Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano cufe2o4

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

Trang 3

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

Phạm Văn Thành

Trang 4

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

Trang 5

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 viii CHƯƠNG 1 Error! Bookmark not defined TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT SPINENError! Bookmark not defined

1.1 Tính chất cơ bản của vật liệu pherit spinen dạng khốiError! Bookmark not

defined

1.1.1 Cấu trúc tinh thể của pherit spinen Error! Bookmark not defined 1.1.2 Tính chất từ của pherit spinen Error! Bookmark not defined 1.1.2.1 Tương tác trao đổi trong pherit spinenError! Bookmark not defined

1.1.2.2 Lý thuyết trường phân tử đối với pherit spinen có hai phân mạng từ (trường hợp T ≤ TC) Error! Bookmark not defined

1.2 Tính chất cơ bản của pherit spinen CuFe2O4 dạng khốiError! Bookmark not

defined

CHƯƠNG 2 Error! Bookmark not defined VẬT LIỆU PHERIT SPINEN CÓ KÍCH THƯỚC NANO MÉT Error! Bookmark not defined

2.1 Các tính chất đặc trưng của vật liệu nano pherit spinenError! Bookmark not

defined

2.1.1 Dị hướng từ bề mặt Error! Bookmark not defined 2.1.2 Sự suy giảm mômen từ trên mô hình cấu trúc lõi-vỏError! Bookmark not defined

2.1.3 Hình thành cấu trúc đơn đômen Error! Bookmark not defined 2.1.4 Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch Error! Bookmark not defined 2.1.5 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến lực kháng từError! Bookmark not

defined

Trang 6

2.1.6 Tính chất siêu thuận từ Error! Bookmark not defined

2.1.7 Sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha trật tự - mất trật tự (T C) khi giảm kích

thước hạt Error! Bookmark not defined

2.2 Hệ hạt nano pherit spinen CuFe2O4 Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phương pháp chế tạo ảnh hưởng đến kích thước hạtError! Bookmark not defined

2.2.1.1 Phương pháp nghiền bi Error! Bookmark not defined 2.2.1.2 Phương pháp đồng kết tủa Error! Bookmark not defined 2.2.1.3 Phương pháp sol-gel Error! Bookmark not defined 2.2.1.4 Phương pháp thủy nhiệt Error! Bookmark not defined 2.2.2 Những nghiên cứu về hạt nano pherit spinen đồngError! Bookmark not

defined

CHƯƠNG 3 Error! Bookmark not defined CHẾ TẠO MẪU VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆMError! Bookmark not defined

3.1 Chế tạo mẫu Error! Bookmark not defined 3.1.1 Chuẩn bị hóa chất và thiết bị Error! Bookmark not defined 3.1.1.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined 3.1.1.2 Thiết bị Error! Bookmark not defined

3.1.2 Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất hạt nano pherit spinen đồng

Error! Bookmark not defined 3.2 Khảo sát thực nghiệm Error! Bookmark not defined 3.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 3.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)Error! Bookmark

not defined

3.2.3 Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 4 Error! Bookmark not defined KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

4.1 Thành phần pha, cấu trúc và hình thái của hạt nano CuFe2O4 Error!

Bookmark not defined

4.1.1 Kết quả đo nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 4.1.2 Kết quả phân tích ảnh TEM Error! Bookmark not defined

Trang 7

4.2 Nghiên cứu tính chất từ của hạt nano CuFe2O4Error! Bookmark not defined

4.2.1 Quá trình từ hóa Error! Bookmark not defined

4.2.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt tới mômen từ của hạt nano CuFe2O4

Error! Bookmark not defined 4.2.3 Mômen từ tự phát phụ thuộc nhiệt độ, nhiệt độ Curie.Error! Bookmark

not defined

4.2.4 Ảnh hưởng của phân bố cation tới tính chất từ của hạt nano CuFe2O4

Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

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

Trang 8

 : 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

D C , d C : Kích thước giới hạn đơn đômen của hạt từ

d : Kích thước trung bình của hạt

D XRD: Kích thước tinh thể theo nhiễu xạ tia X

M S : Mômen từ bão hòa hay mômen từ tự phát ở 0 K

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bán kính của một số cation Error! Bookmark not defined Bảng 1.2 Tích phân trao đổi của một số vật liệu pherit spinenError! Bookmark not

defined

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 Error! Bookmark not defined

Bảng 2.1 Sự thay đổi tính chất từ của các vật liệu từ khi kích thước giảm từ vĩ mô

đến nguyên tử Error! Bookmark not defined

Bảng 2.2 Nhiệt độ khóa T B , năng lượng dị hướng E A , hằng số dị hướng từ hiệu dụng K eff và hằng số dị hướng từ bề mặt K S của mẫu nano CuFe 2 O 4 tương ứng với kích thước tinh thể trung bình tính theo nhiễu xạ tia X (d XRD ) Error! Bookmark not

defined

Bảng 2.3 Sự thay đổi của mômen từ bão hòa M S và lực kháng từ H C theo kích thước tinh thể tính theo XRD và kích thước hạt nano theo TEM của pherit CuFe 2 O 4 Error! Bookmark not defined

Bảng 2.4 Giá trị mômen từ bão hòa M S , lực kháng từ H C theo kích thước hạt d và các pha tương ứng Error! Bookmark not defined

Bảng 3.1 Danh mục các hóa chất sử dụng Error! Bookmark not defined Bảng 4.1 Hằng số mạng và kích thước tinh thể, kích thước hạt trung bình của các

mẫu CuFe 2 O 4. Error! Bookmark not defined

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 D XRD so sánh với mẫu khối ở nhiệt độ 293 K Error! Bookmark not defined

Bảng 4.3 Nhiệt độ Curie của các mẫu hạt nano so sánh với mẫu khối Error!

Bookmark not defined

Trang 10

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 D XRD so sánh với mẫu khối ở nhiệt độ

293 K Nhiệt độ Curie Error! Bookmark not defined

Bảng 4.5 Sự phân bố cation, mômen từ tự phát ở 0 K theo thực nghiệm của các mẫu

hạt nano CuFe 2 O 4 ngoại suy theo hàm Bloch và giá trị mômen từ tự phát ở 0 K theo

lý thuyết………63

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể pherit spinen Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Các kiểu tương tác trao đổi trong vật liệu từ.Error! Bookmark not defined

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 Error!

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 (T K ) Error! Bookmark not defined

Hình 1.5 Mômen từ thuộc vào nhiệt độ của pherit spinenError! Bookmark not defined

Hình 2.1 Sự phụ thuộc của hằng số dị hướng từ thực vào kích thước trung bình của

hạt nano pherit đồng Error! Bookmark not defined

Hình 2.2 Mô hình lõi-vỏ trong hạt nano từ Error! Bookmark not defined 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 Error!

Hình 2.4 Đồ thị M S (0)–M S (T) phụ thuộc vào nhiệt độ T(K) của hạt nano CuFe 2 O 4 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 CuFe 2 O 4 dạng khối.Error! Bookmark not defined

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính hạt nano từ Error!

Trang 12

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) Error!

Hình 2.7 Đường cong từ hóa của các vật liệu từ Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Đường cong từ hóa của hạt nano CuFe 2 O 4 ở 5 K và 300 K Error!

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 CuFe 2 O 4 Error! Bookmark not defined

Hình 2.10 Mô hình phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nano.Error! Bookmark

not defined

Hình 2.11 Đường cong từ trễ của các mẫu vật liệu nano CuFe 2 O 4 được ủ ở các nhiệt độ (T 1 ) 350°C, (T 2 ) 550°C, (T 3 ) 750°C và (T 4 ) 950°C trong 5 giờ Error!

Hình 2.12 Sự phụ thuộc của kích thước hạt vào nhiệt độ nung T S ( o C) (a) và sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie T C vào nhiệt độ nung T S ( o C) (b) của hệ mẫu nano pherit đồng Error! Bookmark not defined

Hình 2.13 Sensor khí LPG – một trong những ứng dụng của pherit đồng Error!

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 Error! Bookmark not defined

Hình 3.2 Sơ đồ tổng hợp các mẫu hạt nano CuFe 2 O 4 bằng phương pháp phun sương đồng kết tủa Error! Bookmark not defined

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 Error! Bookmark not defined

Trang 13

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) Error!

Hình 3.5 Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL)Error! Bookmark not

defined

Hình 3.6 Giản đồ hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Error!

Hình 3.7 Máy DMS 800 Trung tâm Khoa học vật liệu – Đại học Quốc gia Hà Nội

Error! Bookmark not defined

Hình 4.1 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu CuFe 2 O 4 theo các nhiệt độ ủ mẫu tương ứng là 600℃, 700℃, 800℃, 900℃ Error! Bookmark not defined

Hình 4.2 Sự thay đổi kích thước tinh thể và hằng số mạng các mẫu CuFe 2 O 4 theo các nhiệt độ ủ (T a ) Error! Bookmark not defined

Hình 4.3 Ảnh TEM của các mẫu CF600, CF700, CF800, CF900.Error! Bookmark

not defined

Hình 4.4 Đường cong từ hóa của mẫu CF600 ở nhiệt độ thấp (a) và nhiệt độ cao

(b) Error! Bookmark not defined

Hình 4.5 Đường cong từ hóa của mẫu CF700 ở nhiệt độ thấp (a) và ở nhiệt độ cao

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 Error! Bookmark not defined

Trang 14

Hình 4.9 Đường cong Ms – T của mẫu CF600 và CF700.Error! Bookmark not

defined

Hình 4.10 Đường cong Ms – T của mẫu CF800 và CF900.Error! Bookmark not

defined

Hình 4.11 Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie vào nhiệt độ ủ (T a ).Error! Bookmark not defined

Trang 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB Đại học Quốc

gia Hà Nội

2 Thân Đức Hiền, Lưu tuấn Tài (2008), Từ học và vật liệu từ, NXB Đại học

Bách khoa Hà Nội

3 Hà Thu Hương, Hoa Hữu Thu, Trương Đình Đức, “Tổng hợp spinen

Cu-Cr-Fe và độ hoạt động xúc tác của chúng trong phản ứng oxidehido hóa

etylbenzen thành styren”, Tạp chí hóa học, T 42 (3), (2004), 280 – 284

4 Nguyễn Kim Thanh, Trần Quang Đạt, Đỗ Quốc Hùng, “ Tổng hợp hạt nano

ferrite Cu0,5Ni0,5Fe2O4 và khảo sát một số tính chất của chúng”, Tạp chí Khoa

học và Công nghệ 50 (1A), (2012), 44-49

5 Phan Văn Trường (2007), Vật liệu vô cơ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội

6 Hoàng Anh Tuấn, Ngô Thị Thuận, Nguyễn Việt Bắc (2011), Nghiên cứu tổng

hợp và chế tạo sơn ngụy trang hấp thụ sóng điện từ radar trên cơ sở polyme

dẫn điện chứa ferocen và pherit spinen, Luận án tiến sĩ Hóa học, Trường đại

học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Tiếng Anh

7 A M Balagurov, I A Bobrikov, M S Maschenko, D Sangaa and V G

Simkin, (2013), Structural Phase Transition in CuFe 2 O 4 Spinel, vol 58, No

5, pp 696-703

8 A Millan, A Urtizberca, F Palacio, N J O Silva, V S Amaral, E Snoeck,

and V Serin (2007), “Surface effects in maghmite nanoparticles” Journal of

Magnetism and Magnetic Materials, (312), pp 709-713

9 A S Padampalle, A D Suryawanshi, V M Navarkhele, D S Birajdar

Trang 16

(2013), “Structural and Magnetic Properties of Nanocrystalline Copper

Ferrites Synthesized by Sol-gel Autocombustion Method”, International

Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE) ISSN: 2277-3878, Volume-2

10 Bahar Nakhjavan, M Sc (2011), Designer Synthesis of Monodisperse

Heterodimer and Ferrite Nanoparticles, pp 22-29

11 B D Cullity and C Graham (1972), Introduction to Magnetic Materials,

Addinson Wesley, Reading, Mass

12 Chejie Xu (2009), Thesis: Modification of Superparamagnetic Nanoparticles

for Biomedical Applications Department of Chemistry at Brown University

13 Chris Riann Vestal (2004), Magnetic coupling and superparamagnetic

properties of spinen ferrite nanopartiles Doctor thesis, Geogia Institute of

Technology, US

14 C M Srivastava, G Srinivasan, and N G Nanadikar (1979), Exchange

constants in spinel ferrites, Physical Review B, Volume 19, Number 1

15 Copper Ferrite-Graphene Hybrid:A Multifunctional Heteroarchitecture for

Photocatalysis and Energy Storage Ind Eng Chem Res, (2012), 51 (36), pp

11700–11709

16 C R Alves., R Aquino, M H Sousa, H R Rechenberg, G F Goya, F A Tourinho, J Depeyrot (2004), “Low temperature experimental investigation

of finite-size and surface effects in CuFe2O4 nanoparticles of ferrofluids”,

Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials Vols 20-21, pp

694-699

17 Elena-Lorena Salaba (2004) Structural and Magnetic Investigations of

Magnetic Nanoparticles and Core-Shell Colloids, Faculty of Natural

Sciences, pp 37-56

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	515,13 KB