Luận văn Nghiên cứu chế tạo hạt và tính chất từ của hạt Nano FePd

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo hạt và tính chất từ của hạt Nano FePd

1. Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Trƣơng Thành Trung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 1
2. Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Trƣơng Thành Trung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 60 44 01 04 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hoàng Nam Hà Nội - 5/2013 2
3. Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 8 1.1 Vật liệu từ cứng .......................................................................................... 8 1.2 Quá trình từ hóa ....................................................................................... 11 1.2.1 Đƣờng cong từ hóa và hiện tƣợng từ trễ ............................................. 11 1.2.2 Đƣờng cong từ trễ .............................................................................. 14 1.2.3 Độ nhớt từ .......................................................................................... 15 1.3 Vật liệu FePd ............................................................................................ 16 1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd ..................................................................... 16 1.3.2 Tính chất từ ........................................................................................ 18 1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc ............................ 19 1.4. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano .......................................................... 20 1.4.1 Phƣơng pháp hóa khử ......................................................................... 20 1.4.2 Phƣơng pháp thủy nhiệt ...................................................................... 21 1.4.3 Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức.................................................... 21 1.4.4 Phƣơng pháp quang xúc tác ................................................................ 21 1.4.5 Phƣơng pháp vi sóng: ......................................................................... 21 1.4.6 Phƣơng pháp hóa siêu âm ................................................................... 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................... 25 2.1 Chế tạo mẫu ............................................................................................. 25 2.2 Các phép đo khảo sát tính chất của hạt nano FePd .................................... 26 2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .......................... 26 2.2.2 Phân tích thành phần của mẫu bằng phổ tán sắc năng lƣợng ............... 27 2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua .......................................................... 27 3
4. Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung 2.2.4 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung .......................................... 29 2.2.5 Khảo sát tính chất từ bằng hệ đo các thông số vật lý (PPMS) ............. 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 32 3.1 Hình thái và cấu trúc ................................................................................ 32 3.1.1 Kết quả nhiễu xạ tia X ........................................................................ 32 3.1.3 Phổ tán sắc năng lƣợng EDS ............................................................. 35 3.2 Tính chất từ .............................................................................................. 36 3.2.1 Đƣờng cong từ trễ .............................................................................. 36 3.2.1.1 Kết quả đo trên máy VSM ............................................................... 37 3.2.1.2 Kết quả đo trên máy PPMS ............................................................. 41 3.2.2 Hiệu ứng nhớ từ ................................................................................. 45 KẾT LUẬN ....................................................................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 53 4
5. Mở đầu Trƣơng Thành Trung MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một nhánh nghiên cứu dành đƣợc sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học do những đặc điểm và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thƣờng. Có ba nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt này. Thứ nhất là tác động của các hiệu ứng lƣợng tử khi vật liệu có kích thƣớc nano. Các vật liệu nano không tuân theo quy luật vật lý cổ điển nữa, thay vào đó là các quy luật vật lý lƣợng tử mà hệ quả quan trọng là các đại lƣợng vật lý bị lƣợng tử hóa. Thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thƣớc của vật liệu càng giảm thì phần vật chất tập trung ở bề mặt chiếm một tỷ lệ càng lớn, hay nói cách khác là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lƣợng càng lớn. Cuối cùng là hiệu ứng tới hạn, xảy ra khi kích thƣớc của vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với các kích thƣớc tới hạn của một số tính chất. Chính ba yếu tố này đã tạo ra sự thay đổi lớn về tính chất của vật liệu nano. Và cũng vì vậy, vật liệu nano thu hút đƣợc sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các vật liệu có những tính chất ƣu việt với mong muốn ứng dụng chúng để chế tạo ra các sản phẩm mới có tính năng vƣợt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau. Trong thời đại ngày nay, công nghệ nano là hƣớng nghiên cứu đang thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng nhƣ các nhà đầu tƣ công nghiệp bởi ứng dụng to lớn của nó trong sản suất các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, chế tạo các thiết bị điện tử. Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn, thể hiện độ tinh xảo ƣu việt hơn hẳn các thiết bị với công nghệ micro trƣớc đó. Trong những năm gần đây một số vật liệu từ cứng đã đƣợc đƣa vào nghiên cứu, chế tạo, có cấu trúc pha L10 nhƣ hợp kim FePt, CoPt, FePd với dị hƣớng 7 3 7 3 từ tinh thể lớn (FePt: Ku=6,6-10 x 10 erg/cm , CoPt: Ku=4,9x10 erg/cm và 7 3 FePd: Ku=1,8x10 erg/cm ) [4]. Do đó, các hạt nano trên có thể đƣợc sử dụng để chế tạo các vật liệu ghi từ mật độ cao. 5
6. Mở đầu Trƣơng Thành Trung Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp này chúng tôi tiến hành: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hạt nano FePd” Mục đích của luận văn: - Chế tạo hạt nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. - Nghiện cứu chuyển pha bất trật tự - trật tự cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với Hc lớn. - Nghiên cứu tính chất từ của hạt nano FePd trong vật liệu chế tạo đƣợc. Phƣơng pháp nghiên cứu: Khóa luận đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp thực nghiệm. Các mẫu sử dụng trong khóa luận đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. Cấu trúc hình thái, của mẫu đƣợc kiểm tra bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction- XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (transmission electron microscopy). Xác định thành phần của mẫu bằng máy đo EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). Tính chất từ đƣợc tiến hành trên hệ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer), hệ đo các tính chất vật lý PPMS (Physical Property Measurement System). Các phép đo trên đƣợc thực hiện tại Trung tâm khoa học vật liệu – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội và Trung tâm Nano và Năng lƣợng – Đại học Quốc gia Hà Nội. Bố cục của khóa luận: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan - Trình bày sơ lƣợc về hệ hợp kim của hai nguyên tố Fe-Pd, một số đặc trƣng trong cấu trúc tinh thể ảnh hƣởng đến tính chất từ của hệ vật liệu này. Chƣơng 2: Thực nghiệm – Trình bày Phƣơng pháp chế tạo mẫu, các thiết bị thực nghiệm đƣợc sử dụng để nghiên cứu các tính chất của hệ mẫu Fe-Pd đƣợc chế tạo. 6
7. Mở đầu Trƣơng Thành Trung Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - Những kết luận cơ bản và khái quát nhất thu đƣợc trên đối tƣợng nghiên cứu của luận văn. Kết luận Tài liệu tham khảo. 7
8. Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính từ "cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa [1], chứ không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ. Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trƣng từ học nhƣ Hc lớn, tích năng lƣợng từ cực đại (BH)max lớn... Hình 1.1. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng. Lực kháng từ: Lực kháng từ, ký hiệu là Hc là đại lƣợng quan trọng đặc trƣng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngƣợc lại với vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn. Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhƣng vật liệu từ cứng phổ biến thƣờng có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hƣớng từ tinh thể lớn trong vật 8
9. Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung liệu. Các vật liệu từ cứng thƣờng có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và có dị hƣớng từ tinh thể rất lớn. Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thƣờng đƣợc biết đến qua công thức (1.1): (1.1) trong đó: . Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với K1 là hằng số dị hƣớng từ tinh thể bậc 1, Is là từ độ bão hòa. . Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N1,N2 là thừa số khử từ đo theo hai phƣơng khác nhau. . Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với λs là từ giảo bão hòa, τ là ứng suất nội. Và a, b, c lần lƣợt là các hệ số đóng góp. Tích năng lƣợng từ cực đại: Tích năng lƣợng cực đại là đại lƣợng đặc trƣng cho độ mạnh yếu của vật từ, đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ. Đại lƣợng này có đơn vị là đơn vị J mật độ năng lƣợng . m3 Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc xác định trên đƣờng cong khử từ (xem hình 1.1) thuộc về góc phần tƣ thứ 2 trên đƣờng cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trƣờng H là cực đại. Vì thế, tích năng lƣợng từ cực đại thƣờng đƣợc ký hiệu là (BH)max. Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lƣợng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thƣờng dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ) 8 J 1GOe . 1000 m3 9
10. Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Để có tích năng lƣợng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dƣ cao. Ngoài ra, một số vật liệu từ cứng đƣợc ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Trong thực tế vật liệu từ cứng đƣợc sử dụng nhiều trong chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc đƣợc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng. Trong đó ngƣời ta thƣờng dung các loại vật liệu sau: Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm: Điển hình là hai hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ cứng, do đó tạo ra tích năng lƣợng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên thƣờng sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao). Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm (312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt đƣợc. Nam châm đất hiếm có tích năng lƣợng từ kỷ lục là Nd2Fe14B đạt tới 57 MGOe. Hệ vật liệu α -Fe/Nd 2Fe14B [5] có tích năng lƣợng cực đại (BH)max=31 MGOe. Hợp kim FePt và CoPt: Bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm mặt (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L1o, có ƣu điểm là có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay đang đƣợc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng. Vật liệu FePt/Fe3B [6] có Hc=7.5 kOe, (BH)max=14 MGOe. 10