Luận án Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu tổ hợp nano không chứa đất hiếm Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co

Nội dung tài liệu: Luận án Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu tổ hợp nano không chứa đất hiếm Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN MẪU LÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP NANO KHÔNG CHỨA ĐẤT HIẾM Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Hà Nội – 2020
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN MẪU LÂM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP NANO KHÔNG CHỨA ĐẤT HIẾM Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 9.44.01.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Trần Minh Thi 2. GS. TS. Nguyễn Huy Dân Hà Nội – 2020
3. i LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới PGS.TS. Trần Minh Thi và GS. TS. Nguyễn Huy Dân. Những ngƣời Thầy đã cho tôi những định hƣớng khoa học và phong cách sống. Đã tận tình giúp đỡ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 là cơ quan mà tôi đang công tác và Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội là cơ sở đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô, các Đồng nghiệp trong Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội và Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Xin đƣợc cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của TS. Phạm Thị Thanh, TS. Nguyễn Thị Hải Yến, TS. Dƣơng Đình Thắng, TS. Nguyễn Thị Mai và NCS Nguyễn Văn Dƣơng, NCS Nguyễn Hoàng Hà, NCS Vũ Mạnh Quang, NCS Đinh Chí Linh. Tôi muốn gửi thành quả này của mình đến vợ và các con những ngƣời luôn đồng hành và cổ vũ tôi ở mọi hoàn cảnh. Tôi xin gửi lòng biết ơn đến Bố, Mẹ, các anh, chị, em trong gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong cuộc sống và quá trình học tập. Chính sự tin yêu và mong đợi của gia đình đã tạo thêm động lực cho tôi thực hiện thành công luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các Thầy, Cô, Đồng nghiệp và bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi vƣợt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Nguyễn Mẫu Lâm
4. ii LỜI CAM ĐOAN Các số liệu và các kết quả công bố trong luận án, đƣợc trích dẫn lại từ các bài báo đã và sắp đƣợc xuất bản của tôi và nhóm nghiên cứu. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin xin chịu trách nhiệm về nội dung luận án và những kết quả công bố trong luận án. Tác giả luận án Nguyễn Mẫu Lâm
5. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC.. ............................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ ................................................................ x MỞ ĐẦU.... ................................................................................................................. 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG KHÔNG CHỨA ĐẤT HIẾM Mn-(Bi, Ga), VẬT LIỆU TỪ MỀM Fe-Co VÀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG TỔ HỢP ................................................................................ 6 1.1. Lịch sử phát triển, ứng dụng, tính chất từ và phân loại vật liệu từ cứng ............. 6 1.1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu từ cứng ................................... 6 1.1.2. Tính chất từ và phân loại vật liệu từ cứng ................................................ 10 1.1.2.1. Tính chất từ ................................................................................... 10 1.1.2.2. Phân loại vật liệu từ cứng ............................................................. 12 1.2. Hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga) .............................. 13 1.2.1. Hệ vật liệu Mn-Bi ..................................................................................... 13 1.2.1.1. Cấu trúc tinh thể ........................................................................... 13 1.2.1.2. Tính chất từ ................................................................................... 15 1.2.2. Hệ vật liệu Mn-Ga ..................................................................................... 18 1.2.2.1. Cấu trúc tinh thể ........................................................................... 18 1.2.2.2. Tính chất từ ................................................................................... 19 1.3. Hệ vật liệu từ mềm Fe-Co .................................................................................. 20 1.3.1. Cấu trúc tinh thể ........................................................................................ 20
6. iv 1.3.2. Tính chất từ ............................................................................................... 21 1.4. Hệ vật liệu từ cứng tổ hợp nano ......................................................................... 22 1.4.1. Tính chất từ của vật liệu từ cứng tổ hợp nano .......................................... 22 1.4.2. Mô hình E. F. Kneller và R. Hawig (K-H) ................................................ 23 1.4.2.1. Vi cấu trúc ..................................................................................... 23 1.4.2.2. Biểu hiện từ .................................................................................. 27 1.4.3. Một số mô hình lý thuyết khác về vật liệu tổ hợp..................................... 30 1.4.3.1. Lý thuyết R. Skomski và J. M. D. Coey ....................................... 30 1.4.3.2. Lý thuyết Schreft .......................................................................... 32 1.4.3.3. Lý thuyết Fischer .......................................................................... 32 1.5. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu từ cứng ................................................................ 34 1.5.1. Phƣơng pháp vật lý ................................................................................... 34 1.5.2. Phƣơng pháp hóa học ................................................................................ 35 1.6. Nghiên cứu và phát triển vật liệu từ cứng ở Việt Nam ...................................... 36 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .......................................................................................... 37 Chƣơng 2. CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ...................................................... 38 2.1. Phƣơng pháp chế tạo mẫu .................................................................................. 38 2.1.1. Phƣơng pháp hồ quang .............................................................................. 39 2.1.2. Phƣơng pháp phun băng nguội nhanh ....................................................... 39 2.1.3. Phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao ................................................... 40 2.1.4. Phƣơng pháp Polyol .................................................................................. 42 2.1.5. Phƣơng pháp đồng kết tủa ......................................................................... 43 2.1.6. Xử lí nhiệt ................................................................................................. 44 2.2. Các phƣơng pháp khảo sát cấu trúc và tính chất từ ........................................... 44
7. v 2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ...................................................................... 44 2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử ..................................................................... 45 2.2.3. Phƣơng pháp đo từ độ bằng từ kế mẫu rung ............................................. 46 2.2.4. Phƣơng pháp đo từ độ bằng từ kế từ trƣờng xung .................................... 47 2.2.5. Phƣơng pháp chuyển đổi đơn vị đo và tính tích năng lƣợng cực đại (BH)max ..................................................................................................... 47 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .......................................................................................... 50 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Mn- (Bi,Ga) ................................................................................................... 51 3.1. Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi .......................................................................... 51 3.1.1. Chế tạo vật liệu bằng phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao ................ 51 3.1.2. Chế tạo vật liệu bằng phƣơng pháp nguội nhanh ...................................... 58 3.1.3. Chế tạo vật liệu bằng phƣơng pháp nguội nhanh kết hợp nghiền cơ năng lƣợng cao ......................................................................................... 63 3.1.3.1. Ảnh hƣởng của hợp phần ............................................................. 63 3.1.3.2 Ảnh hƣởng của thời gian nghiền ................................................... 67 3.1.3.3. Ảnh hƣởng của chế độ xử lí nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ ..... 70 3.2. Chế tạo vật liệu từ cứng nền Mn-Ga .................................................................. 75 3.2.1. Chế tạo vật liệu bằng phƣơng pháp nguội nhanh ...................................... 75 3.2.2. Chế tạo bằng phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao ............................. 80 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .......................................................................................... 84 Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM Fe-Co ...................... 86 4.1. Chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao .......................................................................................................... 86 4.1.1. Ảnh hƣởng của môi trƣờng nghiền ........................................................... 86
8. vi 4.1.2. Ảnh hƣởng của thời gian nghiền ............................................................... 87 4.2. Chế tạo vật liệu bằng phƣơng pháp Polyol ........................................................ 92 4.2.1. Ảnh hƣởng của nồng độ pH ...................................................................... 93 4.2.2. Ảnh hƣởng của hợp phần .......................................................................... 97 4.3. Chế tạo Fe-Co bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ................................................. 99 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ........................................................................................ 110 Chƣơng 5. CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỪ CỨNG TỔ HỢP NANO Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co ................................................................. 112 5.1. Vật liệu từ cứng tổ hợp sử dụng pha từ cứng Mn-Bi chƣa xử lí nhiệt ............. 112 5.2. Vật liệu từ cứng tổ hợp sử dụng pha từ cứng Mn-Bi đã xử lí nhiệt ................. 116 5.3. Vật liệu từ cứng tổ hợp sử dụng pha từ cứng Mn-Ga-Al chƣa xử lí nhiệt ....... 119 5.4. Vật liệu từ cứng tổ hợp sử dụng pha từ cứng Mn-Ga-Al đã xử lí nhiệt ........... 125 KẾT LUẬN CHƢƠNG 5 ........................................................................................ 129 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 131 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC THUỘC LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ .............. 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 136
9. vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU a : khoảng cách gần nhất giữa hai nguyên tử Mn. b : Mômen từ của nguyên tử Mn. c : Góc giữa mômen từ nguyên tử của Mn và trục c. Br : Cảm ứng từ dƣ s : Từ giảo bão hòa  : Năng lƣợng vách đômen trên một đơn vị diện tích  : Độ dày vách đômen  : Góc giữa véctơ từ độ và từ trƣờng ngoài n : Thừa số Stevens 0 : Độ từ thẩm của chân không (BH)max : Tích năng lƣợng cực đại : Hệ số phức m : Độ dày vách pha từ mềm bm, bk : Độ dày vùng pha từ mềm, độ dày vùng pha từ cứng dh : Chiều dày lớp từ cứng D : Hệ số trƣờng khử từ D019 : Phản sắt từ - Kiểu cấu trúc D019 D022 : Sắt từ - Kiểu cấu trúc D022 EA : Mật độ năng lƣợng trao đổi Ek : Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể FK : Năng lƣợng dị hƣớng FH : Năng lƣợng từ tĩnh
10. viii Fstr : Năng lƣợng trƣờng phân tán g : Thừa số Lande HA : Trƣờng dị hƣớng Hc : Lực kháng từ Hn : Trƣờng tạo mầm đảo từ Hex : Số hạng trƣờng trao đổi Hext : Từ trƣờng ngoài Hin : Trƣờng nội tại Ir, Jr, Mr : Từ độ dƣ K1, K2, K3 : Các hằng số dị hƣờng từ tinh thể kB : Hằng số Boltzmann L10 : Ferrimagnetic Mm : Từ độ theo khối lƣợng mr : Từ độ rút gọn Ms : Từ độ bão hòa Msk, Msm : Từ độ bão hoà của pha từ cứng và pha từ mềm mptc : Khối lƣợng pha từ cứng mptm : Khối lƣợng pha từ mềm Mv : Từ độ theo thể tích N1, N2 : Hệ số khử từ đo theo 2 phƣơng khác nhau Ta : Nhiệt độ xử lí ta : Thời gian xử lí nhiệt TC : Nhiệt độ Curie TL Tỉ lệ tN : Thời gian nghiền mẫu