CẤU TRÚC và TÍNH CHẤT từ của các mẫu hạt NANO y3 xgdxfe5o12 (tóm tắt)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------

Trần Xuân Hoàng

CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA CÁC MẪU HẠT NANO Y3xGdxFe5O12

Chuyên ngành: Vật lý nhiệt
Mã số:

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


Công trình được hoàn thành
tại viện ITIMS- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Phúc Dương

GS.TS. Lưu Tuấn Tài

Phản biện 1: TS. Lê Tuấn Tú

Phản biện 2: TS. Trần Thị Việt Nga

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn, họp tại Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Vào hồi 10 giờ 00’, ngày 29 tháng 12 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại
Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội


Luận văn thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
Công nghệ nano là một trong những công nghệ tiên tiến bậc nhất hiện nay.
Vật liệu nano đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như y học, điện
tử, may mặc, thực phẩm v.v... và vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu để tìm ra
những ứng dụng mới. Trong số đó vật liệu nano từ đặc biệt là các hệ hạt pherit rất
thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước cả về các
tính chất cơ bản cũng như các khả năng ứng dụng của vật liêu. Khi đạt kích thước
nanomet, các vật liệu này có những tính chất đặc biệt và ưu việt hơn so với vật liệu
khối.
Vật liệu Ytri ganet sắt chỉ có hai phân mạng từ do Ytri là nguyên tố không có
từ tính. Cho nên tính chất từ được quyết định bởi tương tác giữa các ion Fe trong
hai phân mạng a và d. Trong khi đó đối với vật liệu ganet sắt với các nguyên tố đất
hiếm khác thì phân mạng đất hiếm có từ tính và do vậy xuất hiện thêm tương tác từ
của mômen từ trong các phân mạng c. Để làm sáng tỏ cơ chế đóng góp vào từ độ và
các tham số từ khác của các ganet chứa đất hiếm, luận văn này được chọn đề tài “
Cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12”
Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Các mẫu hạt nano pherit ganet Y3xGdxFe5O12

(x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính
chất từ của hạt nano pherit ganet Y3-xGdxFe5O12 (x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) chế tạo
bằng phương pháp sol-gel. Từ đó làm rõ ảnh hưởng của sự pha tạp Gd lên cấu trúc

tinh thể và tính chất từ của vật liệu cụ thể như: hằng số mạng, kích thước hạt,
mômen từ, nhiệt độ Curi và nhiệt độ bù trừ.
Phương pháp nghiên cứu: Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực
nghiệm kết hợp với phân tích số liệu dựa trên các mô hình lý thuyết và kết quả thực
nghiệm đã công bố. Các mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng phương pháp sol- gel tại
viện ITIMS, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
Trần Xuân Hoàng

1


Luận văn thạc sĩ khoa học

Bố cục của luận văn: Luận văn được trình bày trong 3 chương, 47 trang bao
gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung, kết luận, cuối cùng là tài liệu tham khảo. Cụ
thể cấu trúc của luận văn như sau:
Mở đầu: Mục đích và lý do chọn đề tài.
Chương 1: Tổng quan về vật liệu pherit ganet. Chương này trình bày tổng
quan về cấu trúc và tính chất từ của pherit ganet dạng khối, các tính chất đặc trưng
của vật liệu ở kích thước nanomet và một số ứng dụng điển hình của hạt nano pherit
ganet.
Chương 2: Thực nghiệm. Chương này giới thiệu về phương pháp sol-gel
chế tạo vật liệu có kích thước nanomet và các phương pháp thực nghiệm sử dụng để
nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano chế tạo được.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
Kết luận: Các kết luận chính rút ra từ kết quả nghiên cứu của luận văn.

Trần Xuân Hoàng

2

Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PHERIT GANET
1.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu pherit ganet dạng khối.
1.1.1.Cấu trúc tinh thể.
Pherit ganet có cấu trúc lập phương tâm khối, thuộc nhóm không gian Oh10 –
Ia3d [7-8]. Một ô đơn vị của pherit ganet chứa 8 đơn vị công thức
{R3}[Fe2](Fe3)O12, trong đó R là Y và các nguyên tố đất hiếm như Sm, Eu, Gd, Ho,
Dy, Tb, Er, Tm, Yb, Lu. Các ion kim loại phân bố trong 3 vị trí tinh thể học tạo bởi
các ion oxy: ion đất hiếm chiếm vị trí lỗ trống 12 mặt (vị trí 24c), các ion Fe3+ phân
bố trong hai vị trí lỗ trống 8 mặt (vị trí 16a) và 4 mặt (vị trí 24d). Các lỗ trống 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). Hình 1.1 miêu tả vị trí các ion và hình ảnh mô phỏng các
phân mạng trong cấu trúc của pherit ganet.

(a)
(b)
Hình 1.1: (a) Vị trí các ion và hình ảnh mô phỏng các phân mạng trong cấu trúc của
pherit ganet (b) [15].
1.1.2. Tính chất từ.
1.1.2.1. Mô men từ và nhiệt độ Curie.

Mômen từ của pherit ganet phụ thuộc vào mômen từ của các ion Fe3+ trong
phân mạng a, d và ion kim loại đất hiếm R3+ trong phân mạng c. Theo mô hình lý
thuyết Néel, mômen từ của các ion Fe3+ trong cùng một phân mạng là song song với
nhau, mômen từ của phân mạng a và phân mạng d là đối song. Tương tác giữa các
3
Trần Xuân Hoàng

Luận văn thạc sĩ khoa học

ion đất hiếm trong cùng phân mạng rất yếu nên có thể coi phân mạng đất hiếm như
một hệ các ion thuận từ trong từ trường tạo bởi các phân mạng sắt. Mômen từ của
phân mạng c định hướng ngược với vectơ tổng của mômen từ của hai phân mạng a
và d. Hình 1.2 dưới đây mô tả trật tự từ trong các phân mạng của pherit ganet:
{R33+}

[Fe3+]

c

a

(c)

(d – a)

(Fe3+)

d

Hình 1.2: Mô hình trật tự từ trong các phân mạng của pherit ganet
Mômen từ trong một phân tử ganet phụ thuộc nhiệt độ và được tính theo công
thức:
M (T)= 3MR(T) – [3MFe(T) – 2MFe(T)]
Đặc biệt đối với YIG, do Y

3+

không có từ tính nên mômen từ của YIG do các

ion Fe ở hai phân mạng d và a quyết định, hay MYIG(T) = MFed(T) - MFea(T).

Trần Xuân Hoàng

(1.1)

4


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 1.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ của giá trị mômen từ tự phát của các phân
mạng và mômen từ tổng của YIG [7-8].

Hình 1.4. Sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ của các pherit ganet R3Fe5O12
Có thể nhận thấy, ở nhiệt độ thấp giá trị Ms của các pherit ganet đất hiếm lớn
hơn nhiều so với YIG, là do đóng góp của mômen từ phân mạng c nhưng ở nhiệt độ
phòng, giá trị Ms của pherit ganet đất hiếm giảm rất nhanh cùng với sự giảm của
mômen từ phân mạng c. Để minh họa, hình 1.5 biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của
mômen từ tự phát của cả ba phân mạng d, a và c của Gd3Fe5O12. Giá trị mômen từ
tự phát Ms của một số pherit ganet ở 4 K và 300 K được liệt kê trong bảng 1.3.
1.1.2.2. Nhiệt độ bù trừ Tcomp
Ở vùng nhiệt độ thấp gần 0K, mômen từ của phân mạng đất hiếm Mc(0) lớn
hơn hiệu mômen từ của hai phân mạng sắt (Md(0) – Ma(0)). Tuy nhiên, sự giảm của
mômen từ phân mạng c theo nhiệt độ nhanh hơn so với các phân mạng a và d do
vậy tại một nhiệt độ xác định Tcomp, (0 < Tcomp < TC), mômen từ của phân mạng đất

5
Trần Xuân Hoàng


Luận văn thạc sĩ khoa học

hiếm cân bằng với mômen từ tổng của hai phân mạng sắt Mc(T) = Md(T) - Ma(T).
Nhiệt độ Tcomp được gọi là nhiệt độ bù trừ, tại đó mômen từ tổng MRIG (Tcomp) = 0. Ở
nhiệt độ trên nhiệt độ Tcomp (Tcomp < T < TC), mômen từ của phân mạng sắt trở nên
lớn hơn mômen của phân mạng đất hiếm (Md - Ma > Mc) như quan sát thấy trên hình
1.5 đối với pherit ganet Gd3Fe5O12.

Hình 1.5. Sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ bão hòa của ba phân mạng của
Gd3Fe5O12 [25]
Các giá trị TC, Tcomp của một số pherit ganet đất hiếm theo các nghiên cứu
trước đây được liệt kê trong bảng 1.5. Điểm bù trừ của các pherit ganet đất hiếm
được quan sát thấy ở dưới nhiệt độ phòng. Bảng 1.5 cho thấy nhiệt độ Curie của hệ
pherit ganet không thay đổi nhiều (TC ~560 K) khi thay Y3+ bằng các ion đất hiếm
nặng, khẳng định tương tác của phân mạng d - a là lớn nhất.
1.1.2.3. Tương tác siêu trao đổi.
Trong tinh thể pherit ganet các ion Fe3+ trong phân mạng a, d và ion kim loại
đất hiếm R3+ trong phân mạng c tạo thành 3 phân mạng từ tương ứng, ngoại trừ tinh
thể Ytri pherit ganet chỉ có 2 phân mạng từ do ion Y3+ không có từ tính. Các ion kim
loại Fe3+ và R3+ bị ngăn cách bởi các ion oxy có bán kính lớn nên tương tác giữa các
ion kim loại từ tính là tương tác trao đổi gián tiếp, thông qua ion oxy còn gọi là
Trần Xuân Hoàng

6

Luận văn thạc sĩ khoa học

tương tác siêu trao đổi. Theo mô hình giải thích tương tác trong MnO được đưa ra
bởi Kramer [6], tương tác siêu trao đổi trong pherit ganet là các tương tác trao đổi
gián tiếp thông qua ion oxy xảy ra giữa các ion Fe3+ - Fe3+ , R3+ - R3+ và Fe3+ - R3+
trong đó R là kim loại đất hiếm. Bản chất của tương tác là sự xen phủ lẫn nhau của
các đám mây điện tử d của ion Fe hoặc f của ion đất hiếm R với đám mây điện tử p
của ion oxy.
1.2. Tính chất từ của các hạt nano pherit ganet.
1.2.1. Dị hướng từ bề mặt và mô hình lõi vỏ.
Khi kích thước hạt bị thu nhỏ làm cho tính đối xứng trong tinh thể bị phá vỡ
và giảm các lân cận gần nhất, lúc đó xuất hiện dị hướng từ bề mặt. Sự mất trật tự
của cấu trúc từ tại bề mặt dẫn đến dị hướng từ bề mặt có độ lớn và tính đối xứng
khác nhau tại các vị trí bề mặt khác nhau. Khi kích thước các hạt càng nhỏ, tỉ lệ
diện tích bề mặt S trên thể tích hạt V càng lớn và do vậy sự đóng góp của bề mặt
vào từ tính của hạt sẽ trở nên quan trọng hơn so với hạt dạng khối.

Hình 1.6: Mô hình lõi vỏ trong hạt nano
1.2.2. Sự suy giảm mômen từ theo hàm Bloch.
Theo lý thuyết sóng spin, sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ tự phát của
chất sắt từ hay pherit ở nhiệt độ thấp (T < TC) được mô tả theo hàm Bloch [29]:

Trần Xuân Hoàng

7


Luận văn thạc sĩ khoa học

3



2


T

M S (T ) = M S (0) 1 −   
  TC  



hay còn có thể viết:

(1.4)

M S (T ) = M S (0)(1 − BT 3/2 )

(1.5) ở đây MS(0) là mômen từ tự phát ở 0 K, B là hằng số Bloch. Khi T → TC
thì M S (T ) ≈ (T − TC )α với α là số mũ tới hạn phụ thuộc vào cấu tạo hạt, nó có thể
giảm hoặc tăng so với giá trị 3/2. Đối với vật liệu sắt từ hay pheri từ dạng khối,
mômen từ tự phát MS tỉ lệ với T 3/2 nhưng khi kích thước hạt giảm xuống thang nano
mét thì số mũ có xu hướng tăng lên α > 3/2. Điều này là do các magnon có bước
sóng lớn hơn kích thước hạt không thể bị kích thích, do đó năng lượng nhiệt cần
phải vượt một ngưỡng nhất định để gây nên sóng spin trong các hạt nano này.

Hình 1.7: Mômen từ phụ thuộc kích thước của các hạt nano YIG chế tạo bằng
phương pháp sol-gel (a) và mômen từ phụ thuộc nhiệt độ của các hạt nano YIG kích
thước 45,120 và 440nm (b) đường liền nét là đường khớp hàm Bloch.
Ta thấy, với các mẫu có kích thước trung bình 440 nm và 129 nm, mômen từ

bão hòa phụ thuộc nhiệt độ tuân theo sự biến đổi của mômen từ mẫu khối trong khi
đó mẫu có kích thước trung bình 45 nm thì đường Ms(T) lệch khỏi dạng phụ thuộc
như phương trình (1.5) ở vùng nhiệt độ thấp. Tính toán lí thuyết về vật liệu sắt từ đã
chỉ ra rằng sự thay đổi của spin bề mặt lớn hơn bên trong. Do vậy, hằng số Bloch
Trần Xuân Hoàng

8


Luận văn thạc sĩ khoa học

của các mẫu tăng khi nhiệt độ tăng thì mômen từ tự phát trong các hạt kích thước
nhỏ sẽ giảm nhanh hơn so với vật liệu khối. Điều này có thể do các spin trong hạt
nhỏ không ổn định so với trong vật liệu khối dẫn đến sự giảm nhiệt độ Curie so với
vật liệu khối.

Hình 1.8 Mômen từ bão hòa phụ thuộc nhiệt độ của các hạt YIG chế tạo bằng
phương pháp sol-gel so sánh với mẫu khối [21].
1.2.3. Lực kháng từ phụ thuộc kích thước hạt.
Lực kháng từ liên quan đến sự hình thành đơn đômen và phụ thuộc vào kích
thước của hạt, khi kích thước hạt giảm thì lực kháng từ tăng dần đến cực đại và sau
đó tiến về 0. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt được mô tả như trên
hình 1.7 dưới đây và theo công thức:
  D 3/ 2 
H C = H C 0 1 −  S  
  d  

(1.6)

Trong đó, Ds là kích thước giới hạn siêu thuận từ, D là kích thước hạt, Hco là lực

kháng từ nhiệt độ T gần 0 K.

Trần Xuân Hoàng

9


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 1.10: Lực kháng từ HC phụ thuộc kích thước hạt D của các hạt nano YIG [23]
1.2.4. Tính chất siêu thuận từ.
Khái niệm siêu thuận từ của vật liệu từ tính ở kích thước nano được đưa ra
bởi Frenkel và Dorfman vào năm 1930 [1]. Các nghiên cứu sau đó đã chứng
minh chính xác của dự đoán này. Đó là, nếu các hạt nano từ tính có kích thước
hạt là đủ nhỏ thì những hạt nano này sẽ có tính siêu thuận từ. Năm 1949, Néel đã
chỉ ra rằng, với các hạt đơn đômen có kích thước đủ nhỏ, khi năng lượng dao
động nhiệt E = k BT (trong đó k B là hằng số Bolzmant, T là nhiệt độ) lớn hơn năng
lượng dị hướng E = KV (K - hằng số dị hướng từ tinh thể, V - thể tích hạt) thì
mômen từ tự phát của hạt có thể thay đổi từ hướng từ hóa dễ này sang hướng từ
hóa dễ khác ngay cả khi không có từ trường ngoài.

Trần Xuân Hoàng

10


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 1.11: Cơ chế đảo từ của hạt từ nhỏ
Nhiệt độ tới hạn TB của các hạt tinh thể đơn trục kích thước không đổi, được tính

theo công thức:
TB =

KV
25k B

(1.8)

Lực kháng từ lúc này được tính theo công thức:
  T 1/2 
H C (T ) = H C (0) 1 −   
  TB  

(1.9)

Vậy là với hạt nano từ, trạng thái siêu thuận từ có liên quan mật thiết tới
nhiều thông số, trong đó TB có một ý nghĩa quan trọng mà các nghiên cứu thường
rất quan tâm.
1.3. Một số ứng dụng của pherit ganet.
Hiện nay vật liêu nano từ pherit ganet đang được nghiên cứu và ứng dụng
mạnh mẽ các lĩnh vực y học, quang học, điện tử...
Trong y học, các hạt nano từ là vật liệu thích hợp cho phương pháp nhiệt trị
ung thư. Đây là phương pháp đốt nóng các tế bào ung thư lên nhiệt độ thích hợp để
tiêu diệt chúng mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường xung quanh. Các
hạt nano YIG khi đặt trong từ trường tần số cao có hiện tượng nóng lên cục bộ do
11
Trần Xuân Hoàng


Luận văn thạc sĩ khoa học

sự hấp thụ năng lượng của từ trường tần số cao. Nghiên cứu cho thấy các hạt đa tinh
thể YIG kích thước khoảng 100 nm khi đặt trong từ trường 35,5 Oe và tần số 100
GHz thì nhiệt độ của chúng tăng lên 8 K so với nhiệt độ ban đầu là nhiệt độ phòng.
Đối với đơn tinh thể YIG, với ngưỡng từ trường 4 Oe và đặt trong trường cao tần
4,1 Oe, nhiệt độ của các hạt này có thể tăng lên 15 K. Do đó, chúng hứa hẹn các
ứng dụng trong y học, là vật liệu thích hợp cho phương pháp nhiệt trị để chữa trị
cho các bệnh nhân mắc bệnh ung thư.

Trần Xuân Hoàng

12


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp chế tạo hạt nano Y3-xGdxFe5O12
Tính chất của các hạt nano từ tính không chỉ phụ thuộc vào thành phần, cấu
trúc tinh thể, bản chất liên kết mà còn phụ thuộc vào phương pháp, quy trình và các
thông số kĩ thuật trong quá trình chế tạo. Có hai cách tiếp cận để chế tạo các hạt
nano từ:
- Giảm kích thước vật liệu khối xuống kích thước nanomet (hay còn gọi là
top-down). Theo con đường này, các phương pháp thường được sử dụng như:
nghiền bi hành tinh, nghiền rung,…
- Tạo các hạt nano từ các nguyên tử, phân tử (hay còn gọi là bottom-up).
Các phương pháp thường sử dụng theo con đường này bao gồm các phương pháp
vật lý (phún xạ, bốc bay,…) và phương pháp hóa học (đồng kết tủa từ dung dịch, vi
nhũ tương, đồng kết tủa từ pha hơi, thủy nhiệt, sol-gel,…)
Trong luận văn này, phương pháp chế tạo các mẫu nghiên cứu được lựa

chọn là phương pháp sol-gel.
Phương pháp sol-gel là phương pháp tổng hợp hóa học, rất thích hợp để chế
tạo các vật liệu dạng hạt hoặc dạng màng. So với các phương pháp vật lý hoặc
phương pháp gốm thì phương pháp sol-gel chỉ cần chế tạo mẫu ở nhiệt độ thấp
hơn, thiết bị đơn giản hơn.
2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ.
2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt DTA-TGA
2.2.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR.
2.2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X.
2.2.4. Ảnh hiển vi điện tử quét.
2.2.5 Phương pháp đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung
Từ kế mẫu rung (VSM: Vibrating Sample Magnetometer) có nguyên lý hoạt
động dựa trên định luật cảm ứng điện từ: khi có một vật có mômen từ M dao động
cạnh cuộn dây sẽ gây ra trong cuộn dây một suất điện động cảm ứng tỉ lệ với M. Do
Trần Xuân Hoàng

13


Luận văn thạc sĩ khoa học

đó, mẫu đo có từ tính được gắn vào đầu một thanh rung không từ, đặt giữa hai cuộn
dây nhỏ giống nhau nhưng cuốn ngược chiều, mắc nối tiếp. Tất cả hệ được đặt giữa
hai cực của một nam châm điện. Khi mẫu dao động, hai đầu các cuộn dây sẽ xuất
hiện suất điện động. Hệ từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng trong luận án này là
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
với các thông số kĩ thuật chính như sau:
- Từ trường tối đa: 13,5 kOe, bước thay đổi từ trường: 1Oe.
- Độ nhạy: 10-5 emu.

- Dải nhiệt độ đo: 77 ÷ 800 K (lò mẫu được thổi bằng khí nitơ sạch).

Trần Xuân Hoàng

14


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.Cấu trúc của hạt nano Y3-xGdxFe5O12
3.1.1. Giản đồ phân tích nhiệt.
Phép đo phân tích nhiệt vi sai được tiến hành đối với mẫu gel sau khi chế tạo
để nghiên cứu sự hình thành xerogel, quá trình cháy xerogel và nhiệt độ hình thành
pha pherit ganet thông qua các quá trình thu và tỏa nhiệt khi đốt mẫu gel. Hình 3.1
là giản đồ TG - DTA đối với mẫu gel YIG, thực hiện trong dải nhiệt độ từ nhiệt độ
phòng đến 800oC, tốc độ quét 10oC/phút.

Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel YIG

Đường cong TG cho thấy khối lượng mẫu giảm ~ 26% trong vùng nhiệt độ
15
Trần Xuân Hoàng


Luận văn thạc sĩ khoa học

từ 20-150oC và có sự thu nhiệt ở quanh vùng nhiệt độ 148oC trên đường DTA tương
ứng với quá trình giảm khối lượng này. Hiện tượng này được xác định là do quá
trình bay hơi nước còn lại trong gel. Giai đoạn tiếp theo, khối lượng mẫu giảm thêm

~ 30%, tương ứng với sự tỏa nhiệt ở cực đại 169oC trên đường DTA. Quá trình này
là quá trình khử nước từ các hydroxyt. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ, khối lượng của
mẫu giảm thêm ~12%, tương ứng với vùng tỏa nhiệt đạt cực đại tại 312oC có thể
được giải thích là do sự cháy của các gốc hữu cơ. Theo giản đồ này, ở nhiệt độ trên
400oC, quá trình phân hủy các hydroxyt và bốc bay của các chất hữu cơ đã xảy ra
hoàn toàn, khối lượng mẫu sau đó không đổi khi tăng nhiệt độ lên 800oC. Do đó,
nhiệt độ được lựa chọn để tiến hành đốt gel là 400oC để đảm bảo các chất hữu cơ đã
cháy hoàn toàn. Gel sau khi đốt được nghiền mịn bằng cối mã não và nung thiêu kết
trong 5 giờ để thu được các mẫu hạt nano pherit.
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X.
Cấu trúc tinh thể và pha của các mẫu hạt Y3-xGdxFe5O12 chế tạo theo phương
pháp sol – gel được nghiên cứu qua phổ nhiễu xạ tia X và so sánh với phổ chuẩn
12063 – 5 – 68. Tiến hành đo phổ nhiễu xạ tia X các mẫu hạt Y3-xGdxFe5O12 sau khi
ủ ở nhiệt độ 800oC ta thu được kết quả như trong hình 3.2. Theo kết quả nhiễu xạ tia
X, các mẫu hoàn toàn đơn pha với các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc ganet
tại các mặt phản xạ (400), (420), (422), (521), (532), (444), (640), (642), (800),
(840), và (842) phù hợp với phổ chuẩn. Các đỉnh nhiễu xạ mở rộng, chứng tỏ các
mẫu ở kích thước nano mét. Giản đồ nhiễu xạ tia X cũng chỉ ra sự giảm góc nhiễu
xạ khi tăng nồng độ Gd pha tạp.
Mật độ khối lượng của các hạt nano Y3-xGdxFe5O12 có thể tính được thông
qua giá trị hằng số mạng a theo công thức:
ρ=

8M
(g/cm3)
N Aa3

(3.1)

Trong đó M là khối lượng mol (g), 8 là số đơn vị công thức trên 1 ô đơn vị, a

là hằng số mạng và NA là số Avogadro. Bảng 3.1 dưới đây chỉ ra các kết quả tính
toán a và D của các mẫu hạt Y3-xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3).
3.1.2. Kết quả phân tích ảnh FESEM.
Trần Xuân Hoàng

16


Luận văn thạc sĩ khoa học

Kích thước và hình thái học của các mẫu hạt Y3-xGdxFe5O12 đơn pha được
quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (FESEM). Ảnh chụp FESEM của các mẫu
hạt nano Y2GdFe5O12 và Y1Gd2Fe5O12 được trình bày trên hình 3.3 và 3.4.

Hình 3.3: Ảnh FESEM của các mẫu hạt Y2GdFe5O12

Hình 3.4: Ảnh FESEM của các mẫu hạt Y1Gd2Fe5O12
Kết quả ảnh chụp FESEM trên hình 3.3 và 3.4 cho thấy các hạt Y2GdFe5O12
Trần Xuân Hoàng

17


Luận văn thạc sĩ khoa học

và Y1Gd2Fe5O12 có kích thước trong khoảng 30 nm đến 70 nm. Các mẫu còn lại
cũng có kết quả tương tự. Như vậy kích thước tinh thể trung bình tính theo công
thức (2.4) nằm trong dải kích thước quan sát được bằng ảnh FESEM.
3.1.3 Kết quả phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR.
Hình 3.5 và hình 3.6 là kết quả phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại của các

mẫu hạt nano Y2.5Gd0.5Fe5O12 và Y2GdFe5O12.

Hình 3.6: Phổ hồng ngoại của mẫu hạt nano Y2,5Gd0,5Fe5O12 . Hình nhỏ
mô tả phổ hồng ngoại của mẫu trong dải số sóng 400 – 600 cm-1.
Theo phổ này ta thấy trong dải số sóng từ 550 – 587 xuất hiện các dao động
đặc trưng của liên kết Fe – O trong phân mạng tứ diện và bát diện. Các dao của
nguyên tố Y và Gd với O trong phân mạng c nằm ở vùng dưới 400 cm-1 nên không
quan sát thấy trong phổ này. Điều này chứng tỏ mẫu đã chế tạo được có cấu trúc của
pherit ganet với các dao động đặc trưng của phân mạng tứ diện và bát diện.
3.2. Tính chất từ của các hạt nano Y3-xGdxFe5O12.
3.2.1. Từ độ.
Tính chất từ của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 ( x=1; 1,5; 2; 2,5) được
nghiên cứu dựa trên các đường cong từ hóa mô tả sự phụ thuộc của từ độ M vào từ
18
Trần Xuân Hoàng


Luận văn thạc sĩ khoa học

trường ngoài H được khảo sát trong vùng nhiệt độ thấp (từ 88 K đến 273 K) và
vùng nhiệt độ cao (từ 300 K đến 570 K) với từ trường cực đại 10 kOe.

Hình 3.9: Đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y1Gd2Fe5O12 ở vùng nhiệt độ
thấp (a) và nhiệt độ cao (b).

Hình 3.10: Đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y0,5Gd2,5Fe5O12 ở vùng nhiệt độ
thấp (a) và nhiệt độ cao (b).
Trên hình 3.7, 3.8, 3.9 và 3.10 là các đường cong từ hóa của các mẫu hạt
nano Y3-xGdxFe5O12 (x=1; 1,5; 2; 2,5) đo ở vùng nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao. Các
đường cong M(H) thấy rằng tất cả các mẫu là vật liệu từ mềm đạt gần đến trạng thái

bão hòa ở vùng từ trường trên 2 kOe, sau đó giá trị mômen tăng chậm theo từ
trường ngoài. Với từ trường tối đa của thiết bị đo là 10 kOe thì mômen từ của các
mẫu đều chưa đạt đến giá trị bão hòa.
Việc so sánh đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12 (x=1;
1,5; 2; 2,5) ở nhiệt độ 88 K được thể hiện như trên hình 3.11.

Trần Xuân Hoàng

19


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 3.11: Đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12
( x= 1; 1,5;2; 2,5) tại các nhiệt độ 88 K.
3.2.2. Nhiệt độ Curie.
Từ giá trị mômen từ tự phát ở các nhiệt độ khác nhau tính được dựa theo các
đường cong từ hóa ta vẽ được đường biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của Ms
như dưới hình 3.12. Để tiện cho việc phân tích về từ độ của các phân mạng, ở đây
chúng tôi biểu diễn Ms theo đơn vị emu/cm3. Nhiệt độ Curie TC của các hạt nano Y3xGdxFe5O12

được xác định dựa trên các đường cong từ nhiệt Ms(T). Nhiệt độ TC

được xác định là giao điểm của đường tiếp tuyến tại độ dốc lớn nhất của đường
Ms(T) với trục nằm ngang ở vùng nhiệt độ cao. Các mẫu hạt nano có nhiệt độ TC
khoảng 560 K.

Trần Xuân Hoàng

20

Luận văn thạc sĩ khoa học

Y3Fe5O12
Y2Gd1Fe5O12

300

Ms (emu/cm3)

Y1.5Gd1.5Fe5O12
Y1Gd2Fe5O12
Y0.5Gd2.5Fe5O12
Gd3Fe5O12

200

100

0
0

100

200

300

400

500

600

T (K)
Hình 3.12: Mômen từ tự phát Ms phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu hạt nano
Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3)
3.2.3. Nhiệt độ bù trừ Tcomp
Từ đồ thị sự phụ thuộc nhiệt độ của mômen từ bão hòa Ms trên hình 3.12,
ngoại trừ mẫu Y3Fe5O12 ta thấy ban đầu từ độ của các mẫu giảm khi nhiệt độ tăng
đến một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ bù trừ) thì Ms sẽ bằng không. Tuy nhiên tiếp
tục tăng nhiệt độ thì Ms lại tăng lên và cuối cùng trở về không ở nhiệt độ Curie
(trạng thái thuận từ). Điều này là do ion Gd3+ đã thay thế ion Y3+ ở phân mạng c tạo
thành ba phân mạng từ trong tinh thể Y3-xGdxFe5O12.
Bảng 3.3: Nhiệt độ Curie TC và nhiệt độ bù trừ Tcomp của các mẫu hạt nano
Y3-xGdxFe5O12 (x = 0;1;1.5;2;2.5;3)
x

0

1

1,5

2

2,5

3

TC

560

560

560

560

560

560

Tcomp

-

80

115

165

205

290

Trần Xuân Hoàng

21


Luận văn thạc sĩ khoa học

600

Gd3Fe5O12
Y0.5Gd2.5Fe5O12

Mc (emu/cm3)

500

Y1Gd2Fe5O12
Y1.5Gd1.5Fe5O12

400

Y2Gd1Fe5O12
300
200
100
0
0

100

200

300

400

500

600

T (K)
Hình 3.13: Từ độ của phân mạng c phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu hạt nano
Y3-xGdxFe5O12 (x= 1;1.5;2;2.5;3)
Đồ thị trên hình 3.13 cho thấy từ độ của phân mạng c tăng theo nồng độ Gd
pha tạp do các ion Y3+ trong phân mạng c đã được thế chỗ bởi các ion Gd3+ có từ
tính. Ta có thể thây so với các phân mạng sắt đối với mẫu Y3Fe5O12 thì các phân
mạng Gd giảm rất nhanh theo nhiệt độ và đây là nguyên nhân xuất hiện nhiệt bù trừ
trong vật liệu. Mẫu có nồng độ Gd càng thấp thì Tcomp có giá trị càng giảm.

Trần Xuân Hoàng

22


Luận văn thạc sĩ khoa học

KẾT LUẬN

Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực hiện trong luận văn, chúng tôi rút ra một
số kết luận sau:
1. Đã chế tạo thành công các hạt Y3-xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2.5; 3) đơn

pha có kích thước nanomet bằng phương pháp sol- gel.
2. Sự hình thành pha, cấu trúc tinh thể, kích thước và hình thái hạt của các
mẫu đã được nghiên cứu cho thấy:
- Các mẫu hoàn hoàn đơn pha sau khi ủ nhiệt ở 8000C trong 5 giờ.
- Kích thước tinh thể trung bình của các hạt là 36 nm. Mẫu có nồng độ Gd lớn
hơn cho kích thước hạt và mật độ khối lượng lớn hơn.
3. Các phép đo khảo sát cho thấy sự ảnh hưởng của ion thay Gd3+ lên tính
chất từ của YIG, cụ thể là:
- Từ độ của mẫu giảm ở vùng nhiệt độ cao do có sự cạnh tranh của 3 phân mạng từ.
- Nhiệt độ Curie của các mẫu không có sự thay đổi so với YIG do ở vùng nhiệt
độ cao có giá trị TC ≈ 560 K do tương tác giữa các ion Fe3+ trong các phân mạng a
và d quyết định.
- Xuất hiện nhiệt độ bù trừ ở tất cả các mẫu x = 1; 1,5; 2; 2,5; 3 và nhiệt độ bù
trừ tăng theo nồng độ ion Gd pha tạp.
4. Những kết quả này là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để làm sáng tỏ sự
ảnh hưởng của công nghệ chế tạo đến sự phân bố ion, tính chất từ nội tại cũng như
vai trò của tương tác giữa các hạt lên tính chất từ của hệ.

Trần Xuân Hoàng

23