Cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt NANO y3 xgdxfe5o12 (TT)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Xuân Hoàng CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC MẪU HẠT NANO Y 3x GdxFe5O12 Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 Công trình hoàn thành viện ITIMS- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Phúc Dương GS.TS Lưu Tuấn Tài Phản biện 1: TS Lê Tuấn Tú Phản biện 2: TS Trần Thị Việt Nga Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn, họp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Vào hồi 10 00’, ngày 29 tháng 12 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Công nghệ nano công nghệ tiên tiến bậc Vật liệu nano ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống y học, điện tử, may mặc, thực phẩm v.v tiếp tục nghiên cứu để tìm ứng dụng Trong số vật liệu nano từ đặc biệt hệ hạt pherit thu hút quan tâm nghiên cứu nhà khoa học nước tính chất khả ứng dụng vật liêu Khi đạt kích thước nanomet, vật liệu có tính chất đặc biệt ưu việt so với vật liệu khối Vật liệu Ytri ganet sắt có hai phân mạng từ Ytri nguyên tố từ tính Cho nên tính chất từ định tương tác ion Fe hai phân mạng a d Trong vật liệu ganet sắt với nguyên tố đất khác phân mạng đất có từ tính xuất thêm tương tác từ mômen từ phân mạng c Để làm sáng tỏ chế đóng góp vào từ độ tham số từ khác ganet chứa đất hiếm, luận văn chọn đề tài “ Cấu trúc tính chất từ mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12” Đối tượng nghiên cứu luận văn: Các mẫu hạt nano pherit ganet Y 3GdxFe5O12 (x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) tổng hợp phương pháp sol-gel x Mục tiêu nghiên cứu luận văn: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể tính chất từ hạt nano pherit ganet Y 3-xGdxFe5O12 (x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) chế tạo phương pháp sol-gel Từ làm rõ ảnh hưởng pha tạp Gd lên cấu trúc tinh thể tính chất từ vật liệu cụ thể như: số mạng, kích thước hạt, mômen từ, nhiệt độ Curi nhiệt độ bù trừ Phương pháp nghiên cứu: Luận văn tiến hành phương pháp thực nghiệm kết hợp với phân tích số liệu dựa mô hình lý thuyết kết thực nghiệm công bố Các mẫu nghiên cứu chế tạo phương pháp sol- gel viện ITIMS, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học Bố cục luận văn: Luận văn trình bày chương, 47 trang bao gồm phần mở đầu, chương nội dung, kết luận, cuối tài liệu tham khảo Cụ thể cấu trúc luận văn sau: Mở đầu: Mục đích lý chọn đề tài Chương 1: Tổng quan vật liệu pherit ganet Chương trình bày tổng quan cấu trúc tính chất từ pherit ganet dạng khối, tính chất đặc trưng vật liệu kích thước nanomet số ứng dụng điển hình hạt nano pherit ganet Chương 2: Thực nghiệm Chương giới thiệu phương pháp sol-gel chế tạo vật liệu có kích thước nanomet phương pháp thực nghiệm sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tính chất từ mẫu hạt nano chế tạo Chương 3: Kết thảo luận Kết luận: Các kết luận rút từ kết nghiên cứu luận văn Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT GANET 1.1 Cấu trúc tinh thể tính chất từ vật liệu pherit ganet dạng khối 1.1.1.Cấu trúc tinh thể Pherit ganet có cấu trúc lập phương tâm khối, thuộc nhóm không gian Oh 10 – Ia3d [7-8] Một ô đơn vị pherit ganet chứa đơn vị công thức {R 3}[Fe2] (Fe3)O12, R Y nguyên tố đất Sm, Eu, Gd, Ho, Dy, Tb, Er, Tm, Yb, Lu Các ion kim loại phân bố vị trí tinh thể học tạo ion oxy: ion đất chiếm vị trí lỗ trống 12 mặt (vị trí 24c), ion Fe3+ phân bố hai vị trí lỗ trống mặt (vị trí 16a) mặt (vị trí 24d) Các lỗ trống tạo thành phân mạng tương ứng ion kim loại: phân mạng đất {c}, phân mạng sắt [a] (d) Hình 1.1 miêu tả vị trí ion hình ảnh mô phân mạng cấu trúc pherit ganet (a) (b) Hình 1.1: (a) Vị trí ion hình ảnh mô phân mạng cấu trúc pherit ganet (b) [15] 1.1.2 Tính chất từ 1.1.2.1 Mô men từ nhiệt độ Curie Mômen từ pherit ganet phụ thuộc vào mômen từ ion Fe 3+ phân mạng a, d ion kim loại đất R3+ phân mạng c Theo mô hình lý thuyết Néel, mômen từ ion Fe3+ phân mạng song song với nhau, mômen từ phân mạng a phân mạng d đối song Tương tác Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học ion đất phân mạng yếu nên coi phân mạng đất hệ ion thuận từ từ trường tạo phân mạng sắt Mômen từ phân mạng c định hướng ngược với vectơ tổng mômen từ hai phân mạng a d Hình 1.2 mô tả trật tự từ phân mạng pherit ganet: {R33+} [Fe3+] c a (c) (d – a) (Fe3+) d Hình 1.2: Mô hình trật tự từ phân mạng pherit ganet Mômen từ phân tử ganet phụ thuộc nhiệt độ tính theo công thức: M (T)= 3MR(T) – [3MFe(T) – 2MFe(T)] (1.1) 3+ Đặc biệt YIG, Y từ tính nên mômen từ YIG ion Fe hai phân mạng d a định, hay MYIG(T) = MFed(T) - MFea(T) Hình 1.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ giá trị mômen từ tự phát phân mạng mômen từ tổng YIG [7-8] Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 1.4 Sự phụ thuộc nhiệt độ mômen từ pherit ganet R3Fe5O12 Có thể nhận thấy, nhiệt độ thấp giá trị Ms pherit ganet đất lớn nhiều so với YIG, đóng góp mômen từ phân mạng c nhiệt độ phòng, giá trị Ms pherit ganet đất giảm nhanh với giảm mômen từ phân mạng c Để minh họa, hình 1.5 biểu diễn phụ thuộc nhiệt độ mômen từ tự phát ba phân mạng d, a c Gd3Fe5O12 Giá trị mômen từ tự phát Ms số pherit ganet K 300 K liệt kê bảng 1.3 1.1.2.2 Nhiệt độ bù trừ Tcomp Ở vùng nhiệt độ thấp gần 0K, mômen từ phân mạng đất Mc(0) lớn hiệu mômen từ hai phân mạng sắt (Md(0) – Ma(0)) Tuy nhiên, giảm mômen từ phân mạng c theo nhiệt độ nhanh so với phân mạng a d nhiệt độ xác định Tcomp, (0 < Tcomp < TC), mômen từ phân mạng đất cân với mômen từ tổng hai phân mạng sắt Mc(T) = Md(T) - Ma(T) Nhiệt độ Tcomp gọi nhiệt độ bù trừ, mômen từ tổng MRIG (Tcomp) = Ở Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học nhiệt độ nhiệt độ Tcomp (Tcomp < T < TC), mômen từ phân mạng sắt trở nên lớn mômen phân mạng đất (Md - Ma > Mc) quan sát thấy hình 1.5 pherit ganet Gd3Fe5O12 Hình 1.5 Sự phụ thuộc nhiệt độ mômen từ bão hòa ba phân mạng Các giá trị TC, Tcomp Gd3Fe5O12 [25] số pherit ganet đất theo nghiên cứu trước liệt kê bảng 1.5 Điểm bù trừ pherit ganet đất quan sát thấy nhiệt độ phòng Bảng 1.5 cho thấy nhiệt độ Curie hệ pherit ganet không thay đổi nhiều (TC ~560 K) thay Y3+ ion đất nặng, khẳng định tương tác phân mạng d - a lớn 1.1.2.3 Tương tác siêu trao đổi Trong tinh thể pherit ganet ion Fe 3+ phân mạng a, d ion kim loại đất R3+ phân mạng c tạo thành phân mạng từ tương ứng, ngoại trừ tinh thể Ytri pherit ganet có phân mạng từ ion Y3+ từ tính Các ion kim loại Fe3+ R3+ bị ngăn cách ion oxy có bán kính lớn nên tương tác ion kim loại từ tính tương tác trao đổi gián tiếp, thông qua ion oxy gọi tương tác siêu trao đổi Theo mô hình giải thích tương tác MnO đưa Kramer [6], tương tác siêu trao đổi pherit ganet tương tác trao đổi gián tiếp thông qua ion oxy xảy ion Fe 3+ - Fe3+ , R3+ - R3+ Fe3+ - R3+ Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học R kim loại đất Bản chất tương tác xen phủ lẫn đám mây điện tử d ion Fe f ion đất R với đám mây điện tử p ion oxy 1.2 Tính chất từ hạt nano pherit ganet 1.2.1 Dị hướng từ bề mặt mô hình lõi vỏ Khi kích thước hạt bị thu nhỏ làm cho tính đối xứng tinh thể bị phá vỡ giảm lân cận gần nhất, lúc xuất dị hướng từ bề mặt Sự trật tự cấu trúc từ bề mặt dẫn đến dị hướng từ bề mặt có độ lớn tính đối xứng khác vị trí bề mặt khác Khi kích thước hạt nhỏ, tỉ lệ diện tích bề mặt S thể tích hạt V lớn đóng góp bề mặt vào từ tính hạt trở nên quan trọng so với hạt dạng khối Hình 1.6: Mô hình lõi vỏ hạt nano 1.2.2 Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch Theo lý thuyết sóng spin, phụ thuộc nhiệt độ mômen từ tự phát chất sắt từ hay pherit nhiệt độ thấp (T < TC) mô tả theo hàm Bloch [29]:     T 2  M S (T ) = M S (0) −  ÷   TC     hay viết: (1.4) M S (T ) = M S (0)(1 − BT 3/2 ) (1.5) MS(0) mômen từ tự phát K, B số Bloch Khi T → TC Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học M S (T ) ≈ (T − TC )α với α số mũ tới hạn phụ thuộc vào cấu tạo hạt, giảm tăng so với giá trị 3/2 Đối với vật liệu sắt từ hay pheri từ dạng khối, mômen từ tự phát MS tỉ lệ với T 3/2 kích thước hạt giảm xuống thang nano mét số mũ có xu hướng tăng lên α > 3/2 Điều magnon có bước sóng lớn kích thước hạt bị kích thích, lượng nhiệt cần phải vượt ngưỡng định để gây nên sóng spin hạt nano Hình 1.7: Mômen từ phụ thuộc kích thước hạt nano YIG chế tạo phương pháp sol-gel (a) mômen từ phụ thuộc nhiệt độ hạt nano YIG kích thước 45,120 440nm (b) đường liền nét đường khớp hàm Bloch Ta thấy, với mẫu có kích thước trung bình 440 nm 129 nm, mômen từ bão hòa phụ thuộc nhiệt độ tuân theo biến đổi mômen từ mẫu khối mẫu có kích thước trung bình 45 nm đường Ms(T) lệch khỏi dạng phụ thuộc phương trình (1.5) vùng nhiệt độ thấp Tính toán lí thuyết vật liệu sắt từ thay đổi spin bề mặt lớn bên Do vậy, số Bloch mẫu tăng nhiệt độ tăng mômen từ tự phát hạt kích thước nhỏ giảm nhanh so với vật liệu khối Điều spin hạt nhỏ không ổn định so với vật liệu khối dẫn đến giảm nhiệt độ Curie so với vật liệu khối Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học Trần Xuân Hoàng 12 Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp chế tạo hạt nano Y3-xGdxFe5O12 Tính chất hạt nano từ tính không phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc tinh thể, chất liên kết mà phụ thuộc vào phương pháp, quy trình thông số kĩ thuật trình chế tạo Có hai cách tiếp cận để chế tạo hạt nano từ: - Giảm kích thước vật liệu khối xuống kích thước nanomet (hay gọi top-down) Theo đường này, phương pháp thường sử dụng như: nghiền bi hành tinh, nghiền rung,… - Tạo hạt nano từ nguyên tử, phân tử (hay gọi bottom-up) Các phương pháp thường sử dụng theo đường bao gồm phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay,…) phương pháp hóa học (đồng kết tủa từ dung dịch, vi nhũ tương, đồng kết tủa từ pha hơi, thủy nhiệt, sol-gel,…) Trong luận văn này, phương pháp chế tạo mẫu nghiên cứu lựa chọn phương pháp sol-gel Phương pháp sol-gel phương pháp tổng hợp hóa học, thích hợp để chế tạo vật liệu dạng hạt dạng màng So với phương pháp vật lý phương pháp gốm phương pháp sol-gel cần chế tạo mẫu nhiệt độ thấp hơn, thiết bị đơn giản 2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc tính chất từ 2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt DTA-TGA 2.2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR 2.2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 2.2.4 Ảnh hiển vi điện tử quét 2.2.5 Phương pháp đo tính chất từ từ kế mẫu rung Từ kế mẫu rung (VSM: Vibrating Sample Magnetometer) có nguyên lý hoạt động dựa định luật cảm ứng điện từ: có vật có mômen từ M dao động cạnh cuộn dây gây cuộn dây suất điện động cảm ứng tỉ lệ với M Do Trần Xuân Hoàng 13 Luận văn thạc sĩ khoa học đó, mẫu đo có từ tính gắn vào đầu rung không từ, đặt hai cuộn dây nhỏ giống ngược chiều, mắc nối tiếp Tất hệ đặt hai cực nam châm điện Khi mẫu dao động, hai đầu cuộn dây xuất suất điện động Hệ từ kế mẫu rung (VSM) sử dụng luận án DMS 880 đặt Viện ITIMS, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội với thông số kĩ thuật sau: - Từ trường tối đa: 13,5 kOe, bước thay đổi từ trường: 1Oe - Độ nhạy: 10-5 emu - Dải nhiệt độ đo: 77 ÷ 800 K (lò mẫu thổi khí nitơ sạch) Trần Xuân Hoàng 14 Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Cấu trúc hạt nano Y3-xGdxFe5O12 3.1.1 Giản đồ phân tích nhiệt Phép đo phân tích nhiệt vi sai tiến hành mẫu gel sau chế tạo để nghiên cứu hình thành xerogel, trình cháy xerogel nhiệt độ hình thành pha pherit ganet thông qua trình thu tỏa nhiệt đốt mẫu gel Hình 3.1 giản đồ TG - DTA mẫu gel YIG, thực dải nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 800oC, tốc độ quét 10oC/phút Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel YIG Đường cong TG cho thấy khối lượng mẫu giảm ~ 26% vùng nhiệt độ Trần Xuân Hoàng 15 Luận văn thạc sĩ khoa học từ 20-150oC có thu nhiệt quanh vùng nhiệt độ 148oC đường DTA tương ứng với trình giảm khối lượng Hiện tượng xác định trình bay nước lại gel Giai đoạn tiếp theo, khối lượng mẫu giảm thêm ~ 30%, tương ứng với tỏa nhiệt cực đại 169 oC đường DTA Quá trình trình khử nước từ hydroxyt Khi tiếp tục tăng nhiệt độ, khối lượng mẫu giảm thêm ~12%, tương ứng với vùng tỏa nhiệt đạt cực đại 312 oC giải thích cháy gốc hữu Theo giản đồ này, nhiệt độ 400oC, trình phân hủy hydroxyt bốc bay chất hữu xảy hoàn toàn, khối lượng mẫu sau không đổi tăng nhiệt độ lên 800 oC Do đó, nhiệt độ lựa chọn để tiến hành đốt gel 400 oC để đảm bảo chất hữu cháy hoàn toàn Gel sau đốt nghiền mịn cối mã não nung thiêu kết để thu mẫu hạt nano pherit 3.1.2 Kết đo nhiễu xạ tia X Cấu trúc tinh thể pha mẫu hạt Y 3-xGdxFe5O12 chế tạo theo phương pháp sol – gel nghiên cứu qua phổ nhiễu xạ tia X so sánh với phổ chuẩn 12063 – – 68 Tiến hành đo phổ nhiễu xạ tia X mẫu hạt Y 3-xGdxFe5O12 sau ủ nhiệt độ 800oC ta thu kết hình 3.2 Theo kết nhiễu xạ tia X, mẫu hoàn toàn đơn pha với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc ganet mặt phản xạ (400), (420), (422), (521), (532), (444), (640), (642), (800), (840), (842) phù hợp với phổ chuẩn Các đỉnh nhiễu xạ mở rộng, chứng tỏ mẫu kích thước nano mét Giản đồ nhiễu xạ tia X giảm góc nhiễu xạ tăng nồng độ Gd pha tạp Mật độ khối lượng hạt nano Y3-xGdxFe5O12 tính thông qua giá trị số mạng a theo công thức: ρ= 8M (g/cm3) N A a3 (3.1) Trong M khối lượng mol (g), số đơn vị công thức ô đơn vị, a số mạng NA số Avogadro Bảng 3.1 kết tính toán a D mẫu hạt Y3-xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) 3.1.2 Kết phân tích ảnh FESEM Trần Xuân Hoàng 16 Luận văn thạc sĩ khoa học Kích thước hình thái học mẫu hạt Y3-xGdxFe5O12 đơn pha quan sát kính hiển vi điện tử quét (FESEM) Ảnh chụp FESEM mẫu hạt nano Y2GdFe5O12 Y1Gd2Fe5O12 trình bày hình 3.3 3.4 Hình 3.3: Ảnh FESEM mẫu hạt Y2GdFe5O12 Hình 3.4: Ảnh FESEM mẫu hạt Y1Gd2Fe5O12 Kết ảnh chụp FESEM hình 3.3 3.4 cho thấy hạt Y 2GdFe5O12 Y1Gd2Fe5O12 có kích thước khoảng 30 nm đến 70 nm Các mẫu lại có kết tương tự Như kích thước tinh thể trung bình tính theo công thức (2.4) nằm dải kích thước quan sát ảnh FESEM 3.1.3 Kết phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR Hình 3.5 hình 3.6 kết phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại Trần Xuân Hoàng 17 Luận văn thạc sĩ khoa học mẫu hạt nano Y2.5Gd0.5Fe5O12 Y2GdFe5O12 Hình 3.6: Phổ hồng ngoại mẫu hạt nano Y2,5Gd0,5Fe5O12 Hình nhỏ mô tả phổ hồng ngoại mẫu dải số sóng 400 – 600 cm-1 Theo phổ ta thấy dải số sóng từ 550 – 587 xuất dao động đặc trưng liên kết Fe – O phân mạng tứ diện bát diện Các dao nguyên tố Y Gd với O phân mạng c nằm vùng 400 cm -1 nên không quan sát thấy phổ Điều chứng tỏ mẫu chế tạo có cấu trúc pherit ganet với dao động đặc trưng phân mạng tứ diện bát diện 3.2 Tính chất từ hạt nano Y3-xGdxFe5O12 3.2.1 Từ độ Tính chất từ mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 ( x=1; 1,5; 2; 2,5) nghiên cứu dựa đường cong từ hóa mô tả phụ thuộc từ độ M vào từ trường H khảo sát vùng nhiệt độ thấp (từ 88 K đến 273 K) vùng nhiệt độ cao (từ 300 K đến 570 K) với từ trường cực đại 10 kOe Trần Xuân Hoàng 18 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.9: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y1Gd2Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) Trần Xuân Hoàng 19 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.10: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y0,5Gd2,5Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) Trên hình 3.7, 3.8, 3.9 3.10 đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x=1; 1,5; 2; 2,5) đo vùng nhiệt độ thấp nhiệt độ cao Các đường cong M(H) thấy tất mẫu vật liệu từ mềm đạt gần đến trạng thái bão hòa vùng từ trường kOe, sau giá trị mômen tăng chậm theo từ trường Với từ trường tối đa thiết bị đo 10 kOe mômen từ mẫu chưa đạt đến giá trị bão hòa Việc so sánh đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y 3-xGdxFe5O12 (x=1; 1,5; 2; 2,5) nhiệt độ 88 K thể hình 3.11 Hình 3.11: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 ( x= 1; 1,5;2; 2,5) nhiệt độ 88 K 3.2.2 Nhiệt độ Curie Trần Xuân Hoàng 20 Luận văn thạc sĩ khoa học Từ giá trị mômen từ tự phát nhiệt độ khác tính dựa theo đường cong từ hóa ta vẽ đường biểu diễn phụ thuộc vào nhiệt độ Ms hình 3.12 Để tiện cho việc phân tích từ độ phân mạng, biểu diễn Ms theo đơn vị emu/cm3 Nhiệt độ Curie TC hạt nano Y3GdxFe5O12 xác định dựa đường cong từ nhiệt Ms(T) Nhiệt độ TC x xác định giao điểm đường tiếp tuyến độ dốc lớn đường Ms(T) với trục nằm ngang vùng nhiệt độ cao Các mẫu hạt nano có nhiệt độ TC khoảng 560 K Y 3Fe5O12 Y 2Gd1Fe5O12 300 Y 1.5Gd1.5Fe5O12 ) Y 1Gd2Fe5O12 M s (emu/cm Y 0.5Gd2.5Fe5O12 Gd3Fe5O12 200 100 0 100 200 300 400 500 600 T (K) Hình 3.12: Mômen từ tự phát Ms phụ thuộc nhiệt độ mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3) 3.2.3 Nhiệt độ bù trừ Tcomp Từ đồ thị phụ thuộc nhiệt độ mômen từ bão hòa Ms hình 3.12, ngoại trừ mẫu Y3Fe5O12 ta thấy ban đầu từ độ mẫu giảm nhiệt độ tăng đến nhiệt độ định (nhiệt độ bù trừ) Ms không Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ Ms lại tăng lên cuối trở không nhiệt độ Curie Trần Xuân Hoàng 21 Luận văn thạc sĩ khoa học (trạng thái thuận từ) Điều ion Gd3+ thay ion Y3+ phân mạng c tạo thành ba phân mạng từ tinh thể Y3-xGdxFe5O12 Bảng 3.3: Nhiệt độ Curie TC nhiệt độ bù trừ Tcomp mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3) x 1,5 2,5 TC 560 560 560 560 560 560 Tcomp - 80 115 165 205 290 M c (emu/cm 3) 600 Gd3Fe5O12 500 Y 0.5Gd2.5Fe5O12 400 Y 1.5Gd1.5Fe5O12 Y 1Gd2Fe5O12 Y 2Gd1Fe5O12 300 200 100 0 100 200 300 400 500 600 T (K) Hình 3.13: Từ độ phân mạng c phụ thuộc nhiệt độ mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x= 1;1.5;2;2.5;3) Trần Xuân Hoàng 22 Luận văn thạc sĩ khoa học Đồ thị hình 3.13 cho thấy từ độ phân mạng c tăng theo nồng độ Gd pha tạp ion Y 3+ phân mạng c chỗ ion Gd 3+ có từ tính Ta thây so với phân mạng sắt mẫu Y 3Fe5O12 phân mạng Gd giảm nhanh theo nhiệt độ nguyên nhân xuất nhiệt bù trừ vật liệu Mẫu có nồng độ Gd thấp Tcomp có giá trị giảm Trần Xuân Hoàng 23 Luận văn thạc sĩ khoa học KẾT LUẬN Dựa kết nghiên cứu thực luận văn, rút số kết luận sau: Đã chế tạo thành công hạt Y3-xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2.5; 3) đơn pha có kích thước nanomet phương pháp sol- gel Sự hình thành pha, cấu trúc tinh thể, kích thước hình thái hạt mẫu nghiên cứu cho thấy: - Các mẫu hoàn hoàn đơn pha sau ủ nhiệt 8000C - Kích thước tinh thể trung bình hạt 36 nm Mẫu có nồng độ Gd lớn cho kích thước hạt mật độ khối lượng lớn Các phép đo khảo sát cho thấy ảnh hưởng ion thay Gd3+ lên tính chất từ YIG, cụ thể là: - Từ độ mẫu giảm vùng nhiệt độ cao có cạnh tranh phân mạng từ - Nhiệt độ Curie mẫu thay đổi so với YIG vùng nhiệt độ cao có giá trị TC ≈ 560 K tương tác ion Fe 3+ phân mạng a d định - Xuất nhiệt độ bù trừ tất mẫu x = 1; 1,5; 2; 2,5; nhiệt độ bù trừ tăng theo nồng độ ion Gd pha tạp Những kết sở cho nghiên cứu để làm sáng tỏ ảnh hưởng công nghệ chế tạo đến phân bố ion, tính chất từ nội vai trò tương tác hạt lên tính chất từ hệ Trần Xuân Hoàng 24 Luận văn thạc sĩ khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO A - Tiếng Việt T Đ Hiền and L T Tài (2008), Từ học vật liệu từ, NXB Bách Khoa B - Tiếng Anh A Millan, A Urtizberea, F Palacio, N J O.Silva, V S Amaral and E S And (2007), “Surface effects in maghemite nanoparticles,” J Mag.Mag Mats, vol 312, p 5–9, B.P Goranskiĭ and A K Zvezdin (1970), “Temperature dependence of the coercive force of ferrimagnets near the compensation temperature,” Sov Phys.JETP, vol 30, no 2, p 299–301 B Raneesh, I Rejeena, P U Rehana, P Radhakrishnan, A Saha and N Kalarikkal (2012), “Nonlinear optical absorption studies of sol–gel derived Yttrium Iron Garnet (Y3Fe5O12) nanoparticles by Z-scan technique,” Ceram Int., vol 38, no 3, p 1823–1826 C A Cortés-Escobedo, A M Bolarín-Miró, F Sánchez-De Jesús, R Valenzuela, E P Juárez-Camacho, I L Samperio-Gomez and A Souad (2013), “Y3Fe5O12 prepared by mechanosynthesis from different iron sources”, Adv.Mats Phys Chem, vol 3, p 41–46 C Binns, S H Baker, K W Edmonds, P Finetti, M J Maher and S C Louch (2002), “Magnetism in exposed and coated nanoclusters studied by dichroism in X-ray absorption and photoemission”, Phys B, vol 318, p 350–359 E E Anderson (1964), “Molecular field model and the magnetization of YIG”, Phys Rev., vol 134, p A1581 E E Anderson (1964), “The magnetizations of yttrium and gadolinium iron garnets”, Doctor thesis, University of Maryland F Luis, F Bartolomé, F Petroff, J Bartolomé, L M García, C Deranlot, H Jaffrès, M J Martínez, P Bencok, F Wilhelm, A Rogalev and N B Brookes (2006), “Tuning the magnetic anisotropy of Co nanoparticles by metal capping”, Eur Lett, vol 76, p 142 10 K Matsumoto, T Kondo, S Yoshioka, K Kamiya and T Numazawa (2009), “Magnetic refrigerator for hydrogen liquefaction,” J Phys Conf Ser, vol 150, 25 Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học no 1, p 12 - 28, 11 K P Belov and S A Nikitin (1970), “Theory of the anomalies of physical properties of ferrimagnets”, Sov Phys JETP, vol 31, no 3, p 505–508 12 L Néel (1948), “Propriétésmagnétiques des ferrites Ferrimagnétisme et antiferromagnétisme”, Ann Phys., vol 3, p 137–198 13 M A Gilleo and S Geller (1958), “Magnetic and crystallographic properties of substituted yttrium iron garnet13 ”, Phys Rev, vol 110, p 73 14 M A Gilleo and S Geller (1957), “Structure and ferrimagnetism of yttrium and rare-earth iron garnets”, ActaCrystallogr, vol 10, p 239–239 15 M A Gilleo (1980), “Ferromagnetic Materials”, Handbook of Magnetic Materials, vol N P Company 16 M A Gilleo, “Superexchange interaction in ferrimagnetic garnets and spinels which contain randomly incomplete linkages,” J Phys Chem Solids, vol 13, no 1–2, p 33–39, 1960 17 M A Karami, H Shokrollahi, and B Hashemi (2012), “Investigation of nanostructural, thermal and magnetic properties of yttrium iron garnet synthesized by mechanochemical method,” J Magn Magn Mater., vol 324, no 19, p 3065–3072 18 M Inoue, K Arai, T Fujii and M Abe (1998), “Magneto-optical properties of one-dimensional photonic crystals composed of magnetic and dielectric layers” ,J Appl Phys., vol 83, no 11, p 6768 19 M M Rashad, M M Hessien, A El-Midany and I A Ibrahim (2009), “Effect of synthesis conditions on the preparation of YIG powders via coprecipitation method”, J Magn.Magn.Mater., vol 321, no 22, p.3752–3757 20 M Pardavi-Horvath (2000), “Microwave applications of soft ferrites,” J Magn.Magn Mater., vol 215–216, p 171–183 Trần Xuân Hoàng 26 [...]... trong phân mạng tứ diện và bát diện Các dao của nguyên tố Y và Gd với O trong phân mạng c nằm ở vùng dưới 400 cm -1 nên không quan sát thấy trong phổ này Điều này chứng tỏ mẫu đã chế tạo được có cấu trúc của pherit ganet với các dao động đặc trưng của phân mạng tứ diện và bát diện 3.2 Tính chất từ của các hạt nano Y3- xGdxFe5O12 3.2.1 Từ độ Tính chất từ của các mẫu hạt nano Y3- xGdxFe5O12 ( x=1; 1,5;... quả tính toán a và D của các mẫu hạt Y3- xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) 3.1.2 Kết quả phân tích ảnh FESEM Trần Xuân Hoàng 16 Luận văn thạc sĩ khoa học Kích thước và hình thái học của các mẫu hạt Y3- xGdxFe5O12 đơn pha được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (FESEM) Ảnh chụp FESEM của các mẫu hạt nano Y2GdFe5O12 và Y1Gd2Fe5O12 được trình bày trên hình 3.3 và 3.4 Hình 3.3: Ảnh FESEM của các mẫu. .. từ hóa của các mẫu hạt nano Y0,5Gd2,5Fe5O12 ở vùng nhiệt độ thấp (a) và nhiệt độ cao (b) Trên hình 3.7, 3.8, 3.9 và 3.10 là các đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y3- xGdxFe5O12 (x=1; 1,5; 2; 2,5) đo ở vùng nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao Các đường cong M(H) thấy rằng tất cả các mẫu là vật liệu từ mềm đạt gần đến trạng thái bão hòa ở vùng từ trường trên 2 kOe, sau đó giá trị mômen tăng chậm theo từ. .. pha, cấu trúc tinh thể, kích thước và hình thái hạt của các mẫu đã được nghiên cứu cho thấy: - Các mẫu hoàn hoàn đơn pha sau khi ủ nhiệt ở 8000C trong 5 giờ - Kích thước tinh thể trung bình của các hạt là 36 nm Mẫu có nồng độ Gd lớn hơn cho kích thước hạt và mật độ khối lượng lớn hơn 3 Các phép đo khảo sát cho thấy sự ảnh hưởng của ion thay Gd3+ lên tính chất từ của YIG, cụ thể là: - Từ độ của mẫu giảm... mômen tăng chậm theo từ trường ngoài Với từ trường tối đa của thiết bị đo là 10 kOe thì mômen từ của các mẫu đều chưa đạt đến giá trị bão hòa Việc so sánh đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y 3 -xGdxFe5O12 (x=1; 1,5; 2; 2,5) ở nhiệt độ 88 K được thể hiện như trên hình 3.11 Hình 3.11: Đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y3- xGdxFe5O12 ( x= 1; 1,5;2; 2,5) tại các nhiệt độ 88 K 3.2.2 Nhiệt độ Curie... hạt nano Y3- xGdxFe5O12 Tính chất của các hạt nano từ tính không chỉ phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc tinh thể, bản chất liên kết mà còn phụ thuộc vào phương pháp, quy trình và các thông số kĩ thuật trong quá trình chế tạo Có hai cách tiếp cận để chế tạo các hạt nano từ: - Giảm kích thước vật liệu khối xuống kích thước nanomet (hay còn gọi là top-down) Theo con đường này, các phương pháp thường được... học Hình 1.8 Mômen từ bão hòa phụ thuộc nhiệt độ của các hạt YIG chế tạo bằng phương pháp sol-gel so sánh với mẫu khối [21] 1.2.3 Lực kháng từ phụ thuộc kích thước hạt Lực kháng từ liên quan đến sự hình thành đơn đômen và phụ thuộc vào kích thước của hạt, khi kích thước hạt giảm thì lực kháng từ tăng dần đến cực đại và sau đó tiến về 0 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt được mô tả như... hướng từ tinh thể, V - thể tích hạt) thì mômen từ tự phát của hạt có thể thay đổi từ hướng từ hóa dễ này sang hướng từ hóa dễ khác ngay cả khi không có từ trường ngoài Hình 1.11: Cơ chế đảo từ của hạt từ nhỏ Trần Xuân Hoàng 10 Luận văn thạc sĩ khoa học Nhiệt độ tới hạn TB của các hạt tinh thể đơn trục kích thước không đổi, được tính theo công thức: TB = KV 25k B (1.8) Lực kháng từ lúc này được tính. .. văn thạc sĩ khoa học Từ giá trị mômen từ tự phát ở các nhiệt độ khác nhau tính được dựa theo các đường cong từ hóa ta vẽ được đường biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của Ms như dưới hình 3.12 Để tiện cho việc phân tích về từ độ của các phân mạng, ở đây chúng tôi biểu diễn Ms theo đơn vị emu/cm3 Nhiệt độ Curie TC của các hạt nano Y3GdxFe5O12 được xác định dựa trên các đường cong từ nhiệt Ms(T) Nhiệt... T (K) Hình 3.13: Từ độ của phân mạng c phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu hạt nano Y3- xGdxFe5O12 (x= 1;1.5;2;2.5;3) Trần Xuân Hoàng 22 Luận văn thạc sĩ khoa học Đồ thị trên hình 3.13 cho thấy từ độ của phân mạng c tăng theo nồng độ Gd pha tạp do các ion Y 3+ trong phân mạng c đã được thế chỗ bởi các ion Gd 3+ có từ tính Ta có thể thây so với các phân mạng sắt đối với mẫu Y 3Fe5O12 thì các phân mạng Gd