Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hạt nano Y3-xGdxFe5O12

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 Y3­
GdxFe5O12

x

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  Y 3­
GdxFe5O12”

x

Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Các mẫu hạt nano pherit ganet Y3­
GdxFe5O12 (x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) được tổng hợp bằng phương pháp sol­gel.

x

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính 
chất từ  của hạt nano pherit ganet Y 3­xGdxFe5O12 (x =0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3) chế tạo  
bằng phương pháp sol­gel. 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  
Trần Xuân Hoàng

1


Luận văn thạc sĩ khoa học

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.
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 sol­gel 
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 [7­8].  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 
Trần Xuân Hoàng

3


Luận văn thạc sĩ khoa học

với nhau, mômen từ  của phân mạng  a  và phân mạng  d  là đối song. Tương tác 
giữa các 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+]             (Fe3+)
                                                  

 

                                          c                    a                      d                                    

                                                                                                 
                                        (c)              (d – a)
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:
          (1.1)
M (T)= 3MR(T) – [3MFe(T) – 2MFe(T)]
3+
Đặc biệt đối với YIG, do Y  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

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 [7­8].

 

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
Trần Xuân Hoàng

5


Luận văn thạc sĩ khoa học

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 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 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 Fe 3+ ­ Fe3+ , R3+ 
­ R3+ và Fe3+ ­ R3+ trong đó R là kim loại đất hiếm. Bản chất của tương tác là sự 

Trần Xuân Hoàng

6


Luận văn thạc sĩ khoa học

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]:
3

�
�
2
�
�
T
�
M S (T ) = M S (0) 1 − � ��
� �TC ��
�
�

hay còn có thể viết:                     M S (T ) = M S (0)(1 − BT 3/2 )

(1.4)

  

 

(1.5) ở đây MS(0) là mômen từ tự phát ở 0 K,  B là hằng số Bloch. Khi  T
Trần Xuân Hoàng

7

TC  thì


Luận văn thạc sĩ khoa học

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 sol­gel (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 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. 
8
Trần Xuân Hoàng


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 1.8 Mômen từ bão hòa phụ thuộc nhiệt độ của các hạt YIG chế tạo bằng  
phương pháp sol­gel 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:
3/2
� �DS �
�
1 − � � �                   
  HC = HC 0 �
� �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 thướ c nano đượ c  
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 th ể,  V 
­ thể  tích hạt) thì mômen từ  tự  phát của hạt có thể  thay đổi từ  hướ ng từ  hóa 
dễ này sang hướng từ hóa dễ khác ngay cả khi không có từ trườ ng 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:
                        

1/2

� �T �
�                                         (1.9)
H C (T ) = H C (0) �
1− � � �
 
T
�
� �B � �
�

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 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

11


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Xuân Hoàng

12


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp chế tạo hạt nano Y3­xGdxFe5O12
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
top­down). 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  bottom­up). 
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, sol­gel,…)
Trong luận văn này, phương pháp chế  tạo các mẫu nghiên cứu được lựa 
chọn là phương pháp sol­gel.
Phương pháp sol­gel 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 sol­gel 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 DTA­TGA 
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
Trần Xuân Hoàng

13


Luận văn thạc sĩ khoa học

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 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: 10­5 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 Y3­xGdxFe5O12
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.

Trần Xuân Hoàng

15


Luận văn thạc sĩ khoa học

              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 từ 20­150oC và có sự thu nhiệt ở quanh vùng nhiệt độ 148 oC 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 
Trần Xuân Hoàng

16


Luận văn thạc sĩ khoa học

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  Y3­xGdxFe5O12  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 Y 3­
GdxFe5O12 sau khi  ủ   ở  nhiệt độ  800oC ta thu được kết quả  như  trong hình 3.2.  

x

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 Y3­xGdxFe5O12  có thể tính được thông 
qua giá trị hằng số mạng a theo công thức: 

ρ=

8M
N A a3

g/cm3)
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 Y3­xGdxFe5O12 (x = 0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3). 
3.1.2. Kết quả phân tích ảnh FESEM.
Kích thước và hình thái học của các mẫu hạt  Y3­xGdxFe5O12  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.
Trần Xuân Hoàng

17


Luận văn thạc sĩ khoa học

           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  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. 

Trần Xuân Hoàng

18


Luận văn thạc sĩ khoa học

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 cm­1.

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 cm­1 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 Y3­xGdxFe5O12.  
3.2.1. Từ độ.
Tính chất từ  của các mẫu hạt nano  Y3­xGdxFe5O12  ( 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  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. 
Trên hình 3.7, 3.8, 3.9 và 3.10 là các đường cong từ  hóa của các mẫu hạt 
nano Y3­xGdxFe5O12 (x=1; 1,5; 2; 2,5) đo ở vùng nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao. Các 
Trần Xuân Hoàng

19


Luận văn thạc sĩ khoa học

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 Y3­xGdxFe5O12 (x=1; 
1,5; 2; 2,5) ở nhiệt độ 88 K được thể hiện như trên hình 3.11.

Hình 3.11: Đường cong từ hóa của các mẫu hạt nano Y3­xGdxFe5O12 
( 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). 
Trần Xuân Hoàng

20


Luận văn thạc sĩ khoa học

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. 

Y3Fe5O12
Y2Gd1Fe5O12

300

Y1.5Gd1.5Fe5O12

)

Y1Gd2Fe5O12

M s (emu/cm

3

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 
Y3­xGdxFe5O12 (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 Y3­xGdxFe5O12. 
Bảng 3.3: Nhiệt độ Curie TC và nhiệt độ bù trừ Tcomp của các mẫu hạt  
nano 
Trần Xuân Hoàng

21


Luận văn thạc sĩ khoa học

Y3­xGdxFe5O12 (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

                                   

M c (emu/cm 3 )

600

Gd3Fe5O12

500

Y0.5Gd2.5Fe5O12

400

Y1.5Gd1.5Fe5O12

Y1Gd2Fe5O12
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 Y3­xGdxFe5O12 (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 Y 3Fe5O12 thì các 
phân mạng Gd giảm rất nhanh theo nhiệt độ  và đây là nguyên nhân xuất hiện 
Trần Xuân Hoàng

22


Luận văn thạc sĩ khoa học

nhiệt bù trừ trong vật liệu. Mẫu có nồng độ Gd càng thấp thì Tcomp có giá trị càng 
giảm.

Trần Xuân Hoàng

23