Hcmute nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tinh thể zn0 64 ni0 36 fe2o4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TINH THỂ ZN0.64 NI0.36 FE2O4 Mã số: T2015 - 01 Chủ nhiệm đề tài: THS GV Nguyễn Văn Thức SKC005574 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2015 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TINH THỂ ZN0.64 NI0.36 FE2O4 Mã số: T2015-01 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Nguyễn Văn Thức TP HCM, Tháng 11 năm 2015 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TINH THỂ ZN0.64 NI0.36 FE2O4 Mã số: T2015-01 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Nguyễn Văn Thức TP HCM, Tháng 11 năm 2015 Luan van DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI STT Đơn vị công tác Họ tên Nhiệm vụ đƣợc giao ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH STT Tên đơn vị nƣớc Nội dung phối hợp Luan van MỤC LỤC MỤC LỤC .3 - Bản thuyết minh đĩa CD .5 - Một báo đăng web/nội san khoa .5 CHƢƠNG TỔNG QUAN .9 1.1 KHÁI NIỆM CĂN BẢN 10 1.1.1 Từ trường 10 1.1.2 Vecto từ trường 10 1.2 1.3 TÍNH CHẤT TỪ CỦA NGUYÊN TỬ .11 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ 12 1.3.1 Nghịch từ thuận từ 12 1.3.2 Sắt từ 14 1.3.3 Phản sắt từ 15 1.3.4 Ferit từ 15 1.4 1.5 ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TỪ TÍNH .17 CÁC DẠNG TƢƠNG TÁC CƠ BẢN TRONG VẬT LIỆU TỪ .17 1.5.1 Tương tác trao đổi - Sự từ hóa tự phát 17 1.5.2 Tương tác từ tinh thể - Hằng số dị hướng từ tinh thể 18 1.5.3 Tương tác từ đàn hồi 19 1.5.4 Tương tác từ tĩnh 19 1.6 1.7 1.8 CẤU TRÚC ĐOMEN .19 LÝ THUYẾT TỪ HOÁ VÀ TỪ TRỄ 21 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU TỪ 23 1.8.1 Sắt non sắt kĩ thuật 26 1.8.2 Thép silic 27 1.8.3 Hợp kim Fe-Ni 29 1.8.4 Vật liệu từ mềm đặc biệt 30 1.8.5 Vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu) 33 1.8.6 Ứng dụng vật liệu từ 37 1.9 SƠ LƢỢC VỀ VẬT LIỆU TỪ FERIT 39 1.9.1 Công nghệ chế tạo 39 1.9.2 Ferit từ mềm 41 1.9.3 Ferit granat 44 1.9.4 Ferit từ cứng 45 1.10 TỔNG QUAN vật liệu từ nano tinh thể .45 1.11 CƠ SỞ LỰA CHỌN VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .47 CHƢƠNG NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 49 2.1 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 50 2.1.1 CHẾ TẠO MẪU 50 Luan van 2.1.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55 2.1.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 60 CHƢƠNG KẾT LUẬN 79 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Một số thơng số từ tính đơn vị 11 Bảng 1-2 Độ cảm từ χm nhiệt độ phòng số vật liệu nghịch từ thuận từ 14 Bảng 1-3 Momen từ spin ion Fe2+ Fe3+ ô sở Fe3O4 16 Bảng 1-4 So sánh đặc điểm vật liệu từ mềm vật liệu từ cứng 26 Bảng 1-5 Thông số từ số hợp kim từ cứng đặc biệt 37 Bảng 1-6Phân loại vật liệu từ theo chức 38 Bảng 1-7 Thông số từ số loại ferit Ni-Zn khơng có cấu trúc nano 41 Bảng 1-8 Thông số từ số loại ferit Mn-Zn 43 Bảng 1-9 Tính tốn momen từ số vật liệu ferit từ spinel 44 Bảng 1-10 Lĩnh vực sử dụng ferit 45 Bảng 1-11 Thông số số vật liệu nano tinh thể ferit từ 47 Bảng 2-1 So sánh phương pháp chế tạo 50 Bảng 2-2 Tính tốn lượng muối nước nồng độ 0.6 M 51 Bảng 2-3 Tính tốn lượng muối nước nồng độ 0.4 M 52 Bảng 2-4 Tính tốn lượng muối nước nồng độ 0.2 M 52 Bảng 2-5 Tính tốn lượng muối nước nồng độ 0.1 M 52 Bảng 2-6 Thành phần hóa học mẫu 11 65 Bảng 2-7 Ảnh hưởng nồng độ tiền chất đến kích thước hạt ferrite 65 Bảng 2-8 Ảnh hưởng nhiệt độ đến kích thước hạt nano 71 Bảng 2-9 Ảnh hưởng thời gian nung đến kích thước hạt nano 73 Bảng 2-10 Ảnh hưởng kích thước hạt đến Hc 75 Bảng 2-11 Ảnh hưởng kích thước hạt đến µr (tần số đo 100 kHz) 76 Luan van THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tinh thể Zn0.64 Ni0.36 Fe2 O4 - Mã số: T2015– 01 - Chủ nhiệm: Nguyễn Văn Thức - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp HCM - Thời gian thực hiện: 01/2015 – 11/2015 Mục tiêu: Khảo sát ảnh hƣởng chế độ đồng kết tủa đến kích thƣớc hạt vật liệu ferit nano tinh thể Zn0.64 Ni0.36 Fe2O4 Nội dung chính: - Vật liệu từ nano - Phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ nano tinh thể - Kiểm tra kích thƣớc hạt kính hiển vi SEM - Kiểm tra cấu trúc tinh thể hạt XRD Kết nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu ảnh hƣởng nồng độ tiền chất (NiCl2 , FeCl3 , ZnSO ), nhiệt độ thời gian thiêu kết tới cấu trúc tính chất từ vật liệu từ Zn0.64 Ni0.36 Fe2 O4 Sản phẩm: - Bản thuyết minh đĩa CD - Một báo đăng web/nội san khoa Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Giúp hỗ trợ môn học vật liệu học Ngày 28 tháng 10 năm 2015 Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) Luan van INFORMATION OF RESEARCH RESULTS General information: - Tittle: “Effect of co-precipitation method on nanocrystalline structure of ferrite Zn0.64 Ni0.36 Fe2 O4 ” - Code number: T2015 – 01 - Author: Nguyen Van Thuc - Organization: HCMCUniversity of Technology and Education - Date: 01/2015 – 11/2015 Purpose: The Effect of co-precipitation method on nanocrystalline structure of ferrite Zn0.64 Ni0.36 Fe2 O4 was studied Samples were maken by co-precipitation method from NiCl2 , FeCl3 , ZnSO and NaOH Main content: This article studied the effect of co–precipitation method, temperature, time on nanocrystalline structure of ferrite Zn0.64Ni0.36 Fe2O4 Results: Experimental includes effect of concentrations, calcination time and temperature on this magnetic material Product: - CD - Paper Effectivity, delivery method of research results and application ability: Support formaterials science and engineering Oct, 28 ,2015 Luan van MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nƣớc: Ở Việt Nam, vật liệu nano ferit từ bắt đầu đƣợc nghiên cứu, thƣờng tập trung vào lĩnh vực y sinh nhƣ đề tài: Chế tạo nghiên cứu chất lỏng từ tính TS Nguyễn Hồng Hải – ĐH KHTN – ĐHQG HN để đánh dấu tế bào bạch cầu; Chế tạo nghiên cứu tính chất từ hạt nano Fe3O4 ứng dụng y sinh học Nguyễn Hữu Đức cộng - Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ Nano - Trƣờng ĐHCN, ĐHQG HN; Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ tiền chất lên kích thƣớc từ tính hạt nano oxide sắt từ Fe3O4 Trần Yến Mi – ĐH Cần Thơ ứng dụng sinh học… Nguyễn Văn Dán Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ thiêu kết tới tính chất từ vật liệu ferit Zn0.64Ni0.36Fe2O4 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Kim loại, 2008, trang 38÷42 Tính cấp thiết: Bổ sung mẫu phịng thí nghiệm Vật Liệu Học, phục vụ chƣơng trình 150 tín Mẫu phịng thí nghiệm bị mịn nhiều, hết sử dụng đƣợc Mục tiêu: Khảo sát ảnh hƣởng chế độ đồng kết tủa đến kích thƣớc hạt vật liệu ferit nano tinh thể Zn0.64 Ni0.36 Fe2O4 Cách tiếp cận: Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ tiền chất, nhiệt độ, thời gian đến kích thƣớc hạt vật liệu ferit nano tinh thể Zn0.64 Ni0.36 Fe2O4 Phƣơng pháp nghiên cứu: Phân tích cấu trúc thành phần hóa học ferrite phổ XRD phổ EDX Phịng Thí nghiệm Nano-Khu công nghệ cao Q.9 Viện vật lý, Tp HCM Xác định kích thƣớc hạt phƣơng pháp dùng công thức Scherrer dựa vào chiều rộng nửa đỉnh nhiễu xạ có cƣờng độ mạnh phổ XRD, kết hợp với dùng Luan van kính hiển vi điện tử quét SEM, hãng Hitachi S-4800, SerialNumber=HI-9022-0003 độ phóng đại từ 150.000÷200.000x Viện hóa học, Tp HCM Xác định từ tính (µ, Ms , Hc) thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) hãng MicroSense-USA thiết bị Q kế LCR-819 meter INSTEK Viện vật lý, Tp HCM Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Vật liệu ferit nano tinh thể Ferit Zn0.64 Ni0.36 Fe2O4 Nội dung nghiên cứu: - Vật liệu từ nano - Phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ nano tinh thể - Kiểm tra kích thƣớc hạt kính hiển vi SEM - Kiểm tra cấu trúc tinh thể hạt XRD Luan van Từ đồ thị hình 2-27 cho thấy giảm kích thƣớc hạt nano ferrite Hc giảm Khi kích thƣớc hạt đạtkhoảng 14.1 nm Hc ≈0, đạt tới trạng thái siêu thuận từ Khi Hc nhỏ vùng domain linh động, có khả hấp thụ sóng điện từ tốt, chuyển lƣợng sóng thành lƣợng nhiệt Hình 2-28 Ảnh hưởng kích thước hạt tới MS Từ đồ thị hình 2-28 cho thấy giảm kích thƣớc hạt nano ferrite MS giảm M S cao đạt đƣợc 58.66 emu/g kích thƣớckhoảng 31 nm Hình 2-29 Vịng xuyến Thơng số từ tính µrcủa mẫu đƣợc đo phƣơng pháp Q kế, tần số 100kHz Dựa vào cơng thức: L =µ.N2.A/2π.a (H) Bảng 2-11 Ảnh hưởng kích thước hạt đến µr (tần số đo 100 kHz) Mẫu Kích thƣớc hạt (nm) µr (độ từ thẩm tỉ đối) 11 18 3.6 23 6.5 28 2.9 Mẫu theo [2] (2.÷3)10 202.0 76 Luan van Khi giảm kích thƣớc từ mức độ micro tới nano cấu trúc hạt nano cấu trúc đomain Khi lƣợng biên giới hạt tăng, làm cho khả xoay theo chiều từ trƣờng giảm nên µrcũng giảm theo (hình 2-30) Dựa vào bảng 2-11 cho thấy giảm mạnh µr giảm kích thƣớc hạt Do mẫu theo [2] cú kớch thc t 2ữ3 àm ó t trng thái cấu trúc domain, đạt từ tính tốt µr t tt nht (3000ữ5000) khong 7ữ15 àm (hỡnh 2-31) Hình 2-30Độ từ thẩm vật liệu nano Ni-Zn thay đổi theo tần số [26] Hình 2-31Độ từ thẩm NiZn ferrite biến thiên theo kích thước hạt ([24]trang 115) 77 Luan van Theo quan hệ Snoek: fr.µ = const Với fr tần số cộng hƣởng Mẫu có µ nhỏ có tần số cộng hƣởng lớn [22] Do ứng dụng loại hạt nano ferrite lĩnh vực tần số cao µrthấp giảm tiêu hao dòng eddy ho ạt động điều kiện tần số cao, phù hợp với tài liệu [25], [26] Kết luận: mẫu ferrite NiZn có µr Hc thấp, phù hợp với điều kiện làm việc tần số cao 78 Luan van CHƢƠNG KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành mục tiêu đề tài: “Khảo sát ảnh hƣởng chế độ đồng kết tủa đến kích thƣớc hạt vật liệu ferrite nano tinh thể Zn0.64 Ni0.36 Fe2O4” Các thông số chế độ đồng kết tủa đề tài khảo sát bao gồm: nồng độ tiền chất (NiCl2, FeCl3, ZnSO4), nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết Thực nghiệm cho thấy nồng độ tiền chất nhỏ kích thƣớc hạt nano ferrite nhỏ Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ thiêu kết lớn kích thƣớc hạt nano ferrite lớn, mức độ tinh thể hóa cao Thời gian thiêu kết lớn kích thƣớc hạt nano ferrite lớn, mức độ mức độ tinh thể hóa cao Hạt nano ferrite có cấu trúc tinh thể tốt (mức độ tinh thể hóa cao), kích thƣớc hạt nhỏ chế tạo chế độ: nồng độ CM ≤ 0.2 M, nhiệt độ nung 800°C, thời gian giữ nhiệt 4h Luận văn đãkhảo sát thêm ảnh hƣởng kích thƣớc hạt lên số tính chất từ (Hc,Ms, µ) Từ kết thực nghiệm cho tamột số nhận xét: Khi giảm kích thƣớc hạt nano ferrite Hc giảm Khi kích thƣớc hạt đạt khoảng14.1 nm Hc ≈0, đạt tới trạng thái siêu thuận từ M S giảm giảm kích thƣớc hạt nano ferrite M S cao đạt đƣợc 58.66 emu/g kích thƣớc hạt khoảng 31 nm Độ từ thẩm tỉ đối µr giảm mạnh giảm kích thƣớc hạt từ mức độ micromet xuống mức độ nanomet Vật liệu nano ferrite có nhiều tính chất từ độc đáo phù hợp làm việc điều kiện tần số cao 79 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Đình Cự Từ học NXB Khoa học kỹ thuật 1995 Nguyễn Văn Dán Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết tới tính chất từ vật liệu ferit Zn 0.64 Ni0.36 Fe2O4 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Kim loại, 2008, trang 38÷42 Nguyễn Văn Dán Công nghệ vật liệu NXB ĐHQG TP HCM 2003 Lê Công Dƣỡng Vật liệu học.NXB Khoa học kỹ thuật 1997 ARZAMAXOV Vật liệu học.NXB Giáo dục 2000 Tiếng Anh William D.Callister.Fundamentals of Materials Science and Engineering 5th John Wiley & Sons.2001 An-Hui Lu, E L Salabas Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Protection,Functionalization, and Application Angew Chem Int Ed 2007, 46, 1222 – 1244 K Bhattacharjee , C K Ghosh Novel synthesis of Ni xZn 1-xFe2 O4 (0< x