Chế tạo nghiên cứu cấu trúc tinh thể và một số tính chất vật lý của hệ vật liệu lar fe si 13 r

MỞ ĐẦUTrong những thập kỷ cuối cùng của thế kỷ XX, đã có hàng loạt phát minhquan trọng liên quan đến các tính chất và ứng dụng mới của các hệ vật liệu từ khácnhau, đặc biệt là hệ vật liệ

Lại Thanh Thủy

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỆ VẬT LIỆU LaR(Fe,Si)13

(R = Ce, Tb, Ho, Yb)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Hà Nội – 2014

Lại Thanh Thủy

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỆ VẬT LIỆU LaR(Fe,Si)13

(R = Ce, Tb, Ho, Yb)

Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS ĐỖ THỊ KIM ANH

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất tới cô giáo,PGS TS Đỗ Thị Kim Anh, người đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ emhoàn thành luận văn này Trong suốt thời gian làm khóa luận, mặc dù rất bận rộntrong công việc nhưng cô vẫn dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn em

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo, tập thể cán bộtrong Khoa Vật lý- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các thầy côtrong Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp Chính các thầy cô đã xây dựng cho em nhữngkiến thức nền tảng và chuyên môn để em có thể hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn bên em, cổ

vũ và động viên em những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luậnvăn này

Hà Nội, ngày 28 tháng 04 năm 2014

MỤC LỤC

MỞ

ĐẦU 1

Chương I - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỢP CHẤT La(Fe 1-x M x ) 13 4

1.1.Tổng quan về hợp chất La(Fe1-xMx)13 .4

1.1.1.Cấu trúc tinh thể của hợp chất La(Fe1-xMx)13 .4

1.1.2.Tính chất từ của hợp chất La(Fe1-xMx)13 .6

1.2 Các hiện tượng từ 8

1.3 Tương tác từ của hệ các điện tử linh động 10

1.3.1.Thuận từ Pauli 10

1.3.2.Mô hình Stoner 12

1.4.Chuyển pha từ giả bền 13

Chương II – PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 17

2.1.Chế tạo mẫu 17

2.1.1 Phương pháp nóng chảy hồ quang 17

2.1.2.Quy trình nấu mẫu 19

2.1.3 nhiệt.Ủ 20

2.2 Các phương pháp nghiên cứu 20

2.2.1.Nhiễu xạ bột tia X 20

2.2.2 Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID) 22

2.2.3.Hệ đo từ độ 24

Chương III – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1.Cấu trúc tinh thể của hợp chất La1-xCex(Fe0,88Si0,12)13 .27

3.2.Tính chất từ của hợp chất La0,8R0,2(Fe0,88Si0,12)13 .31

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

Bảng 1: Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc loại NaZn 13 của hợp chất LaCo 13 5 Bảng 2: Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp chất La(Fe 1-x Al x ) 13 [13]

7

Bảng 3: Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp chất La(Fe 1-x Co x ) 11,7 Al 1,3 (với x = 0,02; 0,04; 0.06; 0,08)

8

Bảng 4: Hằng số mạng của hợp chất La 0.8 Ce 0.2 (Fe 0.88 Si 0.12 ) 13 ở cácnhiệt độ

khác nhau 29 Bảng 5: Nhiệt độ chuyển pha T C và moment từ bão hòa của các hợp chất

La 0,8 R 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 với R= Ce, Tb, Ho, Yb

36

Hình 1.1: Cấu trúc lập phương NaZn 13 – hợp chất LaCo 13 [16] 5 Hình 1.2: Cấu trúc tứ diện 6 Hình 1.4: Cấu trúc sắt từ (a), phản sắt từ (b), feri từ (c), cấu trúc từ xoắn (d) 9 Hình 1.5: Mật độ trạng thái của các điện tử với spin ↑ và spin ↓ 11 Hình 1.6: Sự sắp xếp các moment từ của vật liệu từ giả bền: dưới tác dụng của

từ trường ngoài đủ mạnh vật liệu chuyển từ trạng thái phản sắt từ sang trạng thái sắt từ

14

Hình 1.7: Đồ thị biển diễn sự phụ thuộc của năng lượng tự do vào từ độ 15 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ nấu mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp.

17

Hình 2.2: Minh họa vùng hồ quang 18

Hình 2.3: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp nhiễu xạ tia X 21 Hình 2.4: Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID

23

Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ bột tia X của các hợp chất La 1-x Ce x (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13

với x = 0 và x = 0,2 ở nhiệt độ phòng 27 Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ bột tia X của hợp chất La 0,8 Ce 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 ở các nhiệt độ khác nhau

28

Hình 3.3: Sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ theo nhiệt độ ở góc 2θ = 43,26 0 29 Hình 3.4: Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào nhiệt độ của hợp chất

La0,8Ce0,2(Fe0,88Si0,12)13 30 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của moment từ vào nhiệt độ của hợp chất

La 0,8 Ce 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 ở từ trường H = 1 kOe 31 Hình 3.6: Sự phụ thuộc của moment từ vào nhiệt độ của các hợp chất

La 0,8 R 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 trong từ trường H = 1 kOe (với R = Tb, Ho)

32

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của moment từ vào nhiệt độ của hợp chất

La 0,8 Yb 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 trong từ trường H = 1 kOe 33 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha T C lên dãy đất hiếm R thay thế cho một phần La trong các hợp chất La 0,8 R 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13

34

Hình 3.9: Các đường cong từ hóa đẳng nhiệt của các hợp chất

La 0,8 R 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 với R= Ce, Tb, Ho, Yb ở nhiệt độ T = 1,8 K

36

Hình 3.10: Đồ thị sự phụ thuộc của moment từ bão hòa vào dãy đất hiếm thay thế cho một phần La trong các hợp chất La 0,8 R 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13

37

Hình 3.11: Đường cong từ hóa đẳng nhiệt của hợp chất La 0,8 Ho 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13

ở các nhiệt độ khác nhau 38 Hình 3.12: Đường Arrott plots của hợp chất La 0,8 Ho 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 ở các nhiệt

độ khác nhau

39

Hình 3.13: Đường cong từ hóa đẳng nhiệt của hợp chất La 0,8 Yb 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13

ở các nhiệt độ khác nhau 40

Hình 3.14: Đường Arrott plots của hợp chất La 0,8 Yb 0,2 (Fe 0,88 Si 0,12 ) 13 tại các nhiệt

độ khác nhau

41

MỞ ĐẦU

Trong những thập kỷ cuối cùng của thế kỷ XX, đã có hàng loạt phát minhquan trọng liên quan đến các tính chất và ứng dụng mới của các hệ vật liệu từ khácnhau, đặc biệt là hệ vật liệu từ liên kim loại Năm 1997, tại Mỹ máy làm lạnh từ thửnghiệm sử dụng kim loại Gd như một tác nhân làm lạnh từ đã chạy suốt 14 năm vàđạt được công suất cỡ 600W [13] Cũng trong năm này, hai nhà vật lý người Mỹ làK.A Gschneidner và V.A Pecharsky đã công bố hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ trongcác hợp chất Gd5(Si1-xGex)4 (với 0,05 ≤ x ≤ 0,5) [20] Vật liệu này có MCE lớn gấp 2lần so với kim loại Gd Điều này đã mở ra cho các nhà khoa học một hướng nghiêncứu mới về hiệu ứng từ nhiệt và kỹ thuật làm lạnh từ nhất là trên các vật có chuyểnpha từ ở gần nhiệt độ phòng Năm 1881, nhà vật lý người Đức Emil Warburg đãphát hiện ra hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric Effect – MCE), đó chính là sự thayđổi nhiệt độ của một vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài, hay nói cáchkhác, đó là sự biến đổi entropy từ có trong vật liệu dưới tác dụng của sự biến thiên

từ trường Việc nghiên cứu để chế tạo vật liệu có MCE lớn mà có nhiệt độ chuyểnpha từ gần với vùng ứng dụng và sử dụng từ trường thấp, độ rộng của sự thay đổientropy từ nhỏ (tính đơn pha cao) là vấn đề đang thu hút sự chú ý của các nhà khoahọc trên thế giới Công nghệ làm lạnh từ không sử dụng các hóa chất độc hại vớimôi trường Vì thế nó là một công nghệ làm lạnh rất có lợi đối với môi trường Một

sự khác biệt then chốt nữa giữa các thiết bị làm lạnh theo chu trình nén hơi và khívới thiết bị làm lạnh từ là ở lượng nhiệt hao phí có thể tránh được trong chu trìnhlàm lạnh Hiệu suất làm lạnh trong kỹ thuật làm lạnh từ đã cho thấy có thể đạt đến60% của giới hạn lý thuyết trong khi đó thiết bị làm lạnh theo chu trình nén khícũng chỉ đạt khoảng 40% Hơn thế nữa, công nghệ nén khí không thể dễ dàng thunhỏ kích thước để có công suất thấp phục vụ cho những mục đích ứng dụng đặcbiệt, chẳng hạn để làm lạnh máy tính siêu dẫn cá nhân

Trong số các vật liệu đã được nghiên cứu như: các hợp chất perovskite La

1-xCaxMnO3 và La1-xSrxCoO3 [16] được xem là những vật liệu đầy tiềm năng ứng dụngtrong kỹ thuật làm lạnh từ bởi giá thành thấp, công nghệ chế tạo đơn giản và hiệuứng từ nhiệt lớn Song song với quá trình phát triển việc nghiên cứu MCE trên cácloại vật liệu từ khác, hiện nay vật liệu từ nhiệt có chuyển pha bậc nhất như Gd5(Si1-

xGex)4 [20], La(Fe1-xMx)13 [6], MnAs, MnFe(P1-xAsx) [9], hợp kim Heusler,…[13] đãthu hút sự chú ý do MCE khổng lồ của chúng Trong số các loại vật liệu này, hợpchất giả lưỡng nguyên La(Fe1-xMx)13 xuất phát từ vật liệu hai nguyên loại LaT13 với

các kim loại M như Si hay Al Tính chất từ của hệ hợp chất này phụ thuộc rất mạnhvào nguyên tố thay thế và nồng độ của nó Hợp chất La(FexAl1-x)13 là sắt từ với 0,62

≤ x ≤ 0,86 và là phản sắt từ với 0,86 ≤ x ≤ 0,92 [6] Trong khi hợp chất La(FexSi1-x)13

là sắt từ trong khoảng 0,62 ≤ x ≤ 0,89 [6] Khi nồng độ Fe tăng thì nhiệt độ chuyển

pha Curie TC giảm và moment từ bão hòa MS tăng Trong hợp chất sắt từ La(Fe

1-xMx)13 biểu hiện một tính chất từ giả bền điện tử linh động Tính chất này ảnh hưởngmạnh đến hiệu ứng từ nhiệt, hiệu ứng từ thể tích, từ giảo khổng lồ và một số tínhchất khác của vật liệu So với tác nhân từ trường và áp suất thì ảnh hưởng của sựđiền kẽ bởi hydro và cacbon lên các tính chất từ của vật liệu cũng rất mạnh [11] vàtương đương như khi thay thế Fe bằng các nguyên tố Si hoặc Co Việc pha tạp cácnguyên tố đất hiếm khác như Pr, Nd, Ce, Er và Gd vào vị trí của La cũng đã đượcnghiên cứu nhằm mục đích thay đổi nhiệt độ chuyển pha Curie và giảm từ trườngtới hạn của chuyển tiếp từ 3d trong hợp chất La(Fe, Si)13[15]

Trên cơ sở đó, các công trình chủ yếu tập trung nghiên cứu vào việc chế tạo

thế Si vào vị trí Fe và thay thế một phần La bằng các nguyên tố đất hiếm khác lênmột số tính chất vật lý của chúng trong hệ vật liệu La(Fe, Si)13 Trong luận văn này,

em tập trung nghiên cứu cấu trúc tinh thể và một số tính chất vật lý của hệ vật liệuLa(Fe,Si)13 khi thay thế một phần La bằng các nguyên tố đất hiếm Ce, Ho, Tb, Yb

Luận văn bao gồm các phần sau:

Chương I - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỢP CHẤT La(Fe 1-x M x ) 13

1.1 Tổng quan về hợp chất La(Fe 1-x M x ) 13

1.1.1 Cấu trúc tinh thể của hợp chất La(Fe 1-x M x ) 13

được nghiên cứu nhiều Thực tế là do các hợp chất này có hàm lượng kim loạichuyển tiếp cao nhất trong các hợp chất đất hiếm – kim loại chuyển tiếp Một trongnhững chủ đề hấp dẫn nhất của các hợp chất từ tính là liên kết kim loại của hợp chấtLa(Fe1-xSix)13 có cấu trúc lập phương đặc trưng của NaZn13 - kiểu cấu trúc thuộc

nhóm không gian Fm3c Trong cấu trúc này, các ion Na nằm ở vị trí 8a còn có các

ion Zn nằm ở các vị trí 8b và 96i, do vậy mỗi ô nguyên tố chứa 8 đơn vị công thứcNaZn13 [15]

nữa, các hợp chất này không chỉ có hàm lượng kim loại chuyển tiếp cao nhất trongcác hợp chất đất hiếm- kim loại chuyển tiếp mà còn được dự kiến moment từ cao ở

Curie cao (4πMs=13kG, TC = 1290K) Bảng 1 đưa ra các vị trí của các nguyên tử Co

và La, nguyên tử Co chiếm hai vị trí khác nhau theo tỉ lệ CoI:CoII =1:12 [16] Mỗi

nhất

phần Fe bởi các kim loại khác như Si, Co, Al,… Như vậy, một lượng nhỏ nguyên tốthứ ba sẽ tạo ra một hợp chất giả nhị nguyên với cấu trúc 1:13 Nói cách khác chúng

ta có thể ổn định hệ nhị nguyên đất hiếm– kim loại chuyển tiếp với cấu trúc lậpphương loại NaZn13 khi thay thế nguyên tử FeII bởi kim loại thứ ba Đặc biệt,

với 0,078 ≤ x ≤ 0,192 hợp chất La(Fe1-xSix)13 tồn tại cấu trúc lập phương dạngNaZn13 [21] Cấu trúc kiểu NaZn13 cũng được hình thành khi thay thế một phần kimloại La bởi nguyên tố đất hiếm khác tức là hệ La0,7Ry(Fe0,.88Si12)13 với R = Nd, Pr và

Gd khi y = 0,2 [9]

Hình 1.1: Cấu trúc lập phương NaZn 13 – hợp chất LaCo 13 [16]

a) Cấu trúc tinh thể b) Cấu trúc 1 ô nguyên tố

Bảng 1: Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc loại NaZn 13 của hợp chất LaCo 13

Trong trường hợp La(Fe1-xSix)13, pha 1 : 13 ổn định với 0,12 ≤ x ≤ 0,19 Khinồng độ Si tăng (0,24 ≤ x ≤ 0,38), hợp chất La(Fe1-xSix)13 biểu hiện cấu trúc tứ diệnđều được suy ra từ cấu trúc lập phương loại NaZn13.

Na

ZnI

ZnII

Hình 1.2: Cấu trúc tứ diện.

Loại cấu trúc tứ diện đều có ô nguyên tố dịch chuyển dọc theo trục z từ cấu

theo trục z để tạo thành các ô tứ diện qua mối quan hệ:

Tính chất từ của La(Fe1-xMx)13 phụ thuộc mạnh vào hai yếu tố đó là nguyên tố

M và nồng độ của nguyên tố M trong các hợp chất Với M = Al, trạng thái từ tronghợp chất La(Fe1-xAlx)13 là vật liệu sắt từ với 0,14 ≤ x ≤ 0,38; và là vật liệu

phản sắt từ với 0,08 ≤ x ≤ 0,19 [21] Trạng thái từ trong hợp chất La(Fe1-xAlx)13 được

ổn định khi 0,08 ≤ x ≤ 0,54 và giá trị lớn nhất của TC trong các loại hợp chất có thểlên tới 250K và sau đó giảm dần [21]

Bảng 2 thống kê các thông số từ của hệ hợp chất La(FexSi1-x)13 [11] So vớihợp chất ban đầu LaCo13, việc thay thế Co bởi Fe và Si đã làm giảm nhiệt độ chuyển

Bảng 2: Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của biến thiên entropy từ vào nhiệt độ

của La(Fe 1-x Co x ) 11.7 Al 1.3 trong từ trường biến thiên là 5 T và 2 T.

Hiệu ứng từ nhiệt của hệ hợp chất này được quan tâm nhiều trong nhữngnăm gần đây do hiệu ứng lớn Hình 1.3 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ biếnthiên entropy từ vào nhiệt độ của các hợp chất La(Fe1-xCox)11,7Al1,3 [13] Từ đồ thịnày, ta đưa ra được một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từnhiệt trong các hợp chất La(Fe1-xCox)11,7Al1,3 (với x = 0,02; 0,04; 0,06; 0,08) đượctổng kết trong bảng 3.

Bảng 3: Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong

1.2 Các hiện tƣợng từ

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

Hình 1.4: Cấu trúc sắt từ (a), phản sắt từ (b), feri từ (c), cấu trúc từ xoắn (d)

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

tính chủ yếu: dãy các kim loại chuyển tiếp (3dn với n = 1 đến 10) và dãy các nguyên

tố đất hiếm (4fn với n = 1 đến 14) Hai lớp vỏ điện tử 3d và 4f này có các đặc tínhkhác nhau, nên tính chất từ của hai dãy nguyên tố này cũng rất khác nhau

Các điện tử 4f có đặc tính định xứ do chúng nằm trên lớp vỏ điện tử ở sâubên trong Đối với từng nguyên tử, tương tác giữa các điện tử (~ 10eV) dẫn đến quy

tắc Hund: S = Smax và L = Lmax tương ứng với Smax Tương tác spin quỹ đạo λLS cũng rất mạnh (~ 1eV) Moment toàn phần J = |L - S| cho các nguyên tố đất hiếm nhẹ (n

< 7), J = L+S cho các nguyên tố đất hiếm nặng (n ≥ 7) Moment từ của nguyên tử

được định nghĩa:

(với gJ là thừa số Landé, μB là manheton Bohr)

Các lớp vỏ 3d nằm ở gần phía ngoài Trong kim loại, các điện tử 3d có đặctính linh động, vùng năng lượng của chúng có độ rộng W cỡ 5eV Các điện tử cócùng spin (thuận và nghịch) chiếm các trạng thái năng lượng thuộc về hai phânvùng tương ứng Tuy nhiên, từ tính chỉ xuất hiện trong một số kim loại như Mn, Fe,

Co và Ni nhờ có sự tách vùng năng lượng (Hình 1.5)

Tương tác giữa các moment từ là hệ quả của tương tác xảy ra giữa các điện

tử trên các nguyên tử khác nhau Đối với các điện tử 3d, hiệu ứng của tương tác trao

đổi giữa các nguyên tử là sự chuyển dời của các điện tử từ nguyên tử này sangnguyên tử khác và ngược lại Cường độ của tương tác này khá bé (chỉ cỡ 0,1eV).

Do đặc tính định xứ của các điện tử 4f, không có trao đổi trực tiếp giữa các điện tử4f trên các nguyên tử khác nhau Tuy nhiên các điện tử linh động 5d và 6s tương tácvới các điện tử 4f trên từng nguyên tử Điều này dẫn đến sự phân cực của các điện

tử linh động và tạo nên tương tác gián tiếp giữa các moment từ định xứ 4f Do vậy,tương tác này càng yếu hơn (0,01eV) Các tương tác trên được gọi là tương tác trao

có cường độ tỉ lệ với độ từ hóa trung bình (M) của mẫu hay của các phân mạng:

trong đó: λ được gọi là hệ số trường phân tử

1.3 Tương tác từ của hệ các điện tử linh động.

ở đây χ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ Tuy nhiên các quan sát thực nghiệm lại chỉ ra rằng

hệ số từ hóa của các điện tử tự do là một hằng số, không phụ thuộc vào nhiệt độ.Các tính chất như vậy được giải thích dựa trên mô hình vùng năng lượng,đó là lýthuyết Pauli [2] Có thể trình bày lý thuyết này với hàm mật độ trạng thái có dạng

parabol N(E) ~ � (Hình 1.5).

Gọi số điện tử và mức năng lượng Fermi của các phân vùng với spin thuận

(↑) và spin nghịch (↓) tương ứng là n± và EF±, từ độ có thể được tính như sau:

M = μB(n+ - n-) (1.6)Trong đó:

Khi tính đến cả lực đẩy Culông giữa các điện tử có spin trái dấu, chính thế

năng của tương tác đó (I) là nguyên nhân của sự tách vùng “tự phát”:

vùng spin ↑ do có sự tách vùng, động năng của các điện tử sẽ tăng lên một lượng là:

Các giá trị cân bằng của từ độ tỉ đối (m = M/n0μB) nhận được như sau:

+ m = 0 nếu �� < 1 , khi N(E F) rất nhỏ

+ 0 <m< 1 nếu �� �� > 1, khi N(EF) đủ lớn

+ m = 1 nếu �� �� = 1, khi N(E F) lớn

�

�

<

0

Như vậy, đối với hệ các điện tử linh động từ tính phụ thuộc rất mạnh vào độ lớn của hàm mật độ trạng thái ở mực Fermi.

Hơn thế nữa, quá trình từ hóa còn phụ thuộc vào dáng điệu của N(E) ở lân

cận mức Fermi

1.4 Chuyển pha từ giả bền

Pha là một trạng thái của vật chất với các thuộc tính và đối xứng đặc trưngnhư pha rắn, pha lỏng của kim loại và hợp kim; pha sắt từ, thuận từ của các vật liệu

từ, pha siêu dẫn hoặc pha dẫn điện thường của các chất siêu dẫn Chuyển pha là

sự thay đổi trạng thái của vật chất từ mức độ đối xứng sang mức độ đối xứng khác

và hình thành các thuộc tính mới của vật liệu Đối xứng đề cập ở đây có thể là đốixứng tinh thể (chuyển pha rắn – lỏng) nhưng cũng có thể là đối xứng của các tham

số vật lý khác Ví dụ, ở chuyển pha sắt từ - thuận từ, đối xứng tinh thể nói chungkhông thay đổi nhưng đối xứng của moment từ bị thay đổi: các moment từ có mộtphương dị hướng (đối xứng thấp) trong pha sắt từ nhưng lại đẳng hướng (đối xứngcao) trong pha thuận từ [5]

Chuyển pha từ giả bền là chuyển pha loại một từ trạng thái thuận từ sangtrạng thái sắt từ dưới tác dụng của các tham số ngoài như từ trường, áp suất hoặcnhiệt độ

Bắt đầu từ trạng thái thuận từ, nếu tiêu chuẩn Stoner gần được thỏa mãn,trạng thái sắt từ có thể xuất hiện một cách ổn định dưới tác dụng của từ trườngngoài nếu từ trường ngoài có thể làm tăng mật độ trạng thái ở mức Fermi:

[� �� = �↑ �� + �↓ �� ]� =0 < [� �� = �↑ �� + �↓ �� ]�>0 (1.19)Chuyển pha từ giả bền được giải thích theo mô hình Landau trên cơ sở cấutrúc vùng đặc biệt của các điện tử linh động

Wohlfarth và Rohdes là những người đầu tiên tiên đoán giả bền từ của điện

tử linh động trên cơ sở khai triển hàm năng lượng tự do Landau Mô hình này được

sử dụng rất rộng rãi trong việc giải thích cơ chế của chuyển pha từ giả bền trong các hợp chất đất hiếm - kim loại chuyển tiếp.

Hình 1.6: a) Sự sắp xếp các moment từ của vật liệu từ giả bền: dưới tác

dụng của từ trường ngoài đủ mạnh vật liệu chuyển từ trạng thái phản sắt từ sang trạng thái sắt từ.

b) Đường cong từ hóa của vật liệu từ giả bền.

Để tính năng lượng của điện tử lớp d của nguyên tử, ta sử dụng công thức năng lượng Landau:

�(� ) = 1 � (�)�2 + 1 � (�)�4 + 1 � (�)�6 + ⋯ (1.20)

Trong đó: M là từ độ; A(T), B(T), C(T) là các hệ số liên quan đến cấu trúc

với nhau theo công thức:

Tùy thuộc vào giá trị của hệ số này, sự phụ thuộc của F vào M sẽ có dạng

khác nhau:

+ Nếu A>0, B>0: trên đồ thị F(M) có duy nhất một cực tiểu tại M=0 tương

ứng với trạng thái thuận từ (đường 1 trên hình 1.7)

+ Nếu A<0, B>0: trên đồ thị F(M) còn có một cực tiểu tương ứng với M≠0.

Như vậy, hệ luôn có moment từ tự phát tương ứng với trạng thái sắt từ (đường 3trên hình 1.7)

Hình 1.7: Đồ thị biển diễn sự phụ thuộc của năng lƣợng tự do vào từ độ.

+ Nếu A>0, B<0, C>0 (C>0 để đảm bảo có cực tiểu hữu hạn): trên đồ thị

F(M) có tồn tại 2 cực tiểu Một ứng với M0 = 0 còn cực tiểu thứ hai ứng với

M1 ≠ 0 Tuy nhiên, vì F(M0) < F(M1) nên thực tế chỉ tồn tại ở trạng thái ứng với cựctiểu thứ nhất còn cực tiểu thứ hai ứng với trạng thái giả bền

Xét riêng trường hợp: khi đặt từ trường ngoài H vào, hệ sẽ nhận thêm năng lượng từ F H = -M⋅H, như vậy năng lượng của hệ sẽ là: F T = F + F H Khi H tăng, cực

tiểu thứ hai (giả bền) có mức năng lượng thấp dần, khi tăng tới một giá trị

H = HC, ta có F(0) = F(MC ≠0) Lúc này, hệ có thể chuyển trạng thái từ M=0 tới trạng thái M ≠ 0 (hoặc ngược lại) Đó là sự chuyển pha từ giả bền điện tử linh động

(Itinerant Electron Metamagnetism – IEM) từ trạng thái thuận từ sang trạng thái sắt

từ (hoặc ngược lại)

Trong các lý thuyết trước đây, các hệ số khai triển A, B được tính theo côngthức:

Trong đó: U là năng lượng trao đổi giữa các điện tử, N, N’, N’’ lần lượt là mật

độ trạng thái, đạo hàm bậc một và bậc hai của hàm mật độ trạng thái tại mức Fermi

3

Chương II – PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo mẫu

Các mẫu được chuẩn bị từ các nguyên liệu ban đầu có độ sạch 99,99% (với

La, Fe) và 99,999 với Si Mỗi mẫu được cân với khối lượng m = 5 g theo đúng

thành phần danh định (riêng các nguyên tố đất hiếm được bù thêm 2 % để bù vàolượng bốc bay trong quá trình nấu mẫu) Sau đó, hỗn hợp được nấu bằng phươngpháp nóng chảy hồ quang trong môi trường khí Ar

2.1.1 Phương pháp nóng chảy hồ quang

Hồ quang được tạo trong buồng khí trơ (Ar hoặc He).Đó chính là một loạiplasma nhiệt độ thấp [1]

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ nấu mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang

tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp.

Hồ quang có thể phân chia làm 3 vùng: vùng cực âm, cột hồ quang và vùngcực dương (Hình 2.2).

Hình 2.2: Minh họa vùng hồ quang.

Cực âm bị nung nóng do sự va chạm mạnh của các hạt ion dương, cực dương

bị nung nóng do các điện tử nhiệt Vật liệu làm từ cực dương bị nóng chảy, bốc bay

và phân ly thành các ion dương và các điện tử Các điện tử bị hút trở lại cực dương,còn các ion dương chuyển động về phía cực âm, tham gia vào cột hồ quang nóngsáng, rồi đập vào cực âm và truyền toàn bộ động năng vào chúng, làm mòn cực âm

và làm chúng nóng lên Một phần vật liệu làm cực dương (phần không tham gia vàocột hồ quang) không bị phân ly thành ion dương và điện tử, chủ yếu là vật liệu bịbốc bay từ bề ngoài của phần nóng chảy Do sự chênh lệch cao của nhiệt độ ở bềmặt nóng chảy so với phần tiếp xúc đáy nồi, phần vật liệu này bị kéo trở lại và đượcgiữ trong không gian giữa phần vật liệu nóng chảy và vật liệu làm nồi Quá trìnhtương tự như vậy cũng xảy ra trong vùng cực âm.Một phần vật liệu làm cực âm bịphân ly thành ion dương và các điện tử Các điện tử nhiệt này chuyển động về phíacực dương, nung nóng vật liệu làm cực dương, còn các ion dương bị kéo trở lại phía