1.3. Vật liệu nano hợp kim AuFe
1.3.1. Cấu trỳc của hợp kim AuFe
Như đó đề cập ở trờn, vàng là một kim loại cú khả năng hũa tan rất ớt với cỏc kim loại khỏc và thường cũng chỉ tạo được hợp kim với những thành phần tỉ lệ nhất định. Sắt là một trong số khụng nhiều kim loại cú thể tạo hợp kim với vàng. Hầu
hết, cỏc hợp kim của kim loại chuyển tiếp thường cú những tớnh chất rất đặc biệt liờn quan đến sự cú mặt của trạng thỏi d. Kim loại chuyển tiếp cú lớp vỏ d khụng được lấp đầy và cũng khụng được ưu tiờn lấp đầy khi chỳng được pha với một kim loại loại s hoặc p. Trạng thỏi d hoạt động như một tõm tỏn xạ rất mạnh [42]. Tương tỏc trao đổi bờn trong lớp vỏ d này cú xu hướng tỏch biờn thành hai trạng thỏi cú spin ngược nhau. Do đú, điện trở suất và độ hấp thụ quang học của hệ Au-Fe là liờn quan đến nhau, phụ thuộc vào nhiệt độ khảo sỏt [25, 42] và tựy thuộc vào nồng độ tạp chất trong hợp kim đú.
Theo giản đồ pha, Fe và Au hũa tan rất ớt vào nhau, trạng thỏi cõn bằng là hỗn hợp của hai pha: pha fcc với nồng độ Fe thấp và pha bcc với nồng độ Fe cao. Như được trỡnh bày bởi Marchal [67] màng mỏng FexAu1-x thu được bằng cỏch đồng ngưng tụ cỏc nguyờn tố trờn một đế giữ ở nhiệt độ của nitơ lỏng sẽ là vụ định hỡnh nếu x > 0,6. Tuy nhiờn, pha này là kộm ổn định, và sẽ khụng là vụ định hỡnh nữa khi x < 0,6, nhưng vẫn tạo ra cỏc hạt fcc nhỏ và đồng nhất ở nhiệt độ phũng.
Hỡnh 1.20. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ Au80Fe20 (trỏi) và Au70Fe30 (phải) a. hệ gốc; b. ủ nhiệt ở 4000C (16h); ủ nhiệt ở 5000
C (16h) [13]
Okamoto và cộng sự đó chỉ ra rằng hợp kim Au-Fe cú cấu trỳc fcc với nhiệt độ cực đại khả dĩ là 11730
Enrica Bosco và cộng sự đó thực hiện khảo sỏt cỏc hệ Au80Fe20 và Au70Fe30, cỏc giỏ trị hằng số mạng lần lượt là 4,025Å và 3,989Å tương ứng. Tuy nhiờn, sau khi ủ nhiệt, giỏ trị hằng số mạng đó cú sự thay đổi, đặc biệt là đối với hệ cú nồng độ Fe cao hơn, mặc dự hệ vẫn giữ được cấu trỳc fcc như ban đầu (hỡnh 1.20). Điều này cho thấy, Fe trong hợp kim giàu sắt đó bị ụxi húa trong quỏ trỡnh ủ nhiệt, cũn trong hợp kim ớt sắt thỡ nguyờn tố Au cú vai trũ như một lớp bảo vệ để sắt khụng bị ụxi húa, và cấu trỳc mạng tinh thể ổn định hơn.
Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào thành phần hợp kim cũng đó được Lee và cộng sự nghiờn cứu trờn hệ màng mỏng Au1-xFex [56]. Khi hàm lượng Fe tăng từ x = 0 lờn đến x = 0,75 hoặc 0,80 thỡ khoảng cỏch d giữa cỏc mặt (111) suy giảm gần như tuyến tớnh từ giỏ trị của Au dạng khối (cấu trỳc fcc) (hỡnh 1.21). Tại x ở khoảng 0,80, khoảng cỏch d đột ngột giảm và sau đú tiếp tục giảm khi hàm lượng Fe tăng, hướng tới giỏ trị Fe dạng khối (cấu trỳc lập phương tõm khối (bcc). Sự phụ thuộc thành phần của hằng số mạng (khoảng cỏch giữa cỏc mặt (111)) cho trạng thỏi cõn bằng ở 1200K của hợp kim khối với x < 0,65 [117] khỏ phự hợp với thực nghiệm quan sỏt được từ màng hợp kim Au-Fe (hỡnh 1.21). Tuy nhiờn, khi x tăng độ lệch giữa hai đường cong rừ rệt hơn. Tại x = 0,80, cú sự biến đổi cấu trỳc của mạng tinh thể từ fcc sang bcc. Như vậy, cỏc quan sỏt thực nghiệm sự phụ thuộc của d theo x phản ỏnh một biến đổi cấu trỳc fcc-bcc trong hệ Au1-xFex, diễn ra tại x = 0,80. Thực tế này là khỏ phự hợp với những kết quả được cụng bố bởi Guire [71], chỉ khỏc là việc chuyển đổi cấu trỳc xảy ra tại x = 0,75.
Trong hệ hợp kim Au-Fe, cấu trỳc hỡnh thành cú thể là fcc, bcc và đặc biệt là cú thể tồn tại cấu trỳc trật tự L10, nhất là ở cấp độ nano (kiểu cấu trỳc như AuCu, FePt). Trong hầu hết cỏc trường hợp, cấu trỳc L10 tạo thành một pha cõn bằng trong cỏc hợp kim khối, chẳng hạn như FePt, FePd, CoPt, và MnIr [79]. Trong cỏc hệ khỏc, cấu trỳc L10 đó được quan sỏt ở trạng thỏi giả ổn định (vớ dụ, FeRh, [11]) và trong nanoclusters (MnAu [128, 138]). Trong FeAu và cỏc hệ khỏc, cấu trỳc L10 đó được chế tạo ở dạng màng mỏng bởi sự ngưng tụ lớp - lớp, mặt phẳng của cỏc nguyờn tử vuụng gúc với trục c [110]. Sự hỡnh thành cỏc cấu trỳc L10 trong hệ FeAu
là khụng cú nhiều cụng bố hiện nay. Tuy nhiờn, hệ cú cấu trỳc trật tự L10 lại rất được quan tõm vỡ cú những tớnh chất từ rất khỏc so với những cấu trỳc khỏc.
Hỡnh 1.21. Sự phụ thuộc vào thành phần Fe của khoảng cỏch d(111) trong màng mỏng hợp kim Au1-xFex (đường liền) và của hợp kim Au-Fe dạng khối (đường mảnh) [117]
Do sự khỏc biệt lớn giữa cỏc kớch thước nguyờn tử của hai nguyờn tố Au và Fe, nờn việc đồng ngưng tụ trong chõn khụng của cỏc nguyờn tử sắt và vàng trờn đế cú thể dẫn đến sự hỡnh thành của hợp kim vụ định hỡnh đồng nhất, tinh thể rất nhỏ hoặc cũng cú thể hỡnh thành nờn màng mỏng đa cấu trỳc [67]. Mỗi cấu trỳc trong đú sẽ dẫn đến một sự khỏc biệt ở một tớnh chất nào đú. Điều này đũi hỏi chỳng ta phải tập trung tỡm hiểu kĩ, so sỏnh với những cụng trỡnh đó được cụng bố để cú cỏi nhỡn đỳng đắn nhất về hệ màng mũng hợp kim Au-Fe.