intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chế tạo hạt nano Fe2O3 vô định hình và các tính chất

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST
Báo xấu
115
lượt xem 17
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: Chế tạo và nghiên cứu quá trình kết tinh vật liệu nano oxit sắt vô định hình; nghiên cứu khả năng chống lão hóa của vật liệu nano oxit sắt vô định hình bằng cách pha crom.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chế tạo hạt nano Fe2O3 vô định hình và các tính chất

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Hoàng Thanh Cao CHẾ TẠO HẠT NANO Fe2O3 VÔ ĐỊNH HÌNH VÀ CÁC TÍNH CHẤT Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 604407 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Hà Nội - 2012
  2. LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy Nguyễn Hoàng Hải, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cung cấp cho em phương pháp nghiên cứu, cách làm việc khoa học để em hoàn thành luận văn. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Hoàng Nam, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều về kiến thức khoa học từ khi tôi làm thực nghiệp tại Trung tâm Khoa học Vật liệu đến khi tôi hoàn thành luận văn. Nhân dịp này, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô và toàn thể các anh chị cán bộ của Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong thời gian làm thực nghiệm tại trung tâm. Xin gửi lời cảm ơn tới Th.s Nguyễn Đăng Phú, CN. Trịnh Xuân Sỹ, những người đã cùng tôi làm thực nghiệm và dành thời gian thảo luận khoa học và đóng góp ý kiến quý báu cho tôi hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Hà Nội, tháng 01 năm 2012 Học viên Hoàng Thanh Cao
  3. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU 1. Các chữ viết tắt DSC : Đo nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry) EDS : Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) FTIR : Phổ hồng ngoại khai triển Fourier (Fourier Transform Infrared spectroscopy) TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy). VSM : Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer) XRD : Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) 2. Các kí hiệu Te : Nhiệt độ chế tạo Ta : Nhiệt độ ủ Tp : Nhiệt độ phản ứng Ea : Năng lượng kích hoạt (kết tinh) R = 8.314 J.mol-1K-1: Hằng số khí : Luận văn sử dụng dấu chấm để ngăn cách phần nguyên và phần thập phân
  4. DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Chú thích bảng Trang Bảng 1.1 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu 5 Bảng 3.1 Thành phần hóa học của các mẫu Fe2-xCrxO3 vừa 58 được chế tạo. Sai số liên kết trên thành phần là ± 0.5%. Các thông số mạng a và c là của cấu trúc loại corundum của pha hematite Bảng 3.2 Các thông số liên quan đến phương trình Kissinger 60 của mẫu oxit sắt, β(oC/phút) là tốc độ tăng nhiệt, 𝑹𝟐𝒄 là hệ số tương quan Bảng 3.3 Các thông số liên quan đến phương trình Kissinger 61 của mẫu Fe1.9Cr1.0O3, β(oC/phút) là tốc độ tăng nhiệt. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Chú thích hình Trang Hình 1.1 Hình ảnh minh họa về chất thuận từ 10 Hình 1.2 Hình ảnh các đômen từ trước (a) và sau khi đặt từ 11 trường (b). Hình 1.3 Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ 12 Hình 1.4 Nhiệt độ Cuire, nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ 13 Hình 1.5 Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ 14 Hình 1.6 Đường cong từ hóa của chất siêu thuận từ 17 Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể hematite 19 Hình 1.8 Mặt phẳng (111) trong cấu trúc mặt thoi 19
  5. Hình 1.9 Ảnh TEM cấu trúc tinh thể (a) và cấu trúc vô định hình 22 (b) Hình 1.10 Sự hình thành và phát triển của lỗ hổng trong lòng chất 27 lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm. Sau nhiều chu kì phát triển lỗ hổng hổng không thể hấp thụ năng lượng sóng siêu âm được nữa nên bị suy sụp rất nhanh tạo thành các điểm nóng. Hình 1.11 Hình ảnh bộ thí nghiệm siêu âm 27 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo hạt nano oxit sắt-crom vô định 34 hình Hình 2.2 Nguyên tắ c hoạt động của nhiễu xạ kế tia X 35 Hình 2.3 Nhiễu xạ kế tia X Bruker D5005 35 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua 36 Hình 2.5 Thiết bị VSM tại Trung tâm Khoa học Vật liệu 37 Hình 2.6 Sơ đồ cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt. 38 Hình 2.7 Sơ đồ kỹ thuật đo FTIR 40 Hình 2.8 Sơ đồ quang phổ Raman 42 Hình 2.9 Máy đo phổ Raman 42 Hình 2.10 Sơ đồ tách mức năng lượng hạt nhân do các tương tác 44 siêu tinh tế khác nhau và phổ M𝑜ssbauer tương ứng. Hình 3.1 Giản đồ XRD của vật liệu nano oxit sắt vô định hình khi 46 vừa được chế tạo tại các nhiệt độ 70, 80 và 90oC và sau khi đã nung đến 600°C. Hình 3.2 Giản đồ XRD của vật liệu nano oxit sắt vô định hình khi 47 vừa được chế tạo tại 80oC và sau khi ủ ở 220-600°C được so sánh với tệp tin ảnh nhiễu xạ bột của hematite (JCPDS # 73-2234) và maghemite (JCPDS # 39-1346) Hình 3.3 Ảnh TEM của vật liệu nano oxit sắt khi vừa mới chế tạo 48 (a) và sau khi nung ở 600 °C trong 15 phút (b); đồ thị
  6. fit sư phân bố kích thước hạt cho hàm Gaussian (c) Hình 3.4 Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ trong từ trường 200 Oe 49 của các hạt nano oxit sắt với nhiệt độ chế tạo là 70 (a), 80 (b) và 90oC (c). Hình 3.5 Sự phụ thuộc từ độ vào từ trường tại nhiệt độ phòng của 50 mẫu với Te = 70oC sau khi thực hiện phép đo từ nhiệt. Đường cong từ trễ thể hiện một tính chất sắt từ của vật liệu Hình 3.6 Phổ M𝑜ssbauer tại nhiê ̣t độ phòng của mẫu vừa chế tạo 52 (a) và mẫ u được nung ở nhiê ̣t độ 600oC (b) với T e = 80oC Hình 3.7 Phổ FTIR của mẫu oxit sắt được nung ở các nhiệt độ từ 53 220 – 600 °C Hình 3.8 Phổ Raman của mẫu oxit sắt được chế tạo ở nhiệt độ 54 70, 80 và 90°C Hình 3.9 Dữ liệu DSC của mẫu ôxit sắt được chế tạo tại nhiệt độ 55 Te = 80oC với tốc độ tăng nhiệt từ 10 đến 30oC/phút. Hình 3.10 Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ của mẫu Fe1.9Cr0.1O3 57 với Te = 80oC tại nhiệt độ khác nhau. Hình 3.11 Dữ liệu DSC của mẫu với tỉ lệ crom khác nhau. 58 Hình 3.12 Những thay đổi về nhiệt độ đỉnh tỏa nhiệt của 59 Fe2-xCrxO3 khi tăng x. Hình 3.13 Đồ thị fit sự dịch chuyển tuyến tính của các đỉnh kết 60 tinh theo phương trình Kissinger tương ứng với các đỉnh tỏa nhiệt Tp1, Tp2, Tp3 của mẫu Fe2O3. Hình 3.14 Đồ thị fit sự dịch chuyển tuyến tính của các đỉnh kết 61 tinh theo phương trình Kissinger tương ứng với các đỉnh tỏa nhiệt Tp1, Tp2, Tp3 của mẫu Fe1.9Cr0.1O3.
  7. Lời nói đầu Luận văn tốt nghiệp Lời nói đầu Hiện nay có rất nhiều loại vật liệu nano có cấu trúc hình thái khác nhau được quan tâm nghiên cứu như các vật liệu nano dạng hạt thanh, dây, ống, dung dịch... Các vật liệu nano có thể là các kim loại hay oxit, các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các chất bán dẫn... Thí dụ như các hạt nano: Au, Ag, TiO2, SiO2, ZrO2, Fe2O3…; các ống, dây và thanh nano: C, Au, Pt, Ag, TiO2, ZnO…; các màng nano: SiO2, TiO2 các hạt nano tinh thể bán dẫn có cấu trúc chấm lượng tử (quantum dot) như ZnS, CdSe… Tất cả các vật liệu nano đều bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ bé của chúng. Những đặc điểm và tính chất mới lạ xuất hiện so với các vật liệu khối. Có ba nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biết này: thứ nhất là tác động của các hiệu ứng lượng tử khi hạt có kích thước nano. Các hạt không tuân theo quy luật vật lý cổ điển nữa, thay vào đó là các quy luật vật lý lượng tử mà hệ quả quan trọng là các đại lượng vật lý bị lượng tử hóa; thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thước của hạt 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 lượng càng lớn; cuối cùng là hiệu ứng tới hạn, xảy ra khi kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Từ ba yếu tố này các tính chất mới lạ của vật liệu nano đã được nghiên cứu và ứng dụng tạo ra những sản phẩm mang tính đột phá phục vụ cho đời sống con người. Vật liệu nano có thể tồn tại ở hai dạng là kết tinh và vô định hình. Hiện nay, các hạt nano tinh thể được nghiên cứu nhiều, thì vật liệu nano vô định hình không dành được nhiều chú ý do chúng không đa dạng bằng vật liệu tương ứng ở dạng tinh thể. Vật liệu nano vô định hình chỉ có trật tự gần, nên chúng có cấu trúc và tính chất hoàn toàn khác biệt so với dạng tinh thể. Chính vì vậy, việc nghiên cứu vật liệu nano vô định hình là một lĩnh vực khá mới mẻ, có tiềm năng ứng dụng vào công nghệ và cuộc sống. Nhận thấy điều đó, chúng tôi đã tiến Hoàng Thanh Cao 1 Vật lí chất rắn
  8. Lời nói đầu Luận văn tốt nghiệp hành khảo sát, nghiên cứu các vật liệu nano vô định hình, mà cụ thể ở đây là vật liệu nano oxit sắt vô định hình do sự phổ biến, phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp và tính ứng dụng cao của vật liệu này. Oxit sắt vô định hình có nhiều tính chất mới lạ so với oxit sắt ở dạng kết tinh, trong đó đặc biệt phải kể đến tính xúc tác và hấp phụ, có nguyên nhân từ diện tích bề mặt lớn của vật liệu vô định hình. Khả năng xúc tác của oxit sắt vô định hình đã được công bố trong nhiều tài liệu khác nhau, đây cũng là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của vật liệu này. Vô định hình là trạng thái giả bền, tức là nó bị già hóa theo thời gian. Vì vậy việc xác định thời gian già hóa để biết thời gian sử dụng của vật liệu là cần thiết. Rất tiếc trên thế giới vấn đề này vẫn chưa được nghiên cứu một cách cụ thể. Do vậy, mục tiêu của luận văn là nghiên cứu quá trình già hóa của vật liệu oxit sắt vô định hình, cụ thể ở đây là quá trình kết tinh. Trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu của tập thể khoa học về vật liệu nano oxit sắt vô định hình[ 38, 39], chúng tôi xác định mục tiêu của luận văn là tập trung nghiên cứu: - Chế tạo và nghiên cứu quá trình kết tinh vật liệu nano oxit sắt vô định hình. - Nghiên cứu khả năng chống lão hóa của vật liệu nano oxit sắt vô định hình bằng cách pha crom. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng 2 mô hình nghiên cứu là phân tích nhiệt và động lực học từ. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung luận văn này được trình bày có hệ thống trong 3 chương, nội dung chính của mỗi chương như sau:  Trong chương 1 trình bày tổng quan về tính chất cơ bản của vật liệu nano, lựa chọn phương pháp chế tạo vật liệu nano vô định hình, mô hình nghiên cứu động lực học kết tinh và ưu điểm của oxit sắt trong việc xử lí asen. Hoàng Thanh Cao 2 Vật lí chất rắn
  9. Lời nói đầu Luận văn tốt nghiệp  Chương 2 mô tả chi tiết phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit vô định hình. Đồng thời nêu lên sơ lược lí thuyết một số phép đo và thống kê chi tiết các thông số kĩ thuật của các thiết bị nghiên cứu đã sử dụng trong luận văn.  Nội dung chính của chương 3 đề cập đến các kết quả chế tạo vật liệu bằng phương pháp hóa siêu âm, nghiêm cứu tính chất của các vật liệu nano oxit sắt Fe2O3 và Fe2-xCrxO3 vô định hình. Hoàng Thanh Cao 3 Vật lí chất rắn
  10. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÔ ĐỊNH HÌNH 1.1. Một số tính chất của vật liệu nano Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ bé của chúng có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này. Ví dụ: vật liệu sắt từ được hình thành từ những đômen, trong lòng một đômen, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mômen từ của nguyên tử ở một đômen khác. Giữa hai đômen có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đômen. Độ dày của vách đômen phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đômen thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đômen này tác động lên nguyên tử ở đômen khác. Hoàng Thanh Cao 4 Vật lí chất rắn
  11. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp Bảng 1.1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu [36]. Độ dài đặc Tính chất Thông số trƣng (nm) Bước sóng của điện tử 10-100 Điện Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1-100 Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Vách đômen, tương tác trao đổi 10-100 Từ Quãng đường tán xạ spin 1-100 Giới hạn siêu thuận từ 5-100 Hố lượng tử (bán kính Bohr) 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Quang Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Hấp thụ Plasmon bề mặt 10-500 Độ dài liên kết cặp Cooper 0.1-100 Siêu dẫn Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Cơ Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0.1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Độ dài Kuhn 1-100 Siêu phân tử Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 Hoàng Thanh Cao 5 Vật lí chất rắn
  12. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp 1.1.1. Hiệu ứng bề mặt Khi kích thước của vật liệu giảm thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nanomet thì các tính chất liên quan đến các nguyên tử bề mặt thể hiện một cách rõ rệt. Kích thước hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. 1.1.2. Hiệu ứng kích thƣớc Hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nanomet. Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano”. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. 1.2. Phân loại vật liệu nano Quá trình tổng hợp các cấu trúc nano khác nhau như hạt, thanh, dây, ống hay các cấu trúc nano kì dị, với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và pha tinh thể cũng đang được tập trung nghiên cứu. Các nghiên cứu đó đã tạo ra được nhiều hệ vật liệu nano mới tùy theo từng mục đích ứng dụng khác nhau. Việc phân loại vật liệu nano cũng chỉ mang tính tương đối, tuy nhiên để làm rõ lĩnh Hoàng Thanh Cao 6 Vật lí chất rắn
  13. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp vực nghiên cứu thì việc phân loại các vật liệu nano là cần thiết. +) Phân loại theo tính chất vĩ mô của vật liệu Dựa vào tính chất vĩ mô của vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành hai loại như sau [13]: Vật liệu nano bất đẳng hướng: là loại vật liệu nano mà hầu hết các tính chất của chúng là không giống nhau trên các hướng không gian khác nhau. Vật liệu nano đẳng hướng: là vật liệu nano có các tính chất đồng nhất theo mọi chiều không gian. +) Phân loại theo hình dáng của vật liệu Dựa vào hình dáng của vật liệu, người ta có một số loại vật liệu nano sau: Vật liệu nano không chiều: là vật liệu mà ở đó cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử (sự giam hãm lượng tử xảy ra theo cả ba chiều không gian). Các vật liệu nano cấu trúc không chiều điển hình là các đám nano, hạt nano, chấm lượng tử nano... [22]. Vật liệu nano một chiều: là vật liệu có tỷ lệ kích thước chiều dài trên chiều rộng (Aspect Ratio) lớn, ví dụ, thanh nano, ống nano và dây nano. Hiện nay từ thực nghiệm người ta cho rằng tỷ lệ aspect ratio (AR) cho hai loại (thanh và ống nano dao động từ 5/1 đến 10/1, còn với dây nano tỷ lệ này thường lớn hơn 20/1 [22]. Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên hai chiều (sự giam hãm lượng tử xảy ra theo một chiều trong không gian). Các vật liệu cấu trúc hai chiều điển hình là các loại màng mỏng, giếng lượng tử… [31]. Ngoài ra còn có các vật liệu cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần của vật liệu có cấu trúc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hay chiều đan xen nhau. +) Phân loại theo mục đích ứng dụng Dựa vào mục đích ứng dụng của các vật liệu nano, người ta có một số Hoàng Thanh Cao 7 Vật lí chất rắn
  14. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp loại vật liệu nano sau: Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực điện tử Hiện nay, vật liệu nano đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử. Điển hình là các loại cảm biến thế hệ mới từ các oxit bán dẫn kích thước nano. Ngoài ra, đã có rất nhiều thiết bị điện tử được tạo ra từ các vật liệu nano như các bộ vi xử lý có tốc độ cao, các linh kiện và thiết bị phát quang loại mới, các màn hình tinh thể lỏng, màn hình plasma, đầu đọc CD, VCD và DVD, điện thoại di động, các đơn vị nhớ…. Ngoài ra, vật liệu nano còn góp phần tăng mật độ thông tin trên thiết bị điện tử [10]. Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực quang học, quang tử Trong quang học quang tử, các hợp chất đất hiếm được sử dụng trong các bề mặt hiển thị huỳnh quang nhiều màu, thiết bị dẫn sóng, vật liệu kích hoạt trong công nghệ lade. Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp truyền thống Cho đến nay, đã có nhiều thiết bị làm lạnh không sử dụng các chất làm lạnh gây ảnh hưởng tới môi trường (HFC, Freon...) được chế tạo dựa trên các hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu nano. Các vật liệu nano cũng được sử dụng để chế tạo các loại pin mặt trời [7], các thiết bị xử lý ô nhiễm không khí, xử lí nguồn nước, hay lọc nước nhiễm asen [1]. Vật liệu nano ứng dụng trong y sinh Trong y học vật liệu nano đã ứng dụng nhiều trong các loại dược phẩm là các phân tử sinh học chữa bệnh tới từng tế bào (ung thư, thần kinh, cảm xúc...), có nhiều loại thuốc nano với diện tích bề mặt lớn và có thể hòa tan trực tiếp vào trong máu mà trên 50% các sản phẩm thuốc chữa bệnh hiện nay không làm được, đặc biệt là đã sử dụng các chip ADN để phát hiện và nhận dạng các chuỗi ADN trên cơ sở ma trận các hạt nano vàng được đính với các chuỗi ADN đã biết [9]. Hoàng Thanh Cao 8 Vật lí chất rắn
  15. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp 1.3. Xu hƣớng chế tạo vật liệu nano Hạt nano có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano ( tiếp cận từ trên xuống – top-down) và hình thành các hạt nano từ việc kết hợp các nguyên tử ( tiếp cận từ dưới lên – bottom- up). Cách tiếp cận thứ nhất gồm các phương pháp nghiền hành tinh, nghiền rung. Cách tiếp cận thứ hai được phân thành hai loại gồm phương pháp vật lí (phún xạ, bốc bay,...) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch và kết tủa từ pha hơi,...). Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo từ chất lỏng từ dùng cho các ứng dụng vật lí như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong các nghiên cứu đầu tiên về chất lỏng từ, vật liệu từ tính oxit sắt Fe3O4, được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt (axít ooleic) và dung môi (dầu, hexan). Chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh sự kết tụ của các hạt. Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành các hạt nano. Chất lỏng từ được chế tạo bằng phương pháp này thường được ứng dụng cho các ứng dụng vật lí [2]. Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nano đã được phát triển từ lâu. Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano với độ đồng nhất khá cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học. Nguyên tắc tạo hạt nano bằng phương pháp hóa học là sự kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển từ thể hơi khi một hóa chất ban đầu bị phân tán [2]. Hoàng Thanh Cao 9 Vật lí chất rắn
  16. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp 1.4. Vật liệu từ tính 1.4.1. Vật liệu thuận từ Vật liệu thuận từ (Paramagnetic substances), là vật liệu có mômen từ nguyên tử. Khi không có từ trường tác dụng, các mômen từ độc lập không tương tác và định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt, do vậy tổng mômen từ trong vật liệu thuận từ bằng 0. Độ cảm từ tương đối χ dương và rất nhỏ (cỡ 10-3 – 10-5). Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ có khuynh hướng quay theo phương của từ trường làm cho mômen từ tổng cộng của vật liệu khác không và tăng lên khi từ trường tăng. Các vật liệu có trật tự từ như sắt từ hay feri từ cũng có tình thuận từ ở nhiệt độ cao. Nguyên nhân của điều này là khi ở nhiệt độ cao, năng lượng nhiệt phá vỡ trật tự từ của vật liệu, các mômen từ định hướng hỗn loạn, do vậy tổng mômen từ trong vật liệu bằng 0 giống như vật liệu thuận từ. Hình 1.1. Hình ảnh minh họa về chất thuận từ Các vật liệu thuận từ thường gặp là các kim loại chuyển tiếp hoặc kim loại đất hiếm, các liên kết có số điện tử chẵn (ví dụ: phân từ oxy, các gốc hữu cơ kép), và các kim loại. Hoàng Thanh Cao 10 Vật lí chất rắn
  17. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp 1.4.2. Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh. Trong đó Fe, Co, Ni, Gd.. là những ví dụ điển hình về loại vật liệu này. Vật liệu sắt từ là các vật liệu có mômen từ nguyên tử. Nhưng nó khác biệt so với các vật liệu thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction). Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đômen từ) mà trong mỗi đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau (do tương tác trao đổi), tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0. Có thể nói rằng chất sắt từ có 2 đặc trưng quan trọng là: tính trễ (hysteresis behavior) và nhiệt độ Curie TC. Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra: - Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường - Sự quay của các mômen từ theo hướng từ trường Hình 1.2. Hình ảnh các đômen từ trước (a) và sau khi đặt từ trường (b). Hoàng Thanh Cao 11 Vật lí chất rắn
  18. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp Ở trạng thái khử từ, các mômen từ sắp xếp bất trật tự làm cho vật liệu sắt từ chưa có từ tính. Nhưng nếu ta đặt vào một từ trường ngoài, mômen từ có xu hướng định hướng theo từ trường ngoài làm từ độ tăng dần lên. Nếu ta tiếp tục tăng đến một giới hạn gọi là trường bão hoà, thì tất cả các mômen từ sẽ hoàn toàn song song với nhau và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duy nhất, khi đó từ độ sẽ đạt cực đại và không thể tăng nữa, gọi là từ độ bão hoà. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng không hỗn độn được) do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dư. Muốn khử hoàn toàn từ dư, ta phải đặt vào một từ trường ngược gọi là lực kháng từ HC và nếu ta đặt từ trường theo 1 chu trình kín, ta sẽ có 1 đường con kín gọi là đường cong từ trễ (hình 1.3). Hình 1.3. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ Nhiệt độ Cuire (TC) cũng là một đặc trưng rất quan trọng của vật liệu sắt từ. Đó là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất tính sắt từ và trở thành chất thuận từ. Có nghĩa là ở nhiệt độ T < TC, vật liệu là sắt từ, còn nếu T > TC thì do năng lượng nhiệt thắng năng lượng định hướng của các mômen từ, các mômen từ không còn giữ được trạng thái định hướng nữa, mà bị hỗn loạn và trở thành vật liệu thuận từ. Hoàng Thanh Cao 12 Vật lí chất rắn
  19. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp Hình 1.4. Nhiệt độ Cuire, nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ Ngày nay có rất nhiều loại vật liệu có tính sắt từ đã được tìm ra và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống như: các kim loại (kim loại chuyển tiếp và kim loại đất hiếm), các hợp kim (hợp kim Fe-Si, Fe-Ni hay còn gọi là hợp kim Permalloy, …), các oxit. Vật liệu sắt từ với từ tính mạnh và khả năng ứng dụng lớn là đối tượng nghiên cứu được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực từ học. Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của từ trường ngoài) và khử từ khác nhau. Từ tính chất này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2 nhóm chất sắt từ: a. Sắt từ mềm Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 102Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài. Hoàng Thanh Cao 13 Vật lí chất rắn
  20. Chương 1 Luận văn tốt nghiệp b. Vật liệu từ cứng Nhóm vật liệu sắt từ thứ hai lại có tính chất trái ngược với nhóm thứ nhất. Chúng khó bị từ hóa, khó bị khử từ (đó là tính chất "cứng"), tức là có lực kháng từ lớn (trên 102Oe) nhưng lại thường có từ độ bão hòa thấp. 1.4.3. Vật liệu phản sắt từ Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Hình 1.5. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ Vật liệu phản sắt từ được liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Đôi khi, cũng có người gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ bởi từ tính của chúng cũng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt nguồn từ tương tác trao đổi giữa các spin. Nếu như tương tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là tương tác trao đổi dương, làm cho các spin song song nhau thì tương tác trao đổi trong phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song với nhau. Đối với vật liệu nano có cấu trúc phản sắt từ, nhiều bằng chứng đã cho thấy chúng có tính sắt từ yếu. Điều này có thể đến từ 2 nguyên nhân. Thứ nhất, diện tích bề mặt của hạt nano lớn trong khi vùng bề mặt chứa nhiều khuyết tật, Hoàng Thanh Cao 14 Vật lí chất rắn
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.09: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Quản Trị Kinh Doanh
81 tài liệu
1643 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2