Chương 2: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU NANO
2.5. Chế tạo một số vật liệu nano từ tính khác
Ngoài những vật liệu nano từ đã kể trên, bằng phương pháp tương tự trong quá trình nghiên cứu đã tiến hành chế tạo được các vật liệu nano từ tính khác như vật liệu BaCo ferrite và vật liệu multiferroic BCFO.
2.5.1. Chế tạo vật liệu từ nano BaCo ferrite
Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu nano BaCo ferrite theo phương pháp phun sương đồng kết tủa được trình bày trên Hình 2.11. Ban đầu, hợp chất lỏng BaCl2 + CoCl2 + FeCl3 được đưa vào một bình chịu áp lực.
Bình chịu áp lực còn lại chứa dung dịch NaOH. Cho dòng khí nén áp suất 3.5 atm qua ống dẫn vào hai bình chịu áp lực để dung dịch đi ra từ hai bình ở dạng sương mù tại vòi phun. Tốc độ phun tại hai vòi giống nhau đạt 0.5 lít/phút. Phản ứng đồng kết tủa xảy ra tại bình phản ứng. Bình này có chứa
một lượng dung dịch NaOH 10-4 M để giữ cho môi trường phản ứng có pH = 10. Chất kết tủa được thu lại, lọc và rửa cho đến khi pH đạt 7÷8. Sau đó chất kết tủa được sấy sơ bộ ở nhiệt độ 50oC và nung ở 1000oC trong 4h. Cuối cùng vật liệu nano được nghiền mịn. Với quy trình như trên, chúng tôi đã chế tạo thành công được lượng lớn vật liệu nano 3BaO.2CoO.12Fe2O3.
Hình 2.11: Sơ đồ các bước chế tạo vật liệu nano BaCo ferrite.
20 30 40 50 60 70
0 20 40 60 80 100 120
[220]
[218]
[210] [1030]
[303]
[2020]
[2013]
[1116]
[1112]
[1110]
[118][1016]
[114]
[110]
Intensity (a.u)
2 Theta (degree)
3BaO.2Co.12Fe2O3
Hình 2.12: Phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu nano BaCo ferrite chế tạo được
Phổ nhiễu Rơnghen của vật liệu nano BaCo ferrite được trình bày Hình 2.12.
BaCl2+ CoCl2 + FeCl3 NaOH
Đồng kết tủa, pH = 10
Hạt nano 3BaO.2CoO.12Fe2O3
Phun sương
Lọc, rửa, sấy 50oC Nung, 1000oC, 4h
Trên Hình 2.13 trình bày ảnh TEM của vật liệu nano BaCo ferrite chế tạo được. Ta thấy rằng các hạt nano cũng có kích thước rất nhỏ, chỉ cỡ vài nano mét, tuy nhiên khác với trường hợp ferrite cobalt, trên Hình 2.13 (b) với độ phóng đại tương tự ta không quan sát thấy sự hình thành của các que nano.
(a) (b)
Hình 2.13: Ảnh TEM của vật liệu nano BaCo ferrite chế tạo được với độ phóng đại khác nhau.
Hình 2.14: Chu trình từ trễ của vật liệu nano BaCo ferrite
Chu trình từ trễ của vật liệu được trình bày trên Hình 2.14. Từ hình này ta xác định được từ độ bão hòa của vật liệu đạt trên khoảng 35 emu/g. Ta thấy rằng vật liệu nano BaCo ferrite thể hiện tính chất từ cứng khá rõ rệt (với Mr
14 emu/g, Hc 1000 Oe ), mặc dù kích thước hạt của vật liệu là khá nhỏ. Như vậy có thể thấy rằng kích thước đômen của vật liệu BaCo ferrite là rất nhỏ, dưới nano mét.
2.5.2. Chế tạo vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3 (BCFO)
Hình 2.15: Sơ đồ các bước chế tạo vật liệu nano multiferroic.
Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu nano BaCo ferrite theo phương pháp phun sương đồng kết tủa được trình bày trên Hình 2.15. Ban đầu, hợp chất lỏng Bi(NO3)3 + Co(NO3)2 + FeCl3 và dung dịch NaOH được đưa vào hai bình chịu áp lực. Cho dòng khí nén áp suất cỡ 3 atm qua ống dẫn vào hai bình chịu áp lực để dung dịch đi ra từ hai bình ở dạng sương mù tại vòi phun. Phản ứng đồng kết tủa xảy ra tại bình phản ứng lớn hơn.
Bình này có chứa một lượng dung dịch NaOH 10-4 M để giữ cho môi trường phản ứng có pH = 10. Chất kết tủa được thu lại, lọc và rửa cho đến khi pH đạt 7÷8. Sau đó chất kết tủa được sấy sơ bộ ở nhiệt độ 50oC và nung ở 1000oC trong 6h. Cuối cùng vật liệu BiFeO3 – CoFe2O4 được nghiền mịn. Với quy trình như trên, chúng tôi đã chế tạo thành công được lượng lớn vật liệu BiFeO3 – CoFe2O4.
Bi(NO3)3 + Co(NO3)2 + FeCl3 NaOH
Đồng kết tủa, pH = 10
Hạt nano BiFeO3 - CoFe2O4
Phun sương
Lọc, rửa, sấy 50oC Nung, 1000oC, 4h
Hình 2.16 trình bày phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3 (BCFO) chế tạo được.
20 30 40 50 60 70
0 100 200 300 400 500
BiFeO3
Intensity (a.u)
2 (degree)
CoFe2O4
Hình 2.16: Phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3
(BCFO)
Trên Hình 2.17 trình bày ảnh TEM của vật liệu multiferroic CoFe2O4
- BiFeO3 (BCFO) chế tạo được. Ta thấy rằng các hạt vật liệu này có kích thước khá lớn, cỡ 500 nm, và trên hình (a) ta còn thấy đã hình thành pha có dạng thanh với đường kính cỡ 500 nm và chiều dài vài micro mét.
(a) (b)
Hình 2.17: Ảnh TEM của vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3 (BCFO) với độ phóng đại khác nhau.
Chu trình từ trễ của vật liệu được trình bày trên Hình 2.18. Từ hình này ta xác định được từ độ bão hòa của vật liệu chỉ vào khoảng 25 emu/g.
Ta thấy rằng vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3 (BCFO) thể hiện tính chất từ cứng khá rõ rệt (với Mr 12,5 emu/g, Hc 1000Oe). Kết quả này là dễ hiểu: vì vật liệu BCFO thực chất là hỗn hợp cơ học của 2 vật liệu CoFe2O4 và BiFeO3, trong đó BiFeO3 là vật liệu sắt điện, không có từ tính, cho nên từ độ bão hòa của vật liệu BCFO chỉ bằng cỡ một nửa của CoFe2O4. Tuy nhiên tính chất từ cứng hoàn toàn do CoFe2O4 quy định nên lực kháng từ trong trường hợp này cũng khá lớn, cỡ 1000 Oe.
Hình 2.18: Chu trình từ trễ của vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3