Đang tải... (xem toàn văn)
Bằng phương pháp đồng kết tủa các hidroxit chúng tôi đã thu được hạt nano Y3−xLaxFe5O12 (x = 0,0; x = 0,2; 0,4; 0,6). Chứng minh được khi tăng thành phần thay thế La (x) từ 0 đến 0,6 thông số mạng tinh thể tăng, kích thước của hạt thu được giảm từ 54 xuống 43 nm, và tại x = 0,2 thu được hạt nano có từ độ bão hòa lớn nhất.
UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.3, NO.2 (2013) NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, CẤU TRÚC VÀ TỪ TÍNH CỦA HẠT NANO Y3−XLAXFE5O12 SYNTHESIS, STRUCTURAL CHARACTERIZATION AND MAGNETIC PROPERTIES OF Y3−XLAXFE5O12 NANOPARTICLES Đinh Văn Tạc Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng Email: dvt43cb@yahoo.com TÓM TẮT Bằng phương pháp đồng kết tủa hidroxit thu hạt nano Y3−xLaxFe5O12 (x = 0,0; x = 0,2; 0,4; 0,6) Chứng minh tăng thành phần thay La (x) từ đến 0,6 thông số mạng tinh thể tăng, kích thước hạt thu giảm từ 54 xuống 43 nm, x = 0,2 thu hạt nano có từ độ bão hịa lớn Từ khóa: phương pháp đồng kết tủa; hạt nano, ferrite garnet; thay Y La, từ độ bão hòa ABSTRACT Y3−xLaxFe5O12 (x = 0,0; 0,2; 0,4; 0,6) nanocrystals have been prepared through hydroxide coprecipitation followed by dehydration Increasing x from to 0,6 reduces the particle size of the solid solution (from 54 to 43 nm), increases its unit cell parameter, and the saturation magnetization has a maximum at x = 0,2 Key words: method of Chemical Vapor Deposition, nanopowders, ferrite garnet, yttrium doped by lanthanum, the saturation magnetization Đặt vấn đề Tổng hợp nghiên cứu vật liệu nano bước quan trọng việc sáng chế thiết bị kĩ thuật đời Những năm gần ferrite với cấu trúc garnet dung dịch rắn nhiều người quan tâm chúng vật liệu từ tính, ứng dụng rộng rãi thiết bị vi sóng, gốm, thiết bị lưu trữ ghi sử dụng hiệu ứng quang từ nhiều thiết bị quang từ khác [1-3] Tuy nhiên, chúng chủ yếu điều chế phương pháp gốm truyền thống dạng vật liệu khối Nhược điểm phương pháp hạt thu có kích thước lớn khơng nhau, nhiệt độ cần để điều chế thường cao (từ 1300°C trở lên), yêu cầu máy móc đại, chi phí lớn, gây khó khăn cho việc điều chế… Ngày nay, việc sử dụng phương pháp hóa học để tổng hợp hạt nano ferrite tâm điểm nhiều đề tài nghiên cứu khoa học qui trình chúng đơn giản, chi phí nhỏ mà sản phẩm thu có chất lượng tương đối cao Trong phương pháp hóa học, phương pháp đồng kết tủa (một dạng phương pháp sol-gel) sử dụng nhiều phịng thí nghiệm tổng hợp vật liệu nano thời gian gần [4-5] Ưu điểm phương pháp so với phương pháp gốm là: giảm thời gian, nhiệt độ nung 22 thu hạt có kích thước nano tương đối Ngoài phương pháp đơn giản, khơng u cầu máy móc đại Qua việc nghiên cứu tài liệu cho thấy, việc thay phần ion Yttri Y3Fe5O12 ion khác thay đổi cấu trúc, từ tính chúng cho phép thu vật liệu với tính chất mong muốn [3] Trong cơng trình này, chúng tơi trình bày kết tổng hợp tinh thể nano Y3−xLaxFe5O12 phương pháp đồng kết tủa, nghiên cứu ảnh hưởng thành phần thay x (La) đến kích thước, thơng số cấu trúc mạng tinh thể, từ tính ferrite garnet Phương pháp nghiên cứu Tinh thể nano Y3−xLaxFe5O12 tổng hợp sau: đun sơi dung dịch có thành phần 0,008M Fe(NO3)3 + 0,008·(3-x)/5M Y(NO3)3 + 0,008·x/5M La(NO3)3 (x=0; 0,2; 0,4; 0,6) phút Dung dịch thu làm lạnh tới nhiệt độ phòng Nhỏ từ từ đến dư dung dịch NH3 0,3M máy nhỏ giọt vào dung dịch (dung dịch khuấy máy khuấy) Sau kết tủa hoàn toàn tiếp tục khuấy thêm 15phút nữa, sau kết tủa lọc làm khơ, nung 1000°C 4h TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC Cấu trúc kích thước tinh thể mẫu xác định phương pháp nhiễu xạ tia X với góc quét 2θ từ 30 - 75, sử dụng bước sóng tia X tới từ xạ Kα Co λ = 0,17902 nm hệ máy Dron-4 Kích thước tinh thể tính theo cơng thức Scherrer [4, 6-8] theo đỉnh nhiễu xạ 422, 640, 642 Kích thước hạt giá trị trung bình tính đỉnh theo cơng thức Scherrer Hình dạng kích thước tinh thể cịn xác định kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) EMV-100BR Thông số mạng tinh thể a tính đỉnh có 2θ > 60 444, 640, 642, 800 phương pháp bình phương tối thiểu Từ tính tinh thể nano Y3-xLaxFe5O12 đo từ kế mẫu rung nhiệt độ phòng TẬP 3, SỐ (2013) Kích thước trung bình hạt mẫu Y3Fe5O12, Y2,8La0,2Fe5O12, Y2,6La0,4Fe5O12, Y2,4La0,6Fe5O12 tính theo công thức Scherrer 54,4; 49,6; 46,7 43,3 nm Khi tăng độ thay Yttri Lantan (x) từ đến 0,6 kích thước hạt ferrite Y3-xLaxFe5O12 giảm dần từ 54,4 xuống 43,3nm Điều giải thích thay Yttri Lantan mạng tinh thể bị biến dạng, kết tạo nội lực kìm hãm lớn lên tinh thể Ảnh TEM mẫu hạt Y2,4La0,6Fe5O12 Hình cho thấy hạt có dạng gần hình cầu với kích thước dao động khoảng 45 – 50 nm Kích thước lớn kích thước tính theo cơng thức Scherrer khơng nhiều Theo tác giả [4], kích thước hạt tính theo Kết thảo luận Theo kết phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 1, mẫu ferrite garnet có thành phần Y3xLaxFe5O12 (x = 0; 0,2; 0,4; 0,6), sau nung 1000°C 4h, đơn pha có cấu trúc lập phương (sp.gp.la3d) giống Y3Fe5O12 Tất đỉnh phổ tia X tương ứng với cấu trúc garnet Y3Fe5O12 (card 043-0507 [9]) Khi x = 0,8 phổ nhiễu xạ tia X xuất đỉnh pha LaFeO3 (Hình 1, phổ nhiễu xạ tia X, 5) Như vậy, x ≥ 0,8 điều kiện tổng hợp không thu đơn pha cấu trúc garnet mà có lẫn pha với cấu trúc perovskite LaFeO3 Giới hạn thay Y La để thu dung dịch rắn Y3-xLaxFe5O12 (thu đơn pha) tương ứng với x = 0,6 ÷ 0,8 Hình Các phổ nhiễu xạ tia X mẫu Y3xLaxFe5O12: Y3Fe5O12 (1), Y2,8La0,2Fe5O12 (2), Y2,6La0,4Fe5O12 (3), Y2,4La0,6Fe5O12 (4), Y2,2La0,8Fe5O12 (5) Hình Ảnh TEM hạt Y2,4La0,6Fe5O12 nung 1000°C 4h công thức Scherrer kích thước trung bình tất hạt tồn lượng chất đem đo, nên thường nhỏ kích thước đo TEM (phương pháp xác định kích thước vùng nhỏ mà quan sát được) Mặt khác, kích thước tính theo cơng thức Scherrer kích thước phía hạt, khơng tính đến biến dạng mạnh lớp vỏ phía ngồi hạt Kết tính thơng số mạng a tinh thể Y3-xLaxFe5O12 trình bày Bảng Nhận thấy rằng, tăng độ thay Yttri Lantan thông số mạng tinh thể (a) tăng, không nhiều Điều giải thích bán kính ion La3+ lớn ion Y3+ [10] 23 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.3, NO.2 (2013) Bảng Giá trị thông số mạng a mẫu Y3-xLaxFe5O12 (x = 0,0 ÷ 0,6) Thành phần Y3Fe5O12 Y2,8La0,2Fe5O12 Y2,6La0,4Fe5O12 Y2,4La0,6Fe5O12 а, Å 12,328±0,003 12,371± 0,008 12,404±0,002 12,421±0,002 Khi đo từ tính hạt mẫu Y3Như biết, Y3Fe5O12 có cấu trúc mạng lập phương với phân mạng từ ô xLaxFe5O12 nhận thấy rằng, từ tính phụ thuộc vào độ thay x Từ độ bão hòa đạt từ sở, phân mạng mặt (d) phân mạng mặt trường khoảng 480kA/m Hình (a) ln chứa ion Fe3+, cịn phân mạng 12 mặt (c) chứa ion Y3+ Khi thay Y La Y3Fe5O12 cơng thức phân tử với phân chia theo phân mạng có dạng sau: Hình Đường cong từ trễ mẫu Y3Fe5O12 (1), Y2,8La0,2Fe5O12 (2), Y2,6La0,4Fe5O12 (3), Y2,4La0,6Fe5O12 (4) Sự phụ thuộc từ độ bão hịa vào x trình bày Hình Kết thu cho thấy, thay Y La từ độ bão hòa tăng sau giảm Giá trị cực đại từ độ bão hòa thu mẫu Y2,8La0,2Fe5O12 (x = 0,2) 28,12 Am2/kg Còn mẫu Y2,6La0,4Fe5O12, Y2,4La0,6Fe5O12 từ độ bão hịa 25,75 24,76 Am2/kg, giá trị thấp mẫu không thay (x = 0) Y3Fe5O12 (26,14 Am2/kg) {Y3-xLax}[Fe2](Fe3)O12 (trong đó, {Y3-xLax} = phân mạng с, [Fe2] = phân mạng а, (Fe3) = phân mạng d) Từ độ bão hòa xác định theo cơng thức [11]: М = Мс – (Ма – Мd), Мс, Ма, Мd – tương ứng momen từ phân mạng с, а, d Мс = Y3+, La3+ - ion khơng có từ tính Khi М = Мd – Ма, từ độ bão hòa xác định momen từ phân mạng d a giống Y3Fe5O12 Khi thay Y La từ độ bão hịa khơng thay đổi so với ban đầu, thực tế lại thay đổi Điều giải thích việc thay Y La làm cho phân mạng d a biến dạng, dẫn đến thay đổi momen từ (Мd, Ма), làm thay đổi từ độ bão hòa Kết luận Các hạt nano ferrite garnet Y3-xLaxFe5O12 (x = 0; 0,2; 0,4; 0,6) điều chế thành công theo phương pháp đồng kết tủa với kích thước từ 54 - 43nm Khi tăng độ thay x (La) kích thước hạt tạo thành Y3-xLaxFe5O12 giảm thông số mạng a tăng Từ độ bão hịa tăng sau giảm đạt giá trị cực đại x = 0,2 Như vậy, cách thay phần Y La Y3Fe5O12 thu hạt với từ độ bão hòa xác định phù hợp với ứng dụng cụ thể Hình Sự phụ thuộc từ độ bão hòa mẫu Y3-xLaxFe5O12 vào x 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 3, SỐ (2013) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Guo, X.Z., Ravi, B.G., Yan, Q.Y., and Gambino, R.J (2006), Phase Evolution and Magnetic Properties of Precursor Plasma Sprayed Yttrium Iron Garnet Coatings, Ceram Int., 32 (1), 61–66 [2] Nazarov, A.V., Menard, D., and Green, J.J (2003), Near The oretical Microwave Loss in Hot Isostatic Pressed (Hipped) Polycrystalline Yttrium Iron Garnet, J Appl Phys., 94 (11), 7227–7234 [3] Haitao Xua and Hua Yanga (2008), Magnetic Properties of Y3Fe5O12 Nanoparticles Doped Bi and Ce Ions, Mater Manuf Processes, 23 (1), 1–4 [4] Гусев А И (2007), Наноматериалы, наноструктуры М.: Физматлит [5] Гусева А.Ф (2008), Методы получения наноразмерных материалов Екатеринбург.: Изд-во УрГУ [6] W Jianbo (2002), Synthesis and characterization of LaFeO3 nano particles, J Mater Sci Lett., 21, 1059-1062 [7] Ita Benedict (2003), Magnetic properties of lanthanum orthoferrite fine powders prepared by different chemical routes, J Chem Sci., 115 (5), 519-524 [8] Pradeep T (2007), Nano: The Essentials – Understanding Nanoscience and Nanotechnology New Delhi [9] JCPDC PCPDFWIN (1997), A Windows Retrieval/Display program for Accessing the ICDD PDF – Data base, International Centre for Diffraction Data [10] M Hojamberdiev (2009), La-modification of multiferroic BiFeO3 by hydrothermal method at low temperature, Inorganic Materials, 45 (10), 1183-1187 [11] Брусенцов Ю.А (2002), Основы физики и технологии оксидных полупроводников Тамбов.: Изд Тамб.гос техн ун-та 25 ... 12,421±0,002 Khi đo từ tính hạt mẫu Y3Như biết, Y3Fe5O12 có cấu trúc mạng lập phương với phân mạng từ xLaxFe5O12 nhận thấy rằng, từ tính phụ thuộc vào độ thay x Từ độ bão hòa đạt từ sở, phân mạng... thể a tính đỉnh có 2θ > 60 444, 640, 642, 800 phương pháp bình phương tối thiểu Từ tính tinh thể nano Y3-xLaxFe5O12 đo từ kế mẫu rung nhiệt độ phòng TẬP 3, SỐ (2013) Kích thước trung bình hạt mẫu... với cấu trúc garnet Y3Fe5O12 (card 043-0507 [9]) Khi x = 0,8 phổ nhiễu xạ tia X xuất đỉnh pha LaFeO3 (Hình 1, phổ nhiễu xạ tia X, 5) Như vậy, x ≥ 0,8 điều kiện tổng hợp không thu đơn pha cấu trúc