nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu từ nano fepd

Khóa luận tốt nghiệp Trương Thành Trung 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 MỞ ðẦU 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 1.1 Vật liệu từ cứng 6 1.2 Quá trình từ hóa 9 1.2.1 ðường cong từ hóa và hiện tượng từ trễ 9 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 của vật liệu FePd 14 1.3.2 Tính chất từ 17 1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L1 0 và lực kháng từ H c 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 của khóa luận 22 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 23 2.1 Chế tạo mẫu 23 2.2 Các phép ño khảo sát tính chất của vật liệu nano FePd 24 Khóa luận tốt nghiệp Trương Thành Trung 2 2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 24 2.2.2 Phân tích thành phần của mẫu bằng phổ tán sắc năng lượng 25 2.2.3 Kính hiển vi ñiện tử truyền qua: 25 2.2.4 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Hình thái và cấu trúc 29 3.1.1 Kết quả nhiễu xạ tia X 29 3.1.3 Phổ tán sắc năng 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 3 MỞ ðẦU Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một nhánh nghiên cứu dành ñược sự quan tâm ñặc biệt của các nhà khoa học do những ñặc ñiểm và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thường. Có ba nguyên nhân chính dẫn ñến sự khác biết này. Thứ nhất là tác ñộng của các hiệu ứng lượng tử khi hạt có kích thước nano. Các hạt không tuân theo quy luật vật lý cổ ñiển nữa, thay vào ñó là các quy luật vật lý lượng tử mà hệ quả quan trọng là các ñại lượng vật lý bị lượng tử hóa. Thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thước của hạt càng giảm thì phần vật chất tập trung ở bề mặt chiếm một tỷ lệ càng lớn, hay nói cách khác là diện tích bề mặt tính cho một ñơn vị khối lượng càng lớn. Cuối cùng là hiệu ứng tới hạn, xảy ra khi kích thước của vật liệu nano ñủ nhỏ ñể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Chính ba yếu tố này ñã tạo ra sự thay ñổi lớn về tính chất của vật liệu nano. Và cũng vì vậy, vật liệu nano thu hút ñược sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các các vật liệu có những tính chất ưu việt với mong muốn ứng dụng chúng ñể chế tạo ra các sản phẩm mới có tính năng vượt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục ñích khác nhau. Trong thời ñại ngày nay, công nghệ nano có thể nói là hướng nghiên cứu ñang thu hút ñược nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cung như các nhà ñầu tư công nghiệp bỏi ứng dụng to lớn của nó trong sản suất các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, chế tạo các thiết bị ñiện tử. Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn chính xác hơn các thiết bị với công nghệ micro trước ñó. Với sự gia tăng của mật ñộ ghi từ hàng năm, kích thước của bít thông tin trên vật liệu ghi từ còn phải giảm nhiều nữa. Các linh kiện ñiện tử ñòi hỏi các vật liệu từ có lực kháng từ và từ dư lớn ñể ñảm bảo giá trị từ lực lớn, thậm chí ở kích thước nhỏ. Với yêu cầu ñó chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng ở cấu trúc nano. Mở ñầu Trương Thành Trung 4 Trong những năm gần ñây một số vật liệu từ cứng ñã ñược ñưa vào nghiên cứu, chế tạo, có cấu trúc pha L1 0 như hợp kim FePt, CoPt, FePd… với dị hướng từ tinh thể lớn (FePt: K u =6,6-10 x 10 7 erg/cm 3 , CoPt: K u =4,9x10 7 erg/cm 3 và FePd: K u =1,8x10 7 erg/cm 3 ) [4]. Vật liệu từ cứng có ñộ nhớt từ cao, thông qua hiệu ứng nhớt từ mà người ta có thể rút ra các cơ chế quan trọng trong việc tìm ra bản chất của quá trình quay của các mô men từ và cơ chế của lực kháng từ trong vật liệu. Từ ñó nghiên cứu tính chất nhớ từ của vật liệu từ cứng [5]. Trong khóa luận này chúng tôi tiến hành: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu từ nano FePd” Mục ñích của khóa luận: - Chế tạo vật liệu nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau bằng phương phá hóa siêu âm. - Nghiện cứu chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) L1 o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với H C lớn. - Nghiên cứu tính chất từ của vật liệu nano FePd khi ñược chế tạo với các tỷ lệ thành phần khác nhau và ñược ủ tại các nhiệt ñộ khác nhau. Phương pháp nghiên cứu: Khóa luận ñược tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các mẫu sử dụng trong khóa luận ñược chế tạo bằng các phương pháp hóa siêu âm. Cấu trúc hình thái, thành phần và tính chất từ của mẫu ñược kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction-XRD), xác ñịnh thành phần của mẫu bằng máy ño EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), kính hiển vi ñiện tử truyền qua TEM (transmission electron microscopy). Tính chất từ ñược tiến hành trên hệ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer), các phép ño trên ñược thực hiện tại Trung tâm khoa học vật liệu – Trường ðại Học Khoa học Tự nhiên – ðại học Quốc Gia Hà Nội. Mở ñầu Trương Thành Trung 5 Bố cục của khóa luận: Mở ñầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo. Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính từ "cứng" ở ñây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa [1], chứ không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ. Vật liệu từ cứng có nhiều ñặc trưng từ học như H c lớn, tích năng lượng từ cực ñại (BH) max lớn Hình 1.1. ðường cong từ trễ và các ñặc trưng của vật liệu từ cứng. Lực kháng từ: Lực kháng từ, ký hiệu là H c là ñại lượng quan trọng ñặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại vớivật liệu từ mềm, có lực kháng từ cao. ðiều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan ñến ñến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 7 cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính ñối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và có dị hướng từ tinh thể rất lớn. Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường ñược biết ñến qua công thức (1.1): (1.1) trong ñó:  Thành phần thứ nhất có ñóng góp lớn nhất với K 1 là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, I s là từ ñộ bão hòa.  Thành phần thứ 2, ñóng góp nhỏ hơn một bậc với N 1 ,N 2 là thừa số khử từ ño theo hai phương khác nhau.  Thành phần thứ 3 có ñóng góp nhỏ nhất với λ s là từ giảo bão hòa, τ là ứng suất nội. Và a, b, c lần lượt là các hệ số ñóng góp. Tích năng lượng từ cực ñại: Tích năng lượng cực ñại là ñại lượng ñặc trưng cho ñộ mạnh yếu của vật từ, ñược ñặc trưng bởi năng lượng từ cực ñại có thể tồn trữ trong một ñơn vị thể tích vật từ. ðại lượng này có ñơn vị là ñơn vị mật ñộ năng lượng 3 J m . Tích năng lượng từ cực ñại ñược xác ñịnh trên ñường cong khử từ (xem hình vẽ) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên ñường cong từ trễ, là một ñiểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trường H là cực ñại. Vì thế, tích năng lượng từ cực ñại thường ñược ký hiệu là (BH) max . Vì là tích của B (ñơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (ñơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lượng từ còn có một ñơn vị khác là GOe (ñơn vị này thường dùng hơn ñơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ) 3 8 1 1000 J GOe m = . Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 8 ðể có tích năng lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dư cao. Ngoài ra, một số vật liệu từ cứng ñược ứng dụng trong các nam châm hoạt ñộng ở nhiệt ñộ cao nên nó ñòi hỏi nhiệt ñộ Curie rất cao. ðây là nhiệt ñộ mà tại ñó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Trong thực tế vật liệu từ cứng ñược sử dụng nhiều trong chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc ñược sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ ñĩa cứng. Trong ñó người ta thường dung các loại vật liệu sau: Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - ñất hiếm: ðiển hình là hai hợp chất Nd 2 Fe 14 B và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd 2 Fe 14 B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể ñạt tới trên 10 kOe và có từ ñộ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ cứng, do ñó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể ñạt tới 40 kOe), và có nhiệt ñộ Curie rất cao nên thường sử dụng trong các máy móc có nhiệt ñộ hoạt ñộng cao (nam châm nhiệt ñộ cao). Tuy nhiên, nhược ñiểm của các nam châm ñất hiếm là có ñộ bền không cao (do các nguyên tố ñất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố ñất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt ñộ Curie không cao lắm (312 o C) nên không sử dụng ở ñiều kiện khắc nghiệt ñược. Nam châm ñất hiếm có tích năng lượng từ kỷ lục là Nd 2 Fe 14 B ñạt tới 57 MGOe. Hệ vật liệu α -Fe/Nd 2 Fe 14 B [6] có tích năng lượng cực ñại (BH) max =31 MGOe. Hợp kim FePt và CoPt: Bắt ñầu ñược nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu ñiểm là có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay ñang ñược sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng. Vật liệu FePt/Fe 3 B [7] có H c =7.5kOe, (BH) max =14.0MGOe. Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 9 1.2 Quá trình từ hóa 1.2.1 ðường cong từ hóa và hiện tượng từ trễ Các quá trình b và c trong toàn bộ quá trình từ hoá trên hình (1.2) có thể xảy ra ñồng thời với nhau ở một khoảng giá trị nào ñó của H. Lúc khử từ, trạng thái sắt từ ñược biểu diễn bởi: 0cos S == ∑ i ii VII θ (1.2) ở ñây V i là thể tích ñômen thứ i, θ i là góc giữa véc tơ từ ñộ bão hoà I S của ñômen này ñối với một phương nhất ñịnh. Hình 1.2 Quá trình từ hoá dưới ảnh hưởng của từ trường tăng dần: a) Mẫu hoàn toàn khử từ. b) H ≠ 0 và nhỏ, các ñômen gần hướng với từ trường ngoài nở ra, ngược hướng với từ trường ngoài co lại. c) H ≠ 0 và ñủ lớn, véc tơ từ ñộ quay trùng với hướng của H Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 10 Khi H ≠ 0, từ ñộ trở nên khác không và ñạt giá trị ∆Ι . Sau khi lấy vi phân phương trình (1.2), Ta có: ( ) ∑ ∑ +∆=∆ i ii i ii VVII θθ coscos S (1.3) Số hạng thứ nhất mô tả phần ñóng góp vào từ ñộ gây nên bởi sự dịch chuyển vách ñômen và tương ứng với quá trình trên hình 1.2 gọi là quá trình dịch chuyển vách (wall motion process). Số hạng thứ hai gây bởi sự quay của mô men từ theo phương của trường ngoài và tương ứng quá trình trên hình 1.4 gọi là quá trình quay (rotation process). Tương ứng với hai quá trình ñó ñộ cảm từ dH dI = χ cũng có thể chia hai thành phần, một thành phần tương ứng với biến thiên từ ñộ gây bởi sự dịch chuyển vách: ∑ = iidc vII δθδ cos S và một thành phần ứng với biến thiên từ ñộ do sự quay của véc tơ I: ∑ = iiq vII θδδ cos S . Do ñó ta có: qdc dH dI dH dI dH dI       +       = (1.4) hay qdc χχχ += (1.5) Thông thường vật liệu từ ñược chia thành hai loại căn cứ theo giá trị của χ và H C . Vật liệu từ mềm có χ lớn và H C nhỏ và quá trình từ hoá ban ñầu cơ bản qui ñịnh bởi quá trình dịch chuyển vách, và vật liệu từ cứng với χ nhỏ và H C lớn và quá trình từ hoá ban ñầu cơ bản qui ñịnh bởi quá trình quay. Quá trình từ hoá bất thuận nghịch – Nguyên nhân sự trễ từ: Ta xét vách 180 0 ngăn cách 2 ñômen theo mặt phẳng yz trong một tinh thể thực (H 1.6). Nếu ñặt từ trường ngoài H song song với trục z thì vách ñômen dịch chuyển và ñômen có I song song với H nở ra, ñômen có I phản song song với H bị co lại. Phương trình cho trạng thái cân bằng của vách là: (Năng lượng do sự ñảo từ) = (Công dịch chuyển vách ñômen) [...]... kháng t l n, t ñ bão hòa cao M t trong nh ng v t li u có tính ch t lưu tr t tính m t ñ cao là các h t nano FePd v i c u trúc tr t t L10 Tính t c ng c a các h t nano h p kim L10 -FePd b t ngu n t c u trúc tr t t t giác v i năng lư ng d hư ng t tinh th cao H p kim FePd có th t n t i v i các tr ng thái khác nhau tuỳ thu c vào nhi t ñ , h p ph n và tr ng thái c u trúc tinh th c a v t li u Khi trong h p... u và khi m u rung s t o ra hi u ñi n th c m ng trên cu n dây thu tín hi u Tín hi u ñư c thu nh n, khu ch ñ i r i ñư c x lý trên máy tính và cho ta bi t giá tr t ñ c a m u 28 Chương 3: K t qu và th o lu n Trương Thành Trung CHƯƠNG 3: K T QU VÀ TH O LU N Trong khuôn kh khóa lu n này chúng tôi ñã ch t o h t nano FePd b ng phương pháp hóa siêu âm theo các hai t ph n khác nhau ñó là Fe60Pd40 (60 % Fe và. .. Hc = 300 Oe và t ñ bão hòa Ms = 75,3 emu/g t i nhi t ñ này m u ñã tính t c ng nhưng l c kháng t v n còn th p, sang ñ n hình 3.4c và 3.4d là m u Fe55,5Pd44,5 t i 550oC và 600oC có Hc l n lư t là 1107 Oe và 1182 Oe, Ms l n lư t là 82,5 emu/g và 81 emu/g ta th y l c kháng t khá cao t i 2 nhi t ñ này m u th hi n tính t c ng m nh Ti p t c tăng nhi t ñ lên ñ n 650oC thì th y Hc b t ñ u gi m và Ms tăng lên... do nh ng thay ñ i trong tính ñ i x ng c a ô cơ b n Lúc này các tr c tinh th tương ñương v i nhau trong c u trúc m t tr t t tr nên không tương ñương trong c u trúc tr t t Hai hi u ng này nh hư ng r t m nh t i tính ch t t v t li u V i tính ch t chuy n pha c u trúc ñ c bi t t pha fcc sang pha fct, ngư i ta t p trung vào vi c nghiên c u c u trúc và s thay ñ i c u trúc c a v t li u nano Fe-Pd B ng cách thay... vì v y chúng tôi nghiên c u ch t o v t li u FePd Trong khóa lu n này chúng tôi s d ng phương pháp hóa siêu âm (s d ng sóng siêu âm làm xúc tác) ñ ch t o h t nano FePd Phương pháp hóa siêu âm có ưu ñi m hơn so v i các phương pháp khác là các thi t b ñơn gi n, sóng siêu t o ra môi trư ng ñ c bi t t o ñi u ki n thu n l i ñ b gãy các g c acetate, th i gian ch t o ng n, t o ra h t nano FePd có kích thư... NGHI M Trong khuôn kh khóa lu n này v t li u FePd ñư c ch t o b ng phương pháp hóa siêu âm C u trúc và tính ch t t c a v t li u ñư c nghiên c u b ng các thi t b : Kính hi n vi ñi n t truy n qua TEM (Transmission electron microscopy), t k m u rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer), nhi u x k tia X (X-Ray diffractometer)… 2.1 Ch t o m u Các h t nano kim lo i FePd ñư c ch t o v i các t l thành ph n khác... t t0 ) (1.7) T ñ suy gi m ñó ngư i ta tính ñư c ñ nh t t : S = dM / d (ln t ) 13 (1.8) Chương 1: T ng quan Trương Thành Trung 1.3 V t li u FePd V i nhu c u nâng cao m t ñ ghi t trên m t inch vuông (ph bi n hi n nay là 100 Gb/in2 có th nâng ñ n hang Tb/in2) và vi c ti u hình hóa các thi t b ghi t , ñã thúc ñ y vi c nghiên c u ch t o các h t nano t c ng v i các tính ch t ñ c trưng như: năng lư ng d hư... Fe60Pd40 (60 % Fe và 40 % Pd) và Fe55,5Pd44,5 (55,5 % Fe và 44,5 % Pd) Kh o sát s chuy n pha c u trúc cùng tính ch t t c a v t li u sau khi x lý nhi t t i 550oC ñ i v i m u Fe60Pd40 3.1 Hình thái và c u trúc 3.1.1 K t qu nhi u x tia X (111) Trên hình 3.1 là gi n ñ nhi u x tia X c a m u Fe60Pd40 ñư c ch t o b ng phương pháp hóa siêu âm trư c và sau khi t i 550oC trong th i gian 1h FePd Pd (111) o 550 C 1h... Kang và ñ ng nghi p [13] cũng quan sát ñư c chuy n pha c u trúc này trong m u Fe54Pd46 550 oC Tính h ng s m ng (khi ñã t i 550oC 1h) Theo công th c tính kho ng cách dhkl gi a các m t m ng trong h tinh th d hkl t giác [2]:  h2 + k 2 l 2  = + 2 2 c   a −1 2 (3.1) Ta tính ñư c h ng s m ng là: a=3,8542±0.0003 Å và c=3,6958±0.0003 Å K t qu này khá phù h p v i ph chu n trên máy X-ray là: a=3,8520 Å và. .. Còn m t ñ nh nh c a Ti có th là do ta dùng còi siêu âm Titan và trong quá trình ch t o m u ñã b ăn mòn do sóng siêu âm 32 Chương 3: K t qu và th o lu n Trương Thành Trung 3.2 Tính ch t t 3.2.1 ðư ng cong t tr ðư ng cong t tr ño nhi t ñ phòng và theo các ch ñ m u các nhi t ñ khác nhau c a hai m u Fe60Pd40 và Fe55,5Pd44,5 ñư c cho trên hình 3.4 và 3.5 K t qu cho th y ñây là v t li u t c ng có l c kháng . nhớ từ của vật liệu từ cứng [5]. Trong khóa luận này chúng tôi tiến hành: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu từ nano FePd Mục ñích của khóa luận: - Chế tạo vật liệu nano FePd. TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính từ "cứng" ở ñây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa [1],. của vật liệu nano ñủ nhỏ ñể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Chính ba yếu tố này ñã tạo ra sự thay ñổi lớn về tính chất của vật liệu nano. Và cũng vì vậy, vật liệu nano