Khóa luận tốt nghiệp tính chất thuận từ của kim cương tinh thể bị chiếu xạ neutron và ủ ở nhiệt độ và áp suất cao

A. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Kim cương từ lâu đã được biết đến như một loại trang sức đắt giá bởi sự quý hiếm và vẻ ngoài lôi cuốn. Bên cạnh giá trị trang sức, kim cương còn sở hữu nhiều tính chất vật lý đặc biệt: độ cứng cao nhất, độ dẫn nhiệt tốt nhất, bền ở nhiệt độ cao và áp suất cao, trơ về mặt hóa học... Những đặc tính đó của kim cương chỉ được ứng dụng vào khoa học kỹ thuật phục vụ cuộc sống nhờ sự ra đời của kim cương nhân tạo. Giá thành cao là một trong những nguyên nhân hạn chế việc sử dụng kim cương rộng rãi. Vì thế, các phương pháp xử lý vật liệu sau khi sử dụng đóng vai trò quan trọng giúp tiết kiệm chi phí chế tạo kim cương. Kim cương sau khi xử lý có thể được tái sử dụng cho những mục đích phù hợp. Trong thực tế, kim cương đã được sử dụng làm vật liệu bảo vệ hoặc vật liệu hoạt động trong những thiết bị làm việc ở môi trường có liều lượng bức xạ cao. Vì vậy, nghiên cứu những biến đổi xảy ra trong tinh thể kim cương trong quá trình chiếu xạ và ủ nhiệt ở các chế độ khác nhau (nhiệt độ, áp suất, môi trường) là vấn đề quan trọng được đặt ra nhằm xác định được chế độ xử lý thích hợp, cho phép tiếp tục sử dụng kim cương sau xử lý. Những biến đổi xảy ra bên trong tinh thể trong quá trình chiếu xạ và ủ nhiệt có thể được nghiên cứu bởi phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử nhờ độ nhạy cao của tín hiệu EPR đối với những biến đổi cục bộ trong tinh thể. Khi nghiên cứu một loại vật liệu nào đó, con người thường bắt đầu từ việc nghiên cứu các tinh thể tự nhiên (được hình thành trong tự nhiên). Những hiểu biết về tinh thể tự nhiên cung cấp những cơ sở đầu tiên để tổng hợp và nghiên cứu tinh thể nhân tạo. Những kết quả thu được đối với tinh thể tự nhiên có thể được xem là cơ sở gốc để so sánh và dựa vào đó điều chỉnh các nghiên cứu đối với tinh thể nhân tạo. Đối với kim cương, kim cương tự nhiên loại IIa chính là một lựa chọn phù hợp cho mục đích đó. Chính vì vậy, trên cơ sở những phân tích trên, tôi đã chọn đề tài “Khóa luận tốt nghiệp tính chất thuận từ của kim cương tinh thể bị chiếu xạ neutron và ủ ở nhiệt độ và áp suất cao” cho khóa luận tốt nghiệp của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Tiến hành đề tài này, tôi nhằm đạt được mục tiêu sau đây: - Tìm hiểu về các phương pháp cơ bản tổng hợp kim cương; cấu trúc và một số tâm thuận từ phổ biến trong kim cương; sự bền bức xạ của kim cương - Tìm hiểu về cơ sở lí thuyết của phương pháp EPR. - Phân tích phổ cộng hưởng thuận từ của mẫu kim cương tự nhiên sau khi chiếu xạ neutron và sau khi ủ. Từ đó xác định chế độ ủ cho phép dẫn tới sự phục hồi của mẫu kim cương bị chiếu xạ trong quá trình ủ. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các tính chất thuận từ, tập trung phân tích tín hiệu EPR đo được. - Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu là các hạt kim cương tự nhiên 4. Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp phân tích và tổng hợp và hệ thống hóa lý thuyết. + Phương pháp thực nghiệm khoa học – phân tích phổ thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu - Phân tích được phổ cộng hưởng thuận từ của kim cương tự nhiên để rút ra được các đặc điểm của hệ thuận từ trong các mẫu đó, thấy được sự biến đổi của chúng trong quá trình ủ. - Giúp sinh viên hiểu sâu sắc hơn một số lý thuyết đã được học trong học phần Cơ học lượng tử, Vật lý chất rắn... của chương trình đào tạo và có kinh nghiệm làm nghiên cứu khoa học. - Đề tài là tài liệu tham khảo cho sinh viên và giảng viên ngành vật lý muốn tiếp cận phương pháp EPR. 6. Cấu trúc của khóa luận: gồm 3 chương + Chương 1: Tổng quan lý thuyết. Chương này tìm hiểu về các phương pháp tổng hợp kim cương, phân loại kim cương, các tâm thuận từ của kim cương, sự bền bức xạ của kim cương và tổng quan cơ sở lý thuyết của phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử. + Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm. Chương này để cập đến các thiết bị thực nghiệm, mẫu đo được sử dụng trong đề tài. + Chương 3: Kết quả và thảo luận. Trong chương này phổ thực nghiệm EPR của kim cương tự nhiên bị chiếu xạ bởi neutron và ủ ở nhiệt độ 1000 oC dưới các áp suất: 3,5GPa ; 7GPa và 9GPa được phân tích và thảo luận, kết luận.

i TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN - - ĐỒN PHƯƠNG LAN TÍNH CHẤT THUẬN TỪ CỦA KIM CƯƠNG TINH THỂ BỊ CHIẾU XẠ NEUTRON VÀ Ủ Ở NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ HỆ ĐÀO TẠO: CHÍNH QUY KHĨA HỌC: 2016 – 2020 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THỊ THANH BÌNH QUẢNG BÌNH, NĂM 2020 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến giáo – TS Nguyễn Thị Thanh Bình người truyền cho em cảm hứng học tập nghiên cứu khoa học, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin bày tỏ lịng cảm ơn đến giáo – Ths Trần Ngọc Bích – giáo chủ nhiệm dẫn, giúp đỡ cho em Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo trường Đại học Quảng Bình, khoa Khoa học thầy tổ Vật lí ln tạo điểu kiện giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thành khóa luận tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Đại học sư phạm Vật Lí-K58- Trường Đại học Quảng Bình động viên tinh thần giúp đỡ em nhiều suốt thời gian học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Em kính chúc q thầy giáo, giáo, gia đình bạn bè sức khỏe thành cơng! Quảng Bình, tháng năm 2020 Sinh viên Đoàn Phương Lan MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT A MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Cấu trúc khóa luận: gồm chương B NỘI DUNG .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng hợp kim cương 1.2 Phân loại kim cương .7 1.3 Cấu trúc kim cương Một số tâm thuận từ kim cương 1.3.1 Cấu trúc kim cương 1.3.2 Một số tâm thuận từ kim cương 1.4 Sự bền xạ kim cương 12 1.5 Ủ nhiệt tái cấu trúc tinh thể 14 1.6 Cơ sở lý thuyết cộng hưởng thuận từ điện tử .14 1.6.1 Electron từ trường 14 1.6.2 Cộng hưởng thuận từ điện tử 16 1.6.3 Độ hoàn thiện cấu trúc tinh thể phổ cộng hưởng thuận từ EPR 18 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 20 2.1 Thiết bị thực nghiệm 20 2.2 Mẫu đo 20 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Phổ cộng hưởng thuận từ hạt kim cương tự nhiên trước sau bị chiếu xạ neutron 21 3.2 Phổ cộng hưởng thuận từ kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ ủ nhiệt độ 1000oC áp suất khác .22 C KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Giản đồ pha cacbon Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn máy vành đai (belt apparatus) tổng hợp kim cương phương pháp HPHT Hình 1.3 Sơ đồ mơ tả q trình tổng hợp kim cương phương pháp lắng đọng hoá học từ pha Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.5 Tâm C Hình 1.6 Tâm A Hình 1.7 Tâm P2 .10 Hình 1.8 Tâm NV .10 Hình 1.9 Liên kết lơ lửng tâm S1 11 Hình 1.10 Sai hỏng dạng hai nút khuyết 11 Hình 1.11 Các sai hỏng dạng nhóm nút khuyết với 9, 11 13 nút khuyết 12 Hình 1.12 Sự tách mức lượng electron phụ thuộc vào từ trường B 16 Hình 1.13 Quy tắc lọc lựa 17 Hình 3.1 Phổ tín hiệu kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron .21 Hình 3.2 Phổ tín hiệu EPR kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000oC áp suất 3,5GPa .22 Hình 3.3 Các mạch graphite (nhìn theo hướng khác nhau) 23 Hình 3.4 Phổ tín hiệu EPR kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ ủ nhiệt độ 1000oC áp suất 7GPa 23 Hình 3.5 Phổ tín hiệu EPR kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000oC áp suất 9GPa .24 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Các thông số kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000oC áp suất khác .22 DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT Ký hiệu CVD EPR HPHT Tiếng Anh Chemical Vapor Deposition Electron Paramagnetic Resonance High pressure high temperature Tiếng Việt Lắng đọng hóa học Cộng hưởng thuận từ điện tử Phương pháp dùng nhiệt độ áp suất cao A MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Kim cương từ lâu biết đến loại trang sức đắt giá quý vẻ ngồi lơi Bên cạnh giá trị trang sức, kim cương cịn sở hữu nhiều tính chất vật lý đặc biệt: độ cứng cao nhất, độ dẫn nhiệt tốt nhất, bền nhiệt độ cao áp suất cao, trơ mặt hóa học Những đặc tính kim cương ứng dụng vào khoa học kỹ thuật phục vụ sống nhờ đời kim cương nhân tạo Giá thành cao nguyên nhân hạn chế việc sử dụng kim cương rộng rãi Vì thế, phương pháp xử lý vật liệu sau sử dụng đóng vai trị quan trọng giúp tiết kiệm chi phí chế tạo kim cương Kim cương sau xử lý tái sử dụng cho mục đích phù hợp Trong thực tế, kim cương sử dụng làm vật liệu bảo vệ vật liệu hoạt động thiết bị làm việc mơi trường có liều lượng xạ cao Vì vậy, nghiên cứu biến đổi xảy tinh thể kim cương trình chiếu xạ ủ nhiệt chế độ khác (nhiệt độ, áp suất, môi trường) vấn đề quan trọng đặt nhằm xác định chế độ xử lý thích hợp, cho phép tiếp tục sử dụng kim cương sau xử lý Những biến đổi xảy bên tinh thể trình chiếu xạ ủ nhiệt nghiên cứu phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử nhờ độ nhạy cao tín hiệu EPR biến đổi cục tinh thể Khi nghiên cứu loại vật liệu đó, người thường việc nghiên cứu tinh thể tự nhiên (được hình thành tự nhiên) Những hiểu biết tinh thể tự nhiên cung cấp sở để tổng hợp nghiên cứu tinh thể nhân tạo Những kết thu tinh thể tự nhiên xem sở gốc để so sánh dựa vào điều chỉnh nghiên cứu tinh thể nhân tạo Đối với kim cương, kim cương tự nhiên loại IIa lựa chọn phù hợp cho mục đích Chính vậy, sở phân tích trên, tơi chọn đề tài “Khóa luận tốt nghiệp tính chất thuận từ kim cương tinh thể bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ áp suất cao” cho khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu nghiên cứu Tiến hành đề tài này, nhằm đạt mục tiêu sau đây: - Tìm hiểu phương pháp tổng hợp kim cương; cấu trúc số tâm thuận từ phổ biến kim cương; bền xạ kim cương - Tìm hiểu sở lí thuyết phương pháp EPR - Phân tích phổ cộng hưởng thuận từ mẫu kim cương tự nhiên sau chiếu xạ neutron sau ủ Từ xác định chế độ ủ cho phép dẫn tới phục hồi mẫu kim cương bị chiếu xạ trình ủ Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu đề tài tính chất thuận từ, tập trung phân tích tín hiệu EPR đo - Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu hạt kim cương tự nhiên Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp phân tích tổng hợp hệ thống hóa lý thuyết + Phương pháp thực nghiệm khoa học – phân tích phổ thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu - Phân tích phổ cộng hưởng thuận từ kim cương tự nhiên để rút đặc điểm hệ thuận từ mẫu đó, thấy biến đổi chúng trình ủ - Giúp sinh viên hiểu sâu sắc số lý thuyết học học phần Cơ học lượng tử, Vật lý chất rắn chương trình đào tạo có kinh nghiệm làm nghiên cứu khoa học - Đề tài tài liệu tham khảo cho sinh viên giảng viên ngành vật lý muốn tiếp cận phương pháp EPR Cấu trúc khóa luận: gồm chương + Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương tìm hiểu phương pháp tổng hợp kim cương, phân loại kim cương, tâm thuận từ kim cương, bền xạ kim cương tổng quan sở lý thuyết phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử + Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm Chương để cập đến thiết bị thực nghiệm, mẫu đo sử dụng đề tài + Chương 3: Kết thảo luận Trong chương phổ thực nghiệm EPR kim cương tự nhiên bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000 oC áp suất: 3,5GPa ; 7GPa 9GPa phân tích thảo luận, kết luận Khi lưỡng cực từ nằm từ trường B chịu momen lực  × B tác dụng làm lưỡng cực từ hướng song song với từ trường Năng lượng liên hệ với momen lực là: (1.3) Nên Hamiltonian hạt tích điện có momen từ spin từ trường B viết dạng: , B độ lớn vectơ Đối với electron có spin ½ nằm n từ trường đồng hướng theo trục z, Hamiltonian là: Trạng thái α với ms=1/2 có lượng Eα = , hình chiếu momen động lượng spin theo phương z hướng với hướng từ trường cịn hình chiếu momen từ spin theo phương z ngược hướng với hướng từ trường; trạng thái β với ms=-1/2 có lượng Eβ = , hình chiếu momen động lượng spin theo phương z ngược hướng với hướng từ trường cịn hình chiếu momen từ spin theo phương z hướng với hướng từ trường, trạng thái có lượng thấp Các mức lượng cách giá trị: ΔE = [7] Rõ ràng tách mức lượng tỉ lệ thuận với giá trị từ trường ngồi B: Hình 1.12 Sự tách mức lượng electron phụ thuộc vào từ trường B 1.6.2 Cộng hưởng thuận từ điện tử 16 Một mẫu chất thuận từ nằm từ trường ngồi có khả hấp thụ sóng điện từ chiếu tới Sự hấp thụ có tính lọc lựa hấp thụ xảy giá trị từ trường ngồi tần số sóng điện từ đạt tỉ lệ xác định Theo quy tắc lọc lựa lượng tử, chuyển, giá trị số lượng tử từ thay đổi lượng Δm =0, ±1 phép (H1.13) [7,8,9] Nhờ trường điện từ B1 với tần số f phù hợp người ta kích thích chuyển điện tử hai trạng thái α β (hai trạng thái có |Δm| = 1): ΔE = hf = gμBB Hình 1.13 Quy tắc lọc lựa Và tượng phát gọi cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR) Phương pháp nghiên cứu vật chất dựa tượng cộng hưởng thuận từ điện tử gọi phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR) Phương pháp EPR sử dụng rộng rãi vật lý, hóa học, sinh học y học, khoa học vật liệu… EPR kỹ thuật áp dụng với hệ trạng thái thuận từ (hoặc đưa trạng thái thuận từ) Đó trạng thái có momen động lượng (thường momen động lượng spin) điện tử tổng cộng khác không Các hệ tiêu biểu nghiên cứu kỹ thuật EPR liệt kê [7]: 17 Các góc tự (free radical) chất rắn, chất lỏng, chất khí Đó ngun tử, phân tử, ion có chứa electron khơng ghép đơi (trừ ion nguyên tổ chuyển tiếp, sai hỏng vật rắn) Các ion nguyên tố chuyển tiếp, chúng chứa đến ion không ghép đôi Các sai hỏng điểm vật rắn (các sai hỏng cục với spin điện tử phân bố vài nguyên tử) Các hệ với nhiều electron không ghép đôi Hệ với electron dẫn 1.6.3 Độ hoàn thiện cấu trúc tinh thể phổ cộng hưởng thuận từ EPR Phổ tín hiệu EPR vật liệu mơ tả hình dạng cường độ vạch phổ, thơng qua phản ánh đặc tính tương ứng vật liệu Ngồi thơng số đặc biệt quang phổ cấu trúc phổ, độ rộng phổ có liên quan đến cấu trúc phân tử Ở đây, nói đến trường hợp vật liệu tinh thể không chứa electron dẫn Sử dụng kỹ thuật EPR cho phép nghiên cứu độ hoàn thiện cấu trúc trình biến đổi cấu trúc tinh thể điện mơi bị chiếu xạ Tín hiệu EPR khơng đo tinh thể điện mơi có cấu trúc hồn hảo (khơng có sai hỏng, khơng có tạp chất, ko đứt gãy liên kết) Tuy nhiên, thực tế để sản xuất vật liệu quy mô cơng nghiệp thường khó đạt độ tinh khiết 100%, nên khơng tồn loại tinh thể Q trình tổng hợp tinh thể tự nhiên hay nhân tạo không tránh khỏi lẫn vào tinh thể tạp chất, xuất sai hỏng cấu trúc biến dạng học, nút khuyết nguyên tử dẫn đến xuất tâm thuận từ gắn với tạp chất liên kết lơ lửng (spin electron khơng ghép đơi) Vì phương pháp EPR mức độ nhiễm tạp chất hay sai hỏng mạng tinh thể xác định Sự tăng lên cường độ tín hiệu EPR phản ánh mức độ cao tạp chất sai hỏng 18 Đặc biệt hình thành biến đổi sai hỏng mạng trình chiếu xạ hạt electron, neutron ion theo dõi thơng qua thí nghiệm EPR Thơng thường hạt va chạm với hệ nguyên tử tinh thể, đẩy số nguyên tử khỏi vị trí nút mạng chúng Các sai hỏng đơn giản đứt gãy liên kết lỗ khuyết hình thành, tín hiệu EPR xuất Sự tích lũy sai hỏng loại tăng thời gian chiếu xạ lượng ion chiếu xạ làm tăng cường độ tín hiệu, chí đến mức độ dẫn tới chuyển pha vật chất Quá trình diễn bên tinh thể theo dõi thơng qua thay đổi tín hiệu EPR Khi độ hồn thiện cấu trúc tinh thể giảm dần, nghĩa mật độ sai hỏng, tạp chất tăng lên, phổ EPR bắt đầu xuất cường độ tín hiệu tăng lên với mức độ sai hỏng vật liệu nghiên cứu Đặc biệt, chuyển pha vật liệu từ trạng thái điện mơi sang trạng thái dẫn điện (có xuất pha dẫn điện) nghiên cứu phương pháp EPR Sự biến đổi vật liệu đặc trưng thay đổi hình dạng phổ tín hiệu EPR từ dạng đối xứng sang dạng bất đối xứng (dạng đường Dyson) Trong sóng siêu cao tần có khả xun qua tồn mẫu chất điện mơi xun vào phần thể tích pha dẫn (bị giới hạn độ dày lớp da hiệu ứng da – skin effect) Các electron dẫn có khả chuyển động không gian đặc trưng thời gian T D mà electron khuếch tán qua lớp da Sự vượt trội TD so với thời gian phục hồi T2 nguyên nhân dẫn tới xuất dạng phổ tín hiệu EPR bất đối xứng[10] 19 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị thực nghiệm Phổ cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR) đo phổ kế RadioPAN SE/X-2543 cải tiến sử dụng buồng cộng hưởng H 102 dải X Từ trường phân cực biến điệu với tần số 100 kHz biên độ 0,01mT Trong buồng cộng hưởng tần số máy phát sóng siêu cao tần ổn định theo tần số buồng cộng hưởng H102 nhờ hệ điều chỉnh tần số tự động Tốc độ quét từ trường B ghi phổ EPR 10mT/4min Để kiểm soát độ phẩm chất buồng cộng hưởng, điều chỉnh pha biến điệu từ trường hiệu chuẩn thành phần từ trường xạ siêu cao tần chúng tơi sử dụng tín hiệu EPR tinh thể ruby, cố định tường buồng cộng hưởng H 102 Độ nhạy phổ kế ~3.1012spin/mT 2.2 Mẫu đo - Mẫu hạt kim cương tự nhiên đơn tinh thể loại IIa (khối lượng trung bình cỡ 1mg), chiếu xạ neutron với lượng 0,1MeV liều lượng 2.10 21cm2 Sau bị chiếu xạ mẫu xuất hiệu ứng trương xạ (độ thay đổi khối lượng riêng tương đối lên tới 20%) Mẫu ủ nhiệt nhiệt độ 1000oC áp suất 3,5GPa; 7GPa; 9GPa Thời gian ủ áp suất 15 phút Phổ EPR đo sau ủ 20 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phổ cộng hưởng thuận từ hạt kim cương tự nhiên trước sau bị chiếu xạ neutron Mẫu kim cương tự nhiên trước chiếu xạ không cho tín hiệu EPR Điều chứng tỏ mẫu có cấu trúc tương đối hồn hảo Phổ tín hiệu EPR hạt kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron trình bày hình 3.1 Hình 3.1 Phổ tín hiệu kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron Phổ EPR phổ hấp thụ phát xạ giải tần số khác sóng điện từ đặc trưng thơng số, biên độ, cường độ, hình dạng độ rộng đường phổ, hệ số tách mức lượng.Tín hiệu EPR mẫu sau chiếu xạ neutron đường đơn hấp thụ với hệ số g=2,0029 độ rộng phổ ΔB = 0,89mT 21 Đối với kim cương giá trị hệ số g đo tương ứng với tâm thuận từ (các liên kết đứt gãy C-C) Các electron không ghép đôi định xứ liên kết đứt gãy C-C mạch tinh thể hình thành tác động chiếu xạ neutron dẫn đến chuyển dời vị trí nguyên tử [11] Rõ ràng sau chiếu xạ, cấu trúc mạng kim cương bị phá hủy, mẫu xuất liên kết đứt gãy CC, sai hỏng cấu trúc mạng nút khuyết nguyên tử xen kẽ 3.2 Phổ cộng hưởng thuận từ kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ ủ nhiệt độ 1000oC áp suất khác Sau bị chiếu xạ, kim cương ủ nhiệt độ 1000 áp suất 3,5GPa, 7GPa 9GPa Phổ EPR mẫu ghi lại sau chế độ ủ Các thông số tín hiệu EPR tương ứng trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Các thông số kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000oC áp suất khác Áp suất P Độ rộng phổ ∆B (GPa) (mT) Hệ số g Hệ số bất đối xứng 3,5 0,350 2,00215 1,74 0,545 2,00090 3,78 0,563 2,00260 1,08 Phổ tín hiệu EPR mẫu kim cương sau chiếu xạ ủ nhiệt độ 1000oC áp suất 3,5GPa biểu diễn hình 3.2 22 Hình 3.2 Phổ tín hiệu EPR kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000oC áp suất 3,5GPa Tín hiệu EPR đặc trưng hệ số tách phổ g=2,00215 độ rộng phổ ΔB= 0,35mT Dạng đường phổ tín hiệu thu bất đối xứng với tham số bất đối xứng 1,74 Giá trị hệ số g độ rộng phổ ΔB bị giảm xuống so với giá trị tương ứng đặc trưng cho mẫu trước ủ Sự biến đổi dạng đường phổ từ đối xứng chuyển sang bất đối xứng dấu hiệu cho thấy xuất pha dẫn điện mẫu nghiên cứu Đối với vật liệu bon kim cương, pha dẫn xuất than hóa: mạch graphite tạo thành cung cấp -electron có khả dẫn điện Điều phù hợp với suy giảm giá trị hệ số g (H3.3) Hình 3.3 Các mạch graphite (nhìn theo hướng khác nhau) 23 Tín hiệu EPR thu mẫu kim cương sau bị chiếu xạ neutron ủ 1000oC áp suất 7GPa trình bày hình 3.4 Hình 3.4 Phổ tín hiệu EPR kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ ủ nhiệt độ 1000oC áp suất 7GPa Tín hiệu EPR đặc trưng hệ số tách phổ g=2,0009 độ rộng phổ ΔB=0,54mT Tham số bất đối xứng kim cương ủ với nhiệt độ 1000 áp suất 7GPa 3,78 lớn gấp đôi kim cương ủ nhiệt độ áp suất 3,5GPa Điều chứng tỏ số lượng pha dẫn áp suất cao (sự than hóa) xảy mạnh Sự giảm xuống hệ số g tăng lên độ rộng phổ ΔB phù hợp với kết luận Tín hiệu EPR thu mẫu sau chiếu xạ ủ 1000 oC áp suất 9GPa trình bày hình 3.5 24 Hình 3.5 Phổ tín hiệu EPR kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000oC áp suất 9GPa Tín hiệu EPR đặc trưng hệ số tách phổ g=2,0026 độ rộng phổ ΔB= 0,56mT Dạng đường phổ thay đổi từ bất đối xứng sang đối xứng (tham số bất đối xứng 1,08) Kim cương ủ nhiệt độ với áp suất 9GPa có hệ số g độ rộng phổ ΔB lớn so với ủ với áp suất 3,5GPa 7GPa Dạng đường phổ đặc trưng cho pha kim cương Có thể nói kim cương ủ với nhiệt độ 1000 áp suất GPa có tái kết tinh kim cương, có nghĩa xảy phục hồi cấu trúc tinh thể kim cương Kết luận phù hợp với thay đổi giá trị ΔB: độ rộng phổ mẫu sau ủ giảm gần so với độ rộng phổ mẫu trước ủ Sự suy giảm độ rộng phổ chứng để kết luận giảm số lượng tâm thuận từ, đồng nghĩa với việc cấu trúc mạng tinh thể phục hồi so với sau chiếu xạ Có thể giải thích q trình biến đổi cấu trúc tinh thể kim cương điều kiện nhiệt độ áp suất thí nghiệm thơng qua thay đổi tín hiệu EPR đo sau: 25 Khi ủ nhiệt độ 1000 áp suất 3,5GPa ứng suất bên tinh thể tăng lên, tạo điều kiện cho hình thành vịng graphit (nguồn cung cấp - electron) Những vị trí có sai hỏng xạ (các liên kết đứt gãy C-C, nút khuyết, nguyên tử xen kẽ) nơi dễ hấp thụ Kết tín hiệu EPR đo trở nên bất đối xứng Khi tăng áp suất ủ lên 7GPa ứng suất bên tinh thể tiếp tục tăng, số lượng pha dẫn điện (pha than) tăng lên dẫn đến tăng hệ số bất đối xứng tín hiệu đo Ủ mẫu 1000 áp suất 9GPa dẫn đến phục hồi cấu trúc tinh thể kim cương, ứng suất cục bị loại bỏ, số lượng tâm bị giảm xuống (do tái hợp nút khuyết nguyên tử xen kẽ) Tóm lại, ủ mẫu kim cương áp suất cao tạo điều kiện phục hồi cấu trúc tinh thể, ủ áp suất thấp (3,5GPa 7GPa) làm xuất mẫu cấu trúc dẫn điện cho than hóa kim cương Cấu trúc tinh thể kim cương bị chiếu xạ phục hồi thơng qua phương pháp xử lý nhiệt Vì chúng lần sử dụng để chế tạo dụng cụ khác sở kim cương vừa tiết kiệm chi phí vừa tiết kiệm thời gian Vậy phương pháp tối ưu để phục hồi tinh thể kim cương, phục hồi tính chất tương đối sau bị chiếu xạ neutron phương pháp ủ với nhiệt độ 1000 áp suất 9GPa Ngoài ra, so sánh với nghiên cứu phổ EPR kim cương CVD [12] chế độ ủ nhiệt kim cương tự nhiên điều kiện ủ nhiệt độ 1000 áp suất 9GPa dẫn đến xuất tín hiệu EPR với giá trị thông số dạng đường phổ đặc trưng cho tín hiệu EPR nhận q trình ủ kim cương CVD nhiệt độ từ 1080 đến 1650 26 C KẾT LUẬN Thực mục tiêu khóa luận : “Tính chất thuận từ kim cương tinh thể bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ áp suất cao, em thu số kết sau: - Tìm hiểu phương pháp tổng hợp kim cương; cấu trúc số tâm thuận từ phổ biến kim cương; bền xạ kim cương - Tìm hiểu sở lí thuyết phương pháp EPR - Nghiên cứu hạt tinh thể kim cương tự nhiên bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ 1000 áp suất 3,5GPa, 7GPa 9GPa phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử thu kết sau: + Chế độ tối ưu để phục hồi mạng tinh thể kim cương gần bị phá hủy hồn tồn chiếu xạ nơtron ( ) ủ với nhiệt độ 1000 áp suất 9GPa Điều chứng tỏ giảm ứng suất cục giảm số lượng tâm thuận từ điều kiện ủ + Cấu trúc tinh thể kim cương bị chiếu xạ phục hồi thông qua phương pháp xử lý nhiệt Vì chúng lần sử dụng để chế tạo dụng cụ khác sở kim cương vừa tiết kiệm chi phí vừa tiết kiệm thời gian + Kết phục hồi cấu trúc mạng tinh thể sau bị chiếu xạ thu đường khác nhau: ủ nhiệt nhiệt độ 1000 oC áp suất 9GPa ủ nhiệt nhiệt độ 1650oC Thơng qua q trình làm khóa luận tốt nghiệp em củng cố nhiều lý thuyết vật lý liên quan đến vật lí chất rắn, vật lí học lượng tử hành trang quý báu để em ứng dụng vào việc giảng dạy em sau Đề xuất, kiến nghị: + Đề xuất chế độ ủ 1000 oC 9GPa sử dụng để phục hồi cấu trúc tinh thể kim cương sau bị chiếu xạ neutron với lượng liều lượng cao 27 + Nếu tiếp tục đề tài, tối ưu hố để xác hố phép đo, tạo độ tin cậy cao với số liệu triển khai nhiều mẫu, với nhiều công suất khác nhau, …để có hồn thiện kết nghiên cứu Tuy khóa luận hồn thành, tầm hiểu biết cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót định Em mong nhận chia sẻ góp ý Thầy Cơ để khóa luận hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/growthmodel.htm [2] https://24carat.co.uk/frame.php?url=diamondtypes1a1b2a2b.html [3] JHN Loubser and J A van Wyk (1987), Electron spin resonance in study of diamond/ Rep Pro Phys., Vol.41, P 1203-1245 [4] K.Jakoubovskii, A.Stesmans Dominant Paramagnetic Centers in 17OImplanted Diamond.: Physical Review B, 2002, 66[4], 045406 (7pp) [5] https://www.britannica.com/science/radiation/Crystal-lattice-effects [6] Jenifer N Lomer, A.M.A Wild (1972) Electron spin resonance in electron irradiated diamond annealed to high temperatures/ Radiation Effects V.17 N.1-2 P 37-44 [7] John A Weil, James R Bolton, (2007) Electron pharamagnetic resonance, John Wiley and Sons; Hoboken, New Jersey, Canada [8] https://123doc.org/document/3007502-ki-thuat-phan-tich-vat-lieu-rancong-huong-thuan-tu-electron.htm [9] https://tailieu.vn/doc/bai-thuyet-trinh-ky-thuat-phan-tich-vat-lieu-ran- cong-huong-thuan-tu-epr-1888650.html [10] George Feher and A.F.Kip, (1955) Electron Spin Resonance Absorption in Metals I Ex Phys/ Revie, Vol 98, N pp 337 [11] P.R Brosious, J.W.Corbett, J.C Bourgoin , (1974), “EPR measurements in ion-implanted diamond’’, Physica Status Solidi (a), Vol 21, No.2, 677–683 [12] Ảnh hưởng chế độ ủ nhệt lên tính chất thuận từ kim cương tinh thể bị chiếu xạ neutron phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử Nguyễn Thị Tuyết Nhung, Đoàn Phương Lan Hội nghị NCKH cấp khoa Khoa KHCB Trường Đại học Quảng Bình Tháng 6, 2020 29 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Giảng viên hướng dẫn (Kí, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN Phản biện (Kí, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN Phản biện (Kí, ghi rõ họ tên) 30 ... EPR nhận trình ủ kim cương CVD nhiệt độ từ 1080 đến 1650 26 C KẾT LUẬN Thực mục tiêu khóa luận : ? ?Tính chất thuận từ kim cương tinh thể bị chiếu xạ neutron ủ nhiệt độ áp suất cao, em thu số... cộng hưởng thuận từ kim cương tự nhiên sau bị chiếu xạ ủ nhiệt độ 1000oC áp suất khác Sau bị chiếu xạ, kim cương ủ nhiệt độ 1000 áp suất 3,5GPa, 7GPa 9GPa Phổ EPR mẫu ghi lại sau chế độ ủ Các... pháp tổng hợp kim cương; cấu trúc số tâm thuận từ phổ biến kim cương; bền xạ kim cương - Tìm hiểu sở lí thuyết phương pháp EPR - Nghiên cứu hạt tinh thể kim cương tự nhiên bị chiếu xạ neutron ủ