Giáo trình vật liệu từ Nano

Vật liệu Từ Nano Mục Lục A.Khái quát về vật liệu từ oxit 2 I.Giới thiệu 2 II.Phân loại vật liệu từ oxit 2 III.Tính chất chung 7 IV. Giải thích bản chất từ $nh của ferit 8 B.Vật liệu từ mềm 10 I. Cấu tạo 10 II. Tính chất từ 14 III.Ứng dụng của ferit từ mềm 17 C.Vật liệu từ cứng 31 IV.Một số phương pháp kiểm tra những thông số từ trong công nghiệp 48 V.Các phương pháp chết tạo hạt nano từ $nh 50 Phụ lục 65 Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 1 Vật liệu Từ Nano A.Khái quát về vật liệu từ oxit I.Giới thiệu Ferit từ (tiếng Anh: Ferrimagnet) là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau. Ferrit từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn. .Có thể định nghĩa là dung dịch rắn của oxit sắt với oxit kim loại khác,có công thức hóa học là: m(MeO)n(Fe 2 O 4 ) [với Me là ion kim loại:Fe,Co,Ni,Cu,Mg,Zn,Cd II.Phân loại vật liệu từ oxit • Vật liệu từ oxit (thường gọi là ferit hay gốm từ tính) là hợp chất của oxit sắt hóa trị ba với một hoặc nhiều oxit kim loại hóa trị hai khác, là chất phản sắt từ có các mômen từ đối song song và không bù trừ lẫn nhau. • Một nhóm quan trọng những hợp chất oxit có cấu trúc gồm nhiều mạng còn trong đó những ion từ tính có tương tác trao đổi gián tiếp với nhau qua ion oxy. Tương tác trao đổi này có giá trị âm ( như trong chất phản sắt từ). Tuy nhiên chúng lại có độ từ hóa tự phát và nhiều đặc tính của sắt từ. Nguyên nhân là trong độ từ hóa của các mạng con không khử nhau hết mà ở dứơi nhiệt độ tới hạn độ từ hóa tổng cộng có giá trị khác 0 ( độ dài bằng nhau nhưng không trực Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 2 Vật liệu Từ Nano đối như trong phản sắt từ, hay trực đối nhưng độ lớn khác nhau). Có hai khả năng cơ bản dẫn đến sự bất bù trừ của các mômen từ của ferit: Thứ nhất là các ion từ của một phân mạng có mômen từ khác với mômen từ của một phân mạng kia hay mômen từ của các ion từ trong cùng một phân mạng có giá trị khác nhau, do ảnh hưởng của tương tác trao đổi trực tiếp. Thứ hai tương tác trao đổi gián tiếp (tương tác siêu trao đổi) giữa hai ion từ trong cùng một phân mạng hoặc khác phân mạng được thực hiện qua ion ôxy mà khoảng cách từ các ion này đến ion ôxy và góc tạo bởi đường nối tâm của các ion từ với tâm của ion ôxy là khác nhau . Tương tác này đóng vai trò quyết định từ tính của ferit. Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 3 Vật liệu Từ Nano • Tùy theo cấu trúc và thành phần hóa học, người ta phân biệt ferit ra nhiều loại khácnhau: - Gốm oxit siêu dẫn nhiệt độ cao (YBa 2 Cu 3 O 7-x , Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 10-x ) a Ferit kiểu spinel,dạng:MeFe 2 O 4 Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 4 Vật liệu Từ Nano b Ferit kiểu magnetoplumbit MeFe 12 O 19 (Me:Ba,Sr) Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 5 Vật liệu Từ Nano C Ferit kiểu perovskitMeFeO 3 (Me là đất hiếm) D Ferit kiểu granatMe 3 Fe 5 O 12 (Me là đất hiếm) Trong tự nhiên thành phần ferit chiếm tỉ lệ như sau Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 6 Vật liệu Từ Nano III.Tính chất chung • Ferit có độ từ dư lớn, độ từ thẩm cao, từ giảo lớn, tổn hao thấp (đối với ferit từ mềm), lực kháng từ lớn, dị hướng từ lớn, tích số năng lượng cực đại lớn, hệ số nhiệt độ thấp (với ferit từ cứng). • Đặc biệt ferit được kết tinh từ vật liệu bột, có cấu trúc hạt nên điện trở suất rất cao (ρ=10 4 – 10 10 Ωcm), được sử dụng rất hiệu quả trong lĩnh vực tần số cao. • Tính dẫn điện của ferit kém, chúng được xem như chất bán dẫn. • Về mặt cơ học, ferit rất cứng, ròn, dễ vỡ, không thể gia công cơ khí như kim loại, chỉ có thể mài. • Nguồn gốc từ tính của ferit xuất phát từ chuyển động quỹ đạo và chuyển động quay (spin) của các điện tử, đồng thời do tương tác trao đổi gián tiếp của các ion từ. • Các sản phẩm ferit được chế tạo chủ yếu theo công nghệ gốm (vì vậy còn gọi là gốm từ tính), tương đối đơn giản, giá thành rẻ, nên chúng được ứng dụng hết sức rộng rãi trong khoa học kĩ thuật, đời sống. • Công nghệ chế tạo sản phẩm ferit rất đa dạng: phôi liệu được tạo ra từ các phương pháp nghiền, đồng kết tủa, sol-gel, hóa siêu âm Ở khâu tạo hình có thể ép khô, ép ướt, ép đùn, ép đẳng tĩnh, ép đẳng hướng, ép dị hướng Khâu thiêu kết (thực hiện phản ứng pha rắn, kết tinh) có thể thực hiện trong môi trường không khí, khí trơ hay chân không • Các sản phẩm ferit chiếm trên 50% thị phần vật liệu từ trên thế giới, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử dân dụng (làm loa, môtơ công suất nhỏ) ferit chiếm tới trên 80%. • Các sản phẩm vật liệu từ nano oxít là vật liệu ferit có cấu trúc hạt cỡ nano mét, hết sức đậm đặc, biểu thị những tính chất cơ, điện, từ rất độc đáo: độ bền cơ học rất cao, là các nam châm siêu mạnh (dạng nam châm điện nếu là Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 7 Vật liệu Từ Nano dây siêu dẫn, dạng nam châm vĩnh cửu nếu là khối), có từ giảo lớn, từ trở khổng lồ hứa hẹn những ứng dụng rất hiệu quả, lí thú, đặc biệt trong các lĩnh vực truyền thông, tin học, y sinh học. IV. Giải thích bản chất từ tính của ferit Thành phần của Ferit gồm ôxit sắt hóa trị 3 kết hợp với một hoặc nhiều ôxit kim loại hóa trị 2 khác, chúng được xem như là chất phản sắt từ mà các mômen từ không bù trừ nhau. Hình : Một vài dạng cấu hình sắp xếp của các ion từ trong tương tác siêu trao đổi ở ferit. Năng lượng tương tác trao đổi sẽ lớn nhất nếu khoảng cách từ ion từ đến ion ôxy nhỏ nhất và góc φ gần tới 180 O . Có thể giải thích bản chất từ tính của ferit dựa trên cấu trúc tính thể của ferit sắt • Ferit sắt có 2 loại ion sắt khác nhau là Fe 2+ và Fe 3+ , công thức của nó như sau Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 2- . • Cấu trúc tinh thể của vật liệu này có dạng lập phương spinel, các ion oxy có bán kính ion lớn sắp xếp ở các tâm mặt khối lập phương, các ion sắt có bán kính nhỏ hơn nằm ở khoảng trống giữa các ion oxy. Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 8 Vật liệu Từ Nano • Có hai loại lỗ trống dành cho ion sắt là lỗ trống tứ diện (ở giữa 4 ion oxy) và lỗ trống bát diện (ở giữa 6 ion oxy). Hình: Sự phân bố các ion trong mạng spinel trong 1/8 ô cơ bản cạnh là a/2 Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 9 Vật liệu Từ Nano B.Vật liệu từ mềm I. Cấu tạo • Ferit từ mềm bao gồm tất cả các vật liệu từ oxit có cấu trúc tinh thể spinel, granat và tinh thể lục giác dạng Y hoặc W. • Ngoài ra các vật liệu có cấu trúc perovskit và nhóm gốm từ siêu dẫn nhiệt độ cao cũng được xem như là vật liệu từ mềm, do có lực kháng từ rất nhỏ. Cấu trúc tinh thể của một số ferit từ mềm. Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 10 [...]... IV : Vật Từ Nano Oxide Page 27 Vật liệu Từ Nano Hình: Sơ đồ radio Hình Chương IV : Vật Từ Nano Oxide : Cuộn cảm lõi ferit Page 28 Vật liệu Từ Nano Hình : Đầu từ ferit Hình : Cấu tạo đầu từ bằng vật liệu ferit GMR Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 29 Vật liệu Từ Nano Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 30 Vật liệu Từ Nano C .Vật liệu từ cứng I Giới thiệu Vật liệu từ cứng là vật liệu từ có độ kháng từ cao... Làm đầu từ, bộ nhớ cho tin học Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 17 Vật liệu Từ Nano • Linh kiện máy siêu âm và lĩnh vực khác Bảng : Ferit Ni-Zn-Co làm bộ lọc Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 18 Vật liệu Từ Nano Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 19 Vật liệu Từ Nano Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 20 Vật liệu Từ Nano Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 21 Vật liệu Từ Nano Chương IV : Vật Từ Nano. .. Nano Oxide Page 22 Vật liệu Từ Nano Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 23 Vật liệu Từ Nano Bảng : Tính chất từ của ferit Mn-Zn làm lõi cuộn cảm và lõi biến thế cao áp Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 24 Vật liệu Từ Nano Ferit NiZn làm anten sóng ngắn Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 25 Vật liệu Từ Nano Ferit sóng ngắn (granat) Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 26 Vật liệu Từ Nano Bảng : Ferit MnZn... điểm là : quá trình đảo từ xảy ra nhanh hơn, lực kháng từ nhỏ hơn khi φ giảm và lực kháng từ biến mất khi φ = π/2 Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 35 Vật liệu Từ Nano Hình 5: Nano tinh thể sắt từ hình ellips với trục dễ từ hoá theo trục Oz đang được khử từ bởi từ trường Ho ngược hướng với từ dư Mr trong trường hợp hợp π/2 ≤ φ < π (a) và đường cong từ trễ tương ứng trong (b) III.2 Vật liệu từ cứng đơn... 3: Nano tinh thể sắt từ hình ellips với trục dễ từ hoá theo trục Oz đang được khử từ bởi từ trường Ho Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 33 Vật liệu Từ Nano Hãy xét một hạt đơn domen hình ellips, có trục từ hoá dễ trùng với bán trục lớn Oz Theo mô hình Stoner – Wohlfarth, quá trình biến đổi của từ độ chỉ được mô tả bằng quá trình quay của các mômen từ Sau khi từ hóa đến bão hoà theo phương của từ trường... có lực kháng từ nhỏ, từ dư và độ từ thẩm khá lớn, độ ổn định về nhiệt độ và thời gian cao, dị hướng tinh thể nhỏ • Điện trở suất của ferit từ mềm lớn, độ dẫn điện kém, tổn hao nhỏ Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 14 Vật liệu Từ Nano • Ferit từ mềm cũng rất cứng, ròn, độ bền nén cao, độ bền uốn nhỏ a Độ từ thẩm ban đầu • Một trong những thông số quan trọng nhất của vật liệu từ mềm là độ từ thẩm ban... cho giá trị của mômen từ ứng với một đơn vị công thức (ở 0K của một số loại ferrite bari) : Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 31 Vật liệu Từ Nano Loại ferrite BaMn2Fe16O27 μp (μB) 29.2 BaFe2Fe16O27 28.0 BaNiFeFe16O27 26.4 Ba2Mn2Fe12O22 9.2 Ba2Co2Fe12O22 7.4 Ba3Co2Fe24O41 29.8 Ba3Ni2Fe24O41 26.1 Fig.1 The barium ferrite structure Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 32 Vật liệu Từ Nano Fig.2 Temperature... độ từ thẩm chân không Hay còn gọi là độ từ thẩm của vật liệu, độ từ thẩm của lõi hình xuyến Độ từ thẩm ban đầu phụ thuộc bản chất vật liệu, từ trường từ hóa, nhiệt độ và tần số sử dụng Hình : Sự phụ thuộc của độ từ thẩm ban đầu vào thành phần Fe2O3 trong các mẫu ferit thiêu kết ở 1300oC trong môi trường: 1.N2+0,8%O2 ; 2.N2+1,5%O2 (hay CO2) ; 3 tôi ; 4 trong O2 ; 5 trong không khí Chương IV : Vật Từ Nano. .. 2K’/μoMs Khi Ho = HK, quá trình đảo từ và ta có giá trị của lực kháng từ HC = HK (Hinh 4) Hình 4: Nano tinh thể sắt từ hình ellips với trục dễ từ hoá theo trục Oz đang được khử từ bởi từ trường Ho ngược hướng với từ dư Mr trong trường hợp φ = π (a) và đường cong từ trễ tương ứng trong (b) Trường hợp π/2 ≤ φ < π tức là trường hợp từ trường khử từ đặt nghiêng so với hướng trục từ hoá dễ ( hay hướng của... barium ferrite III Cấu trúc Nano từ cứng III.1 Các hạt Nano không tương tác – Mô hình Stoner – Wohlfarth Các hạt Nano không tương tác có thể được xem như là các hạt Nano riêng lẽ Đó là trường hợp các hạt đơn Domen Ta sẽ xét các quá trình đảo từ của chúng sau khi từ hoá chúng đến bão hòa Từ trường khử từ H 0 lập thành một góc φ với vector toạ độ từ hóa dư M r (Hình 3) Đó là quá trình quay đồng bộ được mô . IV : Vật Từ Nano Oxide Page 15 ΔH ΔB μ 1 μ o i = Vật liệu Từ Nano Hinh: Độ từ thẩm phụ thuộc tần số ở các vật liệu từ khác nhau Cơ chế tăng độ từ thẩm • Sự từ hóa ferit từ mềm xẩy ra trong từ trường. 65 Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 1 Vật liệu Từ Nano A.Khái quát về vật liệu từ oxit I.Giới thiệu Ferit từ (tiếng Anh: Ferrimagnet) là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong. spinel,dạng:MeFe 2 O 4 Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 4 Vật liệu Từ Nano b Ferit kiểu magnetoplumbit MeFe 12 O 19 (Me:Ba,Sr) Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 5 Vật liệu Từ Nano C Ferit kiểu perovskitMeFeO 3