LUẬN văn sư PHẠM vật lý KHẢO sát ẢNH HƯỞNG của các TIỀN CHẤT lên KÍCH THƯỚC và từ TÍNH các hạt NANO fe3o4 được tạo THÀNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG kết tủa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TIỀN CHẤT LÊN KÍCH
THƯỚC VÀ TỪ TÍNH CÁC HẠT NANO Fe3O4 ĐƯỢC TẠO
THÀNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA

Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: Sư phạm Vật lý & Tin Học

GVHD: Ths.Trần Yến Mi

SVTH: Lê Hoàng Lan Phương
Lớp:

SP Vật Lý & Tin Học

Mã số SV: 1080294

Cần Thơ -2012


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi cảm ơn sâu sắc nhất tới Cô giáo - Th.s Trần
Yến Mi đã hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tà i
nghiên cứu này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến hai Thầy giáo - Th.s Lê Văn
Nhạn và Th.s Nguyễn Trí Tuấn, luôn nhiệt tình giúp đỡ, định hướng và tạo
điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này.
Ngoài ra, trong suốt thời gian làm thực nghi ệm tại Bộ môn Vật LýKhoa Khoa Học Tự Nhiên tôi cũng nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các

Thầy, Cô trong phòng thí nghiệm. Xin chân thành cảm ơn.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình đến quý Thầy, Cô thuộc Bộ
môn Sư Phạm Vật Lý- Khoa Sư Phạm đã giảng dạy tận tình cho tôi trong
suốt thời gian học tập vừa qua.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và tất cả bạn bè đã cổ
vũ, động viên và luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi vượt qua khó
khăn.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, song do kiến thức và thời gian nghiên
cứu có hạn nên chắc rằng đề tài không tránh khỏi sai sót. Vì vậy, rất mong
được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy , Cô cùng các bạn để đề tài của tôi
được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ , ngày 19/4/2012
Sinh viên
Lê Hoàng Lan Phương


MỤC LỤC

Danh mục bảng biểu................................................................................................. iii
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................... iv
......................................................................................................................................
Danh mục c ác ký hiệu và chữ viết tắt ...................................................................... vi
Tóm tắt luận văn...................................................................................................... vii
Lời mở đầu .................................................................................................................1

Chương I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................3
1.1. Giới thiệu tổng quan về vật liệu từ ....................................................................3
1.2. Phân loại các vật liệu nano................................................................................5
1.3. Cơ chế từ tính của vật chất ................................................................................6

1.3.1.Vật liệu nghịch từ ......................................................................................6
1.3.2. Vật liệu thuận từ ........................................................................................7
1.3.3. Vật liệu sắt từ .............................................................................................8
1.3.4. Vật liệu ferrite từ .....................................................................................10
1.3.5. Vật liệu phản sắt từ (phản ferrite) ............................................................11
1.4. Giới hạn đơn domain và c ơ chế từ tính của vật liệu nano.................................12
1.5. Tính chất siêu thuận từ ......................................................................................14
1.6. Oxit sắt từ Fe3O4 ...............................................................................................19
1.6.1. Một số tính chất của oxit sắt từ Fe3O4 dạng thường ................................19
1.6.2. Oxit sắt từ Fe3O4 dạng nano ....................................................................20
1.7. Một số phương pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 ................................23
1.7.1. Phương pháp nghiền ................................................................................23
1.7.2. Phương pháp thủy nhiệt ...........................................................................24


1.7.3. Phương pháp đồng kết tủa .......................................................................24
1.8. Một số phương pháp dùng xác định thành phần, kích thước và từ tính hạt nano
..................................................................................................................................27
1.8.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ....................................................................27
1.8.2. Phương pháp ảnh SEM ............................................................................28
1.8.3. Phương pháp VSM ..................................................................................28
Chương II. ĐIỀU CHẾ HẠT NANO OXIT SẮT TỪ Fe3O4 BẰNG PHƯƠNG
PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA
2.1. Quy trình điều chế...........................................................................................31
2.1.1. Mục đích ..................................................................................................31
......................................................................................................................................
2.1.2. Hóa chất và dụng cụ ................................................................................31
2.1.3. Phương án thí nghiệm ..............................................................................31
2.1.4. Sơ đồ của quy trình chế tạo hạt Fe3O4 .....................................................33
2.2. Các phương pháp phân tích kết quả ................................................................34

Chương III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................35
3.1. Ảnh hưởng của hệ số đương lượng .................................................................35
3.2. Ảnh hưởng của nồng độ các tiền chất .............................................................36
Chương IV. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................40
4.1. Kết luận và kết quả thực nghiệm .......................................................................40
4.2. Giới thiệu ứng dụng “Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ” của ôxit
sắt từ dạng nano trong y sinh học .............................................................................40
4.2.1. Những lý do ứng dụng các hạt nano oxit sắt từ trong lĩnh vực y sinh học
..................................................................................................................................40
4.2.2. Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ .........................................41
4.3. Hướng phát triển của đề tài ...............................................................................45
HỆ THỐNG ĐƠN VỊ TỪ ........................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................48


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân loại từ tính của vật liệu sắt từ (từ kích thước vĩ mô đến cấp độ phân
tử) .............................................................................................................................. 2
Bảng 1.2: Đường kính tới hạn gần đúng của một đơn domain hạt hình cầu có m ột
trục dị hướng của một số loại vật liệu xét tại nhiệt độ phòng. ................................ 10
Bảng 1.3: Liệt kê các sản phẩm của phản ứng thủy phân của Fe2+ và Fe3+ ........... 24
Bảng 2.1: Bảng phân bố nồng độ mol của các tiền chất trong mẫu, với hệ số
đương lượng R tương ứng ....................................................................................... 30
Bảng 3.1: Kích thước tinh thể được xác định từ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu A,
B và C...................................................................................................................... 34
Bảng 3.2: Số liệu từ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu được được tổng hợp khi nồng
độ tiền chất thay đổi. .............................................................................................. 37
Bảng 1: Bảng tóm tắt đơn vị từ tính theo hệ thống đo lường SI và hệ thống
đo lường CGS .......................................................................................... 47

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
 ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay- Kỹ thuật sinh hóa phát hiện
kháng thể hay kháng nguyên trong mẫu xét nghiệm
 HCV: Hepatitis C virus - virut viêm gan C
 MRI : Magnetic resonance imaging - Ảnh cộng hưởng từ
 SEM : Scanning Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử quét
 TEM : Transmission electronic microscopy - Kính hiển vi điện tử truyền qua
 VSM : Vibrating Sample Magnetometer - Từ kế mẫu rung
 UTTBG : Ung thư tế bào gan
Ký hiệu
 M : Độ từ hóa
 Mr (hay Ir): Từ dư
 MS (hay Is): Độ từ hóa bảo hòa
 H: Từ trường ngoài
 HC: Lực kháng từ
 HS: Từ trường bên ngoài cần thiết tạo ra hiện tượng bảo hòa từ.
 T: Nhiệt độ tuyệt đối (T=273 + t 0C)
 TB: Nhiệt độ Blocking
 TC: Nhiệt độ Curie
 χ : Độ từ cảm
 V: Thể tích của một hạt
 Vcrit: Thể tích tới hạn


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ trường bên ngoài (H). Từ
đó, tạo nên độ dốc của đồ thị M=f(H) chính là độ từ cảm (χ) của vật liệu nghịch từ.
(b) Chứng tỏ rằng độ từ cảm (χ) của vật liệu nghịch từ không phụ thuộc vào nhiệt

độ (T) của vật liệu. .....................................................................................................5
Hình 1.2: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ trường bên ngoài (H). Từ
đó, tạo nên độ dốc dương của đồ thị M=f(H) chính là độ tự cảm (χ) của vật liệu
thuận từ. ( b) độ từ cảm của vật liệu phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie. ...........6
Hình 1.3: Đường cong từ trễ đặc trưng của vật liệu sắt từ ........................................7
Hình 1.4: (a) Dạng trật tự ferrite từ, với O là các oxygen. (b) Momen từ của các ion
kim loại đã xuất hiện ở hình a. ...................................................................................9
Hình 1.5: Lực kháng từ trong vật liệu sắt từ thay đổi khi vật liệu chuyển từ cấu trúc
đa domain sang đơn domain. Với một kích thước nh ỏ hơn nhiều so với giới hạn đơn
domain thì vật liệu sắt từ có tính siêu thuận t ừ. Trong đó: Dsp: kích thước hạt siêu
thuận từ; D C: kích thước hạt đơn domain.................................................................11
Hình 1.6: (a) mô tả một hạt có một trục dị hướng từ hợp với từ trường ngoài H một
góc ; đồng thời hạt này có moment từ m hướng so với trục dễ từ hóa một góc .
(b) cho thấy sự phụ thuộc vào góc của năng lượng dị hướng từ KV khi không có từ
trường ngoài (đường liền nét) và khi từ trường ngoài nhỏ hơn lực kháng từ (đường
đứt nét). ...................................................................................................................15
Hình 1.7: Dạng tự nhiên của Fe 3O4 ............................................................................................................. 17
Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể ferrite thường gặp ........................................................19
Hình 1.10: Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ ........................................20
......................................................................................................................................
Hình 1.11: Phổ nhiễu xạ tia X chuẩn của oxide sắt từ Fe3O4. ................................27
Hình 2.1: Sơ đồ của quy trình chế tạo hạt Fe 3O4 ....................................................31


Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của ba mẫu A, B vàC với hệ số đương lượng tương
ứng 2, 3 và 4 .............................................................................................................33
Hình 3.1: Ảnh SEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của ba mẫu A, B và C tương
ứng với hệ số đương lượng 2, 3 và 4. Kích thước hạt trung bình trong ba mẫu tương
đương nhau và nằm trong khoảng từ 18nm đến 22nm.............................................35
Hình 3.3: Đường cong từ trễ của các mẫu A, B và C, với các hệ số đương lượng

tương ứng 2, 3 và 4. Từ độ bão hòa xấp xỉ của ba mẫu vào khoảng 62emu/g.........35
Hình 3.4: Đồ thị tổng hợp của các mẫu A, D, E và F được xét trong điều kiện hệ số
đương lượng không đổi (R=2), nhưng nồng độ các tiền chất thay đổi. Cụ thể, xét
theo nồng độ của Fe2+ thì giá trị tương ứng trong các mẫu A, D, E và F lần lượt là
0,2; 0,1; 0,05 và 0,025. ............................................................................................36
Hình 3.5: Đồ thị phân bố kích cỡ hạt của mẫu A và F có nồng độ mol Fe 2+ tương
ứng là 0,1 và 0,025. Kích thước hạt trung bình trong hai mẫu từ 18nm đến 22nm. 38
Hình 3.6: Đường cong từ trễ của các mẫu A, D, E và F tương ứng với nồng độ Fe 2+
lần lượt là 0,2; 0,1; 0,05 và 0,025. ...........................................................................39

Hình 4.1 : Mô tả cơ chế cộng hưởng từ hạt nhân. (a) momen từ m của proton tuế

sai xung quanh từ trường B0 . (b) một từ trường xoay chiều có tần số bằng tần số tuế

sai của momen từ, từ đó làm cho moment từ m hướng theo phương của từ trường
xoay chiều. (c) và (d) cho thấy sự hồi phục của quá trình hồi giãn dọc và hồi giãn
ngang sau khi tắt từ trường xoay chiều. ...................................................................45


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này nghiên cứu phương pháp đồng kết tủa để tạo ra các hạt nano
oxit sắt từ Fe3O4 từ các nguyên vật liệu muối sắt III (FeCl3) và muối sắt II (FeCl2)
dưới tác dụng của NaOH (thí nghiệm được thực hiện trong môi trường không khí và
nhiệt độ phòng), từ đó xác định ảnh hưởng của các tiền chất đối với sản phẩm tạo
thành.
Luận văn gồm 4 chương:
Chương I. Cơ sở lý thuyết
 Giới thiệu tổng quan về vật liệu từ
 Phân loại các vật liệu nano
 Sơ lược cơ chế từ tính của vật chất

 Giới hạn đơn domain và cơ chế từ tính của vật liệu nano
 Tính chất siêu thuận từ
 Một số tính chất của oxit sắt từ Fe3O dạng thường và oxit sắt từ Fe3O4 dạng
nano
 Giới thiệu một số phương pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 trong đó
nhấn mạnh phương pháp đồng kết tủa
 Một số phương pháp dùng xác định thành phần, kích thước và từ tính hạt
nano (phương pháp nhiễu xạ tia X , phương pháp ảnh SEM, phương pháp
VSM)
Chương II. Điều chế hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết
tủa
 Quy trình điều chế
 Giới thiệu sơ đồ của quy trình chế tạo hạt Fe3O4
 Các phương pháp phân tích kết quả
Chương III. Kết quả và thảo luận
 Ảnh hưởng của hệ số đương lượng
 Ảnh hưởng của nồng độ các tiền chất
Chương IV. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
 Kết luận và kết quả thực nghiệm


 Giới thiệu ứng dụng “Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ” của ôxit
sắt từ dạng nano trong y sinh học
 Hướng phát triển của đề tài
HỆ THỐNG ĐƠN VỊ TỪ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Lời mở đầu

Có thể nói rằng công nghệ nano là công nghệ của thế kỷ 21. Thật vậy, ta có
thể bắt gặp cụm từ “ nano” được liên tục nhắc đến trên một mẫu tin quảng cáo về
một sản phẩm mới nào đó hay trong một sự kiện mang tính chất quốc tế. Số công
trình khoa học nghiên cứu về nano tăng rất nhanh và đã đi vào ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực của đời sống. Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các chuyên gia khoa
học và công ngh ệ trong và ngoài nước có th ể thực hiện công trình nghiên c ứu một
cách độc lập, Phòng thí nghiệm Nano hiện đại và lớn nhất nước ta được đưa vào sử
dụng từ năm 2006. Vừa qua, Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh và Tập
đoàn Minatec (Cộng hòa Pháp) cũng đã phối hợp tổ chức hội nghị quốc tế lần 3 về
công nghệ nano và ứng dụng (viết tắt là IWNA).
Tuy còn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, song công nghệ nano hứa hẹn
không ít những ứng dụng thần kỳ. Những sản phẩm thoát thai từ các nghiên cứu về
công nghệ nano đang dần bước vào thị t rường như những thứ gây ngạc nhiên to lớn.
Chúng mang các đặc tính siêu việt như nhỏ hơn, nhanh hơn, bền hơn hoặc thêm
nhiều đặc tính hoàn toàn mới so với các sản phẩm được chế tạo trên nền tảng công
nghệ hiện nay. Chúng bao gồm đủ loại, từ sản phẩm điện t ử đến mĩ phẩm, từ công
nghệ sinh học đến vật liệu xây dựng, từ chất xúc tác cho công nghệ sinh học đến
chất chống ô nhiễm cho động cơ diesel...
Trong xu hướng phát triển của công nghệ nano, hạt sắt từ Fe3O4 có kích
thước nano đang rất được quan tâm vì với kích thước nhỏ (cỡ nanomet và có cấu
trúc đơn domain), vật liệu này thể hiện tính chất vật lý hoàn toàn khác so với khi ở
trạng thái thông thường, đó là tính chất siêu thuận từ. Với kích thước nhỏ bé của
mình, các hạt nano sắt từ dễ dàng thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể
và giúp cho chúng ta thao tác ở qui mô phân tử và tế bào. Mặt khác, do tính tương


thích sinh học nên các hạt nano oxit sắt từ sớm được ứng dụng trong y học và phát
triển nhanh chóng trên các lĩnh vực chẩn đoán, điều trị, dược h ọc... mà thành tựu
tiêu biểu là phương pháp tăng đ ộ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ (Mag netic
Resonance Imaging - MRI). Nhờ thế, ảnh của cấu trúc các mô mềm trong cơ thể

như tim, phổi, gan và các cơ quan khác rõ hơn và chi tiết hơn.
Có rất nhiều phương pháp điều chế vật liệu dạng nano song có thể chia thành
hai hướng:
 Từ nguyên liệu thô có kích thước to qua các quá trình vật lý tác động vào để
biến vật liệu thô thành vật liệu nano.
 Hình thành các hạt nano từ các tiền chất là hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ dạn g
phân tử thông qua các quá trình hóa học.

Hiện nay, việc chế tạo các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 là một việc làm tất yếu
và cần thiết. Do sự đơn giản về trang thiết bị và tính khả thi cao nên chế tạo hạt
nano từ Fe3O4 theo nguyên tắc thứ hai đang được sử dụng rộng rãi. Tiêu biểu cho
nguyên tắc này, không thể không kể đến phương pháp đồng kết tủa - một phương
pháp đơn giản, rẻ tiền phù hợp với tình hình nghiên cứu ở nhiều nơi như nước ta.
Thông qua các tài liệu nghiên cứu liên quan đến việc tổng hợp các hạt nano
oxit sắt từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa, dễ dàng nhận thấy rằng việc chế
tạo bằng phương pháp này cũng tương đối phức tạp và đòi hỏi cao về môi trường thí
nghiệm. Liệu rằng cũng với phương pháp tổng hợp các hạt nano oxid sắt từ Fe3O4
bằng phương pháp đồng kết tủa nhưng với cách làm đơn giản trong điều kiện thí
nghiệm thông thường thì kết quả sẽ thế nào? Đó cũng chính là nhiệm vụ cốt lõi của
luận văn này. Nó tập trung nghiên cứu : “ Khảo sát ảnh hưởng của các tiền chất
lên kích thước và từ t ính các hạt nano Fe3O4 được tạo thành bằng phương
pháp đồng kết tủa”.


Mục tiêu chính của đề tài này là: Chế tạo các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 bằng
phương pháp đồng kết tủa từ các nguyên vật liệu m uối sắt III (FeCl3) và muối sắt II
(FeCl2) dưới tác dụng của NaOH (thí nghiệm được thực hiện trong môi trường
không khí và nhiệt độ phòng) từ đó xác định ảnh hưởng của các tiền chất đối với
sản phẩm tạo thành. Ngoài ra, đề tài này cũng xin giới thiệu một ứng dụng tiêu biểu
của các hạt nano từ Fe3O4 trong lĩnh vực y sinh học, đó là phương pháp tăng độ

tương phản cho ảnh cộng hưởng từ.


CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu tổng quan về vật liệu nano [6, 14]
Vào khoảng hai thập niên trước, các khái niệm liên quan đến “nano” bắt đầu
xuất hiện như: hạt nano, cấu trúc nano, công nghệ nano, hóa học nano..., theo đó là
một loạt các đề tài nghiên cứu đã tập trung vào vấn đề này. Bên cạnh đó, các viện và
phòng nghiên cứu chuyên sâu về nano xuất hiện trên khắp thế giới, hàng loạt các hội
nghị đã được tổ chức.
Trong quá trình nghiên cứu về nano, các nhà khoa học đã không ngừng khám
phá được các tính chất vật lý và hóa học không bình thường của đối tượng này. Các
tính chất này đều liên quan đến các hiệu ứng kích thước lượng tử xuất hiện khi kích
thước của đối tượng vào cỡ bước sóng De-Brogli của electron, phonons hay sự lan
truyền exciton trong chúng. Một lý do quan trọng dẫn đến sự thay đổi tính chất vật
lý và hóa học của các hạt có kích thước nhỏ là sự tăng lên của các nguyên tử bề mặt
so với một vật liệu khối cùng loại.
Hiện nay, các tính chất vật lý của đối tượng nano ngày càng được nghiên cứu
sâu hơn. Một trong các tính chất đó là từ tính. Từ tính của vật liệu nano có nhiều đặc
điểm mới lạ và ưu việt hơn so với vật liệu khối. Đặc biệt là từ độ (tính trên một
nguyên tử) và dị hướng từ của các hạt nano.
Chẳng hạn, ta có bảng phân loại từ tính của các vật liệu sắt từ theo sự thay
đổi kích thước của chúng như sau

[14]

:

Bảng 1.1 : Phân loại từ tính của vật liệu sắt từ (từ kích thước vĩ mô đến cấp độ phân
tử)

Đối tượng

Kích thước

Mẫu khối

 1 m

Mẫu vĩ mô

50-103nm

Các tính chất từ đặc biệt
Có độ từ hóa tự phát dưới nhiệt độ Curie
(TC) do đối tượng có cấu trúc domain
Từ tính phụ thuộc mạnh mẽ vào lịch sử
của mẫu và phương pháp chế tạo mẫu
Có sự xuất hiện của nhiệt độ Blocking
TBNếu nhiệt độ của hạt nhỏ hơn TB thì
moment từ của nó hướng theo một chiều
nhất định và hạt có tính sắt từ.

Các hạt từ đơn
Ở nhiệt độ cao hơn TB, hạt chuyển sang

domain

trạng thái siêu thuận từ.
Trong vùng TBmomenr từ bằng không, cùng lúc đó từ
độ tự phát và momen t từ của hạt dễ dàng
định hướng theo từ trường bên ngoài.
Đơn nguyên tử (ion)

~0,2nm

Thường có tính thuận từ

Tính chất từ của các hạt nano được xác định bởi một số yếu tố, trong đ ó các
yếu tố quan trọng gồm có: thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể, kích thước và hình
dạng của hạt, tính không đồng nhất giữa các hạt trong hệ, tương tác giữa các hạt với
nhau và với môi trường xung quanh. Bằng cách thay đổi cấu trúc, kích thước, thành


phần và hình dạng của hạt ta có thể điều khiển từ tính của các loại vật liệu chứa hạt
nano này. Tuy nhiên, việc tổng hợp được các hạt nano có cùng thành phần hóa học
và hình dạng rất khó khăn nên các tính chất của vật liệu loại này rất có thể sẽ khác
nhau.
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu trong lĩnh vực nano ngày càng
phát triển như vũ bão . Điều này liên quan đến việc ra đời các phương pháp hiệu quả
để tổng hợp và ổn định kích thước hạt, cùng các phươ ng pháp khảo sát các hạt này.

Ví dụ: Các nhà khoa học không những đã tạo ra kim loại có kích thước nano
hay các hạt nano oxit dưới dạng chất lỏng từ (môi trường bao gồm các hạt nano từ
được hòa lẫn trong một dung môi phù hợp), mà còn gồm các hạt có cấu trúc rắn
(như polymer, zeolites...). Từ tính của loại vật liệu (bao gồm các hạt nano từ có kích

thước từ 3nm đến 10nm kết hợp với chất điện môi rắn không từ tính) được biết đến
từ năm 1980. Sự hiện diện của các hạt nano trong các vật liệu này và thành phần của
chúng đã được ước lượng bằng phương pháp nhiễ u xạ tia X và phương pháp phổ
Mössabauer.
Hiện nay, các loại bột bao gồm các hạt có kích thước micro như: -Fe2O3,
Co--Fe2O3, Fe hay Fe-Co được dùng hầu hết trong các băng từ và đĩa từ. Trong
trường hợp này, việc thu thông tin của một bit đòi hỏi khoảng 109 nguyên tử, trong
khi đó với một vật liệu nano (chứa các hạt có kích thước khoảng 10nm) thì lại
không cần đến 105 nguyên tử. Do đó, việc dùng các vật liệu nano từ trong việc lưu
trữ thông tin sẽ làm tăng lượng thông tin lưu trữ khoảng 103 đến 104 lần.
Ngoài ra, các hạt nano từ tính rất phong phú trong tự nhiên và được tìm thấy
trong một vài đối tượng sinh học. Chúng cũng đang và sẽ là đối tượng được quan
tâm nhiều nhất trong các ứng dụng y sinh học.
1.2. Phân loại các vật liệu nano [5, 6, 8]


Một đối t ượng nano là một đối tượng vật lý có một vài tính chất hoàn toàn
khác biệt so với một vật liệu khối tương ứng, và có ít nhất một chiều kích thước vào
cỡ nanomet (nhỏ hơn hay bằng 100nm).
Công nghệ nano là công nghệ liên quan đến các đối tượng nano riêng l ẻ, các
vật liệu hay linh kiện được tạo ra từ các đối tượng này, và các quá trình diễn ra
trong giới hạn kích thước nano.
Các tính chất chủ yếu của vật liệu nano được qui định bởi các đối tượng nano
trong chúng. Vật liệu nano được phân làm hai loại là: vật liệu nano và vật liệu có
các hạt phân tán.
Một hạt nano được xem là một đối tượng nano giả không chiều khi kích
thước của nó theo các chiều khác nhau là bằng nhau, không lớn hơn 100nm và có
dạng hình cầu. Các hạt nano về cơ bản có tính chất khác với các hạ t có kích thước
lớn hơn nó. Nếu trong các hạt nano có các nguyên tử (hay ion) sắp xếp trật tự thì gọi
là nano tinh thể.

Khái niệm “đám” (cluster) dùng để chỉ các hạt nano có kích thước nhỏ hơn
1nm.
Thanh nano và dây nano là các đối tượng nano giả một chiề u. Trong các hệ
này, có một chiều kích thước lớn hơn nhiều so với hai chiều còn lại nhưng vẫn trong
giới hạn nanomet.
Các đối tượng nano hai chiều bao gồm các cấu trúc phẳng như đĩa nano, cấu
trúc màng mỏng từ, lớp nano từ. Trong các đối tượng này, kích th ước hai chiều lớn
hơn một chiều còn lại, nhưng vẫn trong giới hạn nanomet.
1.3. Cơ chế từ tính của vật chất [6, 14, 16]
Nguồn gốc từ tính của vật chất được qui định bởi momen t từ quỹ đạo và spin
tương tác giữa chúng với nhau. Tất cả vật chất đều có từ tính. Tuy nhiên, tính chất
từ của các vật chất khác nhau thì khác nhau. Cách tốt nhất để phân biệt các loại vật
liệu là xét phản ứng của chúng với từ trường bên ngoài.
Dựa vào tính chất từ, có một số loại vật chất sau:


1.3.1. Vật liệu nghịch từ
Nghịch từ là một tính chất cơ bản của mọi vật liệu mặc dù rất yếu, được hình
thành do sự không kết hợp giữa các quỹ đạo nguyên tử khi vật chất được đặt trong
một từ trường ngoài. Bản chất của hiện tượng nghịch từ là bao gồm các nguyên tử
không có moment từ (tất cả các lớp vỏ điện tử đều được lắp đầy và không có các
electron kết cặp). Tuy nhiên, khi đặt vật liệu nghịch từ vào một từ trường ( H) thì từ
độ ( M) âm được tạo ra và từ đó độ cảm từ (χ) của vật liệu cũng có giá trị âm.
Đối với chất nghịch từ, khi từ trường bên ngoài bằng 0 thì từ độ bằng 0 và độ
từ cảm không phụ thuộc vào nhiệt độ. Hình 1.1 cho thấy sự phụ thuộc của từ độ
theo từ trường ngoài và tính chất không phụ thuộc nhiệt độ của độ từ cảm của vật
liệu nghịch từ.

M
+

χ

(a)

(b)

M=χH

χ<0
H

T

slope=χ
Độ dốc=χ
- _

χ=co
nstan
t
Hình 1.1: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ
trường bên ngoài (H). Từ đó, tạo nên độ dốc của đồ thị
M=f(H) chính là độ từ cảm (χ) của vật liệu nghịch từ. (b)
Chứng tỏ rằng độ từ cảm (χ) của vật liệu nghịch từ không phụ
thuộc vào nhiệt độ (T) của vật liệu.

1.3.2. Vật liệu thuận từ

Đối với vật liệu từ tính này, một vài nguyên tử hay ion trong vật liệu có
moment từ do các electron không kết cặp trong một phần các quỹ đạo được lắp đầy.
Một trong các nguyên tử quan trọng không có các electron kết cặp là kim loại. Tu y
nhiên, các moment từ đơn không tương tác từ với nhau, và giống như một chất
nghịch từ , từ độ bằng không khi không có từ trường bên ngoài. Khi có từ trường
ngoài thì có một phần liên kết của các momen t từ nguyên tử theo hướng của từ
trường, từ đó tạo nên một từ độ dương và độ từ cảm dương.
Thêm vào đó, do ảnh hưởng của từ trường bên ngoài nên năng lượng cần
thiết để giúp các moment từ nguyên tử sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài đã
thắng năng lượng dao động nhiệt của các momen t từ. Điều này tạo nên sự phụ thuộc
của độ từ cảm vào nhiệt độ theo định luật Curie.

(a)

χ

M

χ~

1
T

(b)

slope=χ>0
Độ dốc=χ >0

H

Hình 1.2: (a) cho thấy sự thay đổi của từ độ (M) theo từ trường
bên ngoài (H). Từ đó, tạo nên độ dốc dương của đồ thị M=f(H)
chính là độ tự cảm (χ) của vật liệu thuận từ, (b) độ từ cảm của vật
liệu phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie.

T


Chú ý: Ở nhiệt độ bình thường và từ trường vừa phải, độ từ cảm thuận từ là
nhỏ. Nhưng với nhiệt độ quá thấp (<<100K) hay từ trường quá lớn, thì độ từ cảm
thuận từ sẽ phụ thuộc vào từ trường b ên ngoài. Ngoài những trường hợp này thì độ
từ cảm thuận từ tỉ lệ với tổng lượng nguyên tử kim loại trong vật liệu. Một vài chất
thuận từ ở nhiệt độ phòng.
1.3.3. Vật liệu sắt từ
Không giống như các vật liệu thuận từ, các moment từ nguyên tử trong vật
liệu này tương tác với nhau rất mạnh. Đây chính là các tương tác trao đổi giữa các
electron, từ đó tạo một sự sắp xếp cùng hướng hay ngược hướng của các momen t từ
nguyên tử. Tương tác trao đổi giữa các nguyên tử là rất lớn, tương đương với mộ t từ
trường có cường độ khoảng 1000T, lớn hơn 1000 lần so với từ trường của Trái Đất.
Tương tác trao đổi là một hiện tượng lượng tử do sự định hướng tương đối
giữa các spin giữa hai electron, từ đó tạo nên sự tồn tại của trật tự từ nguyên tử.
Một số đặc đ iểm chính của vật liệu sắt từ
 Từ độ tự phát
Từ độ tự phát là từ độ tồn tại bên trong một đối tượng vi mô và có từ tính
đồng nhất khi không có từ trường ngoài. Cường độ của tự độ tự phát ở 0K phụ thuộc
vào moment từ spin của các electron.
 Nhiệt độ Curie
Mặ c dù tương tác trao đổi giữa các electron trong vật liệu sắt từ là rất lớn,
nhưng năng lượng nhiệt vẫn có thể lớn hơn năng lượng trao đổi và tạo nên một hiệu
ứng ngẫu nhiên. Điều này xảy ra tại một nhiệt độ rất đặc biệt mà ta gọi là nhiệt độ

Curie (TC). Dưới nhiệt độ này các moment từ trong chất sắt từ sắp xếp trật tự, nhưng
trên nhiệt độ này thì chúng lại mất trật tự. Từ độ bảo hòa sẽ bằng 0 khi nhiệt độ của
hệ là TC.
Lưu ý: Nhiệt độ Curie cũng là một thuộc tính của chất sắt từ. Tuy nhiên ,
những chất sắt từ khác nhau đôi lúc lại có cùng một giá trị TC.


 Đường cong từ trễ
Bên cạnh các giá trị TC và từ độ tự phát, các chất sắt từ có thể lưu lại từ
trường bên ngoài khi từ trường này đã thôi tác dụng lên chúng. Hiện tượng này
được gọi là hiện tượng từ trễ, đồ thị thể hiện sự thay đổi của từ độ (M) theo từ
trường bên ngoài ( H) được gọi là đường cong từ trễ (hình 1.3).

M

H

Hình 1.3: Đường cong từ trễ đặc trưng của vật liệu sắt từ

Một số tham số của đường cong từ trễ, bao gồm:
 Từ độ bảo hòa (MS hay IS)
Từ độ bảo hòa là giá trị từ độ đạt được khi chất sắt từ được từ hóa đến từ
trường đủ lớn (vượt qua giá trị trườ ng dị hướng) sao cho vật ở tr ạng thái bảo hòa từ.
Lúc này, các moment từ hoàn toàn song song với nhau và phần đường cong từ trễ có
dạng nằm ngang.


Từ độ bảo hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt
đối (0K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ.
Từ độ bảo hòa thường được ký hiệu là MS hay IS.

 Từ dư ( Mr hay Ir)
Từ dư là giá trị từ độ còn giữ đượ c khi ngắt từ trường (H=0) thường được ký
hiệu là Mr hay Ir. Nó không phải là thông số mang tính nội tại của vật liệu mà chỉ là
thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào cơ chế từ trễ, các phương từ hóa, hình dạng vật
từ…
Lưu ý: Tỷ số giữa từ dư và từ độ b ảo hòa MI/MS được gọi là từ độ rút gọn
hoặc hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ (giá trị MI/MS càng gần 1 thì đường cong
từ trễ càng tiến tới dạng hình chữ nhật). Biên độ dao động của từ trường ngoài khác
nhau sẽ tạo ra các đường cong từ trễ khác nhau.
 Lực kháng từ (HC)
Lực kháng từ là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa.
Cũng giống như từ dư, nó không phải là tham số nội tại của vật liệu.
Ký hiệu: HC.
 Tổn hao năng lượng trễ
Tổn hao năng lượng trễ tỷ lệ với diện tích đường cong từ trễ, là năng
lượng tiêu tốn cần thiết cho một chu trình từ trễ, có đơn vị của mật độ năng lượng.
1.3.4. Vật liệu ferrite từ
Trong các hợp chất ion (ví dụ như: các oxit), rất nhiều trật tự từ phức tạp có
thể xuất hiện do cấu trúc tinh thể. Trong đó có một dạng trật tự từ được gọi là ferrite
từ. Một ví dụ đơn giản về ferrite từ được cho ở hình 1.4.


(a)

Ferrite từ

(b)

Hình 1.4: (a) Dạng trật tự ferrite từ, với O là các oxygen
(b) Moment từ của các ion kim loại đã xuất hiện ở hình (a)

Cấu trúc ferrite từ là hỗn hợp giữa hai mạng từ ( gọi là mạng A và mạng B )
được chia cắt bởi các oxygen. Các tương tác trao đổi giữa hai mạng này được thực
hiện thông qua các anion oxygen. Các tương tác này được gọi là tương tác gián tiếp
hay tương tác siêu trao đổi. Tương tác siêu trao đổi mạnh nhất tạo ra cấu trúc phản
song song của các spin giữa hai mạng A và B.
Trong các vật liệu từ, moment từ của mạng A và B không bằng nhau nên tạo
ra moment từ cho cả hệ khác không. Vì thế, hiện tượng ferrite từ giống như hiện
tượng sắt từ. Hiện t ượng ferrite từ có tất cả các đặc trưng của hiện tượng sắt từ, như
từ độ tự phát, nhiệt độ Curie, hiện tượng từ trễ và từ dư. Tuy nhiên, hai hiện tượng
này khác nhau ở vấn đề trật tự từ.

1.3.5. Vật liệu phản sắt từ (phản ferrite)


Nếu momen t từ của nhóm A và B bằng nhau và ngược nhau về hướng,
thì khi đó moment từ tổng hợp của vật liệu từ bằng 0. Loại vật liệu từ này được
gọi là phản ferrite từ.

1.4. Giới hạn đơn domain và cơ chế từ tính của vật liệu nano [6]
Năm 1930, Frenkel và Dorfman phát hiện ra rằng trên cơ sở xem xét năng
lượng thì các hạt có kích thước đ ủ nhỏ sẽ trở thành một đơn domain

[15]

. Khoảng

giữa thế kỷ XX, lý thuyết về các hạt đơn domain bắt đầu phát triển và các hiện
tượng liên quan được nghiên cứu dựa vào thực nghiệm. Những nghiên c ứu này
khẳng định lực kháng từ tăng lên khi một đối tượng sắt từ bắt đầu chuyển từ cấu

trúc đơn domain sang cấu trúc đa domain. Kết quả kích thước giới hạn đơn domain
của một số loại vật liệu từ khác nhau được trình bày trong bảng 1.2 . Nếu kích thước
đơn domain của chúng bằng những giá trị này thì lực kháng từ là lớn nhất, và chúng
sẽ không còn có tính siêu thuận từ.
Bảng 1.2 : Đường kính tới hạn gần đúng củ a một đơn domain hạt hình cầu có
một trục dị hướng của một số loại vật liệu xét tại nhiệt độ phòng.

Vật liệu

Đường kính tới hạn gần đúng (nm)

Co

70

Ni

32

Fe

14

BaFe12O9

580

Fe3O4

128

-Fe2O3

166


Muốn các đối tượng này có tính siêu thuận từ thì kích thước đơn domain phải
nhỏ hơn nhiều so với giá trị giới hạn này. (Hình 1.5)

Lực
kháng từ
HC

Đơn domain

Đa domain

Siêu thuận từ

Dsp

DC

Đường kính hạt D

Hình 1.5: Lực kháng từ trong vật liệu sắt từ thay đổi khi vật liệu chuyển từ
cấu trúc đa domain sang đơn domain. Với một kích thước nhỏ hơn nhiều so
với giới hạn đơn domain thì vật liệu sắt từ có tính siêu thuận từ. Trong đó
Dsp là kích thước hạt siêu thuận từ; D C là kích thước hạt đơn domain

Các kích thước tới hạn đơn domain trên được tính toán cho các hạt hình cầu
có một trục dị hướng từ. Đối với những loại dị hướng từ khác (như dị hướng hình
khối, hình lục giác...) và các hạt có hình dạng khác nhau thì giá trị trên bị thay đổi.
Đặc biệt, một s ố hạt có thể trở thành đơn domain mà không cần giảm kích thước
nếu nó có dạng khác hình cầu, ví dụ như có dạng hình elip thuôn. Xác định bằng
thực nghiệm các kích thước trên là một điều khó khăn, mặc d ù cho đến bây giờ ta có
thể quan sát sự chuyển đổi này thông qua kính hiển vi điện tử truyền qua hay giao
thoa kế lượng tử từ (  -SQUID).
Một cách chính xác, khái niệm đơn domain không nói về sự đồng nhất của từ
trường trong toàn bộ hạt mà chỉ muốn nhấn mạ nh sự biến mất của các vách domain.