Luận văn nghiên cứu tìm hiểu một số tính chất và đặc điểm của vật liệu phản sắt từ, ferit từ và ứng dụng của chúng

Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với tất các thầycô giáo và toàn thể các bạn.Tháng 5/2006 Ngô Thị Kim Oanh Mở đầu Trong cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ

Trờng Đại học Vinh khoa vật lý

của chúng

chuyên ngành vật lý chất rắn

Giáo viên hớng dẫn : ThS Lu Tiến Hng

Sinh viên thực hiện : Ngô Thị Kim Oanh Lớp : 42E - Vật Lý

đỡ động viên khích lệ của ngời thân và bạn bè

Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành, song vì thời gian và trình độ cóhạn, khoá luận này khó có thể tránh khỏi sự sai sót Vì vậy rất mong đợc sựthông cảm góp ý của các thầy giáo, cô giáo để khoá luận đợc hoàn chỉnh hơn Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với tất các thầycô giáo và toàn thể các bạn.

Tháng 5/2006 Ngô Thị Kim Oanh

Mở đầu

Trong cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ hiện nay, các ngànhliên quan đến Vật lý chất rắn đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng.Trong đó vật lý hiện tợng từ và các vật liệu từ là một trong các mũi nhọn quantrọng, nó đã tạo ra và đóng góp một cách mạnh mẽ vào nhiều ngành mũi nhọn

nh điện tử, du hành vũ trụ, năng lợng từ Thực tế chúng ta có thể thấy đợc rấtnhiều trang thiết bị, máy móc phục vụ cuộc sống hàng ngày đã sử dụng vật lýcác hiện tợng từ và vật liệu từ nh: máy biến thế, loa phát thanh, micrô, tivi, đĩamềm, đĩa cứng rồi đến các trang thiết bị, máy móc hiện đại phục vụ nghiêncứu khoa học cũng nh các lĩnh vực khác nh y học, sinh học cũng sử dụngchúng một cách rất linh hoạt Vì vậy, nghiên cứu tìm hiểu các khái niệm, các

đặc trng cơ bản của các hiện tợng từ và tính chất của các vật liệu từ là nhữngkiến thức cơ bản, cần thiết để bớc đầu tiếp cận với vật lý và công nghệ của cáchiện tợng từ

Trong số các hiện tợng từ và vật liệu từ thì hiện tợng phản sắt từ, hiện ợng ferit từ và các vật liệu phản sắt từ và ferit từ là những hiện t ợng, tính chất

t-từ cũng là những lớp vật liệu quan trọng Chúng đóng góp vào lớp các vật liệu

từ làm cho nó trở nên phong phú và đa dạng và có nhiều ứng dụng quan trọng.Vì thế các hiện tợng từ này cũng nh các vật liệu từ khác đã và đang đợcnghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Các nhà khoa học trong nớc và thế giới

đang nghiên cứu để tìm ra các vật liệu có từ tính mạnh ở nhiệt độ phòng vàcao hơn nhiệt độ phòng để đa vào ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống thựctiễn Do đó, lý thuyết về hiện tợng phản sắt từ, hiện tợng ferit từ và các đặc tr-

ng cơ bản của vật liệu phản sắt từ, vật liêu ferit từ là đối tợng chính của luậnvăn này

Với những lý do trên chúng tôi chọn đề tài luận văn với tên là:

Nghiên cứu, tìm hiểu một số tính chất và đặc điểm của vật liệu phản sắt

_

từ, ferit từ và ứng dụng của chúng _

Mục đích của luận văn là nghiên cứu tìm hiểu về các đặc điểm, tínhchất cơ bản của các hiện tợng phản sắt từ, ferit từ, các vật liệu từ tơng ứng.Luận văn sẽ tập trung phần lớn để tìm hiểu nghiên cứu về hiện tợng phản sắt

từ, hiện tợng ferit từ và vật liệu phản sắt từ, vật liệu ferit từ và tìm hiểu một sốứng dụng cơ bản của lớp vật liệu này

Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu, phần kết luận còn lại đợctrình bày trong 4 chơng:

Chơng I Khái niệm về các hiện tợng từ và vật liệu từ

Chơng II Vật liệu phản sắt từ và các tính chất cơ bản

Chơng III Vật liệu ferit từ và các tính chất cơ bản

Chơng IV Một số vật liệu phản sắt từ, vật liệu ferit từ điển hình

Mặc dù đã có nhiều cố gắng với mong muốn có đợc một luận văn tốtnghiệp đạt chất lợng tốt song do trình độ và thời gian hạn chế cũng nh lần đầutiếp cận với công việc nghiên cứu, do đó chắc chắn không thể tránh đợc nhữngthiếu sót Rất mong sẽ nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo vàcác bạn để luận văn đạt chất lơng tốt hơn

Chơng I khái niệm về các hiện tợng từ và vật liệu từ

I Các khái niệm cơ bản

1 Hiện tợng từ

Hiện tợng từ là hiện tợng mà thông qua nó các vật liệu tác động lẫnnhau qua các lực hút hay đẩy, hoặc gây một ảnh hởng nào đó lên các vậtnhiễm từ khác

Cực từ là một khái niệm đặc trng cho tính chất từ của vật chất Giả sử cóhai cực từ độ lớn m1, m2 thì tơng tác giữa các cực từ là :



0

2 1

4

.

r

m m



r r



Trong đó :  0 là độ từ thẩm tuyệt đối

 0=4 10 7H/m

r là khoảng cách giữa hai cực từ

Lực từ là lực tơng tác giữa các cực từ thông qua từ trờng Nh vậy, lực từ

nó tồn tại trong vật liệu từ Ta có thể coi một lỡng cực từ là một nam châmnhỏ nó có hai cực từ là cực Nam (S) và cực Bắc (N) của nó Các tính chất củalỡng cực từ tơng tự nh các tính chất của lỡng cực điện Khi đặt trong từ trờnglỡng cực từ chịu tác dụng của lực từ làm cho nó xoay theo hớng của từ trờng

2 Từ trờng

Từ trờng là dạng vật chất tồn tại xung quanh các hạt mang điện chuyển

động Nó là một đại lợng vectơ Tính chất cơ bản của từ trờng là từ trờng tácdụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm và các vật liệu bị nhiễm từ

Từ trờng đều là từ trờng đợc sinh ra trong một ống dây hình trụ gồm Nvòng dây quấn lên nhau với chiều dài l và tải dòng điện cờng độ I

Trong đó R là bán kính ống dây.

Đơn vị đo của từ trờng H trong hệ CGS là 1A/m =4 10 3Oe

Lực từ tác dụng lên một đoạn dây mang dòng điện đặt trong từ trờng

đều có phơng vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây dẫn và vectơ cảm ứng

từ, chiều của lực từ đợc xác định bằng qui tắc bàn tay trái: đặt bàn tay tráiduỗi thẳng để cho đờng cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay

đến ngón tay trùng với chiều dòng điện Khi đó ngón tay cái choãi ra 90 0 chỉchiều của lực từ và đợc xác định bằng công thức:

l-Độ cảm từ hay còn gọi là hệ số từ hoá đợc ký hiệu là  có đơn vị là H/

m (Henri/mét) Độ cảm ứng từ tơng đối không có thứ nguyên và đợc tính theobiểu thức sau:

Độ thẩm từ đợc ký hiệu , là tính chất riêng của môi trờng Nó không

có thứ nguyên trong hệ đơn vị CGS, trong hệ SI thì có đơn vị là Wb/A.m( Weber / ampe.mét); 1Wb / A.m = 1H/m

Ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa  và theo công thức sau:

Để thuận tiện trong việc mô tả các tính chất từ của vật rắn, trong hệ SIngời ta đa ra khái niệm độ từ thẩm tơng đối, là tỷ số giữa độ thẩm từ trong vậtliệu và độ thẩm từ trong chân không:

Cảm ứng từ hay mật độ từ thông B hiển thị từ trờng bên trong chất chịutác dụng của từ trờng ngoài 

H Nó là một đại lợng vectơ Trong hệ SI ta có:

Ta có thể hiểu nguồn gốc của mômen từ nh sau: các tính chất từ của vậtliệu gắn với mômen từ của các điện tử và mỗi điện tử của mỗi nguyên tử đều

có mômen từ gắn với 2 nguồn gốc:

Mỗi điện tử chuyển động xung quanh hạt khác nh điện tử chuyển

động xung quanh hạt nhân (hình 1a) gọi là chuyển động quỹ đạo

Do chuyển động này làm xuất hiện mômen từ hớng dọc theo trục quỹ đạo

Mặt khác mỗi điện tử còn có chuyển động riêng đó là chuyển độngquanh trục của mình (hình 1b), đợc gọi là chuyển động spin Khi đó mộtmômen từ nữa xuất hiện bắt nguồn từ spin điện tử gọi là mômen từ spin.Mômen từ spin điện tử có thể nhận 2 giá trị tơng ứng với 2 chiều định hớng

đối song: hớng lên trên và hớng xuống





B 

II Các hiện tợng từ và vật liệu từ

1 Nghịch từ

Nghịch từ là một dạng yếu của từ tính, không vĩnh cửu và chỉ tồn tại khi

có từ trờng tác dụng Hiện tợng nghịch từ đợc gây nên do sự cảm ứng củachuyển động quỹ đạo của các điện tử với từ trờng bên ngoài Mômen nghịch

từ có giá trị rất nhỏ và hớng ngợc chiều với từ trờng bên ngoài Cờng độ từ ờng B trong vật rắn nghịch từ rất thấp, nhỏ hơn trong chân không

tr-Theo định luật Lenz: khi đặt vật liệu vào từ trờng thì các điện tích cóthêm hớng chuyển động quanh từ trờng Chuyển động này sinh ra dòng điện,dòng điện sinh ra cảm ứng từ và chống lại từ trờng ngoài Đó là hiện tợngnghịch từ và mômen đợc sinh ra gọi là mômen nghịch từ

Có 2 dạng nghịch từ cơ bản: nghịch từ Landau và nghịch từ Larmor

- Nghịch từ Larmor: là sự đóng góp nghịch từ của các lõi ion và nguyên

tử, là sự thay đổi quỹ đạo của các điện tử quanh hạt nhân nguyên tử Nghịch từLarmor có thể ứng dụng để xác định phần đóng góp nghịch từ từ các lõi Iontrong chất rắn điện môi và các nguyên tử khí trơ

- Nghịch từ Landau: là hiệu ứng nghịch từ đợc gây nên do sự biến điệuhàm sóng của điện từ lẫn trong vật rắn khi có mặt trờng ngoài Độ cảm ứngcủa nghịch từ Landau có giá trị bằng 1/3 độ cảm thuận từ Pauly Tuy nhiênkhi so sánh với các kết quả thực nghiệm, ta phải chú ý tới tơng tác củaelectron dẫn với trờng tinh thể, khối lợng hiệu dụng của điện tử tự do dẫn đếnmột sự sai khác lớn giữa các giá trị tính toán với thực nghiệm

Bằng lý thuyết Langervin ngời ta đã chứng minh đợc tính nghịch từ củavật liệu từ Độ từ hoá M của vật liệu nghịch từ đợc xác định nh sau:

m

r Z B e n

6

.

(1.9) Trong đó n là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích, e là điện tử, B là cảmứng từ trờng ngoài, Z là số điện tử chuyển động trong nguyên tử và:

x  : khoảng cách từ e đến trục song song với từ trờng

Độ cảm từ của hiện tợng nghịch từ đợc xác định theo công thức sau :

 = -.

m

r z e n

6

.

Tính nghịch từ có ở tất cả các vật liệu nhng vì nó rất yếu nên chỉ có thểquan sát đợc khi không có các dạng từ tính khác Do đó chúng ít có ý nghĩathực tế.

Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ thẩm từ  < 1 , độ cảm ứng từ  có

giá trị âm và độ lớn chỉ cỡ 10-6 Khi đặt vật liệu nghịch từ trong một từ trờngbất đồng nhất, vật rắn nghịch từ luôn có xu hớng bị đẩy về vùng từ trờng yếu.Khi ra khỏi từ trờng, vật liệu không còn thể hiện tính chất từ của mình

Nh vậy, chất thuận từ đợc coi là vật liệu không từ tính vì nó chỉ bị từ hoákhi có từ trờng ngoài tác dụng Ta có thể giải thích đợc hiện tợng thuận từ theo

2 mô hình lý thuyết của Langevin và lý thuyết của Pauly

Thuận từ Pauly là sự đóng góp thuận từ của các spin tự do, trong kimloại đó là sự đóng góp thuận từ của các điện tử tự do Độ cảm thuận từ của các

điện tử tự do P~10 – 20066 và không phụ thuộc nhiệt độ trong vùng T << TF

Hình 2a Sơ đồ nguyên tử nghịch

từ trong từ trờng ngoài.

Hình 2b Đờng cong từ hoá

của vật liệu nghịch từ.

Tuy nhiên có sự sai số với kết quả thực nghiệm do tơng tác với trờng tinh thểkhối lợng hiệu dụng m* của điện tử chúng thay đổi rất nhiều so với khối lợng

m của điện tử tự do Đóng góp thuận từ của các điện tử dẫn sẽ rất lớn khi

Xét một hệ gồm N nguyên tử, mỗi nguyên tử có mômen từ M đặt đủ xa nhau

để không tơng tác với nhau thì độ từ hoá của hệ đợc xác định:

M =

T K

H N

B 3

N H

từ Ngoài ra, có thể giải thích hiện tợng thuận từ bằng lý thuyết lợng tử với cácmômen từ là các mômen lợng tử :

Trong đó mJ = -j , -j +1 , , j - 1 , j

j , S, L là các số lợng tử Spin quỹ đạo, toàn phần tơng ứng mô tả trạng thái

điện tử của các ion

g = 1 +

) 1 ( 2

) 1 ( ) 1 ( ) 1 (

L L s

s j

H g

B

B

.



) và

BJ = 2 2j j1cth(2 2j j1

T K

H g

B

B

.



) - 21j cth (

2

1

T K

H g

B

B

.



) là hàm Brillouin

Và hệ số từ hoá thuận từ có thể tính theo biểu thức sau:

 P =

T K

j j g N

B

B

3

) 1 ( 2   2

3

) 1 ( 2  2

(1.15)Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ từ cảm  dơng, độ lớn cỡ 10-3  10-5.Vật liệu gồm nhiều nguyên tử hoặc ion từ mà mômen từ cô lập, định hớng hỗnloạn do tác dụng nhiệt Khi đặt vào từ trờng ngoài ( 

Hình 3 Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử trong vật liệu thuận từ.

Một số vật liệu điển hình là Al, Cr, CrCl, Na, mangansulfat, Môlip den, Titan,Zieccôn



1

Hình 4 Biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ

1/ của vật liệu thuận từ

Nh vậy, khi nhiệt độ tăng ,giá trị nghịch đảo độ cảm từ 1/ tăng tuyến tính



I

O H

Hình 5 Biểu diễn đờng cong từ hoá của vật liệu thuận từ.

Khi cha có từ trờng ngoài 

H = 0 các mômen từ bằng 0 Khi có từ trờng đặtvào sự sắp xếp của các mômen từ spin định hớng theo từ trờng nên tổngmômen từ tăng

3 Sắt từ

Hiện tợng sắt từ là hiện tợng một số kim loại có mômen từ vĩnh cửungay cả khi không có từ trờng ngoài và có một từ độ rất lớn, độ cảm từ có giátrị rất lớn,  ~ 105  106 Và các mômen từ nguyên tử trong một thể tích nào

đó sắp xếp song song với nhau, cùng chiều Bản chất của hiện tợng sắt từ do

t-ơng tác trao đổi giữa các mômen từ spin điện tử không tự triệt tiêu lẫn nhau.Nguyên nhân cụ thể của tơng tác trao đổi là ảnh hởng của chuyển động quỹ

đạo lên trạng thái spin của hệ Còn sự đóng góp của mômen từ quỹ đạo nhỏhơn so với mômen từ Spin

Hiện tợng sắt từ đợc đặc trng ở một số kim loại nh: Fe, Cr, Ni,…, một, một

số kim loại đất hiếm Gd và ở một số ôxit nh Fe2O3, FeO…, một Hiện tợng sắt từchỉ tồn tại ở nhiệt độ T< TC (TC là nhiệt độ Curie) Các chất sắt từ khác nhauthì nhiệt độ Curie khác nhau Còn khi T>TC thì chất sắt từ chuyển sang thuậntừ

Vật liệu sắt từ là vật liệu có độ từ cảm dơng và độ lớn đạt cỡ 106

. Trongvật liệu do có tơng tác mạnh dẫn đến các mômen từ đợc sắp xếp song song vớinhau Vật liệu sắt từ có mômen từ tự phát tức là có mômen từ ngay cả khikhông có từ trờng ngoài tác dụng

Hình 6b Biểu diễn sự phụ thuộc

vào nhiệt độ của giá trị nghịch đảo độ cảm từ

Tức là khi nhiệt độ T = TC mômen tổng cộng giảm nhanh về 0 và khi T>TC

vật liệu chuyển sang trạng thái thuận từ

4 Phản sắt từ

Hiện tợng phản sắt từ là hiện tợng có sự sắp xếp của các mômen từ Spincủa các nguyên tử hoặc các ion lân cận theo các hớng đối ngợc nhau một cáchchính xác Để xác định sự sắp xếp phản song của các mômen từ Spin ngời tadùng kỹ thuật nhiễu xạ Neutron Độ cảm từ trong miền từ T> TN thu đợc từ lýthuyết trờng trung bình:

 =

N

T T



1

Khi từ trờng ngoài song song với trục phản sắt từ, ở nhiệt độ T = 0 K thì

 // (0) = 0, khi T > 0K do chuyển động nhiệt, các mômen từ dao động quanhtrục, từ trờng H thúc đẩy theo phơng phản sắt từ và ngăn cản phơng song song,

do đó từ độ khác không và tăng dần Giá trị độ cảm từ cực đại thu đợc là:  

= -

2



tại T=TN Khi T>TN vật liệu chuyển thành vật liệu thuận từ

Vật liệu phản sắt từ là vật liệu có độ cảm từ  dơng và có giá trị lớnkhoảng 10-1  10-2 Các vật liệu phản sắt từ điển hình: Sm, Tu, MnO, FeO,CsO, MnS, CrSb, FeCO3, MnF2, FeCl2,,…, một

Khi nhiệt độ T < TN thì các mômen từ sắp xếp đối song song với nhau.Khi nhiệt độ T > TN trật tự sắp xếp các mômen từ hỗn loạn, trở thành chấtthuận từ trong trờng hợp không có từ trờng 

Hvà TN gọi là nhiệt độ chuyểnpha hay nhiệt độ Neel

T<TN T>TN

Hình 7a Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu phản sắt từ ở T<T N

khi không có từ trờng ngoài.



1

TO

Khi T<TN là sự sắp xếp phản song của mômen từ spin Tại T=TN độcảm từ đạt giá trị cực đại và trên đờng cong có một hõm khá rõ nét biểu diễntính phản sắt từ của vật liệu Còn khi T>TN vật liệu trở về chất thuận từ nên đồthị nh vật liệu thuận từ

5 Ferit từ

Các đặc trng của vật liệu ferit từ cũng đợc giải thích trên cơ sở mô hìnhphân mạng từ với tơng tác giữa các phân mạng là tơng tác phản sắt từ Khácvới vật liệu phản sắt từ, các mômen từ của các nguyên tử hoặc ion trong các

chất Ferit từ sắp xếp đối song nhng không bù trừ lẫn nhau hoàn toàn Điều nàylàm cho các vật liệu Ferit từ có các đặc trng từ giống với sắt từ hơn, đó là cácbiểu hiện của từ hoá tự phát, từ độ d và các đặc trng từ trễ Giả sử xét mô hình

2 phân mạng với hệ số tơng tác đối song , trong phép gần đúng trờng trungbình, ta có nhiệt độ trật tự từ:

TC =  ( CA CB )1 / 2 (1.18)

Đối với hiện tợng Ferit từ cũng có một nhiệt độ chuyển pha TC, khiT>TC, trật tự Ferit từ bị phá vỡ,trạng thái Ferit từ chuyển sang trạng thái thuậntừ

Độ cảm thuận từ khi T>TC có thể xác định theo:

 = ( )2/ 22

C

B A B

A

T T

C C T

C C





(1.19)Trong đó CA, CB là các hằng số Curie của các phân mạng A và B (trongtrờng hợp phản sắt từ CA = CB)

Vật liệu Ferit từ là vật liệu có độ cảm từ  > 0 và có giá trị không lớnlắm Các vật liệu Ferit từ điển hình nh: MO, Fe2O3, Fe2O4,…, một Ta xét vật liệu

có 2 phân mạng con A và B, (các vật liệu có thể có nhiều hơn hai phân mạng )

IS

1/

Khi nhiệt độ T < TC các mômen từ sắp xếp phản song với nhau nhng do

độ lớn của các spin khác nhau, vì vậy ngay cả khi không có từ trờng ngoài tácdụng thì tổng mômen từ khác 0

Ta thấy tại nhiệt độ T = 0K tổng mômen từ đạt giá trị bão hoà IS Khinhiệt độ càng tăng mômen từ tổng cộng giảm nhanh Đến giá trị T = TC thìmômen từ bằng 0 Còn khi T > TC thì vật liệu chuyển từ trạng thái Ferit từsang trạng thái thuận từ

Ngoài các vật liệu từ trên còn có vật liệu giả từ bền và vật liệu sắt từ kýsinh Trong đó vật liệu giả từ bền là vật liệu có sự chuyển trạng thái phản sắt

từ sang trạng thái sắt từ khi từ trờng ngoài đủ lớn tác dụng

Hình 8a Sắp xếp các mômen từ trong

vật liệu ferit từ khi T<T

C.

Hình 8b Biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt

độ của từ độ b o hoà Ião hoà I

S và nghịch đảo

độ cảm từ 1/
của vật liệu Ferit từ.

T Tc

0

Hình 9 Sự sắp xếp của các mômen Hình 9b Biểu diễn đờng

ngoài đủ mạnh vật liệu chuyển từ trạng giả bền.

thái phản sắt từ sang trạng thái sắt từ.

Còn vật liệu sắt từ ký sinh là sắt từ yếu kèm theo phản sắt từ nh: Fe2O3 Tạinhiệt độ T<TN từ độ giảm về 0 và tại T=TN từ độ bằng 0

khi T > TN sự sắp xếp phản sắt từ của Spin không còn nữa

Hình 10a Sự sắp xếp của mômen Hình 10b Các Spin bị lệch khỏi

từ trong vật liệu từ ký sinh với sự có trục.

Hình 10c Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hoà I S và nghịch đảo

độ cảm từ 1/ của vật liệu ký sinh.

Chơng II vật liệu phản sắt từ và các tính chất cơ bản

Trong chơng này chúng ta sẽ tìm hiểu một cách sâu hơn, kỹ hơn về hiện ợng phản sắt từ và các đặc trng của vật liệu phản sắt từ Đây là lớp vật liệu từ

t-đã và đang có nhiều khả năng ứng dụng trong cuộc sống

1 Khái niệm và đặc điểm của vật liệu phản sắt từ

1.1 Hiện tợng phản sắt từ

Hiện tợng phản sắt từ là sự phân bố mômen từ phản song song với nhaunhng độ lớn của các mômen từ là bằng nhau Trong vật liệu phản sắt từ lànhững vật liệu có hệ số từ hoá dơng và có giá trị lớn Khi cha bị từ hoá thì sựphân bố phản sắt từ của các mômen từ (còn gọi là spin) tức là phân bố phảnsong song của chúng dẫn đến triệt tiêu mômen từ tổng cộng Itot = 0

Sự phân bố các mômen từ kiểu đó đợc xác định bằng kĩ thuật nhiễu xạneutron Các hạt neutron không có điện tích và do đó không nhạy với điện tíchcủa các ion trong mạng tinh thể Nhng do neutron có mômen từ nên nó bị tánxạ mạnh bởi các mômen từ của mạng Nếu các mômen từ trong vật liệu phảnsắt từ phân bố có trật tự thì các chùm neutron tán xạ sẽ giao thoa nhau và chocác đờng nhiễu xạ đặc trng giống nh khi chùm điện tử tán xạ trên các điện tíchtrong nhiễu xạ kế điện tử

Trạng thái phản sắt từ chỉ tồn tại ở nhiệt độ T TN Trong đó TN lànhiệt độ Neel Còn ở miền nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ TN thì sự phân bố mômen

từ là mất trật tự

1.2 Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ

Xét vật liệu phản sắt từ tạo thành từ hai phân mạng từ (ký hiệu là phânmạng A và phân mạng B) bị từ hoá ngợc nhau, nghĩa là:

Các ion từ trong các hợp chất đó chẳng hạn ion Mn2+ trong MnO đợctách nhau bởi các ion không từ chẳng hạn O2- nên tơng tác trao đổi trực tiếpgiữa các ion đó rất yếu.

Tơng tác trao đổi mạnh dẫn đến sự sắp xếp trật tự (sắp xếp phản songsong) của các mômen từ trong các vật liệu này đợc giả thiết là một tơng tácthông qua quỹ đạo p của ion Oxy

Tơng tác loại này do nhà bác học Kramers và Anderson đề xớng và đợc gọi làtơng tác siêu trao đổi hay tơng tác trao đổi gián tiếp

 Bản chất của tơng tác siêu trao đổi:

Xét một hệ gồm hai ion kim loại M1 và M2 cách nhau bởi ion Oxy O2-cócấu hình điện tử 2s2 2p6 (trạng thái cơ bản của O2-) Trong trạng thái cơ bảnnày của O2- không tơng tác giữa 2 ion kim loại M1 và M2-

2p

Hình 11 Dạng quỹ đạo 2p của ion O 2-

Nhng có thể tồn tại một trạng thái kích thích của O2- trong đó một tronghai điện tử của O2- chuyển sang ion bên cạnh (thí dụ M1) ở đó tơng tác trao đổimạnh giữa các điện tử hớng spin của điện tử này theo phơng để ion M1 cómômen từ spin cực đại (theo quy tắc Hund) Chẳng hạn nếu M1 khi thêm một

điện tử nh thế chứa đầy kém hơn một nửa (nghĩa là < 10/2 =5 điện tử) thì tấtcả các điện tử 3d này sẽ có spin song song với nhau Còn nếu M1 có nhiều hơn

5 điện tử thì điện tử mới di chuyển sang cần phải có spin phản song song vớimômen spin tổng của ion

Các điện tử không đợc tạo cặp để lại trên quỹ đạo p của ion O2- sẽ tạocặp với ion kim loại M2 cũng theo phơng pháp nh ở trên đã mô tả Theonguyên lý Pauly 2 điện tử bị di chuyển từ O2- phải có spin ngợc nhau nên cảhai ion kim loại M1 và M2 cũng phải có mômen từ phản song song để thựchiện quy tắc Hund đồng thời trên hai ion đó

Tơng tác trao đổi gián tiếp (siêu trao đổi) phụ thuộc vào góc giữamômen từ và không có từ Nghĩa là sẽ phụ thuộc vào góc tạo bởi 3 ion M1- O– 2006 M2 Nếu góc này là 1800 thì tơng tác sẽ mạnh nhất vì quỹ đạo p của O2- trải

O

M

2

dài theo 2 cánh (hình 11) Còn nếu góc này là 900 thì tơng tác là nhỏ nhất vìkhi đó sự phủ của các hàm sóng p với các hàm sòng 3d nhỏ nhất.

2 Lý thuyết trờng phân tử cho phản sắt từ

Sự phụ thuộc của độ cảm từ  vào nhiệt độ T trong vật liệu phản sắt từ

đợc biểu diễn trên hình 12, trong đó   và // là ký hiệu độ cảm từ  của

đơn tinh thể khi từ trờng đặt vuông góc hay song song với trục phản sắt từ.Còn poly là độ cảm từ của đa tinh thể Từ sự phụ thuộc này có thể rút ra một

số đặc trng sau:

1 Tồn tại nhiệt độ trật tự TN ứng với một đỉnh trên đờng (T).

2 Sự dị hớng của khi T<TN : Có các giá trị khác nhau tuỳ theo từ

tr-ờng H song song hay vuông góc với trục spin của một đơn tinh thể vật liệuphản sắt từ Giá trị  cho vật liệu đa tinh thể là giá trị trung gian giữa các giátrị trên

Còn khi T > TN sự phụ thuộc nhiệt độ của  tơng tự nh định luật Curie

- Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ :

 = ,

T T

C

Các đặc điểm trên có thể đợc giải thích nhờ lý thuyết trờng phân tử.Trong vật liệu phản sắt từ có 2 loại chỗ mạng chứa các spin sắp xếp đốinghịch nhau (gọi là 2 phân mạng từ ) Xét một vật liệu phản sắt từ có 2 phânmạng là A và B Giả sử A là các chỗ của phân mạng ứng với spin (+) B là cácchỗ của phân mạng ứng với spin (-)

Hình 12 Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ cảm từ của vật liệu phản sắt từ.

Khi đó tơng tác trao đổi giữa các spin A với A và A với B có thể biểudiễn nhờ trờng phân tử tác dụng lên ion A nh sau:

HmA= AA IA + AB IB (2.2)Trong đó: IA và IB là các độ từ hoá của các phân mạng từ A và B

AAvà AB là các hằng số trờng phân tử

Với AB luôn âm (tơng tác là phản sắt từ )

Tơng tự ta có trờng phân tử tại chỗ mạng B là :

HmB = BA IA + BB IB (2.3)Vì các chỗ mạng A và B đối xứng nhau nên ta có :

AA = BB =  1 (2.4)

AB

 = BA = 2

Bây giờ ta xét các trờng hợp sau:

a Trờng hợp 1: Nếu giả thiết từ trờng 

I

B

A j

.

) ( 1 2

I

B

B j

.

) ( 1 2



(2.9)Trong đó N: số nguyên tử trên một đơn vị thể tích

BJ :Hàm Brilouin

j = gJ B :mômen từ nguyên tử thứ jGiải hệ phơng trình (2.8), (2.9) ta tìm đợc IA(T) và IB(T) có dạng nh tr-ờng hợp sắt từ Cụ thể là IA và IB sẽ giảm dần khi tăng nhiệt độ và bằng (0) tạinhiệt độ TN ( nhiệt độ Neel) đợc cho bởi công thức sau :

I I

H

B

B A

J

.

) ( 1 2

I I H

B

B A J

.

) ( 2 1

2 1

1 2

1   (2.15)

T k

I I

( 1

) (

2 1 2

J B J

B T k N

B T k N

(2.16)

 ở nhiệt độ T>TN : Sự sắp xếp các mômen từ là hoàn toàn mất trật tự, vật





(2.19)

 và 2 < 0.

Nh vậy ta nhận đợc định luật tơng tự nh công thức (2.1) thu đợc từ từthực nghiệm

So sánh 2 công thức cho TN và T’ trong các phơng trình (2.10) và (2.19)

ta thấy nhiệt độ Neel TN khác nhiều so với nhiệt độ T ‘ của nó

Ta cũng có nhận xét rằng giá trị cực đại của  đạt đợc khi T= TN Tứclà:

Hình 13 Sự định hớng của các mô men từ đối với vật liệu phản sắt từ trong từ

 (2.24) vì từ trờng ngoài H là nhỏ so với trờng phân tử nên  nhỏ

2 2

để làm thay đổi trật tự phản sắt từ Do đó cấu trúc phản sắt từ là bền vững và I

= 0 hay  //(T = 0 ) = 0



A



B

I

Hình 14 Minh họa về ảnh hởng của thăng giáng nhiệt của hệ phản

sắt từ trong từ trờng ngoài.

- Khi nhiệt độ tăng ( T > 0K ; T<TN ):

Do chuyển động nhiệt của nút mạng, IA và IB bị định hớng một phần theo

H Hình 14: trình bày sơ đồ minh hoạ ảnh hởng các thăng giáng nhiệt lên hệphản sắt từ trong từ trờng song song với trục phản sắt từ

Ta thấy IA và IB thăng giáng quanh vị trí cân bằng do dao động nhiệt theocác biên độ khác nhau: Khi 

H tăng thì thăng giáng của IA giảm và thănggiáng của IB tăng, giá trị trung bình IA lớn hơn giá trị trung bình IB dẫn đến giátrị I// khác 0

Trong trờng hợp cụ thể nh ở hình 15

Khi H song song với IA và phản song song với IB, hiệu ứng của từ trờng

là làm tăng giá trị ban đầu IA một lợng IA và giảm giá trị ban đầu IB một ợng IB

l-Kết quả là ở nhiệt độ T  0, từ độ tổng cộng ở từ trờng 

//

1 ) (

) (

 =

2

) ( )

(

) (

0 , 2 2 2 0 , 2 2 2

J J B

B J g N T

k

B J g N

J g

B

AA AB B J

.

) (

đó làm cho sự định hớng từ độ tăng lên rất nhiều

Và nh vậy với vật liệu phản sắt từ có nhiệt độ T<TN ta luôn có:  //

Vì năng lợng từ trờng ứng với các spin vuông góc (E) và spin song song(E) tơng ứng là:

h-Đây là quá trình đảo spin Trờng tới hạn HC tại đó xảy ra sự đảo spin sẽ

là trờng ứng với khi:

Trong đó K là năng lợng dị hớng ràng buộc IA theo phơng dễ (phơng trục Spin)

Thay các biểu thức (2.31) và (2.32) vào (2.33) ta đợc:

2

1 ( )

// ) (