Giáo trình vật liệu từ Nano

Vật liệu Từ Nano
Mục Lục
A.Khái quát về vật liệu từ oxit 2
I.Giới thiệu 2
II.Phân loại vật liệu từ oxit 2
III.Tính chất chung 7
IV. Giải thích bản chất từ $nh của ferit 8
B.Vật liệu từ mềm 10
I. Cấu tạo 10
II. Tính chất từ 14
III.Ứng dụng của ferit từ mềm 17
C.Vật liệu từ cứng 31
IV.Một số phương pháp kiểm tra những thông số từ trong công nghiệp 48
V.Các phương pháp chết tạo hạt nano từ $nh 50
Phụ lục 65
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 1
Vật liệu Từ Nano
A.Khái quát về vật liệu từ oxit
I.Giới thiệu
Ferit từ (tiếng Anh: Ferrimagnet) là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự
từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn
khác nhau. Ferrit từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn.
.Có thể định nghĩa là dung dịch rắn của oxit sắt với oxit kim loại khác,có
công thức hóa học là:
m(MeO)n(Fe
2
O
4
)
[với Me là ion kim loại:Fe,Co,Ni,Cu,Mg,Zn,Cd
II.Phân loại vật liệu từ oxit

• Vật liệu từ oxit (thường gọi là ferit hay gốm từ tính) là hợp chất của oxit sắt hóa
trị ba với một hoặc nhiều oxit kim loại hóa trị hai khác, là chất phản sắt từ có
các mômen từ đối song song và không bù trừ lẫn nhau.
• Một nhóm quan trọng những hợp chất oxit có cấu trúc gồm nhiều mạng còn
trong đó những ion từ tính có tương tác trao đổi gián tiếp với nhau qua ion oxy.
Tương tác trao đổi này có giá trị âm ( như trong chất phản sắt từ). Tuy nhiên
chúng lại có độ từ hóa tự phát và nhiều đặc tính của sắt từ. Nguyên nhân là
trong độ từ hóa của các mạng con không khử nhau hết mà ở dứơi nhiệt độ tới
hạn độ từ hóa tổng cộng có giá trị khác 0 ( độ dài bằng nhau nhưng không trực
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 2
Vật liệu Từ Nano
đối như trong phản sắt từ, hay trực đối nhưng độ lớn khác nhau). Có hai khả
năng cơ bản dẫn đến sự bất bù trừ của các mômen từ của ferit:
Thứ nhất là các ion từ của một phân mạng có mômen từ khác với mômen
từ của một phân mạng kia hay mômen từ của các ion từ trong cùng một phân
mạng có giá trị khác nhau, do ảnh hưởng của tương tác trao đổi trực tiếp.
Thứ hai tương tác trao đổi gián tiếp (tương tác siêu trao đổi) giữa hai ion
từ trong cùng một phân mạng hoặc khác phân mạng được thực hiện qua ion
ôxy mà khoảng cách từ các ion này đến ion ôxy và góc tạo bởi đường nối
tâm của các ion từ với tâm của ion ôxy là khác nhau . Tương tác này đóng
vai trò quyết định từ tính của ferit.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 3
Vật liệu Từ Nano
• Tùy theo cấu trúc và thành phần hóa học, người ta phân biệt ferit ra nhiều loại
khácnhau:
- Gốm oxit siêu dẫn nhiệt độ cao (YBa
2
Cu
3
O

7-x
, Bi
2
Sr
2
CaCu
2
O
10-x
)
a Ferit kiểu spinel,dạng:MeFe
2
O
4
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 4
Vật liệu Từ Nano
b Ferit kiểu magnetoplumbit MeFe
12
O
19
(Me:Ba,Sr)
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 5
Vật liệu Từ Nano
C Ferit kiểu perovskitMeFeO
3
(Me là đất hiếm)
D Ferit kiểu granatMe
3
Fe
5

O
12
(Me là đất hiếm)
Trong tự nhiên thành phần ferit chiếm tỉ lệ như sau
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 6
Vật liệu Từ Nano
III.Tính chất chung
• Ferit có độ từ dư lớn, độ từ thẩm cao, từ giảo lớn, tổn hao thấp (đối với ferit
từ mềm), lực kháng từ lớn, dị hướng từ lớn, tích số năng lượng cực đại lớn,
hệ số nhiệt độ thấp (với ferit từ cứng).
• Đặc biệt ferit được kết tinh từ vật liệu bột, có cấu trúc hạt nên điện trở suất
rất cao (ρ=10
4
– 10
10
Ωcm), được sử dụng rất hiệu quả trong lĩnh vực tần số
cao.
• Tính dẫn điện của ferit kém, chúng được xem như chất bán dẫn.
• Về mặt cơ học, ferit rất cứng, ròn, dễ vỡ, không thể gia công cơ khí như kim
loại, chỉ có thể mài.
• Nguồn gốc từ tính của ferit xuất phát từ chuyển động quỹ đạo và chuyển
động quay (spin) của các điện tử, đồng thời do tương tác trao đổi gián tiếp
của các ion từ.
• Các sản phẩm ferit được chế tạo chủ yếu theo công nghệ gốm (vì vậy còn
gọi là gốm từ tính), tương đối đơn giản, giá thành rẻ, nên chúng được ứng
dụng hết sức rộng rãi trong khoa học kĩ thuật, đời sống.
• Công nghệ chế tạo sản phẩm ferit rất đa dạng: phôi liệu được tạo ra từ các
phương pháp nghiền, đồng kết tủa, sol-gel, hóa siêu âm Ở khâu tạo hình có
thể ép khô, ép ướt, ép đùn, ép đẳng tĩnh, ép đẳng hướng, ép dị hướng Khâu
thiêu kết (thực hiện phản ứng pha rắn, kết tinh) có thể thực hiện trong môi

trường không khí, khí trơ hay chân không
• Các sản phẩm ferit chiếm trên 50% thị phần vật liệu từ trên thế giới, đặc biệt
trong lĩnh vực điện tử dân dụng (làm loa, môtơ công suất nhỏ) ferit chiếm
tới trên 80%.
• Các sản phẩm vật liệu từ nano oxít là vật liệu ferit có cấu trúc hạt cỡ nano
mét, hết sức đậm đặc, biểu thị những tính chất cơ, điện, từ rất độc đáo: độ
bền cơ học rất cao, là các nam châm siêu mạnh (dạng nam châm điện nếu là
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 7
Vật liệu Từ Nano
dây siêu dẫn, dạng nam châm vĩnh cửu nếu là khối), có từ giảo lớn, từ trở
khổng lồ hứa hẹn những ứng dụng rất hiệu quả, lí thú, đặc biệt trong các
lĩnh vực truyền thông, tin học, y sinh học.
IV. Giải thích bản chất từ tính của ferit
Thành phần của Ferit gồm ôxit sắt hóa trị 3 kết hợp với một hoặc nhiều ôxit kim
loại hóa trị 2 khác, chúng được xem như là chất phản sắt từ mà các mômen từ
không bù trừ nhau.
Hình : Một vài dạng cấu hình sắp xếp của các ion từ trong tương tác siêu trao đổi ở
ferit. Năng lượng tương tác trao đổi sẽ lớn nhất nếu khoảng cách từ ion từ đến ion
ôxy nhỏ nhất và góc φ gần tới 180
O
.
Có thể giải thích bản chất từ tính của ferit dựa trên cấu trúc tính thể của ferit sắt
• Ferit sắt có 2 loại ion sắt khác nhau là Fe
2+
và Fe
3+
, công thức của nó như sau
Fe
2+
Fe

2
3+
O
4
2-
.
• Cấu trúc tinh thể của vật liệu này có dạng lập phương spinel, các ion oxy có
bán kính ion lớn sắp xếp ở các tâm mặt khối lập phương, các ion sắt có bán
kính nhỏ hơn nằm ở khoảng trống giữa các ion oxy.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 8
Vật liệu Từ Nano
• Có hai loại lỗ trống dành cho ion sắt là lỗ trống tứ diện (ở giữa 4 ion oxy) và
lỗ trống bát diện (ở giữa 6 ion oxy).
Hình: Sự phân bố các ion trong mạng spinel trong 1/8 ô cơ bản cạnh là a/2
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 9
Vật liệu Từ Nano
B.Vật liệu từ mềm
I. Cấu tạo
• Ferit từ mềm bao gồm tất cả các vật liệu từ oxit có cấu trúc tinh thể spinel,
granat và tinh thể lục giác dạng Y hoặc W.
• Ngoài ra các vật liệu có cấu trúc perovskit và nhóm gốm từ siêu dẫn nhiệt độ
cao cũng được xem như là vật liệu từ mềm, do có lực kháng từ rất nhỏ.

Cấu trúc tinh thể của một số ferit từ mềm.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 10
Vật liệu Từ Nano
Hình : Cấu trúc tinh thể ferit spinel Hình : Cấu trúc tinh thể ferit granat
Hình : Cấu trúc tinh thể perovskite
Hình : Cấu trúc tinh thể gốm siêu dẫn
Ô cơ

bản của ferit spinel:
•
8 phân tử MeFe
2
O
4
•
32 ion Oxy hình thành mạng lập phương tâm mặt
•
96 khoảng trống,bao gồm:
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 11
Vật liệu Từ Nano
*64 vị trí tứ diện(vị trí A)
*32 vị trí bát diện(vị trí B)
Vị trí tứ diện(vị trí A-hình bên trái)
được bao quanh bởi 4 ion Oxy: trong đó chỉ có 8/64 vị trí tứ diệnbị chiếm bởi các
ion kim loại.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 12
Vật liệu Từ Nano

Vị
trí
bát
diện (vị trí B-hình trên bên phải )
Được bao quanh bởi 6 nguyên tử Oxy.
Có 16/32 vị trí bị chiếm bởi các ion kim loại.
Sự phân bố của ion kim loại ở vị trí tứ diện và bát diện
 Thông thường người ta dùng phương pháp nhiễu xạ Neutron để thu nhân
thông tin về sự phân bố của các ion ở các vị trí có sẵn trong các hợp chất từ.
 Nếu tất cả các ion kim loại hóa trị II nằm trong vị trí tứ diện thì là spinel

thuận,nếu nằm trong vị trí bát diện thì là spinel đảo.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 13
Vật liệu Từ Nano
Spinel thuận hay đảo hoàn toàn chỉ là lý thuyết.
Sự phân bố cation nhìn chung có thể đươc chỉ ra như sau:
Me
x
2+
Fe
1-x
3+
[Me
1-x
2+
Fe
1+x
3+
] O
4
Vị trí tứ diện Vị trí bát diện
0 < x < 1
 Sự phân bố ion hoàn toàn ngẫu nhiên: x=1/3
 Sự phân bố ion trong spinel thuận: x=1
 Sự phân bố ion trong spinel đảo: x=0
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố các ion kim loại ở vị trí A và B
 Bán kính ion: do vị trí tứ diện nhỏ hơn,thường các ion
hóa trị III chiếm chỗ=>tạo khuynh hướng có cấu trúc
spinel đảo.
 Cấu hình điện tử
 Năng lương tĩnh điện:các ion đươc phân bố sao cho đạt

được tối ưu về mặt năng lượng tĩnh điện.
Trật tự từ và từ độ bão hòa
 Năng lượng trao đổi trong ferit là gián tiếp.Thực nghiệm xác định năng
lượng trao đổi giũa các ion trong ferit là âm.
 Giá trị năng lượng trao đổi âm giữa các ion Me và Me’ phụ thuộc vao
khoảng cách từ ion đến Oxy(p,q) và góc Me-O-Me’(φ).
 Năng lượng trao đổi lớn nhất ứng với φ=180o và nhỏ nhất ứng với φ=90o
và giảm rất nhanh khi r tăng.
II. Tính chất từ
• Các ferit từ mềm có lực kháng từ nhỏ, từ dư và độ từ thẩm khá lớn, độ ổn
định về nhiệt độ và thời gian cao, dị hướng tinh thể nhỏ.
• Điện trở suất của ferit từ mềm lớn, độ dẫn điện kém, tổn hao nhỏ.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 14
Vật liệu Từ Nano
• Ferit từ mềm cũng rất cứng, ròn, độ bền nén cao, độ bền uốn nhỏ.
a. Độ từ thẩm ban đầu
• Một trong những thông số quan trọng nhất của vật liệu từ mềm là độ từ thẩm
ban đầu:
Đối với H = 0 và ΔH→0
μ
o
là độ từ thẩm chân không
Hay còn gọi là độ từ thẩm của vật liệu, độ
từ thẩm của lõi hình xuyến.
Độ từ thẩm ban đầu phụ thuộc bản chất vật liệu, từ trường từ hóa, nhiệt độ và tần
số sử dụng.
Hình : Sự phụ
thuộc của độ từ
thẩm ban đầu vào
thành phần Fe

2
O
3
trong các mẫu ferit
thiêu kết ở 1300
o
C
trong môi trường:
1.N
2
+0,8%O
2
;
2.N
2
+1,5%O
2
(hay
CO
2
) ; 3. tôi ; 4.
trong O
2
; 5. trong
không khí.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 15
ΔH
ΔB
μ
1

μ
o
i
=
Vật liệu Từ Nano
Hinh: Độ từ
thẩm phụ
thuộc tần số
ở các vật liệu
từ khác nhau
Cơ chế tăng độ từ thẩm
• Sự từ hóa ferit từ mềm xẩy ra trong từ trường nhỏ chủ yếu do sự dịch
chuyển thuận nghịch vách đômen. Độ dịch chuyển vách càng lớn nếu
gradient năng lượng vách theo hướng dịch chuyển càng nhỏ. Diều này tùy
thuộc vào:
+ Sự tốn tại của bất đồng nhất ứng suất cơ học
+ Sự có mặt của tâp chất làm thay đổi diện tích bề mặt vách khi dịch chuyển đến
đó.
Vậy để có độ từ thẩm cao cần phải:
• Loại bỏ các ứng suất cơ học
• Chế tạo hợp chất có K
1
~ 0 và λ
S
~ 0
- Dùng phương pháp bù trừ: vì đa số ferit từ mềm có λ
s
âm, trong khi Fe
3
O

4
có
λ
s
dương nên có thể bổ sung một lượng Fe
3
O
4
để trung hòa (hoặc có thể dùng
một chất khác có λ
s
dương bổ sung vào).
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 16
x
τ
.σλ
x
γ
S
∂
∂
=
∂
∂
x
S
S
γ
x
γ

∂
∂
=
∂
∂
Vật liệu Từ Nano
- Với K
1
cũng vậy, do ferit từ mềm có K
1
<0 nên dùng chất có K
1
>0 pha vào.
• Tăng hàm lượng Zn , là chất phi từ.
b. Độ tổn hao:
Hình : Độ từ thẩm trung bình và tổn hao tgδ phụ thuộc cường độ từ trường (a) và
tần số (b).
c. Từ giảo:
Từ giảo của ferit kẽm phụ thuộc cảm ứng từ và hệ số từ giảo bão hòa, từ độ bão
hòa, hằng số mạng và nhiệt độ Curie của ferit Ni-Zn theo thành phần tỷ lệ Ni/Zn
III.Ứng dụng của ferit từ mềm
• Làm lõi các cuộn dây cảm ứng, lõi cuộn lọc, biến thế điện, tần số 1 đến 200
MHz cho kĩ thuật truyền thanh, truyền hình, đo lường.
• Làm linh kiện sóng ngắn cho viễn thông, tải ba, vô tuyến điện
• Lõi biến thế công suất 10-1000 kHz.
• Làm đầu từ, bộ nhớ cho tin học.
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 17
Vật liệu Từ Nano
• Linh kiện máy siêu âm và lĩnh vực khác
Bảng : Ferit Ni-Zn-Co làm bộ lọc

Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 18
Vật liệu Từ Nano
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 19
Vật liệu Từ Nano
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 20
Vật liệu Từ Nano
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 21
Vật liệu Từ Nano
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 22
Vật liệu Từ Nano
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 23
Vật liệu Từ Nano
Bảng : Tính chất từ của ferit Mn-Zn làm lõi cuộn cảm và lõi biến thế cao áp
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 24
Vật liệu Từ Nano
Ferit NiZn làm anten sóng ngắn
Chương IV : Vật Từ Nano Oxide Page 25