứng từ gọi là hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (Giant magnetocaloric effect - GMCE)

Người ta nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt trong hợp kim Gd5M2Si2 và Gd98Co2 cho kết

Hình 2.5 Biến thiên entropy từ |ΔSm| của hai hệ perovskite Pr1-xPbxMnO3

(a) và (La0,5Pr0,5)1-xPbxMnO 3 (b) trong từ trường biến thiên 13,5 kOe

Có thể thấy rằng, chuyển pha là sắc nét (mẫu M = Ge) và nhiệt độ Curie rất gần nhiệt

độ phòng Mẫu M = Mn có cấu trúc đa pha dẫn đến việc chuyển pha sắt từ - thuận từ kém sắc nét

Đối với mẫuGd98Co2 việc thay thế một hàm lượng nhỏ Co cho Gd dẫn đến việc tăng

TC về gần nhiệt độ phòng hơn so với của mẫu thuần Đồng thời, việc pha tạp này còn làm tăng độ bền của vật liệu đối với môi trường

Có thể thấy rằng, giá trị cực đại |ΔSm|max đạt được đối với mẫu Gd5Ge2Si2 là khá lớn Việc thay thế của Co cho Gd trong dẫn đến việc dịch vùng làm việc của vật liệu về gần nhiệt độ phòng hơn so với Gd nguyên chất đồng thời còn làm tăng mạnh giá trị

|ΔSm|max so với của Gd Mặt khác, chúng có vùng nhiệt độ làm việc khá rộng (được xác định bằng bán độ rộng của đường cong ΔSm(T)) Điều này rất quan trọng cho mục đích ứng dụng

Ưu điểm của các hợp kim liên kim loại là có nhiệt dung thấp (do có bản chất kim loại)

và có mômen từ cao (dễ tạo ra biến thiên entropy từ lớn) Tuy nhiên, loại vật liệu này vẫn bộc lộ những nhược điểm là khó điều khiển giá trị TC, độ bền không cao và chế tạo phức tạp (đặc biệt là các vật liệu chứa các nguyên tố như P,As ) Hơn nữa, các mẫu chứa nhiều Gd còn có một nhược điểm là có giá thành cao

Hình 2.6 a Đường cong M(T) của hệ

Gd 5 M 2 Si 2 và Gd 98 Co 2 đo trong từ trường

50 Oe

Hình 2.6 b Biến thiên entropy từ của một số hợp kim liên kim loại

2.1.5.2 Hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp kim vô định hình

Hợp kim vô định hình là hợp kim nền sắt hay coban (Co) ở trạng thái vô định hình, về mặt cấu trúc nguyên tử chúng là các chất không có trật tự về vị trí

Nghiên cứu hệ băng vô định hình Fe78-xCrxSi4Nb3Cu1 người ta thu được đường cong

từ nhiệt M(T) được đo trong từ trường 20 Oe Có thể thấy rằng chuyển pha sắt từ - thuận

từ là rất sắc nét Nhiệt độ Curie đã được xác định và cho thấy TC giảm gần như tuyến tính theo hàm lượng Cr thay thế từ vùng nhiệt độ cao 450 K về vùng nhiệt độ phòng (TC =

297 K – x = 8) Sự giảm của TC là do sự pha loãng tính chất từ trong các hợp kim vô định hình làm giảm tương tác trao đổi sắt từ

Cùng với sự giảm TC, mômen từ bão hòa cũng giảm nhẹ theo hàm luợng Cr thay thế

Biến thiên entropy từ cũng được xác định Biến thiên entropy từ của hệ băng vô định hình phụ thuộc vào nhiệt độ T Có thể thấy rằng, giá trị |ΔSm|max đạt được tại nhiệt độ rất gần nhiệt độ TC tương ứng Một điểm đặc biệt là giá trị |ΔSm|max là rất lớn (tới 13,9 J/kg.K cho mẫu Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1- Finemet hay 11,2J/kg.K với Fe78Si4Nb5B12Cu1) Khi TC được hạ xuống gần nhiệt độ phòng, tuy |ΔSm|max có giảm nhẹ nhưng các giá trị này còn rất lớn Biến thiên entropy từ khổng lồ trong hệ hợp kim vô định hình bắt nguồn

từ 2 yếu tố: mômen

Hình 2.7 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ của hệ Fe 78-x Cr x Si 4 Nb 3 Cu 1

từ bão hòa lớn (do chứa hàm lượng Fe cao) và chuyển pha sắt từ - thuận từ rất sắc nét (do

sự đồng nhất cao về phân bố nguyên tử và cấu trúc được tạo ra trong quá trình chế tạo)

Hiệu ứng từ nhiệt là một hiệu ứng cố hữu của các vật liệu từ, có nghĩa là tính chất này

có mặt ở tất cả các vật liệu từ Hiệu ứng này đạt giá trị cực đại tại nhiệt độ chuyển pha từ tính của vật liệu (theo công thức về biến thiên entropy từ, giá trị này cực đại khi biến thiên của mômen từ cực đại - xảy ra ở nhiệt độ chuyển pha từ tính) Thông thường,biến thiên entropy từ và biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt sẽ lớn khi vật liệu là sắt từ, và xảy ra lớn nhất ở nhiệt độ chuyển pha Sau khi nghiên cứu về các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt,

để dễ dàng so sánh về tính chất của các vật liệu từ nhiệt khác nhau người ta đã đưa ra bảng các giá trị nhiệt độ chuyển pha TC và giá trị

max

m S

 entropy từ cực đại của một số vật liệu như sau:

Hình 2.8 Biến thiên entropy từ của các hợp kim vô định hình (a) hệ Fe 73.5-x Cr x Si 13.5 B 9 Nb 3 Cu 1 ,

(b) Fe 78-x Cr x Si 4 Nb 5 B 12 Cu 1

2.1.6 Ứng dụng của hiệu ứng từ nhiệt

Có hai xu hướng nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng từ nhiệt:

• Nghiên cứu các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn ở nhiệt độ thấp cho kỹ thuật tạo nhiệt độ rất thấp Với phương pháp này, người ta đã tạo ra nhiệt độ cực thấp, tới cỡ miliKelvin hay microKelvin Một số vật liệu đang được nghiên cứu và sử dụng gần đây là:

- Gadolinium (Gd) và các hợp kim của chúng: Gd là một nguyên tố sắt từ có momen

từ lớn nên có khả năng cho hiệu ứng từ nhiệt lớn Gd và hợp kim của nó là loại được sử dụng phổ biến nhất trong các máy lạnh thử nghiệm

- Các hợp chất liên kim loại: đang được nghiên cứu gần đây, vật liệu này có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ xung quanh nhiệt độ phòng

- Tuy nhiên, các vật liệu liên kim loại - đất hiếm có nhược điểm là quy trình chế tạo phức tạp, giá thành cao và thường có độ bền kém nên người ta đang nghiên cứu phát triển các vật liệu khác có giá thành rẻ hơn và dễ chế tạo hơn Các vật liệu gốm perovskite cũng

là nhóm các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt ở x dụng Gần đây, các vật liệu vô định hình nền sắt được coi là rất khả quan cho ứng dụng với hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ trong dải rộng nhiệt độ, dễ chế tạo và giá rẻ

- Các muối thuận từ cho kỹ thuật nhiệt độ rất thấp

• Nghiên cứu các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn ở xung quanh nhiệt độ phòng (hoặc cao hơn) để sử dụng trong các máy lạnh thay thế cho các máy lạnh truyền thống sử dụng chu trình nén khí với ưu thế:

- Không gây ô nhiễm (máy lạnh dùng khí nén thải ra khí phá hủy tầng ôzôn) do không thải ra các chất thải ô nhiễm

- Hiệu suất cao: Các máy lạnh dùng từ trường có thể cho hiệu suất cao trên 60% trong khi các máy lạnh nén khí chỉ cho hiệu suất không quá 40%

Việc ứng dụng từ trường để làm lạnh được dựa trên hiệu ứng từ nhiệt, theo đó thay đổi từ trường trong vật liệu có thể khiến cho vật liệu đó lạnh hơn

Ứng dụng này hứa hẹn nhiều triển vọng mặc dù các nhà khoa học trước tiên phải định hình được chu trình hoạt động của hệ thống

Sujoy Roy, một nhà vật lý tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở California đang nghiên cứu ứng dụng này cho biết, vấn đề cốt lõi ở chỗ phải tìm ra các loại hợp kim có thể tạo ra hiệu ứng từ nhiệt ở nhiệt độ phòng, tiêu thụ không nhiều năng lượng, đồng thời giá cả cũng phải chăng

Với sự nghiên cứu nhiệt tình của các nhà khoa học, hi vọng chiếc tủ lạnh hoạt động bằng từ trường sớm được ra đời

2.2 HIỆU ỨNG TỪ QUANG KERR

Hiệu ứng từ quang Kerr (tiếng Anh: Magneto-optic Kerr effect, viết tắt là MOKE) là một hiệu ứng quang từ mà ở đó ánh sáng phản xạ trên các bề mặt của vật liệu bị từ hóa thì bị thay đổi cả về tính chất phân cực cũng như độ phản xạ Tên hiệu ứng này được đặt theo tên của nhà vật lý người Scotland Rev John Kerr, người đã phát hiện ra hiệu ứng này vào năm 1877 MOKE là một hiệu ứng thuộc nhóm hiệu ứng Kerr

Mô tả hiệu ứng: Khi ánh sáng phản xạ trên một bề mặt vật liệu bị từ hóa, tương tác giữa momen từ và ánh sáng có thể dẫn đến việc ánh sáng phản xạ bị thay đổi tính chất phân cực