Nghiên cứu nano ferit fe ni siêu thuận từ Ứng dụng trong vật liệu hấp thụ vi sóng trên dải tần số c

Đề tài hướng đến mục đích nghiên cứu và tổng hợp thành công các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4siêu thuận từ, phân tích cấu trúc tinh thể, tính chất từ tính đặc biệt là tính siêu thuận

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÚY NGÂN

NGHIÊN CỨU NANO FERIT Fe- Zn- Ni SIÊU THUẬN TỪ ỨNG DỤNG TRONG VẬT LIỆU HẤP THỤ VI SÓNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Văn Thức

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Bùi Xuân Vương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày

14 tháng 06 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: TS Huỳnh Công Khanh

2 Thư ký hội đồng: TS Kiều Đỗ Trung Kiên

3 Ủy viên phản biện 1: TS Nguyễn Văn Thức

4 Ủy viên phản biện 2: PGS.TS Bùi Xuân Vương

5 Ủy viên hội đồng: TS Phan Quốc Phú

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thúy Ngân MSHV : 2171060

Ngày, tháng, năm sinh: 07/11/1999 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số : 8520309

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ phân tán trên nền polyetylene glycol, và khảo sát cấu trúc, thành phần hóa, tính chất từ của chúng

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ lớp phủ polyetylene glycol đến từ tính của hạt nanno ferit siêu thuận từ

- Đánh giá khả năng hấp thụ năng hấp thụ vi sóng trên dải tần số C (4 − 8 GHz) của các hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ phân tán trên nền polyethylene glycol

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/09/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/05/2024

Tp HCM, ngày tháng năm 2024

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Văn Khải, Thầy đã hỗ trợ em rất tận

tình để em sử dụng các thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Kim loại và hợp kim tại

cơ sở 2 để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tuy dù đã cố gắng hoàn thành luận văn hoàn thiện nhất, song vẫn khó tránh khỏi những thiếu sót về cả hình thức cũng như nội dung lý luận Nên em rất mong nhận được những ý kiến góp ý và nhận xét của quý Thầy/Cô để hoàn thiện luận văn của mình tốt hơn nữa hơn nữa

Lời cuối cùng, em xin kính chúc quý Thầy, Cô, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp nhiều sức khỏe, thành công và công tác tốt Em xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày , tháng , năm 2024

Sinh viên thực hiện

Kết quả cho thấy các hạt ferit Fe − Zn − Ni có công thức Zn0.8Ni0.2Fe2O4 thu được từ thí nghiệm có kích thước nhỏ, từ tính ở trạng thái siêu thuận từ, giá trị cảm ứng từ cực đại đạt giá trị lớn nhất đến 28,47 emu/g và kết quả khảo sát hấp thụ vi sóng dải tần số C (4 − 8 GHz) giá trị cao nhất đạt đến 97,94% Từ kết quả trên cho thấy các hạt nano ferit

Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ đã tổng hợp là vật liệu sáng giá, đầy hứa hẹn, có khả năng ứng dụng trong thức tế trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất, đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực hấp thụ vi sóng ở dải tần số C trong tương lai

In this thesis, I synthesized superparamagnetic Fe − Zn – Ni nano ferrite particles using a combination of co-precipitation and hydrothermal methods in polyethylene glycol with the chemical formula Zn0.8Ni0.2Fe2O4 At first, samples were synthesized in various concentrations of PEG using the co-precipitation method and then I used the hydrothermal method After that microwave-absorbing samples with a frequency range of 4 – 8 GHz were prepared The synthesized nanoparticles and microwave-absorbing samples obtained from the experiments were analyzed by using methods such as EDS, SEM, XRD, VSM, and transmission loss to achieve high confidence and accuracy

The results showed that the ferrite particles Fe − Zn – Ni with the chemical formula

Zn0.8Ni0.2Fe2O4 obtained from the experiment had a small size, magnetism in a superparamagnetic state, a maximum magnetic induction result value is 28.47 emu/g, and the result of microwave absorption in the frequency band C (4 − 8 GHz) had the highest value reached at 97.94% From the results of the thesis, superparamagnetic ferrite nanoparticles, special superparamagnetic ferrite nanoparticles Zn0.8Ni0.2Fe2O4 are evidence for promising, valuable materials and the potential for practical applications in life and production, especially in microwave absorption in the C frequency band, which are expected to be useful in the future

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.Lương Thị Quỳnh Anh Các hình ảnh, số liệu, tính toán và kết quả nghiên cứu thực nghiệm đều trung thực, chưa từng được công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác

và được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kim loại và hợp kim thuộc Khoa Công nghệ Vật liệu tại cơ sở Dĩ An, Bình Dương của Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Tất

cả nội dung, các tài liệu tham khảo để xây dựng cơ sở lý luận cho luận văn đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Tp Hồ Chí Minh, ngày , tháng , năm 2024

Học viên thực hiện

Nguyễn Thúy Ngân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ iv

MỤC LỤC HÌNH ẢNH viii

MỤC LỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

Đặt vấn đề 1

Mục tiêu đề tài 2

Ý nghĩa của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về vật liệu từ, siêu thuận từ, nano ferit Fe-Zn-Ni siêu thuận từ 3

1.1.1 Tổng quan về vật liệu từ 3

1.1.2 Trạng thái siêu thuận từ 18

1.1.3 Tổng quan về vật liệu nano ferit Fe−Zn−Ni siêu thuận từ 21

1.2 Tổng quan về sóng điện trường, vi sóng và các hiệu ứng hấp thụ vi sóng 27

1.2.1 Sóng điện từ 27

1.2.2 Vi sóng 31

1.2.3 Các hiệu ứng hấp thụ vi sóng 32

1.2.4 Ứng dụng của vi sóng 38

ứng dụng vật liệu ferit Fe – Zn − Ni siêu thuận từ trong hấp thụ vi sóng 39

1.3.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu hấp thụ vi sóng 39

1.3.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu hấp thụ vi sóng dải C (4 - 8 GHz) 42

1.3.3 Khả năng ứng dụng của vật liệu ferit Fe − Zn − Ni siêu thuận từ trong hấp thụ vi sóng 43

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 45

2.1 Hóa chất 45

2.2 Thiết bị thực hiện 46

2.3 Tổng hợp hạt nano Zn0.8Ni0.2Fe2O4 siêu thuận từ 47

2.3.1 Lựa chọn các thông số công nghệ 47

2.3.2 Nội dung thực nghiệm 48

2.3.3 Quy trình tổng hợp 48

2.4 Chế tạo mẫu hấp thụ vi sóng 55

2.5 Các phương pháp phân tích mẫu 59

2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 59

2.5.2 Phương pháp chụp ảnh sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 61

2.5.3 Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS – Energy Dispersive X − ray Spectrometry) 61

2.5.4 Phương pháp quang phổ hồng ngoại chuyển đổi (FTIR) 62

2.5.5 Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) 62

2.5.6 Phương pháp đo độ suy hao phản xạ của các mẫu (Reflection loss – dB) 65

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 67

3.1 Kết quả phân tích thành phần hóa (EDS) 67

3.3 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) 75

3.4 Kết quả kính hiển vi điện tử quét (SEM) 77

3.5 Kết quả từ kế mẫu rung (VSM) 80

3.6 Kết quả đo độ suy hao truyền dẫn trong dải tần số C (4 − 8 GHz) 82

3.7 Vai trò của PEG 88

CHƯƠNG 4 TỔNG KẾT 91

4.1 Kết luận 91

4.2 Kiến nghị 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 99

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 99

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 99

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Đường sức từ xung quanh một thanh nam châm (a,b) và một vòng dây điện (c) [16, 17] 3Hình 1 2 Từ trường H do dòng điện đi qua ống dây hình trụ sinh ra (a) và khi có một vật rắn bên trong (b) [16] 4Hình 1 3 Mômen từ do chuyển động quỹ đạo của điện tử (a) và do spin (điện tử tự xoay) (b)[16] 7Hình 1 4 a − Cấu hình mômen lưỡng cực từ nguyên tử của vật liệu nghịch từ; b − Độ nhạy từ ở nhiệt độ phòng đối với vật liệu nghịch từ [16] 8Hình 1 5 (a) Cấu hình mômen lưỡng cực từ nguyên tử của vật liệu thuận từ; (b) Độ nhạy từ ở nhiệt độ phòng đối với vật liệu thuận từ [16] 9Hình 1 6 Sự thay đổi của các miền domain trong quá trình từ hóa vật liệu sắt từ [18] 10Hình 1 7 Sắp xếp các ion từ trong mạng phản sắt từ [18] 11Hình 1 8 Sơ đồ sắp xếp các moment từ spin của các ion Fe3+ và Fe2+ trong Fe3O4 [16] 12Hình 1 9 Đường cong từ hóa của vật liệu từ mềm và từ cứng [16] 12Hình 1 10 (a) Sơ đồ các đômen trong vật liệu sắt từ hoặc feri từ; (b) Sự thay đổi định hướng lưỡng cực từ qua một vách đômen [16] 14Hình 1 11 Đường đặc trưng B − H của vật liệu sắt từ hoặc feri từ với sơ đồ sắp xếp các đômen trong từng giai đoạn từ hóa [16] 15Hình 1 12 Mật độ từ thông biến đổi theo cường độ từ trường trong vật liệu sắt từ đạt bão hòa thuận và nghịch (các điểm S và S’) Vòng từ trễ được biểu diễn bằng đường liền nét còn đường đứt nét là đường từ hóa ban đầu [15, 16] 16Hình 1 13 Một đường cong từ trễ chưa bão hòa (đường NP) nằm trong vòng từ trễ bão hòa của vật liệu sắt từ Đường LM là đặc trưng B − H khi đổi từ trường tại một điểm trước bão hòa [16] 17Hình 1 14 Sự sắp xếp các mômen từ (a) khi chưa có từ trường bên ngoài và (b) khi có từ trường bên ngoài [5] 18

(PM) và chất STT; (c) So sánh giữa đường cong từ hóa điển hình của sắt từ (FM) và siêu

thuận từ (SPM) [5] 19

Hình 1 16 Lực kháng từ so với kích thước hạt [5] 19

Hình 1 17 Các hạt Zn0,8Ni0,2Fe2O4 siêu thuận từ [10] 26

Hình 1 18 Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian [37] 27

Hình 1 19 Hiện tượng phản xạ toàn phần [37] 38

Hình 1 20 Số lượng các tài liệu nghiên cứu về hấp thụ sóng tăng qua các năm [43] 40

Hình 1 21 Các đặc tính mong muốn của vật liệu hấp thụ vi sóng [44] 41

Hình 1 22 Kết quả đo độ suy hao phản xạ tối đa của các mẫu vật liệu composite Fe3O4/PANi [48] 43

Hình 2 1 Các loại hóa chất sử dụng cho thí nghiệm 46

Hình 2 2 Hỗn hợp các muối được khuấy trộn với nhau 50

Hình 2 3 Qúa trình nhỏ dung dịch amoniac vào hỗn hợp muối 51

Hình 2 4 Mẫu sau tổng hợp xong 52

Hình 2 5 Lò dùng để thủy nhiệt ở nhiệt độ 140℃ trong 6 giờ 53

Hình 2 6 Mẫu thí nghiệm sau khi thủy nhiệt 53

Hình 2 7 a- Các hạt ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 thu được sau thí nghiệm, b- mẫu được thử từ tính với nam châm 54

Hình 2 8 Quy trình tổng hợp nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 55

Hình 2 9 Quy trình chế tạo mẫu hấp thụ vi sóng 58

Hình 2 10 Các mấu hấp thụ vi sóng (a-mẫu 1; b-mẫu 2; c-mẫu 3; d- mẫu 4; e- mẫu 5) 59

Hình 2 11 Sơ đồ khối của từ kế mẫu rung [66] 63

Hình 3 1 Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu hạt nano ferit thủy nhiệt ở 140 °C − 6h 67

Hình 3 2 Phổ XRD của các mẫu với các nồng độ khác nhau ((a) 0.1g/5ml; (b) 0.125g/5ml; (c) 0.15g/5ml; (d) 0.2g/5ml; (e) 0.225g/5ml) 71

Hình 3 3 Phổ chuẩn XRD của ferit Zn − Ni [68] 72

khác nhau 74Hình 3 5 Phổ FTIR của mẫu ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 với nồng độ PEG ((a) 0.1g/5ml; (b) 0.15g/5ml) và thủy nhiệt ở 140℃ − 6h 76Hình 3 6 Ảnh SEM của mẫu ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 với nồng độ PEG khác nhau ((a) 0.1g/5ml; (b) 0.125g/5ml; (c) 0.15g/5ml; (d) 0.2g/5ml; e-0.225g/5ml) ở độ phóng đại 150.000 lần 78Hình 3 7 Kich thước hạt trung bình của các mẫu ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 với các nồng độ PEG khác nhau 79Hình 3 8 Đường cong từ trễ của hạt nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 với các nồng độ PEG khác nhau 80Hình 3 9 Ảnh hưởng của nồng độ lớp phủ PEG đến cảm ứng từ cực đại (Ms) 81Hình 3 10 Độ suy hao truyền dẫn (dB) trên dải tần số C của các mẫu ((a) mẫu 1, (b) mẫu 2; (c) mẫu 3; (d) mẫu 4; (e)mẫu 5) 84Hình 3 11 Độ suy hao truyền dẫn (dB) trên dải tần số C của tất cả các mẫu 85Hình 3 12 Bề mặt mẫu hấp thụ vi sóng 1 và 2 ((a) mẫu 1; (b) mẫu 2) 86

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ ánh sáng [37] 30

Bảng 1 2 Dải băng tần vi sóng theo các tần số [37] 31

Bảng 2 1 Các hóa chất sử dụng thí nghiệm 45

Bảng 2 2 Khối lượng các chất chuẩn bị thí nghiệm 49

Bảng 2 3 Các mẫu hấp thụ vi sóng 57

Bảng 3 1 Thành phần hóa học trong mẫu nano ferit 68

Bảng 3 2 Kết quả kích thước tinh thể trung bình tính toán theo công thức Scherrer 73

Bảng 3 3 Kích thức trung hạt trung bình của các mẫu ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 (nm) 77

Bảng 3 4 Thông số từ tính các mẫu nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4 thủy nhiệt ở 140℃ − 6 giờ 81

Bảng 3 5 Kết quả đo suy hao truyền dẫn các mẫu hấp thụ vi sóng trên dải tần số C (4 − 8 GHz) 83

Bảng 3 6 Kết quả độ hấp thụ vi sóng lớn nhất của các mẫu hấp thụ trên dải tần số C (4 − 8GHz) 85

Bảng 3 7 So sánh với các mẫu nano ferit Fe – Zn − Ni không sử dụng PEG 89

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông không dây, đặc biệt là

sự bùng nổ của 5G dẫn đến mức bức xạ điện từ tăng cao đang trở thành mối quan tâm lớn hiện nay Đây có thể là một trong số các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến sức khỏe

và cuộc sống của con người [1-4] Do đó, các nhà khoa học đã rất nỗ lực để nghiên cứu

và chế tạo các loại vật liệu hấp thụ vi sóng trong đó có vật liệu nano ferrit siêu thuận từ Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ và ferrit siêu thuận từ trong các ứng dụng về lĩnh vực y học như nghiên cứu xử lý các tế bào ung thư, dẫn truyền thuốc, chẩn đoán và điều trị bệnh u não, chế tạo các dạng dược phẩm để tăng khả năng chữa trị [5-8] Bên cạnh đó còn có các ứng dụng hấp thụ vi sóng chẳng hạn sóng rada trong lĩnh vực quân sự [9-14] Các loại ferit siêu thuận từ được nghiên cứu chủ yếu là ferit cobalt, oxit sắt III (γ − Fe2O3), oxit sắt từ (Fe3O4) và ferit Fe − Zn − Ni Tuy nhiên một số nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ đã được thực hiện nhưng vẫn còn chưa triệt

để cũng như các ứng dụng vào lĩnh vực kỹ thuật và đời sống

Đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano ferrit Fe − Zn − Ni siêu thuận từ với công thức Zn0.8Ni0.2Fe2O4và ứng dụng trong việc hấp thụ các vi sóng ở dải tần số C đặc biệt

là sóng điện thoại 5G là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng và hứa hẹn trong ngành vật liệu và công nghệ thông tin Sự kết hợp giữa cấu trúc nano và tính chất đặc biệt của ferit Fe − Zn − Ni sẽ tạo ra một vật liệu có khả năng hấp thụ sóng vi sóng hiệu quả và đáng tin cậy Điều này cho thấy việc thực hiện đề tài là cần thiết và có khả năng hứa hẹn

sẽ đem lại những ứng dụng hiệu quả trong thực tế Đồng thời, nó cũng mở ra những cơ hội mới cho việc phát triển công nghệ và ứng dụng vật liệu trong tương lai

Mục tiêu đề tài

Đề tài hướng đến mục đích nghiên cứu và tổng hợp thành công các hạt nano ferit

Zn0.8Ni0.2Fe2O4siêu thuận từ, phân tích cấu trúc tinh thể, tính chất từ tính đặc biệt là tính siêu thuận từ của vật liệu nano đã tổng hợp

Nghiên cứu ứng dụng các hạt nano ferit siêu thuận từ đã tổng hợp vào ứng dụng hấp thụ vi sóng bao gồm chế tạo mẫu hấp thụ và đo độ hấp thụ vi sóng trên dải tần số C (4 − 8 GHz)

Ý nghĩa của đề tài

Nghiên cứu về vật liệu nano ferit Zn0.8Ni0.2Fe2O4siêu thuận từ mở rộng sự phát triển đầy tiềm năng của chúng trong lĩnh vực hấp thụ vi sóng Điều này giúp mở rộng kiến thức về vật liệu và đóng góp vào sự phát triển của công nghệ vật liệu

Đặc biệt các hạt vi sóng được ứng dụng trên dải tần số C (4 − 8 GHz) có thể được

áp dụng trong các thiết bị truyền thông không dây như anten, thiết bị radar, viễn thông

vệ tinh, giúp cải thiện hiệu suất truyền thông và tăng cường khả năng thu sóng Ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y tế như dẫn truyền thuốc, điều trị ung thư, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và chẩn đoán bệnh hiệu quả hơn Ngoài ra còn có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như an ninh, công nghiệp, năng lượng, … mở ra những cơ hội mới cho việc ứng dụng công nghệ vật liệu trong thực tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về vật liệu từ, siêu thuận từ, nano ferit Fe-Zn-Ni siêu thuận từ

1.1.1 Tổng quan về vật liệu từ

1.1.1.1 Lưỡng cực từ

Lực từ là do các hạt mang điện tích chuyển động gây ra Để chỉ hướng của lực từ

tại các vị trí xung quanh nguồn của từ trường người ta vẽ các đường sức từ Đường sức

từ cho ta hình ảnh cụ thể về sự phân bố của từ trường [15] Ví dụ về đường sức từ của

một thanh nam châm và một vòng dây điện được biểu diễn ở hình 1.1 [16, 17]

Hình 1 1 Đường sức từ xung quanh một thanh nam châm (a,b) và một vòng dây

điện (c) [16, 17]

1.1.1.2 Các vectơ từ trường

Từ trường ngoài thường được biểu diễn bằng H và gọi là cường độ từ trường Từ

trường sinh ra trong một ống dây hình trụ (solenoid), gồm N vòng dây quấn khít nhau

với chiều dài l, và tải một dòng điện cường độ I được tính bằng công thức (1.1) Đơn vị

đo của H là ampe – vòng/mét hoặc là A/m [15, 16]

B⃗⃗ =μ×H⃗⃗ (1.2)

Tham số μ gọi là độ từ thẩm, là tính chất riêng của môi trường mà từ trường ngoài tác dụng Đại lượng B được đo như minh họa trên hình 1.2 Độ thẩm từ được đo bằng Weber trên ampe-met (Wb/A.m) hay là Henri trên mét (H/m)

Trong chân không thì:

B⃗⃗⃗⃗ =μ0 0×H⃗⃗ (1.3)

Trong đó:

μ0 là độ từ thẩm của chân không, một hằng số có giá trị là 4π.10-7 H/m

B0 là mật độ từ thông trong chân không

Có nhiều thông số mô tả tính chất từ của vật rắn, ví dụ, tỷ số giữa độ từ thẩm trong vật liệu và độ từ thẩm trong chân không:

μr=μμ

Trong đó μr là độ từ thẩm tương đối, không có thứ nguyên

Độ từ thẩm hoặc độ từ thẩm B⃗⃗ tương đối của vật liệu là số đo mức độ từ hóa vật liệu hoặc khả năng mà trường được cảm ứng trong vật liệu khi có từ trường ngoài H⃗⃗ Vectơ từ hóa (từ độ) μ của vật rắn được xác định theo biểu thức:

B⃗⃗ =μ0H⃗⃗ +μ0M⃗⃗⃗ (1.5)

Trong từ trường H, các mômen từ của vật liệu định hướng theo từ trường đó và tăng cường nó bằng chính từ trường riêng của chúng Số hạng μ0M⃗⃗⃗ trong công thức trên chính là thành phần đóng góp Độ lớn của M⃗⃗⃗ tỷ lệ với trường đặt vào là:

M⃗⃗⃗ =χmH⃗⃗ (1.6)

Và χm được gọi là độ từ hóa (hệ số từ hóa) không có thứ nguyên Hệ số từ hóa và

độ từ thẩm liên hệ với nhau theo:

χm=μr-1 (1.7)

1.1.1.3 Mômen từ

Mỗi điện tử trong một nguyên tử đều có các mômen từ với hai nguồn gốc Nguồn gốc đầu tiên liên quan đến chuyển động quỹ đạo của nó xung quanh hạt nhân: là một điện tích chuyển động mỗi điện từ có thể được xem như một dòng điện vòng nhỏ, sinh

ra một từ trường rất yếu, do đó có một mômen từ hướng dọc theo trục quỹ đạo của nó Mặt khác, mỗi điện từ còn có một chuyển động riêng là chuyển động xung quanh trục của bản thân (gọi là spin) Do đó, xuất hiện một mômen từ nữa gọi là moment từ spin Mômen từ spin điện tử chỉ có thể nhận hai chiều đối song song nhau, hoặc hướng lên hoặc hướng xuống Như vậy, mỗi điện từ trong nguyên tử có thể coi như một nam châm vĩnh cửu nhỏ, có mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin [15]

Hình 1 3 Mômen từ do chuyển động quỹ đạo của điện tử (a) và do spin (điện tử tự

xoay) (b)[16]

1.1.1.4 Phân loại vật liệu từ

Vật liệu từ được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thông thường chúng được phân loại theo từ tính

a Vật liệu nghịch từ

Nghịch từ là một dạng từ tính rất yếu, không tồn tại vĩnh cửu và chỉ tồn tại khi có một từ trường ngoài tác dụng Trường cảm ứng được sinh ra do sự thay đổi chuyển động quỹ đạo của điện tử bởi trường ngoài tác dụng Đặc điểm của vật liệu nghịch từ [15, 16]:

- Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ thẩm từ tương đối μr<1 và độ từ hóa âm, nghĩa là cường độ của từ trường B trong vật rắn nghịch từ sẽ nhỏ hơn chân không Độ từ hóa thể tích (m) có độ lớn khoảng 10-5 H/m Trong một vật liệu nghịch từ, các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào Độ lớn của mômen từ cảm ứng là cực kỳ nhỏ và có hướng ngược với hướng của từ trường tác dụng

- Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này, là một loại dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài Khi đặt giữa các cực của một nam châm điện mạnh, các vật liệu nghịch từ bị hút về phía những vùng có từ trường yếu

- Tính nghịch từ có ở tất cả các loại vật liệu nhưng nó rất yếu nên chỉ có thể quan sát được khi không có các dạng từ tính khác do đó chúng ít có ý nghĩa thực tế

Hình 1 4 a − Cấu hình mômen lưỡng cực từ nguyên tử của

vật liệu nghịch từ; b − Độ nhạy từ ở nhiệt độ phòng đối với vật liệu nghịch từ [16]

b Vật liệu thuận từ

Đối với một số vật liệu rắn, trong mỗi nguyên tử có một moment lưỡng cưc vĩnh cửu do kết quả triệt tiêu lẫn nhau không hoàn toàn của các moment từ spin và các moment từ quỹ đạo Khi không có từ trường bên ngoài, năng lượng nhiệt làm cho định hướng của các mômen từ nguyên tử này là ngẫu nhiên Khi có từ trường ngoài thì các lưỡng cực nguyên tử này quay tự do và tính thuận từ thể hiện khi sự quay này làm chúng sắp thẳng hàng, tạo ra một định hướng ưu tiên nào đó theo từ trường ngoài Kết quả là làm tăng từ

trường ngoài, gây ra độ thẩm từ tương đối lớn hơn một (μr>1) và do đó nó có độ từ hóa

nhỏ nhưng mang giá trị dương Độ cảm từ tương đối (χ ) của vật liệu thuận từ nằm trong

khoảng từ 10-3 đến 10-5 (H/m) [16, 18]

Hình 1 5 (a) Cấu hình mômen lưỡng cực từ nguyên tử của vật liệu thuận từ; (b) Độ nhạy từ ở nhiệt độ phòng đối với vật liệu thuận từ [16]

c Vật liệu sắt từ

Vật liệu sắt từ là vật liệu có trật tự từ, có độ cảm từ mcó giá trị dương rất lớn và

phụ thuộc vào nhiệt độ Vật liệu sắt từ tồn tại trật tự từ (từ tính) cả khi không tồn tại từ

trường ngoài Moment từ vĩnh cửu của vật liệu sắt từ do spin sinh ra, đó là các spin điện

tử không triệt tiêu lận nhau Sự đóng góp của các moment từ quỹ đạo nhỏ hơn các

moment spin Ngoài ra các tương tác ghép làm cho các moment từ spin của các nguyên

tử lân cận định hướng song song với nhau ngay cả khi không có từ trường ngoài Các

kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và kim loại đất hiếm là vật liệu sắt từ [15]

Trong vật liệu này các spin sắp xếp song song với nhau nên tương tác giữa các spin

là dương và lớn Khi T tăng, do dao động nhiệt nên từ độ giảm dần và biến mất ở TC

Trên nhiệt độ TC thì 1/ tuân theo định luật tuyến tính với T (gọi là định luật Curie Weiss) [18]

-Hình 1 6 Sự thay đổi của các miền domain trong quá trình từ hóa vật liệu sắt từ

[18]

d Vật liệu phản sắt từ

Trong vật liệu này các spin sắp xếp phản song song với nhau, vì vậy chúng bù trừ nhau làm cho từ tính yếu đi hoặc bị triệt tiêu Vật liệu phản sắt từ giống vật liệu thuận từ

ở chỗ có từ tính yếu, nhưng khác với vật liệu thuận từ, sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/ của

nó có một cực tiểu tại nhiệt độ TN gọi là nhiệt độ Neel Khi T  TN các spin có trật tự phản song song được gây bởi tương tác phản sắt từ Khi T  TN sự sắp xếp spin trở nên hỗn loạn, 1/ lại tăng như vật liệu thuận từ [18]

Hình 1 7 Sắp xếp các ion từ trong mạng phản sắt từ [18]

e Vật liệu feri từ

Vật liệu ferit từ có tính chất từ trên cơ sở của các oxit có công thức dạng MO

Fe2O3 với nguyên liệu chế tạo là oxit sắt và oxit của các kim loại hóa trị 2 như Cu, Ni,

Mn, Zn,… thường có kiểu mạng lập phương dạng spinel [15, 18]

Ngoài cấu trúc spinel với công thức hóa học kể trên, vật liệu ferit từ còn có cấu trúc sáu phương và granat Vật liệu từ với cấu trúc sáu phương có công thức hóa học là

AB12O19 trong đó A là kim loại hóa trị 2 như Ba, Pb và B là kim loại hóa trị ba như Al,

Ga, Cr, Fe Ví dụ điển hình chi dạng vật liệu từ này là PdFe12O19 và BaFe12O19 [15, 16]

Độ từ cảm có giá trị khá lớn, gần bằng của sắt từ và cùng tồn tại các mômen từ tự phát Vật liệu ferit từ thuộc nhóm vật liệu phản sắt từ không bù trừ Ở vật liệu ferit từ, hai vị trí mạng A và B trong tinh thể có các spin với độ lớn khác nhau và sắp xếp phản song song với nhau dẫn đến từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài bằng không Từ độ tổng này được gọi là từ độ tự phát Ở các vật liệu ferit từ có tồn tại nhiệt

độ chuyển pha TC gọi là nhiệt độ Curie Tại T > TC trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ [18]

Hình 1 8 Sơ đồ sắp xếp các moment từ spin của các ion Fe 3+ và Fe 2+ trong Fe 3 O 4

[16]

f Cách phân loại khác

Từ sự phân loại như trên thì chỉ có vật liệu sắt từ và feri từ có tầm quan trọng trong thực tế do có moment từ lớn nên được gọi chung là vật liệu từ Theo đường cong từ trễ thì các vật liệu sắt từ và feri từ được phân hóa thành vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng

Hình 1 9 Đường cong từ hóa của vật liệu từ mềm và từ cứng [16]

- Vật liệu từ mềm được sử dụng trong các linh kiện chịu từ trường xoay chiều với tổn hao năng lượng phải thấp, ví dụ như làm lõi máy biến thế Vì lý do này điện tích vòng từ trễ phải nhỏ, vòng cần mảnh và hẹp Do đó, vật liệu từ mềm phải

có độ thẩm từ ban đầu cao và độ khử từ thấp Vật liệu đó có thể đạt được độ từ hóa bão hòa bằng một từ trường tương đối thấp và có tổn hao năng lượng từ trễ thấp Một tính chất quan trọng nữa của vật liệu từ mềm là điện trở Ngoài tổn hao từ trễ còn có tổn hao năng lượng gây bởi dòng điện được cảm ứng trong vật liệu do từ trường biến thiên cường độ và hướng theo thời gian, đó là dòng điện xoáy Để giảm tổn hao năng lượng này, đặc biệt ở tần số cao, cần sử dụng các vật liệu từ mềm có điện trở suất lớn Các vật liệu đó có thể là hợp kim (dung dịch rắn) sắt − silic và sắt − niken Các ferit gốm thường được dùng phổ biến

vì chúng là chất cách điện thuần túy Tuy nhiên, khả năng ứng dụng hơi bị hạn chế do chúng có hệ số từ hóa tương đối nhỏ Gần đây, vật liệu từ mềm vô định hình và nanomet (finemet) dạng băng mỏng của các hợp kim hệ Fe (Cr, Ni, Co)

− B (Si) với tính từ mềm tốt đang được khai thác sử dụng đặc biệt trong tần số trung và cao Vật liệu từ mềm thường dùng trong các mạch khuếch đại từ và biến thế xung Ngoài ra, vật liệu từ mềm còn được dùng trong các máy phát, động cơ, đinamo và mạch chuyển đổi [15]

- Vật liệu từ cứng thường được dùng làm nam châm vĩnh cửu, vật liệu này cần có

độ từ dư, trường khử từ và mật độ từ thông bão hòa cao cũng như độ thẩm từ ban đầu thấp và tổn hao từ trễ cao Như vậy, vật liệu từ có năng lượng càng cao nếu tích Br, Hc càng lớn Như đã nêu, tính cách từ trễ liên quan đến khả năng dịch chuyển các vách đômen từ Khi sự dịch chuyển này bị cản trở thì trường khử từ và hệ số từ hóa đều tăng lên, để phá hủy từ hóa cần một từ trường ngoài lớn Qúa trình này có liên quan đến cấu trúc vi mô của vật liệu Sự dịch chuyển vách đômen sẽ khó khăn khi có những phần tử tiết ra nhỏ mịn [15]

Ngoài ra còn phân chia vật liệu từ theo định hướng của mômen lưỡng cực từ gồm: thuận từ, nghịch từ, sắt từ, phản sắt từ, feri từ

1.1.1.5 Miền từ và từ trễ

Các loại vật liệu sắt từ hoặc feri từ ở nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie (Tc) được cấu tạo bởi những vùng thể tích nhỏ, trong đó tất cả các mômen lưỡng cực từ đều định hướng song song với nhau với độ từ hóa đạt bão hòa Mỗi vùng đó gọi là một miền từ (đômen) – một miền từ hóa tự nhiên Các đômen lân cận phân cách nhau bởi các vùng biên hay vách, qua đó hướng từ hóa thay đổi dần Thông thường các đômen có kích thước vi mô

và trong đa tinh thể mỗi hạt có chứa một số đômen đơn Do đó, một vật rắn sẽ có một số lượng lớn đômen với những hướng từ hóa khác nhau Từ trường H⃗⃗ của vật rắn sẽ là tổng vectơ từ hóa của tất cả các đômen Phần đóng góp của mỗi đômen phụ thuộc thể tích của

nó Một vật chưa từ hóa có tổng vectơ từ hóa của tất cả đômen bằng không [15, 16]

Hình 1 10 (a) Sơ đồ các đômen trong vật liệu sắt từ hoặc feri từ; (b) Sự thay đổi

định hướng lưỡng cực từ qua một vách đômen [16]

Đối với chất sắt từ và feri từ, mật độ từ thông B và cường độ từ trường H không tỷ

lệ với nhau Nếu như vật liệu chưa được từ hóa sơ bộ thì hàm số B biến đổi theo H

Đường cong đi từ gốc, khi H tăng thì B lúc đầu tăng chậm, sau nhanh hơn, cuối cùng nằm ngang, vì không phụ thuộc vào H nữa Giá trị cực đại này của B gọi là mật độ từ thông bão hòa (Bs), tương ứng với độ từ hóa bão hòa (Ms) theo phương trình B⃗⃗ = μ×H⃗⃗ thì độ thẩm từ  là độ dốc của đường cong B − H [16]

Hình 1 11 Đường đặc trưng B − H của vật liệu sắt từ hoặc feri từ với sơ đồ sắp xếp

các đômen trong từng giai đoạn từ hóa [16]

Biểu đồ trên cho thấy  phụ thuộc vào H Độ dốc của đường cong B − H tại điểm

H =0 là một đặc tính vật liệu, được gọi là độ thẩm từ ban đầu μi Khi trường H tác dụng, các đômen thay đổi hình dạng và kích thước nhờ sự dịch chuyển các vách đômen Trên hình 1.11 là sơ đồ cấu trúc miền từ tại nhiều điểm dọc theo đường cong B

− H Ban đầu, mômen của các đômen định hướng hỗn loạn nên không có trường B (hoặc M) Khi có từ trường ngoài, những đômen nào có định hướng thuận lợi (hoặc gần song song) với từ trường ngoài sẽ lớn lên nhờ thu hẹp các đômen khác hướng không thuận lợi Quá trình này được phát triển theo cường độ từ trường H cho đến khi vật rắn trở

thành một đơn đômen duy nhất định hướng gần như từ trường ngoài Bão hòa từ bắt đầu khi đơn đômen tự quay để định hướng theo từ trường H [15, 16]

Hình 1 12 Mật độ từ thông biến đổi theo cường độ từ trường trong vật liệu sắt từ đạt bão hòa thuận và nghịch (các điểm S và S’) Vòng từ trễ được biểu diễn bằng đường liền nét còn đường đứt nét là đường từ hóa ban đầu [15, 16]

Từ điểm bão hòa S (hình 1.12), khi từ trường H giảm và đổi hướng đường cong không trùng với đường ban đầu nữa vì trường B giảm chậm hơn trường đặt vào H Đó

là hiệu ứng trễ từ Tại điểm R khi trường H bằng không vẫn còn một trường B được gọi

là độ từ dư hay là mật độ từ thông dư Br, tức vật liệu vẫn còn bị từ hóa khi đã mất từ trường ngoài H

Tính trễ và độ từ hóa vĩnh cửu có thể giải thích bằng sự dịch chuyển các vách đômen Khi giảm và đổi hướng từ trường từ điểm bão hòa S thì quá trình biến đổi cấu trúc đômen cũng đổi lại Trước hết là sự xoay hướng của cả đơn đômen theo hướng từ trường mới Tiếp đó, những đômen có mômen từ xếp theo trường mới sẽ hình thành và lớn lên nhờ mất dần các đômen cũ Tuy nhiên, sự chuyển dịch các vách miền từ để tăng từ trường theo hướng ngược lại bị cản trở, gây ra hiện tượng trễ của B theo H Khi từ

trường ngoài bằng không, một phần thể tích của các đômen vẫn còn định hướng theo trường cũ, đó là nguyên nhân tồn tại của độ từ dư Br [15]

Để giảm trường B (điểm C, hình 1.12) cần đặt một trường H có trị số − Hc ngược với hướng ban đầu, nó được gọi là độ khử từ hay là lực khử từ Tiếp tục tăng cường độ trường theo hướng ngược lại thì cũng đạt tới bão hòa ở phía đối diện ứng với điểm S’ Tiếp tục biến đổi trường một lần nữa cho tới điểm bão hòa ban đầu (S) sẽ kết thúc một vòng từ trễ và có thêm một độ từ dư âm (− Br) và một độ khử từ dương (Hc) Đặc tuyến

B − H trên hình 1.12 biểu diễn một vòng từ trễ đạt đến mức bão hòa Tuy nhiên vẫn có trễ từ mà không cần tăng từ trường H cho đến bão hòa trước khi đổi hướng [16]

Hình 1 13 Một đường cong từ trễ chưa bão hòa (đường NP) nằm trong vòng từ trễ bão hòa của vật liệu sắt từ Đường LM là đặc trưng B − H khi đổi từ trường tại

một điểm trước bão hòa [16]

Trên hình 1.13 vòng NP là một đường từ trễ chưa bão hòa Vì vậy có thể đối hướng từ trường tại một điểm bất kì trên đường congvà tạo ra những vòng từ trễ khác nhau Vòng từ trễ LM tương ứng với từ trường H được biến đổi tới không Một phương pháp khử từ một chất sắt từ hay feri từ là từ hóa lặp đi lặp lại trong một trường H luôn đổi hướng và giảm cường độ [15, 16]

1.1.2 Trạng thái siêu thuận từ

Siêu thuận từ là một trạng thái của vật liệu sắt từ hoặc ferit từ có Hc≈0 và Mr ≈0 Khi chưa có từ trường ngoài thì mômen từ sắp xếp không trật tự giống như chất thuận từ, nhưng khi có từ trường ngoài thì mômen từ sắp xếp song song với từ trường ngoài với trị số Ms cao như chất sắt từ và gấp hàng ngàn lần chất thuận từ [5]

Hình 1 14 Sự sắp xếp các mômen từ (a) khi chưa có từ trường bên ngoài và (b) khi

có từ trường bên ngoài [5]

Khi kích thước hạt của chất sắt từ hoặc ferit từ có D ≤ Ds thì Hc=0, Mr=0, khi đó vật liệu có đường từ hoá giống như thuận từ nhưng độ từ hoá cao hơn nhiều lần đó là chất siêu thuận từ (SPM – Super paramagnetic materials) [5]

Hình 1 15 (a) Đường M − H của chất STT (SPM); (b) Đường M − H của chất thuận từ (PM) và chất STT; (c) So sánh giữa đường cong từ hóa điển hình của sắt

từ (FM) và siêu thuận từ (SPM) [5]

Nếu kích thước tiếp tục giảm thì sẽ có một kích thước tới hạn mà dưới đó năng lượng nhiệt cao hơn năng lượng từ trường và mômen từ của các hạt dao động tự do: lực kháng từ biến mất

Hình 1 16 Lực kháng từ so với kích thước hạt [5]

Khi kích thước giảm tới một giá trị tới hạn nào đó, sự hình thành vách đômen sẽ trở nên không thuận lợi về mặt năng lượng và vật liệu sẽ có cấu trúc đơn đômen Vậy ở vật liệu đa tinh thể, một hạt có thể chứa nhiều hơn một đômen Ở những vật có trật tự từ

có kích thước đủ lớn, sự phân chia thành đômen làm giảm năng lượng tự do của hệ Trong trường hợp vật có kích thước đủ nhỏ thì sự phân chia này lại làm giảm năng lượng

tự do của hệ Trong các hạt nhỏ không có sự phân chia thì cả hạt là một đômen – hạt một đômen

Ban đầu khi kích thước hạt giảm dần tới giá trị Dc nào đó thì Hc tăng Nếu kích thước hạt giảm xuống tới mức dưới Dc, khi đó giá trị Hclại giảm dần và tiến về giá trị không khi kích thước hạt đạt giá trị D ≤ Ds Sự phụ thuộc của Hcvào kích thước hạt D được thể hiện theo công thức:

Từ điều kiện này suy ra công thức:

V= KB .T

K (1.9) Trong đó: KB là hằng số Bolzman; T là nhiệt độ tuyệt đối

Thay các giá trị K, KB và T vào công thức (1.9), tính được kích thước tới hạn của chất siêu thuận từ Với các chất sắt từ điển hình, để đạt trạng thái siêu thuận từ thì Ds ≤

10 nm [19]

1.1.3 Tổng quan về vật liệu nano ferit Fe−Zn−Ni siêu thuận từ

1.1.3.1 Các khái niệm cơ bản

Ferit kẽm – niken có thành phần gồm các nguyên tố Fe, Zn, Ni, O với công thức

Zn1-xNixFe2O4 (0 ≤ x ≤ 1) và cấu trúc tinh thể dạng spinel, có từ tính ở trạng thái ferit với điện trở suất 1012 Ω.m được nghiên cứu nhiều [20, 21] và có nhiều hứa hẹn trong việc ứng dụng vào thực tiễn

Ferit Zn − Ni siêu thuận từ là Ferit Zn − Ni có công thức Zn1-xNixFe2O4 (0 ≤ x ≤ 1)

Cả ferit kẽm – niken và ferit kẽm – niken siêu thuận từ đều được ứng dụng chủ yếu vào các lĩnh vực y học, hóa học, quân sự,… như tăng độ phân giải cho ảnh chụp cộng hưởng từ, dẫn truyền thuốc hướng đích, đốt cháy các tế bào ung thư, … [22-27] và khả năng ứng dụng đầy tiềm năng trong vật liệu hấp thụ sóng

Đề tài nghiên cứu ferit Zn – Ni với công thức Zn0,8Ni0,2Fe2O4 mà không phải ferit

Zn − Ni có công thức hóa học bất kì vì so với các giá trị x khác đã được nghiên cứu thì với giá trị x =0.2 cho hết quả kích thước hạt nhỏ (cỡ 10 nm), dễ đạt đến trạng thái siêu thuận từ (giá trị Mr và Hc xấp xỉ bằng 0) [10, 28-30]

1.1.3.2 Các phương pháp tổng hợp

Như đã tìm hiểu ferit Zn0,8Ni0,2Fe2O4 ở trạng thái STT thì phải có Hc và Mr ≈0, để đạt được các tính chất như trên thì kích thước của tinh thể của nó phải < 10 nm Vì vậy

để tổng hợp được ferit STT trước tiên cần phải tìm hiểu các phương pháp để tổng hợp nano ferit

Tổng hợp hạt nano từ và nano ferit thông thường theo 2 cách: top − down (từ trên xuống) hoặc bottom − up (từ dưới lên) Các phương pháp vật lý như bốc bay, ngưng tụ, nghiền, cho các hạt nano với khả năng kết tinh cao Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi phải tạo các lớp đế ban đầu để giữ các hạt lại bởi các phương pháp vật lý Ngược lại phương pháp bottom-up, đặc trưng bởi các phản ứng hóa học trong các dung môi nhất định Các oxit kim loại như Fe3O4, γ − Fe2O3, hematite (α − Fe2O3), FeO đã được tổng hợp thành công Các hạt nano kim loại như Fe, Co, Ni và các hợp kim như Fe − Co, Fe

− Ni, Fe − Zn, Fe − Zn − Ni hoặc các ferit MgFe2O4, MnFe2O4 và CoFe2O4 cũng đang được nghiên cứu nhiều [5, 31, 32]

a Phương pháp sol-gel

Phương pháp này được áp dụng cho tổng hợp vật liệu sạch và có độ đồng nhất cao

vì quá trình trộn lẫn cho phép đạt đến quy mô nguyên tử, phân tử

Đây là phương pháp tổng hợp mẫu bằng cách chế tạo sol trong một chất lỏng thích hợp bằng 2 cách sau: Phân tán chất rắn không tan từ cấp hạt lớn chuyển sang cấp hạt của sol trong các máy xay keo

Dùng dung môi để thuỷ phân một tiền chất cho tạo thành dung dịch keo Ví dụ dùng nước để thuỷ phân alcoxyt kim loại để tạo thành hệ keo oxit của kim loại đó Từ sol được xử lý hoặc để lâu dần cho già hoá thành gel Đun nóng gel cho tạo thành sản phẩm

Có thể tóm tắt phương pháp sol-gel theo sơ đồ sau:

Ưu điểm:

- Có thể tổng hợp được gốm dưới dạng bột với cấp hạt cỡ micromet, nanomet

- Có thể tổng hợp gốm dưới dạng màng mỏng, dạng sợi với đường kính < 1 mm

- Nhiệt độ tổng hợp không cần cao

Nhược điểm:

- Quy trình công nghệ phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao

b Phương pháp thủy nhiệt

Đây là quá trình vật liệu được kết tinh lại hoặc tổng hợp hóa học từ dung dịch trong

một bình phản ứng kín ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điều kiện bình thường Quá trình

này được gọi là phương pháp nhiệt dung môi Khi dung môi là nước thì ta gọi là phương

pháp thủy nhiệt

Thủy nhiệt là phương pháp được dùng khá nhiều gần đây do khả năng tạo được

hạt nano với kích thước bé (< 10 nm), có thể khống chế được kích thước hạt và giảm

nhiệt độ nung

Phương pháp này được dùng để tổng hợp các oxit và các oxit phức hợp xảy ra theo

hai bước cơ bản:

Bước 1: Sự thủy phân nhanh của dung dịch muối tạo ra các oxit kim loại

Bước 2: Hydroxit bị đehydrat hóa tạo ra oxit kim loại hoặc oxit phức hợp

Nguyên tắc: tiến hành kết tủa đồng thời các nguyên liệu để tạo thành các dạng hydroxit hoặc muối ít tan như oxalat, cacbonat…Các chất này sẽ phản ứng tiếp tục khi được nung ở nhiệt độ cao để tạo sản phẩm cuối Quá trình hình thành các chất xuất phát từ các phản ứng hóa học, khi nồng độ các chất đạt đến mức bão hòa tới hạn, dung dịch

sẽ xuất hiện các mầm kết tủa Như vậy quá trình hình thành sản phẩm thông qua 2 giai đoạn cơ bản: sinh mầm và phát triển mầm

Ưu điểm:

- Thao tác đơn giản

- Kích thước hạt thu được khá nhỏ, đạt tới nanomet

- Tính đồng nhất của sản phẩm cao