Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng ở cấu trúc nano

Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng ở cấu trúc nano

Khóa luận tốt nghiệp Trương Thành Trung MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ðẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu từ cứng 1.2 Quá trình từ hóa 1.2.1 ðường cong từ hóa tượng từ trễ 1.2.2 ðường cong từ trễ 12 1.2.3 ðộ nhớt từ 13 1.3 Vật liệu FePd 14 1.3.1 Cấu trúc vật liệu FePd 14 1.3.2 Tính chất từ 17 1.3.3 Mối liên hệ pha trật tự L10 lực kháng từ Hc 18 1.4 Các phương pháp chế tạo hạt nano 18 1.4.1 phương pháp hóa khử 19 1.4.2 Phương pháp thủy nhiệt 19 1.4.3 Phương pháp sử dụng rượu ña chức 19 1.4.4 Phương pháp quang xúc tác 19 1.4.5 Phương pháp vi sóng: 20 1.4.6 Phương pháp hóa siêu âm 20 1.5 Mục tiêu khóa luận 22 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 23 2.1 Chế tạo mẫu 23 2.2 Các phép ño khảo sát tính chất vật liệu nano FePd 24 Khóa luận tốt nghiệp Trương Thành Trung 2.2.1 Phân tích cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X 24 2.2.2 Phân tích thành phần mẫu phổ tán sắc lượng 25 2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua: 25 2.2.4 Khảo sát tính chất từ từ kế mẫu rung 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Hình thái cấu trúc 29 3.1.1 Kết nhiễu xạ tia X 29 3.1.3 Phổ tán sắc lượng EDS 32 3.2 Tính chất từ 33 3.2.1 ðường cong từ trễ 33 3.2.2 Hiệu ứng nhớ từ 38 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Mở ñầu Trương Thành Trung MỞ ðẦU Trong lĩnh vực khoa học cơng nghệ nano vật liệu nano ln nhánh nghiên cứu dành ñược quan tâm ñặc biệt nhà khoa học ñặc ñiểm tính chất lạ so với vật liệu thơng thường Có ba ngun nhân dẫn đến khác biết Thứ tác ñộng hiệu ứng lượng tử hạt có kích thước nano Các hạt khơng tn theo quy luật vật lý cổ điển nữa, thay vào quy luật vật lý lượng tử mà hệ quan trọng ñại lượng vật lý bị lượng tử hóa Thứ hai hiệu ứng bề mặt: kích thước hạt giảm phần vật chất tập trung bề mặt chiếm tỷ lệ lớn, hay nói cách khác diện tích bề mặt tính cho đơn vị khối lượng lớn Cuối hiệu ứng tới hạn, xảy kích thước vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với kích thước tới hạn số tính chất Chính ba yếu tố ñã tạo thay ñổi lớn tính chất vật liệu nano Và vậy, vật liệu nano thu hút ñược nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo các vật liệu có tính chất ưu việt với mong muốn ứng dụng chúng ñể chế tạo sản phẩm có tính vượt trội phục vụ nhiều lĩnh vực mục đích khác Trong thời đại ngày nay, cơng nghệ nano nói hướng nghiên cứu thu hút ñược nhiều quan tâm nhà khoa học cung nhà đầu tư cơng nghiệp bỏi ứng dụng to lớn sản suất thiết bị ứng dụng công nghiệp, chế tạo thiết bị điện tử Các thiết bị ứng dụng cơng nghệ nano ngày nhỏ xác thiết bị với cơng nghệ micro trước Với gia tăng mật độ ghi từ hàng năm, kích thước bít thơng tin vật liệu ghi từ cịn phải giảm nhiều Các linh kiện điện tử địi hỏi vật liệu từ có lực kháng từ từ dư lớn ñể ñảm bảo giá trị từ lực lớn, chí kích thước nhỏ Với yêu cầu chúng tơi tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng cấu trúc nano Mở ñầu Trương Thành Trung Trong năm gần ñây số vật liệu từ cứng ñã ñược ñưa vào nghiên cứu, chế tạo, có cấu trúc pha L10 hợp kim FePt, CoPt, FePd… với dị hướng từ tinh thể lớn (FePt: Ku=6,6-10 x 107 erg/cm3, CoPt: Ku=4,9x107 erg/cm3 FePd: Ku=1,8x107 erg/cm3) [4] Vật liệu từ cứng có độ nhớt từ cao, thông qua hiệu ứng nhớt từ mà người ta rút chế quan trọng việc tìm chất trình quay mô men từ chế lực kháng từ vật liệu Từ nghiên cứu tính chất nhớ từ vật liệu từ cứng [5] Trong khóa luận chúng tơi tiến hành: “Nghiên cứu chế tạo tính chất vật liệu từ nano FePd” Mục đích khóa luận: - Chế tạo vật liệu nano FePd theo tỷ lệ thành phần khác phương phá hóa siêu âm - Nghiện cứu chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) L1o kéo theo tính từ cứng thể rõ rệt với HC lớn - Nghiên cứu tính chất từ vật liệu nano FePd ñược chế tạo với tỷ lệ thành phần khác ñược ủ nhiệt ñộ khác Phương pháp nghiên cứu: Khóa luận tiến hành phương pháp thực nghiệm Các mẫu sử dụng khóa luận chế tạo phương pháp hóa siêu âm Cấu trúc hình thái, thành phần tính chất từ mẫu ñược kiểm tra phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction-XRD), xác ñịnh thành phần mẫu máy đo EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), kính hiển vi ñiện tử truyền qua TEM (transmission electron microscopy) Tính chất từ tiến hành hệ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer), phép ño ñược thực Trung tâm khoa học vật liệu – Trường ðại Học Khoa học Tự nhiên – ðại học Quốc Gia Hà Nội Mở ñầu Trương Thành Trung Bố cục khóa luận: Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng vật liệu sắt từ, khó khử từ khó từ hóa Ý nghĩa tính từ "cứng" thuộc tính khó khử từ khó bị từ hóa [1], khơng xuất phát từ tính vật liệu từ Vật liệu từ cứng có nhiều ñặc trưng từ học Hc lớn, tích lượng từ cực đại (BH)max lớn Hình 1.1 ðường cong từ trễ ñặc trưng vật liệu từ cứng Lực kháng từ: Lực kháng từ, ký hiệu Hc đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng vật liệu từ cứng Vì vật liệu từ cứng khó từ hóa khó khử từ, nên ngược lại vớivật liệu từ mềm, có lực kháng từ cao ðiều kiện tối thiểu 100 Oe, vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên Nguồn gốc lực kháng từ lớn vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan ñến ñến dị hướng từ tinh thể lớn vật liệu Các vật liệu từ Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng so với vật liệu từ mềm có dị hướng từ tinh thể lớn Lực kháng từ vật liệu từ cứng thơng thường biết đến qua cơng thức (1.1): (1.1) đó:
Thành phần thứ có đóng góp lớn với K1 số dị hướng từ tinh thể bậc 1, Is từ độ bão hịa
Thành phần thứ 2, ñóng góp nhỏ bậc với N1,N2 thừa số khử từ ño theo hai phương khác
Thành phần thứ có đóng góp nhỏ với λs từ giảo bão hòa, τ ứng suất nội Và a, b, c hệ số đóng góp Tích lượng từ cực đại: Tích lượng cực ñại ñại lượng ñặc trưng cho ñộ mạnh yếu vật từ, ñược ñặc trưng lượng từ cực đại tồn trữ đơn vị thể tích vật từ ðại lượng có đơn vị đơn vị mật độ lượng J m3 Tích lượng từ cực đại xác định đường cong khử từ (xem hình vẽ) thuộc góc phần tư thứ đường cong từ trễ, ñiểm cho giá trị tích cảm ứng từ B từ trường H cực đại Vì thế, tích lượng từ cực đại thường ký hiệu (BH)max Vì tích B (ñơn vị CGS Gauss - G), H (ñơn vị CGS Oersted - Oe), nên tích lượng từ cịn có đơn vị khác GOe (ñơn vị thường dùng ñơn vị chuẩn SI khoa học công nghệ vật liệu từ) 1GOe = J 1000 m3 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung ðể có tích lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn cảm ứng từ dư cao Ngoài ra, số vật liệu từ cứng ñược ứng dụng nam châm hoạt động nhiệt độ cao nên ñòi hỏi nhiệt ñộ Curie cao ðây nhiệt độ mà vật liệu bị từ tính, trở thành chất thuận từ Trong thực tế vật liệu từ cứng ñược sử dụng nhiều chế tạo nam châm vĩnh cửu ñược sử dụng làm vật liệu ghi từ ổ đĩa cứng Trong người ta thường dung loại vật liệu sau: Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - ñất hiếm: ðiển hình hai hợp chất Nd2Fe14B họ SmCo (Samarium-Cobalt), vật liệu từ cứng tốt Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ đạt tới 10 kOe có từ độ bão hịa cao vật liệu từ cứng, tạo tích lượng từ khổng lồ SmCo loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (có thể đạt tới 40 kOe), có nhiệt độ Curie cao nên thường sử dụng máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao) Tuy nhiên, nhược ñiểm nam châm ñất có độ bền khơng cao (do ngun tố đất dễ bị ơxi hóa), có giá thành cao ngun tố đất có giá thành cao, vật liệu NdFeB cịn có nhiệt độ Curie khơng cao (312oC) nên khơng sử dụng điều kiện khắc nghiệt Nam châm đất có tích lượng từ kỷ lục Nd2Fe14B ñạt tới 57 MGOe Hệ vật liệu α -Fe/Nd 2Fe14B [6] có tích lượng cực ñại (BH)max=31 MGOe Hợp kim FePt CoPt: Bắt ñầu ñược nghiên cứu từ năm 1950s Hệ hợp kim có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu điểm có lực kháng từ lớn, có khả chống mài mịn, chống ơxi hóa cao Loại hợp kim ñang ñược sử dụng làm vật liệu ghi từ ổ cứng Vật liệu FePt/Fe3B [7] có Hc=7.5kOe, (BH)max=14.0MGOe Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 1.2 Quá trình từ hóa 1.2.1 ðường cong từ hóa tượng từ trễ Các q trình b c tồn q trình từ hố hình (1.2) xảy ñồng thời với khoảng giá trị H Lúc khử từ, trạng thái sắt từ ñược biểu diễn bởi: I = ∑ I SVi cos θ i = (1.2) i ñây Vi thể tích đơmen thứ i, θi góc véc tơ từ độ bão hồ IS đơmen ñối với phương ñịnh Hình 1.2 Quá trình từ hoá ảnh hưởng từ trường tăng dần: a) Mẫu hoàn toàn khử từ b) H ≠ nhỏ, đơmen gần hướng với từ trường ngồi nở ra, ngược hướng với từ trường co lại c) H ≠ ñủ lớn, véc tơ từ ñộ quay trùng với hướng H Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung Khi H ≠ 0, từ ñộ trở nên khác không ñạt giá trị ∆Ι Sau lấy vi phân phương trình (1.2), Ta có: ∆I = I S ∑cosθi ∆Vi + ∑Vi (cosθi ) i (1.3) i Số hạng thứ mô tả phần ñóng góp vào từ ñộ gây nên dịch chuyển vách đơmen tương ứng với q trình hình 1.2 gọi trình dịch chuyển vách (wall motion process) Số hạng thứ hai gây quay mơ men từ theo phương trường ngồi tương ứng trình hình 1.4 gọi trình quay (rotation process) Tương ứng với hai trình ñó ñộ cảm từ χ= dI chia hai thành phần, thành phần tương ứng với biến dH thiên từ ñộ gây dịch chuyển vách: δI dc = I S ∑ cosθ i δvi thành phần ứng với biến thiên từ ñộ quay véc tơ I: δI q = I S ∑ vi δ cosθ i Do ta có: dI  dI   dI  =  +  dH  dH  dc  dH  q (1.4) χ = χdc + χq (1.5) hay Thông thường vật liệu từ ñược chia thành hai loại theo giá trị χ HC Vật liệu từ mềm có χ lớn HC nhỏ trình từ hố ban đầu qui định trình dịch chuyển vách, vật liệu từ cứng với χ nhỏ HC lớn trình từ hố ban đầu qui định q trình quay Q trình từ hố bất thuận nghịch – Ngun nhân trễ từ: Ta xét vách 1800 ngăn cách đơmen theo mặt phẳng yz tinh thể thực (H 1.6) Nếu đặt từ trường ngồi H song song với trục z vách đơmen dịch chuyển đơmen có I song song với H nở ra, đơmen có I phản song song với H bị co lại Phương trình cho trạng thái cân vách là: (Năng lượng đảo từ) = (Cơng dịch chuyển vách đơmen) 10 ... liệu từ cứng vật liệu sắt từ, khó khử từ khó từ hóa Ý nghĩa tính từ "cứng" thuộc tính khó khử từ khó bị từ hóa [1], khơng xuất phát từ tính vật liệu từ Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học... (Samarium-Cobalt), vật liệu từ cứng tốt Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ đạt tới 10 kOe có từ độ bão hịa cao vật liệu từ cứng, tạo tích lượng từ khổng lồ SmCo loại vật liệu từ cứng có... [4] Vật liệu từ cứng có độ nhớt từ cao, thơng qua hiệu ứng nhớt từ mà người ta rút chế quan trọng việc tìm chất q trình quay mơ men từ chế lực kháng từ vật liệu Từ nghiên cứu tính chất nhớ từ vật