Sau khi lắng đọng, mẫu được loại bỏ khuôn và tiến hành đo nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc tinh thể cũng như hằng số mạng của dây nano CoNiP. Kết quả được thể hiện như hình 3.5 dưới đây, trong đó màu đỏ là phổ nhiễu xạ của mẫu chế tạo trong điều kiện có từ trường, màu đen là phổ nhiễu xạ của mẫu trong điều kiện không có từ trường:
Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của dây nano CoNiP
Phổ nhiễu xạ cho thấy đã xuất hiện mặt mạng (002) và (100) của vật liệu CoNiP, trong đó cường độ phổ nhiễu xạ của mặt (002) là mạnh nhất. Như vậy ta có thể khẳng định đã chế tạo được pha CoNiP bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. Nhìn vào giản đồ nhiễu xạ khi có sự tham gia của từ trường trong quá trình chế tạo ta thấy cường độ nhiễu xạ của đỉnh phổ phản xạ từ mặt (002) rất mạnh. Điều này cho thấy từ trường đã có ảnh hưởng không nhỏ lên quá trình tạo thành tinh thể của dây CoNiP. Cụ thể tinh thể đã kết tinh mạnh hơn, cấu trúc tinh thể hoàn hảo hơn, hàm lượng pha CoNiP cao hơn.
3.4.2. Hằng số mạng tinh thể
Từ kết quả hình ảnh phổ nhiễu xạ tia X ta còn xác định được vị trí của các đỉnh nhiễu xạ, cỡ 43,750 và 45,050 tương ứng với cấu trúc lục giác xếp chặt với bề mặt (100) và (002). Cấu trúc này phù hợp với kết quả công bố của D.Y.Park [6]. Các đỉnh đồng Cu là do điện cực Cu được phún xạ trên bề mặt của mẫu polycarbonate. Từ đó, ta có thể tính được hằng số mạng tinh thể giữa các mặt (100) và (002) của dây CoNiP có cấu trúc tinh thể dạng lục giác (hexagonal) như sau:
2
1
hkl
d =4 h +hk+k( 2 2 2 )+l22
3 a c
Áp dụng công thức nhiễu xạ Bargg cho các đỉnh (100) và (002), ta tính được hằng số mạng tinh thể của dây CoNiP:
100 3λ a=b= 3sinθ 002 λ c= sinθ λ = 1,5406 Å là bước sóng của tia X.
Ta thu được kết quả như sau: a = b = 2,5725 Å và c = 4,0258 Å..
3.5. Kết quả đo hiển vi điện tử truyền qua (HRTEM)
Để phân tích kĩ hơn về cấu trúc tinh thể và phát hiện ra được từng lớp nguyên tử, ta tiến hành đo hiển vi điện tử truyền qua với cả hai trường mẫu chế tạo không có và có từ trường. Kết quả thu được như sau:
Hình 3.7. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của dây CoNiP với H = 2100 Oe
Hình ảnh trên cho thấy từ trường đã có ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của dây nano CoNiP. Khi không có từ trường, ta thấy các lớp nguyên tử xuất hiện không rõ nét, xung quanh còn tồn tại các pha vô định hình. Khi có từ trường, các lớp nguyên tử đã xuất hiện một cách rõ nét và sắp xếp đều nhau, xung quanh gần như không còn tồn tại các pha vô định hình như trường hợp không có từ trường, khoảng cách giữa các lớp vào khoảng 0,205 nm. Kết quả này là hoàn toàn phù hợp với các kết quả tính toán được từ phổ nhiễu xạ tia X.
3.6. Kết quả phổ tán sắc năng lƣợng (EDS)
Sử dụng mẫu được chế tạo trong trường hợp có từ trường và làm mất khuôn bằng cách rửa trong dung dịch chloroform. Tiếp tục phủ các dây CoNiP trên đế thủy tinh và đem đo EDS ta thấy trong mẫu có các nguyên tố Co, Ni, P.
Hình 3.8. Phổ EDS của dây nano CoNiP
Hình 3.8 cho thấy các thành phần nguyên tố của các dây nano CoNiP đo bằng phổ tán xạ năng lượng (EDS). Từ phổ EDS cho thấy rằng các dây nano CoNiP chỉ chứa Co, Ni và P. Đỉnh đồng Cu là do điện cực chế tạo. Từ kết quả EDS, thành phần phần trăm nguyên tử được xác định:
Co (81,07 %), Ni (12,68 %) và P (6,25 %).
So với các bài báo đã công bố, kết quả này là tương đối phù hợp [21].
3.7. Tính chất từ
3.7.1. Đƣờng cong từ trễ
Sau khi chế tạo dây nano CoNiP trên khuôn PC, chúng tôi đã cắt mẫu với kích thước (1cm x 1cm) gắn vào đế rồi sử dụng để đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM). Các vòng từ trễ được xác định ở nhiệt độ phòng. Kết quả đo đường cong từ trễ với từ trường song song với trục của dây (màu đen) và vuông góc với trục của dây (màu đỏ) trong trường hợp chế tạo không có và có từ trường được thể hiện ở các hình dưới đây:
-10000 -5000 0 5000 10000 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 H = 0 Oe
H song song víi d©y H vu«ng gãc víi d©y
M/
M
S-T
phßng
Tõ tr-êng H (Oe)
Hình 3.9. Đường cong từ trễ của dây nano CoNiP với H = 0 Oe.
Hình 3.11. Đường cong từ trễ của dây CoNiP với H = 1500 Oe, 2100 Oe
Hình ảnh cho thấy, dây có tính dị hướng và khi có từ trường đặt vào trong quá trình lắng đọng thì tính dị hướng đơn trục của các dây tăng lên rõ rệt. Từ các hình trên ta cũng khẳng định được trục dễ từ hóa là trục song song với dây.
3.7.2. Lực kháng từ Hc
Từ kết quả đường cong từ trễ của các dây nano CoNiP ta có thể xác định được các giá trị của lực kháng từ khi có và không có mặt của từ trường trong quá trình lắng đọng.
0 500 1000 1500 2000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
H song song víi d©y H vu«ng gãc víi d©y
Tõ tr-êng H (Oe) L ùc kh ¸ ng tõ H C (Oe)
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào từ trường của dây nano CoNiP
Với thế lắng đọng được giữ cố định ở - 0,85 V, từ đồ thị hình 3.12 ta thấy lực kháng từ đã tăng rất nhanh khi có mặt của từ trường. Cụ thể lực kháng từ đã tăng rõ rệt từ cỡ 1909 Oe (H = 0 Oe) lên 2161,5 Oe (H = 750 Oe) khi từ trường song song với dây và cũng tăng mạnh từ 1211 Oe (H = 0 Oe) lên 1710 Oe (H = 750 Oe) khi từ trường vuông góc với dây. Lực kháng từ khi từ trường song song với dây lớn hơn nhiều lực kháng từ khi từ trường vuông góc với dây với cùng giá trị tương ứng của từ trường. Khi từ trường tăng thì lực kháng từ cũng tăng, đặc biệt khi từ trường đặt song song với trục của dây lực kháng từ đạt giá trị lớn nhất cỡ 2342,4 Oe tại
H = 2100 Oe. Điều này có thể được giải thích từ giản đồ nhiễu xạ tia X, do mẫu có hàm lượng pha CoNiP với tỉ lệ cao, chất lượng tinh thể tốt hơn.
3.7.3. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms tại nhiệt độ phòng vào từ trƣờng
Khi tăng từ trường ta không chỉ thấy lực kháng từ Hc và tính dị hướng đơn trục tăng mà ta còn thấy từ độ bão hòa Ms cũng tăng theo từ trường. Kết quả được thể hiện như sau:
0 500 1000 1500 2000 2500 270 300 330 360 390 M S , Nh iÖ t ® é p h ßn g ( emu/cm 3 ) Tõ tr-êng H (Oe)
Hình 3.13. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa vào từ trường của dây nano CoNiP
Từ đồ thị, ta thấy từ độ bão hòa Ms của dây nano CoNiP đã tăng lên rõ rệt khi có mặt của từ trường trong quá trình lắng đọng. Cụ thể: khi từ trường H = 0 Oe, từ độ bão hòa Ms cỡ 280 emu/cm3, từ độ bão hòa Ms đã tăng lên cỡ 383 emu/cm3 tại từ trường H = 2100 Oe.
Như vậy, khi không có từ trường và có từ trường trong quá trình lắng đọng, từ độ bão hòa Ms đã tăng lên rất nhanh. Khi tiếp tục tăng từ trường thì từ độ bão hòa cũng tăng nhưng không rõ rệt như trường hợp bắt đầu đặt từ trường. Điều này cũng có thể giải thích từ giản đồ nhiễu xạ tia X, do mẫu có hàm lượng pha CoNiP với tỉ lệ cao, chất lượng tinh thể tốt hơn. Ngoài ra còn do khi đặt từ trường trong quá trình lắng đọng thì các momen từ sắp xếp trật tự hơn theo hướng của từ trường.
3.7.4. Tỉ số giữa từ dƣ và từ độ bão hòa Mr/Ms
Từ đường cong từ trễ ta còn có thể xác định được tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms với trường hợp từ trường song song với trục của dây.
0 500 1000 1500 2000 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 M r /M s- T p h ßn g Tõ tr-êng (Oe)
Hình 3.14. Sự phụ thuộc của tỷ số Mr/Ms vào từ trường của dây nano CoNiP
Từ hình trên ta thấy tỉ số Mr/Ms tăng lên nhanh chóng từ 0,4875 tại H = 0 Oe, đạt giá trị cực đại cỡ 0,7823 tại H = 2100 Oe. Đặc biệt là sự tăng đột ngột giữa hai trường hợp khi không có từ trường và bắt đầu có từ trường đặt vào. Điều này cho thấy tính dị hướng từ được thể hiện rất rõ khi có mặt của từ trường.
3.7.5. Trƣờng dị hƣớng Hk và năng lƣợng dị hƣớng KU
Để hiểu rõ hơn dị hướng hình dạng của dây nano CoNiP, ta đi xét giá trị trường dị hướng Hk và từ đó đi tính năng lượng dị hướng KU. Đối với dây nano là hình trụ tròn, dị hướng hình dạng trội hơn so với các dị hướng từ khác. Vì vậy trong tính toán ta thường tính với dị hướng hình dạng.
Từ chu trình từ trễ, ta có thể xác định được trường dị hướng Hk khi đặt từ trường ngoài song song và vuông góc với trục của dây. Kết quả sự phụ thuộc của Hk vào từ trường của dây CoNiP được thể hiện như hình sau:
0 500 1000 1500 2000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Tõ tr-êng H (Oe) Hk (Oe)
H song song víi d©y H vu«ng gãc víi d©y
Hình 3.15. Sự phụ thuộc của Hk vào từ trường của dây nano CoNiP
Hình 3.15 đã cho thấy giá trị trường dị hướng cũng phụ thuộc mạnh mẽ vào từ trường. Trường dị hướng đã thay đổi đột ngột khi có mặt của từ trường. Khi tăng từ trường, với trường hợp từ trường song song với dây thì trường dị hướng giảm, cỡ 4900 Oe (H = 0 Oe) đột ngột xuống còn cỡ 4300 Oe (H = 750 Oe), với từ trường vuông góc với dây thì trường dị hướng lại tăng và trường dị hướng vuông góc lên tới cỡ 9000 Oe tại H = 2100 Oe trong khi không có từ trường trường dị hướng chỉ vào cỡ 5500 Oe.
Năng lượng dị hướng KU có thể được xác định bằng công thức sau [9, 22].
2 . 2 . K S K K// S U H H M H M K
Với Ms là từ độ bão hòa, HKlà trường dị hướng trong trường hợp từ trường vuông góc với trục của dây vàHK// là trường dị hướng trong trường hợp từ trường song song với trục của dây.
0 500 1000 1500 2000 0 2 4 6 8 10 12 Tõ tr-êng H (Oe) K u (kJ/m 3 )
Hình 3.16. Sự phụ thuộc của KU vào từ trường của dây nano CoNiP
Từ hình trên ta thấy, giá trị năng lượng trường dị hướng tăng rất nhanh khi có sự đóng góp của từ trường. Cụ thể KU = 1 kJ/m3 tại H = 0 Oe tăng rất nhanh lên đến cỡ 6 kJ/m3 tại H = 750 Oe và đạt giá trị lớn nhất cỡ 11 kJ/m3 (H = 2100 Oe). Năng lượng dị hướng càng cao tính dị hướng càng lớn. Như vậy, dị hướng đơn trục của dây tăng lên mạnh khi chế tạo có từ trường.
Từ các kết quả trên, ta có thể khẳng định được từ trường đặt trong quá trình lắng đọng đã có ảnh hưởng không hề nhỏ lên các tính chất từ và cấu trúc của dây nano CoNiP. Ảnh hưởng rõ rệt nhất là lực kháng từ Hc, từ độ bão hòa Ms, tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms, năng lượng dị hướng KU.
KẾT LUẬN
Chế tạo thành công dây nano CoNiP với đường kính 100 nm và dài 3 µm trong điều kiện không có từ trường và có từ trường.
Nghiên cứu mật độ dòng: Mật độ dòng tương đối ổn định cho thấy mẫu chế tạo đã hoàn chỉnh về cấu trúc và thành phần. Mật độ dòng giảm khi từ trường đặt vào tăng.
Kết quả đo đường cong từ trễ của dây nano CoNiP cho thấy dây có tính dị hướng từ đơn trục và dị hướng này tăng khi lắng đọng trong điều kiện có từ trường: lực kháng từ Hc, từ độ bão hòa Ms, tỉ số giữa từ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms, năng lượng dị hướng KU bị ảnh hưởng rất nhiều bởi từ trường. Cụ thể:
Lực kháng từ Hc song song tăng rõ rệt từ cỡ 1909 Oe tại H = 0 Oe lên cỡ 2342,4 Oe tại H = 2100 Oe.
Từ độ bão hòa Ms cũng tăng lên rất nhanh: Ms cỡ 280 emu/cm3 (H = 0 Oe), Ms cỡ 383 emu/cm3 (H = 2100 Oe)
Tỉ số Mr/Ms khi từ trường song song với dây tăng lên nhanh chóng từ 0,4875 tại H = 0 Oe, đạt giá trị cực đại cỡ 0,7823 tại H = 2100 Oe.
Năng lượng dị hướng KU cỡ 1 kJ/m3 tại H = 0 Oe tăng nhanh lên đến 6 kJ/m3 tại H = 750 Oe và đạt giá trị lớn nhất cỡ 11 kJ/m3 tại H = 2100 Oe.
Từ trường lắng đọng cũng ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc tinh thể của mẫu: tinh thể đã kết tinh mạnh hơn, cấu trúc tinh thể hoàn hảo hơn, hàm lượng pha CoNiP cao hơn.
Kết quả phân tích thành phần (EDS) cho thấy mẫu có các thành phần Co, Ni, P với phần trăm nguyên tử hợp lý.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB ĐHQGHN, Hà Nội. 2. GS. Thân Đức Hiền, GS. Lưu Tuấn Tài (2008), Từ học và Vật liệu từ,
NXBĐHQGHN, Hà Nội.
3. Nguyễn Thị Thanh Huyền (2008), Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP bằng phương pháp điện hoá, Khóa luận tốt nghiệp, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, Hà Nội.
4. Nguyễn Phú Thùy (2002), Vật lý các hiện tượng từ, NXB ĐHQGHN, Hà Nội. 5. Ninh Thị Yến (2011), Nghiên cứu về dây nano và các phương pháp chế tạo dây
nano, Khóa luận tốt nghiệp, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, Hà Nội.
Tiếng Anh
6. Bin Li, Yi Xie, Jiaxing Huang, Yu Liu, and Yitai Qian (2001), " A novel method forthe preparation of III-V semiconductors: sonochemical synthesis of InP nanocrystals", Ultrasonics Sonochemistry, 8, pp. 331-334.
7. Editorial (2003), "Why small matters", Nat. Biotech, 21, pp. 1003-1113.
8. Ho Dong Park, Kwan Hyi Lee, Gyeung Ho Kim, and Won Young Jeung (2006), "Microstructure and magnetic properties of electrodeposited CoPtP Alloys",
American Institute of Physics, 99, pp. 430-447.
9. Kleber R. Pirota,Elvis L. Silva, Daniela Zanchet, David Navas, Manuel Vázquez, Manuel Hernández-Vélez, and Marcelo Knobel (2007), "Size effect and surface tension measurements in Ni and Co nanowires", Phys.Rev.B, 76, pp. 1-4.
10. Koch R H, Deak J G, Abraham D W, Trouilloud P L, Altman R A, Lu Yu, Gallagher W J, Scheuerlein R E (1998), "Springer Handbook of Nanotechnology ", Nat. Biotech, 81, pp. 451-455.
11. Langof L., Fradkin L., Ehrenfreund E., uLifshitz E., Micic O.I., Nozik A.J (2004), "Colloidal InP/ZnS core-shell nanocrystals studied by linearly and circularlypolarized photoluminescence", Chemical Physics, 297, pp. 93-98.
12. Lee, K.B., Park, S. and Mirkin, C.A (2004), "Multicomponent magnetic Nanorodsfor biomolecular separations, Angewandte Chemie", International Edition, 43, pp. 3048–50.
13. Liua, Q.F. Lub, X.F. Hanc, X.G. Liua, B.S. Xua, H.S. Jia (2012), "The fabrication of CoPt nanowire and nanotube arrays by alternating magnetic field during deposition", Institute of Physics, 46, pp. 3663-3667.
14. Maurice, J.L., Imhoff, D., Etienne, P., Durand, O., Dubois, S., Piraux, L., George, J.M., Galtier, P. and Fert (1998), "Microstructure of magnetic Metallicsuperlattices grown by electrodeposition in membrane nanopores", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 184, pp. 1–18.
15. Piraux, L., George, J.M., Despres, J.F., Leroy, C., Ferain, E., Legras, R., Piraux, L., George, J.M., Despres, J.F., Leroy, C., Ferain, E., Legras, R., Ounadjela,
K. and Fert (1994), "Giant magnetoresistance in magnetic multilayered nanowires", Applied Physics Letters, 65, pp. 2484–6.
16. Reich, D.H., Tanase, M., Hultgren, A., Bauer, L.A., Chen, C.S. and Meyer, G.J
(2003), "Biological applications of multifunctional magnetic nanowires", Journal of Applied Physics, 93, pp. 7275–80.
17. Sun, L., Hao, Y., Chien, C.L. and Searson, (2005), "Tuning the properties of magnetic nanowires", IBM Journal of Research and Development, 49, pp.