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

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano CuFe2O4

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST
Báo xấu
22
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này tập trung nghiên cứu các mẫu hạt pherit đồng CuFe2O4 có kích thước nano mét bao gồm việc khảo sát các điều kiện công nghệ chế tạo, nghiên cứu các đặc trưng về cấu trúc, hình thái học và các tính chất từ. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano CuFe2O4

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Phạm Văn Thành NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC MẪU HẠT NANO CuFe2O4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Phạm Văn Thành NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC MẪU HẠT NANO CuFe2O4 Chuyên ngành: Vật Lý Nhiệt Mã số: Đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TÔ THANH LOAN GS.TS. LƯU TUẤN TÀI Hà Nội – Năm 2014
  3. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới TS. Tô Thanh Loan và GS.TS. Lưu Tuấn Tài – những người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Thầy và cô không chỉ truyền thụ những kiến thức khoa học bổ ích, giúp tôi định hướng phát triển nghiên cứu mà còn là tấm gương sáng về tinh thần nghiên cứu khoa học hăng say, nghiêm túc. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới NCS. Nguyễn Kim Thanh. Chị không những là đồng nghiệp trong nghiên cứu khoa học mà còn như một người chị luôn quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo, động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TSKH. Thân Đức Hiền, PGS.TS. Nguyễn Phúc Dương, NCS. Lương Ngọc Anh, cùng các anh chị trong nhóm Vật liệu Từ - Viện ITIMS – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ, đóng góp những ý kiến chân thành và hết sức quý giá cho luận văn của tôi. Cũng xin được cảm ơn Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học KHTN, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành các phép đo từ. Đặc biệt, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, thầy cô và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chia sẻ những khóa khăn với tôi trong suốt thời gian qua. Đó cũng là những động lực chính giúp tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Văn Thành PHẠM VĂN THÀNH VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  4. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS. Tô Thanh Loan, GS.TS. Lưu Tuấn Tài, và NCS. Nguyễn Kim Thanh. Mọi thông tin tham khảo dùng trong luận văn được trích dẫn rõ ràng. Các số liệu kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Văn Thành PHẠM VĂN THÀNH VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  5. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................iv DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................vi LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1 CHƢƠNG 1 ...............................................................................................................4 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN .................................................4 1.1. Tính chất cơ bản của vật liệu pherit spinen dạng khối .....................................4 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của pherit spinen .............................................................4 1.1.2. Tính chất từ của pherit spinen ....................................................................7 1.1.2.1. Tương tác trao đổi trong pherit spinen ................................................7 1.1.2.2. Lý thuyết trường phân tử đối với pherit spinen có hai phân mạng từ (trường hợp T ≤ TC) ..........................................................................................9 1.2. Tính chất cơ bản của pherit spinen CuFe2O4 dạng khối .................................13 CHƢƠNG 2 .............................................................................................................15 VẬT LIỆU PHERIT SPINEN CÓ KÍCH THƢỚC NANO MÉT ......................15 2.1. Các tính chất đặc trưng của vật liệu nano pherit spinen .................................15 2.1.1. Dị hướng từ bề mặt ...................................................................................16 2.1.2. Sự suy giảm mômen từ trên mô hình cấu trúc lõi-vỏ ...............................18 2.1.3. Hình thành cấu trúc đơn đômen .................................................................19 2.1.4. Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch...................................................21 2.1.5. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến lực kháng từ......................................23 2.1.6. Tính chất siêu thuận từ .............................................................................24 2.1.7. Sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha trật tự - mất trật tự (TC) khi giảm kích thước hạt ............................................................................................................28 2.2. Hệ hạt nano pherit spinen CuFe2O4 ................................................................28 2.2.1. Phương pháp chế tạo ảnh hưởng đến kích thước hạt ................................29 2.2.1.1. Phương pháp nghiền bi ......................................................................29 2.2.1.2. Phương pháp đồng kết tủa .................................................................30 PHẠM VĂN THÀNH i VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  6. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 2.2.1.3. Phương pháp sol-gel ..........................................................................32 2.2.1.4. Phương pháp thủy nhiệt .....................................................................33 2.2.2. Những nghiên cứu về hạt nano pherit spinen đồng ..................................34 CHƢƠNG 3 .............................................................................................................42 CHẾ TẠO MẪU VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ..........................................42 3.1. Chế tạo mẫu ....................................................................................................42 3.1.1. Chuẩn bị hóa chất và thiết bị ....................................................................42 3.1.1.1. Hóa chất .............................................................................................42 3.1.1.2. Thiết bị ...............................................................................................43 3.1.2. Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất hạt nano pherit spinen đồng .....44 3.2. Khảo sát thực nghiệm ....................................................................................46 3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ....................................................................46 3.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..............................47 3.2.3. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) .......................................................49 CHƢƠNG 4 .............................................................................................................51 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................51 4.1. Thành phần pha, cấu trúc và hình thái của hạt nano CuFe2O4 .......................51 4.1.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X .........................................................................51 4.1.2. Kết quả phân tích ảnh TEM .....................................................................54 4.2. Nghiên cứu tính chất từ của hạt nano CuFe2O4 ..............................................55 4.2.1. Quá trình từ hóa ........................................................................................55 4.2.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt tới mômen từ của hạt nano CuFe2O4 ......58 4.2.3. Mômen từ tự phát phụ thuộc nhiệt độ, nhiệt độ Curie. ............................59 4.2.4. Ảnh hưởng của phân bố cation tới tính chất từ của hạt nano CuFe2O4....61 KẾT LUẬN ..............................................................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................65 PHẠM VĂN THÀNH ii VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  7. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Chữ viết tắt FC : Làm lạnh có từ trường (field cooled) TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope) TGA: Phân tích khối lượng (Thermogravimetry Analysis) VSM : Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer) XRD : Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) ZFC : làm lạnh không có từ trường (Zezo field cooled) 2. Các ký hiệu  : Mômen từ riêng của một hạt α : Số mũ tới hạn trong hàm Bloch  : Số mũ độ dài tương quan  : Thời gian hồi phục siêu thuận từ  B : Magnheton - Bohr a, c : các hằng số mạng A : Vị trí tứ diện B : Vị trí bát diện B : Hằng số Bloch DC, dC : Kích thước giới hạn đơn đômen của hạt từ D P : kích thước giới hạn siêu thuận từ d : Kích thước trung bình của hạt DXRD: Kích thước tinh thể theo nhiễu xạ tia X. MS: Mômen từ bão hòa hay mômen từ tự phát ở 0 K. PHẠM VĂN THÀNH iii VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  8. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Bán kính của một số cation.......................................................................6 Bảng 1.2. Tích phân trao đổi của một số vật liệu pherit spinen .................................9 Bảng 1.3. Nhiệt độ Curie, mômen từ của một số pherit spinen tính theo mẫu Néel và số đo mômen từ bão hòa ở 0 K..................................................................................12 Bảng 2.1. Sự thay đổi tính chất từ của các vật liệu từ khi kích thước giảm từ vĩ mô đến nguyên tử . ..........................................................................................................15 Bảng 2.2. Nhiệt độ khóa TB, năng lượng dị hướng EA, hằng số dị hướng từ hiệu dụng Keff và hằng số dị hướng từ bề mặt KS của mẫu nano CuFe2O4 tương ứng với kích thước tinh thể trung bình tính theo nhiễu xạ tia X (dXRD) . ................................17 Bảng 2.3. Sự thay đổi của mômen từ bão hòa MS và lực kháng từ HC theo kích thước tinh thể tính theo XRD và kích thước hạt nano theo TEM của pherit CuFe2O4. ...................................................................................................................................35 Bảng 2.4. Giá trị mômen từ bão hòa MS, lực kháng từ HC theo kích thước hạt d và các pha tương ứng .....................................................................................................37 Bảng 3.1. Danh mục các hóa chất sử dụng. .............................................................42 Bảng 4.1. Hằng số mạng và kích thước tinh thể, kích thước hạt trung bình của các mẫu CuFe2O4. ............................................................................................................52 Bảng 4.2. Giá trị mômen từ tự phát đo tại nhiệt độ 88 K và 293 K của các mẫu CF600, CF700 tương ứng với kích thước tinh thể trung bình DXRD so sánh với mẫu khối ở nhiệt độ 293 K. ...............................................................................................58 Bảng 4.3. Nhiệt độ Curie của các mẫu hạt nano so sánh với mẫu khối...................60 Bảng 4.4. Giá trị mômen từ tự phát ở nhiệt độ 293 K của các mẫu CF800, CF900 tương ứng với kích thước tinh thể trung bình DXRD so sánh với mẫu khối ở nhiệt độ 293 K. Nhiệt độ Curie. ..............................................................................................62 PHẠM VĂN THÀNH iv VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  9. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Bảng 4.5. Sự phân bố cation, mômen từ tự phát ở 0 K theo thực nghiệm của các mẫu hạt nano CuFe2O4 ngoại suy theo hàm Bloch và giá trị mômen từ tự phát ở 0 K theo lý thuyết………………………………………………………………………………63 PHẠM VĂN THÀNH v VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  10. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể pherit spinen. ..................................................................5 Hình 1.2. Các kiểu tương tác trao đổi trong vật liệu từ. ............................................7 Hình 1.3. Một vài dạng cấu hình sắp xếp ion trong mạng spinen; ion A và B là các ion kim loại tương ứng với vị trí tứ diện và bát diện; vòng tròn lớn là ion oxy. ........8 Hình 1.4. Mômen từ phụ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinen. a) dạng Q; b) dạng P; c) dạng N có nhiệt độ bù trừ (TK). ........................................................................11 Hình 1.5. Mômen từ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinen ......................................11 Hình 2.1. Sự phụ thuộc của hằng số dị hướng từ thực vào kích thước trung bình của hạt nano pherit đồng. ................................................................................................18 Hình 2.2. Mô hình lõi-vỏ trong hạt nano từ .............................................................19 Hình 2.3. Cấu trúc đa đômen và đơn đômen trong hạt từ. Phần màu vàng cho thấy spin trên bề mặt hạt thường quay lệch hướng so với mômen toàn bộ hạt. .......20 Hình 2.4. Đồ thị MS(0)–MS(T) phụ thuộc vào nhiệt độ T(K) của hạt nano CuFe2O4 đường nét liền của hình lớn được fit theo hàm Bloch và độ dốc cho ra giá trị của α. Hình nhỏ biểu thị sự phụ thuộc kích thước hạt vào số mũ tới hạn α, đường nét đứt ứng với giá trị α =1,5 tính cho mẫu CuFe2O4 dạng khối..........................................22 Hình 2.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính hạt nano từ ....................23 Hình 2.6. Sơ đồ năng lượng của các hạt từ có spin liên kết khác nhau thể hiện tính sắt từ trong hạt lớn (trên) và tính siêu thuận từ trong một hạt nano (dưới). ............25 Hình 2.7. Đường cong từ hóa của các vật liệu từ. ...................................................25 Hình 2.8. Đường cong từ hóa của hạt nano CuFe2O4 ở 5 K và 300 K . .................26 Hình 2.9. (b) Đường M(T) khi làm lạnh trong từ trường (FC) và làm lạnh không có từ trường (ZFC) của hạt nano CuFe2O4 . .................................................................27 PHẠM VĂN THÀNH vi VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  11. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hình 2.10. Mô hình phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nano. ..........................29 Hình 2.11. Đường cong từ trễ của các mẫu vật liệu nano CuFe2O4 được ủ ở các nhiệt độ (T1) 350°C, (T2) 550°C, (T3) 750°C và (T4) 950°C trong 5 giờ ..............35 Hình 2.12. Sự phụ thuộc của kích thước hạt vào nhiệt độ nung TS (oC) (a) và sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie TC vào nhiệt độ nung TS (oC) (b) của hệ mẫu nano pherit đồng. ..........................................................................................................................36 Hình 2.13. Sensor khí LPG – một trong những ứng dụng của pherit đồng. ............40 Hình 3.1. Sơ đồ hệ phun sương đồng kết tủa, 1. ống dẫn khí, 2.3. bình chịu áp, 4.5. vòi phun sương, 6. bình phản ứng. ............................................................................43 Hình 3.2. Sơ đồ tổng hợp các mẫu hạt nano CuFe2O4 bằng phương pháp phun sương đồng kết tủa. ...................................................................................................45 Hình 3.3. Ghi tín hiệu nhiễu xạ bằng đầu thu bức xạ. (1) Ống tia X, (2) Đầu thu bức xạ, (3) Mẫu, (4) Giác kế đo góc. ...............................................................................46 Hình 3.4. Máy đo nhiễu xạ tia X - SIEMENS D-5005 Bruker (Trung tâm Khoa học Vật liệu – khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội) ......................47 Hình 3.5. Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL) .................................48 Hình 3.6. Giản đồ hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). ..............49 Hình 3.7. Máy DMS 800 Trung tâm Khoa học vật liệu – Đại học Quốc gia Hà Nội ...................................................................................................................................50 Hình 4.1. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu CuFe2O4 theo các nhiệt độ ủ mẫu tương ứng là 600℃, 700℃, 800℃, 900℃. ........................................................................51 Hình 4.2. Sự thay đổi kích thước tinh thể và hằng số mạng các mẫu CuFe2O4 theo các nhiệt độ ủ (Ta ). ...................................................................................................53 Hình 4.3. Ảnh TEM của các mẫu CF600, CF700, CF800, CF900. ........................54 PHẠM VĂN THÀNH vii VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  12. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hình 4.4. Đường cong từ hóa của mẫu CF600 ở nhiệt độ thấp (a) và nhiệt độ cao (b). .............................................................................................................................55 Hình 4.5. Đường cong từ hóa của mẫu CF700 ở nhiệt độ thấp (a) và ở nhiệt độ cao (b) ..............................................................................................................................56 Hình 4.6. Đường cong từ hóa của mẫu CF800 ở nhiệt độ thấp (a) và ở nhiệt độ cao (b). .............................................................................................................................56 Hình 4.7. Đường cong từ hóa của mẫu CF900 ở nhiệt độ thấp (a) và ở nhiệt độ cao (b). .............................................................................................................................57 Hình 4.8. Đường cong từ hóa của các mẫu ủ ở nhiệt độ khác nhau đo tại nhiệt độ 293 K và 88 K. ...........................................................................................................57 Hình 4.9. Đường cong Ms – T của mẫu CF600 và CF700. .....................................59 Hình 4.10. Đường cong Ms – T của mẫu CF800 và CF900. ...................................60 Hình 4.11. Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie vào nhiệt độ ủ (Ta). ............................61 PHẠM VĂN THÀNH viii VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  13. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới đã và đang hình thành một ngành khoa học và công nghệ mới tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống kinh tế - xã hội ở thế kỷ 21, đó là khoa học và công nghệ nano. Nghiên cứu vật liệu nano đòi hỏi kiến thức đa ngành liên quan đến vật liệu có cấu trúc ở kích thước nano mét, nền tảng của nó quy tụ nhiều ngành học bao gồm vật lý, hóa học, toán học, y sinh học, vật liệu học, điện học, cơ học, tin học. Việc nghiên cứu về cách thức chế tạo các vật liệu nano, sau đó là khảo sát một số tính chất của chúng và cuối cùng là ứng dụng các vật liệu đó để tạo ra các sản phẩm tốt phục vụ cho đời sống xã hội là một quy trình mà bất kỳ một nhà nghiên cứu nào trong lĩnh vực này cũng đều mong muốn đạt tới. Trong số các vật liệu nano thì vật liệu nano từ mà đặc biệt là các hệ hạt nano pherit spinen đang được nghiên cứu rất sôi động bởi những đặc tính nổi bật của nó như: điện trở suất ở nhiệt độ phòng khá cao, cách điện, độ tổn hao trong trường tần số là thấp,….[2]. Chúng đã được ứng dụng làm bột mầu, vật liệu chịu lửa, chất lỏng từ, trong ghi từ mật độ cao, việc thu phát, truyền tín hiệu thông tin, tiềm năng ứng dụng trong máy chụp cộng hưởng,…Ngoài ra, việc thay thế đồng hình, đồng hóa trị hoặc không đồng hóa trị các cation còn làm cho số lượng hợp chất spinen tăng lên đáng kể giúp các nhà khoa học có thêm cơ hội mở rộng nghiên cứu. Các mẫu vật liệu nano pherit spinen đồng là đối tượng rất được quan tâm nghiên cứu vì có nhiều tính chất vật lý thú vị và khả năng ứng dụng hữu ích cho cả dân sinh và quốc phòng như làm vật liệu tàng hình, ứng dụng tạo ra nguồn nhiên liệu mới sạch H2 từ các hiệu ứng phân tách nước, các ứng dụng về xúc tác tổng hợp hữu cơ và ứng dụng về xử lý môi trường,…[6, 34]. Các nghiên cứu đã công bố chỉ ra rằng tính chất của CuFe2O4 đặc biệt là từ tính phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp cũng như điều kiện chế tạo hay nói khác đi là kích thước PHẠM VĂN THÀNH 1 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  14. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC hạt và sự phân bố cation giữa hai phân mạng tứ diện và bát diện [35, 41]. Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có giải thích cụ thể về cơ chế thay đổi tính chất vật lý của hệ hạt nano này. Chính vì vậy, luận văn này tập trung nghiên cứu các mẫu hạt pherit đồng CuFe2O4 có kích thước nano mét bao gồm việc khảo sát các điều kiện công nghệ chế tạo, nghiên cứu các đặc trưng về cấu trúc, hình thái học và các tính chất từ. Các mẫu CuFe2O4 được chế tạo bằng phương pháp phun sương đồng kết tủa, sử dụng dung dịch muối sắt clorua, muối đồng clorua và dung dịch natri hidroxit kết hợp với ủ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. Đây là phương pháp chế tạo đơn giản, tiết kiệm năng lượng, cho kết quả mẫu bột, mịn đồng đều. Hạt được tạo thành đã được khảo sát cấu trúc và hình thái bằng phép đo nhiễu xạ XRD và ảnh TEM. Tính chất từ của các mẫu được khảo sát thông qua các phép đo VSM, qua đó, các đại lượng như mômen từ, nhiệt độ Curie,…đã được nghiên cứu. Luận văn được viết thành 70 trang bao gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung, kết luận và cuối cùng là tài liệu tham khảo. Cụ thể cấu trúc của luận văn như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về cấu trúc và các tính chất cơ bản của vật liệu dạng khối của pherit spinen nói chung và vật liệu pherit đồng nói riêng. Chương 2: Trình bày tổng quan những tính chất cơ bản của vật liệu pherit spinen có kích thước hạt cỡ nano mét, các phương pháp chế tạo hạt nano từ và một số tính chất từ của các mẫu hạt nano pherit đồng đã được nghiên cứu trong những năm gần đây ở phạm vi trong nước và quốc tế. Chương 3: Trình bày quy trình chế tạo mẫu nano pherit đồng bằng phương pháp phun sương đồng kết tủa kết hợp với ủ nhiệt ở nhiệt độ cao và các phương pháp khảo sát thực nghiệm đã vận dụng trong khóa luận để nghiên cứu tính chất từ của mẫu hạt nano CuFe2O4. Chương 4: Tổng hợp các kết quả đã đạt được của luận văn và đưa ra những ý kiến thảo luận xung quanh những kết quả ấy, từ đó đưa ra những kết luận về sự ảnh PHẠM VĂN THÀNH 2 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  15. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC hưởng của kích thước hạt và phân bố cation tới mômen từ bão hòa và nhiệt độ Curie. Phần kết luận: tổng kết tất cả các kết quả nghiên cứu chính đã đạt được của luận văn. Tài liệu tham khảo. PHẠM VĂN THÀNH 3 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  16. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN B. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN 1.1. Tính chất cơ bản của vật liệu pherit spinen dạng khối 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của pherit spinen Các pherit spinen có cấu trúc tinh thể của khoáng spinen MgOAl2O3 và trong trường hợp đơn giản (không chứa hơn hai cation hóa trị khác nhau) các pherit spinen còn được biểu diễn bằng công thức hóa học chung: Me2+O2-Fe23+O32- = MeFe2O4 với Me2+ là các ion kim loại hóa trị II như: Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+,....với bán kính nằm trong khoảng 0,6 0,8 Å . Tên gọi của pherit mang tên ion hóa trị hai, ví dụ: CuFe2 O 4 - pherit đồng; CoFe 2 O4 - pherit coban; MnFe 2 O4 - pherit mangan,… Ngoài dạng pherit spinen đơn giản còn có các pherit hỗn hợp, trong đó các ion hóa trị +2 và hóa trị +3 được thay thế bằng tổ hợp các ion khác với các điều kiện cân bằng hóa trị trong biểu thức hóa học và tinh thể hóa cho phép. Với bán kính ion oxy là 1,32 Å lớn hơn nhiều so với bán kính ion kim loại do đó các ion O2- trong mạng hầu như nằm sát nhau và tạo thành một mạng lập phương tâm mặt xếp chặt (fcc) với hằng số mạng tinh thể a  8,4 Å và tạo nên các lỗ trống tứ diện (vị trí A) và bát diện (vị trí B) (hình 1.1). Một ô cơ bản của pherit spinen chứa 8 biểu thức MeFe2O4 với 32 anion oxy tạo nên 64 lỗ trống tứ diện và 32 lỗ trống bát diện. Tuy nhiên, chỉ có 8 lỗ trống tứ diện và 16 lỗ trống bát diện có các cation kim loại chiếm chỗ [2]. PHẠM VĂN THÀNH 4 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  17. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN Ngoài ra, các pherit spinen có thể được biểu diễn bằng công thức tổng quát  Me  A B 2 1 Fe3  Me2 Fe23  O42 , với tham số  (0 ≤  ≤ 1) biểu thị mức độ đảo của spinen và cho biết số lượng cation Fe3+ ở vị trí tứ diện. Căn cứ vào sự phân bố cation, người ta phân pherit spinen thành các loại như sau [2]: • Spinen thường: (  = 0) tất cả các ion kim loại Me 2 + nằm ở vị trí tứ diện A và các ion Fe2+ chiếm vị trí bát diện B Sự sắp xếp này được biểu thị dưới dạng:  Me  A B 2  Fe23  O42 . Ví dụ ZnFe2O4; CdFe2O4; … • Spinen đảo: (  = 1) tất cả các ion Me 2 + nằm ở vị trí B, các ion Fe 3 + còn lại phân chia đều ở hai vị trí A và B. Dạng cấu trúc của pherit spinen đảo là  Fe  A B 3  Me2 Fe3  O42 . Ví dụ NiFe2O4; CoFe2O4; … Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể pherit spinen. • Spinen hỗn hợp: (0 <  < 1) Cation Me2+ và Fe3+ chiếm cả hai vị trí A và B PHẠM VĂN THÀNH 5 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  18. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN với công thức sau:  Me12 Fe3   Me2 Fe23  O42 . Pherit MnFe2O4 đặc trưng cho A B kiểu cấu trúc này và có mức độ đảo là  = 0,2:  Mn0.8   Mn0.22 Fe1.83  O42 A B 2 3 Fe0.2 Có 3 yếu tố được cho là ảnh hưởng đến sự phân bố các cation A, B vào các vị trí tứ diện và bát diện, đó là: - Độ lớn của bán kính ion: Vị trí tứ diện có thể tích nhỏ hơn vị trí bát diện do đó chủ yếu các cation có kích thước nhỏ hơn được phân bố vào vị trí tứ diện. Thông thường các ion hóa trị +3 thường có bán kính nhỏ hơn ion hóa trị +2 (bảng 1.1), vậy nên xu thế chủ yếu là tạo thành pherit spinen đảo. - Cấu hình electron: Tùy thuộc vào cấu hình electron của cation mà chúng thích hợp với một kiểu phối trí nhất định. Bảng 1.1 Bán kính của một số cation [24]. Ion Bán kính (Å) O2 - 1,32 Fe2+ 0,74 Fe3+ 0,67 Co2+ 0,72 Co3+ 0,63 Cu2+ 0,69 Ni2+ 0,78 Zn2+ 0,82 - Năng lượng tĩnh điện trong spinen: Sự phân bố ion phụ thuộc vào nhiệt độ nung mẫu, môi trường tạo mẫu và chế độ hạ nhiệt độ mẫu. Độ đảo (  ) của pherit phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức:  (1   )  E / kT e (1.1) (1   )2 PHẠM VĂN THÀNH 6 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  19. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN với kB là hằng số Boltzmann, T: nhiệt độ (K), E: năng lượng cần thiết để tái phân bố cation giữa hai vị trí A và B. Thông thường có giá trị cao nhất khi tôi mẫu từ nhiệt độ cao khi chế tạo mẫu. Nhưng khi làm nguội chậm mẫu từ nhiệt độ cao, tốc độ khuếch tán các ion tương đương với tốc độ làm nguội, tạo nên trạng thái cân bằng năng lượng và do đó giá trị  nhỏ [24]. 1.1.2. Tính chất từ của pherit spinen 1.1.2.1. Tƣơng tác trao đổi trong pherit spinen Tương tác trao đổi là hiệu ứng lượng tử xuất hiện do sự phủ nhau của hai hay nhiều hàm sóng điện tử. Hiệu ứng này được phát hiện độc lập bởi Werner Heisenberg và Pauli Dirac vào năm 1926. Tương tác trao đổi quyết định giá trị nhiệt độ chuyển pha trật tự - mất trật tự từ (TC) [1]. Tương tác trao đổi phụ thuộc vào môi trường không gian xung quanh các nguyên tử và chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn, cường độ của tương tác trao đổi giảm nhanh khi khoảng cách tăng. Hình 1.2. Các kiểu tương tác trao đổi trong vật liệu từ [1]. Năng lượng tương tác trao đổi Eex được tính theo công thức (1.2), trong đó J là tích phân trao đổi, S là spin của điện tử. Eex = -2JijSiSj (1.2) PHẠM VĂN THÀNH 7 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
  20. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINEN Trong các vật liệu từ, có hai kiểu tương tác trao đổi cơ bản sau (hình 1.2): - Tương tác trao đổi trực tiếp (direct exchange interaction): xảy ra khi các hàm sóng của các điện tử của hai nguyên tử lân cận phủ nhau. - Tương tác trao đổi gián tiếp (indirect exchange interaction): xảy ra giữa hai ion từ không có sự phủ nhau của các hàm sóng. Tương tác được thực hiện thông qua sự phân cực của các điện tử dẫn. Trong trường hợp tương tác thực hiện thông qua sự phủ nhau với hàm sóng của ion phi từ trung gian (đối với vật liệu pherit thì đó là các ion oxy) được gọi là tương tác siêu trao đổi. Trong trường hợp này, tương tác trao đổi trực tiếp giữa các ion đó rất yếu, sự sắp xếp trật tự của các mômen từ được quyết định bởi tương tác trao đổi mạnh thông qua quỹ đạo p của ion oxy. Trong vật liệu pherit spinen, có 3 loại tương tác trao đổi A-A, A-B và B-B tương ứng với hai vị trí A, B trong cấu trúc tinh thể [13]. Tích phân trao đổi JAA, JAB, JBB của cả ba tương tác thường có giá trị âm, các spin có định hướng đối song ở các vị trí và sự định hướng này không thay đổi. Tương tác siêu trao đổi phụ thuộc vào sự đối xứng của các quỹ đạo điện tử, sự định hướng không gian của chúng và khoảng cách giữa các ion. α = 129o9’ α = 154o34’ α = 90o α= 125o2’ α = 79o38’ Hình 1.3. Một vài dạng cấu hình sắp xếp ion trong mạng spinen; ion A và B là các ion kim loại tương ứng với vị trí tứ diện và bát diện; vòng tròn lớn là ion oxy. Hình 1.3 cho biết các dạng liên kết có thể cho đóng góp lớn nhất vào năng PHẠM VĂN THÀNH 8 VẬT LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2066 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