NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO FERRITE Zn1-xNixFe2O4 SIÊU THUẬN TỪ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Vật liệu: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ. Tìm hiểu quy trình và ứng dụng của vật liệu tiên tiến này.

• Tác giả: Hoàng Thị Quỳnh Trang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Dán
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ.
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ
• 1.1.1. Hiện tượng từ và tổng quan về vật liệu từ
• 1.1.2. Phân loại vật liệu từ
• 1.1.3. Tính chất cơ bản của vật liệu từ
• 1.2. VẬT LIỆU TỪ FERRITE VÀ NANO FERRITE SIÊU THUẬN TỪ
• 1.2.1. Vật liệu từ ferrite
• 1.2.2. Nano ferrite siêu thuận từ
• 1.2.3. Ứng dụng của vật liệu nano ferrite và nano ferrite Ni-Zn siêu thuận từ
• 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO FERRITE SIÊU THUẬN TỪ NÓI CHUNG VÀ NANO FERRITE ZN1-XNIXFE2O4 SIÊU THUẬN TỪ
• 1.4. CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI – MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4.1. Cơ sở lựa chọn đề tài
• 1.4.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.4.3. Giới hạn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 2.1.1. Chế tạo mẫu
• 2.1.2. Qui trình chế tạo mẫu
• 2.1.3. Mẫu và thông số các mẫu
• 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X để khảo sát thành phần pha và kích thước hạt trung bình
• 2.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.2.4. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và chất hoạt động bề mặt axit oleic đến thành phần hóa học, hình thái, cấu trúc của hạt nano ferrite Ni-Zn
• 2.3.2. Ảnh hưởng của axit oleic đến kích thước hạt ferrite và nhiệt độ ferrite hóa
• 2.3.3. Phân tích các thông số từ tính và đặc tính siêu thuận từ của hạt nano ferrite Ni-Zn
• 2.3.4. Kết luận về qui trình chế tạo vật liệu siêu thuận từ nano ferrite Ni-Zn
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU TRÍCH DẪN – TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nano Ferrite Zn1 xNixFe2O4 Vật liệu từ tính tiềm năng

Công nghệ nano đang mở ra những chân trời mới trong lĩnh vực vật liệu, đặc biệt là vật liệu từ tính. Việc thu nhỏ kích thước vật liệu mang lại những tính chất độc đáo so với vật liệu khối truyền thống. Trong số đó, nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhờ những đặc tính ưu việt và tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Vật liệu từ tính đóng vai trò then chốt trong nhiều thiết bị, từ máy biến áp và động cơ điện đến các thiết bị điện tử hiện đại như máy tính và máy ghi âm. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano từ tính với hiệu năng cao ngày càng trở nên cấp thiết. Đề tài này tập trung vào nghiên cứu chế tạo nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ, một trạng thái đặc biệt của vật liệu ferrite với nhiều ứng dụng tiềm năng trong y sinh và vật lý.

1.1. Giới thiệu chung về vật liệu từ và hiện tượng từ

Hiện tượng từ, bắt nguồn từ “Magnesia”, nơi tìm thấy đá nam châm cổ đại, đã thu hút sự chú ý từ lâu. Bất kỳ dòng điện nào cũng tạo ra từ trường xung quanh, tác động lực từ lên dòng điện khác. Theo tài liệu nghiên cứu, "Thông qua từ trường, lực từ được truyền từ dòng điện này tới dòng điện khác. Vận tốc truyền tương tác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không.". Vật liệu từ là vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài. Các mômen từ sắp xếp tạo ra từ trường đồng nhất, điều khiển môtơ điện, hệ loa, và nhiều thiết bị khác.

1.2. Phân loại và đặc trưng của vật liệu từ tính

Vật liệu từ được phân loại dựa trên độ cảm từ χ thành nghịch từ, thuận từ, sắt từ và ferrite từ. Vật liệu nghịch từ có χ âm, rất yếu. Vật liệu thuận từ có χ dương, nhỏ, với mômen từ (spin) cô lập. Vật liệu sắt từ có χ dương rất lớn, có trật tự từ. Các đại lượng đặc trưng bao gồm độ từ hóa I, cường độ từ trường H, độ từ cảm B, độ từ thẩm µ, và độ cảm từ χm. Độ từ hóa I là mômen từ trên một đơn vị thể tích, xác định hướng từ cực nam đến cực bắc của nam châm.

1.3. Sự phát triển của vật liệu từ trong lịch sử

Vật liệu từ đã trải qua sự phát triển mạnh mẽ, từ đá nam châm tự nhiên (Fe3O4) đến các hợp kim và oxit từ tính hiện đại. Sự ra đời của thép kĩ thuật điện dị hướng, ferrite từ mềm, vật liệu từ mềm vô định hình và nano tinh thể đánh dấu những bước tiến quan trọng. Vật liệu làm nam châm cũng phát triển từ nam châm nền thép sang nam châm oxit và nam châm đất hiếm. Tích năng lượng của nam châm đã tăng gần 50 lần, cho thấy sự cải tiến vượt bậc về hiệu suất và ứng dụng.

II. Nano Ferrite Siêu Thuận Từ Cơ hội thách thức nghiên cứu

Vật liệu nano ferrite siêu thuận từ đang thu hút sự quan tâm lớn bởi những tính chất độc đáo và ứng dụng tiềm năng. Siêu thuận từ là trạng thái đặc biệt của vật liệu ferrite khi kích thước hạt đạt đến một ngưỡng nhất định. Ở trạng thái này, vật liệu thể hiện từ tính mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài, nhưng lại hoàn toàn mất từ tính khi từ trường bị loại bỏ. Khả năng hồi đáp nhanh với từ trường ngoài mở ra nhiều ứng dụng hấp dẫn trong lĩnh vực y sinh và vật lý. Tuy nhiên, việc kiểm soát kích thước hạt và tính chất siêu thuận từ vẫn là một thách thức lớn. Theo nghiên cứu, "Khi kích thước hạt đạt khoảng 10,5nm, Hc và Mr ≈ 0, vật liệu đạt tới trạng thái siêu thuận từ."

2.1. Tìm hiểu vật liệu Ferrite và Nano Ferrite siêu thuận từ

Vật liệu từ ferrite là oxit sắt có cấu trúc spinel, với công thức tổng quát là MFe2O4, trong đó M là kim loại hóa trị hai. Nano ferrite siêu thuận từ là vật liệu ferrite có kích thước hạt ở cấp độ nano, thể hiện tính chất siêu thuận từ. Tính chất này xuất hiện do sự dao động nhiệt của các mômen từ trong hạt nano, khiến cho vật liệu không có từ trễ và lực kháng từ bằng không.

2.2. Ưu điểm của vật liệu Nano Ferrite Zn1 xNixFe2O4

Nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 là một loại nano ferrite siêu thuận từ có cấu trúc spinel, trong đó ion kẽm (Zn) và niken (Ni) thay thế vị trí của ion kim loại M trong cấu trúc ferrite. Vật liệu này có độ từ thẩm cao, độ bão hòa từ tương đối cao, điện trở suất lớn, phù hợp cho các thiết bị hoạt động ở tần số cao, vật liệu tàng hình và hấp thụ sóng radar trong quân sự. Việc điều chỉnh tỷ lệ Zn/Ni cho phép kiểm soát các tính chất từ tính của vật liệu.

2.3. Ứng dụng tiềm năng của vật liệu nano ferrite trong thực tế

Vật liệu nano ferrite có nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực y sinh như chẩn đoán hình ảnh MRI, dẫn thuốc và điều trị ung thư. Nhờ khả năng kiểm soát kích thước hạt và tính chất bề mặt, nano ferrite có thể được sử dụng để nhắm mục tiêu thuốc đến các tế bào ung thư, tăng hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Trong lĩnh vực điện tử, nano ferrite được sử dụng trong các thiết bị tần số cao, cảm biến và vật liệu hấp thụ sóng điện từ.

III. Cách Chế Tạo Nano Ferrite Zn1 xNixFe2O4 Phương pháp tối ưu

Việc chế tạo nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 đòi hỏi các phương pháp tổng hợp tiên tiến để kiểm soát kích thước hạt, hình thái và tính chất từ tính của vật liệu. Phương pháp đồng kết tủa được đánh giá cao nhờ khả năng tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao, thành phần đồng đều và kích thước hạt nhỏ. Các phương pháp khác như sol-gel, nhiệt phân cũng được sử dụng, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Theo tài liệu nghiên cứu, "Với qui trình có biến tính bằng axit oleic, nhiệt độ ferrite hóa hoàn toàn giảm từ 400oC xuống còn 300oC so với qui trình không biến tính bằng axit oleic."

3.1. Phương pháp đồng kết tủa Ưu điểm và quy trình

Phương pháp đồng kết tủa là phương pháp hóa học phổ biến để tổng hợp nano ferrite. Quy trình bao gồm việc hòa tan các muối kim loại tiền chất (ví dụ: FeCl3, NiCl2, ZnCl2) trong dung dịch, sau đó kết tủa các ion kim loại bằng cách thêm chất kết tủa (ví dụ: NaOH, NH4OH). Các yếu tố như pH, nhiệt độ, nồng độ tiền chất và tốc độ khuấy ảnh hưởng đến kích thước và hình thái hạt nano.

3.2. Phương pháp Sol gel Ứng dụng và kiểm soát kích thước

Phương pháp sol-gel là một phương pháp khác để tổng hợp nano ferrite. Quy trình bắt đầu bằng việc tạo ra sol (dung dịch keo) từ các tiền chất kim loại, sau đó chuyển đổi sol thành gel (mạng lưới rắn). Gel được nung để tạo thành nano ferrite. Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt thành phần hóa học và kích thước hạt nano.

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo Nano Ferrite

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4, bao gồm nhiệt độ nung, chất hoạt động bề mặt, thời gian phản ứng và môi trường phản ứng. Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến kích thước hạt và độ kết tinh của vật liệu. Chất hoạt động bề mặt có thể được sử dụng để kiểm soát kích thước hạt và ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano.

IV. Ứng dụng Nano Ferrite Zn1 xNixFe2O4 Y sinh và hơn thế nữa

Nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực y sinh, bao gồm chẩn đoán hình ảnh MRI, dẫn thuốc và điều trị ung thư. Nhờ khả năng tương thích sinh học và tính chất từ tính, nano ferrite có thể được sử dụng để cải thiện độ tương phản của hình ảnh MRI, vận chuyển thuốc đến các vị trí mong muốn trong cơ thể và tiêu diệt tế bào ung thư bằng phương pháp nhiệt trị liệu. Ngoài ra, nano ferrite còn có ứng dụng trong các lĩnh vực khác như cảm biến, xúc tác và xử lý môi trường. Theo nghiên cứu, "Kích thước hạt ferrite càng giảm, Ms, Hc và Mr càng giảm. Khi kích thước hạt đạt khoảng 10,5nm, Hc và Mr ≈ 0, vật liệu đạt tới trạng thái siêu thuận từ."

4.1. Ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh MRI

Nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 có thể được sử dụng làm chất tương phản trong chẩn đoán hình ảnh MRI, giúp cải thiện độ tương phản và độ phân giải của hình ảnh. Các hạt nano được đưa vào cơ thể và tập trung tại các khu vực cần chẩn đoán, tạo ra sự khác biệt về tín hiệu MRI so với các khu vực xung quanh.

4.2. Ứng dụng trong dẫn thuốc và điều trị ung thư

Nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 có thể được sử dụng để dẫn thuốc đến các tế bào ung thư, tăng hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Các hạt nano được gắn với thuốc và nhắm mục tiêu đến các tế bào ung thư, giải phóng thuốc tại vị trí mong muốn. Ngoài ra, nano ferrite còn có thể được sử dụng trong phương pháp nhiệt trị liệu, trong đó các hạt nano được làm nóng bằng từ trường ngoài, tiêu diệt tế bào ung thư.

4.3. Tiềm năng ứng dụng trong cảm biến và xúc tác

Nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 có thể được sử dụng trong các cảm biến từ trường, cảm biến hóa học và cảm biến sinh học. Tính chất từ tính của nano ferrite cho phép phát hiện các thay đổi nhỏ trong từ trường, nồng độ hóa chất hoặc sự hiện diện của các phân tử sinh học. Ngoài ra, nano ferrite còn có thể được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng hóa học.

V. Phân tích XRD TEM SEM Nghiên cứu cấu trúc Nano Ferrite

Để hiểu rõ cấu trúc và tính chất của nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4, các phương pháp phân tích vật liệu đóng vai trò then chốt. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định thành phần pha và kích thước hạt trung bình. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho phép quan sát hình thái và cấu trúc của các hạt nano. Các kết quả phân tích này cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa quá trình chế tạo và cải thiện tính chất của vật liệu. Theo kết quả nghiên cứu, “Đề tài đã chế tạo thành công nano ferrite siêu thuận từ Zn1-xNixFe2O4 với kích thước hạt trung bình khoảng 10,5nm, độ từ hóa bão hòa Ms = 47,18 emu/g.”

5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD Xác định cấu trúc pha

Phương pháp XRD dựa trên sự nhiễu xạ của tia X khi chiếu vào mẫu vật liệu. Mô hình nhiễu xạ thu được cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, thành phần pha và kích thước hạt trung bình của vật liệu. Phân tích XRD cho phép xác định sự có mặt của các pha ferrite, oxit kim loại và các tạp chất khác.

5.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM Quan sát hình thái hạt

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng chùm electron để quét bề mặt mẫu vật liệu. Các electron tương tác với mẫu tạo ra các tín hiệu khác nhau, cho phép tạo ra hình ảnh với độ phóng đại lớn. Ảnh SEM cung cấp thông tin về hình thái, kích thước và sự phân bố của các hạt nano ferrite.

5.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM Nghiên cứu cấu trúc bên trong

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng chùm electron truyền qua mẫu vật liệu. Các electron tương tác với mẫu tạo ra hình ảnh với độ phân giải cao, cho phép quan sát cấu trúc bên trong của các hạt nano ferrite, bao gồm cấu trúc tinh thể, khuyết tật và sự sắp xếp của các nguyên tử.

VI. Hướng dẫn Tối ưu Nano Ferrite Zn1 xNixFe2O4 siêu thuận từ

Nghiên cứu và phát triển nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ vẫn còn nhiều thách thức và cơ hội. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình chế tạo, cải thiện tính chất từ tính và mở rộng ứng dụng của vật liệu. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, kiểm soát kích thước và hình thái hạt nano, và khám phá các ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, "Cuối cùng, đề tài đã đưa ra được qui trình chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ bằng phương pháp đồng kết tủa và biến tính bằng axit oleic."

6.1. Tối ưu hoá quy trình chế tạo vật liệu Nano Ferrite

Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 cần tập trung vào việc kiểm soát kích thước hạt, hình thái, thành phần hóa học và độ kết tinh của vật liệu. Các yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ tiền chất, chất hoạt động bề mặt và thời gian phản ứng cần được điều chỉnh để đạt được các tính chất mong muốn.

6.2. Nghiên cứu cải tiến và phát triển ứng dụng Nano Ferrite

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải tiến tính chất từ tính, tính ổn định và tính tương thích sinh học của nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4. Ngoài ra, cần khám phá các ứng dụng tiềm năng mới của vật liệu trong các lĩnh vực như năng lượng, điện tử và môi trường.

6.3. Hướng phát triển vật liệu Nano Ferrite trong tương lai

Hướng phát triển của nano Ferrite Zn1-xNixFe2O4 trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu composite, kết hợp nano ferrite với các vật liệu khác để tạo ra các tính chất mới. Ngoài ra, cần nghiên cứu về quy mô sản xuất và giảm chi phí để đưa vật liệu vào ứng dụng thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu từ nano kích thước siêu nhỏ đang là tâm điểm phát triển của công nghệ vật liệu hiện đại nhờ sở hữu nhiều hiệu ứng lượng tử và từ tính vượt trội so với vật liệu khối. Trong nhóm vật liệu ferrite cấu trúc spinel, hệ vật liệu nano Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ thu hút sự quan tâm đặc biệt bởi sự kết hợp giữa điện trở suất cao, tổn hao năng lượng thấp ở tần số cao và khả năng phản ứng từ tức thời. Thách thức lớn nhất hiện nay là việc tổng hợp các hạt nano ferrite có kích thước đồng đều dưới 12 nm nhằm đạt trạng thái siêu thuận từ hoàn chỉnh mà vẫn duy trì độ từ hóa bão hòa ở mức cao mà không cần nhiệt độ thiêu kết lớn.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán chế tạo thành công vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 (với tỷ lệ pha tạp cố định x = 0,2) thể hiện tính chất siêu thuận từ bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học ở dải nhiệt độ thấp dưới 500°C. Mục tiêu trọng tâm bao gồm việc đánh giá tác động của chất hoạt động bề mặt axit oleic và nhiệt độ nung đến cấu trúc tinh thể, hình thái học, kích thước hạt và nhiệt độ ferrite hóa hoàn toàn. Phạm vi thực nghiệm được triển khai tại Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, Phân viện Vật lý TP.HCM và Phòng thí nghiệm Nano thuộc Khu Công nghệ cao TP.HCM.

Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn. Đề tài đã chế tạo thành công hạt nano Zn0,8Ni0,2Fe2O4 đạt kích thước trung bình 10,5 nm với độ từ hóa bão hòa Ms đạt 47,18 emu/g cùng lực kháng từ và từ dư triệt tiêu hoàn toàn về 0. Thành tựu này mở ra giải pháp tối ưu hóa các lớp sơn phủ hấp thụ sóng radar trong quân sự, cho phép cắt giảm độ dày lớp phủ từ 10 mm xuống chỉ còn khoảng 2 đến 5 mm, giảm hơn 50% trọng lượng thiết bị và nâng cao hiệu suất hoạt động của các linh kiện điện tử cao tần.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết cốt lõi của vật lý chất rắn và từ học vật liệu:

1. Lý thuyết cấu trúc mạng tinh thể Spinel lập phương: Ferrite Ni-Zn thuộc nhóm cấu trúc spinel đảo với công thức tổng quát AB2O4, kết tinh trong hệ lập phương tâm mặt. Trong ô mạng cơ sở, các ion oxy tạo nên mạng xếp chặt, tạo ra 64 vị trí hốc tứ diện (vị trí A) và 32 vị trí hốc bát diện (vị trí B). Ion Zn2+ có xu hướng chiếm vị trí A, trong khi ion Ni2+ chiếm vị trí B, ion Fe3+ phân bố cân bằng ở cả hai vị trí. Cấu hình này tạo ra tương tác siêu trao đổi gián tiếp A-B mạnh mẽ, quyết định từ độ tự phát và tạo điện trở suất lớn trong khoảng 10^8 đến 10^12 Ohm.m, triệt tiêu dòng điện xoáy Foucault ở tần số cao.

2. Lý thuyết đơn đomen và hiện tượng siêu thuận từ Néel - Langevin: Khi kích thước hạt ferrite giảm xuống dưới đường kính tới hạn Dth (khoảng 15 đến 20 nm đối với ferrite spinel), việc hình thành vách đomen không còn thuận lợi về mặt năng lượng, khiến toàn bộ hạt trở thành một đơn đomen từ tính duy nhất. Khi thể tích hạt V đủ nhỏ, năng lượng dị hướng từ KV trở nên nhỏ hơn năng lượng dao động nhiệt kBT. Lúc này, mômen từ của toàn hạt thăng giáng hỗn loạn giữa các trục dễ từ hóa theo hàm Langevin. Kết quả là vật liệu không còn lưu giữ từ tính khi ngắt từ trường ngoài, đưa lực kháng từ Hc và từ dư Mr về xấp xỉ 0.

3. Mô hình cấu trúc lõi - vỏ (Core-Shell) và hiệu ứng giam giữ lượng tử: Ở cấp độ nanomet, tỷ lệ nguyên tử nằm trên bề mặt gia tăng mạnh mẽ. Các spin tại lớp vỏ bề mặt bị bất trật tự và sai hỏng liên kết, tạo nên lớp vỏ bất thụ từ (dead layer) bao quanh lõi từ tính có trật tự. Hiện tượng này làm thay đổi momen từ tổng cộng và là cơ sở giải thích sự phụ thuộc của độ từ hóa bão hòa Ms vào kích thước hạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp đồng kết tủa hóa học ướt (chemical co-precipitation) để tổng hợp hạt nano ferrite Zn0,8Ni0,2Fe2O4 từ dung dịch muối vô cơ độ tinh khiết phân tích gồm FeCl3.6H2O, NiCl2.6H2O và ZnCl2 với nồng độ cation kim loại CM = 0,1M. Hệ mẫu thực nghiệm được thiết kế đối chứng qua hai quy trình độc lập:

• Quy trình 1 (Mẫu không biến tính): Phản ứng đồng kết tủa diễn ra trong môi trường kiềm NH4OH 25% ở pH = 9 - 10, nhiệt độ 80°C, khuấy cơ học tốc độ 500 vòng/phút. Sản phẩm kết tủa được lọc rửa, sấy khô và nung khảo sát ở 5 mức nhiệt độ: 80°C, 200°C, 300°C, 400°C và 500°C trong thời gian 2 giờ.
• Quy trình 2 (Mẫu biến tính bề mặt): Bổ sung axit oleic (C18H34O2) vào dung dịch tiền chất ở 80°C trước khi kết tủa bằng NH4OH. Axit oleic đóng vai trò là chất hoạt động bề mặt tạo lớp bao bọc lập thể, kiểm soát tốc độ lớn lên của mầm tinh thể. Mẫu sau đó được sấy và nung ở các mức nhiệt độ 80°C, 200°C, 300°C và 400°C trong 2 giờ.

Việc lựa chọn NH4OH thay vì NaOH nhằm loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nhiễm tạp chất ion kim loại kiềm Na+, do NH4OH dễ dàng nhiệt phân và bay hơi sạch trong quá trình nung. Bộ dữ liệu thực nghiệm được thu thập và phân tích thông qua các thiết bị đo lường chuẩn xác:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D8 Advance (bước sóng Cu-Kα = 1,5406 Å) để định danh pha tinh thể và tính toán kích thước tinh thể qua công thức Scherrer.
• Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) tích hợp trên kính hiển vi điện tử để xác định tỷ lượng hóa học thực tế của Fe, Ni và Zn.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và phân bố kích thước hạt hình học.
• Từ kế mẫu rung (VSM) đo lường đường cong từ trễ M-H trong dải từ trường quét từ -10.000 Oe đến +10.000 Oe tại nhiệt độ phòng, trích xuất chính xác các thông số Ms, Hc và Mr.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên 9 nhóm mẫu đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có ý nghĩa khoa học cao:

1. Axit oleic khống chế kích thước hạt nano hiệu quả: Ở cùng điều kiện nhiệt độ nung, các mẫu có biến tính bằng axit oleic luôn cho kích thước hạt nhỏ hơn từ 28% đến 35% so với mẫu không biến tính. Cụ thể, khi nung ở 80°C, kích thước hạt của mẫu biến tính là 10,5 nm (so với 14,58 nm của mẫu không biến tính); ở 300°C là 10,5 nm (so với 16,36 nm); và ở 400°C là 12,4 nm (so với 17,21 nm).
2. Hạ nhiệt độ ferrite hóa hoàn toàn thêm 100°C: Phân tích giản đồ XRD cho thấy, ở quy trình không biến tính, pha spinel chỉ hình thành hoàn toàn khi nung tại 400°C (mẫu nung ở 300°C vẫn còn các đỉnh pha trung gian Fe2O3 và hydroxit). Ngược lại, quy trình có axit oleic đạt trạng thái đơn pha spinel lập phương hoàn chỉnh ngay tại nhiệt độ nung 300°C.
3. Xác lập trạng thái siêu thuận từ hoàn chỉnh tại kích thước 10,5 nm: Mẫu biến tính axit oleic nung ở 300°C thể hiện hành vi siêu thuận từ lý tưởng. Đường cong từ trễ M-H đi qua gốc tọa độ với lực kháng từ Hc = 0 Oe và từ dư Mr = 0 emu/g, trong khi độ từ hóa bão hòa đạt mức cao Ms = 47,18 emu/g.
4. Quy luật biến thiên từ tính theo kích thước hạt: Khi nhiệt độ nung tăng từ 300°C lên 500°C, kích thước hạt tăng từ 10,5 nm lên 19,01 nm, kéo theo sự chuyển dịch trạng thái từ siêu thuận từ sang sắt từ mềm. Độ từ hóa bão hòa Ms tăng từ 47,18 emu/g lên 58,42 emu/g, lực kháng từ Hc tăng từ 0 Oe lên 45 Oe, và từ dư Mr tăng từ 0 emu/g lên 4,82 emu/g.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân tán và khống chế kích thước hạt của axit oleic được giải thích thông qua cấu trúc phân tử lưỡng cực. Đầu carboxyl phân cực (-COO-) liên kết hóa học với bề mặt mầm tinh thể ferrite mới hình thành, trong khi đuôi hydrocacbon kỵ nước dài 18 carbon hướng ra ngoài tạo hiệu ứng cản trở lập thể. Lớp vỏ hữu cơ này ngăn các mầm tinh thể va chạm và thiêu kết sớm, giúp giảm năng lượng hoạt hóa bề mặt và thúc đẩy phản ứng ferrite hóa diễn ra đồng đều ở nhiệt độ thấp hơn 100°C.

Trên các biểu đồ phổ XRD, các đỉnh nhiễu xạ ứng với các mặt mạng (220), (311), (222), (400), (422), (511) và (440) có độ bán rộng pic lớn, khẳng định cấu trúc tinh thể kích thước nanomet. Phổ EDX xác nhận thành phần nguyên tố Zn:Ni:Fe đạt tỷ lệ xấp xỉ 0,8:0,2:2,0, khớp hoàn toàn với công thức dự kiến Zn0,8Ni0,2Fe2O4.

Khi biểu diễn dữ liệu đo từ tính qua biểu đồ chu trình từ trễ VSM, sự co hẹp của diện tích vòng trễ về mức 0 ở mẫu 10,5 nm phản ánh thời gian hồi phục từ độ Néel diễn ra cực nhanh (dưới 10^-9 giây). So sánh với các công bố quốc tế, độ từ hóa bão hòa Ms = 47,18 emu/g của luận văn cao vượt trội so với nghiên cứu của tác giả G. Shahane (2009) đạt Ms = 31,75 emu/g tại kích thước 13,34 nm, và nghiên cứu của Poh Lin Leng (2013) chỉ đạt Ms từ 11 đến 26 emu/g. Điều này chứng minh quy trình đồng kết tủa kết hợp axit oleic và NH4OH đạt độ hoàn thiện mạng tinh thể rất cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đã đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị mang tính ứng dụng cụ thể:

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo nano ferrite siêu thuận từ quy mô bán công nghiệp: Đề nghị các phòng thí nghiệm vật liệu và doanh nghiệp công nghệ phối hợp chuyển giao quy trình tổng hợp đồng kết tủa biến tính axit oleic, nâng dung tích mẻ phản ứng từ 500 ml lên 50 lít nhằm đạt sản lượng khoảng 500 gam/mẻ trong vòng 12 tháng tới, đảm bảo độ tái lập của kích thước hạt trong khoảng 10,0 đến 11,5 nm.
2. Thử nghiệm ứng dụng chế tạo sơn tàng hình hấp thụ sóng radar: Khuyến nghị các viện nghiên cứu thuộc Bộ Quốc phòng ứng dụng hạt nano Zn0,8Ni0,2Fe2O4 làm pha độn phân tán trong nền nhựa epoxy hoặc polyurethane. Mục tiêu đạt hệ số hấp thụ sóng điện từ trên 20 dB trong dải tần 8 đến 12 GHz (băng X) với độ dày lớp sơn chỉ từ 2 đến 3 mm, triển khai thử nghiệm thực địa trong thời gian 18 tháng.
3. Nâng cấp công đoạn làm sạch và tối ưu hóa nhiệt phân: Các kỹ sư chế tạo cần kiểm soát chặt chẽ quá trình rửa ly tâm kết hợp sấy chân không ở 80°C trong 4 giờ nhằm loại bỏ hoàn toàn gốc amoni tự do, duy trì hàm lượng tạp chất oxit không mong muốn dưới 0,2% trước khi tiến hành nung định hình ở 300°C.
4. Mở rộng nghiên cứu biến tính chức năng hóa bề mặt phục vụ y sinh: Đề xuất các nhóm nghiên cứu công nghệ nano sinh học thử nghiệm thay thế axit oleic bằng dextran hoặc polyetylen glycol (PEG) để bọc hạt nano Zn0,8Ni0,2Fe2O4, phát triển hệ dẫn thuốc kháng ung thư trúng đích và làm chất tương phản trong chụp cộng hưởng từ MRI với thời gian hồi đáp từ trường dưới 5 nano giây.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị tham khảo chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu: Luận văn cung cấp phương pháp luận thực nghiệm mẫu mực về hóa học vật liệu, kỹ thuật khống chế kích thước hạt nano, cùng phương pháp phân tích chi tiết dữ liệu phổ XRD, SEM, TEM và VSM.
2. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành công nghiệp quốc phòng: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực nghiệm chính xác để thiết kế vật liệu composite hấp thụ sóng điện từ, tối ưu hóa trọng lượng và chiều dày lớp phủ bảo vệ khí tài quân sự.
3. Kỹ sư thiết kế linh kiện điện tử và viễn thông cao tần: Tài liệu hữu ích để lựa chọn vật liệu chế tạo lõi biến áp xung, anten dải rộng và cuộn cảm vi dải hoạt động trong dải tần từ 100 MHz đến vài GHz với tổn hao năng lượng thấp.
4. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu nano y sinh: Cung cấp quy trình điều chế hạt từ tính có độ từ hóa cao và khả năng khử từ tức thời, tạo tiền đề nghiên cứu các hệ chất lỏng từ trị liệu và gia nhiệt cục bộ tiêu diệt tế bào bệnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao việc bổ sung axit oleic lại giúp hạ nhiệt độ ferrite hóa từ 400°C xuống 300°C? Axit oleic bao bọc các mầm kết tủa, ngăn chặn hiện tượng kết tụ hạt thô và phân tán đồng đều các ion Fe3+, Ni2+, Zn2+ ở cấp độ phân tử. Trạng thái tiếp xúc bề mặt lý tưởng này làm giảm đáng kể rào năng lượng hoạt hóa phản ứng pha rắn, cho phép mạng tinh thể spinel hình thành hoàn chỉnh ở 300°C thay vì mức 400°C như thông thường.

2. Tại sao hạt nano Zn0,8Ni0,2Fe2O4 ở kích thước 10,5 nm lại đạt được tính chất siêu thuận từ? Khi kích thước hạt giảm xuống 10,5 nm (nhỏ hơn đường kính tới hạn đơn đomen khoảng 15 nm), năng lượng kích thích nhiệt kBT tại nhiệt độ phòng lớn hơn năng lượng dị hướng từ KV. Momen từ toàn hạt thăng giáng tự do, khiến vật liệu phản ứng mạnh khi có từ trường ngoài nhưng mất sạch từ tính khi ngắt trường, triệt tiêu lực kháng từ Hc về 0 Oe.

3. Lợi thế của việc sử dụng tác nhân kết tủa NH4OH thay cho NaOH là gì? Sử dụng dung dịch NH4OH 25% giúp tránh hiện tượng tạo phức tan của ion kẽm lưỡng tính và quan trọng nhất là loại bỏ triệt để ion tạp Na+. Hợp chất amoni dư thừa sẽ phân hủy thành khí NH3 và hơi nước bay hơi hoàn toàn khi nung ở nhiệt độ trên 200°C, đảm bảo độ tinh khiết hóa học tuyệt đối cho mẫu ferrite.

4. Kích thước hạt nano ảnh hưởng như thế nào đến độ từ hóa bão hòa Ms? Độ từ hóa bão hòa tỷ lệ thuận với kích thước hạt. Khi hạt giảm từ 19,01 nm xuống 10,5 nm, Ms giảm từ 58,42 emu/g xuống 47,18 emu/g. Nguyên nhân do tỷ lệ diện tích bề mặt tăng cao làm gia tăng lớp vỏ spin bất trật tự không tham gia đóng góp vào từ độ tự phát của vật liệu.

5. Luận văn đóng góp giải pháp gì cho bài toán chế tạo sơn tàng hình radar? Nhờ độ từ hóa bão hòa cao 47,18 emu/g kết hợp khả năng hấp thụ sóng cực ngắn ở trạng thái siêu thuận từ, vật liệu cho phép giảm độ dày lớp sơn phủ từ 10 mm xuống còn 2 đến 5 mm. Giải pháp này giúp giảm hơn một nửa khối lượng sơn phủ trên thân vỏ máy bay, tàu chiến mà vẫn duy trì hiệu quả triệt tiêu sóng phản xạ radar.

Kết luận

• Chế tạo thành công vật liệu nano ferrite Zn0,8Ni0,2Fe2O4 siêu thuận từ bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học ở nhiệt độ nung thấp 300°C.
• Xác định vai trò của axit oleic trong việc khống chế kích thước hạt trong khoảng 10,5 đến 12,4 nm và hạ thấp nhiệt độ ferrite hóa hoàn toàn từ 400°C xuống 300°C.
• Đạt giá trị từ tính tối ưu tại kích thước 10,5 nm với độ từ hóa bão hòa Ms = 47,18 emu/g, lực kháng từ Hc = 0 Oe và từ dư Mr = 0 emu/g.
• Làm sáng tỏ quy luật chuyển biến cấu trúc từ - từ siêu thuận từ sang sắt từ mềm khi kích thước hạt vượt qua ngưỡng 12 nm.
• Đề xuất quy trình công nghệ ổn định, mở ra hướng ứng dụng thực tế trong lĩnh vực sơn tàng hình quân sự (dày 2 đến 5 mm) và linh kiện điện tử cao tần.

Công trình luận văn của học viên Hoàng Thị Quỳnh Trang dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Dán đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đặt ra, cung cấp luận cứ khoa học vững chắc và giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao. Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, việc tiếp tục mở rộng quy mô tổng hợp và thử nghiệm phân tán hạt nano trong các hệ vật liệu polymer chuyên dụng sẽ là bước đi then chốt đưa kết quả nghiên cứu vào phục vụ trực tiếp cho nền công nghiệp và an ninh quốc phòng nước nhà.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ 1.1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU TỪ 1.1 Hiện tượng từ và tổng quan về vật liệu từ Hiện tượng từ (magnetism) được bắt nguồn từ chữ “Magnesia”, tên một làng ở Asia Minor – Hy Lạp, nơi đá nam châm, một dạng quặng sắt từ, được tìm thấy lần đầu tiên vào thời cổ đại. Hiện tượng từ đã được phát hiện từ lâu, nhưng cho đến những năm 30 của thế kỷ 20, bản chất của nó mới được giải thích rõ ràng. Bất kì dòng điện nào cũng đều gây ra xung quanh nó 1 từ trường. Khi đặt một dòng điện khác vào trong không gian này thì dòng điện này sẽ bị lực từ tác dụng.

Thông qua từ trường, lực từ được truyền từ dòng điện này tới dòng điện khác. Vận tốc truyền tương tác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không. Chính nhờ cơ chế này đã tạo tính chất từ đặc biệt của loại vật liệu này [1] [2] [10] Hình 1-1 Momen từ trong vật liệu Vật liệu từ là loại vật liệu mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từ hóa. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất.

Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam châm điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các lực này được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa, kiểm soát cuộn tiếng trong CD player, v.Các tương tác giữa từ và điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày [10]. Đá nam châm là loại vật liệu từ tự nhiên đầu tiên được tìm thấy, với công thức hóa học Fe2O4. Tuy nhiên sắt không phải là loại vật liệu duy nhất dễ bị từ hóa khi đặt trong từ trường, niken và coban cũng có tính chất tương tự.

Vật liệu từ được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kĩ thuật như điện kĩ thuật, kĩ thuật điện tử, công nghệ vật liệu. Vật liệu từ là vật liệu cốt lõi trong hàng 5 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ trăm triệu máy biến thế và động cơ điện đang hoạt động trên toàn cầu. Trong thiết bị gia đình hay trong mỗi chiếc xe ô tô, xe máy có thể liệt kê được ít nhất 150 linh kiện làm bằng vật liệu từ tính [2] [10]. Trong hơn 100 năm qua, vật liệu từ đã phát triển rất mạnh mẽ cả về chủng loại lẫn tính năng (hình 1-2).

Có thể kể đến sự ra đời của thép kĩ thuật điện dị hướng (1933), ferrite từ mềm (1940). Gần đây là sự xuất hiện của vật liệu từ mềm vô định hình (1970) và nano tinh thể (1988) cho thấy sự mở rộng của chủng loại vật liệu từ hợp kim sang oxit, từ tinh thể sang vô định hình, từ kích thước hạt thô to sang kích thước nano.Vật liệu làm nam châm cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Từ nam châm nền thép (1900) sang nam châm oxit (1952), rồi đến nam châm đất hiếm (SmCo 1970 và NbFeB 1983). Tích năng lượng của nam châm tăng gần 50 lần, từ 1 MG oersted lên tới 50 MG oersted [10].

Hình 1-2 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỉ 20 [10] Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc từ của chúng. * Các đại lượng đặc trưng của vật liệu từ [1] 6 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Mômen từ của các vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích (1m3) được gọi là độ nhiễm từ hay độ từ hoá, hoặc từ độ I. Đó là một véctơ hướng từ cực nam đến cực bắc của một thanh nam châm. Đơn vị của I là Wb/m2 (Tesla).

Trong hệ SI, đơn vị của mômen từ M là Wb.m), đơn vị của độ nhiễm từ là Wb/m2. Vecto cường độ từ trường kí hiệu là H. Độ từ cảm B thể hiện cường độ cảm ứng từ của vật liệu đặt trong từ trường H và được xác định qua công thức B = µ.1) Với µ là độ từ thẩm của môi trường. Trong chân không: B0 = µ0.2) Với µ0 là độ từ thẩm của chân không, µ0 là một hằng số có giá trị là 4π.

Còn một đại lượng thường dùng nữa là độ từ hoá M tính toán bởi: B = µ0.3) Khi tồn tại từ trường H, momen từ trong vật liệu có xu hướng song song với chiều của từ trường ngoài bằng cách xoay từ trường của nó.M trong công thức B = µ0.M thể hiện xu hướng này. Cường độ của độ từ hoá M thể hiện qua: M = χm.4) Với χm là độ cảm từ. Độ cảm từ và độ từ thẩm tỷ đối µ𝑟𝑟 có quan hệ: χm = µ𝑟𝑟 - 1 1.2 Phân loại vật liệu từ Dựa vào giá trị tuyệt đối và dấu của độ từ cảm χ của vật liệu, người ta phân loại các vật liệu thành ba loại chính sau: nghịch từ, thuận từ, sắt từ và ferrite từ.1 Vật liệu nghịch từ [1] [10] [11] Là vật liệu có độ cảm từ χ có giá trị âm và độ lớn vào cỡ 10-6 H/m (rất yếu). 7 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào.

Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ (hình 1-3). Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động quĩ đạo của điện tử quanh hạt nhân do cảm ứng điện từ bởi từ trường ngoài.

Hình 1-3 Cấu hình momen lưỡng cực từ nguyên tử của (a) vật liệu nghịch từ; (b) vật liệu thuận từ [11] 1.1 Vật liệu thuận từ Là vật liệu có độ cảm từ tương đối χ dương và độ lớn vào cỡ 10-3 ÷ 10-5 H/m(rất nhỏ). Vật liệu gồm những nguyên tử hoặc ion từ mà mômen từ (spin) cô lập, định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt. Khi đặt vào từ trường ngoài (H ≠ 0) các mômen từ nguyên tử định hướng theo từ trường làm I tăng dần theo H (hình 1-3). Vật liệu này có χ tỷ lệ với 1/T.

8 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Cả vật liệu nghịch từ và thuận từ đều là vật liệu không có từ tính, không có trật tự từ. Vì chúng chỉ thể hiện tính chất từ khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài. Đồng thời, cả hai đều có độ từ cảm B trong từ trường H giống như trong chân không [1] 1.3 Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ là vật liệu có trật tự từ, có độ cảm từ χm có giá trị dương rất lớn và phụ thuộc vào nhiệt độ. Vật liệu sắt từ tồn tại trật tự từ (từ tính) cả khi không tồn tại từ trường ngoài.

Các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni và kim loại đất hiếm là vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ có hai loại: sắt từ và phản sắt từ. Hình 1-4 Sự sắp xếp có trật tự của momen lưỡng cực từ nguyên tử trong (a) vật liệu sắt từ (b) vật liệu phản sắt từ [10] + Vật liệu sắt từ: Trong vật liệu này các spin sắp xếp song song với nhau nên tương tác giữa các spin là dương và lớn (hình 1-4). Khi T tăng, do dao động nhiệt nên từ độ giảm dần và biến mất ở TC.

Trên nhiệt độ TC thì 1/χ tuân theo định luật tuyến tính với T (gọi là định luật Curie - Weiss) 9 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ + Vật liệu phản sắt từ: Trong vật liệu phản sắt từ, các spin sắp xếp phản song song (hình 1-4), vì vậy chúng bù trừ nhau làm cho từ tính yếu đi hoặc bị triệt tiêu. Vật liệu phản sắt từ giống vật liệu thuận từ ở chỗ có từ tính yếu, nhưng khác với vật liệu thuận từ, sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/χ của nó có một cực tiểu tại nhiệt độ TN gọi là nhiệt độ Neel. Khi T < TN các spin có trật tự phản song song (gây bởi tương tác phản sắt từ). Khi T > TN sự sắp xếp spin trở nên hỗn loạn, 1/χ lại tăng như vật liệu thuận từ.4 Vật liệu ferrite từ Vật liệu ferrite từ có tính chất từ trên cơ sở của các oxit có công thức dạng MO.

Fe2O3 với nguyên liệu chế tạo là oxit sắt và oxit của các kim loại hoá trị 2 như Cu, Ni, Mn, Zn.thường có kiểu mạng lập phương dạng spinel (hình 1-5) [1] [2]. Hình 1-5 Cấu trúc ferrite spinen [2] Ngoài công thức hóa học kể trên, vật liệu từ ferrite còn có cấu trúc sáu phương và granat. Vật liệu từ có cấu trúc sáu phương có công thức hóa học là AB12O19, trong đó A là kim loại hóa trị hai như Ba, Pb và B là kim loại hóa trị ba như Al, Ga, Cr, Fe. Ví dụ điển hình cho dạng vật liệu từ này là PbFe12O19 và BaFe12O19.

Vật liệu từ ferrite dạng granat có cấu trúc tinh thể rất phức tạp, thể hiện bằng công thức tổng quát M3Fe5O12 với M là ion của kim loại đất hiếm như Y, Ga, Sa. Trong đó Y3Fe5O12 hay YIG là loại thông dụng nhất trong nhóm này [10]. 10 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ferrite Zn1-xNixFe2O4 siêu thuận từ Hình 1-6 Sự sắp xếp có trật tự của momen lưỡng cực từ nguyên tử Vật liệu ferrite từ thuộc nhóm vật liệu phản sắt từ không bù trừ. Ở vật liệu ferrite từ, hai vị trí mạng A và B trong tinh thể có các spin với độ lớn khác nhau và sắp xếp phản song song với nhau dẫn đến từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài bằng không (hình 1-6).

Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát. Ở các vật liệu ferrite từ có tồn tại nhiệt độ chuyển pha TC gọi là nhiệt độ Curie. Tại T > TC trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ.3 Tính chất cơ bản của vật liệu từ 1.