Tìm hiểu cấu trúc và tính chất của các mẫu hạt nano

Công nghệ nano là một trong những công nghệ tiên tiến bậc nhất hiện nay. Vật liệu nano đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như y học, điện tử, may mặc, thực phẩm v.v... và vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu để tìm ra những ứng dụng mới. Trong số đó vật liệu nano từ đặc biệt là các hệ hạt pherit rất thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước cả về các tính chất cơ bản cũng như các khả năng ứng dụng của vật liêu. Khi đạt kích thước nanomet, các vật liệu này có những tính chất đặc biệt và ưu việt hơn so với vật liệu khối.

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 pherit ganet có phân mạng từ phân mạng tạo ion đất (phân mạng c) có mơmen từ đối song với hiệu mơmen 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 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 nguyên chất, lựa chọn công 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 nguyên 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 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 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, mơmen 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 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 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 khơng 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 24 c), 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) (b) Hình 1.1: (a) Vị trí ion hình ảnh mơ phân mạng cấu trúc pherit ganet (b) [15] Trong đơn vị pherit ganet có 24 vị trí lỗ trống 12 mặt, 16 vị trí lỗ trống mặt 24 vị trí lỗ trống mặt Vị trí lỗ trống 12 mặt (24c) lỗ trống lớn nhất, có cấu trúc trực thoi, thuộc nhóm khơng gian D2-222 Vị trí lỗ trống lớn thứ hai vị trí mặt (16a), có cấu trúc bát diện thuộc nhóm C3i-3 Vị trí nhỏ vị trí mặt (24d), có cấu trúc tứ diện thuộc nhóm S4-4 Theo bảng 1.1, khoảng cách ion Fe 3+ ion O2- phân mạng a d 2,01 1,87 Å nhỏ khoảng cách ion Y 3+ ion O2- (2,37 2,43 Å) Điều lý giải tương tác từ ion Fe 3+ với lớn so với tương tác khác ganet đất Bảng 1.1: Khoảng cách ion lân cận tinh thể pherit ytri ganet [14] Ion Ion Khoảng cách (Å) Y3+ (c) Fe3+ (a) 4Fe3+ (a) 3,46 6Fe3+ (d) 3,09; 3,79 8O2- 2,37 ; 2,43 2Y3+ 3,46 6Fe3+ 3,46 6O2- 2,01 6Y3+ Fe3+ (d 4Fe3+ 4Fe3+ 4O 2- 3,09 ; 3,79 3,46 3,79 1,87 Pherit ganet đất có số mạng giảm theo kích thước ion kim loại đất hiếm, có giá trị khoảng từ 12,283Å đến 12,529Å liệt theo bảng 1.2 Pherit có số mạng lớn nhỏ Sm 3Fe5O12 Lu3Fe5O12 Năm 1967 Geller thay phần ion kim loại đất (từ La 3+ đến Pm3+) nhận thấy số mạng pherit ganet đạt đến giá trị lớn 12,538 Å [15] Bảng 1.2: Bán kính ion đất số mạng pherit ganet Nguyên tố R Y tương ứng [26] Bán kính ion R3+ Hằng số mạng pherit R3Fe5O12 (Å) 1,015 (Å) 12,376 Sm Eu Gd T4 D Ho Er Tm Yb Lu2,3 1,09 1,07 1,06 12,529 12,498 12 12,436 1,04 12,405 1,03 1,02 1,00 0,99 0,98 12,375 12,347 12,323 0,97 12,283 Bên cạnh đó, ion Fe3+ vị trí lỗ trống mặt tám mặt thay phần hoàn toàn ion Al 3+, Ge4+, Ga3+, Ti4+, Co2+, Co3+, Sn4+ tùy thuộc vào bán kính ion thay kích thước lỗ trống, cân điện tích pherit ganet Việc thay ion đóng vai trò quan trọng việc nghiên cứu cấu trúc tính chất vật lý pherit ganet Bằng phương pháp pha tạp nguyên tố từ tính vào phân mạng khơng từ tính ngun tố phi từ vào phân mạng từ ganet, tính tốn tương tác trao đổi phân mạng, phân bố ion khai thác tính chất đặc biệt vật liệu Đây sở để nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liêu pherit ganet 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, mơmen từ ion Fe3+ phân mạng song song với nhau, mômen từ phân mạng a phân mạng d đối song Tương tác 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 mơ tả trật tự từ phân mạng pherit ganet: {R33+} [Fe3+] c a (c) (d – a) (Fe3+) d Hình 1.2: Mơ hình trật tự từ phân mạng pherit ganet Mômen từ phân tử ganet phụ thuộc nhiệt độ tính theo cơng thức: M (T)= 3MR(T) – [3MFe(T) – 2MFe(T)] (1.1) 3+ Đặc biệt YIG, Y khơng có từ tính nên mômen từ YIG ion Fe hai phân mạng d a định, hay MYIG(T) = MFed(T) - MFea(T) Mômen từ YIG phụ thuộc nhiệt độ tuân theo định luật Curie – Weiss [16] Trên hình 1.3 mơmen từ bão hòa hai phân mạng a d YIG theo nhiệt độ, theo nghiên cứu Anderson [7-8] Đường liền nét đường làm khớp giá trị thực nghiệm theo hàm Brillouin Hiệu hai giá trị mômen từ giá trị mơmen từ theo nhiệt độ YIG Hình 1.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ giá trị mômen từ tự phát phân mạng mômen từ tổng YIG [7-8] Các giá trị mômen từ Ms phụ thuộc nhiệt độ số pherit ganet đất biểu diễn hình 1.4 Theo hình này, dạng đường cong Ms(T) có hai dạng chính: - Dạng đường cong Weiss (với R = Y, Lu) - Dạng đường cong có điểm nhiệt độ bù trừ Tcomp (với R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) Tại Tcomp, mômen từ phân mạng c ngược dấu với hiệu mômen từ hai phân mạng Fe (d – a) Hình 1.4 Sự phụ thuộc nhiệt độ mơmen từ pherit ganet R3Fe5O12 Có thể nhận thấy, nhiệt độ thấp giá trị Ms pherit ganet đất lớn nhiều so với YIG, đóng góp mơmen 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 Một điều đáng nói ion đất phân mạng c có mơmen từ khác nhiệt độ Curie TC ganet tương ứng lại xấp xỉ vùng nhiệt độ 560 K Điều cho thấy tương tác ion Fe 3+ hai phân mạng d a đóng vai trò định tới giá trị TC ganet Sự chênh lệch giá trị TC vật liệu so với YIG thay đổi độ lớn ion R 3+ tạo nên khác biệt khoảng cách ion Fe3+ hai phân mạng a d Bảng 1.3 Giá trị mômen từ Ms, nhiệt độ Curie TC nhiệt độ bù trừ Tcomp số Pherit ganet pherit ganet [7-8] Ms (µB) TC Tcomp Y3Fe5O12 4K 300K 3.57 560 - Gd3Fe5O12 16 0,254 564 290 Ho3Fe5O12 15,2 1,67 558 137 Dy3Fe5O12 16,9 0,886 563 220 Tb3Fe5O12 18,2 0,683 568 244 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, mơmen từ tổng MRIG (Tcomp) = Ở 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 Như qua điểm bù trừ có đảo hướng vectơ từ độ tổng MRIG(T) tác dụng từ trường Một số nghiên cứu hợp chất R 3Fe5O12, lân cận điểm nhiệt độ bù trừ, đảo chiều vectơ từ độ tổng ảnh hưởng trình thuận xảy phân mạng đất hiếm, tính chất vật lý chúng thường biểu dị thường vùng nhiệt độ tượng đảo dấu từ giảo, hiệu ứng từ nhiệt xuất cực đại lực kháng từ [11-3] Các giá trị nhiệt độ bù trừ Tcomp số pherit ganet đất theo nghiên cứu trước liệt kê bảng 1.3, theo điểm bù trừ nhiệt độ phòng Hình 1.5 Sự phụ thuộc nhiệt độ mơmen 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 Fe3+ 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+ khơng có 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, thơng qua ion oxy gọi tương tác siêu trao đổi Theo mơ 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+ 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 Độ lớn tương tác siêu trao đổi phụ thuộc vào khoảng cách góc liên kết ion Fe3+ R3+ với ion O2- Tương tác có cường độ mạnh góc liên kết 1800 lúc xác suất xen phủ đám mây điện tử lớn Khi góc liên kết 90o, xác suất phủ đám mây điện tử d x2  y px nhỏ nên tương tác có cường độ nhỏ Bảng 1.4: Góc liên kết ion kim loại YIG [14] Ion Góc (o) Fe3+(a) – O2- – Fe3+ (d) 125,9 Fe3+(a) – O2- – Y3+ 102,8 Fe3+(a) – O2- – Y3+ Fe3+(d) – O2- – Y3+ 104,7 123,0 Fe3+(d) – O2- – Y3+ 92,2 Y3+ – O2- – Y3+ 104,7 10 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 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 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 34 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 mơ 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 Hình 3.7: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y2Gd1Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) 35 Hình 3.8: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y1,5Gd1,5Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) Hình 3.9: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y1Gd2Fe5O12 vùng nhiệt độ thấp (a) nhiệt độ cao (b) 36 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 mơmen tăng chậm theo từ trường ngồi Với từ trường tối đa thiết bị đo 10 kOe mơmen 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 37 Hình 3.11: Đường cong từ hóa mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 ( x= 1; 1,5;2; 2,5) nhiệt độ 88 K Ta thấy từ độ hệ mẫu tăng lên nồng độ Gd tăng Từ độ mẫu hạt pherit ganet tính theo cơng thức: uur uuu r uuur uuur M  Mc  Md  Ma   (3.2) Do nồng độ Gd phân mạng c tăng dẫn đến từ độ mẫu tăng theo Dựa vào đường cong từ nhiệt mẫu đo vùng nhiệt độ từ 88 K đến 600 K, giá trị mômen từ tự phát Ms nhiệt độ khác xác định điểm giao đường tuyến tính qua giá trị từ độ ứng với từ trường từ kOe đến 10 kOe với trục tung M Các giá trị Ms mẫu hạt nano 38 Y3-xGdxFe5O12 nhiệt độ 88 K bảng 3.2 Bảng 3.2: Mômen từ Ms mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 ( x =1; 1,5; 2; 2,5) nhiệt độ 88 K x Ms (emu/g) 88 K 1,5 2,5 4,58 9,41 17,29 30,74 3.2.2 Nhiệt độ Curie 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 Nhưng thay đổi nồng độ Gd pha tạp nhiệt độ Curie mẫu thay đổi không đáng kể Điều lý giải nhiệt độ TC mẫu định tương tác ion Fe3+ phân mạng d a Viêc tăng nồng độ Gd pha tạp làm cho khoảng cách ion Fe 3+ phân mạng d a thay đổi, dẫn đến mẫu có nhiệt độ Curie khác không đáng kể 39 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: Mơmen 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 khơng Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ Ms lại tăng lên cuối trở không nhiệt độ Curie (trạng thái thuận từ) Điều ion Gd3+ thay ion Y3+ phân mạng c tạo thành ba phân mạng từ tinh thể Y3-xGdxFe5O12 Ở vùng nhiệt độ thấp mômen từ phân mạng c lớn hiệu mômen từ hai phân mạng d a Nhưng do, giảm theo nhiệt độ mômen từ phân mạng c nhanh so với phân mạng a d làm xuất nhiệt độ bù trừ Tcomp Nhiệt độ bù trừ xác định giao điểm hai đường tiếp tuyến đồ thị Ms(T) nhiệt độ mômen từ tự phát giảm thấp nhiệt độ Ms bắt đầu tăng trở lại vùng nhiệt độ thấp Nhiệt độ 40 Curie TC nhiệt độ bù trừ T comp mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3) liệt kê bảng 3.3 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 Theo kết tính tốn bảng 3.3, nồng độ Gd pha tạp tăng nhiệt độ bù trừ mẫu tăng lên từ 80 K đến 290 K (tương ứng với x = x = 2,5) Điều mômen từ phân mạng c thay đổi tăng nồng độ Gd pha tạp Đối với mẫu hạt nano YIG có phân mạng từ ion Y 3+ khơng có từ tính nên từ độ tính theo cơng thức: uur uuur uuur M  Md  Ma (3.3) Từ cơng thức (3.2) (3.3) ta tính từ độ phân mạng c theo công thức: uur uur uur uur M c  M  (M d  M a ) (3.4) Dựa số liệu Ms(T) mẫu chứa Gd mẫu Y 3Fe5O12 ta xác định từ độ của phân mạng đất thao công thức (3.4) với giả thiết từ độ phân mạng Fe không thay đổi nhiều thay Gd cho Y 41 M c (emu/cm ) 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) Đồ thị hình 3.13 cho thấy từ độ phân mạng c tăng theo nồng độ Gd pha tạp ion Y3+ 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 42 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 khơng có 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 cơng nghệ chế tạo đến phân bố ion, tính chất từ nội vai trò tương tác hạt lên tính chất từ hệ 43 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), 44 “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 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 45 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 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 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 1.1.2 Tính chất từ 46 1.1.2.1 Mô men từ nhiệt độ Curie 1.1.2.2 Nhiệt độ bù trừ Tcomp 1.1.2.3 Tương tác siêu trao đổi 10 1.2 Tính chất từ hạt nano pherit ganet 12 1.2.1 Dị hướng từ bề mặt mơ hình lõi vỏ .12 1.2.2 Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch 13 1.2.3 Lực kháng từ phụ thuộc kích thước hạt 15 1.2.4 Tính chất siêu thuận từ 17 1.3 Một số ứng dụng pherit ganet .20 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 23 2.1 Phương pháp chế tạo hạt nano Y3-xGdxFe5O12 .23 2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc tính chất từ 26 2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt DTA-TGA 26 2.2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR .27 2.2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 28 2.2.4 Ảnh hiển vi điện tử quét .30 2.2.5 Phương pháp đo tính chất từ từ kế mẫu rung 30 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .31 3.1.Cấu trúc hạt nano Y3-xGdxFe5O12 31 3.1.1 Giản đồ phân tích nhiệt 31 3.1.2 Kết đo nhiễu xạ tia X 32 3.1.2 Kết phân tích ảnh FESEM 34 3.1.3 Kết phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR 36 3.2 Tính chất từ hạt nano Y3-xGdxFe5O12 .37 47 3.2.1 Từ độ 37 3.2.2 Nhiệt độ Curie .41 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 48 ... NGHIỆM 2.1 Phương pháp chế tạo hạt nano Y3-xGdxFe5O12 Tính chất hạt nano từ tính khơng phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc tinh thể, chất liên kết mà phụ thuộc vào phương pháp, quy trình thơng... 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 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT GANET 1.1 Cấu trúc tinh thể tính. .. 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 11 Hình 1.6: Mơ hình lõi vỏ hạt nano Trên bề mặt hạt nano từ,