Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ lõi của hạt nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số : 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn : TS Nguyễn Thu Nhàn Hà Nội, 2016 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kích thƣớc vật liệu nano tế bào…………………………………… Hình 1.2 Một số hình dạng vật liệu nano nay……………………………… Hình 1.3 Phân loại hạt nano vỏ/lõi……………………………………………… Hình 2.1 Mô hình Ising 2D……………………………………………………… 19 Hình 2.2 Cấu trúc hạt nano vỏ-lõi tƣơng tác trao đổi vỏ (Js), lõi (Jc) mặt phân cách vỏ/lõi (Jsc)…………………………………………… ……………… Hình 3.1 Hàm phân bố xuyên tâm hạt nano Fe98B2 nhiệt độ 300K……… Hình 3.2 Phân bố số phối trí hạt nano Fe98B2 nhiệt độ 300K…………… 25 26 28 Hình 3.3 Hàm phân bố xuyên tâm hạt nano Fe98B2 nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau………………………………………………… 29 Hình 3.4 Phân bố số phối trí nguyên tử Fe B mẫu Fe98B2 nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau……………………………… 30 Hình 3.5 Phân bố mật độ nguyên tử lớp vỏ hạt nano Fe98B2 300K 31 Hình 3.6 Sự phụ thuộc Độ từ hóa vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 300K với bán kính vỏ RS khác ……………………………………………… 32 Hình 3.7 Sự phụ thuộc Độ cảm từ (hệ số từ hóa) vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 300K với bán kính vỏ RS khác ……………………………… 32 Hình 3.8 Sự phụ thuộc Nhiệt dung vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 300K với bán kính vỏ RS khác ……………………………………… 33 Hình 3.9 Đồ thị xác định nhiệt độ TC mô hình hạt nano Fe98B2 300K, bán kính lõi o RC = 20 A …………………………………………………………… 34 Hình 3.10 Đồ thị phụ thuộc Độ từ hóa (M) vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 thông số tƣơng tác trao đổi khác ……………………………… 34 Hình 3.11 Đồ thị phụ thuộc Nhiệt dung (C) vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 thông số tƣơng tác trao đổi khác …………………….………… 35 Hình 3.12 Đồ thị phụ thuộc Độ cảm từ ( ) vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 thông số tƣơng tác trao đổi khác nhau……………………………… 35 o Hình 3.13 Độ từ hóa hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = A nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5 ………………………………………………… 36 o Hình 3.14 Nhiệt dung hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = A nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5.………………………………………………… 37 o Hình 3.15 Độ cảm từ hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = A nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5………………… ……………………………… 37 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Tên Kí hiệu Động lực học phân tử ĐLHPT Hàm phân bố xuyên tâm HPBXT Thống kê hồi phục TKHP MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hạt nano vỏ lõi 1.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc Error! Bookmark not defined CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP TÍNH Error! Bookmark not defined 2.1 Phƣơng pháp Động lực học phân tử Error! Bookmark not defined 2.2 Xây dựng mô hình hạt nano vỏ lõi FeB Error! Bookmark not defined 2.3 Mô hình Ising Error! Bookmark not defined 2.4 Các đặc trƣng từ hạt nano Error! Bookmark not defined 2.4.1 Độ từ hóa (M) Error! Bookmark not defined 2.4.2 Nhiệt độ Curier (TC) Error! Bookmark not defined 2.4.3 Năng lƣợng (E) Error! Bookmark not defined 2.4.4 Nhiệt dung (C) Error! Bookmark not defined 2.4.5 Độ cảm từ (χ) Error! Bookmark not defined CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Đặc trƣng vi cấu trúc Error! Bookmark not defined 3.1.1 Hàm phân bố xuyên tâm Error! Bookmark not defined 3.1.2 Phân bố số phối trí Error! Bookmark not defined 3.1.3 Tinh thể hóa hạt nano vỏ-lõi Error! Bookmark not defined 3.2 Đặc tính từ hạt nano vỏ-lõi Error! Bookmark not defined 3.2.1 Ảnh hƣởng độ dày lớp vỏ vào đặc tính từ hạt nano Error! Bookmark not defined 3.2.2 Ảnh hƣởng tƣơng tác trao đổi vào đặc tính từ hạt nano Error! Bookmark not defined 3.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ hạt nano Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu nano từ nói chung vật liệu nano từ vô định hình nói riêng có ứng dụng đặc biệt lĩnh vực công nghệ y sinh Nghiên cứu thực nghiệm tính chất từ hạt nano đƣợc định hiệu ứng bề mặt Khi kích thƣớc hạt nano nhỏ cỡ 3nm 70% số nguyên tử nằm bề mặt spin bề mặt đóng góp chủ yếu vào từ tính hạt[1] Cấu trúc bề mặt trật tự nên cấu trúc hạt nano cấu trúc vô định hình Với hạt nano kích thƣớc định có số nguyên tử nằm lớp lõi lớn nhiều số nguyên tử vỏ spin lõi đóng góp vào từ tính hạt Khi đóng góp spin lớp vỏ nhỏ bỏ qua Khi nghiên cứu hạt nano vỏ-lõi sắt từ hình cầu ảnh hƣởng tỷ lệ thông số tƣơng tác từ lớp phân cách vỏ/lõi (Jint) lớp vỏ (Jsh), Jint/Jsh vào nhiệt độ chuyển pha Khi tỷ số Jint/Jsh tăng dẫn tới nhiệt độ chuyển pha thay đổi mạnh Khi giữ nguyên độ dày lớp lõi tăng độ dày lớp vỏ hạt nano độ cao đƣờng cong từ hóa tăng lên Khi tăng giá trị tỷ số Jc/Jsh nhiệt độ chuyển pha hệ tăng lên tác giả rút kết luận có mối tƣơng quan nhiệt độ chuyển pha hệ với giá trị Jc/Jsh [2] Thêm vào có phụ thuộc lực kháng từ (HC) từ trƣờng trao đổi (HEX) vào thay đổi kích thƣớc lớp lõi Hoặc giữ nguyên độ dày lớp lõi thay đổi độ dày lớp vỏ có thay đổi theo HC HEX [3] Khi kích thƣớc lớp lõi nhỏ, đóng góp chủ yếu vào đặc trƣng từ spin lớp vỏ Khi kích thƣớc lớp lõi tăng dẫn tới giảm dần HC Độ dày lớp vỏ ảnh hƣởng trực tiếp đến giá trị từ trƣờng trao đổi Hex Vấn đề đặt với hạt nano vô định hình cấu trúc vỏ-lõi FeB với nồng độ B nhỏ mật độ phân bố nguyên tử thay đổi liên tục từ lõi vỏ có đóng góp spin lớp vỏ mang tính định đến từ tính hạt, bỏ qua? Nếu bỏ qua từ trƣờng từ tính hạt có bị ảnh hƣởng thông số tƣơng tác từ J c (tƣơng tác spin lõi), Jsh (tƣơng tác spin vỏ), Jsc (tƣơng tác spin mặt phân cách vỏ/lõi) không? Nếu giả thiết lõi hạt nano bị tinh thể hóa phần từ tính hạt có thay đổi so với trƣờng hợp lõi vô định hình hoàn toàn không? Đây nội dung nghiên cứu luận văn này: Nghiên cứu từ tính sở mô hình vỏ-lõi hạt nano Mục đích đề tài - Xây dựng mô hình hạt nano Fe98B2 có cấu trúc vỏ-lõi với kích thƣớc 5000 nguyên tử - Khảo sát vi cấu trúc hạt nano trạng thái vô định hình tinh thể - Mô tính chất từ hạt nano - Khảo sát phụ thuộc đặc trƣng từ hạt nano vào tƣơng tác trao đổi nồng độ tinh thể hóa Đối tƣợng nghiên cứu Ở đây, tập trung nghiên cứu hạt nano có cấu trúc vỏ-lõi Fe98B2 vô định hình tinh thể Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu phƣơng pháp mô cho hạt nano - Xây dựng mô hình hạt nano có kích thƣớc 5000 nguyên tử nhiệt độ 300K 900K - Khảo sát từ tính hạt nano phƣơng pháp mô - Khảo sát ảnh hƣởng độ dày lớp vỏ, tƣơng tác trao đổi nồng độ tinh thể hóa vào đặc trƣng từ hạt nano Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp mô động lực học phân tử (MD) - Mô hình Ising Đóng góp luận văn - Xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2 - Cung cấp số liệu từ tính hạt nano Fe98B2 mô từ tính chúng - Xác định nhiệt độ chuyển pha hạt nano 5000 nguyên tử so sánh với hạt nano tƣơng tác trao đổi nồng độ tinh thể hóa thay đổi Cấu trúc luận văn Luận văn có cấu trúc nhƣ sau: Mở đầu Chƣơng Lý thuyết tổng quan hạt nano Chƣơng Trình bày phƣơng pháp động lực học phân tử, chƣơng trình động lực học phân tử, xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2 phƣơng pháp động lực học phân tử, mô từ tính hạt nano mô hình Ising Chƣơng Kết thảo luận, khảo sát đặc trƣng vi cấu trúc hạt nano vỏ-lõi Fe98B2, khảo sát ảnh hƣởng độ dày lớp vỏ, tƣơng tác trao đổi nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ hạt nano Kết luận Phụ lục Tài liệu tham khảo CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hạt nano vỏ lõi Vật liệu nano vật liệu có kích thƣớc tính theo thang đo nanomet Trong năm gần đây, vật liệu nano (dƣới gọi tắt hạt nano) trở thành đối tƣợng nghiên cứu chủ yếu nhiều nhà khoa học Tính chất hạt nano phụ thuộc vào kích thƣớc chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thƣớc tới hạn nhiều tính chất lý hóa vật liệu thông thƣờng Phƣơng pháp thực nghiệm chế tạo hạt chia làm ba loại nhƣ sau: (1) phƣơng pháp ngƣng tụ hơi, (2) phƣơng pháp hóa học, (3) Nghiền Bằng việc sử dụng kĩ thuật nêu trên, không chế tạo đƣợc hạt nano mà tạo hạt nano lai tạo Ban đầu, nhà khoa học tập trung nghiên cứu hạt nano loại vật liệu có đặc tính tốt nhiều so với vật liệu lớn Nhƣng sau đó, vào cuối năm 80, nhà nghiên cứu nhận hạt nano không hay hạt nano bán dẫn đem lại hiệu cao so với hạt nano ban đầu, chí vài trƣờng hợp có thêm đặc tính quan trọng khác Và từ đầu năm 90 trở lại đây, nhà nghiên cứu tập trung chế tạo hạt nano bán dẫn quan điểm phát triển đặc tính vật liệu bán dẫn Và khái niệm “vỏ/lõi” đời TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt Nguyễn Quang Báu (chủ biên), Đỗ Quốc Hùng, Lê Tuấn (2011), “Lý thuyết bán dẫn đại”, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Quang Báu (chủ biên), Nguyễn Vũ Nhân, Phạm Văn Bền (2010), “Vật lý bán dẫn thấp chiều”, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Hữu Đức, (2008), "Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin ", Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 97 Nguyễn Thị Lan (2013), "Chế tạo nghiên cứu tính chất hạt Ferit spinel có cấu trúc nano", Luận án tiến sĩ, Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu, Hà Nội Tài liệu Tiếng Anh Dino Fiorani (2005), “Surface Effects in Magnetic Nanoparticles”, Springer Science + Business Media, Inc., 233 Spring Street, New York, NY, 10013, USA [1] E Sv´ab, G Faigel, G M´esz´aros, S Ishmaev, I Sadikov, A Chernyshov (1985), “Local order in Fe-B metallic glasses studied by high-resolution neutron diffraction”, JOURNAL DE PHYSIQUE, 46 (C8), pp.C8-267-C8-271 [10] Erol Vatansever , HamzaPolat (2013), “MonteCarlo in vestigation of a spherical ferrimagnetic core–shell nanoparticle under a time dependent magnetic field”, Journal ofMagnetismandMagneticMaterials 343, 221–227 [2] [4] [5] Ersin Kantar, Bayram Deviren, and Mustafa Keskin (2013), “Magnetic properties of mixed Ising nanoparticles with core-shell structure”, Eur Phys J B 86: 253 [3] 5 Guoyin Shen a, Mark L Rivers a, Stephen R Sutton a, Nagayoshi Sata,Vitali B Prakapenka, James Oxley, Kenneth S Suslick (2004), “The structure of amorphous iron at high pressures to 67 GPa measured in a diamond anvil cell”, Physics of the Earth and Planetary Interiors 143–144, 481–495 [8] Marianna Vasilakaki, Kalliopi N Trohidou, Josep Nogue´s (2015), “Enhanced Magnetic Properties in Antiferromagnetic-Core/Ferrimagnetic-Shell Nanoparticles”, SCIENTIFIC REPORTS | : 9609 | DOI: 10.1038/srep09609 [6] N Mattern3, W M atzb, and H Hermann3 (1988), “Partial Atomic Distribution Functions of Liquid Fe75B25”, Z Naturforsch 43a, 177-180 [11] R Bellissent et.al (1993), “Neutron diffaction on amorphous iron powder”, Phys Rev B, vol 48, num.21 [9] Yujun Song *, Jie Ding , and Yinghui Wang (2012), “Shell-Dependent Evolution of Optical and Magnetic Properties of Co@Au Core–Shell Nanoparticles”, J Phys Chem C, 116 (20), pp 11343–11350 [7]