Nghiên cứu sự phụ thuộc cấu trúc tinh thể và tính chất từ của màng fe3o4 trên các loại đế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MÀNG Fe3O4 TRÊN CÁC LOẠI ĐẾ GVHD: TS PHẠM THỊ KIM HẰNG SVTH: LÊ THỊ TRƯỜNG AN NGUYỄN HỮU NHỰT SKL009105 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 09/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGH Ệ VẬT LIỆU KHOÁ LU Ậ N T Ố T NGHI Ệ P NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MÀNG Fe3O4 TRÊN CÁC LOẠI ĐẾ GVHD: TS PH Ạ M TH Ị KIM H Ằ NG SVTH: LÊ TH Ị TRƯỜ NG AN MSSV: 18130001 SVTH: NGUY Ễ N H Ữ U NH Ự T MSSV: 18130033 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MƠN CƠNG NGH Ệ VẬT LIỆU KHỐ LU Ậ N T Ố T NGHI Ệ P NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA MÀNG Fe3O4 TRÊN CÁC LOẠI ĐẾ GVHD: TS PH Ạ M TH Ị KIM H Ằ NG SVTH: LÊ TH Ị TRƯỜ NG AN MSSV: 18130001 SVTH: NGUY Ễ N H Ữ U NH Ự T MSSV: 18130033 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Tp Hồ Ch Minh, ng y th ng năm 2022 NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Phạm Thị Kim Hằng Cơ quan công t c giảng viên hướng dẫn: Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Sinh viên thực hiện: Lê Thị Trường An MSSV: 18130001 Nguyễn Hữu Nhựt 18130033 Tên đề tài: Nghiên cứu phụ thuộc cấu trúc tinh thể tính chất từ màng Fe3O4 loại đế Nội dung khóa luận: - Chế tạo mẫu màng mỏng Fe3O4 đế SiO2, MgO MgO/Ta/SiO2 với điều kiện tạo mẫu như: công suất phún, nhiệt độ thời gian nung ủ mẫu - Khảo sát phụ thuộc độ nhám bề mặt màng Fe3O4 đế SiO2, MgO MgO/Ta/SiO2 - Khảo sát bề mặt, cấu trúc tinh thể màng Fe3O4 phương ph p XRD, AFM - Khảo sát tính chất từ màng đo VSM - Tổng hợp phân tích số liệu Hồn thành khóa luận Các sản phẩm dự kiến: - Bài báo cáo khóa luận tốt nghiệp - Mẫu màng Fe3O4 Ngày giao đồ án: //2022 Ngày nộp đồ án: 25/08/2022 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Lê Thị Trường An MSSV: 18130001 Nguyễn Hữu Nhựt 18130033 Ngành: Công nghệ vật liệu Tên đề tài: Nghiên cứu phụ thuộc cấu trúc tinh thể tính chất từ màng Fe3O4 loại đế Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Thị Kim Hằng Cơ quan công tác GV hướng dẫn: Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Địa chỉ: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: - Thực mọc màng Fe3O4 phương ph p phún xạ c c đế SiO2, MgO (100), and đa lớp đệm SiO2/Ta/MgO - Khảo sát hình thái bề mặt đo độ gồ ghề màng Fe3O4 AFM, khảo sát cấu trúc tinh thể XRD, v đo đường cong từ trễ VSM Tinh thần học tập, nghiên cứu sinh viên: - Tự đọc tìm tài liệu Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đề nghị cho sinh viên bảo vệ Điểm: 9.2 (Bằng chữ: chín hai) Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 09 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Phạm Thị Kim Hằng ii KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MƠN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Sinh viên thực hiện: Lê Thị Trường An MSSV: 18130001 Nguyễn Hữu Nhựt 18130033 Ngành: Công nghệ vật liệu Tên đề tài: Nghiên cứu phụ thuộc cấu trúc tinh thể tính chất từ màng Fe3O4 loại đế Họ tên Giáo viên phản biện: Nguyễn Thụy Ngọc Thủy Cơ quan công t c GV phản biện: ĐH Sư phạm kỹ thuật Tp HCM Địa chỉ: Số Võ Văn Ngân, TP Thủ Đức, TP HCM NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Khối lượng công việc đạt yêu cầu khóa luận tốt nghiệp ngành Cơng nghệ vật liệu bậc đại học Sinh viên chế tạo thành công màng Fe3O4 loại đế kh c v đo tính chất từ màng Ưu điểm: Sinh viên dùng kỹ thuật đo đạc phân tích đại, có độ tin cậy cao Khuyết điểm: Kết phân t ch chưa nhiều Kiến nghị câu hỏi: Câu hỏi 1: Vai trị lớp m ng đệm MgO với việc hình thành màng Fe3O4 gì? Câu hỏi 2: Với giá trị từ độ 296.7 emu/cc màng Fe3O4 đạt yêu cầu ứng dụng vật liệu từ chưa ? Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đề nghị cho sinh viên bảo vệ trước Hội đồng chấm Khóa luận tốt nghiệp Điểm: (Bằng chữ: Chín) Tp Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 09 năm 2022 Giáo viên phản biện Nguyễn Thụy Ngọc Thủy iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân th nh đến gi o viên hướng dẫn chúng em Cô Phạm Thị Kim Hằng Cô l người định hướng, giúp đỡ tận tình cho chúng em khố luận tốt nghiệp Cảm ơn cô theo dõi sát sao, giải đ p kịp thời thắc mắc chúng em suốt q trình hồn thành khố luận Mặc dù khó khăn đại dịch Covid-19 gây ra, Cơ ln động viên, khích lệ chúng em vượt qua khó khăn Cơ khơng dạy kiến thức chun mơn mà cịn kỹ năng, t c phong thực nghiệm để giúp chúng em hoàn thiện thân Chúng em lần chân thành cảm ơn giúp chúng em ho n th nh kho luận cách tốt Bên cạnh đó, chúng em xin cảm ơn Thầy Huỳnh Hồng Trung – Phó trưởng mơn ngành Công nghệ vật liệu tạo điều kiện cho chúng em thực nghiệm, sử dụng máy móc thiết bị phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ vật liệu hỗ trợ cho chúng em q trình làm khố luận tốt nghiệp Chúng em xin cảm ơn Thầy Lê Văn Qui, cơng t c Đ i Loan, nhiệt tình hỗ trợ chúng em đo khảo sát tính chất vật liệu cách nhanh Chúng em xin cảm ơn Chị Trương Võ Đoan Thanh kho K17 hỗ trợ, theo dõi sát tận tình đến khoá luận tốt nghiệp chúng em Lời cuối cùng, chúng em xin cảm ơn đến bạn thực nghiệm phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ vật liệu động viên, khích lệ chúng em vượt qua khó khăn v thử thách khoảng thời gian đại dịch Covid-19 bùng nổ mạnh mẽ Một lần nữa, chúng em xin cảm ơn tất người Sinh viên thực Lê Thị Trường An Nguyễn Hữu Nhựt iv TÓM TẮT Trong luận văn n y, chúng em tập trung nghiên cứu khác cấu trúc tinh thể tính chất từ màng mỏng Fe3O4 c c đế khác SiO2, MgO, MgO/Ta/SiO2 Sự khác hình thái bề mặt cấu trúc tinh thể màng Fe3O4 nghiên cứu điều kiện công suất phún, nhiệt độ thời gian nung ủ mẫu loại đế khác Cấu trúc tinh thể màng mỏng Fe3O4 khảo sát phương ph p nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction (XRD)) Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscopy (AFM)) sử dụng để khảo sát hình thái bề mặt Tính chất từ màng Fe3O4 quan sát từ kế rung (Vibration sample magnetometer (VSM)) Màng mỏng Fe3O4 mọc c c đế SiO2, MgO, MgO/Ta/SiO2 với nhiệt độ ủ 450oC tiếng v thực chân không cao phương pháp phún xạ rf-magnetron Kết cho thấy độ gồ ghề RMS v k ch thước hạt màng Fe3O4 mọc đế SiO2 đệm lớp MgO/Ta lớn so với màng Fe3O4 mọc đế SiO2 MgO Tính chất cấu trúc màng Fe3O4 mọc đế MgO/Ta/SiO2 có chất lượng màng tốt v độ kết tinh cao C c đỉnh xuất mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO phù hợp với cấu trúc spinel nghịch đảo bình phương Fe3O4 Bên cạnh ta thấy Fe3O4 phát triển với hướng kết tinh theo hướng (100) có lớp đệm MgO mọc chất vơ định SiO2 Giá trị d khoảng cách mạng c c đỉnh Fe3O4 (311) Fe3O4 (400) mẫu Fe3O4 MgO/Ta/SiO2 gần với giá trị d tiêu chuẩn tương ứng 2,532 2,099 Bên cạnh đó, kết đo từ VSM cho thấy tính chất từ mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 có ưu điểm trội độ từ hố bão hồ chúng gần với vật liệu khối Mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 có giá trị độ từ hóa bão hịa 63,1% so với vật liệu khối, điều thể mẫu có đặc tính sắt từ mạnh so với mẫu hai đế lại Những kết cho ta thấy việc chèn thêm lớp đệm l m tăng c c t nh chất khả ứng dụng chúng tương lai v MỤC LỤC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x LỜI MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG TỔNG QUAN .1 1.1 Tổng quan vật liệu khối Fe3O4 1.1.1 Cấu trúc tinh thể 1.1.2 Các tính chất Fe3O4 .3 1.1.2.1 Tính chất từ Fe3O4 1.1.2.2 Tính chất điện Fe3O4 1.1.2.3 Chuyển đổi Verwey (Verwey transition - VT) .4 1.2 Tổng quan màng mỏng Fe3O4 .5 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MÀNG Fe3O4 2.1 Chế tạo màng Fe3O4 2.1.1 Phương ph p phún xạ RF-magnetron .8 2.1.2 Thiết bị, dụng cụ hóa chất sử dụng 10 2.1.3 Quá trình chế tạo màng Fe3O4 12 2.1.3.1 Quá trình chuẩn bị đế 12 2.1.3.2 Quá trình chế tạo màng Fe3O4 14 2.2 Các phương ph p khảo sát vật liệu 14 2.2.1 Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope – AFM) 14 2.2.2 Phương ph p nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction - XRD) 17 vi 2.2.3 Từ kế rung (Vibrating sample magnetometer – VSM) 19 CHƯƠNG CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA MÀNG Fe3O4 21 3.1 Sự phụ thuộc hình thái cấu trúc màng Fe3O4 c c đế 21 3.1.1 Khảo sát hình thái bề mặt màng Fe3O4 phương ph p k nh hiển vi lực nguyên tử (AFM) 21 3.1.2 Khảo sát cấu trúc tinh thể màng Fe3O4 phương ph p nhiễu xạ tia X (XRD) 22 3.2 Khảo sát tính chất từ màng Fe3O4 25 CHƯƠNG KẾT LUẬN .27 TÀI LIỆU THAM KHẢO .28 vii Hình 2.13 Mơ tả ngun lý hoạt động VSM [44] Đường cong từ trễ x c định VSM cho biết thông tin chi tiết sau đây: từ bão hịa (Saturation magnetization - Ms), từ hố dư (Remanent magnetization - Mr), lực kháng từ (Coercivity - Hc): từ trường áp vào khiến cho moment từ vật liệu 20 CHƯƠNG CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA MÀNG Fe3O4 3.1 Sự phụ thuộc hình thái cấu trúc màng Fe3O4 đế 3.1.1 Khảo sát hình thái bề mặt màng Fe3O4 phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Sự khác hình thái bề mặt màng Fe3O4 đế khác SiO2, MgO, MgO/Ta/SiO2 khảo sát phương ph p AFM Phép đo AFM tiến hành nhiệt độ phịng kết phân tích phần mềm Gwyddion Hình thái bề mặt màng mẫu Fe3O4/SiO2, Fe3O4/MgO, Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 thể chi tiết hình 3.1 Màng Fe3O4 mọc c c đế hình thành từ hạt hình cầu có k ch thước tương đối đồng Ở điều kiện phún ủ, c c đế kh c k ch thước hạt độ ghồ ghề [rootmean-square (RMS) roughness] kh c Hình 3.1 a, mọc trực tiếp màng Fe3O4 lên đế SiO2, cho thấy hạt nhỏ có k ch thước đồng (k ch thước hạt: ~ 19,0 ± 0,3 nm) RMS roughness 0,9 ± 0,08 nm Lúc mẫu Fe3O4/SiO2 khơng có xuất vết lồi lõm rõ ràng Ngồi ra, hình 3.1 b cho thấy màng mỏng Fe3O4 lắng đọng đế MgO có độ RMS roughness 1,17 ± 0,16 nm kích thước hạt trung bình l 32,0 ± 3,0 nm Trong đó, với mẫu màng Fe3O4 có lớp đệm MgO/Ta đế SiO2, ta quan s t bề mặt màng ghồ ghề v k ch thước hạt lớn thể hình 3.1 c K ch thước hạt trung bình v độ RMS roughness tương ứng 44,0 ± 4,0 3,35 ± 0,57 nm Từ kết trên, độ RMS roughness v k ch thước hạt màng Fe3O4 tăng dần phún c c đế SiO2, MgO, MgO/Ta/SiO2 Bảng 3.1 Sự lệch mạng mạng tinh thể lớp bề mặt phân cách màng đế nguyên nhân kiểm sốt hình thái màng Khơng xét đến đế SiO2 có cấu trúc vơ định hình Độ lệch mạng đế MgO màng Fe3O4 gây ứng suất kéo làm thay đổi phát triển màng Fe3O4 Đối với mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2, độ lệch mạng lớp (nền đệm - màng) mẫu ho n to n kh c nhau, điều n y t c động cộng hưởng tạo ứng suất lớn so với mẫu Fe3O4/MgO [55] [61] Do đó, chèn lớp đệm MgO/Ta đế SiO2, độ RMS roughness v k ch thước hạt màng Fe3O4 tăng đ ng kể, tương tự kết nghiên cứu Pedrosa c c đồng nghiệp [61] 21 Hình 3.1 Ảnh AFM (1 μm × μm) màng Fe3O4 đế a) SiO2, b) MgO, c) MgO/Ta/SiO2 Bảng 3.1 Tóm tắt thơng số bề mặt ảnh AFM từ hình 3.1 Độ gồ ghề RMS (nm) Peak-to-Valley height (nm) Kích thước hạt (nm) Fe3O4/SiO2 0,90 ± 0,08 4,8 ± 0,5 19,0 ± 3,0 Fe3O4/MgO 1,17 ± 0,16 5,8 ± 0,9 32,0 ± 3,0 Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 3,35 ± 0,57 15,1 ± 2,4 44,0 ± 4,0 Mẫu 3.1.2 Khảo sát cấu trúc tinh thể màng Fe3O4 phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Cấu trúc màng Fe3O4 đế SiO2, MgO, MgO/Ta/SiO2 khảo sát phương ph p XRD v minh hoạ hình 3.2 22 Hình 3.2.a cho thấy rõ đỉnh Fe3O4 (311) mẫu Fe3O4/SiO2 Điều ngụ ý số lượng tinh thể nhiều mẫu xếp dọc theo hướng mạng (311) Chứng tỏ màng định hướng tốt (311) mẫu không lẫn oxit sắt khác FeO hay Fe2O3 Độ rộng b n đỉnh từ (full width at half maximum - FWHM) đỉnh Fe3O4 (311) mẫu Fe3O4/SiO2 0,416o Trong hình 3.2 b, mẫu Fe3O4/MgO thể rõ đỉnh Fe3O4 (400) có định hướng cao Từ mẫu Fe3O4/MgO cho ta thấy c c đỉnh MgO (200) Fe3O4 (400) chồng lên khoảng cách giống hàng nguyên tử oxy theo hướng (100) l 2,106 Å MgO v 2,099 Å Fe3O4 [45] Mẫu Fe3O4/MgO ho n to n phù hợp với kết [46, 47], Fe3O4 mọc MgO (100) màng phát triển theo hướng có kết cấu mạng tinh thể (100) Độ rộng bán đỉnh (FWHM) mẫu Fe3O4/MgO xác định 0,716o So sánh hai mẫu Fe3O4/SiO2 Fe3O4/MgO với mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2, ta thấy xuất hai đỉnh Fe3O4 (311) Fe3O4 (400) Fe3O4 mọc đế SiO2 với lớp đệm MgO/Ta hình 3.2 c C c đỉnh xuất phù hợp với cấu trúc spinel nghịch đảo bình phương Fe3O4 cho thấy màng màng đa tinh thể Bên cạnh ta thấy Fe3O4 phát triển với hướng kết tinh theo hướng (100) có lớp đệm MgO mọc chất vơ định SiO2 Thêm v o đó, hình 3.2 cho thấy c c đỉnh Fe3O4 mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 có dịch chuyển sang góc cao so với giá trị khối (xem Bảng 3.2) Sự dịch chuyển n y cho ứng suất kéo mặt phẳng màng gây [26] Từ bảng 3.2 cho thấy độ rộng b n đỉnh (FWHM) đỉnh Fe3O4 (311) mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 (0,390o) nhỏ mẫu Fe3O4/SiO2 (0,416o) Sự khác biệt Fe3O4 mọc chất vơ định hình SiO2 với phù hợp mạng tinh thể Fe3O4 MgO (-0,31%) [48] khiến m ng có định hướng tốt Độ rộng b n đỉnh đỉnh Fe3O4 (400) MgO (200) chồng chập lên mẫu Fe3O4/MgO khoảng 0,716o Giá trị lớn gi trị đo đỉnh Fe3O4 (400) màng Fe3O4 mọc trực tiếp MgO/Ta/SiO2 điều kiện lắng đọng tương tự 0,225o, điều cho thấy mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 có định hướng cao Sự khác biệt lớn giá trị FWHM đỉnh Fe3O4 (400) mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 so với đỉnh mẫu Fe3O4/MgO cho thấy phù hợp mạng tinh thể Fe3O4 so với MgO/Ta nhỏ so với MgO Kết phân t ch thu XRD tóm tắt Bảng 3.2 2θ lý thuyết ước tính cách sử dụng tham số mạng Fe3O4 (a = 8,3967 Å [5]), v định luật Bragg sử dụng để đo c c gi trị khoảng cách mặt phẳng d(hkl) [49] 23 2d × sinθ = nλ (3.1) λ l bước sóng tia X (ở Cu Kα = 1,54 Å), n bậc nhiễu xạ (n = 1), d khoảng cách mạng tinh thể Giá trị d khoảng cách mạng c c đỉnh Fe3O4 (311) Fe3O4 (400) mẫu Fe3O4 MgO/Ta/SiO2 gần với giá trị d tiêu chuẩn tương ứng 2,532 2,099 [50] Những kết mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 có chất lượng màng tốt v có độ kết tinh tốt mẫu Hình 3.2 Nhiễu xạ tia X màng Fe3O4 đế a) SiO2, b) MgO, c) MgO/Ta/SiO2 24 Bảng 3.2 Tóm tắt kết XRD từ hình 3.2 Mẫu Thơng tin đỉnh 2θ (o) lý (h k l) thuyết 2θ (o) FWHM (o) d-spacing (Å) Fe3O4/SiO2 Fe3O4 (3 1) 35,49 35,54 0,416 2,523 Fe3O4/MgO MgO (200)/Fe3O4 (4 0) - 43,06 0,716 2,098 Fe3O4 (3 1) 35,49 35,69 0,390 2,513 Fe3O4 (4 0) 43,13 43,39 0,225 2,083 Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 3.2 Khảo sát tính chất từ màng Fe3O4 Đường cong từ hóa màng mỏng Fe3O4 đo từ kế mẫu rung (VSM) với từ trường bên ngo i đặt song song với bề mặt mẫu nhiệt độ phịng (Room temperature - RT) Như thể hình 3.3 a, vòng từ trễ thu màng mỏng Fe3O4 phún c c đế MgO, SiO2 MgO/Ta/SiO2 Độ từ hóa bão hịa (Saturation magnetization - Ms) mẫu màng mỏng Fe3O4/MgO, Fe3O4/SiO2 Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 120,3, 132,9 296,7 emu/cc RT Mỗi giá trị Ms màng mỏng Fe3O4 thấp gi trị Fe3O4 vật liệu khối (470 emu/cc) [51], điều cho thấy có diện miền liên kết trao đổi phản sắt từ thông qua khuyết tật biên đối pha (Antiphase boundary APB) Mật độ khuyết tật APB cao độ lệch mạng Fe3O4 MgO [45] [52-54] Xét mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2, độ lệch mạng lớp Ta MgO lớp MgO màng Fe3O4 có kh c đ ng kể Ứng suất gây sai lệch mạng tinh thể với lớp đệm MgO Ta l m thay đổi phát triển Fe3O4 Tuy nhiên, t c động tổng thể MgO Ta lại làm giảm mật độ APB hai lớp đệm có đối xứng tinh thể khác nhau, cụ thể Ta mang cấu trúc lập phương tâm khối MgO mang cấu trúc lập phương tâm diện [55] Mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 có giá trị độ từ hóa bão hịa 63,1% so với vật liệu khối, điều thể mẫu có đặc tính sắt từ mạnh so với mẫu hai đế lại Những nhận xét phù hợp với kết kiểm tra nhiều nghiên cứu [56-58] Giá trị lực kháng từ (Coercivity - Hc) màng Fe3O4 lắng đọng c c đế SiO2, MgO MgO/Ta/SiO2 143,9, 470,6 302,5 Oe Sự chênh lệch giá trị Hc xuất c c biên đối pha (APB) khiến q trình bão hịa trở nên khó khăn Từ hoá dư (Remanent magnetization - Mr) màng lắng đọng c c đế SiO2, MgO MgO/Ta/SiO2 có giá trị 85,9, 80,8 25 193,0 emu/cc Qua đó, khẳng định cấu trúc tinh thể màng Fe3O4 cải thiện ảnh hưởng lớp đệm MgO/Ta, mật độ khuyết tật APB thấp l m giảm ảnh hưởng c c tương t c phản sắt từ tồn qua ranh giới, màng Fe3O4 đạt độ bão hòa từ trường thấp khiến cho màng Fe3O4 có tính chất sắt từ vượt trội Kết luận phù hợp với kết nhiều báo cáo nghiên cứu [55] [60] a) b) Hình 3.3 a) Đường cong từ trễ màng mỏng Fe3O4 c c đế MgO, SiO2, MgO/Ta/SiO2 với từ trường tác dụng song song với bề mặt mẫu b) Phạm vi c c đường cong từ trễ màng Fe3O4 khoảng từ -4 kOe đến kOe Bảng 3.3 Kết phân tích VSM từ hình 3.3 b) màng Fe3O4 Mẫu Hc (Oe) Fe3O4/ SiO2 Fe3O4/ MgO Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 143,9 470,6 302,5 Ms (emu/cc) 132,9 120,3 296,7 Mr (emu/cc) 85,9 80,8 193,0 Ms/Ms (bulk) (%) 28,3 23,1 63,1 26 CHƯƠNG KẾT LUẬN Trong luận văn n y, m ng Fe3O4 phún xạ thành công loại đế khác SiO2, MgO, MgO/Ta/SiO2 điều kiện công suất phún, nhiệt độ thời gian nung ủ Chúng rút kết luận sau: Qua phép đo AFM, tất màng Fe3O4 có hình thái bề mặt hạt tròn tương đối Khi thêm lớp đệm lên đế SiO2 k ch thước hạt Fe3O4 độ gồ ghề bề mặt tăng lên đ ng kể Độ lệch mạng lớp (nền - đệm - màng) mẫu ho n to n kh c nhau, điều n y t c động cộng hưởng tạo ứng suất lớn so với mẫu Fe3O4/MgO mà chèn lớp đệm MgO/Ta đế SiO2, độ RMS roughness v k ch thước hạt màng Fe3O4 tăng lên Kết XRD cho thấy lớp đệm MgO/Ta giúp cải thiện cấu trúc tinh thể màng mỏng Fe3O4 C c đỉnh Fe3O4 (311) Fe3O4 (400) xuất phù hợp với cấu trúc spinel nghịch đảo bình phương Fe3O4 cho thấy màng màng đa tinh thể Những kết mẫu Fe3O4/MgO/Ta/SiO2 có chất lượng màng tốt v có độ kết tinh tốt mẫu Từ phép đo VSM, thấy màng Fe3O4 có tính chất sắt từ vượt trội phún xạ đế MgO/Ta/SiO2 có giá trị độ từ hóa bão hịa 63,1% so với vật liệu khối, điều thể mẫu có đặc tính sắt từ mạnh so với mẫu hai đế lại Bên cạnh kết trên, việc xuất khuyết tật l c c biên đối pha (APB) khiến cho mẫu chưa tối ưu, l yếu tố vô quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ vật liệu từ t nh Fe3O4 Nhờ việc nghiên cứu để thay đổi yếu tố trình tạo màng nhằm giúp làm giảm c c biên đối pha (APB) chủ đề thú vị để nghiên cứu tương lai 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S A Morrison et al., “Magnetic and structural properties of nickel-zinc ferrite nanoparticles synthesized at room temperature” J Appl Phys., vol 95, no 11 I, pp 6392–6395, 2004, doi: 10.1063/1.1715132 [2] Lee Blaney; “Magnetite (Fe3O4): Properties, Synthesis, and Applications”; Lehigh Preserve; Volume 15 – 2007; Volume 15 - 2007 [3] A S Teja and P.-Y Koh, “Synthesis, properties, and applications of magnetic iron oxide nanoparticles,” Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, vol 55, no 1-2, pp 22–45, 2009 [4] F Walz, “The Verwey transition - A topical review,” J Phys Condens Matter, vol 14, no 12, 2002, doi: 10.1088/0953-8984/14/12/203 [5] X Wang, Y Liao, D Zhang, T Wen, and Z Zhong, “A review of Fe3O4 thin films: Synthesis, modification and applications,” J Mater Sci Technol., vol 34, no 8, pp 1259–1272, 2018, doi: 10.1016/j.jmst.2018.01.011 [6] S.A Kulkarni, P S Sawadh, K K Kokate, “Synthesis and Characterization of Fe3O4 Nanoparticles for Engineering Applications”, International Journal of Computer Applications (IJCA) 2012 [7] B D Cullity and C D Graham, “Introduction to Magnetic materials”, Second Edi WILEY, 2009 [8] Bohra, Murtaza; Agarwal, Nishit; Singh, Vidyadhar, “A Short Review on Verwey Transition in Nanostructured Fe3O4 Materials” Journal of Nanomaterials, 2019, 1– 18 doi:10.1155/2019/8457383 [9] J A Cuenca, K Bugler, S Taylor et al., “Study of the magnetite to maghemite transition using microwave permittivity and permeability measurements,” Journal of Physics: Condensed Matter, vol 28, no 10, article 106002, 2016 [10] M.A Gilleo, “Superexchange interaction energy for Fe3+ linkages,” Physical Review, vol 109, no 3, pp 777–781, 1958 Fe3+-O2− - [11] C Zener, “Interaction between the d-shells in the transition metals II Ferromagnetic compounds of manganese with perovskite structure,” Physical Review, vol 82, no 3, pp 403–405, 1951 [12] H Y Huang, Z Y Chen, R P Wang et al., “Jahn-Teller distortion driven magnetic polarons in magnetite,” Nature Communications, vol 8, article 15929, 2017 28 [13] C Schmitz-Antoniak, D Schmitz, A Warland et al., “Reversed ageing of Fe3O4 nanoparticles by hydrogen plasma,” Scientific Reports, vol 6, no 1, 2016 [14] E J W Verwey and P W Haayman, “Electronic conductivity and transition point of magnetite (“Fe3O4”),” Physica, vol 8, no 9, pp 979–987, 1941 [15] Z Tarnawski, A Wiecheć, M Madej et al., “Studies of the Verwey transition in magnetite,” Acta Physica Polonica A, vol 106, no 5, pp 771–775, 2004 [16] L R Bickford Jr., “The low temperature transformation in ferrites,” Reviews of Modern Physics, vol 25, no 1, pp 75–79, 1953 [17] A Kozłowski, Z Kąkol, and Z Tarnawski, “Magnetite Fe3O4: the correlated electron-phonon system,” Acta Physica Polonica A, vol 111, no 4, pp 537–547, 2007 [18] Maria Benelmekki, Andreas Erbe; “Nanostructured thin films background, preparation and relation to the technological revolution of the 21st century”; Nanostructured Thin Films; ISBN 978-0-08-102572-7 [19] G Q Gong, A Gupta, Gang Xiao, W Qian and V P Dravid; “Magnetoresistance and magnetic properties of epitaxial magnetite thin films”; PHYSICAL REVIEW B; S0163-1829~97!01234-4 [20] Xianjie Wang, Yu Sui, Jinke Tang, Cong Wang, Xingquan Zhang, Zhe Lu, Zhiguo Liu, Wenhui Su, Xiankui Wei, and Richeng Yu; “Amplification of magnetoresistance of magnetite in an Fe3O4 – SiO2 – Si structure”; AIP Publishing; [21] Ram Prakash, R J Choudhary, L S Sharath Chandra, N Lakshmi and D M Phase; “Electrical and magnetic transport properties of Fe 3O4 thin films on GaAs (100) substrate”; PACS Nos.: 75.50 Gg, 73.61.-r, 75.47.-m [22] W B Mi, E Y Jiang, and H L Bai; “Electrical transport properties and magnetoresistance of polycrystalline Fe3O4/p –Si heterostructures”; Journal of Applied Physics 107, 103922 (2010); doi: 10.1063/1.3429082 [23] R Bradley; “Optimisation of Fe3O4 thin films and nanostructures for atom trapping applications”; no July, 2017; [Online] Available: http://etheses.whiterose.ac.uk/19747/ [24] T Nagahama et al.; “Magnetic properties of epitaxial Fe3O4 films with various crystal orientations and tunnel magnetoresistance effect at room temperature”; Appl Phys Lett., vol 105, no 10, 2014, doi: 10.1063/1.4894575 29 [25] W Eerenstein, T T M Palstra, T Hibma, and S Celotto; “Origin of the increased resistivity in epitaxial (formula presented) films”; Phys Rev B - Condens Matter Mater Phys., vol 66, no 20, pp 1–4, 2002, doi: 10.1103/PhysRevB.66.201101 [26] S Syed, Y Endo, T Sato, Y Kawamura, and R Nakatani; “Change of magnetic properties and structure in Fe3O4 films on Si substrates with annealing temperature”; Mater Trans.; vol 49; no 1, pp 175–178, 2008; doi: 10.2320/matertrans.MRA2007200 [27] J P Hong et al.; “Room temperature formation of half-metallic Fe3O4 thin films for the application of spintronic devices”; Appl Phys Lett.; vol 83; no 8; pp 1590– 1592, 2003; doi: 10.1063/1.1604466 [28] K Balakrishnan, S K Arora and I V Shvets; “Strain relaxation studies of the Fe3O4/MgO (100) heteroepitaxial system grown by magnetron sputtering”; INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING; J Phys.: Condens Matter 16 (2004) 5387–5393; doi:10.1088/0953-8984/16/30/001 [29] Simo Eranen; “Chapter 6: Thin Films on Silicon”; Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies DOI: http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-32329965-7.00006-3 [30] Kai Wang, He Ren, Chao Yi, Chang Liu, Hangxing Wang, Lin Huang, Haoli Zhang, Alamgir Karim, and Xiong Gong; “Solution-Processed Fe3O4 Magnetic Nanoparticle Thin Film Aligned by an External Magnetostatic Field as a Hole Extraction Layer for Polymer Solar Cells”; dx.doi.org/10.1021/am4033179 | ACS Appl Mater Interfaces 2013, 5, 10325−10330 [31] L Zhang, Y Zhai, N Gao, D Wen, S Dong, Electrochem Commun 10 (2008); “A sensitive enzymeless hydrogen-peroxide sensor based on epitaxially-grown Fe3O4 thin film”; 10325-10330.1524-1526 [32] X Liu, H Zhu, X Yang, Talanta 87 (2011) 243-248; “An amperometric hydrogen peroxide chemical sensor based on graphene-Fe3O4 multilayer films modified ITO electrode.” [33] Mohammad Shahnawaze Ansari, Mohd Hafiz Dzarfan Othman, Mohammad Omaish Ansari, Sana Ansari, Huda Abdullah; “Reactively sputtered half-metallic Fe3O4 thin films at room temperature on polymethyl methacrylate: A perspective for flexible spintronics”; Ceramics International; https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.270 30 [34] Lulu Cao, Qingjie Guo, Jian Liang, Zhaoxia Kou, Xiaochao Zhou, Zhaocong Huang, Ya Zhai, Jun Du, Biao You, Huihui Zhao, Qi Li, Wen Zhang, Andrew Thye Shen Wee, Ping Kwan Johnny Wong & Xiaojiang Yu; “Preparation of sputtered Fe3O4 thin film” Journal of Materials Science: Materials in Electronics volume 32, pages23645–23653 (2021) [35] Qin-qin Xiong, Jiang-ping Tu, Yi Lu, Jiao Chen, Ying-xia Yu, Xiu-li Wanga and Chang-dong Gu; “Three-dimensional porous nano-Ni/Fe3O4 composite film: enhanced electrochemical performance for lithium-ion batteries”; Issue 35, 2012 [36] Qianhui Wu, Ming Chen, Kaiyu Chen, Shishuang Wang, Chengjiao Wang & Guowang Diao; “Fe3O4-based core/shell nanocomposites for high-performance electrochemical supercapacitors”; Journal of Materials Science volume 51, pages 1572–1580 (2016) [37] Ruizhi Li, Xiao Ren, Fan Zhang, Cheng Dua and Jinping Liu; “Synthesis of Fe3O4/SnO2 core–shell nanorod film and its application as a thin-film supercapacitor electrode”; Issue 41, 2012 [38] D.R Sahu, “Studies on the properties of sputterdeposited Ag-doped ZnO films”, Microelectronics J 38 (2007) 1252–1256 [39] M Di Giulio, G Micocci, A Serra, A Tepore, R Rella, P Siciliano, “SnO2 thin films for gas sensor prepared by r.f reactive sputtering”, Sensors Actuators B Chem 25 (1995) 465–468 [40] J Singh, S.A Khan, J Shah, R.K Kotnala, S Mohapatra, “Nanostructured TiO thin films prepared by RF magnetron sputtering for photocatalytic applications”, Appl Surf Sci 422 (2017) 953–961 [41] A.P Amalathas, M.M Alkaisi, “Effects of film thickness and sputtering power on properties of ITO thin films deposited by RF magnetron sputtering without oxygen”, J Mater Sci Mater Electron 27 (2016) 11064–11071 [42] C Teng, “Investigation of Electrodeposited Magnetite Films: Formation and Characterization,” 2008, [Online] Available: http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.503164%5Cnpapers3://publicati on/uuid/C72F96A3-A293-49BB-8ED2-90FEA2F5367D [43] “‫“ – وین ارک‬Surface Roughness.” http://arknovin.com/en/qualitycontrol/surface-quality/surface-roughness.html (accessed Jun 10, 2021) 31 [44] “Vibrating-sample magnetometer Wikipedia.” https://en.wikipedia.org/wiki/Vibrating-sample_magnetometer#/media/File:VSMschematic-highres.jpg (accessed Jun 10, 2021) [45] Rajendra N Goyal, Davinder Kaur, and Ashish K Pandey, “Substrate Dependent Structural and Magnetic Properties of Pulsed Laser Deposited Fe3O4 Thin Films” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol 10, 8018–8025, 2010 doi:10.1166/jnn.2010.3004 [46] Bradley, Ruth (2017), “Optimisation of Fe3O4 thin films and nanostructures for atom trapping applications” PhD thesis, University of Sheffield [47] H Kobori, D Shimizu, A Sugimura, T Taniguchi, A Ando, H Kawanaka, Y Naitoh and T Shimizu, “Structure-Disorder induced Magneto-Resistance Intensification on Spin-Dependent-Conduction in Magnetite (Fe3O4) Thin Film produced by RF Magnetron Sputtering Method”, Journal of Physics: Conference Series 150 (2009) 022042, doi:10.1088/1742-6596/150/2/022042 [48] D Reisinger, M Schonecke, T Brenninger, M Opel, A Erb, L Alff, and R Gross, “Epitaxy of Fe3O4 on Si (001) by pulsed laser deposition using a TiN/MgO buffer layer, Journal of Applied Physics 94, 1857 (2003); doi: 10.1063/1.1587885 [49] C Kittel (2005) “Introduction to solid state physics” (8th ed.), Hoboken: John Wiley & Sons, Ch [50] Mandeep Singh, Pavel Ulbrich, Vadym Prokopec, Pavel Svoboda, Eva Santava, Frantisek Stepanek, “Vapour phase approach for iron oxide nanoparticle synthesis from solid precursors” Journal of Solid State Chemistry 200 (2013) 150–156 http://dx.doi.org/10.1016/j.jssc.2013.01.037 [51] Chen, B.L., et al., “Asymmetric anisotropic magnetoresistance in epitaxial Fe3O4 thin films” Physics Letters A, 2015 379(30): p 1780-1784 [52] Li, P., E.Y Jiang, and H.L Bai, “Fourfold symmetric anisotropic magnetoresistance based on magnetocrystalline anisotropy and antiphase boundaries in reactive sputtered epitaxial Fe3O4 films” Applied Physics Letters, 2010 96(9): p 092502 [53] Kumar, A., et al., “Effect of in-situ electric field-assisted growth on anti-phase boundaries in epitaxial Fe3O4 thin films on MgO” 2018 32 [54] Arras, R., L Calmels, and B Warot-Fonrose, “Electronic structure near antiphase boundaries in magnetite” Journal of Physics: Conference Series, 2010 200(3): p 032004 [55] C Magen, E Snoeck, U Lüders, and J F Bobo, “Effect of metallic buffer layers on the antiphase boundary density of epitaxial Fe3O4”, Journal of applied physics 104, 013913 (2008) [56] Seneor, P., et al., “Large magnetoresistance in tunnel junctions with an iron oxide electrode” Applied Physics Letters, 1999 74(26): p 4017-4019 [57] Margulies, D.T., et al., “Anomalous moment and anisotropy behavior in Fe3O4 films” Physical Review B, 1996 53(14): p 9175-9187 [58] Bobo., J.F., et al., “Magnetic behavior and role of the antiphase boundaries in Fe3O4 epitaxial films sputtered on MgO (001)” Eur Phys J B, 2001 24: p 43-49 [59] Zhe Zhang, Xianyang Lu, Yu Yan, Jiahua Lu, Zhuoyi Li, Qi Liu, Fangyuan Zhu, Jiefeng Cao, Yong Wang, Zhaocong Huang, Ya Zhai, Yao Li, Xuezhong Ruan, Liang He, Jing Wu, Jun Du, Rong Zhang, and Yongbing Xu; “Direct observation of spin polarization in epitaxial Fe3O4(001)/MgO thin films grown by magnetron sputtering”; Appl Phys Lett 120, 182403 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0091241 [60] Jihuyn Kook, “Optimization of properties of Fe₃O₄ thin films deposited by RFmagnetron sputtering”, Ewha Womans University Graduate School, 2016 [61] F J Pedrosa, J.L.F Cu˜nado, P Perna,1 M Sanz, M Oujja, E Rebollar, J.F Marco, J de la Figuera, M Monti, M Castillejo, M Garc´ıa-Hern´andez, F Mompe´an, J Camarero, and A Bollero, “Towards magnetic control of magnetite”, arXiv:1905.04961v1, 2019 [62] Đ o Đình Thuần, Nguyễn Văn Dũng; " Nghiên cứu chế tạo ứng dụng vật liệu nano Fe3O4 pha tạp mangan (Mn) để xử lý nước ô nhiễm As (III)"; Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Việt Nam 62(6) 6.2020 33 S K L 0