Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên nền vật liệu gốm từ và điện môi

Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các Thầy cô trong Bộ môn Vật lý chất rắn đã dạy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐOÀN MẠNH QUANG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ

SÓNG VI BA TRÊN NỀN VẬT LIỆU GỐM TỪ VÀ ĐIỆN MÔI

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO NGUYÊN HOÀI NAM

HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới

TS Đào Nguyên Hoài Nam là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận

tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn tới NCS Chu Thị Anh Xuân người đã luôn tận tình

hướng dẫn, chỉ bảo cho em những kiến thức lý thuyết và thực nghiệm quý giá, luôn giúp đỡ, động viên để em hoàn thành tốt luận văn này

Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các Thầy cô trong Bộ môn Vật lý chất rắn đã dạy dỗ và trang bị cho em những tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua

Ngoài ra, Em xin được gửi lời cảm ơn đối với TS Đỗ Hùng Mạnh là người đứng đầu phòng thí nghiệm Từ và Siêu dẫn, TS Trần Đăng Thành người đầu tiên hướng dẫn em phần thực nghiệm để thực hiện đề tài này

Hơn nữa, Em xin được gửi lời cảm ơn đối với PGS Lê Văn Hồng, PGS.TS Vũ Đình Lãm, TS Ngô Thị Hồng Lê, Ths Phạm Hoài Linh, Ths Đỗ Khánh Tùng đã hỗ trợ và khuyến khích em trong quá trình nghiên cứu

Và đặc biệt, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến những người bạn của tôi Phạm Trường Thọ và Tạ Ngọc Bách, Hoàng Thanh Vân, Phạm Thị Thanh, Nguyễn Hải Yến là những người bạn luôn sẵn sàng giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, để tôi có thể hoàn thành được luận văn thạc sỹ, xin cảm ơn tất cả mọi người

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình, bạn

bè và đồng nghiệp của tôi nguồn động viên hết sức quan trọng nhất là về mặt tinh thần cũng như vật chất để tôi có đủ điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2014

Học viên

Đoàn Mạnh Quang

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đào Nguyên Hoài Nam Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đoàn Mạnh Quang

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

Bảng kí hiệu các chữ viết tắt

MỞ ĐẦU 9

Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG VI BA VỚI VẬT LIỆU Error!

Bookmark not defined

1.1 Tán xạ và phản xạ sóng điện từ gây bởi vật liệuError! Bookmark not defined

1.2 Các cơ chế hấp thụ sóng vi ba Error! Bookmark not defined

1.2.1 Cơ chế tổn hao điện môi Error! Bookmark not defined

1.2.1.1 Phân cực điện tử Error! Bookmark not defined

1.2.1.2 Phân cực tự phát Error! Bookmark not defined

1.2.1.3 Phân cực nguyên tử Error! Bookmark not defined

1.2.1.4 Ion dẫn Error! Bookmark not defined

1.2.2 Cơ chế tổn hao từ Error! Bookmark not defined

1.2.2.1 Tổn hao từ trễ Error! Bookmark not defined

1.2.2.2 Tổn hao cộng hưởng sắt từ Error! Bookmark not defined

1.2.2.3 Tổn hao hồi phục từ Error! Bookmark not defined

1.2.3 Tổn hao xoáy Error! Bookmark not defined

1.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng hấp thụ bề mặt Error! Bookmark not defined

Chương 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

Error! Bookmark not defined

2.1 Quy trình chế tạo các hạt nano La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 (LSMO) và La 1,5 Sr 0,5 NiO 4 (LSNO)Error! Bookmark not defined 2.2 Phương pháp phân tích Error! Bookmark not defined

2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined

2.2.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined

2.2.3 Từ kế mẫu rung (VSM) Error! Bookmark not defined

2.2.4 Phép đo phản xạ, truyền qua và hấp thụ sóng vi baError! Bookmark not

defined

2.2.4.1 Quy trình trải các lớp vật liệu hấp thụ Error! Bookmark not defined

2.2.4.2 Phương pháp đo truyền qua/phản xạ sóng vi ba trong không gian

tự do Error! Bookmark not defined

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

3.1 Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh bề mặt SEMError! Bookmark not defined 3.2 Kết quả khảo sát tính chất từ của các hệ hạt nano chế tạoError! Bookmark not defined

3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của hình thái, kích thước hạt và tính chất từ

vào các điều kiện công nghệ chế tạo các hạt nano La 0,7 Sr 0,3 MnO 3Error! Bookmark not defined

3.3.1 Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt La 1,5 Sr 0,5 NiO 4 (LSNO) Error!

Bookmark not defined

3.3.2 Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 (LSMO) Error!

Bookmark not defined

3.3.3 Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano tổng hợp

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

DANH MỤC CÁC BẢNG

2, 3, 8, 17, 34, 36, 37, 43, 47, 49, 50, 51, 52]Error! Bookmark not defined

xác định tại từ trường 10 kOe) Error! Bookmark not defined

các độ dày khác nhau Error! Bookmark not defined

= 0; 2; 4; 6; 8; 10% Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 So sánh tín hiệu của một bộ khuếch đại dải rộng được đặt trong một

hộp kim loại kín trước và sau khi được dán một lớp MAM dày 1

mm Nguồn: Công ty Laird Technologies 9

băng tần X cho một cột ăng-ten trên tàu sân bay USS Ronald

Reagan Nguồn: Bộ Chỉ huy Hải quân Hoa kỳ.Error! Bookmark not defined.

Hình 3 Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ RL vào tần số f của các mẫu

hỗn hợp với tỷ lệ khối lượng ferit bari-coban chiếm 58, 75 và 80%

[2] Error! Bookmark not defined.

MAM có các độ dày khác nhau gồm các hạt nano hợp kim ba thành

Hình 1.1 Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số [11].Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1 Sơ đồ máy nghiền hành tinh Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu Error! Bookmark not defined.

Hình 2.3 Mô hình minh họa dẫn đến định luật nhiễu xạ Bragg.Error! Bookmark not defined.

Hình 2.4 Máy đo nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined.

Hình 2.5 Hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800.Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Sơ đồ minh họa cho một hệ đo VSM Error! Bookmark not defined.

Hình 2.7 Hình ảnh minh họa một tấm vật liệu hấp thụ kích thước 10cm x 10cm

x 0,3cm Error! Bookmark not defined.

Hình 2.8 Mô hình sóng tới trên một vật liệu hấp thụ điển hình.Error! Bookmark not defined.

Hình 2.9 Sơ đồ lắp mẫu trong phép đo truyền qua (a) và phản xạ (b).Error! Bookmark not defined

Hình 3.4 Phổ XRD (a) và đường cong từ hóa M(H) (b) tại nhiệt độ phòng

của các mẫu LSMO khối, mẫu bột sau nghiền nano và mẫu bột

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của RL và |Z| vào tần số của các tấm vật liệu

mm; (b) d = 2,0 mm; (c) d = 3,0 mm và (d) d = 3,5 mm.Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu

mm; (b) d = 2,0 mm; (c) d = 2,5 mm và (d) d = 3,0 mm.Error! Bookmark not defined.

Hình 3.8 Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu

Hình 3.9 Sự phụ thuộc của RL vào tần số f của các tấm vật liệu

LSMO/paraffin với các độ dày khác nhau khi có đế Al phẳng gắn

chặt phía sau Error! Bookmark not defined.

Hình 3.11 Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu

(100-x)LSNO/xLSMO với các tỷ lệ phần trăm thể tích x khác nhau.Error! Bookmark not defined.

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của RL vào tần số f của các tấm vật liệu

(100-x)LSNO/xLSMO với các tỷ lệ phần trăm thể tích x khác nhau

khi có đế Al phẳng gắn chặt phía sau Error! Bookmark not defined.

(100-x)LSNO/xLSMO có gắn đế Al Error! Bookmark not defined.

BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Những công trình nghiên cứu đầu tiên về vật liệu hấp thụ sóng vi ba (MAM – Microware Absorbing Material) đã được thực hiện vào khoảng những năm 1930 [30] Vật liệu hấp thụ sóng vi ba [43] (trong vùng 3 ÷ 30 GHz) có những ứng dụng hết sức quan trọng trong kỹ thuật chống nhiễu điện từ (ElectroMagnetic Interference - EMI) [7, 27] cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là các tổ hợp thiết bị điện tử di động (như hệ thống thông tin liên lạc cho vệ tinh, máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, hệ thống định vị, phát hiện và theo dõi mục tiêu bằng sóng radio) Các vật liệu này cũng được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng che chắn sóng điện từ, trong an toàn bức xạ và y tế, kỹ thuật phòng tối…(hình 1, 2)

Hình 1 So sánh tín hiệu của một bộ khuếch đại dải rộng được đặt trong một hộp kim loại kín trước và sau khi được dán một lớp MAM dày 1 mm Nguồn: Công ty Laird Technologies

f (GHz)

Không vật liệu

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 Trần Quang Đạt và Đỗ Quốc Hùng (2011), “Tổng hợp và nghiên cứu hằng số điện môi

Vật lý Chất rắn Toàn quốc, A36

2 Đỗ Quốc Hùng, Nguyễn Trần Hà, và Nguyễn Vũ Tùng (2011), “Nghiên cứu phổ hấp

thụ sóng radar băng X của vật liệu composit chứa hạt nano ferrite Barium-Cobalt”,

Tuyển tập Hội nghị Vật lý Chất rắn Toàn quốc, A37

Tiếng Anh

3 A Ghasemi, S E Shirsath, X Liu, and A Morisako (2011), “Enhanced reflection loss

characteristics of substituted barium ferrite/functionalized multi-walled carbon

nanotube nanocomposites”, J Appl Phys, 109, 07A507

4 Abbas, S M., A K Dixit, R Chatterjee, and T C Goel (2005), “Complex permittivity

and microwave absorption properties of BaTiO3-polyaniline composite”,

Materials Science and Engineering B, Vol 125, pp 167-171

5 C K Yuzcelik, Radar Absorbing Materials Design (2003), Systems Engineering,

Naval Postgraduate School, Monterey

6 Chien-Yie Tsay, Yao-Hui Huang, Dung-Shing Hung (2004), “Enhanced microwave

Ceramic international, 40, pp 3947-3951

7 D.D.L Chung (2001), “Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of

Carbon Materials”, Carbon, 39(2), pp 279-285

8 Do Quoc Hung and Nguyen Tran Ha (2011), “Complex permittivity and permeability

Vật lý Chất rắn Toàn quốc, A38

Chichester

10 H Pang, M Fan, and Z He (2012), “A method for analyzing the microwave absorption

properties of magnetic materials”, J Magn Magn Mater, 324, 2492

11 http://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_spectroscopy

12 http://www.microwavetec.com/theor_basics.php

13 Huo, J.& Wang, L.& Yu, H (2009), “Polymeric nanocomposites for electromagnetic

wave absorption”, J Mater Sci., vol 44, pp 3917-3927

14 J Rivas, B Rivas-Murias, A Fondado, J Mira, and M A Señarís-Rodríguez (2004),

“Dielectric response of the charge-ordered two-dimensional nickelate

15 J.Baker-Jarvis (1990), “Transmission/reflection and short-circuit line permittivity

Measurements”, NIST Technical Note

Artech House, Inc, Norwood, USA

17 L Xi, X N Shi, Z Wang, Y L Zuo, J H Du (2011), “Microwave absorption

18 L.Z Wu, J Ding, H.B Jiang, L.F Chen, and C.K Ong (2005), “Particle Size

Influence to the Microwave Properties of Iron Based Magnetic Particulate

Composites”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol 285, no 1–2,

pp 233–239

19 V D Lam, J B Kim, S J Lee, and Y P Lee (2008), “Left-handed behavior of

combined and fishnet structures”, J Appl Phys, 103, 033107

20 V D Lam, J B Kim, S J Lee, Y P Lee, and J Y Rhee (2008), “Dependence of

the distance between cut-wire-pair layers on resonance frequencies”, Opt Express,

16, 5934

21 V D Lam, J B Kim, Y P Lee, and J Y Rhee (2007), “Dependence of the

magnetic-resonance frequency on the cut-wire width of cut-wire pair medium”,

Opt Express, 15, 16651

22 V D Lam, N T Tung, J Y Rhee, and Y P Lee (2009), “Dependence of resonance

frequencies on the lattice constant of cut-wire structures”, J Appl Phys, 105,

113102

23 V D Lam, N T Tung, M H Cho, W H Jang, and Y P Lee (2009), “Effect of the

dielectric layer thickness on the electromagnetic response of cut-wire pair and

combined structures”, J Appl Phys D, 42, 115404

24 Pham Hoai Linh, Do Hung Manh, Tran Dai Lam, Le Van Hong and Nguyen Xuan

Phuc (2011), “Magnetic nanoparticles: study of magnetic heating and

adsorption/desorption for biomedical and environmantal application”, Int J

Nanotechnology, Vol.8, No 3/4/5, pp 399-415

25 M H Shams, S M A Salehi and A Ghasemi (2008), “Electromagnetic Wave

Absorption Characteristics of Mg-Ti Substituted Ba-Hexaferrite”, Materials, Vol

62, No 10-11, pp 1731-1733

26 M Nicolson and G F Ross (1970), “Measurement of the Intrinsic Properties of

Materials by Time-Domain Techniques”, IEEE Transsactions on Instrumentation

and Measurement IM-19, 377

27 M T Ma , M Kanda , M L Crawford and E B Larsen (1985), “A review of

electromagnetic compatibility/interference measurement methodologies” , Proc

IEEE, vol 73, pp 388-411

28 Metaxas, A.C & Meredith, R.J (1983), “Industrial Microwave Heating”, The

Institution of Electrical Engineers, London

29 MINGOS, D M P & BAGHURST, D R (1991), “Applications of microwave

dielectric heating effects to synthetic problems in chemistry”, Chemical society

reviews, 20, pp 1-47

30 Naamlooze Vennootschap Machmerieen (1936), French Patent, 802 728

31 P Freeman (2005), “ Magnetism and the Magnetic Excitations of Charge Ordered

32 P Lunkenheimer, S Krohns, S Riegg, S.G Ebbinghaus, A Reller, and A Loidl

(2010), “Colossal dielectric constants in transition-metal oxide”, Eur Phys J

Special Topics, 180(61).

33 P S Neelakanta (1995), Handbook of Electromagnetic Materials, CRC Press,

Washington D.C

34 S J Yan, L Zhen, C Y Xu, J T Jiang, W Z Shao, L Lu, and J Tang (2011), “The

influence of Fe content on the magnetic and electromagnetic characteristics for

35 S Motojima, Y Noda, S Hoshiya, Y Hishikawa (2003), “Electromagnetic wave

absorption property of carbon microcoils in 12–110 GHz region”, J Appl Phys,

94, 2325

36 S Sugimoto, S Kondo, K Okayama, H Nakamura, D Book, T Kagotani, M

Homma, H Ota, M Kimura, and R Sato (1999), “M-type ferrite composite as a

microwave absorber with wide bandwidth in the GHz range”, IEEE Transactions

on Magnetics, 35, 3154

37 S Sugimoto, T Maeda, D Book, T Kagotani, K Inomata, M Homma, H Ota, Y

Houjou, and R Sato (2002), “GHz microwave absorption of a fine a-Fe structure

and Compounds, 330 332, 301

38 S Wada, Y Furukawa, M Kaburagi, B Kajitan, S Hosoya, Y Yamada (1993), J Phys

Condens, Matter 5, 765–780

39 S.S Kim, S T Kim, Y C Yoon, and K S Lee (2005), “Magnetic, dielectric, and

microwave absorbing properties of iron particles dispersed in rubber matrix in

gigahertz frequencies”, J Appl Phys., vol 97, pp 10F905

40 Szpunar B., Smith V H Jr and J Spalek (1989), “Electronic Structure of

503-511

41 D.T Tran, D.L Vu, V.H Le, T.L Phan, S.C Yu (2013), Adv Nat Sci.: Nanosci