M Quỏ trỡnh thuận đúng gúp χH trở nờn lớn hơn so
1.2.1.4Ảnh hưởng của nguyờn tố pha tạp lờn cấu trỳc và tớnh chất
chất
Như trờn đó nờu, YIG là vật liệu được sử dụng nhiều trong cỏc ứng dụng quang từ, trong cỏc thiết bị hoạt động ở tần số cao. Tuy nhiờn, để nõng cao hiệu ứng quang từ, YIG được pha tạp thờm cỏc ion như Ce3+
, Bi3+ do cỏc vật liệu YIG pha tạp Ce3+, Bi3+ cú hiệu ứng quay Faraday cao hơn so với vật liệu YIG nguyờn chất. Do vậy, ngoài vật liệu khối, cỏc nghiờn cứu về phương phỏp chế tạo, tớnh chất từ [75–78], tớnh chất quang [82] của cỏc vật liệu YIG pha tạp Ce3+, Bi3+ kớch thước nanomet cũng được thực hiện trong một thập kỉ gần đõy. Để nõng cao hiệu suất sử dụng trong lĩnh vực cao tần, vật liệu YIG cũn được pha tạp thờm cỏc nguyờn tố đất hiếm. Một số nghiờn cứu thực hiện pha tạp một phần đất hiếm hay pha tạp đồng thời Ce và Gd, Bi vào cỏc hạt nano YIG [76–78,80–82] cho thấy
40 hiệu suất sử dụng của vật liệu tăng rừ rệt. Ngoài ra, cỏc nghiờn cứu tiến hành thay thế một phần cỏc ion phi từ như Sm3+, La3+ vào vị trớ của Y3+ [83,84] hay In3+, Al3+ vào vị trớ của Fe3+ [85– 87] cho thấy cú sự biến đổi của hằng số mạng và tương tỏc giữa cỏc phõn mạng.
Pha tạp Ce, Bi, Sm, La vào YIG
Việc pha tạp Bi vào YIG cú thể thực hiện bằng phương phỏp sol-gel hoặc đồng kết tủa. Hàm lượng pha tạp x của Bi trong Y3-xBixFe5O12 lờn đến x = 1,3 theo phương phỏp sol-gel. Cỏc hạt nano Y3-xBixFe5O12 kớch thước từ 48 đến 67 nm cú cấu trỳc đơn pha hỡnh thành ở tất cả cỏc thành phần pha tạp sau khi thiờu kết ở 850oC trong 3 giờ. Mụmen từ bóo hũa Ms của mẫu giảm dần cựng với độ tăng của hàm lượng Bi pha tạp. Mặc dự Bi3+
cũng là ion khụng từ tớnh như Y3+ nhưng khi thay thế ion Bi3+
với bỏn kớnh (1,11Å) lớn hơn so với ion Y3+ (0,892Å) sẽ ảnh hưởng tới mạng tinh thể của YIG, dẫn đến thay đổi cấu trỳc từ của cỏc ion Fe3+ trong hai phõn mạng a và d. Nghiờn cứu trờn phổ hồng ngoại IR đó chỉ ra mật độ liờn kết Fe – O – giảm đi khi hàm lượng Bi pha tạp tăng lờn. Phổ Mửssbauer nghiờn cứu trờn vật liệu Y2.0Bi1.0Fe5O12 đó cho thấy một phần cỏc ion ion Fe3+ trong hai phõn mạng a và d đó bị lệch khỏi phương từ húa dễ ban đầu. Đõy là nguyờn nhõn làm giảm mụmen từ của vật liệu YIG khi tăng hàm lượng Bi pha tạp [80].
Trong một nghiờn cứu về tớnh chất quang của vật liệu YIG pha tạp Bi, cỏc hạt Y1,2Bi1,8Fe5O12 kớch thước dưới 20 nm chế tạo bằng phương phỏp đồng kết tủa được phõn tỏn trong mụi trường hợp chất hữu cơ, sau đú quay phủ tạo màng. Kết quả khảo sỏt đó chỉ ra khi hàm lượng hạt (theo % khối lượng) trong màng tăng lờn từ 5 đến 20% thỡ độ hấp thụ tăng từ 0,25 lờn 1. Gúc quay Faraday của màng cũng tăng cựng với độ tăng của hàm lượng hạt trong màng [82].
Khỏc với Bi, khi pha tạp Ce vào YIG bằng phương phỏp sol-gel đũi hỏi nhiệt độ thiờu kết lớn hơn, lờn đến 1400oC để hỡnh thành vật liệu Y2,9Ce0,1Fe5O12
đơn pha. Ở cỏc nhiệt độ thấp hơn, trong mẫu vẫn tồn tại pha tạp YFeO3 và - Fe2O3[78].
41 Sm và La cũng là cỏc nguyờn tố phi từ được pha tạp vào vị trớ phõn mạng c
của Y, nồng độ pha tạp x = 0; 0,5; 1,0; 1,5; 2; 2,5; 3 đối với Sm và x = 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 với La. Cấu trỳc đơn pha được ghi nhận sau khi thiờu kết ở nhiệt độ 850oC mẫu gel chế tạo bằng phương phỏp sol-gel [83,84]. Trong cả hai trường hợp này, kết quả nghiờn cứu cho thấy mụmen từ của vật liệu giảm dần khi nồng độ pha tạp tăng dần như trong hỡnh 1.22.
Hỡnh 1.22Sự thay đổi của mụmen từ bóo hũa theo nồng độ La và Sm pha tạp vào
YIG ở cỏc nhiệt độ 850, 1000 và 1100o
C [83,84]
Pha tạp cỏc nguyờn tố đất hiếm cú từ tớnh vào YIG
Vật liệu YIG pha tạp Gd chủ yếu được thực hiện bằng phương phỏp sol-gel, hàm lượng pha tạp x trong Y3-xGdxFe5O12 từ 0,05 đến 1 [80,88]. Vật liệu đơn pha sau khi ủ ở nhiệt độ trờn 850oC, mụmen từ của mẫu tăng khi kớch thước hạt trung bỡnh tăng lờn từ 34 nm đến 67 nm, ở tất cả cỏc thành phần. Giỏ trị mụmen từ của cỏc mẫu cũng nhỏ hơn so với mẫu khối do ảnh hưởng của hiệu ứng giảm kớch thước. Tuy vậy, mụmen từ bóo hũa của vật liệu giảm tuyến tớnh khi hàm lượng Gd tăng lờn do Gd ở phõn mạng c, mụmen từ của vật liệu khi đú được xỏc định
M = Mc – Md – Ma , tương tự như trường hợp pha tạp Gd vào YIG trong mẫu khối. Kết quả khảo sỏt sự phụ thuộc tần số của giỏ trị điện mụi , độ rộng vạch phổ FMR (H) theo tần số của vật liệu Y3-xGdxFe5O12 cho thấy cỏc giỏ trị này tăng đỏng kể khi hàm lượng Gd tăng lờn. Cỏc hiện tượng biến thiờn tớnh chất từ
42 của vật liệu cũng xảy ra tương tự với cỏc mẫu pha tạp Dy [92] và mẫu pha tạp đồng thời cả Gd và cỏc nguyờn tố Ce và Bi [76,77].
Pha tạp In, Al vào YIG
In3+ và Al3+ đều là cỏc ion phi từ, được pha tạp vào vị trớ của ion Fe3+ trong hai phõn mạng a và d. Nghiờn cứu trờn phổ Mửssbauer cho thấy ion In3+ cú bỏn kớnh (0,792Å) lớn hơn bỏn kớnh của ion Fe3+ (0,642) nờn khi thay thế vào YIG, nồng độ x = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 thỡ chỉ ưu tiờn In3+ vào vị trớ phõn mạng a. Điều này dẫn đến mụmen từ bóo hũa của vật liệu cú sự biến thiờn như trờn hỡnh 1.23. Mụmen từ của hệ giảm từ nồng độ pha tạp x = 0,1 đến x = 0,2, sau đú lại tăng khi tăng nồng độ pha tạp lờn 0,3 và 0,4. Sự tăng mụmen từ này là do cỏc ion In3+
trong phõn mạng a cú cấu trỳc phản sắt từ với cỏc ion Fe3+ trong phõn mạng a, khi đú, theo lý thuyết Nộel về pheri từ trong pherit, hàm lượng In3+ càng tăng thỡ mụmen từ bóo hũa tổng của cả hệ càng tăng. Hiện tượng giảm mụmen từ của mẫu x = 0,2 so với mẫu x = 0,1 là do hiện tượng lệch spin xảy ra khi cú một cation khụng từ tớnh thay thế vào phõn mạng từ [88].
Ion Al3+ lại cú bỏn kớnh (0,5Å) nhỏ hơn so với bỏn kớnh của ion Fe3+ nờn khi thay thế vào vị trớ của Fe3+ (nồng độ pha tạp x = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0) sẽ làm giảm hằng số mạng và đường kớnh hạt của vật liệu. Mụmen từ của vật liệu cũng giảm dần khi hàm lượng
Al pha tạp tăng lờn do số lượng tương tỏc siờu trao đổi trong mạng giảm đi. Khỏc với In3+, do kớch thước ion Al3+
nhỏ hơn nờn khi thay thế vào Fe3+, cỏc ion Al3+ định vị được trong cả hai phõn mạng a và d, trong đú ưu tiờn vào phõn mạng d
Hỡnh 1.23 Sự thay đổi của mụmen từ bóo hũa
43 (phõn mạng nhỏ hơn) trước. Nghiờn cứu đó chỉ ra rằng khi hàm lượng pha tạp x < 0,6, cỏc ion Al3+ hoàn toàn ở trong phõn mạng d nhưng khi hàm lượng pha tạp x > 0,7, cỏc ion Al3+ lại tập trung chủ yếu ở phõn mạng a. Cựng với sự giảm của giỏ trị Ms, giỏ trị TC của vật liệu cũng giảm khi tăng hàm lượng pha tạp Al3+ [90].
1.2.2 Cỏc hạt nano pherit ganet đất hiếm RIG