Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hạt nano FePd

Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Trƣơng Thành Trung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 1 Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Trƣơng Thành Trung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 60 44 01 04 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hoàng Nam Hà Nội - 5/2013 2 Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 8 1.1 Vật liệu từ cứng .......................................................................................... 8 1.2 Quá trình từ hóa ....................................................................................... 11 1.2.1 Đƣờng cong từ hóa và hiện tƣợng từ trễ ............................................. 11 1.2.2 Đƣờng cong từ trễ .............................................................................. 14 1.2.3 Độ nhớt từ .......................................................................................... 15 1.3 Vật liệu FePd ............................................................................................ 16 1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd ..................................................................... 16 1.3.2 Tính chất từ ........................................................................................ 18 1.3.3 Mối liên hệ giữa pha trật tự L10 và lực kháng từ Hc ............................ 19 1.4. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano .......................................................... 20 1.4.1 Phƣơng pháp hóa khử ......................................................................... 20 1.4.2 Phƣơng pháp thủy nhiệt ...................................................................... 21 1.4.3 Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức.................................................... 21 1.4.4 Phƣơng pháp quang xúc tác ................................................................ 21 1.4.5 Phƣơng pháp vi sóng: ......................................................................... 21 1.4.6 Phƣơng pháp hóa siêu âm ................................................................... 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................... 25 2.1 Chế tạo mẫu ............................................................................................. 25 2.2 Các phép đo khảo sát tính chất của hạt nano FePd .................................... 26 2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .......................... 26 2.2.2 Phân tích thành phần của mẫu bằng phổ tán sắc năng lƣợng ............... 27 2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua .......................................................... 27 3 Luận văn tốt nghiệp Trƣơng Thành Trung 2.2.4 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung.......................................... 29 2.2.5 Khảo sát tính chất từ bằng hệ đo các thông số vật lý (PPMS) ............. 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 32 3.1 Hình thái và cấu trúc ................................................................................ 32 3.1.1 Kết quả nhiễu xạ tia X ........................................................................ 32 3.1.3 Phổ tán sắc năng lƣợng EDS ............................................................. 35 3.2 Tính chất từ .............................................................................................. 36 3.2.1 Đƣờng cong từ trễ .............................................................................. 36 3.2.1.1 Kết quả đo trên máy VSM ............................................................... 37 3.2.1.2 Kết quả đo trên máy PPMS ............................................................. 41 3.2.2 Hiệu ứng nhớ từ ................................................................................. 45 KẾT LUẬN ....................................................................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 53 4 Mở đầu Trƣơng Thành Trung MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một nhánh nghiên cứu dành đƣợc sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học do những đặc điểm và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thƣờng. Có ba nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt này. Thứ nhất là tác động của các hiệu ứng lƣợng tử khi vật liệu có kích thƣớc nano. Các vật liệu nano không tuân theo quy luật vật lý cổ điển nữa, thay vào đó là các quy luật vật lý lƣợng tử mà hệ quả quan trọng là các đại lƣợng vật lý bị lƣợng tử hóa. Thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thƣớc của vật liệu 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 đơn vị khối lƣợng càng lớn. Cuối cùng là hiệu ứng tới hạn, xảy ra khi kích thƣớc của vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với các kích thƣớc tới hạn của một số tính chất. Chính ba yếu tố này đã tạo ra sự thay đổi lớn về tính chất của vật liệu nano. Và cũng vì vậy, vật liệu nano thu hút đƣợc sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các vật liệu có những tính chất ƣu việt với mong muốn ứng dụng chúng để chế tạo ra các sản phẩm mới có tính năng vƣợt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau. Trong thời đại ngày nay, công nghệ nano là hƣớng nghiên cứu đang thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng nhƣ các nhà đầu tƣ công nghiệp bởi ứng dụng to lớn của nó trong sản suất các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, chế tạo các thiết bị điện tử. Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn, thể hiện độ tinh xảo ƣu việt hơn hẳn các thiết bị với công nghệ micro trƣớc đó. Trong những năm gần đây một số vật liệu từ cứng đã đƣợc đƣa vào nghiên cứu, chế tạo, có cấu trúc pha L10 nhƣ hợp kim FePt, CoPt, FePd… với dị hƣớng 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]. Do đó, các hạt nano trên có thể đƣợc sử dụng để chế tạo các vật liệu ghi từ mật độ cao. 5 Mở đầu Trƣơng Thành Trung Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp này chúng tôi tiến hành: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hạt nano FePd” Mục đích của luận văn: - Chế tạo hạt nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. - Nghiện cứu chuyển pha bất trật tự - trật tự 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 hạt nano FePd trong vật liệu chế tạo đƣợc. Phƣơng pháp nghiên cứu: Khóa luận đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp thực nghiệm. Các mẫu sử dụng trong khóa luận đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. Cấu trúc hình thái, của mẫu đƣợc kiểm tra bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray DiffractionXRD), kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (transmission electron microscopy). Xác định thành phần của mẫu bằng máy đo EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). Tính chất từ đƣợc tiến hành trên hệ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer), hệ đo các tính chất vật lý PPMS (Physical Property Measurement System). Các phép đo trên đƣợc thực hiện tại Trung tâm khoa học vật liệu – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội và Trung tâm Nano và Năng lƣợng – Đại học Quốc gia Hà Nội. Bố cục của khóa luận: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan - Trình bày sơ lƣợc về hệ hợp kim của hai nguyên tố Fe-Pd, một số đặc trƣng trong cấu trúc tinh thể ảnh hƣởng đến tính chất từ của hệ vật liệu này. Chƣơng 2: Thực nghiệm – Trình bày Phƣơng pháp chế tạo mẫu, các thiết bị thực nghiệm đƣợc sử dụng để nghiên cứu các tính chất của hệ mẫu Fe-Pd đƣợc chế tạo. 6 Mở đầu Trƣơng Thành Trung Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - Những kết luận cơ bản và khái quát nhất thu đƣợc trên đối tƣợng nghiên cứu của luận văn. Kết luận Tài liệu tham khảo. 7 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung CHƢƠNG 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 đây 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 đặc trƣng từ học nhƣ Hc lớn, tích năng lƣợng từ cực đại (BH)max lớn... Hình 1.1. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng. Lực kháng từ: Lực kháng từ, ký hiệu là Hc là đại lƣợng quan trọng đặc trƣng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngƣợc lại với vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn. Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhƣng vật liệu từ cứng phổ biến thƣờng 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 đến đến dị hƣớng từ tinh thể lớn trong vật 8 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung liệu. Các vật liệu từ cứng thƣờng có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và có dị hƣớng từ tinh thể rất lớn. Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thƣờng đƣợc biết đến qua công thức (1.1): (1.1) trong đó:  Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với K1 là hằng số dị hƣớng từ tinh thể bậc 1, Is là từ độ bão hòa.  Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N1,N2 là thừa số khử từ đo theo hai phƣơng khác nhau.  Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với λs là từ giảo bão hòa, τ là ứng suất nội. Và a, b, c lần lƣợt là các hệ số đóng góp. Tích năng lƣợng từ cực đại: Tích năng lƣợng cực đại là đại lƣợng đặc trƣng cho độ mạnh yếu của vật từ, đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ. Đại lƣợng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lƣợng J . m3 Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc xác định trên đƣờng cong khử từ (xem hình 1.1) thuộc về góc phần tƣ thứ 2 trên đƣờng cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trƣờng H là cực đại. Vì thế, tích năng lƣợng từ cực đại thƣờng đƣợc ký hiệu là (BH)max. Vì là tích của B (đơn vị trong CGS là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lƣợng từ còn có một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thƣờng dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và công nghệ vật liệu từ) 1GOe  8 J . 1000 m 3 9 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Để có tích năng lƣợng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dƣ cao. Ngoài ra, một số vật liệu từ cứng đƣợc ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất thuận từ. Trong thực tế vật liệu từ cứng đƣợc sử dụng nhiều trong chế tạo các nam châm vĩnh cửu hoặc đƣợc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng. Trong đó ngƣời ta thƣờng dung các loại vật liệu sau: Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm: Điển 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 đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ cứng, do đó tạo ra tích năng lƣợng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên thƣờng sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao). Tuy nhiên, nhƣợc điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm (312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt đƣợc. Nam châm đất hiếm có tích năng lƣợng từ kỷ lục là Nd2Fe14B đạt tới 57 MGOe. Hệ vật liệu α -Fe/Nd 2Fe14B [5] có tích năng lƣợng cực đại (BH)max=31 MGOe. Hợp kim FePt và CoPt: Bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm mặt (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L1o, có ƣu điểm là có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay đang đƣợc sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng. Vật liệu FePt/Fe3B [6] có Hc=7.5 kOe, (BH)max=14 MGOe. 10 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung 1.2 Quá trình từ hóa 1.2.1 Đƣờng cong từ hóa và hiện tƣợng từ trễ Các quá trình b và c trong toàn bộ quá trình từ hoá trên hình (1.2) có thể xảy ra đồng thời với nhau ở một khoảng giá trị nào đó của H. Lúc khử từ, trạng thái sắt từ đƣợc biểu diễn bởi: I   I SVi cos i  0 (1.2) i ở đây Vi là thể tích đômen thứ i, θi là góc giữa véc tơ từ độ bão hoà IS của đômen này đối với một phƣơng nhất định. 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 đômen gần hướng với từ trường ngoài nở ra, ngược hướng với từ trường ngoài co lại. c) H  0 và đủ lớn, véc tơ từ độ quay trùng với hướng của H. 11 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Khi H ≠ 0, từ độ trở nên khác không và đạt giá trịSau khi lấy vi phân phƣơng trình (1.2), Ta có: I  I S  cos i Vi  Vi cos i  i (1.3) i Số hạng thứ nhất mô tả phần đóng góp vào từ độ gây nên bởi sự dịch chuyển vách đômen và tƣơng 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 phƣơng của trƣờng ngoài và tƣơng ứng quá trình trên hình 1.4 gọi là quá trình quay (rotation process). Tƣơng ứng với hai quá trình đó độ cảm từ  dI cũng có thể chia hai thành phần, một thành phần tƣơng ứng với biến dH thiên từ độ gây bởi sự dịch chuyển vách: I dc  I S  cosivi và một thành phần ứng với biến thiên từ độ do sự quay của véc tơ I: I q  I S  vi cos i . Do đó ta có: dI  dI   dI      dH  dH  dc  dH  q (1.4)    dc   q (1.5) hay Thông thƣờng vật liệu từ đƣợc chia thành hai loại căn cứ theo giá trị của và HC. Vật liệu từ mềm có lớn và HC nhỏ và quá trình từ hoá ban đầu cơ bản qui định bởi quá trình dịch chuyển vách, và vật liệu từ cứng với nhỏ và HC lớn và quá trình từ hoá ban đầu cơ bản qui định bởi quá trình quay. Quá trình từ hoá bất thuận nghịch – Nguyên nhân sự trễ từ: Ta xét vách 1800 ngăn cách 2 đômen theo mặt phẳng yz trong một tinh thể thực (H 1.3). Nếu đặt từ trƣờng ngoài H song song với trục z thì vách đômen dịch chuyển và đômen có I song song với H nở ra, đômen có I phản song song với H bị co lại. Phƣơng trình cho trạng thái cân bằng của vách là: (Năng lƣợng do sự đảo từ) = (Công dịch chuyển vách đômen) 12 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Do đó ta có: HI S yzx   HI S yzx     2 HI S x  x dx d yzx dx (1.6) Trong từ trƣờng ngoài, vị trí mới của vách tƣơng ứng với một năng lƣợng vách đômen khác trƣớc. Nếu do tác dụng của từ trƣờng ngoài H vách dịch một đoạn x < OA (Hình 1.3) thì bởi vì tại đấy năng lƣợng vách lớn hơn tại vị trí x = 0 nên sau khi ngắt từ trƣờng ngoài, vách đômen lại dịch chuyển về vị trí x = 0, phục hồi lại trạng thái khử ban đầu. Đây là quá trình dịch chuyển vách thuận nghịch. Hình 1.3. a)Mô hình hai đômen được phân cách bởi một vách 1800 nằm trên mặt phẳng yz; b) và c) Sự phụ thuộc của năng lượng vách và gradient /x của lớp chuyển tiếp giữa các đômen (vách đômen) vào từ độ. 13 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Nếu từ trƣờng đủ lớn để vách dịch chuyển qua điểm A, thì vì tại đây năng lƣợng vách biến thiên cực đại (/x đạt giá trị max), nên vách có thể tự động dịch đến điểm C có giá trị /x tƣơng đƣơng mà không cần phải có từ trƣờng ngoài. Đoạn dịch chuyển AC gọi là bƣớc nhảy Barkhausen. Sau quá trình từ hoá đó, nếu ngắt từ trƣờng ngoài thì vách không về vị trí x = 0 mà về vị trí B ứng với cực tiểu năng lƣợng. Kích thƣớc các đômen thuận vẫn lớn hơn kích thƣớc các đômen nghịch gây ra độ từ hoá còn dƣ giữa một cặp đômen I = 2ISdx/d0 với d0 là độ rộng của đômen, dx là độ 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 Đƣờng cong từ trễ Hình 1.4. Đường cong từ trễ- Đặc tính lý thú của vật liệu sắt từ. Vật liệu được 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. 14 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Vật liệu sắt từ có nhiều đặc tính lý thú, khi vật liệu đƣợc từ hoá tới bão hoà khi từ trƣờng ngoài tăng lên nhƣng vẫn giữ giá trị khác 0 khi từ trƣờng ngoài giảm tới 0 (hình 1.4). Đó chính là hiện tƣợng trễ từ đƣợc thể hiện trên đƣờng cong từ trễ. Hiện tƣợng này có liên quan trực tiếp tới cấu trúc đômen của vật liệu. Chính nhờ khả năng nhớ từ này mà một số vật liệu sắt từ đƣợc sử dụng để làm vật liệu ghi từ. 1.2.3 Độ nhớt từ Độ nhớt từ là thuật ngữ để mô tả sự thay đổi từ độ phụ thuộc vào thời gian mà không liên quan đến trƣờng tác dụng. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi đặt hay ngắt từ trƣờng ngoài, từ độ, độ từ thẩm,... của vật liệu từ chỉ đạt ổn định sau một thời gian, nghĩa là, từ tính của vật liệu không thay đổi đồng bộ với từ trƣờng từ hóa. Hiện tƣợng đó gọi là sự nhớt từ. Hình 1.5 mô tả hiện tƣợng nhớt từ. Hình 1.5. Đường cong nhớt từ. Quy luật suy giảm của từ độ theo thời gian: M  H ,t   M  H ,t0   s ln( t ) t0 (1.7) Từ độ suy giảm đó ngƣời ta tính đƣợc độ nhớt từ: S  dM / d (ln t ) 15 (1.8) Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung 1.3 Vật liệu FePd Với nhu cầu nâng cao mật độ ghi từ trên một inch vuông (phổ biến hiện nay là 100 Gb/in2 có thể nâng đến cỡ Tb/in2) và việc tiểu hình hóa các thiết bị ghi từ đã thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các hạt nano từ cứng với các tính chất đặc trƣng nhƣ: năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể cao, lực kháng từ lớn, từ độ bão hòa cao. Một trong những vật liệu có tính chất lƣu trữ từ tính mật độ 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 lƣợng dị hƣớng từ tinh thể cao. Hợp kim FePd có thể tồn tại với các trạng thái khác nhau tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ, hợp phần và trạng thái cấu trúc tinh thể của vật liệu. Khi ủ trong hợp kim đã 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 ƣu điểm là có lực kháng từ lớn. 1.3.1 Cấu trúc của vật liệu FePd Hình 1.6 thể hiện giản đồ pha của hệ hợp kim Fe-Pd. Trƣớc khi ủ vật liệu có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt (fcc). Các nghiên cứu trƣớc đây đã chỉ ra rằng pha trật tự  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 đƣợc gọi là pha trật tự L10 của FePd. 16 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Hình 1.6 Giản đồ pha của hợp kim Fe-Pd [7] 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 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 đó các nguyên tử Fe và Pd chiếm những vị trí xác định (hình 1.7). 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 đặc là Fe). 17 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Ở cấu trúc trật tự hoàn toàn L10 (fct), các nguyên tử Fe và Pd sẽ lần lƣợt chiếm các mặt phẳng kế tiếp nhau dọc theo trục c của ô nguyên tố, trong khi đó ở cấu trúc bất trật tự (fcc), xác suất các nguyên tử chiếm bất kỳ bặt phẳng nguyên tử nào là hoàn toàn nhƣ nhau. Quá trình chuyển pha bất trật tự-trật tự không chỉ dẫn đến sự thay đổi trong xác suất chiếm giữ các vị trí trong ô nguyên tố mà còn dẫn đến sự biến đổi mạng và tỷ số c/a sẽ nhỏ hơn 1. Khi đó pha bất trất tự đƣợc chuyển sang pha trật tự nhờ việc xử lý nhiệt. Chế độ ủ đƣợc điều chỉnh để các nguyên tử có đủ năng lƣợng nhiệt để chuyển động tới vị trí của chúng và định xứ ở đó. Với sự hình thành cấu trúc trật tự xa, có hai hiệu ứng quan trọng xảy ra. Đầu 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 đổi trong tính đối xứng của ô cơ bản. Lúc này các trục tinh thể tƣơng đƣơng với nhau trong cấu trúc mất trật tự trở nên không tƣơng đƣơng trong cấu trúc trật tự. Hai hiệu ứng này ảnh hƣởng rất mạnh tới tính chất từ vật liệu. Với tính chất chuyển pha cấu trúc đặc biệt từ pha fcc sang pha fct, ngƣời ta tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc và sự thay đổi cấu trúc của vật liệu nano FePd. Bằng cách thay đổi công nghệ hoặc điều kiện xử lý nhiệt để điều chỉnh quá trình chuyển pha này, từ đó điều chỉnh tỷ phần pha trật tự fct trong mẫu. Do đặc điểm 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 đã đƣợc xử lý nhiệt. Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu vật liệu nano FePd theo các tỷ lệ thành phần khác nhau (FexPd100-x với x= 42, 50, 55, 60, 63) và khảo sát sự chuyển pha cấu trúc khi ủ tại các nhiệt độ 450oC, 500oC, 550oC, 600oC, 650oC. 1.3.2 Tính chất từ a. Dị hướng từ: Trong vật liệu từ, nội năng phụ thuộc vào hƣớng của độ từ hoá tự phát. Sự phụ thuộc này gọi là dị hƣớng từ. Năng lƣợng ứng với dị hƣớng từ gọi là năng lƣợng dị hƣớng từ. 18 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung Dị hƣớng từ tinh thể, tăng do tƣơng tác cặp spin - quỹ đạo, rất quan trọng trong việc xác định biểu hiện từ của hạt đơn. Dạng đơn giản nhất của dị hƣớng từ tinh thể là dị hƣớng đơn trục. Trong tinh thể từ, luôn tồn tại một phƣơng dễ từ hoá hơn các phƣơng còn lại. Phƣơng từ hoá dễ thƣờng đồng nhất với trục hình học của tinh thể. Năng lƣợng từ tinh thể EC phụ thuộc vào hƣơng tƣơng quan của phƣơng từ hoá và trục của tinh thể và đƣợc xác định bởi biểu thức (1.9): EC  K1 sin 2   K 2 sin 4   ... (1.9) Ở đó,  là góc giữa phƣơng từ hoá và trục dễ, Ki là hằng số dị hƣớng bậc i. Trong trƣờng hợp dị hƣớng mặt phẳng, là góc giữa phƣơng từ hoá và mặt phẳng màng. Trong một số trƣờng hợp màng định hƣớng vuông góc,  là góc giữa phƣơng từ hoá và phƣơng vuông góc với mặt phẳng màng. b. Trật tự L10 ở nhiệt độ thấp của vật liệu FePd: Ghi từ là kỹ thuật lƣu trữ thông tin tiến bộ và ngày nay vẫn đang tiếp tục phát triển mạnh với khả năng lƣu trữ thông tin ngày càng tăng lên. Tuy nhiên, có một khó khăn đặt ra là giá trị nhiệt độ trật tự hoá cao hoàn toàn không thích hợp cho việc chế tạo vật liệu ghi từ hàng loạt với quy mô lớn. Vì thế, làm thế nào để giảm nhiệt độ trật tự hoá là một bài toán hết sức quan trọng và cần thiết. Cần chú ý tới một số thông số ảnh hƣởng đến nhiệt độ trật tự hoá sau: nhiệt độ phát triển mầm [8], các lớp đệm [9,10]. Cấu trúc L10 là nguyên nhân chính của sự xuất hiện các tính chất từ nổi bật ở họ hợp kim FePd. Bên cạnh đó, nhiệt độ xử lý lớn sẽ là vấn đề gây trở ngại và khó thực hiện. Vì vậy, việc tìm kiếm giải pháp làm giảm nhiệt độ chuyển pha đang là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học. Vật liệu FePd có ƣu điểm là có nhiệt độ chyển pha cấu trúc thấp hơn so với các vật liệu đã đƣợc nghiên cứu trƣớc đây nhƣ 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 đƣợc 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 19 Chƣơng 1: Tổng quan Trƣơng Thành Trung trật tự và bất trật tự sẽ hình thành nên các biên “phản pha” ghim chặt các vách đômen, chính điều này làm cho giá trị HC tăng lên đáng 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. Đặc 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 điều này ngƣời ta căn cứ vào việc xuất hiện các biên “phản pha” khi có sự xuất hiện của pha trật tự. Các biên pha này đóng vai trò là các tâm ghi ngăn cản sự dịch chuyển của vách đômen trong mẫu, bản thân các tâm ghim này lại tƣơng ứng với tỷ phần của thể tích pha trật tự. Do đó, giá trị HC phụ thuộc trực tiếp vào tỷ phần pha trật tự trong mẫu. Giá trị HC càng lớn nếu nhƣ tỷ phần pha L10 càng lớn. 1.4. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano Hiện nay có các phƣơng pháp chế tao hạt nano kim loại trên nền kim loại chuyển tiếp nhƣ sau:  Phƣơng pháp hóa khử  Phƣơng pháp thủy nhiệt  Phƣơng pháp sử dụng rƣợu đa chức  Phƣơng pháp quang xúc tác  Phƣơng pháp vi sóng  Phƣơng pháp hóa siêu âm 1.4.1 Phƣơng pháp hóa khử Phƣơng pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông thƣờng các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phƣơng pháp hóa ƣớt. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại nhƣ HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+... thành Ag0, Au0... 20