Luận án Nghiên cứu chế tạo và vai trò của chuyển pha cấu trúc trong tính chất từ của hạt nano FePd và CoPt

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu chế tạo và vai trò của chuyển pha cấu trúc trong tính chất từ của hạt nano FePd và CoPt

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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 Hằng số dị hƣớng từ hiệu K eff dụng K nh hiển vi điện tử truyền TEM qua Kính hiển vi điện tử truyền HRTEM qua phân giải cao VSM Từ kế mẫu rung XRD Nhiễu xạ tia X SQUID Giao thoa kế lƣợng tử 4
9. 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
10. 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