Luận văn Chế tạo và khảo sát tính chất vật lý của các hạt fe3o4 và fe3o4 pha tạp

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 được bày tỏ sự kính trọng và lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Ngô Thu Hương, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong 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 cùng các anh chị cán bộ nghiên cứu tại trung tâm đã tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá 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 và Nguyễn Thị Ánh Dương đã hợp tác rất nhiệt tình trong suốt quá trình làm việc tại phòng thí nghiệm. Em cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Chất rắn, khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập tại bộ môn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và tất cả bạn bè, những người luôn dõi theo, tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như đã động viên, khích lệ để em có thể hoàn thành tốt luận văn này. Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2013 Học viên Tô Thành Tâm MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ VÀ NANO OXIT SẮT TỪ .......................................................................... 3 1.1. Phân loại vật liệu từ: .................................................................................. 3 1.1.1. Các khái niệm cơ bản: ......................................................................... 4 1.1.2. Vật liệu thuận từ: ................................................................................ 6 1.1.3. Vật liệu nghịch từ: ............................................................................... 7 1.1.4. Vật liệu sắt từ: ..................................................................................... 8 1.1.5. Vật liệu phản sắt từ: ............................................................................ 9 1.1.6. Vật liệu feri từ: .................................................................................... 9 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 của 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 của hạt nano Fe3O4: .......................................................... 16 1.3.1. Chất lỏng từ: ...................................................................................... 16 1.3.2. Phân tách và 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-xCoxO4: ................................................................... 33 2.3. Các phương pháp đo: ............................................................................... 34 2.3.1. Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X: .................... 34 2.3.2. Chụp ảnh bề mặt mẫu bằng 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 quả đo tính chất cấu trúc: ................................................................. 37 3.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X: ............................................................................ 37 3.1.2. Ảnh SEM: .......................................................................................... 41 3.2. Kết quả đo tính chất từ: ........................................................................... 45 KẾT LUẬN ........................................................................................ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 48 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Khối lượng các chất dùng để chế tạo 1g mẫu Fe3-xNixO4. ...................... 30 Bảng 2.2: Tổng hợp khối lượng các chất dùng để chế tạo mẫu Fe3-xCoxO4............. 33 Bảng 3.1: Hằng số mạng (a) của hệ mẫuFe3-xCoxO4 và Fe3-xNixO4 ......................... 39 Bảng 3.2: Kích thước tinh thể trung bình của các hạt nano của hệ mẫu Fe3-xCoxO4 và Fe3-xNixO4. ................................................................................ 40 Bảng 3.3: Từ độ bão hòa, lực kháng từ của các mẫu trong hệ mẫu Fe3-xCoxO4 và Fe3-xNixO4.............................................................................................................. 46 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ. ............................................... 4 Hình 1.2: Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ. ........................................................ 6 Hình 1.3: a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài; b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ. ........................................... 8 Hình 1.4: Định hướng mômen từ của chất phản sắt từ. ............................................ 9 Hình 1.5: Cấu trúc của Ferrite Spinel ..................................................................... 10 Hình 1.6: Oxit sắt trong tự nhiên. .......................................................................... 11 Hình 1.7: Cấu trúc spinel của Fe3O4 (Fe 2,5+ là Fe2+ và Fe3+ ở vị trí B). .................. 13 Hình 1.8: Cấu hình spin của Fe3O4 ( là phần spin tổng cộng). ............................. 13 Hình 1.9: Đường cong từ hóa sắt từ (---) và siêu thuận từ (---) ............................... 15 Hình 1.10: Hc phụ thuộc vào đường kính hạt. ........................................................ 15 Hình 2.1: Mô tả sự phụ thuộc của phức kim loại vào pH và hoá trị của chúng. ...... 26 Hình 2.2: Những phản ứng Olation tạo thành phức đa nhân. .................................. 27 Hình 2.3: Phản ứng oxolation từ một cầu hydroxy không bền. ............................... 27 Hình 2.4: Phản ứng oxolation. ............................................................................... 28 Hình 2.5: Dung dịch 1. .......................................................................................... 31 Hình 2.6: Dung dịch 2. .......................................................................................... 31 Hình 2.7: Dung dịch 3. .......................................................................................... 31 Hình 2.8: Dung dịch A. ......................................................................................... 31 Hình 2.9: Dung dịch B. .......................................................................................... 32 Hình 2.10: Dung dịch C sau khi lắng. .................................................................... 32 Hình 2.11: Các hạt sắt đã được tổng hợp. .............................................................. 33 Hình 2.12: Nhiễu xạ kế tia X D5005 tại TT KHVL. .............................................. 34 Hình 2.13: Kính hiển vi điện tử quét JMS 5410 tại TT KHVL. .............................. 35 Hình 2.14: Từ kế mẫu rung DMS 880 tại TT KHVL. ............................................ 36 Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe3O4 không pha tạp. .................................. 37 Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu Fe3-xCoxO4. ............................................ 38 Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu Fe3-xNixO4. ............................................. 38 Hình 3.4: Ảnh SEM của hệ mẫu Fe3O4 .................................................................. 41 Hình 3.5: Ảnh SEM của hệ mẫu Fe3-xCoxO4. ......................................................... 42 Hình 3.6: Ảnh SEM của hệ mẫuFe3-xNixO4. ........................................................... 43 Hình 3.7: Ảnh SEM và ảnh TEM của hạt nano Fe3O4 : a) Phương pháp đồng kết tủa. b) Phương pháp thủy nhiệt. ................................................................... 44 Hình 3.8: Đường cong từ trễ của hệ mẫu Fe3-xCoxO4 (x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08). ....... 45 Hình 3.9: Đường cong từ trễ của hệ mẫu Fe3-xNixO4 (x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08). ........ 45 1 MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay, để đáp ứng được nhu cầu của cuộc sống và sự bùng nổ của công nghệ thông tin, các nhà khoa học đã nghiên cứu rất nhiều loại vật liệu mới, đó là những vật liệu có kích thước nano. Đối tượng nghiên cứu của những vật liệu này tập trung vào dải kích thước từ 1nm tới 100nm. Những vật liệu nano được dùng trong các thiết bị có các đặc tính siêu việt như nhỏ hơn, nhanh hơn, bền hơn hoặc thêm nhiều đặc tính hoàn toàn mới so với các vật liệu dùng trong các thiết bị được chế tạo trên nền tảng công nghệ hiện nay. Công nghệ nano là sự kết tinh của nhiều thành tựu khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau và là công nghệ có tính khả thi. Trong xu hướng phát triển của công nghệ nano,hạt nano từ tính Fe3O4là loại vật liệu được nghiên cứu rất nhiều trong nước và quốc tế bởi nó có rất nhiều ứng dụng trong đời sống. Một trong những ứng dụng quan trọng của hạt nano sắt liên quan đến môi trường là khả năng xử lý nước thải nhiễm Asen. Ngoài ra,các hạt nano từ tính được biết đến với nhiều ứng dụng trong y sinh học bởi các tính chất từ và kích thước nhỏ hơn so với các thực thể sinh học như các tế bào (10-100 μm), các virus (20-450 nm) và các protein (5-50nm). Với khả năng được điều khiển bằng từ trường ngoài, các hạt nano từ tính được dùng cho các mục đích như phân tách, chọn lọc tế bào phân tách - một loại tế bào đặc biệt nào đó ra khỏi các tế bào khác [7]. Dẫn truyền thuốcđến một vị trí nào đó trên cơ thể người hoặc động vật là một trong những ví dụ về ứng dụng của hạt nano. Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các vị trí mong muốn hay các ứng dụng khác như phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ trong tế bào ung thư, cũng như tăng độ tương phản trong kĩ thuật hình ảnh cộng hưởng từ và sensor [11]. Trong hầu hết các trường hợp, các hạt nano phải phân tán đều sao cho mỗi hạt có 2 tính chất lý, hóa giống nhau để có thể điều khiển phân phối sinh học và loại bỏ sinh học. Để đáp ứng được các yêu cầu ứng dụng trên thì hạt nano từ tính Fe3O4 phải có từ tính lớn nhờ pha tạp các kim loại chuyển tiếp. Trong luận văn này, chúng tôi xin trình bày về việc chế tạo và nghiên cứu hạt nano từ tính Fe3O4 pha tạp Coban và Niken thực hiện theo phương pháp đồng kết tủa. Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm 3 chương chính như sau: Chương 1: Tổng quan về oxit sắt từ và nano oxit sắt từ. Chương 2: Phương pháp thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. 3 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 máy biến thế, motor, phần cảm 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 đặc tính của vật liệu càng tốt. Vì vậy, khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ những tạp chất có hại với chúng: Carbon, Phosphor, Lưu huỳnh, Oxi, Nitơ và các loại oxit khác nhau. Đồng thời phải cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh thể và không gây ra trong đó những ứng xuất nội. Các loại sắt từ mềm gồm: thép kỹ thuật, thép ít carbon, thép lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt – niken có độ từ thẩm cao và oxit sắt từ. - Vật liệu từ cứng: là vật liệu có từ trường khử từ và từ dư lớn, đường cong từ trễ rộng, rất khó bị từ hóa. Khi bị từ hóa thì năng lượng từ của vật liệu giữ được lâu, có thể dùng làm nam châm vĩnh cửu. Về thành phần cấu tạo có thể chia thành: + Vật liệu kim loại: có thể là kim loại đơn chất (sắt, cobalt, niken) và hợp kim từ của một số kim loại. 4 +Vật liệu phi kim loại: thường là ferit có thành phần gồm hỗn hợp bột của các oxit sắt và các kim loại khác. +Điện môi từ: là vật liệu tổ hợp, gồm 60 – 80 % vật liệu từ dạng bột và 40 – 20% điện môi. Ferit và điện môi từ có điện trở suất lớn nên làm giảm đáng kể những mất mát do dòng điện xoáy Fucault sinh ra. Ngoài ra, nhiều loại ferit có độ ổn định của các đặc tính từ trong một dải tần số rộng, kể cả siêu cao tần. Một ứng dụng quan trọng nữa của vật liệu sắt từ là khả năng ghi từ. Hình 1.1 là hình biểu diễn đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ. Hình 1.1: Đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ. 1.1.1.Các khái niệm cơ bản: Xung quanh các điện tích chuyển động tồn tại một môi trường đặc biệt gọi là từ trường. Một dòng điện chạy trong dây dẫn diện tích S và có cường độ i thì sinh ra mô men từ M. Mô men từ M là một véc tơ có chiều phụ thuộc vào chiều dòng điện: M = i.S (1) 5 Như vậy, trong hệ đơn vị chuẩn SI mô men từ có đơn vị chuẩn là A.m2, còn trong hệđơn vị CGS mô men từ có đơn vị là emu: 1A.m2 = 1000 emu (2) Mô men từ M sinh ra quanh nó một véc tơ cảm ứng từ B tại vị trí có bán kính R theo công thức: B = [ (.) − ] (3) Trong đó: μ = 4μ ∗10 (H/m) là độ từ thẩm chân không. Dưới tác dụng của từ trường, vật bị từ hóa gọi là vật liệu từ. Đại lượng đặc trưng cho vật liệu từ là từ độ hay độ từ hóa I. Đó chính là mô men từ cho một đơn vị thể tích: I = (4) Với Vlà thể tích của vật. Từ độ có đơn vị là A/m hay A.m2/m3 Khi đặt trong từ trường ngoài có cường độ H thì cảm ứng từ B là: B = I + μH (5) Trong hệ CGS công thức này có dạng (6): B = 4I + (6) Mối liên hệ giữa từ độ và từ trường có dạng: I = (7) Trong đó χ là độ cảm từ, đơn vị là H/m . Thay (7) vào (5) ta có: B = (χ + μ)H = µH (8a) Độ cảm từ tương đối : = (8b)   6 Ta cũng có thể phân loại các vật liệu từ căn cứ theo cấu trúc từ của chúng thành các vật liệu sau [4]: (-10-5) Nghịch từ (Diamagnetism) (10-5) Thuận từ (Paramagnetism) ↓ Giá trị tăng dần ↓ 10+6 Phản sắt từ (Antiferromagnetism) Từ giả bền (Metamagnetism) Sắt từ kí sinh (Parasitic ferromagnetism) Ferit từ (Ferrimagnetism) Sắt từ (Ferromagnetism) 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].   7 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 từcủa chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các mômen từ nguyên tử này không hề có tương tác với nhau nên chúng không giữđược từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài. Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trường.Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2, Pt... Độ cảm từ của một số chất thuận từ được đưa ra ở dưới 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 là vật liệu có độ cảm từ tương đối <0 và độ lớn cỡ 10-5 (rất yếu). Tính nghịch từ xuất hiện hầu hết trong các vật liệu nhưng rất mờ nhạt chỉ khi vật liệu không có tính chất gì nổi bật thì ta mới xét đến. Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do cảm ứng điện từ bởi từ trường ngoài. Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sinh ra từ thông ngược với biến đổi của từ trường bên ngoài (Hình 1.3).  8 + - I H a) b) Hình 1.3: a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài; b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ. Ví dụ về độ cảm từ () của một số chất: Cu: = - 0,94.10(H/m); Pb: = -1,7.10 (H/m) H2O: = -0,88.10 ( ) [3]. 1.1.4. Vật liệu sắt từ: Trong vật liệu này tương tác giữa các spin là dương và lớn nên các spin sắp xếp song song nhau. Khi nhiệt độ T tăng, do giao động nhiệt từ độ giảm dần và biến mất ở Tc. Trên nhiệt độ Tc, tuân theo định luật tuyến tính với T (gọi là định luật Curie-Weiss). Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự phát: Khi T<Tc, từ độ tự phát xuất hiện cả khi H = 0. Tuy nhiên thông thường khi H =0 ta nhận thấy vật liệu bị khử từ. Điều này được giải thích bởi cấu trúc đômen. Cấu trúc đômen làm đường cong từ hóa của sắt từ phức tạp, có đặc trưng phi tuyến và có hiện tượng trễ. Với các vật liệu sắt từ tồn tại trong nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt từ - thuận từ, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie sắt từ (Tc). Dưới nhiệt độ Tc tương tác giữa các mô men từ thắng được kích thích nhiệt, do đó vật liệu thể hiện tính sắt từ. Trên nhiệt độ Tc, năng lượng kích thích nhiệt đủ lớn để phá vỡ trạng thái liên kết 9 sắt từ giữa các đô men từ làm cho phân bố các mô men từ trở nêm hỗn 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 mômen từ định hướng phản song