Luận án nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hạt nano Fe-Co

Luận án nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hệ hạt nano từ Fe-Co bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao, mang lại ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.

• Trường học: Viện Khoa Học Vật Liệu, Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật Liệu Nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Hạt Nano Từ Fe-Co Và Tính Chất Từ Của Chúng
• Loại tài liệu: luận án

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe-Co
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO TỪ Fe-Co
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TỪ Fe, Fe-Co
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano từ Fe Co

Nghiên cứu về hạt nano từ Fe-Co đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Các tính chất từ của các hạt nano này không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn bị ảnh hưởng bởi kích thước và hình dạng của chúng. Khi kích thước hạt giảm xuống dưới kích thước tới hạn, các tính chất từ của vật liệu có thể thay đổi đáng kể. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hạt nano từ có thể thể hiện các hiện tượng như hiệu ứng từ trở khổng lồ và hiệu ứng từ nhiệt. Điều này mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như cảm biến từ, thiết bị ghi từ và y sinh. Đặc biệt, các hợp kim Fe-Co đã được chứng minh có từ độ bão hòa cao, làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng công nghệ cao. Theo một nghiên cứu, hợp kim Fe65Co35 có từ độ bão hòa cao nhất hiện nay, gần 245 emu/g, cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các vật liệu từ tính mới.

1.1. Tính chất từ của hạt nano

Các tính chất từ của hạt nano từ Fe-Co được xác định bởi nhiều yếu tố như kích thước, hình dạng và cấu trúc tinh thể. Khi kích thước hạt giảm, các hiệu ứng bề mặt và tương tác giữa các hạt trở nên quan trọng hơn. Các hạt nano từ có thể hoạt động như các nguyên tử bất đối xứng khổng lồ, trở thành siêu thuận từ khi nhiệt độ vượt qua một ngưỡng nhất định. Nghiên cứu cho thấy rằng, các hạt nano từ có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng y sinh như dẫn thuốc và tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ. Việc kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano từ là rất quan trọng để tối ưu hóa các tính chất từ của chúng.

II. Phương pháp chế tạo hạt nano từ Fe Co

Việc chế tạo hạt nano từ Fe-Co có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp nghiền cơ năng lượng cao được sử dụng phổ biến. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt bột mịn với kích thước nanomet và có thể đi kèm với phản ứng hóa học trong quá trình nghiền. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn hiệu quả, có tính lặp lại cao và có thể chế tạo ở quy mô lớn. Hơn nữa, việc sử dụng phương pháp này giúp giảm thiểu các nhược điểm của các phương pháp khác như khả năng chống oxy hóa và độc tính. Các đặc trưng cấu trúc và sự hợp kim hóa của các hạt nano từ được đánh giá qua các phương pháp như XRD và HRTEM, cho phép hiểu rõ hơn về quá trình chế tạo và tính chất của chúng.

2.1. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chế tạo hạt nano từ Fe-Co. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt với kích thước nanomet và có thể kết hợp với các phản ứng hóa học trong quá trình nghiền. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc điều chỉnh các thông số như thời gian, nhiệt độ và tốc độ nghiền có thể ảnh hưởng đáng kể đến kích thước và tính chất từ của các hạt nano. Hơn nữa, phương pháp này cũng cho phép tạo ra các hợp kim Fe-Co trong môi trường không có khí bảo vệ, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong công nghệ nano.

III. Ứng dụng của hạt nano từ Fe Co

Các hạt nano từ Fe-Co có tiềm năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị ghi từ, cảm biến từ, và đặc biệt là trong y sinh như dẫn thuốc và điều trị bệnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hạt nano từ có thể cải thiện hiệu quả của các phương pháp điều trị y sinh nhờ vào khả năng tương tác với tế bào và mô. Hơn nữa, các vật liệu này còn có khả năng sinh nhiệt tốt, cho phép ứng dụng trong các phương pháp điều trị nhiệt từ. Việc phát triển và tối ưu hóa các ứng dụng này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển công nghệ nano.

3.1. Ứng dụng trong y sinh

Trong lĩnh vực y sinh, hạt nano từ Fe-Co đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc dẫn thuốc và điều trị bệnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hạt nano từ có thể cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các phương pháp điều trị. Hơn nữa, khả năng sinh nhiệt của các hạt nano này cũng mở ra cơ hội cho các ứng dụng trong điều trị nhiệt từ, giúp tăng cường hiệu quả điều trị. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành y tế mà còn góp phần vào sự phát triển của công nghệ nano trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Vật liệu nano từ tính dựa trên các kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni) và hợp kim của chúng đóng vai trò quan trọng trong khoa học vật liệu nhờ các tính chất vật lý đặc biệt xuất hiện khi kích thước hạt thu nhỏ xuống thang nanomet. Trong số các hợp kim từ mềm, hệ Fe-Co thể hiện từ độ bão hòa ($M_s$) cao nhất (hợp kim $Fe_{65}Co_{35}$ đạt xấp xỉ 245 emu/g), độ từ thẩm lớn và nhiệt độ Curie ($T_C$) cao vượt nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, việc tổng hợp các hạt nano Fe-Co dạng bột mịn thường đòi hỏi môi trường khí bảo vệ (Argon) nghiêm ngặt để chống oxy hóa, hoặc các quy trình hóa học phức tạp với hiệu suất khối lượng sản phẩm thấp (chỉ khoảng vài gram mỗi mẻ).

Khoảng trống nghiên cứu mà tác giả xác định là: (i) khả năng tổng hợp hợp kim nano Fe-Co bằng phương pháp cơ học trong điều kiện không khí thông thường mà vẫn bảo đảm phẩm chất từ tính; (ii) sự kết hợp phân tích cấu trúc vi mô giữa nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ hấp thụ tia X (XAS); và (iii) việc khảo sát đặc tính sinh nhiệt của hạt nano Fe, Fe-Co trong điện từ trường xoay chiều nhằm phục vụ định hướng nhiệt từ trị, cũng như chế tạo nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi $SmCo_5/Fe-Co$.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

1. Tìm được các tham số thông số công nghệ và hợp phần tối ưu để chế tạo một số vật liệu nano từ nền Fe bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao.
2. Làm rõ mối liên hệ giữa các điều kiện công nghệ với đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của vật liệu chế tạo được.
3. Đánh giá khả năng ứng dụng vật liệu nano Fe, Fe-Co trong chế tạo nam châm nanocomposite và đốt nóng cảm ứng từ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano kim loại Fe, Co, hợp kim nano từ mềm $Fe_{100-x}Co_x$ ($x = 0, 25, 30, 35, 40, 50, 75$), và hệ vật liệu nano tổ hợp hai pha cứng/mềm $SmCo_5/Fe_{65}Co_{35}$.
• Phạm vi không gian thực nghiệm: Luận án có dung lượng 140 trang, được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn, Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Vật liệu và Linh kiện điện tử (Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam); phối hợp cùng Phòng thí nghiệm BL8 SIAM Photon (Nakhon Ratchasima, Thái Lan); và Phòng thí nghiệm Hóa luyện kim đất hiếm (LCMRT), Viện Khoa học vật liệu và hóa học Đông Paris (EPICM), Trung tâm nghiên cứu quốc gia (CNRS), Cộng hòa Pháp.
• Công bố khoa học: Các kết quả chính của luận án đã được công bố trên 04 bài báo thuộc danh mục SCI, 01 bài trong kỷ yếu hội nghị quốc tế và 03 bài trên các tạp chí, kỷ yếu hội nghị chuyên ngành trong nước.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại hệ thống các công trình nghiên cứu về vật liệu từ Fe-Co, nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi và hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ:

1. Nhiệt động học và giản đồ pha Fe-Co: Ellis và Greiner [27] đã xác định nhiệt độ chuyển pha trật tự - bất trật tự trong hệ Fe-Co là $731^\circ\text{C}$. Normanton và cộng sự [28], Ohnuma và cộng sự [26] mô tả quá trình nhiệt động học và công thức tính thông số mạng cấu trúc bcc ($a = 0{,}28236 + 6{,}4514 \times 10^{-5} [\text{at}% \text{Fe}]\text{ nm}$) và fcc ($a = 0{,}35438 + 1{,}0233 \times 10^{-4} [\text{at}% \text{Fe}]\text{ nm}$). Clegg và Buckley [29] chỉ ra tốc độ làm nguội cần thiết để tránh chuyển pha trật tự phải lớn hơn $4000^\circ\text{C/s}$ đối với mẫu dày $700\ \mu\text{m}$.
2. Các phương pháp chế tạo hóa học:
   • Phương pháp khử: Li và cộng sự [32] tổng hợp cấu trúc lõi/vỏ $\text{Fe-Co}/\text{Fe}_3\text{O}_4$ qua khuếch tán bề mặt; Wang và cộng sự [33] khử $\text{FeCl}_2$ và $\text{CoCl}_2$ bằng n-butyllithium tạo hạt 10 nm ($M_s = 181-192\text{ emu/g}$); Cheng và cộng sự [34] dùng phương pháp khử nhiệt lỏng thu được $M_s = 192-201\text{ emu/g}$.
   • Phân hủy nhiệt: Hütten và cộng sự [35] phân hủy $\text{Fe(CO)}_5$ và $\text{Co}_2(\text{CO})_8$ tạo hạt 5 nm ($M_s = 150\text{ emu/g}$); Desvaux và cộng sự [36] chế tạo hạt 15 nm có $M_s = 160-180\text{ emu/g}$ (sau khi ủ đạt $220\text{ emu/g}$); Tzitzios và cộng sự [37] thu được hạt bcc 8-10 nm ($M_s = 111{,}6\text{ emu/g}$).
   • Đồng kết tủa và Polyol: Kishimoto và cộng sự [38] ($D = 30-200\text{ nm}, M_s = 150\text{ emu/g}$); Koutsopoulos và cộng sự [39] ($D = 13-23\text{ nm}$); Zamanpour và cộng sự [40] dùng dung môi ethylene glycol thu được hạt 20-30 nm ($M_s = 221\text{ emu/g}$); Chaubey và cộng sự [41] khử $\text{Fe(acac)}_3$ và $\text{Co(acac)}_2$ thu được hạt 10-20 nm ($M_s = 129-207\text{ emu/g}$); Seo và cộng sự [42] bọc vỏ carbon bằng CVD thu được hạt 7 nm ($M_s = 230\text{ emu/g}$).
3. Phương pháp chế tạo cơ học và nghiền năng lượng cao:
   • Kim và cộng sự [47] nghiền $\text{Fe}_{100-x}\text{Co}_x$ trong bình quay ngang 100 giờ với khí Ar, đạt pha bcc sau 10 giờ, $M_s$ cao nhất ở 30% Co ($232\text{ emu/g}$).
   • Celik và cộng sự [48] nghiền bi trong Ar thu được hạt 11,5-37,2 nm ($M_s = 172\text{ Am}^2\text{/kg}$, $H_c = 19{,}4\text{ mT}$).
   • Zeleňásková và cộng sự [49] sử dụng máy Retsch PM4000 nghiền 30 giờ thu được hạt 9-16 nm ($M_s = 203-225\text{ emu/g}$).
   • Poudyal và cộng sự [50] dùng máy SPEX 8000M nghiền trong Ar, sau 5 giờ mẫu $\text{Fe}{65}\text{Co}{35}$ đạt $M_s = 240\text{ emu/g}$.
   • Azizi và cộng sự [51] nghiền hỗn hợp oxit $\text{Fe}_2\text{O}_3$ và $\text{Co}_3\text{O}4$ với NaCl trong dung môi hexan và khử bằng $\text{H}2+\text{Ar}$ thu được $\text{Fe}{0{,}67}\text{Co}{0{,}33}$ ($M_s = 182-216\text{ emu/g}$).

STT	Tác giả	Phương pháp chế tạo	Môi trường	Kích thước $D$ (nm)	$M_s$ (emu/g)	Tài liệu trích dẫn
1	J. Li và cộng sự	Phương pháp khử	Dung môi	10	-	[32]
2	Y. Wang và cộng sự	Phương pháp khử	Dung môi	10	181 - 192	[33]
3	Y. Cheng và cộng sự	Phương pháp khử	Dung môi	-	192 - 201	[34]
4	A. Hütten và cộng sự	Phân hủy nhiệt	Dung môi	5	150	[35]
5	C. Desvaux và cộng sự	Phân hủy nhiệt	Dung môi	15	160 - 180	[36]
6	V. Tzitzios và cộng sự	Phân hủy nhiệt	Dung môi	8 - 10	111	[37]
7	M. Kishimoto và cộng sự	Đồng kết tủa	Dung môi	30 - 200	150	[38]
8	S. Koutsopoulos và cộng sự	Đồng kết tủa	Dung môi	13 - 23	-	[39]
9	M. Zamanpour và cộng sự	Polyol	Dung môi	20 - 30	221	[40]
10	G. Chaubey và cộng sự	Polyol	Dung môi	10 - 20	129 - 207	[41]
11	W. Seo và cộng sự	Polyol	Dung môi	7	230	[42]
12	Y. Kim và cộng sự	Nghiền cơ	Ar	10	232	[47]
13	O. Celik và cộng sự	Nghiền cơ	Ar	12 - 37	172	[48]
14	A. Zeleňásková và cộng sự	Nghiền cơ	Ar	9 - 16	203 - 225	[49]
15	N. Poudyal và cộng sự	Nghiền cơ	Ar	8	224 - 240	[50]
16	A. Azizi và cộng sự	Nghiền cơ + khử oxi	Dung môi	25 - 50	182 - 216	[51]

4. Nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi (Nanocomposite): Kneller và Hawig [52] đề xuất mô hình liên kết trao đổi 2 pha cứng/mềm; Coehoorn và cộng sự [53] chứng minh lực kháng từ cao do hạt mềm bị ghim bởi hạt cứng; Skomski và Coey [56] tính toán lý thuyết cho thấy hệ $\text{Sm}2\text{Fe}{17}\text{N}3/\text{Fe}$ và $\alpha\text{-Fe}/\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ có thể đạt $(BH){\max}$ lý thuyết lên tới $880\text{ kJ/m}^3$ ($110\text{ MGOe}$) với tỷ phần pha cứng dưới 10%; Aharoni [55] mô tả trường lan truyền $H_p$; Saito [57] nghiên cứu $\text{SmCo}5/\alpha\text{-Fe}$ qua nghiền cơ và thiêu kết xung điện plasma (SPS); ở Việt Nam, The và cộng sự [59, 60] nghiên cứu băng từ nanocomposite đạt $(BH){\max} = 17{,}3 - 17{,}8\text{ MGOe}$, Hai và cộng sự [62] quan sát hiện tượng hồi phục từ dị thường trong $\alpha\text{-Fe(Co)}/(\text{Nd,Pr})2\text{Fe}{14}\text{B}$.

Vị trí của luận án: Kế thừa phương pháp hợp kim cơ học (Mechanical Alloying - MA) khởi xướng bởi John Benjamin tại công ty INCO từ năm 1966 [95-97], luận án lựa chọn hướng đi tổng hợp bột nano Fe, Co, Fe-Co bằng máy nghiền hành tinh trong điều kiện môi trường thông thường (không khí) và môi trường khí bảo vệ (Argon), đánh giá toàn diện cấu trúc bằng XRD và XAS, từ đó khảo sát ứng dụng nam châm $SmCo_5/Fe-Co$ và hiệu ứng sinh nhiệt cảm ứng từ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm sử dụng

• Hiệu ứng kích thước nano: Khi kích thước vật liệu nhỏ hơn kích thước tới hạn, các hiệu ứng lượng tử thể hiện rõ nét, diện tích bề mặt tăng cao làm tỷ lệ nguyên tử bề mặt chiếm ưu thế, dẫn đến sự suy giảm từ độ tự phát, tăng dị hướng từ bề mặt và xuất hiện hiện tượng siêu thuận từ trên nhiệt độ khóa ($T_B$).
• Đường kính tới hạn của hạt đơn đô-men: Vật liệu sắt từ phân chia thành các đô-men nhằm cực tiểu hóa năng lượng từ tĩnh. Khi kích thước hạt nhỏ hơn đường kính tới hạn ($d_c$), hạt tồn tại ở trạng thái đơn đô-men.

Vật liệu	Từ độ bão hòa $M_s$ (kA/m)	Đường kính tới hạn $d_c$ (nm)
$\text{Fe}$	1710	14
$\text{Co}$	1400	70
$\gamma\text{-Fe}_2\text{O}_3$	417	166

• Tính chất từ của các nguyên tố 3d:

Nguyên tố	Mô-men từ $\mu_H$ ($\mu_B$)	$\sigma_s$ tại 0 K (emu/g)	$\sigma_s$ tại 293 K (emu/g)	Nhiệt độ Curie $T_C$ (K)
$\text{Fe}$	2,22	222	218	1043
$\text{Co}$	1,72	162	161	1388
$\text{Ni}$	0,62	57	54	627

• Tương tác trao đổi: Năng lượng trao đổi được mô tả theo mô hình Heisenberg: $$E = -2 A_{ij} \sum S_i S_j$$ Trong đó $A_{ij} > 0$ tạo trật tự sắt từ, $A_{ij} < 0$ tạo trật tự phản sắt từ. Trường phân tử Weiss được biểu diễn qua $H_m = \gamma M$ (hoặc $H_m = n_{ij} M$).
• Dị hướng từ tinh thể: Đối với tinh thể đơn trục, năng lượng dị hướng có dạng: $$E_a = \sum K_n \sin^{2n}\theta$$ với $K_n$ là hằng số dị hướng bậc $2n$, $\theta$ là góc giữa vectơ từ độ và trục dễ từ hóa.
• Mô hình Kneller-Hawig về nam châm trao đổi đàn hồi: Trường mầm ($H_n$) và trường lan truyền rút gọn ($h_p$) được xác định theo: $$H_n = \frac{2 K_s}{\mu_0 M_s} \left(\frac{\pi \delta_s}{2 d_s}\right)^2$$ $$h_p = \frac{H_p}{H_A} = \frac{\alpha - 1}{2 \sqrt{\alpha}} \quad (\text{với } \alpha = \frac{M_h A_h}{M_s A_s})$$
• Nguyên lý hợp kim cơ học: Quá trình va đập của bi truyền động năng $E_{kin} = \frac{1}{2} m_b v_b^2$ vào bột, gây biến dạng dẻo nặng, tạo sai hỏng tinh thể, đứt gãy và gắn kết nguội liên tục để hình thành hợp kim ở mức độ nguyên tử.
• Đốt nóng cảm ứng từ (MIH): Vật liệu đặt trong từ trường xoay chiều biên độ $H$, tần số $f$ sẽ chuyển hóa năng lượng điện từ thành nhiệt lượng thông qua cơ chế tổn hao trễ từ hoặc hồi phục chuyển động Brown/Néel.

Phương pháp thực nghiệm và thiết bị phân tích

• Chế tạo mẫu: Sử dụng máy nghiền hành tinh Fritsch Pulverisette 6 Classic Line (bình hợp kim Fe-Cr thể tích 80 ml, bi đường kính 10 mm và 20 mm) và Fritsch Pulverisette 7 Premium Line (bình hợp kim Fe-Cr thể tích 50 ml, bi đường kính 8 mm và 15 mm). Khảo sát tỷ lệ bi:bột ($10:1, 15:1, 20:1$), tốc độ nghiền ($350, 450, 550\text{ rpm}$), thời gian nghiền ($0 - 32\text{ giờ}$) trong môi trường không khí và Argon. Xử lý nhiệt ủ mẫu với tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C/phút}$ trong 1 - 1,5 giờ. Thiêu kết xung điện plasma (SPS) thực hiện ở áp suất $70\text{ MPa}$, nhiệt độ $600^\circ\text{C}$ trong $5\text{ phút}$.
• Phân tích cấu trúc:
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thực hiện trên nhiễu xạ kế Bruker D8 Advance (tại Pháp) và SIEMENS D5000 (tại Viện Khoa học vật liệu), sử dụng bức xạ $\text{Cu-}K_\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\ \text{Å}$), góc quét $2\theta = 20^\circ - 90^\circ$, bước đo $0{,}015^\circ$, thời gian đếm $12\text{ s/bước}$. Phân tích cấu trúc, kích thước hạt và ứng suất mạng bằng phương pháp làm khớp toàn bộ phổ Rietveld.
  • Phổ hấp thụ tia X (XAS): Phép đo XANES và EXAFS thực hiện tại trạm BL8 thuộc Trung tâm bức xạ gia tốc hạt nhân SIAM Photon (Thái Lan), vận hành ở năng lượng $1{,}2\text{ GeV}$, dòng $100\text{ mA}$, dùng đơn sắc tinh thể kép Ge(220) với độ phân giải năng lượng $0{,}3\text{ eV}$ tại ngưỡng K của Ca.
  • Kính hiển vi điện tử: Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) HITACHI S-4800 (độ phân giải 2 nm tại 1 kV, phóng đại đến 800.000 lần); hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM) và nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED) trên thiết bị Philip CM20-FEG (điện thế gia tốc 200 kV); phân tích thành phần hóa học bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS/EDX).
• Khảo sát từ tính và hiệu ứng nhiệt:
  • Đo đường cong từ hóa và từ trễ trên hệ Từ kế mẫu rung (VSM), Hệ đo tính chất vật lý (PPMS), và Từ kế từ trường xung (PFM).
  • Khảo sát khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều trên hệ đo thương mại RDO-HFI.
• Nguồn vật liệu: Bột kim loại ban đầu gồm Fe, Co, hợp chất $\text{SmCo}_5$ có độ sạch trên $99{,}5%$ do Sigma-Aldrich và Merck cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe-Co

Chương 1 trình bày hệ thống lý thuyết về vật lý từ học ở kích thước nanomet, tập trung vào các khái niệm kích thước tới hạn, sự chuyển tiếp từ tính chất cổ điển sang lượng tử, hiệu ứng bề mặt và trạng thái siêu thuận từ không có vách đô-men (DFMN). Chương phân tích sâu về giản đồ pha hệ hợp kim Fe-Co, cơ chế chuyển pha trật tự - bất trật tự ở $731^\circ\text{C}$ và sự hình thành dung dịch rắn cấu trúc lập phương tâm khối (bcc-$\alpha$). Bên cạnh đó, chương tổng kết các công trình chế tạo Fe-Co theo hai hướng tiếp cận top-down và bottom-up, mô hình giải thích tương tác trao đổi đàn hồi trong nam châm tổ hợp hai pha cứng/mềm Kneller-Hawig, và nguyên lý sinh nhiệt của hạt từ trong từ trường xoay chiều ứng dụng trong nhiệt từ trị ung thư (Hyperthermia ở nhiệt độ $41 - 46^\circ\text{C}$).

Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Chương 2 mô tả chi tiết cơ sở kỹ thuật và quy trình chế tạo, phân tích mẫu trong luận án:

• Trình bày lịch sử và nguyên lý của phương pháp hợp kim cơ học (MA), thiết lập các tham số công nghệ trên máy nghiền hành tinh Fritsch P6 và P7.
• Xây dựng bảng hệ mẫu khảo sát $Fe_{100-x}Co_x$ theo tốc độ nghiền, tỷ lệ bi:bột, thời gian nghiền và hệ mẫu nanocomposite $SmCo_5/Fe_{65}Co_{35}$ kết hợp xử lý nhiệt và thiêu kết xung điện plasma (SPS).

Ký hiệu mẫu	Tỷ lệ thành phần Fe/Co	Tỷ lệ bi:bột	Tốc độ nghiền (rpm)	Thời gian nghiền (h)
FC40-10h-350	60/40	15:1	350	10
FC40-10h-450	60/40	15:1	450	10
FC40-10h-550	60/40	15:1	550	10
FC40-10h-10	60/40	10:1	450	10
FC40-10h-15	60/40	15:1	450	10
FC40-10h-20	60/40	20:1	450	10
Fe-1h $\rightarrow$ Fe-10h	100/0	15:1	450	0 - 32
FC25-1h $\rightarrow$ FC25-32h	80/20	15:1	450	0 - 32
FC30-1h $\rightarrow$ FC30-32h	70/30	15:1	450	0 - 32
FC35-1h $\rightarrow$ FC35-32h	65/35	15:1	450	0 - 32
FC40-1h $\rightarrow$ FC40-32h	60/40	15:1	450	0 - 32
FC50-1h $\rightarrow$ FC50-32h	50/50	15:1	450	0 - 32
FC75-1h $\rightarrow$ FC75-32h	25/75	15:1	450	0 - 32

• Thiết lập hệ thống mẫu nano composite $Fe_{65}Co_{35}/SmCo_5$ với các tỷ lệ pha cứng/mềm ($60/40, 65/35, 70/30, 75/25, 80/20$), nghiền $2 - 6\text{ giờ}$, ủ nhiệt $550^\circ\text{C}$ trong 1,5 giờ và ép SPS ($70\text{ MPa}, 600^\circ\text{C}, 5\text{ phút}$).
• Trình bày cơ sở lý thuyết và quy chuẩn đo đạc của các phương pháp XRD (phân tích Rietveld trên Bruker D8 Advance, Siemens D5000), XAS (XANES, EXAFS tại trạm BL8 SIAM Photon), FESEM Hitachi S-4800, TEM/HRTEM/SAED Philip CM20-FEG, EDS, VSM, PPMS, PFM và hệ sinh nhiệt RDO-HFI.

Chương 3. TỔNG HỢP VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO TỪ Fe-Co

Chương 3 tập trung trình bày các kết quả thực nghiệm về quá trình hợp kim hóa và mối quan hệ giữa điều kiện công nghệ nghiền cơ với cấu trúc pha, hình thái vi mô và tính chất từ của hệ hợp kim nano $Fe_{100-x}Co_x$:

• Khảo sát sự hình thành pha bcc-$\alpha$ theo thời gian nghiền, sự tiêu biến của các đỉnh nhiễu xạ pha Co (hcp) sau thời gian nghiền nhất định.
• Sử dụng kết hợp số liệu XRD và phổ hấp thụ tia X (XAS tại ngưỡng K của Fe và Co) để làm rõ sự thay đổi số phối trí, khoảng cách liên kết và mức độ trật tự cục bộ xung quanh các nguyên tử Fe và Co trong quá trình tạo dung dịch rắn.
• Phân tích ảnh hưởng của nồng độ Co ($x$), tỷ lệ bi:bột, tốc độ nghiền và chế độ ủ nhiệt đến độ biến dạng mạng tinh thể, kích thước hạt, lực kháng từ ($H_c$) và từ độ bão hòa ($M_s$). Xác định các điều kiện công nghệ để đạt từ độ bão hòa cực đại đối với hợp phần $Fe_{65}Co_{35}$.
• Khảo sát quy luật biến thiên của từ độ bão hòa $M_s$ theo nhiệt độ và đánh giá cơ chế từ trễ của vật liệu.

Chương 4. CÁC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TỪ Fe, Fe-Co

Chương 4 nghiên cứu thử nghiệm hai hướng ứng dụng của các hệ vật liệu nano từ chế tạo được:

• Chế tạo nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi $SmCo_5/Fe-Co$: Phối trộn pha từ cứng $SmCo_5$ với pha từ mềm $Fe_{65}Co_{35}$ tối ưu thu được từ Chương 3; khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền ngắn ($2 - 6\text{ giờ}$), tỷ lệ phối trộn pha ($60/40$ đến $80/20$), chế độ xử lý nhiệt ($550^\circ\text{C}$) và kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma (SPS) đến tương tác trao đổi đàn hồi giữa hai pha, đường cong khử từ và tích năng lượng từ cực đại $(BH)_{\max}$.
• Khảo sát hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ: Đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng điện từ và tốc độ sinh nhiệt của các hạt nano Fe và hợp kim Fe-Co trong từ trường xoay chiều trên hệ đo RDO-HFI; phân tích khả năng tự khống chế nhiệt độ ở dải $41 - 46^\circ\text{C}$ hướng tới ứng dụng nhiệt từ trị ung thư.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp mới về mặt công nghệ chế tạo: Luận án đã tìm ra quy trình công nghệ đơn giản, chi phí thấp để tổng hợp thành công các hạt nano Fe và hợp kim nano từ mềm Fe-Co bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao trong điều kiện không khí thông thường mà sản phẩm vẫn đạt các phẩm chất từ tính cao, gần tương đương với các mẫu được tổng hợp trong môi trường khí bảo vệ Argon chống oxy hóa.
2. Đóng góp mới về mặt phương pháp phân tích cấu trúc: Đã kết hợp đồng thời hai kỹ thuật phân tích cấu trúc là nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ hấp thụ tia X (XAS sử dụng bức xạ synchrotron tại trạm BL8 SIAM Photon), làm rõ khả năng của từng phương pháp và bổ trợ lẫn nhau trong việc đánh giá chính xác cấu trúc tinh thể, trật tự cục bộ và diễn biến quá trình hợp kim hóa của hệ Fe-Co ở cấp độ nguyên tử.
3. Đóng góp mới về mặt quy luật vật lý: Làm rõ mối quan hệ định lượng giữa các thông số công nghệ chế tạo (tốc độ nghiền, tỷ lệ bi:bột, thời gian nghiền, nhiệt độ ủ) với đặc trưng vi cấu trúc (kích thước hạt, ứng suất mạng) và các tính chất từ cơ bản (lực kháng từ $H_c$, từ độ bão hòa $M_s$, quy luật suy giảm của $M_s$ theo nhiệt độ) của hệ nano Fe-Co.
4. Đóng góp về mặt thử nghiệm ứng dụng: Thực hiện các nghiên cứu bước đầu chế tạo thành công vật liệu nam châm nanocomposite trao đổi đàn hồi hai pha $SmCo_5/Fe-Co$ kết hợp thiêu kết SPS; đồng thời đo đạc và đánh giá khả năng sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều của các hạt nano Fe và Fe-Co phục vụ định hướng đốt nóng cảm ứng từ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Các nghiên cứu thực nghiệm của luận án tập trung chủ yếu vào việc khảo sát tính chất vật lý cơ bản và công nghệ chế tạo ở quy mô phòng thí nghiệm. Việc kiểm soát độ phân bố kích thước hạt sau nghiền cơ vẫn còn dải phân bố nhất định. Trong hệ nam châm nanocomposite, mức độ hoàn thiện bề mặt phân chia pha giữa hạt từ cứng và từ mềm cần được khảo sát sâu hơn để tối ưu hóa liên kết trao đổi.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Tiếp tục hoàn thiện quy trình công nghệ nhằm thu hẹp dải phân bố kích thước hạt nano Fe-Co và tối ưu hóa mật độ khối của nam châm composite qua kỹ thuật SPS.
  • Mở rộng khảo sát tính chất sinh nhiệt của hạt nano Fe-Co trong các môi trường chất lỏng phân tán sinh học khác nhau, đánh giá độ ổn định hóa học và tính tương thích sinh học phục vụ các thử nghiệm nhiệt từ trị in vitro và in vivo.

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật chế tạo hợp kim cơ học (Mechanical Alloying), quy trình phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp Rietveld trên phổ XRD và kỹ thuật đo/xử lý phổ hấp thụ tia X (XANES/EXAFS) tại các trung tâm bức xạ synchrotron.
• Đối với giảng viên và cán bộ nghiên cứu về vật liệu từ: Cung cấp số liệu thực nghiệm hệ thống về mối quan hệ giữa vi cấu trúc và các đặc trưng từ tính ($M_s, H_c, T_C$) của hợp kim Fe-Co và hệ trao đổi đàn hồi $SmCo_5/Fe-Co$.
• Đối với các nhóm nghiên cứu ứng dụng y sinh: Cung cấp cơ sở thực nghiệm ban đầu về khả năng sinh nhiệt cảm ứng từ của các hạt nano từ mềm kim loại/hợp kim trong từ trường xoay chiều.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hợp kim Fe-Co được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chính cho pha từ mềm trong luận án?
   Trả lời: Do hợp kim Fe-Co có cấu trúc bcc thể hiện từ độ bão hòa cao nhất trong số các hợp kim từ 2 pha hiện nay (thành phần $Fe_{65}Co_{35}$ đạt giá trị gần 245 emu/g), đồng thời có nhiệt độ Curie ($T_C$) rất cao và độ từ thẩm lớn, thích hợp làm pha từ mềm trong nam châm tổ hợp và nguồn sinh nhiệt trong từ trường xoay chiều.

2. Điểm khác biệt trong phương pháp chế tạo hợp kim nano Fe-Co của luận án so với phần lớn các công bố quốc tế trước đó là gì?
   Trả lời: Phần lớn các công bố quốc tế sử dụng phương pháp nghiền cơ trong môi trường khí bảo vệ Argon chống oxy hóa hoặc dùng các quy trình hóa học phức tạp với khối lượng sản phẩm nhỏ. Luận án đã tiếp cận việc nghiền cơ năng lượng cao trực tiếp trong điều kiện không khí thông thường mà vẫn thu được sản phẩm có cấu trúc pha bcc và phẩm chất từ tính tốt gần tương đương môi trường khí trơ.

3. Kỹ thuật phổ hấp thụ tia X (XAS) mang lại thông tin cấu trúc nào mà XRD thông thường khó xác định đầy đủ?
   Trả lời: XAS (bao gồm XANES và EXAFS) cho phép khảo sát cấu trúc trật tự cục bộ xung quanh từng loại nguyên tử hấp thụ (Fe hoặc Co), xác định số phối trí, khoảng cách liên kết giữa tâm kim loại với các nguyên tử lân cận và trạng thái hóa trị, giúp làm rõ quá trình hợp kim hóa ở cấp độ nguyên tử ngay cả khi vật liệu có kích thước hạt rất nhỏ hoặc mức độ mất trật tự mạng cao.

4. Tại sao hệ vật liệu $Nd_2Fe_{14}B$ không được lựa chọn làm pha từ cứng trong nghiên cứu nam châm nanocomposite của luận án?
   Trả lời: Mặc dù $Nd_2Fe_{14}B$ có từ độ bão hòa, lực kháng từ và tích năng lượng từ tiềm năng rất cao ở nhiệt độ phòng, nhưng vật liệu này có nhiệt độ Curie ($T_C$) tương đối thấp. Luận án lựa chọn $SmCo_5$ vì vật liệu này có dị hướng từ tinh thể lớn và nhiệt độ $T_C$ cao, bảo đảm khả năng làm việc ổn định của nam châm tổ hợp ở dải nhiệt độ cao.

5. Phạm vi nhiệt độ mục tiêu trong ứng dụng đốt nóng cảm ứng từ cho nhiệt từ trị ung thư được luận án đề cập là bao nhiêu?
   Trả lời: Phạm vi nhiệt độ mục tiêu là từ $41^\circ\text{C}$ đến $46^\circ\text{C}$, mức nhiệt độ đủ để tiêu diệt các tế bào ung thư mà không gây tổn thương các tế bào lành xung quanh.

Kết luận

Luận án tiến sĩ đã giải quyết thành công các nội dung về công nghệ chế tạo hạt nano Fe và hợp kim nano Fe-Co bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao trong điều kiện không khí thông thường, giúp đơn giản hóa quy trình và giảm chi phí sản xuất. Thông qua sự kết hợp giữa các phương pháp nhiễu xạ tia X, phân tích Rietveld và phổ hấp thụ tia X (XANES/EXAFS), công trình đã làm sáng tỏ cơ chế hình thành pha, vi cấu trúc và mối liên hệ của chúng với các tính chất từ cơ bản. Đồng thời, các kết quả thử nghiệm trên hệ nam châm nanocomposite $SmCo_5/Fe-Co$ và phép đo đốt nóng cảm ứng từ đã khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế của hệ vật liệu nano từ nền sắt được chế tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe-Co Khoa học nano và công nghệ nano liên quan đến khả năng kiểm soát các nguyên tử và phân tử riêng biệt. Mọi thứ trên trái đất như từ thức ăn chúng ta ăn, quần áo, nhà cửa và vật thể sống… đến các sản phẩm của khoa học, công nghệ đều thiết lập từ các nguyên tử, các hạt nano. Trong đó khả năng ứng dụng của hệ các hạt nano trong các thiết bị ghi từ, các cảm biến, đặc biệt là trong y sinh là không thể phủ nhận. Mặc dù tính chất từ của các hạt kích thước nhỏ đã được nghiên cứu trong gần 70 năm, tuy nhiên vẫn còn có rất nhiều hiện tượng cần được nghiên cứu, lý giải một cách tường minh.

Sự tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nano, bao gồm lý thuyết và đặc biệt là thực nghiệm đã thu được các kết quả có ý nghĩa trong ba thập kỷ qua. Ý nghĩa rất quan trọng của các hạt nano từ được cho là tính thống nhất trong tính chất từ của từng hạt trong hệ thống phân tán thực, cho phép chúng ta trực tiếp tác động tới các tính chất từ của toàn bộ vật liệu với các thành phần của mỗi hạt và tạo điều kiện nghiên cứu cho các phương pháp tiếp cận lý thuyết. Các tính chất từ của các hạt nano được xác định bởi nhiều yếu tố, như thành phần hóa học, kiểu mạng và mức độ sai hỏng của mạng tinh thể, kích thước hạt và hình dạng, hình thái học (đối với các hạt không đồng nhất cấu trúc), sự tương tác giữa hạt với môi trường xung quanh và với các hạt lân cận. Bằng việc tác động đến sự thay đổi kích thước, hình dáng, cấu trúc, người ta có thể kiểm soát đến một mức độ nào đó các đặc tính từ của vật liệu.

Tuy nhiên, những yếu tố này không phải lúc nào cũng có thể kiểm soát được trong quá trình tổng hợp do các hạt nano có kích thước và thành phần hóa học gần bằng nhau; do đó, tính chất của vật liệu nano cùng loại có thể có những khác biệt rõ rệt. Ngoài ra, một số vật liệu nano từ thể hiển một số tính chất đặc biệt như hiệu ứng từ trở khổng lồ, hiệu ứng từ nhiệt, …. Đối tượng khảo sát của nghiên cứu các cơ chế từ tính của vật liệu nano thường hướng tới hạt đơn đô-men, giá trị của vùng đơn đô-men thường nằm trong khoảng từ 15-150 nm [9, 11]. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu gần đây, người ta tập trung vào các hạt có kích cỡ nhỏ hơn giới hạn vùng kích thước đô-men; một hạt có kích thước tương đương với kích thước vùng đô-men tối thiểu.

Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô-men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính 7 chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đô-men này tác động lên nguyên tử ở đô-men khác. Các hạt từ này được gọi là các hạt nano từ tính không có vách đô-men (DFMN- domain free magnetic nanoparticles). Mỗi hạt hoạt động giống như một nguyên tử bất đối xứng khổng lồ và trở thành siêu thuận từ khi nhiệt độ lớn hơn một nhiệt độ TB (Blocking temperature – nhiệt độ khóa) nào đó. Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng, giá trị này có thể từ nhiệt độ vài Kelvin đến khoảng nhiệt độ phòng.

Hiện nay, ngoài khả năng chế tạo chất lỏng từ dựa trên các hạt kim loại, oxit có kích thước nano mét (các nghiên cứu đã được phát triển từ những năm 1960) [9, 10] mà các hạt kim loại, oxit đơn lẻ còn có thể được bao phủ bởi các cấu tử khác hoặc được phân tán vào các ma trận "cứng" (polyme, zeolit, vv). Các hạt nano từ tính được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ổ cứng máy tính, trong xe ô tô và máy móc, thiết bị thu âm, thiết bị điện từ,. Trong những năm gần đây, đã có sự gia tăng đáng kể các nghiên cứu trong lĩnh vực sử dụng hạt nano từ cho các ứng dụng y sinh. Một số ví dụ có thể kể đến như dẫn thuốc hướng đích, tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ, đốt nhiệt từ …[12,15].

Một loạt các phương pháp chung như khử muối kim loại trong dung môi, phân hủy nhiệt…. cho việc tổng hợp các hạt nano hiện nay đã được nghiên cứu phát triển [11-13]. Hầu hết các phương pháp này có thể được sử dụng để chế tạo các hạt nano từ tính. Do nhiệt độ TB và các đặc trưng từ tính khác phụ thuộc vào kích thước hạt, yêu cầu quan trọng là các hạt có kích thước nhỏ và độ phân bố kích thước trong khoảng hẹp.

Các thông số này có thể điều khiển được trong quá trình tổng hợp. Việc kiểm soát hình dạng và khả năng tổng hợp các cấu trúc nano từ dị hướng đặc biệt quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp tổng hợp. Để loại bỏ (hoặc giảm đáng kể) tương tác giữa các hạt liền kề, hạt nano từ tính thường được cô lập trên phương diện từ tính bằng cách cố định trên bề mặt, trong vật liệu khối hay kết hợp với các phối tử chuỗi dài. Điều quan trọng là kiểm soát được khoảng cách giữa các hạt trong ma trận.

Cuối cùng, quy trình chế tạo phải đơn giản, không tốn kém và có tính lặp lại cao. Trong quá trình nghiên cứu phát triển, các đối tượng hạt nano từ được tập trung nghiên cứu thường có thành phần phức tạp như ferrit, hợp kim FePt, NdFeB hoặc SmCo5. Đối với các hệ vật liệu này, không phải phương pháp nào cũng có khả năng 8 áp dụng trong quá trình tổng hợp. Ví dụ, sự bốc bay nhiệt của các hợp chất có thành phần nguyên tố phức tạp thường đi kèm các phản ứng hay sự thiên lệch thành phần trong giai đoạn hơi, dẫn đến sự hình thành của các chất khác, hay quá trình tổng hợp bằng phương pháp bốc bay chùm nguyên tử không mang lại sự phân bố đồng nhất các nguyên tố.

Hơn nữa, một khó khăn trong việc tổng hợp hạt nano từ là các tiền chất của thành phần yêu cầu. Ví dụ, không có tiền chất cho SmCo5 với một nguyên tử Sm liên kết với năm nguyên tử Co trong thực tế được biết đến; giá trị lớn nhất về thành phần hóa học có thể đạt được trong Sm[Co(CO)4]3 là 1:3. Điều này còn thể hiện phức tạp hơn trong tiền chất để tổng hợp vật liệu NdFeB. Một nghiên cứu tổng quan về các phương pháp chế tạo, tính chất, kết quả cũng như các khó khăn trong việc chế tạo các hợp kim nano đã được trình bày trong [14].

Các tính chất vật lý của các hạt nano phụ thuộc đáng kể vào kích thước của chúng. Tuy nhiên, trong hầu hết các phương pháp tổng hợp được biết đến đều chỉ cho phép tổng hợp các hạt nano với phân bố kích thước khá rộng (phân bố > 10%). Việc kiểm soát và tối ưu các thông số của phương pháp (thời gian, nhiệt độ, tốc độ, và nồng độ …) sẽ cho phép điều khiển kết quả của quá trình tổng hợp trong một phạm vi nào đó. Đây cũng là một nội dung quan trọng của luận án.

Trong số rất nhiều các hệ vật liệu nano từ tính, vật liệu nano kim loại, hợp kim, đặc biệt là một số kim loại chuyển tiếp nhóm 3d, bao gồm sắt (cấu trúc lập phương tâm khối - Fe-bcc), coban (cấu trúc lập phương tâm diện hoặc lục giác xếp chặt – fcc, hcp Co), giữ một vai trò quan trọng và có phạm vi ứng dụng rộng rãi nhất. Đây cũng là mục tiêu chính của luận án với các đối tượng chủ yếu bao gồm Fe, Co và Fe-Co. Trong phần này, luận án trình bày tổng quan về vật liệu nano từ Fe-Co bao gồm: (i) Tổng quan vật liệu nano từ Fe-Co; (ii) Vật liệu nano từ tổ hợp hai pha cứng/mềm; (iii) Vật liệu nano từ trong đốt nóng cảm ứng từ. Tổng quan về vật liệu nano từ Fe-Co 1.

Tính chất từ của các hệ hạt nano từ Một số khái niệm tóm tắt về tính chất của các hệ nano từ sẽ được trình bày dựa trên các tài liệu, giáo trình tham khảo [15-24]. 9 Ở kích thước nano mét, một số vật liệu xuất hiện các tính chất từ mới lạ so với ở dạng khối. Nguyên nhân của sự khác biệt này xuất phát từ: (i) Kích thước tới hạn: các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi.

Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm), thì định luật Ohm không còn đúng nữa.

Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Các tính chất như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Tuy nhiên, không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu. (ii) Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên.

Nhưng trong các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. (iii) Hiệu ứng bề mặt: khi vật liệu có kích thước nano mét, số các nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử của mẫu. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.

Tính chất từ của vật liệu chủ yếu do momen từ nguyên tử của các nguyên tố hợp thành gây nên.