DSpace at VNU: Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Xuân Hoàng CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC MẪU HẠT NANO Y3-xGdxFe5O12 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Xn Hồng CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC MẪU HẠT NANO Y3-xGdxFe5O12 Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Phúc Dƣơng GS.TS Lƣu Tuấn Tài Hà Nội - 2015 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 ngồi 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 pherit ganet có phân mạng từ phân mạng tạo ion đất (phân mạng c) có mơmen từ đối song với hiệu mômen từ hai phân mạng ion Fe( phân mạng a d) Tương tác ion phân mạng định tính chất từ vật liệu Sự phụ thuộc khác theo nhiệt độ mômen từ phân mạng pherit ganet dẫn đến tượng triệt tiêu mômen từ tổng hợp chất nhiệt độ xác định (nhiệt độ bù trừ) nhiệt độ Curie Vật liệu pherit ganet có điện trở suất cao, tổn thất điện mơi dòng dò thấp, độ ổn định hóa học cao Vật liệu biết đến với nhiều ứng dụng thực tế chế tạo linh kiện cao tần, linh kiện truyền dẫn tín hiệu, dẫn truyền thuốc, nhiệt trị ung thư, ứng dụng để tổng hợp chất lỏng từ sử dụng rộng rãi công nghệ ghi từ mật độ cao[20-28]… Mỗi ứng dụng u cầu hạt nano từ tính phải có tính chất khác Để thay đổi tính chất điện, tính chất từ cấu trúc mẫu pherit ganet ngun chất, lựa chọn cơng nghệ chế tạo mẫu phù hợp hay tiến hành pha tạp ion phi từ tính hay có từ tính vào pherit ganet ta chế tạo vật liệu pherit có tính chất mong muốn Vật liệu Ytri ganet sắt có hai phân mạng từ Ytri ngun tố khơng có 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 Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học 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 tƣợng nghiên cứu luận văn: Các mẫu hạt nano pherit ganet Y3xGdxFe5O12 (x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) tổng hợp phương pháp sol-gel Mục tiêu nghiên cứu luận văn: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể tính chất từ hạt nano pherit ganet Y3-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 Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận văn tiến hành phương pháp thực nghiệm kết hợp với phân tích số liệu dựa mơ 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 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 CHƢƠNG 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 Oh10 – Ia3d [7-8] Một ô đơn vị pherit ganet chứa đơn vị công thức {R3}[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 mơ phân mạng cấu trúc pherit ganet (a) Trần Xuân Hoàng (b) 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 Jrez-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 Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học 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, 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 Luận văn thạc sĩ khoa học 21 P Vaqueiro, M A López-Quintela, J Rivas and J M Greneche (1997), “Annealing dependence of magnetic properties in nanostructured particles of yttrium iron garnet prepared by citrate gel process”, J Mag.Mag Mats, vol 169, p 56–68 22 R D Sánchez, C A Ramos, J Rivas, P Vaqueiro and M A LópezQuintelaz (2004), “Ferromagnetic resonance and magnetic properties of single- domain particles of Y3Fe5O12 prepared by sol – gel method”, Phys B, vol 354, p 104– 107 23 R D Sánchez, J Rivas, P Vaqueiro, M A López-Quintela and D Caeiro (2002), “Particle size effects on magnetic properties of yttrium iron garnets prepared by a sol–gel method,” J Magn Magn Mater., vol 247, no 1, p 92–98 24 R H Kodama and A E Berkowitz (1999), “Atomic scale magnetic modeling of oxide nanoparticles”, Phys Rev B, vol 59, p 6321–6356 25 S Geller and M A Gilleo (1957), “The crystal structure and ferrimagnetism of yttrium-iron garnet, Y3Fe3(FeO4 )3”, J Phys Chem Solids, vol 3, no 1–2, p 30–36 26 S Geller (1967), “Crystal chemistry of the garnets”, Z Krist., vol 125, p 1– 47 27 T Numazawa, K Kamiya, S Yoshioka, H Nakagome and K Matsumoto (2008), “Development of a magnetic refrigerator for hydrogen liqufaction,” AIP Conf.Proc., vol 985, no 1, p 1183–1189 28 T Okuda, T Katayama, H Kobayashi, and N Kobayashi (1990), “Magnetic properties of Bi3Fe5O12 garnet,” J Appl Phys., vol 67, p 4944 29 Y Hakuraku and H Ogata (1986), “A rotary magnetic refrigerator for superfluid helium production,” J Appl Phys., vol 60, no 9, p 3266 Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 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 1.1.2 Tính chất từ Error! Bookmark not defined 1.1.2.1 Mô men từ nhiệt độ Curie Error! Bookmark not defined 1.1.2.2 Nhiệt độ bù trừ Tcomp Error! Bookmark not defined 1.1.2.3 Tƣơng tác siêu trao đổi Error! Bookmark not defined 1.2 Tính chất từ hạt nano pherit ganet Error! Bookmark not defined 1.2.1 Dị hƣớng từ bề mặt mơ hình lõi vỏ Error! Bookmark not defined 1.2.2 Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch.Error! Bookmark not defined 1.2.3 Lực kháng từ phụ thuộc kích thƣớc hạt.Error! Bookmark not defined 1.2.4 Tính chất siêu thuận từ Error! Bookmark not defined 1.3 Một số ứng dụng pherit ganet Error! Bookmark not defined CHƢƠNG THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Phƣơng pháp chế tạo hạt nano Y3-xGdxFe5O12 Error! Bookmark not defined 2.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc tính chất từ.Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phƣơng pháp phân tích nhiệt DTA-TGAError! Bookmark not defined 2.2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR Error! Bookmark not defined 2.2.3 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 2.2.4 Ảnh hiển vi điện tử quét Error! Bookmark not defined 2.2.5 Phƣơng pháp đo tính chất từ từ kế mẫu rungError! Bookmark not defined Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1.Cấu trúc hạt nano Y3-xGdxFe5O12 Error! Bookmark not defined 3.1.1 Giản đồ phân tích nhiệt Error! Bookmark not defined 3.1.2 Kết đo nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 3.1.2 Kết phân tích ảnh FESEM Error! Bookmark not defined 3.1.3 Kết phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR.Error! Bookmark not define 3.2 Tính chất từ hạt nano Y3-xGdxFe5O12 Error! Bookmark not defined 3.2.1 Từ độ Error! Bookmark not defined 3.2.2 Nhiệt độ Curie Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: (a) Vị trí ion hình ảnh mơ phân mạng cấu trúc pherit ganet (b) Hình 1.2: Mơ hình trật tự từ phân mạng pherit ganet Hình 1.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ giá trị mômen từ tự phát phân mạng mômen từ tổng YIG Hình 1.4 Sự phụ thuộc nhiệt độ mơmen từ pherit ganet R3Fe5O12 Hình 1.5 Sự phụ thuộc nhiệt độ mơmen từ bão hòa ba phân mạng Gd3Fe5O12 10 Hình 1.6: Mơ hình lõi vỏ hạt nano 12 Hình 1.7: Mơmen 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 13 Hình 1.8 Mơmen từ bão hòa phụ thuộc nhiệt độ hạt YIG chế tạo phương pháp sol-gel so sánh với mẫu khối 14 Hình 1.9: Sự phụ thuộc lực kháng từ vào kích thước hạt (a) đường cong từ trễ tương ứng với kích thước hạt (b) Đường cong từ trễ hạt siêu thuận từ khơng có tượng trễ từ (đi qua gốc tọa độ) Đường cong từ trễ hạt có kích thước đơn đơmen DC có lực kháng từ lớn (đường trễ lớn ngồi cùng) Các hạt đa đơmen có đường trễ đường màu xanh 15 Hình 1.10: Lực kháng từ HC phụ thuộc kích thước hạt D hạt nano 16 Hình 1.11: Cơ chế đảo từ hạt từ nhỏ 17 Hình 1.12: Đường cong FC ZFC hạt YIG kích thước 45, 65 95 nm chế tạo phương pháp sol-gel 19 Hình 2.1: Quy trình chế tạo hạt nano pherit ganet phương pháp sol-gel 24 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel YIG 30 Trần Xuân Hoàng Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 chế tạo phương pháp sol – gel (x = 0;1;1.5;2;2.5;3) 32 Hình 3.3: Ảnh FESEM mẫu hạt Y2GdFe5O12 34 Hình 3.4: Ảnh FESEM mẫu hạt Y1Gd2Fe5O12 34 Hình 3.5: Phổ hồng ngoại mẫu hạt nano Y2Gd1Fe5O12 Hình nhỏ mơ tả phổ hồng ngoại mẫu dải số sóng từ 400 – 600 cm-1 35 Hình 3.6: Phổ hồng ngoại mẫu hạt nano Y2,5Gd0,5Fe5O12 Hình nhỏ mơ tả phổ hồng ngoại mẫu dải số sóng 400 – 600 cm-1 35 Hình 3.7: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y2Gd1Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) 36 Hình 3.8: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y1,5Gd1,5Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) 37 Hình 3.9: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y1Gd2Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) 37 Hình 3.10: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y0,5Gd2,5Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) 38 Hình 3.11: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 ( x= 1; 1,5;2; 2,5) nhiệt độ 88 K 39 Hình 3.12: Mơmen từ tự phát Ms phụ thuộc nhiệt độ mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3) 41 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) 43 Trần Xuân Hoàng 10 Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Khoảng cách ion lân cận tinh thể pherit ytri ganet Bảng 1.2: Bán kính ion đất số mạng pherit ganet tương ứng Bảng 1.3 Giá trị mômen từ Ms, nhiệt độ Curie TC nhiệt độ bù trừ Tcomp số pherit ganet Bảng 1.4: Góc liên kết ion kim loại YIG 11 Bảng 3.1: Hằng số mạng a kích thước tinh thể trung bình D mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) 33 Bảng 3.2: Mômen từ Ms mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 ( x =1; 1,5; 2; 2,5) nhiệt độ 88 K 40 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) 42 Trần Xuân Hoàng 11 ... tổng hợp chất lỏng từ sử dụng rộng rãi công nghệ ghi từ mật độ cao[20-28]… Mỗi ứng dụng yêu cầu hạt nano từ tính phải có tính chất khác Để thay đổi tính chất điện, tính chất từ cấu trúc mẫu pherit... GANET 1.1 Cấu trúc tinh thể tính chất từ vật liệu pherit ganet dạng khối 1.1.1 .Cấu trúc tinh thể 1.1.2 Tính chất từ Error! Bookmark not defined 1.1.2.1 Mô men từ nhiệt độ... luận văn: Các mẫu hạt nano pherit ganet Y3xGdxFe5O12 (x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) tổng hợp phương pháp sol-gel Mục tiêu nghiên cứu luận văn: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể tính chất từ hạt nano pherit