Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa" được tiến hành với mục tiêu chế tạo thành công hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa đạt kích thước nano mét có tính chất từ mềm tốt có thể ứng dụng trong thực tế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ---------- NGUYỄN THỊ HIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM Fe-Co BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ---------- NGUYỄN THỊ HIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM Fe-Co BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA Chuyên ngành: Vật lí chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học GVC. ThS. NGUYỄN MẪU LÂM HÀ NỘI, 2018
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Mẫu Lâm, ngƣời đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cơ sở vật chất, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong quá trình tôi làm thực nghiệm, đo đạc và phân tích mẫu. Tôi xin đƣợc cảm ơn toàn thể các Thầy giáo, Cô giáo trong Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, những ngƣời đã dạy dỗ và trang bị cho tôi những tri thức khoa học trong suốt bốn năm học đại học. Tôi xin cảm ơn Phòng Thực hành Chuyên đề Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu-Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến bố mẹ, anh chị em, bạn bè đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất. Hà Nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Hiên
LỜI CAM ĐOAN Khóa luận đƣợc thực hiện tại Phòng Thực hành Chuyên đề, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 dƣới sự hƣớng dẫn của ThS. Nguyễn Mẫu Lâm. Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là do tôi thực hiện. Số liệu sử dụng trong khóa luận là trung thực và không trùng lặp với đề tài nào khác. Các thông tin tham khảo sử dụng trong khóa luận đã đƣợc trích dẫn rõ ràng và chỉ rõ nguồn gốc đầy đủ. Hà Nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Hiên
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VLTM: Vật liệu từ mềm TCN: Trƣớc Công nguyên
DẠNH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu từ mềm 5 Bảng 3.1. Kết quả thành phần nguyên tố 35
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của sắt 7 Hình 1.2. Giản đồ pha áp suất thấp của sắt tinh khiết 7 Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của coban 10 Hình 1.4. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe và Co 12 Hình 1.5. Giản đồ pha của Fe-Co 13 Hình 1.6. Sự thay đổi từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co 14 Hình 2.1. Hóa chất cần sử dụng 17 Hình 2.2. Bộ thí nghiệm chế tạo mẫu 18 Hình 2.3. Thu mẫu bằng nam châm vĩnh cửu 18 Hình 2.4. Máy rung siêu âm 19 Hình 2.5. Lò ủ nhiệt LINDBERG BLUE M 19 Hình 2.6. Thiết bị đo pH 20 Hình 2.7. Thiết bị đo nhiệt độ 20 Hình 2.8. Mô hình học của hiện tƣợng nhiễu xạ tia X 22 Hình 2.9. Nhiễu xạ kế tia X D8 - Advance Bruker 24 Hình 2.10. Nguyên lý hoạt động 25 Hình 2.11. Hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng Hitachi S-4800 26 Hình 2.12. Hệ từ kế mẫu rung và sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung 27 Hình 3.1. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 ứng với pH = 7 trƣớc khi ủ nhiệt 29 Hình 3.2. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe65Co35 với pH = 7 trƣớc ủ nhiệt 30 Hình 3.3. Đƣờng cong từ trễ của mẫu FexCo100-x trƣớc ủ nhiệt 30 Hình 3.4. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 đƣợc ủ ở nhiệt độ 600oC trong môi trƣờng khí H2 31 Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu FexCo100-x (x = 55, 65, 75) sau ủ ở nhiệt độ 600oC với thời gian 2h trong môi trƣờng khí H2 32
Hình 3.6. Đƣờng cong từ trễ của mẫu FexCo100-x (x = 55, 65, 75) sau ủ ở nhiệt độ 600oC với thời gian 2h trong môi trƣờng khí H2 33 Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 trƣớc khi ủ nhiệt ứng với độ pH khác nhau 33 Hình 3.8. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X của mẫu Fe65Co35 ủ ở nhiệt độ 600oC với thời gian 2h trong môi trƣờng khí H2 ứng với độ pH khác nhau 34 Hình 3.9. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe65Co35 ứng với các nồng độ pH khác nhau sau ủ ở nhiệt độ 600oC với thời gian 2h trong môi trƣờng khí H2 36 Hình 3.10: Thay đổi của từ độ bão hòa ứng với các nồng độ pH khác nhau sau ủ ở nhiệt độ 6000C với thời gian 2h trong môi trƣờng khí H2 36
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................... 3 6. Giả thuyết khoa học ...................................................................................... 3 7. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................ 3 NỘI DUNG ....................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QU N VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM.................................. 4 1.1. Vật liệu từ mềm .......................................................................................... 4 1.2. Các thông số dặc trƣng của VLTM ............................................................ 4 1.2.1. Lực kháng từ ........................................................................................... 4 1.2.2. Từ độ bão hòa.......................................................................................... 4 1.2.3. Nhiệt độ Curie ......................................................................................... 5 1.3. Ứng dụng cơ bản của vật liệu từ mềm ....................................................... 5 1.4. Vật liệu từ mềm Fe-Co ............................................................................... 6 1.4.1. Nguyên tố sắt........................................................................................... 6 1.4.1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe ....................................................................... 6 1.4.1.2. Giản đồ pha và dạng thù hình của Fe ................................................... 7 1.4.1.3. Tính chất từ .......................................................................................... 8 1.4.1.4. Tính chất hóa học ................................................................................. 9 1.4.2. Nguyên tố Coban................................................................................... 10 1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................. 10 1.4.2.2. Tính chất từ ........................................................................................ 11 1.4.2.3. Tính chất hóa học ............................................................................... 11
1.4.3. Vật liệu từ mềm Fe-Co .......................................................................... 12 1.4.3.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................. 12 1.4.3.2. Giản đồ pha ........................................................................................ 12 1.4.3.3. Các tính chất từ .................................................................................. 15 1.4.4. Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co............................ 15 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 16 2.1. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ........... 16 2.1.1. Hóa chất ban đầu cần sử dụng để tổng hợp các hạt nano Fe-Co .......... 16 2.1.2. Tổng hợp các hạt nano Fe-Co ............................................................... 17 2.1.3. Các dụng cụ thí nghiệm để chế tạo mẫu ............................................... 18 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu thành phần, cấu trúc ................................. 21 2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................... 21 2.2.1.1. Phân tích Rietveld .............................................................................. 21 2.2.1.2. Xác định kích thƣớc tinh thể và ứng suất mạng ................................ 21 2.2.2. Phƣơng pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) [1] ........................ 24 2.2.3. Phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) ......... 26 2.3. Phép đo đƣờng cong từ trễ trên hệ từ kế mẫu rung (VSM) ..................... 26 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 29 3.1. Cấu trúc và tính chất từ trƣớc ủ nhiệt....................................................... 29 3.2. Cấu trúc và tính chất từ sau ủ nhiệt .......................................................... 31 3.3. Ảnh hƣởng của pH đến cấu trúc, thành phần và tính chất từ ................... 33 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 39
MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Cuối thập niên 80 của thế kỷ XX, công nghệ nano bắt đầu phát triển và thu đƣợc nhiều thành quả to lớn không chỉ trong nghiên cứu mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điện tử học, năng lƣợng, môi trƣờng, y sinh,… Vật liệu có kích thƣớc nano xuất hiện nhiều hiện tƣợng, tính chất vật lý và hóa học mới mẻ mà các vật liệu có kích thƣớc micro mét cùng thành phần hóa học không có đƣợc [1, tr.231-237, 19]. Vật liệu từ mềm (VLTM) có cấu trúc nano với các phẩm chất từ: từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao, lực kháng từ thấp và tổn hao sắt từ nhỏ,… đã đƣợc ứng dụng trong các thiết bị nhƣ máy biến thế, máy ghi âm, ghi hình, nam châm điện, các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ thống thông tin liên lạc, các thiết bị điện khác,... và trong y sinh nhƣ dẫn thuốc, đốt nhiệt,... [18]. Hệ VLTM có nhiều hệ: Fe, Co, Ni, Si,... nhƣng hệ hợp kim Fe-Co với các đặc trƣng nổi bật nhƣ lực kháng từ thấp, nhiệt độ Curie cao và có từ độ bão hòa cao nhất trong số các VLTM đã biết, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245 emu/g. Fe-Co đƣợc xem là vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong tƣơng lai nhƣ hấp thụ sóng điện từ, tách từ, lƣu trữ dữ liệu, hay các ứng dụng y sinh nhƣ dẫn thuốc, đốt nhiệt,... [12, 18]. Hợp kim Fe-Co có cấu trúc nano mét đƣợc tổng hợp bằng các phƣơng pháp khác nhau nhƣ vật lý, hóa học và hóa lý: phun băng, hợp kim cơ, nghiền cơ năng lƣợng cao [14], phản ứng pha rắn, polyol [7], phân hủy nhiệt [17], hóa khử, hóa ƣớt, thủy nhiệt, đồng kết tủa, điện phân,… Trong đó phƣơng pháp đồng kết tủa là một trong những phƣơng pháp tổng hợp nano Fe-Co tƣơng đối đơn giản. Hơn nữa quá trình này còn có thể điều chỉnh kích thƣớc hạt dễ dàng [6]. Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm: thiết bị đơn giản dễ điều 1
khiển quy trình công nghệ, đầu tƣ thấp, độ lặp lại cao, tạo đƣợc hạt có kích thƣớc nano trong thời gian ngắn và khá đồng đều. Phƣơng pháp đồng kết tủa còn đƣợc sử dụng với lý do đơn giản rằng nó không phát ra khí độc hại và không gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng [13, tr.375-603]. Với những lý do nhƣ trên, chúng tôi lựa chọn đề tài khóa luận: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa.” 2. Mục đích nghiên cứu Chế tạo thành công hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phƣơng pháp đồng kết tủa đạt kích thƣớc nano mét có tính chất từ mềm tốt có thể ứng dụng trong thực tế. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo mẫu từ mềm Fe-Co. - Khảo sát cấu trúc mẫu. - Khảo sát các tính chất từ của mẫu. - Viết bài tham gia hội nghị, hội thảo khoa học về vấn đề đang nghiên cứu. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu - Hệ hợp kim từ mềm Fe-Co. b. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phƣơng pháp đồng kết tủa. - Khảo sát cấu trúc và tính chất của mẫu trên các hệ đo: SEM, XRD, EDX. - Khảo sát các tính chất từ của mẫu trên các hệ đo: VSM. 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp thực nghiệm. 6. Giả thuyết khoa học - Chế tạo đƣợc vật liệu từ mềm Fe-Co có kích thƣớc nano mét. - Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co. 7. Cấu trúc khóa luận Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Khóa luận gồm có 3 chương. CHƢƠNG 1: TỔNG QU N VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3
NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM 1.1. Vật liệu từ mềm VLTM là vật liệu dễ từ hóa và dễ khử từ. VLTM có cấu trúc nano với các phẩm chất từ: từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao, lực kháng từ thấp và tổn hao sắt từ nhỏ,… đã đƣợc ứng dụng trong các thiết bị nhƣ máy biến thế, máy ghi âm, ghi hình, nam châm điện, các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ thống thông tin liên lạc, các thiết bị điện khác,... và trong y sinh nhƣ dẫn thuốc, đốt nhiệt,... [18]. Các tính chất của VLTM 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. 1.2. Các thông số dặc trƣng của VLTM 1.2.1. Lực kháng từ Lực kháng từ đƣợc ký hiệu là Hc, là từ trƣờng ngoài cần thiết để triệt tiêu từ độ hoặc cảm ứng từ của vật từ. VLTM có lực kháng từ nhỏ hơn 100 Oe, đối với VLTM có tính từ mềm tốt thì lực kháng từ rất nhỏ cỡ vài Oe. 1.2.2. Từ độ bão hòa Từ độ bão hòa đƣợc ký hiệu là Ms, là giá trị từ độ khi đƣợc từ hóa đến từ trƣờng đủ lớn (vƣợt qua giá trị trƣờng dị hƣớng) sao cho vật liệu ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ hoàn toàn song song với nhau. Từ độ bão hòa là tham số đặc trƣng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt đối (0oK) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. VLTM có từ độ bão hòa cao và hợp kim Fe-Co đƣợc biết đến là VLTM có từ độ bão hòa cao nhất hiện nay, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245 emu/g. 4
1.2.3. Nhiệt độ Curie Nhiệt độ Curie, thƣờng đƣợc kí hiệu là Tc, là nhiệt độ chuyển pha trong các vật liệu sắt từ, đƣợc đặt theo tên nhà vật lý học ngƣời Pháp Pierre Curie (1859-1906). Nhiệt độ Curie trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. Ở dƣới nhiệt độ này vật liệu mang tính sắt từ, còn khi ở trên nhiệt độ này vật liệu trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie tỉ lệ với số phối vị (số lân cận gần nhất), tích phân trao đổi của vật liệu theo công thức: Z .Eex Tc  , (1.1) 2k B trong đó, Z là số lân cận gần nhất, Eex là năng lƣợng tích phân trao đổi, kB là hằng số Boltzman. Ở trên nhiệt độ Curie, độ cảm từ  của chất phụ thuộc nhiệt độ tuân theo định luật Curie: C  . (1.2) T  Tc Chuyển pha tại nhiệt độ Curie là chuyển pha loại hai, tức là chuyển pha không có sự thay đổi về cấu trúc. Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu từ mềm Vật liệu Tc (oK) Sắt 1043 Coban 1388 Niken 627 1.3. Ứng dụng cơ bản của vật liệu từ mềm Trong công nghiệp điện tử, kĩ thuật: làm các thiết bị nhƣ máy biến thế, máy ghi âm, ghi hình, nam châm điện, các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ thống thông tin liên lạc và các thiết bị điện khác,... 5
Trong y sinh, các hạt nano từ nói chung và Fe-Co nói riêng có thể đƣợc sử dụng để dẫn thuốc và đốt nhiệt [9, 16]. 1.4. Vật liệu từ mềm Fe-Co 1.4.1. Nguyên tố sắt Sắt đƣơc G. . Wainwright tìm thấy ở Gerzah-Ai Cập vào khoảng 4000 năm TCN [10]. Sắt là nguyên tố có nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ ngoài và trong của lõi Trái Đất. Sắt là kim loại màu ánh kim xám nhẹ. Nó là kim loại có các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng, nhƣng dễ bị ôxy hóa. Sắt là kim loại đa năng nhất. Nó chiếm khoảng 90% lƣợng kim loại đƣợc tiêu thụ toàn cầu. Sắt có mặt xung quanh chúng ta, ở nhiều dạng thức khác nhau. Sắt là kim loại chuyển tiếp, đƣợc ký hiệu là Fe, có số hiệu nguyên tử bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB, chu kỳ 4, đƣợc phân bố thành 4 lớp. Cấu hình electron của nguyên tử là 1s22s22p63s23p63d64s2. Khi tạo ra các ion sắt, nguyên tử Fe nhƣờng electron ở phân lớp 4s trƣớc phân lớp 3d. 1.4.1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe Trong khoảng nhiệt độ từ 1394 - 1538oC, sắt có cấu trúc tinh thể lập phƣơng tâm khối (bcc). Từ 910 - 1394oC, cấu trúc tinh thể của nó chuyển sang dạng lập phƣơng tâm mặt (fcc). Dƣới 910oC cấu trúc tinh thể lại chuyển sang dạng bcc. 6
a) b) Hình 1.1. a) Cấu trúc lập phương tâm khổi (bcc) b) Cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) 1.4.1.2. Giản đồ pha và dạng thù hình của Fe Hình 1.2. Giản đồ pha áp suất thấp của sắt tinh khiết. Sắt là một đại diện ví dụ cho tính chất thù hình của kim loại. Có ít nhất 4 dạng thù hình của sắt gồm α, γ, δ, và ε. Một vài bằng chứng thực nghiệm 7
còn tranh cãi cho thấy sự tồn tại của pha ổn định β ở áp suất và nhiệt độ rất cao [8]. Trong khoảng nhiệt độ từ 1394 - 1538oC, sắt có dạng thù hình sắt δ. Từ 910 - 1394oC, dạng thù hình của nó là sắt γ hay austenit . Dƣới 910oC dạng thù hình chuyển sang dạng sắt α. 1.4.1.3. Tính chất từ Các hạt nano Fe là vật liệu sắt từ nhƣng khi đạt đến kích thƣớc của các hạt mịn thì các hạt nano Fe trở thành thuận từ và đƣợc gọi là siêu thuận từ. Trong vật liệu sắt từ vĩ mô, các spin của electron chƣa kết cặp trải qua sự từ hóa tự phát, nơi mà năng lƣợng của các hạt nano đƣợc hạ xuống bằng cách sắp xếp với spin của các nguyên tử lân cận. Giảm năng lƣợng tổng thể của hệ thống bằng cách hạn chế hao hụt thông lƣợng từ, vật liệu đi vào trong đômen từ khi không có từ trƣờng ngoài. Kích thƣớc của các đômen đƣợc xác định bởi sự chênh lệch giữa năng lƣợng gia tăng do lƣợng từ bên ngoài và năng lƣợng tiêu tốn của vách đômen bổ sung. Các vách giữa các đômen này có thể đƣợc di chuyển bởi sự gắn vào của một từ trƣờng, và nó là sự di chuyển của các vách đômen tạo nên đƣờng cong từ trễ của vật liệu sắt từ. Kích thƣớc riêng của các đômen từ tính thay đổi tùy thuộc vào vật liệu, thƣờng là cỡ khoảng hàng chục nano mét. Nếu một hạt nhỏ hơn kích thƣớc đômen đặc trƣng này, thì hạt đó sẽ chứa một đômen từ duy nhất. Chính xác hơn: một hạt vẫn duy trì trong đômen đơn nhất khi năng lƣợng cần thiết để tạo ra vách đômen lớn hơn mức giảm năng lƣợng, điều đó có thể đạt đƣợc bằng cách giảm thông lƣợng từ [2, tr.10-16]. Tính chất từ của các hạt siêu thuận từ cũng có ích. Đầu tiên là sự định hƣớng lại của các spin có thể đạt đƣợc ở trƣờng tƣơng đối thấp. Nhƣ vậy tức là các hạt siêu thuận từ có khả năng cảm ứng ban đầu rất cao. Trƣờng này đòi hỏi phải sắp xếp tất cả các spin, vì vậy sự bão hòa thƣờng không đƣợc nhìn 8
thấy cho đến khi các trƣờng lớn hơn vài Tesla đƣợc sử dụng. Một tính chất có ích khác đó là lực kháng từ rất nhỏ. Khi từ trƣờng bị loại bỏ, năng lƣợng nhiệt cho phép các hạt siêu thuận từ này tự do định hƣớng lại spin của chúng, không cần cung cấp năng lƣợng bên ngoài để khử từ của hệ thống. Vì siêu thuận từ là sự cân bằng giữa năng lƣợng từ và năng lƣợng nhiệt, và xảy ra trên một phạm vi giới hạn. Ở một nhiệt độ nhất định, không có đủ năng lƣợng nhiệt cho phép các spin dễ dàng sắp xếp lại, và độ kháng từ xuất hiện. Nhiệt độ này đƣợc gọi là “nhiệt độ cản”, và ở nhiệt độ này trạng thái của các hạt là sắt từ. Nhiệt độ cản thƣờng đƣợc định nghĩa là điểm mà tại đó một lƣỡng cực phân tử có khả năng định hƣớng lại dƣới ảnh hƣởng của một từ trƣờng xác định trong 100 giây (một khoảng thời gian điển hình cho một phép đo). Nhiệt độ cản của mỗi một mẫu là quan trọng bởi vì nó đại diện cho khả năng cảm ứng cực đại và giới hạn dƣới của trạng thái siêu thuận từ [2, tr.10- 16]. Môi trƣờng hóa học tác động mạnh lên các tính chất từ của các hạt nano sắt. 1.4.1.4. Tính chất hóa học Sắt là kim loại đƣợc tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất khó tìm thấy nó ở dạng tự do. Để thu đƣợc sắt tự do, các tạp chất phải đƣợc loại bỏ bằng phƣơng pháp khử hóa học. Tính chất hóa học của các hạt nano sắt bị chi phối bởi khả năng phản ứng của chúng với các tác nhân oxy hóa. Sắt mịn từ lâu đã đƣợc biết đến là có khả năng tự bốc cháy, vì vậy khi chế tạo các hạt nano sắt cần phải luôn luôn nhớ tính chất tự bốc cháy của sắt mịn. Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để làm giảm khả năng phản ứng của các hạt nano sắt với khí oxy. Và một phƣơng pháp phổ biến là phủ các hạt với một lớp vỏ không có phản ứng nhƣ một hàng rào cản khí oxy. Các hàng rào cản khí oxy tốt thƣờng thƣờng là chất vô cơ, và chất phổ biến nhất là vàng. 9
Hợp kim của sắt với một kim loại có khả năng phản ứng thấp là một cách để giảm khả năng phản ứng của các hạt nano sắt với khí oxy. Các phản ứng của sắt không phải lúc nào cũng có hại, và sắt tìm đƣợc các ứng dụng nhƣ một chất xúc tác. Thực tế là bề mặt sắt bị oxy hóa dễ dàng trong các điều kiện môi trƣờng xung quanh và chính quá trình oxy hóa của sắt có thể là một phần quan trọng cho quá trình xúc tác. Các ứng dụng đó cực kì quan trọng trong công nghiệp. 1.4.2. Nguyên tố Coban Nhà khoa học ngƣời Thụy Điển Georg Brandt (1694-1768) đã phát hiện ra nguyên tố coban vào khoảng thời gian 1730-1737. Ông đã chứng minh rằng coban là nguồn gốc tạo ra màu xanh dƣơng trong thủy tinh, mà trƣớc đây đƣợc ngƣời ta cho là do Bitmut (Bismuth) (đƣợc phát hiện cùng với coban). Nó là kim loại tƣơng đối cứng và giòn. Nguyên tố coban ký hiệu là Co và số hiệu nguyên tử bằng 27. Nằm ở phân nhóm 9, chu kỳ 4. Cấu hình electron là 1s22s22p63s24s23d7. 1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể a) b) Hình 1.3. a) Cấu trúc lục giác xếp chặt (hcp) b) Cấu trúc lục phương tâm mặt (fcc) 10