Các cơ chế chính đóng góp vào quá trình sinh nhiệt của chất lỏng từ trong từ trường xoay chiều là tổn hao từ trễ và tổn hao hồi phục Neel và Brown. Hình 1.7 mô tả mối liên quan giữa kích thước hạt từ và cơ chế ảnh hưởng đến quá trình sinh nhiệt của hệ hạt nano. Đóng góp của mỗi quá trình này phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt và trạng thái từ của vật liệu. Các hạt nano có đường kính lõi cỡ vài chục nm thường được sử dụng trong phương pháp nhiệt từ trị. Kích thước siêu thuận từ phụ thuộc vào từng loại vật liệu, ví dụ IONs cỡ 16-20 nm, CFO cỡ 10 nm…Cơ chế sinh nhiệt chủ yếu cho các hạt siêu thuận từ là tổn hao hồi phục và đóng góp của tổn hao từ trễ là không đáng kể.
Hình 1.7. Cơ chế sinh nhiệt của hạt nano từ thông qua các quá trình vật lý khác nhau [18].
22
1.4.1. Cơ chế hồi phục (Néel và Brown).
Do tính dị hướng của cấu trúc tinh thể, mômen từ luôn định hướng theo một phương ưu tiên nào đó trong tinh thể. Vì vậy, sẽ có sự khác nhau về khả năng từ hóa theo các phương khác nhau, dẫn đến việc vật liệu có phương dễ từ hóa (trục dễ) và phương khó từ hóa (trục khó). Năng lượng cần thiết để quay mômen từ từ trục khó sang trục dễ gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể, phụ thuộc vào kích thước và hằng số dị hướng.
Khi hạt có kích thước đơn đômen, năng lượng dị hướng có thể nhỏ hơn năng lượng nhiệt, E = kBT (kB = 1,38.10-16 erg/K là hằng số Boltzman), các spin của hạt có thể xoay theo tất cả
các hướng ngay cả khi không có từ trường ngoài. Nếu lật các spin trong khi định hướng các hạt là cố định thì sau một thời gian các spin trở về vị trí ban đầu, được gọi là thời gian hồi phục Néel, chính là sự thay đổi định hướng của spin trong nội hạt.
Quá trình hồi phục Néel với thời gian đo khác nhau. Khi thực hiện phép đo từ hóa cho các hạt nano siêu thuận từ, ta sẽ xác định được thời gian đo (τm). Giá trị τm
tùy thuộc vào từng phép đo: trong (100 s), độ cảm từ (101đến 105s) và phổ Mossbauer (107đến 109s).
Nếu τm τN, sự từ hóa spin của các hạt nano trong suốt quá trình đo đổi hướng nhiều lần. Trường hợp này, các hạt nano được cho là ở trạng thái siêu thuận từ. Nếu τm τN, quá trình từ hóa sẽ không đủ thời gian để đổi hướng các spin
Hình 1.9. Thời gian hồi phục phụ thuộc vào kích thước [19].
Hình 1.8. Sơ đồ minh họa của: (a) hồi phục Neel và (b) hồi phục Brown [19].
23
trong suốt quá trình đo và được gọi là trạng thái khóa/đóng năng. Trạng thái siêu thuận từ và trạng thái khóa chuyển đổi lẫn nhau khi τm = τN [48]. Nếu tổn hao hồi phục Néel là quá trình quay mômen từ trong nội hạt thì tổn hao Brown là quá trình quay của toàn thể các hạt từ trong môi trường chất lỏng (Hình 1.8). Nếu môi trường có độ nhớt thấp, các hạt dễ dàng tái định hướng về vị trí ban đầu, tổn hao Brown có đóng góp lớn [42].
Theo nghiên cứu của Rosensweig đối với hệ hạt siêu thuận từ cho thấy:
khi kích thước hạt CFO trong chất lỏng từ đạt 6nm - 10 nm thì tổn hao hồi phục bao gồm cả hồi phục Néel và hồi phục Brown (Hình 1.9). Hồi phục Néel chiếm ưu thế khi kích thước hạt nhỏ hơn 6 nm, trong khi hồi phục Brown chiếm ưu thế khi kích thước hạt lớn hơn 10 nm [49].
Thời gian hồi phục Brown, Neel và hiệu dụng ( , và ) được cho như sau:
3Vh kT
B (1.9)
N 0exp(KVc)
kT (1.10) 1 1 1
eff B N
(1.11) Ở đây Vh là thể tích thủy động của hạt, ƞ là độ nhớt của chất lỏng, là thời gian hồi phục đặc trưng bằng 10-9s, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, VC
là thể tích lõi hạt từ (đơn đômen), k là hằng số Boltzmann (1,38 × 10−23 J.
K−1) [46, 49].
1.4.2. Tổn hao từ trễ.
Tổn hao từ trễ là năng lượng tiêu hao trong một chu trình từ hóa, được xác định từ diện tích vòng từ trễ của vật liệu. Quá trình này phụ thuộc rất mạnh vào cường độ từ trường và bản chất nội tại của hạt nano từ. Việc hình thành
Hình 1.10. Chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ đa đômen [20].
24
các đômen được giải thích trên cơ sở nguyên lý cực tiểu hóa năng lượng ở trạng thái cân bằng. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, vách đômen sẽ dịch chuyển theo xu hướng các đômen thuận lợi được mở rộng và đômen không thuận lợi bị thu hẹp lại để có lợi về mặt năng lượng. Hiện tượng này là bất thuận nghịch, tức là các đường từ hoá theo hai nhánh tăng và giảm từ trường là không trùng nhau, do vậy vật liệu từ có “tính trễ” (Hình 1.10).
Tổn hao từ trễ của vật liệu có thể đánh giá qua công suất tỏa nhiệt của vật liệu trong một chu trình từ trễ tỷ lệ với diện tích của chu trình từ trễ theo công thức:
0
hys H
c
W M H dH
(1.12) Trong đó μ0 = 4π10-7 (A/m)-1 là độ từ thẩm chân không, c là khối lượng riêng của vật liệu và MH là thành phần từ độ song song với từ trường.
Trong từ trường nhỏ, chuyển động của các vách đô men bị ngăn trở bởi các tâm ghim và tổn hao từ trễ sẽ tỉ lệ với cường độ từ trường theo hàm bậc ba:
Hmax3
C
Whys R (1.13) trong đó CR là hằng số phụ thuộc tính chất của vật liệu [30].
Công suất tỏa nhiệt cao có thể thu được với các vật liệu từ cứng có lực kháng từ và từ độ bão hòa cao.