Luận án Nghiên cứu một số tính chất của các hệ hạt nano từ tính FePd và Fept chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm và điện hóa siêu âm

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu một số tính chất của các hệ hạt nano từ tính FePd và Fept chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm và điện hóa siêu âm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Nguyễn Thị Thanh Vân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CÁC HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH FePd VÀ FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM VÀ ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Nguyễn Thị Thanh Vân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CÁC HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH FePd VÀ FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM VÀ ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM Chuyên ngành : Vật lý Chất rắn Mã số : 62440104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TSKH. Nguyễn Hoàng Lương 2. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải Hà Nội – 2014
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thanh Vân
4. LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS.TSKH. Nguyễn Hoàng Lương, PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải, những người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, dạy bảo tôi những kiến thức cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án. Xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Hoàng Nam, anh Lưu Mạnh Quỳnh đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các cán bộ Khoa Vật lý và Phòng Sau đại học của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, đã ạt o điều kiện tốt nhất cho tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy, Cô, các anh chị và các bạn học viên thuộc Bộ môn Vật lý Chất rắn, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý và Trung tâm Nano và Năng lượng của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu và tạo điều kiện cho...được sử dụng các thiết bị để hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn đề tài NAFOSTED mã số 103.02.72.09 đã ỗh trợ cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án. Về phía Học viện Kỹ thuật Mật mã, nơi tôi đang công tác, tôi xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Lý-Hóa, lãnh đạo Khoa Cơ bản, Phòng đào tạo, Ban Giám đốc Học viện Kỹ thuật Mật mã, Ban Cơ yếu Chính phủ đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian cho tôi trong quá trình học tập. Xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè và những người thân trong gia đình đã động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến mọi người. Tác giả luận án
5. MỤC LỤC Trang Mục lục ............................................................................................................... 1 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................ 5 Danh mục các bảng ............................................................................................ 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................. 8 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................ 18 1.1. Vật liệu FePt .............................................................................................. 18 1.1.1. Giản đồ pha của hệ FePt .............................................................. 18 1.1.2. Cấu trúc tinh thể của hệ FePt ....................................................... 19 1.1.3. Chuyển pha bất trật tự - trật tự của hợp kim FePt ....................... 21 1.1.4. Cách tính thông số trật tự từ giản đồ nhiễu xạ tia X .................... 23 1.1.5. Năng lượng của chuyển pha A1-L1o trong hợp kim FePt ........... 27 1.2. Vật liệu FePd ............................................................................................. 27 1.2.1. Giản đồ pha của hệ FePd ............................................................. 28 1.2.2. Chuyển pha bất trật tự - trật tự của FePd có cấu trúc L1o ................. .29 1.3. Tính chất từ ............................................................................................... 29 1.3.1. Dị hướng từ .................................................................................. 29 1.3.2. Trật tự L1o ở nhiệt độ thấp của vật liệu FePd và FePt ................. 30 1.3.3. Mối quan hệ giữa pha trật tự L1o và lực kháng từ Hc .................. 31 1.3.4. Tính chất từ của FePt và FePd ..................................................... 34 1.3.4.1. Nguồn gốc tính từ cứng mạnh của FePd và FePt ..................... 34 1.3.4.2. Tính chất từ ............................................................................... 34 1.3.5. Độ nhớt từ ................................................................................... 40 1.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano ........................................................... 42 1.4.1. Phương pháp hóa siêu âm ........................................................... 43 1
6. 1.4.1.1. Khái niệm phương pháp hóa siêu âm ............................. 43 1.4.1.2. Hiện tượng xâm thực ...................................................... 43 1.4.1.3. Thiết bị ............................................................................ 50 1.4.2. Phương pháp điện hóa siêu âm ................................................... 53 1.4.2.1. Vai trò của sóng siêu âm ................................................ 54 1.4.2.2. Cấu tạo hệ thống điện hóa siêu âm ................................. 56 1.4.2.3. Đặc trưng chung của các quá trình điện hoá .................. 58 1.4.2.4. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện hóa siêu âm ... 60 1.4.2.5. Ứng dụng của phương pháp điện hóa siêu âm ............... 62 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................... 65 2.1. Chế tạo mẫu ............................................................................................... 65 2.1.1. Chế tạo mẫu bằng phương pháp hóa siêu âm .............................. 65 2.1.1.1. Chế tạo hạt nano kim loại FePd bằng phương pháp hóa siêu âm ......................................................................................... 65 2.1.1.2. Chế tạo hạt nano kim loại FePt bằng phương pháp hóa siêu âm ......................................................................................... 67 2.1.2. Chế tạo hạt nano FePt bằng phương pháp điện hóa siêu âm ....... 68 2.2. Xử lý mẫu sau khi chế tạo ......................................................................... 69 2.3. Các phép đo khảo sát tính chất của hạt nano ............................................ 70 2.3.1. Phân tích thành phần mẫu ............................................................ 69 2.3.2. Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X .................. 70 2.3.3. Phân tích vi hình thái bằng kính hiển vi điện tử truyền qua ........ 70 2.3.4. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung ................................. 72 2.3.5. Khảo sát tính chất từ bằng hệ đo PPMS ...................................... 73 CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM .................................... 75 3.1. Phân tích thành phần hạt nano FePd bằng phổ tán sắc năng lượng .......... 76 2
7. 3.2. Vi hình thái của hạt nano FePd ................................................................. 77 3.3. Cấu trúc và các hằng số mạng của hạt nano FePd .................................... 77 3.3.1. Mẫu chưa ủ .................................................................................. 77 3.3.2. Mẫu sau khi ủ ............................................................................... 78 3.4. Tính chất từ của hạt nano FePd ................................................................. 82 3.4.1. Đường cong từ hóa ban đầu của hạt nano FePd .......................... 82 3.4.2. Tính chất từ của hạt nano FePd ở nhiệt độ phòng ....................... 83 3.4.3. Tính chất từ của hạt nano FePd ở nhiệt độ thấp .......................... 87 3.4.3.1. Đường từ trễ và lực kháng từ của hạt nano FePd ........... 87 3.4.3.2. Độ vuông từ .................................................................... 90 3.4.4. Hiệu ứng nhớ từ ........................................................................... 91 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................................ 98 CHƯƠNG 4. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM .................................... 99 4.1. Phân tích thành phần hạt nano FePt bằng phổ tán sắc năng lượng ........ 100 4.2. Vi hình thái của hạt nano FePt ................................................................ 100 4.3. Cấu trúc và các hằng số mạng của hạt nano FePt ................................... 101 4.3.1. Mẫu chưa ủ ................................................................................ 101 4.3.2. Mẫu sau khi ủ ............................................................................. 102 4.3.2.1. Hằng số mạng ............................................................... 103 4.3.2.2. Thông số trật tự của mẫu FePt ...................................... 105 4.4. Tính chất từ của hạt nano FePt ................................................................ 106 4.4.1. Đường từ trễ của hạt nano FePt ................................................. 106 4.4.1.1. Mẫu chưa ủ ................................................................... 106 4.4.1.2. Các mẫu nguội bình thường sau khi ủ .......................... 107 4.4.1.3. So sánh giữa các mẫu nguội bình thường và nguội nhanh sau khi ủ ..................................................................................... 108 3
8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................... 115 CHƯƠNG 5. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePt CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM ....................... 117 5.1. Phân tích thành phần hạt nano FePt bằng phổ tán sắc năng lượng ........ 118 5.2. Vi hình thái của hạt nano FePt ................................................................ 118 5.3. Cấu trúc của hạt nano FePt ..................................................................... 119 5.4. Tính chất từ của hạt nano FePt ................................................................ 120 5.4.1. Đường từ trễ của hạt nano FePt đo ở nhiệt độ phòng ................ 120 5.4.1.1. Lực kháng từ ................................................................. 123 5.4.1.2. Độ vuông từ .................................................................. 124 5.4.2. Tính chất từ của hạt nano FePt ở nhiệt độ thấp ......................... 125 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ............................................................................... 129 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................... 130 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 133 4
9. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT EDS : Phổ tán sắc năng lượng fcc : Lập phương tâm mặt fct : Tứ giác tâm mặt H : Từ trường Hc : Lực kháng từ I : Cường độ vạch nhiễu xạ M : Mô men từ Mr : Độ từ dư Ms : Từ độ bão hòa S : Độ vuông từ s : Thông số trật tự S* : Độ nhớt từ tan : Thời gian ủ Tan : Nhiệt độ ủ TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua VSM : Từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X 5
10. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Nội dung Trang 1.1. Thông số cấu trúc tinh thể của các pha Fe3Pt, FePt và FePt3 20 trong trạng thái trật tự và bất trật tự. 1.2. Giá trị chỉ số mặt h, k, l của vạch nhiễu xạ cơ bản và vạch 24 nhiễu xạ siêu mạng cho các cấu trúc L1o và L12. 1.3. Cường độ nhiễu xạ (PDF) của Fe3Pt (a), FePt (b) và FePt3 25 (c). Các chỉ số có gạch chân là của vạch siêu mạng. 1.4. Các thông số sử dụng để tính toán thông số trật tự s theo các 26 biểu thức (1.2) – (1.5) của hợp kim FePt. 1.5. Sự phụ thuộc tỷ phần pha fct vào thời gian ủ trong các hợp 33 kim CoPt và FePt. 1.6. Tính chất từ của pha Fe3Pt, FePt và FePt3 trong trạng thái trật 35 tự và bất trật tự (Tc: nhiệt độ Curie, TN: nhiệt độ Néel, MS: từ độ bão hòa, K1: hằng số dị hướng). 1.7. Tính chất nội tại của FePt, FePd khi so sánh với tính chất của 36 các nam châm vĩnh cửu và các vật liệu ghi từ điển hình khác. 1.8. Một số áp suất tương ứng với bán kính mỗi bọt khí. 47 3.1. Các mẫu FexPd100-x chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm 75 (thời gian ủ nhiệt 1 h). 3.2. Sự phụ thuộc hằng số mạng theo nhiệt độ ủ của hệ mẫu FP4. 80 6