Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên sự hình thành pha, một số tính chất từ và đặc trưng I-V của các hạt ytrium sắt ganet pha tạp Sn không hợp thức Y3 Fe5-xSnx O12 (x=0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1). Các mẫu hạt Y3 Fe5-xSnx O12 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel.
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Đặc trưng I-V tính chất từ hạt nano Y3Fe5-xSnxO12 chế tạo phương pháp sol-gel Trần Thị Mai Phượng, Đào Thị Thủy Nguyệt*, Nguyễn Phúc Dương, Lương Ngọc Anh Viện Đào tạo quốc tế Khoa học vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày nhận 26/2/2019; ngày chuyển phản biện 1/3/2019; ngày nhận phản biện 1/4/2019; ngày chấp nhận đăng 5/4/2019 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện chế tạo lên hình thành pha, số tính chất từ đặc trưng I-V hạt ytrium sắt ganet pha tạp Sn không hợp thức Y3Fe5-xSnxO12 (x=0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1) Các mẫu hạt Y3Fe5-xSnxO12 chế tạo phương pháp sol-gel Các điều kiện công nghệ nhiệt độ ủ, thời gian ủ tốc độ gia nhiệt khảo sát nhằm tìm điều kiện tối ưu hệ mẫu Cấu trúc, kích thước tinh thể trung bình, hình dạng kích thước hạt phân tích dựa giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) Tính chất từ mẫu khảo sát vùng nhiệt độ từ 88 đến 560K hệ từ kế mẫu rung VSM Kết cho thấy, mômen từ tăng dần, nhiệt độ Curie giảm dần nồng độ pha tạp tăng Các đường đặc trưng I-V đo phương pháp hai mũi dò mẫu ép điều kiện có khơng có xử lý với khí H2 Từ khóa: đặc trưng I-V, nhiệt độ Curie, pha tạp Sn, sol-gel, yttrium sắt ganet Chỉ số phân loại: 2.9 Đặt vấn đề Y3Fe5O12 (YIG) biết đến vật liệu từ mềm, có điện trở cao 1012 đến 1014 Ω , sử dụng lĩnh vực siêu cao tần [1-4] YIG có cấu trúc lập phương tâm khối tạo ion O2-, Y3+ Fe3+, ion Y3+ chiếm vị trí phân mạng 12 mặt (c), ion Fe3+ chiếm vị trí hai phân mạng mặt (a) mặt (d) Tương tác ion YIG tương tác siêu trao đổi thông qua ion O2-, đó, tương tác hai phân mạng a d mạnh nhất, định tính chất từ vật liệu Do ion Y3+ khơng có mơmen từ nên mơmen từ YIG xác định hiệu mômen từ hai phân mạng d a Mômen từ đơn vị cơng thức YIG tính theo cơng thức [5(3 − 2) µ B ] = µ B Trong ứng dụng cụ thể, số ion pha tạp vào vị trí phân mạng d a, nhằm nâng cao tính chất vật liệu Ví dụ, có mặt ion V5+ phân mạng d làm giảm tổn hao từ trễ [5], hay có mặt ion khơng từ phân mạng a làm tăng cường giá trị mômen từ vật liệu [6-8] YIG vật liệu có tính hấp thụ quang phi tuyến, phù hợp với ứng dụng quang giới hạn Ngoài ra, vật liệu sử dụng đầu ghi, đọc từ linh kiện [9] Thêm vào đó, YIG thích hợp để chế tạo cảm biến vi nhiệt [10] Để làm giảm điện trở suất vật liệu YIG vùng làm việc cảm biến, số ion không từ pha tạp không hợp thức vào hai phân mạng vật liệu YIG Sự cân điện tích vật liệu YIG dẫn đến điện tử di chuyển ion, hình thành polaron mạng tinh thể vật liệu [8] Các ion pha tạp vào vật liệu YIG ion có số oxy hóa khác Sn4+, Si4+, Ca2+, Zn2+… [7, 8, 11-14] Gần đây, số cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng nguyên tố pha tạp Sn lên tính chất từ vật liệu YIG [7, 8, 15] Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu ảnh hưởng hạn chế Trong báo này, nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện chế tạo lên cấu trúc, tính chất từ đặc trưng I-V hệ mẫu hạt nano pherit ganet Y3Fe5-xSnxO12 (x=0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1) chế tạo phương pháp sol-gel Thực nghiệm Các mẫu hạt Y3Fe5-xSnxO12 (x=0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1) kích thước nanomet chế tạo phương pháp sol-gel Hỗn hợp dung dịch muối Y(NO3)3, Fe(NO3)3 SnCl4 trộn theo tỷ lệ thành phần danh định Một lượng axit citric (AC) thêm vào dung dịch cho tỷ lệ AC: tổng ion kim loại 1:1 Hỗn hợp khuấy trộn với tốc độ 400 vòng/phút nhiệt độ 80°C để tạo thành gel Gel sấy khơ 95°C 24h để hình thành xerogel, sau đốt 350°C 2h Sản phẩm bột thu đem ủ nhiệt điều kiện nhiệt độ khác từ 750 đến 1.000°C 5h Các mẫu hạt phân tích hình thành pha, số mạng, kích thước tinh thể qua giản đồ nhiễu xạ tia X quan sát hình thái học, kích thước hạt qua ảnh hiển vi điện Tác giả liên hệ: Email: nguyet.daothithuy@hust.edu.vn * 61(11) 11.2019 48 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ I-V characteristics and magnetic properties of Y3Fe5-xSnxO12 nanoparticles prepared by the sol-gel method Thi Mai Phuong Tran, Thi Thuy Nguyet Dao*, Phuc Duong Nguyen, Ngoc Anh Luong International Training Institute for Material Science, Hanoi University of Science and Technology Received 26 February 2019; accepted April 2019 Abstract: This paper presents the effect of fabrication conditions on phase formation, magnetic properties and I-V characteristics of Sn-doped yttrium iron garnet Y3Fe5-xSnxO12 (x=0.02; 0.04; 0.06; 0.08; 0.1) The particle samples of Y3Fe5-xSnxO12 were prepared by the sol-gel method, and the manufacture conditions such as temperature, heating rate and time of heat treatment were investigated in order to find out the optimal conditions The phase formation, crystal structure, average crystal size, particle shape and size were determined by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) Magnetic properties of the samples were investigated in the temperature range of 88 to 560K on VSM The obtained results showed that the magnetic moment of the samples increased with higher doping concentrations and the Curie temperature decreased The I-V characteristics of the samples that were and were not treated in H2 gas were measured by the two-probe method Bảng Các điều kiện khảo sát ủ nhiệt hệ mẫu Y3Fe5-xSnxO12 Tên hệ x Nhiệt độ ủ Thời gian ủ Tốc độ gia nhiệt A 0,02-0,1 750-900⁰C 5h 12h 30°C/phút B 0,02 900 °C 5h 5°C/phút C 0-0,1 1.000 °C 5h 5°C/phút Kết khảo sát cho thấy, hệ mẫu A (hình 1a) chưa đơn pha, hệ mẫu B lượng nhỏ pha YFeO3 hình thành Các mẫu hệ C đơn pha từ nồng độ pha tạp x=0,02 đến x=0,06 Mẫu x=0,08 bắt đầu có xuất pha SnO, hàm lượng pha SnO mẫu x=0,01 khoảng 2% (hình 1b) Điều chứng tỏ nhiệt độ tốc độ gia nhiệt trình ủ ảnh hưởng đến hình thành pha điều kiện ủ thích hợp cho hệ mẫu Y3Fe5-xSnxO12 1.000°C/5h, tốc độ gia nhiệt 5°C/phút Keywords: Curie temperature, I-V characteristic, Sn doping, sol-gel, yttrium iron garnet Classification number: 2.9 tử quét (SEM) Tính chất từ mẫu khảo sát hệ từ kế mẫu rung nhiệt độ từ 88 đến 560K Các đường đặc trưng I-V mẫu khảo sát hệ đo hai mũi dò mẫu dạng màng dày, ép từ mẫu hạt nano với áp lực tấn/cm2 xử lý ủ nhiệt 600°C môi trường 15% H2/85% Ar 2h Kết thảo luận Cấu trúc hình thái mẫu hạt Các mẫu hạt Y3Fe5-xSnxO12 (x=0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1) ủ nhiệt nhiệt độ, thời gian tốc độ gia nhiệt khác bảng 61(11) 11.2019 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu A B (a), C (b) hình phóng đại giản đồ nhiễu xạ tia X đỉnh (420) hệ mẫu C (c) 49 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Kết phân tích cho thấy, hệ mẫu C có cấu trúc lập phương tâm khối, nhóm khơng gian Ia-3d So sánh đỉnh (420) mẫu pha tạp hệ C với mẫu YIG cho thấy, đỉnh nhiễu xạ (420) lệch dần phía góc nhiễu xạ nhỏ (hình 1c) Điều chứng tỏ rằng, số mạng a tăng dần theo hàm lượng x pha tạp Giá trị số mạng a, kích thước tinh thể dXRD xác định từ giản đồ nhiễu xạ tia X kết hợp với sử dụng phương pháp phân tích Rietveld phần mềm FullProf [16-18] bảng Hình biểu diễn thay đổi giá trị số mạng a theo nồng độ pha tạp Sự thay đổi giải thích Sn4+ có bán kính ion (r=0,69 Å phân mạng octahedral) lớn bán kính ion Fe3+ (r=0,645 Å phân mạng octahedral) nên pha tạp vào YIG làm tăng giá trị số mạng mẫu pha tạp Kích thước tinh thể trung bình mẫu pha tạp xác định khoảng từ 35-81 nm Bảng Các giá trị số mạng a, kích thước tinh thể dXRD xác định từ nhiễu xạ tia X, kích thước hạt D xác định từ ảnh SEM hệ mẫu C x 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 a (Å) 12,357 12,369 12,370 12,373 12,373 12,372 ∆a (Å) 6,4.10-4 7,8.10-4 6,6.10-4 7,3.10-4 7,4.10-4 6,4.10-4 dXRD (nm) 35 67 81 68 70 63 D (nm) - 147 123 104 134 134 Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) mẫu Y3Fe5-xSnxO12 (x=0,02) hệ mẫu C Theo đó, hạt dạng hình cầu có xu hướng kết dính lại với nhau, kích thước hạt trung bình D hệ mẫu C nằm khoảng 104-147 nm, bảng Như vậy, giá trị D lớn dXRD tất mẫu, chứng tỏ tinh thể bị kết dính nhiệt độ ủ cao, hạt quan sát ảnh SEM gồm vùng tinh thể đồng tính toán từ giản đồ nhiễu xạ tia X Momen từ nhiệt độ Curie mẫu hạt Tính chất từ hạt hệ mẫu C nghiên cứu đường cong từ hóa vùng nhiệt độ từ 88 đến 560K từ trường cực đại 10 kOe Các giá trị mơmen từ bão hòa 0K Ms(0) xác định cách khớp giá trị vùng nhiệt độ thấp (88-200K) theo hàm Bloch Ms(T)=Ms(0)*(1 – B*Tα), B số Bloch α hệ số mũ Sự thay đổi mơmen từ bão hòa Ms(0) theo nồng độ pha tạp thể hình Theo đó, Ms(0) tăng dần theo x đến x=0,08, chứng tỏ ion Sn4+ chiếm vị trí phân mạng a, làm giảm từ độ phân mạng này, dẫn đến làm tăng từ độ hệ Ở mẫu x=0,1, giá trị Ms giảm thấp so với mẫu x=0,08 đóng góp pha khơng từ SnO quan sát thấy giản đồ nhiễu xạ tia X Các giá trị nhiệt độ Curie TC thu cách lấy giá trị cực tiểu đạo hàm giá trị Ms theo T vùng nhiệt độ cao Sự thay đổi TC theo nồng độ x hình Kết cho thấy, TC giảm dần nồng độ pha tạp tăng, chứng tỏ có mặt ion phi từ Sn4+ phân mạng tinh thể YIG làm giảm tương tác ion phân mạng phân mạng Hình Mối liên hệ nồng độ pha tạp x số mạng a hệ C Hình Sự biến đổi giá trị mơmen từ bão hòa 0K nhiệt độ Curie theo nồng độ pha tạp x Đặc trưng I-V mẫu ép Hình Ảnh SEM mẫu x=0,02 61(11) 11.2019 Các đường đặc trưng I-V khảo sát phương pháp đo hai mũi dò số mẫu hệ C (x=0,02; 0,06; 0,08) điều kiện trước sau xử lý ủ nhiệt 600°C mơi trường 15% khí H2 2h hình Kết cho thấy, mẫu pha tạp Sn có điện trở nhỏ so với mẫu YIG chưa pha tạp Các mẫu pha tạp có đáp ứng dòng điện đặt vào điện áp 0-20 V mẫu YIG hồn tồn khơng có tín hiệu dòng điện phạm vi điện áp khảo sát 50 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Các mẫu trước xử lý mơi trường khí H2 có độ dẫn điện thấp hơn, điện áp đặt vào 20 V với dòng điện đạt cực đại mẫu pha tạp lớn x=0,08 0,06 µA Giá trị mẫu sau xử lý H2 đạt µA, lớn gấp 100 lần Trước sau xử lý H2, giá trị cường độ dòng điện tăng dần theo nồng độ pha tạp x mẫu sau xử lý, nồng độ pha tạp cao (x=0,06; 0,08), tăng cường độ dòng điện mạnh so với mẫu pha tạp thấp Các kết cho thấy tinh thể mẫu pha tạp Sn có tồn polaron hình thành điện tử nhảy liên tục từ ion Fe2+ sang Fe3+ mơ hình Jonker [19]: Fe2+ + Fe3+ Fe3+ + Fe2+ + DE với DE lượng kích hoạt Trong đó, ion Fe2+ hình thành để đảm bảo cân hóa trị có mặt ion Sn4+ tinh thể YIG [20] ferromagnetic film gallium arsenide material structures”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 209, pp.10-14 [3] D Cruickshank (2003), “1-2 GHz dielectrics and ferrites: overview and perspectives”, Journal of the European Ceramic Society, 23(14), pp.2721-2726 [4] P.K Larsen, R Metselaar (1975), “Defects and the electronic properties of Y3Fe5O12”, Journal of Solid State Chemistry, 12, pp.253-258 [5] T Shinohara, S Takeda, Y Matsumoto, Y Noro (1975), “Magnetic Properties of Polycrystalline Gadolinium Calcium Vanadium and Indium Substituted YIG”, IEEE Transactions on Magnetics, 11(6), pp.1676-1679 [6] A.V Anupama, Rajeev Kumar, Harish Kumar Choudhary, Balaram Sahoo (2018), “Synthesis of coral-shaped yttrium-aluminium-iron garnets by solutioncombustion method”, Ceramics International, 44(3), pp.3024-3031 [7] Carlos Torres, Pablo Hernández-Gómez, José María Moz, Carlos De Francisco, Oscar Alejos, Keizo hisatake, and Ikuya Matsubara (2003), “Effect of Sn addition on the magnetic aftereffects of yttrium iron garnets”, IEEE Transactions on Magnetics, 39(5), pp.315-317 [8] Zhizhi Zhang, Fu Chen, Junnan Li, Zekun Feng, and Yan Nie (2015), “Effect of Sn doping on the room temperature magnetodielectric properties of yttrium iron garnet”, Journal of Applied Physics, 118, p.154102 [9] T Aichele, A Lorenz, R Hergt, P Görnert (2003), “Garnet layers prepared by liquid phase epitaxy for microwave and magneto-optical applications - a review”, Crystal Research and Technology, 38(7-8), pp.575-587 [10] A D’Amico, A Grilli, A Paoletti, P Paroli, A Tucciarone (1984), “Doped yttrium iron garnet for thermistor-bolometers”, Materials Research Bulletin, 19, pp.347-354 Hình Một số đường đặc trưng I-V hệ mẫu C nhiệt độ phòng mơi trường khơng khí chưa xử lý H2 (a) xử lý H2 (b) Kết luận Các mẫu hạt pherit ganet Y3Fe5-xSnxO12 (x=0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1) chế tạo phương pháp sol-gel Điều kiện tối ưu để xử lý nhiệt mẫu pha tạp nhiệt độ ủ 1.000°C 5h, tốc độ gia nhiệt chậm, 5°C/phút Các ion Sn4+ tham gia vào tinh thể YIG đến nồng độ x=0,08 Ở nồng độ x=0,1 cho thấy có hình thành pha phụ SnO Giá trị mơmen từ bão hòa tăng theo nồng độ pha tạp chứng tỏ ion Sn4+ tham gia vào vị trí phân mạng a tinh thể YIG Sự có mặt Sn4+ khơng từ tính ngun nhân làm giảm nhiệt độ Curie tương tác hai phân mạng ion Fe3+ giảm Các đường đặc trưng I-V cho thấy, tồn hạt mang điện mẫu pha tạp, hàm lượng pha tạp lớn điện trở mẫu giảm LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) thông qua đề tài mã số 103.02-2016.05 Các tác giả xin chân thành cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.A Nikitov (1999), “Nonlinearity: magneto-optic-microwave interactions Towards new devices”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 196-197, pp.400-403 [2] Chen S Tsai (2000), “Wideband tunable microwave devices using 61(11) 11.2019 [11] B Antonini, S Geller, A Paoletti, P Paroli, A Tucciarone (1981), “Site occupancy of ferrous ions in iron garnets”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 22, pp.203-206 [12] J.F.B Hawkess, R.W Teale (1972), “Spontaneous and photoinduced linear dichroism in silicon doped yttrium iron garnet”, Journal of Physic C: Solid State Physics, 5, pp.481-492 [13] D.L Wood, J.P Remeika (1966), “Optical Transparency of RareEarth Iron Garnets”, Journal of Applied Physics, 37(3), pp.1232-1233 [14] R Pena-Garcia, A Delgado, Y Guerra, B.V.M Farias, D Martinez, E Skovroinski, A Galembeck, E Padron-Hernandez (2016), “Magnetic and structural properties of Zn-doped yttrium iron garnet nanoparticles”, Phys Status Solidi A, 213(9), pp.2485-2491 [15] F Lucari, E Terrenzio, G Tomassetti (1981), “Magnetic linear dichroism in Sn doped YIG”, Journal of Applied Physics, 52, pp.2301-2303 [16] Juan Rodriguez-Carvajal (1993), “Recent advances in magnetic structure determination neutron powder diffraction”, Physica B, 192, pp.55-69 [17] Wantana Klysubun, Panidtha Sombunchoo, Weeraya Deenan and Chanapa Kongmark (2012), “Performance and status of beamline BL8 at SLRI, for X-ray absorption spectroscopy”, Journal of Synchrotron Radiation, 19, pp.930936 [18] B Ravela, M Newvilleb (2005), “ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT”, Journal of Synchrotron Radiation 12, pp.537-541 [19] G.H Jonker (1959), “Analysis of the semiconducting properties of cobalt ferrite”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 9, pp.165-175 [20] Q.M Xu, N Li, W.B Liu, X.G Lu, C.J Gao, Y.A Wang (2011), “Effects of Sn-substitution on the microstructure and magnetic properties of Bi-CVG ferrite with low temperature sintering”, Journal of Alloys and Compounds, 509, pp.46174621 51 ... đặc trưng I-V hệ mẫu C nhiệt độ phòng mơi trường khơng khí chưa x lý H2 (a) x lý H2 (b) Kết luận Các mẫu hạt pherit ganet Y3Fe5-xSnxO12 (x= 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1) chế tạo phương pháp sol-gel. .. cao, hạt quan sát ảnh SEM gồm vùng tinh thể đồng tính tốn từ giản đồ nhiễu x tia X Momen từ nhiệt độ Curie mẫu hạt Tính chất từ hạt hệ mẫu C nghiên cứu đường cong từ hóa vùng nhiệt độ từ 88... mômen từ bão hòa 0K nhiệt độ Curie theo nồng độ pha tạp x Đặc trưng I-V mẫu ép Hình Ảnh SEM mẫu x= 0,02 61(11) 11.2019 Các đường đặc trưng I-V khảo sát phương pháp đo hai mũi dò số mẫu hệ C (x= 0,02;