Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của pherit ganet R3Fe5O12 kích thước nanomet

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của pherit ganet r3fe5o12 r y gd tb dy ho kích thước nanomet, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Đào Thị Thủy Nguyệt
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Phúc Dương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Từ Của Pherit Ganet R3Fe5O12 Kích Thước Nanomet
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Tính Chất Từ Của Pherit Ganet R3Fe5O12

Nghiên cứu về tính chất từ của vật liệu pherit ganet R3Fe5O12 kích thước nanomet đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu điện tử. Pherit ganet, với cấu trúc phức tạp và tính chất từ đặc biệt, có thể mang lại nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng kích thước hạt nanomet có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất từ của vật liệu này. Việc hiểu rõ về tính chất từ của pherit ganet không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của các linh kiện điện tử mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong y sinh và năng lượng.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của Pherit Ganet R3Fe5O12

Pherit ganet R3Fe5O12 có cấu trúc tinh thể cubic, với ba phân mạng từ khác nhau. Cấu trúc này cho phép các ion đất hiếm tương tác với các ion Fe, tạo ra các tính chất từ độc đáo. Sự phân bố của các ion trong cấu trúc này ảnh hưởng đến tính chất từ và nhiệt độ Curie của vật liệu.

1.2. Tính chất từ của Pherit Ganet R3Fe5O12

Tính chất từ của pherit ganet R3Fe5O12 bao gồm mômen từ, lực kháng từ và nhiệt độ bù trừ. Các nghiên cứu cho thấy rằng tính chất từ của vật liệu này có thể thay đổi theo kích thước hạt, với các hiệu ứng từ bề mặt và hiệu ứng kích thước tới hạn đóng vai trò quan trọng.

II. Vấn đề và Thách thức Trong Nghiên Cứu Tính Chất Từ

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về tính chất từ của vật liệu, vẫn còn nhiều thách thức trong việc hiểu rõ các cơ chế ảnh hưởng đến tính chất này. Một trong những vấn đề chính là sự biến đổi của các tính chất từ khi kích thước hạt giảm xuống nanomet. Các nghiên cứu cần phải giải quyết các câu hỏi về cách mà kích thước nanomet ảnh hưởng đến nhiệt độ Curie và các hiện tượng dị thường gần điểm bù trừ.

2.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến tính chất từ

Khi kích thước hạt giảm xuống, các tính chất từ như mômen từ và lực kháng từ có thể thay đổi đáng kể. Các nghiên cứu cho thấy rằng tính chất từ của pherit ganet có thể bị ảnh hưởng bởi sự phân bố của các ion và tương tác giữa các phân mạng từ.

2.2. Thách thức trong việc chế tạo hạt kích thước nanomet

Việc chế tạo các hạt pherit ganet kích thước nanomet đồng nhất là một thách thức lớn. Các phương pháp chế tạo hiện tại cần được cải tiến để đảm bảo rằng các hạt có kích thước và cấu trúc đồng nhất, từ đó giúp nghiên cứu tính chất từ chính xác hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Từ Của Pherit Ganet

Để nghiên cứu tính chất từ của pherit ganet R3Fe5O12, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định cấu trúc mà còn đánh giá các tính chất từ của vật liệu. Việc sử dụng các công nghệ hiện đại như hiển vi điện tử và phân tích nhiệt giúp cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc điểm của vật liệu.

3.1. Phương pháp chế tạo hạt nano pherit ganet

Các phương pháp chế tạo như nghiền bi, đồng kết tủa từ dung dịch và sol-gel đã được sử dụng để tạo ra các hạt pherit ganet kích thước nanomet. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất từ của sản phẩm cuối cùng.

3.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất từ

Các phương pháp như phân tích nhiệt DTA-TGA, nhiễu xạ tia X và hiển vi điện tử truyền qua được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của pherit ganet. Những phương pháp này giúp xác định các thông số quan trọng như mômen từ và nhiệt độ Curie.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Pherit Ganet Kích Thước Nanomet

Pherit ganet R3Fe5O12 kích thước nanomet có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như điện tử, y sinh và năng lượng. Các tính chất từ đặc biệt của vật liệu này có thể được ứng dụng trong các linh kiện cao tần, làm lạnh từ và các thiết bị y sinh như MRI. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này có thể mang lại giá trị lớn cho công nghệ hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong linh kiện điện tử

Pherit ganet có thể được sử dụng trong các linh kiện điện tử cao tần nhờ vào tính chất từ ổn định và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao. Điều này giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử hiện đại.

4.2. Ứng dụng trong y sinh

Trong lĩnh vực y sinh, pherit ganet có thể được sử dụng trong các thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) và các ứng dụng điều trị nhiệt. Tính chất từ của vật liệu giúp nâng cao hiệu quả trong các phương pháp điều trị mới.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Tính Chất Từ

Nghiên cứu về tính chất từ của pherit ganet R3Fe5O12 kích thước nanomet mở ra nhiều hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Các kết quả nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng kích thước hạt có ảnh hưởng lớn đến các tính chất từ, và việc hiểu rõ các cơ chế này sẽ giúp phát triển các vật liệu mới với hiệu suất cao hơn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong lĩnh vực vật liệu điện tử và y sinh.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp chế tạo và nghiên cứu sâu hơn về tính chất từ của pherit ganet ở kích thước nanomet. Điều này sẽ giúp phát triển các ứng dụng mới và cải thiện hiệu suất của các thiết bị hiện có.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu vật liệu

Nghiên cứu về vật liệu pherit ganet không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực khoa học mà còn trong các ứng dụng thực tiễn. Việc phát triển các vật liệu mới với tính chất từ ưu việt sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit ganet. Trong chương này tác giả trình bày cấu trúc, tính chất của vật liệu dạng khối và các nghiên cứu thực hiện trên hệ hạt kích thước nanomet. Chương 2: Giới thiệu tổng quan về các phương pháp chế tạo mẫu dạng hạt kích thước nanomet, các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của mẫu dạng hạt thực hiện trong luận án. Chương 3: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận với các hạt nano Y3Fe5O12.

Vật liệu này được lựa chọn nghiên cứu đầu tiên vì trong cấu trúc 3 phân mạng chỉ có 2 phân mạng sắt có từ tính, phân mạng thứ ba chứa ytri không từ tính. Chương 4: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận với các hạt nano Gd3Fe5O12. Các hạt nano Gd3Fe5O12 có ba phân mạng từ với Gd3+ là ion đất hiếm không có mômen từ quỹ đạo nên vật liệu có tính đẳng hướng từ. Chương 5: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận với các hạt nano R3Fe5O12 (R = Tb, Dy, Ho).

Các mẫu hạt này có cấu trúc 3 phân mạng từ chứa các ion đất hiếm nhóm nặng, có tính dị hướng lớn. Kết luận và kiến nghị: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu chính của luận án và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo Tài liệu tham khảo Danh mục các công trình sử dụng trong luận án. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHERIT GANET DẠNG KHỐI VÀ DẠNG HẠT KÍCH THƢỚC NANOMET 1.1 Pherit ganet dạng khối 1.1 Cấu trúc tinh thể của pherit ganet Pherit ganet có cấu trúc lập phương tâm khối, thuộc nhóm không gian Oh10 – Ia3d [1,2]. Một ô đơn vị của pherit ganet chứa 8 đơn vị công thức {R3}[Fe2](Fe3)O12, trong đó R chủ yếu là các ion thuộc nhóm đất hiếm như Sm, Eu, Gd, Ho, Dy, Tb, Er, Tm, Yb, Lu và Y.

Các ion kim loại trong pherit ganet phân bố trong 3 vị trí tinh thể tạo bởi các ion oxy, ion đất hiếm chiếm vị trí lỗ trống 12 mặt (vị trí 24c), các ion Fe3+ phân bố trong hai vị trí lỗ trống 8 mặt (vị trí 16a) và 4 mặt (vị trí 24d). Các lỗ trống này tạo thành 3 phân mạng tương ứng của các ion kim loại: phân mạng đất hiếm {c}, 2 phân mạng sắt [a] và (d).1 mô tả vị trí các ion và hình ảnh mô phỏng các phân mạng trong cấu trúc của pherit ganet.1 Vị trí các ion (a) và hình ảnh mô phỏng các phân mạng trong cấu trúc của pherit ganet (b) [3] 4 Trong 3 vị trí lỗ trống của các ion kim loại trong cấu trúc ganet, lỗ trống lớn nhất là lỗ trống 12 mặt (24c), có cấu trúc trực thoi, thuộc nhóm không gian D2- 222. Do các ion đất hiếm có bán kính lớn hơn ion sắt nên chúng chỉ chiếm vị trí này. Vị trí lỗ trống lớn thứ hai là vị trí 8 mặt (16a), có cấu trúc 8 mặt thuộc nhóm C3i-3.

Vị trí nhỏ nhất là vị trí 4 mặt (24d), có cấu trúc 4 mặt thuộc nhóm S4-4. Trong 1 ô đơn vị của pherit ganet có 24 vị trí lỗ trống 12 mặt, 16 vị trí lỗ trống 8 mặt và 24 vị trí lỗ trống 4 mặt. Khoảng cách giữa các ion lân cận trong tinh thể ytri pherit ganet (YIG) được chỉ ra trong bảng 1. Theo bảng này, khoảng cách giữa ion Fe3+ trong 2 phân mạng a và d và ion O2- (tương ứng là 2,01 và 1,87 Å) nhỏ hơn khoảng cách giữa ion Y3+ và ion O2- (2,37 và 2,43 Å).

Điều này là một trong hai nguyên nhân lý giải tương tác từ giữa các ion Fe3+ với nhau lớn hơn so với các tương tác khác trong ganet đất hiếm.1 Khoảng cách giữa các ion lân cận trong tinh thể pherit ytri ganet YIG [4] Ion Ion Khoảng cách (Å) 4Fe3+ (a) 3,46 Y3+ (c) 6Fe3+ (d) 3,09; 3,79 8O2- 2,37 ; 2,43 2Y3+ 3,46 Fe3+ (a) 6Fe3+ 3,46 6O2- 2,01 6Y3+ 3,09 ; 3,79 3+ 4Fe3+ 3,46 Fe (d) 4Fe3+ 3,79 4O2- 1,87 Hằng số mạng của các pherit ganet đất hiếm giảm theo kích thước ion kim loại đất hiếm, có giá trị trong khoảng từ 12,283 Å đến 12,529 Å tương ứng với ion Lu3+ và Sm3+. Giá trị hằng số mạng của các pherit đất hiếm và bán kính ion kim loại đất hiếm tương ứng được liệt kê trong bảng 1. Geller đã thay thế một 5 phần các ion kim loại đất hiếm (từ La3+ đến Pm3+) và nhận thấy hằng số mạng của pherit ganet có thể đạt đến giá trị lớn nhất là 12,538 Å [5].2 Bán kính ion của đất hiếm và hằng số mạng của pherit ganet tương ứng [5] Bán kính ion R3+ Hằng số mạng của pherit Nguyên tố R (Å) R3Fe5O12 (Å) Y 1,015 12,376 Sm 1,09 12,529 Eu 1,07 12,498 Gd 1,06 12,471 Tb 1,04 12,436 Dy 1,03 12,405 Ho 1,02 12,375 Er 1,00 12,347 Tm 0,99 12,323 Yb 0,98 12,302 Lu 0,97 12,283 Ngoài ra, Fe3+ có thể được thay thế bằng nhiều ion trong phân mạng tứ diện như Al3+, Ge4+, Ga3+, Ti4+, Co2+, Co3+, Sn4+, Fe4+, V5+, Si4+. Do lỗ trống bát diện (phân mạng a) lớn hơn lỗ trống tứ diện (phân mạng d) nên việc thay thế các ion Fe3+ bằng các ion khác cũng được mở rộng hơn.

Ngoài các ion kể trên còn có các ion khác được thay thế như Sb5+, Ru4+, Mn3+, Ni2+, Hf4+, Mg2+… Một điều đáng lưu ý là khi thay thế các nguyên tố trong ganet, ngoài độ lớn lỗ trống cho phép các bán kính ion thay thế, biểu thức hóa học của ganet phải được cân bằng hóa trị. Chính vì vậy, các pherit ganet thông thường có điện trở suất rất lớn. Với một số trường hợp, các ion thay thế vào Fe3+ có thể chiếm cả hai vị trí d và a của Fe3+, ví dụ như các ion Ga3+ và Al3+, khi đó ta có các ganet Y3Ga5O12 và Y3Al5O12 [6]. Các ion Mn2+ và Fe2+ có thể cùng chiếm vị trí phân mạng a và c trong khi In3+, Sc3+ và Cr3+ ưu tiên vào vị trí phân mạng a.

Sự ưu tiên các vị trí 6 phân mạng của các cation thay thế vào ganet đã được giải thích dựa trên lý thuyết thống kê của Gilleo [7]. Việc thay thế các nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc cũng như các tính chất vật lý của các pherit ganet. Bằng việc pha tạp các nguyên tố từ tính vào phân mạng không từ tính hoặc nguyên tố phi từ vào phân mạng từ của ganet, ta có thể tính toán được tương tác trao đổi giữa các phân mạng và tạo nên vật liệu có các tính chất từ đặc biệt.2 Các tính chất từ của pherit ganet 1.1 Mômen từ Mômen từ của pherit ganet phụ thuộc vào mômen từ của các ion Fe3+ trong phân mạng a, d và ion kim loại đất hiếm R3+ trong phân mạng c. Fe3+ là kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm 3d, có số điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng là 5, tương ứng với mômen từ spin là S = 5µB , mômen từ qũy đạo bị đóng băng, không đóng góp vào mômen từ của ion Fe3+.

R3+ là kim loại đất hiếm thuộc nhóm 4f, mômen từ của nguyên tử J của chúng được đóng góp bởi mômen từ spin S và mômen từ quỹ đạo L: J = S+L. Các ion kim loại 3d và 4f trong cấu trúc của ganet bị ngăn cách bởi các ion oxy có bán kính lớn (r = 126 pm) nên tương tác giữa các ion kim loại từ tính là tương tác trao đổi gián tiếp, thông qua ion oxy. Mô hình tương tác trao đổi gián tiếp do Kramers [8] đưa ra, áp dụng đầu tiên cho tinh thể phản sắt từ MnO. Mô hình này cũng được áp dụng để giải thích cho tương tác trao đổi trong pherit ganet, trong đó các tương tác này xảy ra giữa các ion 3d (Fe - Fe), 4f (R - R) và 3d - 4f (Fe - R).

Bản chất của tương tác là sự xen phủ lẫn nhau của các đám mây điện tử d của ion Fe hoặc f của ion đất hiếm R với đám mây điện tử p của ion oxy. Độ lớn của tương tác tác Fe3+ − O2-− Fe3+ phụ thuộc vào khoảng cách và góc giữa các ion Fe3+ và O2-. Sự sắp xếp ion Fe3+− O2-− Fe3+ hợp thành góc 180o có tương tác lớn nhất vì xác suất phủ các đám mây điện tử là nhiều nhất. Khi góc 7 liên kết Fe3+ − O2-− Fe3+ lập thành một góc 90o, xác suất phủ các đám mây điện tử d x2  y 2 và px là nhỏ nhất và tương tác có cường độ yếu nhất.

Bằng cách thay thế một phần ion Fe3+ trong YIG bởi các ion không từ tính và quan sát trên phổ nhiễu xạ nơtron, Geller và Gilleo đã tính toán được góc trong các liên kết trao đổi gián tiếp này [9]. Giá trị các góc liên kết trong YIG được liệt kê trong bảng 1.3, trong đó góc của liên kết Fea3+ – O2- – Fed3+ là lớn nhất (125,9o), các góc liên kết Fed3+ – O2- – Y3+ và Fea3+ – O2- – Y3+ nhỏ hơn (tương ứng là 123o và 104,7o). Khi thay thế ion R3+ vào vị trí Y3+, các góc liên kết trên không thay đổi đáng kể. Khoảng cách giữa các ion từ tính và ion oxy đã nêu trong bảng 1.2 cùng với giá trị các góc liên kết trong bảng 1.3 cho thấy tương tác giữa hai phân mạng a – d là lớn hơn so với tương tác của từng phân mạng a, d với phân mạng c.3 Góc trong các liên kết giữa các ion kim loại trong YIG [9] Ion Góc (o) Fe3+(a) – O2- – Fe3+ (d) 125,9 Fe3+(a) – O2- – Y3+ 102,8 Fe3+(a) – O2- – Y3+ 104,7 Fe3+(d) – O2- – Y3+ 123,0 Fe3+(d) – O2- – Y3+ 92,2 Y3+ – O2- – Y3+ 104,7 Fe3+(d) – O2- – Fe3+ (d) 86,6 Fe3+(d) – O2- – Fe3+ (d) 78,8 Fe3+(d) – O2- – Fe3+ (d) 74,7 Fe3+(d) – O2- – Fe3+ (d) 74,6 Như vậy, trong pherit ganet đất hiếm tồn tại tương tác giữa các ion từ trong cùng phân mạng và giữa các phân mạng.

Độ lớn của các tương tác được đặc trưng bằng tích phân tương tác trao đổi Jaa, Jdd, Jcc, Jad, Jdc và Jac trong đó Jaa, Jdd, Jcc là tích phân tương tác trao đổi giữa các ion trong cùng phân mạng, Jad, Jdc và Jac là tích phân tương tác trao đổi giữa các phân mạng. Tích phân tương tác trao 8 đổi trong pherit ganet thường có giá trị âm, độ lớn của nó phụ thuộc vào sự đối xứng của các quỹ đạo điện tử, định hướng không gian của chúng và khoảng cách giữa các ion [10].4 đưa ra các giá trị tích phân trao đổi trong YIG và Gd3Fe5O12 (GdIG) được xác định bằng các phương pháp thực nghiệm khác nhau.