Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin trong các hệ vật l
Luận án: Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin trong các hệ vật liệu rfe11ti luận án pts vật lý 1 02 13. Xem tóm tắt và tải về tại LuanA
Luan An
Luận án tiến sĩ
Số trang
112
Thời gian đọc
17 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Vật liệu từ cứng: Dị hướng từ và Tái định hướng spin
- Số trang:
- 112 trang
- Tác giả:
- Luan An
Tóm tắt nội dung luận án
I.Vật liệu từ cứng Dị hướng từ và Tái định hướng spin
Nam châm vĩnh cửu đóng vai trò then chốt trong công nghệ hiện đại. Chúng xuất hiện trong động cơ điện, máy phát điện, thiết bị lưu trữ dữ liệu, và các hệ thống năng lượng tái tạo. Hiệu suất của nam châm được đánh giá bởi tích năng lượng (BH)max. Để đạt (BH)max cao, vật liệu cần có cảm ứng từ dư (Br) và lực kháng từ (Hc) lớn. Nhiệt độ Curie (Tc) cao cũng rất quan trọng, đảm bảo nam châm hoạt động ổn định ở điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu tập trung tìm kiếm vật liệu mới với các tính chất từ tối ưu này. Sự phát triển vật liệu từ cứng giúp thúc đẩy nhiều ngành công nghiệp. Từ độ bão hòa (Ms) lớn cần thiết cho Br cao. Dị hướng từ mạnh lại là yếu tố sống còn cho Hc cao. Dị hướng từ có hai loại chính: dị hướng hình dạng và dị hướng từ tinh thể. Các nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao thường dựa vào dị hướng từ tinh thể mạnh. Dị hướng từ tinh thể là đặc tính nội tại của vật liệu, phản ánh sự ưu tiên của mô men từ theo một hướng cụ thể trong mạng tinh thể. Hiểu rõ và kiểm soát dị hướng từ là chìa khóa để thiết kế vật liệu từ cứng vượt trội. Hợp kim đất hiếm (R) và kim loại chuyển tiếp (T) đánh dấu bước ngoặt lớn. Chúng kết hợp mô men từ cao từ cả phân mạng R và T. Tương tác trao đổi mạnh trong phân mạng T đảm bảo Ms và Tc cao. Đặc biệt, các hợp kim R-T thường sở hữu dị hướng từ tinh thể lớn. Đóng góp chính thường đến từ phân mạng đất hiếm. Ban đầu là hợp kim RC05, sau đó là Nd-Fe-B. Hợp kim R-Fe-Ti là một ứng cử viên tiềm năng mới. Nghiên cứu tìm cách tối ưu các tính chất từ của chúng.
1.1. Tầm quan trọng của Nam châm vĩnh cửu
Nam châm vĩnh cửu đóng vai trò then chốt trong công nghệ hiện đại. Chúng xuất hiện trong động cơ điện, máy phát điện, thiết bị lưu trữ dữ liệu, và các hệ thống năng lượng tái tạo. Hiệu suất của nam châm được đánh giá bởi tích năng lượng (BH)max. Để đạt (BH)max cao, vật liệu cần có cảm ứng từ dư (Br) và lực kháng từ (Hc) lớn. Nhiệt độ Curie (Tc) cao cũng rất quan trọng, đảm bảo nam châm hoạt động ổn định ở điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu tập trung tìm kiếm vật liệu mới với các tính chất từ tối ưu này. Sự phát triển vật liệu từ cứng giúp thúc đẩy nhiều ngành công nghiệp.
1.2. Vai trò của Dị hướng từ tính
Từ độ bão hòa (Ms) lớn cần thiết cho Br cao. Dị hướng từ mạnh lại là yếu tố sống còn cho Hc cao. Dị hướng từ có hai loại chính: dị hướng hình dạng và dị hướng từ tinh thể. Các nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao thường dựa vào dị hướng từ tinh thể mạnh. Dị hướng từ tinh thể là đặc tính nội tại của vật liệu, phản ánh sự ưu tiên của mô men từ theo một hướng cụ thể trong mạng tinh thể. Hiểu rõ và kiểm soát dị hướng từ là chìa khóa để thiết kế vật liệu từ cứng vượt trội.
1.3. Phát triển vật liệu đất hiếm kim loại chuyển tiếp
Hợp kim đất hiếm (R) và kim loại chuyển tiếp (T) đánh dấu bước ngoặt lớn. Chúng kết hợp mô men từ cao từ cả phân mạng R và T. Tương tác trao đổi mạnh trong phân mạng T đảm bảo Ms và Tc cao. Đặc biệt, các hợp kim R-T thường sở hữu dị hướng từ tinh thể lớn. Đóng góp chính thường đến từ phân mạng đất hiếm. Ban đầu là hợp kim RC05, sau đó là Nd-Fe-B. Hợp kim R-Fe-Ti là một ứng cử viên tiềm năng mới. Nghiên cứu tìm cách tối ưu các tính chất từ của chúng.
II.Tổng quan hệ vật liệu RFe11Ti Dị hướng từ tính
Hệ vật liệu RFe11Ti có cấu trúc tinh thể đặc trưng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ. Cấu trúc này quyết định cách các nguyên tử sắp xếp và tương tác. Mô men từ của các nguyên tố đất hiếm (R) và sắt (Fe) đóng góp vào tổng mô men từ của vật liệu. Nguyên tử đất hiếm thường có mô men từ lớn, góp phần đáng kể vào từ độ bão hòa. Các nguyên tử sắt cũng tạo ra mô men từ mạnh, đặc trưng cho kim loại chuyển tiếp. Sự sắp xếp và tương quan giữa các mô men từ này là cơ sở của dị hướng từ tính. Hiểu rõ cấu trúc giúp dự đoán và điều chỉnh tính chất vật liệu. Tương tác trao đổi là lực cơ bản điều khiển sự sắp xếp của các mô men từ trong vật liệu. Có nhiều loại tương tác trao đổi trong RFe11Ti. Tương tác mạnh nhất thường là giữa các nguyên tử Fe với nhau. Tương tác giữa Fe và R cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến sự ghép cặp giữa hai phân mạng từ. Tương tác yếu hơn giữa các nguyên tử R. Mô hình trường phân tử thường được dùng để mô tả các tương tác này. Các tương tác trao đổi này quyết định nhiệt độ Curie của vật liệu và ảnh hưởng đến năng lượng dị hướng từ. Kiểm soát tương tác trao đổi là cách để điều chỉnh tính chất từ. Nhiệt độ Curie (Tc) là điểm mà vật liệu mất đi tính chất từ sắt từ. Vật liệu RFe11Ti cần có Tc đủ cao để ứng dụng thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy Tc của các vật liệu này thường ổn định. Dị hướng từ tinh thể trong RFe11Ti phức tạp. Nó là tổng hợp đóng góp từ phân mạng đất hiếm và phân mạng sắt. Phân mạng đất hiếm thường mang lại dị hướng mạnh mẽ, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Sự cạnh tranh giữa dị hướng của hai phân mạng có thể dẫn đến hiện tượng tái định hướng spin. Nghiên cứu cần phân tích kỹ lưỡng các đóng góp này.
2.1. Cấu trúc tinh thể và Mô men từ
Hệ vật liệu RFe11Ti có cấu trúc tinh thể đặc trưng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ. Cấu trúc này quyết định cách các nguyên tử sắp xếp và tương tác. Mô men từ của các nguyên tố đất hiếm (R) và sắt (Fe) đóng góp vào tổng mô men từ của vật liệu. Nguyên tử đất hiếm thường có mô men từ lớn, góp phần đáng kể vào từ độ bão hòa. Các nguyên tử sắt cũng tạo ra mô men từ mạnh, đặc trưng cho kim loại chuyển tiếp. Sự sắp xếp và tương quan giữa các mô men từ này là cơ sở của dị hướng từ tính. Hiểu rõ cấu trúc giúp dự đoán và điều chỉnh tính chất vật liệu.
2.2. Tương tác trao đổi nội tại
Tương tác trao đổi là lực cơ bản điều khiển sự sắp xếp của các mô men từ trong vật liệu. Có nhiều loại tương tác trao đổi trong RFe11Ti. Tương tác mạnh nhất thường là giữa các nguyên tử Fe với nhau. Tương tác giữa Fe và R cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến sự ghép cặp giữa hai phân mạng từ. Tương tác yếu hơn giữa các nguyên tử R. Mô hình trường phân tử thường được dùng để mô tả các tương tác này. Các tương tác trao đổi này quyết định nhiệt độ Curie của vật liệu và ảnh hưởng đến năng lượng dị hướng từ. Kiểm soát tương tác trao đổi là cách để điều chỉnh tính chất từ.
2.3. Nhiệt độ Curie và Dị hướng từ vật liệu
Nhiệt độ Curie (Tc) là điểm mà vật liệu mất đi tính chất từ sắt từ. Vật liệu RFe11Ti cần có Tc đủ cao để ứng dụng thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy Tc của các vật liệu này thường ổn định. Dị hướng từ tinh thể trong RFe11Ti phức tạp. Nó là tổng hợp đóng góp từ phân mạng đất hiếm và phân mạng sắt. Phân mạng đất hiếm thường mang lại dị hướng mạnh mẽ, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Sự cạnh tranh giữa dị hướng của hai phân mạng có thể dẫn đến hiện tượng tái định hướng spin. Nghiên cứu cần phân tích kỹ lưỡng các đóng góp này.
III.Lý thuyết Anisotropi từ tính và Chuyển pha spin
Dị hướng từ tinh thể là sự phụ thuộc của năng lượng từ vào hướng của từ độ so với các trục tinh thể. Năng lượng này quyết định hướng ưu tiên của mô men từ. Hàm năng lượng dị hướng thường được biểu diễn bằng chuỗi khai triển theo các hàm cầu điều hòa hoặc các lũy thừa của cosin góc. Các hệ số dị hướng (ví dụ, K1, K2) là thông số quan trọng. Giá trị và dấu của chúng xác định loại dị hướng (đơn trục, mặt phẳng đáy). Năng lượng dị hướng càng lớn, vật liệu càng có khả năng chống lại sự thay đổi hướng từ hóa. Hiểu rõ mô hình năng lượng là cơ sở để phân tích tính chất từ. Dị hướng từ trong hợp chất R-T phát sinh từ hai phân mạng: 3d (Fe) và 4f (R). Dị hướng từ của phân mạng 3d thường không lớn và có thể là mặt phẳng đáy. Ngược lại, phân mạng 4f của đất hiếm đóng góp dị hướng từ tinh thể mạnh mẽ. Điều này do sự tương tác giữa quỹ đạo điện tử 4f và trường tinh thể. Hình dạng đám mây điện tích 4f của ion đất hiếm tương tác với điện trường do các ion lân cận tạo ra. Sự tương tác này định hướng mô men từ 4f. Mô men từ 4f sau đó ghép nối với mô men từ 3d, định hướng tổng mô men. Nghiên cứu cần phân biệt đóng góp của từng phân mạng. Tái định hướng spin (SRT) là sự thay đổi hướng ưu tiên của mô men từ khi nhiệt độ thay đổi. Hiện tượng này xảy ra do sự cạnh tranh giữa các đóng góp dị hướng từ của các phân mạng R và Fe. Khi nhiệt độ thay đổi, các hệ số dị hướng của R và Fe biến đổi theo các quy luật khác nhau. Tại một nhiệt độ cụ thể, tổng năng lượng dị hướng có thể chuyển từ đơn trục sang mặt phẳng đáy hoặc ngược lại. Đây là một loại chuyển pha từ tính. Hiểu và kiểm soát SRT là cần thiết cho các ứng dụng spintronic và nam châm vĩnh cửu. SRT có thể được xác định thông qua các phép đo từ tính nhạy cảm với nhiệt độ.
3.1. Mô tả năng lượng Dị hướng từ tinh thể
Dị hướng từ tinh thể là sự phụ thuộc của năng lượng từ vào hướng của từ độ so với các trục tinh thể. Năng lượng này quyết định hướng ưu tiên của mô men từ. Hàm năng lượng dị hướng thường được biểu diễn bằng chuỗi khai triển theo các hàm cầu điều hòa hoặc các lũy thừa của cosin góc. Các hệ số dị hướng (ví dụ, K1, K2) là thông số quan trọng. Giá trị và dấu của chúng xác định loại dị hướng (đơn trục, mặt phẳng đáy). Năng lượng dị hướng càng lớn, vật liệu càng có khả năng chống lại sự thay đổi hướng từ hóa. Hiểu rõ mô hình năng lượng là cơ sở để phân tích tính chất từ.
3.2. Cơ chế vi mô Dị hướng từ
Dị hướng từ trong hợp chất R-T phát sinh từ hai phân mạng: 3d (Fe) và 4f (R). Dị hướng từ của phân mạng 3d thường không lớn và có thể là mặt phẳng đáy. Ngược lại, phân mạng 4f của đất hiếm đóng góp dị hướng từ tinh thể mạnh mẽ. Điều này do sự tương tác giữa quỹ đạo điện tử 4f và trường tinh thể. Hình dạng đám mây điện tích 4f của ion đất hiếm tương tác với điện trường do các ion lân cận tạo ra. Sự tương tác này định hướng mô men từ 4f. Mô men từ 4f sau đó ghép nối với mô men từ 3d, định hướng tổng mô men. Nghiên cứu cần phân biệt đóng góp của từng phân mạng.
3.3. Hiện tượng Tái định hướng spin
Tái định hướng spin (SRT) là sự thay đổi hướng ưu tiên của mô men từ khi nhiệt độ thay đổi. Hiện tượng này xảy ra do sự cạnh tranh giữa các đóng góp dị hướng từ của các phân mạng R và Fe. Khi nhiệt độ thay đổi, các hệ số dị hướng của R và Fe biến đổi theo các quy luật khác nhau. Tại một nhiệt độ cụ thể, tổng năng lượng dị hướng có thể chuyển từ đơn trục sang mặt phẳng đáy hoặc ngược lại. Đây là một loại chuyển pha từ tính. Hiểu và kiểm soát SRT là cần thiết cho các ứng dụng spintronic và nam châm vĩnh cửu. SRT có thể được xác định thông qua các phép đo từ tính nhạy cảm với nhiệt độ.
IV.Phương pháp Thực nghiệm nghiên cứu Vật liệu từ tính
Quy trình chế tạo mẫu vật liệu RFe11Ti rất quan trọng. Mẫu khối được tạo ra bằng phương pháp hồ quang điện. Sau đó, các mẫu này được ủ nhiệt để đạt cấu trúc pha mong muốn. Để nghiên cứu sâu hơn về dị hướng từ, mẫu bột định hướng được sử dụng. Bột vật liệu được nghiền mịn. Các hạt bột sau đó được định hướng trong một từ trường mạnh. Từ trường này làm cho các hạt từ tính sắp xếp theo một hướng ưu tiên. Sau đó, bột được ép chặt hoặc kết dính. Việc định hướng giúp xác định hướng dễ từ hóa và các hệ số dị hướng. Chất lượng mẫu ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo lường. Nhiệt độ Curie (Tc) là một thông số vật lý quan trọng. Tc được xác định bằng phương pháp đo từ độ theo nhiệt độ. Mẫu được đặt trong một từ trường yếu. Từ độ được ghi lại khi nhiệt độ tăng dần. Tại Tc, từ độ giảm đột ngột về gần bằng 0. Điểm cong của đường cong từ độ-nhiệt độ chính là Tc. Các phép đo này giúp đánh giá độ ổn định nhiệt của vật liệu. Ngoài ra, đo nhiệt độ Curie cũng cung cấp thông tin về tương tác trao đổi trong vật liệu. Đây là một phép đo tiêu chuẩn trong vật lý từ. Để xác định dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin, nhiều kỹ thuật đo lường được áp dụng. Phép đo xác định góc lệch của phương dễ từ hóa so với trục tinh thể là một kỹ thuật trực tiếp. Phép đo hệ số từ hóa động xoay chiều (AC susceptibility) đặc biệt hiệu quả. Giá trị từ hóa động thường có cực đại tại nhiệt độ chuyển pha spin. Phương pháp này cho phép xác định chính xác nhiệt độ tái định hướng spin. Các phép đo từ hóa với từ trường đặt theo các hướng khác nhau của mẫu định hướng cũng cung cấp thông tin về các hệ số dị hướng. Phân tích dữ liệu từ các phép đo này giúp xây dựng bức tranh toàn diện về anisotropi từ tính.
4.1. Chế tạo mẫu và Định hướng bột
Quy trình chế tạo mẫu vật liệu RFe11Ti rất quan trọng. Mẫu khối được tạo ra bằng phương pháp hồ quang điện. Sau đó, các mẫu này được ủ nhiệt để đạt cấu trúc pha mong muốn. Để nghiên cứu sâu hơn về dị hướng từ, mẫu bột định hướng được sử dụng. Bột vật liệu được nghiền mịn. Các hạt bột sau đó được định hướng trong một từ trường mạnh. Từ trường này làm cho các hạt từ tính sắp xếp theo một hướng ưu tiên. Sau đó, bột được ép chặt hoặc kết dính. Việc định hướng giúp xác định hướng dễ từ hóa và các hệ số dị hướng. Chất lượng mẫu ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo lường.
4.2. Xác định Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie (Tc) là một thông số vật lý quan trọng. Tc được xác định bằng phương pháp đo từ độ theo nhiệt độ. Mẫu được đặt trong một từ trường yếu. Từ độ được ghi lại khi nhiệt độ tăng dần. Tại Tc, từ độ giảm đột ngột về gần bằng 0. Điểm cong của đường cong từ độ-nhiệt độ chính là Tc. Các phép đo này giúp đánh giá độ ổn định nhiệt của vật liệu. Ngoài ra, đo nhiệt độ Curie cũng cung cấp thông tin về tương tác trao đổi trong vật liệu. Đây là một phép đo tiêu chuẩn trong vật lý từ.
4.3. Đo lường Anisotropi và Chuyển pha
Để xác định dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin, nhiều kỹ thuật đo lường được áp dụng. Phép đo xác định góc lệch của phương dễ từ hóa so với trục tinh thể là một kỹ thuật trực tiếp. Phép đo hệ số từ hóa động xoay chiều (AC susceptibility) đặc biệt hiệu quả. Giá trị từ hóa động thường có cực đại tại nhiệt độ chuyển pha spin. Phương pháp này cho phép xác định chính xác nhiệt độ tái định hướng spin. Các phép đo từ hóa với từ trường đặt theo các hướng khác nhau của mẫu định hướng cũng cung cấp thông tin về các hệ số dị hướng. Phân tích dữ liệu từ các phép đo này giúp xây dựng bức tranh toàn diện về anisotropi từ tính.
V.Dị hướng từ Chuyển pha spin hệ Dy Tb Sm Fe Ti
Nghiên cứu hệ Dy1-xYxFe11Ti tập trung vào ảnh hưởng của Dy đến dị hướng từ. Dy là nguyên tố đất hiếm nặng, thường có đóng góp dị hướng từ đơn trục mạnh ở nhiệt độ thấp. Khi thay thế Dy bằng Y (phi từ tính), tổng mô men từ và dị hướng từ tinh thể thay đổi. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự xuất hiện của hiện tượng tái định hướng spin ở nhiệt độ thấp. Nhiệt độ SRT phụ thuộc vào nồng độ Dy. Việc điều chỉnh nồng độ Dy cho phép kiểm soát nhiệt độ chuyển pha. Phân tích các đường cong từ hóa và từ hóa động giúp xác định các hệ số dị hướng. Hệ Dy-Y-Fe-Ti là ví dụ điển hình về sự cạnh tranh dị hướng giữa phân mạng Dy và Fe. Hệ Tb1-xYxFe11Ti cũng được nghiên cứu kỹ lưỡng. Tb là một nguyên tố đất hiếm nặng khác, có đặc tính dị hướng từ phức tạp. Tương tự Dy, Tb có thể gây ra hiện tượng tái định hướng spin. Nhiệt độ chuyển pha spin (SRT) trong hệ Tb-Y-Fe-Ti thay đổi rõ rệt khi nồng độ Tb thay đổi. Phép đo từ hóa động xoay chiều là công cụ hiệu quả để xác định điểm SRT. Sự cạnh tranh giữa dị hướng từ của phân mạng Tb và phân mạng Fe dẫn đến các kiểu chuyển pha khác nhau. Việc hiểu rõ cơ chế này giúp tối ưu hóa vật liệu cho các ứng dụng cụ thể, đặc biệt trong spintronic. Kết quả so sánh giữa Dy và Tb làm nổi bật sự khác biệt của cấu hình điện tử 4f. Hệ Tb1-xSmxFe11Ti mang lại góc nhìn khác. Sm là nguyên tố đất hiếm nhẹ, thường có xu hướng tạo dị hướng từ đơn trục, khác với Dy và Tb thường tạo dị hướng mặt phẳng đáy ở nhiệt độ phòng. Việc thay thế Tb bằng Sm có thể làm thay đổi đáng kể bản chất của dị hướng từ. Sm có thể ổn định dị hướng đơn trục, hoặc làm dịch chuyển nhiệt độ SRT. Sự cân bằng giữa đóng góp dị hướng của Sm và Tb, cùng với Fe, là yếu tố quyết định. Nghiên cứu giúp khám phá khả năng điều chỉnh các tính chất anisotropi từ tính bằng cách kết hợp các nguyên tố đất hiếm khác nhau. Đây là bước tiến quan trọng trong việc thiết kế vật liệu từ với tính chất mong muốn.
5.1. Anisotropi từ tính trong hệ Dy Y Fe Ti
Nghiên cứu hệ Dy1-xYxFe11Ti tập trung vào ảnh hưởng của Dy đến dị hướng từ. Dy là nguyên tố đất hiếm nặng, thường có đóng góp dị hướng từ đơn trục mạnh ở nhiệt độ thấp. Khi thay thế Dy bằng Y (phi từ tính), tổng mô men từ và dị hướng từ tinh thể thay đổi. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự xuất hiện của hiện tượng tái định hướng spin ở nhiệt độ thấp. Nhiệt độ SRT phụ thuộc vào nồng độ Dy. Việc điều chỉnh nồng độ Dy cho phép kiểm soát nhiệt độ chuyển pha. Phân tích các đường cong từ hóa và từ hóa động giúp xác định các hệ số dị hướng. Hệ Dy-Y-Fe-Ti là ví dụ điển hình về sự cạnh tranh dị hướng giữa phân mạng Dy và Fe.
5.2. Đặc tính Chuyển pha spin hệ Tb Y Fe Ti
Hệ Tb1-xYxFe11Ti cũng được nghiên cứu kỹ lưỡng. Tb là một nguyên tố đất hiếm nặng khác, có đặc tính dị hướng từ phức tạp. Tương tự Dy, Tb có thể gây ra hiện tượng tái định hướng spin. Nhiệt độ chuyển pha spin (SRT) trong hệ Tb-Y-Fe-Ti thay đổi rõ rệt khi nồng độ Tb thay đổi. Phép đo từ hóa động xoay chiều là công cụ hiệu quả để xác định điểm SRT. Sự cạnh tranh giữa dị hướng từ của phân mạng Tb và phân mạng Fe dẫn đến các kiểu chuyển pha khác nhau. Việc hiểu rõ cơ chế này giúp tối ưu hóa vật liệu cho các ứng dụng cụ thể, đặc biệt trong spintronic. Kết quả so sánh giữa Dy và Tb làm nổi bật sự khác biệt của cấu hình điện tử 4f.
5.3. Ảnh hưởng của Sm đến Dị hướng từ
Hệ Tb1-xSmxFe11Ti mang lại góc nhìn khác. Sm là nguyên tố đất hiếm nhẹ, thường có xu hướng tạo dị hướng từ đơn trục, khác với Dy và Tb thường tạo dị hướng mặt phẳng đáy ở nhiệt độ phòng. Việc thay thế Tb bằng Sm có thể làm thay đổi đáng kể bản chất của dị hướng từ. Sm có thể ổn định dị hướng đơn trục, hoặc làm dịch chuyển nhiệt độ SRT. Sự cân bằng giữa đóng góp dị hướng của Sm và Tb, cùng với Fe, là yếu tố quyết định. Nghiên cứu giúp khám phá khả năng điều chỉnh các tính chất anisotropi từ tính bằng cách kết hợp các nguyên tố đất hiếm khác nhau. Đây là bước tiến quan trọng trong việc thiết kế vật liệu từ với tính chất mong muốn.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (112 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộMỤC LỤC Trang Lời cảm ơn M ở đầu Ì Chương 1. Hệ vật liệu RT]_]Ti, các tính chất chung 9 L I Cấu trúc tinh thể 9 1.2 Moment từ đất hiếm 14 1.3 Moment từ của hợp chất R F e u T i 15 1.3 Các loại tương tác trao đổi trong vật liệu RFei ị Ti.1 Mô hình trường phân tử của các lo ại tương tác trao đổi 15 1.2 Kết quả thực nghiệm về tương tác trao đổi, nhiệt độ Curie 18 trong vật liệu RT\ ỈTiỵ Chương 2. Lý thuyết mô tả dị hướng từ tinh thể. Các nghiên cứu về dị 22 hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin tr ong hệ vật liệu RFenTi 2.1 Mô tả hiện tượng luận dị hướng từ tinh thể 22 2.1 Năng lượng dị hướng 22 2.
ì 2 Các quá trình từ hoa 25 2.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ 27 2.2 Mô tả vi môvề dị hướng từ của các hợp chất R-T 29 2.1 Dị hướng từ của phân mạng 3d 29 2.2 Dị hướng từ của phân mạng 4f 31 2.3 Các quá trình từ hóa 39 2.4 Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ 40 2.3 Các nghiên cứu ve dị hướng từ, hiên tượng tái định hướng spin 43 trong các vật liệu R F e u T i Chương 3. Phương pháp thực nghiệm 50 3.1 Tạo mẫu khối 50 3.2 Tạo mẫu bột định hướng 50 3.2 Xác định điểm Curie 58 3.3 Phép đo xác định góc l ệch của phương dê từ hóa khỏi trục tinh thể.4 Đo hệ số từ hóa động x ac 55 Chương 4. DỊ hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin trong hệ vật 67 liệu D y i _ Y F e n T i x x Chương 5. Dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin trong hệ vật 83 liệu T t > i _ Y F e i i T i x x Chương 6.
Dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin trong hệ vật 93 liệu T b i _ S m F e i i T i. x x Kết luận 103 Tài liệu tham khảo 105 M ỏ ĐẦU QUÁ TRÌNH NGHIÊN c ứ u CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU TỪ CỨNG ĐÁT HIẾM - KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP. Một t rong các t ính chất quan trọng nhất của một nam châ m vĩnh cửu là giá trị t ích năng lượng ( B H ) m a x. Muốn có giá t rị ( B H ) m a x cao, vật liệu phải có các giá t rị cảm ứng từ dư B và lực kháng t ừ H r c cao.
Quá t rình nghiên cứu t ìm t òi các vật liệu mơi dùng làm nam châm vĩnh cừu là quá trình đi tìm các vật liệu có B và H r c cao. Ngoài ra cũng cần nói t hêm rằng giá t rị nhiệt độ trật tự từ Curie T cũng là một thông số quan trọng c của vật liệu. Nam châ m vĩnh cửu phải duy trì đựơc các tính chất t ừ tại nhiệt độ đủ cao để có t hể làm việc được trong điều kiện thực tế. Giá trị B cao sẽ đạt được nếu vật liệu có giá trị từ độ bão hòa M lớn.
Trong khi r s đó điều kiện cần để có được giá t rị lực kháng t ừ cao là vật liệu có dị hướng t ừ mạnh. Bản chất của dị hương t ừ có hai loại, chia các vật liệu t ừ cứng làm hai loại, loại t hứ nhất có dị hương từ được xác định tử dị hướng hình dạng của các hạt tạo nên khối nam châm, loại thứ hai bao gồm các nam châm với lực kháng từ tạo bởi dị hướng t ừ t inh t hể của vật liệu. Việc phát hiện ra các hợp kim R-T đấ t hiếm-kim loại chuyển tiếp là một bước ngoặt lơn trong lịch sử phát triển các nam châ m vĩnh cửu. ở các nam châ m loại R-T, đã kết hợp được những t ính chất quí báu của cả đất hiếm và kim loại chuyển tiếp.
Đó là giá trị moment từ cao của các p h â n mạng R và T, tương tác trao đổi mạnh trong p h â n mạng T. Các tí nh chất đó đảm bảo điều kiện đạt được giá t rị M và T cao. Đặc biệt quan s c trọng các hợp kim R-T thường có dị hướng từ tinh thể lớn mà chủ yếu do đóng góp cùa phân mạng đấ t hiếm. Trong những năm 60, các hợp kim RC05 đã được nghiên cứu và đưa đến kết quả là nam ch âm đất hiếm-kim loại chuyển t iếp đầu tiên S1Ĩ1C05 đã được chế t ạo vơi giá trị tíc h năng lượng ( B M ) max = 2 5 MGOe [60].
Nhằm mục đích giảm giá thành, người ta đã cho ra đời loại nam ch âm có th ành phần hỗn hợp Sm(Co,Cư,Fe,Zr)7_8. Trong loại vật liệu này, Co đã được thay t hế một phần c ác nguyên tố khác (chủ yếu là Fe) đ ế n mức t ối đa cho phép (15%) [43]. Các nghiên c ứu c ác hợp kim R-Fe c ủng đã được thực hiện đồng thời vơi sự ph át triển của nam ch âm Sm-Co. Các nam châm loại R-Fe được chế t ạo t hành công sẽ có ý nghĩa kinh t ế rất lớn bởi vì giá thành Sm và Co đều rất cao.
Tuy nhiên, kh ông tồn tại h ợp kim R- Fe nào với cấu trúc CaCu5. Hợp kim R-Fe chỉ tồn tại với c ấu trúc đồng dạng với R2C017 (TI12NÌ17 hoặc Th2Zni7). Nhưng trong các hợp chất R2Fei7, nhiệt độ Curie rất thấp và dị hướng là mặt phang đáy. Rất nhiều cố gắng đã được t hực hiện nhằm chế t ạo loại nam ch âm 2:17 giàu sắt nhưng c uối c ùng vẫn kh ông đạt được sự th ành công nào [7].
Th ời gian gần đây, một số tác giả [28,39] đề xuất khả năng chế t ạo loại vật liệu (R,R')2 (Fe,Co)i7 t rên cơ sở sử dụng khả năng chiếm chỗ ưu tiên c ủa hai vị trí đất hiếm t rong cấu t rúc TỈ12NÌ17 để đạt được dị hương đơn trục từ p h â n mạng (Fe,Co), kh ử dị hướng mặt phang đáy. v ề mặt lý t huyết , t ích năng lượng c ó thể đạt tới giá t rị 62 MGOe. Theo một chiều hướng khác , các nhà nghiên c ứu đi tìm c ác hợp kim R-Fe, c ó sự tham gia c ửa một nguyên tố thứ ba đóng vai trò ổn định pha. Năm 1979 Chaban và cộng sự [13] ph át h iện sự tồn tại của một ph a giàu Fe trong h ệ ba nguyên Nd-Fe-B.
Mãi đến năm 1984 loại vật liệu Nd-Fe-B mơi thực sự được phát hiện như một loại nam châm vĩnh cửu bởi Sagawa và cộng sự [55]. Nó có cấu trúc tinh thể tứ giá c vơi thành phần hợp thức Nd2Fei4B. Tích năng lượng cực đại ( B H ) m a x của nam châm Nd2Fex4B có thể lớn hơn 40 MGOe. Loại vật liệu này có ha i đặc tính quan trọng, trước hết k im loại chuyển tiếp ở đây là Fe mà giá thành của f Fe rẻ hơn nhiều so với Co, thứ hai là cấu trúc tinh thể của vật liệu đã đưa đ ế n hệ quả là Nd và Pr chứ không phải Sm có dị hướng đơn trục.
Sự phát hiện ra loại nam châm Nd2Fei4 B không chỉ có ý nghĩ a ứng dụng mà còn thúc đẩy các nghiên cứu cơ bản nhằm tìm ra các hợp kim R-T giàu sắt khác có khả năng dùng làm nam châm vĩ nh cửu [15,8,9]. Trong vật liệu R2Fei4B, boron có thể được thay thế bời ca rbon, tạo nên hệ hợp chất R2Fe^4C [3]. Cùng họ cấu trúc 2:14:1, còn có một hệ vật liệu thứ ba , hệ R2C014B. Bên cạnh ưu điểm chính là nhiệt độ Curie rất cao, hệ số nhiệt độ nhỏ, hệ vật liệu R2C014B có nhược điểm là trường dị hương H a giảm nhanh khi nhiệt độ tăng.
ơ nhiệt độ thấp vói các đất hiếm nhất định, dị hướng của phân mạng đất hiếm là đơn trục có vai trò quyết định. Tại nhiệt độ cao, dị hướng mặt phang đáy của Co lại trỏ nên qua n trọng, đã là m giảm nhanh dị hướng tổng cộng. Trong thực tế người ta thường pha trộn Fe và Co theo tỉ lệ thích hợp để tạo nên nam châm có phẩm chất tối ưu phù hợp vơi yêu cầu sử dụng. Một loại vật liệu khác cũng được quan tâm nghiên cứu, đó là các hợp e chất R2F 17Cx* Ớ loại vật liệu này, các nguyên tử ca rbon được đưa vào theo cơ chế điền kẽ giữa các vị trí 9e cua cấu trúc Th2Zn^7.
Nhiệt độ Curie tăng mạnh theo nồng độ carbon, đạt tơi hơn 500 K khi X > Ì [26]. Từ các nghiên cứu Mossbauer, nhiều tác giả [25] cho thấy giá trị tuyệt 0 đối cua hệ số trường tinh thể bậc ha i A 2 , liên qua n đ ế n dị hương từ 0 2 tinh thể cũng đã tăng đáng kể, đạt đến giá trị A 2 = -710Kao~ trong trường hợp Gd2Fei7C [34]. Hiếu ứng này, cùng với sự tăng mạnh của x -3 - nhiệt độ Cu rie gây bởi carbon đã làm cho vật liệu R2Fei7C trở nên có x khả năng ứng dụng như một vật liệu từ cứng. Đặc biệt thời gian gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giói đã tập trung nghiên cứu các hợp kim đất hiếm kim loại chuyển tiếp loại R(TM)Ị2 t rong đó, đáng quan tâm hơn cả là loại vật liệu RT]_]_Ti.
VÀI NÉT QUÁ TRÌNH NGHIÊN c ứ u HỆ VẬT LIỆU R(TM) 12 (R = ĐÁT HIẾM; T = KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ; M = CÁC KIM LOẠI KHÁC ) Các hợp chất hệ R(TM)i2 có cấu trúc tinh thể loại T h M n i 2 (hình LI), đó là mạng tứ giác tâm khối vơi nhóm không gian I4/mmm. Các nguyên tứ Thorium chỉ chiếm một vị trí 2a; các nguyên tử manganese chiếm ba vị trí 8f, 8i, 8j. Ngay từ những năm 60, các hợp kim đất hiếm kim loại chuyển tiếp vơi cấu trúc ThMni2 đã được nghiên cứu, ví dụ Krichmayr (1966) [ 36] nghiên cứu các tính chất từ của các hợp chất RMni2- Vào những n ă m 70, một số tác giả nghiên cứu các tính chất từ cùa các hợp chất RĩeịMg [3,8,17]. Đầu những năm 80, công việc này được tiếp tục bởi Felner và cộng sự trên hệ RTgAle và RT5AI7 (1980) [ 18,19] (T=Cr,Mn,Fe,Cu).
Gần đây, Wang và cộng sự (1988) [64] đã mở rộng giói hạn thành phần của Fe lên đến X = lo trong hợp chất GdFe Ali2-x bằng x kỹ thuật phun màng và nhiệt độ Curie đã được nâng lên đ ế n giá trị xấp xỉ 500 K so vơi 345 K của GdFegAlg.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spi (n.d.) [Luận án tiến sĩ]. LuanAn.net. https://luanan.net/tai-lieu-khac/rfe11ti-luan-an-pts-vat-ly-1-02-13
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spi" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án: Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spin trong các hệ vật liệu rfe11ti luận án pts vật lý 1 02 13. Xem tóm tắt và tải về tại LuanA
Luận án "Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spi" có bao nhiêu trang?
Luận án "Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spi" có 112 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ dị hướng từ và hiện tượng tái định hướng spi" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.