tóm tắt luận án nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của pherit ganet r3fe5o12 (r = y, gd, tb, dy, ho) kích thước nanomet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI




ĐÀO THỊ THỦY NGUYỆT




NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT TỪ
CỦA PHERIT GANET R
3
Fe
5
O
12
(R = Y, Gd, Tb, Dy, Ho)
KÍCH THƢỚC NANOMET




Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62440123

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU





Hà Nội – 2014


Công trình được hoàn thành tại:
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội




Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS TS Nguyễn Phúc Dương
2. GS TSKH Thân Đức Hiền




Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Minh Thủy
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Huy Dân
Phản biện 3: GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi … giờ, ngày … tháng … năm




Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

1. D. T. T. Nguyet, N. P. Duong, T. Satoh, L. N. Anh, and T. D. Hien,
“Temperature-dependent magnetic properties of yttrium iron garnet
nanoparticles prepared by citrate sol–gel,” J. Alloys Compd. 541 (2012) 18
– 22.
2. D. T. T. Nguyet, N. P. Duong, T. Satoh, L. N. Anh, and T. D. Hien,
“Magnetization and coercivity of nanocrystalline gadolinium iron garnet,”
J. Magn. Magn. Mater. 332 (2013) 180 – 185.
3. Dao Thi Thuy Nguyet, Nguyen Phuc Duong, Takuya Satoh, Luong Ngoc
Anh, Than Duc Hien, “Magnetic properties of dysprosium iron garnet
nanoparticles”, International Conference on Advanced Materials and
Nanotechnologies (ICAMN),13-14
th
(2012) 196 – 200.
4. Đào Thị Thủy Nguyệt, Nguyễn Phúc Dương, Thân Đức Hiền, “Nghiên

cứu chế tạo hạt ferit garnet R
3
Fe
5
O
12
(R = Y, Gd, Dy) kích thước
nanomet,” Tạp chí phát triển KH&CN 15 – T1 (2012) 27 – 31.
5. Đào Thị Thủy Nguyệt, Nguyễn Phúc Dương, Lương Ngọc Anh, Thân
Đức Hiền, “Structure and magnetic properties of rare-earth garnet
nanoparticles prepared by using sol-gel method”, Journal of Science and
Technology Technical Universities 99 (2014) 045 – 050.

1

MỞ ĐẦU
1. Tình hình nghiên cứu: Vật liệu từ kích thước nanomet trong đó có
các vật liệu pherit gần đây được quan tâm nghiên cứu nhiều về các tính
chất cơ bản cũng như các khả năng ứng dụng mới. Các ứng dụng điển hình
có thể kể đến như ghi từ mật độ cao, y sinh học (chụp ảnh cộng hưởng từ
MRI, nhiệt trị, dẫn thuốc ), năng lượng (làm lạnh từ ), môi trường (làm
sạch nguồn nước, phân tách hóa chất thải ), sản xuất chất lỏng từ, mực in,
điện tử viễn thông (linh kiện cao tần, linh kiện truyền dẫn tín hiệu ).
Pherit ganet với cấu trúc cubic có 3 phân mạng từ trong đó phân mạng
đất hiếm có mômen từ đối song với hiệu mômen từ của hai phân mạng Fe.
Phân mạng đất hiếm tương tác yếu với các phân mạng sắt do đó ở vùng
nhiệt độ thấp, phân mạng đất hiếm có mômen từ chiếm ưu thế và có đóng
góp lớn vào dị hướng từ tinh thể chung của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ
ra do sự phụ thuộc khác nhau theo nhiệt độ của mômen từ của các phân
mạng trong pherit ganet dẫn đến hiện tượng triệt tiêu mômen từ tổng của
các hợp chất này tại một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ bù trừ.
Khi kích thước của các vật liệu pherit giảm xuống thang nanomet,
các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu chịu ảnh hưởng của một số hiệu
ứng chính bao gồm hiệu ứng kích thước tới hạn đối với các đại lượng vật
lý, hiệu ứng bề mặt do phần vật chất ở bề mặt trên một đơn vị khối lượng

chiếm một tỉ lệ lớn và sự phân bố giả bền của các cation trong khối thể tích
hạt. Việc chế tạo và nghiên cứu các vật liệu pherit ganet ở thang nanomet
có các tính chất kết hợp các tính chất riêng của vật liệu và các tính chất do
hiệu ứng giảm kích thước, do vậy, là một hướng nghiên cứu thú vị và cần
được tiến hành. Vật liệu pherit ganet dạng hạt kích thước nanomet đã bắt
đầu được quan tâm từ những năm 1990. Các nghiên cứu này chủ yếu tập
trung vào ảnh hưởng của các phương pháp chế tạo lên sự hình thành pha,
các tính chất từ phụ thuộc kích thước hạt như mômen từ, lực kháng từ và
một số ứng dụng của vật liệu tuy nhiên chưa có các nghiên cứu đầy đủ và
toàn diện về ảnh hưởng của kích thước hạt lên nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù
trừ, các tính chất dị thường ở lân cận điểm nhiệt độ bù trừ, dị hướng từ và
chuyển pha siêu thuận từ, các hiệu ứng từ bề mặt v.v. Do đó, trong luận án
này, tác giả mong muốn đóng góp thêm các nghiên cứu về các tính chất từ
nói trên. Đề tài nghiên cứu của luận án được lựa chọn là: “Nghiên cứu chế
tạo và các tính chất từ của vật liệu pherit ganet R
3
Fe
5
O
12
(R = Y, Gd, Tb,
Dy, Ho) kích thước nanomet ”.
2

2. Mục tiêu của luận án: - Chế tạo được các hạt pherit ganet đơn pha
R
3
Fe
5
O

12
(R = Y, Gd, Tb, Dy, Ho) có kích thước nanomet bằng phương
pháp tổng hợp hóa học.
- Nghiên cứu sự hình thành pha, thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể,
ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng tới hạn lên các tính chất từ của
các hạt chế tạo được.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu: Thực nghiệm kết hợp phân tích số liệu
dựa trên các mô hình lý thuyết, so sánh với các kết quả thực nghiệm đã
được công bố. Mẫu được chế tạo bằng phương pháp sol-gel, cấu trúc và
tính chất được nghiên cứu qua giản đồ phân tích nhiệt, giản đồ nhiễu xạ tia
X, phổ tán xạ năng lượng tia X, ảnh hiển vi điện tử quét SEM và hiển vi
điện tử quét truyền qua TEM, máy từ kế mẫu rung VSM và thiết bị giao
thoa kế lượng tử siêu dẫn SQUID.
4. Bố cục luận án: Luận án được trình bày trong 5 chương, 116 trang,
bao gồm hình vẽ và đồ thị, bảng số liệu. Cấu trúc cụ thể của luận án như
sau:
Mở đầu: Giới thiệu sơ bộ về tình hình nghiên cứu, lý do chọn đề tài nghiên
cứu.
Chương 1: Tổng quan về cấu trúc và tính chất của vật liệu pherit ganet
dạng khối và dạng hạt kích thước nanomet.
Chương 2: Giới thiệu tổng quan về các phương pháp chế tạo mẫu dạng hạt
kích thước nanomet, các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ
của mẫu dạng hạt.
Chương 3: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận với các hạt nano
Y
3
Fe
5
O
12

.
Chương 4: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận với các hạt nano
Gd
3
Fe
5
O
12
.
Chương 5: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận với các hạt nano
R
3
Fe
5
O
12
(R = Dy, Tb và Ho).
Kết luận và kiến nghị: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu chính của luận án
và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo.

3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHERIT GANET DẠNG KHỐI VÀ
DẠNG HẠT KÍCH THƢỚC NANOMET
1.1 Pherit ganet dạng khối
1.1.1 Cấu trúc tinh thể của
pherit ganet
Pherit ganet có cấu trúc lập
phương tâm khối, thuộc nhóm
không gian Oh

10
– Ia3d. Một ô
đơn vị của pherit ganet chứa 8
đơn vị công thức
{R
3
}[Fe
2
](Fe
3
)O
12
, trong đó R
chủ yếu là các ion thuộc nhóm
đất hiếm như Sm, Eu, Gd, Ho,
Dy, Tb, Er, Tm, Yb, Lu và Y.
Các ion kim loại phân bố trong 3
vị trí tinh thể tạo bởi các ion
oxy, ion đất hiếm chiếm vị trí lỗ
trống 12 mặt (vị trí 24c), các ion
Fe
3+
phân bố trong hai vị trí lỗ
trống 8 mặt (vị trí 16a) và 4 mặt (vị trí 24d). Các vị trí này tạo thành 3 phân
mạng tương ứng của các ion kim loại: phân mạng đất hiếm {c}, 2 phân
mạng sắt [a] và (d).
1.1.2 Các tính chất từ của pherit ganet
1.1.2.1 Mômen từ của pherit ganet
Tương tác từ trong pherit ganet là tương tác trao đổi gián tiếp thông qua
ion oxi, trong đó tương tác giữa phân mạng đất hiếm và hai phân mạng sắt

yếu hơn tương tác giữa hai phân mạng sắt. Trật tự từ trong các phân mạng
của pherit ganet được mô tả như sơ đồ ở hình 1.2 dưới đây, trong đó
mômen từ của 2 phân mạng Fe là đối song và mômen từ của phân mạng đất
hiếm đối song với hiệu mômen từ hai phân mạng Fe.
{R
3
3+
} [Fe
3+
] (Fe
3+
)

c a d

(c) (d – a)
Hình 1.2 Mô hình trật tự từ trong các phân mạng của pherit ganet
Hình 1.1 Hình ảnh mô phỏng các
phân mạng trong cấu trúc của pherit
ganet
4

Mômen từ trong một phân tử ganet theo mô hình mẫu Néel có thể viết dưới
dạng:
M = 3M
R
– (3M
Fe
– 2M
Fe

)
(1.1)
1.1.2.2 Nhiệt độ bù trừ T
comp
và nhiệt độ Curie
Phân mạng đất hiếm có mômen từ chiếm ưu thế tại nhiệt độ thấp nhưng
giá trị mômen từ giảm theo nhiệt độ nhanh hơn so với hai phân mạng Fe.
Tại một nhiệt độ xác định T = T
comp
, (0 < T
comp
< T
C
), mômen từ của phân
mạng đất hiếm cân bằng với mômen từ tổng của hai phân mạng sắt M
c
=
M
d
- M
a
. Nhiệt độ T
comp
được gọi là nhiệt độ bù trừ, tại đó mômen từ tổng
M
RIG
(T
comp
) = 0.
Tương tác giữa hai phân mạng Fe là lớn nhất, quyết định giá trị nhiệt độ

Curie của vật liệu nên các giá trị T
C
của các pherit ganet không chênh lệch
nhau nhiều (~ 560K).
1.1.2.3 Dị hƣớng từ tinh thể trong pherit ganet
Năng lượng dị hướng có nguồn gốc từ các tương tác spin – spin và spin
– quỹ đạo, được đặc trưng bởi giá trị hằng số dị hướng từ tinh thể K
1
và K
2
.
YIG có K
1
<0. Với các pherit ganet đất hiếm, các đóng góp vào năng lượng
dị hướng của các ion đất hiếm ở vùng nhiệt độ thấp là rất lớn. Các giá trị K
1

của DyIG, HoIG và TbIG lớn gấp gần 2 bậc độ lớn so với YIG. Ngoài ra,
hệ số K
2
cũng có giá trị đáng kể ở vùng nhiệt độ thấp. Phương ưu tiên của
mômen từ trong YIG là phương <111>. Trong các pherit ganet đất hiếm,
phương ưu tiên không hoàn toàn là <111> do đóng góp của hiện tượng
lệch (canting) của mômen từ phân mạng đất hiếm.
1.1.2.4 Lực kháng từ ở quanh điểm bù trừ T
comp

Các nghiên cứu trên các mẫu pherit ganet đất hiếm chỉ ra hiện tượng dị
thường của lực kháng từ ở quanh điểm bù trừ. Một số mẫu xuất hiện cực
đại đơn của H

c
(GdIG, HoIG, TbIG, DyIG, ErIG) nhưng một số lại cho
thấy xuất hiện cực đại kép ở lân cận T
comp
(GdIG, DyIG). Điều này cho
thấy sự hình thành cực đại đơn hoặc kép của H
c
phụ thuộc vào độ đồng
nhất của mẫu.
1.1.3 Một số ứng dụng của pherit ganet
+ Ứng dụng trong linh kiện cao tần và linh kiện truyền dẫn tín hiệu vô
tuyến: Pherit ganet là vật liệu thích hợp để sử dụng trong linh kiện cao tần
và truyền dẫn tín hiệu vô tuyến do vừa có tính chất của vật liệu từ vừa có
điện trở suất cao, làm giảm thiểu tổn hao dòng xoáy và thẩm thấu trường
điện từ. Khảo sát ứng dụng phủ YIG lên ăng-ten cho thấy cường độ từ
trường tăng 166% so với khi không phủ YIG.
5

+ Ứng dụng trong lĩnh vực quang học: Các hạt YIG có tính hấp thụ quang
không tuyến tính, phù hợp với các ứng dụng quang giới hạn. YIG thường
được sử dụng trong bộ quay Faraday – một cấu tử quan trọng trong cấu trúc
các mô đun và cảm biến quang từ của đầu ghi, đọc từ, các thiết bị dịch pha.
+ Pherit ganet trong ứng dụng làm lạnh từ: Vật liệu pherit ganet được sử
dụng trong ứng dụng làm lạnh từ nhờ hiệu ứng từ nhiệt. Hiệu ứng từ nhiệt
là hiện tượng thay đổi nhiệt độ của vật liệu từ khi thay đổi từ trường đặt
vào. Khi đặt vào từ trường, entropy từ của vật liệu giảm xuống do sự quay
của các mômen từ theo hướng của từ trường. Nếu từ trường giảm đoạn
nhiệt, entropy tổng của cả hệ được bảo toàn nên khi entropy từ của hệ tăng
lên, entropy của mạng sẽ giảm xuống, điều này đồng nghĩa với nhiệt độ của
hệ sẽ giảm xuống – đây là cơ sở để làm lạnh từ tính. Vật liệu ganet là vật

liệu thích hợp được sử dụng trong ứng dụng này vì chúng có trật tự từ ở
nhiệt độ thấp.
+ Pherit ganet trong các ứng dụng y sinh: Các hạt nano YIG khi đặt trong
từ trường tần số cao có hiện tượng nóng lên cục bộ do sự hấp thụ năng
lượng của từ trường tần số cao. Do đó, đây là vật liệu thích hợp cho phương
pháp nhiệt trị, phương pháp tiêu diệt các tế bào ung thư bằng cách đốt nóng
các tế bào này lên nhiệt độ thích hợp mà không làm ảnh hưởng tới các tế
bào bình thường khác
1.2 Pherit ganet dạng hạt kích thƣớc nanomet
1.2.1 Các hạt nano Y
3
Fe
5
O
12

1.2.1.1 Ảnh hƣởng của phƣơng pháp chế tạo lên cấu trúc và kích thƣớc
hạt
Các hạt nano Y
3
Fe
5
O
12
được chế tạo bằng các phương pháp vật lý như
nghiền bi năng lượng cao, phản ứng pha rắn và các phương pháp hóa học
như đồng kết tủa, hóa cơ, vi nhũ tương và sol – gel. Trong đó phương pháp
sol-gel được lựa chọn nhiều nhất trong các nghiên cứu, cho phép chế tạo
các hạt nhỏ đơn pha có kích thước từ 10 đến vài chục nanomet, nhiệt độ
hình thành pha thấp (800

o
C).
1.2.1.2 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt lên mômen từ và nhiệt độ Curie
Mômen từ bão hòa của các hạt nano giảm so với vật liệu khối, có nguồn
gốc từ đóng góp của lớp bề mặt có mômen từ mất trật tự hơn so với phần
lõi hạt. Mô hình lõi vỏ được sử dụng để giải thích cho sự giảm giá trị mô
men từ của các hạt nano trong đó mỗi hạt nano được coi như bao gồm phần
lõi có trật tự từ tương tự mẫu khối còn phần vỏ là lớp mất trật tự từ. Sự phụ
thuộc độ của mômen từ của hạt nano vào độ dày lớp vỏ được mô tả theo
công thức:
6

0
( ) (1 6 )
ss
t
M D M
D


(1.17)
Nhiệt độ Curie của các hạt nano YIG được quyết định chủ yếu bởi
tương tác giữa các ion trong phân mạng Fe, không có sự phụ thuộc vào
kích thước hạt.
1.2.1.3 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt lên lực kháng từ H
c

Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt được mô tả theo công
thức:
H

c
= H
c0
[1- (D
s
/ D)
3/2
] (1.19)
Trong đó, D
s
là kích thước siêu thuận từ, D là kích thước hạt, H
c0
là lực
kháng từ nhiệt độ T gần 0 K
Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ được biểu diễn bởi công
thức Kneller: H
c
= H
c0
[1 - (T / T
B
)
1/2
] (1.20)
Các nghiên cứu chỉ ra kích thước tới hạn đơn đômen của các hạt YIG là
D
s
= 190 nm

1.2.1.4 Ảnh hƣởng của nguyên tố pha tạp lên cấu trúc và tính chất của

hạt nano YIG
Sự pha tạp Bi vào YIG làm giảm giá trị mômen từ của YIG do ion Bi
3+

với bán kính lớn hơn Y
3+
đã làm thay đổi cấu trúc từ của hai phân mạng a
và d. Tuy vậy, sự có mặt của Bi
3+
làm tăng góc quay Faraday của màng
YIG.
Sự pha tạp Sm, La và Gd cũng làm giảm giá trị mô men từ của YIG.
Ngoài ra, các pha tạp thay thế cho ion Fe
3+
cho thấy có sự ưu tiên vị trí
phân mạng tùy thuộc vào kích thước của ion thay thế. Ion In
3+
lớn hơn Fe
3+

nên chỉ vào vị trí phân mạng a trong khi ion Al
3+
nhỏ hơn Fe
3+
nên vào cả
hai phân mạng a và d.
1.2.2 Các hạt nano pherit ganet đất hiếm R
3
Fe
5

O
12
(R = Gd, Dy, Ho,
Tb, Yb)
1.2.2.1 Ảnh hƣởng của phƣơng pháp chế tạo lên cấu trúc vật liệu
Nhiệt độ hình thành pha của pherit garnet đất hiếm pha tạp cao hơn rất
nhiều so với vật liệu YIG cùng chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Vật liệu
pherit ganet đất hiếm chế tạo bằng phương pháp nghiền bi cho thấy có xuất
hiện sai hỏng mạng, dẫn đến mômen từ giữa các phân mạng không được bù
trừ hoàn toàn.
1.2.2.2 Ảnh hƣởng của sự biến đổi hóa trị của các ion từ tính lên
mômen từ và nhiệt độ Curie
Nghiên cứu cho thấy, các hạt nano GdIG chế tạo bằng phương pháp
nghiền bi có sự biến đổi hóa trị của một phần ion Fe
3+
thành Fe
2+
, dẫn đến
7

đường cong từ hóa rất khó bão hòa, mômen từ của các hạt dưới 100 nm cao
hơn 11% so với mẫu khối.
CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1 Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano pherit ganet
Vật liệu dạng hạt ở thang nanomet có tính chất phụ thuộc vào thành
phần, cấu trúc tinh thể, kích thước, độ tinh khiết và độ đồng nhất của các
hạt. Những yếu tố trên được quyết định bởi phương pháp chế tạo vật liệu,
quy trình chế tạo và các thông số kỹ thuật trong quá trình chế tạo. Có hai
cách tiếp cận để chế tạo vật liệu là: giảm kích thước từ vật liệu khối xuống

kích thước nanomet (hay còn gọi là top-down) và tạo các hạt nano từ các
nguyên tử, phân tử (hay còn gọi là bottom-up). Trong luận án này, tác giả
sử dụng phương pháp sol-gel để chế tạo các mẫu hạt nano pherit ganet. Các
dung dịch muối sử dụng theo đúng tỉ phần công thức được khuấy và gia
nhiệt đến 80
o
C. Sử dụng dung dịch HNO
3
để điều chỉnh pH của dung dịch
bằng 1.Tiếp tục khuấy đến khi cho dung môi bay hơi và gel dạng ướt hình
thành. Gel ướt được sấy siêu tới hạn ở 120-130
o
C trong 12 giờ thu được
aerogel. Đốt aerogel ở nhiệt độ 400°C trong thời gian 2 giờ. Nghiền mịn
bằng cối mã não trong khoảng 30 phút. Nung thiêu kết các aerogel ở các
nhiệt độ và thời gian khác nhau ta thu được các hạt nano pherit ganet.
2.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất vật liệu
2.2.1 Phƣơng pháp phân tích nhiệt DTA-TGA
Các mẫu chế tạo được khảo sát trên thiết bị phân tích nhiệt Setaram
Labsys 18 tại Phòng thí nghiệm hóa vật liệu của Khoa Hóa học, trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội
2.2.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X
Các giản đồ nhiễu xạ tia X được ghi trên máy SIEMEND5005 Bruker-
Germany, bức xạ Cu-Kα với bước sóng λ = 1,5406 Å, cường độ dòng điện
bằng 30 mA, điện áp 40 kV, góc quét bằng 2θ = 10 ÷ 800, tốc độ quét
0,03
o
/s. Máy được đặt tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học
Khoa học Tự nhiên và Khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
Đại học Quốc gia Hà nội

2.2.3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua
Các ảnh TEM của vật liệu được chụp trên kính hiển vi điện tử truyền
qua JEOL-TEM 5410 NV đặt tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương, có điện
thế từ 40÷100kV, độ phân giải đối với điểm ảnh là 0,2 nm, đối với ảnh
mạng tinh thể là 0,15 nm, độ phóng đại đến 500.000 lần.
2.2.4. Phân tích thành phần hóa học bằng phổ tán sắc năng lƣợng
8

Thiết bị phân tích thành phần hóa học các mẫu bằng phổ tán sắc năng
lượng EDX được ghép với kính hiển vi điện tử quét (SEM) loại Hitachi
S2700 đặt tại Viện Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội với độ phân
giải cỡ 1µm trên mẫu.
2.2.5 Phƣơng pháp nghiên cứu tính chất từ
Phương pháp đo tính chất từ của mẫu được thực hiện trên hai hệ chính:
hệ SQUID và từ kế mẫu rung VSM. Hệ SQUID Quantum Design sử dụng
trong luận án này được đặt tại Đại học Tokyo, Tokyo, Nhật Bản có vùng
nhiệt độ hoạt động từ 1,7 K đến 350 K và từ trường tạo ra lên tới 5 T. Hệ từ
kế mẫu rung (VSM) DMS 880 đặt tại Viện ITIMS, trường Đại học Bách
khoa Hà Nội và Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội có từ trường tối đa 13,5 kOe, độ nhạy 10
-5

emu và có thể đo trong dải nhiệt độ 77 - 800K.
CHƢƠNG 3. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT HẠT PHERIT Y
3
Fe
5
O
12

KÍCH THƢỚC NANOMET
Chương 3 đưa ra các kết quả nghiên cứu và thảo luận đối với các hạt
nano Y
3
Fe
5
O
12
(YIG) có kích thước khoảng 35 nm chế tạo bằng phương
pháp sol-gel.
3.1 Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel YIG
Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel YIG chỉ ra rằng mẫu không thay
đổi khối lượng ở trên 350
o
C chứng tỏ các thành phần hữu cơ bị đốt cháy
hoàn toàn ở trên nhiệt độ này. Do đó, các mẫu gel được đốt ở 400
o
C trong 2
giờ.
3.2 Thành phần, cấu trúc và kích thƣớc hạt nanoYIG

20 30 40 50 60 70
0
300
600
900
1200
1500
1800
(842)

(840)
(800)
(642)
(640)
(444)
(532)
(521)
(422)
(420)
(400)
500
o
C
700
o
C
800
o
C
C-êng ®é
(®.v.t.y)
2
o

Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt
của mẫu gel YIG
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của
các hạt YIG sau khi nung ở 500, 700
và 800
o

C trong 5 giờ
0 100 200 300 400 500 600 700 800
-60
-40
-20
0
20
Dßng nhiÖt
(V)
68,5 %
TG %
T (
o
C)
-100
-50
0
50
312
o
C
169
o
C

9

Mẫu gel sau khi đốt được nung ở 500
o
C, 700

o
C và 800
o
C trong 5 giờ.
Phân tích phổ nhiễu xạ tia X cho thấy mẫu có cấu trúc đơn pha hoàn toàn ở
nhiệt độ ủ 800
o
C trong 5 giờ. Kích thước tinh thể trung bình d
XRD
= 35 nm.
Hằng số mạng a tính toán được là 12,38 Å, phù hợp với giá trị hằng số
mạng của mẫu khối. Giá trị mật độ khối lượng

= 5,245 g/cm
3
.
3.3 Tính chất từ của các hạt nano pherit YIG
3.3.1 Mômen từ
Các đường cong từ hóa ban đầu của mẫu hạt nano YIG như chỉ ra trong
hình 3.5 cho thấy mẫu đạt tới trạng thái bão hòa hoàn toàn trong từ trường
ở trên 2 kOe, độ cảm từ ở từ trường cao là không đáng kể. Các đường trễ ở
dưới 300K có hiện tượng trễ từ (H
c
 0) nhưng ở trên nhiệt độ này, mẫu
không còn thể hiện hiện tượng trễ từ (H
c
= 0). Các đường trễ ở trên 300K
được làm khớp theo hàm Langevin cho kết quả phù hợp với giá trị thực
nghiệm.
Sự biến đổi của giá trị mômen từ bão hòa theo nhiệt độ được biểu diễn

trên hình 3.10a. Giá trị mô men từ bão hòa của mẫu hạt nano ở 5 K tương
ứng với 94% giá trị của mẫu khối. Áp dụng mô hình lõi vỏ, bề dày lớp mất
trật tự bề mặt của các hạt nano YIG là t = 0,35 nm.
0 5 10 15 20
0
10
20
30
40


M (emu/g)
H (kOe)
300 K 200 K
275 K 175 K
250 K 150 K
225 K 100 K
5 K

0 100 200 300 400 500 600
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0


M
s

(T) /M
s
(0)
T (K)
(a)

Hình 3.5 Đường cong từ hóa ban đầu
của mẫu hạt nano YIG ở trong dải
nhiệt độ 5-300 K
Hình 3.10 (a) Mômen từ tự
phát phụ thuộc nhiệt độ của
các hạt nano YIG
10

3.3.2 Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie của mẫu hạt nano YIG
được xác định trên đương M
s
(T) là 560K,
tương tự như giá trị của mẫu khối.
3.3.3 Lực kháng từ
Lực kháng từ của mẫu hạt nano YIG
phụ thuộc nhiệt độ được biểu diễn trên hình
3.11. Lực kháng từ ở dưới 350 K thay đổi
tuyến tính theo T, giá trị nhiệt độ khóa xác
định được là T
B
= 350K.
3.3.4 Hằng số dị hƣớng và tƣơng tác
giữa các hạt

Hằng số dị hướng hiệu dụng của các hạt
YIG xác định được là 2×10
4
erg/cm
3
, phù
hợp với các kết quả nghiên cứu đã công bố.
Giá trị K
eff
của các hạt có kích thước nanomet lớn hơn rất nhiều so với giá
trị của mẫu khối là 6,210
3
erg/cm
3
và giá trị K
eff
có xu hướng tăng khi kích
thước hạt giảm.
CHƢƠNG 4. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC HẠT
NANO Gd
3
Fe
5
O
12

Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận về cấu trúc và
tính chất từ của các hạt nano Gd
3
Fe

5
O
12
(GdIG). Khác với YIG, trong cấu
trúc của GdIG có 3 phân mạng từ. Tuy nhiên tương tác giữa các ion Gd
3+
là
rất yếu do vậy có thể coi phân mạng Gd là một hệ các ion thuận từ nằm
trong trường trao đổi tạo bởi các phân mạng Fe. Sự khác nhau về độ lớn
của tương tác giữa các phân mạng dẫn đến sự phụ thuộc khác nhau của
mômen từ của các phân mạng vào nhiệt độ, do đó GdIG thể hiện tính chất
từ rất khác biệt so với YIG.
4.1 Cấu trúc, kích thƣớc và thành phần nguyên tử của hạt nano
Gd
3
Fe
5
O
12
Cấu trúc pha của mẫu các hạt nano GdIG sau khi nung ở 800
o
C trong 5
giờ được nghiên cứu qua phổ nhiễu xạ tia X cho thấy mẫu là đơn pha hoàn
toàn. Kích thước tinh thể trung bình d
XRD
= 38 nm. Hằng số mạng a tính
toán được là 12,45 Å, phù hợp với giá trị hằng số mạng của mẫu khối. Giá
trị mật độ khối lượng

= 6,49 g/cm

3
.
Ảnh hiển vi điện tử quét SEM và hiển vi điện tử quét truyền qua TEM
(hình 4.2) của các hạt nano GdIG chỉ ra kích thước hạt trung bình phù hợp
với kích thước tinh thể trung bình xác định từ giản đồ nhiễu xạ tia X.
0 100 200 300 400 500
0
10
20
30
40
50
60
70


H (Oe)
T (K)
Hình 3.11 Sự phụ thuộc của
lực kháng từ vào nhiệt độ
cuả mẫu hạt nano YIG
11

4.2. Tính chất từ của các hạt nano GdIG
4.2.1 Mômen từ, nhiệt độ bù trừ và nhiệt độ Curie
Tính chất từ của các hạt nano GdIG được khảo sát qua các đường cong
từ trễ ở nhiệt độ từ 5 K đến nhiệt độ Curie. Khác với YIG, các đường cong
từ trễ này không đạt tới trạng thái bão hòa ngay cả ở từ trường cao, lên đến
20 kOe, đặc biệt là các đường từ trễ ở vùng nhiệt độ thấp. Giá trị mômen từ
tự phát ở 5K, nhiệt độ Curie và nhiệt độ bù trừ của các hạt nano GdIG so

sánh với mẫu khối được chỉ ra trên bảng 4.2.
Bảng 4.2 Các giá trị T
comp
, T
C
và M
s
(5K) của các hạt nano GdIG
Thông số
T
C
(K)
T
comp
(K)
M
s
(5K) (emu/g)
Mẫu khối
560
290
93,59
Mẫu hạt nano
560
290
46,99
Sự phụ thuộc của M
s
theo T được chỉ ra
trên hình 4.8. Ở dưới nhiệt độ bù trừ, giá trị

mômen từ tự phát của mẫu hạt nano nhỏ
hơn so với mẫu khối nhưng ở trên T
comp
, M
s

của mẫu hạt lớn hơn so với mẫu khối. Điều
này được giải thích là do sự mất trật tự của
mômen từ của các ion Gd
3+
. Do trường tác
dụng lên phân mạng các ion Gd là yếu, chủ
yếu gây bởi các ion Fe, nên định hướng của
các spin Gd rất nhạy với sự thay đổi của
môi trường hóa học ở xung quanh, dẫn đến
độ mất trật tự cao của các ion Gd
3+
ở bề mặt
hạt. Ở vùng nhiệt độ cao, do năng lượng
trao đổi giữa phân mạng Gd và phân mạng


Hình 4.2 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM (a) và hiển vi điện tử quét truyền
qua TEM (b) của các hạt nano GdIG
(a)
(b)
Hình 4.8 Mômen từ tự phát
phụ thuộc nhiệt độ của các
hạt nano GdIG
0 100 200 300 400 500 600

0
20
40
60
80


T (K)
M
s
(emu/g)






H
M
c

M
d-a

12

Fe nhỏ hơn năng lượng hỗn loạn nhiệt, các spin Gd định hướng gần như tự
do theo từ trường ngoài đặt vào. Cấu hình spin ở lớp bề mặt của các hạt
nano do đó sẽ biến đổi theo xu hướng mất trật tự hơn khi nhiệt độ của hệ
tăng lên. Giả thiết rằng ở nhiệt độ đủ cao, do sự suy giảm của năng lượng

trao đổi Gd – Fe, các spin của Gd ở lớp bề mặt bị mất trật tự do năng lượng
nhiệt và các spin của Fe có thể hồi phục về theo hướng của mômen của lõi
hạt thông qua tương tác Fe – Fe. Điều này dẫn đến làm tăng giá trị mômen
từ ở lớp bề mặt.
4.2.2 Độ cảm từ trƣờng cao
Độ cảm từ ở từ trường cao χ
hf
của các hạt GdIG kích thước nanomet
được xác định bằng độ dốc của đường cong từ hóa ở từ trường cao. Đối với
các hạt nano, độ cảm từ có nguồn gốc từ lớp bề mặt và cả lõi hạt. Độ cảm
từ của lõi có thể coi giống như độ cảm từ của vật liệu khối. Các giá trị độ
cảm từ ở từ trường cao của các hạt
nano GdIG được so sánh với mẫu
khối như chỉ ra trong hình 4.9.
Ở vùng nhiệt độ từ khoảng 100 K
đến trên nhiệt độ Curie độ cảm từ ở từ
trường cao của các hạt nano GdIG có
xu hướng giảm dần tương tự như mẫu
khối. Tuy nhiên ở vùng nhiệt độ dưới
100 K, các giá trị χ
hf
bắt đầu tăng
mạnh. Có thể thấy, xu hướng của độ
cảm từ của các hạt nano ở vùng nhiệt
độ thấp này ngược lại với vật liệu
khối và sự tăng rất mạnh của χ
hf
có
thể là do sự hình thành trạng thái
đóng băng spin (thủy tinh spin) ở lớp

bề mặt.
4.2.3 Lực kháng từ và dị hƣớng từ tinh thể
Các giá trị lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ của các hạt nano GdIG được
chỉ ra trong hình 5.11. Trong khoảng nhiệt độ từ 5 đến 175 K, giá trị H
c

giảm dần mà nguyên nhân chủ yếu bắt nguồn từ năng lượng dị hướng. Ở
trên 175 K, giá trị H
c
bắt đầu tăng và xuất hiện một đỉnh cực đại của H
c
=
1,2 kOe ở lân cận điểm nhiệt độ bù trừ. Khi nhiệt độ tăng lên, ra xa khỏi
nhiệt độ bù trừ, giá trị H
c
giảm dần và bằng 0 ở khoảng 500 K. Các hạt
nano chuyển sang trạng thái siêu thuận từ ở nhiệt độ 500 K. Giải thích cho
sự hình thành giá trị cực đại của H
c
tại lân cận T
comp
, Hanton cho rằng các
hạt nano chuyển về trạng thái đơn đômen khi đi qua điểm nhiệt độ bù trừ,
0 200 400 600 800
0.000
0.005
0.010
0.015

(emu/cm
3
Oe)
T (K)
Hình 4.9 Sự phụ thuộc nhiệt độ
của độ cảm từ từ trường cao χ
hf

của các hạt nano GdIG so sánh
với mẫu khối
13

do khi đó mô men từ của mẫu rất nhỏ, cấu trúc đa đômen không được ưu
tiên hình thành. Sự biến đổi của H
c
ở gần T
comp
có thể được hiểu thông qua
việc khai triển các giá trị mômen từ của các phân mạng Gd và Fe ở lân cận
T
comp:
M
Fe
(T
comp
) = M
R
(T
comp
). Mômen từ tổng của vật liệu M =

FeR
MM 
ở
vùng lân cận T
comp
được khai triển theo phương trình sau:
 
1/
c Fe comp
M H M T T

   

(4.1)
Trong đó
c

là độ cảm từ của phân mạng đất hiếm, H là từ trường đặt
vào.
Theo Stoner và Wohlfarth,
/
c
H AK M
trong đó A là hệ số phụ thuộc
vào định hướng mômen của hạt, do đó:
 
/ 1 /
c c Fe comp
H AK H M T T


   

(4.2)
Phương trình cho thấy H
c
ở gần T
comp
thay đổi theo
 
1/
comp
TT
, phù
hợp về mặt định tính với dáng
điệu của sự phụ H
c
theo T xác
định được bằng thực nghiệm như
trong hình 5.11. Các giá trị từ
trường H
fl
cần thiết để xây dựng
được đường cong từ trễ hoàn toàn
đối với mẫu hạt nano GdIG ở các
nhiệt độ khác nhau được chỉ ra
trong đồ thị (b) trong hình 4.11.
Trên hình này, chúng ta cũng có
thể thấy xuất hiện một đỉnh cực
đại của H
fl

ở vùng nhiệt độ T
comp
,
tương tự như H
c
.
Giá trị dị hướng từ tinh thể AK
eff

tính toán được là 1,210
3
erg/cm
3
,
nằm trong khoảng giá trị độ lớn của
dị hướng từ tinh thể của mẫu khối.
CHƢƠNG 5. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CÁC HẠT
R
3
Fe
5
O
12
(R = Dy, Ho, Tb) KÍCH THƢỚC NANOMET
Chương 5 trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận về cấu trúc và
tính chất từ của các mẫu hạt nano pherit ganet đất hiếm RIG (R = Dy, Ho,
Tb) chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Tương tự như GdIG, các RIG trong
Hình 4.11 Lực kháng từ phụ thuộc
nhiệt độ (a) và từ trường tương ứng
với trạng thái trễ cực đại (b) của các

hạt nano GdIG
0.0
0.4
0.8
1.2
(b)


H
c
(kOe)
(a)
0 100 200 300 400 500
0
20
40

T (K)
H
fl
(kOe)
14

chương này cũng có 3 phân
mạng từ nhưng tính chất từ
của chúng có sự khác biệt so
với GdIG do có dị hướng từ
tinh thể lớn.
5.1 Cấu trúc, kích thƣớc
và thành phần các hạt

nano RIG (R = Dy, Ho, Tb)
Cấu trúc pha của các hạt
nano RIG (R = Dy, Ho, Tb)
thu được sau khi ủ nhiệt ở
800
o
C trong 5 giờ được
nghiên cứu qua phổ nhiễu xạ
tia X cho thấy các mẫu hạt
là đơn pha pherit ganet. Các
thông số cấu trúc và kích
thước hạt nghiên cứu qua
ảnh FESEM và ảnh TEM
(hình 5.2) được so sánh với
kích thước tinh thể trung
bình xác định dựa trên phổ
nhiễu xạ tia X được chỉ ra
trong bảng 5.1
Bảng 5.1. Các thông số cấu trúc của các hạt nano DyIG, HoIG, TbIG.
Mẫu hạt nano
TbIG
DyIG
HoIG
a (Å)
12,42
12,41
12,35
d
XRD
(nm)

37
38
41
d
FESEM
(nm)
110
90
100
d
TEM
(nm)
40
38
40

(g/cm
3
)
6,57
6,66
6,81
5.2 Tính chất từ của các hạt nano RIG (R = Dy, Ho, Tb)
Các đường cong từ trễ và từ hóa của các hạt nano RIG (R = Dy, Ho, Tb)
được khảo sát trong dải nhiệt độ từ 5K - 600K cho thấy các mẫu hạt này
chưa đạt trạng thái bão hòa, ngay cả ở từ trường cao, đặc biệt ở vùng nhiệt
độ thấp hay các mẫu hạt nano có độ cảm từ lớn ở vùng từ trường cao.
5.2.1 Mômen từ tự phát, nhiệt độ Curie và nhiệt độ bù trừ
Hình 5.2 Ảnh FESEM và TEM của các
hạt nano DyIG (a,b), HoIG (c, d) và

TbIG (e, f)
15

Sự phụ thuộc mômen từ tự phát M
s
vào nhiệt độ của mẫu hạt nano DyIG,
HoIG và TbIG so sánh với mẫu khối được thể hiện trên hình 6.11. Các giá
trị M
s
của mẫu hạt nano nhỏ hơn so với mẫu khối ở dưới nhiệt độ T
comp
và
đạt giá trị tương ứng với mẫu khối ở trên nhiệt độ T
comp
. Các giá trị T
C
,
T
comp
, M
s
của các hạt DyIG, HoIG và TbIG được chỉ ta trong bảng 6.4.
Áp dụng mô hình lõi - vỏ để đánh
giá sự mất trật tự bề mặt của các
hạt nano DyIG, HoIG, bề dày lớp
mất trật tự tính được t = 1,4 và 1,1
nm tương ứng với hai mẫu trên.
So sánh bề dày lớp vỏ t của các
hạt này với các các hạt YIG (t =
0,35 nm), GdIG (t = 3 nm) có thể

nhận thấy ảnh hưởng rất rõ của
nguyên tố đất hiếm lên sự mất trật
tự spin ở bề mặt các hạt nano. Cụ
thể là, các hạt YIG với ion Y
3+

không từ tính, mômen từ rất gần
với mẫu khối, lớp mất trật tự bề
mặt rất nhỏ, không vượt quá kích
thước một đơn vị hằng số mạng
còn các hạt GdIG, DyIG, HoIG
với các ion đất hiếm ở lớp bề mặt
thì có mômen từ thấp hơn so với
mẫu khối đáng kể, lớp mất trật tự
bề mặt lớn, gấp 1 – 3 lần đơn vị
hằng số mạng. Như vậy, nếu như
các hạt YIG có sự mất trật tự spin
chỉ xảy ra ở lớp nguyên tử ngoài
cùng thì ở các hạt GdIG, DyIG,
HoIG sự mất trật tự này lan truyền
vào tâm hạt ở nhiều lớp nguyên tử.
Ta có thể nhận xét rằng hiện tượng
mất trật tự mômen từ bề mặt ở các
hạt nano ganet phụ thuộc mạnh
vào sự định hướng mômen từ của các nguyên tố đất hiếm thông qua sự
cạnh tranh giữa năng lượng tương tác của spin của chúng với spin của các
Hình 5.11 Sự phụ thuộc nhiệt độ
của mômen từ tự phát của các
mẫu hạt nano DyIG (a), HoIG
(b) và TbIG (c) so sánh với mẫu

khối tương ứng
0 100 200 300 400 500 600
0
4
8
12
0 100 200 300 400 500 600
0
4
8
12
16
0 100 200 300 400 500 600
0
4
8
12
16




(b)


M
s
(
B
/f. u.)

(a)


M
s
(
B
/f.u)
T (K)
(c)
16

cation lân cận và năng lượng dị hướng gây bởi điện trường tinh thể địa
phương làm định hướng ngẫu nhiên các mômen từ quỹ đạo.
5.2.2 Độ cảm từ ở từ trƣờng cao
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của
độ cảm từ ở từ trường cao

hf
của
các mẫu hạt nano DyIG, HoIG và
TbIG so sánh với mẫu khối được
thể hiện trên hình 5.12.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ
cảm từ ở từ trường cao của các hạt
nano ganet tương tự như với mẫu
khối, tuy nhiên, các giá trị này cao
hơn ở trong dải nhiệt độ nghiên
cứu. Hiện tượng này là do đóng
góp của việc quay các mômen từ bị

lệch trong lớp bề mặt theo hướng
từ trường. Các nghiên cứu trên hệ
hạt GdIG như ở chương 4 cũng đã
chỉ ra rằng đóng góp của các
mômen từ của Gd ở lớp bề mặt đối
với độ cảm từ ở từ trường cao là rất
lớn mà biểu hiện cụ thể là sự tăng
độ dốc của

hf
ở vùng nhiệt độ thấp.
Đối với các mẫu hạt nano DyIG và
HoIG, đóng góp của mômen từ lớp
bề mặt lên độ cảm từ

hf
ở vùng
nhiệt độ thấp nhỏ hơn nhiều so với
Bảng 5.4 Các thông số từ của các hạt nano DyIG, HoIG và TbIG
Mẫu
DyIG
HoIG
TbIG
T
C
(K)
Mẫu khối
552
558
568

Mẫu hạt nano
550
557
567
T
comp
(K)
Mẫu khối
220
137
246
Mẫu hạt nano
220
137
246
M
s
(

B
)
(5K)
Mẫu khối
15,9
13,6
15,5
Mẫu hạt nano
12,4
11,4
-

M
s
(

B
)
(300K)
Mẫu khối
4,48
8,67
2,82
Mẫu hạt nano
4,48
8,61
2,29
0 100 200 300 400 500 600
0.000
0.001
0.002
0.003
0 100 200 300 400 500 600
0.000
0.004
0.008
0 100 200 300 400 500 600
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004

MÉu khèi
MÉu h¹t


Dy
3
Fe
5
O
12

hf
(emu/cm
3
Oe)
Tb
3
Fe
5
O
12



hf
(emu/cm
3
Oe)
T (K)


hf
(emu/cm
3
Oe)
Ho
3
Fe
5
O
12
Hình 5.12 Độ cảm từ ở từ trường
cao phụ thuộc nhiệt độ của các
hạt nano DyIG, HoIG và TbIG so
sánh với mẫu khối.
17

mẫu hạt nano GdIG. Khác với ion Gd (L = 0), các mômen từ ion đất hiếm ở
bề mặt bị ghim bởi trường dị hướng từ tinh thể tạo bởi các điện trường cục
bộ tác động lên các mômen quỹ đạo 4f của chúng, dẫn đến các mômen từ
bề mặt khó quay theo hướng từ trường ngoài và đây có thể là nguyên nhân
dẫn đến độ cảm từ của các mẫu hạt nano DyIG và HoIG nhỏ hơn so với
mẫu hạt nano GdIG.
5.2.3 Lực kháng từ
Sự phụ thuộc nhiệt độ của giá trị lực kháng từ của hai mẫu hạt nano
DyIG và HoIG được chỉ ra trên hình 5.13.
0 100 200 300 400 500
0.0
0.5

1.0
1.5
2.0


H
c
(kOe)
T (K)
(a) DyIG

0 100 200 300 400 500
0.0
0.5
1.0
1.5

H
c
(kOe)
T (K)
(b) HoIG

Hình 5.13 Lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu hạt nano DyIG và
HoIG
Đối với mẫu DyIG, ta quan sát thấy có một cực đại H
c
có giá trị bằng
1,9 kOe tại nhiệt độ T
comp

(225K). Trong khi đó, trên đường H
c
(T) của mẫu
HoIG lại quan sát thấy có hai giá trị cực đại H
c
tại nhiệt độ 125 K và 150 K
lần lượt là 1,35 kOe và 1,15 kOe cùng với một giá trị cực tiểu H
c
tại nhiệt
độ bù trừ T
comp
(137K) là 250 Oe. Sự giảm mạnh giá trị H
c
tại T
comp
là phù
hợp sự giảm của giá trị mômen từ tự phát về 0 ở T
comp
. Tuy nhiên, trong
trường hợp không có sự bù trừ hoàn toàn về mômen từ của các phân mạng
do sai hỏng cấu trúc sẽ dẫn đến vẫn tồn tại mômen từ ở T
comp
và H
c
do đó
không hoàn toàn bằng 0. Do vậy, sự xuất hiện cực đại đơn của mẫu DyIG
chỉ ra rằng mẫu chưa hoàn toàn đồng nhất. Sự hình thành cực đại H
c
phụ
thuộc vào hằng số dị hướng K và độ cảm từ của phân mạng đất hiếm


theo
mô hình Stoner-Wolhfarth và lý thuyết của Goranskiĩ và Zevezdin được
biểu diễn qua biểu thức:
1/2
maxc
AK
H






(1.15)
18

Trong đó A là hệ số phụ thuộc vào góc giữa từ trường đặt vào và trục
tinh thể. Đối với các mẫu hạt nano DyIG và HoIG, ở vùng nhiệt độ gần
T
comp
, giá trị K xấp xỉ 10
4
erg/cm
3
và

xấp xỉ 10
-3
emu/(cm

3
Oe) nên giá trị
của H
c
là 10
3
Oe. Như vậy, các giá trị cực đại H
c
của các hạt nano DyIG
(1,9 kOe) và HoIG (1,35 kOe) là phù hợp với tính toán lý thuyết.
Ở vùng nhiệt độ thấp xa khỏi vùng xuất hiện các đỉnh cực đại, chúng ta
quan sát thấy H
c
có xu hướng tăng khi nhiệt độ giảm, điều này có nguồn
gốc từ sự tăng dị hướng từ tinh thể của phân mạng đất hiếm. Đối với cả hai
mẫu hạt kích thước nanomet, ở 5 K, lực kháng từ đạt được xấp xỉ 1,4 kOe,
tương tự kết quả thu được từ mẫu hạt nano GdIG. Các giá trị H
c
của các
mẫu nghiên cứu cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như sự phân bố
thống kê của hướng tinh thể các hạt trong mẫu, số định hướng giả bền của
mômen từ các hạt, tạo bởi đóng góp của phân bố dị hướng bề mặt và lõi
hạt, tương tác giữa các hạt.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Dựa trên các kết quả nghiên cứu đã trình bày trên đây, tác giả đưa ra
một số các kết quả của luận án như sau:
1. Các mẫu pherit ganet RIG (R = Y, Gd, Tb, Dy, Ho) dạng hạt có
kích thước nanomet và thành phần hóa học phù hợp với công thức danh
định đã được chế tạo thành công bằng phương pháp sol-gel. Phương pháp
này cho phép chế tạo các hạt pherit ganet với nhiệt độ hình thành pha tới

hạn là khoảng 800
o
C. Các hạt có dạng gần cầu với kích thước trung bình ~
40 nm, trong đó trên 60% hạt phân bố hẹp trong khoảng từ 35 – 45 nm.
2. Ở khoảng kích thước này, tính chất từ của các hạt có thể được giải
thích thỏa đáng dựa trên mô hình lõi – vỏ trong đó phần thể tích lõi của vật
liệu có trật tự spin tương tự như mẫu khối còn phần vỏ là lớp mất trật tự
spin. Phần lõi hạt quyết định giá trị nhiệt độ Curie và nhiệt độ bù trừ của
mẫu nên các giá trị này không có sự sai khác so với mẫu khối. Phần vỏ hạt
với các mômen từ mất trật tự là nguyên nhân gây nên sự giảm giá trị
mômen từ ở nhiệt độ thấp và làm tăng dị hướng từ hiệu dụng của mẫu. Mẫu
hạt nano YIG thể hiện tính siêu thuận từ ở nhiệt độ trên 350K. Kết quả
phân tích cho thấy nhiệt độ chuyển pha siêu thuận từ của các mẫu phụ
thuộc đáng kể vào tương tác từ giữa các hạt. Năng lượng tương tác từ tổng
cộng của hệ hạt YIG đã được đánh giá qua sự phụ thuộc nhiệt độ của độ
cảm từ ban đầu của vật liệu ở vùng nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ chuyển
pha T
B
và nhiệt độ trật tự từ T
C
.
3. Các nghiên cứu của luận án đã chỉ ra rằng bề dày của lớp mật trật
từ bề mặt của các hạt phụ thuộc vào sự có mặt của các ion đất hiếm. Do các
19

ion đất hiếm trong lớp vỏ có mômen từ lớn nhưng có tương tác với các ion
lân cận rất yếu so với tương tác kết cặp từ Fe-Fe nên mômen từ của các ion
đất hiếm dễ bị lệch so với phương định hướng của các ion đất hiếm trong
lõi hạt khi có sự bất đối xứng của các ion lân cận tại lớp bề mặt. Điều này
thể hiện qua độ dày trung bình của lớp vỏ của các hạt trong mẫu RIG lớn

hơn rất nhiều so với lớp vỏ của các hạt trong mẫu YIG với phân mạng Y
phi từ. Cũng do sự mất trật tự của các ion đất hiếm có tương tác yếu ở lớp
vỏ, các hạt nano pherit ganet đất hiếm thể hiện độ cảm từ ở vùng từ trường
cao lớn hơn đáng kể so với mẫu khối tương ứng. So với các mẫu hạt có dị
hướng từ tinh thể lớn RIG (R = Tb, Dy, Ho), mẫu hạt GdIG có độ cảm từ
tăng dị thường ở vùng nhiệt độ thấp do các ion Gd
3+
có mômen từ quỹ đạo
bằng 0 nên mômen từ của chúng (đóng góp bởi các spin của điện tử 4f)
không bị ghim bởi điện trường tinh thể địa phương. Hiện tượng đóng băng
spin của các ion Gd bề mặt ở vùng nhiệt độ thấp được thể hiện qua sự bất
thuận nghịch ở vùng từ trường cao của các đường cong từ trễ ở 5K và 15K.
4. Các hạt nano pherit ganet đều ở ở trạng thái đơn đômen do đó các
giá trị cực đại của lực kháng từ của các mẫu rất lớn (H
c
max
= 1,1 – 1,9 kOe)
so với các giá trị đã quan sát thấy (H
c
max
~ 600 Oe) trên mẫu khối khi đi qua
điểm bù trừ. Bên cạnh đó, sự hình thành đỉnh cực đại H
c
đơn hoặc kép còn
phụ thuộc vào mức độ hoàn hảo của tinh thể trong mẫu. Các hạt có nhiều
sai hỏng mạng sẽ dẫn đến mômen từ của các phân mạng không được bù trừ
nhau hoàn toàn, khi đó lực kháng từ chỉ xuất hiện cực đại đơn như quan sát
thấy trên mẫu hạt DyIG.
Tác giả cũng đưa ra một số kiến nghị tiếp tục nghiên cứu dựa trên các
kết quả nghiên cứu đối với hệ hạt pherit ganet đất hiếm như sau:

1. Nghiên cứu đã gợi mở sự phức tạp của sự phân bố của các cation
đất hiếm cũng như kim loại chuyển tiếp ở cấu trúc bề mặt hạt và dẫn đến
các hiện tượng từ thú vị trong các mẫu có kích thước nano khi đóng góp
của bề mặt trở nên chiếm ưu thế. Do đó, cần có nghiên cứu tỉ mỉ hơn về cấu
trúc và tính chất bề mặt hạt thông qua các phép phân tích có độ tin cậy cao
như phổ Mössbauer, phổ nhiễu xạ nơtron, các hiệu ứng quang từ như hiệu
ứng Kerr, Faraday Bên cạnh đó, việc giảm kích thước hạt xuống thấp hơn
nữa để có bức tranh toàn diện hơn về ảnh hưởng của lớp bề mặt và hiệu
ứng giảm kích thước lên các tính chất hạt là cần thiết, do đó cần nghiên cứu
sử dụng các phương pháp mới để chế tạo các hạt có kích thước nhỏ hơn.
2. Ngoài ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt thì tương tác giữa các hạt
cũng đóng vai trò quan trọng quyết định tính chất của hệ vật liệu dạng hạt.
Các hạt nano pherit ganet chế tạo được thường có sự tương tác tương hỗ rất
lớn dẫn đến hiện tượng kết đám. Việc nghiên cứu sâu hơn về vấn đề năng
20

lượng tương tác giữa các hạt và các yếu tố ảnh hưởng đến tương tác đóng
vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu ứng dụng các hạt nano pherit
ganet đất hiếm trong các lĩnh vực như y sinh, công nghệ chất lỏng từ, công
nghệ ghi từ Các vấn đề liên quan đến hướng nghiên cứu này bao gồm
công nghệ phân tách và cô lập các hạt nano, công nghệ chế tạo các cấu trúc
lõi/vỏ trong đó vật liệu lõi là ganet có từ tính và vật liệu vỏ là một chất phi
từ tính, chức năng hóa bề mặt hạt…
3. Bên cạnh việc hoàn thiện các phép đo khảo sát tính chất từ ở nhiệt
độ thấp của mẫu TbIG và nghiên cứu sâu hơn trên các vật liệu pherit ganet
đất hiếm khác thì vấn đề nghiên cứu sự pha tạp các nguyên tố khác nhau
cho các ion Fe và đất hiếm và ảnh hưởng của chúng lên các tính chất vật lý
của các hạt nano pherit cần được tiếp tục nghiên cứu.