Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hạt nano FePd bằng phương pháp điện hóa siêu âm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là chế tạo thành công hạt nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau bằng phương pháp điện hóa siêu âm; nghiên cứu chuyển pha bất trật tự - trật tự của cấu trúc của vật liệu; nghiên cứu tính chất từ của hạt nano FePd chế tạo được. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hạt nano FePd bằng phương pháp điện hóa siêu âm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Phƣơng Loan NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO FePd BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Phƣơng Loan NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO FePd BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH. NGUYỄN HOÀNG LƢƠNG Hà Nội –2015
Luận văn này đƣợc thực hiện tại Trung tâm Nano và Năng lƣợng -Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên và tại Trung tâm Khoa học Vật liệu - Khoa Vật lý - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Luận văn đƣợc thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí của đề tài “Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của các hạt nano trên nền Fe và Co”, mã số 103.02-2013.61 do Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) tài trợ.
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... 1 Danh mục bảng biểu.................................................................................................... 3 Danh mục hình vẽ ....................................................................................................... 4 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 9 1.1. Vật liệu FePd ........................................................................................................9 1.1.1. Giản đồ pha của hệ FePd ............................................................................. 9 1.1.2. Cấu trúc tinh thể của hệ hợp kim FePd ...................................................... 10 1.1.3. Chuyển pha bất trật tự - trật tự của FePd có cấu trúc L10 ........................ 12 1.2. Tính chất từ ........................................................................................................12 1.2.1. Dị hướng từ ................................................................................................. 12 1.2.2. Mối quan hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc ................................ 13 1.2.3. Tính chất từ của FePd ................................................................................ 14 1.3. Phƣơng pháp chế tạo hạt nano ...........................................................................16 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................ 20 2.1. Chế tạo mẫu ........................................................................................................20 2.2. Xử lý mẫu sau chế tạo ........................................................................................22 2.3. Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất của hạt nano FePd .....................22 2.3.1. Phân tích thành phần mẫu bằng phép đo phổ tán sắc năng lượng EDS .... 22 2.3.2. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X ..................22 2.3.3. Phân tích vi hình thái bằng kính hiển vi điện tử truyền qua ...................... 23 2.3.4. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung ................................................ 25 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 27 3.1. Phân tích thành phần hạt nano FePd bằng phổ tán sắc năng lƣợng ...................27 3.2. Vi hình thái của hạt nano FePd ..........................................................................28 3.3. Cấu trúc và hằng số mạng của hạt nano FePd....................................................30 3.4. Tính chất từ ........................................................................................................42 1
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 49 2
Danh mục bảng biểu Bảng Nội dung Trang Tính chất nội tại của FePd khi so sánh với tính chất của các vật liệu có khả năng ứng dụng làm nam châm 1.1 15 vĩnh cửu và các vật liệu ghi từ điển hình khác 3.1 Hằng số mạng của hệ mẫu FexPd100-x ngay sau khi 35 chế tạo 3.2 Hằng số mạng theo nhiệt độ ủ của hệ mẫu FexPd100-x 36 3.3 Tỉ số c/a theo nhiệt độ ủ của hệ mẫu FexPd100-x 38 3.4 Kích thƣớc hạt (nm)của các mẫu FexPd100-x 39 3
Danh mục hình vẽ Hình Nội dung Trang 1.1 Giản đồ pha của hợp kim FePd 9 1.2 Cấu trúc tinh thể của pha bất trật tự A1 (fcc)(a) 10 và trật tự L10(fct) (b) của hợp kim Fe-Pd. 1.3 a) Cấu trúc L10, b) Cấu trúc L12, c) Cấu trúc A1. 11 1.4 Hệ điện hóa siêu âm. 18 1.5 Xung dòng điện và xung siêu âm theo thời gian. 19 2.1 Quy trình chế tạo mẫu FePd. 21 2.2 Bình 3 cổ đựng hỗn hợp dung dịch Fe(C2H3O2)2, 22 Pd(C2H3O2)2 , Na2SO4 lúc đầu 2.3 Bình 3 cổ đựng hỗn hợp dung dịch Fe(C2H3O2)2, 22 Pd(C2H3O2)2, Na2SO4 sau khi điện hóa siêu âm 2h 2.4 Nhiễu xạ kế tia X D5005 tại TTKHVL. 24 2.5 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua. 25 2.6 Kính hiển vi điện tử truyền qua. 25 2.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị VSM. 27 3.1 Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Fe50Pd50. 28 3.2 Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Fe60Pd40. 29 3.3 Ảnh TEM của mẫu Fe60Pd40 ngay sau khi chế tạo (a) 30 và biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt (b). 4
3.4 Ảnh TEM của mẫu Fe60Pd40 khi ủ tại 6000C/1 h (a) và 30 biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt (b). 3.5 Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu FePd ngay sau khi chế 33 tạo và khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. a) Fe42Pd58; b) Fe50Pd50; c) Fe55Pd45;d) Fe60Pd40; e) Fe63Pd37. 3.6 Đồ thị sự phụ thuộc hằng số mạng vào nhiệt độ ủ của 37 các mẫu FePd khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. a) Fe42Pd58; b) Fe50Pd50; c) Fe55Pd45; d) Fe60Pd40; e) Fe63Pd37. 3.7 Đồ thị sự phụ thuộc kích thƣớc hạt vào nhiệt độ ủ 41 a) Fe42Pd58; b) Fe50Pd50; c) Fe55Pd45; d) Fe60Pd40; e) Fe63Pd37. 3.8 Đƣờng cong từ trễ của các mẫu FePd ủ tại các nhiệt độ 44 khác nhau. a) Fe42Pd58; b)Fe50Pd50; c) Fe55Pd45; d) Fe60Pd60; e) Fe63Pd37. 3.9 Đƣờng cong từ trễ của các mẫu FexPd100-x ủ tại 6000C 45 với các thành phần 5
x = 42, 50, 55, 60, 63. 3.10 Sự phụ thuộc lực kháng từ vào nhiệt độ ủ của hạt 46 nano FePd. 6
MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một trong những 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. 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 các nhà khoa học dành mối quan tâm đáng kể đến việc tăng mật độ ghi từ của vật liệu nhằm giảm kích thƣớc của bit thông tin. Việc tiểu hình hóa các linh kiện điện tử đòi hỏi các vật liệu có lực kháng từ và từ dƣ lớn để đảm báo tính năng của vật liệu. Các vật liệu FePt, CoPt, FePd với dị hƣớng từ tinh thể lớn, từ độ bão hòa lớn, độ ổn định hóa học cao… có khả năng ứng dụng trong các linh kiện ghi từ mật độ cao. Do vậy, bên cạnh vật liệu FePt và CoPt, vật liệu FePd đã thu hút đƣợc sự chú ý của khá nhiều nhóm tác giả trên thế giới [5,7,12,13,14]. Cho đến nay, ngƣời ta thƣờng chế tạo các vật liệu cấu trúc nano FePd bằng các phƣơng pháp nhƣ: phƣơng pháp hóa khử [2,7], phƣơng pháp rƣợu đa chức [14]... Nguyễn Thị Thanh Vân và đồng nghiệp [1,12,13] đã tiến hành nghiên cứu tính chất từ 7
của hạt nano FePd chế tạo bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. Theo hiểu biết của chúng tôi, hạt nano FePd chƣa từng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp điện hóa siêu âm. Trong khuôn khổ luận vănnày chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hạt nano FePd bằng phương pháp điện hóa siêu âm” Mục tiêu của luận văn: Chế tạo thành công hạt nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau bằng phƣơng pháp điện hóa siêu âm; nghiên cứu chuyển pha bất trật tự-trật tự của cấu trúc của vật liệu; nghiên cứu tính chất từ của hạt nano FePd chế tạo đƣợc. Bố cục của luận văn: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan - trình bày tổng quan về hệ hợp kim FePd, một số đặc trƣng trong cấu trúc tinh thể, tính chất từ và các thông số liên quan 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 FePd. Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - trình bày các kết quả nghiên cứu về tính chất cấu trúc và tính chất từ của hạt nano FePd. Kết luận: nêu những kết luận cơ bản và khái quát nhất về các kết quả đã thu đƣợc trong luận văn. 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu FePd Với nhu cầu nâng cao mật độ ghi từ trên một inch vuông (phổ biến hiện nay là 100 Gb/in2 có thể nâng đến cỡ Tb/in2) và việc tiểu hình hóa các thiết bị ghi từ đã thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các hạt nano từ cứng với các tính chất đặc trƣng nhƣ: năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể cao, lực kháng từ lớn, từ độ bão hòa cao. Hợp kim FePd có thể tồn tại với các trạng thái khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ ủ, hợp phần và trạng thái cấu trúc tinh thể của vật liệu. Khi ủ trong hợp kim đã xuất hiện chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (face-centered tetragonal - fct) L10 kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với ƣu điểm là có lực kháng từ lớn. 1.1.1. Giản đồ pha của hệ FePd Hình 1.1. Giản đồ pha của hợp kim FePd [8]. 9
Hình 1.1 thể hiện giản đồ pha của hệ hợp kim FePd. Trƣớc khi ủ vật liệu có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt (face-centered cubic - fcc). Giản đồ pha chỉ ra rằng tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần nguyên tử Fe và Pd, nhiệt độ ủ thích hợp để có pha trật tự là khác nhau. Các nghiên cứu trƣớc đây đã chỉ ra rằng pha trật tự  1 của hợp kim FePd có cấu trúc fct loại L10 với các hằng số mạng: a = 3,852 Å và c= 3,723 Å. Cấu trúc này đƣợc gọi là pha trật tự L10 của hợp kim FePd. 1.1.2. Cấu trúc tinh thể của hệ hợp kim FePd Nhƣ ta thấy trên hình 1.1, trong trạng thái bất trật tự, cả ba pha trên đều có cấu trúc bất trật tự fcc. Trong trạng thái trật tự, hợp kim Fe-Pd có cấu trúc fct kiểu L10 (hình 1.2); hợp kim FePd3 có cấu trúc fcc kiểu L12. (a) (b) Hình 1.2. Cấu trúc tính thể củapha bất trật tự A1 (fcc)(a) và trật tự L10 (fct) (b) của hợp kim Fe-Pd. Ở cấu trúc trật tự hoàn toàn L10 (fct), các nguyên tử Fe và Pd sẽ lần lƣợt chiếm các mặt phẳng kế tiếp nhau dọc theo trục c của ô nguyên tố, trong khi đó ở cấu trúc bất trật tự A1 (fcc), xác suất các nguyên tử chiếm bất kỳ bặt phẳng nguyên tử nào là hoàn toàn nhƣ nhau. Trong quá trình chuyển pha bất trật tự-trật tự, những nguyên tử Fe và Pd sẽ di chuyển vào trong tinh thể để sắp xếp lần lƣợt trong các mặt phẳng xen kẽ, dẫn 10
đến sự co lại theo phƣơng trục c. Quá trình chuyển pha trật tự xảy ra dọc theo phƣơng tinh thể và hình thành những vùng tứ giác trật tự sao cho trục c của pha fct trở nên song song với một trong các trục [100] của pha fcc. Điều đó dẫn đến ba khả năng định hƣớng cho các hạt có cấu trúc tinh thể fct. Do bán kính nguyên tử của Fe và Pd khác nhau, rFe = 1.56Å và rPd = 1.69Å tạo ra sự biến đổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1. Khi đó pha bất trất tự đƣợc chuyển sang pha trật tự nhờ việc xử lý nhiệt. Chế độ ủ đƣợc điều chỉnh để các nguyên tử có đủ năng lƣợng nhiệt để chuyển động tới vị trí của chúng và định xứ ở đó. Hình 1.3: a) Cấu trúc L10, b) Cấu trúc L12, c) Cấu trúc A1. Với sự hình thành cấu trúc trật tự xa, có hai hiệu ứng quan trọng xảy ra. Đầu tiên là sự thăng giáng về thành phần hoá học dọc theo các trục tinh thể, hiệu ứng thứ hai là hệ quả của hiệu ứng trên, xuất hiện do những thay đổi trong tính đối xứng của ô cơ bản. Lúc này các trục tinh thể tƣơng đƣơng với nhau trong cấu trúc mất trật tự trở 11
nên không tƣơng đƣơng trong cấu trúc trật tự.Hai hiệu ứng này ảnh hƣởng rất mạnh tới tính chất từ vật liệu. Với tính chất chuyển pha cấu trúc đặc biệt từ pha fcc sang pha fct, ngƣời ta tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc và sự thay đổi cấu trúc của vật liệu nano FePd. Bằng cách thay đổi công nghệ hoặc điều kiện xử lý nhiệt để điều chỉnh quá trình chuyển pha này, từ đó điều chỉnh tỷ phần pha trật tự fct trong mẫu. Do đặc điểm không cân bằng vốn có trong quá trình chế tạo nên mẫu FePd ngay sau chế tạo có cấu trúc tinh thể mất trật tự. Cấu trúc trật tự (fct) chỉ xuất hiện sau khi mẫu đã đƣợc xử lý nhiệt. Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu vật liệu nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau (FexPd100-x với x = 42, 50, 55, 60, 63) và khảo sát sự chuyển pha cấu trúc khi ủ tại các nhiệt độ 4500C, 5000C, 5500C, 6000C, 6500C, 7000C. 1.1.3. Chuyển pha bất trật tự - trật tự của FePd có cấu trúc L10 Quá trình chuyển pha bất trật tự-trật tự không chỉ dẫn đến sự thay đổi trong xác suất chiếm giữ các vị trí trong ô nguyên tố mà còn dẫn đến sự biến đổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1. Khi đó pha bất trật tự đƣợc chuyển sang pha trật tự nhờ việc xử lý nhiệt. Chế độ ủ đƣợc điều chỉnh để các nguyên tử có đủ năng lƣợng nhiệt để chuyển động tới vị trí của chúng và định xứ ở đó. Với tính chất chuyển pha cấu trúc đặc biệt từ pha fcc sang pha fct, ngƣời ta tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc và sự thay đổi cấu trúc của vật liệu nano FePd. Bằng cách thay đổi công nghệ hoặc điều kiện xử lý nhiệt để điều chỉnh quá trình chuyển pha này, từ đó điều chỉnh tỷ phần pha trật tự fct trong mẫu. 1.2. Tính chất từ 1.2.1. Dị hƣớng từ 12
Trong vật liệu từ, nội năng phụ thuộc vào hƣớng của độ từ hoá tự phát. Sự phụ thuộc này gọi là dị hƣớng từ. Năng lƣợng ứng với dị hƣớng từ gọi là năng lƣợng dị hƣớng từ. Năng lƣợng dị hƣớng có sự đóng góp của năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể, lƣỡng cực và dị hƣớng từ bề mặt Néel. Dị hƣớng từ tinh thể, tăng do tƣơng tác spin - quỹ đạo, rất quan trọng trong việc xác định biểu hiện từ của hạt đơn. Dạng đơn giản nhất của dị hƣớng từ tinh thể là dị hƣớng đơn trục. Trong tinh thể từ, luôn tồn tại một phƣơng dễ từ hoá hơn các phƣơng còn lại. Phƣơng từ hoá dễ thƣờng đồng nhất với trục hình học của tinh thể. Năng lƣợng từ tinh thể Ec phụ thuộc vào hƣớng tƣơng quan của phƣơng từ hoá và trục của tinh thể và đƣợc xác định bởi biểu thức (1.1): Ec  K1 sin 2   K 2 sin 4   ... (1.1) ở đó, θ là góc giữa phƣơng từ hoá và trục dễ, Ki là hằng số dị hƣớng bậc i. Cấu trúc FePd - L10 có lực kháng từ lớn, độ chống ăn mòn hoá học cao. Dị hƣớng đơn trục của loại vật liệu này là do tƣơng tác spin - quĩ đạo lớn của nguyên tử Pd và hiệu ứng lai hóa mạnh của vùng d (Pd) với vùng d (Fe). 1.2.2. Mối quan hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc Các nghiên cứu ghi nhận rằng giá trị lực kháng từ Hc tăng tuyến tính theo tỷ phần pha trật tự có trong mẫu ([Van và các tài liệu trong Van]). Pha trật tự trong mẫu xuất hiện càng nhiều thì càng làm cho Hc lớn. Lý giải cho điều này ngƣời ta căn cứ vào việc xuất hiện các biên pha khi có sự xuất hiện của pha trật tự. Các biên pha này đóng vai trò là các tâm ghim ngăn cản sự dịch chuyển của vách đômen trong mẫu, bản thân các tâm ghim này lại tƣơng ứng với tỷ phần của thể tích pha trật tự. Do đó, giá trị Hc phụ thuộc trực tiếp vào tỷ phần pha trật tự trong mẫu. Khi hợp kim chuyển hoàn toàn sang pha trật tự, Hc giảm theo thời gian ủ. Do kích thƣớc vùng trật tự tăng ứng với thời gian ủ dài dẫn tới việc giảm vùng biên trong 13
toàn bộ mẫu, làm cho các cƣờng độ các tâm ghim giảm xuống, điều này sẽ làm giảm giá trị lực kháng từ trong mẫu. 1.2.3. Tính chất từ của FePd 1.2.3.1. Nguồn gốc tính từ cứng mạnh của FePd Từ tính chỉ tồn tại trong các vật liệu có các lớp electron chƣa đƣợc lấp đầy. Trong kim loại, tính sắt từ có đƣợc là do tƣơng tác trao đổi, nhân tố gây ra sự tách vùng, vì vậy mật độ của các vùng “spin up” và của các vùng “spin down” là khác nhau. Do có sự cạnh tranh giữa năng lƣợng trao đổi và động năng, hiện tƣợng trên chỉ đƣợc quan sát trong vùng hẹp 3d của Fe, Co và Ni. Một số hệ electron linh động nhƣ Pd, Rh và Pt gần nhƣ là các hệ có từ tính. Trong các hợp kim của nguyên tố này với một trong các nguyên tố sắt từ 3d, xuất hiện mômen từ có giá trị đến cỡ 1 magneton Borh thông qua sự lai hóa. Chính vì vậy trong FePd các tính chất từ có nguồn gốc từ sự kết hợp giữa electron 3d của Fe và electron 4d của Pd. Hợp kim có cấu trúc tinh thể đơn trục đƣợc chờ đợi có dị hƣớng từ tinh thể lớn. Đây là trƣờng hợp của pha L10. 1.2.3.2. Tính chất từ Hợp kim FePd L10 có dị hƣớng từ tinh thể đơn trục với hằng số dị hƣớng K1 lớn. Tính chất từ cứng của hợp kim FePd đƣợc so sánh với tính từ cứng của nam châm dị hƣớng cao (bảng 1.1). Bảng 1.1 cho thấy tính chất từ nội tại của hợp kim FePd có giá trị tƣơng xứng với vật liệu cơ sở làm nam châm vĩnh cửu - ngày nay là hợp kim đất hiếm-kim loại chuyển tiếp. 14
Bảng 1.1. Tính chất nội tại của FePd khi so sánh với tính chất của các vật liệu có khả năng ứng dụng làm nam châm vĩnh cửu và các vật liệu ghi từ điển hình khác [6]. Vật liệu K1 (106J/m3) µ0MS (T) TC (K) Nam châm SmCo5 11-20 1,14 1000 vĩnh cửu Nd2Fe14B 4,6 1,60 590 FePt 6,6 - 10 1,43 750 FePd 1,8 1,39 800 CoPt 4,9 1,00 825 Vật liệu MnAl 1,7 0,7 ghi từ Co 0,45 1,76 Hex Co3Pt 2,0 1,39 750 Một số nhóm nghiên cứu đã đạt đƣợc giá trị HC lớn hơn 2 kOe ở hợp kim FePd. Họ nhận ra rằng tính chất từ cứng tốt nhất thu đƣợc bằng cách tạo ra pha bất trật tự hoàn toàn sau đó xử lí nhiệt để chuyển thành pha trật tự. Năm 2006, Watanabe và cộng sự [14] đã chế tạo các hạt nano Fe49,2Pd50,8 bằng phƣơng pháp rƣợu đa chức với các tiền chất ban đầu là Pd(acac)2, Fe(CO)5, ete diphenyl, axit oleic và oleylamine, sau đó thêm Fe(CO)5 vào hỗn hợp. Sau khi ủ nhiệt tại 6000C trong 1 h, cấu trúc của hạt nano FePd chuyển từ cấu trúc bất trật tự fcc sang pha trật tự L10. Giá trị lực kháng từ của mẫu Fe49,2Pd50,8 ủ tại 6000C trong 1 h bằng 2,04 kOe tại 5 K. Các hạt nano FePd chế tạo bằng phƣơng pháp hóa bởi [Chen] không cho thấy chuyển sang pha sau khi ủ ở nhiệt độ khá cao là 7000C. Năm 2009, Sato và đồng nghiệp [11] chế tạo hạt nano FePd bằng phƣơng pháp lắng đọng electron Pd và Fe trên đế NaCl(001) - nhiệt độ đế là 400oC, sau đó phủ màng vô định hình Al2O3 để chống oxi hóa cho hạt. Kích thƣớc hạt đo đƣợc là 10 nm. Các 15
tác giả đã quan sát cấu trúc nguyên tử của các hạt nano L1o-FePd bằng TEM phân giải cao. Các tác giả trên thế giới đã chế tạo hệ vật liệu FePd bằng các phƣơng pháp khác nhau, cho sản phẩm là hạt nano FePd có tính từ cứng với các giá trị lực kháng từ khác nhau. Tuy nhiên, các nhóm tác giả trên thế giới chế tạo các mẫu FePt, FePd hầu hết sử dụng phƣơng pháp hóa, rƣợu đa chức… Ở Việt Nam, nhóm tác giả Nguyễn Thị Thanh Vân và đồng nghiệp [1, 12, 13] cũng đã tiến hành chế tạo vật liệu FePd bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. Theo hiểu biết của chúng tôi, chƣa có nhóm tác giả nào trên thế giới sử dụng phƣơng pháp điện hóa siêu âm để chế tạo hạt nano FePd. Đây là phƣơng pháp tốt và hiệu quả để chế tạo vật liệu nano. Nhóm tác giả Nguyễn Hoàng Nam và đồng nghiệp [9] đã chế tạo hạt nano FePt phƣơng pháp điện hóa siêu âm. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng phƣơng pháp điện hóa siêu âm để chế tạo hạt nano FePd. 1.3. Phƣơng pháp chế tạo hạt nano Có hai phƣơng pháp để chế tạo vật liệu nano, phƣơng pháp “bottom up” (từ dƣới lên) và phƣơng pháp “top down”(từ trên xuống). Phƣơng pháp “bottom up” là tạo hạt nano từ các ion hoặc nguyên tử kết hợp lại với nhau. Phƣơng pháp “top down” là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với các hạt nano kim loại nhƣ nano vàng, bạc, bạch kim… thì phƣơng pháp thƣờng áp dụng là phƣơng pháp từ dƣới lên. Phƣơng pháp từ trên xuống ít đƣợc dùng hơn, nhƣng thời gian gần đây đã có những bƣớc tiến trong việc nghiên cứu theo phƣơng pháp này. Có thể kể các phƣơng pháp chế tạo hạt nano kim loại trên nền kim loại chuyển tiếp hiện nay nhƣ sau: Phƣơng pháp hóa [2, 7]; Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức [14]; … Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp điện hóa siêu âm (thuộc loại phƣơng pháp “bottom up”). 16
Phƣơng pháp điện hóa siêu âm là phƣơng phƣơng pháp trung gian giữa hóa học và vật lý, kết hợp tính ƣu việt của phƣơng pháp hóa siêu âm và phƣơng pháp điện phân. Sử dụng phƣơng pháp điện phân thông thƣờng chỉ có thể tạo đƣợc màng mỏng kim loại. Trƣớc khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi đƣợc điện hóa sẽ tạo ra các hạt nao bám lên điện cực âm. Lúc này chúng ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch. Phƣơng pháp điện hóa siêu âm sử dụng một nguồn điện một chiều gồm một dây dẫn nối với tấm Platin là anot (điện cực dƣơng) và một cực còn lại nối với còi siêu âm làm bằng Titan là catôt (điện cực âm). Nhóm nghiên cứu của Reisse đã mô tả một thiết bị để sản xuất bột kim loại bằng phƣơng pháp điện hóa siêu âm [Error! Reference source not found.,10]. Hình 1.4 mô tả cách bố trí hệ thống, trong đó còi titan vừa là nguồn phát siêu âm, vừa đƣợc sử dụng làm điện cực âm. Còi siêu âm đƣợc đặt đối diện với bề mặt điện cực ở một khoảng cách nhất định. Còi siêu âm đƣợc nối với nguồn và thiết bị điều khiển xung.Điện cực dƣơng đƣợc đặt phía dƣới còi siêu âm theo phƣơng song song với mặt đáy của còi, phần còn lại của điện cực đƣợc cách ly với dung dịch bằng một lớp nhựa plastic, đầu còn lại nối với cực dƣơng của nguồn điện. Hình 1.4: Hệ điện hóa siêu âm. 17