BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

DƯƠNG ĐÌNH THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA
VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANO TINH THỂ DỊ HƯỚNG NỀN
ĐẤT HIẾM VÀ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Nguyễn Huy Dân

HÀ NỘI - 2017


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn

4

Lời cam đoan


24

1.3. Một số mô hình lý thuyết cho VLTC nano tinh thể.................................

25

1.4. Phương pháp chế tạo VLTC nano tinh thể …………..............................

35

1.5. Một số phương pháp tạo cấu trúc nano tinh thể dị hướng………………

39

1.6. Một số phương pháp chế tạo VLTC nano tinh thể dạng khối

47

1.7. Cấu trúc và tính chất từ của VLTC nền Nd-Fe-Al, Sm-Co và Nd-Fe-B

52

Kết luận chương 1.........................................................................................

63

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

64


70

2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc......................................................

72

-2-


2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X.............................................................

72

2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử.............................................................

73

2.3. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ.........................................................

75

2.3.1. Phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung...........................................

75

2.3.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung...............................................

76

Kết luận chương 2..........................................................................................

đúc trong từ trường ..................................................................................

109

4.2. VLTC nano tinh thể dị hướng nền Sm-Co chế tạo bằng phương pháp ép
dị hướng trong từ trường .........................................................................

115

4.3. VLTC nano tinh thể dị hướng nền Nd-Fe-B chế tạo bằng cách pha tạp
các nguyên tố gây dị hướng......................................................................

116

Kết luận chương 4.........................................................................................

132

KẾT LUẬN CHUNG.....................................................................................

133

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ...................................

135

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................

137


và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Sau cùng tôi xin cảm ơn và thực sự không thể quên được sự giúp đỡ tận tình
của các thầy cô giáo bạn bè anh em xa gần và đặc biệt là sự động viên tạo điều kiện
của những người thân trong gia đình trong suốt quá trình tôi hoàn thành luận án này.
Hà Nội, tháng 02 năm 2017
Tác giả
Dương Đình Thắng

-4-


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã và sắp được xuất
bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

-5-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
I. Danh mục các kí hiệu
s

: Từ giảo bão hòa

g


dh

: Chiều dày lớp từ cứng

Br

: Cảm ứng từ dư

(BH)max

: Tích năng lượng cực đại

D

: Hệ số khử từ

Di

: Kích thước hạt

EA

: Mật độ năng lượng trao đổi

Ek

: Mật độ năng lượng dị hướng

g


HP

: Trường lan truyền vách đômen

hp

: Trường lan truyền rút gọn

-6-


J

: Số lượng tử của mômen từ toàn phần nguyên tử đất hiếm

JTT

: Hằng số trao đổi của phân mạng kim loại chuyển tiếp

JRT

: Hằng số trao đổi của tương tác đất hiếm-kim loại chuyển tiếp

K1, K2, K3

: Các hằng số dị hường từ

kB

: Hằng số Boltzmann


: Nhiệt độ ủ

TC

: Nhiệt độ Curie

TTT

: Nhiệt độ Curie của mạng kim loại chuyển tiếp

TRt

: Nhiệt độ Curie gây bởi tương tác đất hiếm và kim loại chuyển tiếp

Tm

: Nhiệt độ nóng chảy

Tg

: Nhiệt độ thủy tinh hóa

ta

: Thời gian ủ nhiệt

ZRT

: Số nguyên tử kim loại chuyển tiếp lân cận một nguyên tử đất hiếm


-7-


tử phân giải cao
HIP

:

Hot isotropic press - Ép nóng đẳng tĩnh

NCNLC

:

Nghiền cơ năng lượng cao

NCNC

:

Nam châm nanocomposite

L

:

Lỏng

LQN


:

Spark plasma sintering - Ép thiêu kết bằng xung điện plasma

TEM

:

Transmission electron microscope - Hiển vi điện tử truyền qua

M

:

(Transition) Metal - Kim loại chuyển tiếp

MQ

:

Magnetic quenching - Nguội nhanh trong từ trường

VĐH

:

Vô định hình

VLTC

chế tạo theo các phương pháp khác nhau (MS: Nguội nhanh; A: Có ủ nhiệt).
Bảng 3.1. Lực kháng từ Hc (a) và tích năng lượng cực đại (BH)max (b) của các
băng hợp kim Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3) ở các nhiệt độ ủ Ta
khác nhau trong 10 phút.
Bảng 3.2. Tích năng lượng cực đại (BH)max của các băng hợp kim Nd4xTbxFe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 ủ ở các nhiệt độ Ta khác nhau trong 10 phút.
Bảng 3.3. Các điều kiện công nghệ và thông số từ thu được cho vật liệu từ cứng
dạng khối ép nóng đẳng tĩnh.
Bảng 4.1. Sự phụ thuộc của lực kháng từ, từ dư, từ độ cực đại vào nồng độ Co trong
hợp kim Nd55-xCoxFe30Al10B5 đo theo các phương vuông góc và song song
với từ trường làm nguội.
Bảng 4.2. Tỷ số I(00l)/I(410) của các băng hợp kim với các nồng độ Ga khác nhau
(x) và tốc độ phun (v).
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của Ga lên lực kháng từ, từ độ dư và tỷ số Mr┴ / Mr// của
các băng hợp kim phun với vận tốc trống quay v = 10 m/s.
Bảng 4.4. Tỷ số I(00l)/I(410) của các băng hợp kim với các nồng độ Zr (x) và tốc độ
trống quay (v) khác nhau.

-9-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Quá trình phát triển của vật liệu từ cứng chứa đất hiếm (RE) và kim loại
chuyển tiếp (M) từ 1960 đến năm 2013 [96].
Hình 1.2. Các dạng cấu trúc cơ bản của vật liệu nano tinh thể [1].
Hình 1.3. Minh họa vi cấu trúc và kiểu tương tác từ của VLTC nano tinh thể: (a)
cấu trúc nano đơn pha đẳng hướng không tương tác, (b) cấu trúc nano
đơn pha đẳng hướng tương tác, (c) nanocomposite đẳng hướng (tương
tác trao đổi giữa hạt pha cứng và pha mềm) và d) cấu trúc
nanocomposite dị hướng [96].

chụp dòng hợp kim nóng chảy trên mặt trống quay (b).
Hình 1.14. Nguyên lý kỹ thuật nghiền cơ năng lượng cao (nghiền bi).
Hình 1.15. Mô phỏng buồng ép mẫu (a) và ảnh SEM của mẫu sau khi ép (b)[35].
Hình 1.16. Giản đồ XRD và đường từ trễ của mẫu nam châm Nd11,5Fe81Cu1,5B6 chế tạo
bằng phương pháp biến dạng nóng (a) và ủ nhiệt 973 K không ép (b) [36].
Hình 1.17. Các đường khử từ của nam châm Nd11,5Fe81Cu1,5B6 chế tạo bằng
phương pháp biến dạng nóng (đường màu đỏ) và ủ nhiệt thông thường
(đường màu xanh) [36].
Hình 1.18. Sơ đồ mô phỏng quá trình ép định hướng trong từ trường của nam
châm điện.
Hình 1.19. Ảnh SEM của mẫu bột hợp kim Nd2Fe14B chế tạo bằng phương pháp
HDDR; (a) bột nghiền thô; (b,c) ép định hướng trong từ trường 20 kOe [37].
Hình 1.20. Các đường từ độ thực nghiệm (điểm thí nghiệm) và lý thuyết (đường liền
nét) của mẫu đa tinh thể Nd2Fe14B được nấu chảy và đóng rắn trong từ
trường, H = 7,5 T. Hướng đo từ song song với từ trường H (vòng tròn
đen), vuông góc với từ trường H (vòng tròn trắng-phía dưới) [114].
Hình 1.21. Ảnh hưởng của từ trường làm giảm kích thước hạt trung bình và làm
tăng tính từ cứng của băng nguội nhanh Nd15Fe77B8 + 40%wt.Fe [41].
Hình 1.22. Giản đồ XRD và đường từ trễ của mẫu Nd16Fe76B8/40% wt. Fe65Co35
phun trong từ trường 3,2 kOe (đường màu đỏ) và 0 kOe (đường màu
xanh) [42].

- 11 -


Hình 1.23. Sơ đồ khối mô tả hệ ủ nhiệt các vật liệu từ cứng trong từ trường:(a)
Kiểu lò nằm ngang [35]; (b) Kiểu lò đứng [38].
Hình 1.24. Hằng số dị hướng như hàm của nhiệt độ với các giá trị khác nhau của
từ trường ủ [43].
Hình 1.25. Đường khử từ của vật liệu từ cứng ủ nhiệt 740oC trong từ trường H=0

Hình 1.41. Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của hạt nano Sm2Co17 . Hình lồng
biễu diễn sự phụ thuộc của Hc vào kích thước hạt nano [112].
Hình 1.42. Đường khử từ của một số nam châm nanocomposite đẳng hướng nền
Nd-Fe-B [59].
Hình 1.43. Giản đồ XRD (a); đường khử từ (b) và ảnh TEM (c) của nam châm
nanocomposite dị hướng nền Nd-Fe-B [60].
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ đúc hồ quang trong từ trường.
Hình 2.2. Hình dạng của các khuôn đúc.
Hình 2.3. a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) Bơm hút chân không, (2) Buồng
nấu mẫu, (3) Tủ điều khiển, (4) Bình khí Ar, (5) Nguồn điện, b) Ảnh bên
trong buồng nấu: (6) Điện cực, (7) Nồi nấu, (8) Cần lật mẫu.
Hình 2.4. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục.
Hình 2.5. a) Thiết bị phun băng nguội nhanh:1. Bơm hút chân không, 2. Buồng
mẫu, 3.Nguồn phát cao tần. b) Bên trong buồng tạo băng: 4. Trống
quay, 5. Vòng cao tần, 6. Ống thạch anh.
Hình 2.6. Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b).
Hình 2.7. Ảnh thiết bị ép.
Hình 2.8. Ảnh thiết bị ủ nhiệt.
Hình 2.9. Ảnh chụp thiết bị HIP tại Viện KHVL.
Hình 2.10. Sơ đồ mô tả buồng mẫu của thiết bị HIP [9].
Hình 2.11. Ảnh chụp thiết bị chân không dùng trong ép nóng đẳng tĩnh.
Hình 2.12. Ảnh chụp thiết bị hàn vỏ bọc mẫu.
Hình 2.13. Thiết bị Siemen D5000.
Hình 2.14. Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800 tại Viện Khoa học vật liệu.

- 13 -


Hình 2.15. Kính hiển vi điện tử truyền qua Philip CM20-FEG (gia tốc 200kV;
Cs = 1,2) tại Viện Vật lý, TU-Chemnitz, CHLB Đức.


Hình 3.12. Giản đồ XRD của băng nguội nhanh Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3)
sau khi ủ ở nhiệt độ 700oC trong thời gian 10 phút.
Hình 3.13. Đường cong từ trễ của các mẫu băng Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3)
trước khi ủ nhiệt (a) và ủ nhiệt ở nhiệt độ 675oC trong 10 phút (b).
Hình 3.14. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc (a) và tích năng lượng cực đại (BH)max
(b) vào nhiệt độ ủ Ta của hợp kim Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3).
H×nh 3.15. Giản đồ XRD của băng hợp kim Nd4-xTbxFe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 trước
khi ủ nhiệt.
Hình 3.16. Giản đồ XRD của băng hợp kim Nd4-xTbxFe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 sau khi ủ
nhiệt ở 650oC trong 10 phút.
Hình 3.17. Đường từ trễ của các băng hợp Nd4-xTbxFe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 khi chưa ủ nhiệt.
Hình 3.18. Đường từ trễ của các băng hợp kim Nd4-xTbxFe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 được
ủ nhiệt ở Ta = 600oC (a), 625oC (b), 650oC (c), 675oC (d), 700oC (e) và
725oC (f) trong 10 phút.
Hình 3.19. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ Ta trong 10 phút của
các băng hợp kim Nd4-xTbxFe71Co5Cu0,5Nb1B18,5.
Hình 3.20. Ảnh mẫu ép nóng đẳng tĩnh với áp suất 20.000 Psi ở 950oC với vỏ bọc
ngoài (a), đã bóc vỏ (b) và các đường từ trễ của chúng (c).
Hình 3.21. Đường cong từ trễ của các mẫu khối Nd-Fe-B có pha thêm Ti, Zr, Tb
chế tạo bằng phương pháp HIP (áp suất 7.500 Psi; Nhiệt độ 800oC).
Hình 4.1. Đường cong từ trễ của hợp kim Nd40Co15Fe30Al10B5 đo vuông góc và
song song với từ trường ngoài: a) Đúc không có từ trường; b) Đúc trong
từ trường 2,5 kOe, hình lồng trong là các đường khử từ ở góc phần tư
thứ hai.
Hình 4.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hợp kim Nd55-xCoxFe30Al10B5 đúc trong
từ trường 2,5 kOe.
Hình 4.3. Ảnh HR-TEM (a) và ảnh SAED (b) của mẫu hợp kim Nd40Co15Fe30Al10B5.

- 15 -

Nd10,5Fe83,5-xZrxB6 (x = 1,5) với v = 5 m/s (a), 10 m/s (b) và 30 m/s (c).

- 16 -


Hình 4.15. Giản đồ XRD trên bề mặt không tiếp xúc trống đồng của các băng
Nd10,5Fe83,5-xZrxB6 (x = 3) với v = 5 m/s (a), 10 m/s (b) và 30 m/s (c).
Hình 4.16. Ảnh TEM trường sáng (a), TEM trường tối (b), HRTEM (c) và SAED (d)
(lấy từ mặt cắt ngang) của mẫu Nd10,5Fe83,5-xZrxB6 (x = 3) với v = 10m/s.
Hình 4.17. Ảnh TEM trường sáng (a), TEM trường tối (b), HRTEM (c) và SAED (d)
(lấy từ mặt cắt ngang) của mẫu băng Nd10,5Fe83,5-xZrxB6 (x = 3) với v =
40m/s sau khi ủ nhiệt ở 700oC trong 10 phút.
Hình 4.18. Giản đồ XDR trên bề mặt không tiếp xúc trống đồng của các mẫu băng
nguội nhanh Nd10,5Fe80,5M3B6 (M = Ga, Zr) tương ứng Ga (a,b); Zr (c,d)
phun ở các vận tốc trống quay v = 10 và 30 m/s.
Hình 4.19. Ảnh TEM trường sáng và ảnh SAED (hình lồng trong) của băng
Nd10,5Fe80,5Ga3B6 phun ở tốc độ 40 m/s và được ủ nhiệt ở 700oC trong
10 phút.
Hình 4.20. Ảnh TEM trường sáng và ảnh SAED (hình lồng trong) của băng
Nd10,5Fe80,5Zr3B6 phun ở tốc độ 40 m/s và được ủ nhiệt ở 700oC trong
10 phút.
Hình 4.21. Đường từ trễ của băng Nd10,5Fe82Ga1,5B6 phun ở tốc độ 40 m/s và ủ tại
700oC trong 10 phút (màu đỏ); trước khi ủ (màu xanh).
Hình 4.22. Đường từ trễ của băng Nd10,5Fe82Zr1,5B6 phun ở tốc độ 40 m/s và ủ tại
700oC trong 10 phút (màu đỏ); trước khi ủ (màu xanh).

- 17 -


MỞ ĐẦU


cứng và từ mềm trong nam châm này có kích thước nanomet, ở kích thước này
chúng tương tác trao đổi đàn hồi với nhau làm véctơ từ độ của chúng định hướng
song song dẫn đến từ độ bão hòa được nâng cao và tính thuận nghịch trong quá
trình từ hóa - khử từ rất cao. Bằng các mô hình lý thuyết, các nhà khoa học đã nhận
định rằng, hệ vật liệu này có thể cho (BH)max trên 100 MGOe.
Hiện nay, hầu hết các vật liệu từ cứng nano tinh thể được chế tạo và ứng
dụng có tính đẳng hướng. Tích năng lượng cực đại (BH)max của chúng thực tế mới
chỉ đạt cỡ 20 MGOe, còn cách xa so với giới hạn lý thuyết [12], [13]. Kết quả
nghiên cứu thu được trên vật liệu từ cứng nano tinh thể cho thấy, để nâng cao được
tích năng lượng (BH)max của vật liệu cần phải tạo được cấu trúc nano tinh thể dị
hướng, tức là phải định hướng được trục dễ từ hóa của các hạt từ cứng nano tinh thể
theo một phương xác định (tính dị hướng). Tuy nhiên, việc tạo dị hướng cho loại vật
liệu này là khó khăn do các hạt tinh thể rất nhỏ (kích thước chỉ cỡ một vài chục
nanomet). Một số phương pháp đã được áp dụng để tạo cấu trúc nano tinh thể dị
hướng cho vật liệu như biến dạng nóng [14], [15], [16], thiêu kết xung điện plasma
[17], [18], pha tạp các nguyên tố tạo dị hướng [19], [20], [21]... Việc lựa chọn
phương pháp chế tạo nhằm tạo ra vật liệu có thông số từ tiến gần đến giá trị lý thuyết,
đồng thời đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế vẫn luôn được quan tâm nghiên cứu.
Từ những lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án là:
Nghiên cứu chế tạo, cấu trúc và tính chất của vật liệu từ cứng nano tinh thể dị
hướng nền đất hiếm và kim loại chuyển tiếp.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Vật liệu từ cứng nano tinh thể nền Nd-Fe-Al, Nd-Fe-B và Sm-Co.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo VLTC nano tinh thể có cấu trúc dị
hướng. Tìm được quy luật ảnh hưởng giữa cấu trúc với tính chất từ của vật liệu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Góp phần tìm kiếm cấu trúc vi mô mới có lợi cho tính từ cứng của vật liệu từ
cứng nano tinh thể. Đó là sử dụng từ trường để định hướng trục dễ của các hạt nano

pha tạp các nguyên tố gây dị hướng.
Bố cục của luận án:
Nội dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương. Chương đầu là
phần tổng quan về vật liệu từ cứng nano tinh thể nền đất hiếm và kim loại chuyển
tiếp. Chương tiếp theo trình bày các kỹ thuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo
mẫu và các phép đo đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu. Hai chương cuối
trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nano tinh thể đẳng hướng
và dị hướng.

- 20 -


Kết quả chính của luận án:
i) khai thác hệ đúc hợp kim bằng hồ quang có tích hợp nam châm vĩnh cửu
2,5 kOe trên khuôn đúc để chế tạo các mẫu hợp kim từ cứng nano tinh thể dị hướng
dạng khối Nd-Fe-Al-(Co, B). Từ trường định hướng các hạt tinh thể trong quá trình
đóng rắn gây ra tính dị hướng cho hợp kim; ii) đã phát hiện thấy sự kết tinh định
hướng mạnh theo trục c của tinh thể Nd2Fe14B khi pha thêm Ga, Zr trong băng hợp
kim Nd10,5Fe83,5-x(M)xB6 (M = Ga, Zr; x = 0; 1,5; 3 và 4,5) chế tạo bằng phương
pháp phun băng nguội nhanh và ủ nhiệt; iii) đã chế tạo được các hạt nano tinh thể
SmCo5 từ băng nguội nhanh đơn pha, khảo sát ảnh hưởng của từ trường lên tính
chất từ cho mẫu khối SmCo5 (ép dị hướng từ bột nghiền 0,5h); iv) đã khảo sát có hệ
thống ảnh hưởng của Ti và chế độ ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của các băng
hợp kim Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3). Sự có mặt của Ti ngăn chặn sự hình
thành pha tinh thể Nd2Fe17B nên tăng cường tính từ cứng cho vật liệu; v) đã nghiên
cứu ảnh hưởng của nồng độ Tb và chế độ ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của hệ
hợp kim có nồng độ đất hiếm thấp Nd4-xTbxFe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 (x = 0; 0,2; 0,4;
0,6; 0,8 và 1). Sự có mặt của Tb (nồng độ khá nhỏ) thay thế cho Nd làm tăng lực
kháng từ cho hệ hợp kim sau khi ủ nhiệt; vi) đã khai thác hệ ép nóng đẳng tĩnh và
chế tạo hợp kim từ cứng nano tinh thể dạng khối Nd-Fe-B-M (M = Ti, Zr, Tb, Ga,

bất ổn của tình hình thế giới vào những năm cuối thập kỷ 70 đã gây biến động mạnh
cho nguồn cung cấp và giá cả đối với Coban, một vật liệu thô chiến lược. Do đó, việc
tìm kiếm vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Coban được cấp thiết đặt ra. Đầu tiên
người ta chú ý đến những vật liệu có trữ lượng lớn ở vỏ trái đất. Mặt khác, chúng phải
có momen từ nguyên tử cao. Hai nguyên tố Nd và Fe thoả mãn các điều kiện đó [5].
Năm 1983, Sawaga ở công ty Sumitomo (Nhật Bản) công bố thành công
trong việc chế tạo nam châm vĩnh cửu (NCVC) với thành phần hợp thức Nd15Fe77B8
có Br = 12 kG, Hc = 12,6 kOe, (BH)max = 36,2 MGOe bằng phương pháp luyện kim
bột tương tự như phương pháp đã sử dụng chế tạo nam châm Sm-Co [25]. Pha từ
chính là pha Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác (tetragonal). Cùng trong thời gian đó, một
cách độc lập, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) cũng đã chế tạo
được nam châm vĩnh cửu dựa trên pha ba thành phần Nd2Fe14B theo công nghệ
nguội nhanh có Br = 8 kG, Hc = 14 kOe, (BH)max = 14 MGOe [26]. Đặc biệt, năm

- 22 -


1988 Coehoorn và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Philip Research đã công bố phát
minh loại vật liệu mới với Br = 10 kG, Hc = 3,5 kOe, (BH)max = 12 MGOe, nam
châm này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), -Fe (12%
thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích) [27]. Hai phương pháp cơ bản chế
tạo nam châm vĩnh cửu dựa trên pha từ cứng Nd2Fe14B là phương pháp thiêu kết và
phương pháp kết dính. Trong nam châm thiêu kết các hạt từ có kích thước vài
micromet được liên kết nhau bởi một pha phi từ giàu Nd ở biên hạt, nam châm này
có tính dị hướng cao, tích năng lượng cực đại (BH)max khá lớn, kỷ lục (BH)max hiện
nay đạt được trong phòng thí nghiệm là 57 MGOe, đạt 86% giá trị (BH)max lý thuyết
64 MGOe. Hiện nay nam châm loại này chiếm một tỷ phần lớn về giá trị trong công
nghiệp nam châm. Trong nam châm kết dính các hạt bột sắt từ Nd-Fe-B được liên
kết với nhau bởi chất kết dính hữu cơ, (BH)max có thể đạt trên 10 MGOe, ưu điểm
của nam châm loại này là công nghệ chế tạo tương đối đơn giản và dễ dàng tạo

để giữ véc-tơ từ độ đứng yên (được xác định chủ yếu bằng tích KuV của dị hướng
Ku và thể tích V) bé hơn năng lượng nhiệt kBT sẽ tạo nên thuộc tính siêu thuận từ.
Hoặc như sự thay đổi của véc-tơ từ độ từ hạt này đến hạt khác sẽ chịu ảnh hưởng
của dị hướng từ ngẫu nhiên như trong trạng thái vô định hình (VĐH). Hoặc như một
hiệu ứng quan trọng khác, được khảo sát trong các mẫu ít nhất có một chiều nano, là
tương tác trao đổi giữa spin từ các phía khác nhau được ngăn cách bởi một mặt
phân giới vật lý (tương tác giữa các hạt hay các lớp từ tính khác nhau). Đây chính là

- 24 -


hiệu ứng ảnh hưởng mạnh đến các đặc trưng, tính chất từ của vật liệu cấu trúc nano
nói chung cũng như các cấu trúc và linh kiện từ dạng màng mỏng nói riêng.

(a) Vật liệu nano dạng hạt
(b) Vật liệu nano dạng màng mỏng
(c) Vật liệu nano dạng dây, cột

Hình 1.2. Các dạng cấu trúc cơ bản của vật liệu nano tinh thể [1].
Dựa trên hình thái học, người ta có thể phân loại vật liệu tổ hợp nano thành 3
loại như trong hình 1.2. Vật liệu từ cứng cấu trúc nano là đối tượng được quan tâm,
nghiên cứu nhằm nâng cao phẩm chất từ cứng của vật liệu dựa trên các hiệu ứng vật
lý mới lạ khi các pha (hoặc hạt) của chúng có đặc trưng kích thước nano khác nhau.
Cấu trúc nano từ cứng là sự kết hợp sắp xếp của các hạt (các lớp) kích cỡ nano, có
đường kính (độ dày) tiêu biểu trong khoảng nhỏ hơn 100 nm. Tổ hợp này chủ yếu
dựa trên các pha từ cứng đã biết của các vật liệu từ cứng dạng khối đất hiếm – kim
loại chuyển tiếp RE-M (Nd-Fe-B, Sm-Co) hoặc vật liệu Fe-Pt, Co-Pt có cấu trúc
kiểu L10. Tính chất từ của loại vật liệu này là hệ quả trực tiếp từ việc giảm kích
thước các hạt, pha thành phần xuống tỉ lệ nanomet, đặc biệt là khi tiến gần đến kích
thước của vách đô-men.