Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu chế tạo và vai trò của chuyển pha cấu trúc trong tính chất từ của hạt...

Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và vai trò của chuyển pha cấu trúc trong tính chất từ của hạt nano fepd và copt

.PDF
154
4
110

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -----oOo----- TRƢƠNG THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA CHUYỂN PHA CẤU TRÚC TRONG TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd VÀ CoPt LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -----oOo----- Trƣơng Thành Trung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA CHUYỂN PHA CẤU TRÚC TRONG TÍNH CHẤT TỪ CỦA HẠT NANO FePd VÀ CoPt Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 9440130.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Nam 2. GS.TSKH. Nguyễn Hoàng Lƣơng Hà Nội, 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Hoàng Nam và GS.TSKH. Nguyễn Hoàng Lương. Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Trương Thành Trung LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Hoàng Nam và GS.TSKH. Nguyễn Hoàng Lƣơng, hai thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Thầy đã tận tình giúp đỡ và dành những điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Khoa học - Công nghệ, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tôi đƣợc tập trung nghiên cứu trong suốt thời gian làm luận án. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thầy cô giáo và các cán bộ của Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý và Trung tâm Nano và Năng lƣợng, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã trang bị kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm, động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại đây. Lời cảm ơn sau cùng, tôi xin gửi tới những ngƣời thân trong gia đình và các bạn bè, đồng nghiệp đã cổ vũ, động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận án này. Một lần nữa xin chân thành cám ơn! Hà Nội, tháng năm 2020 Tác giả Trƣơng Thành Trung MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................... 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... 5 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. 6 MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 11 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 16 1.1. Vật liệu Fe-Pd ...................................................................................... 16 1.1.1. Giản đồ pha của hệ vật liệu Fe-Pd .................................................. 16 1.1.2. Cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu Fe-Pd ........................................... 17 1.1.3. Sự hình thành pha L10 trong vật liệu Fe-Pd.................................... 18 1.2. Vật liệu Co-Pt....................................................................................... 24 1.2.1. Giản đồ pha của hệ vật liệu Co-Pt .................................................. 24 1.2.2. Cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu Co-Pt ........................................... 26 1.2.3. Năng lƣợng của chuyển pha A1-L1o trong hợp kim CoPt.............. 30 1.3. Tính chất từ .......................................................................................... 30 1.3.1. Dị hƣớng từ tinh thể ........................................................................ 30 1.3.2. Tính chất từ của hợp kim Fe-Pd và Co-Pt ...................................... 32 1.4. Các phƣơng pháp chế tạo ..................................................................... 36 1.4.1. Phƣơng pháp điện hóa siêu âm ....................................................... 37 1.4.2. Phƣơng pháp hóa khử ..................................................................... 42 1.4.3. Phƣơng pháp hóa siêu âm ............................................................... 43 Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................... 47 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 48 2.1. Chế tạo mẫu.......................................................................................... 48 1 2.1.1. Chế tạo hạt nano FePd bằng phƣơng pháp điện hóa siêu âm ......... 48 2.1.2. Chế tạo hạt nano CoPt bằng phƣơng pháp hóa khử kết hợp siêu âm ................................................................................................................... 52 2.2. Xử lý mẫu sau khi chế tạo .................................................................... 56 2.3. Các phƣơng pháp đo nghiên cứu tính chất của hạt nano ..................... 56 2.3.1. Phân tích thành phần mẫu ............................................................... 56 2.3.2. Phân tích cấu trúc bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ..................... 57 2.3.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................. 58 2.3.4. Phƣơng pháp từ kế mẫu rung (VSM).............................................. 60 2.3.5. Phƣơng pháp Giao thoa kế lƣợng tử siêu dẫn (SQUID) ................. 61 CHƢƠNG 3: CẤU TR C VÀ T NH CHẤT T CỦ H T N NO FePd CHẾ T O ẰNG PHƢƠNG PH P ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM ........................ 64 3.1. Nghiên cứu thành phần, vi hình thái của hạt nano FePd ..................... 64 3.1.1. Thành phần hạt nano FePd .............................................................. 64 3.1.2. Vi hình thái của hạt nano FePd ....................................................... 66 3.2. Nghiên cứu cấu trúc của hạt nano FePd............................................... 68 3.3. Tính chất từ của hạt nano FePd ............................................................ 82 3.3.1. Tính chất từ của hạt nano FePd ở nhiệt độ phòng .......................... 82 3.3.2. T nh chất từ của hạt nano FePd ở nhiệt độ thấp ............................. 90 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 103 CHƢƠNG 4: CẤU TRÚC VÀ T NH CHẤT T CỦ H T N NO CoPt CHẾ T O ẰNG PHƢƠNG PHÁP HOÁ KHỬ KẾT HỢP SIÊU ÂM ..... 104 4.1. Nghiên cứu thành phần, vi hình thái của hạt nano CoPt.................... 104 4.1.1. Thành phần hạt nano CoPt ............................................................ 104 4.1.2. Vi hình thái của hạt nano CoPt ..................................................... 106 4.2. Nghiên cứu cấu trúc của hạt nano CoPt ............................................. 110 2 4.3. Tính chất từ của hạt nano CoPt .......................................................... 117 4.3.1. Tính chất từ của hạt nano CoPt ở nhiệt độ phòng........................... 117 4.3.2. T nh chất từ của hạt nano CoPt ở nhiệt độ thấp ............................ 122 Kết luận chƣơng 4 ......................................................................................... 135 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QU N ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................... 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 139 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT EDS Phổ tán sắc năng lƣợng fcc Lập phƣơng tâm mặt fct Tứ giác tâm mặt H Từ trƣờng HC Lực kháng từ M Mô men từ Mr Độ từ dƣ MS Từ độ bão hòa tan Thời gian ủ Tan Nhiệt độ ủ Keff Hằng số dị hƣớng từ hiệu dụng TEM K nh hiển vi điện tử truyền qua HRTEM Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao VSM Từ kế mẫu rung XRD Nhiễu xạ tia X SQUID Giao thoa kế lƣợng tử 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các pha khác nhau tồn tại trong hệ vật liệu Fe-Pd [52]. ..........................19 Bảng 1.2. Các pha khác nhau tồn tại trong hệ vật liệu Co-Pt [52]............................25 Bảng 1.3. Thông số cấu trúc của các pha trong trạng thái trật tự và bất trật tự [46]. 26 Bảng 1.4. Tính chất từ của vật liệu FePd và CoPt so sánh với các vật liệu nam châm vĩnh cửu và các vật liệu ghi từ khác ..........................................................................32 Bảng 1.5. Một số phƣơng pháp chế tạo và tính chất từ của vật liệu hạt nano Fe-Pd đã đƣợc nghiên cứu gần đây......................................................................................33 Bảng 1.6. Một số phƣơng pháp chế tạo và tính chất từ của vật liệu hạt nano Co-Pt đã đƣợc nghiên cứu gần đây......................................................................................34 Bảng 1.7. Một số áp suất tƣơng ứng với bán kính mỗi bọt khí................................45 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của hệ mẫu FexPd100-x. .............................................66 Bảng 3.2a. Hằng số mạng theo nhiệt độ ủ của hệ mẫu Fe42Pd58 và Fe50Pd50. ...........75 Bảng 3.2b. Hằng số mạng theo nhiệt độ ủ của hệ mẫu Fe55Pd45 , Fe60Pd40 và Fe63Pd37. ....................................................................................................................75 Bảng 3.3. Thành phần và tỷ lệ phần trăm các pha trong mẫu Fe55Pd45 chƣa ủ (a) và ủ tại (b) 450oC, (c) 550oC và (d) 700oC. ......................................................................81 Bảng 3.4. Các giá trị MS, Keff của mẫu Fe60Pd40 tại nhiệt độ 300 K. ........................98 Bảng 3.5. Các giá trị MS, Keff của mẫu Fe60Pd40 tại nhiệt độ 2 K. ............................99 Bảng 4.1. Thành phần hóa học của hệ mẫu CoxPt100-x ............................................106 Bảng 4.2. Hằng số mạng theo nhiệt độ ủ của hệ mẫu CoxPt100-x.............................113 Bảng 4.3. Các giá trị MS, Keff của mẫu Co50Pt50 tại nhiệt độ 300 K. ......................130 Bảng 4.4. Các giá trị MS, Keff của mẫu Co50Pt50 tại nhiệt độ 2 K. ..........................131 5 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Giản đồ pha của hệ vật liệu Fe-Pd [52]. ....................................................16 Hình 1.2. Pha bất trật tự (fcc) (a), chuyển sang pha trật tự (fct) (b) sau khi ủ mẫu ở nhiệt độ thích hợp (hình tròn to màu xám là nguyên tử Pd, hình tròn nhỏ màu đen là nguyên tử Fe) [95]. ....................................................................................................18 Hình 1.3. Biên phản pha (mặt phẳng đƣợc đánh dấu) trong cấu trúc L10 [13]. ........23 Hình 1.4. Vi cấu trúc của vật liệu Fe-Pd đƣợc quan sát bằng kính hiển vi trƣờng sáng. Biên pha đƣợc hình thành trong cấu trúc polytwinned (a), và sự xuất hiện của các biên phản pha trong cấu trúc (b) [107]. ..............................................................24 Hình 1.5. Giản đồ pha của hợp kim Co-Pt [52]. ......................................................25 Hình 1.6. (a) Tinh thể cấu trúc bất trật tự fcc pha A1 và (b) trật tự fct pha L10 [37]. ...................................................................................................................................26 Hình 1.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu CoPt trƣớc và sau khi ủ [21]. ................28 Hình 1.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano Co42Pt58 (a), Ảnh TEM của hạt nano Co42Pt58 (b), Giản đồ phân bố k ch thƣớc hạt (c), Ảnh HRTEM của hạt nano Co42Pt58 (d)[19]. ........................................................................................................28 Hình 1.9. (a) Cấu trúc trật tự fct pha L10; (b) xếp xen kẽ các nguyên tử dọc theo trục c đối với vật liệu có cấu trúc trật tự L10; (c) hình thành các miền biên phản pha trong các vật liệu có cấu trúc trật tự pha L10 [21].....................................................29 Hình 1.10. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào tỷ phần pha L10 [63]. ......................36 Hình 1.11. Bố trí hệ điện hóa siêu âm. ......................................................................39 Hình 1.12. Xung dòng điện và xung siêu âm theo thời gian.....................................40 Hình 1.13. Sự hình thành và phát triển của lỗ hổng trong lòng chất lỏng dƣới tác dụng của sóng siêu âm. Sau nhiều chu kì phát triển lỗ hổng không thể hấp thụ năng lƣợng sóng siêu âm đƣợc nữa nên bị suy sụp rất nhanh tạo thành các điểm nóng. ..44 Hình 2.1: Hệ điện hoá siêu âm. .................................................................................49 Hình 2.2. Sơ đồ tóm tắt quá trình tạo mẫu FePd. ......................................................49 Hình 2.3a: Bình 3 cổ đựng hỗn hợp dung dịch Fe(C2H3O2)2, Pd(C2H3O2)2, Na2SO4 lúc đầu. ......................................................................................................................52 Hình 2.3b: Bình 3 cổ đựng hỗn hợp dung dịch chứa hạt nano FePd sau quá trình điện hoá. ....................................................................................................................52 Hình 2.4. Hệ hoá siêu âm. .........................................................................................54 Hình 2.5. Sơ đồ tóm tắt quá trình tạo mẫu CoPt. ......................................................55 6 Hình 2.6. Hình ảnh trong quá trình tạo mẫu CoPt. ...................................................56 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). .........................59 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý thiết bị VSM...................................................................60 Hình 2.9. (a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị SQUID. (b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều. (c) Sơ đồ buồng đo của từ kế SQUID. ...........................................................62 Hình 3.1. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Fe42Pd58.................................................64 Hình 3.2. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Fe50Pd50.................................................65 Hình 3.3. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Fe55Pd45.................................................65 Hình 3.4. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Fe60Pd40.................................................65 Hình 3.5. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Fe63Pd37.................................................66 Hình 3.6: Ảnh TEM của mẫu Fe60Pd40 ngay sau khi chế tạo và biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt. ...................................................................................................................67 Hình 3.7: Ảnh TEM của mẫu Fe60Pd40 khi ủ tại 600oC/1 h và biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt. ...................................................................................................................67 Hình 3.8: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe42Pd58 chƣa ủ và sau khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ............................................................................................................68 Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe50Pd50 chƣa ủ và sau khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ............................................................................................................69 Hình 3.10: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe55Pd45 chƣa ủ và sau khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................................69 Hình 3.11: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe60Pd40 chƣa ủ và sau khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................................70 Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe63Pd37 chƣa ủ và sau khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................................70 Hình 3.13a: Sự phụ thuộc hằng số mạng vào nhiệt độ ủ của mẫu Fe42Pd58 khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. .............................................................................................77 Hình 3.13b: Sự phụ thuộc hằng số mạng vào nhiệt độ ủ của mẫu Fe50Pd50 khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. .............................................................................................77 Hình 3.13c: Sự phụ thuộc hằng số mạng vào nhiệt độ ủ của mẫu Fe55Pd45 khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. .............................................................................................78 Hình 3.13d: Sự phụ thuộc hằng số mạng vào nhiệt độ ủ của mẫu Fe60Pd40 khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. .............................................................................................78 Hình 3.13e: Sự phụ thuộc hằng số mạng vào nhiệt độ ủ của mẫu Fe63Pd37 khi ủ tại các nhiệt độ khác nhau. .............................................................................................79 7 Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe55Pd45 chƣa ủ (a) và ủ tại (b) 450oC, (c) 550oC và (d) 700oC. .............................................................................................80 Hình 3.15a: Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe42Pd58 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ......83 Hình 3.15b: Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe50Pd50 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. .....84 Hình 3.15c: Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe55Pd45 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ......84 Hình 3.15d: Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe60Pd60 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ......85 Hình 3.15e: Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe63Pd37 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ......85 Hình 3.16: Sự phụ thuộc lực kháng từ vào nhiệt độ ủ của hạt nano FexPd100-x. .......87 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa của các mẫu FexPd100-x vào nhiệt độ ủ. 88 Hình 3.18: Sự phụ thuộc của độ từ dƣ vào nhiệt độ ủ của hệ mẫu FexPd100-x. .........89 Hình 3.19. Đƣờng cong từ hóa ban đầu của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ từ 450oC - 700oC đo tại nhiệt độ 300 K....................................................................................90 Hình 3.20a. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 2 K. ............................................................................................................................91 Hình 3.20b. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 50 K. ..........................................................................................................................92 Hình 3.20c. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 150 K. ........................................................................................................................92 Hình 3.20d. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 300 K. ........................................................................................................................93 Hình 3.21. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Fe60Pd40 ủ tại 600oC đo tại các nhiệt độ khác nhau. Hình nhỏ là phóng to vị trí xung quanh gốc tọa độ. ........................................94 Hình 3.22. Sự phụ thuộc nhiệt độ của HC của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ..........................................................................................................................95 Hình 3.23. Sự phụ thuộc của HC vào nhiệt độ ủ khi đo tại các nhiệt độ khác nhau của mẫu Fe60Pd40. ......................................................................................................96 Hình 3.24. Đƣờng cong từ hóa ban đầu của mẫu Fe60Pd40 ủ tại nhiệt độ 600oC đo tại nhiệt độ 300 K và đƣờng làm khớp theo phƣơng trình (3.1). ...................................98 Hình 3.25. Đƣờng cong từ hóa ban đầu của mẫu Fe60Pd40 ủ tại nhiệt độ 600oC đo tại nhiệt độ 2 K và đƣờng làm khớp theo phƣơng trình (3.1). .......................................99 Hình 3.26. Sự phụ thuộc của giá trị từ độ bão hòa của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ khác nhau vào nhiệt độ đo. .................................................................................101 Hình 3.27. Sự phụ thuộc của giá trị độ từ dƣ của mẫu Fe60Pd40 ủ tại các nhiệt độ khác nhau vào nhiệt độ đo. ......................................................................................102 8 Hình 4.1. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Co50Pt50 . .............................................104 Hình 4.2. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Co59Pt41 . .............................................105 Hình 4.3. Phổ tán sắc năng lƣợng của mẫu Co73Pt27...............................................105 Hình 4.4a. Ảnh TEM và phân bố k ch thƣớc hạt của mẫu Co50Pt50 chƣa ủ. ...........107 Hình 4.4b. Ảnh TEM và phân bố k ch thƣớc hạt của mẫu Co50Pt50 và sau khi ủ tại nhiệt độ 500oC trong 1 giờ. .....................................................................................107 Hình 4.5a. Ảnh TEM và phân bố k ch thƣớc hạt của các mẫu Co59Pt41 chƣa ủ. ....108 Hình 4.5b. Ảnh TEM và phân bố k ch thƣớc hạt của các mẫu Co59Pt41 sau khi ủ tại nhiệt độ 500oC trong 1 giờ. .....................................................................................108 Hình 4.6a. Ảnh TEM và phân bố k ch thƣớc hạt của các mẫu Co73Pt27 chƣa ủ. ....109 Hình 4.6b. Ảnh TEM và phân bố k ch thƣớc hạt của các mẫu Co73Pt27 sau khi ủ tại nhiệt độ 500oC trong 1 giờ. .....................................................................................109 Hình 4.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co50Pt50 chƣa ủ và ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ........................................................................................................................110 Hình 4.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co59Pt41 chƣa ủ và ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ........................................................................................................................111 Hình 4.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co73Pt27 chƣa ủ và ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ........................................................................................................................111 Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn hằng số mạng (a), tỷ số c/a (b) theo nhiệt độ ủ của mẫu Co50Pt50....................................................................................................................115 Hình 4.11. Đồ thị biểu diễn hằng số mạng (a), tỷ số c/a (b) theo nhiệt độ ủ của mẫu Co59Pt41....................................................................................................................116 Hình 4.12. Đồ thị biểu diễn hằng số mạng (a), tỷ số c/a (b) theo nhiệt độ ủ của mẫu Co73Pt27....................................................................................................................116 Hình 4.13a. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co50Pt50 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ....118 Hình 4.13b. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co59Pt41 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ....118 Hình 4.13c. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co73Pt27 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ....119 Hình 4.14. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa của các mẫu CoxPt100-x (x = 50, 59, 73) vào nhiệt độ ủ. .........................................................................................................120 Hình 4.15. Sự phụ thuộc của lực kháng từ HC vào nhiệt độ ủ của các mẫu CoxPt100-x. .................................................................................................................................121 Hình 4.16. Đƣờng cong từ hóa ban đầu của mẫu Co50Pt50 ủ tại các nhiệt độ từ 450oC - 700oC đo tại nhiệt độ 300 K..................................................................................123 9 Hình 4.17a. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co50Pt50 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 2 K. ..........................................................................................................................124 Hình 4.17b. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co50Pt50 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 50 K. ........................................................................................................................124 Hình 4.17c. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co50Pt50 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 150 K. ......................................................................................................................125 Hình 4.17d. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co50Pt50 ủ tại các nhiệt độ khác nhau đo tại 300 K. ......................................................................................................................125 Hình 4.18. Đƣờng cong từ trễ của mẫu Co50Pt50 ủ tại 500oC đo tại các nhiệt độ khác nhau. Hình nhỏ là phóng to vị trí xung quanh gốc tọa độ. ......................................126 Hình 4.19. Sự phụ thuộc nhiệt độ của HC của mẫu Co50Pt50 ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ........................................................................................................................ 127 Hình 4.20. Sự phụ thuộc của HC vào nhiệt độ ủ khi thay đổi nhiệt độ đo của mẫu Co50Pt50....................................................................................................................128 Hình 4.21. Đƣờng cong từ hóa ban đầu của mẫu Co50Pt50 ủ tại nhiệt độ 500oC đo tại nhiệt độ 300 K và đƣờng làm khớp theo phƣơng trình (3.1). .................................130 Hình 4.22. Đƣờng cong từ hóa ban đầu của mẫu Co50Pt50 ủ tại nhiệt độ 500oC đo tại nhiệt độ 2 K và đƣờng làm khớp theo phƣơng trình (3.1). .....................................131 Hình 4.23. Sự phụ thuộc của giá trị từ độ bão hòa vào nhiệt độ đo của mẫu Co50Pt50 đƣợc ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ..........................................................................132 Hình 4.24. Sự phụ thuộc của giá trị độ từ dƣ vào nhiệt độ đo của mẫu Co50Pt50 đƣợc ủ tại các nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................133 10 MỞ ĐẦU Những phát triển gần đây trong công nghệ lƣu trữ từ tính mật độ cao hầu hết đều dựa trên các hệ vật liệu mới với năng lƣợng dị hƣớng tinh thể cao cùng với hiệu ứng từ trở khổng lồ và ứng dụng công nghệ ghi dữ liệu theo phƣơng vuông góc [62]. Từ những năm 1990 mật độ ghi từ của ổ đĩa cứng tăng lên liên tục hàng năm và đạt gần nhƣ giá trị tối đa đối với vật liệu ghi từ thông thƣờng vào đầu những năm 2000 [99, 101]. Nhằm tăng mật độ ghi từ và tiểu hình hóa các linh kiện điện tử, các loại vật liệu mới đƣợc quan tâm nghiên cứu để giảm k ch thƣớc các bit ghi từ xuống k ch thƣớc cỡ nano. Các hạt nano từ cứng mạnh trên cơ sở kim loại chuyển tiếp Fe, Co,… nhƣ FePt, CoPt, FePd có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong chế tạo phƣơng tiện lƣu trữ thông tin mật độ cao thế hệ mới do chúng có độ ổn định hóa học cao và dị hƣớng từ tinh thể lớn với cấu trúc L10 ở pha trật tự [20, 73, 87-90, 97-99, 103, 108]. Bên cạnh đó, các vật liệu trên còn có khả năng ứng dụng làm nam châm vĩnh cửu nanocomposite và trong y-sinh học [19, 51, 75, 84]. Các vật liệu có cấu trúc pha L10 nhƣ hợp kim FePt, CoPt và FePd với dị hƣớng từ tinh thể lớn (FePt: Ku= 6,6 - 10 x 107 erg/cm3, CoPt: Ku = 4,9 x 107 erg/cm3 và FePd: Ku = 1,8 x 107 erg/cm3 [99-102]) đã thu hút đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Sun và cộng sự [76, 78] đã dùng phƣơng pháp khử để chế tạo hạt nano FePt tách rời một cách riêng rẽ. Các tác giả đó đã thu đƣợc giá trị lực kháng từ HC của hạt Fe56Pt44 bằng 330 Oe, 3200 Oe và 9000 Oe khi ủ các hạt tƣơng ứng ở các nhiệt độ 500°C, 550°C, 580°C. Các hạt với giá trị lực kháng từ cao nhƣ vậy có khả năng dùng làm phƣơng tiện chứa thông tin từ tính mật độ siêu cao. Hạt nano FePt đã đƣợc nghiên cứu chế tạo bằng phƣơng pháp hóa [75] và đƣa ra các th dụ cho thấy tiềm năng ứng dụng 11 của chúng trong công nghệ lƣu trữ thông tin, làm nam châm vĩnh cửu và trong lĩnh vực y-sinh học. Hạt nano FePt với k ch thƣớc 9 nm đã đƣợc chế tạo và cho thấy rằng các hạt nano FePt siêu thuận từ có thể là chất tƣơng phản rất tốt trong kỹ thuật chụp cộng hƣởng từ hạt nhân [51]. Hạt nano FePd đã đƣợc chế tạo thành công bằng các phƣơng pháp khác nhau, đã quan sát đƣợc các hạt nano FePd có cấu trúc L10 sau khi xử lý nhiệt [65, 67, 71]. Các nghiên cứu khác sử dụng phƣơng pháp hóa khử cũng đã chế tạo thành công hạt FePd k ch thƣớc từ 8 - 27 nm và nghiên cứu lực kháng từ của mẫu phụ thuộc vào k ch thƣớc hạt cho thấy lực kháng từ giảm khi kích thƣớc hạt giảm [30, 31]. Hạt nano CoPt đã đƣợc Alloyeau và cộng sự chế tạo sử dụng phƣơng pháp xung laser có k ch thƣớc trong khoảng từ 2 - 4,8 nm và sau đó ủ nhiệt [3]. Các tác giả đó đã nghiên cứu ảnh hƣởng của k ch thƣớc hạt đến nhiệt độ chuyển pha trật tự - bất trật tự trong các hạt CoPt và cho thấy đối với các hạt k ch thƣớc 2,4 - 3 nm nhiệt độ chuyển pha trật tự - bất trật tự có giá trị 325 – 175oC nhỏ hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu khối. Hạt nano Co-Pt đƣợc chế tạo bởi Shen cùng các cộng sự [72] thu đƣợc lực kháng từ HC = 1,25 kOe đối với mẫu ủ tại 700oC trong 2 giờ. Khảo sát sự phụ thuộc của lực kháng từ vào thời gian ủ mẫu nhóm tác giả Komogortsev cùng các cộng sự [40] đã thu đƣợc lực kháng từ HC là 1,59 kOe và 3,3 kOe tại nhiệt độ 275 K khi ủ mẫu tại 400oC trong thời gian tƣơng ứng 4 giờ và 16 giờ. Các phƣơng pháp hóa, lý nêu trên đã đƣợc sử dụng để chế tạo các vật liệu nền Fe và Co. Bên cạnh đó, với tác dụng của sóng siêu âm trong việc tạo dựng môi trƣờng thuận lợi cho phản ứng hình thành hạt nano trong không gian siêu nhỏ, các phƣơng pháp chế tạo có sử dụng siêu âm bắt đầu đƣợc chú ý nghiên cứu. Hai hệ vật liệu FePd và FePt với các tỷ phần khác nhau đã đƣợc 12 chế tạo bằng phƣơng pháp hoá siêu âm và có lực kháng từ cao nhất lần lƣợt là 2,1 kOe và 4,36 kOe tại nhiệt độ phòng [2, 87, 88]. Hệ vật liệu FePt với các tỷ phần khác nhau cũng đã đƣợc chế tạo thành công sử dụng phƣơng pháp điện hóa siêu âm với lực kháng từ cao nhất là 9 kOe tại nhiệt độ phòng [2]. Với mục đ ch đóng góp thêm những hiểu biết trong việc phát triển các vật liệu ghi từ mật độ cao, nghiên cứu chế tạo các vật liệu trên nền các kim loại chuyển tiếp Fe và Co bằng các phƣơng pháp có sử dụng sóng siêu âm, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận án là: “Nghiên cứu chế tạo và vai trò của chuyển pha cấu trúc trong tính chất từ của hạt nano FePd và CoPt”. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu FePd sử dụng phƣơng pháp điện hóa siêu âm và thử nghiệm chế tạo hệ vật liệu CoPt sử dụng phƣơng pháp hóa khử kết hợp siêu âm. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo mẫu lên tính chất cấu trúc, và đánh giá vai trò của chuyển pha cấu trúc trong tính chất từ của vật liệu FePd và CoPt. Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận án đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu đo đạc nhằm khảo sát ảnh hƣởng các điều kiện chế tạo mẫu lên tính chất cấu trúc và tính chất từ, đánh giá vai trò của chuyển pha cấu trúc trong tính chất từ của vật liệu. Vi hình thái và cấu trúc của mẫu đƣợc phân tích bằng các phép đo hiện đại nhƣ hiển vi điện tử truyền qua và nhiễu xạ tia X. Tính chất từ của mẫu đƣợc khảo sát bằng từ kế mẫu rung và giao thoa kế lƣợng tử siêu dẫn. Các phép đo và phân t ch hầu hết đƣợc thực hiện trên các thiết bị hiện đại có độ tin cậy cao tại các cơ sở nghiên cứu trong nƣớc, một số phép đo đƣợc thực hiện tại các phòng thí nghiệm nƣớc ngoài. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: 13 + Ý nghĩa khoa học: - Hƣớng nghiên cứu về vật liệu từ cứng, k ch thƣớc nano mà luận án thực hiện là một trong những vấn đề thời sự, đã và đang thu hút đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Hệ vật liệu nano từ cứng có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực phát triển các vật liệu ghi từ mật độ cao nói riêng và trong các lĩnh vực khoa học và đời sống nói chung. - Luận án trình bày các phƣơng pháp chế tạo mới, đơn giản, cho kết quả tốt để chế tạo hệ vật liệu từ cứng có cấu trúc nano. - Luận án đã tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống các ảnh hƣởng của điều kiện công nghệ chế tạo tới cấu trúc, tính chất từ của vật liệu. Các yếu tố dẫn đến sự thay đổi cấu trúc và tính chất từ của vật liệu đã đƣợc thảo luận trong luận án. + Ý nghĩa thực tiễn: - Kết quả nghiên cứu có hệ thống của luận án về hai hệ vật liệu FePd và vật liệu CoPt sẽ đóng góp thêm cho những hiểu biết về vật liệu cả về tính chất từ lẫn tính chất cấu trúc. - Kết quả của luận án có thể đƣợc dùng để định hƣớng nghiên cứu ứng dụng chế tạo vật liệu ghi từ mật độ cao, đồng thời tiểu hình hóa các phƣơng tiện ghi từ. Nội dung của luận án gồm 5 phần: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về hệ vật liệu FePd và CoPt, một số đặc trƣng cấu trúc tinh thể, tính chất từ và các thông số liên quan của hai hệ vật liệu này. 14 Chƣơng 2: Các phƣơng pháp thực nghiệm - Phƣơng pháp chế tạo mẫu, giới thiệu các thiết bị thực nghiệm đƣợc sử dụng để nghiên cứu các hệ mẫu trong luận án. Chƣơng 3: Trình bày các kết quả nghiên cứu về cấu trúc và tính chất từ của hạt nano FePd chế tạo bằng phƣơng pháp điện hóa siêu âm. Chƣơng 4: Trình bày các kết quả nghiên cứu về cấu trúc và tính chất từ của hạt nano CoPt chế tạo bằng phƣơng pháp hóa khử kết hợp siêu âm. Phần kết luận: Nêu những kết quả cơ bản nhất của luận án. 15 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu Fe-Pd Trong các hệ vật liệu nền Fe và Co có cấu trúc trật tự L10 nhƣ FePt, CoPt, …, hợp kim FePd cũng là một hệ vật liệu có dị hƣớng từ tinh thể lớn và có nhiều tính chất từ đáng chú ý có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng. Các tính chất từ của hệ vật liệu này phụ thuộc nhiều vào cấu trúc tinh thể. Hợp kim FePd có thể tồn tại với các cấu trúc khác nhau tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ và hợp phần của vật liệu. Tính từ cứng cao của hệ vật liệu này thƣờng gắn với cấu trúc tứ giác tâm mặt (face-centered tetragonal - fct) L10 đƣợc hình thành khi ủ nhiệt tạo chuyển pha bất trật tự - trật tự khiến vật liệu có lực kháng từ lớn [2, 67, 87, 89, 98]. 1.1.1. Giản đồ pha của hệ vật liệu Fe-Pd Hình 1.1. Giản đồ pha của hệ vật liệu Fe-Pd [52]. 16
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan