Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Co1-xZnxFe2O4. CẤU TRÚC TINH THỂ. Cấu trúc của vật liệu ferit spinel. Ferit spinel là thuật ngữ dùng để chỉ loại vật liệu có cấu trúc hai phân mạng là tứ diện (A) và bát diện (B) mà các tương tác giữa chúng là phản sắt từ hoặc ferit từ [36].
Một đơn vị ô cơ sở của ferit spinel (với hằng số mạng tinh thể a 8,4 A0 ) được hình thành bởi 32 nguyên tử O2- và 24 cation Fe2+, Zn2+, Co2+, Mn2+, Ni2+, Mg2+, Fe3+ và Gd3+. Trong một ô cơ sở có 96 vị trí cho các cation. Nhóm tứ diện (A) có 32 vị trí cho các cation nhưng chỉ có 8 ion kim loại chiếm chỗ, mỗi ion kim loại ở nhóm này được bao bởi 4 ion oxi. Nhóm bát diện (B) có 64 vị trí cho các cation nhưng chỉ có 16 ion kim loại chiếm chỗ, mỗi ion kim loại ở nhóm này được bao bởi 6 ion oxi.
Cấu trúc ferit spinel thường có dạng MFe2O4. Ở đây M là các kim loại hóa trị 2+ như: Fe2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Mg2+. Cấu trúc ferit spinel được mô tả bởi khối lập phương bao gồm cả các ion oxy (Hình 1. Với bán kính ion của ôxy là 0,132 nm lớn hơn rất nhiều so với bán kính ion của các kim loại trong cấu trúc (0,06 ÷ 0,091nm) (Bảng 1.
Cấu trúc tinh thể của vật liệu ferit spinel [7]. Thông số bán kính của một số ion kim loại [38]. Thông thường, các ferit này được viết dưới dạng: M2+[Fe23+]O42-. Ví dụ ZnFe2O4 và CdFe2O4.
- Spinel đảo: tất cả các ion M2+ nằm ở vị trí bát diện (B), các ion Fe3+ phân chia đều ở hai vị trí A và B. Các ferit này được viết dưới dạng: Fe3+[ M2+Fe3+]O42-. Ví dụ NiFe2O4 và CoFe2O4. - Spinel hỗn hợp: các cation M2+ và Fe3+ có thể đồng thời phân bố ở hai vị trí A và B.
Kiểu cấu trúc này được mô tả qua biểu thức sau: My2+Fe1-y3+[M1-y2+Fe1+y3+]O42-, với 0 ≤ y ≤ 1, y là số lượng ion Fe3+ một nửa chiếm vị trí tứ diện (A) , một nửa chiếm ở vị trí bát diện (B), được đặc trưng bởi độ đảo của ferit [8] (Bảng 1. Phân bố ion trong các vị trí của cấu trúc spinel [5]. Kiểu cấu trúc Vị trí Số vị trí có sẵn Số được sử dụng Spinel thuận Spinel đảo (A) 64 8 8M2+ 8 Fe3+ (B) 32 16 16 Fe3+ 8 M2+, 8Fe3+ Vật liệu nano CoFe2O4 có cấu trúc spinel đảo. Tất cả các ion Co2+ đều chiếm ở vị trí bát diện (B), một nửa Fe3+ chiếm ở vị trí tứ diện (A), một nửa ion Fe3+ chiếm ở vị trí bát diện (B) nên vật liệu nano CoFe2O4 có cấu trúc (Fe3+)[Co2+ Fe3+ ]O42-.
Cấu trúc của vật liệu nano Co1-xZnxFe2O4. Vật liệu nano Co1-xZnxFe2O4 có cấu trúc spinel hỗn hợp. Tất cả các ion Co2+ đều chiếm ở vị trí bát diện (B), các ion Zn2+ đều chiếm ở vị trí tứ diện (A). Ion Fe3+ có thể chiếm hoàn toàn ở vị trí tứ diện (A), có thể chiếm hoàn toàn ở vị trí bát diện (B) hoặc một nửa ion Fe3+ chiếm ở vị trí tứ diện (A) một nửa chiếm ở vị trí bát diện (B) nên vật liệu nano Co1-xZnxFe2O4 có cấu trúc (Co2+1-x Fe3+x)[Zn2+xFe3+2-x ]O42-.
Ion Zn2+ là ion không có từ tính (mômen từ bằng không) thường được phân bố ở các vị trí tứ diện. Trong khi đó Co2+ và Fe3+ là các ion có từ tính với mômen từ lần lượt là 3B và 5B, các ion (Co2+) chiếm ở vị trí bát diện hoặc cả hai vị trí giống như (Fe3+). Khi nồng độ Zn tăng, ion Zn2+ thay thế cho Co2+ tăng lên, làm giảm tương tác trao đổi ở vị trí tứ diện, dẫn đến từ độ của hạt giảm.