Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ hai pha cứng mềm bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

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

Trịnh Thị Hồng Thúy

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015


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

Trịnh Thị Hồng Thúy

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

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội - Năm 2015

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


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU.............................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ ....................................................... 2
1.1. Vật liệu từ có cấu trúc nano ............................................................................... 2
1.1.1. Dây nano từ tính .................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Màng mỏng từ tính ................................................ Error! Bookmark not defined.
1.2. Vật liệu từ cứng ..................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Khái niệm ................................................................ Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Một số đặc trưng quan trọng ............................... Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Ứng dụng ................................................................ Error! Bookmark not defined.

1.3. Vật liệu từ mềm..................................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Khái niệm ................................................................ Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Một số đặc trưng quan trọng ............................... Error! Bookmark not defined.
1.3.3. Ứng dụng ................................................................ Error! Bookmark not defined.
1.4. Giới thiệu về vật liệu từ hai pha cứng/mềm ....... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆMError! Bookmark not defined.
2.1. Phƣơng pháp lắng đọng điện hóa ........................ Error! Bookmark not defined.
2.2. Phƣơng pháp Vol – Ampe vòng (CV) ................. Error! Bookmark not defined.
2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) .................................. Error! Bookmark not defined.
2.4. Phổ tán sắc năng lƣợng (EDX) ............................ Error! Bookmark not defined.
2.5. Từ kế mẫu rung (VSM)............................................... Error! Bookmark not defined.
2.6. Nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................. Error! Bookmark not defined.


2.7. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ...................... Error! Bookmark not defined.
2.8. Chi tiết thí nghiệm ................................................ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................. Error! Bookmark not defined.
3.1. Kết quả chế tạo vật liệu từ mềm CoNi ............... Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ...................... Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Kết quả hiển vi điện tử quét................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.3. Kết quả đo tính chất từ........................................... Error! Bookmark not defined.
3.2. Kết quả chế tạo vật liệu từ cứng CoNiP dạng màng mỏngError! Bookmark not defined.
3.2.1. Kết quả đo Vol - Ampe vòng (CV) ........................ Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Kết quả phân tích EDX .......................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.3. Kết quả đo nhiễu xạ tia X ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.4. Kết quả đo tính chất từ........................................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết quả về hệ vật liệu hai pha CoNiP/CoNi....... Error! Bookmark not defined.
3.3.1. Kết quả của kính hiển vi điện tử quét ................... Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Kết quả phân tích EDX .......................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.3. Kết quả đo tính chất từ........................................... Error! Bookmark not defined.

3.3.4. Ảnh hưởng của từ trường ...................................... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ........................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 3
BÁO CÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂNError! Bookmark not defined.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Một số dạng hình học của vật liệu nano

2

Hình 1.2.

(a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b)

3

Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm
Hình 1.3

(a) Dây nano Ni một đoạn; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn;

3

(c) Dây nano nhiều lớp Co-Cu
Hình 1.4.

Những chu trình trễ của một mảng dây nano Ni. Đường

4

kính của các dây nano là 100 nm, chiều dài của chúng là 1
µm.
Hình 1.5.

Chức năng hóa các dây nano Au-Ni.

6

Hình 1.6.

(a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc

7

Hình 1.7.

Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng

9

Hình 1.8

Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số

11

trên đường từ trễ

Hình 1.9

Sơ đồ minh họa đường khử từ của nam châm hai pha

12

Hình 2.1

Bố trí ba cực của phương pháp mạ điện chế tạo dây nano

14

Hình 2.2

Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV

15

Hình 2.3

Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quá trình khử

16

Hình 2.4

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

17

Hình 2.5

Kính hiển vi điện tử quét

18

Hình 2.6

Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

20

Hình 2.7

Máy đo từ kế mẫu rung

21

Hình 2.8

Mô hình từ kế mẫu rung

22

Hình 2.9

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy XRD

24

Hình 2.10

Máy nhiễu xạ tia X D5005

24

Hình 2.11

Sơ đồ của máy hiển vi điện tử truyền qua

25

Hình 3.1

Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân

28


Hình 3.2

Ảnh SEM của dây nano khi loại bỏ các khuôn

29

Hình 3.3

Đường cong từ trễ của dây nano CoNi với từ trường đặt vào

29

song song với trục của dây
Hình 3.4

Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân chứa CoNiP

30

Hình 3.5

Kết quả đo EDX

31

Hình 3.6

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ phần trăm nguyên tử

32

P vào nồng độ mol NH2PO2.
Hình 3.7

Phân tích phổ XDR của vật liệu CoNiP

32

Hình 3.8

Đường cong từ trễ của các màng CoNiP được đo tại nhiệt

33

độ phòng
Hình 3.9

Sự phụ thộc của lực kháng từ vào nồng độ mol của NH2PO2

34

Hình 3.10

Sự phụ thuộc của tỉ lệ Mr/Ms

vào nồng độ của

35

Sự phụ thuộc của từ độ vào tỉ lệ phần trăm của P tại 7500

35

7500 Oe

NH2PO2
Hình 3.11

Oe
Hình 3.12

Ảnh SEM của vật liệu dây nano CoNiP

36

Hình 3.13

Phổ tán sắc năng lượng của mẫu CoNiP

37

Hình 3.14

Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP với từ trường đặt vào

37

song song với trục của dây
Hình 3.15

Thí nghiệm lắng đọng trong từ trường

38

Hình 3.16

Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP bị ảnh hưởng của từ

38

trường đặt vào

Hình 3.17

Ảnh TEM của vật liệu CoNiP khi có từ trường đặt vào sau

39

khi loại bỏ khuôn
Hình 3.18

Phổ XRD của vật liệu CoNiP khi chế tạo trong

39

Hình 3.19

Phổ EDX của vật liệu CoNiP khi được chế tạo trong từ

40

trường
Hình 3.20

HRTEM của vật liệu CoNi/CoNiP

41


Hình 3.21

Ảnh SAED của vật liệu CoNiP

41

Hình 3.22

Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP dưới ảnh hưởng của

41

từ trường


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

chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của các vật liệu nano từ tính đơn pha từ và hai
pha từ cứng/mềm bằng phương pháp lắng đọng điện hóa.
Luận văn gồm 3 phần chính:
Chương 1 - Tổng quan về vật liệu từ.
Chương 2 - Các phương pháp thực nghiệm.
Chương 3 - Kết quả và thảo luận.

1


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ
1.1.

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

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

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

2


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
1. Nguyễn Đình Đức, Vật liệu composite - tiềm năng và ứng dụng, trường đại học
công nghệ, đại học QGHN.
2. Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB Đại học Quốc gia Hà
Nội.
3. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB
Đại học Quốc gia Hà Nội.
4. Nguyễn Hoàng Hải (2009), Hiệu ứng nhớ từ trong vật liệu từ cứng FeCo/(Nd,
Pr)2Fe14B, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ
25 (2009).
5. Lưu Tuấn Tài (2010), Giáo trình vật liệu từ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.
6. Nguyễn Thị Thái (2014), Ảnh hưởng của đường kính và tỉ số hình dạng lên
tính chất từ của dây nano, Luận văn thạc sĩ Vật lí, trường Đại học Khoa học
tự nhiên, đại học QGHN.
7. Đào Thị Trang (2015), Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ P lên vật liệu
CoNiP, Khóa luận tốt nghiệp, trường Đại học Khoa học tự nhiên, đại học
QGHN.
8. Nguyễn Xuân Trường (2015), Nghiên cứu chế tạo nam châm kết dính Nd-FeB/Fe-Co từ băng nguội nhanh có yếu tố ảnh hưởng của từ trường, Luận án
tiến sĩ khoa học vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt nam.
Tiếng Anh:
9. C. Zet, C. Fosalau (2012), Magnetic nanowire based sensors, Digest Journal
of Nanomaterials and Biostructures, Vol. 7, pp. 299 – 306.
10. C. Wen Kuo and P. Chen (2010), The Applications of Metallic Nanowires
for Live Cell Studies, Electrodeposited Nanowires and their Applications,

Nicoleta Lupu (Ed.), ISBN: 978-953-7619-88-6, InTech Publishing House.

3


11. D. Zhang, Z. Liu, S. Han, C. Li, B. Lei, M. P. Stewart, J. M. Tour, C. Zhou
(2004),

Magnetite

(Fe3O4)

Core-Shell

Nanowires:

Synthesis

and

Magnetoresistance, Nano Lett, 4, pp: 2151-2155.
12. K.B. Lee, Park, S., Mirkin, C. A (2004), Multicomponent magnetic
nanorods for biomolecular separations, Angew. Chem. Int. Ed. 43, pp: 3048.
13. Le Tuan Tu, Luu Van Thiem, Pham Duc Thang (2014), Influence of bath
composition on the electrodeposited Co-Ni-P nanowires, Communications in
Physics, Vol. 24, No. 3S1, pp. 103-107.
14. Le Tuan Tu, Luu Van Thiem (2014), Fabrication and characterization of
single

segment

CoNiP

and

multisegment

CoNiP/Au

nanowires,

Communications in Physics, Vol. 24, No. 3 (2014), pp. 283-288.
15. Luu Van Thiem, Le Tuan Tu, Phan Manh Huong (2015), Magnetization
Reversal and Magnetic Anisotropy in Ordered CoNiP Nanowire Arrays:
Effects of Wire Diameter, Sensors, 15, pp. 5687-5696.
16. M. Alper, K. Attenborough, R. Hart, S.J.Lane, D.S. Lashmore, C.Younes
and W.Schwarzacher (1993), Giant magnetoresistance in electrodeposited
superlattices, Appl. Phys. Lett. 63 pp. 2144-2146.
17. Martin, C.R (1994), “Nanomaterials: A membrane-based
syntheticapproach”, Science, Vol. 266, pp. 1961
18. Nguyen Thi Lan Anh (2015), Magnetic behavior of arrays of CoNi/CoNiP
nanowires, Graduate studies, VNU University of Science, VNU, Hanoi.
19. P. Cojocaru, L. Magagnin, E. Gomez, E. Vallés (2011), Nanowires of
NiCo/barium ferrite magnetic composite by electrodeposition, Materials
Letters 65, pp: 2765–2768.
20. P. Cojocaru, L. Magagnin, E. Gómez, E. Vallés (2010), Electrodeposition of
CoNi and CoNiP alloys in sulphamate electrolytes, Journal of Alloys and
Compounds, 503, pp: 454–459.
21. R.N. Emerson, C. Joseph Kennady, S. Ganesan (2007), Effect of organic
additives on the magnetic properties of electrodeposited CoNiP hard

magnetic films, Thin Solid Films, Vol 515, pp: 3391–3396.
4


22. S. Karim, K. Maaz (2011), Magnetic behavior of arrays of nickel
nanowires:

Effect

of

microstructure

and aspect

ratio, Materials

Chemistry and Physics, Vol 3, pp: 1103 – 1108.
23. S. Guana, zand Bradley J. Nelson (2005), Pulse-Reverse Electrodeposited
Nanograinsized CoNiP Thin Films and Microarrays for MEMS Actuators,
Journal of The Electrochemical Society,15, pp: C190-C195.
24. T. Ouchi, N. Shimano, T. Homma (2011), CoNiP electroless deposition
process for fabricating ferromagnetic nanodot arrays, Electrochimica
Acta, Vol 56, pp 9575 – 9580.
25. V. Varadan, L.F. Chen, J. Xie (2008), Nanomedicine: Design and
Applications of Magnetic Nanomaterials, Nanosensors and Nanosystems.
Wiley Publishing House.
26. W. Yanga, C. Cui, Q. Liu, B. Cao, L. Liu, Y. Zhang (2014), Fabrication and
magnetic properties of Sm2Co17and Sm2Co17/Fe7Co3 magnetic nanowires
via AAO templates, Journal of Crystal Growth, 399, pp: 1–6.

27. Y. Cao, G. Wei, Hongliang Ge, Yundan Yu (2014), Synthesis and Magnetic
Properties of NiCo Nanowire Array by Potentiostatic Electrodeposition, Int.
J. Electrochem. Sci., 9 (2014) 5272 – 5279.

5