Thiết bị từ kế mẫu rung(VSM)

CHƢƠNG 2 : CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.5 Thiết bị từ kế mẫu rung(VSM)

Hệ đo từ kế mẫu rung VSM DMS Model 880 – Digital Measuring Sytem Co USA đặt tại Trung tâm Khoa học vật liệu, trường Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN. Độ nhạy của thiết bị đo đạt tới 10-6

emu và phép đo được tiến hành tự động. Từ kế mẫu rung (VSM) là một dụng

cụ đo các tính chất từ của vật liệu từ, hoạt động trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ trường. Nó đo mơmen từ của mẫu cần đo trong từ trường ngoài.

Các bộ phận chí của hệ đo được thể hiện trên hình 2.5.

1. Cuộn Hemholtz tạo từ trường

2. Buồng giữ 3. Đầu đo Hall 4. Cặp nhiệt.

5. Ống ngoài của Cryostat. 6. Ống trong của Cryostat. 7. Lối vào bếp.

8. Van hút chân không ống Cryostat ngoài.

9. Cần gắn mẫu.

10. Van hút chân không ống Cryostat trong (và hút Nitơ lỏng khi đo ở nhiệt độ thấp). Lối hút Nito lỏng Cặp nhiệt 1 3 4 9 5 8 7 6 2 3 2 1 4 1 3 1 2 1 0 1 7 2 2 1 5 1 6 1 1 1 8 19 2 0 2 1

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 33

11. Lối xả khí làm mơi trường đo vào buồng mẫu(khi đo ở nhiệt độ cao). 12. Ròng rọc xoay để nâng tấm nâng cần mẫu theo trục Z.

13. Tấm trượt – bộ phận dịch chuyển cần mẫu theo trục X. 14. Tấm trượt – bộ phận dịch chuyển cần mẫu theo trục Y. 15. Tấm nâng cần mẫu theo trục Z.

16. Màng rung (để rung cần mẫu). 17. Vỏ buồng rung.

18. Các viên nam châm vĩnh cửu (dùng cho tín hiệu so sánh). 19. Các cuộn dây thu tín hiệu so sánh.

20. Khung đỡ buồng rung và Cryostat. 21. Vô lăng điều khiển khoảng cách giữa các cực từ.

Phương pháp đo có thể mơ tả vắn tắt như sau:

Mẫu đo được gắn vào một thanh rung khơng từ tính theo phương thẳng đứng (tần số rung trong khoảng 50–80 Hz), và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi 2 cực của nam châm điện. Nam châm điện một chiều tạo từ trường tác dụng vào mẫu có cường độ thay đổi trong khoảng 13400 Oe. Mẫu là vật liệu từ nên trong từ trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ trường. Dưới tác dụng của từ trường này trong mẫu xuất hiện momen từ M. Khi ta rung mẫu với tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ với mơmen từ M của mẫu. Trên cơ sở đó xác định được từ độ của mẫu.

Ta có:

V = - N(d/dt) = - NA(dB/dt) = - oNAd(H+M)/dt = - oNAdM/dt (2.8)

Trong đó:

N: Số vịng dây của cuộn.

A: Tiết diện tổng của cuộn dây.

Tín hiệu V thu nhận được sau khi qua các bộ biến đổi điện tử thích hợp cho phép ta đo được giá trị M cần biết.

Hình 2.6. Thiết bị VSVDMS Model 880

2.6 Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDS)

Trong đề tài này, để xác định phần trăm khối lượng các nguyên tử (%) của các nguyên tố có mặt trong dây nano chúng tôi sử dụng kĩ thuật đo Phổ tán sắc năng lượng tia X, hay Phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của

vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao kính hiểm vi điện tử)

Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường được viết tắt là EDX hay EDS

xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy-dispersive X-ray spectroscopy.

Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 35

cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley:

Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này

Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thơng tin về các nguyên tố cũng như thành phần. Kỹ thuật EDX được phát triển từ những năm 1960 và thiết bị thương phẩm xuất hiện vào đầu những năm 1970 với việc sử dụng detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge.

Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thơng thường ghi nhận được sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên). Tuy nhiên, EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thường xuất hiện hiệu ứng trồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thường phát ra nhiều đỉnh đặc trưng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 37

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả tính tốn từ mơ hình lý thuyết

Áp dụng mơ hình tính tốn theo lý thuyết của Stoner-Wohlfarth ( công thức 2.1, 2.3, 2.4). Chúng tôi đã sử dụng phần mềm mô phỏng cho Vật lý ( Matlab) để sử lý số liệu và đưa ra các đồ thị về sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính chiều dài và tỉ số hình dạng của các dây dây nano CoNiP.

3.1.1 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đƣờng kính dây nano từ tính

Lực kháng từ của dây nano từ tính phụ thuộc rất mạnh vào đường kính của dây nano như thể hiện trên đồ thị hình 3.1. Độ kháng từ giảm khi đường kính lớn, cụ thể là khi đường kính tăng dẫn tới trong dây có sự chuyển đổi từ miền đơn sang miềm đa domain làm giảm độ kháng từ đối với những dây nano có đường kính lớn hơn. Mặt khác khi đường kính dây nano tăng làm khoảng cách giữa các dây nano giảm gây tăng tương tác từ tĩnh giữa các dây nano cũng làm giảm lực kháng từ của các dây nano.

Hình 3.1. Đồ thị sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano

0 1 2 3 4 5 6 x 10-7 200 400 600 800 1000 1200 1400 d(m) H c( O e)

3.1.2 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính

Khi chiều dài dây nano từ tính tăng từ 1 µm đến 4 µm thì lực kháng từ tăng theo rất nhanh với dạng đồ thị gần như một đường tuyến tính, sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính giảm dần và gần như đạt một giá trị bão hòa tại chiều dài dây bằng 16 µm. Để giải thích hiện tượng trên ta thấy, khi chiều dài dây tăng thì lượng chất lắng đọng nhiều hơn và tinh thể phát triển hoàn hảo hơn dẫn đến giá trị lực kháng từ tăng nhưng chỉ tăng đến một giá trị bão hòa. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10-5 2260 2280 2300 2320 2340 2360 2380 2400 2420 L(m) H c (O e )

Hình 3.2. Đồ thị sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 39

3.2 Các kết quả thực nghiệm

3.2.1 Sự phụ thuộc của mật độ dịng vào thời gian

Q trình lắng đọng được thực hiện nhiều lần với các đường kính dây khác nhau. Trong quá trình lắng đong điện thế được giữ không đổi -0,9 V với điện cực làm bằng Ag / AgCl. Hình 3.3 cho thấy đường mơ tả mật độ dòng theo thời gian tương đối ổn định. Giai đoạn đầu khi t < 200 s mật độ dịng J có sự thăng giáng, điều này được giải thích là do trong thời gian đầu chưa có sự ổn định của máy và thành phần các nguyên tố trong dung dịch. Lúc đầu đế điện cực là mặt đồng (Cu) sau một khoảng thời gian lắng đọng thì đế đồng được được phủ dần bởi CoNiP nên cũng dẫn đến sự thay đổi của mật độ dòng trong thời gian đầu. Khi t > 200 s mật độ dòng được dữ ổn định cỡ 8 (mA/cm2). Điều này có thể dự đốn mẫu chế tạo khá hoàn chỉnh về cấu trúc và ổn định về thành phần. 0 200 400 600 800 1000 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 (3) (2) (1) J ( m A /c m 2 ) Thêi gian (s) (1) 200 nm (2) 400 nm (3) 600 nm

3.2.2 Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM).

Hình 3.4 thể hiện ảnh hiển vi điện tử quét SEM của dây nano CoNiP có đường kính khác nhau lấy ra từ khn mẫu polycarbonate. Kết quả cho thấy đã chế tạo được các mẫu dây nano CoNiP có đường kính lần lượt là 100 nm, 200 nm, 400 nm và 600 nm với dài của các dây nano cỡ hơn 3 m. Hầu hết các dây nano nhỏ gọn và đồng nhất với nhau.

b

d a

c

Hình 3.4. Hình ảnh SEM của các dây nano CoNiP có đường kính khác nhau:

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 41

3.2.3 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD).

30 40 50 60

C-

ờng độ(a

.u)

2 theta (Độ)

Hỡnh 3.5. Kết quả nhiễu xạ tia X của các dây nano CoNiP với đường kính 100 nm

Hình 3.5 cho thấy kết quả nhiễu xạ tia X của các dây nano CoNiP với đường kính 100 nm sau khi gỡ bỏ khuôn mẫu polycarbonat ( với giá trị pH là 5,1). Từ phổ nhiễu xạ tia X, vị trí của các đỉnh nhiễu xạ là 42,0700 và 44,9300 tương ứng với cấu trúc lục giác xếp chặt với bề mặt (100) và (002). Cấu trúc này phù hợp với kết quả công bố của của D.Y .Park [6] . Các đỉnh nhiễu xạ hiển thị ở 390 cho thấy pha hỗn hợp của NiP hoặc Ni. Các đỉnh đồng (Cu) là do điện cực Cu được phun xạ trên bề mặt của mẫu polycarbonate. Cu hcp (002) hcp (100) NiP Or Ni

3.2.4 Kết quả đo phổ tán sắc năng lƣợng (EDS).

Hình 3.6 cho thấy các thành phần nguyên tố của các dây nano CoNiP đo bằng phổ tán xạ năng lượng (EDS). Từ phân tích phổ EDS cho thấy rằng các dây nano CoNiP chỉ chứa Co, Ni và P. Đỉnh đồng (Cu) là do điện cực chế tạo. Theo kết quả EDS xác định rằng phần trăm nguyên tử: Co (81,07%), Ni (12,68%) và P (6,25%).

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 43

3.2.5 Tính chất từ của mẫu.

3.2.5.1 Kết quả đo từ kế mẫu rung

Hình 3.7. Chu trình từ trễ của dây nano CoNiP đo ở nhiệt độ phịng

Để nghiên cứu tính chất từ của các dây nano CoNiP, chúng tôi xác định đường cong từ trễ bằng thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) với từ trường bên ngồi tối đa 10000 Oe. Các vịng từ trễ được xác định ở nhiệt độ phòng . Kết quả đo đường cong từ trễ với từ trường song song và vng góc với trục của dây được thể hiện trong hình 3.7.

Để đánh giá tính dị hướng đơn trục của dây, ta khảo sát tỉ số vng MR/Ms.

100 200 300 400 500 600 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 M R /M s §-êng kÝnh d (nm)

Hình 3.8. Sự phụ thuộc của tỉ số MR/Ms vào đường kính

Khi đường kính tăng từ 100 nm tới 600 nm xét theo đường cong từ trễ với từ trường đo đặt song song với trục của dây ta thấy tỉ số vuông MR/MS giảm từ giá trị 0,508 tới 0,240. Mặt khác nếu xét theo đường cong từ trễ với từ trường đo đặt vng góc với trục của dây ta thấy tỉ số này lại tăng lên. Điều đó chứng tỏ trục dễ từ hóa của dây đã chuyển sang trục khó từ hóa hơn.

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 45

Khi đường kính d tăng từ 100 nm tới 600 nm thì lực kháng từ với từ trường đo đặt song song với trục của dây giảm từ 1850 Oe tới 800 Oe và lực kháng từ với từ trường đo đặt vng góc với trục của dây giảm từ khoảng 1200 Oe tới 760 Oe.

100 200 300 400 500 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 HC ( O e ) §-êng kÝnh d (nm)

H song song víi dây H vng góc với d©y

Hình 3.9. Sự phụ thuộc của Hc vào đường kính.

Từ hình 3.9 ta thấy thực nghiệm đã cho kết qủa hồn tồn phù hợp với kết quả tính tốn lý thuyết ở trên. Khi đường kính dây nano tăng thì lực kháng từ giảm.

3.2.5.2 Ảnh hƣởng của tỷ số hình dạng lên trƣờng kháng từ của dây nano 5 10 15 20 25 30 5 10 15 20 25 30 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Hc (O e ) Tỷ số hình dạng L/d §-êng thùc nghiƯm §-êng lÝ thuyÕt

Tỷ số hình dạng của dây được định nghĩa là tỷ số giữa chiều dài và đường kính của dây nano (L/d ). Ta tiến hành đo lực kháng từ khi đường kính dây thay đổi từ 100 nm tới 600 nm và chiều dài dây là 3 . Tương ứng với tỉ số hình dạng thay đổi từ 5 đến 30. Từ hình vẽ ta thấy khi tỉ số hình dạng tăng từ 5 tới 15 thì lực kháng từ Hc tăng nhanh tỷ lệ với tỉ số hình dạng của dây nano và khi tỉ số hình dạng lớn hơn 15 tốc độ tăng của lực kháng từ Hc có xu hướng giảm dần, điều này được giải thích là do cường độ ngày càng tăng của các tương tác từ tĩnh trong các dây.

Dạng của đường lí thuyết và thực nghiệm là tương đối giống nhau. Tuy nhiên khơng có sự trùng khớp giữa hai đường là do đối với mẫu thực nghiệm cịn có các vật liệu khác (Ni, Co, NiP, …) và các tương tác giữa các dây.

Ng-êi h-íng dÉn: TS. Lª Tn Tó 47

3.2.5.3 Kết quả tính tốn năng lƣợng dị hƣớng.

Để hiểu rõ hơn về tính dị hướng từ của các dây nano CoNiP ta đi tính năng

lượng dị hướng KU và bán kính tới hạn RC.

Từ chu trình từ trễ, chúng ta có thể xác định được từ trường dị hướng Hk [25] khi đặt từ trường đo đặt song song và vng góc với trục của dây như thể hiện trong hình 3.11. Năng lượng dị hướng KU có thể được xác định bằng cơng thức sau [9,17].

  2 . 2 . K S K K// S U H H M H M K      (3.2)

Ms là từ độ bão hòa, HK từ trường dị hướng trong trường hợp từ trường đo đặt vng góc với dây và HK// là từ trường dị hướng trong trường hợp từ trường đo đặt song song song với dây. Hình 3.11 cho thấy các biến đổi của KU như một hàm của đường kính, khi bán kính tăng lên thì giá trị của năng lượng dị hướng giảm. Trong

Hình 3.12. Sự phụ thuộc của

năng lượng dị hướng KU theo đường kính.

Hình 3.11. Sự phụ thuộc của

trường dị hướng theo đường kính dây nano

trường hợp KU > 0 tương ứng với các mảng dây nano có đường kính nhỏ (d <260 nm) thì trục từ dễ từ dễ song song với dây. Trong trường hợp KU < 0 tướng ứng vơi mảng