CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM - KET QUÁ - THẢO LUẬN
3.3. KET QUÁ - THẢO LUẬN
3.3.1. Kết quả tông hợp vật liệu nano YạsSr,EeO;
Dé khảo sát sự thay đổi khối lượng theo nhiệt độ cũng như các quá trình hóa lí xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của mẫu kết tủa đã được say khô, chúng tôi sử
dụng phương pháp phân tích nhiệt TGA/DTA.
Dựa vào giản đô phân tích nhiệt của mẫu bột Y¿sSra¡FeO; ở hình 3.3, ta thay quá trình mat khối lượng xảy ra từ 90 — 750°C với tông phan trăm mat khối lượng là
43.61%:
- Ở khoảng nhiệt độ 90 - 250°C, xuất hiện peak thu nhiệt ứng với sự mat nước vật
lí của các chất trên bẻ mặt sản phẩm, đồng thời có sự tạo thành FeO(OH).
- Các quá trình mat khối lượng ở khoảng 250 — 750°C được gán cho hiện tượng mat nước hóa học của các phân tử nước liên kết khá chặt chẽ với các phân tử khác trong sản phẩm đông thời xảy ra sự nhiệt phân các hydroxit Y(OH);, Fe(OH):; các muối rắn Y;(CO:);, SrCO; tạo thành khi kết tủa bởi dung dịch (NH,);CO; và giải
phóng khí CO›.
- Bên cạnh đó, peak tỏa nhiệt ở khoảng nhiệt độ 550 — 750°C có thẻ được giải thích do quá trình chuyên pha của các oxit sinh ra trên.
Như vậy, với sự thay đôi hơn 40% trọng lượng mau, từ 750°C trở đi lượng sản pham hau như không chứng tỏ ở nhiệt độ này mẫu bột điều chế đã ôn định, các thành phần kém bên xem như đã bị phân hủy va bay hơi hết.
Từ kết quả phân tích nhiệt, chúng tôi lựa chọn ba mức nhiệt độ nung cho mẫu YasSr¿ ¡FeO; (750, 800 và 850°C) trong 30 phút đẻ tiến hành các khảo sát tiếp theo.
Hình 3.4 là phô XRD của mẫu bột Y¿¿Sra ¡FeO; sau khi nung ở 800°C trong 30
phút (hình 3.4a) và giản đô ghép phô của 3 mẫu nung ở 750, 800, 850°C trong 30 phút
(hình 3.4b).
Ln fs}
~Treta - Scale
Cn be nanan © huy: BAA. men tàn k0. Tang 6 22 Cis. Terme omens 2 kes.. KH Tha ai 2/26
— Carentnanns lrwents 9.6.3 Crmnt, CÁ (06 3 Chew Neh s2 OL E4 | Re g exsế 1 0900 3.2809 | bup=-e
ERs vu 0t u02. xà lâm xe, Xe 29520 band aes Cam
+9 23171 ( 3 VRE RS 99 KLE Z2 9% vs... ...aa
SO 44-2086 LT)” ve sen Cente ROO HH a
ee eee es and LAD OR du hơn dL DR Cte ELE OE *À#A€4)) hn OE 209 hate 29239 - Gamer 9/99 - Omf/sessszse 3s? CK)
Kết quả XRD cho thay hau hết các peak nhiễu xạ của cả 3 mẫu vật liệu YasSra ¡EeO+ đều trùng với peak chuân YFeO:. Bên cạnh đó. ở các mẫu vẫn còn xuất hiện một peak tạp chất có cường độ khá cao của Y;O; với d ~ 3 A (cu thé là các giá tri d lần lượt băng 2.79609, 3.05554 va 3.06661 A tương ứng với các mẫu ở nhiệt độ 750,
800 và 850°C). Tuy nhiên ở nhiệt độ 800°C, cường độ peak tạp chất thấp hơn ở hai khoảng nhiệt độ còn lại. Ngoài ra, giản đồ XRD cũng cho thấy không có sự xuất hiện các peak hợp chất của stronti. Điều này chứng tỏ rằng sự pha tạp kim loại Sr vào mạng
tỉnh thê YEeO; đã hoản thiện.
Từ các kết quả phân tích trên chúng tôi có thé kết luận rằng. ở nhiệt độ 800°C sự hình thành đơn pha perovskite YssSrạ;FeO; là tốt nhất khi tông hợp vật liệu bằng phương pháp đồng kết tủa.
Nhu vậy, thông qua các kết quả phân tích nhiệt cùng với kết qua nhiều xạ tia X, ta có thể miêu tả quá trình hình thành đơn pha YasSr ; FeOa bằng các phương trình
phản ứng hóa học qua các giai đoạn sau:
Giai đoạn I: quá trình phản ứng của các muối ban đầu với tác nhân kết tha (NH,);CO: tạo thành các muối cacbonat không tan và các hydroxit:
2YCH: + 3(NH,);CO; => Y;(CO;);| + 6NH,Cl
2YC]; + 3(NH,);CO; + 3H;O — 2Y(OH); 1 + 6NH;CI + 3CO;†
Sr(NO:); + (NH4),CO; — SrCO;! + 2NH,NO;
2Fe(NO;); + 3(NH4)2CO; + H.O = 2Fe(OH);! + 3CO;† + 6NH,NO;
Giai đoạn 2: quá trình phân huỷ các muối cacbonat Y;(CO);, SrfCO; và các
hydroxit Fe(OH);, Y(OH); khi nung mẫu ở nhiệt độ cao tạo thành các oxit tương ứng:
Y¿(CO;); — Y20; + 3CO;†
2Y(OH); — Y;O: + 3H;O SrCO¿ — SrO + CO;†
2Fe(OH); — Fe;O; + 3H;O
Giai đoạn 3: quá trình kết hợp giữa các oxit ở nhiệt độ cao tạo thành ferrit:
t?C
0.9Y:Oa +0.1.2SrO + FeạOy — 2YsgSra¡FeO:
Tiếp theo, chúng tôi dùng kính hiền vi điện tử quét dé khảo sát hình thái và cấu trúc hạt của các mẫu sau nung. Anh SEM ở hình 3.5 cho thay ở nhiệt độ 750°C, các hạt có dang gan như là hình cau nhưng bị kết tụ thành những khối hạt lớn với kích thước trung bình từ 60 - 100 nm. Đa số các hat 800°C có dạng hình cầu khá đồng déu, kích
thước dao động trong khoảng 40 — 60 nm. Còn ở nhiệt độ 850°C các hạt tạo thành có
dang hình cầu phân cạnh yếu, kích thước trung bình từ 50 — 70 nm, ngoài ra, các hạt còn liên kết với nhau tạo thành khối hạt kéo dài. Như vậy có thé nói nhiệt độ nung
800°C trong 30 phút là điều kiện khá thích hợp đẻ tạo ra hạt nano Ys¿Sr¿¡FeO với
kích thước nhỏ.
nung ở nhiệt độ 750 (a), 800 (b) và 850°C (c) trong thời gian 30 phút
3.3.2. Kết quả tông hợp vật liệu nano Yo sSro.FeO;
Dựa vào kết quả phân tích nhiệt và kết quả phân tích XRD của các mẫu vật liệu YasSr¿ ¡FeO¿ ở mục 3.3.1, chúng tôi đã tiên hành khảo sát mẫu vật liệu YoxStp2FeO,
nung ở khoảng nhiệt độ 800°C trong vòng 30 phút.
Giản đồ XRD (hình 3.6) cho thấy ở khoảng nhiệt độ này. các peak nhiễu xạ đặc
trưng cho đơn pha perovskite YFeO; được hình thành chưa hoàn thiện, tinh thé perovskite vẫn còn ở dạng vô định hình. Điều này có thé được giải thích do lượng stronti pha tạp nhiều hơn mẫu YooSrp;FeO; nên nhiệt độ và thời gian nung đã chọn như trên là điều kiện chưa thích hợp đề stronti pha tạp hoàn toàn vào mạng tỉnh thẻ
YFecO:.
.
2-Treta - Scole
eh en. Ter Pe et Lee ar ie ee oe 8 0 < TH nộ 2 “CÔ mg - ee v24 9ý < 7 Sere Cee emer
OE) ree 2x9 Lee me | ere trees sự Om 88 eee end Been ere | Vve<se
[ice ae 4006 LES ‹ tere Lown Cueằ PFO NE ADAT 9: 4x 3x (, (MA, LAG: Cotter | 0 CROOK be 409389 + 742290: đồÁo A209 | ere 3S 200 spawns 93 2032 0eyreose < (Royđ
Hình 3.6. Gian đồ nhiễu xa tia X của mẫu nung ở 800°C trong 30 phút
Do đó, chúng tôi đã tiễn hành nung sơ bộ mẫu vật liệu ở nhiệt độ 500°C trong 2
giờ, sau đó nâng nhiệt độ nung lên 800°C và 850°C trong vòng | giờ.
Gian đô nhiễu xạ tia X của các mẫu được chi ra ở hình 3.7. Đối với mẫu được điều chế ở nhiệt độ §00°C, ngoài pha của YFeO; còn có pha của Y;O;. Ở nhiệt độ 850°C, không thay sự xuất hiện của peak tạp chất ứng với Y;O;. Như vậy, sự hình thành đơn pha perovskite khá hoàn thiện đối với mẫu được điều chế ở nhiệt độ 850°C.
Yttrium Iron Oxide
ttriurm Iron Oxide
i “ái
L2
ay iad antl ry) \ duc Px] este 4 hn Hos
~Treta - “
Da... ĐI (S24, are 6 280 < = Pass hdd ° „ Raps ONS *- Gan su 8 xà. Vive Gated i4 *.ề
<paronce: Ben 6.0 | berets 9 (801 Greets 2180 | oy 9y <7 O.9 Y9} Me Sema 566100 | bores
taht ties toe ee ee er ee oe
Para Kee
AD. Aes HAY Long Sung -genensa SOR. Cree. thew
b)
Hình 3.7. Gian đồ XRD của mau vật liệu Yo3Srp2FeO;
ở nhiệt độ 800 (a) và 850°C (b) (t = 1 giờ)
Hình 3.8 là anh SEM của các mẫu nung ở 800 và 850°C trong vòng 1 giờ. Kết quả cho thay ở nhiệt độ cao (850°C), các hạt có dạng hình cầu bị kết dính lại nhiều hơn tạo thành những khối hạt có kích thước lớn (trung bình từ 50 — 80 nm) so với mẫu nung ở nhiệt độ 800°C (kích thước hạt dao động trong khoáng 40 — 60 nm). Điều này
a) b)
Hình 3.8. Anh SEM của mau vật liệu Yo sSr;›FeO+ ở nhiệt độ
800 (a) va 850°C (b) (t = 1 giờ)
Các kết quả SEM cho thấy (hình 3.5 và hình 3.8), ở cùng một khoảng nhiệt độ,
cỏc hat của mau vật liệu YứssSr¿xFeOa cú kớch thước trung bỡnh chờnh lệch khụng nhiều nhưng vẫn hơi lớn hơn so với các hạt của mẫu vật liệu Y„sSra ¡FeO:.
Tiếp theo, chúng tôi tiễn hành phân tích thành phan nguyên tổ của mẫu vật liệu YasSra;FeO¿ bang phương pháp phô tán sắc năng lượng tia X (EDS). Kết quả được thẻ hiện ở hình 3.9.
Hình 3.9. Pho tán sắc năng lượng tia X của mẫu vật liệu YoxSrp2FeOs
Các số liệu thu được từ phương pháp phô tán sắc năng lượng tia X cho biết thành phan các nguyên tố Y, Sr, Fe, O lần lượt là 37.23%, 8.79%, 30.17%, 23.81% ứng với
ti lệ mol 0.8375 : 0.2006 : 1.0805 : 2.9764. Kết quả nảy tương đối phù hợp với tỉ lệ lí thuyết của vật liệu (sự sai lệch khoảng 5%).
3.3.3. Cau trúc tỉnh thé họ vat liệu nano Y;.vSr,FeOx (x= 0.1 và 0.2)
Thông qua kết quả XRD của các mẫu vật liệu điều chế được, chúng tôi đã xác định các thông số của vật liệu về kiểu mạng tính thẻ, thành phan pha, các hằng số
mạng và thé tích 6 mạng cơ sở. Kết quả được được liệt kê trong bảng I.
Bang 1. Kiêu mạng tỉnh thé và các thông số tế bao mạng của các mẫu vật liệu
Yt.„Sr„FeO: (x= 0.1 và 0.2)
Mẫu vật liệu
Perovskte — Trực thoi 5.5877 7.595] S.2743 223.57 YooSrorFeO; 30 800
Y20; ` Lậpphương | 10.6041 | 10.6041 | 10.6041 | 119240
Perovskie Trực thoi 5.2819 | 5.5957 7.6046 224.76
Yo oSto 1 FeO; 30_§50
Perovskite
Yọ xŠro+FeOa 1h_§00 — aaA_—_
Y20; 1192.40
Kết quả ở bảng | cho thấy, cả 5 mẫu vật liệu đều có câu trúc tinh thẻ trực thoi
nhưng chỉ có mẫu vật liệu YosSrp2FeO, nung ở 850°C không có thành phần tạp chất
Y;O: với mạng tinh thé lập phương.
So sánh các mẫu vật liệu YạsSr; ¡FeO; thì mẫu nung ở 750 và 800°C có thành
phan pha, kiểu mạng tinh thé cũng như các thông số mạng không đổi. Mẫu nung ở nhiệt độ 850°C có các thông số mạng tinh thé thay đổi chút it làm thay đôi hình dạng
và kích thước của tế bào mạng.
Mẫu vật liệu Ya„SrozFeO; ở nhiệt độ 850°C khá hoàn thiện so với mẫu ở 800°C vì không có sự xuất hiện của thành phần tạp chất Y;O:,
Bảng | cũng cho thấy, thẻ tích của các mẫu vật liệu tăng lên khi tăng nồng độ Sr pha tap do lượng Sr thay thế trong mẫu vật liệu YoSrp2FeO, nhiều hơn mẫu vật liệu
YasSr¿ ¡FeOa.
Từ các kết quả phân tích trên, chúng tôi có thé kết luận rằng, sự pha tạp thay thé Sr vào vị trí Y của họ vật liệu Y,.,Sr,FeOs (x= 0.1 và 0.2) làm thay đổi thành phan va cấu trúc mạng tinh thé dẫn đến sự thay đổi các thông số mạng. Sự thay đổi này cho thấy mỗi tương quan khá phức tạp giữa các thông số cấu trúc tinh thể và hàm lượng các ion thay thé. Điều này dẫn đến sự thay đôi tính chất điện, nhiệt điện và tính chất từ của hệ vật liệu chế tạo. Do đó, tiếp theo chúng tôi khảo sát các đặc trưng từ tính của
các mẫu vật liệu tong hợp.
3.3.4. Các đặc trưng từ tính của vật liệu nano Y,.,Sr,FeO, (x= 0.1 và 0.2)
Từ tính của các mẫu vật liệu được biéu diễn thông qua đường cong từ trễ được
chỉ ra ở hình 3.10.
GÀ.
+
n
Magnetization (emu/g) `
-15000 -10000 -5000 0 #200 10000 150 S200 -10000 .5000 ° #000 10000 15000
Applied field (Oe) Applied field (Oe)
a) b)
Hình 3.10. Gian đồ chồng phố từ trễ của các mau vật liệu YooStp ;FeOs (a)
và các mẫu vật liệu Y›„Sra;FeO; (b)
Các thông số về từ tính của các mẫu vật liệu được liệt kê trong bảng 2.
Bang2. Thông số từ tính của các mẫu vật liệu
Mẫu vật liệu tenh th H, (Oc)
YogSrs,FeO:_30 750. 0.008 0.200 93.02
YasS§r¿FeO+ | YsuSra¡FeO:_30_§00. 0094 0.371 2542.77
YooSto1FeO3_30_850 | 0347 0.846 3019.98
Từ kết quả thu được ở bảng 2 ta thấy, đối với 3 mẫu vật liệu YpoSro, FeO; điều chế được thì 2 trong 3 mẫu (mẫu 2 và 3) có lực kháng từ H, khá lớn (>> 100 Oe).
đồng thời độ từ dư M, của 2 mẫu này đều rất bé, gần với gid trị 0. Điều này chứng tô 2 mẫu vật liệu số 2 và 3 thuộc loại vật liệu từ cứng. thích hợp trong việc chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các 6 đĩa cứng, các băng
từ. Khác với 2 mẫu trên, mẫu 1 có H, < 100 Oe và tôn hao từ trễ khá thấp (hình 3. 10a)
cho nên mau vật liệu này có thê được xếp vào loại vật liệu từ mềm dùng trong các loại vật liệu cảm biến.
Các thông số từ tính của cả hai mẫu vật liệu Yo¢Sro2FeO, (mẫu 4 và 5) đều lớn,
lớn hơn so với các mẫu vật liệu Y¿sSr¿ ¡FeO+, đặc biệt là các giá trị M, và M, lớn hơn
rất nhiều lần. Bên cạnh đó, giản đồ phỏ ở hình 3.10b cho thay tồn hao từ trễ của cả 2
mẫu vật liệu tương đối lớn cho nên 2 mẫu vật liệu này cũng đều thuộc loại vật liệu từ
cứng.
Nếu so sánh các đặc trưng từ tính của vật liệu perovskite pha tạp Y;.vŠSr,FeO; ta thây các giá trị M, và M, và đặc biệt là H, đều lớn hơn so với mau vật liệu YFcO, tinh khiết (H, = 25.26 Oe)*!, Điều này một lần nữa khang định sự pha tap Sr vào mạng tinh the YFeO; đã xảy ra làm tăng tính đị hướng từ tỉnh thé của mau vật liệu pha tạp.
Từ các kết quả trên chúng tôi dự đoán rằng muốn điều chế được vật liệu từ mềm trên cơ sở YFcO; với kích thước nano ứng dụng trong các loại vật liệu cảm biến thì cân giảm tỉ lệ Sr vào trong cấu trúc YFeO; ban đầu và tiền hanh điều chế mẫu ở điều
kiện nhiệt độ thấp.