Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm fe co bằng phương pháp đồng kết tủa

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
----------

NGUYỄN THỊ HIÊN

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
----------

NGUYỄN THỊ HIÊN

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

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

GVC. ThS. NGUYỄN MẪU LÂM

HÀ NỘI, 2018

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

Nguyễn Thị Hiên


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

Sinh viên

Nguyễn Thị Hiên


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VLTM: Vật liệu từ mềm
TCN: Trƣớc Công nguyên


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

5
35


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của sắt

7

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

7

Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của coban

10

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

12

Hình 1.5. Giản đồ pha của Fe-Co

13

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

14

Hình 2.1. Hóa chất cần sử dụng

17

Hình 2.2. Bộ thí nghiệm chế tạo mẫu

18

Hình 2.3. Thu mẫu bằng nam châm vĩnh cửu

18

Hình 2.4. Máy rung siêu âm

19

Hình 2.5. Lị ủ nhiệt LINDBERG BLUE M

19

Hình 2.6. Thiết bị đo pH

20

Hình 2.7. Thiết bị đo nhiệt độ

20

Hình 2.8. Mơ hình học của hiện tƣợng nhiễu xạ tia X

22

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

24

Hình 2.10. Nguyên lý hoạt động

25

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

26

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

27

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

29

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

30

Hình 3.3. Đƣờng cong từ trễ của mẫu FexCo100-x trƣớc ủ nhiệt

30

Hình 3.4. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 đƣợc ủ ở nhiệt độ 600oC trong mơi
trƣờng khí H2

31

Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu FexCo100-x (x = 55, 65, 75) sau ủ ở nhiệt
độ 600oC với thời gian 2h trong mơi trƣờng khí H2

32


Hình 3.6. Đƣờng cong từ trễ của mẫu FexCo100-x (x = 55, 65, 75) sau ủ ở nhiệt
độ 600oC với thời gian 2h trong mơi trƣờng khí H2

33

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

33

Hình 3.8. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X của mẫu Fe65Co35 ủ ở nhiệt độ 600oC
với thời gian 2h trong mơi trƣờng khí H2 ứng với độ pH khác nhau

34

Hình 3.9. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe65Co35 ứng với các nồng độ pH khác
nhau sau ủ ở nhiệt độ 600oC với thời gian 2h trong môi trƣờng khí H2

36

Hình 3.10: Thay đổi của từ độ bão hòa ứng với các nồng độ pH khác nhau
sau ủ ở nhiệt độ 6000C với thời gian 2h trong môi trƣờng khí H2

36


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................... 3
6. Giả thuyết khoa học ...................................................................................... 3

7. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................ 3
NỘI DUNG ....................................................................................................... 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QU N VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM.................................. 4
1.1. Vật liệu từ mềm .......................................................................................... 4
1.2. Các thông số dặc trƣng của VLTM ............................................................ 4
1.2.1. Lực kháng từ ........................................................................................... 4
1.2.2. Từ độ bão hòa.......................................................................................... 4
1.2.3. Nhiệt độ Curie ......................................................................................... 5
1.3. Ứng dụng cơ bản của vật liệu từ mềm ....................................................... 5
1.4. Vật liệu từ mềm Fe-Co ............................................................................... 6
1.4.1. Nguyên tố sắt........................................................................................... 6
1.4.1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe ....................................................................... 6
1.4.1.2. Giản đồ pha và dạng thù hình của Fe ................................................... 7
1.4.1.3. Tính chất từ .......................................................................................... 8
1.4.1.4. Tính chất hóa học ................................................................................. 9
1.4.2. Nguyên tố Coban................................................................................... 10
1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................. 10
1.4.2.2. Tính chất từ ........................................................................................ 11
1.4.2.3. Tính chất hóa học ............................................................................... 11


1.4.3. Vật liệu từ mềm Fe-Co .......................................................................... 12
1.4.3.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................. 12
1.4.3.2. Giản đồ pha ........................................................................................ 12
1.4.3.3. Các tính chất từ .................................................................................. 15
1.4.4. Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co............................ 15
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 16
2.1. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ........... 16
2.1.1. Hóa chất ban đầu cần sử dụng để tổng hợp các hạt nano Fe-Co .......... 16
2.1.2. Tổng hợp các hạt nano Fe-Co ............................................................... 17

2.1.3. Các dụng cụ thí nghiệm để chế tạo mẫu ............................................... 18
2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu thành phần, cấu trúc ................................. 21
2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................... 21
2.2.1.1. Phân tích Rietveld .............................................................................. 21
2.2.1.2. Xác định kích thƣớc tinh thể và ứng suất mạng ................................ 21
2.2.2. Phƣơng pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) [1] ........................ 24
2.2.3. Phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) ......... 26
2.3. Phép đo đƣờng cong từ trễ trên hệ từ kế mẫu rung (VSM) ..................... 26
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 29
3.1. Cấu trúc và tính chất từ trƣớc ủ nhiệt....................................................... 29
3.2. Cấu trúc và tính chất từ sau ủ nhiệt .......................................................... 31
3.3. Ảnh hƣởng của pH đến cấu trúc, thành phần và tính chất từ ................... 33
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 39


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Cuối thập niên 80 của thế kỷ XX, công nghệ nano bắt đầu phát triển và
thu đƣợc nhiều thành quả to lớn không chỉ trong nghiên cứu mà còn mở rộng
phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điện tử học, năng lƣợng, môi trƣờng,
y sinh,… Vật liệu có kích thƣớc nano xuất hiện nhiều hiện tƣợng, tính chất
vật lý và hóa học mới mẻ mà các vật liệu có kích thƣớc micro mét cùng thành
phần hóa học khơng có đƣợc [1, tr.231-237, 19].
Vật liệu từ mềm (VLTM) có cấu trúc nano với các phẩm chất từ: từ độ
bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao, lực kháng từ thấp và tổn hao sắt từ nhỏ,… đã
đƣợc ứng dụng trong các thiết bị nhƣ máy biến thế, máy ghi âm, ghi hình,
nam châm điện, các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ
thống thông tin liên lạc, các thiết bị điện khác,... và trong y sinh nhƣ dẫn
thuốc, đốt nhiệt,... [18].

Hệ VLTM có nhiều hệ: Fe, Co, Ni, Si,... nhƣng hệ hợp kim Fe-Co với
các đặc trƣng nổi bật nhƣ lực kháng từ thấp, nhiệt độ Curie cao và có từ độ
bão hòa cao nhất trong số các VLTM đã biết, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245
emu/g. Fe-Co đƣợc xem là vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong tƣơng lai
nhƣ hấp thụ sóng điện từ, tách từ, lƣu trữ dữ liệu, hay các ứng dụng y sinh
nhƣ dẫn thuốc, đốt nhiệt,... [12, 18].
Hợp kim Fe-Co có cấu trúc nano mét đƣợc tổng hợp bằng các phƣơng
pháp khác nhau nhƣ vật lý, hóa học và hóa lý: phun băng, hợp kim cơ, nghiền
cơ năng lƣợng cao [14], phản ứng pha rắn, polyol [7], phân hủy nhiệt [17],
hóa khử, hóa ƣớt, thủy nhiệt, đồng kết tủa, điện phân,… Trong đó phƣơng
pháp đồng kết tủa là một trong những phƣơng pháp tổng hợp nano Fe-Co
tƣơng đối đơn giản. Hơn nữa quá trình này cịn có thể điều chỉnh kích thƣớc
hạt dễ dàng [6]. Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm: thiết bị đơn giản dễ điều

1


khiển quy trình cơng nghệ, đầu tƣ thấp, độ lặp lại cao, tạo đƣợc hạt có kích
thƣớc nano trong thời gian ngắn và khá đồng đều. Phƣơng pháp đồng kết tủa
còn đƣợc sử dụng với lý do đơn giản rằng nó khơng phát ra khí độc hại và
khơng gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng [13, tr.375-603].
Với những lý do nhƣ trên, chúng tơi lựa chọn đề tài khóa luận:
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết
tủa.”
2. Mục đích nghiên cứu
Chế tạo thành cơng hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phƣơng pháp đồng kết
tủa đạt kích thƣớc nano mét có tính chất từ mềm tốt có thể ứng dụng trong
thực tế.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo mẫu từ mềm Fe-Co.

- Khảo sát cấu trúc mẫu.
- Khảo sát các tính chất từ của mẫu.
- Viết bài tham gia hội nghị, hội thảo khoa học về vấn đề đang nghiên
cứu.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ hợp kim từ mềm Fe-Co.
b. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phƣơng pháp đồng
kết tủa.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất của mẫu trên các hệ đo: SEM, XRD,
EDX.
- Khảo sát các tính chất từ của mẫu trên các hệ đo: VSM.

2


5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp thực nghiệm.
6. Giả thuyết khoa học
- Chế tạo đƣợc vật liệu từ mềm Fe-Co có kích thƣớc nano mét.
- Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co.
7. Cấu trúc khóa luận
Ngồi phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Khóa luận gồm có
3 chương.
CHƢƠNG 1: TỔNG QU N VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ MỀM
1.1. Vật liệu từ mềm
VLTM là vật liệu dễ từ hóa và dễ khử từ.
VLTM có cấu trúc nano với các phẩm chất từ: từ độ bão hòa cao, nhiệt
độ Curie cao, lực kháng từ thấp và tổn hao sắt từ nhỏ,… đã đƣợc ứng dụng
trong các thiết bị nhƣ máy biến thế, máy ghi âm, ghi hình, nam châm điện,
các lõi dẫn từ, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ thống thông tin
liên lạc, các thiết bị điện khác,... và trong y sinh nhƣ dẫn thuốc, đốt nhiệt,...
[18].
Các tính chất của VLTM phụ thuộc vào độ tinh khiết hóa học của
chúng, và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể. Nếu có càng ít các loại tạp
chất trong vật liệu, thì các đặc tính của vật liệu càng tốt.
1.2. Các thông số dặc trƣng của VLTM
1.2.1. Lực kháng từ
Lực kháng từ đƣợc ký hiệu là Hc, là từ trƣờng ngoài cần thiết để triệt
tiêu từ độ hoặc cảm ứng từ của vật từ. VLTM có lực kháng từ nhỏ hơn 100
Oe, đối với VLTM có tính từ mềm tốt thì lực kháng từ rất nhỏ cỡ vài Oe.
1.2.2. Từ độ bão hòa
Từ độ bão hòa đƣợc ký hiệu là Ms, là giá trị từ độ khi đƣợc từ hóa đến
từ trƣờng đủ lớn (vƣợt qua giá trị trƣờng dị hƣớng) sao cho vật liệu ở trạng
thái bão hịa từ, có nghĩa là các mơmen từ hồn tồn song song với nhau.
Từ độ bão hòa là tham số đặc trƣng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ
tuyệt đối (0oK) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. VLTM có từ độ
bão hòa cao và hợp kim Fe-Co đƣợc biết đến là VLTM có từ độ bão hịa cao
nhất hiện nay, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245 emu/g.

4

1.2.3. Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie, thƣờng đƣợc kí hiệu là Tc, là nhiệt độ chuyển pha trong
các vật liệu sắt từ, đƣợc đặt theo tên nhà vật lý học ngƣời Pháp Pierre Curie
(1859-1906).
Nhiệt độ Curie trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận
từ. Ở dƣới nhiệt độ này vật liệu mang tính sắt từ, cịn khi ở trên nhiệt độ này
vật liệu trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie tỉ lệ với số phối vị (số lân cận gần
nhất), tích phân trao đổi của vật liệu theo cơng thức:

Z .Eex
,
2k B

Tc 

(1.1)

trong đó, Z là số lân cận gần nhất, Eex là năng lƣợng tích phân trao đổi, kB là
hằng số Boltzman. Ở trên nhiệt độ Curie, độ cảm từ  của chất phụ thuộc
nhiệt độ tuân theo định luật Curie:



C
.
T  Tc

(1.2)

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

Tc (oK)

Sắt

1043

Coban

1388

Niken

627

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

5


Trong y sinh, các hạt nano từ nói chung và Fe-Co nói riêng có thể đƣợc
sử dụng để dẫn thuốc và đốt nhiệt [9, 16].

1.4. Vật liệu từ mềm Fe-Co
1.4.1. Nguyên tố sắt
Sắt đƣơc G. . Wainwright tìm thấy ở Gerzah-Ai Cập vào khoảng
4000 năm TCN [10]. Sắt là nguyên tố có nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ
ngồi và trong của lõi Trái Đất.
Sắt là kim loại màu ánh kim xám nhẹ. Nó là kim loại có các đặc tính tốt
về chịu lực, độ dẻo, độ cứng, nhƣng dễ bị ơxy hóa.
Sắt là kim loại đa năng nhất. Nó chiếm khoảng 90% lƣợng kim loại
đƣợc tiêu thụ tồn cầu. Sắt có mặt xung quanh chúng ta, ở nhiều dạng thức
khác nhau.
Sắt là kim loại chuyển tiếp, đƣợc ký hiệu là Fe, có số hiệu nguyên tử
bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB, chu kỳ 4, đƣợc phân bố thành 4 lớp. Cấu
hình electron của nguyên tử là 1s22s22p63s23p63d64s2. Khi tạo ra các ion sắt,
nguyên tử Fe nhƣờng electron ở phân lớp 4s trƣớc phân lớp 3d.
1.4.1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe
Trong khoảng nhiệt độ từ 1394 - 1538oC, sắt có cấu trúc tinh thể lập
phƣơng tâm khối (bcc). Từ 910 - 1394oC, cấu trúc tinh thể của nó chuyển
sang dạng lập phƣơng tâm mặt (fcc). Dƣới 910oC cấu trúc tinh thể lại chuyển
sang dạng bcc.

6


a)

b)

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

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

7


còn tranh cãi cho thấy sự tồn tại của pha ổn định β ở áp suất và nhiệt độ rất
cao [8].
Trong khoảng nhiệt độ từ 1394 - 1538oC, sắt có dạng thù hình sắt δ. Từ
910 - 1394oC, dạng thù hình của nó là sắt γ hay austenit . Dƣới 910oC dạng
thù hình chuyển sang dạng sắt α.
1.4.1.3. Tính chất từ
Các hạt nano Fe là vật liệu sắt từ nhƣng khi đạt đến kích thƣớc của các
hạt mịn thì các hạt nano Fe trở thành thuận từ và đƣợc gọi là siêu thuận từ.
Trong vật liệu sắt từ vĩ mô, các spin của electron chƣa kết cặp trải qua
sự từ hóa tự phát, nơi mà năng lƣợng của các hạt nano đƣợc hạ xuống bằng
cách sắp xếp với spin của các nguyên tử lân cận. Giảm năng lƣợng tổng thể
của hệ thống bằng cách hạn chế hao hụt thông lƣợng từ, vật liệu đi vào trong
đơmen từ khi khơng có từ trƣờng ngồi. Kích thƣớc của các đơmen đƣợc xác
định bởi sự chênh lệch giữa năng lƣợng gia tăng do lƣợng từ bên ngoài và
năng lƣợng tiêu tốn của vách đơmen bổ sung. Các vách giữa các đơmen này
có thể đƣợc di chuyển bởi sự gắn vào của một từ trƣờng, và nó là sự di
chuyển của các vách đơmen tạo nên đƣờng cong từ trễ của vật liệu sắt từ.
Kích thƣớc riêng của các đơmen từ tính thay đổi tùy thuộc vào vật liệu,
thƣờng là cỡ khoảng hàng chục nano mét. Nếu một hạt nhỏ hơn kích thƣớc
đơmen đặc trƣng này, thì hạt đó sẽ chứa một đơmen từ duy nhất. Chính xác
hơn: một hạt vẫn duy trì trong đômen đơn nhất khi năng lƣợng cần thiết để
tạo ra vách đơmen lớn hơn mức giảm năng lƣợng, điều đó có thể đạt đƣợc

bằng cách giảm thơng lƣợng từ [2, tr.10-16].
Tính chất từ của các hạt siêu thuận từ cũng có ích. Đầu tiên là sự định
hƣớng lại của các spin có thể đạt đƣợc ở trƣờng tƣơng đối thấp. Nhƣ vậy tức
là các hạt siêu thuận từ có khả năng cảm ứng ban đầu rất cao. Trƣờng này đòi
hỏi phải sắp xếp tất cả các spin, vì vậy sự bão hịa thƣờng khơng đƣợc nhìn

8


thấy cho đến khi các trƣờng lớn hơn vài Tesla đƣợc sử dụng. Một tính chất có
ích khác đó là lực kháng từ rất nhỏ. Khi từ trƣờng bị loại bỏ, năng lƣợng nhiệt
cho phép các hạt siêu thuận từ này tự do định hƣớng lại spin của chúng,
không cần cung cấp năng lƣợng bên ngoài để khử từ của hệ thống.
Vì siêu thuận từ là sự cân bằng giữa năng lƣợng từ và năng lƣợng nhiệt,
và xảy ra trên một phạm vi giới hạn. Ở một nhiệt độ nhất định, khơng có đủ
năng lƣợng nhiệt cho phép các spin dễ dàng sắp xếp lại, và độ kháng từ xuất
hiện. Nhiệt độ này đƣợc gọi là “nhiệt độ cản”, và ở nhiệt độ này trạng thái của
các hạt là sắt từ. Nhiệt độ cản thƣờng đƣợc định nghĩa là điểm mà tại đó một
lƣỡng cực phân tử có khả năng định hƣớng lại dƣới ảnh hƣởng của một từ
trƣờng xác định trong 100 giây (một khoảng thời gian điển hình cho một phép
đo). Nhiệt độ cản của mỗi một mẫu là quan trọng bởi vì nó đại diện cho khả
năng cảm ứng cực đại và giới hạn dƣới của trạng thái siêu thuận từ [2, tr.1016].
Mơi trƣờng hóa học tác động mạnh lên các tính chất từ của các hạt
nano sắt.
1.4.1.4. Tính chất hóa học
Sắt là kim loại đƣợc tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất khó tìm thấy nó
ở dạng tự do. Để thu đƣợc sắt tự do, các tạp chất phải đƣợc loại bỏ bằng
phƣơng pháp khử hóa học.
Tính chất hóa học của các hạt nano sắt bị chi phối bởi khả năng phản
ứng của chúng với các tác nhân oxy hóa. Sắt mịn từ lâu đã đƣợc biết đến là có

khả năng tự bốc cháy, vì vậy khi chế tạo các hạt nano sắt cần phải ln ln
nhớ tính chất tự bốc cháy của sắt mịn.
Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để làm giảm khả năng phản ứng của
các hạt nano sắt với khí oxy. Và một phƣơng pháp phổ biến là phủ các hạt với
một lớp vỏ khơng có phản ứng nhƣ một hàng rào cản khí oxy. Các hàng rào
cản khí oxy tốt thƣờng thƣờng là chất vô cơ, và chất phổ biến nhất là vàng.

9


Hợp kim của sắt với một kim loại có khả năng phản ứng thấp là một
cách để giảm khả năng phản ứng của các hạt nano sắt với khí oxy.
Các phản ứng của sắt khơng phải lúc nào cũng có hại, và sắt tìm đƣợc
các ứng dụng nhƣ một chất xúc tác. Thực tế là bề mặt sắt bị oxy hóa dễ dàng
trong các điều kiện mơi trƣờng xung quanh và chính q trình oxy hóa của sắt
có thể là một phần quan trọng cho quá trình xúc tác. Các ứng dụng đó cực kì
quan trọng trong cơng nghiệp.
1.4.2. Ngun tố Coban
Nhà khoa học ngƣời Thụy Điển Georg Brandt (1694-1768) đã phát hiện
ra nguyên tố coban vào khoảng thời gian 1730-1737. Ông đã chứng minh
rằng coban là nguồn gốc tạo ra màu xanh dƣơng trong thủy tinh, mà trƣớc đây
đƣợc ngƣời ta cho là do Bitmut (Bismuth) (đƣợc phát hiện cùng với coban).
Nó là kim loại tƣơng đối cứng và giòn.
Nguyên tố coban ký hiệu là Co và số hiệu nguyên tử bằng 27. Nằm ở
phân nhóm 9, chu kỳ 4. Cấu hình electron là 1s22s22p63s24s23d7.
1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể

a)

b)

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

10


Coban kim loại thông thƣờng biểu hiện ở dạng hỗn hợp của hai cấu
trúc trục tinh thể là lục giác xếp chặt (hcp) và lập phƣơng tâm mặt (fcc)
với nhiệt độ chuyển tiếp từ hcp→fcc vào khoảng 722oK.
1.4.2.2. Tính chất từ
Coban là kim loại màu ánh kim xám nhẹ, có từ tính mạnh, nhiệt độ
Curie vào khoảng 1388oK. Từ tính biến mất khi đun nóng đến 1150oC. Độ
thấm từ của coban bằng 2/3 của sắt. Coban đƣợc sử dụng trong việc tạo ra các
hợp kim từ tính. Các hợp kim từ này đƣợc sử dụng để chế tạo các thiết bị nhƣ
động cơ điện, máy biến áp, nam châm điện,…
Từ tính của coban cũng đƣợc khai thác trong những phát minh của
Nhật Bản với thép từ coban. Chỉ vài năm sau đó, vào năm 1930 chứng kiến
phát minh quan trọng của nam châm alnico đƣợc cấu tạo bằng nhôm, niken và
coban.
Thực tế, coban vẫn giữ đƣợc từ tính của nó ở nhiệt độ cao, đây là một
điều thuận lợi khi thêm coban vào vật liệu từ để cải thiện tính chất của vật liệu
từ khi ở nhiệt độ cao. Gần đây, nam châm đất hiếm đƣợc tạo ra có từ tính
mạnh hơn nam châm alnico. Một vật liệu có từ tính tƣơng tự nhƣ vậy, đó là
nam châm samari- coban (loại vĩnh cửu) giữ tính chất từ của nó khi nhiệt độ
lên đến 800oC [2, tr.10-16].
Gần đây hơn, coban đƣợc sử dụng chủ yếu trong các loại pin mới hơn,
các hạt từ tính để ghi và lƣu trữ thơng tin trong bang từ, ổ đĩa cứng.
1.4.2.3. Tính chất hóa học
Coban khơng thể tìm thấy nhƣ là một kim loại tự do, mà nói chung là ở

trong các dạng quặng.
Trạng thái ôxy hóa phổ biến của coban là +2 và +3.
Coban phản ứng với oxy trong khơng khí, nhƣng khơng bắt lửa và chỉ
cháy khi ở dạng bột. Bột kim loại coban dễ bùng cháy khi tiếp xúc với lửa.

11


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

(hcp)

(bcc)

(fcc)

Hình 1.4. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe và Co[20]
Fe kim loại thông thƣờng tồn tại dƣới 2 dạng cấu trúc bcc và fcc, trong
khi đó Co tồn tại dƣới hai dạng cấu trúc hcp và fcc.
Hằng số mạng cho hai dạng cấu trúc fcc và bcc của Fe lần lƣợt là 3,515
Å và 2,87 Å. Với Co cấu trúc hcp (α-Co) thì a = 2,51 Å và c = 4,07 Å trong

khi đó cấu trúc fcc (β-Co) có hằng số mạng là 3,55 Å.
1.4.3.2. Giản đồ pha
Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của
một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, tỷ lệ và thành phần
các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Giản đồ pha cũng là cách biểu diễn

12


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

Hình 1.5. Giản đồ pha của Fe-Co [10].

13


Giản đồ pha của Fe-Co đƣợc biểu diễn trên hình 1.5. Từ giản đồ này có

thể thấy Fe và Co tạo nên hệ dung dịch rắn mất trật tự fcc (γ) ở nhiệt độ cao.
Ở nhiệt độ trên 730oC, với Co chiếm ~ 75% khối lƣợng thì hợp chất này tồn
tại ở trạng thái dung dịch rắn bcc (α). Dƣới nhiệt độ 730oC, tồn tại dạng bcc
(α) với thành phần nguyên tố cân bằng nhau (trật tự nguyên tử theo dạng cấu
trúc của CsCl (α1)). Sự chuyển đổi từ pha trật tự-bất trật tự đóng một vai trị
quan trọng trong việc xác định phẩm chất cơ học và tính chất từ của vật liệu
[11].
Hợp kim Fe-Co có tính chất sắt từ và đƣợc xem là vật liệu có giá trị từ
độ bão hòa cao nhất trong số các vật liệu sắt từ đã biết. Tuy Co có mơmen từ
ngun tử thấp hơn của Fe, nhƣng khi đƣợc thay bởi Co sẽ làm tăng từ độ của
hợp kim. Hình 1.6 đã chỉ ra sự thay đổi của mơmen từ bão hịa ở nhiệt độ
phòng của Fe theo hàm lƣợng Co đƣợc đƣa vào, cho thấy giá trị lớn nhất đạt

Ms (emu/g)

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

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

14


1.4.3.3. Các tính chất từ
Hợp kim Fe-Co là VLTM điển hình với các đặc trƣng [8]:
- Từ độ bão hịa M s cao.
- Lực kháng từ H c thấp.
- Nhiệt độ Curie TC cao.
- Tổn hao sắt từ nhỏ.
1.4.4. Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co

Hợp kim Fe-Co có cấu trúc nano mét đƣợc tổng hợp theo nhiều phƣơng
pháp khác nhau nhƣ vật lý, hóa học và hóa lý: phun băng, hợp kim cơ, nghiền
bi cơ năng lƣợng cao [14], phản ứng pha rắn, polyol [7], phân hủy nhiệt [17],
hóa khử, hóa ƣớt, thủy nhiệt, đồng kết tủa và điện phân,… Dƣới đây là một số
phƣơng pháp thông dụng:
- Phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao.
- Phƣơng pháp phun băng nguội nhanh.
- Phƣơng pháp hóa khử.
- Phƣơng pháp polyol.
Nhìn chung, các phƣơng pháp trên đều có ƣu điểm tổng hợp đƣợc các
hạt nano khá đều nhau, từ độ bão hòa cũng tƣơng đối cao. Tuy nhiên q trình
tổng hợp phức tạp, sử dụng hóa chất đắt tiền, phát ra khí độc hại, gây ơ nhiễm
và khối lƣợng sản phẩm thu đƣợc không nhiều. Phƣơng pháp đồng kết tủa mà
chúng tôi lựa chọn để tổng hợp mẫu trong khóa luận này có ƣu điểm hơn bởi
thiết bị đơn giản dễ điều khiển quy trình cơng nghệ, đầu tƣ thấp, độ lặp lại
cao, tạo đƣợc hạt có kích thƣớc nano trong thời gian ngắn và khá đồng đều.

15