Luận văn Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hệ vật liệu La₁₋ᵧCeᵧFe₁₁,₄₄Si₁,₅₆

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hệ vật liệu La₁₋ᵧCeᵧFe₁₁,₄₄Si₁,₅₆

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Hậu NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT LIỆU La1-yCeyFe11,44Si1,56 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội -2015
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Hậu NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ VẬT LIỆU La1-yCeyFe11,44Si1,56 Chuyên ngành : Vật Lý Nhiệt Mã số: Chƣơng trình đào tạo thí điểm NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Đỗ Thị Kim Anh LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội -2015
3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép tôi đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS. Đỗ Thị Kim Anh, cô là ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Để đạt đƣợc thành công trong học tập và hoàn thành khóa học nhƣ ngày nay, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trong bộ môn Vật lý Nhiệt độ Thấp, Khoa Vật Lý và Phòng Sau đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thầy cô đã trang bị tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sấu sắc, tình yêu thƣơng tới gia đình và bạn bè – nguồn động viên quan trọng về vật chất và tinh thần giúp tôi có điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học nhƣ ngày hôm nay. Luận văn có sự hỗ trợ của đề tài mã số QG.14.16. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 8 tháng 1 năm 2016 Tác giả Nguyễn Thị Hậu i
4. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục các ký hiệu TC: Nhiệt độ Curie ∆H: Biến thiên từ trƣờng |∆S|max: Entropy từ cực đại Ms: Mômen từ bão hòa 2. Danh mục các chữ viết tắt AFM: Phản sắt từ FM: Sắt từ PM: Thuận từ MCE: Hiệu ứng từ nhiệt SQUID: Giao thoa kế lƣợng tử siêu dẫn TLTK: Tài liệu tham khảo XRD: Nhiễu xạ tia X ii
5. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ v DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................vi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC LOẠI NaZn13 ......... 3 1.1. Cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu có cấu trúc loại NaZn13 ............................................ 3 1.2. Tính chất từ của hệ vật liệu có cấu trúc loại NaZn13 ......................................... 5 1.2.1. Tính chất từ của hợp chất LaCo13 .............................................................. 5 1.2.2. Tính chất từ của hợp chất LaFe13-xMx ........................................................ 6 1.3. Hiệu ứng từ nhiệt của hợp chất có cấu trúc loại NaZn13 .............................................. 7 Chƣơng II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 9 2.1. Nguồn gốc từ tính của vật liệu ..................................................................................... 9 2.1.1. Cấu hình điện tử của nguyên tử ................................................................. 9 2.1.2. Mômen từ nguyên tử ................................................................................ 10 2.2. Tƣơng tác trong vật liệu từ liên kim loại ................................................................... 14 2.2.1. Tƣơng tác trao đổi .................................................................................... 14 2.2.2. Tƣơng tác T-T giữa các kim loại chuyển tiếp ........................................ 15 2.2.3. Tƣơng tác trao đổi R-R ............................................................................ 17 2.2.4. Tƣơng tác từ trong vật liệu liên kim loại đất hiếm-kim loại chuyển tiếp 20 2.3. Chuyển pha từ giả bền ............................................................................................... 21 Chƣơng III. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..................................................... 25 3.1. Chế tạo mẫu ............................................................................................................... 25 3.1.1. Phƣơng pháp nóng chảy hồ quang ........................................................... 25 3.1.2. Quy trình nấu mẫu ................................................................................... 27 3.1.3. Ủ nhiệt...................................................................................................... 27 Chƣơng IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 32 4.1. Cấu trúc tinh thể của hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 .............................................. 32 iii
6. 4.2. Tính chất từ của hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 ..................................................... 40 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 48 iv
7. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Hiệu ứng từ nhiệt trong một số hợp chất có cấu trúc loại NaZn13. ............ 7 Bảng 4.1: Hằng số mạng của hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 ở các nhiệt độ khác nhau. .......................................................................................................................... 37 Bảng 4.2: Hằng số mạng của hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 ở các nhiệt độ khác nhau. .......................................................................................................................... 37 Bảng 4.3. Nhiệt độ chuyển pha TC và mômen từ bão hòa Ms của hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56. .. . ..50 v
8. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1. Quĩ đạo chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân. .......................... 10 Hình 2.2: Chuyển động quay và sự xuất hiện mômen từ spin của điện tử. .............. 12 Hình 2.3: Các kiểu tƣơng tác trong vật liệu sắt từ .................................................... 15 Hình 2.4: Phân bố không gian của các điện tử trong nguyên tử đất hiếm ................ 17 Hình 2.5: (a) Sự sắp xếp các mômen từ của vật liệu từ giả bền: dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài đủ mạnh vật liệu chuyển từ trạng thái thuận từ sang trạng thái sắt từ (b) Đƣờng cong từ hóa của vật liệu từ giả bền. ...................................... 22 Hình 2.6: Đồ thị biển diễn sự phụ thuộc của năng lƣợng tự do vào từ độ. ............... 23 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ nấu mẫu bằng phƣơng pháp nóng chảy hồ quang tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp. ................................................................................ 25 Hình 3.2: Minh họa vùng hồ quang. ......................................................................... 26 Hình 3.3: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. ........ 28 Hình 3.4: a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều c) Sơ đồ buồng đo của từ kế SQUID. .......................................................... 31 Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ bột tia X của các hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1; 0,2 và 0,3 ở nhiệt độ phòng. ............................................................................... 32 Hình 4.2. Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào nồng độ thay thế Ce cho La trong hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56. .................................................................................... 33 Hình 4.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 ở một vài nhiệt độ khác nhau. .............................................................................................................. 34 Hình 4.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 ở một vài nhiệt độ khác nhau. .................................................................................................................. 35 Hình 4.5. Sự dịch chuyển của đỉnh nhiễu xạ (422) theo nhiệt độ trong hợp chất (a) La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 và (b) La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56. .................................................... 36 Hình 4.6. Sự phụ thuộc của hằng số mạng (a) a = b và (b) c vào nhiệt độ của hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56. ......................................................................................... 38 vi
9. Hình 4.7. Sự phụ thuộc của hằng số mạng (a) a = b và (b) c vào nhiệt độ của hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56. ......................................................................................... 39 Hình 4.8. Sự phụ thuộc của cƣờng độ nhiễu xạ theo nhiệt độ ứng với pha LaFeSi tại góc 2 = 43,23º trong hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 với y = 0,1 và y = 0,3 ......... 40 Hình 4.9: Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của hợp chất La0,9Ce0,1Fe11,44Si1,56 ở từ trƣờng H = 100 Oe. ................................................................................................ 41 Hình 4.10. Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si1,56 ở từ trƣờng H = 100 Oe. ................................................................................................ 42 Hình 4.11. Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của hợp chất La0,7Ce0,3Fe11,44Si1,56 ở từ trƣờng H = 100 Oe. ................................................................................................ 42 Hình 4.12. Sự phụ thuộc của nhiệt độ TC vào nồng độ Ce (y) của hợp chất La1- yCeyFe11,44Si1,56 ..43 0 Hình 4.13: Các đƣờng cong từ hóa của hệ hợp chất La1-yCeyFe11,44Si1,56 tại nhiệt độ T = 1,8 K. .................................................................................................... 44 Hình 4.14: (a) Đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt và (b) đƣờng Arrott plots của hợp chất La0,8Ce0,2Fe11,44Si0,56 ở các nhiệt độ khác nhau ......................................................... 45 vii