- Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô tại Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt tại bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp. - 2.1 Vật liệu từ. - Bảng 1: Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các. - Hình 1.1: Ô cơ sở của hợp chất R 2 In. - c) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ 1/ của vật liệu thuận từ. - b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ 1/ của vật liệu phản sắt từ. - b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hòa M S và nghịch đảo độ cảm từ 1/ của vật liệu sắt từ. - Hình 2.5: Cách xác định ∆T ad và ∆S mag từ đồ thị của biến thiên entropy theo nhiệt độ trong điều kiện từ trường H=0 và H 0. - Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của Hệ nấu mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp. - Hình 4.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ và nghịch đảo của độ cảm từ đối với hợp. - Hình 4.4: Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa vào nhiệt độ đối với mẫu Ho 2 In. - Hình 4.5: Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của hợp chất Tb 2 In tại từ trường H = 0,1 kOe [18. - Hình 4.6: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ đối với hợp chất Ho 2 In. - Hình 4.7: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ đối với hợp chất Tb 2 In. - Hình 4.8: Nhiễu xạ bột tia X của hợp chất Ho 2 In. - Hình 4.11: Nhiễu xạ nơtron của hợp chất Ho 2 In tại nhiệt độ 2 K . - Hình 4.13: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thể tích ô cơ sở. - Hơn nữa, trong ứng dụng của thiết bị làm lạnh từ, cần thu đƣợc MCE lớn trên một dải nhiệt độ rộng, tức là nửa độ rộng cực đại ( T FWHM ) của đƣờng cong T). - Tuy nhiên, tính chất từ của các hợp chất R 2 In cũng chƣa đƣợc nghiên cứu một cách chi tiết ở vùng nhiệt độ thấp. - Tất cả các hợp chất R 2 In (trừ R = Ce, Pr) là chất sắt từ với nhiệt độ chuyển pha tƣơng đối cao . - Khi giảm nhiệt độ, độ từ hóa sẽ giảm hoặc tăng và tới một nhiệt độ nào đó sẽ có sự thay đổi trong cấu trúc từ, điều này đƣợc giả thiết là do xuất hiện trật tự phản sắt từ. - Trong các trƣờng hợp R = Sm, Gd, Tb và Dy khi tiếp tục hạ nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha T C sẽ xuất hiện trật tự phản sắt từ. - Đối với hợp chất Gd 2 In còn xuất hiện trạng thái từ giả bền trong pha phản sắt từ khi nhiệt độ ở dƣới 99,5 K [11, 22].. - Xung quanh nhiệt độ chuyển pha Curie T C còn xảy ra hiệu ứng từ nhiệt, hiện tƣợng này đã đƣợc nghiên cứu cho hệ vật liệu R 2 In đƣợc tổng kết trong Bảng 1. - Hiệu ứng từ nhiệt trong hệ vật liệu R 2 In là khá lớn có thể xếp vào loại vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ, tuy nhiên nhiệt độ chuyển pha thấp (dƣới 200 K).. - Bảng 1: Một số thông số về nhiệt độ chuyển pha Curie và hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp chất R 2 In (với R = Dy, Er, Tb và Ho).. - Ngành Vật lýNhiệt 5 Khóa 2010-2012 sẽ dẫn đến tƣơng tác sắt từ lớn, đồng thời cản trở nhiệt độ trật tự phản sắt từ (T N. - Cấu trúc từ ở nhiệt độ thấp của các hợp chất R 2 In chƣa đƣợc nghiên cứu chi tiết.. - Đối với Ho 2 In, hai quá trình chuyển pha từ và hƣớng của mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ đã đƣợc nghiên cứu [9]. - các mômen từ có hƣớng cùng hoặc gần trục c khi nhiệt độ cao, khi giảm nhiệt độ thì chúng nghiêng dần về mặt phẳng c. - đã chỉ ra rằng khi nhiệt độ dƣới khoảng 40 K thì hƣớng của mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đó thì chúng không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa.. - Vật liệu phản sắt từ cũng giống vật liệu thuận từ ở chỗ nó có từ tính yếu, nhƣng khác với vật liệu thuận từ, sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/ của nó có một hõm tại nhiệt độ T N gọi là nhiệt độ. - Ngành Vật lýNhiệt 8 Khóa 2010-2012 Hình 2.2: a) Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu phản sắt từ. - Ngành Vật lýNhiệt 9 Khóa 2010-2012 Khi nhiệt độ T tăng, do dao động nhiệt từ độ giảm dần và biến mất ở T C . - Trên nhiệt độ T C , 1/ tuân theo định luật tuyến tính với T gọi là định luật Curie-Weiss:. - Với T C là nhiệt độ Curie.. - Nếu xét trên quan điểm vi mô thì ở những nhiệt độ dƣới nhiệt độ Curie, trong vật liệu sắt từ luôn luôn xuất hiện độ từ hóa tự phát bão hòa. - Hiệu ứng từ nhiệt là một hiện tƣợng nhiệt động học từ tính, là sự thay đổi nhiệt độ (bị đốt nóng hay làm lạnh) của vật liệu từ trong quá trình từ hóa hoặc khử từ. - Hiệu ứng từ nhiệt lần đầu tiên đƣợc Warburg phát hiện ra vào năm 1881 khi tiến hành từ hóa sắt tạo ra sự thay đổi nhiệt độ từ 0,5 K đến 2 K.. - (1.25) Biến thiên nhiệt độ trong các quá trình đoạn nhiệt này. - Tham số biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ΔT ad cực kỳ quan trọng cho ứng dụng. - Một cách gần đúng, có thể xem rằng biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt tỉ lệ thuận với biến thiên entropy từ, tỉ lệ nghịch với nhiệt dung và tỉ lệ thuận với nhiệt độ hoạt động. - Nhƣ vậy để có giá trị lớn vật liệu cần có nhiệt dung C nhỏ, nhiệt độ hoạt động cao và biến thiên entropy từ lớn.. - Hiệu ứng từ nhiệt lần đầu tiên đƣợc ứng dụng vào các máy lạnh hoạt động bằng từ trƣờng vào năm 1933 để tạo ra nhiệt độ rất thấp là 0,3 Kelvin bằng cách khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ.. - Đó chính là một loại plasma nhiệt độ thấp.. - Do sự chênh lệch cao của nhiệt độ ở bề mặt nóng chảy so với phần tiếp xúc đáy nồi, phần vật liệu này bị kéo trở lại và đƣợc giữ trong không gian giữa phần vật liệu nóng chảy và vật liệu làm nồi. - Kim loại đƣợc đặt từ trên xuống dƣới theo thứ tự nhiệt độ nóng chảy tăng dần để nhiệt truyền kim loại phía trên xuống kim loại nằm dƣới.. - Phép đo này nhằm xác định nhiệt độ chuyển pha Curie T C của mẫu bằng cách đo mômen từ M của mẫu phụ thuộc vào nhiệt độ T trong hai trƣờng hợp:. - Từ đƣờng cong M(T) ta dùng phƣơng pháp ngoại suy để xác định nhiệt độ chuyển pha Curie T C của mẫu.. - Hệ đo hoạt động từ nhiệt độ Nitơ lỏng đến nhiệt độ khoảng 600 K. - Nhiệt độ đƣợc đo bằng cặp nhiệt điện Cooper – Constantan và đƣợc chỉ thị bằng chỉ số của vôn kế Keithley. - Độ nhạy của vôn kế 10 -3 mV, sai số nhiệt độ là ± 0,3 K.. - Hệ thống tạo nhiệt độ bao gồm lò điện trở (3a), nguồn điều khiển (3b).. - Sự khác nhau cơ bản giữa hai phép đo FC và ZFC là quá trình làm lạnh mẫu có hay không có từ trƣờng trƣớc khi tăng nhiệt độ và ghi nhận số liệu. - Trong vùng nhiệt độ thấp, do quá trình làm lạnh mẫu có và không có từ trƣờng khác nhau nên cấu hình các mômen từ đóng băng khác nhau, hoặc là đóng băng theo cấu hình định hƣớng của các mômen từ theo từ trƣờng của chế độ FC, hoặc là đóng băng theo cấu hình hỗn độn trong pha thuận từ của chế độ ZFC. - Các phép đo từ độ đƣợc thực hiện bởi từ kế lƣợng tử SQUID ở JAIST trong khoảng nhiệt độ từ 1,8 K đến 300 K và từ trƣờng đƣợc sinh ra bởi một cuộn dây nam châm siêu dẫn lên đến 70 kOe.. - Phép đo nhiệt dung riêng của mẫu đƣợc thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 2 K đến nhiệt độ phòng, sử dụng máy Quantum Design PPMS ở JAIST. - Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ và nghịch đảo của độ cảm từ của mẫu Ho 2 In tại từ trƣờng H = 1,0 kOe đƣợc hiển thị trong Hình 4.1. - Hình 4.1: Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ và nghịch đảo của độ cảm từ đối với hợp chất Ho 2 In tại từ trường H = 1,0 kOe. - Khi giảm nhiệt độ xuống tại T C = 87 K thì từ độ tăng mạnh, nó biểu hiện quá trình chuyển pha thuận từ-sắt từ. - Tiếp tục giảm nhiệt độ tới khoảng T t = 36 K có một dị. - Nhiệt độ T (K). - Hình 4.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ và nghịch đảo của độ cảm từ đối với hợp chất Ho 2 In tại từ trường H = 0,1 kOe. - Khi thực hiện phép đo sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ ở vùng từ trƣờng thấp (H = 0,1 kOe) (Hình 4.2) ta cũng nhận đƣợc một dạng đồ thị tƣơng tự, trên đồ thị M(T) có hai chuyển pha từ liên tiếp: tại T C = 87 K chuyển pha thuận-sắt từ, tại T t = 32 K là chuyển pha trật tự từ. - Hai nhiệt độ chuyển pha này sẽ đƣợc xác định rõ ràng hơn thông qua phép đo nhiệt dung.. - với nhiệt độ thuận từ Curie đƣợc xác định bằng 90 K và ta có thể tính mômen từ hiệu dụng của Ho theo công thức:. - Ở từ trƣờng H = 70 kOe, tất cả các đƣờng cong từ hóa chƣa đạt giá trị bão hòa, độ lớn của từ độ giảm dần theo nhiệt độ.. - Ta thấy nhiệt độ càng tăng thì µ S càng giảm. - Từ trƣờng H (kOe). - Ngành Vật lýNhiệt 32 Khóa 2010-2012 Hình 4.4: Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa vào nhiệt độ đối với mẫu Ho 2 In Đối với hợp chất Tb 2 In, đồ thị sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ đƣợc đo tại từ trƣờng H = 0,1 kOe do Q.Zhang và đồng nghiệp thực hiện [18] chỉ ra trong Hình 4.5. - Khi nhiệt độ giảm xuống dƣới nhiệt độ chuyển pha T C = 165 K từ độ tăng mạnh, chứng tỏ bắt đầu có trật tự sắt từ. - Tiếp tục giảm nhiệt độ thì từ độ giảm, đến nhiệt độ T N = 45 K ta thấy có dị thƣờng, điều này chứng tỏ tại đây xảy ra quá trình chuyển pha sắt từ-phản sắt từ [18].. - Nhiệt độ T(K) Từ độ bão hòa µ S (µB). - Ngành Vật lýNhiệt 33 Khóa 2010-2012 Hình 4.5: Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của hợp chất Tb 2 In. - Dƣới đây, chúng tôi sẽ đo nhiệt dung của Tb 2 In phụ thuộc vào nhiệt độ để kiểm tra xem có xuất hiện các chuyển pha đó không.. - Hình 4.6 biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc của nhiệt dung C vào nhiệt độ T của mẫu Ho 2 In. - Ta quan sát thấy có hai bƣớc nhảy (2 dị thƣờng) của nhiệt dung tại nhiệt độ tƣơng ứng là 85 K và 36 K. - Ngành Vật lýNhiệt 34 Khóa 2010-2012 Hình 4.6: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ đối với hợp chất Ho 2 In Ở nhiệt độ T t dị thƣờng không rõ bằng dị thƣờng ở nhiệt độ T C . - Hình 4.7: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ đối với hợp chất Tb 2 In 4.3 Cấu trúc tinh thể của hệ mẫu R 2 In (R = Ho, Tb). - Ngành Vật lýNhiệt 36 Khóa 2010-2012 Sử dụng phân tích Rietveld, chƣơng trình Rietan-2000 để xác định cấu trúc và hằng số mạng tinh thể ở nhiệt độ phòng.. - Phân tích Rietveld đã đƣợc thực hiện cho mẫu nhiễu xạ bột tia X ở nhiệt độ phòng. - Ngành Vật lýNhiệt 37 Khóa 2010-2012 Hình 4.8 cho thấy hình ảnh nhiễu xạ bột tia X ở nhiệt độ phòng. - Hình 4.9: Nhiễu xạ tia X của hợp chất Tb 2 In [18]. - Hình 4.11: Nhiễu xạ nơtron của hợp chất Ho 2 In tại nhiệt độ 2 K. - Nhiệt độ càng tăng, sự đóng góp từ của mẫu càng giảm, ta dễ dàng quan sát thấy điều đó thông qua đỉnh (102) của phổ nhiễu xạ nơtron đối với mẫu tại 45 K (Hình 4.12). - Ảnh hƣởng của nhiệt độ không chỉ lên cấu trúc từ của mẫu Ho 2 In mà nó còn ảnh hƣởng lên cấu trúc tinh thể. - Ở dƣới nhiệt độ T C vừa có chuyển pha cấu trúc (từ giả bền) vừa có chuyển pha trật tự từ. - Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thể tích ô cơ sở đối với mẫu Ho 2 In đƣợc biểu diễn trong. - Ngành Vật lýNhiệt 41 Khóa 2010-2012 Hình 4.13. - Ta thấy, ở dƣới nhiệt độ T <. - 45 K thể tích ô cơ sở giảm nhƣng vẫn lớn hơn ở nhiệt độ phòng (lấy từ kết quả đo nhiễu xạ tia X) và tăng đạt giá trị cực đại tại T = 45 K. - Khi nhiệt độ tăng thể tích ô cơ sở giảm. - Ở dƣới nhiệt độ chuyển pha T C thể tích ô cơ sở lớn hơn thể tích trong pha thuận từ.. - Hình 4.13: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của thể tích ô cơ sở 4.4.2 Nhiễu xạ nơtron của hợp chất Tb 2 In. - Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện phép đo phổ nhiễu xạ nơtron đối với mẫu Tb 2 In tại nhiệt độ T = 250 K và 80 K.. - Nhiệt độ T(K). - Nhìn vào hình 4.14, ta thấy cƣờng độ các đỉnh đo ở T = 80 K tăng hơn so với trƣờng hợp đo ở nhiệt độ 250 K, chứng tỏ đóng góp từ trên mẫu tăng khi mẫu ở trạng thái sắt từ.. - Sau thời gian thực hiện luận văn ở bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, chúng tôi thu đƣợc một số kết quả sau:. - Trong hợp chất R 2 In có xuất hiện hiệu ứng từ nhiệt (MCE) khổng lồ xung quanh nhiệt độ chuyển pha Curie T C . - Bằng phép đo các đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, ta có thể tính hiệu biến thiên entropy từ của hợp chất R 2 In