ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT ĐẾN TRẠNG THÁI VÀ TÍNH CHẤT TỪ

1.3.1. Đơn đômen.

Trong vật liệu sắt từ, đômen được xem là vùng có các mômen từ định hướng hoàn toàn song song với nhau và được ngăn cách bởi các vách ngăn.

Khái niệm đômen từ được đề xuất lần đầu tiên bởi Weiss [50]. Việc hình thành các đômen từ được giải thích theo nguyên lý cực tiểu năng lượng của một hệ ở trạng thái bền. Đó là sự cân bằng của các dạng năng lượng ( năng lượng tĩnh từ, năng lượng trao đổi, năng lượng dị hướng và năng lượng của vách đômen) sẽ quyết định đến hình dạng và cấu trúc của đômen.

Kích thước hay độ rộng vách của đômen sẽ thay đổi khi kích thước của vật liệu giảm. Các hạt trở thành đơn đômen khi kích thước giảm đến một giới hạn nào đó. Khi đó sự hình thành vách đômen sẽ không thuận lợi về mặt năng lượng. Kích thước đơn đômen của các loại vật liệu là khác nhau.

Với các hạt hình cầu, tồn tại trạng thái có năng lượng từ tính cân bằng với năng lượng vách đômen (EM=EW), khi đó hạt nano từ trở thành đơn

đômen với đường kính tới hạn được tính theo công thức sau [2, 13]:

1 2 1

2 0

( )

c 18

s

D A K

 M

 (1.4) Trong đó A1 độ lớn tương tác trao đổi, Ms là từ độ bão hòa, 0là độ từ thẩm của môi trường và K là hằng số dị hướng từ tinh thể.

Giá trị kích thước đơn đômen và hằng số dị hướng tinh thể của một số vật liệu từ điển hình thể hiện ở bảng 1.3.

Bảng 1.3. Kích thước đơn đômen và hằng số dị hướng từ tinh thể của một số vật liệu từ điển hình [13, 44].

Vật liệu Kích thước đơn đômen Dc (nm)

Hằng số dị hướng từ tinh thể K (erg/cm3) x105

Fe3O4 128 1,2

18

MnFe2O3 50 0,25

Fe 15 5

Ni 55 0,5

Co 15 53

SmCo5 750 -

1.3.2. Siêu thuận từ.

Khi xem xét trạng thái từ của một hạt nano đơn đômen không tương tác, năng lượng dị hướng từ của mỗi hạt được xác định theo biểu thức [13]:

E( ) KVsin ( )2  (1.5) Trong đó, V là thể tích hạt từ và  là góc giữa từ độ và trục dễ.

Trạng thái năng lượng của hạt nano từ bao gồm năng lượng dao động nhiệt và năng lượng dị hướng liên quan đến định hướng dễ của mômen từ.

Trong trường hợp năng lượng dị hướng (KV) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (kBT), các spin được định hướng hoàn toàn ngẫu nhiên, vật liệu chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Trạng thái siêu thuận từ là một trong những đặc tính từ quan trọng trong cho các ứng dụng trong y sinh.

Năm 1949, Néel đã chỉ ra rằng, khi năng lượng dao động nhiệt lớn hơn năng lượng dị hướng thì mômen từ tự phát của hạt có thể thay đổi từ hướng của trục dễ sang hướng khác ngay cả khi không có từ trường ngoài. Thời gian chuyển hướng của mômen từ được gọi là thời gian hồi phục spin (N – hồi phục Neél) và được tính toán theo biểu thức sau [13]:

Đối với hạt CFO đơn đômen, các mômen từ luôn định hướng song song với nhau. Khi có tác dụng của từ trường ngoài các mômen quay đồng bộ, vì không tồn tại miền từ ngăn cách. Đây là lý do mà lực kháng từ được quan sát trên các hệ hạt nano có kích thước đơn đô men tới hạn có giá trị trong khoảng 20 nm-800 nm tùy thuộc vào độ lớn của từ độ tự phát, năng lượng dị hướng từ và năng lượng tương tác trao đổi [51].

19 N 0exp( )

B

KV

  k T (1.6) Trong đó, τ là thời gian đo và 0≈ 109s là thời gian hồi phục spin về trạng thái ban đầu.

Ở một khía cạch khác, nếu các mômen từ có thời gian hồi phục ngắn hơn thời gian của phép đo, hệ sẽ ở trạng thái siêu thuận từ. Nếu không, nó ở trạng thái khóa. Nhiệt độ bắt đầu chuyển từ trạng thái spin bị khóa ngẫu nhiên sang trạng thái siêu thuận từ được gọi là nhiệt độ khóaTB. Nhiệt độ khóa được xác định bởi biểu thức [2]:

0

ln( ) /

B B

T KV  k

  (1.7) Hoặc có thể sử dụng công thức sau đây cho các phép đo trong từ trường một chiều [6, 13]:

B 25

B

T KV

 k (1.8)

1.3.3. Từ độ và mô hình vỏ-lõi.

Tổng momen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ được gọi là độ từ hay từ độ. Đôi khi, từ độ còn được định nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng.

Hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ. Khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nano mét, số nguyên tử trên bề mặt là lớn so với tổng số

nguyên tử của vật liệu. Do đó, hiệu ứng bề mặt làm giảm mômen từ bão hòa và là nguyên nhân chính đóng góp vào giá trị dị hướng tổng cộng trong các hạt nano. Tỷ lệ của diện tích bề mặt so với mẫu khối liên quan đến sự suy giảm

Hình 1.5. Mô hình vỏ-lõi của một hạt nano từ [16].

Nhiệt độ khóa phụ thuộc vào thời gian đo  và loại phép đo. Một cách đơn giản, nhiệt độ TB được xem là nhiệt độ ứng với giá trị lớn nhất của đường từ độ phụ thuộc nhiệt độ trong chế độ làm lạnh không có từ trường.

20

mômen từ bão hòa theo kích thước trong các hạt từ kích thước nano [60].

Các hạt được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng (Hình 1.5). Trong khi đó, phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi. Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộ thể tích của hạt làm mômen từ giảm [40].

1.3.4. Lực kháng từ.

Hình 1.6 diễn tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt. Với các hạt từ đồng nhất, lực kháng từ được quyết định bởi dị hướng từ (bao gồm cả dị hướng hình dạng). Đối với hạt đơn đômen, quá trình đảo từ xảy ra do quá trình quay. Quá trình quay có thể quay không đồng bộ trong các hạt đômen có kích thước lớn, hoặc cơ chế quay đồng bộ trong các hạt đơn đômen kích thước nhỏ hơn. Trong trường hợp của các hạt đơn đômen, lực kháng từ có thể thay đổi từ 0 đến 2K/Ms, Ms là từ độ bão hòa. Khi các hạt có kích thước lớn, quá trình đảo từ thường liên quan đến dịch chuyển vách đômen của cấu trúc đa đômen. Lực kháng từ giảm khi hạt có kích thước lớn vì sự dịch chuyển vách xảy ra dễ dàng hơn, Hc~ 1/rn (r là chiều kích thước nhỏ nhất của hạt) [23].

Sự phụ thuộc vào kích thước hạt của lực kháng từ còn có thể được phân tích một cách chi tiết cho các hệ hạt có tương tác và không có tương tác.

Đối với các hạt đômen không có tương tác, khi hạt có bán kính khá lớn so

Hình 1.6. Lực kháng từ phụ thuộc vào kích thước hạt [17].

21

với giới hạn siêu thuận từ, lực kháng từ tăng khi kích thước hạt giảm [2].

Đối với các hạt tương tác, mô hình dị hướng từ hỗn độn áp dụng cho các hạt đômen có tương tác với nhau trên khoảng chiều dài trao đổi. Sự có mặt của tương tác trao đổi giữa các hạt làm giảm lực kháng từ nhờ việc mở rộng vùng thăng giáng của từ độ trong các hạt do đó quá trình đảo hướng xảy ra dễ dàng hơn.