Nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng của các ion pha tạp lên cấu trúc và các tính chất từ của yttri sắt ganet TT

MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, vật liệu pherit có cấu trúc nano thu hút quan tâm nghiên cứu với mục đích ứng dụng nhiều lĩnh vực thiết bị điện tử, cảm biến, xử lý mơi trường, y sinh học Trong đó, vật liệu pherit ganet với đặc tính tổn hao từ trễ nhỏ, điện trở suất nhiệt độ phòng cao ứng dụng nhiều linh kiện vi sóng Với đặc điểm có góc quay Faraday lớn nên pherit ganet thích hợp cho ứng dụng quang học, cảm biến từ spintronic Ngoài ra, với khả hấp thụ xạ hồng ngoại, pherit ganet cho thấy có ưu điểm so với vật liệu bán dẫn lĩnh vực cảm biến vi nhiệt Tuy vậy, để ứng dụng hiệu vật liệu pherit ganet thay cho vật liệu bán dẫn đòi hỏi phải giảm điện trở vật liệu nhiều bậc độ lớn giảm kích thước vật liệu xuống thang nanomet Những nghiên cứu ban đầu cho thấy ảnh hưởng kích thước hạt đến giá trị momen từ, nhiệt độ khóa, số dị hướng vật liệu Độ dẫn điện vật liệu thay đổi mạng tinh thể vật liệu xuất ion kim loại có trạng thái đa hóa trị vị trí tinh thể học tương đương Với cấu tạo gồm phân mạng sở ion kim loại ion oxy, xuất ion có trạng thái đa hóa trị bán kính ion lớn nhỏ vị trí ion kim loại pherit ganet gây nên cân điện tích làm thay đổi độ lớn tương tác ion phân mạng, phân mạng, dẫn đến tính chất vật liệu thay đổi (momen từ, nhiệt độ Curie, số dị hướng, độ dẫn điện, độ hấp thụ quang…) Trong ứng dụng cụ thể, yêu cầu tính chất vật liệu có khác biệt, ví dụ, ứng dụng trọng linh kiện vi sóng đòi hỏi giá trị momen từ vật liệu cao, tổn hao từ trễ thấp, điện trở suất lớn ứng dụng làm cảm biến vi nhiệt lại yêu cầu vật liệu có điện trở thấp, có khả hấp thụ hồng ngoại cao Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng ion kim loại pha tạp lên cấu trúc, tính chất vật liệu pherit ganet kích thước nanomet hay thay đổi phân bố cation phân mạng lên tính chất điện, tính chất từ, khả hấp thụ hạt nano pherit ganet quan trọng ứng dụng cụ thể vật liệu Vật liệu YIG lựa chọn đối tượng nghiên cứu với cấu trúc ba phân mạng ion, tương ứng với ba phân mạng từ, tương tác phân mạng pherit ganet lớn vùng nhiệt độ thấp, nhiên, Y3+ ion khơng có từ tính nên YIG có tương tác từ hai phân mạng ion Fe3+ Các ion pha tạp ion phi từ lựa chọn để thay vào hai vị trí tương ứng ion Fe3+ nhằm xác định phân bố cation, thay đổi độ lớn tương tác tính chất vật liệu thang nanomet Mục tiêu luận án: - Nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt pherit ganet YIG pherit ganet YIG thay ion không từ (Ca2+, V5+, In4+, Ce4+, Mg2+, Sn4+ ) vào phân mạng ion Fe3+ - Nghiên cứu phân bố cation mạng tinh thể hệ hạt nano pherit ganet đơn pha chế tạo phương pháp sol - gel kết hợp phân tích số liệu đo mơmen từ, phổ nhiễu xạ tia X thành phần hóa học - Kiểm chứng mơ hình lý thuyết Néel pherit ganet đưa lý giải ảnh hưởng phân bố ion lên mômen từ, nhiệt độ Curie, tương tác hạt Đối tượng nghiên cứu: - Hệ hạt ytri sắt ganet có thay ion kim loại không từ (Ca2+, V5+, In4+, Ce4+, Mg2+, Sn4+ ) vào vị trí phân mạng ion Fe3+ Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu thực luận án phương pháp thực nghiệm, đó, hệ hạt nano YIG pha tạp chế tạo phương pháp sol-gel đồng kết tủa Cấu trúc hình thái nghiên cứu qua giản đồ nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ synchrotron, ảnh hiển vi điện tử quét SEM Quá trình thay đổi theo nhiệt độ mẫu gel khảo sát qua giản đồ phân tích nhiệt Tính chất từ mẫu hạt khảo sát hệ từ kế mẫu rung VSM thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn SQUID Các tính tốn dựa thực nghiệm sử dụng phương pháp phân tích Rietvel, mơ hình trường phân tử để so sánh đánh giá, kết luận Bố cục luận án: Luận án trình bày chương, 126 trang, bao gồm hình vẽ đồ thị, bảng số liệu Cấu trúc cụ thể luận án sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan pherit ganet Chương 2: Các phương pháp chế tạo nghiên cứu Chương 3: Ảnh hưởng phương pháp chế tạo lên cấu trúc, kích thước hạt tính chất hệ hạt nano pherit ytri ganet Chương 4: Cấu trúc tính chất từ hạt nano Y3-2xCa2xFe5-xVxO12 Chương 5: Cấu trúc tính chất từ hạt nano Y3Fe5-xInxO12 Kết luận kiến nghị Danh mục cơng trình cơng bố liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHERIT GANET 1.1 Cấu trúc tinh thể pherit ganet Vật liệu pherit ganet thuộc họ ganet, có cơng thức đơn giản {R3}[Fe2](Fe3)O12, R chủ yếu ion thuộc nhóm đất Sm, Eu, Gd, Ho, Dy, Tb, Er, Tm, Yb, Lu Y Cấu trúc ganet bao gồm ion kim loại phân bố vị trí lỗ trống tạo thành ion oxy Trong đó, 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) Vị trí ion hình ảnh mô phân mạng ytri sắt ganet Y3Fe5O12 (YIG) minh họa Hình 1.1 Hình 1.1 Vị trí ion hình ảnh mơ phân mạng cấu trúc pherit ganet, FeO ion Fe vị trí tám mặt (octahedral) FeT ion Fe vị trí bốn mặt (tetrahedral) 1.2 Các tính chất từ pherit ganet 1.2.1 Mơmen từ Theo mẫu Neel, ion từ tính có hóa trị 2+, 3+ ganet ba vị trí 24d, 16a, 24c tạo thành ba phân mạng từ d, a c tương ứng Trật tự từ phân mạng pherit ganet mô tả sơ đồ Hình 1.2: Hình 1.2 Mơ hình trật tự từ phân mạng pherit ganet Mômen từ đơn vị cơng thức ganet viết dới dạng: 𝑀 = 3𝑀𝑅 − (3𝑀𝐹𝑒 − 2𝑀𝐹𝑒 ) Đối với YIG, Y khơng có mômen từ nên mômen từ YIG ion 𝑑 𝑎 Fe hai phân mạng d a định, hay 𝑀𝑌𝐼𝐺 = (𝑀𝐹𝑒 − 𝑀𝐹𝑒 ) Mômen từ YIG phụ thuộc nhiệt độ tuân theo định luật Curie – Weiss Hình 1.3 mơ tả mơmen từ bão hòa hai phân mạng a d YIG theo nhiệt độ, theo nghiên cứu Anderson Hiệu hai giá trị mômen từ giá trị mômen từ theo nhiệt độ YIG 3+ Hình 1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ giá trị mômen từ bão hịa phân mạng mơmen từ tổng YIG 1.2.2 Nhiệt độ bù trừ Ở vùng nhiệt độ lân cận K, trường hiệu dụng gây ion Fe3+ đủ mạnh để làm bão hịa mơmen từ tổng ion đất Điều dẫn đến mômen từ phân mạng đất Mc(0) 0K 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 Mc) Như qua điểm bù trừ có đảo hướng vectơ từ độ tổng MRIG 1.2.3 Lý thuyết trường phân tử pherit ganet Đối với Y3Fe5O12 tinh khiết, hệ số trường phân tử đưa Anderson Do hệ số trường phân tử có liên quan trực tiếp đến cường độ trường trao đổi, nên biện minh cho việc tăng cường độ thay khơng từ tính Kết là, có việc giảm độ lớn hệ số coi thực tế vật lý Rõ ràng chất thay bị giới hạn phân lớp khơng thể có phù hợp với thực nghiệm cách giảm cường độ Ndd Naa lúc, nhiệt độ Curie giảm mức dẫn đến tăng Nad Vì kết luận: (1) Coi gần đúng, thay phân mạng d làm giảm |𝑁𝑎𝑎 | mà không thay đổi |𝑁𝑎𝑑 |, ngược lại; (2) |𝑁𝑎𝑑 | giảm không phân biệt phân bố vị trí ion khơng từ tính Do đó, hai phân mạng chịu giảm trường phân tử qua liên kết trao đổi giảm mômen từ tổng Tuy nhiên, công thức (1.12), Naa Nad thay đổi giá trị thấp Dựa mơ hình lý thuyết số liệu thực nghiệm momen từ theo nhiệt độ ganet, Dionne xác định mối quan hệ hệ số trường phân tử hàm nồng độ pha tạp sau [10]: Ndd  -30.4(1 – 0.87ka) Naa  -65.0(1 – 1.26kd) Nad  Nda  +97.0(1 – 0.25ka – 0.38kd) (1 13) Với giới hạn pha loãng kd