Ảnh hưởng của một số điều kiện chế tạo lên cấu trúc và tính chất của hạt nano từ tính chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------

Vũ Thị Huyền Trang

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO
LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO
TỪ TÍNH CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN
HĨA SIÊU ÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2021


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------

Vũ Thi Huyền Trang

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO
LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO
TỪ TÍNH CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN
HĨA SIÊU ÂM

Chun ngành: Vật lý nhiệt
Mã số:

8440130.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Tuấn Tú

Hà Nội - 2021


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy hướng dẫn luận
văn của tôi là PGS.TS Lê Tuấn Tú. Thầy luôn hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và
tạo mọi điều kiện để giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp
cũng như các thầy cô trong khoa Vật lý đã giảng dạy và giúp đỡ tơi trong suốt
q trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người
đã luôn ở bên tôi, cổ vũ và động viên tơi những lúc khó khăn để tơi có thể
vượt qua và hồn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 27 tháng 01 năm 2021
Học viên cao học

Vũ Thị Huyền Trang


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................. 3
1.1 Giới thiệu..................................................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm chung ....................................................................... 3
1.1.2. Vật liệu từ cấu trúc nano ........................................................... 7

1.1.3. Vật liệu từ mềm ........................................................................ 8
1.1.4. Vật liệu từ cứng....................................................................... 10
1.2. Hạt nano từ tính ........................................................................................ 13
1.2.1. Giới thiệu hạt nano từ tính ...................................................... 13
1.2.2. Phân loại hạt nano từ tính ....................................................... 13
1.2.3. Các hạt đơn đômen và siêu thuận từ ....................................... 15
1.2.4. Ứng dụng của hạt nano từ tính ............................................... 17
1.3. Vật liệu NiFe ............................................................................................ 18
1.4. Vật liệu CoNiP ......................................................................................... 19
1.5. Chất hoạt hóa trong chế tạo hạt nano bằng phương pháp điện hóa siêu âm
......................................................................................................................... 23
CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................................ 25
2.1. Phương pháp điện hóa siêu âm ................................................................ 25
2.1.1. Hệ điện hóa siêu âm ................................................................ 25
2.1.2. Chế tạo hạt nano NiFe và CoNiP bằng phương pháp điện hóa
siêu âm......................................................................................................... 27
2.2. Phương pháp Vol – Ampe vòng (CV) ..................................................... 28
2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) ...................................................................... 30
2.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ........................................................ 32
2.5. Từ kế mẫu rung (VSM) ............................................................................ 33
2.6. Nhiễu xạ tia X (XRD) .............................................................................. 36
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 38


3.1. Ảnh hưởng của xung siêu âm lên chế tạo hạt nano CoNiP ..................... 38
3.1.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ........................................ 38
3.1.2. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) ................................... 38
3.1.3. Kết quả đo tán sắc năng lượng tia X (EDS) ........................... 41
3.1.4 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................ 41
3.1.5 Kết quả đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM) .............. 43

3.2. Ảnh hưởng của thế lắng đọng lên chế tạo hạt nano NiFe ........................ 43
3.2.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ........................................ 43
3.2.2. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) ................................... 46
3.2.3. Kết quả đo tán sắc năng lượng tia X (EDS) ........................... 47
3.2.4. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................... 48
3.2.5. Kết quả đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM) ............. 48
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 526


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Các đường sức của cảm ứng từ B trong chân khơng ........................ 5
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào từ trường H của cuộn dây. ...... 5
Hình 1.3. (a) – Biểu diễn sự hình thành của các mơmen lưỡng cực trong vật
liệu từ hóa. (b) – Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu bị từ
hóa ..................................................................................................................... 6
Hình 1.4. Một số dạng hình học của vật liệu nano. .......................................... 8
Hình 1.5. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số liên
quan. .................................................................................................................. 9
Hình 1.6. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng. .............. 11
Hình 1.7. Ảnh TEM của cụm hạt nano từ tính lõi vỏ silica ........................... 14
Hình 1.8. Hạt nano Co có vỏ graphene .......................................................... 15
Hình 1.10. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào độ pH của dung dịch lắng
đọng. ................................................................................................................ 20
Hình 1.11. Đường cong từ trễ của màng Co-Ni-P được lắng đọng với nồng độ
NaH2PO2 khác nhau ........................................................................................ 21
Hình 1.12. (a) ảnh TEM cắt từng phần với độ phân giải cao; (b) nhiễu xạ điện
tử ...................................................................................................................... 22
Hình 1.13. Sự phụ thuộc của hình thái bề mặt của CoNiP vào nồng độ
NaH2PO2 (a): 0 M; (b): 0,019 M; (c):0,028 M và (d): 0,146 M ..................... 23

Hình 2.1. Sơ đồ mơ tả hệ điện hóa siêu âm ................................................... 26
Hình 2.2. Nguồn cấp sóng siêu âm ................................................................. 26
Hình 2.3. Mơ hình tổng qt thí nghiệm Vol – Ampe ................................... 28
Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn quan hệ dịng – thế trong q trình khử .............. 29
Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn quan hệ dịng – thế trong qt vịng .................... 30
Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét................................................................. 31
Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo từ kế mẫu rung......................................................... 35
Hình 2.8. Sơ đồ cấu tạo XRD ......................................................................... 37


Hình 3.1 Hình ảnh đặc trưng vol-ampe vịng của dung dịch CoNiP .............. 38
Hình 3.2 Ảnh SEM của màng mỏng CoNiP lắng đọng .................................. 39
Hình 3.3 Ảnh SEM của hạt nano CoNiP ........................................................ 39
Hình 3.4 Ảnh SEM của mẫu chế tạo CoNiP ................................................... 40
Hình 3.5 Phổ tán sắc năng lượng EDS của mẫu CoNiP ................................. 41
Hình 3.6 Giản đồ XRD của hạt nano CoNiP .................................................. 42
Hình 3.7 Đường cong từ trễ của hạt nano CoNiP ........................................... 43
Hình 3.8 Đường đặc trưng CV của 0.01 M NiCl2.6H2O ................................ 44
Hình 3.9 Đặc trưng Vol - Ampe của nguyên tố Fe trong 0.01 M FeCl2.4H2O.
......................................................................................................................... 44
Hình 3.10 Đặc trưng Vol - Ampe của dung dịch bao gồm FeCl2 và NiCl2. ... 45
Hình 3.11 Ảnh SEM của hạt NiFe tại thế lắng đọng ở (a) 8 V (b) 5 V (c) 3 V.
......................................................................................................................... 46
Hình 3.12 Phổ EDS của mẫu NiFe được lắng đọng tại thế -1.0V ................. 47
Hình 3.13 Giản đồ XRD của mẫu hạt nano NiFe ........................................... 48
Hình 3.14 Đường cong từ trễ của hạt nano NiFe (a) 85 nm; (b) 320 nm ....... 49
Hình 3.14 Sự phụ thuộc của lực kháng từ theo kích thước hạt NiFe.............. 49
Hình 3.16 (a) Từ độ bão hịa và (b) Từ dư theo kích thước hạt. ..................... 50

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CV

Vol-ample vòng

EDS

Tán sắc năng lượng tia X

XRD

Nhiễu xạ tia X

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

XRD

Nhiễu xạ tia X

VSM

Từ kế mẫu rung


MỞ ĐẦU
Hiện nay, khoa học nano đang là một trong các ngành khoa học phát
triển nhất và thu hút được sự quan tâm đặc biệt của nhiều quốc gia trên thế
giới. Những tính chất lý thú của vật liệu ở kích thước nano đã tạo ra nhiều khả

năng ứng dụng trong các lĩnh vực như vật lý, sinh học, y học… Do các tính
chất phát xạ có thể điều khiển được, các nano bán dẫn đang được nghiên cứu
cho các ứng dụng như đánh dấu sinh học, hiện ảnh tế bào, cho các dụng cụ
quang điện và quang học như các mạch chuyển đổi bằng quang, pin mặt trời,
các diode phát quang, các nguồn laze và các sensor sinh học, sensor khí.
Cơng nghệ nano đang là hướng nghiên cứu thu hút được sự quan tâm
của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công nghiệp trên thế giới bởi
những ứng dụng của nó trong sản xuất các thiết bị công nghiệp, chế tạo các
thiết bị điện tử. Một nhánh nhỏ của cơng nghệ nano nói chung là các vật liệu
nano đã dành được sự quan tâm đặc biệt do những đặc điểm và tính chất mới
lạ so với các vật liệu thơng thường. Ngồi ra, khái niệm và các ứng dụng của
công nghệ nano hiện nay không chỉ giới hạn trong các ngành khoa học kỹ
thuật mà còn được áp dụng cho các ngành khoa học sự sống và y học. Đặc
biệt, công nghệ chế tạo và các đặc trưng vật lý của cấu trúc nano một chiều,
hai chiều đã thu hút nhiều sự chú ý do các các ứng dụng quan trọng như: ghi
từ, xét nghiệm sinh học, cảm biến... [4, 5, 6,10].
Hạt nano từ tính là một nhánh của vật liệu nano nói chung và đang
dành được sự chú ý của rất nhiều các nhà khoa học bởi khả năng ứng dụng
cao của chúng trong nghiên cứu, cơng nơng nghiệp, y sinh,…[15]. Ngồi ra,
phương pháp chế tạo hạt nano từ tính rất đa dạng, việc nghiên cứu tìm ra
phương pháp mới hay điều chỉnh thơng số, quy trình dựa trên những phương
pháp cũ nhằm tạo ra các hạt nano mới với đặc tính tốt và khả năng ứng dụng
cao hơn vẫn đang là bài toán mở cho các nhà khoa học.

1


Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên
cứu là khảo sát sự ảnh hưởng của tiền chất trong việc chế tạo hạt nano từ mềm
NiFe và hạt nano từ cứng CoNiP bằng phương pháp lắng đọng điện hóa điện

hóa siêu âm.
Luận văn gồm 3 phần chính:
 Chương I – Tổng quan
Tổng quan lý thuyết về vật liệu từ nói chung và vật liệu từ CoNiP,
NiFe.
 Chương II – Phương pháp thực nghiệm
Các phương pháp kỹ thuật được sử dụng để chế tạo và khảo sát tính
chất, hình thái học và cấu trúc của tinh thể nano NiFe và CoNiP.
 Chương III – Kết quả và thảo luận
Khảo sát và phân tích các kết quả thu được từ các phép đo thế vol-ampe
vịng (CV), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ
tán sắc năng lượng (EDS), từ kế mẫu rung (VSM).
Cuối cùng là phần kết luận và tài liệu tham khảo.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu
1.1.1. Khái niệm chung
Từ trường và mơmen từ:
Điện tích chuyển động tạo ra từ trường. Từ trường có thể được tạo ra

bằng hai cách: sử dụng các cuộn dây có dịng điện chạy trong dây dẫn hoặc
nam châm vĩnh cửu. Trong các nam châm vĩnh cửu khơng có các dịng điện
theo nghĩa thơng thường mà chỉ có chuyển động quỹ đạo và chuyển động spin
của các điện tử. Đó là nguồn gốc cơ bản của hiện tượng từ ở trong vật liệu [5].
Có thể liệt kê biểu thức xác định từ trường H của một số dịng điện có

dạng như sau:
Từ trường của dịng điện thẳng:
�⃗ =
𝐻

𝐼

2𝜋𝑟

𝑢0 [A/m]
����⃗

(1)

Trong đó, I là cường độ dịng điện, r là khoảng cách tính từ dây dẫn và
𝑢0 là vector đơn vị tiếp tuyến với đường trịn bán kính r.

Từ trường tại tâm của dịng điện trịn có bán kính r:
�⃗ =
𝐻

𝐼

2𝑟

𝑢𝑧 [A/m]
����⃗

(2)

Với ����⃗
𝑢𝑧 là vector pháp tuyến đơn vị của mặt phẳng của vòng dây.

Từ trường tại tâm của một cuộn solenoid với chiều dài l và số vòng dây N:
�⃗ = 𝑁 𝐼 𝑢
𝐻
����⃗𝑧 [A/m]
𝑙

(3)

Ở đây 𝑢
����⃗𝑧 là vector hướng dọc theo trục của cuộn dây.

Trong cả ba ví dụ trên, đơn vị của từ trường ln được tính là A/m.
Mơmen từ 𝑚
��⃗ của một dịng điện trịn I có tiết diện S được định nghĩa

như sau:

𝑚
��⃗ = 𝐼𝑆𝑢
����⃗𝑧 [A/m2]

3

(4)


Trong trường hợp dòng điện tròn được thay thế bằng chuyển động quỹ

đạo của điện tử, ta sẽ có mơmen từ quỹ đạo. Tương tự, mơmen từ spin có
nguồn gốc từ chuyển động spin của điện tử [5].
Từ độ:
Xét một yếu tố thể tích 𝑑𝑣 của vật liệu với mơmen từ tổng cộng

là 𝑑𝑚. Từ độ (hay độ từ hóa) M được xác định như sau:
���⃗
��⃗ = 𝑑𝑚
𝑀
[A/m]
𝑑𝑣

(5)

Như vậy, từ độ M được định nghĩa là tổng các mômen từ trên một đơn
vị thể tích [5]. Theo cách định nghĩa này, nếu mỗi ngun tử có mơmen từ 𝑚0

và nồng độ nguyên tử là 𝑛0 thì từ độ được xác định một cách trực tiếp:
𝑀 = 𝑛0 𝑚0

(6)

Đơn vị của từ độ M là A/m, tương tự đơn vị đo từ trường H [5].
Cảm ứng từ:

Cảm ứng từ B và từ trường H thường vẫn được sử dụng như các khái
niệm đồng nghĩa. Tuy nhiên, chúng có ý nghĩa vật lý rất khác nhau. Từ
trường chỉ mô tả trường do dịng điện sinh ra và độc lập với khơng gian vật
chất xung quanh. Cảm ứng từ không những biểu diễn trường do dịng điện
sinh ra mà cịn cả các đóng góp của từ độ của vật liệu có mặt trong từ trường

đó [5].
Theo lý thuyết trường điện từ, trong chân khơng, cảm ứng từ���⃗
𝐵 là hàm

�⃗:
tuyến tính của từ trường 𝐻

�⃗ = 𝜇0 𝐻
�⃗ [T]
𝐵

(7)

Ở đây, 𝜇0 là độ từ thẩm trong chân khơng, có giá trị bằng 4𝜋. 10−7

[H/m].

Đối với các vật liệu từ, B có thể được biểu diễn trong mối liên hệ với H
và M như sau:
�⃗ = 𝜇0 �𝐻
�⃗ + 𝑀
��⃗� [T]
𝐵
4

(8)


Như cậy, cảm ứng từ B bao gồm cả từ trường ngồi tạo bởi các dịng
điện vĩ mơ và sự hưởng ứng của vật liệu tạo bởi các dòng điện vi mô [5]. Cảm

ứng từ B là một thông số kỹ thuật quan trọng vì nó đặc trưng cho mật độ từ
thơng và sự thay đổi của nó theo thời gian sẽ sinh ra một điện trường (hay
một suất điện động cảm ứng). Đường sức của cảm ứng từ B được biểu diễn
trong hình 1.1 Nhận thấy rằng, trong chân không, B tỉ lệ với H nhưng bên
trong một chất sắt từ cịn có thêm đóng góp của từ độ M của mẫu [5].

Hình 1.1. Các đường sức của cảm ứng từ B trong chân không (a) và bên
trong vật liệu từ (b) [5].
Một cách minh họa khác về mối liên hệ giữa H, B và M được
đưa ra trong hình sau.

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào từ trường H của cuộn dây [5].

5


Nếu cuộn dây có lõi bằng khơng khí (hay chân khơng) thì biểu thức của
B được biểu diễn bằng một đường thẳng với hệ số góc bằng 𝑢0 . Khi cuộn dây

có lõi là một chất sắt từ với từ độ M thì cảm ứng từ cũng được biểu diễn bằng
một đường thẳng nhưng có hệ số góc lớn hơn [5]:
𝐵 = 𝜇𝐻

(9)

Với 𝜇 = 𝜇0 (1 + 𝜒) là độ từ thẩm và χ = M/H là hệ số từ hóa.
Trường khử từ:

Trường khử từ ln xuất hiện trong các vật liệu được từ hóa và có xu

hướng khử từ vật liệu [1].
Xét một mẩu nam chân vĩnh cửu có từ độ M (hình 1.3).

Hình 1.3. (a) – Biểu diễn sự hình thành của các mơmen lưỡng cực trong vật
liệu từ hóa. (b) – Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu bị từ
hóa [5].

6


Trong cấu hình như vậy, các cực từ tự do luôn luôn tồn tại ở hai đầu
(1.3a). Một cách tương tự như hiện tượng phân cực điện môi, ta hãy tưởng
��⃗ đều được sinh ra bởi các từ tích (-) và (+) ở hai đầu vật
tượng vetor từ độ 𝑀

liệu. Cực từ (-) ứng với cực nam S của nam châm và (+) ứng với cực bắc N

�⃗ luôn xuất phát từ cực N và kết thúc ở cực S, nên ta
(hình 3b). Vì từ trường 𝐻
�⃗ ln có chiều
thấy rằng ở bên ngoài và đặc biệt cả ở bên trong, từ trường 𝐻

��⃗. Đó là trường khử từ 𝐻𝑑 [5].
ngược với 𝑀

Cường độ trường khử từ 𝐻𝑑 trước hết tỉ lệ với từ độ M của vật liệu.

Thêm vào đó, 𝐻𝑑 cịn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cực và diện tích bề

mặt của các cực [5].

�����⃗
��⃗
𝐻𝑑 = −𝑁𝑀

(10)

�����⃗
��⃗
Dấu (-) chỉ hướng ngược nhau của 𝐻
𝑑 và 𝑀. N là hệ số trường khử từ,

phụ thuộc vào hình dạng của mẫu và phương đo.
1.1.2. Vật liệu từ cấu trúc nano

Vật liệu từ tính có cấu trúc nano nói riêng và vật liệu cấu trúc nano nói
chung

thường là vật liệu đa pha. Trong đó, đặc tính của vùng giáp ranh giữa

các pha từ cứng và từ mềm được qui định bởi tương tác trao đổi. Chính tương
tác trao đổi giữa các hạt hoặc các lớp có từ tính khác nhau là nhân tố quan
trọng tạo nên một số hiện tượng vật lý mới [7].
Qua nhiều phương pháp khác nhau, con người chế tạo ra được một số
cấu trúc vật liệu nano điển hình như: chuỗi hạt nano, băng nano, dây nano,
ống nano, màng mỏng nano... (Hình 1.4).

7

Hình 1.4. Một số dạng hình học của vật liệu nano [7].
Ngày nay, các vật liệu từ được ứng dụng rất nhiều trong việc chế tạo
các thiết bị công nghệ hiện đại như: máy phát điện, biến áp, động cơ điện,
máy tính và các thành phần của hệ thống âm thanh, video.... Các vật liệu nano
từ tính được quan tâm bởi mối liên hệ giữa các đặc trưng vi cấu trúc và các
tính chất từ. Các đặc trưng đó bao gồm kích thước hạt, sự phân bố, tính khơng
đồng nhất hóa học, các sai lệch mạng tinh thể, kết cấu tinh thể học [7].
1.1.3. Vật liệu từ mềm
Khái niệm
Vật liệu từ mềm (Soft magnetic material) là vật liệu từ có lực kháng từ
nhỏ, chu trình từ trễ hẹp, từ độ bão hịa cao, dễ từ hóa và dễ khử từ. Vật liệu
này thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngồi, ví dụ như
lõi biến thế, lõi nam châm điện hay các lõi dẫn từ [2].
Một số đặc trưng quan trọng
Thơng số quan trọng đầu tiên để nói lên tính chất từ mềm của vật liệu
từ mềm là lực kháng từ (ký hiệu là HC). Lực kháng từ là từ trường ngoài cần

8


thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu. Những vật liệu có tính từ mềm tốt, thậm chí
có lực kháng từ rất nhỏ (tới cỡ 0, 01 Oe) [2].

Hình 1.5. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số liên
quan [2].
Độ từ thẩm ban đầu:
Là thơng số rất quan trọng nói lên tính từ mềm của vật liệu từ mềm. Độ
từ thẩm ban đầu được định nghĩa bởi cơng thức:
µ i = lim
H →0

dB
dH

(14)

Trong đó: B là cảm ứng từ
H là từ trường
Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến vài ngàn, các
vật liệu có tính từ mềm tốt có thể đạt tới vài chục ngàn, thậm chí hàng trăm
ngàn [2].
Độ từ thẩm cực đại:
Ta biết rằng vật liệu sắt từ khơng những có độ từ thẩm lớn mà cịn có
độ từ thẩm là một hàm của từ trường ngồi. Và độ từ thẩm cực đại cũng là
một thơng số quan trọng. Có những vật liệu sắt từ mềm có độ từ thẩm cực đại
9


rất cao, tới hàng vài trăm ngàn, ví dụ như Permalloy, hay hợp kim nano tinh
thể Finemet... [2].
Từ độ bão hịa MS: Vật liệu từ mềm thường có từ độ bão hòa rất cao [2].
Tổn hao năng lượng:
Tổn hao trong lõi dẫn từ bao gồm: tổn hao do dòng điện từ trễ và tổn
hao do dịng xốy Fuco. Vật liệu từ mềm được sử dụng trong từ trường ngoài,
và nếu sử dụng trong trường xoay chiều, sẽ sinh ra các dịng điện Fucơ gây
mất mát năng lượng và tỏa nhiệt. Khi vật liệu từ mềm được sử dụng trong
trường ngoài, nó sẽ bị từ hóa và tạo ra chu trình trễ, và sẽ có năng lượng bị
tổn hao cho việc từ hóa vật liệu [2].
Từ giảo: Về mặt bản chất, từ giảo là sự thay đổi hình dạng vật liệu từ
dưới tác dụng của từ trường ngoài. Việc khử từ giảo giúp cho việc tạo ra tính

từ mềm tốt. Có những vật liệu có từ giảo bằng 0 như vật liệu vơ định hình nền
Co [2].
Ứng dụng
Vật liệu từ mềm được sử dụng rất đa dạng với số lượng rất lớn trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng của vật liệu từ mềm như: làm các
vật liệu dẫn từ, lõi biến áp, các máy điện, rơle, nam châm điện, sensor từ, các
cuộn cảm, cuộn chặn hay những màn chắn từ.... [2].
1.1.4. Vật liệu từ cứng
Khái niệm
Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ có lực kháng từ cao (trên 150 Oe), có
chu trình từ trễ rộng, cảm ứng từ dư tương đối cao và bền vững, khó bị khử từ
và khó từ hóa [2].
Một số đặc trưng quan trọng
Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, sự phụ thuộc của tính chất
từ vào nhiệt độ, độ bền,… Dưới đây là một số đặc trưng quan trọng của vật
liệu này:
10


Hình 1.6. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng [9].
Lực kháng từ:
Lực kháng từ, ký hiệu là Hc, là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính
từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng khó từ hóa và khó khử từ,
nên ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Nguồn gốc của lực
kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ
tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có
tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ
tinh thể rất lớn. Lực kháng từ của vật liệu từ cứng phụ thuộc vào dị hướng từ
được tính theo cơng thức [2, 9]:
H C = a.

K1
λ.τ
+ b(N1   − N 2 ).MS + c.
               
MS
MS

(15)

Trong đó:
K1: hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, Ms: từ độ bão hòa.
N1, N2: hằng số khử từ theo hai phương vng góc và song song với
trục c.

11


λ: hệ số từ giảo, τ: ứng suất.
a, b, c: hệ số phụ thuộc vào hình dạng tinh thể, cấu trúc từ của vật liệu.
Tích năng lượng từ cực đại:
Đại lượng (BH)max cho biết năng lượng từ cực đại trong vật liệu. Tích
năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ, thuộc về góc
phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm
ứng từ B và từ trường H là cực đại [2, 9].
Cảm ứng từ dư: Cảm ứng từ dư (Br) là cảm ứng từ còn dư sau khi ngắt
từ trường. Đối với nam châm từ cứng, Br càng lớn càng tốt [1, 2].
Nhiệt độ Curie: Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất tính sắt từ, trở
thành vật liệu thuận từ. Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam
châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó địi hỏi nhiệt độ Curie rất cao [1, 2, 9].

Ứng dụng
Vật liệu từ cứng có thể dùng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc
được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng, các băng từ [1, 2]. Một
số loại như:
Hợp kim AlNiCo: Là hợp kim được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu,
có thành phần chủ yếu là nhơm (Al), niken và cơban (Co), có thể có thêm các
thành phần phụ gia như đồng (Cu), titan (Ti), ... Hợp kim này có từ dư cao,
nhưng có lực kháng từ khá nhỏ (thường khơng vượt q 2 kOe) và có giá
thành cao [6].
Vật liệu từ cứng ferrite: Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari
(BaFexO), stronsti (SrFexO) và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ
lanthannium (La)) để cải thiện tính từ cứng. Lực kháng từ của ferrite có thể
đạt tới 5 kOe. Ferrite có điểm mạnh là rẻ tiền, chế tạo dễ dàng và có độ bền
cao. Vì thế nó chiếm phần lớn thị phần nam châm thế giới (tới hơn 50%) dù
có phầm chất khơng phải là cao [1, 2].

12


1.2. Hạt nano từ tính
1.2.1. Giới thiệu hạt nano từ tính
Hạt nano từ tính là các hạt nhỏ bị biến đổi tính chất dưới tác dụng của
từ trường. Các hạt nano từ tính thường bao gồm hai thành phần: một vật liệu
từ tính thường là kim loại như Fe, Ni, Co,… và một thành phần hóa học khác.
Các hạt nano từ tính thường có kích thước từ 1 đến 100 nm, các lớn hơn có
đường kính từ 0,5 đến 500 μm. Tính chất từ của hạt nano từ tính thay đổi nếu
kích thước hạt nano thay đổi. Các cụm hạt nano từ tính bao gồm các hạt riêng
lẻ, chúng liên kết với nhau tạo thành các hạt nano từ tính mới.
Hạt nano từ tính đang là mối quan tâm lớn của nhiều nhà khoa học vì
những đặc tính liên quan đến cấu trúc và tính chất từ của chúng.

1.2.2. Phân loại hạt nano từ tính
Theo các nhà khoa học, vật liệu từ có thể chia thành các loại sau:
- Hệ gồm các hạt bị cô lập với cấu trúc nano, khi bỏ qua tương tác giữa
các hạt, từ tính của chúng được phân bố đều cho các hạt cô lập theo chiều
giảm của kích thước hạt [1, 4].
- Vật liệu khối có cấu trúc nano, loại này chiếm phần lớn thể tích của
mẫu tập trung ở giữa hạt và bề mặt các hạt [1, 4].
- Hệ gồm các hạt cổ điển, lớp vở trên các hạt nano từ tính có thể được
làm từ một vật liệu khác nhằm giảm tương tác giữa bề mặt các hạt [1, 4].
- Hệ gồm các hạt cơ bản, tính chất từ của vật liệu nanocomposite được
xác định bởi nhóm các hạt nano từ tính cũng như đặc tính cơ bản của vật liệu
[4].
Phân loại hạt nano từ tính như sau:
- Hạt nano oxide ferrites: Các hạt nano Ferrite hay các hạt nano oxit sắt
là các hạt nano từ tính được khám phá nhiều nhất cho đến nay. Khi các hạt
này nhỏ hơn 128 nanomet chúng trở thành hạt siêu thuận từ, điều này ngăn
cản sự tự kết tụ do chúng chỉ chịu tác động của từ trường ngoài [1, 10].
13


Mơmen từ của chúng có thể tăng lên rất nhiều bằng cách phân chia các hạt
nano siêu thuận từ riêng lẻ thành các cụm hạt nano siêu thuận từ. Khi khơng
có tác dụng của từ trường ngồi, từ độ của chúng sẽ giảm về không giống như
các hạt oxit chưa từ hóa. Bề mặt của các hạt nano ferrite thường bị biến đổi
bởi các chất hoạt hóa bề mặt, silica, silicones hoặc các dẫn xuất axit
phosphoric để tăng tính ổn định của chúng trong dung dịch [1, 11].
- Hạt nano ferrite lõi vỏ: Bề mặt của các hạt nano từ tính thường khơng
có liên kết cộng hóa trị mạnh với các phân từ chức năng hóa. Tuy nhiên có thể
cải thiện điều này bằng cách phủ một lớp silica lên bề mặt của chúng. Lớp vỏ
silica dễ dàng thay đổi với các nhóm chức năng bề mặt khác nhau thơng qua

liên kết cộng hóa trị giữa các phân tử organo-sillane và vỏ silica [11].

Hình 1.7. Ảnh TEM của cụm hạt nano từ tính lõi vỏ silica [12]
Các cụm hạt nano Ferrite có phân bố kích thước hẹp bao gồm các hạt
nano oxit siêu thuận từ được phủ một lớp silica lên bề mặt có lợi thế như: độ
ổn định hóa học cao hơn (rất quan trọng cho các ứng dụng y sinh), phân bố
kích thước hẹp (rất quan trọng cho ứng dụng y sinh), độ ổn định cao hơn vì
chúng khơng tự kết tụ, dễ điều chỉnh kích thước hơn, các đặc tính siêu thuận
từ được giữ lại.
- Hạt nano kim loại: Các hạt nano kim loại có lợi cho một số ứng dụng
kỹ thuật do mômen từ cao hơn trong khi các oxit có lợi cho các ứng dụng y
14


sinh. Điều này có ý nghĩa rằng trong cùng một thời điểm, các hạt nano kim
loại có thể được chế tạo nhỏ hơn so với các hạt oxit của chúng. Mặt khác, các
hạt nano kim loại có nhược điểm lớn là phản ứng với các tác nhân oxy hóa ở
nhiều mức độ khác nhau. Điều này làm cho việc xử lý chúng trở nên khó khăn
và cho phép các phản ứng phụ không mong muốn khiến chúng không phù
hợp với các ứng dụng y sinh. Sự hình kết tụ cho các hạt kim loại cũng khó
hơn.
- Hạt nano kim loại lõi vỏ: Lõi kim loại của hạt nano từ tính có thể bị
thụ động bởi q trình oxy hóa nhẹ, chất hoạt hóa bề mặt, polyme và kim loại
quý. Trong môi trường oxy, các hạt nano Co tạo thành một lớp CoO chống sắt
từ trên bề mặt của hạt nano Co. Những ưu điểm so với các hạt nano ferrite là:
từ hóa cao hơn, độ ổn định cao hơn trong dung dịch axit và bazơ cũng như
dung mơi hữu cơ.

Hình 1.8. Hạt nano Co có vỏ graphene [13]
1.2.3. Các hạt đơn đômen và siêu thuận từ

Đômen từ là những vùng trong chất sắt từ mà trong đó các mơmen từ
hồn toàn song song với nhau tạo nên từ độ tự phát của vật liệu sắt từ. Tuy
15


nhiên, không phải sự sắp xếp song song này tồn tại trên tồn bộ vật sắt từ mà
có thể bị chia thành nhiều đômen khác nhau tạo nên cấu trúc đơmen của vật
liệu từ nói chung hay các hạt nano từ nói riêng. Cấu trúc này được quy định
bởi: hình dạng, cấu trúc hạt, kích thước, sự định hướng... và chi phối tính chất
từ vi mơ của các hạt nano từ tính [1, 17, 18].

Hình 1.9. Sơ đồ mối quan hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt [13]
Khi kích thước hạt giảm xuống dưới kích thước tới hạn DC (Hình 4),
xuất hiện một cấu trúc đơmen mới mà mỗi hạt sẽ là một đômen, được gọi là
cấu trúc đơn đơmen. Kích thước tới hạn này phụ thuộc bởi các yếu tố: từ độ
tự phát, hằng số dị hướng từ tinh thể, mật độ năng lượng tương tác hoặc hằng
số trao đổi. Lực kháng từ liên quan đến sự hình thành đơn đơmen và phụ
thuộc vào kích thước của hạt [13]. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích
thước của các hạt đơn đơmen được biểu diễn theo cơng thức:

trong đó:

𝑫𝒔 𝟑/𝟐
𝑯𝑪 = 𝑯𝑪𝟎 �𝟏 − � � �
𝒅

• DS là kích thước siêu thuận từ
• d là kích thước hạt
• HC0 là lực kháng từ tại nhiệt độ T gần 0K

16

(1)


Có thể thấy lực kháng từ của các hạt giảm khi thước hạt giảm. Khi kích
thước các hạt tiếp tục giảm xuống dưới kích thước siêu thuận từ (DS) thì năng
lượng dao động nhiệt (kBT) lớn hơn năng lượng dị hướng (∆E = KV, K: hằng
số dị hướng từ tinh thể, V: thể tích hạt). Lúc này, năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ
định hướng song song của các mômen từ làm các mômen từ của hạt trở nên
hỗn loạn như trong chất thuận từ. Đường cong từ hóa của các hạt siêu thuận từ
có đặc điểm là từ độ bão hịa cao và khơng có hiện tượng từ trễ (HC = Mr = 0).
1.2.4. Ứng dụng của hạt nano từ tính
- Chuẩn đốn và điều trị trong y tế:
Các hạt nano từ tính đã được sử dụng trong điều trị ung thư bằng cách
gia nhiệt từ tính [1, 12] trong đó một từ trường xen kẽ (AMF) được sử dụng
để làm nóng các hạt nano. Để hạt nano từ tính đạt được đủ nhiệt, AMF
thường có tần số trong khoảng 100-500 kHz, nghiên cứu đã được thực hiện ở
tần số thấp hơn cũng như tần số cao tới 10 MHz, với biên độ của trường
thường trong khoảng 8-16 kAm−1 [12].
Các phối từ là yếu tố tăng trưởng biểu bì (EGF), axit folic, aptamer,…
có thể được gắn vào bề mặt hạt nano từ tính với việc sử dụng các hóa chất
khác nhau. Điều này cho phép nhắm mục tiêu của các hạt nano từ tính đến các
mơ hoặc tế bào cụ thể [1, 18]. Điều này được sử dụng trong nghiên cứu ung
thư để nhắm mục tiêu và điều trị các khối u kết hợp với tăng nhiệt từ tính
hoặc thuốc điều trị ung thư bằng hạt nano. Mặc dù đã có những nỗ lực nghiên
cứu, tuy nhiên, sự kết tụ các hạt nano bên trong các khối u ung thư không tối
ưu, ngay cả với các phối tử. Willmus đã tiến hành phân tích về việc đưa hạt
nano cho các khối u và kết luận rằng lượng thuốc tiêm trung bình đạt đến khối
u rắn chỉ là 0,7%. Việc kết tụ một lượng lớn các hạt nano bên trong các khối u

được cho là trở ngại lớn nhất đối với vật liệu nano nói chung. Tiêm trực tiếp
được sử dụng trong một số trường hợp, tiêm tĩnh mạch thường được dùng
nhiều nhất để có được sự phân phối tốt các hạt trong toàn bộ khối u. Các hạt
17