- Trần Xuân Hoàng. - CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC MẪU HẠT NANO Y 3-x Gd x Fe 5 O 12. - Trần Xuân Hoàng 1. - Vật liệu nano đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như y học, điện tử, may mặc, thực phẩm v.v. - và vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu để tìm ra những ứng dụng mới. - Trong số đó vật liệu nano từ đặc biệt là các hệ hạt pherit rất thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước cả về các tính chất cơ bản cũng như các khả năng ứng dụng của vật liêu. - Khi đạt kích thước nanomet, các vật liệu này có những tính chất đặc biệt và ưu việt hơn so với vật liệu khối.. - Vật liệu pherit ganet có 3 phân mạng từ trong đó phân mạng tạo bởi các ion đất hiếm (phân mạng c) có mômen từ đối song với hiệu mômen từ của hai phân mạng ion Fe( 2 phân mạng a và d). - Tương tác giữa các ion trong các phân mạng quyết định tính chất từ của vật liệu. - Sự phụ thuộc khác nhau theo nhiệt độ của mômen từ của các phân mạng trong pherit ganet dẫn đến hiện tượng triệt tiêu mômen từ tổng của các hợp chất này tại một nhiệt độ xác định (nhiệt độ bù trừ) dưới nhiệt độ Curie. - Vật liệu pherit ganet có điện trở suất cao, tổn thất điện môi và dòng dò thấp, độ ổn định hóa học cao. - Vật liệu này được biết đến với nhiều ứng dụng trong thực tế như chế tạo linh kiện cao tần, linh kiện truyền dẫn tín hiệu, dẫn truyền thuốc, nhiệt trị ung thư, ứng dụng để tổng hợp ra chất lỏng từ và sử dụng rộng rãi trong công nghệ ghi từ mật độ cao[20-28]… Mỗi ứng dụng yêu cầu các hạt nano từ tính phải có những tính chất khác nhau. - Để thay đổi các tính chất điện, tính chất từ và cấu trúc của mẫu pherit ganet nguyên chất, có thể lựa chọn công nghệ chế tạo mẫu phù hợp hay tiến hành pha tạp các ion phi từ tính hay có từ tính vào trong pherit ganet ta có thể chế tạo được các vật liệu pherit có tính chất như mong muốn.. - Vật liệu Ytri ganet sắt chỉ có hai phân mạng từ do Ytri là nguyên tố không có từ tính. - Cho nên tính chất từ được quyết định bởi tương tác giữa các ion Fe trong hai phân mạng a và d. - Trong khi đó đối với vật liệu ganet sắt với các nguyên tố đất hiếm khác thì phân mạng đất hiếm có từ tính và do vậy xuất hiện thêm tương tác từ. - Trần Xuân Hoàng 2. - của mômen từ trong các phân mạng c. - Để làm sáng tỏ cơ chế đóng góp vào từ độ và các tham số từ khác của các ganet chứa đất hiếm, luận văn này được chọn đề tài “ Cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano Y 3-x Gd x Fe 5 O 12. - Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn: Các mẫu hạt nano pherit ganet Y 3-. - x Gd x Fe 5 O 12 (x =0. - Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất từ của hạt nano pherit ganet Y 3-x Gd x Fe 5 O 12 (x =0. - 3) chế tạo bằng phương pháp sol-gel. - Từ đó làm rõ ảnh hưởng của sự pha tạp Gd lên cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu cụ thể như: hằng số mạng, kích thước hạt, mômen từ, nhiệt độ Curi và nhiệt độ bù trừ.. - Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm kết hợp với phân tích số liệu dựa trên các mô hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm đã công bố. - Các mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng phương pháp sol- gel tại viện ITIMS, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội.. - Cụ thể cấu trúc của luận văn như sau:. - Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit ganet. - Chương này trình bày tổng quan về cấu trúc và tính chất từ của pherit ganet dạng khối, các tính chất đặc trưng của vật liệu ở kích thước nanomet và một số ứng dụng điển hình của hạt nano pherit ganet.. - Chương này giới thiệu về phương pháp sol-gel chế tạo vật liệu có kích thước nanomet và các phương pháp thực nghiệm sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano chế tạo được.. - Kết luận: Các kết luận chính rút ra từ kết quả nghiên cứu của luận văn.. - Trần Xuân Hoàng 3. - CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT GANET. - Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu pherit ganet dạng khối.. - 1.1.1.Cấu trúc tinh thể.. - Pherit ganet có cấu trúc lập phương tâm khối, thuộc nhóm không gian Oh 10 – Ia3d [7-8]. - Một ô đơn vị của pherit ganet chứa 8 đơn vị công thức {R 3 }[Fe 2 ](Fe 3 )O 12 , trong đó R là Y và các nguyên tố đất hiếm như Sm, Eu, Gd, Ho, Dy, Tb, Er, Tm, Yb, Lu. - Các ion kim loại phân bố trong 3 vị trí tinh thể học tạo bởi các ion oxy: ion đất hiếm chiếm vị trí lỗ trống 12 mặt (vị trí 24c), các ion Fe 3+ phân bố trong hai vị trí lỗ trống 8 mặt (vị trí 16a) và 4 mặt (vị trí 24d). - Các lỗ trống này tạo thành 3 phân mạng tương ứng của các ion kim loại: phân mạng đất hiếm {c}, 2 phân mạng sắt [a] và (d). - Hình 1.1 miêu tả vị trí các ion và hình ảnh mô phỏng các phân mạng trong cấu trúc của pherit ganet.. - Trong 1 ô đơn vị của pherit ganet có 24 vị trí lỗ trống 12 mặt, 16 vị trí lỗ trống 8 mặt và 24 vị trí lỗ trống 4 mặt. - Vị trí lỗ trống 12 mặt (24c) là lỗ trống lớn nhất, có cấu trúc trực thoi, thuộc nhóm không gian D 2 -222. - Vị trí lỗ trống lớn thứ hai là vị trí 8 mặt (16a), có cấu trúc bát diện thuộc nhóm C3i-3. - Vị trí nhỏ nhất là vị trí 4 mặt (24d), có cấu trúc tứ diện thuộc nhóm S4-4. - Theo bảng 1.1, khoảng cách giữa ion Fe 3+ và ion O 2- trong 2 phân mạng a và d là 2,01 và 1,87 Å nhỏ hơn khoảng cách giữa ion Y 3+ và. - Trần Xuân Hoàng 4. - Điều này lý giải về tương tác từ giữa các ion Fe 3+ với nhau lớn hơn so với các tương tác khác trong ganet đất hiếm.. - Bảng 1.1: Khoảng cách giữa các ion lân cận trong tinh thể pherit ytri ganet [14]. - Pherit ganet đất hiếm có hằng số mạng giảm theo kích thước ion kim loại đất hiếm, có giá trị trong khoảng từ 12,283Å đến 12,529Å được liệt theo bảng 1.2. - Pherit có hằng số mạng lớn nhất và nhỏ nhất là Sm 3 Fe 5 O 12 và Lu 3 Fe 5 O 12 . - Năm 1967 Geller đã thay thế một phần các ion kim loại đất hiếm (từ La 3+ đến Pm 3. - và nhận thấy hằng số mạng của pherit ganet có thể đạt đến giá trị lớn nhất là 12,538 Å. - Trần Xuân Hoàng 5. - Bảng 1.2: Bán kính ion của đất hiếm và hằng số mạng của pherit ganet tương ứng [26]. - Hằng số mạng của pherit R 3 Fe 5 O 12 (Å). - Bên cạnh đó, các ion Fe 3+ ở các vị trí lỗ trống 4 mặt và tám mặt cũng có thể được thay thế một phần hoặc hoàn toàn bởi các ion Al 3. - tùy thuộc vào bán kính ion thay thế và kích thước các lỗ trống, sự cân bằng điện tích của pherit ganet.. - Việc thay thế các ion đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc cũng như các tính chất vật lý của pherit ganet. - Bằng phương pháp pha tạp các nguyên tố từ tính vào phân mạng không từ tính hoặc nguyên tố phi từ vào phân mạng từ của ganet, có thể tính toán được tương tác trao đổi giữa các phân mạng, sự phân bố các ion cũng như khai thác các tính chất đặc biệt của vật liệu mới. - Đây cũng là cơ sở để nghiên cứu và mở rộng các ứng dụng của vật liêu pherit ganet.. - Trần Xuân Hoàng 6 1.1.2. - Tính chất từ.. - Mô men từ và nhiệt độ Curie.. - Mômen từ của pherit ganet phụ thuộc vào mômen từ của các ion Fe 3+ trong phân mạng a, d và ion kim loại đất hiếm R 3+ trong phân mạng c. - Theo mô hình lý thuyết Néel, mômen từ của các ion Fe 3+ trong cùng một phân mạng là song song với nhau, mômen từ của phân mạng a và phân mạng d là đối song. - Tương tác giữa các ion đất hiếm trong cùng phân mạng rất yếu nên có thể coi phân mạng đất hiếm như một hệ các ion thuận từ trong từ trường tạo bởi các phân mạng sắt. - Mômen từ của phân mạng c định hướng ngược với vectơ tổng của mômen từ của hai phân mạng a và d. - Hình 1.2 dưới đây mô tả trật tự từ trong các phân mạng của pherit ganet:. - Hình 1.2: Mô hình trật tự từ trong các phân mạng của pherit ganet. - Mômen từ trong một phân tử ganet phụ thuộc nhiệt độ và được tính theo công thức:. - 2M Fe (T)] (1.1) Đặc biệt đối với YIG, do Y 3+ không có từ tính nên mômen từ của YIG do các ion Fe ở hai phân mạng d và a quyết định, hay M YIG (T. - Mômen từ của YIG phụ thuộc nhiệt độ tuân theo định luật Curie – Weiss [16]. - Trên hình 1.3 là mômen từ bão hòa của hai phân mạng a và d trong YIG theo nhiệt độ, theo nghiên cứu của Anderson [7-8]. - Đường liền nét là đường làm khớp các giá trị thực nghiệm theo hàm Brillouin. - Hiệu hai giá trị mômen từ này là giá trị mômen từ theo nhiệt độ của YIG.. - Trần Xuân Hoàng 7. - Hình 1.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ của giá trị mômen từ tự phát của các phân mạng và mômen từ tổng của YIG [7-8].. - Các giá trị mômen từ M s phụ thuộc nhiệt độ của một số pherit ganet đất hiếm được biểu diễn trên hình 1.4. - Dạng đường cong có điểm nhiệt độ bù trừ T comp (với R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb). - Tại T comp , mômen từ của phân mạng c bằng và ngược dấu với hiệu mômen từ của hai phân mạng Fe (d – a).. - Trần Xuân Hoàng 8. - Sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ của các pherit ganet R 3 Fe 5 O 12. - Có thể nhận thấy, ở nhiệt độ thấp giá trị M s của các pherit ganet đất hiếm lớn hơn nhiều so với YIG, là do đóng góp của mômen từ phân mạng c nhưng ở nhiệt độ phòng, giá trị M s của pherit ganet đất hiếm giảm rất nhanh cùng với sự giảm của mômen từ phân mạng c. - Để minh họa, hình 1.5 biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ tự phát của cả ba phân mạng d, a và c của Gd 3 Fe 5 O 12 . - Giá trị mômen từ tự phát M s của một số pherit ganet ở 4 K và 300 K được liệt kê trong bảng 1.3.. - Một điều đáng nói là mặc dù các ion đất hiếm ở phân mạng c có mômen từ khác nhau nhưng nhiệt độ Curie T C của các ganet tương ứng lại đều xấp xỉ ở vùng nhiệt độ 560 K. - Điều này cho thấy tương tác của các ion Fe 3+ ở hai phân mạng d và a đóng vai trò quyết định tới giá trị T C của ganet. - Sự chênh lệch các giá trị T C của các vật liệu này so với YIG là do sự thay đổi độ lớn của các ion R 3+ tạo nên sự khác biệt về khoảng cách giữa các ion Fe 3+ ở hai phân mạng a và d.. - Trần Xuân Hoàng 9. - Tài (2008), Từ học và vật liệu từ, NXB Bách Khoa.. - And (2007), “Surface effects in maghemite nanoparticles,” J. - Int., vol. - Souad (2013), “Y 3 Fe 5 O 12 prepared by mechanosynthesis from different iron sources”, Adv.Mats. - Rev., vol. - Trần Xuân Hoàng 10. - Phys., vol. - Mater., vol. - Trần Xuân Hoàng 11. - LópezQuintelaz (2004), “Ferromagnetic resonance and magnetic properties of single- domain particles of Y 3 Fe 5 O 12 prepared by sol – gel method”, Phys.. - Kobayashi (1990), “Magnetic properties of Bi 3 Fe 5 O 12 garnet,” J