phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng chính nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về oxit sắt từ và nano oxit sắt từ. Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm. Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 LÝ THUYẾTTỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ VÀ NANO OXIT SẮT TỪ 1.Phân loại vật liệu từ: Vật liệu từ là loại vật liệu mà dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài có thể bị từ hóa, tức là có những tính chất từ đặc biệt.
Tùy thuộc vào cách hƣởng ứng của vật liệu từ trong từ trƣờng, chúng đƣợc chia làm 2 nhóm chính: vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng. - Vật liệu từ mềm: đƣợc sử dụng chủ yếu trong lõi nam châm của máy biến thế, motor, phần cảm điện, các thiết bị tạo hơi nƣớc, dùng làm mạch từ của các thiết bị và dụng cụ điện có từ trƣờng không đổi hoặc biến đổi [3]. Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn, từ trƣờng khử từ nhỏ, tổn hao từ trễ nhỏ (đƣờng cong từ trễ hẹp). Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học của chúng, và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể.
Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật liệu, thì các đặc tính của vật liệu càng tốt. Vì vậy, khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ những tạp chất có hại với chúng: Carbon, Phosphor, Lƣu huỳnh, Oxi, Nitơ và các loại oxit khác nhau. Đồng thời phải cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh thể và không gây ra trong đó những ứng xuất nội. Các loại sắt từ mềm gồm: thép kỹ thuật, thép ít carbon, thép lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt – niken có độ từ thẩm cao và oxit sắt từ.
- Vật liệu từ cứng: là vật liệu có từ trƣờng khử từ và từ dƣ lớn, đƣờng cong từ trễ rộng, rất khó bị từ hóa. Khi bị từ hóa thì năng lƣợng từ của vật liệu giữ đƣợc lâu, có thể dùng làm nam châm vĩnh cửu. Về thành phần cấu tạo có thể chia thành: + Vật liệu kim loại: có thể là kim loại đơn chất (sắt, cobalt, niken) và hợp kim từ của một số kim loại. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com +Vật liệu phi kim loại: thƣờng là ferit có thành phần gồm hỗn hợp bột của các oxit sắt và các kim loại khác.
+Điện môi từ: là vật liệu tổ hợp, gồm 60 – 80 % vật liệu từ dạng bột và 40 – 20% điện môi. Ferit và điện môi từ có điện trở suất lớn nên làm giảm đáng kể những mất mát do dòng điện xoáy Fucault sinh ra. Ngoài ra, nhiều loại ferit có độ ổn định của các đặc tính từ trong một dải tần số rộng, kể cả siêu cao tần. Một ứng dụng quan trọng nữa của vật liệu sắt từ là khả năng ghi từ.1 là hình biểu diễn đƣờng cong từ trễ của các loại vật liệu từ.1: Đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ.Các khái niệm cơ bản: Xung quanh các điện tích chuyển động tồn tại một môi trƣờng đặc biệt gọi là từ trƣờng.
Một dòng điện chạy trong dây dẫn diện tích S và có cƣờng độ i thì sinh ra mô men từ M. Mô men từ M là một véc tơ có chiều phụ thuộc vào chiều dòng điện: M = i.S (1) 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nhƣ vậy, trong hệ đơn vị chuẩn SI mô men từ có đơn vị chuẩn là A.m2, còn trong hệđơn vị CGS mô men từ có đơn vị là emu: 1A.m2 = 1000 emu (2) Mô men từ M sinh ra quanh nó một véc tơ cảm ứng từ B tại vị trí có bán kính R theo công thức: ( ) B= [ ] (3) Trong đó: =4 (H/m) là độ từ thẩm chân không. Dƣới tác dụng của từ trƣờng, vật bị từ hóa gọi là vật liệu từ. Đại lƣợng đặc trƣng cho vật liệu từ là từ độ hay độ từ hóa I.
Đó chính là mô men từ cho một đơn vị thể tích: I = (4) Với Vlà thể tích của vật. Từ độ có đơn vị là A/m hay A.m2/m3 Khi đặt trong từ trƣờng ngoài có cƣờng độ H thì cảm ứng từ B là: B=I+ H (5) Trong hệ CGS công thức này có dạng (6): B= (6) Mối liên hệ giữa từ độ và từ trƣờng có dạng: I= (7) Trong đó χ là độ cảm từ, đơn vị là H/m. Thay (7) vào (5) ta có: B = (χ + )H = µH (8a) Độ cảm từ tƣơng đối : = (8b) 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ta cũng có thể phân loại các vật liệu từ căn cứ theo cấu trúc từ của chúng thành các vật liệu sau[4]: (-10-5) Nghịch từ (Diamagnetism) (10-5) Thuận từ (Paramagnetism) ↓ Phản sắt từ(Antiferromagnetism) Từ giả bền (Metamagnetism) Giá trị tăng dần ↓ Sắt từ kí sinh (Parasitic ferromagnetism) Ferit từ (Ferrimagnetism) 10+6 Sắt từ (Ferromagnetism) 1. Vật liệu thuận từ: Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ cảm từ tƣơng đối dƣơng và có độ lớn vào cỡ 10-3 đến 10-5 (Hình 1.2: Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ[3].
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khi chất thuận từ đƣợc đặt trong từ trƣờng, mômen từ nguyên tửsẽ có xu hƣớng bị quay và định hƣớng theo từtrƣờng, vì thế mômen từ của chất thuận từ là dƣơng. Tuy nhiên do mỗi mômen từ của nguyên tử rất bé nên mômen từcủa chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các mômen từ nguyên tử này không hề có tƣơng tác với nhau nên chúng không giữđƣợc từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trƣờng ngoài. Nhƣ vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trƣờng.Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2, Pt.
Độ cảm từ của một số chất thuận từ đƣợc đƣa ra ở dƣới đây: Al: = 2,10. Vật liệu nghịch từ: Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ cảm từ tƣơng đối <0 và độ lớn cỡ 10-5 (rất yếu). Tính nghịch từ xuất hiện hầu hết trong các vật liệu nhƣng rất mờ nhạt chỉ khi vật liệu không có tính chất gì nổi bật thì ta mới xét đến. Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do cảm ứng điện từ bởi từ trƣờng ngoài.
Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sinh ra từ thông ngƣợc với biến đổi của từ trƣờng bên ngoài (Hình 1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài; b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ. Ví dụ về độ cảm từ( ) của một số chất: Cu: = - 0,94. Vật liệu sắt từ: Trong vật liệu này tƣơng tác giữa các spin là dƣơng và lớn nên các spin sắp xếp song song nhau.
Khi nhiệt độ T tăng, do giao động nhiệt từ độ giảm dần và biến mất ở Tc. Trên nhiệt độ Tc, tuân theo định luật tuyến tính với T (gọi là định luật Curie-Weiss). Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự phát: Khi T<Tc, từ độ tự phát xuất hiện cả khi H = 0. Tuy nhiên thông thƣờng khi H =0 ta nhận thấy vật liệu bị khử từ.
Điều này đƣợc giải thích bởi cấu trúc đômen. Cấu trúc đômen làm đƣờng cong từ hóa của sắt từ phức tạp, có đặc trƣng phi tuyến và có hiện tƣợng trễ. Với các vật liệu sắt từ tồn tại trong nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt từ - thuận từ, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie sắt từ (T c). Dƣới nhiệt độ Tc tƣơng tác giữa các mô men từ thắng đƣợc kích thích nhiệt, do đó vật liệu thể hiện tính sắt từ.
Trên nhiệt độ Tc, năng lƣợng kích thích nhiệt đủ lớn để phá vỡ trạng thái liên kết 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sắt từ giữa các đô men từ làm cho phân bố các mô men từ trở nêm hỗn loạn và vật liệu thể hiện tính chất thuận từ. Ngày nay có rất nhiều vật liệu có tính sắt từ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhƣ: kim loại chuyển tiếp, đất hiếm, các hợp kim (Fe - Si, Fe - Ni. Vật liệu phản sắt từ: Vật liệu phản sắt từ cũng giống nhƣ vật liệu thuận từ ở chỗ nó có từ tính yếu. Chất phản sắt cũng có mômen từnguyên tử nhƣng tƣơng tác giữa các mômen từ là tƣơng tác trao đổi âm và làm cho các mômen từ định hƣớng phản song song với nhau (song song, cùng độ lớn nhƣng ngƣợc chiều) nhƣ hình 1.4: Định hướng mômen từ của chất phản sắt từ[4].
Tuy nhiên, trật tự này chỉ tồn tại dƣới nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ Neel (TN). Trên nhiệt độ này thì các mô men từ lại sắp xếp một cách hỗn loạn. Do đó TN là nhiệt độ chuyển pha phản sắt từ - thuận từ. Một số vật liệu phản sắt từ: MnO, Mn, Cr, Au.
Vật liệu feri từ: Trong vật liệu feri từ, các mô men từ cũng sắp xếp thành hai phân mạng phản song song nhƣng độ lớn của các mômen từ trong hai phân mạng không bằng 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Do đó, từ độ tổng cộng của vật liệu này khác không ngay cả khi từ trƣờng ngoài bằng không. Từ độ tổng cộng này gọi là từ độ tự phát, ta nói vật liệu feri từ có sự từ hóa tự phát. Tuy nhiên, sự sắp xếp này cũng lại bị phá vỡ khi nhiệt độ cao hơn một giới hạn nhiệt độ xác định, gọi là nhiệt độ Curie (Tc).
Các vật liệu feri từ thƣờng gặp là ferrite spinel (hình 1.5), chúng có cấu trúc khoáng chất giống Fe3O4.5: Cấu trúc của Ferrite Spinel[18]. Lịch sử phát triển của oxít sắt từ đƣợc bắt đầu khi ngƣời trung hoa cổ đại phát hiện ra các đá từ thạch có khả năng hút các vật bằng sắt. Trong các đá thạch đó là oxit sắt từ. Vật liệu từ giả bền: Vật liệu từ giả bền là vật liệu có sự chuyển từ trạng thái phản sắt từ sang trạng thái sắt từ khi có từ trƣờng ngoài đủ lớn tác dụng.
10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Vật liệu sắt từ kí sinh: Vật liệu sắt từ kí sinh là vật liệu sắt từ yếu kèm theo phản sắt từ. Ví dụ điển hình là vật liệu αFe2O3. Từ độ giảm về 0 ở điểm Néel – nơi mà sự sắp xếp phản sắt từ của spin không còn nữa [3].
Một số tính chất của oxit sắt: 1. Các oxit sắt từ: Oxít sắt từ có công thức phân tử Fe3O4 là vật liệu từ tính đầu tiên mà con ngƣời biết đến.