I. Nghiên cứu chế tạo
Nghiên cứu chế tạo vật liệu yttri sắt ganet (YIG) là trọng tâm của luận án. Các phương pháp chính được sử dụng bao gồm phương pháp sol-gel và phương pháp đồng kết tủa. Cả hai phương pháp đều được áp dụng để tạo ra các hạt nano YIG với kích thước và cấu trúc tinh thể tối ưu. Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước hạt và độ đồng đều, trong khi phương pháp đồng kết tủa đơn giản hơn và có chi phí thấp hơn. Các kết quả từ các phương pháp này được so sánh để đánh giá hiệu quả trong việc tạo ra vật liệu có tính chất từ và cấu trúc mong muốn.
1.1 Phương pháp sol gel
Phương pháp sol-gel được sử dụng để chế tạo các hạt nano YIG với kích thước nhỏ và đồng đều. Quá trình này bao gồm việc tạo ra một dung dịch sol từ các tiền chất hóa học, sau đó chuyển đổi thành gel và cuối cùng là nung ở nhiệt độ cao để tạo thành pha tinh thể YIG. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác kích thước hạt và cấu trúc tinh thể, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
1.2 Phương pháp đồng kết tủa
Phương pháp đồng kết tủa là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để chế tạo các hạt nano YIG. Quá trình này bao gồm việc kết tủa đồng thời các ion kim loại từ dung dịch, sau đó lọc và nung để tạo thành pha tinh thể YIG. Phương pháp này có ưu điểm là chi phí thấp và dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất, nhưng kích thước hạt và độ đồng đều có thể kém hơn so với phương pháp sol-gel.
II. Ion pha tạp
Ion pha tạp đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tính chất từ và cấu trúc vật liệu của YIG. Các ion như Ca2+, V5+, In4+, Ce4+, Mg2+, và Sn4+ được sử dụng để thay thế các ion Fe3+ trong cấu trúc tinh thể YIG. Sự thay thế này dẫn đến sự thay đổi trong tương tác từ giữa các phân mạng, ảnh hưởng đến nhiệt độ Curie, mômen từ, và hằng số dị hướng của vật liệu. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, việc pha tạp các ion có bán kính ion khác nhau có thể làm thay đổi đáng kể tính chất vật lý và tính chất từ học của YIG.
2.1 Ảnh hưởng của ion pha tạp lên cấu trúc
Ảnh hưởng của ion pha tạp lên cấu trúc tinh thể YIG được nghiên cứu thông qua các phương pháp như nhiễu xạ tia X và phân tích nhiệt. Các ion pha tạp có thể làm thay đổi hằng số mạng và khoảng cách giữa các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể, dẫn đến sự thay đổi trong tính chất từ và tính chất điện của vật liệu. Ví dụ, việc pha tạp Ca2+ và V5+ vào YIG làm tăng độ nén mạng, trong khi pha tạp In4+ làm giảm kích thước tinh thể.
2.2 Ảnh hưởng của ion pha tạp lên tính chất từ
Ảnh hưởng của ion pha tạp lên tính chất từ của YIG được đánh giá thông qua các phép đo từ kế mẫu rung (VSM) và thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID). Các ion pha tạp như Ca2+ và Sn4+ làm giảm mômen từ và nhiệt độ Curie, trong khi Ce4+ và Mg2+ có thể làm tăng hằng số dị hướng. Các kết quả này cho thấy sự phức tạp trong việc điều chỉnh tính chất từ học của YIG thông qua pha tạp ion.
III. Cấu trúc vật liệu
Cấu trúc vật liệu của YIG được nghiên cứu kỹ lưỡng thông qua các phương pháp như nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét (SEM), và hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Cấu trúc tinh thể của YIG bao gồm ba phân mạng chính, mỗi phân mạng có vai trò khác nhau trong tính chất từ của vật liệu. Sự thay đổi trong cấu trúc tinh thể do pha tạp ion có thể dẫn đến sự thay đổi trong tương tác từ giữa các phân mạng, ảnh hưởng đến tính chất từ học tổng thể của vật liệu.
3.1 Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể của YIG được xác định thông qua nhiễu xạ tia X và phân tích Rietveld. Cấu trúc này bao gồm ba phân mạng chính: phân mạng a, phân mạng d, và phân mạng c. Mỗi phân mạng có vai trò khác nhau trong tính chất từ của vật liệu. Sự thay đổi trong hằng số mạng và khoảng cách giữa các nguyên tử do pha tạp ion có thể làm thay đổi tương tác từ giữa các phân mạng.
3.2 Hình thái học
Hình thái học của các hạt nano YIG được nghiên cứu thông qua hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các hạt nano YIG có kích thước từ vài chục đến vài trăm nanomet, với hình dạng và độ đồng đều khác nhau tùy thuộc vào phương pháp chế tạo. Phương pháp sol-gel tạo ra các hạt có kích thước nhỏ và đồng đều hơn so với phương pháp đồng kết tủa.
IV. Tính chất từ
Tính chất từ của YIG được nghiên cứu thông qua các phép đo từ kế mẫu rung (VSM) và thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID). Các tính chất như mômen từ, nhiệt độ Curie, và hằng số dị hướng được đánh giá để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của ion pha tạp lên tính chất từ học của vật liệu. Các kết quả cho thấy, việc pha tạp các ion như Ca2+, V5+, và In4+ có thể làm thay đổi đáng kể tính chất từ của YIG.
4.1 Mômen từ
Mômen từ của YIG được đo bằng từ kế mẫu rung (VSM) và thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID). Các ion pha tạp như Ca2+ và Sn4+ làm giảm mômen từ, trong khi Ce4+ và Mg2+ có thể làm tăng hằng số dị hướng. Các kết quả này cho thấy sự phức tạp trong việc điều chỉnh tính chất từ học của YIG thông qua pha tạp ion.
4.2 Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie của YIG được xác định thông qua các phép đo từ kế mẫu rung (VSM). Các ion pha tạp như Ca2+ và V5+ làm giảm nhiệt độ Curie, trong khi In4+ có thể làm tăng hằng số dị hướng. Các kết quả này cho thấy sự phức tạp trong việc điều chỉnh tính chất từ học của YIG thông qua pha tạp ion.
