Nghiên cứu và chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng viba trên cơ sở các hạt nano fe
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.54 MB, 57 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------
TẠ NGỌC BÁCH
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG
VI BA TRÊN CƠ SỞ CÁC HẠT NANO Fe
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội, 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------
TẠ NGỌC BÁCH
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU HẤP THỤ
SÓNG VI BA TRÊN CƠ SỞ CÁC HẠT NANO Fe
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. ĐÀO NGUYÊN HOÀI NAM
TS. TRẦN ĐĂNG THÀNH
Hà Nội, 2017
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất
tớiTS.Đào Nguyên Hoài Namvà TS. Trần Đăng Thành là những người thầy đã
trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp em
trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn tới NCS.Chu Thị Anh Xn người đã ln tận tình
chỉ bảo, hướng dẫn cho em những kiến thức lý thuyết và thực nghiệm quý giá, luôn
giúp đỡ, động viên để em hoàn thành tốt luận văn này.
Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý Kỹ thuật và
Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là
các Thầy cô trong Bộ môn Vật liệu và Linh kiện Nano là những người đã trực tiếp
dạy dỗ, trang bị cho em những kiến thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho
em trong suốt thời gian qua.
Em xin được gửi lời cảm ơntới PGS.TS. Đỗ Hùng Mạnh là người đứng đầu
phòng Vật lývật liệu từ và siêu dẫn,TS.Ngô Thị Hồng Lê là những người luôn quan
tâm, động viên giúp đỡ em thực hiện đề tài này.
Hơn nữa, Em xin được gửi lời cảm ơn đối với PGS. Lê Văn Hồng, PGS.TS. Vũ
Đình Lãm, TS. Phạm Hoài Linh, Ths.Đỗ Khánh Tùng đã hỗ trợ và khuyến khích em
trong q trình nghiên cứu.
Và đặc biệt, tơi muốn gửi lời cảm ơn đến những người bạn của tôi: Phạm
Trường Thọ và Đoàn Mạnh Quang, Phạm Thị Thanh, Nguyễn Hải Yến, Phạm Hồng
Nam, Lê Thị Hồng Phong,là những người bạn ln sẵn sàng giúp đỡ tơi trong q
trình nghiên cứu, để tơi có thể hồn thành được luận văn thạc sỹ, xin cảm ơn tất cả
các bạn.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình, bạn
bè và đồng nghiệp của tôi nguồn động viên hết sức quan trọng nhất là về mặt tinh thần
cũng như vật chất để tơi có đủ điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học.
Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự tài trợ của Quỹ Phát triển khoa học và
công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong các đề tài có mã số là 103.02-2012.58 và
103.02-2015.06
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Học viên
Tạ Ngọc Bách
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới
sự hƣớng dẫn của TS.Đào Nguyên Hoài Nam và TS. Trần Đăng
Thành.Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc
ai cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn
Tạ Ngọc Bách
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Bảng kí hiệu các chữ viết tắt
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƢỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ
SÓNG VIBA .......................................................................................................................4
1.1. Hấp thụ sóng viba trong các chất dẫn điện ..............................................................4
1.2. Hấp thụ sóng viba trong các chất điện mơi ..............................................................4
1.2.1. Phân cực điện tử và nguyên tử ............................................................................6
1.2.2. Phân cực lưỡng cực .............................................................................................7
1.2.3. Ion dẫn .................................................................................................................7
1.3. Hấp thụ sóng viba trong các chất ferite và sắt từ ....................................................8
1.3.1. Tổn hao từ trễ ......................................................................................................9
1.3.2. Tổn hao do hiện tượng cộng hưởng sắt từ ..........................................................9
1.3.3. Tổn hao hồi phục ...............................................................................................10
Chƣơng 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ..................Error! Bookmark not defined.1
2.1. Quy trình chế tạo các hạt nano Fe .............................Error! Bookmark not defined.1
2.2. Các phƣơng pháp đặc trƣng và đo đạc ...................................................................13
2.2.1. Nhiễu xạ tia X ....................................................................................................13
2.2.2.Hiển vi điện tử quét. ...........................................................................................14
2.2.3. Phổ tán sắc năng lượng (EDX) .........................................................................16
2.2.4. Từ kế mẫu rung ..................................................................................................17
2.2.5. Phép đo phản xạ và truyền qua của sóng vi ba .................................................18
2.2.5.1. Quy trình chuẩn bị mẫu cho phép đo phản xạ và truyền qua ......................18
2.2.5.2.Phƣơng pháp đo phản xạ, truyền qua sóng vi ba trong khơng gian tự
do ..............................................................................................................................20
Chƣơng 3. CHẾ TẠO, CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ
SĨNG VIBA CỦA CÁC HẠT NANO FE ........................................................................24
3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian nghiền lên tính chất từ và cấu trúc các
hạt nano Fe........................................................................................................................24
3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên cấu trúc các hạt nano Fe ........................24
3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của các hạt nano Fe ............26
3.2. Các tính chất hấp thụ sóng vi ba của các hạt nano Fe với thời gian nghiền
tối ƣu ..................................................................................................................................30
3.2.1. Ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ lên tính chất hấp thụ sóng viba.................30
3.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng giữa bột hấp thụ và chất mang lên tính
chất hấp thụ sóng viba.................................................................................................36
KẾT LUẬN .......................................................................................................................40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.Thông số cấu trúc của các mẫu bột Fe đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp
nghiền cơ năng lƣợng cao............................................................................25
Bảng 2. Kết quả khảo sát tính chất từ của các mẫu Fe theo thời gian nghiền khác
nhau………..………………………………………………………………27
Bảng 3. Kết quả khảo sát phần trăm nguyên tố từ của mẫu Fe10h đƣợc giữ ở các
thời gian khác nhau trong mơi trƣờng khơng khí….………………..…….39
Bảng 4. Các tham số đặc trƣng của các tấm vật liệu Fe/nến với các độ dày khác
nhau…………………………..……………………………………………33
Bảng 5: Giá tri fp tính tốn và quan sát đƣợc của các mẫu có tỷ lệ khối lƣợng khác
nhau…………...…………………………………………………………...37
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hằng số điện mơi phụ thuộc vào tần số ………………………………….5
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số của vật liệu sắt từ………………6
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số của vật liệu sắt từ………………8
Hình 2.1. Sơ đồ máy nghiền hành tinh………………………………………..……11
Hình 2.2. Quy trình chế tạo hạt nano Fe……………….………………………..…12
Hình 2.3. Nhiễu xạ kế tia X D5000 tại VKHVL……………………………….…..14
Hình 2.4.Tồn cảnh hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng Hitachi S4800…………….………………………….………………………………..15
Hình 2.5. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX)………….…………...…………….16
Hình 2.6. Hình ảnh minh họa một tấm vật liệu kích thƣớc 10cm x 10cm x
0,3cm..............................................................................................................16
Hình 2.7. Mơ hình sóng tới trên một vật liệu hấp thụ điển hình...............................19
Hình 2.8. Sơ đồ lắp mẫu trong phép đo truyền qua và phản xạ……………………21
Hình 2.9. Mơ hình tấm vật liệu đƣợc đặt trong đƣờng đồng trục (a) và đƣờng đi của
tín hiệu(b)..………………………………………………………………….21
Hình 3.1.Giản đồ XRD của các mẫu sau khi đƣợc nghiền với thời gian nghiền khác
nhau. …………….………………………………………………………….24
Hinh 3.2: Ảnh hiển vi điện tử quét của 2 mẫu đặc trƣng Fe10h (a) và
Fe20h(b)……….………….………………………….…………………….26
Hình 3.3.Sự phụ thuộc của từ độ bão hịa MStheo thời gian nghiền cho các
mẫu……..………….………………………….………………………….…27
Hình 3.4.Kết quả khảo sát tính chất từ của mẫu Fe10h theo thời gian bảo
quản….………………………………………………………………….......28
Hình 3.5: Phổ EDX của các mẫu Fe0h (a), Fe10h (b) và Fe30h (c)……..………...29
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các mẫu khi không có đế Al với các
độ dày d khác nhau……………………..…………………………………...31
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Z0| vào tần số của các tấm vật liệu Fe/paraffin
với độ dày khác nhau: (a) d = 1,5 mm; (b) d = 2 mm; (c) d = 3 mm và (d) d
=
3,5
mm…………………………………………………………….….……..32
Hình 3.8:Sự phụ thuộc của |S11| vào tần số của các tấm vật liệu Fe/paraffin với độ
dày khác nhau với các mẫu đƣợc gắn đế Al phản xạ toàn phần phía
sau…………………………………………………………………..………34
Hình 3.9:Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu Fe/paraffin với độ
dày khác nhau với các mẫu đƣợc gắn đế Al phản xạ toàn phần phía
sau…………………………………………………………………….…….35
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các mẫu khi khơng có đế Al với tỉ lệ
khối lƣợng bột/paraffin khác nhau…………………….…………………...36
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Z0| vào tần số của các tấm vật liệu
Fe/paraffin với tỷ lệ khối lƣợng khác nhau: (a) r = 3/1; (b) r = 4/1; (c) r =
4,5/1
và
(d)
r
=
5/1……….……………………………………………………………….….37
Hình 3. 12. Sự phụ thuộc của |S11| vào tần số của các tấm vật liệu Fe/paraffin có tỷ
lệ khối lƣợng
khác nhau đƣợc gắn đế Al phản xạ tồn phần phía
sau……….………….………………………….……………………….......38
Hình 3.13.Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu Fe/paraffin với tỷ lệ
khối lƣợng khác nhau đƣợc gắn đế Al phản xạ tồn phần phía
sau………………….………….………………………….………………...39
BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MAM
Vật liệu hấp thụ sóng vi ba(Microwave Absorbing Material)
RAM
Vật liệu hấp thụ sóng radar(Radar Absorbing Material)
RL
Độ tổn hao phản xạ(Reflection Loss)
SEM
Ảnh hiển vi điện tử quét
VSM
Phƣơng pháptừ kế mẫu rung
XRD
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X
EDX
Phổ tán sắc năng lƣợng tia X
MS
Từ độ bão hòa
Mở đầu
Ngày nay, việc sử dụng các thiết bịđiện tửvới mật độngày càng cao trên các
phƣơng tiện quân sự, viễn thông đặc biệt là các tổ hợp thiết bị điện tử di động (nhƣ
các hệ thống thông tin liên lạc cho vệ tinh, máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, các hệ
thống định vị, phát hiện và theo dõi mục tiêu bằng sóng radio) dẫn đến việc xửlý
chống nhiễu điện từ [8,22] đang là một vấn đề rất đƣợc quan tâm.Một trong những
giải pháp hiệu quả cho vấn đề này là sử dụng các vật hiệu hấp thụ sóng điện từ, đặc
biệt trong vùng sóng vi ba (Microwave Absorbing Material - MAM) nhằm che chắn
cho các thiết bị cần đƣợc chống nhiễu. Các vật liệu MAM trong vùng sóng radar
(Radar Absorbing Material – RAM) còn là một yếu tố thiết yếu cho cơng nghệ vũ
khí tàng hình radar trong qn sự [10,15].
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng vật liệu sắt từ là vật liệu có khả năng
hấp thụ mạnh sóng điện từ. Một chất sắt từ (hay ferite từ) có khả năng hấp thụ và
chuyển hóa sóng điện từ thành năng lƣợng nhiệt theo nhiều cơ chế khác nhau. Tùy
thuộc vào bản chất của vật liệu và vùng tần số của sóng điện từ mà cơ chế hấp thụ
nào sẽ trở nên trội hơn. Các hạt nano từ hấp thụ sóng điện từ và giải phóng nhiệt
năng theo các cơ chế cơ bản nhƣ tổn hao từ trễ, tổn hao do hiện tƣợng cộng hƣởng
sắt từ, và tổn hao hồi phục.
Nghiên cứu trên các vật liệu MAM, RAM trên thế giới đã có những thành
tựu rất to lớn trong thời gian gần đây, một số vật liệu có khả năng hấp thụ gần nhƣ
tuyệt đối sóng điện từ tại các tần số cộng hƣởng. Hệ số tổn hao phản xạ RL
(reflection loss) có thể đạt tới -60dB hoặc thấp hơn [16,25,36].Các chất nhồi dạng
hạt nano Fe thƣờng cho giá trị RL đỉnh hấp thụ vƣợt trội, điển hình nhƣ hỗn hợp các
hạt -Fe/SmO trong epoxy đạt RL = -53 dB [29], hạt Fe bọc ZnO/nến (-57,1 dB
[35] và -60,7 dB [36]), hay hỗn hợp carbonyl Fe với BaTiO3 trong epoxy (-64 dB)
[25]. Các hạt nano hợp kim sắt từ nền Fe cũng là những vật liệu có khả năng hấp
thụ mạnh sóng viba. Một vài thí dụ nhƣ hợp kim (Fe, Ni) bọc C trong paraffin cho
RL = -47,9 dB [37], hạt micro Y2Fe17/paraffin (-59 dB) [34], nano hợp kim Fex(Co,
Ni)1-x/nến (-59 dB) [27]. Có thể nhận thấy rằng hầu hết các vật liệu MAM/RAM có
1
khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ đều đƣợc chế tạo trên cơ sở nền sắt từ hoặc
ferite từ.
Ở Việt Nam, gần đâycác nhà khoa học thuộc Viện Hóa học-Vật liệu (Viện
Khoa học và Công nghệ quân sự) vừa nghiên cứu chế tạo thành cơng loại sơn hấp
thụ sóng radar có ký hiệu PD/RAP-MEH đƣợc tổng hợp trên cơ sở composite của
polypyrol và ferite bari. Nhóm của chúng tơi tại Viện Khoa học Vật liệu (Viện
Khoa học và Công nghệ Việt nam) cũng đã nghiên cứu, chế tạothành công một số
vật liệu hấp thụ sóng viba dựa trên nền Fe, các cơng trình đƣợc đăng trên các tạp
chíquốc tế và trong nƣớc[6,24].
Nhƣ chúng ta đã biết Fe kim loại là một chất sắt từ có sẵn nhiều trong tự
nhiên, giá thành thấp và dễ gia công, chế tạo. Các hạt carbonyl Fe đã cho thấy khả
năng hấp thụ mạnh sóng vi ba của vật liệu này [25,36]. Vì các lý do trên, nên tôi
chọn đề tài “Nghiên cứu và chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng vi batrên cơ sở các
hạt nano Fe” với mong muốn bƣớc đầu tìm hiểu về khả năng chế tạo và ứng dụng
của vật liệu này trong thực tế.
Mục đích của luận văn:
Mục đích của luận văn là chế tạo các hạt nano Fe từ đó tiến hành khảo sát
các tính chất cơ bản và tính chất hấp thụ sóng điện từ của vật liệu, trong dải tần số
4-18 GHz.
Tìm ra quy trình trải các tấm hấp thụ đồng nhất,khống chế tần số cộng
hƣởng, mở rộng vùng hấp thụ, và tăng cƣờng khả năng hấp thụ của vật liệu thông
qua các tham số cơ bản nhƣ , (hoặc Ms), trở kháng Z (nồng độ hạt nano, độ dày
lớp hấp thụ), và các điều kiện công nghệ chế tạo.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn đƣợc thực hiện chủ yếu bằng các phƣơng pháp thực nghiệm.Để
đánh giá chất lƣợng cũng nhƣ xác định các tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo
đƣợc tác giả đã sử dụng một số phƣơng pháp phân tích nhƣ:phƣơng pháp nhiễu xạ
tia X (XRD), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phƣơng pháptừ kế mẫu rung (VSM)và
2
thiết bị phân tích Vector Network Analyzer (PNA 8326 – Agilent).
Cấu trúc luận văn
Chƣơng 1. Trình bày một cách tổng quan về tƣơng tác của sóng vi ba với
một số vật liệu, các cơ chế hấp thụ của vật liệu đó nhƣ: Cơ chế tổn hao điện mơi,cơ
chế tổn hao từ, tổn hao xốy.
Chƣơng 2.Trình bày kỹ thuật thực nghiệm chế tạo hệ hạt nano Fe và các
phƣơng pháp phân tích tính chất vật liệu nhƣ: Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
(XRD),ảnh hiển vi điện tử quét (SEM),phƣơng pháp từ kế mẫu rung (VSM), phép
đo phản xạ, truyền qua và hấp thụ sóng vi ba.
Chƣơng 3. Trình bày kết quả thực nghiệm: Kết quả phân tích giản đồ nhiễu
xạ tia X và chụp ảnh bề mặt SEM, phổ tán xạ năng lƣợng EDX, kết quả khảo sát
tính chất từ của các hạt nano chế tạo, nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng vi ba của
hạt nano tổng hợp Fe
3
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƢỢNG VÀ VẬT LIỆU
HẤP THỤ SĨNG VIBA
1.1. Hấp thụ sóng viba trong các chất dẫn điện
Tổn hao xốy xảy ra khi có sóng điện từ lan truyền trong một vật dẫn. Công
suất tổn hao trong trƣờng hợp tổng quát có thể đƣợc viết.
P 2 Bp 2 d 2 f 2 / 6k D
(1.1)
Trong đó,Bp là cƣờng độ vector từ trƣờng của sóng điện từ, d là kích thƣớc, k
là tham số điều chỉnh hình dạng, là điện trở suất, và D là khối lƣợng riêng của vật
liệu. Tổn hao này rất đáng kể trong những mẫu có độ dẫn điện cao và kích thƣớc
lớn. Với hệ các hạt nano rời rạc, tổn hao xoáy tổng cộng thƣờng bé, nhƣng mật độ
(hay công suất) tổn hao lại lớn hơn so với vật liệu khối, và sẽ chỉ gây phản xạ yếu
khi kích thƣớc các hạt rất bé hơn bƣớc sóng của sóng tới và bé hơn độ thấm sâu
vào vật dẫn.
Các vật liệu MAM/RAM trên cơ sở tổn hao xốy thƣờng bao gồm các hạt
kim loại hoặc carbon có độ dẫn điện cao (gọi là chất “nhồi” – filler) đƣợc trộn đều
trong một chất mang nhƣ polymer, silicon, paraffin, cao su, sợi vải, … Với kích
thƣớc các hạt bé (bé hơn độ thấm sâu vào vật dẫn), các hạt này hấp thụ hiệu quả
sóng điện từ, nhƣng lại có hệ số phản xạ thấp. Ngồi việc làm cho sóng điện từ phản
xạ qua lại nhiều lần giữa các hạt dẫn điện bên trong lớp MAM/RAM góp phần tăng
cƣờng khả năng hấp thụ do tổn hao tán xạ, các hạt nano kim loại hình thành nên vơ
số các vi tụ điện trong lịng vật liệu và vì thế nâng cao hằng số điện môi (đây thực
chất là một chất điện môi nhân tạo). Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu có
hằng số điện mơi lớn cũng có khả năng hấp thụ mạnh sóng viba [7, 25].
1.2. Hấp thụ sóng viba trong các chất điện mơi
4
Nhƣ chúng ta đã biết vật liệu điện môi đƣợc xác định là loại vật liệu cách
điện và dễ bị phân cực khi đặt trong điện trƣờng [13]; đây chính là nguồn gốc tổn
hao điện từ trong vật liệu điện mơi.
Hình 1.2. Hằng số điện mơi phụ thuộc vào tần số[17].
Hình 1.1 chỉ ra rằng, hằng số điện mơi là một đại lƣợng biến đổi theo tần số.
Hằng số điện môi () đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa mật độ thông lƣợng điện (D) và
cƣờng độ điện trƣờng (E): Hằng số điện môiđặc trƣng cho khả năng phân cực của
vật liệu theo cƣờng độ điện trƣờng.
𝐷 = 𝜀𝐸
(1.2)
Hằng số điện môi tƣơng đối (r) (thông thƣờng đối với không gian tự do là
0= 8,85x10-12 F/m) đƣợc định nghĩa:
𝜀𝑟 = 𝜀/𝜀0
(1.3)
Các ion dẫn, sự hồi phục lƣỡng cực, phân cực nguyên tử, phân cực điện tử là
những cơ chế chính đóng góp vào hằng số điện mơi của vật liệu. Một trong những
thông số quan trọng của một chất điện môi là thời gian hồi phục 𝜏 của các lƣỡng
cực điện.Hiện tƣợng cộng hƣởng sẽ xảy ra khi tần số của điện trƣờng ngoài trùng
với tần số hồi phục của lƣỡng cực.Đối với chất điện môi đồng nhất, thời gian hồi
5
phục bao gồm thời gian định hƣớng của lƣỡng cực điện và đảo hƣớng lƣỡng cực
điện khi thay đổi hƣớng của điện trƣờng ngồi [11].
Trong hằng số điện mơi phức thì phần thựccủanó (𝜀𝑟′ ) đặc trƣng cho khả năng
lƣu trữ năng lƣợng,phần ảo(r”)đặc trƣng cho công suất tổn hao.Tổn hao điện môi
(tan) đƣợc xác định bằng tỉ số 𝜀 ′′ /𝜀′, cho biết công suất tổnhao của năng lƣợng lƣu
trữ.
Trong vùng tần số thấp ' đƣợc chi phối bởi ảnh hƣởng của ion dẫn. Sự biến
đổi của hằng số điện mơi trong vùng vi sóng đƣợc gây ra chính bởi sự hồi phục
lƣỡng cực, và những đỉnh hấp thụ trong vùng hồng ngoại và vùng có tần số lớn hơn
là do sự phân cực nguyên tử và điện tử gây ra.
1.2.1. Phân cực điện tử và nguyên tử
Phân cực điện tử xảy ra trong các nguyên tử trung hòa, khi một điện trƣờng
tác động lên hạt nhân với các điện tử xung quanh, mật độ điện tử có sự thay đổi
tƣơng đối so vớihạt nhân, từ đó hình thành mộtlƣỡng cực điện. Với các nguyên tử
có nhiều điện tử thì phân cực mạnh hơn.
Phân cực nguyên tử xảy ra khi những ion dƣơng và ion âm liền kề bị kéo ra
dƣới tác dụng của điện trƣờng, sự kéo nàygây ra sự thay đổi vị trí tƣơng đối củacác
nguyên tử, từ đó hình thành một lƣỡng cực. Thực ra sự phân cực điện tử và nguyên
tử cơ bản là giống nhau,chúngdiễn ra vô cùng nhanh nên chỉ xuất hiện trong vùng
điện từ trƣờng có tần số caovàkhơng thay đổi so với vùng sóng vi ba và đó làlý do
tại saonó íthoạt độngở vùng tần sốvi ba [20].
6
Hình 1.2. Trạng thái điện mơi do phân cực điện tử hoặc nguyên tử.
Hình 1.2 cho thấy sự biến đổi của hằng số điện môi trong vùng lân cận của
tần số cộng hƣởng 0 . Trong hình, A là sự đóng góp của cộng hƣởng ở tần số cao
'
cho r và 2B/ 0 là sự đóng góp của cộng hƣởng ở tần số thấp hơn. Đối với nhiều vật
liệu rắn, đây là cơ chế phân cực chủ yếu để xác định hằng số điện mơi ở tần số vi
sóng, mặc dù cộng hƣởng thực sự xảy ra ở tần số cao hơn. Nếu chỉ có hai sự phân
cực này tồn tại thì phần lớn các vật liệu khơng bị tổn hao ở vùng tần số vi sóng.
1.2.2. Phân cực lƣỡng cực
Phân cực lƣỡng cực là sự tổn hao điện mơi chính ở tần số vi sóng [18]. Phân
cực này xảy ra trong các vật liệu mà phân tử có lƣỡng cực tự phát, do sự phân chia
không đều của các điện tử của các nguyên tử trong phân tử ngay cả khi khơng có
điện trƣờng tác dụng vào. Khi tác dụng một điện trƣờng bên ngồi vào, các mơmen
lƣỡng cực xoay theo chiều của điện trƣờng. Tuy nhiên, sự quay này khơng phải tự
do mà nó phải chống lại một lực ma sát do tính dị hƣớng của các lƣỡng cực, các
tƣơng tác tĩnh điện và sự ma sát cơ học giữa các phân tử. Ở tần số thấp, lƣỡng cực
có thể quay theo sự thay đổi của điện trƣờng, bởi vậy năng lƣợng bị mất là do qua
ma sát phân tử. Tổng nhiệt năng sinh ra từ quá trình này liên quan trực tiếp đến khả
năng của các phân tử tự sắp xếp với tần số của điện trƣờng tác dụng vào[12]. Trong
khi ở tần số cao hơn, lƣỡng cực khơng thể quaykịp theo trƣờng ngồi, q trình định
hƣớng lại quá chậm không đủ năng lƣợng để chống lại năng lƣợng ma sát, do đó
q trình tổn hao tỏa nhiệt yếu dần.
1.2.3. Ion dẫn
Nhƣ đã thảo luận trƣớc đó, tổn hao điện mơi của vật liệu có thể đƣợc diễn tả
nhƣ một hàm của cả tổn hao điện (
"
𝜀 " = 𝜀𝑟𝑑
+
𝜎
𝜔 𝜀0
"
rd
) và độ dẫn (σ):
(1.4)
Toàn bộ tính dẫn của vật liệu có thể bao gồm nhiều thành phần do có nhiều
cơ chế dẫn khác nhau, và ion dẫn thƣờng là phổ biến nhất trong các vật liệu có chứa
7
nƣớc. Ở tần số thấp, ''r đƣợc khống chế bởi ảnh hƣởng của các điện tử dẫn sinh ra
bởi các ion tự do trong một dung mơi nào đó; sự ảnh hƣởng này đƣợc thể hiện theo
công thức trên, theo đó đóng góp vào hằng số điện mơi từ các ion dẫn tỷ lệ nghịch
với tần số.
1.3. Hấp thụ sóng viba trong các chất ferite và sắt từ
Sóng điện từ bao gồm hai thành phần điện trƣờng và từ trƣờng. Thành phần
điện trƣờng của sóng điện từ tƣơng tác với các điện tích và moment lƣỡng cực,
trong khi thành phần từ trƣờng lại tƣơng tác với mơmen từ tính. Nếu nhƣ sự tƣơng
tác của vật liệu với điện trƣờng đƣợc đặc trƣng bởi độ điện thẩmε, thì tƣơng tác của
vật liệu với từ trƣờng ngoài đƣợc đặc trƣng bởi độ từ thẩm μ. Cảm ứng từ B của
một vật liệu dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài (H) đƣợc thể hiện bởi biểu thức sau:
𝑩 = 𝜇𝑯
(1.5)
Trong đó,𝜇 là độ từ thẩm của vật liệu. Độ từ thẩm tƣơng đối (𝜇𝑟 ) (với không
gian tự do là 𝜇0 = 4𝜋 × 10−7 𝐻/𝑚).
𝜇𝑟 = 𝜇/𝜇0
(1.6)
Độ từ thẩm phụ thuộc tần số và cũng là một đại lƣợng phức giống nhƣ độ
điện thẩm và đƣợc biểu diễn dƣới dạng:
𝜇 = 𝜇′ − 𝑗𝜇′′ = 𝜇0 (𝜇𝑟′ − 𝑗𝜇𝑟′′ )
(1.7)
Trong đó 𝜇′ là phần thực của độ từ thẩm, đặc trƣng cho khả năng lƣu trữ năng
lƣợng từ hóa, cịn 𝜇′′ là phẩn ảo thể hiện cơng suất tổn hao [32].Hình 1.3 cho thấy sự
phụ thuộc tiêu biểu của phần thực và phần ảo của độ từ thẩm của một vật liệu sắt từ
vào tần số vi sóng.
8
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số của vật liệu sắt từ.
Từ hình vẽ ta thấy, tại các vùng tần số khác nhau, sự biến đổi của , là
'
''
khác nhau. Trong vùng tần số thấp (f < 104 Hz), độ từ thẩm hầu nhƣ là không thay
đổi theo tần số. Ở vùng tần số trung bình (104 Hz
108 Hz), giảm mạnh còn tăng nhanh. Trong vùng tần số siêu cao (108Hz
'
''
1010 Hz) cộng hƣởng sắt từ có thể xảy ra. Trong vùng tần số f > 1010 Hz sự biến đổi
tính chất từ vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ. Hiện tƣợng cộng hƣởng sắt từ trong
vùng GHz có thể đƣợc sử dụng nhƣ một hiệu ứng hấp thụ trong công nghệ che chắn
và chống nhiễu điện từ (EMI)[19, 33]. Trong thực tế, khi có một sóng điện từ tác
dụng vào một chất sắt từ (hay ferrite từ) thì một phần năng lƣợng sóng điện từ này
sẽ bị hấp thụ và chuyển hóa thành năng lƣợng nhiệt theo nhiều cơ chế khác nhau.
Tổn hao bao gồm tổn hao từ trễ, tổn hao cộng hƣởng sắt từ, và tổn hao hồi phục từ.
Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu và vùng tần số của sóng điện từ mà cơ chế hấp
thụ nào sẽ thể hiện trội hơn.
1.3.1 Tổn hao từ trễ
Trong các vật liệu sắt từ, tổn hao năng lƣợng trễ là năng lƣợng tiêu tốn cần
thiết cho một chu trình từ trễ. Nguyên nhân cơ bản gây ra tổn hao từ trễ này là do sự
tƣơng tác của các mômen từ đã ngăn cản chúng bị quay theo từ trƣờng ngồi.
Cơng suất tổn hao từ trễ đƣợc ƣớc tính theo diện tích đƣờng cong từ trễ
=
𝐵𝑑𝐻. Khi đƣợc đặt trong một sóng điện từ xoay chiều có tần số kích thích f,
cơng suất tổn hao sẽ là = 𝑓 × 𝐵𝑑𝐻. Đối với các hệ hạt nano có trạng thái siêu
9
thuận từ khi đƣợc đặt trong từ trƣờng thấp (H <
1.3.2 Tổn hao do hiện tƣợng cộng hƣởng sắt từ
Cộng hƣởng sắt từ (hay còn gọi là cộng hƣởng tự nhiên) xảy ra khi tần số
sóng kích thích bằng tần số của mơmen spin dao động quanh trục dị hƣớng, với tần
số cộng hƣởng là một hàm tỷ lệ thuận với trƣờng dị hƣớng HA:
𝑓𝐹𝑀𝑅 =
1
2𝜋
g
𝑒𝜇 0
2𝑚
𝐻𝐴
(1.8)
Trong đó g 2 là hệ số hồi chuyển từ cơ, e và m là điện tích và khối lƣợng
của điện tử. Trở ngại đáng kể nhất của cơ chế này là điều kiện giới hạn Snoek:
f FMR
M S
e
(với g 0 ), theo đó tại một tần số cộng hƣởng fFMRcố định, độ
3
2m
lớn của độ thẩm từ (một tham số quyết định mức độ tổn hao) bị hạn chế bởi giá trị
từ độ bão hòa Ms. Do cộng hƣởng sắt từ cũng nằm trong vùng sóng vi ba, hầu hết
các nghiên cứu đều cho rằng đây là cơ chế hấp thụ chính trong các vật liệu
MAM/RAM sắt từ.
1.3.3 Tổn hao hồi phục
Gây ra do sự quay moment từ của hạt nano chống lại năng lƣợng dị hƣớng
KuV (Kulà hằng số dị hƣớng, V là thể tích hạt nano). Theo định luật Neel, thời gian
hồi phục của hệ 𝜏𝑁 = 𝜏0 𝑒𝑥𝑝 𝐾𝑢 𝑉/ 𝑘𝐵 𝑇 . Cơng suất tổn hao có thể đƣợc viết
𝑓, 𝐻 = 𝜇0 𝜋𝜒” 𝑓 𝐻 2 𝑓, trong đó là độ cảm từ xoay chiều ảo đƣợc biểu diễn
𝜒” 𝑓 = 0 / 1 + 𝜙 2 với 𝜙 = 𝑓𝜏𝑁 và 𝜒0 = 𝜇0 𝑀𝑆2 𝑉/ 𝑘𝐵 𝑇 . Trong trƣờng hợp hệ
hạt đƣợc đặt trong chất lỏng, Nsẽ đƣợc thay bằng thời gian hồi phục hiệu dụng
𝜏𝑒𝑓𝑓 = 𝜏𝑁 𝜏𝐵 / 𝜏𝑁 + 𝜏𝐵 do sự có mặt của hồi phục Brown với thời gian hồi phục B.
Do hiện tƣợng cộng hƣởng, hấp thụ sẽ đạt cực đại tại tần số f = 1/τeff. Ở điều kiện
nhiệt độ phòng, Ku thƣờng là nhỏ và với các hệ hạt nano có kích thƣớc bé, chúng ta
có thể có kBT >>KuV. Khi đó τNτ0và sẽ nằm trong vùng ~10-9-10-10s. Đây là điều
kiện lý tƣởng để vật liệu có hấp thụ cộng hƣởng trong vùng tần số GHz nhƣ chúng
ta mong đợi. Ngoài ra, do τNphụ thuộc vào cả các tham số nhƣ Ku, V, hay tƣơng tác
giữa các hạt nano, chúng ta có thể khống chế vùng cộng hƣởng thông các việc điều
chỉnh các tham số vật liệu nhƣ nồng độ và kích thƣớc của các hạt từ. Cơng suất tổn
10
hao cũng có thể đƣợc tăng cƣờng trong các vật liệu có độ từ thẩm ban đầu μi và từ
độ bão hòa Ms cao.
11
Chƣơng 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Quy trình chế tạo các hạt nano Fe
Thông thƣờng các hạt nano đƣợc chế tạo bằng hai cách “từ trên xuống” hoặc
“từ dƣới lên”. Phƣơng pháp “từ dƣới lên” là từ các nguyên tử, các ion, các phân tử
tạo thành các đơn vị cơ sở, các đám nano và các vật liệu khối. Phƣơng pháp “từ
trên xuống” thƣờng bắt đầu với các vật liệu khối thông qua các cách khác nhau
nhƣ: phƣơng pháp khắc, ăn mòn, nghiền cơ năng lƣợng cao…sẽ tạo ra đƣợc các vật
liệu có cấu trúc nano. Các phƣơng pháp hóa học thƣờng đƣợc dùng để tổng hợp vật
liệu nano oxit nhƣ: đồng kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt, polyon…Với quy mô phịng
thí nghiệm hiện tại, các phƣơng pháp này chỉ cho phép chế tạo mẫu với số lƣợng
nhỏ. Trong khi các phép đo phản xạ, truyền qua và hấp thụ sóng vi ba luôn cần một
số lƣợng rất lớn các vật liệu (vài chục cho tới hàng trăm gam), việc sử dụng
phƣơng pháp hóa là rất khó khăn và gần nhƣ khơng khả thi. Vì vậy, chúng tơi sử
dụng phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao sử dụng máy nghiền hành tinh.
Hình 2.2. Sơ đồ máy nghiền hành tinh.
Tuy phƣơng pháp nghiền có một vài hạn chế nhƣ sản phẩm dễ nhiễm tạp, sai
hỏng bề mặt caonhƣng phƣơng pháp này đơn giản, dễ thực hiện, có tính lặp lại cao
phù hợp cho việc sản xuất một lƣợng lớn các hạt nano có chất lƣợng phục vụ cho
mục đích nghiên cứu khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba của vật liệu.
12
Hình 2.1 trình bày sơ đồ của một máy nghiền hành tinh năng lƣợng cao,
đƣợc chế tạo bởi hãng Fritsch GmbH (CHLB Đức).Tùy thuộc vào loại vật liệu đƣợc
nghiền, kích thƣớc hạt có thể đạt xuống đến cỡ hàng chục nano mét. Q trình
nghiền có thể đƣợc xem nhƣ q trình động học cao, trong đó va chạm của mơi
trƣờng nghiền là sự kiện chính góp phần chuyển năng lƣợng động từ cơng cụ
nghiền vào bột cần nghiền. Phƣơng trình cơ bản mô tả mối liên hệ giữa động năng
(Ekin), khối lƣợng mb và vận tốc vbcủa bi là:
Ekin 1 2mb vb2 (2.1)
Từ phƣơng trình trên có thể thấy vận tốc của mơi trƣờng nghiền là thơng số
đóng góp quan trọng trong phƣơng pháp nghiền. Ngồi ra, q trình nghiền cịn
phụ thuộc vào nhiều thơng số khác nhƣ:
Loại vật liệu làm bình, bi nghiền
Mơi trƣờng nghiền
Nhiệt độ nghiền
Các chất hoạt động bề mặt
Thời gian nghiền
Kích thƣớc bình nghiền, loại và kích thƣớc bi
Tỉ lệ trọng lƣợng bi : bột
Tất cả các mẫu dùng trong luận văn đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nghiền
cơ năng lƣợng cao, sử dụng thiết bị nghiền hành tinh 1 cối FRITSCH P6 (Hình
2.1). Quy trình chế tạo vật liệu nano Fe bao gồm các bƣớc đƣợc mô tả nhƣ sơ đồ
(hình 2.2).
Xử lý và kiểm
tra hóa chất
ban đầu
Cân khối lƣợng mẫu
theo tỷ lệ bi bột
Nghiền
Sản phẩm
Hình 2.2. Quy trình chế tạo hạt nano Fe
Vật liệu ban đầu đƣợc sử dụng là Fe dạng bột, có kích thƣớc <150 mvới độ
sạch đạt trên 98%. Bột Fe đƣợc cân theo tỉ lệ bi : bột là 3 : 1, sau đó đƣợc nạp vào
bình cùng với bi và nghiền ở các thời gian khác nhau. Môi trƣờng nghiền là
13
khơngkhí, nhiệt độ tổng hợp mẫu là nhiệt độ phịng. Trong q trình nghiền, bình
nghiền đƣợc thay đổi vị trí để tránh sự kết đám của bột.
2.2. Các phƣơng pháp đặc trƣng và đo đạc
2.2.1. Nhiễu xạ tia X
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) đƣợc sử dụng rộng rãi để xác định cấu
trúc, kích thƣớc tinh thể, phân bố kích thƣớc và ứng suất của các hạt nano. Các mẫu
hạt nano đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp nghiền cơ thƣờng có xu hƣớng tụ đám
thành hạt có kích thƣớc lớn đặc biệt là các mẫu có từ tính cao nhƣ mẫu Fe trong
luận văn nghiên cứu, trong mỗi hạt nhỏ có thể chứa một số vùng có cấu trúc tinh
thể và là cơ sở để xác định kích thƣớc hạt tinh thể. Để xác định kích thƣớc hạt tinh
thể và thành phần pha của vật liệu chúng ta dựa vào lý thuyết nhiễu xạ tia X đƣợc
William L. Bragg xây dựng năm 1913, với phƣơng trình Bragg để tìm các cực đại
nhiễu xạ có dạng:
n 2dhkl sin
(2.2)
Với dhkllà khoảng cách giữa các mặt mạng tinh thể, θ là góc tạo bởi tia X và
mặt mạng, λ là bƣớc sóng của tia X và n là bậc phản xạ (n là số nguyên).
Khoảng cách giữa các mặt tinh thể d đƣợc xác định tùy thuộc cấu trúc tinh
thể. Ví dụ đối với vật liệu có cấu trúc lập phƣơng:
1
h2 k 2 l 2
2
d hkl
a2
(2.3)
Từ (2.2) và (2.3) ta xác định đƣợc thông số mạng a:
a
2 sin
h2 k 2 l 2
(2.4)
Kích thƣớc tinh thể và ứng suất mạng trong các hạt bột có thể xác định đƣợc
qua kỹ thuật mở rộng vạch tia X. Các vạch nhiễu xạ tia X mở rộng do: (a) ảnh
hƣởng của thiết bị, (b) kích thƣớc hạt nhỏ và (c) ứng suất mạng trong từng hạt.Nhìn
chung, hầu hết kích thƣớc tinh thể đƣợc xác định bằng cách sử dụng công thức
Scherrer:
14
d
0,9
(2.5)
B cos
Tuy nhiên, phƣơng pháp này cho phép đánh giá kích thƣớc tinh thể nhƣng bỏ
qua ảnh hƣởng sự mở rộng vạch do thiết bị và ứng suất.
Hình 2.3. Nhiễu xạ kế tia X D5000 tại VKHVL.
Tập hợp các cực đại nhiễu xạ Bragg dƣới các góc 2θ khác nhau đƣợc ghi
nhận thông qua một Detector cho ta giản đồ nhiễu xạ tia X. Từ giản đồ nhiễu xạ tia
X chúng ta xác định đƣợc thành phần pha, cấu trúc, kích thƣớc tinh thể… Các mẫu
trong luận văn đã đƣợc phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X Siemens-D5000
tại Viện Khoa học vật liệu (VKHVL) ở nhiệt độ phịng sử dụng bƣớc sóng tia X tới
0
từ bức xạ Cu- Kαlà: λCu = 1,5406 .
2.2.2. Hiển vi điện tử quét
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một loại kính hiển vi có thể tạo ra ảnh với
độ phân giải cao bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét
trên bề mặt mẫu. Độ phân giải của SEM đƣợc xác định từ kích thƣớc chùm điện tử
hội tụ. Ngoài ra độ phân giải còn phụ thuộc vào tƣơng tác giữa vật liệu tại bề mặt
mẫu vật và điện tử. Chúng cho phép đánh giá các đặc trƣng của các vật liệu vô cơ
cũng nhƣ hữu cơ trong khoảng kích thƣớc từ nm tới µm.
Trong kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử sơ cấp có đƣờng kính từ 110nm mang dịng điện từ 10-10-10-12A đƣợc gia tốc bằng điện thế từ 1-30kV giữa
15
