Đômen, vách đômen từ và phương pháp quan sát

Tính chất sắt từ của vật liệu được quy định bởi tương tác trao đổi giữa các mômen từ, tạo ra các mômen từ hướng song song với nhau, ngay cả khi không có từ trường ngoài. Tuy nhiên, các mômen từ không song song trên toàn vật từ, mà chỉ song song trong các vùng nhỏ, gọi là các đômen từ. Phần biên giới giữa các đômen gọi là vách đômen. Đômen và vách đômen chính là cấu trúc vi từ của vật sắt từ. Bài này giới thiệu một chút sơ lược về các cách thức quan sát cấu trúc vi từ của vật sắt từ.

1. Đômen từ

Đômen từ là các vùng nhỏ mà trong đó các mômen từ hướng hoàn toàn song song nhau, tạo nên từ độ tự phát của vật. Ở trạng thái khử từ, từ độ trong các đômen khác nhau sẽ định hướng hỗn loạn và bị triệt tiêu. Khi vật bị bão hòa từ, toàn vật sẽ là một đômen duy nhất có chiều của từ độ hướng theo chiều từ trường ngoài.

Thông thường, cấu hình đômen được tạo ra nhờ sự cực tiểu hóa năng lượng vi từ gồm có các dạng năng lượng: năng lượng trao đổi, năng lượng dị hướng, năng lượng tĩnh từ, năng lượng từ giảo, năng lượng Zeeman. Trạng thái cân bằng được thiết lập thì cấu trúc đômen được hình thành, khi đó tổng năm số hạng năng lượng vi từ sẽ được cực tiểu hóa.

Ví dụ so sánh 3 kiểu cấu trúc đômen dưới đây, trong một màng mỏng sắt từ, có hình vuông (xét trường hợp không có từ trường ngoài). Ở cấu hình (a), các dạng năng lượng như trao đổi, dị hướng đều cực tiểu hóa. Nhưng lại có đường sức lớn (trường phân tán mạnh) do đó năng lượng tĩnh từ sẽ trở nên rất lớn. Vì thế nó chỉ có thể tồn tại khi dị hướng từ tinh thể mạnh (cấu trúc đơn đômen trong các vật liệu sắt từ cứng). Ở cấu hình (b), năng lượng tĩnh từ suy giảm do có sự đóng các đường sức từ, năng lượng dị hướng tăng lên, do đó có thể tồn tại khi có dị hướng từ tinh thể yếu hơn. Cấu hình (c) có năng lượng dị hướng lớn nhất, nhưng hoàn toàn không có năng lượng tĩnh từ do sự chạy khép kín các đường cảm ứng từ, do đó nó tồn tại khi dị hướng từ tinh thể yếu, và thường xuất hiện trong các vật liệu từ mềm. Chú ý, ở cấu trúc này, tại tâm của hình chữ nhật sẽ có thành phần từ độ hướng vuông góc với mặt phẳng màng.

Hình 1. Cấu hình đômen từ trong một số trường hợp: (a) hạt đơn đômen khi dị hướng từ đơn trục mạnh (trường phân tán lớn, năng lượng tĩnh từ lớn); (b) dị hướng từ đơn trục yếu, năng lượng tĩnh từ giảm; (c) không có trường phân tán, năng lượng tĩnh từ cực tiểu, năng lượng dị hướng lớn.

Dưới tác dụng của từ trường ngoài, cấu trúc đômen của vật từ sẽ thay đổi, mà sự thay đổi này làm thay đổi từ độ của vật từ, tạo nên quá trình từ hóa.

2. Vách đômen

Vách đômen (domain wall) là vách ngăn giữa hai đômen từ có hướng từ độ khác nhau. Trong vách đômen, mômen từ biến đổi một cách đều đặn từ chiều này (ở đômen từ này) sang chiều từ độ ở đômen khác. Vì sự thay đổi này, mà năng lượng vi từ trong vách đômen là sự tranh chấp giữa 2 dạng năng lượng là năng lượng dị hướng từ và năng lượng trao đổi. Có nhiều cách để phân chia các loại vách đômen, cách đơn giản nhất là gọi tên góc vách đômen là góc giữa chiều từ độ ở 2 đômen liền kề tạo ra vách (ví dụ vách 180 độ, thì từ độ ở 2 đômen sẽ hướng ngược chiều nhau, vách 90 độ thì từ độ ở 2 đômen hướng vuông góc với nhau…). Như ví dụ về cấu trúc đômen ở hình 1(c), ta có thể thấy 4 vách đômen 90 độ hình thành để phân chia 4 đômen liền kề; hoặc ở hình 1(b) giữa các đômen có hướng ngược chiều nhau là các vách đômen 180 độ. Nhưng cách phân chia vách đômen phổ biến nhất vẫn là theo cấu hình biến đổi của mômen từ trong vách, mà có 2 loại phổ biến là vách Bloch và vách Néel.

2.1. Vách Bloch

Là loại vách hình thành trong các vật liệu khối, mà ở đó ba chiều không gian đều “bình đẳng”, do đó ở trong vách đômen, mômen từ biến đổi đều đặn trong 3 chiều. Có nghĩa là mômen từ trong vách Bloch quay 180 độ trong không gian 3 chiều (như hình 2(b)). Dị hướng từ đơn trục đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành vách Bloch, và chi phối độ dày vách Bloch.

Cấu hình mômen từ trong một số loại vách đômen: (a) Vách Néel, (b) vách Bloch và (c) vách cross-tie.
Cấu hình mômen từ trong một số loại vách đômen: (a) Vách Néel, (b) vách Bloch và (c) vách cross-tie.

Độ dày vách Bloch phụ thuộc vào dị hướng từ tinh thể đơn trục, K_u, hằng số trao đổi, A:

\delta = \pi \sqrt{\frac{A}{K_u}}

Vách đômen Bloch thường chỉ xuất hiện trong các vật liệu khối, hoặc các màng dày có độ dày lớn, độ dày của vách Bloch cũng chỉ nằm trong khoảng vài chục nm. Ta có thể thấy rằng, trong vách Bloch, mômen từ “quay” trong không gian 3 chiều, do đó tạo ra trường phân tán lớn. Đôi khi trường phân tán này cũng tạo ra những “hiệu ứng” xấu. Ví dụ như trong các media ghi từ vuông góc, ngoài lớp vật liệu từ cứng để lưu trữ, còn đòi hỏi sự có mặt của một lớp màng mỏng sắt từ mềm với độ dày rất lớn cho quá trình ghi từ. Do độ dày lớn, thông thường có sự hình thành của các vách Bloch trong lớp từ mềm này, và trường phân tán từ các vách Bloch này tạo nên các nhiễu gọi là spike noise ảnh hưởng đến thông tin.

2.2. Vách Néel

Vách Néel là cấu hình vách xuất hiện trong các màng mỏng từ, ở đó trường khử từ theo phương vuông góc quá lớn, khiến cho các mômen từ “buộc” phải nằm trong mặt phẳng màng (hình 2a). Và trong vách Néel, mômen từ sẽ “quay” một cách từ từ trong mặt phẳng màng, từ chiều ở đômen này sang chiều của đômen khác.

Nếu như ở vách Bloch, một lượng trường phân tán rất lớn tạo ra do sự quay trong không gian 3 chiều, thì ở vách Néel, trường phân tán chỉ tạo ra trong mặt phẳng màng, do đó độ dày của vách cũng lớn hơn nhiều so với vách Bloch. Độ dày vách Néel không những phụ thuộc vào các tham số của vật liệu mà còn phụ thuộc vào độ dày của màng, cấu hình hình học của màng: ví dụ như có thể thay đổi theo hình dạng hình học của các pattern nếu như chúng có kích thước nhỏ gây ra sự nén ép…

2.3. Vách cross-tie

Là một sự “pha trộn” giữa 2 loại vách là vách Bloch và vách Néel ở các màng mỏng có chiều dày tương đối lớn (nằm giữa giới hạn Bloch và Néel). Trong vách Néel, ở trung tâm của vách, có thành phần từ độ hướng ra ngoài mặt phẳng màng (hình 2c).

3. Quan sát vách đômen và đômen từ

3.1. Sử dụng ánh sáng khả kiến

Phương pháp quan sát cổ điển nhất sử dụng ánh sáng khả kiến là phương pháp nhũ tương ảnh (hay phương pháp Bitter – đặt theo tên người nghĩ ra phương pháp). Phương pháp từng được sử dụng để quan sát hình dạng các đômen từ trong các mẫu khối. Để thực hiện, mẫu được mài bóng, sau đó được tẩm thực nhờ dung dịch huyền phù của các hạt ôxit sắt. Dung dịch huyền phù này sẽ bám vào các vách đômen hay nói cách khác bao quanh các đômen từ, và tạo ra hình ảnh các đômen từ có thể quan sát được nhờ kính hiển vi quang học. Đây là phương pháp cổ điển sơ khai và ngày nay hầu như không còn được sử dụng.

Ngày nay, người ta vẫn đang sử dụng một phương pháp quan sát vách đômen khác sử dụng ánh sáng khả kiến là ứng dụng hiệu ứng quang từ MOKE (magneto-optic Kerr effect). Ở phương pháp này, một chùm laser được chiếu phản xạ trên mẫu, và ánh sáng phản xạ sẽ bị quay mặt phẳng phân cực. Dựa vào việc phân tích sự quay mặt phẳng phân cực này, ta sẽ thu được hình ảnh các đômen từ. Phương pháp này cho tốc độ chụp rất cao, có thể quan sát trên diện rộng nhưng độ phân giải lại rất hạn chế (bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng nên độ phân giải tốt nhất chỉ đạt vài trăm nm).

(Còn nữa)

5 Comments

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s