Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp ni đến các đặc trưng của vật liệu nano perovskite lafe(1 x)ni(x)o(3 δ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHA TẠP Ni ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE LaFe1-xNixO3-δ GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến SVTH: Lê Thị Hạnh MSSV: K39.201.023 Thành phố Hồ Chí Minh 4-2017 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… LỜI CẢM ƠN Với sự biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Anh Tiến, người thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy, cô Khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm TP.HCM đã dạy dỗ em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường. Thầy cô đã truyền dạy cho em những kiến thức bổ ích, sự nhiệt huyết với nghề. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người thân yêu quý, những người luôn bên cạnh, ủng hộ động viên em những lúc khó khăn. Trong suốt quá trình nghiên cứu không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ thầy cô và các bạn. Sinh viên Lê Thị Hạnh MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt và kí hiệu Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Vật liệu nano và công nghệ nano 3 1.1.1. Hạt nano, vật liệu nano, công nghệ nano 3 1.1.2. Phân loại và một số lĩnh vực ứng dụng của vật liệu nano 4 1.1. 1.2. Các đặc trưng của vật liệu từ 7 1.2.1. Một số khái niệm 7 1.2.2. Các đặc trưng của vật liệu từ cứng 9 1.2.3. Các đặc trưng của vật liệu từ mềm 11 1.3. Đặc trưng cấu trúc của tinh thể perovskite ABO3 11 1.4. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano perovskite 14 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp nghiên cứu 19 2.1.1. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) 19 2.1.2. Phương pháp quét vi sai (DSC) 19 2.1.3.Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 20 2.1.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 22 2.1.5. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) 22 2.1.6. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) 23 2.1.7. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 23 2.2. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 24 2.3. Thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano perovskite LaFe1-xNixO3- δ 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano LaFeO3 27 3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt 27 3.1.2. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) 29 3.1.3. Kết quả SEM và TEM 29 3.2. Kết quả tổng hợp vật liệu nano LaFe1-xNixO3- δ 30 3.2.1. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) 30 3.2.2. Kết quả XRD của các oxit niken và sắt (III) 34 3.2.3. Kết quả TEM 37 3.2.4. Kết quả phân tích EDX 37 3.2.5. Kết quả VSM 39 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận 42 4.2. Kiến nghị 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 46 Phụ lục 1. CÁC THÔNG SỐ CỦA PHỔ CHUẨN LaFeO3 46 Phụ lục 2. CÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH XRD LaFe1-xNixO3- δ & OXT 47 Phụ lục 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH EDX CỦA MẪU VẬT LIỆU 50 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DTA: Phân tích nhiệt vi sai EDX: Phổ tán sắc năng lượng tia X ABO3: Công thức chung của perovskite SEM: Kính hiển vi điện tử quét TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua TGA: Phân tích nhiệt vi trọng lượng VSM: Từ kế mẫu rung XRD: Nhiễu xạ tia X a, b, c Hằng số mạng tinh thể orthorhombic d Khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể D Kích thước tinh thể xác định từ nhiễu xạ tia X Hc Lực kháng từ Mr Độ từ dư Ms Độ từ bão hòa λ Bước sóng tia X β Độ bán rộng của phổ nhiễu xạ tia X 2θ Góc nhiễu xạ tia X rA Bán kính ion A rB Bán kính ion B rO Bán kính ion oxy DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Bảng bán kính của các ion trong vật liệu LaFe1-xNixO3- δ. 14 Bảng 1.2. Một số nano oxit kim loại thu được bằng phương pháp 15 sol - gel. Bảng 1.3. Một số nano oxit kim loại thu được bằng phương pháp 17 đồng kết tủa. Bảng 2.1. Bảng dụng cụ, thiết bị và hóa chất cần thiết. 24 Bảng 2.2. Thành phần các tiền chất tổng hợp vật liệu nano 25 LaFe1-xNixO3- δ. Bảng 3.1. Các thông số cấu trúc và kích thước pha tinh thể 34 LaFe1-xNixO3-δ nung 900°C. Bảng 3.2. Thông số mạng của các mẫu kết tủa nung ở 900oC trong 1h. 36 Bảng 3.3. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu LaFe0,85Ni0,15O3 39 và LaFe0,75Ni0,25O3 nung ở 900oC. Bảng 3.4. Các đặc trưng từ tính của vật liệu nano LaFe1-xNixO3-δ nung ở 900oC. 41 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Phân loại vật liệu nano theo số chiều. 4 Hình 1.2. Đường từ hóa cơ bản và đường cong từ trễ. 8 Hình 1.3. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng. 10 Hình 1.4. Các dạng nam châm đất hiếm NdFeB: a) hình nhẫn; 10 b) hình khối; c) hình tròn; d) hình cung. Hình 1.5. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ mềm. 11 Hình 1.6. Cấu trúc perovskite lý tưởng. 12 Hình 1.7. Sự biến dạng của cấu trúc perovskite khi góc liên kết 13 B-O-B khác 180o. Hình 2.1. Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng tinh thể. 20 Hình 2.2. Sơ đồ kính hiển vi điện tử điện tử truyền qua. 22 Hình 2.3. Sơ đồ máy từ kế mẫu rung. 22 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDX . 23 Hình 2.5. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét. 24 Hình 2.6. Sơ đồ mô tả quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu 26 nano LaFe1-xNixO3- δ. Hình 3.1. Giản đồ TG-DSC của mẫu kết tủa. 27 Hình 3.2. Giản đồ XRD của LaFeO3 sau khi nung ở các nhiệt độ 29 khác nhau. Hình 3.3. Ảnh SEM (A) và TEM (B) của mẫu vật liệu LaFeO3 sau 30 khi nung 900oC. Hình 3.4. Giản đồ XRD của mẫu LaFe0.9Ni0.1O3 nung ở 900oC. 31 Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu LaFe0.85Ni0.15O3 nung ở nhiệt 31 độ 900oC. Hình 3.6. Giản đồ XRD của mẫu LaFe0.8Ni0.2O3 nung ở nhiệt độ 900°C. 32 Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu LaFe0.75Ni0.25O3 nung ở 900oC. 32 Hình 3.8. Giản đồ chồng phổ XRD của mẫu vật liệu 33 LaFe1-xNixO3 (x=0,1; x=0,15; x=0,2; x=0,3). Hình 3.9. Giản đồ XRD của Fe2O3 nung ở 900°C trong 1h. 35 Hình 3.10. Giản đồ XRD của NiO nung ở 900°C trong 1h. 35 Hình 3.11. Giản đồ chồng phổ XRD của 2 oxit với mẫu vật liệu nano 36 pha tạp LaFe0,75Ni0,25O3 nung ở 9000C trong 1h. Hình 3.12. Ảnh TEM của vật liệu nano LaFe1-xNixO3 (x=0,2 và 0,25) 37 Hình 3.13. nung 900°C. Phổ EDX của mẫu LaFe0,85Ni0,15O3 nung ở 900oC. 38 Hình 3.14. Phổ EDX của mẫu LaFe0,75Ni0,25O3 nung ở 900oC. 38 Hình 3.15. Đường cong từ trễ của mẫu vật liệu LaFe1-xNixO3- δ 39 (x= 0,15 và 0,25) ở 300K. Hình 3.16. Đường cong từ trễ của mẫu vật liệu nano LaFe1-xNixO3-δ nung ở nhiệt độ 900oC. 40 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ nano đã trở thành một ngành công nghệ được đầu tư nghiên cứu các ứng dụng để tạo ra các sản phẩm có giá trị đối với đời sống con người. Các ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực như hóa học, sinh học, y học, khoa học vật liệu, ... ngày càng phổ biến và rộng rãi hơn, góp phần giúp cho cuộc sống của con người ngày càng tốt đẹp hơn [9, 19]. Vật liệu nano giành được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu cũng như các nhà đầu tư vì những tính chất đặc trưng và ưu việt của chúng. Đặc biệt là vật liệu perovskite ABO3 và pervoskite pha tạp được ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, điện lạnh, công nghệ thông tin, pin nhiệt điện, …[8, 13]. Vật liệu perovskite ABO3 có tính dẫn điện, tính chất từ, tính xúc tác nhờ sự pha tạp, chúng trở thành những vật liệu siêu dẫn khi ở nhiệt độ cao, có hiệu ứng từ khổng lồ [23, 24], hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ hoặc hình thành nên các chất xúc tác mới [1, 10]. Trong đề tài này, nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp ion Ni2+ đến các đặc trưng cấu trúc và đặc trưng từ tính của vật liệu nano perovskite LaFeO3. Vật liệu perovskite có thể tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp đơn giản và dễ thực hiện nhất là phương pháp cơ học (phương pháp tổng hợp gốm truyền thống), nhưng phương pháp này đòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt độ cao thường (t° > 1200°C) dẫn đến kích thước hạt lớn và không đồng nhất [15]. Ngày nay, để tổng hợp vật liệu perovskite có kích thước nano có thể sử dụng một số phương pháp hóa ướt như phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp điện hóa, phương pháp sol-gel đồng tạo phức [1, 2, 26]. Những phương pháp này có ưu điểm là vật liệu tổng hợp được có kích thước nhỏ, độ đồng nhất và độ đồng đều cao nhưng bên cạnh đó các phương pháp này đòi hỏi phải khảo sát nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành đơn pha tinh thể như nhiệt độ nung, nhiệt độ tạo gel, giá trị pH của môi trường, tỉ lệ mol chất tạo gel/ion kim loại, chất tạo gel, … [1, 2, 17]. Do đó trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp đồng kết tủa đơn giản thông qua giai đoạn thủy phân từ từ các cation kim loại trong nước nóng trước (t > 90oC), sau đó để nguội rồi thêm vào các tác nhân kết tủa phù hợp. Việc thủy phân từ từ các cation kim loại trong nước nóng trước, rồi để nguội sẽ tạo thành kết tủa bền và hạn chế sự lớn lên về kích thước hạt so với 2 khi kết tủa ở nhiệt độ phòng. Bằng phương pháp này, nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Anh Tiến đã công bố về việc tổng hợp thành công một số hệ vật liệu nano perovskite YFeO3 [20] hay các vật liệu pha tạp như Y1-xCaxFeO3-δ [16] và thậm chí cả hệ spinen pha tạp Co1-xNixFe2O4 [15]. Nhằm mục đích đi sâu nghiên cứu và tìm hiểu các đặc trưng của vật liệu nano LaFeO3 khi pha tạp Ni (II). Chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp Ni đến các đặc trưng của vật liệu nano perovskite LaFe1-xNixO3- δ ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Vật liệu nano và công nghệ nano 1.1. 1.1.1. Hạt nano, vật liệu nano, công nghệ nano Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành công nghệ cao như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học thì ngành công nghệ nano cũng ngày càng phát triển và có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống. Đó là lời dự đoán của nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman (1928-1988, giải Nobel Vật lý 1965) trong một bài nói chuyện năm 1959 với nhan đề “ There’s plenty of room at the bottom’’, ông cho rằng Khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng nguyên tử, phân tử và sâu hơn nữa. Đó không chỉ là những dự đoán, bắt đầu những năm 1870 các nhà khoa học, nghiên cứu bắt đầu chú ý đến vật liệu có kích thước siêu nhỏ cỡ micromet do những ứng dụng mang tính đột phá trong ngành cơ khí, quang học và từ. Ngày nay, công nghệ nano là một ngành không chỉ nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học mà còn các nhà kinh tế, chính trị vì những lợi ích của chúng mang lại [9, 19]. “Công nghệ nano (nanotechnology)”: là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (từ 1 đến 100nm) [14]. “Khoa học nano” là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu ở cấp độ nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô này, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng ở quy mô lớn hơn. Loại vật liệu này đã và đang được quan tâm do chúng có nhiều tính chất vật lý, hóa học và nhiều ứng dụng khác đặc biệt hơn so với vật liệu micro truyền thống có cùng thành phần hóa học. “Hóa học nano” nghiên cứu các phương pháp tổng hợp và xác định tính chất của vật liệu có kích thước hạt cấu trúc từ 1-100 nm hay khoảng 101-106 nguyên tử hoặc phân tử trên mỗi hạt. Một trong những đối tượng chính của ngành công nghệ nano là vật liệu nano. “Vật liệu nano”: là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó tới chất lỏng và khí. 4 “Hạt nano”: là một đối tượng nano không chiều (0D) mà kích thước tất cả các chiều đều có một bậc đại lượng, về nguyên tắc, các hạt nano có dạng hình cầu. 1.1.2. Phân loại và một số lĩnh vực ứng dụng của vật liệu nano Để phân loại vật liệu nano, ta có thể dựa trên các đặc tính cơ bản của vật liệu, lĩnh vực ứng dụng, hình dạng hay kích thước của chúng,…Sau đây chúng ta đi tìm hiểu một số cách phân loại vật liệu nano thường dùng.  Phân loại vật liệu nano theo số chiều: Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và 3 chiều (3D) (Hình 1.1). Hình 1.1. Phân loại vật liệu nano theo số chiều. - Vật liệu nano không chiều (0D): là loại vật liệu có cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều nào tự do cho điện tử. Ví dụ: hạt nano. - Vật liệu nano một chiều (1D) là vật liệu trong đó có một chiều có kích thước nano, hai chiều kia dài hơn, thường ở dạng tấm. Ví dụ: Silicat lớp được kết hợp với các polime để tạo nanocomposit có các tính chất chịu nhiệt, chống cháy, chịu mài mòn, biến đổi các tính chất điện, quang, ... phụ thuộc vào dạng polime được sử dụng. 5 - Vật liệu nano hai chiều (2D) là vật liệu trong đó có hai chiều có kích thước nano, còn một chiều tự do, như sợi nano nitrua bo (BN), ống nano cacbon chúng bao gồm các tấm graphite cuộn lại thành. - Vật liệu nano ba chiều (3D) là vật liệu mà tất cả các kích thước của chúng vượt qua phạm vi nanomet.  Phân loại dựa theo lĩnh vực ứng dụng: - Vật liệu nano kim loại. - Vật liệu nano bán dẫn. - Vật liệu nano từ tính. - Vật liệu nano sinh học. Như chúng ta biết, công nghệ nano đã trở thành một ngành công nghệ chủ chốt của thế kỉ 21, nên vật liệu nano đã được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực từ gần gũi với đời sống con người như mặt nạ làm đẹp tới ngành hàng không vũ trụ:  Công nghệ nano trong sinh học và y học Do có nhiều tính năng độc đáo và kích thước tương ứng với các phân tử sinh học nên hiện nay, công nghệ nano đang được đầu tư nghiên cứu đặc biệt là trong lĩnh vực y học. Sử dụng các hạt nano (hạt nano vàng, nano từ, chấm lượng tử, …) để đánh dấu các phân tử sinh học, vi sinh vật, phát hiện các chuỗi gen nhờ vào cơ chế bắt cặp bổ sung của DNA hoặc cơ chế bắt cặp kháng nguyên – kháng thể. Chúng còn được sử dụng cung cấp thuốc cho từng tế bào cụ thể. Công nghệ nano sinh học còn có thể ứng dụng trong y học để tạo ra một số phương pháp tổng hợp, thử nghiệm bào chế dược phẩm như dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại, người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc. Trong lĩnh vực dược phẩm và hóa sinh, người ta có thể chế tạo ra nhiều loại thuốc trên cơ sở cấu trúc nano để có thể tập trung chính xác vào khu vực cơ thể cần dùng đến thuốc.  Ứng dụng của công nghệ nano trong lĩnh vực thực phẩm Thực phẩm nano là hướng phát triển mới của ngành công nghệ thực phẩm. Thực phẩm để lâu thường có mùi tanh, nếu lấy túi nilong thường (polyme) trộn với hạt nano sét hình tấm đúc thành túi, các hạt này sẽ nằm song song với mặt túi, ngăn chặn mùi 6 tanh rất tốt. Mặt túi nilong mật trong có chứa lớp mỏng hạt nano bạc khử được vi khuẩn, nhờ đó mà thực phẩm giữ được lâu hơn. Ngoài ra, người ta chế tạo những quả cầu rỗng có kích thước nano trong đó chứa đầy đủ chất dinh dưỡng để khi ăn, uống có thể đem chất dinh dương tới từng tế bào.  Trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông Công nghệ nano mở ra cho ICT một triển vọng mới chế tạo những linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn. Cải thiện hiểu biết về các tính chất của vật liệu và linh kiện ở kích thước nano. Tạo ra các lớp bán dẫn siêu mỏng mới, số lượng các transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transitor trên một con chip tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó. Quang điện tử là lĩnh vực liên quan tới các linh kiện dựa trên cơ chế chuyển hóa ánh sáng thành những tín hiệu truyền dữ liệu ở các màn hình, … lĩnh vực này cũng đang diễn ra xu hướng vì giảm kích thước tối đa, ví dụ như một số linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các màn hình đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet. Trong lĩnh vực điện tử nano được ứng dụng để chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại.  Trong lĩnh vực môi trường Công nghệ nano đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực và môi trường cũng không phải là một trường hợp ngoại lệ. Việc ứng dụng công nghệ nano như một đòn bẩy làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo tồn các nguồn tài nguyên và tạo nên một nền kinh tế sạch. Nhờ công nghệ nano, các nhà khoa học đã chế tạo ra những cảm biến có kích thước nano phát hiện được các chất gây ô nhiễm, chế tạo ra các màng lọc nano lọc được các phân tử gây ô nhiễm, các chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng. Công nghệ nano cho phép chúng ta thay thế những hóa chất, vật liệu hay quy trình gây ô nhiễm môi trường bằng những hóa chất vật liệu và quy trình thân thiện với môi trường hơn. 7  Trong lĩnh vực năng lượng Công nghệ nano có những lợi ích quan trọng và to lớn trong ngành năng lượng, đặc biệt là lĩnh vực tích trữ năng lượng và năng lượng mặt trời. Hiệu suất của các vật liệu cải tiến và chi phí chế tạo giảm, ngoài ra việc tăng năng suất tích trữ của pin và thời gian sử dụng của tế bào mặt trời là những lợi ích mà ngành công nghệ nano mang lại. Nhờ công nghệ nano những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo sẽ giúp con người sản suất năng lượng sạch. Sử dụng các thiết bị ít tốn năng lượng hơn do sử dụng các loại vật liệu nhỏ nhẹ hơn.  Trong lĩnh vực quốc phòng và hàng không vũ trụ Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, các vật liệu nano có thể giúp tạo ra những hệ máy bay bền hơn, nhẹ hơn, có khả năng chống sét và chống cháy tốt hơn. Các loại polymer chứa hạt nano bạc giúp làm sạch vi khuẩn trong máy bay hoặc vệ tinh. Trong công nghiệp quốc phòng, từ thiết bị giám sát, chất nổ, đến quân phục, chip xác định tần số raddio, mạch tích hợp , cảm biến sinh học cực nhỏ các loại vải và màng thông minh. Nhôm nano có thể chế tạo các loại tên lửa di chuyển nhanh hơn hoặc tăng sức công phá của các loại chất nổ. Quân phục may bằng vải kết hợp vật liệu nano có thể đổi màu theo môi trường, v.v.. Các đặc trưng của vật liệu từ 1.2. 1.2.1. Một số khái niệm Từ tính là một thuộc tính của vật liệu, các vật liệu khi hưởng ứng với từ trường sẽ có tính chất từ. Việc nghiên cứu tính chất từ của vật liệu giúp chúng ta khám phá thêm những bí ẩn của thiên nhiên, ứng dụng ngày càng hiệu quả hơn trong cuộc sống. “Từ độ” (hay độ từ hóa) là tổng các momen từ trong một đơn vị thể tích vật liệu, đặc trưng cho từ tính của vật liệu. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ (I) vào H gọi là đường cong từ hóa được biểu diễn như (hình 1.2). Đường cong từ hóa trên thu được khi H tăng dần từ 0 lên gọi là đường từ hóa cơ bản. Nếu từ một điểm trên đường từ hóa cơ bản ta giảm H về 0 và tăng theo chiều ngược lại cho đến giá trị bằng giá trị ban đầu (về giá trị tuyệt đối) rồi giảm về 0 và tăng về điểm xuất phát ta nhận được một 8 đường cong kín như (hình 1.2b) gọi là đường cong từ trễ. Trên đường từ trễ ở hình giá trị Ir gọi là độ từ dư, Hc gọi là lực kháng từ [4]. Hình 1.2. Đường cong từ hóa cơ bản và đường cong từ trễ. a) Đường từ hóa cơ bản của vật liệu sắt từ và đường từ trễ phụ. b) Đường cong từ trễ. “Từ độ bão hòa” là giá trị từ độ đạt được khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị hướng) sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các momen từ hoàn toàn song song với nhau. Khi đó đường cong từ trễ từ độ - từ trường, M(H) có dạng nằm ngang. Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt đối (0K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. Từ độ bão hòa thường kí hiệu là Ms hoặc Is. “Từ dư” là giá trị từ độ còn giữ lại được khi ngắt từ trường (H=0). Từ dư không phải là thông số mang tính chất nội tại của vật liệu mà chỉ là thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các phương từ hóa, hình dạng vật liệu từ, … “Lực kháng từ” là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa. Lực kháng từ thường kí hiệu là Hc. Lực kháng từ cũng không phải là tham số nội tại của vật liệu mà là tham số ngoại giống như từ dư. “Nhiệt độ Curie” là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Các biến đổi này không liên quan đến cấu trúc tinh thể. 9 “Vật liệu từ” là loại vật liệu mà dưới tác động của từ trường ngoài có thể bị từ hóa, có những tính chất từ đặc biệt tùy vào cách hưởng ứng của vật liệu từ trong từ trường mà chúng được chia làm 2 nhóm chính: vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. 1.2.2. Các đặc trưng của vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ được phát hiện và sử dụng sớm nhất trong lịch sử phát triển của loài người. Từ những năm 1046 đến 771 TCN, người Trung Quốc đã chế tạo ra các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng, đó là các đá nam châm có khả năng hút sắt và định hướng Bắc – Nam và những chiếc la bàn thực sự xuất hiện nhiều vào thế kỷ 7 TCN ở Trung Quốc và Hy Lạp. Các kim chỉ nam trong la bàn là một dạng của vật liệu từ cứng, đó là vật liệu oxit sắt từ (Fe3O4 hay FeFe2O4). Ngày nay, vật liệu từ cứng có nhiều ứng dụng phổ biến trong chế tạo các nam châm vĩnh cữu hoặc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng, các băng từ, … [13,14]. Vật liệu từ cứng có từ trường khử từ và từ dư lớn, đường cong từ trễ của nó rộng (bụng từ lớn), rất khó bị từ hóa (hình 1.3). Một khi bị từ hóa thì năng lượng từ của vật liệu được giữ lại lâu, có thể dùng làm nam châm vĩnh cửu. Một số vật liệu từ cứng được ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Vật liệu từ cứng khó từ hóa và khó khử từ nên có lực kháng từ cao. Theo đa số các tác giả, thì điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến tính 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 vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng tinh thể rất lớn. 10 Hình 1.3. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng. Một số vật liệu từ cứng điển hình: Vật liệu từ cứng ferrite gồm các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari (BaFexO), strontri (SrFexO) và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ lanthanum (La)) để cải thiện tính từ cứng. Nam châm vĩnh cữu tốt nhất trên thế giới hiện nay là nam châm đất hiếm Neodymium (nam châm trắng) hay còn gọi là nam châm NdFeB được cấu tạo chủ yếu của 32% Nd, 64% Fe, 1% B và một lượng nhỏ các vật liệu đất hiếm khác như Dy, Tb và một số kim loại như Co, Nb, Ga, Al, Cu. Nam châm NdFeB có lực từ trường rất lớn (tới 1,56T), lực kháng từ hơn 10 kOe và khả năng tích năng lượng tối đa 57 MGOe. Với sự phát triển nhanh chóng nam chấm Neodymium, nhiều sản phẩm công nghệ cao được phát triển (hình 1.4). Đặc biệt là ứng dụng của nó trong động cơ, làm cho các sản phẩm thu nhỏ kích thước hơn rất nhiều. Hình 1.4. Các dạng nam châm đất hiếm NdFeB: a) hình nhẫn; b) hình khối; c) hình tròn; d) hình cung. 11 1.2.3. Các đặc trưng của vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm là loại vật liệu từ phổ biến, dễ từ hóa và dễ khử từ. Vật liệu từ mềm thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ, …Hình 1.5 là đường cong từ trễ và một số thông số của vật liệu từ mềm [8, 13]. Lực kháng từ của vật liệu từ mềm phải nhỏ hơn 100 Oe. Những vật liệu có tính từ mềm tốt có giá trị lực kháng từ rất nhỏ (cỡ 0,01 Oe) và độ từ dư bé. Vât liệu từ mềm thường có từ độ bão hòa rất cao, loại vật liệu từ mềm có từ độ bão hòa cao nhất hiện nay là hợp kim Fe65Co35, giá trị Ms có thể đạt tới 2,34T. Hình 1.5. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ mềm. Các vật liệu gốm ferrite: là hợp chất của oxit sắt (III) (Fe2O3) với một oxit kim loại hóa trị (II) khác, có công thức chung là MO. Hợp kim vô định hình và nano tinh thể là các hợp kim bền của sắt hay coban ở trạng thái vô định hình, do đó có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh thể đồng thời có khả năng chống ăn mòn. Vật liệu vô định hình không có cấu trúc tinh thể nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể vì thế nó có tính từ mềm rất tốt. 1.3. Đặc trưng cấu trúc của tinh thể perovskite Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm canxi titanat (CaTiO3). Tên gọi của perovskite được đặt theo tên của nhà khoáng vật học người Nga L. A. Perovski (1792-1856), người có công nghiên cứu và phát hiện ra vật liệu này ở vùng núi Uran của Nga vào năm 1839.