Từ giá trị mômen từ tự phát ở các nhiệt độ khác nhau tính được dựa theo các đường cong từ hóa ta vẽ được đường biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của Ms
như dưới hình 3.12. Để tiện cho việc phân tích về từ độ của các phân mạng, ở đây chúng tôi biểu diễn Ms theo đơn vị emu/cm3. Nhiệt độ Curie TC của các hạt nano Y3- xGdxFe5O12được xác định dựa trên các đường cong từ nhiệt Ms(T). Nhiệt độ TC được
xác định là giao điểm của đường tiếp tuyến tại độ dốc lớn nhất của đường Ms(T) với trục nằm ngang ở vùng nhiệt độ cao. Các mẫu hạt nano có nhiệt độ TC khoảng 560 K. Nhưng khi thay đổi nồng độ Gd pha tạp thì nhiệt độ Curie của các mẫu thay đổi không đáng kể. Điều này được lý giải là do nhiệt độ TC của các mẫu được quyết định bởi tương tác giữa các ion Fe3+ trong các phân mạng d và a. Viêc tăng nồng độ Gd pha tạp làm cho khoảng cách giữa các ion Fe3+ trong các phân mạng d và a thay đổi, dẫn đến các mẫu có nhiệt độ Curie khác nhau nhưng không đáng kể.
0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 M s (e m u/ cm 3 ) T (K) Y3Fe5O12 Y2Gd1Fe5O12 Y1.5Gd1.5Fe5O12 Y1Gd2Fe5O12 Y0.5Gd2.5Fe5O12 Gd3Fe5O12
Hình 3.12: Mômen từ tự phát Ms phụ thuộc nhiệt độ của các 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 sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ bão hòa Ms trên hình 3.12, ngoại trừ mẫu Y3Fe5O12 ta thấy ban đầu từ độ của các mẫu giảm khi nhiệt độ tăng đến một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ bù trừ) thì Ms sẽ bằng không. Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ thì Ms lại tăng lên và cuối cùng trở về không ở nhiệt độ Curie (trạng thái thuận từ). Điều này là do ion Gd3+ đã thay thế ion Y3+ ở phân mạng c tạo thành ba phân mạng từ trong tinh thể Y3-xGdxFe5O12. Ở vùng nhiệt độ thấp mômen từ của phân mạng c lớn hơn hiệu mômen từ của hai phân mạng d và a. Nhưng do, sự giảm theo nhiệt độ của mômen từ ở phân mạng c nhanh hơn so với các phân mạng a và d làm xuất hiện nhiệt độ bù trừ Tcomp. Nhiệt độ bù trừ được xác định bằng giao điểm của hai đường tiếp tuyến của đồ thị Ms(T) tại nhiệt độ mômen từ tự phát
Curie TC và nhiệt độ bù trừ Tcomp của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3) được liệt kê trong bảng 3.3.
Bảng 3.3: Nhiệt độ Curie TC và nhiệt độ bù trừ Tcomp của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3)
x 0 1 1,5 2 2,5 3
TC 560 560 560 560 560 560
Tcomp - 80 115 165 205 290
Theo như kết quả tính toán trong bảng 3.3, khi nồng độ Gd pha tạp tăng thì nhiệt độ bù trừ của các mẫu cũng tăng lên từ 80 K đến 290 K (tương ứng với x = 1 và
x = 2,5). Điều này là do mômen từ của phân mạng c thay đổi khi tăng nồng độ Gd pha
tạp.
Đối với các mẫu hạt nano YIG chỉ có 2 phân mạng từ do ion Y3+ không có từ tính nên từ độ được tính theo công thức:
uur uuur uuurM Md Ma (3.3) Từ các công thức (3.2) và (3.3) ta có thể tính được từ độ của phân mạng c
theo công thức:
uurMc Muur(uurMd Muura) (3.4) Dựa trên các số liệu Ms(T) của các mẫu chứa Gd và của mẫu Y3Fe5O12 ta có thể xác định được từ độ của của phân mạng đất hiếm thao công thức (3.4) với giả thiết từ độ của các phân mạng Fe không thay đổi nhiều khi thay thế Gd cho Y.
0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600 Gd3Fe5O12 Y0.5Gd2.5Fe5O12 Y1Gd2Fe5O12 Y1.5Gd1.5Fe5O12 Y2Gd1Fe5O12 M c (e m u/ cm 3 ) T (K)
Hình 3.13: Từ độ của phân mạng c phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu hạt nano
Y3-xGdxFe5O12 (x= 1;1.5;2;2.5;3)
Đồ thị trên hình 3.13 cho thấy từ độ của phân mạng c tăng theo nồng độ Gd pha tạp do các ion Y3+ trong phân mạng c đã được thế chỗ bởi các ion Gd3+ có từ tính. Ta có thể thây so với các phân mạng sắt đối với mẫu Y3Fe5O12 thì các phân mạng Gd giảm rất nhanh theo nhiệt độ và đây là nguyên nhân xuất hiện nhiệt bù trừ trong vật liệu. Mẫu có nồng độ Gd càng thấp thì Tcomp có giá trị càng giảm.
KẾT LUẬN
Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực hiện trong luận văn, chúng tôi rút ra một số kết luận sau:
1. Đã chế tạo thành công các hạt Y3-xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2.5; 3) đơn pha có kích thước nanomet bằng phương pháp sol- gel.
2. Sự hình thành pha, cấu trúc tinh thể, kích thước và hình thái hạt của các mẫu đã được nghiên cứu cho thấy:
- Các mẫu hoàn hoàn đơn pha sau khi ủ nhiệt ở 8000C trong 5 giờ.
- Kích thước tinh thể trung bình của các hạt là 36 nm. Mẫu có nồng độ Gd lớn hơn cho kích thước hạt và mật độ khối lượng lớn hơn.
3. Các phép đo khảo sát cho thấy sự ảnh hưởng của ion thay Gd3+ lên tính chất từ của YIG, cụ thể là:
- Từ độ của mẫu giảm ở vùng nhiệt độ cao do có sự cạnh tranh của 3 phân mạng từ. - Nhiệt độ Curie của các mẫu không có sự thay đổi so với YIG do ở vùng nhiệt độ cao có giá trị TC ≈ 560 K do tương tác giữa các ion Fe3+ trong các phân mạng a và d quyết định.
- Xuất hiện nhiệt độ bù trừ ở tất cả các mẫu x = 1; 1,5; 2; 2,5; 3 và nhiệt độ bù trừ tăng theo nồng độ ion Gd pha tạp.
4. Những kết quả này là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để làm sáng tỏ sự ảnh hưởng của công nghệ chế tạo đến sự phân bố ion, tính chất từ nội tại cũng như vai trò của tương tác giữa các hạt lên tính chất từ của hệ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
A - Tiếng Việt
1. T. Đ. Hiền and L. T. Tài (2008), Từ học và vật liệu từ, NXB Bách Khoa.
B - Tiếng Anh
2. 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,
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. E. E. Anderson (1964), “Molecular field model and the magnetization of YIG”, Phys. Rev., vol. 134, p. A1581.
8. E. E. Anderson (1964), “The magnetizations of yttrium and gadolinium iron garnets”, Doctor thesis, University of Maryland.
9. 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.
“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. 2. 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 co- precipitation 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
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 Bi3Fe5O12garnet,” 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...1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT GANET...3
1.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu pherit ganet dạng khối...3
1.1.1.Cấu trúc tinh thể...3
1.1.2.1. Mô men từ và nhiệt độ Curie...6
1.1.2.2. Nhiệt độ bù trừ Tcomp...9
1.1.2.3. Tương tác siêu trao đổi...10
1.2. Tính chất từ của các hạt nano pherit ganet...12
1.2.1. Dị hướng từ bề mặt và mô 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 của pherit ganet...20
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM...23
2.1. Phương pháp chế tạo hạt nano Y3-xGdxFe5O12...23
2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và 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 bằng từ kế mẫu rung...30
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...31
3.1.Cấu trúc của hạt nano Y3-xGdxFe5O12...31
3.1.1. Giản đồ phân tích nhiệt...31
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X...32
3.1.2. Kết quả phân tích ảnh FESEM...34
3.1.3 Kết quả phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR...36
3.2.1. Từ độ...37
3.2.2. Nhiệt độ Curie...41
KẾT LUẬN...45