CẤU TRÚC TINH THỂ và TÍNH CHẤT từ của hạt NANO PHERIT SPINEN niy0,1fe1,9o4 CHẾ tạo BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL GEL

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------ Nguyễn Thị Ly CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO PHERIT SPINEN NiY0,1Fe1,9O4 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

Nguyễn Thị Ly

CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO PHERIT SPINEN NiY0,1Fe1,9O4 CHẾ TẠO BẰNG

PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

Nguyễn Thị Ly

CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO PHERIT SPINEN NiY0,1Fe1,9O4 CHẾ TẠO BẰNG

PHƯƠNG PHÁP SOL – GEL

Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt

Mã số: Đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS Nguyễn Phúc Dương

Hà Nội - 2014

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Phúc Dương- người thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy Thầy không chỉ truyền thụ cho tôi những kiến thức khoa học quý giá mà còn là tấm gương sáng về tinh thần nghiên cứu khoa học hăng say, nghiêm túc để tôi noi theo

Tôi xin cảm ơn Viện ITIMS -Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn Đặc biệt xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới NCS Lương Ngọc Anh cùng các anh chị trong nhóm Vật liệu Từ - Viện ITIMS đã nhiệt tình hỗ trợ và đóng góp những ý kiến hết sức chân thành và quý giá cho luận văn của tôi

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến GS TS Lưu Tuấn Tài cùng các thầy, cô trong khoa Vật lý nói chung và trong chuyên ngành Vật lý Nhiệt nói riêng của trường Đại học Khoa học tự Nhiên đã truyền thụ cho tôi những kiến thức quý báu

để tôi có đủ khả năng hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi không quên gửi lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè của tôi- những người đã luôn động viên, giúp đỡ và chia sẻ những khó khăn với tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn và xin chúc tất cả mọi người sức khỏe, luôn vui

vẻ và thành đạt trong cuộc sống

Hà Nội, tháng 11 năm 2014

Tác giả luận văn Nguyễn Thị Ly

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINENError! Bookmark not defined

1.1.Tính chất cơ bản của pherit spinen dạng khối Error! Bookmark not defined

1.1.1.Cấu trúc tinh thể của pherit spinen Error! Bookmark not defined

1.1.2.Tính chất từ trong pherit spinen Error! Bookmark not defined

1.1.2.1.Tương tác trao đổi trong pherit spinenError! Bookmark not defined

1.1.3.Lý thuyết trường phân tử đối với pherit spinen có hai phân mạng từ.Error! Bookmark not defined 1.2.Hạt pherit spinen có kích thước nanomet Error! Bookmark not defined

1.2.1.Các tính chất đặc trưng trong hạt nano pherit spinen.Error! Bookmark not defined

1.2.1.1 Mô hình lõi vỏ Error! Bookmark not defined

1.2.1.2 Dị hướng từ bề mặt Error! Bookmark not defined

1.2.1.3 Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch.Error! Bookmark not defined

1.2.1.4 Hình thành cấu trúc đơn đômen Error! Bookmark not defined

1.2.1.5 Sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha Curie.Error! Bookmark not defined

1.2.1.6 Hiện tượng siêu thuận từ Error! Bookmark not defined

1.2.2.Một số ứng dụng của hạt nano pherit spinen.Error! Bookmark not defined

1.2.3 Những nghiên cứu về hạt nano pherit niken có sự pha tạp.Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined

2.1.Phương pháp chế tạo hạt nano Error! Bookmark not defined

2.1.1.Giới thiệu về phương pháp sol- gel Error! Bookmark not defined

2.1.2.Quy trình tổng hợp và chế tạo mẫu bằng phương pháp sol- gel.Error! Bookmark not defined 2.2.Các phương pháp khảo sát và đo lường tính chất của mẫu.Error! Bookmark not defined

2.2.1.Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined

2.2.2.Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại Error! Bookmark not defined

2.2.3.Phương pháp kính hiển vi điện tử quét Error! Bookmark not defined

2.2.4.Máy quang phổ phát xạ liên kết cảm ứng plasma.Error! Bookmark not defined

2.2.5.Từ kế mẫu rung Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

3.1.Cấu trúc của hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4.Error! Bookmark not defined

3.1.1 Kết quả đo nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined

3.1.2 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại- IR Error! Bookmark not defined

3.1.3 Kết quả phân tích ảnh SEM Error! Bookmark not defined

3.2.Tính chất từ của hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4.Error! Bookmark not defined

3.2.1 Quá trình từ hóa Error! Bookmark not defined

3.2.2 Mômen từ tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ- nhiệt độ Curie.Error! Bookmark not defined 3.2.3 Nhiệt độ khóa Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 1: Cấu trúc tinh thể của pherit spinen Error! Bookmark not defined Hình 1 2: Các kiểu tương tác trao đổi trong vật liệu từ.Error! Bookmark not defined

Hình 1 3: Một vài dạng cấu hình sắp xếp iôn trong mạng spinenError! Bookmark not defined

Hình 1 4: Mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinenError! Bookmark not defined

Hình 1 5:Từ độ bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinen Error! Bookmark not defined

Hình 1 6: Momen từ bão hòa ở 0 K của các pherit spinen.Error! Bookmark not defined

Hình 1 7: Mô hình lõi vỏ Error! Bookmark not defined Hình 1 8: Cấu trúc đa đômen và đơn đômen trong hạt từ.Error! Bookmark not defined

Hình 1 9: Đường cong từ hóa của các vật liệu từ Error! Bookmark not defined Hình 1 10: Momen từ hướng theo trục dễ : T>TB, momen từ hướng theo từ trường ngoài TB<T<TC Error! Bookmark not defined

Hình 1 11: Một số ứng dụng vật lý của pherit spinen.Error! Bookmark not defined

Hình 1 12: Một số ứng dụng y- sinh học của pherit spinen.Error! Bookmark not defined

Hình 1 13: Sự phụ thuộc của hằng số mạng a vào nồng độ pha tạp kẽm Error! Bookmark not defined

Hình 1 14: Sự phụ thuộc của mômen từ tự phát vào nồng độ pha tạp kẽm Error! Bookmark not defined

Hình 2 1: Sơ đồ tổng hợp các loại vật liệu bằng phương pháp Sol

gel………… Error! Bookmark not defined

Hình 2 2: Phân tử citric Error! Bookmark not defined Hình 2 3: Phức citrate trong phản ứng tạo càng Error! Bookmark not defined Hình 2 4: Ảnh hưởng của chất xúc tác axit, bazơ đến sự gel hóa Error! Bookmark not defined

Hình 2 5: Sơ đồ chế tạo hạt pherit nano bằng phương pháp sol- gel Error! Bookmark not defined

Hình 2 6: Máy đo nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined Hình 2 7: Máy đo phổ hồng ngoại- IR Error! Bookmark not defined Hình 2 8: Kính hiển vi điện tử quét SEM Error! Bookmark not defined Hình 2 9: Máy quang phổ phát xạ Error! Bookmark not defined Hình 2 10: Thiết bị từ kế mẫu rung Error! Bookmark not defined Hình 3 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 ủ nhiệt tại

giờ……… Error!

Bookmark not defined

Hình 3 2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NiY0,1Fe1,9O4 ủ nhiệt tại 800o

C trong 5

giờ Error! Bookmark not defined

Hình 3 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NiLa0,1Fe1,9O4 ủ nhiệt tại các nhiệt độ

600oC,800oC và 1100o

C trong 5 giờ Error! Bookmark not defined

Hình 3 4: Phổ hồng ngoại của hai mẫu NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 ủ ở nhiệt độ

600oC trong 5 giờ Error! Bookmark not defined

Hình 3 5: Ảnh SEM của hệ mẫu NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 chế tạo bằng phương pháp sol- gel ủ nhiệt tại 600oC trong 5 giờ Error! Bookmark not defined

Hình 3 6: Các đường từ độ của hệ mẫu NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 ở vùng trên nhiệt

độ phòng (từ 290 K đến 870 K) Error! Bookmark not defined

Hình 3 7: Các đường từ độ của hệ mẫu NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 ở vùng dưới

nhiệt độ phòng (từ 87 K đến 283 K) Error! Bookmark not defined

Hình 3 8: So sánh các đường từ độ của hai mẫu hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4

ở 88 K và 300 K Error! Bookmark not defined

Hình 3 9: Sự phụ thuộc của từ độ tự phát vào nhiệt độ của hệ mẫu NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 và ngoại suy theo hàm Bloch về 0 K Error! Bookmark not defined

Hình 3 10: Đường ZFC- FC của hệ mẫu NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 được đo ở từ

trường 100 Oe Error! Bookmark not defined

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 1: Hằng số mạng của một số pherit spinen 5 Bảng 1 2: Bán kính một số ion Error! Bookmark not defined Bảng 1 3: Tích phân trao đổi của một số vật liệu pherit spinen .10 Bảng 1 4:Từ độ bão hòa của một số pherit spinen ở 0 K và 293 K Error! Bookmark not defined.

Bảng 1 5: Nhiệt độ Curie và môn từ của một số pherit spinen tính theo mẫu Néel

và số đo mô men từ ở 0 K… ……… 13

Bảng 3 1: Hằng số mạng a và kích thước tinh thể trung bình dXRD của hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 tính từ giản đồ XRD Error! Bookmark not defined

Bảng 3 2: Mômen từ tự phát MS của các hạt nan đo tại88 K và 300 K, so sánh với

mẫu khối ở 300 K Error! Bookmark not defined

Bảng 3 3: Bề dày lớp mất trật tự t và mômen từ tự phát ở 0 K của các mẫu hạt nano

NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4 tính theo mẫu Néel và ngoại suy theo hàm Bloch từ các

giá trị thực nghiệm Error! Bookmark not defined

Bảng 3 4: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ khóa của các mẫu hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4, so sánh với mẫu khối Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU

Khoa học nano đã bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỉ trước và trong nhiều năm qua khoa học và công nghệ nano vẫn là một trong những lĩnh vực được ưu tiên nghiên cứu Rất nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại ra đời để phục vụ cho lĩnh vực này như: phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM),… Điều này đã và đang tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano và đưa hướng nghiên cứu vật liệu nano trở thành nhiệm vụ hàng đầu

Các loại vật liệu hạt nano như kim loại (Fe, Co, Ni), kim loại hợp kim (Fe- Cu) và oxit kim loại (Fe3O4, MnFe2O3, CoFe2O4, NiFe2O4) hiện đang được nghiên cứu nhiều nhất Trong khi hạt nano kim loại không ổn định trong điều kiện khí quyển thì các oxit kim loại có tính ổn đinh cao trong điều kiện môi trường xung quanh được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực như điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông cũng như y- sinh học và môi trường Phần lớn các ứng dụng đều khai thác ưu điểm kích thước hạt nhỏ, có tính chất siêu thuận từ và độ ổn định hóa học

Pherit niken (NiFe2O4) là vật liệu từ mềm có điện trở cao, tổn thất điện môi

và dòng dò thấp, độ ổn định hóa học cao Vật liệu này được biết đến với nhiều ứng dụng trong thực tế như dẫn truyền thuốc để điều trị ung thư, ứng dụng để tổng hợp

ra chất lỏng từ và sử dụng rộng rãi trong công nghệ ghi từ mật độ cao Ngoài ra pherit niken còn có từ giảo tương đối lớn nên thường được sử dụng để thu phát siêu

âm, làm các biến tử từ giảo Mỗi ứng dụng yêu cầu các hạt nano từ tính phải có những tính chất khác nhau Để thay đổi các tính chất điện, tính chất từ và cấu trúc của mẫu pherit niken nguyên chất người ta có thể đi theo hai hướng Hướng thứ nhất là lựa chọn công nghệ chế tạo mẫu phù hợp Hướng thứ hai được áp dụng

nhiều hơn và hiệu quả hơn đó là bằng cách pha tạp, thêm các ion phi từ tính hay có

từ tính vào trong pherit niken ta có thể chế tạo được các vật liệu pherit có tính chất như mong muốn

Sự pha tạp đất hiếm vào pherit niken có thể ảnh hưởng cấu trúc, tính chất từ

và tính chất điện của vật liệu Chẳng hạn như trở kháng, độ cứng cơ học và độ ổn định hóa học…của vật liệu Những thay đổi này có triển vọng ứng dụng trong truyền sóng điện từ cao tần và trong các thiết bị ghi quang từ

Trong khuôn khổ của luận văn này, tôi tiến hành tổng hợp hạt nano pherit spinen NiY0,1Fe1,9O4 bằng phương pháp sol- gel, nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Mẫu hạt nano pherit spinen

NiY0,1Fe1,9O4

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính

chất từ của hạt nano pherit spinen NiY0,1Fe1,9O4 chế tạo bằng phương pháp sol- gel

Phương pháp nghiên cứu:Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực

nghiệm kết hợp với phân tích số liệu dựa trên các mô hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm đã công bố Các mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng phương pháp sol-gel tại

viện ITIMS, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Bố cục của luận văn: Luận văn được trình bày trong 3 chương, 64 trang bao gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung, kết luận, cuối cùng là tài liệu tham khảo Cụ

thể cấu trúc của luận văn như sau:

Mở đầu: Mục đích và lý do chọn đề tài

Chương 1:Tổng quan về vật liệu pherit spinen Trong chương này tôi đã

trình bày tổng quan về cấu trúc và tính chất từ của pherit spinen dạng khối, nêu lên các tính chất đặc trưng của vật liệu khi có kích thước nanomet và một số ứng dụng điển hình của hạt nano pherit spinen

Chương 2: Thực nghiệm Chương này giới thiệu về phương pháp Sol- gel

chế tạo vật liệu có kích thước nanomet và các phương pháp thực nghiệm sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano chế tạo được

Chương 3:Kết quả và thảo luận

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 Nguyễn Hữu Đức (2003),Vật liệu từ liên kim loại NXB ĐHQG HN

2 Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học Spin,

NXB ĐHQG, Hà Nội

3 Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài (2008),Từ học và vật liệu từ NXB ĐHBK

HN

4 Nguyễn Thị Lan (2011),Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của pherit

spinen có kích thước nanomet Luận án tiến sĩ KHVL, ITIMS

5 Nguyễn Phú Thùy (2003),Vật lí các hiện tượng từ NXB ĐHQG HN

6 Đỗ Hoàng Tú (2014),Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của pherit Ni-Zn có

cấu trúc nano tinh thể chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa Luận văn

Thạc sĩ KHVL, ITIMS

Tiếng Anh

7 Ali I (2012),“Structural and magnetic properties of holmium substituted

cobalt ferrites synthesized by chemical co-precipitation method”, J

Magn Magn Mater., vol 324, pp 3773–3777, 2012

8 Al Angari Y M (2011),“Magnetic properties of La-substituted NiFe2O4 via

egg-white precursor route”, J Magn Magn Mater., vol 323, no 14, pp

1835–1839

9 Bharathi K and Markandeyulu G (2008),“Ferroelectric and ferromagnetic

properties of Gd substituted nickel ferrite”,J Appl Phys., vol 103, no 7

10 Bharathi K (2008) “Magnetocapacitance in Dy-doped Ni ferrite”, Phys

Rev B, vol 77, no 17

11 Bharathi K., Chelvane J A and Markandeyulu G (2009), “Magnetoelectric

properties of Gd and Nd-doped nickel ferrite”,J Magn Magn Mater.,

vol 321, p 3677

12 Bhosale A G., Chougule B K (2006), “ X- Ray, infrared and magnetic