Chương 3 : Thực nghiệm và biện luận kết quả
3.3. Kết quả và thảo luận
Trong phần này, chúng tơi xin trình bày chi tiết các kết quả thí nghiệm mà chúng tơi đã đạt được. Kèm theo đó là phần giải thích và biện luận các kết quả thu được. Thí nghiệm được thực hiện trên 4 mẫu đã chuẩn bị sẵn ở phần trước.
Hướng đi ban đầu của thí nghiệm là nghiên cứu sự suy giảm huỳnh quang
của ánh sáng tán xạ qua dung dịch nano từ tính khi thay đổi giá trị từ trường ngồi. Lúc đó cường độ ánh sáng tán xạ suy giảm theo một hàm của từ trường ngồi.
Hình 3.6. Phổ phát xạ của dung dịch nano sắt từ Fe3O4 suy giảm khi từ trường tăng
dần.
Chúng tơi tiến hành thí nghiệm đo cường độ ánh sáng tán xạ sau mỗi lần tăng giá trị từ trường (từ 100 G lên 270 G), hướng của từ trường khơng thay đổi trong suốt q trình đo. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.6. Các phép đo được thực hiện tức thời, ngay sau khi thay đổi cường độ từ trường. Ta nhận thấy, khi từ trường tăng dần, cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm, sau đó tắt từ trường, cường độ ánh sáng tán xạ vẫn tiếp tục suy giảm.
Hình 3.7. Phổ phát xạ của dung dịch nano sắt từ Fe3O4 suy giảm khi từ trường
Các phép đo phổ phát xạ cũng được thực hiện tương tự khi từ trường giảm dần từ 270 G về 100 G. Các phép đo được thực hiện tức thời, ngay sau khi thay đổi cường độ từ trường. Kết quả thể hiện trên Hình 3.7 cho ta thấy, từ trường được điều chỉnh giảm dần và kéo theo đó, cường độ ánh sáng tán xạ cũng suy giảm dần!
Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng mặc dù sự suy giảm chưa đạt tới giá trị bão hịa nhưng có sự suy giảm không theo quy luật nhất định.
Sự suy giảm cường độ ánh sáng tán xạ xảy ra trong cả hai trường hợp tăng và giảm từ trường. Khơng những thế, sự suy giảm cịn tiếp tục xảy ra khi chúng tôi
điều chỉnh những giá trị từ trường khác nhau, cũng như tắt hẳn từ trường ngồi.
Chính điều này dẫn tới một ý tưởng về sự từ hóa theo thời gian khi dung dịch chứa các hạt nano sắt từ được đặt trong từ trường. Khi có từ trường đặt vào, moment của các hạt từ bắt đầu tự sắp xếp dọc theo hướng của từ trường. Sự sắp xếp của các
moment từ càng chính xác và độ dài của chuỗi tăng lên khi thời gian từ hóa tăng dần.
Để giải đáp cho ý tưởng này, chúng tôi quyết định thực hiện thí nghiệm khi
từ trường được đặt cố định tại một giá trị và đo cường độ ánh sáng tán xạ theo từng khoảng thời gian (cứ sau 5 phút, phép đo lại được thực hiện) cho đến khi đạt giá trị bão hòa.
Chúng tơi tiến hành thí nghiệm trên từng mẫu như sau:
Mẫu số 1 (Fe3O4 nồng độ 1-4), từ trường được đặt cố định tại 270 Gauss,
hiện tượng suy giảm ánh sáng xảy ra cho đến phút thứ 65 thì bắt đầu bão hịa,
cường độ ánh sáng suy giảm chậm dần và dừng lại hầu như khơng suy giảm nữa. Độ suy giảm bão hịa là 35% giá trị ban đầu. Cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm
Hình 3.8. Phát xạ của dung dịch Fe3O4 suy giảm theo thời gian trong môi
trường từ tính 270G (Mẫu số 1)
Hình 3.9. Cực đại phổ phát xạ suy giảm theo thời gian khi đặt trong mơi trường
từ tính 270G (Mẫu số 1)
Mẫu số 2 (Fe3O4 nồng độ 1-2), từ trường được đặt cố định tại 270 Gauss,
Mẫu số 1 (Fe3O4 nồng độ 1-4)
Mẫu số 1 (Fe3O4 nồng độ 1-4)
cường độ ánh sáng suy giảm chậm dần và dừng lại hầu như không suy giảm nữa. Độ suy giảm bão hòa là 30% giá trị ban đầu. Cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm
theo thời gian được thể hiện trên Hình 3.10 và Hình 3.11.
Hình 3.10. Phát xạ của dung dịch Fe3O4 suy giảm theo thời gian trong mơi
trường từ tính 270G (Mẫu số 2)
Hình 3.11. Cực đại phổ phát xạ suy giảm theo thời gian khi đặt trong môi
trường từ tính 270G (Mẫu số 2)
Mẫu số 2 (Fe3O4 nồng độ 1-2)
Mẫu số 2 (Fe3O4 nồng độ 1-2)
Đối với mẫu số 3 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-8), từ trường được đặt cố định
tại 270 Gauss, hiện tượng suy giảm ánh sáng xảy ra cho đến phút thứ 60 thì bắt đầu bão hịa, cường độ ánh sáng suy giảm chậm dần và dừng lại hầu như không suy
giảm nữa. Độ suy giảm bão hòa là 50% giá trị ban đầu. Cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm theo thời gian được thể hiện trên Hình 3.12 và Hình 3.13.
Hình 3.12. Phát xạ của dung dịch CaFexMn1-xO3 suy giảm theo thời gian trong
môi trường từ tính 270G (Mẫu số 3)
Hình 3.13. Cực đại phổ phát xạ suy giảm theo thời gian khi đặt trong mơi
trường từ tính 270G (Mẫu số 3)
Mẫu số 3 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-8)
Mẫu số 3 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-8)
Mẫu số 4 được pha loãng hơn (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-16), từ trường được
đặt cố định tại 200 Gauss, hiện tượng suy giảm xảy ra đến phút 45 thì bắt đầu bão
hịa, cường độ ánh sáng tán xạ không suy giảm nữa. Độ suy giảm bão hòa là 25%
giá trị ban đầu. Cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm theo thời gian được thể hiện trên Hình 3.14 và Hình 3.15.
Hình 3.14. Phát xạ của dung dịch CaFexMn1-xO3 suy giảm theo thời gian trong
mơi trường từ tính 200G (Mẫu số 4)
Hình 3.15. Cực đại phổ phát xạ suy giảm theo thời gian khi đặt trong mơi
trường từ tính 200G (Mẫu số 4)
Mẫu số 4 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-16)
Mẫu số 4 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-16)
Thời gian bão hòa Cường độ suy giảm Mẫu 1
Fe3O4 nồng độ 1-4 65 phút 35% giá trị ban đầu
Mẫu 2
Fe3O4 nồng độ 1-2 50 phút 30% giá trị ban đầu
Mẫu 3
CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-8 60 phút 50% giá trị ban đầu
Mẫu 4
CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-16 45 phút 25% giá trị ban đầu
Bảng 3.2. Tóm tắt kết quả thu được trên từng mẫu
Lý giải hiện tượng dựa trên lý thuyết tán xạ trên hạt nano:
Trong 1 dung dịch có từ tính, mỗi hạt sắt từ được coi là siêu thuận từ đơn miền (single domain superparamagnetic) với moment từ M. Khi năng lượng tương tác lưỡng cực trở lên đủ mạnh, các hạt từ định dạng theo cấu trúc chuỗi giống nhau - chainlike. Điều này làm cho toàn bộ các chuỗi hoạt động như một lưỡng cực từ
lớn. Lực hấp dẫn giữa 2 hạt nano từ được mô tả bởi 1 hằng số kép: L[=Ud(ij)/kBT], nó bao gồm hai nhân tố cạnh tranh nhau: năng lượng tương tác lưỡng cực từ Ud(ij) và năng lượng nhiệt kBT. Ở đây, kB là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ [3].
Nguyên nhân của sự suy giảm ánh sáng có thể là do xuất hiện nhiễu xạ nhiều lần (Multiple Diffraction) trong cấu trúc, dẫn đến ánh sáng chiếu tới bị ”lan truyền” vào trong cấu trúc, làm cho ánh sáng bị suy giảm dần. Sự nhiễu xạ nhiều lần được minh họa như Hình 3.16. Nói cách khác, sự phân bố lại năng lượng giữa những cực trị nhiễu xạ bậc không và bậc cao hơn dẫn đến giảm cường độ của ánh sáng truyền qua được đo bởi detector. Hiện tượng này cũng có thể xảy ra ngay cả trong các loại dung dịch keo pha loãng, các vân nhiễu xạ được tách ra bởi sự nhiễu xạ nhiều lần
Hình 3.16. Nhiễu xạ nhiều lần trong dung dịch nano từ [11]
Sự xuất hiện cộng hưởng lưỡng cực dipol và sau đó tạo ra những sóng đứng gây ra sự trễ ánh sáng truyền tới cũng là nguyên nhân dẫn tới sự suy giảm ánh sáng tán xạ.
Khi khơng có từ trường ngồi, các moment từ tính của các hạt từ được định hướng ngẫu nhiên. Khi có từ trường đặt vào, moment của các hạt từ bắt đầu tự sắp xếp dọc theo hướng của từ trường. Sự sắp xếp của các moment từ càng chính xác và
độ dài của chuỗi tăng lên khi thời gian tăng dần. Sự quan sát hiện tượng tán sắc của
các hạt nano sắt từ qua kính hiển vi điện tử truyền qua TEM ở nhiệt độ thấp dưới từ trường khẳng định cấu trúc hình ống, sự đối xứng lục giác bị bóp méo.
Xét hệ số truyền qua A: 0 1 coth I A I ξ ξ = = − (3.2) Với: H kT μ ξ = (3.3)
• I0 và I: Cường độ ánh sáng truyền qua trước và sau khi có từ trường
• k và T : Hằng s Boltzmann v Nhit tuyt i ã à và H: Moment từ của hạt và Từ trường đặt vào
Sự sắp xếp và khoảng cách giữa các chuỗi thay đổi làm cho moment từ µ cũng thay đổi dẫn đến sự thay đổi của hệ số truyền A.
Ngoài ra sự suy giảm ánh sáng khi đặt trong từ trường còn phụ thuộc vào các yếu tố như là tán xạ spin - dipol, sự tương tác giữa các moment từ, gradient trong từ trường đặt vào, lực hấp dẫn van der Waals, và các dạng lực đẩy giữa các hạt nano.
Hình 3.17 là một trong những ứng dụng đối với sợi quang học, những sợi
quang học này có sự khác biệt so với sợi quang học thơng thường, đó là nó được
cho thêm 1 chất keo các hạt nano Fe304 siêu thuận từ vào đoạn đầu của sợi. Khi có từ trường ngồi đặt vào, sợi quang này làm cho chùm sáng mở rộng trải dài với vùng quan sát rộng hơn.
Hình 3.17. (A) Sợi quang học với đoạn đầu chứa dung dịch nano từ tính; (B) Khi
chưa có từ trường đặt vào; (C) Sau khi có từ trường đặt vào [11]
Cũng lưu ý rằng sự ổn định của hiện tượng suy giảm vẫn được ghi nhận sau khi từ trường ngoài tắt. Kết quả này chỉ ra rằng cấu trúc chuỗi vẫn ổn định trong khoảng thời gian dài sau khi từ trường ngoài bị tắt. Sự ổn định này có thể được giải thích bởi hiệu ứng của lực hút lưỡng cực-lưỡng cực (dipole-dipole) giữa các hạt
cũng như lực đẩy tĩnh điện do lớp điện hóa kép. Điều kiện quan trọng cho sự ổn định này là do sự điều chỉnh tự nhiên của lý thuyết Derjaguin-Landau-Verwey
KẾT LUẬN
Luận văn đã trình bày các khả năng cũng như các nguyên nhân khác nhau có thể dẫn đến hiện tượng suy giảm cường độ huỳnh quang dưới tác dụng của từ
trường ngoài. Kết quả nghiên cứu chất keo Fe3O4 và dung dịch Calcium Manganate pha tạp Fe (CaFexMn1-xO3) trong mơi trường từ tính cho thấy:
• Mẫu số 1 (Fe3O4 nồng độ 1-4), tại giá trị từ trường đặt vào 270 Gauss, sau 65 phút, cường độ ánh sáng truyền qua bị suy giảm khoảng 35%.
• Mẫu số 2 (Fe3O4 nồng độ 1-2), tại giá trị từ trường đặt vào 270 Gauss, sau 50 phút, cường độ ánh sáng truyền qua bị suy giảm khoảng 30%.
• Mẫu số 3 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-8), tại giá trị từ trường đặt vào 270
Gauss, sau 60 phút, cường độ ánh sáng truyền qua bị suy giảm khoảng
50%.
• Mẫu số 4 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-16), tại giá trị từ trường đặt vào 200 Gauss, sau 45 phút, cường độ ánh sáng truyền qua bị suy giảm khoảng
30%.
Nguyên nhân chính là do sự xuất hiện nhiễu xạ nhiều lần (Multiple Diffraction) trong cấu trúc, dẫn đến ánh sáng sẽ bị "lan truyền" vào trong cấu trúc. Ngồi ra cịn do sự xuất hiện cộng hưởng lưỡng cực dipol và sau đó tạo ra những sóng đứng gây ra sự trễ ánh sáng truyền tới.
Đóng góp chính của luận văn là đã khảo sát được sự suy giảm cường độ
huỳnh quang theo thời gian khi đặt trong từ trường cố định. Ngồi ra chúng tơi đã chế tạo thành cơng cặp cuộn dây từ tính lõi ferrite, mỗi cuộn được cuốn 10.000
vòng, tạo từ trường tối đa xấp xỉ 300 Gauss khi có dịng điện 1 chiều chạy qua. Thực nghiệm này có thể mang lại những ứng dụng có ý nghĩa trong các thiết bị điều khiển, kiểm soát ánh sáng bằng từ trường. Sự ổn định của hiện tượng suy
giảm vẫn được ghi nhận sau khi từ trường ngoài tắt, điều này mang lại những ứng
dụng cũng như các ý tưởng cho các thiết bị lưu trữ quang học.
Các kết quả đạt được là khá lý thú và mở ra nhiều hướng nghiên cứu ứng
chỉ khảo sát được 1 phần hiện tượng suy giảm huỳnh quang của dung dịch nano từ khi đặt trong từ trường ngoài.
Trong thí nghiệm, chúng tơi đã cố gắng sử dụng nhiều mẫu đo với những tỷ lệ thể tích pha trộn khác nhau, từ trường cố định đặt vào cũng có khác nhau. Điều
này giúp cho chúng tơi hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa hiện tượng suy giảm huỳnh quang với tỷ lệ pha trộn thể tích dung dịch nghiên cứu và độ lớn của từ trường ngồi đặt vào. Thí nghiệm vẫn cịn những điều chưa rõ cần nghiên cứu khảo sát và thảo luận thêm.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
[1]. Đinh Thị Lan, Nguyễn Đức Thọ, Hoàng Nam Nhật, Phùng Quốc Thanh, Vũ
Anh Tuấn, Trạng thái kích thích trong dung dịch nano chứa hạt gốm từ
manganate, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ
7 (SPMS-2011) - Tp. Hồ Chí Minh 7-9/11/2011.
[2]. Vũ Anh Tuấn, Hồng Nam Nhật, Hoàng Đức Anh, Nguyễn Khắc Thuận,
Hiện tượng suy giảm huỳnh quang trong từ trường của dung dịch hạt nano sắt từ, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7
(SPMS-2011) - Tp. Hồ Chí Minh 7-9/11/2011.
[3]. Nguyễn Khắc Thuận, Vũ Anh Tuấn, Hoàng Đức Anh, Hoàng Nam Nhật,
Cấu trúc và tính chất của màng vàng (Au) sử dụng trong công nghệ dát vàng cổ ở Việt Nam, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt:
1. Phạm Văn Bền (2006), “Bài giảng về vật lý bán dẫn”, ĐHQGHN, ĐHKHTN.
Tiếng Anh:
2. A.V. Mahajan, D.C. Johnston, D.R. Torgeson, F. Borsa (1992), “Magnetic properties of LaVO3”, Phys. Rev. B 46, 10966.
3. John Philip, J. M. Laskar and Baldev Raj. (2008), “Magnetic field induced extinction of light in a suspension of Fe3O4 nanoparticles”, Appl. Phys. Lett. 92, 221911.
4. Rajesh Patel (2009), “Induced optical anisotropy by nanomagnetic particles in nanofluids”, Pure Appl. Opt. 11, 125004 (5pp).
5. Rajesh Patel, R.V. Upadhyay, R.V. Mehta. (2006), “Optical Properties of magnetic and non-magnetic composites of ferrofluids”. Journal of
Magnetism and Magnetic Materials 300, e217–e220.
6. Rajesh Patel, “Inversion in Magneto-optical effects in Ferrofluid based MR
fluid”.
7. Rajesh Patel, Kinnari Parekh, R.V. Upadhyay, R.V. Mehta (2005), “Field- induced diffraction patterns in a magneto-rheological suspension”, Journal of
Magnetism and Magnetic Materials 289, 311–313.
8. R. A. Chakalov, M. V. Abrashev, J. Baăckstroăm, L. Boărjesson, V. N. Popov, N. Kolev, R. L. Meng, and M. N. Iliev (2002), “Raman spectroscopy of CaMnO3: Mode assignment and relationship between Raman line intensities and structural distortions”, Physical Review B, Volume 65, 184301.
9. R.V. Mehta, Rajesh Patel, Rucha Desai, R.V. Upadhyay and Kinnari Parekh (2006), “Experimental Evidence of Zero Forward Scattering by Magnetic Spheres”, Phys. Rev. Lett. 96,127402.
10. R.V. Mehta, R.V. Upadhyay, Rajesh Patel, Premal Trivedi (2005), “Magnetooptical effects in magnetic fluid containing large aggregates”,
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 289, 36–38.
11. Serhiy Z.Malynych, AlexanderTokarev, StephenHudson, GeorgeChumanov, JohnBallato, Konstantin G.Kornev (2010), “Magneto-controlled illumination with opto-fluidics”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 322, 1894–1897.
12. S. Kolesnik, B. Dabrowski, J. Mais, D. E. Brown, R. Feng, O. Chmaissem, R. Kruk, and C. W. Kimball (2003), “Magnetic phase diagram of cubic perovskites SrMn1-xFexO3”, Physical Review B 67, 144402.
13. X.J. Liu, Z.Q. Li, P. Wu, H.L. Bai, E.Y. Jiang (2007), “The effect of Fe doping on structural, magnetic and electrical transport properties of CaMn1−xFexO3 (x = 0–0.35)”, Solid State Communications 142, 525–530.
14. Yang Zhong-Qin, Sun Qiang, Ling Ye and Xie Xi-de (1998), "A discrete variational method study on the electronic structures of CaMnO3 and LaMnO3", Volume 7, Number 11, Acta Phys. Sin.