Oxit sắt là những hợp chất kết hợp các nguyên tử Fe với O, trong đĩ Fe cĩ thể tồn tại ở trạng thái oxy hĩa +2 hoặc +3. Hầu hết các oxit sắt đều cĩ cấu trúc, trật tự và kích thước tinh thể xác định, tuy nhiên trong một số trường hợp nĩ phụ thuộc vào quá trình tổng hợp. Cĩ ba dạng oxit sắt quan trọng là hematit (α- Fe2O3), maghemit (γ- Fe2O3) và magnetit (Fe3O4), trong đĩ hematit khơng cĩ từ tính [19].
γ - Fe2O3 và Fe3O4 đều cĩ cấu trúc lập phương tâm mặt. Trong mạng tinh thể
của Fe3O4 cĩ 8 ơ mạng cơ sở chứa cả Fe3+ và Fe2+ dạng octahedral/tetrahedral (hình 1.1). Do chứa các electron tại phân lớp 5d linh động nên xảy ra quá trình chuyển đổi điện tử giữa Fe3+ và Fe2+, dẫn đến khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt của vật liệu cao. Fe3O4 cĩ thể được xem như bán kim loại, cĩ đầy đủ spin phân cực để chuyển thành các electron âm quay phân cực tại mức Fermi. Trong khi đĩ γ - Fe2O3 cũng cĩ cấu trúc tinh thể tương tự như Fe3O4 nhưng hầu hết Fe trong γ - Fe2O3 ở trạng thái Fe3+, tế bào chứa 32 O2- và 64/3 Fe3+ và 7/3 lỗ trống, mỗi cặp cation trạng thái tetrahedral và lỗ trống ở octaheral. Do tính siêu thuận từ, tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt hơn nên vật liệu Fe3O4 cĩ ưu thế hơn hẳn so với γ - Fe2O3 .
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 [19].
Thời gian gần đây hướng nghiên cứu tổng hợp oxit sắt từ kích thước nanomet được phát triển rất mạnh mẽ, hướng tới nhiều ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực hĩa học, y tế và mơi trường. Mối quan hệ giữa hình dáng, kích thước của vật liệu tới tính chất từ đã được nghiên cứu rất rộng rãi. Các cơng bố chỉ ra rằng, khi giảm kích thước hạt xuống dưới một giới hạn nhất định, độ từ dư khơng cịn được giữ theo các định hướng xác định bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng tinh thể của hạt nữa. Trong trường hợp này, ngay ở nhiệt độ phịng, năng lượng nhiệt đủ để vượt ngưỡng năng lượng dị hướng của một hạt nano đơn, vật liệu sẽ cĩ tính siêu thuận từ. Nhìn chung, các hạt từ tính cĩ bán kính giảm xuống khoảng 20 nm sẽ trở thành siêu thuận từ, khi đĩ tính chất từ trở nên hết sức thú vị [20].
Cĩ nhiều tính chất từ được khảo sát để đặc trưng vật liệu oxit sắt từ nano, nhưng phương pháp xác định phản ứng của vật liệu với từ trường, xác định độ từ hĩa từ các vịng từ trễ (M – H) thường được sử dụng nhất. Đường cong từ hĩa M-H của oxit sắt từ nano cũng tương tự như các chất siêu thuận từ với 2 đặc điểm cơ bản:
(i) tiến tới bão hịa theo định luật Langevin và (ii) khơng cĩ hiện tượng trễ, tức là lực kháng từ bằng 0 (hình 1.2). Quá trình khử từ của các chất siêu thuận từ xảy ra khơng cần lực kháng từ, vì đĩ khơng phải là quá trình tác dụng của từ trường ngồi, mà do tác dụng của năng lượng nhiệt [21].