Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ-lõi của hạt nano

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chuyên sâu về từ tính của hạt nano cấu trúc vỏ lõi. Phân tích đặc trưng và ảnh hưởng của mô hình đến tính chất vật liệu.

• Tác giả: Đinh Thị Thanh Ngân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thu Nhàn
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán
• Đề tài: Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ-lõi của hạt nano
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và Cấu trúc Hạt Nano Vỏ Lõi

Hạt nano vỏ-lõi là những hạt nano có cấu trúc đặc biệt với hai lớp riêng biệt: lõi ở trung tâm và vỏ bọc phía ngoài. Cấu trúc này được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ vật liệu hiện đại. Các hạt nano Fe98B2 thường được nghiên cứu vì những tính chất từ độc đáo của chúng. Kích thước của hạt nano vỏ-lõi có ảnh hưởng quyết định đến tính chất từ và đặc tính vật lý. Khi kích thước hạt nhỏ cỡ 3nm, khoảng 70% số nguyên tử nằm ở bề mặt, làm cho hiệu ứng bề mặt trở thành yếu tố chủ yếu. Cấu trúc vô định hình của lớp vỏ làm cho từ tính hạt nano có những đặc điểm khác biệt so với vật liệu khối. Mô hình vỏ-lõi giúp giải thích sự đóng góp của các spin từ các lớp khác nhau vào từ tính tổng thể của hạt.

1.1. Định nghĩa Hạt Nano Vỏ Lõi

Hạt nano vỏ-lõi là những cấu trúc nhân tạo có lõi được bao bọc bởi lớp vỏ khác thành phần. Cấu trúc này cho phép kiểm soát tính chất từ thông qua thay đổi độ dày và thành phần của các lớp. Mô hình vỏ-lõi cho phép các nhà khoa học tách riêng đóng góp từ tính của từng phần. Hạt nano Fe-B là một ví dụ điển hình trong nghiên cứu hiện đại.

1.2. Đặc điểm Cấu trúc và Vi Cấp

Cấu trúc vi cấp của hạt nano vỏ-lõi được xác định thông qua hàm phân bố xuyên tâm và phân bố số phối trí. Sự tinh thể hóa ảnh hưởng lớn đến tính chất từ của hạt. Tương tác trao đổi giữa lõi (Jc), vỏ (Js) và mặt phân cách (Jsc) là những yếu tố quan trọng quyết định từ tính tổng thể của hệ thống.

II. Phương Pháp Mô Hình Hóa và Tính Toán

Mô hình Ising là công cụ lý thuyết quan trọng nhất trong nghiên cứu từ tính hạt nano vỏ-lõi. Phương pháp này cho phép mô phỏng hành vi từ của hệ thống ở các nhiệt độ khác nhau. Động lực học phân tử (ĐLHPT) được sử dụng để xây dựng cấu trúc nguyên tử của hạt nano Fe98B2 với độ chính xác cao. Thống kê hồi phục (TKHP) giúp tính toán các đại lượng từ từ các cấu hình spin. Kết hợp các phương pháp này cho phép dự báo chính xác nhiệt độ Curie và các tính chất từ khác. Mô hình hạt nano vỏ-lõi được xây dựng dựa trên tương tác trao đổi giữa các lớp, với bán kính lõi và bán kính vỏ là những thông số quan trọng.

2.1. Mô Hình Ising và Ứng Dụng

Mô hình Ising 2D được sử dụng để mô phỏng hệ spin từ trong hạt nano vỏ-lõi. Mô hình này cho phép tính toán năng lượng và từ hóa của hệ. Tương tác trao đổi J giữa các spin láng giềng là thông số chính của mô hình. Nhiệt độ Curie được xác định từ đồ thị phụ thuộc của từ hóa vào nhiệt độ.

2.2. Động Lực Học Phân Tử và Xây Dựng Cấu Trúc

Động lực học phân tử được dùng để tạo ra cấu trúc hạt nano Fe98B2 với các thông số chính xác. Phương pháp này cho phép tính toán hàm phân bố xuyên tâm và phân bố số phối trí nguyên tử. Các kết quả từ ĐLHPT được sử dụng làm đầu vào cho mô hình Ising nhằm tính toán các tính chất từ.

III. Ảnh Hưởng của Các Thông Số Cấu Trúc đến Từ Tính

Độ dày lớp vỏ là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến từ tính hạt nano. Khi tăng bán kính vỏ Rs trong khi giữ nguyên bán kính lõi Rc, độ cao của đường cong từ hóa tăng lên đáng kể. Tương tác trao đổi giữa các lớp, được biểu diễn qua tỷ số Jc/Js, có ảnh hưởng mạnh mẽ đến nhiệt độ chuyển pha của hệ. Khi tỷ số này tăng, nhiệt độ Curie cũng tăng theo, cho thấy mối tương quan chặt chẽ. Nồng độ tinh thể hóa cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc vi cấp và từ tính của hạt nano vỏ-lõi. Các nghiên cứu cho thấy lực kháng từ (HC) và từ trường trao đổi (HEX) phụ thuộc vào kích thước của lớp lõi.

3.1. Ảnh Hưởng Độ Dày Lớp Vỏ

Bán kính vỏ Rs quyết định đóng góp của spin bề mặt vào từ tính tổng thể. Tăng độ dày lớp vỏ làm tăng độ từ hóa M của hạt nano. Độ cảm từ (hệ số từ hóa) cũng thay đổi theo bán kính vỏ Rs. Nhiệt dung của hệ phụ thuộc vào cấu trúc vỏ thông qua tương tác trao đổi.

3.2. Ảnh Hưởng Tương Tác Trao Đổi

Tương tác trao đổi giữa lõi (Jc) và vỏ (Js) là yếu tố chính quyết định tính chất từ. Tỷ số Jc/Js ảnh hưởng đến nhiệt độ Curie và độ từ hóa M. Khi J int/Jsh tăng, nhiệt độ chuyển pha thay đổi mạnh mẽ. Từ trường trao đổi (HEX) và lực kháng từ (HC) cũng phụ thuộc vào thông số tương tác trao đổi.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tiễn

Các nghiên cứu về hạt nano vỏ-lõi Fe98B2 tại nhiệt độ 300K và 900K cho thấy sự thay đổi rõ rệt trong các tính chất từ. Độ từ hóa M giảm khi nhiệt độ tăng, theo đặc tính vật lý cơ bản của vật liệu từ. Độ cảm từ (susceptibility) cũng thay đổi theo nhiệt độ, cho thấy độ nhạy của hạt nano với từ trường bên ngoài. Nhiệt dung C của hạt nano vỏ-lõi phụ thuộc phức tạp vào nhiệt độ và cấu trúc. Nồng độ tinh thể hóa ảnh hưởng đến phân bố số phối trí và từ đó ảnh hưởng đến từ tính. Vật liệu nano từ này có ứng dụng rộng rãi trong công nghệ và y sinh, đặc biệt là trong lĩnh vựcvật liệu từ vô định hình với các tính chất độc đáo.

4.1. Kết Quả Tính Toán Tại Các Nhiệt Độ Khác Nhau

Hạt nano Fe98B2 được nghiên cứu ở nhiệt độ 300K và 900K cho những kết quả khác biệt. Độ từ hóa M tại 300K cao hơn so với 900K do giảm kích động nhiệt. Phân bố số phối trí thay đổi theo nhiệt độ, ảnh hưởng đến cấu trúc vi cấp. Hàm phân bố xuyên tâm cũng thay đổi khi tăng nhiệt độ, cho thấy sự mất trật tự của cấu trúc.

4.2. Ứng Dụng trong Công Nghệ và Y Sinh

Vật liệu nano từ vô định hình có ứng dụng đặc biệt trong công nghệ hiện đại. Hạt nano vỏ-lõi có thể được điều chỉnh từ tính thông qua thay đổi cấu trúc. Hiệu ứng bề mặt làm cho những hạt nano này lý tưởng cho các ứng dụng nhạy cảm. Trong y sinh, chúng được sử dụng để kiểm soát tính chất từ cho các mục đích chẩn đoán và điều trị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Lý thuyết tổng quan về các hạt nano Chương 2. Trình bày phương pháp động lực học phân tử, chương trình động lực học phân tử, xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe 98B2 bằng phương pháp động lực học phân tử, mô phỏng từ tính của hạt nano bằng mô hình Ising. Kết quả và thảo luận, khảo sát đặc trưng vi cấu trúc của hạt nano vỏ-lõi Fe98B2, khảo sát sự ảnh hưởng của độ dày lớp vỏ, tương tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ của hạt nano.

Kết luận Phụ lục Tài liệu tham khảo 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hạt nano vỏ lõi Vật liệu nano là vật liệu có kích thước tính theo thang đo nanomet. Trong những năm gần đây, vật liệu nano (dưới đây sẽ gọi tắt là hạt nano) trở thành đối tượng nghiên cứu chủ yếu của nhiều nhà khoa học. Tính chất của hạt nano phụ thuộc vào kích thước của chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất lý hóa của vật liệu thông thường.

Phương pháp thực nghiệm chế tạo các hạt có thể chia làm ba loại chính như sau: (1) phương pháp ngưng tụ hơi, (2) phương pháp hóa học, (3) Nghiền. Bằng việc sử dụng các kĩ thuật nêu trên, không chỉ chế tạo được những hạt nano thuần nhất mà còn có thể tạo ra những hạt nano lai tạo. Ban đầu, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu các hạt nano thuần nhất vì loại vật liệu này có đặc tính tốt hơn nhiều so với các vật liệu lớn. Nhưng sau đó, vào cuối những năm 80, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các hạt nano không thuần nhất hay hạt nano bán dẫn đem lại hiệu quả cao hơn so với các hạt nano thuần nhất ban đầu, thậm chí trong một vài trường hợp còn có thêm những đặc tính quan trọng khác.

Và thế là từ đầu những năm 90 trở lại đây, các nhà nghiên cứu tập trung chế tạo các hạt nano bán dẫn trên quan điểm phát triển những đặc tính của vật liệu bán dẫn. Và thế là khái niệm “vỏ/lõi” ra đời. Kích thước vật liệu nano và tế bào Hiện nay người ta có khả năng chế tạo các hạt nano có hình dạng khác như hình lập phương, hình lăng trụ, hình lục giác, hình bát giác, hình đĩa tròn, hình dây, hình gậy, hình ống,. Một số hình dạng vật liệu nano hiện nay a) Vòng nano (nanoring) b) Nano hình cầu, hình lập phương, hình lăng trụ c) Gậy nano (nanorods) d) Cây nano (nanotrees) e) Dây nano (nanowires) Các đặc tính của hạt nano không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn liên quan đến hình dạng của chúng.

Ví dụ, các đặc tính cơ bản của tinh thể nano từ như nhiệt độ tới hạn, độ bão hòa từ, độ từ thẩm đều dựa trên kích thước hạt, tuy nhiên độ kháng 6 từ của chúng lại hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng do hiệu ứng dị hướng bề mặt. Các loại tinh thể nano từ có hình dạng khác nhau có điện thế rất lớn đã tạo dựng nền tảng cho các lĩnh vực từ và công nghệ lưu trữ thông tin mật độ cao. Có thể phân loại các hạt nano dựa trên loại vật liệu chế tạo thành hạt nano thuần nhất, hạt nano vỏ/lõi, hoặc hạt nano tổng hợp. Nhìn chung, hạt nano thuần nhất được chế tạo từ một loại vật liệu duy nhất, trong khi hạt nano tổng hợp hay hạt nano vỏ/lõi thì được chế tạo từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau.

Các hạt nano vỏ/lõi bao gồm phần vỏ và phần lõi, chúng được tổng hợp từ các loại hợp chất hóa học khác nhau như vật liệu vô cơ/vô cơ, vô cơ/hữu cơ, hữu cơ/vô cơ, và hữu cơ/hữu cơ. Việc lựa chọn vật liệu phần vỏ của hạt nano vỏ/lõi phụ thuộc rất lớn vào nhu cầu sử dụng và ứng dụng của loại hạt này. Phân loại hạt nano vỏ/lõi (a) Hạt nano vỏ/lõi hình cầu (b) Hạt nano vỏ/lõi bát giác (c) Hạt nano lõi nhiều hạt phủ lớp vỏ đơn chất (d) Hạt nano nanomatryuska (e) Hạt nano lõi di chuyển trong lớp vỏ.3 cho ta hình ảnh các loại hạt nano vỏ/lõi. Trong đó, hạt nano vỏ/lõi hình cầu là loại thông dụng nhất (hình 1.3a), bao gồm một hạt lõi hình cầu thuần nhất được phủ một lớp vỏ từ loại vật liệu khác.

Các loại hạt nano vỏ/lõi khác được xây dựng dựa trên các nghiên cứu đặc tính khác biệt mới của chúng. Hạt nano vỏ/lõi với phần lõi không phải dạng hình cầu như hình 1.3c là hạt nano với một lớp vỏ bao phủ lên nhiều hạt nhỏ ở phần lõi.3d là hạt nano có những lớp vỏ đồng tâm bao phủ lên lớp lõi là lớp điện môi. Lớp đệm điện môi tách biệt khỏi lớp kim loại đồng tâm. Loại hạt này còn được biết đến với cái tên cấu trúc nano kim loại điện môi đa lớp hay nanomatryuska.

Có thể đồng bộ một hạt lõi có khả năng di chuyển trong một lớp vỏ tương ứng sau khi phủ hai lớp vật liệu lõi và chỉ dịch chuyển lớp đầu tiên bằng kĩ thuật tương thích như hình 1. Các nhà khoa học ngày càng chú ý đến việc chế tạo các hạt nano vỏ/lõi, từ đó làm nảy sinh mối liên hệ giữa vật liệu hóa học và nhiều lĩnh vực khác, như là điện tử, sinh học, dược học, quang học và xúc tác. Các hạt nano vỏ/lõi là loại vật liệu có độ hoạt động cao với những đặc tính được biến đổi. Đôi khi những tính chất sinh ra từ vật liệu lõi hoặc vỏ có thể khác nhau.

Các tính chất này có thể được biến đổi bằng cách thay đổi vật liệu chế tạo hoặc tỉ lệ vỏ/lõi. Việc phủ lớp vỏ đã làm biến đổi các tính chất của lớp lõi như giảm khả năng phản ứng hay độ ổn nhiệt. Cuối cùng, các hạt có tính chất khác nhau được sử dụng cùng nhau. Điều này đặc biệt hữu ích khi điều chỉnh các hiệu ứng bề mặt để dẫn đến các ứng dụng khác.

Có nhiều mục đích của việc phủ vỏ cho lớp lõi, như là biến đổi bề mặt, tăng chức năng, hiệu ứng và độ phân tán, giải phóng năng lượng của lõi, giảm bớt mức độ tiêu thụ các loại vật liệu quý. Các hạt nano vỏ/lõi có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh và dược học, chất xúc tác, điện tử, sự phát quang nâng cao, chế tạo tinh thể photon… Trong lĩnh vực y sinh nói riêng, các hạt này có ứng dụng quan trọng trong chụp ảnh cộng hưởng từ, kiểm soát tác dụng của thuốc, đặt mục tiêu tương tác thuốc, gắn nhãn tế bào, và ứng dụng trong nuôi cấy mô. Dựa vào việc phát triển tính chất vật liệu, các hạt nano vỏ/lõi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc mở ra hướng nhìn mới trên quan điểm kinh tế. Một loại vật 8 liệu quý có thể được phủ lên trên một loại vật liệu rẻ tiền hơn nhằm giảm bớt hao phí về so với việc chế tạo loại hạt thuần nhất từ vật liệu quý.

Hạt nano vỏ/lõi còn được dùng làm khuôn để điều chế các hạt rỗng sau khi đã tách phần lõi bằng phương pháp phân hủy hoặc nung khô. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực nano nói chung và hạt nano vỏ/lõi nói riêng, bởi lẽ đây đang là tâm điểm chú ý của các nhà khoa học và hứa hẹn trở thành hướng nghiên cứu mũi nhọn trong thời gian tới. Các hướng nghiên cứu chính về hạt nano trên thế giới hiện nay liên quan đến các tính chất từ, hiệu ứng lượng tử của hạt nano, các phương pháp chế tạo hạt nano vỏ/lõi hay cấu trúc nano ứng dụng trong y sinh học. Một vài nghiên cứu đáng chú ý trên thế giới trong những năm trở lại đây như: K.Vasilakaki [1] đã nghiên cứu các đặc trưng từ của hạt nano vỏ-lõi bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo sử dụng thuật toán Metropolis.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra mối tương quan giữa trường từ HE, trường kháng từ HC và nhiệt độ khối Tb cũng như sự khác biệt của những đại lượng này so với loại vật liệu nano SW (Stoner Wohfarth), ngoài ra còn khảo sát được sự đảo chiều từ hóa của hạt nano lõi sắt từ/vỏ phản sắt từ. Trong công trình nghiên cứu của Yusuf Kocakaplan và Mehmet Ertas [2] nhóm tác giả đã sử dụng lý thuyết trường hiệu dụng và sự tương quan để khảo sát các tính chất từ như độ từ hóa, nội năng, nhiệt dung riêng, entropy, năng lượng tự do Helmholtz, biểu đồ trạng thái của hệ dây nano Ising lục giác Blume-Capel cấu trúc vỏ/lõi. Tuy rằng đây mới chỉ là nghiên cứu về mặt lý thuyết nhưng các tác giả rất hy vọng rằng đó có thể trở thành tiền đề cho những nghiên cứu sâu xa hơn về tính chất từ của hạt nano cũng như những khảo sát trong thực tế. Ersin Kantar, Bayram Deviren, và Mustafa Keskin [3] nghiên cứu từ tính của hạt nano Ising với cấu trúc lõi spin 1/2 và vỏ spin 3/2 bằng phương pháp lý thuyết trường hiệu dụng và hàm tương quan.

Đặc biệt nhấn mạnh đến hiệu ứng trường bán dẫn, tương tác vỏ/lõi và giao diện các cặp từ hóa, điểm bù, độ cảm biến từ và độ trễ từ, ngoài ra, năng lượng tự do của hệ cũng được khảo sát nhằm mục đích khẳng định tính ổn định của các nghiệm số. Theo giá 9 trị của hàm Hamiltonian, hệ chỉ trải qua chuyển pha loại 2. Một số đặc tính đã được tìm ra như: sự tồn tại của vòng lặp trễ loại 3 đối với các giá trị thích hợp của các tham số chịu ảnh hưởng của trường bán dẫn, nhiệt độ và giao diện ghép nối của hệ. Nghiên cứu Monte Carlo về hạt nano vỏ/lõi sắt từ của nhóm tác giả Erol Vatansever và Hamza Polat [4] đã khảo sát bằng thực nghiệm ảnh hưởng của kích thước khối quặng sắt từ lên các tính chất từ khác (moment từ, nhiệt độ Curie…), các kết quả đạt được đều được lý giải bằng các phương pháp lý thuyết khác nhau trong phạm vi mô hình vỏ/lõi và đều đạt chất lượng.

Nhờ vào việc kết hợp các phương pháp tin học trong chẩn đoán từ tính với các phương pháp hiện tượng luận và mô hình vi mô đối với hạt nano, nhóm tác giả đã chỉ ra sự phụ thuộc của moment từ riêng của hạt nano lên số lượng đơn vị công thức cấu thành từ tính của nó, như là đánh dấu sự đóng góp về kích thước và bề mặt của vật liệu đến từ tính. Khác với khái niệm hạt nano “lý tưởng” với hình khối đồng nhất và bề mặt có moment từ riêng, các tính toán phụ thuộc vào tính chất từ đối với mô hình vỏ/lõi được tạo ra bền vững hơn.