Luận văn thạc sĩ cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hạt nano pherit spinen niy0 1fe1 9o4 chế tạo bằng phương pháp sol gel

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hạt nano pherit spinen niy0 1fe1 9o4 chế tạo bằng phương pháp sol gel.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ly
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Phúc Dương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
• Đề tài: Cấu Trúc Tinh Thể Và Tính Chất Từ Của Hạt Nano Pherit Spinen
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN
• 1.1. Tính chất cơ bản của pherit spinen dạng khối
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của pherit spinen
• 1.3. Tính chất từ trong pherit spinen
• 1.4. Tương tác trao đổi trong pherit spinen
• 1.5. Lý thuyết trường phân tử đối với pherit spinen có hai phân mạng từ
• 1.6. Hạt pherit spinen có kích thước nanomet
• 1.7. Các tính chất đặc trưng trong hạt nano pherit spinen
• 1.8. Mô hình lõi vỏ
• 1.9. Dị hướng từ bề mặt
• 1.10. Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch
• 1.11. Hình thành cấu trúc đơn đômen
• 1.12. Sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha Curie
• 1.13. Hiện tượng siêu thuận từ
• 1.14. Một số ứng dụng của hạt nano pherit spinen
• 1.15. Những nghiên cứu về hạt nano pherit niken có sự pha tạp
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo hạt nano
• 2.2. Giới thiệu về phương pháp sol-gel
• 2.3. Quy trình tổng hợp và chế tạo mẫu bằng phương pháp sol-gel
• 2.4. Các phương pháp khảo sát và đo lường tính chất của mẫu
• 2.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.6. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại
• 2.7. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
• 2.8. Máy quang phổ phát xạ liên kết cảm ứng plasma
• 2.9. Từ kế mẫu rung
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cấu trúc của hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4
• 3.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X
• 3.3. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại - IR
• 3.4. Kết quả phân tích ảnh SEM
• 3.5. Tính chất từ của hạt nano NiFe2O4 và NiY0,1Fe1,9O4
• 3.6. Quá trình từ hóa
• 3.7. Mômen từ tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ - nhiệt độ Curie
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cấu trúc và tính chất từ của hạt nano pherit spinen

Hạt nano pherit spinen, đặc biệt là NiY0,1Fe1,9O4, đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu vật liệu nano nhờ vào cấu trúc tinh thể độc đáo và tính chất từ đặc trưng. Cấu trúc này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất từ mà còn quyết định ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như y sinh, điện tử và công nghệ thông tin. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất từ của hạt nano pherit spinen là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng mới.

1.1. Cấu trúc tinh thể của hạt nano pherit spinen

Cấu trúc tinh thể của hạt nano pherit spinen được xác định bởi sự sắp xếp của các ion kim loại và ôxy. Hạt nano này thường có cấu trúc spinen, với các ion kim loại nằm ở các vị trí tứ diện và bát diện. Sự phân bố của các ion này ảnh hưởng lớn đến tính chất từ của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng các ion hóa trị II và III có thể phân bố không đồng đều, tạo ra các dạng cấu trúc khác nhau như spinen thường và spinen đảo.

1.2. Tính chất từ của hạt nano pherit spinen

Tính chất từ của hạt nano pherit spinen rất đặc trưng, với mômen từ tự phát ở dưới nhiệt độ Curie. Các mômen từ trong đômen không song song mà đối song song, dẫn đến hiện tượng từ độ phụ thuộc phi tuyến vào từ trường ngoài. Điều này làm cho hạt nano pherit spinen trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ từ tính.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hạt nano pherit spinen

Mặc dù hạt nano pherit spinen có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng chúng. Các vấn đề như sự ổn định của cấu trúc, tính đồng nhất của kích thước hạt và khả năng kiểm soát tính chất từ vẫn cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi các phương pháp nghiên cứu và chế tạo tiên tiến.

2.1. Sự ổn định của cấu trúc hạt nano

Sự ổn định của cấu trúc hạt nano pherit spinen là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất từ và khả năng ứng dụng. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và môi trường chế tạo có thể làm thay đổi cấu trúc tinh thể, dẫn đến sự suy giảm tính chất từ. Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo giúp duy trì sự ổn định của cấu trúc.

2.2. Kiểm soát kích thước và tính đồng nhất của hạt

Kích thước và tính đồng nhất của hạt nano pherit spinen ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ. Việc kiểm soát kích thước hạt trong quá trình chế tạo là một thách thức lớn. Các phương pháp như sol-gel, nhiệt phân và đồng kết tủa cần được tối ưu hóa để đạt được kích thước hạt mong muốn và tính đồng nhất cao.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano pherit spinen hiệu quả

Phương pháp sol-gel đã được chứng minh là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chế tạo hạt nano pherit spinen. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và cấu trúc của hạt, đồng thời giảm thiểu sự hình thành các tạp chất không mong muốn. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo là rất cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Quy trình chế tạo hạt nano bằng phương pháp sol gel

Quy trình chế tạo hạt nano pherit spinen bằng phương pháp sol-gel bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch tiền chất, gel hóa, và nung mẫu. Mỗi bước đều cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng hạt nano cuối cùng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều chỉnh các thông số như nhiệt độ và thời gian nung có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất từ của hạt.

3.2. Các phương pháp khảo sát tính chất của hạt nano

Để đánh giá tính chất của hạt nano pherit spinen, các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích phổ hồng ngoại (IR) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) thường được sử dụng. Những phương pháp này giúp xác định cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và tính chất từ của vật liệu, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho việc tối ưu hóa quy trình chế tạo.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt nano pherit spinen

Hạt nano pherit spinen có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như y sinh, điện tử và công nghệ thông tin. Tính chất từ đặc trưng của chúng cho phép sử dụng trong các thiết bị từ tính, cảm biến và hệ thống truyền thông. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới cho hạt nano này đang được tiến hành tích cực.

4.1. Ứng dụng trong y sinh

Hạt nano pherit spinen được sử dụng trong y sinh để phát triển các hệ thống dẫn truyền thuốc và điều trị ung thư. Tính chất từ của chúng cho phép kiểm soát chính xác vị trí và liều lượng thuốc, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện khả năng tương thích sinh học của hạt.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ điện tử

Trong lĩnh vực điện tử, hạt nano pherit spinen được sử dụng để phát triển các thiết bị từ tính như cảm biến và bộ nhớ từ. Tính chất từ mạnh mẽ của chúng giúp cải thiện hiệu suất và độ nhạy của các thiết bị này. Nghiên cứu đang được thực hiện để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của hạt nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của công nghệ.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hạt nano pherit spinen

Nghiên cứu về hạt nano pherit spinen đang mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực vật liệu nano. Với những tính chất độc đáo và khả năng ứng dụng đa dạng, hạt nano này có thể trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của chúng.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Triển vọng nghiên cứu hạt nano pherit spinen trong tương lai rất rộng mở. Các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất từ, ổn định cấu trúc và phát triển các ứng dụng mới. Sự kết hợp giữa công nghệ nano và các lĩnh vực khác như y sinh và điện tử sẽ tạo ra những bước đột phá mới.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu vật liệu nano

Nghiên cứu vật liệu nano, đặc biệt là hạt nano pherit spinen, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ hiện đại. Những tiến bộ trong lĩnh vực này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai. Sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển sẽ là chìa khóa để khai thác tiềm năng của vật liệu nano.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong những thập kỷ gần đây, khoa học và công nghệ nano đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm với nhiều ứng dụng đa dạng trong vật lý, y sinh học và công nghệ thông tin. Theo ước tính, các vật liệu hạt nano như kim loại, hợp kim và oxit kim loại chiếm ưu thế trong nghiên cứu do tính ổn định và đặc tính từ tính ưu việt. Pherit niken (NiFe₂O₄) là một trong những vật liệu từ mềm có điện trở cao, tổn thất điện môi thấp và độ ổn định hóa học vượt trội, được ứng dụng rộng rãi trong dẫn truyền thuốc điều trị ung thư, công nghệ ghi từ mật độ cao và thu phát siêu âm. Tuy nhiên, để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng đa dạng, việc điều chỉnh tính chất điện và từ của pherit niken là cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hạt nano pherit spinen NiY₀,₁Fe₁,₉O₄ được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của pha tạp ion Y³⁺ lên các đặc tính vật liệu, nhằm mở rộng tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp mẫu tại Viện ITIMS, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với quá trình nung thiêu kết ở nhiệt độ 600°C và 800°C trong 5 giờ. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm về ảnh hưởng pha tạp đất hiếm đến tính chất từ của hạt nano pherit, góp phần phát triển vật liệu từ tính có tính năng cải tiến cho các ứng dụng công nghiệp và y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Cấu trúc tinh thể pherit spinen: Pherit spinen có cấu trúc tinh thể dạng lập phương tâm mặt với công thức chung MeFe₂O₄, trong đó Me là ion kim loại hóa trị II như Ni²⁺, Fe³⁺. Ion kim loại phân bố trên hai vị trí tứ diện (A) và bát diện (B), tạo nên các phân mạng từ tương tác qua cơ chế siêu trao đổi thông qua ion ôxy.

• Tương tác trao đổi và lý thuyết trường phân tử Néel: Mô hình Néel mô tả pherit spinen là vật liệu phản sắt từ không bù trừ với hai phân mạng từ A và B có mômen từ tự phát đối song song. Tương tác trao đổi gián tiếp (siêu trao đổi) giữa các ion kim loại qua ion ôxy quyết định tính chất từ của vật liệu.

• Mô hình lõi-vỏ và hiệu ứng kích thước hạt nano: Hạt nano pherit spinen có lớp vỏ mất trật tự spin làm giảm mômen từ bão hòa so với vật liệu khối. Dị hướng từ bề mặt và sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch được áp dụng để giải thích các hiện tượng từ tính đặc trưng của hạt nano.

• Hiện tượng siêu thuận từ và nhiệt độ khóa (TB): Khi kích thước hạt giảm dưới kích thước tới hạn, hạt trở thành đơn đômen và có tính siêu thuận từ, mômen từ có thể đảo chiều do dao động nhiệt. Nhiệt độ khóa TB xác định trạng thái từ hóa của hạt nano, được xác định qua các phép đo từ độ ZFC-FC.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu hạt nano NiFe₂O₄ và NiY₀,₁Fe₁,₉O₄ được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel tại Viện ITIMS, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các mẫu được nung thiêu kết ở nhiệt độ 600°C và 800°C trong 5 giờ.

• Phương pháp tổng hợp: Phương pháp sol-gel theo con đường tạo phức sử dụng axit citric làm chất tạo phức, điều chỉnh pH dung dịch đến 7 bằng NH₃, gia nhiệt đến 80°C để tạo gel, sấy khô và nung thiêu kết để thu hạt nano.

• Phương pháp phân tích:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, hằng số mạng và kích thước tinh thể.
  • Phổ hồng ngoại (FT-IR) để khảo sát các nhóm chức và liên kết hóa học.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt.
  • Máy quang phổ phát xạ liên kết cảm ứng plasma (ICP-AES) để xác định thành phần nguyên tố.
  • Từ kế mẫu rung để đo tính chất từ, bao gồm từ độ bão hòa, lực kháng từ và nhiệt độ khóa.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và phân tích mẫu kéo dài trong khoảng thời gian từ chuẩn bị hóa chất, tổng hợp sol-gel, nung thiêu kết, đến các bước đo lường và phân tích dữ liệu trong vòng vài tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt: Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy mẫu NiY₀,₁Fe₁,₉O₄ có cấu trúc tinh thể spinen tương tự NiFe₂O₄ với hằng số mạng a tăng nhẹ từ 8,34 Å lên khoảng 8,36 Å khi pha tạp Y³⁺. Kích thước tinh thể trung bình tính theo công thức Debye-Scherrer dao động trong khoảng 15-25 nm tùy nhiệt độ nung.

2. Tính chất từ: Mômen từ tự phát MS của mẫu pha tạp Y³⁺ giảm khoảng 10-15% so với mẫu NiFe₂O₄ nguyên chất ở 300 K, với giá trị MS khoảng 40 emu/g so với 47 emu/g. Nhiệt độ Curie TC cũng giảm nhẹ, từ khoảng 858 K xuống còn khoảng 830 K. Nhiệt độ khóa TB giảm từ khoảng 150 K ở mẫu nguyên chất xuống còn khoảng 130 K ở mẫu pha tạp.

3. Ảnh hưởng của lớp vỏ mất trật tự: Phân tích theo mô hình lõi-vỏ cho thấy lớp vỏ mất trật tự có độ dày t khoảng 1,2 nm, làm giảm mômen từ bão hòa so với vật liệu khối. Hiện tượng dị hướng từ bề mặt và sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch được quan sát rõ rệt hơn ở mẫu pha tạp.

4. Hình thái hạt nano: Ảnh SEM cho thấy hạt nano có hình dạng gần cầu, kích thước phân bố đồng đều, với kích thước trung bình phù hợp với kết quả XRD. Mẫu pha tạp Y³⁺ có kích thước hạt lớn hơn nhẹ so với mẫu nguyên chất, do sự ảnh hưởng của ion Y³⁺ có bán kính lớn hơn Fe³⁺.

Thảo luận kết quả

Sự tăng nhẹ hằng số mạng a khi pha tạp Y³⁺ được giải thích do bán kính ion Y³⁺ (0,892 Å) lớn hơn Fe³⁺ (0,67 Å), làm giãn mạng tinh thể. Việc giảm mômen từ tự phát và nhiệt độ Curie phản ánh sự suy giảm tương tác trao đổi A-B do ion Y³⁺ không có từ tính thay thế một phần Fe³⁺ ở vị trí bát diện, làm giảm cường độ tương tác siêu trao đổi. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về pha tạp đất hiếm trong pherit niken.

Hiện tượng giảm nhiệt độ khóa TB và sự tăng độ dày lớp vỏ mất trật tự cho thấy pha tạp Y³⁺ làm tăng sự mất trật tự spin bề mặt, ảnh hưởng đến tính siêu thuận từ của hạt nano. Các đường cong từ độ ZFC-FC và biểu đồ từ độ theo nhiệt độ minh họa rõ sự thay đổi trạng thái từ hóa do pha tạp.

Dữ liệu SEM và XRD kết hợp cho thấy phương pháp sol-gel hiệu quả trong việc kiểm soát kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc tinh thể, tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều chỉnh tính chất từ thông qua pha tạp ion đất hiếm. Các biểu đồ mômen từ theo nhiệt độ và giản đồ nhiễu xạ tia X là công cụ trực quan quan trọng để minh chứng các phát hiện trên.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình tổng hợp sol-gel: Điều chỉnh tỷ lệ axit citric và muối kim loại, cũng như pH dung dịch để kiểm soát kích thước hạt và độ đồng nhất cấu trúc, nhằm nâng cao tính chất từ của hạt nano trong vòng 6 tháng, do nhóm nghiên cứu tại Viện ITIMS thực hiện.

2. Nghiên cứu pha tạp đa nguyên tố: Kết hợp pha tạp các ion đất hiếm khác như Gd³⁺, Dy³⁺ để khảo sát ảnh hưởng đồng thời lên tính chất từ và điện của pherit spinen, hướng tới phát triển vật liệu đa chức năng trong 1-2 năm, phối hợp với các phòng thí nghiệm vật liệu từ.

3. Ứng dụng trong y sinh học: Phát triển hạt nano pherit spinen pha tạp đất hiếm làm chất dẫn thuốc và chất tương phản MRI, tập trung vào kiểm soát kích thước hạt và tính siêu thuận từ để đảm bảo an toàn và hiệu quả, triển khai thử nghiệm tiền lâm sàng trong 2 năm tới.

4. Mở rộng nghiên cứu tính chất điện từ ở tần số cao: Đo đạc và phân tích tính chất điện môi và từ ở dải tần số MHz-GHz để ứng dụng trong công nghệ lưu trữ dữ liệu và thiết bị điện tử, thực hiện trong vòng 1 năm, do nhóm vật lý ứng dụng đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu từ tính: Có thể sử dụng kết quả để phát triển vật liệu pherit spinen pha tạp với tính chất từ được điều chỉnh phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và y sinh.

2. Kỹ sư công nghệ nano: Áp dụng quy trình sol-gel và các phân tích cấu trúc để tổng hợp và kiểm soát chất lượng hạt nano trong sản xuất vật liệu từ tính.

3. Chuyên gia y sinh học và dược học: Tham khảo tính chất siêu thuận từ và kích thước hạt nano để phát triển các hệ dẫn thuốc và chất tương phản MRI an toàn, hiệu quả.

4. Nhà phát triển thiết bị điện tử và lưu trữ dữ liệu: Sử dụng dữ liệu về tính chất điện từ của vật liệu pherit spinen pha tạp để thiết kế linh kiện có hiệu suất cao và ổn định trong môi trường tần số cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp sol-gel có ưu điểm gì trong tổng hợp hạt nano pherit spinen?
   Phương pháp sol-gel cho phép tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp, dễ dàng pha tạp, kiểm soát kích thước hạt và độ đồng nhất cao. Ví dụ, trong nghiên cứu, sol-gel giúp tạo ra hạt nano NiY₀,₁Fe₁,₉O₄ với kích thước 15-25 nm đồng đều.

2. Ion Y³⁺ ảnh hưởng như thế nào đến tính chất từ của pherit niken?
   Ion Y³⁺ có bán kính lớn hơn Fe³⁺, khi thay thế một phần Fe³⁺ làm tăng hằng số mạng, giảm mômen từ tự phát và nhiệt độ Curie do giảm tương tác trao đổi A-B, đồng thời tăng lớp vỏ mất trật tự spin bề mặt.

3. Hiện tượng siêu thuận từ là gì và tại sao quan trọng?
   Siêu thuận từ là trạng thái mà hạt nano đơn đômen có mômen từ lớn nhưng có thể đảo chiều do dao động nhiệt mà không cần từ trường ngoài. Điều này quan trọng trong ứng dụng lưu trữ dữ liệu và y sinh vì giúp vật liệu có tính ổn định và đáp ứng nhanh.

4. Làm thế nào để xác định nhiệt độ khóa TB của hạt nano?
   TB được xác định qua phép đo từ độ theo nhiệt độ khi làm lạnh không có từ trường (ZFC) và có từ trường (FC). Điểm giao nhau của hai đường cong này là nhiệt độ khóa, phản ánh trạng thái từ hóa của hạt nano.

5. Tại sao kích thước hạt nano ảnh hưởng đến tính chất từ?
   Kích thước hạt nano ảnh hưởng đến tỷ lệ bề mặt/lõi, làm tăng hiệu ứng bề mặt như dị hướng từ bề mặt và lớp vỏ mất trật tự, dẫn đến giảm mômen từ bão hòa và thay đổi nhiệt độ Curie, từ đó ảnh hưởng đến tính chất từ tổng thể.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc tinh thể, tính chất từ của hạt nano pherit spinen NiY₀,₁Fe₁,₉O₄ bằng phương pháp sol-gel.
• Pha tạp ion Y³⁺ làm tăng hằng số mạng, giảm mômen từ tự phát và nhiệt độ Curie, đồng thời ảnh hưởng đến lớp vỏ mất trật tự và tính siêu thuận từ của hạt nano.
• Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc, phù hợp cho nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano từ tính.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu pherit spinen pha tạp đất hiếm với tính chất từ được điều chỉnh cho các ứng dụng công nghiệp và y sinh.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu quy trình tổng hợp, nghiên cứu pha tạp đa nguyên tố và ứng dụng trong y sinh học cũng như thiết bị điện tử.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực vật liệu từ tính tiếp tục khai thác và phát triển các vật liệu nano pherit spinen pha tạp để đáp ứng nhu cầu công nghệ hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit spinen Momen từ của Fe3+ (3d5) là 5μB, momen từ của ion Me2+, giả sử bằng m μB. Momen từ tính trên một phân tử từ ở 0 K là: M   (5  m)B  5B   mB (1.Momen từ bão hòa ở 0 K của các pherit spinen. Như vậy, trong pherit đảo, momen từ tổng cộng bằng momen từ của ion kim loại hóa trị II.6 là đồ thị biểu diễn các kết quả thu được ở bảng 1.5, ta thấy pherit kẽm là pherit thuận, ở phân mạng A không có momen từ, không có tương tác A- B, chỉ có tương tác giữa các ion trong cùng phân mạng B (tương tác B- B). Thực nghiệm chứng tỏ ZnFe2O4 là chất phản sắt từ dưới nhiệt độ TN  9K [6].

Các kết quả trong bảng 1.5 ta thấy số liệu thực nghiệm và tính toán lý thuyết về momen từ của pherit spinen tương đối phù hợp nhau. Sự sai khác 10  20% có thể lý giải như sau [6]: - Các momen từ quỹ đạo của các ion 3dchỉ đóng băng một phần, có đóng góp vào momen từ của ion, đặc biệt đối với ion Coban. - Sự phân bố các ion theo vị trí A và B ảnh hưởng rất mạnh tới việc xác định M (theo (1. Momen từ bão hòa của pherit spinen rất nhạy với sự phân bố của ion trong pherit.

Nguyễn Thị Ly 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit spinen 1. Hạt pherit spinen có kích thước nanomet. Các tính chất đặc trưng trong hạt nano pherit spinen. Vật liệu nano là cầu nối giữavậtliệukhốivàvậtliệucócấutrúc nguyêntửhoặc phân tử hiện đang được các nhà khoa học rất quan tâm.

Nếu như vật liệu khối thường có các tính chất vật lý ổn định thì khi kích thước hạt giảm xuống thang nanomet tính chất của vật liệu có nhiều thay đổi. Một số tính chất bất thường của các hạt nano pheri từ tính như: xuất hiện dị hướng từ bề mặt, giảm từ độ bão hòa, nhiệt độ Curie và có hiện tượng siêu thuận từ đã được làm sáng tỏ về mặt lý thuyết cho thấy có sự ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước hữu hạn tới tính chất của chúng. Mô hình lõi vỏ. Trên bề mặt hạt nano từ, spin sắp xếp hỗn loạn gây nên tương tác trao đổi giữa bề mặt và lõi làm cho phân bố spin bên trong hạt có kích thước đơn đômen trở nên phức tạp.

Mômen từ nguyên tử bề mặt có đóng góp không đáng kể vào mômen từ chung của hạt. Ta gọi lớp bề mặt mất trật tựnày là lớp vỏ, có bề dày là t (hình 1. Do có ảnh hưởng của lớp vỏ này nên mômen từ của hạt nano thấp hơn mômen từ của vật liệukhối.Sự phụ thuộc của mômen từ tự phátMS vào giá trị của lớp vỏ tđược biểu diễn theo công thức [7]: Hình 1. 7: Mô hình lõi vỏ  6t  M S  M S 0 .10) trong hạt nano từ.

 d MS0 là từ độ tự phát của vật liệu khối, d là đường kính hạt. Ta thấy thể tích lớp vỏ phụ thuộc vào kích thước của hạt từ, hạt càng lớn thì tỉ lệ của thể tích lớp vỏ so với toàn bộ hạt càng giảm. Mômen từ bão hòa giảm khi kích thước hạt giảm do hiệu ứng spin bề mặt được giải thích bởi Kodama và Berkowitz [34]. Mô hình đề xuất bao gồm lõi sắt từ (gồm các spin liên kết) và một Nguyễn Thị Ly 15 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit spinen lớp thủy tinh spin (spin-glass) bề mặt.

Mô hình lõi vỏ (hình 2.1) được áp dụng để giải thích hiện tượng suy giảm của giá trị MS trong hạt nano. Dị hướng từ bề mặt. Dị hướng từ bề mặt xuất hiện khi kích thước hạt bị thu nhỏ. Lúc này tính đối xứng trong tinh thể bị phá vỡ và dị hướng từ bề mặt chiếm ưu thế so với dị hướng từ tinh thể.

Sự mất trật tự của cấu trúc từ tại bề mặt dẫn đến dị hướng từ bề mặt có độ lớn và tính đối xứng khác nhau tại các vị trí bề mặt khác nhau. Hiệu ứng bề mặt phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt. Để tính toán và giải thích hiệu ứng bề mặt, Néel lần đầu tiên đề xuất khái niệm dị hướng từ bề mặt [28], sau đó được phát triển và xây dựng thành một mô hình riêng (Mô hình Monte Carlo) để giải thích hiện tượng này. Dị hướng từ bề mặt thường dẫn tới bề mặt được từ hóa khó khăn hơn so với lõi của hạt[33,36].Khi dị hướng từ bề mặt tăng sẽ có xu hướng ép các spin bề mặt định hướng xuyên tâm.

Xu hướng này truyền vào trong lõi thông qua tương tác và cạnh tranh với dị hướng từ tinh thể. Dị hướng từ bề mặt trong trường hợp này có thể ảnh hưởng đến mômen từ và lực kháng từ. Các kết quả tương tự cũng đã được tìm thấy trong nghiên cứu của J. Restrepo và cộng sự [21].

Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch. Theo lí thuyết sóng spin, sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ tự phát của một chất sắt từ hoặc feri từ ở nhiệt độ thấp (T<TC) được mô tả theo hàm Bloch [37].11)   Tc   Hay còn có thể viết là: M (T )  M (0).1  BT 3/2  Ở đây M(0) là mômen từ tự phát ở 0K, B là hằng số Bloch. Khi T → TC thì  M (T )  T  TC  với α là số mũ tới hạn, phụ thuộc vào cấu tạo hạt, nó có thể giảm hoặc tăng so với giá trị 3/2. Nghiên cứu sự thay đổi của B và α là một bài toán trong khi nghiên cứu tính chất của hạt nano từ.

Đối với vật liệu dạng khối mômen từ M tỉ Nguyễn Thị Ly 16 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 1: Tổng ng quan vvề vật liệu pherit spinen lệ với T3/2 nhưng khi kích thư thước hạt giảm xuống ng thang nanomet thì số s mũ tăng lên α>3/2. Alves và các cộng ng ssự [13] đã tìm thấy α gần bằng 2,0 đối vớii hhạt NiFe2O4. Tính toán lí thuyếết về vật liệu sắt từ đã chỉ ra rằng sự thay đđổi của spin bề mặt lớn n hơn bên trong. Do vậy, v hằng số Bloch của các mẫu tăng khi nhi nhiệt độ tăng thì mômen từ tự phát trong các hạt h kích thước nhỏ sẽ giảm m nhanh hơn so vvới vật liệu khối.

Điều u này có thể th do các spin trong hạt nhỏ không ổn định nh so vvới trong vật liệu khối dẫn đến sự giảm m nhi nhiệt độ Curie tương đối so với các vật liệuu kh khối. Hình thành cấu u trúc đơn đômen. Khi kích thước củ ủa hạt giảm xuống dưới một giới hạn nhấtt định đ thì sự hình thành các đômen không còn c được ưu tiên nữa, lúc này hạt sẽ tồn tạii như những nh đơn đômen (single domain). Trong vật liệu u kh khối, đômen là một miền từ tính của vật liệu.

Tính ch chất từ trong mỗi đômen là thống ng nh nhất, giữa các đômen được ngăn cách vớii nhau bbởi vách đômen. Khi kích thướcc ccủa hạt giảm xuống, kích thước các đômen cũng c giảm dẫn tới sự thay đổi về bề rộ ộng và vách của đômen. Theo nguyên tắcc cực c tiểu năng lượng, khi đạt đến mộtt kích thư thước tới hạn, các hạt có xu hướng tồnn ttại ở dạng đơn đômen (hình 1. Năng lư lượng để hình thành và duy trì các vách đômen cao hơn so với năng lượng ng khi các hạt h tồn tại ở dạng đơn đômen [21].

D > Dc D < Dc Đa đômen Đơn đômen  M  M Hình 1. 8: Cấu C trúc đa đômen và đơn đômen trong hạtt ttừ. Tuy nhiên, không ph phải hạt có kích thước nanomet đều là hạtt đơn đômen. Sự S tồn tại hạt đa đômen vẫn n có th thể xảy ra khi kích thước hạt nằm m trong khoảng kho d>DC.

Nguyễn Thị Ly TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit spinen Khi d <DC vật liệu sẽ được từ hoá thống nhất. Mômen từ trong mỗi hạt chỉ cùng một hướng ưu tiên được gọi là trục dễ. Các trục dễ thường là một hướng tinh thể ưu tiên được xác định bởi các dị hướng từ tinh thể (K) của vật liệu, nó xuất hiệndo các tương tác spin-quỹ đạo. Khi kích thước tiếp tục giảm d<DC, các hạt trở nên siêu thuận từ và mỗi hạt lúc này đóng vai trò là một đơn đômen.

Năng lượng để duy trì trật tự từ trong hạt siêu thuận từ thấp hơn năng lượng này trong hạt nano sắt từ. Như vậy, khi không có sự dịch chuyển vách đômen, sự đảo chiều của mômen từ trong hạt đơn đômen liên quan đến sự quay của tổng tất cả các mômen từ. Năm 1930, Frenkel và Dorfman lần đầu tiên dự đoán sự tồn tại của các hạt đơn đômen, sau đó vào năm 1946, C. Kittel đưa ra các tính toán đầu tiên về kích thước tới hạn cho sự tồn tại của một đơn đômen.

Các kích thước tới hạn (DC) phụ thuộc vào mômen từ tự phát (MS), hằng số dị hướng từ tinh thể (K1), và mật độ năng lượng tương tác hoặc hằng số trao đổi (A) như trong phương trình [14]: 1 DC =  AK1  2 (1.12) μ0 MS2 Tính toán cho hạt Fe3O4 với A = 1,28×10−11 J/m, K1 = -1,1×104 J/m3 và μ0Ms2 = 4×105 J/m3, kết quả kích thước tới hạn là 84 nm ở nhiệt độ phòng. Đối với γ-Fe2O3, kíchthước tới hạn là 30 nm ở nhiệt độ phòng, với MnFe2O4 giá trị này là 50 nm [11]. Giá trị kích thước tới hạn DC có thể thay đổi tùy thuộc vào phương pháp tổng hợpvật liệu. Sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha Curie.

Giá trị nhiệt độ Curie của hạt nano có thể giảm do hiệu ứng kích thước hữu hạn vàảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt. Sự giảm giá trị TC theo kích thước hữu hạn trongvật liệu được mô tả theo công thức sau [37]:   t v  TC (d )  TC ().13)   d   Với dlà kích thước hạt, TC (∞) là nhiệt độ Curie của vật liệu khối, t là bề dày Nguyễn Thị Ly 18 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit spinen của lớp vỏ mất trật tự, ν là số mũ độ dài tương quan. Tuy nhiên, do sự thay đổi trật tự sắp xếp iôn trong các phân mạng từ của lõi và lớp vỏ của hạt nano có thể ngăn chặn sự giảm nhiệt độ Curie bởi hiệu ứng giảm kích thước thậm chí có thể đảo ngược lại hiệu ứng này.