Trong bài báo này trình bày phương pháp đồng kết tủa để chế tạo các hạt nano tinh thể ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4 với các kích thước khác nhau và ảnh hưởng của chúng tới từ tính của ferit…
Effect of crystal size on magnetic properties of nano-ferrite Zn0.64Ni0.36Fe2O4
Nguyễn Văn Dán, Nguyễn Văn Thức, Lương Thị Quỳnh Anh
Khoa Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM
Email: ngvdan123@gmail.com
Ngày nhận bài: 8/5/2013, Ngày duyệt đăng: 12/6/2014
TÓM TẮT
Bài báo trình bày ảnh hưởng của kích thước hạt nano tinh thể đến từ tính của vật liệu từ ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4. Các kết quả nhiễu xạ rơngen và quan sát hiển vi điện tử quét của các mẫu ở các nồng độ tiền chất 0,05; 0,2; 0,4; 0,6 M với nhiệt độ thiêu kết 800 oC trong thời gian 4 h cho thấy kích thước hạt thay đổi với các giá trị tương ứng là 18, 23, 24 và 28 nm. Cảm ứng từ cực đại Ms và lực kháng từ Hc đều giảm theo kích thước hạt nano tinh thể. Đặc biệt khi tiếp tục giảm kích thước hạt nano tinh thể của ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4 lực kháng từ có xu hướng tiến tới giá trị 0.
Từ khóa: Nano ferit, ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4, trạng thái siêu thuận từ
ABSTRACT
Effect of nanocrystal size on magnetic properties of ferrite Zn0,64Ni0,36Fe2O4 was studied. Results of X-ray dif- fraction and SEM observation of samples prepared with precursor concentrations of 0,05; 0,2; 0,4 and 0,6 M; sin- tered at temperature 800 oC for 4 h showed that crystal size changed with following values 18, 23, 24 and 28 nm, respectively. The maximum magnetic induction Ms and coercive force Hc were reduced with decreasing size of the nanocrystals. Especially, the coercive force tends towards zero value if the nanocrystal size is further reducing.
Keywords: Nano-ferrite, ferrite Zn0,64Ni0,36Fe2O4, super-diamagnetic state
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Các hạt nano tinh thể của vật liệu từ hiện đang được quan tâm nghiên cứu chế tạo với các ứng dụng đặc biệt trong y học và kỹ thuật quân sự [1, 2]. Trong bài báo này trình bày phương pháp đồng kết tủa để chế tạo các hạt nano tinh thể ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4 với các kích thước khác nhau và ảnh hưởng của chúng tới từ tính của ferit.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên liệu
Đã sử dụng muối có độ tinh khiết cao (Hãng Merck) gồm NiCl2.6H2O, FeCl3.6H2O và ZnSO4.7H2O, NaOH.
2.2. Chế tạo mẫu
Cân đủ trọng muối lượng theo công thức tính toán. Sau đó pha từng phần vào nước khử ion tới nồng độ dung dịch 0,05; 0,2; 0,4 và 0,6 M. Pha trộn các muối lại với nhau, vừa pha vừa khuấy với vận tốc 500 vòng/phút. Dung dịch NaOH được chuẩn bị với nồng độ cố định 0,4 M với số lượng lớn và được đun tới 60 oC. Nhỏ giọt dung dịch NaOH vào dung dịch muối (đang khuấy) cho đến khi tạo ra kết tủa, vừa nhỏ giọt vừa khuấy. Sau khi nhỏ giọt hết NaOH, tiếp tục đun nóng 30 phút để phản ứng xảy ra triệt để. Khuấy tiếp tục trong 6h để hóa già, lắng đọng rồi gạn lấy chế phẩm. Lọc rửa 6 lần rồi sấy ở 110 oC trong 12 h. Giã lại bột bằng cối đá trong vài phút để tạo hạt mịn. Ferit hoá bột ở nhiệt độ 800 oC và thời gian 4 h [3].
Các mẫu bột ferit tương ứng với nồng độ dung dịch tiền chất 0,05; 0,2; 0,4 và 0,6 M được ký hiệu bằng số 1, 2, 3 và 4. Bột ferit được trộn với 10 % keo epoxy, đóng rắn trong 24 h sau đó đem đo từ tính bằng phương pháp từ kế mẫu rung, máy sẽ tự động vẽ đường cong từ trễ của ferit. Sơ đồ tổng quát chế tạo ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4 như trình bày trên hình 1.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Kích thước hạt nano tinh thể ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4 và thành phần hoá học của nó được xác định bởi kỹ thuật hiển vi điện tử quét (HVĐTQ/SEM) và phổ phân tán năng lượng (PTNL/EDX). Phân tích cấu trúc của ferit bằng phương pháp nhiễu xạ rơngen (NXR/XRD).
Đường cong từ trễ và các thông số Ms, Hc được máy đo từ kế mẫu rung tự động ghi và phân tích.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của nồng độ tiền chất tới kích thước hạt
Nồng độ các tiền chất NiCl2.6H2O, FeCl3.6H2O và ZnSO4.7H2O thay đổi là 0,05; 0,2; 0,4 và 0,6 M; đồng kết tủa trong dung dịch NaOH 0,4 M. Ferit hoá ở nhiệt độ 800 oC, trong thời gian nung 4 h. Giản đồ nhiễu xạ rơngen của các mẫu ferit cho trên hình 2.
Hình 2 cho biết giản đồ XRD có các đỉnh tiểu biểu rõ nét với các giá trị d = 4,875; 2,96; 2,53; 2,437; 2,104; 1,61 và 1,48 của ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4 đều xuất hiện.
Hình 3 cho thấy phổ phân tán năng lượng của ferit. Kết quả phân tích EDX trên bảng 1 cho thấy sự khác biệt không đáng về thành phần hóa học của mẫu so với thành phần tính toán từ công thức của ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4.
Bảng 1. Thành phần hóa học của mẫu 1
| Nguyên tố | Trọng lượng thực (%) | Trọng lượng lý thuyết (%) |
| O K | 26,0 | 26,8 |
| Fe K | 47,7 | 46,8 |
| Ni K | 9,8 | 8,9 |
| Zn L | 16,5 | 17,5 |
| Tổng | 100 | 100 |
Các ảnh SEM trên các hình 4, 5, 6, 7 và bảng 2 cho thấy kích thước hạt của các mẫu ferit 1, 2, 3, 4 thay đổi theo nồng độ tiền chất.
Bảng 2. ảnh hưởng của nồng độ tiền chất đến kích thước hạt ferit
| Mẫu | Nồng độ (M) | Kích thước hạt (nm) |
| 1 | 0,05 | 18 |
| 2 | 0,2 | 23 |
| 3 | 0,4 | 24 |
| 4 | 0,6 | 28 |
Đồ thị trên hình 8 cho thấy nồng độ tiền chất càng loãng thì hạt ferit càng nhỏ khi thiêu kết ở cùng nhiệt độ 800 oC và cùng thời gian 4 h. Điều này được giải thích rằng nồng độ dung dịch tiền chất càng loãng thì khả năng chống lại hiện tượng kết tụ khi kết tinh càng cao và do đó khi ferit hoá sẽ cho kích thước hạt ferit càng nhỏ mịn.
3.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt nano tinh thể đến từ tính của ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4
Đường cong từ hoá và các giá trị Ms, Hc của các mẫu ferit 1, 2, 3, 4 cho trên các hình 9, 10, 11, 12 và bảng 3.
Từ các hình 9, 10, 11, 12 nhận thấy đường cong từ hoá của các mẫu 1, 2, 3, 4 phù hợp với đường cong từ hoá của các hạt ferit có kích thước một đômen [1].
Bảng 3. Ảnh hưởng của kích thước hạt ferit đến Hc và Ms
| Mẫu | Kích thước hạt (nm) | Hc (Oe) | Ms (emu/g) |
| 1 | 18 | 0,35 | 38,29 |
| 2 | 23 | 14,37 | 50,89 |
| 3 | 24 | 38,76 | 56,36 |
| 4 | 28 | 50,69 | 58,66 |
Từ bảng 3 thấy kích thước hạt ferit càng giảm thì cả Ms và Hc cũng giảm và đặc biệt Hc có xu hướng giảm tới giá trị 0 (hình 13). Như trong tài liệu [4] đã trình bày, hiện tượng sắt từ và ferit từ là hiện tượng tập thể liên quan đến một số lượng lớn các hạt. Nếu giảm kích thước hạt tới một giới hạn nào đó thì từ tính sẽ giảm.
Như trình bày trong phần 2.2, đã sử dụng mẫu đo từ kế rung gồm bột nano ferit từ phân tán đều trên nền một chất phi từ (10 % keo epoxy và chất đóng rắn polyamide) để xác định trạng thái siêu thuận từ – một trạng thái có momen từ dễ định hướng theo trường ngoài như chất thuận từ (Hc ≈ 0) nhưng Ms lại cao hơn nhiều so với chất thuận từ. Vật liệu này được sử dụng trong kỹ thuật xử lý ung thư có kiểm soát thông qua một máy cộng hưởng từ. Nó cũng được sử dụng để hấp thụ các bức xạ điện từ có công suất nhỏ.
Từ đồ thị hình 13 thấy khi giảm kích thước hạt nano ferit thì Hc giảm. Khi kích thước hạt đạt khoảng 18 nm thì Hc ≈ 0, đạt tới trạng thái siêu thuận từ. Khi Hc càng nhỏ thì vùng đômen càng linh động, mômen từ càng dễ định hướng theo từ trường ngoài như một chất thuận từ [4].
4. Kết luận
Khi giảm nồng độ tiền chất: 0,6; 0,4; 0,2 và 0,05M trong khi cố định nhiệt độ và thời gian ferit hoá ở 800 oC trong 4 h thấy rằng:
– Kích thước hạt ferit thay đổi theo chiều hướng giảm: 28, 24, 23 và 18 nm.
– Hc, Ms của ferit Zn0,64Ni0,36Fe2O4 cũng giảm tương ứng.
– Đặc biệt, lực kháng từ có xu hướng tiến tới giá trị 0.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Alex Goldman, Modern ferrite technology, Pittsburgh, USA, Springer Science + Business Media, 2006
- An-Hui Lu, E. L. Salabas, Magnetic Nanoparticles: synthesis, protection, functionalization and application; Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, pp. 1222 -1244
- K. Bhattacharjee, C. K. Ghosh, Novel synthesis of NixZn1-xFe2O4 (0<x<1) nanoparticles and their dielectric properties, J. Nanopart Res., 13, 2011, pp. 739 -750
- Vũ Đình Cự, Từ học, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1995
