M Quỏ trỡnh thuận đúng gúp χH trở nờn lớn hơn so
2.1.3Phương phỏp sol-gel
CễNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU
2.1.3Phương phỏp sol-gel
Phương phỏp sol-gel là phương phỏp tổng hợp húa học, rất thớch hợp để chế tạo cỏc vật liệu dạng hạt hoặc dạng màng. So với cỏc phương phỏp vật lý hoặc phương phỏp gốm thỡ phương phỏp sol-gel chỉ cần chế tạo mẫu ở nhiệt độ thấp hơn, thiết bị đơn giản hơn.
Trước đõy, nguyờn liệu đầu vào trong phương phỏp sol-gel là cỏc alkoxide kim loại cú thể thủy phõn và ngưng tụ thành cỏc hạt hydroxit hoặc oxit kớch thước nanomet. Đến nay, cỏc alkoxides kim loại vẫn được sử dụng làm nguyờn liệu của quy trỡnh tổng hợp sol-gel nhưng ớt được ưa chuộng hơn vỡ chỳng rất nhạy với độ ẩm của mụi trường. Đặc biệt, trong trường hợp cần chế tạo cỏc mẫu đa thành phần, vấn đề xử lý tốc độ thủy phõn của cỏc alkoxides khỏc nhau này cũng gặp nhiều khú khăn. Do đú, cỏc muối kim loại được sử dụng để thay thế cỏc alkoxides kim loại. Cỏc muối này cú ưu điểm là rẻ hơn, dễ kiếm và dễ kiểm soỏt phản ứng hơn so với việc sử dụng cỏc alkoxides kim loại. Bờn cạnh đú, cỏc muối kim loại rất dễ tan trong nhiều loại dung mụi hữu cơ để hỡnh thành cỏc phức kim loại. Núi một cỏch khỏc, quỏ trỡnh sol-gel với cỏc muối kim loại là quỏ trỡnh mà cỏc ion kim loại bị giữ lại bởi cỏc phối tử hữu cơ.
Cỏc muối kim loại bao gồm muối clorua, acetat, nitrat, sulfide và một số loại khỏc. Cỏc muối clorua, nitrat hay sulfide thỡ dễ dàng tan trong nước và dung mụi hữu cơ cũn muối acetat thỡ khả năng hũa tan thấp hơn. Tuy nhiờn, cỏc ion acetat cú thể ổn định ion kim loại trong dung dịch thụng qua liờn kết của nhúm C = O. Nếu muối kim loại chỉ được hũa tan trong nước hoặc dung mụi hữu cơ mà khụng cú phản ứng húa học giống như một chất tạo càng thỡ chỳng cú thể tỏi tinh thể húa khi bay hơi dung mụi. Do vậy, vấn đề quan trọng là ổn định cỏc ion kim loại trong dung dịch khi khụng cú sự liờn kết với cỏc anion như Cl- hoặc NO3-. Nhiều nhúm nghiờn cứu trờn thế giới đó tiến hành nghiờn cứu sự hỡnh thành cỏc
51 phức kim loại dựa trờn cỏc phối tử hữu cơ, ngoài ra, chỳng cũn được sử dụng để chế tạo vật liệu gốm hoặc màng oxit kim loại, gọi chung là phương phỏp sol-gel.
Phương phỏp sol-gel đi từ cỏc muối kim loại được để chế tạo vật liệu pherit núi chung và vật liệu pherit ganet núi riờng [55,60] bởi những ưu điểm như đơn giản, rẻ tiền, cỏc vật chất ban đầu được trộn lẫn ở quy mụ phõn tử, vật liệu thu được cú kớch thước nhỏ nhưng vẫn cú cấu trỳc pha tốt, kớch thước hạt tương đối đồng đều. Phương phỏp sol-gel cũng rất thớch hợp để chế tạo cỏc hạt pherit với một lớp màng mỏng để sử dụng trong cụng nghệ vi cơ. Với cỏc đặc điểm nờu trờn, chỳng tụi chọn phương phỏp sol-gel để chế tạo cỏc hệ hạt pherit ganet kớch thước nanomet để tiến hành nghiờn cứu trong bản luận ỏn này. Cỏc pherit ganet được chế tạo bao gồm YIG, GdIG, TbIG, DyIG và HoIG. Quy trỡnh cụng nghệ chế tạo vật liệu được túm tắt như sau:
* Húa chất ban đầu gồm:
- Dung dịch muối R(NO3), R = Y, Gd, Ho, Dy, Tb nồng độ 0,5M - Dung dịch muối Fe(NO3)3, nồng độ 1M
- Dung dịch axit citric, nồng độ 1M - Nước khử ion
* Dụng cụ thớ nghiệm được sử dụng bao gồm: - Mỏy khuấy từ
- Con khuấy từ - Nhiệt kế
- Cỏc dụng cụ thớ nghiệm khỏc: Cốc thủy tinh, giấy quỳ tớm, tủ sấy, lũ nung * Quy trỡnh tổng hợp được túm tắt trong hỡnh 2.3:
- Tạo sol: Cỏc dung dịch muối sử dụng theo đỳng tỉ phần cụng thức được khuấy và gia nhiệt đến 80oC. Sử dụng dung dịch HNO3 để điều chỉnh pH của dung dịch bằng 1.
- Tạo gel: Dung dịch sau khi cú pH = 1 được giữ nguyờn nhiệt độ và khuấy đến khi cho dung mụi bay hơi và gel dạng ướt hỡnh thành
- Tạo aerogel: Gel ướt được sấy siờu tới hạn ở 120-130oC trong 12 giờ thu được aerogel.
52
Hỡnh 2.3. Quy trỡnh chế tạo hạt nano pherit ganet bằng phương phỏp sol-gel
- Đốt aerogel (nung sơ bộ) ở nhiệt độ 400°C trong thời gian 2 giờ. Nghiền mịn bằng cối mó nóo trong khoảng 30 phỳt.
- Nung thiờu kết cỏc aerogel ở cỏc nhiệt độ (Ttk) và thời gian (ttk) khỏc nhau ta thu được cỏc hạt nano pherit ganet.
Dung dịch R(NO 3) 3 Sol Dung dịch axit citric Dung dịch Fe(NO3)3 Gel Aerogel Hạt nano pherit ganet Khuấy, vk = 400 v/ph
Sấy trong 12 giờ
Đốt gel ở 400oC trong 2giờ
Nghiền mịn bằng cối
Nung thiờu kết ở 800o
53