ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Tô Thành Tâm CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC HẠT Fe3O4 VÀ Fe3O4 PHA TẠP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Tô Thành Tâm CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC HẠT Fe3O4 VÀ Fe3O4 PHA TẠP Chuyên ngành: vật lý chất rắn Mã số: 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ THU HƯƠNG Hà Nội - 2013 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ kính trọng lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Ngô Thu Hương, người tận tình bảo, hướng dẫn em suốt thời gian làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Văn Vũ – Giám đốc Trung tâm khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội anh chị cán nghiên cứu trung tâm tạo điều kiện giúp đỡ em trình làm thực nghiệm Em xin gửi lời cảm ơn tới ThS Nguyễn Minh Hiếu, em Lưu Hoàng Anh Thư – học viên cao học khóa 2012 – 2014, sinh viên K54 Nguyễn Thị Khánh Vân Nguyễn Thị Ánh Dương hợp tác nhiệt tình suốt trình làm việc phòng thí nghiệm Em xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo môn Vật lý Chất rắn, khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện thuận lợi cho em trình học tập môn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tới gia đình tất bạn bè, người dõi theo, tạo điều kiện thuận lợi động viên, khích lệ để em hoàn thành tốt luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2013 Học viên Tô Thành Tâm MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ VÀ NANO OXIT SẮT TỪ 1.1 Phân loại vật liệu từ: 1.1.1 Các khái niệm bản: 1.1.2 Vật liệu thuận từ: 1.1.3 Vật liệu nghịch từ: 1.1.4 Vật liệu sắt từ: 1.1.5 Vật liệu phản sắt từ: 1.1.6 Vật liệu feri từ: 1.1.7 Vật liệu từ giả bền: 10 1.1.8 Vật liệu sắt từ kí sinh: 11 1.2 Một số tính chất oxit sắt: 11 1.2.1 Các oxit sắt từ: 11 1.2.2 Cấu trúc tinh thể: 12 1.2.3 Tính chất siêu thuận từ: 14 1.3 Các ứng dụng hạt nano Fe3O4: 16 1.3.1 Chất lỏng từ: 16 1.3.2 Phân tách chọn lọc tế bào: 16 1.3.3 Tăng thân nhiệt cục bộ: 17 1.3.4 Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ: 18 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 19 2.1 Phương pháp chế tạo mẫu: 19 2.1.1 Phương pháp nghiền: 19 2.1.2 Phương pháp thủy nhiệt: 19 2.1.3 Phương pháp vi nhũ tương: 20 2.1.4 Phương pháp đồng kết tủa : 24 2.2 Quy trình chế tạo mẫu : 28 2.2.1 Chế tạo mẫu Fe3-xNixO4: 29 2.2.2 Chế tạo mẫu Fe3-xCoxO 4: 33 2.3 Các phương pháp đo: 34 2.3.1 Phân tích cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X: 34 2.3.2 Chụp ảnh bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét (SEM): 35 2.3.3 Từ kế mẫu rung: 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Kết đo tính chất cấu trúc: 37 3.1.1 Phổ nhiễu xạ tia X: 37 3.1.2 Ảnh SEM: 41 3.2 Kết đo tính chất từ: 45 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Khối lượng chất dùng để chế tạo 1g mẫu Fe3-xNixO4 30 Bảng 2.2: Tổng hợp khối lượng chất dùng để chế tạo mẫu Fe3-xCoxO4 33 Bảng 3.1: Hằng số mạng (a) hệ mẫuFe3-xCoxO4 Fe3-xNixO4 39 Bảng 3.2: Kích thước tinh thể trung bình hạt nano hệ mẫu Fe -x Co x O Fe - x Ni x O 40 Bảng 3.3: Từ độ bão hòa, lực kháng từ mẫu hệ mẫu Fe3-xCoxO4 Fe3-xNixO4 46 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Đường cong từ trễ loại vật liệu từ Hình 1.2: Hình ảnh đơn giản chất thuận từ Hình 1.3: a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ từ trường ngoài; b) Đường cong từ hóa vật liệu nghịch từ Hình 1.4: Định hướng mômen từ chất phản sắt từ Hình 1.5: Cấu trúc Ferrite Spinel 10 Hình 1.6: Oxit sắt tự nhiên 11 Hình 1.7: Cấu trúc spinel Fe3O4 (Fe2,5+ Fe2+ Fe3+ vị trí B) 13 Hình 1.8: Cấu hình spin Fe3O4 ( phần spin tổng cộng) 13 Hình 1.9: Đường cong từ hóa sắt từ ( -) siêu thuận từ ( -) 15 Hình 1.10: Hc phụ thuộc vào đường kính hạt 15 Hình 2.1: Mô tả phụ thuộc phức kim loại vào pH hoá trị chúng 26 Hình 2.2: Những phản ứng Olation tạo thành phức đa nhân 27 Hình 2.3: Phản ứng oxolation từ cầu hydroxy không bền 27 Hình 2.4: Phản ứng oxolation 28 Hình 2.5: Dung dịch 31 Hình 2.6: Dung dịch 31 Hình 2.7: Dung dịch 31 Hình 2.8: Dung dịch A 31 Hình 2.9: Dung dịch B 32 Hình 2.10: Dung dịch C sau lắng 32 Hình 2.11: Các hạt sắt tổng hợp 33 Hình 2.12: Nhiễu xạ kế tia X D5005 TT KHVL 34 Hình 2.13: Kính hiển vi điện tử quét JMS 5410 TT KHVL 35 Hình 2.14: Từ kế mẫu rung DMS 880 TT KHVL 36 Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu Fe3O4 không pha tạp 37 Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X hệ mẫu Fe3-xCo xO4 38 Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X hệ mẫu Fe3-xNixO4 38 Hình 3.4: Ảnh SEM hệ mẫu Fe3O4 41 Hình 3.5: Ảnh SEM hệ mẫu Fe3-xCo xO4 42 Hình 3.6: Ảnh SEM hệ mẫuFe3-xNixO4 43 Hình 3.7: Ảnh SEM ảnh TEM hạt nano Fe3O4 : a) Phương pháp đồng kết tủa b) Phương pháp thủy nhiệt 44 Hình 3.8: Đường cong từ trễ hệ mẫu Fe3-xCoxO4 (x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08) 45 Hình 3.9: Đường cong từ trễ hệ mẫu Fe3-xNixO4 (x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08) 45 MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay, để đáp ứng nhu cầu sống bùng nổ công nghệ thông tin, nhà khoa học nghiên cứu nhiều loại vật liệu mới, vật liệu có kích thước nano Đối tượng nghiên cứu vật liệu tập trung vào dải kích thước từ 1nm tới 100nm Những vật liệu nano dùng thiết bị có đặc tính siêu việt nhỏ hơn, nhanh hơn, bền thêm nhiều đặc tính hoàn toàn so với vật liệu dùng thiết bị chế tạo tảng công nghệ Công nghệ nano kết tinh nhiều thành tựu khoa học nhiều lĩnh vực khác công nghệ có tính khả thi Trong xu hướng phát triển công nghệ nano,hạt nano từ tính Fe3O4là loại vật liệu nghiên cứu nhiều nước quốc tế có nhiều ứng dụng đời sống Một ứng dụng quan trọng hạt nano sắt liên quan đến môi trường khả xử lý nước thải nhiễm Asen Ngoài ra,các hạt nano từ tính biết đến với nhiều ứng dụng y sinh học tính chất từ kích thước nhỏ so với thực thể sinh học tế bào (10-100 μm), virus (20-450 nm) protein (5-50nm) Với khả điều khiển từ trường ngoài, hạt nano từ tính dùng cho mục đích phân tách, chọn lọc tế bào phân tách - loại tế bào đặc biệt khỏi tế bào khác [7] Dẫn truyền thuốcđến vị trí thể người động vật ví dụ ứng dụng hạt nano Trong ứng dụng này, thuốc liên kết với hạt nano có tính chất từ, cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định vị trí thời gian đủ dài để thuốc khuyếch tán vào vị trí mong muốn hay ứng dụng khác phương pháp tăng thân nhiệt cục tế bào ung thư, tăng độ tương phản kĩ thuật hình ảnh cộng hưởng từ sensor [11] Trong hầu hết trường hợp, hạt nano phải phân tán cho hạt có tính chất lý, hóa giống để điều khiển phân phối sinh học loại bỏ sinh học Để đáp ứng yêu cầu ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 phải có từ tính lớn nhờ pha tạp kim loại chuyển tiếp Trong luận văn này, xin trình bày việc chế tạo nghiên cứu hạt nano từ tính Fe3O4 pha tạp Coban Niken thực theo phương pháp đồng kết tủa Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn chia làm chương sau: Chương 1: Tổng quan oxit sắt từ nano oxit sắt từ Chương 2: Phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận CHƯƠNG LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ VÀ NANO OXIT SẮT TỪ 1.1.Phân loại vật liệu từ: Vật liệu từ loại vật liệu mà tác dụng từ trường bị từ hóa, tức có tính chất từ đặc biệt Tùy thuộc vào cách hưởng ứng vật liệu từ từ trường, chúng chia làm nhóm chính: vật liệu từ mềm vật liệu từ cứng - Vật liệu từ mềm: sử dụng chủ yếu lõi nam châm máy biến thế, motor, phần cảm điện, thiết bị tạo nước, dùng làm mạch từ thiết bị dụng cụ điện có từ trường không đổi biến đổi [3] Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn, từ trường khử từ nhỏ, tổn hao từ trễ nhỏ (đường cong từ trễ hẹp) Các tính chất vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học chúng, mức độ biến dạng cấu trúc tinh thể Nếu có loại tạp chất vật liệu, đặc tính vật liệu tốt Vì vậy, sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ tạp chất có hại với chúng: Carbon, Phosphor, Lưu huỳnh, Oxi, Nitơ loại oxit khác Đồng thời phải cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh thể không gây ứng xuất nội Các loại sắt từ mềm gồm: thép kỹ thuật, thép carbon, thép kỹ thuật điện, hợp kim sắt – niken có độ từ thẩm cao oxit sắt từ - Vật liệu từ cứng: vật liệu có từ trường khử từ từ dư lớn, đường cong từ trễ rộng, khó bị từ hóa Khi bị từ hóa lượng từ vật liệu giữ lâu, dùng làm nam châm vĩnh cửu Về thành phần cấu tạo chia thành: + Vật liệu kim loại: kim loại đơn chất (sắt, cobalt, niken) hợp kim từ số kim loại +Vật liệu phi kim loại: thường ferit có thành phần gồm hỗn hợp bột oxit sắt kim loại khác +Điện môi từ: vật liệu tổ hợp, gồm 60 – 80 % vật liệu từ dạng bột 40 – 20% điện môi Ferit điện môi từ có điện trở suất lớn nên làm giảm đáng kể mát dòng điện xoáy Fucault sinh Ngoài ra, nhiều loại ferit có độ ổn định đặc tính từ dải tần số rộng, kể siêu cao tần Một ứng dụng quan trọng vật liệu sắt từ khả ghi từ Hình 1.1 hình biểu diễn đường cong từ trễ loại vật liệu từ Hình 1.1: Đường cong từ trễ loại vật liệu từ 1.1.1.Các khái niệm bản: Xung quanh điện tích chuyển động tồn môi trường đặc biệt gọi từ trường Một dòng điện chạy dây dẫn diện tích S có cường độ i sinh mô men từ M Mô men từ M véc tơ có chiều phụ thuộc vào chiều dòng điện: M = i.S (1) Như vậy, hệ đơn vị chuẩn SI mô men từ có đơn vị chuẩn A.m 2, hệđơn vị CGS mô men từ có đơn vị emu: 1A.m2 = 1000 emu (2) Mô men từ M sinh quanh véc tơ cảm ứng từ B vị trí có bán kính R theo công thức: B= Trong đó: μ = 4μ∗ 10 [ ( ) − ] (3) (H/m) độ từ thẩm chân không Dưới tác dụng từ trường, vật bị từ hóa gọi vật liệu từ Đại lượng đặc trưng cho vật liệu từ từ độ hay độ từ hóa I Đó mô men từ cho đơn vị thể tích: I = (4) Với Vlà thể tích vật Từ độ có đơn vị A/m hay A.m2/m Khi đặt từ trường có cường độ H cảm ứng từ B là: B=I+μ H (5) Trong hệ CGS công thức có dạng (6): B=4 I+ (6) Mối liên hệ từ độ từ trường có dạng: I= (7) Trong χ độ cảm từ, đơn vị H/m Thay (7) vào (5) ta có: B = (χ + μ )H = µH (8a) Độ cảm từ tương đối  : = (8b) Ta phân loại vật liệu từ theo cấu trúc từ chúng thành vật liệu sau [4]: (-10-5) Nghịch từ (Diamagnetism) (10-5) Thuận từ (Paramagnetism) ↓ Phản sắt từ (Antiferromagnetism) Từ giả bền (Metamagnetism) Giá trị  tăng dần ↓ Sắt từ kí sinh (Parasitic ferromagnetism) Ferit từ (Ferrimagnetism) 10+6 Sắt từ (Ferromagnetism) 1.1.2 Vật liệu thuận từ: Vật liệu thuận từ vật liệu có độ cảm từ tương đối  dương có độ lớn vào cỡ 10-3 đến 10-5 (Hình 1.2) Hình 1.2: Hình ảnh đơn giản chất thuận từ [3] Khi chất thuận từ đặt từ trường, mômen từ nguyên tửsẽ có xu hướng bị quay định hướng theo từtrường, mômen từ chất thuận từ dương Tuy nhiên mômen từ nguyên tử bé nên mômen từcủa chất thuận từ nhỏ Hơn nữa, mômen từ nguyên tử tương tác với nên chúng không giữđược từ tính, mà bị ngắt từ trường Như vậy, chất thuận từ mặt nguyên lý bị hút vào từ trường.Các chất thuận từ điển hình Al, Na, O2, Pt Độ cảm từ số chất thuận từ đưa đây: Al: = 2,10.10 (H/m) Pt: = 2,90.10 (H/m) Ôxy lỏng: = 3,50.10 ( ) [4] 1.1.3 Vật liệu nghịch từ: Vật liệu nghịch từ vật liệu có độ cảm từ tương đối  [...]... điện, các thiết bị tạo hơi nước, dùng làm mạch từ của các thiết bị và dụng cụ điện có từ trường không đổi hoặc biến đổi [3] Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn, từ trường khử từ nhỏ, tổn hao từ trễ nhỏ (đường cong từ trễ hẹp) Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học của chúng, và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật liệu, thì các. ..CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ VÀ NANO OXIT SẮT TỪ 1.1.Phân loại vật liệu từ: Vật liệu từ là loại vật liệu mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từ hóa, tức là có những tính chất từ đặc biệt Tùy thuộc vào cách hưởng ứng của vật liệu từ trong từ trường, chúng được chia làm 2 nhóm chính: vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng - Vật liệu từ mềm: được sử dụng chủ yếu trong lõi nam châm của. .. loạn và vật liệu thể hiện tính chất thuận từ Ngày nay có rất nhiều vật liệu có tính sắt từ được ứng dụng rộng rãi như: kim loại chuyển tiếp, đất hiếm, các hợp kim (Fe - Si, Fe - Ni ) 1.1.5 Vật liệu phản sắt từ: Vật liệu phản sắt từ cũng giống như vật liệu thuận từ ở chỗ nó có từ tính yếu Chất phản sắt cũng có mômen từnguyên tử nhưng tương tác giữa các mômen từ là tương tác trao đổi âm và làm cho các. .. 1.1.2 Vật liệu thuận từ: Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ cảm từ tương đối  dương và có độ lớn vào cỡ 10-3 đến 10-5 (Hình 1.2) Hình 1.2: Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ [3] 6 Khi chất thuận từ được đặt trong từ trường, mômen từ nguyên tửsẽ có xu hướng bị quay và định hướng theo từtrường, vì thế mômen từ của chất thuận từ là dương Tuy nhiên do mỗi mômen từ của nguyên tử rất bé nên mômen t của chất. .. (H/m) Ôxy lỏng: = 3,50.10 ( ) [4] 1.1.3 Vật liệu nghịch từ: Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ cảm từ tương đối 