THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Nuôi đơn tinh thể RCoIn
4.1.1. Phương pháp nuôi đơn tinh thể cho hợp chất RCoIn5
Chúng tôi lựa chọn phương pháp nóng chảy (flux method) để nuôi đơn tinh thể RCoIn5 (R=Tm,Yb) vì những thuận lợi của phương pháp này:
- Mẫu đơn tinh thểđược nuôi tại nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy.
- Mẫu tinh thể thu được ít khuyết tật, kim loại dùng làm nóng chảy hổn hợp có thể loại bỏ bề mặt tạp chất bởi vì nó làm môi trường sạch trong quá trình nuôi.
- Phương pháp này có thểđược ứng dụng cho hợp chất có áp suất hơi cao, vì thế nồi nung được đậy kín trong ống thuỷ tinh và chống lại sự bốc bay. Vì thế, nó phù hợp cho kim loại đất hiếm.
- Thiết bị sử dụng trong quá trình nuôi là đơn giản và rẻ tiền.
Theo phương pháp này, chúng tôi phải chọn kim loại nóng chảy phù hợp cho mỗi hợp chất. Kim loại nóng chảy thường tham gia vào tinh thể như tạp chất. Sự cấu thành hạt nhân quá mức dẫn đến tinh thể nhỏ, điều đó xảy ra do tốc độ làm lạnh quá nhanh. Mặt khác, chúng tôi phải sử dụng nồi nung chất lượng cao bởi vì phản ứng xảy ra tại nhiệt độ rất cao. Cuối cùng, khả năng để tách tinh thể từ kim loại nóng chảy lúc kết thúc của quá trình nuôi cần được xem xét đặc biệt. Kim loại đất hiếm thường có áp suất hơi cao tại nhiệt dộ nóng chảy. Vì thế, phương pháp nóng chảy là tốt nhất để nuôi đơn tinh thể cho hợp chất đất hiếm.
4.1.2. Quy trình nuôi đơn tinh thể RCoIn5
Bước 1: ChuNn bị vật liệu.
Vật liệu ban đầu là 3N(99,9%)-R, 5N-Rh và 6N-In. Khối kim loại đất hiếm được cắt bằng dao cắt hồ quang hoặc được khắc hoá học. Chất lỏng rửa bề mặt kim loại đất hiếm với hỗn hợp 1:3 axit và nước. Sau đó, các kim loại được chuNn bị như hình 4.1.
Sử dụng nồi nung Nhôm Oxit Al2O3 chất lượng cao nhưng là nồi chứa với đường kính ngoài là 15,5 mm, đường kính trong là 11,5 mm và chiều dài 60 cm. Vì nồi nung thường chứa tạp chất nên được làm sạch bằng rượu và nung chúng đến 1050 oC dưới chân không cao (thấp hơn 10-6 torr).
Bước 2: Hút chân không.
Vật liệu ban đầu với thành phần R:Co:In=1:1:10 hoặc 15. Mục tiêu ta muốn thu được đơn tinh thể RCoIn5 do đó, lượng kim loại Indium sẽ còn dư từ 5 đến 10 lần mà đóng vai trò là chất tạo dung môi nóng chảy. Đặt vật liệu vào nồi nung và bịt kín bằng ống thạch anh với 180 mmHg khí Argon, điều đó được điều chỉnh đểđạt 1atm tại nhiệt độ cao nhất (Hình 4.2).
Hình 4.2. Hệ hút chân không.
Bước 3 : Nung mẫu.
Đặt ống vào lò nung nhiệt. Để đạt được kết quả tốt nhất phải đặt ống thủy tinh tại vùng mà nhiệt độ là đồng đều nhất. Tăng nhiệt độ lên đến 1050 oC cũng là nhiệt độ cao nhất của lò nung điện, giữ nhiệt độđó 48 giờ. Sau đó giảm nhiệt độ từ từ. (0,5 oC/giờ) và tắt lò nung khi đạt 650 oC. Để nguội cho đến nhiệt độ phòng (Hình 4.3).
Bước 4: Loại bỏ kim loại Indium còn lại
Ống thạch anh được đập bỏ, nồi nung được bỏ vào ống thạch anh mới. Sau đó ống được đặc vào lò nung và tăng nhiệt độ lên 300 oC giữ trong vòng 30 phút, lấy ống ra và bỏ vào máy quay ly tâm để loại bỏ Indium (Hình 4.4). Khi đó, lượng kim loại Indium còn dư sẽ bị lọc và đNy ra ngoài khỏi hợp chất đơn tinh thể.
Hình 4.4. Máy quay ly tâm và ống thạch chứa nồi nung mà bên trong là đơn tinh thể. Phía đầu là các lưới thạch anh dùng để lọc kim loại Indium còn dư [21]. 4.1.3 Kết quả
Chúng tôi đã thành công trong việc nuôi đơn tinh thể RCoIn5 (R=Tm,Yb) với kích thước 2mm x 1mm x 0,2mm như trong hình 4.5.
TmCoIn5 YbCoIn5
Hình 4.5. Ảnh đơn tinh thể TmCoIn5 và YbCoIn5 chụp bằng máy kỹ thuật số. Đơn vị của thước đo mm.
Nhằm xác định tính chất đồng đều trên bề mặt và tìm các pha hình thành đơn tinh thể có thể có của hợp chất Tm hay Yb, Chúng tôi tiến hành chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử như hình 4.6 và hình 4.7. Chúng tôi xác định vùng chứa đơn tinh thể 115 để tiếp tục kiểm chứng bằng EDX và chọn mẫu đẹp để tiến hành các thực nghiệm kế tiếp.
Hình 4.6. Tinh thể TmCoIn5 chụp bằng SEM tại PTN Ishida (Đại học Phủ Osaka). Kích thước mẫu khoảng 800 µm.
Hình 4.7. Tinh thể YbCoIn5 chụp bằng SEM tại PTN Ishida (Đại học Phủ Osaka). Kích thước mẫu khoảng 800 µm.
Sau khi thu được tinh thể chúng tôi tiến hành một số phân tích về chất lượng tinh thể, thành phần hợp chất, thông số cấu trúc, hướng tinh thể. Sau đó chúng tôi đo tính chất vật lý của tinh thể (tính chất điện, tính chất từ).
4.2 Phân tích thành phần hóa học bằng kỹ thuật SEM, EDX và xác định cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X