Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu từ nano fepd

Khóa luận tốt nghiệp Trương Thành Trung MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................. 1 MỞ ðẦU ................................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................. 6 1.1 Vật liệu từ cứng............................................................................................. 6 1.2 Quá trình từ hóa ............................................................................................ 9 1.2.1 ðường cong từ hóa và hiện tượng từ trễ ................................................. 9 1.2.2 ðường cong từ trễ ................................................................................. 12 1.2.3 ðộ nhớt từ ............................................................................................. 13 1.3 Vật liệu FePd............................................................................................... 14 1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd ....................................................................... 14 1.3.2 Tính chất từ ........................................................................................... 17 1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc............................. 18 1.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano ............................................................ 18 1.4.1 phương pháp hóa khử ........................................................................... 19 1.4.2 Phương pháp thủy nhiệt ........................................................................ 19 1.4.3 Phương pháp sử dụng rượu ña chức ..................................................... 19 1.4.4 Phương pháp quang xúc tác .................................................................. 19 1.4.5 Phương pháp vi sóng: ........................................................................... 20 1.4.6 Phương pháp hóa siêu âm ..................................................................... 20 1.5 Mục tiêu của khóa luận ............................................................................... 22 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................... 23 2.1 Chế tạo mẫu ................................................................................................ 23 2.2 Các phép ño khảo sát tính chất của vật liệu nano FePd .............................. 24 1 Khóa luận tốt nghiệp Trương Thành Trung 2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X ........................... 24 2.2.2 Phân tích thành phần của mẫu bằng phổ tán sắc năng lượng ............... 25 2.2.3 Kính hiển vi ñiện tử truyền qua: ........................................................... 25 2.2.4 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung ........................................... 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 29 3.1 Hình thái và cấu trúc ................................................................................... 29 3.1.1 Kết quả nhiễu xạ tia X .......................................................................... 29 3.1.3 Phổ tán sắc năng lượng EDS ............................................................... 32 3.2 Tính chất từ ................................................................................................. 33 3.2.1 ðường cong từ trễ ................................................................................. 33 3.2.2 Hiệu ứng nhớ từ .................................................................................... 38 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 47 2 Mở ñầu Trương Thành Trung MỞ ðẦU Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một nhánh nghiên cứu dành ñược sự quan tâm ñặc biệt của các nhà khoa học do những ñặc ñiểm và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thường. Có ba nguyên nhân chính dẫn ñến sự khác biết này. Thứ nhất là tác ñộng của các hiệu ứng lượng tử khi hạt có kích thước nano. Các hạt không tuân theo quy luật vật lý cổ ñiển nữa, thay vào ñó là các quy luật vật lý lượng tử mà hệ quả quan trọng là các ñại lượng vật lý bị lượng tử hóa. Thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thước của hạt càng giảm thì phần vật chất tập trung ở bề mặt chiếm một tỷ lệ càng lớn, hay nói cách khác là diện tích bề mặt tính cho một ñơn vị khối lượng càng lớn. Cuối cùng là hiệu ứng tới hạn, xảy ra khi kích thước của vật liệu nano ñủ nhỏ ñể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Chính ba yếu tố này ñã tạo ra sự thay ñổi lớn về tính chất của vật liệu nano. Và cũng vì vậy, vật liệu nano thu hút ñược sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các các vật liệu có những tính chất ưu việt với mong muốn ứng dụng chúng ñể chế tạo ra các sản phẩm mới có tính năng vượt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục ñích khác nhau. Trong thời ñại ngày nay, công nghệ nano có thể nói là hướng nghiên cứu ñang thu hút ñược nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cung như các nhà ñầu tư công nghiệp bỏi ứng dụng to lớn của nó trong sản suất các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, chế tạo các thiết bị ñiện tử. Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn chính xác hơn các thiết bị với công nghệ micro trước ñó. Với sự gia tăng của mật ñộ ghi từ hàng năm, kích thước của bít thông tin trên vật liệu ghi từ còn phải giảm nhiều nữa. Các linh kiện ñiện tử ñòi hỏi các vật liệu từ có lực kháng từ và từ dư lớn ñể ñảm bảo giá trị từ lực lớn, thậm chí ở kích thước nhỏ. Với yêu cầu ñó chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng ở cấu trúc nano. 3 Mở ñầu Trương Thành Trung Trong những năm gần ñây một số vật liệu từ cứng ñã ñược ñưa vào nghiên cứu, chế tạo, có cấu trúc pha L10 như hợp kim FePt, CoPt, FePd… với dị hướng từ tinh thể lớn (FePt: Ku=6,6-10 x 107 erg/cm3, CoPt: Ku=4,9x107 erg/cm3 và FePd: Ku=1,8x107 erg/cm3) [4]. Vật liệu từ cứng có ñộ nhớt từ cao, thông qua hiệu ứng nhớt từ mà người ta có thể rút ra các cơ chế quan trọng trong việc tìm ra bản chất của quá trình quay của các mô men từ và cơ chế của lực kháng từ trong vật liệu. Từ ñó nghiên cứu tính chất nhớ từ của vật liệu từ cứng [5]. Trong khóa luận này chúng tôi tiến hành: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu từ nano FePd” Mục ñích của khóa luận: - Chế tạo vật liệu nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau bằng phương phá hóa siêu âm. - Nghiện cứu chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với HC lớn. - Nghiên cứu tính chất từ của vật liệu nano FePd khi ñược chế tạo với các tỷ lệ thành phần khác nhau và ñược ủ tại các nhiệt ñộ khác nhau. Phương pháp nghiên cứu: Khóa luận ñược tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các mẫu sử dụng trong khóa luận ñược chế tạo bằng các phương pháp hóa siêu âm. Cấu trúc hình thái, thành phần và tính chất từ của mẫu ñược kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction-XRD), xác ñịnh thành phần của mẫu bằng máy ño EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), kính hiển vi ñiện tử truyền qua TEM (transmission electron microscopy). Tính chất từ ñược tiến hành trên hệ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer), các phép ño trên ñược thực hiện tại Trung tâm khoa học vật liệu – Trường ðại Học Khoa học Tự nhiên – ðại học Quốc Gia Hà Nội. 4 Mở ñầu Trương Thành Trung Bố cục của khóa luận: Mở ñầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo. 5 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính từ "cứng" ở ñây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa [1], chứ không xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ. Vật liệu từ cứng có nhiều ñặc trưng từ học như Hc lớn, tích năng lượng từ cực ñại (BH)max lớn... Hình 1.1. ðường cong từ trễ và các ñặc trưng của vật liệu từ cứng. Lực kháng từ: Lực kháng từ, ký hiệu là Hc là ñại lượng quan trọng ñặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại vớivật liệu từ mềm, có lực kháng từ cao. ðiều 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 các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan ñến ñến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ 6 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính ñối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và có dị hướng từ tinh thể rất lớn. Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thường ñược biết ñến qua công thức (1.1): (1.1) trong ñó:
Thành phần thứ nhất có ñóng góp lớn nhất với K1 là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, Is là từ ñộ bão hòa.
Thành phần thứ 2, ñóng góp nhỏ hơn một bậc với N1,N2 là thừa số khử từ ño theo hai phương khác nhau.
Thành phần thứ 3 có ñóng góp nhỏ nhất với λs là từ giảo bão hòa, τ là ứng suất nội. Và a, b, c lần lượt là các hệ số ñóng góp. Tích năng lượng từ cực ñại: Tích năng lượng cực ñại là ñại lượng ñặc trưng cho ñộ mạnh yếu của vật từ, ñược ñặc trưng bởi năng lượng từ cực ñại có thể tồn trữ trong một ñơn vị thể tích vật từ. ðại lượng này có ñơn vị là ñơn vị mật ñộ năng lượng J . m3 Tích năng lượng từ cực ñại ñược xác ñịnh trên ñường cong khử từ (xem hình vẽ) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên ñường cong từ trễ, là một ñiểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trường H là cực ñại. Vì thế, tích năng lượng từ cực ñại thường ñược ký hiệu là (BH)max. Vì là tích của B (ñơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (ñơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lượng từ còn có một ñơn vị khác là GOe (ñơn vị này thường dùng hơn ñơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ) 1GOe = 8 J . 1000 m3 7 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung ðể có tích năng lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dư cao. Ngoài ra, một số vật liệu từ cứng ñược ứng dụng trong các nam châm hoạt ñộng ở nhiệt ñộ cao nên nó ñòi hỏi nhiệt ñộ Curie rất cao. ðây là nhiệt ñộ mà tại ñó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Trong thực tế vật liệu từ cứng ñược sử dụng nhiều trong chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc ñược sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ ñĩa cứng. Trong ñó người ta thường dung các loại vật liệu sau: Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - ñất hiếm: ðiển hình là hai hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium-Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể ñạt tới trên 10 kOe và có từ ñộ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ cứng, do ñó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể ñạt tới 40 kOe), và có nhiệt ñộ Curie rất cao nên thường sử dụng trong các máy móc có nhiệt ñộ hoạt ñộng cao (nam châm nhiệt ñộ cao). Tuy nhiên, nhược ñiểm của các nam châm ñất hiếm là có ñộ bền không cao (do các nguyên tố ñất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố ñất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt ñộ Curie không cao lắm (312oC) nên không sử dụng ở ñiều kiện khắc nghiệt ñược. Nam châm ñất hiếm có tích năng lượng từ kỷ lục là Nd2Fe14B ñạt tới 57 MGOe. Hệ vật liệu α -Fe/Nd 2Fe14B [6] có tích năng lượng cực ñại (BH)max=31 MGOe. Hợp kim FePt và CoPt: Bắt ñầu ñược nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu ñiểm là có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay ñang ñược sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng. Vật liệu FePt/Fe3B [7] có Hc=7.5kOe, (BH)max=14.0MGOe. 8 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 1.2 Quá trình từ hóa 1.2.1 ðường cong từ hóa và hiện tượng từ trễ Các quá trình b và c trong toàn bộ quá trình từ hoá trên hình (1.2) có thể xảy ra ñồng thời với nhau ở một khoảng giá trị nào ñó của H. Lúc khử từ, trạng thái sắt từ ñược biểu diễn bởi: I = ∑ I SVi cos θ i = 0 (1.2) i ở ñây Vi là thể tích ñômen thứ i, θi là góc giữa véc tơ từ ñộ bão hoà IS của ñômen này ñối với một phương nhất ñịnh. Hình 1.2 Quá trình từ hoá dưới ảnh hưởng của từ trường tăng dần: a) Mẫu hoàn toàn khử từ. b) H ≠ 0 và nhỏ, các ñômen gần hướng với từ trường ngoài nở ra, ngược hướng với từ trường ngoài co lại. c) H ≠ 0 và ñủ lớn, véc tơ từ ñộ quay trùng với hướng của H 9 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung Khi H ≠ 0, từ ñộ trở nên khác không và ñạt giá trị ∆Ι. Sau khi lấy vi phân phương trình (1.2), Ta có: ∆I = I S ∑cosθi ∆Vi + ∑Vi (cosθi ) i (1.3) i Số hạng thứ nhất mô tả phần ñóng góp vào từ ñộ gây nên bởi sự dịch chuyển vách ñômen và tương ứng với quá trình trên hình 1.2 gọi là quá trình dịch chuyển vách (wall motion process). Số hạng thứ hai gây bởi sự quay của mô men từ theo phương của trường ngoài và tương ứng quá trình trên hình 1.4 gọi là quá trình quay (rotation process). Tương ứng với hai quá trình ñó ñộ cảm từ χ= dI cũng có thể chia hai thành phần, một thành phần tương ứng với biến dH thiên từ ñộ gây bởi sự dịch chuyển vách: δI dc = I S ∑ cosθ i δvi và một thành phần ứng với biến thiên từ ñộ do sự quay của véc tơ I: δI q = I S ∑ vi δ cosθ i . Do ñó ta có: dI  dI   dI  =  +  dH  dH  dc  dH  q (1.4) χ = χdc + χq (1.5) hay Thông thường vật liệu từ ñược chia thành hai loại căn cứ theo giá trị của χ và HC. Vật liệu từ mềm có χ lớn và HC nhỏ và quá trình từ hoá ban ñầu cơ bản qui ñịnh bởi quá trình dịch chuyển vách, và vật liệu từ cứng với χ nhỏ và HC lớn và quá trình từ hoá ban ñầu cơ bản qui ñịnh bởi quá trình quay. Quá trình từ hoá bất thuận nghịch – Nguyên nhân sự trễ từ: Ta xét vách 1800 ngăn cách 2 ñômen theo mặt phẳng yz trong một tinh thể thực (H 1.6). Nếu ñặt từ trường ngoài H song song với trục z thì vách ñômen dịch chuyển và ñômen có I song song với H nở ra, ñômen có I phản song song với H bị co lại. Phương trình cho trạng thái cân bằng của vách là: (Năng lượng do sự ñảo từ) = (Công dịch chuyển vách ñômen) 10 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung Do ñó ta có: HI S yz∂x − (− HI S yz∂x ) = ∂γ ⇒ 2 HI S ∂x = ∂x dx dγ yz∂x dx (1.6) Trong từ trường ngoài, vị trí mới của vách tương ứng với một năng lượng vách ñômen khác trước. Nếu do tác dụng của từ trường ngoài H vách dịch một ñoạn ∂x < OA (Hình 1.3) thì bởi vì tại ñấy năng lượng vách lớn hơn tại vị trí x = 0 nên sau khi ngắt từ trường ngoài, vách ñômen lại dịch chuyển về vị trí x = 0, phục hồi lại trạng thái khử ban ñầu. ðây là quá trình dịch chuyển vách thuận nghịch. Hình 1.3. a)Mô hình hai ñômen ñược phân cách bởi một vách 1800 nằm trên mặt phẳng yz; b) và c) Sự phụ thuộc của năng lượng vách γ và gradient ∂γ/∂x của lớp chuyển tiếp giữa các ñômen (vách ñômen) vào từ ñộ. 11 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung Nếu từ trường ñủ lớn ñể vách dịch chuyển qua ñiểm A, thì vì tại ñây năng lượng vách biến thiên cực ñại (∂γ/∂x ñạt giá trị max), nên vách có thể tự ñộng dịch ñến ñiểm C có giá trị ∂γ/∂x tương ñương mà không cần phải có từ trường ngoài. ðoạn dịch chuyển AC gọi là bước nhảy Barkhausen. Sau quá trình từ hoá ñó, nếu ngắt từ trường ngoài thì vách không về vị trí x = 0 mà về vị trí B ứng với cực tiểu năng lượng. Kích thước các ñômen thuận vẫn lớn hơn kích thước các ñômen nghịch gây ra ñộ từ hoá còn dư giữa một cặp ñômen I = 2ISdx/d0 với d0 là ñộ rộng của ñômen, dx là ñộ dịch vách. Quá trình này là quá trình từ hoá bất thuận nghịch và là nguyên nhân gây ra sự trễ từ. 1.2.2 ðường cong từ trễ Hình 1.4. ðường cong từ trễ - ðặc tính lý thú của vật liệu sắt từ, vật liệu ñược từ hoá tới bão hoà khi từ trường ngoài tăng lên và vẫn giữ giá trị khác 0 khi từ trường ngoài giảm tới 0. 12 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung ðặc tính lý thú của vật liệu sắt từ, vật liệu ñược từ hoá tới bão hoà khi từ trường ngoài tăng lên nhưng vẫn giữ giá trị khác 0 khi từ trường ngoài giảm tới 0 (H 1.4). ðó chính là hiện tượng trễ từ ñược thể hiện trên ñường cong từ trễ. Hiện tượng này có liên quan trực tiếp tới cấu trúc ñômen của vật liệu. Chính nhờ khả năng nhớ từ này mà một số vật liệu sắt từ ñược sử dụng ñể làm vật liệu ghi từ. 1.2.3 ðộ nhớt từ ðộ nhớt từ là thuật ngữ ñể mô tả sự thay ñổi từ ñộ phụ thuộc vào thời gian mà không liên quan ñến trường tác dụng. Thực nghiệm ñã chứng tỏ rằng, khi ñặt hay ngắt từ trường ngoài, từ ñộ, ñộ từ thẩm,... của vật liệu từ chỉ ñạt ổn ñịnh sau một thời gian, nghĩa là, từ tính cảu vật liệu không thay ñổi ñồng bộ với từ trường từ hóa. Hiện tượng ñó gọi là hiện tượng nhớt từ. Hình 1.5 mô tả hiện tượng nhớt từ. Hình 1.5. ðường cong nhớt từ. Quy luật suy giảm của từ ñộ theo thời gian: M ( H , t ) = M ( H ,t0 ) − s ln( t t0 ) (1.7) Từ ñộ suy giảm ñó người ta tính ñược ñộ nhớt từ: S = dM / d (ln t ) 13 (1.8) Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 1.3 Vật liệu FePd Với nhu cầu nâng cao mật ñộ ghi từ trên một inch vuông (phổ biến hiện nay là 100 Gb/in2 có thể nâng ñến hang Tb/in2) và việc tiểu hình hóa các thiết bị ghi từ, ñã thúc ñẩy việc nghiên cứu chế tạo các hạt nano từ cứng với các tính chất ñặc trưng như: năng lượng dị hướng từ tinh thể cao, lực kháng từ lớn, từ ñộ bão hòa cao. Một trong những vật liệu có tính chất lưu trữ từ tính mật ñộ cao là các hạt nano FePd với cấu trúc trật tự L10. Tính từ cứng của các hạt nano hợp kim L10-FePd bắt nguồn từ cấu trúc trật tự tứ giác với năng lượng dị hướng từ tinh thể cao. Hợp kim FePd có thể tồn tại với các trạng thái khác nhau tuỳ thuộc vào nhiệt ñộ ủ, hợp phần và trạng thái cấu trúc tinh thể của vật liệu. Khi ủ trong hợp kim ñã xuất hiện chuyển pha bất trật tự - trật tự với cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) L1o kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt với ưu ñiểm là có lực kháng từ lớn. 1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd Hình 1.6 thể hiện giản ñồ pha của hệ hợp kim Fe-Pd. Trước khi ủ vật liệu có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc). Các nghiên cứu trước ñây ñã chỉ ra rằng pha trật tự γ 1 của hợp kim FePd có cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) loại L10 với các hằng số mạng: a= 3,852 Å và c= 3,723 Å. Cấu trúc này ñược gọi là pha trật tự L10 của FePd. 14 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung Hình 1.6 Giản ñồ pha của hợp kim Fe-Pd [8] Trong pha trật tự L10, các nguyên tử Fe (000, ½ ½ 0) và Pd (½ 0 ½, 0 ½ ½) tạo nên các mặt phẳng luân phiên dọc theo trục c, dẫn tới hiệu ứng méo mạng tứ diện. Những pha này có thể tồn tại trong trạng thái bất trật tự với sự phân bố Hình 1.7. Cấu trúc tính thể của các pha bất trật tự (fcc) (a) và trật tự (fct) (b) của hợp kim FePd (Hình tròn rỗng là Pd, hình tròn ñặc là Fe). 15 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung của các nguyên tử Fe và Pd là tự do hay trật tự một phần hoặc trong trạng thái trật tự hoàn toàn, mà ở ñó các nguyên tử Fe và Pd chiếm những vị trí xác ñịnh (hình 1.7). Ở cấu trúc trật tự hoàn toàn L10 (fct), các nguyên tử Fe và Pt sẽ lần lượt chiếm các mặt phẳng kế tiếp nhau dọc theo trục c của ô nguyên tố, trong khi ñó ở cấu trúc bất trật tự (fcc), xác suất các nguyên tử chiếm bất kỳ bặt phẳng nguyên tử nào là hoàn toàn như nhau. Quá trình chuyển pha bất trật tự-trật tự không chỉ dẫn ñến sự thay ñổi trong xác suất chiếm giữ các vị trí trong ô nguyên tố mà còn dẫn ñến sự biến ñổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1. Khi ñó pha bất trất tự ñược chuyển sang pha trật tự nhờ việc xử lý nhiệt. Chế ñộ ủ ñược ñiều chỉnh ñể các nguyên tử có ñủ năng lượng nhiệt ñể chuyển ñộng tới vị trí của chúng và ñịnh xứ ở ñó. Với sự hình thành cấu trúc trật tự xa, có hai hiệu ứng quan trọng xảy ra. ðầu tiên là sự thăng giáng về thành phần hoá học dọc theo các trục tinh thể, hiệu ứng thứ hai là hệ quả của hiệu ứng trên, xuất hiện do những thay ñổi trong tính ñối xứng của ô cơ bản. Lúc này các trục tinh thể tương ñương với nhau trong cấu trúc mất trật tự trở nên không tương ñương trong cấu trúc trật tự. Hai hiệu ứng này ảnh hưởng rất mạnh tới tính chất từ vật liệu. Với tính chất chuyển pha cấu trúc ñặc biệt từ pha fcc sang pha fct, người ta tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc và sự thay ñổi cấu trúc của vật liệu nano Fe-Pd. Bằng cách thay ñổi công nghệ hoặc ñiều kiện xử lý nhiệt ñể ñiều chỉnh quá trình chuyển pha này, từ ñó ñiều chỉnh tỷ phần pha trật tự fct trong mẫu. Do ñặc ñiểm không cân bằng vốn có trong quá trình chế tạo nên mẫu FePd ngay sau chế tạo có cấu trúc tinh thể mất trật tự. Cấu trúc trật tự fct chỉ xuất hiện sau khi mẫu ñã ñược xử lý nhiệt. Trong khuôn khổ khóa luận này chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu vật liệu nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau và khảo sát sự chuyển pha cấu trúc khi ủ tại các nhiệt ñộ 450oC, 500oC, 550oC, 600oC, 650oC. 16 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 1.3.2 Tính chất từ a. Dị hướng từ: Trong vật liệu từ, nội năng phụ thuộc vào hướng của ñộ từ hoá tự phát. Sự phụ thuộc này gọi là dị hướng từ. Năng lượng ứng với dị hướng từ gọi là năng lượng dị hướng từ. Dị hướng từ tinh thể, tăng do tương tác cặp spin - quỹ ñạo, rất quan trọng trong việc xác ñịnh biểu hiện từ của hạt ñơn. Dạng ñơn giản nhất của dị hướng từ tinh thể là dị hướng ñơn trục. Trong tinh thể từ, luôn tồn tại một phương dễ từ hoá hơn các phương còn lại. Phương từ hoá dễ thường ñồng nhất với trục hình học của tinh thể. Năng lượng từ tinh thể EC phụ thuộc vào hương tương quan của phương từ hoá và trục của tinh thể và ñược xác ñịnh bởi biểu thức (1.9): E C = K 1 sin 2 θ + K 2 sin 4 θ + ... (1.9) Ở ñó, θ là góc giữa phương từ hoá và trục dễ, Ki là hằng số dị hướng bậc i. Trong trường hợp dị hướng mặt phẳng, θ là góc giữa phương từ hoá và mặt phẳng màng. Trong một số trường hợp màng ñịnh hướng vuông góc, θ là góc giữa phương từ hoá và phương vuông góc với mặt phẳng màng. b. Trật tự L10 ở nhiệt ñộ thấp của vật liệu Fe-Pd: Ghi từ là kỹ thuật lưu trữ thông tin tiến bộ và ngày nay vẫn ñang tiếp tục phát triển mạnh với khả năng lưu trữ thông tin ngày càng tăng lên. Tuy nhiên, có một khó khăn ñặt ra là giá trị nhiệt ñộ trật tự hoá cao hoàn toàn không thích hợp cho việc xản xuất vật liệu ghi từ hàng loạt với quy mô lớn. Vì thế, làm thế nào ñể giảm nhiệt ñộ trật tự hoá là một bài toán hết sức quan trọng và cần thiết. Cần chú ý tới một số thông số ảnh hưởng ñến nhiệt ñộ trật tự hoá sau: nhiệt ñộ phát triển mầm [9], các lớp ñệm [10,11]. Cấu trúc L10 là nguyên nhân chính của sự xuất hiện các tính chất từ nổi bật ở họ hợp kim Fe-Pd. Bên cạnh ñó, nhiệt ñộ xử lý lớn sẽ là vấn ñề gây trở ngại và khó thực hiện. Vì vậy, việc tìm kiếm giải pháp làm giảm nhiệt ñộ chuyển pha ñang là vấn ñề quan tâm của các nhà khoa học. Vật liệu FePd có ưu ñiểm là 17 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung có nhiệt ñộ chyển pha cấu trúc thấp hơn so với các vật liệu ñã ñược nghiên cứu trước ñây như CoPt, FePt… 1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc Sự có mặt của pha trật tự sau khi mẫu ñược xử lý nhiệt làm cho giá trị HC tăng lên hơn hẳn so với pha bất trật tự. Hơn nữa, khi có sự trộn lẫn giữa hai pha trật tự và bất trật tự sẽ hình thành nên các biên “phản pha” ghim chặt các vách ñômen, chính ñiều này làm cho giá trị HC tăng lên ñáng kể. Những nghiên cứu tiếp theo ghi nhận rằng giá trị lực kháng từ HC lớn nhất xuất hiện ngay cả trong hợp kim có cấu trúc trật tự hoàn toàn. ðặc biệt, giá trị HC tăng tuyến tính theo tỷ phần pha trật tự có trong mẫu. Pha trật tự trong mẫu xuất hiện càng nhiều thì càng làm cho HC lớn. Lý giải cho ñiều này người ta căn cứ vào việc xuất hiện các biên “phản pha” khi có sự xuất hiện của pha trật tự. Các biên pha này ñóng vai trò là các tâm ghi ngăn cản sự dịch chuyển của vách ñômen trong mẫu, bản thân các tâm ghim này lại tương ứng với tỷ phần của thể tích pha trật tự. Do ñó, giá trị HC phụ thuộc trực tiếp vào tỷ phần pha trật tự trong mẫu. Giá trị HC càng lớn nếu như tỷ phần pha L10 càng lớn. 1.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano Hiện nay có các phương pháp chế tao hạt nano kim loại trên nền kim loại chuyển tiếp như sau:  Phương pháp hóa khử  Phương pháp thủy nhiệt  Phương pháp vi sóng  Phương pháp quang xúc tác  Phương pháp hóa siêu âm  Phương pháp sử dụng rượu ña chức 18 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung 1.4.1 phương pháp hóa khử Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học ñể khử ion kim loại thành kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Dung dịch ban ñầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+... thành Ag0, Au0... 1.4.2 Phương pháp thủy nhiệt Phương pháp thủy nhiệt ñược ñịnh nghĩa là phản ứng xảy ra do sự kết hợp của dung dịch hoặc các khoáng chất ở ñiều kiện nhiệt ñộ và áp suất cao ñể hòa tan và tái kết tinh vật liệu mà không hòa tan ñược ở nhiệt ñộ thường. Theo ñịnh nghĩa của Byrappa và Yoshimura, thủy nhiệt chỉ quá trình hóa học xảy ra trong một dung dịch (có nước hoặc không có nước) ở nhiệt ñộ trên nhiệt ñộ phòng và áp suất lớn hơn 1 atm xảy ra trong một hệ kín. Các dung dịch ñược chọn ở nồng ñộ thích hợp. Chúng ñược trộn với nhau, sau ñó cho vào bình thủy nhiệt ñể phản ứng xảy ra ở một nhiệt ñộ và thời gian thích hợp. Sau phản ứng, quay ly tâm thu ñược kết tủa rồi lọc rửa vài lần bằng nước cất và cồn. Sấy khô kết tủa ở nhiệt ñộ và thời gian sấy hợp lý ta thu ñược mẫu cần chế tạo. 1.4.3 Phương pháp sử dụng rượu ña chức Phương pháp sử dụng rượu ña chức (Phương pháp Polyol) các hạt nanô ñược hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rượu ña chức). Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc trong một số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Tiền chất có thể hòa tan trong polyol rồi ñược khuấy và nâng ñến nhiệt ñộ sôi của polyol ñể khử các ion kim loại thành kim loại. Bằng cách ñiều khiển ñộng học kết tủa mà chúng ta có thể thu ñược các hạt kim loại với kích thước và hình dáng như mong muốn. 1.4.4 Phương pháp quang xúc tác Phương pháp này sử dụng nguồn laser kích thích hay còn gọi là phương pháp ăn mòn laser,vật liệu ban ñầu là một tấm kim loại ñược ñặt trong một dung 19 Chương 1: Tổng quan Trương Thành Trung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm laser xung có bước sóng 532 nm, ñộ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, ñường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm ñược hình thành. 1.4.5 Phương pháp vi sóng: Là phương pháp sử dụng sóng viba làm xúc tác (sóng vi ba là sóng ñiện từ mà vùng tần số nằm giữa vùng hồng ngoại và vùng sóng vô tuyến, khoảng 0.3 ñến 30 GHz tương ứng với bước sóng 1mm ñến 1m). Khi chiếu sóng vi ba các dung môi phân cực chẳng hạn như nước, chỉ xảy ra hiện tượng tăng nhiệt do cơ chế quay lưỡng cực ñiện xảy ra ñồng ñều tại mọi nơi trong chất lỏng. Nhưng nếu cho thêm các chất có các ion dẫn thì xảy ra thêm cơ chế tăng nhiệt do sự dao ñộng các ion dẫn. Các ion này không ở mọi nơi trong chất lỏng như các lưỡng cực ñiện mà phân bố rải rác một cách ñồng ñều. Tại những vị trí có ion dẫn, nhiệt ñộ tăng mạnh so với các ñiểm xung quanh theo cơ chế tăng nhiệt do sự dao ñộng các ion dẫn, ñây là ñiều kiên thuận lợi cho phản ứng xảy ra và Chênh lệch nhiệt ñộ giữa môi trường xung quanh và các vị trí này rất lớn, vì vậy ngay lập tức xảy ra quá trình cân bằng nhiệt với tốc ñộ giảm nhiệt cao. Chính ñiều này ngăn cản quá trình kết tinh của vật liệu, dẫn ñến việc tạo ra các vật liệu vô ñịnh hình. 1.4.6 Phương pháp hóa siêu âm Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong ñó, các phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của sóng siêu âm như một dạng xúc tác [12]. Sóng siêu âm là sóng dọc, nó là quá trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng. Tần số thường sử dụng trong các máy siêu âm là 20 kHz cao hơn ngưỡng nhận biết của tai người (từ vài Hz ñến 16 kHz). Khi sóng siêu âm ñi qua một chất lỏng, sự giãn nở do siêu âm gây ra áp suất âm trong chất lỏng kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau. Nếu cường ñộ siêu âm ñủ mạnh thì sự giãn nở này sẽ tạo ra những lỗ hổng trong chất lỏng. ðiều này xảy ra khi áp suất âm ñó lớn hơn sức căng ñịa phương của chất lỏng. Sức căng cực ñại này lại phụ thuộc vào từng chất 20