Nghiên cứu một số tính chất của các hệ hạt nano từ tính FePd và FePt chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm và điện hóa siêu âm

Mục tiêu của luận án là chế tạo thành công hạt nano FePt và FePd bằng phương pháp hóa siêu âm và điện hóa siêu âm; nghiên cứu các tính chất cấu trúc, một số tính chất từ, ảnh hưởng của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Nguyễn Thị Thanh Vân

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT

CỦA CÁC HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH FePd VÀ FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM

VÀ ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Nguyễn Thị Thanh Vân

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT

CỦA CÁC HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH FePd VÀ FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM

VÀ ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM

Chuyên ngành : Vật lý Chất rắn

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 GS.TSKH Nguyễn Hoàng Lương

2 PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải

Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thanh Vân

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS.TSKH Nguyễn Hoàng Lương, PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải, những người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, dạy bảo tôi những kiến thức cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án

Xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Hoàng Nam, anh Lưu Mạnh Quỳnh đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn các cán bộ Khoa Vật lý và Phòng Sau đại học của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả hoàn thành luận án này Tác giả cũng bày

tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy, Cô, các anh chị và các bạn học viên thuộc Bộ môn Vật lý Chất rắn, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý và Trung tâm Nano và Năng lượng của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu và tạo điều kiện cho được sử dụng các thiết bị để hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn đề tài NAFOSTED mã số 103.02.72.09 đã hỗ trợ cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án

Về phía Học viện Kỹ thuật Mật mã, nơi tôi đang công tác, tôi xin cảm

ơn các thầy cô trong Bộ môn Lý-Hóa, lãnh đạo Khoa Cơ bản, Phòng đào tạo, Ban Giám đốc Học viện Kỹ thuật Mật mã, Ban Cơ yếu Chính phủ đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian cho tôi trong quá trình học tập Xin cảm ơn sự giúp

đỡ của bạn bè và những người thân trong gia đình đã động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả hoàn thành luận án này Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến mọi người

Tác giả luận án

MỤC LỤC

Trang

Mục lục 1

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5

Danh mục các bảng 6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

MỞ ĐẦU 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 18

1.1 Vật liệu FePt 18

1.1.1 Giản đồ pha của hệ FePt 18

1.1.2 Cấu trúc tinh thể của hệ FePt 19

1.1.3 Chuyển pha bất trật tự - trật tự của hợp kim FePt 21

1.1.4 Cách tính thông số trật tự từ giản đồ nhiễu xạ tia X 23

1.1.5 Năng lượng của chuyển pha A1-L1o trong hợp kim FePt 27

1.2 Vật liệu FePd 27

1.2.1 Giản đồ pha của hệ FePd 28

1.2.2 Chuyển pha bất trật tự - trật tự của FePd có cấu trúc L1o 29

1.3 Tính chất từ 29

1.3.1 Dị hướng từ 29

1.3.2 Trật tự L1o ở nhiệt độ thấp của vật liệu FePd và FePt 30

1.3.3 Mối quan hệ giữa pha trật tự L1o và lực kháng từ Hc 31

1.3.4 Tính chất từ của FePt và FePd 34

1.3.4.1 Nguồn gốc tính từ cứng mạnh của FePd và FePt 34

1.3.4.2 Tính chất từ 34

1.3.5 Độ nhớt từ 40

1.4 Các phương pháp chế tạo hạt nano 42

1.4.1 Phương pháp hóa siêu âm 43

1.4.1.1 Khái niệm phương pháp hóa siêu âm 43

1.4.1.2 Hiện tượng xâm thực 43

1.4.1.3 Thiết bị 50

1.4.2 Phương pháp điện hóa siêu âm 53

1.4.2.1 Vai trò của sóng siêu âm 54

1.4.2.2 Cấu tạo hệ thống điện hóa siêu âm 56

1.4.2.3 Đặc trưng chung của các quá trình điện hoá 58

1.4.2.4 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện hóa siêu âm 60

1.4.2.5 Ứng dụng của phương pháp điện hóa siêu âm 62

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 65

2.1 Chế tạo mẫu 65

2.1.1 Chế tạo mẫu bằng phương pháp hóa siêu âm 65

2.1.1.1 Chế tạo hạt nano kim loại FePd bằng phương pháp hóa siêu âm 65

2.1.1.2 Chế tạo hạt nano kim loại FePt bằng phương pháp hóa siêu âm 67

2.1.2 Chế tạo hạt nano FePt bằng phương pháp điện hóa siêu âm 68

2.2 Xử lý mẫu sau khi chế tạo 69

2.3 Các phép đo khảo sát tính chất của hạt nano 70

2.3.1 Phân tích thành phần mẫu 69

2.3.2 Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 70

2.3.3 Phân tích vi hình thái bằng kính hiển vi điện tử truyền qua 70

2.3.4 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung 72

2.3.5 Khảo sát tính chất từ bằng hệ đo PPMS 73

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM 75

3.1 Phân tích thành phần hạt nano FePd bằng phổ tán sắc năng lượng 76

3.2 Vi hình thái của hạt nano FePd 77

3.3 Cấu trúc và các hằng số mạng của hạt nano FePd 77

3.3.1 Mẫu chưa ủ 77

3.3.2 Mẫu sau khi ủ 78

3.4 Tính chất từ của hạt nano FePd 82

3.4.1 Đường cong từ hóa ban đầu của hạt nano FePd 82

3.4.2 Tính chất từ của hạt nano FePd ở nhiệt độ phòng 83

3.4.3 Tính chất từ của hạt nano FePd ở nhiệt độ thấp 87

3.4.3.1 Đường từ trễ và lực kháng từ của hạt nano FePd 87

3.4.3.2 Độ vuông từ 90

3.4.4 Hiệu ứng nhớ từ 91

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 98

CHƯƠNG 4 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM 99

4.1 Phân tích thành phần hạt nano FePt bằng phổ tán sắc năng lượng 100

4.2 Vi hình thái của hạt nano FePt 100

4.3 Cấu trúc và các hằng số mạng của hạt nano FePt 101

4.3.1 Mẫu chưa ủ 101

4.3.2 Mẫu sau khi ủ 102

4.3.2.1 Hằng số mạng 103

4.3.2.2 Thông số trật tự của mẫu FePt 105

4.4 Tính chất từ của hạt nano FePt 106

4.4.1 Đường từ trễ của hạt nano FePt 106

4.4.1.1 Mẫu chưa ủ 106

4.4.1.2 Các mẫu nguội bình thường sau khi ủ 107

4.4.1.3 So sánh giữa các mẫu nguội bình thường và nguội nhanh sau khi ủ 108

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 115

CHƯƠNG 5 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM 117

5.1 Phân tích thành phần hạt nano FePt bằng phổ tán sắc năng lượng 118

5.2 Vi hình thái của hạt nano FePt 118

5.3 Cấu trúc của hạt nano FePt 119

5.4 Tính chất từ của hạt nano FePt 120

5.4.1 Đường từ trễ của hạt nano FePt đo ở nhiệt độ phòng 120

5.4.1.1 Lực kháng từ 123

5.4.1.2 Độ vuông từ 124

5.4.2 Tính chất từ của hạt nano FePt ở nhiệt độ thấp 125

KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 129

KẾT LUẬN CHUNG 130

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

EDS : Phổ tán sắc năng lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Thông số cấu trúc tinh thể của các pha Fe3Pt, FePt và FePt3

trong trạng thái trật tự và bất trật tự

20

1.2 Giá trị chỉ số mặt h, k, l của vạch nhiễu xạ cơ bản và vạch

nhiễu xạ siêu mạng cho các cấu trúc L1o và L12

24

1.3 Cường độ nhiễu xạ (PDF) của Fe3Pt (a), FePt (b) và FePt3

(c) Các chỉ số có gạch chân là của vạch siêu mạng

25

1.4 Các thông số sử dụng để tính toán thông số trật tự s theo các

biểu thức (1.2) – (1.5) của hợp kim FePt

26

1.5 Sự phụ thuộc tỷ phần pha fct vào thời gian ủ trong các hợp

kim CoPt và FePt

33

1.6 Tính chất từ của pha Fe3Pt, FePt và FePt3 trong trạng thái trật

tự và bất trật tự (Tc: nhiệt độ Curie, TN: nhiệt độ Néel, MS: từ

độ bão hòa, K1: hằng số dị hướng)

35

1.7 Tính chất nội tại của FePt, FePd khi so sánh với tính chất của

các nam châm vĩnh cửu và các vật liệu ghi từ điển hình khác

36

1.8 Một số áp suất tương ứng với bán kính mỗi bọt khí 47

3.1 Các mẫu FexPd100-x chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm

(thời gian ủ nhiệt 1 h)

75

3.2 Sự phụ thuộc hằng số mạng theo nhiệt độ ủ của hệ mẫu FP4 80

3.3 Sự phụ thuộc của hằng số mạng theo thành phần mẫu FePd

khi ủ tại 550oC trong thời gian 1 h

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.2 Mô tả cấu trúc tính thể của các pha bất trật tự (fcc) (a) và

trật tự (fct) (b) của hợp kim FePt (Hình tròn rỗng là Fe, hình

tròn đặc là Pt)

19

1.3 Cấu trúc trật tự L1o FePt (a), L12 Fe3Pt (b), L12 FePt3 (c) 21 1.4 Biên pha (mặt phẳng được đánh dấu) trong cấu trúc L1o. 23

1.6 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào tỷ phần pha L1o 33 1.7 Ảnh TEM của hạt nano FePt sau khi ủ tại (a) 530oC và (b) 600oC 38

1.11 Hiện tượng xâm thực trong hệ lỏng - lỏng không đồng nhất 48

1.12 Hiện tượng xâm thực trong hệ huyền phù - lỏng không

1.15 Nguồn siêu âm làm bằng vật liệu từ giảo (a) và áp điện (b) 51

1.18 Ảnh SEM (Scanning electron micrograph) của bột kẽm sau

khi kích thích sóng siêu âm Đoạn nối giữa hai hạt kẽm được hình thành do sự nóng chảy cục bộ là kết quả của sự

va chạm mạnh

55

1.19 Ảnh SEM của bột kim loại trước và sau khi chiếu

xạ siêu âm Crom nóng chảy ở 1857oC và các hạt crom bị biến dạng, kết tụ lại với nhau Molybden nóng chảy ở 2617oC và các hạt Mo cũng kết tụ lại với nhau nhưng không hoàn toàn Tungsten nóng chảy ở 3410oC và không bị ảnh hưởng

55

2.2 Bình 3 cổ đựng dung dịch 2 muối Fe(C2H3O2)2 và

2.5 Bình 3 cổ đựng dung dịch 2 muối Fe(C2H3O2)2 và H2PtCl6

lúc đầu

68

2.6 Bình 3 cổ đựng dung dịch chứa hạt FePt sau khi rung siêu

âm 4 h

68

3.3 Ảnh TEM của mẫu FD4 trước ủ (ảnh trái), sau khi ủ (ảnh phải) 77 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu FD4 ngay sau khi chế tạo 78 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu FD4 ủ ở các nhiệt độ khác nhau 79

3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu FD1, FD2, FD3, FD4,

FD5 ủ tại nhiệt độ 550oC trong 1h

81

3.7 Đường cong từ hóa ban đầu của mẫu FD4 ủ tại các nhiệt độ

450oC, 500oC, 550oC, 600oC đo tại nhiệt độ 2K

82

3.8 Đường cong từ trễ của các mẫu ủ tại các nhiệt độ khác nhau,

đo ở nhiệt độ phòng: (a): FD1, (b): FD2; (c): FD3, (d): FD4, (e): FD5

84

3.9 Đường cong từ trễ đo tại nhiệt độ phòng của hạt nano FexPd100-x

ủ tại 550ºC với các thành phần x = 42, 50, 55, 60, 63

85

3.10 Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của mẫu FD4 ủ tại các

3.13 Sự phụ thuộc của Hc vào nhiệt độ ủ và nhiệt độ đo của

3.15 Đường cong nhớ từ của mẫu FD4-550 khi thay đổi từ

trường -2 kOe:-1,7 kOe Hình nhỏ là sự phụ thuộc của từ

độ theo logarit thời gian

92

3.16a Đường cong nhớ từ của mẫu FD4-550khi thay đổi từ trường

-2 kOe:-1,8kOe Hình nhỏ là sự phụ thuộc của từ độ theo logarit thời gian

93

3.16b Đường cong nhớ từ của mẫu FD4-550 khi thay đổi từ

trường -2kOe:-1,9kOe Hình nhỏ là sự phụ thuộc của từ độ theo logarit thời gian

93

3.17 Đường cong nhớ từ của mẫu FD4-550 khi thay đổi từ

trường (a) -2kOe:1,975 kOe, (b) -2kOe:-1,99kOe

94

3.18 Đường cong nhớ từ của mẫu FD4-550khi thay đổi từ trường

-1,6kOe:-2,1kOe

94

3.19 Đường cong độ nhớt từ phụ thuộc vào từ trường ngoài của

mẫu FD4 Hình nhỏ là sự phụ thuộc của từ độ theo thời gian

sau khi từ hóa bão hòa ở từ trường +13,5kOe rồi đảo từ về

giá trị -2kOe

95

4.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu FT1 sau khi chế tạo 101

4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu FT1 sau khi ủ tại các nhiệt

4.8 Đường cong từ trễ của mẫu FT1 ủ tại các nhiệt độ: 450oC

(a), 500oC (b), 550oC(c), 600oC(d), 650oC(e), với 2 chế độ

nguội bình thường và nguội nhanh sau ủ

109

4.9 Sự phụ thuộc lực kháng từ vào nhiệt độ ủ của mẫu FePt ứng

với 2 chế độ nguội bình thường và nguội nhanh

110

4.10 Sự phụ thuộc của giá trị từ độ bão hòa của mẫu FePt vào nhiệt

độ ứng với 2 chế độ nguội bình thường và nguội nhanh

111

4.11 Sự phụ thuộc độ vuông từ vào nhiệt độ ủ của mẫu FT1 và

FT1-f

112

4.12 Sự phụ thuộc của độ vuông từ của mẫu FT1 và FT1-f vào

nhiệt độ ủ: đồ thị màu đen tương ứng mẫu nguội bình

thường sau ủ; đồ thị màu đỏ tương ứng mẫu nguội nhanh

113

5.1 Phổ tán sắc năng lượng của mẫu FePt chế tạo với cường độ

xung dòng 15mA/cm2

118

5.2 Ảnh TEM của mẫu Fe45Pt55 chế tạo bằng phương pháp

điện hóa siêu âm: a) Mẫu chưa ủ; b) Mẫu ủ tại 700oC/1h

5.7 Sự phụ thuộc lực kháng từ của mẫu FePt ủ tại 700oC vào

cường độ xung dòng chế tạo

123

5.8 Sự phụ thuộc lực kháng từ vào nhiệt độ ủ của mẫu FT2 123

5.9 Sự phụ thuộc độ vuông từ vào nhiệt độ ủ của mẫu FT2 124

5.10 Sự phụ thuộc độ vuông từ vào cường độ xung dòng của các

mẫu FePt ủ tại 700oC trong 1 h

125

5.11 Đường cong từ trễ của mẫu FT2 đo tại các nhiệt độ khác nhau 126

5.12 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ của hạt nano

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, khoa học và công nghệ nano là hướng nghiên cứu đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công nghiệp bởi ứng dụng to lớn của nó trong sản xuất các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, chế tạo các thiết bị điện tử Các thiết bị sử dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn, thể hiện độ tinh xảo ưu việt hơn hẳn các thiết bị với công nghệ micro trước đó

Lý do khiến vật liệu nano trở thành lĩnh vực nghiên cứu dành được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học là do những đặc điểm và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thường Có ba nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt này Thứ nhất là tác động của các hiệu ứng lượng tử khi vật liệu có kích thước nano Các vật liệu nano không tuân theo quy luật vật lý cổ điển nữa, thay vào đó là các quy luật vật lý lượng tử mà hệ quả quan trọng là các đại lượng vật lý bị lượng tử hóa Thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thước của vật liệu càng giảm thì phần vật chất tập trung ở bề mặt chiếm một tỷ lệ càng lớn, hay nói cách khác là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng càng lớn Cuối cùng là hiệu ứng tới hạn, xảy ra khi kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất Chính

ba yếu tố này đã tạo ra sự thay đổi lớn về tính chất của vật liệu nano Và cũng

vì vậy, vật liệu nano thu hút được sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các vật liệu có những tính chất ưu việt với mong muốn ứng dụng chúng để chế tạo ra các sản phẩm mới có tính năng vượt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau

Thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu dành mối quan tâm đáng kể tới việc gia tăng mật độ ghi từ của vật liệu nhằm giảm kích thước của bít thông tin trên một vật liệu ghi từ Việc tiểu hình hóa các linh kiện điện tử đòi hỏi các

vật liệu có lực kháng từ và từ dư lớn để đảm bảo tính năng của vật liệu, thậm chí ở kích thước nhỏ Vật liệu FePt và FePd có rất nhiều đặc tính tốt như: hằng số dị hướng lớn, từ độ bão hòa lớn, độ ổn định hóa học cao… có khả năng ứng dụng trong các linh kiện ghi từ mật độ cao Do vậy, hai hệ vật liệu này đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhóm tác giả trên thế giới [12,30,36,75,76,79,82,84,100]

Cho đến nay, người ta thường chế tạo các vật liệu cấu trúc nano FePt bằng các phương pháp như: Biến dạng cơ học [32], nóng chảy hồ quang [104], phún xạ [53,93], hóa[75,82], xung laser [67], điện phân [73] Các vật liệu cấu trúc nano FePd cũng thường được chế tạo bằng các phương pháp như hóa [37], phún xạ [9,61] Tuy nhiên, theo hiểu biết của chúng tôi, rất ít nhóm nghiên cứu trên thế giới đã chế tạo các hạt nano FePt và FePd bằng phương pháp hóa siêu âm và điện hóa siêu âm Vì vậy, trong nội dung nghiên cứu của luận án, chúng tôi nghiên cứu chế tạo hạt nano FePt và FePd bằng hai phương pháp hóa siêu âm và điện hóa siêu âm, đồng thời nghiên cứu các tính chất vật

lý của các hạt nano đó

Mục tiêu của luận án là chế tạo thành công hạt nano FePt và FePd bằng phương pháp hóa siêu âm và điện hóa siêu âm; nghiên cứu các tính chất cấu trúc, một số tính chất từ, ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt tới tính chất từ cũng như tới sự thay đổi cấu trúc hạt nano FePt và FePd Từ đó có sự so sánh kết quả thực nghiệm giữa các hạt nano FePt và FePd chế tạo bằng cùng một phương pháp, giữa các hạt nano FePt chế tạo bằng hai phương pháp khác nhau

Nội dung luận án gồm 5 phần:

Chương I: Trình bày tổng quan về hệ FePt và FePd, một số đặc trưng cấu trúc tinh thể, tính chất từ và các thông số liên quan của hai hệ vật liệu này

Chương II: Các phương pháp thực nghiệm - Phương pháp chế tạo mẫu, các thiết bị thực nghiệm được sử dụng để nghiên cứu các hệ mẫu trong luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu FePt

Với ba thành phần pha FePt, Fe3Pt, FePt3 bền vững, hệ FePt là hợp kim

có nhiều tính chất lý thú Hợp kim này có thể tồn tại với các trạng thái từ rất khác nhau tuỳ thuộc vào nhiệt độ tạo mẫu, nhiệt độ ủ, hợp phần và trạng thái cấu trúc tinh thể của vật liệu [1] Do có dị hướng từ lớn, nhiệt độ Curie cao, từ

độ bão hòa lớn, độ ổn định hóa học cao, vật liệu FePt có cấu trúc L1o hứa hẹn rất nhiều ứng dụng khác nhau [42,55,102]

1.1.1 Giản đồ pha của hệ FePt

A1 FePt

L1 o FePt

Phần trăm khối lượng Pt

Phần trăm nguyên tử Pt

Giản đồ pha của hệ hợp kim FePt được đưa ra trên hình 1.1 Pha bất trật

tự tồn tại trên nhiệt độ chuyển tiếp, nó có cấu trúc lập phương tâm mặt (face-centered cubic - fcc) Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng pha trật

tự của hợp kim FePt có cấu trúc tứ giác tâm mặt (face-centered tetragonal - fct) loại L1o với các hằng số mạng: a= 3,838 Å và c= 3,714 Å Cấu trúc này được gọi là pha trật tự L1o của FePt Trong pha trật tự Fe3Pt (FePt3) kiểu L12, các nguyên tử Pt (Fe) chiếm giữ vị trí (000) và các nguyên tử Fe (Pt) chiếm giữ các vị trí (½ ½ 0), (0 ½ ½) và (½ 0 ½) Trong pha trật tự L1o, các nguyên

tử Fe chiếm giữ các vị trí (000), (½ ½ 0) và Pt (½ 0 ½), (0 ½ ½ ) tạo nên các mặt phẳng luân phiên dọc theo trục c, dẫn tới hiệu ứng méo mạng tứ diện, ứng với pha bất trật tự

1.1.2 Cấu trúc tinh thể của hệ FePt

Hình 1.2 Mô tả cấu trúc tính thể của các pha bất trật tự (fcc) (a) và trật tự (fct) (b)

của hợp kim FePt (Hình tròn rỗng là Fe, hình tròn đặc là Pt)

Hệ hợp kim FePt tồn tại ở dạng hỗn hợp rắn trong dải liên tục ở nhiệt

độ cao và người ta đã xác định được ba thành phần pha bền vững của hệ FePt tại nhiệt độ thấp: Fe3Pt, FePt, FePt3 (hình 1.1) Những pha này có thể tồn tại trong trạng thái bất trật tự với sự phân bố của các nguyên tử Fe và Pt là tự do

hay trật tự một phần hoặc trong trạng thái trật tự hoàn toàn, mà ở đó các nguyên tử Fe và Pt chiếm những vị trí xác định (hình 1.2)

Hợp kim trật tự hoàn toàn được gọi là siêu mạng hay siêu cấu trúc Trong trạng thái bất trật tự, cả ba pha trên đều có cấu trúc fcc Trong trạng thái trật tự, hợp kim Fe3Pt và FePt3 có cấu trúc fcc kiểu L12 (loại AuCu3) còn hợp kim FePt có cấu trúc fct kiểu L1o (loại AuCu)

Giá trị thông số mạng của các pha bền của hợp kim trong trạng thái trật

tự và mất trật tự được đưa ra trong bảng 1.1 và cấu trúc trật tự được chỉ ra trên hình 1.3 Trong pha trật tự Fe3Pt (FePt3) kiểu L12, các nguyên tử Pt (Fe) chiếm giữ vị trí 000 và các nguyên tử Fe (Pt) chiếm giữ các vị trí (½ ½ 0), (0

½ ½) và (½ 0 ½) Trong pha trật tự L1o, các nguyên tử Fe chiếm giữ các vị trí (000), (½ ½ 0) và Pt chiếm giữ các vị trí (½ 0 ½), (0 ½ ½ ) tạo nên các mặt phẳng luân phiên dọc theo trục c, dẫn tới sự méo mạng tứ diện, đối với pha lập phương bất trật tự [99]

Hình 1.3 Cấu trúc trật tự L1 o FePt (a), L1 2 Fe 3 Pt (b), L1 2 FePt 3 (c)

1.1.3 Chuyển pha bất trật tự - trật tự của hợp kim FePt

Sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử trong hợp kim tạo ra nội năng nhỏ hơn so với sắp xếp bất trật tự, điều này dẫn tới việc tạo ra siêu cấu trúc ở nhiệt

độ thấp [47] Ở nhiệt độ cao kích thích nhiệt làm tăng sự linh động của nguyên tử, do đó làm giảm mức độ trật tự của siêu cấu trúc Sự thay đổi của cấu trúc từ trạng thái trật tự sang trạng thái bất trật tự và ngược lại gọi là chuyển pha bất trật tự - trật tự [89,106] Ở cấu trúc trật tự hoàn toàn L1o (fct), các nguyên tử Fe và Pt sẽ lần lượt chiếm các mặt phẳng kế tiếp nhau dọc theo trục c của ô nguyên tố, trong khi đó ở cấu trúc bất trật tự (fcc, gọi là cấu trúc A1, xác suất các nguyên tử chiếm bất kỳ vị trí nào cũng như bất kỳ mặt phẳng nguyên tử nào là hoàn toàn như nhau Quá trình chuyển pha A1- L1o không chỉ dẫn đến sự thay đổi trong xác suất chiếm giữ các vị trí trong ô nguyên tố

mà còn dẫn đến sự biến đổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1 [47] Chuyển pha trật tự - bất trật tự là chuyển pha loại 1 Nhiệt độ mà tại đó trật tự bị phá vỡ được gọi là nhiệt độ tới hạn (Tth) Hợp kim FePt có nhiệt độ tới hạn

Tth= 1300oC [47] Ở dưới nhiệt độ tới hạn, pha trật tự là pha bền vững về mặt động lực học, nhưng đồng thời pha bất trật tự cũng có thể trở nên ổn định ở vùng nhiệt độ này [99] Khi đó pha bất trật tự được chuyển sang pha trật tự

nhờ việc ủ ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn Chế độ ủ được điều chỉnh sao

cho các nguyên tử có đủ năng lượng nhiệt để chuyển động tới vị trí của chúng

và định xứ ở đó

Mức độ trật tự xa trong cấu trúc tinh thể được đặc trưng bằng thông số

trật tự có độ lớn phụ thuộc vào sự sắp xếp các nguyên tử trong toàn bộ tinh

thể [77] Thông số trật tự s được xác định bằng biểu thức [98]:

Fe

Pt Pt

Pt

Fe Fe

y

x r y

x r





 (1.1) trong đó, rFe(Pt) là tỷ phần các vị trí của Fe(Pt) được chiếm bởi các nguyên tử

đúng của chúng, xFe(Pt) là tỷ phần nguyên tử Fe(Pt) trong mẫu, yPt(Fe) là tỷ phần

các vị trí Pt(Fe) s đạt giá trị nhỏ nhất (s = 0) khi các nguyên tử sắp xếp hoàn

toàn ngẫu nhiên và đạt được giá trị lớn nhất (s = 1) khi các nguyên tử sắp xếp

theo đúng các vị trí của mình Nghĩa là, trạng thái trật tự hoàn toàn chỉ đạt

được khi hợp kim có hợp thức chính xác

Thông số trật tự phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là phụ thuộc vào

hằng số dị hướng từ tinh thể [44,66] Trong thực tế, giá trị s thường nhỏ hơn 1

do sự tồn tại các sai hỏng mạng, biên hạt, biên pha và sự thăng giáng thành

phần so với thành phần hợp thức Đối với các hợp phần khác, giá trị lớn nhất

của s phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc trật tự, ví dụ với cấu trúc L1o,

smax = 1-2x, trong đó x là độ lệch thành phần so với giá trị 0,5 [31]

Trật tự hoàn toàn (s = 1) chỉ đạt được ở không độ tuyệt đối Trên nhiệt

độ này, giá trị của s bị giảm đi do hỗn loạn nhiệt sinh ra Tuy nhiên, ảnh

hưởng của nhiệt độ đối với s không lớn lắm

Với sự hình thành cấu trúc trật tự xa [103], có hai hiệu ứng quan trọng

xảy ra Đầu tiên là sự thăng giáng về thành phần hoá học dọc theo các trục

tinh thể hình thành các mặt phẳng nguyên tử có thành phần khác nhau dọc

theo các trục này Hiệu ứng thứ hai là hệ quả của hiệu ứng trên, xuất hiện do những thay đổi trong tính đối xứng của ô cơ bản Lúc này các trục tinh thể tương đương với nhau trong cấu trúc mất trật tự trở nên không tương đương trong cấu trúc trật tự Hai hiệu ứng này ảnh hưởng rất mạnh tới tính chất từ và quang từ của vật liệu

Sự hình thành các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể của vật liệu trong quá trình trật tự hóa cũng ảnh hưởng mạnh đến các tính chất từ của vật liệu như lực kháng từ Biên pha (APB) là một dạng khuyết tật phổ biến đặc trưng cho các hợp kim có cấu trúc trật tự (hình 1.4) Dịch chuyển gốc ô cơ bản của cấu trúc bất trật tự cũng là một dạng biên pha Hai loại khuyết tật khác là sự sắp xếp sai vị trí nguyên tử và song tinh cũng rất ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu Hai khuyết tật này tồn tại không chỉ trong cấu trúc trật tự mà ở

trong cả các cấu trúc mất trật tự [12]

1.1.4 Cách tính thông số trật tự từ giản đồ nhiễu xạ tia X

Ở trên đã mô tả cấu trúc tinh thể của vật liệu FePt Thông số trật tự s đặc trưng mức độ trật tự xa trong cấu trúc tinh thể (công thức (1.1)) có thể được xác định từ giản đồ nhiễu xạ tia X Những đỉnh nhiễu xạ không phụ thuộc vào mức độ trật tự gọi là đỉnh cơ bản; những đỉnh nhiễu xạ chỉ xuất

hiện khi đã hình thành pha trật tự gọi là đỉnh siêu mạng (siêu cấu trúc) Dưới đây trình bày cách tính thông số trật tự từ giản đồ nhiễu xạ tia X được mô tả trong [31]

Bảng 1.2 cho các giá trị của chỉ số mặt h, k, l tương ứng với các đỉnh cơ bản và các đỉnh siêu mạng đối với cấu trúc L1o và L12 Bảng 1.3 cho giá trị cường độ đỉnh nhiễu xạ (PDF) của pha Fe3Pt, FePt, FePt3 Giá trị cường độ đỉnh nhiễu xạ của FePt, FePt3 được lấy từ cơ sở dữ liệu PDF tương ứng 43-

1359 và 29-0716 Cường độ nhiễu xạ của Fe3Pt được tính toán từ giá trị hằng số mạng của cấu trúc ứng với a = 3,74 Å

Bảng 1.2 Giá trị chỉ số mặt h, k, l của vạch nhiễu xạ cơ bản và vạch nhiễu xạ siêu

Mạng L1o

Các chỉ số h, k, l hoặc cùng chẵn hoặc cùng lẻ

Các chỉ số h, k chẵn và l lẻ; hoặc h, k lẻ và l chẵn

Mạng L12

Các chỉ số h, k, l hoặc cùng chẵn hoặc cùng lẻ

Các chỉ số h, k, l không cùng chẵn, không cùng lẻ

Thông số trật tự s có thể được đánh giá từ tỷ số giữa diện tích của đỉnh siêu mạng (As (001)) và đỉnh cơ bản (Af (002)) Diện tích đỉnh nhiễu xạ có thể tính từ công thức [98]:

* ) (LP FF Km

A (1.2)

trong đó, K là hằng số; m là bội số; LP là thừa số phân cực Lorentz; F là thông số cấu trúc và F*là liên hợp phức của nó

số có gạch chân là của vạch siêu mạng

Cường

độ nhiễu xạ

Nếu mẫu có tính dị hướng thì trong biểu thức tính diện tích đỉnh nhiễu

xạ (công thức 1.2) phải có thêm thành phần Full Width at Half Maximum (FWHM) – độ rộng tại một nửa độ cao vạch nhiễu xạ:

* ) ( ) (FWHM Km LP FF

A (1.3)

Trong trường hợp của chúng tôi, mẫu gần như đẳng hướng nên có thể coi FWHM của vạch (001) và (002) là như nhau

Bảng 1.4 Các thông số sử dụng để tính toán thông số trật tự s theo các biểu thức (1.2) – (1.5) của hợp kim FePt [31,98]

* 001

* 002

1.1.5 Năng lượng của chuyển pha A1-L1 o trong hợp kim FePt

Vai trò của phương pháp nhiệt lượng quét vi sai (DSC) trong nghiên cứu màng mỏng và chuyển pha được thảo luận chi tiết bởi Michaelsen và đồng nghiệp [62] Barmak và đồng nghiệp [7] sử dụng DSC để khảo sát nhiệt lượng và nhiệt động học của quá trình chuyển pha trong các hợp kim FePt và CoPt từ pha bất trật tự A1 sang pha trật tự L1o Sử dụng phương pháp nhiệt lượng quét vi sai các tác giả này đã xác định được enthalpy của chuyển pha bất trật tự- trật tự đã được đo bằng -10,2 ± 2,1 kJ/nguyên tử gam (1,7 ± 0,1 eV) và -3,1 ± 0,2 kJ/nguyên tử gam (2,8 ± 0,1 eV), tương ứng cho FePt và CoPt [40] FePt chuyển pha tại nhiệt độ 120oC thấp hơn so với CoPt

Vì sự chuyển pha từ A1 sang L1o xảy ra bởi sự tạo mầm và phát triển mầm của pha L1o trong pha A1, mô hình John-Mehl-Avrami được sử dụng để thu nhận thêm thông tin về chuyển pha Đặc biệt, số mũ Avrami (n) cần được quan tâm (xem trong mục 1.3.3) Phỏng đoán ban đầu cho giá trị của n là

n = 3 ÷ 4, tuy nhiên thực nghiệm đã xác định n ≈ 1,5 cho cả hai hợp kim Khi n nhỏ, chuyển pha xảy ra chậm hoặc xảy ra ở nhiệt độ cao Khi n lớn, chuyển pha xảy ra với tốc độ nhanh hoặc xảy ra ở nhiệt độ thấp Vì vậy số mũ Avrami là đặc biệt quan trọng khi quan tâm tới hợp kim có nhiệt độ trật tự hoá thấp và quá trình chuyển pha diễn ra nhanh Mặt khác, một hệ quả đi kèm với sự chuyển pha là mức

độ linh động hay liên kết của các nguyên tử và sự phát triển kích thước hạt Vì tốc

độ phát triển hạt tăng theo độ linh dộng của nguyên tử, do đó cần giảm mức độ phát triển hạt để tăng tỷ số tín hiệu trên tạp (S/N) Số mũ Avrami càng lớn thì càng

có lợi vì nó tăng khả năng điều khiển định hướng tinh thể của các hạt

1.2 Vật liệu FePd

Với nhu cầu nâng cao mật độ ghi từ trên một inch vuông (phổ biến hiện nay là 100 Gb/in2, có thể nâng đến cỡ Tb/in2) và việc tiểu hình hóa các thiết bị

ghi từ đã thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các hạt nano từ cứng với các tính chất đặc trưng như: năng lượng dị hướng từ tinh thể cao, lực kháng từ lớn, từ

độ bão hòa cao Một trong những vật liệu có tính chất lưu trữ từ tính mật độ cao là các vật liệu FePd với cấu trúc trật tự L1o [101] Tính từ cứng của các vật liệu L1o-FePd bắt nguồn từ cấu trúc trật tự tứ giác với năng lượng dị hướng từ tinh thể cao [15,46,52,63]

Hợp kim FePd có thể tồn tại với các trạng thái khác nhau tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ, hợp phần và trạng thái cấu trúc tinh thể của vật liệu Khi ủ trong hợp kim đã xuất hiện chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc fct L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với ưu điểm là có lực kháng từ lớn

1.2.1 Giản đồ pha của hệ FePd

Hình 1.5 Giản đồ pha của hợp kim FePd [59]

Hình 1.5 thể hiện giản đồ pha của hệ hợp kim FePd Trước khi ủ vật liệu có cấu trúc fcc Giản đồ pha chỉ ra rằng tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần nguyên tử Fe và Pd, nhiệt độ ủ thích hợp để có pha trật tự là khác nhau Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng pha trật tự  1của hợp kim FePd có cấu trúc fct loại L1o với các hằng số mạng: a= 3,852 Å và c= 3,723 Å Cấu trúc này được gọi là pha trật tự L1o của hợp kim FePd

1.2.2 Chuyển pha bất trật tự - trật tự của FePd có cấu trúc L1 o

Quá trình chuyển pha bất trật tự-trật tự không chỉ dẫn đến sự thay đổi trong xác suất chiếm giữ các vị trí trong ô nguyên tố mà còn dẫn đến sự biến đổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1 Khi đó pha bất trật tự được chuyển sang pha trật tự nhờ việc xử lý nhiệt Chế độ ủ được điều chỉnh để các nguyên tử

có đủ năng lượng nhiệt để chuyển động tới vị trí của chúng và định xứ ở đó

Với tính chất chuyển pha cấu trúc đặc biệt từ pha fcc sang pha fct, người ta tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc và sự thay đổi cấu trúc của vật liệu nano FePd Bằng cách thay đổi công nghệ hoặc điều kiện xử lý nhiệt để điều chỉnh quá trình chuyển pha này, từ đó điều chỉnh tỷ phần pha trật tự fct trong mẫu Do đặc điểm không cân bằng vốn có trong quá trình chế tạo nên mẫu FePd ngay sau chế tạo có cấu trúc tinh thể mất trật tự Cấu trúc trật tự (fct) chỉ xuất hiện sau khi mẫu đã được xử lý nhiệt

1.3 Tính chất từ

1.3.1 Dị hướng từ

Trong vật liệu từ, nội năng phụ thuộc vào hướng của độ từ hoá tự phát

Sự phụ thuộc này gọi là dị hướng từ Năng lượng ứng với dị hướng từ gọi là năng lượng dị hướng từ Năng lượng dị hướng có sự đóng góp của năng lượng

dị hướng từ tinh thể, lưỡng cực và dị hướng từ bề mặt Néel

Dị hướng từ tinh thể, tăng do tương tác spin - quỹ đạo, rất quan trọng trong việc xác định biểu hiện từ của hạt đơn Dạng đơn giản nhất của dị hướng từ tinh thể là dị hướng đơn trục Trong tinh thể từ, luôn tồn tại một phương dễ từ hoá hơn các phương còn lại Phương từ hoá dễ thường đồng nhất với trục hình học của tinh thể Năng lượng từ tinh thể Ec phụ thuộc vào hướng tương quan của phương từ hoá và trục của tinh thể và được xác định bởi biểu thức (1.7):

E c K1sin2 K2sin4  (1.7)

ở đó,  là góc giữa phương từ hoá và trục dễ, Ki là hằng số dị hướng bậc i

Cấu trúc FePt- L1o có lực kháng từ lớn, độ chống ăn mòn hoá học cao, tích năng lượng (BH)max lớn Dị hướng đơn trục của loại vật liệu này là do tương tác spin - quĩ đạo lớn của nguyên tử Pt và hiệu ứng lai hóa mạnh của vùng d (Pt) với vùng d (Fe) [71]

1.3.2 Trật tự L1 o ở nhiệt độ thấp của vật liệu FePd và FePt

Ghi từ là kỹ thuật lưu trữ thông tin tiến bộ và ngày nay vẫn đang tiếp tục phát triển mạnh với khả năng lưu trữ thông tin ngày càng tăng lên Tuy nhiên, có một khó khăn đặt ra là giá trị nhiệt độ trật tự hoá cao hoàn toàn không thích hợp cho việc chế tạo vật liệu ghi từ hàng loạt với quy mô lớn Vì thế, làm thế nào để giảm nhiệt độ trật tự hoá là một bài toán hết sức quan trọng và cần thiết Cần chú ý tới một số thông số ảnh hưởng đến nhiệt độ trật

tự hoá sau: nhiệt độ phát triển mầm [10,51], các lớp đệm [7,11]

Cấu trúc L1o là nguyên nhân chính của sự xuất hiện các tính chất từ nổi bật ở họ hợp kim FePd, FePt [78,100,102] Tuy nhiên, để có được pha L1o, vật liệu sau khi chế tạo phải được xử lý nhiệt, thông thường ở nhiệt độ

Tan~ 600oC Ở nhiệt độ này, bên cạnh quá trình chuyển pha để tạo thành pha fct, hạt sẽ phát triển khá mạnh làm ảnh hưởng đến độ phẩm chất của vật liệu

Vật liệu FePd và FePt có ưu điểm là có nhiệt độ chuyển pha cấu trúc thấp hơn so với các vật liệu đã được nghiên cứu trước đây như CoPt…

1.3.3 Mối quan hệ giữa pha trật tự L1 o và lực kháng từ H c

Sự chuyển pha từ pha bất trật tự cấu trúc fcc sang cấu trúc trật tự L1o

diễn ra trong suốt quá trình ủ được phân tích bằng kỹ thuật TEM trường tối

Trước đây người ta cho rằng biểu hiện giá trị Hc lớn có liên quan trực tiếp tới sự pha trộn giữa hai thành phần pha: pha trật tự và pha bất trật tự Giá trị lực kháng từ lớn nhất chỉ khi sự pha trộn giữa hai thành phần pha này là 1:1 Đi tìm lời giải đáp cho vấn đề Hc lớn, người ta giả thiết rằng trong hợp kim sự có mặt của pha trật tự làm cho giá trị Hc tăng lên hơn hẳn so với pha bất trật tự Hơn nữa, khi có sự trộn lẫn giữa hai pha trật tự và bất trật tự sẽ hình thành nên các biên “phản pha” ghim chặt các vách đômen, chính điều này làm cho giá trị Hc tăng lên đáng kể [20,21]

Những nghiên cứu tiếp theo ghi nhận rằng giá trị lực kháng từ Hc lớn nhất xuất hiện ngay cả trong hợp kim có cấu trúc trật tự hoàn toàn Đặc biệt, giá trị Hc tăng tuyến tính theo tỷ phần pha trật tự có trong mẫu Pha trật tự trong mẫu xuất hiện càng nhiều thì càng làm cho Hc lớn Lý giải cho điều này người ta căn cứ vào việc xuất hiện các biên “phản pha” khi có sự xuất hiện của pha trật tự Các biên pha này đóng vai trò là các tâm ghim ngăn cản sự dịch chuyển của vách đômen trong mẫu, bản thân các tâm ghim này lại tương ứng với tỷ phần của thể tích pha trật tự Do đó, giá trị Hc phụ thuộc trực tiếp vào tỷ phần pha trật tự trong mẫu

Khi hợp kim chuyển hoàn toàn sang pha trật tự, Hc giảm theo thời gian

ủ Do kích thước vùng trật tự tăng ứng với thời gian ủ dài dẫn tới việc giảm

vùng biên trong toàn bộ mẫu, làm cho các cường độ các tâm ghim giảm xuống, điều này sẽ làm giảm giá trị lực kháng từ trong mẫu

Đối với mẫu đã qua xử lý nhiệt, pha fct xuất hiện, tỷ phần pha fct phụ thuộc vào thời gian ủ

Ristau và cộng sự [74] đã nghiên cứu và khảo sát tính chất từ trên màng mỏng FePt Mẫu ủ ở nhiệt độ 700oC trong thời gian ngắn xuất hiện pha trật tự Khi

ủ mẫu trong thời gian dài hơn, vùng trật tự mở rộng và tăng lên cả về số lượng

Khi ủ mẫu trong thời gian 120 phút hay lâu hơn, ảnh TEM trường tối thu được cho thấy trong mẫu chỉ có pha trật tự Người ta có thể tính được tỷ phần pha trật tự trong mẫu Đại lượng này phụ thuộc vào thời gian và được xác định theo phương trình chuẩn Johnson-Melhl-Avrami [74]:

 n

kt

f  1  exp  (1.8) trong đó, f là sự thay đổi tỷ phần pha, t là thời gian, k là hằng số, n là số mũ Avrami Cả hai đại lượng k và n phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm, khả năng tăng trưởng và số chiều không gian của vùng tăng trưởng Đối với chuyển pha có tính đa hình (không có sự thay đổi thành phần giữa pha ban đầu và cuối trong màng), giá trị nhỏ nhất của n được cho là n= 2, tuy nhiên, người ta đã xác định n= 1,1 Giả thiết cho giá trị nhỏ bất thường này là sự tồn tại của biên hạt của các pha mẹ dẫn tới sự tạo mầm không tự do trong không gian pha L1o

Đại lượng tỷ phần phụ thuộc vào thời gian ủ được chỉ ra trong bảng 1.5

Sự phụ thuộc được thể hiện rất rõ rệt: khi thời gian ủ càng dài thì tỷ phần pha fct càng tăng Bên cạnh đó, giá trị lực kháng từ Hc lại do tỷ phần pha fct quyết định (hình 1.6), vì vậy thời gian ủ ảnh hưởng gián tiếp tới độ kháng từ trong hợp kim

Bảng 1.5 Sự phụ thuộc tỷ phần pha fct vào thời gian ủ trong các hợp kim CoPt và

Hình 1.6 biểu diễn sự phụ thuộc của lực kháng từ vào tỷ phần pha L1o

xuất hiện trong mẫu Giá trị Hc càng lớn nếu như tỷ phần pha L1o càng lớn

Sự phụ thuộc này có thể coi là tuyến tính và ở đây Hc đạt giá trị lớn nhất bằng

15,6 kOe khi tỷ phần pha có giá trị là 1

1.3.4 Tính chất từ của FePt và FePd

1.3.4.1 Nguồn gốc tính từ cứng mạnh của FePd và FePt

Từ tính chỉ tồn tại trong các vật liệu có các lớp electron chưa được lấp đầy Trong kim loại, tính sắt từ có được là do tương tác trao đổi, nhân tố gây

ra sự tách vùng, vì vậy mật độ của các vùng “spin up” và của các vùng “spin down” là khác nhau Do có sự cạnh tranh giữa năng lượng trao đổi và động năng, hiện tượng trên chỉ được quan sát trong vùng hẹp 3d của Fe, Co và Ni

Một số hệ electron linh động, như Pd, Rh và Pt, gần như là các hệ có từ tính Trong hợp kim của các nguyên tố này với một trong các nguyên tố sắt từ 3d, xuất hiện mô men từ có giá trị đến cỡ 1 magneton Bohr thông qua sự lai hóa Chính vì vậy, trong hệ Fe-Pt, Fe-Pd, các tính chất từ có nguồn gốc từ sự kết hợp giữa electron 3d của Fe và electron 5d của Pt (hoặc electron 4d của Pd) Đặc biệt, Pt là nguyên tố kim loại nặng và tương tác spin-quỹ đạo có xu hướng phân bố electron một cách không đối xứng Hợp kim có cấu trúc tinh thể đơn trục được chờ đợi có dị hướng từ tinh thể lớn Đây là trường hợp của pha L1o

Bảng 1.6 Tính chất từ của pha Fe 3 Pt, FePt và FePt 3 trong trạng thái trật tự và bất

sau khi tôi Như vậy, tính từ cứng tốt của hợp kim FePt chỉ có được trước khi tạo ra cấu trúc đa song tinh Nhưng một quan điểm khác lại cho rằng, biên pha trong cấu trúc đa song tinh có đóng góp phần lớn vào tính từ cứng của nam châm FePt [90]

Bảng 1.7 Tính chất nội tại của FePt, FePd khi so sánh với tính chất của các vật liệu có khả năng ứng dụng làm nam châm vĩnh cửu và các vật liệu ghi từ điển hình khác [31]