Nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hạt nano FePd

Luận văn tốt nghiệp

Trƣơng Thành Trung
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Trƣơng Thành Trung

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT VÀ TÍNH CHẤT TỪ
CỦA HẠT NANO FePd

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013

1


Luận văn tốt nghiệp

Trƣơng Thành Trung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Trƣơng Thành Trung

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT VÀ TÍNH CHẤT TỪ

CỦA HẠT NANO FePd

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 60 44 01 04
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hoàng Nam

Hà Nội - 5/2013
2


Luận văn tốt nghiệp

Trƣơng Thành Trung

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 8
1.1 Vật liệu từ cứng .......................................................................................... 8
1.2 Quá trình từ hóa ....................................................................................... 11
1.2.1 Đƣờng cong từ hóa và hiện tƣợng từ trễ ............................................. 11
1.2.2 Đƣờng cong từ trễ .............................................................................. 14
1.2.3 Độ nhớt từ .......................................................................................... 15
1.3 Vật liệu FePd ............................................................................................ 16
1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd ..................................................................... 16
1.3.2 Tính chất từ ........................................................................................ 18
1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc ............................ 19
1.4. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano .......................................................... 20
1.4.1 Phƣơng pháp hóa khử ......................................................................... 20
1.4.2 Phƣơng pháp thủy nhiệt ...................................................................... 21

1.4.3 Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức.................................................... 21
1.4.4 Phƣơng pháp quang xúc tác ................................................................ 21
1.4.5 Phƣơng pháp vi sóng: ......................................................................... 21
1.4.6 Phƣơng pháp hóa siêu âm ................................................................... 22
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................... 25
2.1 Chế tạo mẫu ............................................................................................. 25
2.2 Các phép đo khảo sát tính chất của hạt nano FePd .................................... 26
2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .......................... 26
2.2.2 Phân tích thành phần của mẫu bằng phổ tán sắc năng lƣợng ............... 27
2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua .......................................................... 27
3


Luận văn tốt nghiệp

Trƣơng Thành Trung

2.2.4 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung.......................................... 29
2.2.5 Khảo sát tính chất từ bằng hệ đo các thông số vật lý (PPMS) ............. 30
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 32
3.1 Hình thái và cấu trúc ................................................................................ 32
3.1.1 Kết quả nhiễu xạ tia X ........................................................................ 32
3.1.3 Phổ tán sắc năng lƣợng EDS ............................................................. 35
3.2 Tính chất từ .............................................................................................. 36
3.2.1 Đƣờng cong từ trễ .............................................................................. 36
3.2.1.1 Kết quả đo trên máy VSM ............................................................... 37
3.2.1.2 Kết quả đo trên máy PPMS ............................................................. 41
3.2.2 Hiệu ứng nhớ từ ................................................................................. 45
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 53

4


Mở đầu

Trƣơng Thành Trung

MỞ ĐẦU
Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một
nhánh nghiên cứu dành đƣợc sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học do
những đặc điểm và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thƣờng. Có ba
nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt này. Thứ nhất là tác động của các hiệu
ứng lƣợng tử khi vật liệu có kích thƣớc nano. Các vật liệu nano không tuân theo
quy luật vật lý cổ điển nữa, thay vào đó là các quy luật vật lý lƣợng tử mà hệ quả
quan trọng là các đại lƣợng vật lý bị lƣợng tử hóa. Thứ hai là hiệu ứng bề mặt:
kích thƣớc của vật liệu càng giảm thì phần vật chất tập trung ở bề mặt chiếm một
tỷ lệ càng lớn, hay nói cách khác là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối
lƣợng càng lớn. Cuối cùng là hiệu ứng tới hạn, xảy ra khi kích thƣớc của vật liệu
nano đủ nhỏ để so sánh với các kích thƣớc tới hạn của một số tính chất. Chính ba
yếu tố này đã tạo ra sự thay đổi lớn về tính chất của vật liệu nano. Và cũng vì
vậy, vật liệu nano thu hút đƣợc sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các vật liệu
có những tính chất ƣu việt với mong muốn ứng dụng chúng để chế tạo ra các sản
phẩm mới có tính năng vƣợt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác
nhau.
Trong thời đại ngày nay, công nghệ nano là hƣớng nghiên cứu đang thu
hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng nhƣ các nhà đầu tƣ công
nghiệp bởi ứng dụng to lớn của nó trong sản suất các thiết bị ứng dụng trong
công nghiệp, chế tạo các thiết bị điện tử. Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano
ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn, thể hiện độ tinh xảo ƣu việt hơn hẳn các thiết

bị với công nghệ micro trƣớc đó.
Trong những năm gần đây một số vật liệu từ cứng đã đƣợc đƣa vào nghiên
cứu, chế tạo, có cấu trúc pha L10 nhƣ hợp kim FePt, CoPt, FePd… với dị hƣớng
từ tinh thể lớn (FePt: Ku=6,6-10 x 107 erg/cm3, CoPt: Ku=4,9x107 erg/cm3 và
FePd: Ku=1,8x107 erg/cm3) [4]. Do đó, các hạt nano trên có thể đƣợc sử dụng để
chế tạo các vật liệu ghi từ mật độ cao.
5


Mở đầu

Trƣơng Thành Trung

Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp này chúng tôi tiến hành:
“Nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hạt nano FePd”
Mục đích của luận văn:
- Chế tạo hạt nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau bằng
phƣơng pháp hóa siêu âm.
- Nghiện cứu chuyển pha bất trật tự - trật tự cấu trúc tứ giác tâm mặt
(fct) L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với Hc lớn.
- Nghiên cứu tính chất từ của hạt nano FePd trong vật liệu chế tạo đƣợc.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Khóa luận đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp thực nghiệm. Các mẫu sử dụng
trong khóa luận đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. Cấu trúc hình thái,
của mẫu đƣợc kiểm tra bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray DiffractionXRD), kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (transmission electron microscopy).
Xác định thành phần của mẫu bằng máy đo EDS (Energy Dispersive X-ray
Spectroscopy). Tính chất từ đƣợc tiến hành trên hệ từ kế mẫu rung VSM
(Vibrating Sample Magnetometer), hệ đo các tính chất vật lý PPMS (Physical
Property Measurement System). Các phép đo trên đƣợc thực hiện tại Trung tâm
khoa học vật liệu – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội và Trung

tâm Nano và Năng lƣợng – Đại học Quốc gia Hà Nội.
Bố cục của khóa luận:
Mở đầu
Chƣơng 1: Tổng quan - Trình bày sơ lƣợc về hệ hợp kim của hai nguyên
tố Fe-Pd, một số đặc trƣng trong cấu trúc tinh thể ảnh hƣởng đến tính chất từ của
hệ vật liệu này.
Chƣơng 2: Thực nghiệm – Trình bày Phƣơng pháp chế tạo mẫu, các thiết
bị thực nghiệm đƣợc sử dụng để nghiên cứu các tính chất của hệ mẫu Fe-Pd
đƣợc chế tạo.
6


Mở đầu

Trƣơng Thành Trung

Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - Những kết luận cơ bản và khái quát nhất
thu đƣợc trên đối tƣợng nghiên cứu của luận văn.
Kết luận
Tài liệu tham khảo.

7


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của
tính từ "cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa [1], chứ
không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ.
Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trƣng từ học nhƣ Hc lớn, tích năng lƣợng từ
cực đại (BH)max lớn...

Hình 1.1. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng.
Lực kháng từ: Lực kháng từ, ký hiệu là Hc là đại lƣợng quan trọng đặc
trƣng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và
khó khử từ, nên ngƣợc lại với vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng có lực kháng từ
lớn. Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhƣng vật liệu từ cứng phổ biến thƣờng
có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong
các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hƣớng từ tinh thể lớn trong vật

8


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

liệu. Các vật liệu từ cứng thƣờng có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn
so với các vật liệu từ mềm và có dị hƣớng từ tinh thể rất lớn.
Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thƣờng đƣợc biết đến qua công
thức (1.1):
(1.1)
trong đó:


Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với K1 là hằng số dị hƣớng từ

tinh thể bậc 1, Is là từ độ bão hòa.



Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N1,N2 là thừa số khử từ
đo theo hai phƣơng khác nhau.



Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với λs là từ giảo bão hòa, τ là ứng
suất nội.

Và a, b, c lần lƣợt là các hệ số đóng góp.
Tích năng lƣợng từ cực đại: Tích năng lƣợng cực đại là đại lƣợng đặc
trƣng cho độ mạnh yếu của vật từ, đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng từ cực đại có
thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ. Đại lƣợng này có đơn vị là đơn vị
mật độ năng lƣợng

J
.
m3

Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc xác định trên đƣờng cong khử từ (xem
hình 1.1) thuộc về góc phần tƣ thứ 2 trên đƣờng cong từ trễ, là một điểm sao cho
giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trƣờng H là cực đại. Vì thế, tích năng lƣợng
từ cực đại thƣờng đƣợc ký hiệu là (BH)max.
Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS
là Oersted - Oe), nên tích năng lƣợng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị
này thƣờng dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ)
1GOe 

8 J
.
1000 m 3

9


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Để có tích năng lƣợng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dƣ
cao.
Ngoài ra, một số vật liệu từ cứng đƣợc ứng dụng trong các nam châm hoạt
động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Đây là nhiệt độ mà tại
đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ.
Trong thực tế vật liệu từ cứng đƣợc sử dụng nhiều trong chế tạo các nam
châm vĩnh cửu hoặc đƣợc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng.
Trong đó ngƣời ta thƣờng dung các loại vật liệu sau:
Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm: Điển hình là hai
hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt
nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể đạt
tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ cứng, do đó tạo
ra tích năng lƣợng từ khổng lồ.
SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40
kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên thƣờng sử dụng trong các máy móc có
nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao). Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các
nam châm đất hiếm là có độ bền không cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi
hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu

NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm (312oC) nên không sử dụng ở điều
kiện khắc nghiệt đƣợc. Nam châm đất hiếm có tích năng lƣợng từ kỷ lục
là Nd2Fe14B đạt tới 57 MGOe. Hệ vật liệu α -Fe/Nd 2Fe14B [5] có tích năng lƣợng
cực đại (BH)max=31 MGOe.
Hợp kim FePt và CoPt: Bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ
hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm mặt (fct), thuộc loại có trật tự hóa
học L1o, có ƣu điểm là có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống
ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay đang đƣợc sử dụng làm vật liệu ghi
từ trong các ổ cứng. Vật liệu FePt/Fe3B [6] có Hc=7.5 kOe, (BH)max=14 MGOe.

10


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

1.2 Quá trình từ hóa
1.2.1 Đƣờng cong từ hóa và hiện tƣợng từ trễ
Các quá trình b và c trong toàn bộ quá trình từ hoá trên hình (1.2) có thể
xảy ra đồng thời với nhau ở một khoảng giá trị nào đó của H. Lúc khử từ, trạng
thái sắt từ đƣợc biểu diễn bởi:
I   I SVi cos i  0

(1.2)

i

ở đây Vi là thể tích đômen thứ i, θi là góc giữa véc tơ từ độ bão hoà IS của đômen
này đối với một phƣơng nhất định.

Hình 1.2 Quá trình từ hoá dưới ảnh hưởng của từ trường tăng dần:
a) Mẫu hoàn toàn khử từ. b) H ≠ 0 và nhỏ, các đômen gần hướng với từ
trường ngoài nở ra, ngược hướng với từ trường ngoài co lại. c) H  0 và đủ lớn,
véc tơ từ độ quay trùng với hướng của H.

11


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Khi H ≠ 0, từ độ trở nên khác không và đạt giá trịSau khi lấy vi phân
phƣơng trình (1.2), Ta có:
I  I S  cos i Vi  Vi cos i 
i

(1.3)

i

Số hạng thứ nhất mô tả phần đóng góp vào từ độ gây nên bởi sự dịch
chuyển vách đômen và tƣơng ứng với quá trình trên hình 1.2 gọi là quá trình
dịch chuyển vách (wall motion process). Số hạng thứ hai gây bởi sự quay của mô
men từ theo phƣơng của trƣờng ngoài và tƣơng ứng quá trình trên hình 1.4 gọi là
quá trình quay (rotation process). Tƣơng ứng với hai quá trình đó độ cảm từ


dI

cũng có thể chia hai thành phần, một thành phần tƣơng ứng với biến
dH

thiên từ độ gây bởi sự dịch chuyển vách: I dc  I S  cosivi và một thành phần
ứng với biến thiên từ độ do sự quay của véc tơ I: I q  I S  vi cos i . Do đó ta có:
dI  dI 
 dI 

 

dH  dH  dc  dH  q

(1.4)

   dc   q

(1.5)

hay

Thông thƣờng vật liệu từ đƣợc chia thành hai loại căn cứ theo giá trị của
và HC. Vật liệu từ mềm có lớn và HC nhỏ và quá trình từ hoá ban đầu cơ bản
qui định bởi quá trình dịch chuyển vách, và vật liệu từ cứng với nhỏ và HC lớn
và quá trình từ hoá ban đầu cơ bản qui định bởi quá trình quay.
Quá trình từ hoá bất thuận nghịch – Nguyên nhân sự trễ từ:
Ta xét vách 1800 ngăn cách 2 đômen theo mặt phẳng yz trong một tinh thể
thực (H 1.3). Nếu đặt từ trƣờng ngoài H song song với trục z thì vách đômen
dịch chuyển và đômen có I song song với H nở ra, đômen có I phản song song
với H bị co lại. Phƣơng trình cho trạng thái cân bằng của vách là:
(Năng lƣợng do sự đảo từ) = (Công dịch chuyển vách đômen)

12


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Do đó ta có:
HI S yzx   HI S yzx  

 2 HI S x 
x
dx

d
yzx
dx

(1.6)

Trong từ trƣờng ngoài, vị trí mới của vách tƣơng ứng với một năng lƣợng
vách đômen khác trƣớc. Nếu do tác dụng của từ trƣờng ngoài H vách dịch một
đoạn x < OA (Hình 1.3) thì bởi vì tại đấy năng lƣợng vách lớn hơn tại vị trí x =
0 nên sau khi ngắt từ trƣờng ngoài, vách đômen lại dịch chuyển về vị trí x = 0,
phục hồi lại trạng thái khử ban đầu. Đây là quá trình dịch chuyển vách thuận
nghịch.

Hình 1.3. a)Mô hình hai đômen được phân cách bởi một vách 1800 nằm
trên mặt phẳng yz; b) và c) Sự phụ thuộc của năng lượng vách và gradient

/x của lớp chuyển tiếp giữa các đômen (vách đômen) vào từ độ.

13


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Nếu từ trƣờng đủ lớn để vách dịch chuyển qua điểm A, thì vì tại đây năng
lƣợng vách biến thiên cực đại (/x đạt giá trị max), nên vách có thể tự động
dịch đến điểm C có giá trị /x tƣơng đƣơng mà không cần phải có từ trƣờng
ngoài. Đoạn dịch chuyển AC gọi là bƣớc nhảy Barkhausen.
Sau quá trình từ hoá đó, nếu ngắt từ trƣờng ngoài thì vách không về vị trí
x = 0 mà về vị trí B ứng với cực tiểu năng lƣợng. Kích thƣớc các đômen thuận
vẫn lớn hơn kích thƣớc các đômen nghịch gây ra độ từ hoá còn dƣ giữa một cặp
đômen I = 2ISdx/d0 với d0 là độ rộng của đômen, dx là độ dịch vách. Quá trình
này là quá trình từ hoá bất thuận nghịch và là nguyên nhân gây ra sự trễ từ.
1.2.2 Đƣờng cong từ trễ

Hình 1.4. Đường cong từ trễ- Đặc tính lý thú của vật liệu sắt từ.
Vật liệu được từ hoá tới bão hoà khi từ trường ngoài tăng lên và vẫn giữ
giá trị khác 0 khi từ trường ngoài giảm tới 0.

14


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Vật liệu sắt từ có nhiều đặc tính lý thú, khi vật liệu đƣợc từ hoá tới bão
hoà khi từ trƣờng ngoài tăng lên nhƣng vẫn giữ giá trị khác 0 khi từ trƣờng ngoài
giảm tới 0 (hình 1.4). Đó chính là hiện tƣợng trễ từ đƣợc thể hiện trên đƣờng
cong từ trễ. Hiện tƣợng này có liên quan trực tiếp tới cấu trúc đômen của vật
liệu. Chính nhờ khả năng nhớ từ này mà một số vật liệu sắt từ đƣợc sử dụng để
làm vật liệu ghi từ.
1.2.3 Độ nhớt từ
Độ nhớt từ là thuật ngữ để mô tả sự thay đổi từ độ phụ thuộc vào thời gian
mà không liên quan đến trƣờng tác dụng. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi đặt
hay ngắt từ trƣờng ngoài, từ độ, độ từ thẩm,... của vật liệu từ chỉ đạt ổn định sau
một thời gian, nghĩa là, từ tính của vật liệu không thay đổi đồng bộ với từ trƣờng
từ hóa. Hiện tƣợng đó gọi là sự nhớt từ. Hình 1.5 mô tả hiện tƣợng nhớt từ.

Hình 1.5. Đường cong nhớt từ.
Quy luật suy giảm của từ độ theo thời gian:
M  H ,t   M  H ,t0   s ln(

t
)
t0

(1.7)

Từ độ suy giảm đó ngƣời ta tính đƣợc độ nhớt từ:
S  dM / d (ln t )

15

(1.8)

Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

1.3 Vật liệu FePd
Với nhu cầu nâng cao mật độ ghi từ trên một inch vuông (phổ biến hiện
nay là 100 Gb/in2 có thể nâng đến cỡ Tb/in2) và việc tiểu hình hóa các thiết bị
ghi từ đã thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các hạt nano từ cứng với các tính chất
đặc trƣng nhƣ: năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể cao, lực kháng từ lớn, từ độ bão
hòa cao. Một trong những vật liệu có tính chất lƣu trữ từ tính mật độ cao là các
hạt nano FePd với cấu trúc trật tự L10. Tính từ cứng của các hạt nano hợp kim
L10-FePd bắt nguồn từ cấu trúc trật tự tứ giác với năng lƣợng dị hƣớng từ tinh
thể cao.
Hợp kim FePd có thể tồn tại với các trạng thái khác nhau tuỳ thuộc vào
nhiệt độ ủ, hợp phần và trạng thái cấu trúc tinh thể của vật liệu. Khi ủ trong hợp
kim đã xuất hiện chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct)
L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với ƣu điểm là có lực kháng từ lớn.

1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd
Hình 1.6 thể hiện giản đồ pha của hệ hợp kim Fe-Pd. Trƣớc khi ủ vật liệu
có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt (fcc). Các nghiên cứu trƣớc đây đã chỉ ra rằng
pha trật tự  1 của hợp kim FePd có cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) loại L10 với các
hằng số mạng: a= 3,852 Å và c= 3,723 Å. Cấu trúc này đƣợc gọi là pha trật tự
L10 của FePd.

16

Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Hình 1.6 Giản đồ pha của hợp kim Fe-Pd [7]
Trong pha trật tự L10, các nguyên tử Fe (000, ½ ½ 0) và Pd (½ 0 ½, 0 ½
½) tạo nên các mặt phẳng luân phiên dọc theo trục c, dẫn tới hiệu ứng méo mạng
tứ diện. Những pha này có thể tồn tại trong trạng thái bất trật tự với sự phân bố
của các nguyên tử Fe và Pd là tự do hay trật tự một phần hoặc trong trạng thái
trật tự hoàn toàn, mà ở đó các nguyên tử Fe và Pd chiếm những vị trí xác định
(hình 1.7).

Hình 1.7. Cấu trúc tính thể của các pha bất trật tự (fcc)
(a) và trật tự (fct) (b) của hợp kim FePd (Hình tròn rỗng là Pd, hình tròn
đặc là Fe).

17


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Ở cấu trúc trật tự hoàn toàn L10 (fct), các nguyên tử Fe và Pd sẽ lần lƣợt
chiếm các mặt phẳng kế tiếp nhau dọc theo trục c của ô nguyên tố, trong khi đó ở
cấu trúc bất trật tự (fcc), xác suất các nguyên tử chiếm bất kỳ bặt phẳng nguyên
tử nào là hoàn toàn nhƣ nhau. Quá trình chuyển pha bất trật tự-trật tự không chỉ
dẫn đến sự thay đổi trong xác suất chiếm giữ các vị trí trong ô nguyên tố mà còn
dẫn đến sự biến đổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1. Khi đó pha bất trất tự đƣợc
chuyển sang pha trật tự nhờ việc xử lý nhiệt. Chế độ ủ đƣợc điều chỉnh để các

nguyên tử có đủ năng lƣợng nhiệt để chuyển động tới vị trí của chúng và định xứ
ở đó.
Với sự hình thành cấu trúc trật tự xa, có hai hiệu ứng quan trọng xảy ra.
Đầu tiên là sự thăng giáng về thành phần hoá học dọc theo các trục tinh thể, hiệu
ứng thứ hai là hệ quả của hiệu ứng trên, xuất hiện do những thay đổi trong tính
đối xứng của ô cơ bản. Lúc này các trục tinh thể tƣơng đƣơng với nhau trong cấu
trúc mất trật tự trở nên không tƣơng đƣơng trong cấu trúc trật tự. Hai hiệu ứng
này ảnh hƣởng rất mạnh tới tính chất từ vật liệu.
Với tính chất chuyển pha cấu trúc đặc biệt từ pha fcc sang pha fct, ngƣời
ta tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc và sự thay đổi cấu trúc của vật liệu
nano FePd. Bằng cách thay đổi công nghệ hoặc điều kiện xử lý nhiệt để điều
chỉnh quá trình chuyển pha này, từ đó điều chỉnh tỷ phần pha trật tự fct trong
mẫu. Do đặc điểm không cân bằng vốn có trong quá trình chế tạo nên mẫu FePd
ngay sau chế tạo có cấu trúc tinh thể mất trật tự. Cấu trúc trật tự (fct) chỉ xuất
hiện sau khi mẫu đã đƣợc xử lý nhiệt. Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi
tiến hành chế tạo mẫu vật liệu nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau
(FexPd100-x với x= 42, 50, 55, 60, 63) và khảo sát sự chuyển pha cấu trúc khi ủ tại
các nhiệt độ 450oC, 500oC, 550oC, 600oC, 650oC.
1.3.2 Tính chất từ
a. Dị hướng từ: Trong vật liệu từ, nội năng phụ thuộc vào hƣớng của độ
từ hoá tự phát. Sự phụ thuộc này gọi là dị hƣớng từ. Năng lƣợng ứng với dị
hƣớng từ gọi là năng lƣợng dị hƣớng từ.

18


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Dị hƣớng từ tinh thể, tăng do tƣơng tác cặp spin - quỹ đạo, rất quan trọng
trong việc xác định biểu hiện từ của hạt đơn. Dạng đơn giản nhất của dị hƣớng từ
tinh thể là dị hƣớng đơn trục. Trong tinh thể từ, luôn tồn tại một phƣơng dễ từ
hoá hơn các phƣơng còn lại. Phƣơng từ hoá dễ thƣờng đồng nhất với trục hình
học của tinh thể. Năng lƣợng từ tinh thể EC phụ thuộc vào hƣơng tƣơng quan của
phƣơng từ hoá và trục của tinh thể và đƣợc xác định bởi biểu thức (1.9):
EC  K1 sin 2   K 2 sin 4   ...

(1.9)

Ở đó,  là góc giữa phƣơng từ hoá và trục dễ, Ki là hằng số dị hƣớng bậc i.
Trong trƣờng hợp dị hƣớng mặt phẳng, là góc giữa phƣơng từ hoá và mặt
phẳng màng. Trong một số trƣờng hợp màng định hƣớng vuông góc,  là góc
giữa phƣơng từ hoá và phƣơng vuông góc với mặt phẳng màng.
b. Trật tự L10 ở nhiệt độ thấp của vật liệu FePd: Ghi từ là kỹ thuật lƣu
trữ thông tin tiến bộ và ngày nay vẫn đang tiếp tục phát triển mạnh với khả năng
lƣu trữ thông tin ngày càng tăng lên. Tuy nhiên, có một khó khăn đặt ra là giá trị
nhiệt độ trật tự hoá cao hoàn toàn không thích hợp cho việc chế tạo vật liệu ghi
từ hàng loạt với quy mô lớn. Vì thế, làm thế nào để giảm nhiệt độ trật tự hoá là
một bài toán hết sức quan trọng và cần thiết. Cần chú ý tới một số thông số ảnh
hƣởng đến nhiệt độ trật tự hoá sau: nhiệt độ phát triển mầm [8], các lớp đệm
[9,10].
Cấu trúc L10 là nguyên nhân chính của sự xuất hiện các tính chất từ nổi
bật ở họ hợp kim FePd. Bên cạnh đó, nhiệt độ xử lý lớn sẽ là vấn đề gây trở ngại
và khó thực hiện. Vì vậy, việc tìm kiếm giải pháp làm giảm nhiệt độ chuyển pha
đang là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học. Vật liệu FePd có ƣu điểm là có
nhiệt độ chyển pha cấu trúc thấp hơn so với các vật liệu đã đƣợc nghiên cứu
trƣớc đây nhƣ CoPt, FePt…
1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc
Sự có mặt của pha trật tự sau khi mẫu đƣợc xử lý nhiệt làm cho giá trị HC

tăng lên hơn hẳn so với pha bất trật tự. Hơn nữa, khi có sự trộn lẫn giữa hai pha

19


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

trật tự và bất trật tự sẽ hình thành nên các biên “phản pha” ghim chặt các vách
đômen, chính điều này làm cho giá trị HC tăng lên đáng kể.
Những nghiên cứu tiếp theo ghi nhận rằng giá trị lực kháng từ HC lớn nhất
xuất hiện ngay cả trong hợp kim có cấu trúc trật tự hoàn toàn. Đặc biệt, giá trị HC
tăng tuyến tính theo tỷ phần pha trật tự có trong mẫu. Pha trật tự trong mẫu xuất
hiện càng nhiều thì càng làm cho HC lớn. Lý giải cho điều này ngƣời ta căn cứ
vào việc xuất hiện các biên “phản pha” khi có sự xuất hiện của pha trật tự. Các
biên pha này đóng vai trò là các tâm ghi ngăn cản sự dịch chuyển của vách
đômen trong mẫu, bản thân các tâm ghim này lại tƣơng ứng với tỷ phần của thể
tích pha trật tự. Do đó, giá trị HC phụ thuộc trực tiếp vào tỷ phần pha trật tự trong
mẫu. Giá trị HC càng lớn nếu nhƣ tỷ phần pha L10 càng lớn.

1.4. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano
Hiện nay có các phƣơng pháp chế tao hạt nano kim loại trên nền kim loại
chuyển tiếp nhƣ sau:
 Phƣơng pháp hóa khử
 Phƣơng pháp thủy nhiệt
 Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức
 Phƣơng pháp quang xúc tác
 Phƣơng pháp vi sóng
 Phƣơng pháp hóa siêu âm

1.4.1 Phƣơng pháp hóa khử
Phƣơng pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim
loại thành kim loại. Thông thƣờng các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng
nên còn gọi là phƣơng pháp hóa ƣớt. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của
các kim loại nhƣ HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+,
Au+... thành Ag0, Au0...

20


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

1.4.2 Phƣơng pháp thủy nhiệt
Phƣơng pháp thủy nhiệt đƣợc định nghĩa là phản ứng xảy ra do sự kết hợp
của dung dịch hoặc các khoáng chất ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để hòa
tan và tái kết tinh vật liệu mà không hòa tan đƣợc ở nhiệt độ thƣờng. Theo định
nghĩa của Byrappa và Yoshimura, thủy nhiệt chỉ quá trình hóa học xảy ra trong
một dung dịch (có nƣớc hoặc không có nƣớc) ở nhiệt độ trên nhiệt độ phòng và
áp suất lớn hơn 1 atm xảy ra trong một hệ kín. Các dung dịch đƣợc chọn ở nồng
độ thích hợp. Chúng đƣợc trộn với nhau, sau đó cho vào bình thủy nhiệt để phản
ứng xảy ra ở một nhiệt độ và thời gian thích hợp. Sau phản ứng, quay ly tâm thu
đƣợc kết tủa rồi lọc rửa vài lần bằng nƣớc cất và cồn. Sấy khô kết tủa ở nhiệt độ
và thời gian sấy hợp lý ta thu đƣợc mẫu cần chế tạo.
1.4.3 Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức
Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức (Phƣơng pháp Polyol) các hạt nanô
đƣợc hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rƣợu đa
chức). Polyol có tác dụng nhƣ một dung môi hoặc trong một số trƣờng hợp nhƣ
một chất khử ion kim loại. Tiền chất có thể hòa tan trong polyol rồi đƣợc khuấy

và nâng đến nhiệt độ sôi của polyol để khử các ion kim loại thành kim loại. Bằng
cách điều khiển động học kết tủa mà chúng ta có thể thu đƣợc các hạt kim loại
với kích thƣớc và hình dáng nhƣ mong muốn.
1.4.4 Phƣơng pháp quang xúc tác
Phƣơng pháp này sử dụng nguồn lazer kích thích hay còn goi là phƣơng
pháp ăn mòn laser. Vật liệu ban đầu là một tấm kim loại đƣợc đặt trong một
dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm laser xung có bƣớc sóng
532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lƣợng mỗi xung là 90 mJ,
đƣờng kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dƣới tác dụng của chùm laser
xung, các hạt nano có kích thƣớc khoảng 10 nm đƣợc hình thành.
1.4.5 Phƣơng pháp vi sóng:

21


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

Phƣơng pháp vi song là phƣơng pháp sử dụng sóng viba làm xúc tác (sóng
vi ba là sóng điện từ mà vùng tần số nằm giữa vùng hồng ngoại và vùng sóng vô
tuyến, khoảng 0.3 đến 30 GHz tƣơng ứng với bƣớc sóng 1 mm đến 1 m). Khi
chiếu sóng vi ba các dung môi phân cực chẳng hạn nhƣ nƣớc, chỉ xảy ra hiện
tƣợng tăng nhiệt do cơ chế quay lƣỡng cực điện xảy ra đồng đều tại mọi nơi
trong chất lỏng. Nhƣng nếu cho thêm các chất có các ion dẫn thì xảy ra thêm cơ
chế tăng nhiệt do sự dao động các ion dẫn. Các ion này không ở mọi nơi trong
chất lỏng nhƣ các lƣỡng cực điện mà phân bố rải rác một cách đồng đều. Tại
những vị trí có ion dẫn, nhiệt độ tăng mạnh so với các điểm xung quanh theo cơ
chế tăng nhiệt do sự dao động các ion dẫn, đây là điều kiên thuận lợi cho phản
ứng xảy ra. Chênh lệch nhiệt độ giữa môi trƣờng xung quanh và các vị trí này rất

lớn, vì vậy ngay lập tức xảy ra quá trình cân bằng nhiệt với tốc độ giảm nhiệt
cao. Chính điều này ngăn cản quá trình kết tinh của vật liệu, dẫn đến việc tạo ra
các vật liệu vô định hình.
1.4.6 Phƣơng pháp hóa siêu âm
Trong luận văn này chúng tôi sử dụng phƣơng pháp hóa siêu âm (sử dụng
sóng siêu âm làm xúc tác) để chế tạo hạt nano FePd. Phƣơng pháp hóa siêu âm
có ƣu điểm hơn so với các phƣơng pháp khác là các thiết bị đơn giản, sóng siêu
âm tạo ra môi trƣờng đặc biệt tạo điều kiện thuận lợi để bẽ gãy các gốc acetate,
thời gian chế tạo ngắn, tạo ra hạt nano FePd có kích thƣớc khá đồng đều.
Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó, các phản ứng
hóa học xảy ra dƣới tác dụng của sóng siêu âm nhƣ một dạng xúc tác [11]. Sóng
siêu âm là sóng dọc, nó là quá trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng.
Tần số thƣờng sử dụng trong các máy siêu âm là 20 kHz, cao hơn ngƣỡng nhận
biết của tai ngƣời (từ vài Hz đến 16 kHz). Khi sóng siêu âm đi qua một chất
lỏng, sự giãn nở do siêu âm gây ra áp suất âm trong chất lỏng kéo các phân tử
chất lỏng ra xa nhau. Nếu cƣờng độ siêu âm đủ mạnh thì sự giãn nở này sẽ tạo ra
những lỗ hổng trong chất lỏng. Điều này xảy ra khi áp suất âm đó lớn hơn sức
căng địa phƣơng của chất lỏng. Sức căng cực đại này lại phụ thuộc vào từng chất

22


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

lỏng và tạp chất ở trong đó. Thông thƣờng, đây là một quá trình phát triển mầm;
tức là, nó xuất hiện tại các điểm yếu tồn tại sẵn ở trong chất lỏng, nhƣ là những
bọt khí hoặc những tiểu bọt khí tức thời có trong chất lỏng sinh ra từ những quá
trình tạo lỗ hổng trƣớc đó. Phần lớn các chất lỏng bị nhiễm bẩn bởi các hạt nhỏ

mà lỗ hổng có thể xuất phát từ đó khi có mặt của áp suất âm.

Hình 1.8. Sự hình thành và phát triển của lỗ hổng trong lòng chất lỏng
dưới tác dụng của sóng siêu âm. Sau nhiều chu kì phát triển lỗ hổng
không thể hấp thụ năng lượng sóng siêu âm được nữa nên bị suy sụp
rất nhanh tạo thành các điểm nóng
Một khi đƣợc hình thành, các bọt khí nhỏ bị chiếu siêu âm sẽ hấp thụ năng
lƣợng từ sóng siêu âm và phát triển lên. Sự phát triển của các lỗ hổng phụ thuộc
vào cƣờng độ siêu âm. Khi cƣờng độ siêu âm cao, các lỗ hổng nhỏ có thể phát
triển rất nhanh. Sự giãn nở của các lỗ hổng đủ nhanh trong nữa đầu chu kì của
một chu kì sóng siêu âm, nên đến nửa sau chu kì thì nó không có đủ thời gian để
co lại nữa. Khi cƣờng độ siêu âm thấp hơn, các lỗ hổng xuất hiện theo một quá
trình chậm hơn gọi là khuyếch tán chỉnh lƣu (hình 1.8). Dƣới các điều kiện này,
kích thƣớc của một lỗ hổng sẽ dao động theo các chu kì giãn nở và co lại. Trong
khi dao động nhƣ thế lƣợng khí hoặc hơi khuyếch tán vào hoặc ra khỏi lỗ hổng
phụ thuộc vào diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt thì sẽ lớn hơn trong quá trình
giãn nở và nhỏ hơn trong quá trình co lại. Do đó, sự phát triển của lỗ hổng trong
quá trình giãn nở sẽ lớn hơn trong quá trình co lại. Sau nhiều chu kì siêu âm, lỗ
hổng sẽ phát triển. Lỗ hổng có thể phát triển đến một kích thƣớc tới hạn mà tại

23


Chƣơng 1: Tổng quan

Trƣơng Thành Trung

kích thƣớc đó lỗ hổng có thể hấp thụ hiệu quả năng lƣợng của sóng siêu âm.
Kích thƣớc này gọi là kích thƣớc cộng hƣởng, nó phụ thuộc vào tần số của sóng
âm. Ví dụ, với tần số 20 kHz, kích thƣớc này khoảng 170 mm. Lúc này, lỗ hổng

có thể phát triển rất nhanh trong một chu kì duy nhất của sóng siêu âm. Một khi
lỗ hổng đã phát triển quá mức, ngay cả trong trƣờng hợp cƣờng độ siêu âm thấp
hay cao, nó sẽ không thể hấp thụ năng lƣợng siêu âm một cách có hiệu quả đƣợc
nữa. Và khi không có năng lƣợng tiếp ứng, lỗ hổng không thể tồn tại lâu đƣợc.
Chất lỏng ở xung quanh sẽ đổ vào và lỗ hổng bị suy sụp. Sự suy sụp của lỗ hổng
tạo ra các điểm nóng (hot spot). Điểm nóng này có nhiệt độ khoảng 5000ºC, áp
suất khoảng 1000 at, thời gian sống nhỏ hơn 1 ms và tốc độ tăng giảm nhiệt trên
1010 (mƣời tỉ) K/s.
Đây là điều kiện để bẻ gãy các liên kết giữa các ion kim loại và gốc hữu
cơ nhƣ: OAc; ACAC; Oet.

24


Chƣơng 2: Thực nghiệm

Trƣơng Thành Trung

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
Trong khuôn khổ luận văn này vật liệu FePd đƣợc chế tạo bằng phƣơng
pháp hóa siêu âm. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu đƣợc nghiên cứu bằng các
thiết bị: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmission electron
microscopy), từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer), hệ đo các
tính chất vật lý PPMS (Physical Property Measurement System), nhiễu xạ kế tia
X (X-Ray diffractometer)…

2.1 Chế tạo mẫu
Các hạt nano kim loại FePd đƣợc chế tạo với các tỷ lệ thành phần khác
nhau từ hai muối acetate sắt (II) acetate (Fe(C2H3O2)2) và palladium (II) acetate
(Pd(C2H3O2)2) theo phƣơng pháp hóa siêu âm trong môi trƣờng khí (Ar+5%H2 ).

Hình 2.1.Quy trình chế tạo hạt nano FePd.
Fe(C2H3O2)2

Pd(C2H3O2)2

Hỗn hợp dung dịch 2
muối acetate
Siêu âm công suất 375W trong
90 phút + thổi khí (Ar + 5% H2)
Dung dịch FePd
mầu đen sậm
Mẫu đƣợc sấy khô tại 75oC
Ủ tại các nhiệt độ
khác nhau

25