Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ HAI PHA CỨNGMỀM BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trịnh Thị Hồng Thúy

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ HAI PHA CỨNG/MỀM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trịnh Thị Hồng Thúy

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ HAI PHA CỨNG/MỀM

BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA

Chuyên ngành: Vật lí nhiệt
Mã số: (Chương trình đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội - Năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận văn của tôi
là TS. Lê Tuấn Tú, người đã động viên, tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để tôi hoàn
thiện luận văn tốt nghiệp này. Thầy đã hướng dẫn tôi nghiên cứu về vấn đề thiết
thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong khoa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật lý nhiệt độ thấp, cũng
như các thầy cô trong khoa Vật lý đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Ngoài ra, tôi cũng xin cám ơn đề tài
VNU QG.14.03 đã hỗ trợ một phần kinh phí.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã
luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để tôi có thể vượt qua và
hoàn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015.
Học viên
Trịnh Thị Hồng Thúy


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Hình 1.2.

Một số dạng hình học của vật liệu nano
(a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b)
Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm


2
3

Hình 1.3

(a) Dây nano Ni một đoạn; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn;
(c) Dây nano nhiều lớp Co-Cu
Những chu trình trễ của một mảng dây nano Ni. Đường
kính của các dây nano là 100 nm, chiều dài của chúng là 1
µm.
Chức năng hóa các dây nano Au-Ni.
(a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc
Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng
Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số
trên đường từ trễ
Sơ đồ minh họa đường khử từ của nam châm hai pha
Bố trí ba cực của phương pháp mạ điện chế tạo dây nano
Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV
Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quá trình khử
Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quét thế vòng
Kính hiển vi điện tử quét
Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Máy đo từ kế mẫu rung
Mô hình từ kế mẫu rung
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy XRD
Máy nhiễu xạ tia X D5005
Sơ đồ của máy hiển vi điện tử truyền qua
Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân
Ảnh SEM của dây nano khi loại bỏ các khuôn
Đường cong từ trễ của dây nano CoNi với từ trường đặt vào
song song với trục của dây
Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân chứa CoNiP
Kết quả đo EDX
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ phần trăm nguyên tử
P vào nồng độ mol NH2PO2.
Phân tích phổ XDR của vật liệu CoNiP
Đường cong từ trễ của các màng CoNiP được đo tại nhiệt
độ phòng
Sự phụ thộc của lực kháng từ vào nồng độ mol của NH2PO2
Sự phụ thuộc của tỉ lệ Mr/Ms 7500 Oe vào nồng độ của NH2PO2
Sự phụ thuộc của từ độ vào tỉ lệ phần trăm của P tại 7500
Oe

3

Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11

4
6
7
9
11
12
14
15
16
17
18
20
21
22
24
24
25
28
29
29
30
31
32
32
33
34
35
35


Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22

Ảnh SEM của vật liệu dây nano CoNiP
Phổ tán sắc năng lượng của mẫu CoNiP
Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP với từ trường đặt vào
song song với trục của dây
Thí nghiệm lắng đọng trong từ trường
Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP bị ảnh hưởng của từ
trường đặt vào
Ảnh TEM của vật liệu CoNiP khi có từ trường đặt vào sau
khi loại bỏ khuôn
Phổ XRD của vật liệu CoNiP khi chế tạo trong
Phổ EDX của vật liệu CoNiP khi được chế tạo trong từ
trường
HRTEM của vật liệu CoNi/CoNiP
Ảnh SAED của vật liệu CoNiP
Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP dưới ảnh hưởng của
từ trường

36
37
37
38
38
39
39
40
41
41
41


MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, công nghệ nano là hướng nghiên cứu đang thu hút
được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công nghiệp
bởi ứng dụng của nó trong sản xuất các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, chế tạo
các thiết bị điện tử. Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano
luôn là một nhánh nghiên cứu dành được sự quan tâm đặc biệt do những đặc điểm
và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thường. Quan trọng hơn, các khái niệm
và các ứng dụng của công nghệ nano hiện nay không chỉ giới hạn trong các ngành
khoa học kĩ thuật mà còn được áp dụng cho các ngành khoa học sự sống và y học.
Đặc biệt, công nghệ chế tạo và các đặc trưng vật lý của cấu trúc nano một chiều, hai
chiều đã thu hút nhiều sự chú ý do các các ứng dụng quan trọng như: ghi từ, xét
nghiệm sinh học, cảm biến ….[11, 13,15, 16].
Ở Việt Nam, vào những năm cuối của thế kỷ XX, vật liệu nano đã trở thành
lĩnh vực rất được các nhà khoa học quan tâm chú ý. Với nhiều trung tâm nghiên
cứu, nhiều thiết bị máy móc hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng vật
liệu nano đã được trang bị và cũng đã thu được nhiều kết quả đáng kể, đặc biệt là
các vật liệu dạng hạt nano, dây nano và màng mỏng.
Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên cứu là
chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của các vật liệu nano từ tính đơn pha từ và hai
pha từ cứng/mềm bằng phương pháp lắng đọng điện hóa.
Luận văn gồm 3 phần chính:
Chương 1 - Tổng quan về vật liệu từ.
Chương 2 - Các phương pháp thực nghiệm.
Chương 3 - Kết quả và thảo luận.

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ
1.1.

Vật liệu từ có cấu trúc nano
Cấu trúc nano nói chung và vật liệu từ tính có cấu trúc nano nói riêng thường

là vật liệu đa pha, trong đó, đặc tính của vùng giáp ranh giữa các pha được qui định
bởi tương tác trao đổi. Chính tương tác trao đổi giữa các hạt hoặc các lớp từ tính
khác nhau, tiếp xúc nhau hoặc phân cách nhau một khoảng vài nano mét là nhân tố
quan trọng tạo nên một số hiện tượng vật lý mới [3].
Nhờ các phương pháp khác nhau mà con người chế tạo ra một số cấu trúc vật
liệu nano điển hình như: chuỗi hạt nano, băng nano, dây nano, ống nano, màng
mỏng nano... (hình 1.1). Để chế tạo các cấu trúc nano vừa nêu trên, nói chung phải
chuẩn bị khuôn đúc, mặt nạ, phải sử dụng kĩ thuật ăn mòn....[3]

Hình 1.1. Một số dạng hình học của vật liệu nano [7]
Rất nhiều thiết bị công nghệ hiện đại được chế tạo dựa trên các vật liệu từ
bao gồm: các máy phát điện, biến áp, động cơ điện, máy tính và các thành phần của
hệ thống âm thanh, video. Các vật liệu nano từ tính được quan tâm bởi mối liên hệ
giữa các đặc trưng vi cấu trúc và các tính chất từ. Các đặc trưng đó bao gồm kích

8


thước hạt, sự phân bố, tính không đồng nhất hóa học, các sai lệch mạng tinh thể, kết
cấu tinh thể học [7].
1.1.1. Dây nano từ tính
1.1.1.1. Phân loại dây nano từ tính
Đối với dây nano, các dây nano được chia làm 2 loại, đó là là mảng các dây
nano và các dây nano phân tán. Hình 1.2(a) cho thấy một ví dụ về mảng các dây
nano Ni với đường kính khoảng 200 nm. Hình 1.2 (b) cho thấy các dây nano phân
tán với đường kính khoảng 70 nm.

Hình 1.2. (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm;
(b) Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm .
Để thỏa mãn yêu cầu thực hiện nhiều chức năng một lúc, dây nano cấu trúc
nhiều đoạn đã được nghiên cứu và tính đa chức năng của dây cũng được khảo sát.

9


Hình 1.3. (a) Dây nano Ni một đoạn ; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn ; (c)
Dây nano nhiều lớp Co-Cu .
1.1.1.2.

Tính chất từ của dây nano từ tính

Một số tính chất từ của các dây nano từ tính, chẳng hạn như lực kháng từ, từ
dư, độ từ hóa bão hòa,… phụ thuộc vào hướng của từ trường bên ngoài [25].
Trường khử từ
Một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài thì bên trong vật sinh ra một từ
trường có tác dụng chống lại từ trường ngoài gọi là trường khử từ [6]. Trường khử
từ Hd tỷ lệ với giá trị từ độ bão hòa của M s, nhưng có hướng ngược lại, được cho
bởi:
Hd = -Nd Ms

(1.1)

Trong đó hằng số trường khử từ Nd phụ thuộc vào hình dạng của vật.
Đối với vật liệu từ, tính dị hướng từ của chúng bị ảnh hưởng đáng kể bởi
hình dạng của các vật liệu [6].
Đường cong từ trễ
Chu trình từ trễ của một mẫu bất kỳ có mối quan hệ mật thiết với từ trường
ngoài đặt vào. Bằng tính toán lý thuyết, người ta có thể thu được chu trình từ trễ của
mẫu bằng cách cực tiểu hóa năng lượng tự do khi có từ trường ngoài. Chu trình từ
trễ của một vật bị ảnh hưởng bởi các thông số như vật liệu, cấu trúc vĩ mô, hình
dạng và kích thước của vật, hướng của từ trường và quá trình từ hóa của mẫu [6].

Hình 1.4. Những chu trình trễ của một mảng dây nano Ni. Đường kính của các dây
nano là 100 nm, chiều dài của chúng là 1 µm.

10


Các thông số thường dùng trong mô tả đặc trưng của mỗi mẫu là từ độ bão
hòa Ms, từ dư Mr, trường bão hòa Hsat và lực kháng từ Hc. Quan sát hình 1.4, trường
bão hòa Hsat là trường phụ thuộc vào lực kháng từ để đạt tới từ độ bão hòa M s; từ dư
Mr là từ độ của mẫu khi từ trường ngoài mất đi [18].
Từ độ bão hòa Ms của một vật đạt được khi tất cả momen từ trong vật hoàn
toàn song song với nhau. Vì vậy, từ độ bão hòa Ms là tính chất bên trong của vật liệu
từ tính, không liên quan tới hình dáng và kích thước của mẫu.
Từ tính của một mảng dây nano chủ yếu được xác định bằng hai thông số.
Thứ nhất là tính chất từ của các dây nano đơn. Thứ hai là tương tác giữa các dây
nano đơn trong mảng các dây nano.
1.1.1.3.

Một số ứng dung của dây nano từ tính
Cho đến nay, các ứng dụng của công nghệ nano đã được tiến hành trong
nhiều lĩnh vực, những ý tưởng mới và lạ đang hình thành ở khắp các công ty lớn và
các viện nghiên cứu trên thế giới. Đối với dây nano từ tính, do có các tính chất đặc
biệt nên thu hút được nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y sinh, cảm biến, ghi
từ...
Phân phối gen
Phân phối gen bằng cách sử dụng các dây nano từ tính nhiều đoạn có rất
nhiều thuận lợi. Các tính chất của các hệ thống phân phối gen thông thường có thể
không được kiểm soát trên quy mô nano, chúng bị giới hạn bởi hiệu quả chuyển nạp
tương đối thấp của chúng, giới hạn khả năng của hệ thống để kết hợp DNA ngoại lai
bên trong một tế bào mục tiêu [6]. Tuy nhiên, trong việc chế tạo dây nano nhiều
đoạn, có thể kiểm soát chính xác vật liệu của mỗi đoạn và các tính chất của chúng ở
quy mô kích thước nano. Hơn nữa, các dây nano nhiều đoạn có thể cung cấp các
chức năng khác nhau trong khu vực không gian xác định, do đó có thể kiểm soát
chính xác sự bố trí kháng nguyên và sự kích thích của các phản ứng miễn dịch
nhiều lớp.

11


Hình 1.5. Chức năng hóa các dây nano Au-Ni.
Hình 1.5 cho thấy các phương pháp cho plastic DNA liên kết có chọn lọc và
protein liên kết với các dây nano Au/Ni [11]. Sau khi các dây nano được di chuyển
ra khỏi mẫu, đoạn Ni của dây có chức năng với 3-[(2-aminoethyl) dithiol] – axit
propionic (AEDP) thông qua đuôi axit cacbonxylic. Plasmit DNA sau đó liên kết
tĩnh điện với các nhóm amin có thêm một proton của AED. Đoạn Au của dây nano
sau đó có chức năng với transferrin (transferring là một protein tế bào mục tiêu và
bị biến đổi hoá học với thiol).
Sự chuyển nạp bằng cách sử dụng các dây nano nhiều chức năng này được
thực hiện trên phôi thận con người (HEK293), dòng tế bào động vật có vú. Đã xác
nhận được rằng các dây nano nhiều lớp có hiệu quả hơn trong sự chuyển nạp so với
các dây nano thành phần đơn transferrindimodifi.
Ghi từ vuông góc.
Trong những năm gần đây, để tăng mật độ lưu trữ thông tin, giảm kích
thước của thiết bị lưu trữ người ta sử dụng phương pháp ghi từ vuông góc, điều này
có thể làm tăng mật độ tích luỹ từ 1 Tbit/in2 trên mỗi lớp.

12


Hình 1.6. (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc.
Để thực hiện ghi từ vuông góc, chúng ta cần thiết phải có các màng mỏng
chứa các hạt từ cứng đơn đômen, hoặc các hạt nano có tính dị hướng ở mật độ cao.
Nói cách khác là mômen từ của các phần tử ghi riêng lẻ phải được sắp xếp thẳng
hàng theo hướng vuông góc với mặt phẳng, sự dị hướng này có thể có được từ dị
hướng từ tinh thể và dị hướng từ hình dạng. Như mô tả ở hình 1.6(a), đối với cách
ghi từ song song và 1.6(b) là ghi từ vuông góc.
1.1.2. Màng mỏng từ tính
Màng mỏng là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày
nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại. Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so
với quãng đường tự do trung bình của điện tử hoặc các chiều dài tương tác thì tính
chất của màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối [7].
1.1.2.1.

Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nanomet, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ

chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên
quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất
của vật liệu có kích thước nano mét khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ví dụ như
trong các vật liệu sắt từ, ở vật liệu dạng khối, dị hướng từ tinh thể ảnh hưởng rất lớn
đến tính chất từ, nhưng khi chế tạo ở các màng đủ mỏng, dị hướng từ tinh thể có thể
biến mất mà thay vào đó là dị hướng từ bề mặt.

13


1.1.2.2.

Dị hướng từ bề mặt trong màng mỏng
Dị hướng từ bề mặt của các màng mỏng có ý nghĩa rất quan trọng nhất là

trong trường hợp dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng màng để ứng dụng trong
ghi từ mật độ cao. Có hai nguồn đóng góp vào dị hướng từ màng mỏng đó là dị
hướng từ thể tích (Kv) và dị hướng từ bề mặt (hay bề mặt giữa các lớp) (K s).Hai
loại dị hướng này có thể tách ra khỏi dị hướng hiệu dụng đo được từ thực nghiệm
Kef dựa vào biểu thức:
Kef = Kv + 2Ks/t

(1.2)

Trong đó t là chiều dầy của màng, thừa số 2 xuất hiện trong biểu thức này
là do mỗi lớp sắt từ có hai lớp bề mặt. Về mặt thực nghiệm K v và Ks có thể xác
định từ mối liên hệ:
t.Kef = t.Kv + 2Ks

(1.3)

bằng cách vẽ đồ thị t.Kef phụ thuộc vào t, Kv sẽ xác định được hướng từ hệ số góc
của đường thẳng và 2Ks là điểm cắt của đường thẳng và trục tung [7].
1.2. Vật liệu từ cứng
1.2.1. Khái niệm
Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ có lực kháng từ cao (trên 150 Oe), chu
trình từ trễ rộng, cảm ứng từ dư tương đối cao và bền vững.
1.2.2. Một số đặc trưng quan trọng
Đường cong từ trễ: Là cách thông dụng nhất để thể hiện tính chất vĩ mô của
vật liệu (hình 1.7). Đường cong từ trễ thuộc góc phần tư cung thứ hai gọi là đường
cong khử từ [7].

14


M
r

Hình 1.7. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng
Lực kháng từ:
Lực kháng từ, ký hiệu là Hc là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ
cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên
ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Nguồn gốc của lực kháng từ
lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn
trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém
hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn. Lực kháng
từ của vật liệu từ cứng phụ thuộc vào dị hướng từ được tính theo công thức [5]:

HC = a.

K1
λ .τ
+ b( N1 − N 2 ).M S + c.
MS
MS

(1.4)

Trong đó: K1: hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, Ms: từ độ bão hòa.

N1, N2: hằng số khử từ theo hai phương vuông góc và song song với trục c.
λ: hệ số từ giảo, τ: ứng suất.
a, b, c: hệ số phụ thuộc vào hình dạng tinh thể và cấu trúc từ của vật liệu.
Tích năng lượng từ cực đại
15


Đại lượng (BH)max cho biết năng lượng từ cực đại mà vật liệu chứa trong nó.
Vì khi vật liệu từ cứng được đặt trong từ trường ngoài đã tự nạp năng lượng và tàng
trữ phần lớn năng lượng đó khi trường ngoài triệt tiêu. Năng lượng này được giải
phóng nếu vật liệu đó chịu tác dụng của trường kháng từ [5].
Cảm ứng từ dư: Cảm ứng từ dư (Br), là thông số đặc trưng của vật liệu từ
cứng, nó là cảm ứng từ còn lại sau khi từ hóa đến giá trị bão hòa và đưa mẫu ra khỏi
từ trường. Đối với nam châm từ cứng, Br càng lớn càng tốt[5].
Nhiệt độ Curie
Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành vật liệu thuận từ.
Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ
cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao.
1.2.3. Ứng dụng

Vật liệu từ cứng có thể dùng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc được
sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng, các băng từ [8]. Một số loại như:
Hợp kim AlNiCo: Là hợp kim được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu, có
thành phần chủ yếu là nhôm (Al), niken và côban (Co), có thể có thêm các thành
phần phụ gia như đồng (Cu), titan (Ti),... Hợp kim này có từ dư cao, nhưng có lực
kháng từ khá nhỏ (thường không vượt quá 2 kOe) và có giá thành cao.
Vật liệu từ cứng ferrite: Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari
(BaFexO), stronsti (SrFexO) và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ
lanthannium (La)) để cải thiện tính từ cứng. Lực kháng từ của ferrite có thể đạt tới 5
kOe. Ferrite có điểm mạnh là rẻ tiền, chế tạo dễ dàng và có độ bền cao. Vì thế nó
chiếm phần lớn thị phần nam châm thế giới (tới hơn 50%) dù có phầm chất không
phải là cao.
1.3. Vật liệu từ mềm
1.3.1. Khái niệm

16


Vật liệu từ mềm là vật liệu từ có lực kháng từ H C nhỏ, chu trình trễ hẹp, từ độ
bão hòa cao.
1.3.2. Một số đặc trưng quan trọng
Thông số quan trọng đầu tiên để nói lên tính chất từ mềm của vật liệu từ
mềm là lực kháng từ (ký hiệu là H C). Lực kháng từ là từ trường ngoài cần thiết để
triệt tiêu từ độ của mẫu. Những vật liệu có tính từ mềm tốt, thậm chí có lực kháng
từ rất nhỏ (tới cỡ 0,01 Oe).

Hình 1.8. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm
và một số thông số trên đường trễ
Độ từ thẩm ban đầu:
Là thông số rất quan trọng nói lên tính từ mềm của vật liệu từ mềm. Độ từ
thẩm ban đầu được định nghĩa bởi công thức:
µ i = lim
H →0

dB
dH

(1.5)

Trong đó: B là cảm ứng từ
H là từ trường
Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến vài ngàn, các vật liệu có
tính từ mềm tốt có thể đạt tới vài chục ngàn, thậm chí hàng trăm ngàn.
Độ từ thẩm cực đại:

17


Ta biết rằng vật liệu sắt từ không những có độ từ thẩm lớn mà còn có độ từ
thẩm là một hàm của từ trường ngoài. Và độ từ thẩm cực đại cũng là một thông số
quan trọng. Có những vật liệu sắt từ mềm có độ từ thẩm cực đại rất cao, tới hàng vài
trăm ngàn, ví dụ như permalloy, hay hợp kim nano tinh thể Finemet...
Từ độ bão hòa MS: Vật liệu từ mềm thường có từ độ bão hòa rất cao.
Tổn hao năng lượng:
Tổn hao trong lõi dẫn từ bao gồm: tổn hao do dòng điện từ trễ và tổn hao do
dòng xoáy Fucô. Vật liệu từ mềm được sử dụng trong từ trường ngoài, và nếu sử
dụng trong trường xoay chiều, sẽ sinh ra các dòng điện Fucô gây mất mát năng
lượng và tỏa nhiệt. Khi vật liệu từ mềm được sử dụng trong trường ngoài, nó sẽ bị
từ hóa và tạo ra chu trình trễ, và sẽ có năng lượng bị tổn hao cho việc từ hóa vật
liệu.
1.3.3. Ứng dụng
Vật liệu từ mềm được sử dụng rất đa dạng với số lượng rất lớn trong nhiều
lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng của vật liệu từ mềm như: làm các vật liệu dẫn
từ, lõi biến áp, các máy điện, rơle, nam châm điện, sensor từ, các cuộn cảm, cuộn
chặn hay những màn chắn từ ...
1.4.

Giới thiệu về vật liệu từ hai pha cứng/mềm
Vật liệu nano tổ hợp là sự kết hợp pha từ mềm có từ độ bão hòa M s lớn và

pha từ cứng với dị hướng từ tinh thể mạnh. Sự kết hợp như vậy sẽ cho phép tạo ra
vật liệu vừa có độ từ dư lớn vừa có lực kháng từ cao, do đó sẽ làm tăng tích năng
lượng (BH)max của nam châm [3], nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt
và bền hơn so với các vật liệu ban đầu [4]. Vật liệu nano tổ hợp có các pha từ mềm
phân bố trên nền của pha từ cứng [8]. Hình 1.9 mô tả sự trộn hai pha cứng mềm một
cách thô và sự trộn tinh tế làm tăng cường độ tương tác trao đổi [8].

18


Hình 1.9. Sơ đồ minh họa đường khử từ của nam châm hai pha[8]
Do tương tác này, các véctơ từ độ của pha từ mềm bị “khóa” bởi pha từ cứng,
giúp nó khó xoay dưới tác dụng của trường khử từ, do vậy đường khử từ của nam
châm có thể trở nên trơn và có lực kháng từ như của nam châm đơn pha.

19


CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1.

Phương pháp lắng đọng điện hóa
Một số kỹ thuật chế tạo vật liệu có cấu trúc nano như VLS (Vapor Liquid

Solid method), CVD (Chemical Vapor Deposition) ….[18]. Trong đó tổng hợp mẫu
bằng phương pháp lắng đọng điện hóa là khá đơn giản, chi phí hợp lí vì phương
pháp này có thể được sử dụng để sản xuất số lượng lớn các vật liệu nano với các
tính năng mong muốn như: tỉ lệ, thành phần và kích thước…Năm 1996, Martin [17]
đầu tiên sử dụng kỹ thuật này trong việc tổng hợp các dây nano kim loại bằng cách
sử dụng màng polycarbonate như khuôn mẫu. Sau đó, lắng đọng điện hóa đã được
sử dụng rộng rãi trong chế tạo dây nano đơn kim loại và dây nano kim loại nhiều
lớp với độ dày kiểm soát cho nghiên cứu các đặc tính từ [18].

20


Hình 2.1. Mô hình bố trí ba cực của phương pháp lắng đọng điện hóa chế
tạo dây nano[6]
Lắng đọng điện hoá (hay còn gọi là mạ điện) là một phương pháp chế tạo
màng mỏng và dây nano từ pha lỏng mà dựa trên các phản ứng điện hoá (oxi hoá
hay khử) khi sử dụng bộ cấp nguồn bên ngoài [6]. Tế bào điện hóa sử dụng ít nhất 3
điện cực, giữa chúng có các dòng trong dung dịch mạ, bao gồm điện cực làm việc
WE (Working Electrode), điện cực đếm CE (Counter Electrode) và điện cực so sánh
RE (Reference Eelectrode). Thế điện hoá lắng đọng là thế giữa điện cực so sánh và
điện cực làm việc, thế này có thể điều khiển được hoặc đo được. Thực chất lắng
đọng điện hóa là quá trình phủ một lớp màng kim loại mong muốn lên trên bề mặt
đế mẫu hoặc tạo dây từ các khuôn mẫu cho trước bởi tác động của dòng điện [6].
2.2.

Phương pháp Vol – Ampe vòng (CV)
Cùng với sự phát triển và trưởng thành của ngành điện hóa, hàng loạt các

phương pháp nghiên cứu về cơ chế điện hóa đã được hình thành, trong đó,
phương pháp Vol-Ampe vòng là một trong những phương pháp tỏ ra rất hữu
hiệu. Phương pháp Vol-Ampe vòng là thí nghiệm điện hóa về thế - điều khiển
“thuận-nghịch” ở đó một chu kỳ thế quét đặt lên điện cực và dòng phản ứng
được quan sát. Đường cong đặc trưng Vol-Ampe vòng có thể cung cấp các thông

21


tin về động học và nhiệt động học quá trình chuyển điện tử cũng như hệ quả của
quá trình chuyển giao điện tử [7].
Nội dung chính của thí nghiệm CV là đặt lên một điện cực (điện cực làm
việc) một chu kì thế quét tuyến tính và kết quả lối ra là một đường cong V-A. Quá
trình quét này thường được mô tả bởi thế ban đầu (E i), thế chuyển mạch (Es), thế kết
thúc (Ef), và tốc độ quét (v, đơn vị V/s). Điện thế được biến thiên tuyến tính theo
thời gian:
E = Ei + vt (quá trình thuận)
E = Es - vt (quá trình nghịch)

Hình 2.2. Mô hình tổng quan của thí nghiệm Vol – Ampe.
Thường người ta ghi dòng như hàm số của điện thế. Vì điện thế biến thiên
tuyến tính nên cách ghi trên cũng tương đương với ghi dòng theo thời gian. Các
phản ứng điện hóa chúng ta cần quan tâm đều diễn ra tại điện cực làm việc. Dòng
điện tại điện cực làm việc được sinh ra bởi sự dịch chuyển của các điện tử gọi là
dòng Faraday (dòng cảm ứng). Một điện cực phụ, hay điện cực đếm được điều
khiển bởi mạch ổn áp để cân bằng với quá trình Faraday tại điện cực làm việc với
sự dịch chuyển của các điện tử theo hướng ngược lại (ví dụ, nếu tại điện cực làm
việc là quá trình khử thì ở điện cực đếm sẽ là quá trình oxi hóa). Chúng ta không
cần quan tâm tới quá trình xảy ra ở điện cực đếm, trong hầu hết các thí nghiệm quan
sát thấy dòng rất nhỏ, tức là sự điện phân ở điện cực đếm không ảnh hưởng đến quá
trình tại điện cực làm việc [7].

22


Xét quá trình khử: O + ne → R
Nếu quét từ điện thế đầu tiên φđ dương hơn điện cực tiêu chuẩn danh nghĩa
thì không có dòng Faraday đi qua. Khi điện thế đạt tới thì sự khử bắt đầu và có
dòng Faraday đi qua. Điện thế càng dịch về phía âm, nồng độ bề mặt chất oxy
hóa giảm xuống và sự khuếch tán tăng lên, do đó dòng điện cũng tăng lên. Khi
nồng độ chất oxi hóa giảm xuống đến không ở sát bề mặt điện cực thì dòng điện
cực đại, sau đó lại giảm xuống vì nồng độ chất oxi hóa trong dung dịch bị giảm
xuống (Hình 2.3).

Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quá trình khử.
Khi quét thế ngược lại phía dương, chất khử (R) bị oxy hóa thành chất oxy
hóa (O) khi điện thế quay về đến và dòng anot đi qua (Hình 2.4).

Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quét thế vòng.

23


Dòng Faraday tại điện cực làm việc được biến đổi thành thế lối ra ở đầu chọn
độ nhạy, được biểu diễn bằng đơn vị ampe/vol, và được thể hiện dưới dạng số hay
tín hiệu tương tự. Đặc trưng CV là đồ thị của dòng so với thế trong một chu trình
quét tuyến tính. Đặc trưng CV có dạng đối xứng giữa đường đi và về nếu quá trình
oxi hóa - khử là hoàn toàn thuận nghịch. Trong rất nhiều trường hợp, quá trình là
không thuận nghịch nên dạng đường đặc trưng CV không đối xứng [7].
2.3.

Hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra

ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử
(chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Kính hiển vi điện tử quét dùng để
chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi
quang học, vì bước sóng của chùm tia điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng
vùng khả kiến. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận
và phân tích các bức xạ phát ra từ các chùm điện tử với bề mặt mẫu vật [6].
Chùm điện tử bị tán xạ mạnh khi đi vào trường thế biến thiên đột ngột do
đám mây điện tử mang điện tích âm, hạt nhân và nguyên tử mang điện tích dương.
Mỗi nguyên tử cũng trở thành tâm tán xạ của chùm điện tử. Nhiễu xạ chùm điện tử
có những đặc điểm rất thích hợp cho việc nghiên cứu cấu trúc màng mỏng.

Hình 2.5.Kính hiển vi điện tử quét

24


Trong kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử sơ cấp được gia tốc bằng điện
thế từ 1-50kV giữa catot và anot rồi đi qua thấu kính hội tụ quét lên bề mặt mẫu đặt
trong buồng chân không. Chùm điện tử có đường kính từ 1-10nm mang dòng điện
từ 10-10-10-12 A trên bề mặt mẫu. Do tương tác của chùm điện tử tới lên bề mặt mẫu,
thường là chùm điện tử thứ cấp hoặc điện tử phản xạ ngược được thu lại và chuyển
thành ảnh biểu thị bề mặt vật liệu.
Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ.
Ngoài ra độ phân giải còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật
và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có bức xạ phát ra, sự tạo
ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các
bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu bao gồm: điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược.
Người ta tạo ra một chùm điện tử rất mảnh và điều khiển chùm tia này quét
theo hàng và theo cột trên diện tích rất nhỏ trên bề mặt mẫu cần nghiên cứu. Chùm
điện tử chiếu vào mẫu sẽ kích thích mẫu phát ra điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ
ngược, tia X… Mỗi loại điện tử, tia X thoát ra và mang thông tin về mẫu phản ánh
một tính chất nào đó ở chỗ tia điện tử tới đập vào mẫu. Thí dụ, khi điện tử tới chiếu
vào chỗ lồi trên mẫu thì điện tử thứ cấp phát ra nhiều hơn khi chiếu vào chỗ lõm.
Căn cứ vào lượng điện tử thứ cấp nhiều hay ít, ta có thể biết được chỗ lồi hay lõm
trên bề mặt mẫu. Ảnh SEM được tạo ra bằng cách dùng một ống điện tử quét trên
màn hình một cách đồng bộ với tia điện tử quét trên mẫu.
Trong luận văn này, vi cấu trúc của vật liệu được chụp bằng kính hiển vi điện
tử quét JSM Jeol 5410 LV (Nhật Bản) tại Trung tâm Khoa học Vật liệu. Thiết bị
này có độ phân giải tối đa lên tới 3,6nm và độ phóng đại cao nhất là 200 000 lần.
Đồng thời, thiết bị này còn có cấy ghép kèm hệ phân tích phổ tán sắc năng lượng
(Energy Dispersion X-ray Spectrommeter – EDX) ISIS 300 của hãng Oxford
(Anh).
2.4. Phổ tán sắc năng lượng (EDX)
Để xác định phần trăm khối lượng các nguyên tử của các nguyên tố có mặt
trong dây nano chúng tôi sử dụng kĩ thuật đo Phổ tán sắc năng lượng tia X, hay
Phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×