Tài liệu Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ lõi của hạt nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------Đinh Thị Thanh Ngân NGHIÊN CỨU TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH VỎ-LÕI CỦA HẠT NANO Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số : 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Thu Nhàn Hà Nội, 2016 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Kích thƣớc vật liệu nano và tế bào…………………………………….. Hình 1.2. Một số hình dạng vật liệu nano hiện nay……………………………… Hình 1.3. Phân loại hạt nano vỏ/lõi……………………………………………… Hình 2.1. Mô hình Ising 2D……………………………………………………… 4 6 7 19 Hình 2.2. Cấu trúc hạt nano vỏ-lõi và tƣơng tác trao đổi vỏ (Js), lõi (Jc) và mặt phân cách vỏ/lõi (Jsc)……………………………………………...……………… Hình 3.1. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 300K………. Hình 3.2. Phân bố số phối trí của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 300K…………….. 25 26 28 Hình 3.3. Hàm phân bố xuyên tâm của hạt nano Fe98B2 ở nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau………………………………………………….. 29 Hình 3.4. Phân bố số phối trí của các nguyên tử Fe và B trong mẫu Fe98B2 ở nhiệt độ 900K với nồng độ tinh thể hóa khác nhau……………………………… 30 Hình 3.5. Phân bố mật độ nguyên tử lớp vỏ của hạt nano Fe98B2 ở 300K 31 Hình 3.6. Sự phụ thuộc của Độ từ hóa vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau ………………………………………………. 32 Hình 3.7. Sự phụ thuộc của Độ cảm từ (hệ số từ hóa) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau ………………………………. 32 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của Nhiệt dung vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 ở 300K với các bán kính vỏ RS khác nhau ……………………………………….. 33 Hình 3.9. Đồ thị xác định nhiệt độ TC đối với mô hình hạt nano Fe98B2 ở 300K, bán kính lõi o RC = 20 A …………………………………………………………… 34 Hình 3.10. Đồ thị sự phụ thuộc của Độ từ hóa (M) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tƣơng tác trao đổi khác nhau ………………………………. 34 Hình 3.11. Đồ thị sự phụ thuộc của Nhiệt dung (C) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tƣơng tác trao đổi khác nhau …………………….………… 35 Hình 3.12. Đồ thị sự phụ thuộc của Độ cảm từ ( ) vào nhiệt độ của hạt nano Fe98B2 khi thông số tƣơng tác trao đổi khác nhau……………………………….. 35 o Hình 3.13. Độ từ hóa của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 A ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5. ………………………………………………… 36 o Hình 3.14. Nhiệt dung của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 A ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5.………………………………………………….. 37 o Hình 3.15. Độ cảm từ của hạt nano Fe98B2 với bán kính vỏ RS = 5 A ở nhiệt độ 900K, JC /JS= 0.25; JSC /JS=-0.5…………………..………………………………. 37 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Tên Kí hiệu Động lực học phân tử ĐLHPT Hàm phân bố xuyên tâm HPBXT Thống kê hồi phục TKHP MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ..................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về hạt nano vỏ lõi...................................................................... 4 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc . Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP TÍNH ..................... Error! Bookmark not defined. 2.1 Phƣơng pháp Động lực học phân tử ............ Error! Bookmark not defined. 2.2 Xây dựng mô hình hạt nano vỏ lõi FeB ....... Error! Bookmark not defined. 2.3 Mô hình Ising ................................................. Error! Bookmark not defined. 2.4 Các đặc trƣng từ của hạt nano ..................... Error! Bookmark not defined. 2.4.1 Độ từ hóa (M) .......................................... Error! Bookmark not defined. 2.4.2 Nhiệt độ Curier (TC) ............................... Error! Bookmark not defined. 2.4.3 Năng lƣợng (E) ........................................ Error! Bookmark not defined. 2.4.4 Nhiệt dung (C) ......................................... Error! Bookmark not defined. 2.4.5 Độ cảm từ (χ) ........................................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............. Error! Bookmark not defined. 3.1 Đặc trƣng vi cấu trúc ........................................ Error! Bookmark not defined. 3.1.1 Hàm phân bố xuyên tâm ........................... Error! Bookmark not defined. 3.1.2 Phân bố số phối trí ..................................... Error! Bookmark not defined. 3.1.3 Tinh thể hóa hạt nano vỏ-lõi ..................... Error! Bookmark not defined. 3.2 Đặc tính từ của hạt nano vỏ-lõi ........................ Error! Bookmark not defined. 3.2.1 Ảnh hƣởng của độ dày lớp vỏ vào đặc tính từ của hạt nano ....... Error! Bookmark not defined. 3.2.2 Ảnh hƣởng của tƣơng tác trao đổi vào đặc tính từ hạt nano ....... Error! Bookmark not defined. 3.2.3 Ảnh hƣởng của nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ của hạt nano ............................................................................... Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN .................................................................. Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 39 PHỤ LỤC ..................................................................... Error! Bookmark not defined. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu nano từ nói chung và vật liệu nano từ vô định hình nói riêng có ứng dụng đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ và y sinh. Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng tính chất từ của hạt nano đƣợc quyết định bởi hiệu ứng bề mặt. Khi kích thƣớc hạt nano nhỏ cỡ 3nm thì 70% số nguyên tử nằm ở bề mặt và spin bề mặt đóng góp chủ yếu vào từ tính của hạt[1]. Cấu trúc bề mặt là mất trật tự nên cấu trúc hạt nano này là cấu trúc vô định hình. Với một hạt nano kích thƣớc nhất định có số nguyên tử nằm trong lớp lõi lớn hơn rất nhiều số nguyên tử ở vỏ thì spin trong lõi đóng góp chính vào từ tính của hạt. Khi đó sự đóng góp của spin lớp vỏ sẽ rất nhỏ và có thể bỏ qua. Khi nghiên cứu trên hạt nano vỏ-lõi sắt từ hình cầu đã chỉ ra sự ảnh hƣởng của tỷ lệ thông số tƣơng tác từ giữa lớp phân cách vỏ/lõi (Jint) và lớp vỏ (Jsh), Jint/Jsh vào nhiệt độ chuyển pha. Khi tỷ số Jint/Jsh tăng dẫn tới nhiệt độ chuyển pha thay đổi mạnh. Khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và tăng độ dày lớp vỏ của hạt nano thì độ cao đƣờng cong từ hóa tăng lên. Khi tăng giá trị tỷ số Jc/Jsh thì nhiệt độ chuyển pha của hệ cũng tăng lên và tác giả đã rút ra kết luận có mối tƣơng quan giữa nhiệt độ chuyển pha của hệ với giá trị của Jc/Jsh [2]. Thêm vào đó có sự phụ thuộc của lực kháng từ (HC) và từ trƣờng trao đổi (HEX) vào sự thay đổi kích thƣớc lớp lõi. Hoặc khi giữ nguyên độ dày lớp lõi và thay đổi độ dày lớp vỏ cũng có sự thay đổi theo của HC và HEX [3]. Khi kích thƣớc lớp lõi nhỏ, sự đóng góp chủ yếu vào đặc trƣng từ là do các spin ở lớp vỏ. Khi kích thƣớc lớp lõi tăng dẫn tới sự giảm dần của HC. Độ dày lớp vỏ ảnh hƣởng trực tiếp đến giá trị từ trƣờng trao đổi Hex. Vấn đề đặt ra ở đây là với một hạt nano vô định hình cấu trúc vỏ-lõi FeB với nồng độ B rất nhỏ mật độ phân bố nguyên tử thay đổi liên tục từ lõi ra vỏ khi nào có sự đóng góp của spin lớp vỏ mang tính quyết định đến từ tính của hạt, khi nào có thể bỏ qua? Nếu bỏ qua từ trƣờng ngoài từ tính của hạt có bị ảnh hƣởng bởi các thông số tƣơng tác từ J c (tƣơng tác của các spin trong lõi), Jsh (tƣơng tác của các spin trong vỏ), và Jsc (tƣơng tác của các spin tại mặt phân cách vỏ/lõi) không? Nếu giả thiết trong lõi 1 hạt nano bị tinh thể hóa một phần từ tính của hạt có thay đổi so với trƣờng hợp lõi là vô định hình hoàn toàn không? Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu chính của luận văn này: Nghiên cứu từ tính trên cơ sở mô hình vỏ-lõi của hạt nano. 2. Mục đích đề tài - Xây dựng mô hình hạt nano Fe98B2 có cấu trúc vỏ-lõi với kích thƣớc 5000 nguyên tử. - Khảo sát vi cấu trúc hạt nano ở trạng thái vô định hình và tinh thể. - Mô phỏng tính chất từ của hạt nano. - Khảo sát sự phụ thuộc của đặc trƣng từ của hạt nano vào tƣơng tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Ở đây, chúng tôi tập trung nghiên cứu hạt nano có cấu trúc vỏ-lõi Fe98B2 vô định hình và tinh thể. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu phƣơng pháp mô phỏng cho các hạt nano. - Xây dựng mô hình hạt nano có kích thƣớc 5000 nguyên tử ở nhiệt độ 300K và 900K. - Khảo sát từ tính của hạt nano bằng phƣơng pháp mô phỏng. - Khảo sát ảnh hƣởng của độ dày lớp vỏ, tƣơng tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa vào đặc trƣng từ của hạt nano. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD). - Mô hình Ising. 6. Đóng góp mới của luận văn - Xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2. - Cung cấp các số liệu về từ tính của các hạt nano Fe98B2 và mô phỏng từ tính của chúng. - Xác định nhiệt độ chuyển pha của hạt nano 5000 nguyên tử và so sánh với hạt nano khi tƣơng tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa thay đổi. 2 7. Cấu trúc của luận văn Luận văn có cấu trúc nhƣ sau: Mở đầu Chƣơng 1. Lý thuyết tổng quan về các hạt nano Chƣơng 2. Trình bày phƣơng pháp động lực học phân tử, chƣơng trình động lực học phân tử, xây dựng mô hình hạt nano vỏ-lõi Fe98B2 bằng phƣơng pháp động lực học phân tử, mô phỏng từ tính của hạt nano bằng mô hình Ising. Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận, khảo sát đặc trƣng vi cấu trúc của hạt nano vỏ-lõi Fe98B2, khảo sát sự ảnh hƣởng của độ dày lớp vỏ, tƣơng tác trao đổi và nồng độ tinh thể hóa vào đặc tính từ của hạt nano. Kết luận Phụ lục Tài liệu tham khảo 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về hạt nano vỏ lõi Vật liệu nano là vật liệu có kích thƣớc tính theo thang đo nanomet. Trong những năm gần đây, vật liệu nano (dƣới đây sẽ gọi tắt là hạt nano) trở thành đối tƣợng nghiên cứu chủ yếu của nhiều nhà khoa học. Tính chất của hạt nano phụ thuộc vào kích thƣớc của chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thƣớc tới hạn của nhiều tính chất lý hóa của vật liệu thông thƣờng. Phƣơng pháp thực nghiệm chế tạo các hạt có thể chia làm ba loại chính nhƣ sau: (1) phƣơng pháp ngƣng tụ hơi, (2) phƣơng pháp hóa học, (3) Nghiền. Bằng việc sử dụng các kĩ thuật nêu trên, không chỉ chế tạo đƣợc những hạt nano thuần nhất mà còn có thể tạo ra những hạt nano lai tạo. Ban đầu, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu các hạt nano thuần nhất vì loại vật liệu này có đặc tính tốt hơn nhiều so với các vật liệu lớn. Nhƣng sau đó, vào cuối những năm 80, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các hạt nano không thuần nhất hay hạt nano bán dẫn đem lại hiệu quả cao hơn so với các hạt nano thuần nhất ban đầu, thậm chí trong một vài trƣờng hợp còn có thêm những đặc tính quan trọng khác. Và thế là từ đầu những năm 90 trở lại đây, các nhà nghiên cứu tập trung chế tạo các hạt nano bán dẫn trên quan điểm phát triển những đặc tính của vật liệu bán dẫn. Và thế là khái niệm “vỏ/lõi” ra đời. 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt 1. Nguyễn Quang Báu (chủ biên), Đỗ Quốc Hùng, Lê Tuấn (2011), “Lý thuyết bán dẫn hiện đại”, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2. Nguyễn Quang Báu (chủ biên), Nguyễn Vũ Nhân, Phạm Văn Bền (2010), “Vật lý bán dẫn thấp chiều”, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội. 3. Nguyễn Hữu Đức, (2008), "Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin ", Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 97 4. Nguyễn Thị Lan (2013), "Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của hạt Ferit spinel có cấu trúc nano", Luận án tiến sĩ, Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu, Hà Nội Tài liệu Tiếng Anh 1. Dino Fiorani (2005), “Surface Effects in Magnetic Nanoparticles”, Springer Science + Business Media, Inc., 233 Spring Street, New York, NY, 10013, USA. [1] 2. E. Sv´ab, G. Faigel, G. M´esz´aros, S. Ishmaev, I. Sadikov, A. Chernyshov (1985), “Local order in Fe-B metallic glasses studied by high-resolution neutron diffraction”, JOURNAL DE PHYSIQUE, 46 (C8), pp.C8-267-C8-271 [10] 3. Erol Vatansever , HamzaPolat (2013), “MonteCarlo in vestigation of a spherical ferrimagnetic core–shell nanoparticle under a time dependent magnetic field”, Journal ofMagnetismandMagneticMaterials 343, 221–227 [2] [4] [5] 4. Ersin Kantar, Bayram Deviren, and Mustafa Keskin (2013), “Magnetic properties of mixed Ising nanoparticles with core-shell structure”, Eur. Phys. J. B 86: 253 [3] 5 5. Guoyin Shen a, Mark L. Rivers a, Stephen R. Sutton a, Nagayoshi Sata,Vitali B. Prakapenka, James Oxley, Kenneth S. Suslick (2004), “The structure of amorphous iron at high pressures to 67 GPa measured in a diamond anvil cell”, Physics of the Earth and Planetary Interiors 143–144, 481–495. [8] 6. Marianna Vasilakaki, Kalliopi N. Trohidou, Josep Nogue´s (2015), “Enhanced Magnetic Properties in Antiferromagnetic-Core/Ferrimagnetic-Shell Nanoparticles”, SCIENTIFIC REPORTS | 5 : 9609 | DOI: 10.1038/srep09609. [6] 7. N. Mattern3, W. M atzb, and H. Hermann3 (1988), “Partial Atomic Distribution Functions of Liquid Fe75B25”, Z. Naturforsch. 43a, 177-180. [11] 8. R. Bellissent et.al. (1993), “Neutron diffaction on amorphous iron powder”, Phys. Rev. B, vol. 48, num.21. [9] 9. Yujun Song *, Jie Ding , and Yinghui Wang (2012), “Shell-Dependent Evolution of Optical and Magnetic Properties of Co@Au Core–Shell Nanoparticles”, J. Phys. Chem. C, 116 (20), pp 11343–11350 [7] 6