Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm fe co bằng phương pháp đồng kết tủa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
----------

NGUYỄN THỊ HIÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM
Fe-Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
----------

NGUYỄN THỊ HIÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM
Fe-Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA
Chuyên ngành: Vật lí chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học

GVC. ThS. NGUYỄN MẪU LÂM

HÀ NỘI, 2018

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Mẫu Lâm, người
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cơ sở vật chất, giúp đỡ và chỉ bảo tận
tình trong quá trình tôi làm thực nghiệm, đo đạc và phân tích mẫu.
Tôi xin được cảm ơn toàn thể các Thầy giáo, Cô giáo trong Khoa Vật
lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, những người đã dạy dỗ và trang bị
cho tôi những tri thức khoa học trong suốt bốn năm học đại học.
Tôi xin cảm ơn Phòng Thực hành Chuyên đề Khoa Vật lý, Trường Đại
học Sư phạm Hà Nội 2, Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học
Vật liệu-Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến bố mẹ, anh chị em, bạn bè
đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi
hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Thị Hiên


LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận được thực hiện tại Phòng Thực hành Chuyên đề, Khoa Vật
lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn
Mẫu Lâm.
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là
do tôi thực hiện. Số liệu sử dụng trong khóa luận là trung thực và không trùng
lặp với đề tài nào khác. Các thông tin tham khảo sử dụng trong khóa luận đã
được trích dẫn rõ ràng và chỉ rõ nguồn gốc đầy đủ.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên

Nguyễn Thị Hiên


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VLTM: Vật liệu từ mềm
TCN: Trước Công nguyên


DẠNH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu từ mềm
Bảng 3.1. Kết quả thành phần nguyên tố

5
35


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của sắt

7

Hình 1.2. Giản đồ pha áp suất thấp của sắt tinh khiết

7

Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của coban

10

Hình 1.4. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe và Co

12

Hình 1.5. Giản đồ pha của Fe-Co

13

Hình 1.6. Sự thay đổi từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co

14

Hình 2.1. Hóa chất cần sử dụng

17

Hình 2.2. Bộ thí nghiệm chế tạo mẫu

18

Hình 2.3. Thu mẫu bằng nam châm vĩnh cửu

18

Hình 2.4. Máy rung siêu âm

19

Hình 2.5. Lò ủ nhiệt LINDBERG BLUE M

19

Hình 2.6. Thiết bị đo pH

20

Hình 2.7. Thiết bị đo nhiệt độ

20

Hình 2.8. Mô hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X

22

Hình 2.9. Nhiễu xạ kế tia X D8 - Advance Bruker

24

Hình 2.10. Nguyên lý hoạt động

25

Hình 2.11. Hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800

26

Hình 2.12. Hệ từ kế mẫu rung và sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung

27

Hình 3.1. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 ứng với pH = 7 trước khi ủ nhiệt

29

Hình 3.2. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe65Co35 với pH = 7 trước ủ nhiệt

30

Hình 3.3. Đường cong từ trễ của mẫu FexCo100-x trước ủ nhiệt

30
o

Hình 3.4. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 được ủ ở nhiệt độ 600 C trong môi
trường khí H2

31

Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu FexCo100-x (x = 55, 65, 75) sau ủ ở nhiệt
o

độ 600 C với thời gian 2h trong môi trường khí H2

32


Hình 3.6. Đường cong từ trễ của mẫu FexCo100-x (x = 55, 65, 75) sau ủ ở nhiệt
o

độ 600 C với thời gian 2h trong môi trường khí H2

33

Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 trước khi ủ nhiệt ứng với độ pH khác
nhau

33
o

Hình 3.8. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu Fe65Co35 ủ ở nhiệt độ 600 C
với thời gian 2h trong môi trường khí H2 ứng với độ pH khác nhau

34

Hình 3.9. Đường cong từ trễ của mẫu Fe65Co35 ứng với các nồng độ pH khác
o

nhau sau ủ ở nhiệt độ 600 C với thời gian 2h trong môi trường khí H2

36

Hình 3.10: Thay đổi của từ độ bão hòa ứng với các nồng độ pH khác nhau
0

sau ủ ở nhiệt độ 600 C với thời gian 2h trong môi trường khí H2

36

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài............................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu..................................................................................... 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 3
6. Giả thuyết khoa học ...................................................................................... 3
7. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................ 3
NỘI DUNG ....................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QU N VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM.................................. 4
1.1. Vật liệu từ mềm.......................................................................................... 4
1.2. Các thông số dặc trưng của VLTM............................................................ 4
1.2.1. Lực kháng từ ........................................................................................... 4
1.2.2. Từ độ bão hòa.......................................................................................... 4
1.2.3. Nhiệt độ Curie ......................................................................................... 5
1.3. Ứng dụng cơ bản của vật liệu từ mềm ....................................................... 5
1.4. Vật liệu từ mềm Fe-Co............................................................................... 6
1.4.1. Nguyên tố sắt........................................................................................... 6
1.4.1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe ....................................................................... 6
1.4.1.2. Giản đồ pha và dạng thù hình của Fe................................................... 7
1.4.1.3. Tính chất từ .......................................................................................... 8
1.4.1.4. Tính chất hóa học ................................................................................. 9
1.4.2. Nguyên tố Coban................................................................................... 10
1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................. 10
1.4.2.2. Tính chất từ ........................................................................................ 11
1.4.2.3. Tính chất hóa học ............................................................................... 11


1.4.3. Vật liệu từ mềm Fe-Co.......................................................................... 12

1.4.3.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................. 12
1.4.3.2. Giản đồ pha ........................................................................................ 12
1.4.3.3. Các tính chất từ .................................................................................. 15
1.4.4. Một số phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co............................ 15
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 16
2.1. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa........... 16
2.1.1. Hóa chất ban đầu cần sử dụng để tổng hợp các hạt nano Fe-Co .......... 16
2.1.2. Tổng hợp các hạt nano Fe-Co ............................................................... 17
2.1.3. Các dụng cụ thí nghiệm để chế tạo mẫu ............................................... 18
2.2. Các phương pháp nghiên cứu thành phần, cấu trúc ................................. 21
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)...................................................... 21
2.2.1.1. Phân tích Rietveld .............................................................................. 21
2.2.1.2. Xác định kích thước tinh thể và ứng suất mạng ................................ 21
2.2.2. Phương pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) [1]........................ 24
2.2.3. Phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ......... 26
2.3. Phép đo đường cong từ trễ trên hệ từ kế mẫu rung (VSM) ..................... 26
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 29
3.1. Cấu trúc và tính chất từ trước ủ nhiệt....................................................... 29
3.2. Cấu trúc và tính chất từ sau ủ nhiệt.......................................................... 31
3.3. Ảnh hưởng của pH đến cấu trúc, thành phần và tính chất từ................... 33
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 39


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Cuối thập niên 80 của thế kỷ XX, công nghệ nano bắt đầu phát triển và
thu được nhiều thành quả to lớn không chỉ trong nghiên cứu mà còn mở rộng
phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điện tử học, năng lượng, môi trường,
y sinh,… Vật liệu có kích thước nano xuất hiện nhiều hiện tượng, tính chất

vật lý và hóa học mới mẻ mà các vật liệu có kích thước micro mét cùng thành
phần hóa học không có được [1, tr.231-237, 19].
Vật liệu từ mềm (VLTM) có cấu trúc nano với các phẩm chất từ: từ độ
bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao, lực kháng từ thấp và tổn hao sắt từ nhỏ,… đã
được ứng dụng trong các thiết bị như máy biến thế, máy ghi âm, ghi hình,
nam châm điện, các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ
thống thông tin liên lạc, các thiết bị điện khác,... và trong y sinh như dẫn
thuốc, đốt nhiệt,... [18].
Hệ VLTM có nhiều hệ: Fe, Co, Ni, Si,... nhưng hệ hợp kim Fe-Co với
các đặc trưng nổi bật như lực kháng từ thấp, nhiệt độ Curie cao và có từ độ
bão hòa cao nhất trong số các VLTM đã biết, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245
emu/g. Fe-Co được xem là vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong tương lai
như hấp thụ sóng điện từ, tách từ, lưu trữ dữ liệu, hay các ứng dụng y sinh
như dẫn thuốc, đốt nhiệt,... [12, 18].
Hợp kim Fe-Co có cấu trúc nano mét được tổng hợp bằng các phương
pháp khác nhau như vật lý, hóa học và hóa lý: phun băng, hợp kim cơ, nghiền
cơ năng lượng cao [14], phản ứng pha rắn, polyol [7], phân hủy nhiệt [17],
hóa khử, hóa ướt, thủy nhiệt, đồng kết tủa, điện phân,… Trong đó phương
pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp tổng hợp nano Fe-Co
tương đối đơn giản. Hơn nữa quá trình này còn có thể điều chỉnh kích thước
hạt dễ dàng [6]. Phương pháp này có nhiều ưu điểm: thiết bị đơn giản dễ điều

1


khiển quy trình công nghệ, đầu tư thấp, độ lặp lại cao, tạo được hạt có kích
thước nano trong thời gian ngắn và khá đồng đều. Phương pháp đồng kết tủa
còn được sử dụng với lý do đơn giản rằng nó không phát ra khí độc hại và
không gây ảnh hưởng đến môi trường [13, tr.375-603].
Với những lý do như trên, chúng tôi lựa chọn đề tài khóa luận:

“Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết
tủa.”
2. Mục đích nghiên cứu
Chế tạo thành công hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết
tủa đạt kích thước nano mét có tính chất từ mềm tốt có thể ứng dụng trong
thực tế.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo mẫu từ mềm Fe-Co.
- Khảo sát cấu trúc mẫu.
- Khảo sát các tính chất từ của mẫu.
- Viết bài tham gia hội nghị, hội thảo khoa học về vấn đề đang nghiên
cứu.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ hợp kim từ mềm Fe-Co.
b. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng
kết tủa.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất của mẫu trên các hệ đo: SEM, XRD,
EDX.
- Khảo sát các tính chất từ của mẫu trên các hệ đo: VSM.


5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thực nghiệm.
6. Giả thuyết khoa học
- Chế tạo được vật liệu từ mềm Fe-Co có kích thước nano mét.
- Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co.
7. Cấu trúc khóa luận
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Khóa luận gồm có

3 chương.
CHƯƠNG 1: TỔNG QU N VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN


NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM
1.1. Vật liệu từ mềm
VLTM là vật liệu dễ từ hóa và dễ khử từ.
VLTM có cấu trúc nano với các phẩm chất từ: từ độ bão hòa cao, nhiệt
độ Curie cao, lực kháng từ thấp và tổn hao sắt từ nhỏ,… đã được ứng dụng
trong các thiết bị như máy biến thế, máy ghi âm, ghi hình, nam châm điện,
các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ thống thông tin
liên lạc, các thiết bị điện khác,... và trong y sinh như dẫn thuốc, đốt nhiệt,...
[18].
Các tính chất của VLTM phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học của
chúng, và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể. Nếu có càng ít các loại tạp
chất trong vật liệu, thì các đặc tính của vật liệu càng tốt.
1.2. Các thông số dặc trưng của VLTM
1.2.1. Lực kháng từ
Lực kháng từ được ký hiệu là Hc, là từ trường ngoài cần thiết để triệt
tiêu từ độ hoặc cảm ứng từ của vật từ. VLTM có lực kháng từ nhỏ hơn 100
Oe, đối với VLTM có tính từ mềm tốt thì lực kháng từ rất nhỏ cỡ vài Oe.
1.2.2. Từ độ bão hòa
Từ độ bão hòa được ký hiệu là Ms, là giá trị từ độ khi được từ hóa đến
từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị hướng) sao cho vật liệu ở trạng
thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ hoàn toàn song song với nhau.
Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ
o

tuyệt đối (0 K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. VLTM có từ độ
bão hòa cao và hợp kim Fe-Co được biết đến là VLTM có từ độ bão hòa cao
nhất hiện nay, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245 emu/g.


1.2.3. Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie, thường được kí hiệu là Tc, là nhiệt độ chuyển pha trong
các vật liệu sắt từ, được đặt theo tên nhà vật lý học người Pháp Pierre Curie
(1859-1906).
Nhiệt độ Curie trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận
từ. Ở dưới nhiệt độ này vật liệu mang tính sắt từ, còn khi ở trên nhiệt độ này
vật liệu trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie tỉ lệ với số phối vị (số lân cận gần
nhất), tích phân trao đổi của vật liệu theo công thức:
Z .Eex
Tc 
,
2k B

(1.1)

trong đó, Z là số lân cận gần nhất, Ee là năng lượng tích phân trao đổi, k B là
x

hằng số Boltzman. Ở trên nhiệt độ Curie, độ cảm từ  của chất phụ thuộc
nhiệt độ tuân theo định luật Curie:
C
 
.
T  Tc

(1.2)

Chuyển pha tại nhiệt độ Curie là chuyển pha loại hai, tức là chuyển pha
không có sự thay đổi về cấu trúc.
Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu từ mềm
o

Vật liệu

Tc ( K)

Sắt

1043

Coban

1388

Niken

627

1.3. Ứng dụng cơ bản của vật liệu từ mềm
Trong công nghiệp điện tử, kĩ thuật: làm các thiết bị như máy biến thế,
máy ghi âm, ghi hình, nam châm điện, các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi
chuyển tiếp cho các hệ thống thông tin liên lạc và các thiết bị điện khác,...

Trong y sinh, các hạt nano từ nói chung và Fe-Co nói riêng có thể được
sử dụng để dẫn thuốc và đốt nhiệt [9, 16].
1.4. Vật liệu từ mềm Fe-Co
1.4.1. Nguyên tố sắt
Sắt đươc G. . Wainwright tìm thấy ở Gerzah-Ai Cập vào khoảng
4000 năm TCN [10]. Sắt là nguyên tố có nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ
ngoài và trong của lõi Trái Đất.
Sắt là kim loại màu ánh kim xám nhẹ. Nó là kim loại có các đặc tính tốt
về chịu lực, độ dẻo, độ cứng, nhưng dễ bị ôxy hóa.
Sắt là kim loại đa năng nhất. Nó chiếm khoảng 90% lượng kim loại
được tiêu thụ toàn cầu. Sắt có mặt xung quanh chúng ta, ở nhiều dạng thức
khác nhau.
Sắt là kim loại chuyển tiếp, được ký hiệu là Fe, có số hiệu nguyên tử
bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB, chu kỳ 4, được phân bố thành 4 lớp. Cấu
2

2

6

2

6

6

2

hình electron của nguyên tử là 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s . Khi tạo ra các ion sắt,
nguyên tử Fe nhường electron ở phân lớp 4s trước phân lớp 3d.

1.4.1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe
o

Trong khoảng nhiệt độ từ 1394 - 1538 C, sắt có cấu trúc tinh thể lập
o

phương tâm khối (bcc). Từ 910 - 1394 C, cấu trúc tinh thể của nó chuyển
o

sang dạng lập phương tâm mặt (fcc). Dưới 910 C cấu trúc tinh thể lại chuyển
sang dạng bcc.


a)

b)

Hình 1.1. a) Cấu trúc lập phương tâm khổi (bcc)
b) Cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc)
1.4.1.2. Giản đồ pha và dạng thù hình của Fe

Hình 1.2. Giản đồ pha áp suất thấp của sắt tinh khiết.
Sắt là một đại diện ví dụ cho tính chất thù hình của kim loại. Có ít nhất
4 dạng thù hình của sắt gồm α, γ, δ, và ε. Một vài bằng chứng thực nghiệm


còn tranh cãi cho thấy sự tồn tại của pha ổn định β ở áp suất và nhiệt độ rất
cao [8].
o

Trong khoảng nhiệt độ từ 1394 - 1538 C, sắt có dạng thù hình sắt δ. Từ
o

o

910 - 1394 C, dạng thù hình của nó là sắt γ hay austenit . Dưới 910 C dạng
thù hình chuyển sang dạng sắt α.
1.4.1.3. Tính chất từ
Các hạt nano Fe là vật liệu sắt từ nhưng khi đạt đến kích thước của các
hạt mịn thì các hạt nano Fe trở thành thuận từ và được gọi là siêu thuận từ.
Trong vật liệu sắt từ vĩ mô, các spin của electron chưa kết cặp trải qua
sự từ hóa tự phát, nơi mà năng lượng của các hạt nano được hạ xuống bằng
cách sắp xếp với spin của các nguyên tử lân cận. Giảm năng lượng tổng thể
của hệ thống bằng cách hạn chế hao hụt thông lượng từ, vật liệu đi vào trong
đômen từ khi không có từ trường ngoài. Kích thước của các đômen được xác
định bởi sự chênh lệch giữa năng lượng gia tăng do lượng từ bên ngoài và
năng lượng tiêu tốn của vách đômen bổ sung. Các vách giữa các đômen này
có thể được di chuyển bởi sự gắn vào của một từ trường, và nó là sự di
chuyển của các vách đômen tạo nên đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ.
Kích thước riêng của các đômen từ tính thay đổi tùy thuộc vào vật liệu,
thường là cỡ khoảng hàng chục nano mét. Nếu một hạt nhỏ hơn kích thước
đômen đặc trưng này, thì hạt đó sẽ chứa một đômen từ duy nhất. Chính xác
hơn: một hạt vẫn duy trì trong đômen đơn nhất khi năng lượng cần thiết để
tạo ra vách đômen lớn hơn mức giảm năng lượng, điều đó có thể đạt được
bằng cách giảm thông lượng từ [2, tr.10-16].
Tính chất từ của các hạt siêu thuận từ cũng có ích. Đầu tiên là sự định
hướng lại của các spin có thể đạt được ở trường tương đối thấp. Như vậy tức
là các hạt siêu thuận từ có khả năng cảm ứng ban đầu rất cao. Trường này đòi
hỏi phải sắp xếp tất cả các spin, vì vậy sự bão hòa thường không được nhìn

thấy cho đến khi các trường lớn hơn vài Tesla được sử dụng. Một tính chất có
ích khác đó là lực kháng từ rất nhỏ. Khi từ trường bị loại bỏ, năng lượng nhiệt
cho phép các hạt siêu thuận từ này tự do định hướng lại spin của chúng,
không cần cung cấp năng lượng bên ngoài để khử từ của hệ thống.
Vì siêu thuận từ là sự cân bằng giữa năng lượng từ và năng lượng nhiệt,
và xảy ra trên một phạm vi giới hạn. Ở một nhiệt độ nhất định, không có đủ
năng lượng nhiệt cho phép các spin dễ dàng sắp xếp lại, và độ kháng từ xuất
hiện. Nhiệt độ này được gọi là “nhiệt độ cản”, và ở nhiệt độ này trạng thái của
các hạt là sắt từ. Nhiệt độ cản thường được định nghĩa là điểm mà tại đó một
lưỡng cực phân tử có khả năng định hướng lại dưới ảnh hưởng của một từ
trường xác định trong 100 giây (một khoảng thời gian điển hình cho một phép
đo). Nhiệt độ cản của mỗi một mẫu là quan trọng bởi vì nó đại diện cho khả
năng cảm ứng cực đại và giới hạn dưới của trạng thái siêu thuận từ [2, tr.1016].
Môi trường hóa học tác động mạnh lên các tính chất từ của các hạt
nano sắt.
1.4.1.4. Tính chất hóa học
Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất khó tìm thấy nó
ở dạng tự do. Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng
phương pháp khử hóa học.
Tính chất hóa học của các hạt nano sắt bị chi phối bởi khả năng phản
ứng của chúng với các tác nhân oxy hóa. Sắt mịn từ lâu đã được biết đến là có
khả năng tự bốc cháy, vì vậy khi chế tạo các hạt nano sắt cần phải luôn luôn
nhớ tính chất tự bốc cháy của sắt mịn.
Có nhiều phương pháp khác nhau để làm giảm khả năng phản ứng của
các hạt nano sắt với khí oxy. Và một phương pháp phổ biến là phủ các hạt với
một lớp vỏ không có phản ứng như một hàng rào cản khí oxy. Các hàng rào
cản khí oxy tốt thường thường là chất vô cơ, và chất phổ biến nhất là vàng.

Hợp kim của sắt với một kim loại có khả năng phản ứng thấp là một
cách để giảm khả năng phản ứng của các hạt nano sắt với khí oxy.
Các phản ứng của sắt không phải lúc nào cũng có hại, và sắt tìm được
các ứng dụng như một chất xúc tác. Thực tế là bề mặt sắt bị oxy hóa dễ dàng
trong các điều kiện môi trường xung quanh và chính quá trình oxy hóa của sắt
có thể là một phần quan trọng cho quá trình xúc tác. Các ứng dụng đó cực kì
quan trọng trong công nghiệp.
1.4.2. Nguyên tố Coban
Nhà khoa học người Thụy Điển Georg Brandt (1694-1768) đã phát hiện
ra nguyên tố coban vào khoảng thời gian 1730-1737. Ông đã chứng minh
rằng coban là nguồn gốc tạo ra màu xanh dương trong thủy tinh, mà trước đây
được người ta cho là do Bitmut (Bismuth) (được phát hiện cùng với coban).
Nó là kim loại tương đối cứng và giòn.
Nguyên tố coban ký hiệu là Co và số hiệu nguyên tử bằng 27. Nằm ở
2

2

6

2

2

7

phân nhóm 9, chu kỳ 4. Cấu hình electron là 1s 2s 2p 3s 4s 3d .
1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể

a)

b)

Hình 1.3. a) Cấu trúc lục giác xếp chặt (hcp)
b) Cấu trúc lục phương tâm mặt (fcc)


Coban kim loại thông thường biểu hiện ở dạng hỗn hợp của hai cấu
trúc trục tinh thể là lục giác xếp chặt (hcp) và lập phương tâm mặt (fcc)
o

với nhiệt độ chuyển tiếp từ hcp→fcc vào khoảng 722 K.
1.4.2.2. Tính chất từ
Coban là kim loại màu ánh kim xám nhẹ, có từ tính mạnh, nhiệt độ
o

o

Curie vào khoảng 1388 K. Từ tính biến mất khi đun nóng đến 1150 C. Độ
thấm từ của coban bằng 2/3 của sắt. Coban được sử dụng trong việc tạo ra các
hợp kim từ tính. Các hợp kim từ này được sử dụng để chế tạo các thiết bị như
động cơ điện, máy biến áp, nam châm điện,…
Từ tính của coban cũng được khai thác trong những phát minh của
Nhật Bản với thép từ coban. Chỉ vài năm sau đó, vào năm 1930 chứng kiến
phát minh quan trọng của nam châm alnico được cấu tạo bằng nhôm, niken và
coban.
Thực tế, coban vẫn giữ được từ tính của nó ở nhiệt độ cao, đây là một
điều thuận lợi khi thêm coban vào vật liệu từ để cải thiện tính chất của vật liệu
từ khi ở nhiệt độ cao. Gần đây, nam châm đất hiếm được tạo ra có từ tính
mạnh hơn nam châm alnico. Một vật liệu có từ tính tương tự như vậy, đó là

nam châm samari- coban (loại vĩnh cửu) giữ tính chất từ của nó khi nhiệt độ
o

lên đến 800 C [2, tr.10-16].
Gần đây hơn, coban được sử dụng chủ yếu trong các loại pin mới hơn,
các hạt từ tính để ghi và lưu trữ thông tin trong bang từ, ổ đĩa cứng.
1.4.2.3. Tính chất hóa học
Coban không thể tìm thấy như là một kim loại tự do, mà nói chung là ở
trong các dạng quặng.
Trạng thái ôxy hóa phổ biến của coban là +2 và +3.
Coban phản ứng với oxy trong không khí, nhưng không bắt lửa và chỉ
cháy khi ở dạng bột. Bột kim loại coban dễ bùng cháy khi tiếp xúc với lửa.


Coban có khả năng phản ứng với hầu hết các axit để tạo khí hydro. Tuy nhiên,
coban không phản ứng với nước ở nhiệt độ phòng.
Các hợp chất của coban phải được xử lí cẩn thận do có độc tính nhẹ.
1.4.3. Vật liệu từ mềm Fe-Co
1.4.3.1. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể có tác động đáng kể đến tính chất từ. Khi hợp kim
giàu Fe, nó được hình thành ở pha bcc do quá trình kết tinh của hợp kim.
Thay thế Co cho Fe trong các hợp kim có thể tạo ra một pha α-FeCo với cấu
trúc B2 (pha trật tự). Với hợp kim giàu Co, tìm thấy có cả cấu trúc fcc và hcp
trong quá trình kết tinh của hợp kim [20, tr.57-171].

(hcp)

(bcc)

(fcc)

Hình 1.4. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe và Co[20]
Fe kim loại thông thường tồn tại dưới 2 dạng cấu trúc bcc và fcc, trong
khi đó Co tồn tại dưới hai dạng cấu trúc hcp và fcc.
Hằng số mạng cho hai dạng cấu trúc fcc và bcc của Fe lần lượt là 3,515
Å và 2,87 Å. Với Co cấu trúc hcp (α-Co) thì a = 2,51 Å và c = 4,07 Å trong
khi đó cấu trúc fcc (β-Co) có hằng số mạng là 3,55 Å.
1.4.3.2. Giản đồ pha
Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của
một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, tỷ lệ và thành phần
các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Giản đồ pha cũng là cách biểu diễn


quá trình kết tinh của hợp kim, ở đó các loại pha được kết tinh từ dung dịch
[5, tr.94-123].
Khái niệm pha được hiểu là những phần đồng nhất của hợp kim (hay
còn được gọi là hệ) ở điều kiện cân bằng trong cùng một trạng thái (có thể là
rắn, lỏng hay khí) và ngăn cách với các phần còn lại (tức với các pha khác)
bằng bề mặt phân chia. Một pha trong trạng thái rắn phải có cùng thông số
mạng và kiểu mạng . Một số hợp kim sẽ tồn tại dưới dạng dung dịch rắn mất
trật tự, trong đó vị trí các ion kim loại được định xứ ngẫu nhiên trong mạng
tinh thể. Một tinh thể hoàn thiện là tinh thể trong đó các nguyên tử được phân
bố vào đúng vị trí mạng cơ sở của nó một cách có trật tự. Khi nhiệt độ tăng
lên thì các nguyên tử ở các mạng lưới dao động mạnh dần và có thể rời khỏi
vị trí của nó để đi vào các lỗ trống giữa các nút mạng, còn vị trí nút mạng sẽ
trở thành lỗ trống và lúc này mạng lưới tinh thể sẽ trở thành mất trật tự [5,
tr.94-123].

Hình 1.5. Giản đồ pha của Fe-Co [10].

Giản đồ pha của Fe-Co được biểu diễn trên hình 1.5. Từ giản đồ này có
thể thấy Fe và Co tạo nên hệ dung dịch rắn mất trật tự fcc (γ) ở nhiệt độ cao.
o

Ở nhiệt độ trên 730 C, với Co chiếm ~ 75% khối lượng thì hợp chất này tồn
o

tại ở trạng thái dung dịch rắn bcc (α). Dưới nhiệt độ 730 C, tồn tại dạng bcc
(α) với thành phần nguyên tố cân bằng nhau (trật tự nguyên tử theo dạng cấu
trúc của CsCl (α1)). Sự chuyển đổi từ pha trật tự-bất trật tự đóng một vai trò
quan trọng trong việc xác định phẩm chất cơ học và tính chất từ của vật liệu
[11].
Hợp kim Fe-Co có tính chất sắt từ và được xem là vật liệu có giá trị từ
độ bão hòa cao nhất trong số các vật liệu sắt từ đã biết. Tuy Co có mômen từ
nguyên tử thấp hơn của Fe, nhưng khi được thay bởi Co sẽ làm tăng từ độ của
hợp kim. Hình 1.6 đã chỉ ra sự thay đổi của mômen từ bão hòa ở nhiệt độ
phòng của Fe theo hàm lượng Co được đưa vào, cho thấy giá trị lớn nhất đạt

Ms (emu/g)

được là 240 emu/g khi Co chiếm 35% khối lượng trong hợp kim [11].

Khối lượng Co (%)
Hình 1.6. Sự thay đổi từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co [18].


1.4.3.3. Các tính chất từ
Hợp kim Fe-Co là VLTM điển hình với các đặc trưng [8]:
- Từ độ bão hòa M s cao.

- Lực kháng từ H c thấp.
- Nhiệt độ Curie TC cao.
- Tổn hao sắt từ nhỏ.
1.4.4. Một số phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co
Hợp kim Fe-Co có cấu trúc nano mét được tổng hợp theo nhiều phương
pháp khác nhau như vật lý, hóa học và hóa lý: phun băng, hợp kim cơ, nghiền
bi cơ năng lượng cao [14], phản ứng pha rắn, polyol [7], phân hủy nhiệt [17],
hóa khử, hóa ướt, thủy nhiệt, đồng kết tủa và điện phân,… Dưới đây là một số
phương pháp thông dụng:
- Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao.
- Phương pháp phun băng nguội nhanh.
- Phương pháp hóa khử.
- Phương pháp polyol.
Nhìn chung, các phương pháp trên đều có ưu điểm tổng hợp được các
hạt nano khá đều nhau, từ độ bão hòa cũng tương đối cao. Tuy nhiên quá trình
tổng hợp phức tạp, sử dụng hóa chất đắt tiền, phát ra khí độc hại, gây ô nhiễm
và khối lượng sản phẩm thu được không nhiều. Phương pháp đồng kết tủa mà
chúng tôi lựa chọn để tổng hợp mẫu trong khóa luận này có ưu điểm hơn bởi
thiết bị đơn giản dễ điều khiển quy trình công nghệ, đầu tư thấp, độ lặp lại
cao, tạo được hạt có kích thước nano trong thời gian ngắn và khá đồng đều.