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 thước 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 tương 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 tương tác trao đổi khác ……………………………… 34 Hình 3.11 Đồ thị phụ thuộc Nhiệt dung (C) vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 thông số tương tác trao đổi khác …………………….………… 35 Hình 3.12 Đồ thị phụ thuộc Độ cảm từ ( ) vào nhiệt độ hạt nano Fe98B2 thông số tương 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 CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP TÍNH 12 2.1 Phƣơng pháp Động lực học phân tử 12 2.2 Xây dựng mô hình hạt nano vỏ lõi FeB 16 2.3 Mô hình Ising 18 2.4 Các đặc trƣng từ hạt nano 22 2.4.1 Độ từ hóa (M) 22 2.4.2 Nhiệt độ Curier (TC) 23 2.4.3 Năng lƣợng (E) 23 2.4.4 Nhiệt dung (C) .23 2.4.5 Độ cảm từ (χ) .23 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Đặc trƣng vi cấu trúc 26 3.1.1 Hàm phân bố xuyên tâm .26 3.1.2 Phân bố số phối trí 27 3.1.3 Tinh thể hóa hạt nano vỏ-lõi 29 3.2 Đặc tính từ hạt nano vỏ-lõi 30 3.2.1 Ảnh hƣởng độ dày lớp vỏ vào đặc tính từ hạt nano .30 3.2.2 Ảnh hƣởng tƣơng tác trao đổi vào đặc tính từ hạt nano .34 3.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ hạt nano 36 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHỤ LỤC 42 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 định hiệu ứng bề mặt Khi kích thước 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 thước 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 hưởng tỷ lệ thông số tương 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 đường 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 tương quan nhiệt độ chuyển pha hệ với giá trị Jc/Jsh [2] Thêm vào có phụ thuộc lực kháng từ (HC) từ trường trao đổi (HEX) vào thay đổi kích thước lớp lõi Hoặc giữ nguyên độ dày lớp lõi thay đổi độ dày lớp vỏ có thay đổi theo HC HEX [3] Khi kích thước lớp lõi nhỏ, đóng góp chủ yếu vào đặc trưng từ spin lớp vỏ Khi kích thước lớp lõi tăng dẫn tới giảm dần HC Độ dày lớp vỏ ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị từ trường 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 trường từ tính hạt có bị ảnh hưởng thông số tương tác từ J c (tương tác spin lõi), Jsh (tương tác spin vỏ), Jsc (tương 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 trường 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 thước 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 trưng từ hạt nano vào tương 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 phương pháp mô cho hạt nano - Xây dựng mô hình hạt nano có kích thước 5000 nguyên tử nhiệt độ 300K 900K - Khảo sát từ tính hạt nano phương pháp mô - Khảo sát ảnh hưởng độ dày lớp vỏ, tương tác trao đổi nồng độ tinh thể hóa vào đặc trưng từ hạt nano Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương 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 tương tác trao đổi nồng độ tinh thể hóa thay đổi Cấu trúc luận văn Luận văn có cấu trúc sau: Mở đầu Chương Lý thuyết tổng quan hạt nano Chương Trình bày phương pháp động lực học phân tử, chương trình động lực học phân tử, xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2 phương pháp động lực học phân tử, mô từ tính hạt nano mô hình Ising Chương Kết thảo luận, khảo sát đặc trưng vi cấu trúc hạt nano vỏ-lõi Fe98B2, khảo sát ảnh hưởng độ dày lớp vỏ, tương 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 thước tính theo thang đo nanomet Trong năm gần đây, vật liệu nano (dưới gọi tắt hạt nano) trở thành đối tượng nghiên cứu chủ yếu nhiều nhà khoa học Tính chất hạt nano phụ thuộc vào kích thước chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thước tới hạn nhiều tính chất lý hóa vật liệu thông thường Phương pháp thực nghiệm chế tạo hạt chia làm ba loại sau: (1) phương pháp ngưng tụ hơi, (2) phương pháp hóa học, (3) Nghiền Bằng việc sử dụng kĩ thuật nêu trên, không chế tạo 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 Nhưng 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 trường 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 for(dd=0,i=0;i