Luận văn Nghiên cứu chế tạo hạt nano từ tính bằng phương pháp điện hóa

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo hạt nano từ tính bằng phương pháp điện hóa

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ Hoàng Thị Nụ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO TỪ TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: 84 40 30 07 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Tuấn Tú Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------ Hoàng Thị Nụ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO TỪ TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: 84 40 13 007 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Tuấn Tú Hà Nội - 2019
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................. 3 1.1. Vật liệu từ có cấu trúc nano ....................................................................... 3 1.2. Vật liệu từ cứng .......................................................................................... 3 1.3. Hạt nano từ tính .......................................................................................... 4 1.3.1. Giới thiệu hạt nano từ tính ...................................................................... 4 1.3.2. Phân loại hạt nano từ tính ........................................................................ 4 1.3.3. Các hạt đơn đômen và siêu thuận từ ....................................................... 7 1.3.4. Ứng dụng của hạt nano từ tính ................................................................ 8 1.4. Vật liệu CoNiP ........................................................................................... 9 1.5. Dây nano nhiều đoạn ................................................................................ 13 1.5.1. Dây nano vàng ....................................................................................... 13 1.5.2. Dây nano nhiều đoạn có vàng. .............................................................. 13 1.5.3. Những ứng dụng của dây nano nhiều đoạn ........................................... 14 1.6. Chất hoạt hóa trong chế tạo vật liệu nano từ tính bằng phương pháp điện hóa siêu âm ...................................................................................................... 15 CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................................ 17 2.1. Phương pháp điện hóa siêu âm ................................................................ 17 2.1.1. Hệ điện hóa siêu âm .............................................................................. 17 2.1.2. Chế tạo hạt CoNiP bằng phương pháp điện hóa siêu âm ...................... 19 2.1.2.1. Chế tạo hạt CoNiP bằng dung dịch muối gốc cloruakhông có chất hoạt hóa ................................................................................................................... 19 2.1.2.2. Chế tạo hạt CoNiP bằng dung dịch muối gốc clorua có chất hoạt hóa19 2.1.2.3. Chế tạo hạt CoNiP bằng dung dịch muối gốc axetat có chất hoạt hóa19 2.1.2.4. Chế tạo dây nano từ tính nhiều đoạn CoNiP/Au ................................ 20 2.1.2.5. Chức năng hóa Amine lên dây nano CoNiP/Au ................................ 20 2.2. Phương pháp Vol – Ampe vòng (CV) ..................................................... 21 2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) ...................................................................... 23 2.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ........................................................ 25 2.5. Từ kế mẫu rung (VSM) ............................................................................ 26 Trang3
4. 2.6. Nhiễu xạ tia X (XRD) .............................................................................. 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 30 3.1. Chế tạo được các hạt nano CoP bằng phương pháp điện hóa siêu âm .... 30 3.1.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ..................................................... 30 3.1.2.Kết quả đo hiển vi điện tử quét ( SEM ) ................................................ 32 3.1.3. Kết quả đo nhiễu xạ tia X ( Xray ) ....................................................... 33 3.1.4. Kết quả đo tính chất từ ( VSM ) của các hạt CoP ................................ 35 3.2. Chế tạo được các hạt nano CoNiP bằng phương pháp điện hóa siêu âm35 3.2.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ...................................................... 35 3.2.2. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................. 36 3.2.3. Kết quả đo tán sắc năng lượng tia X (EDS) .......................................... 38 3.2.4. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................................... 40 3.2.5. Kết quả đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM) ........................... 40 3.2.5.1. Các dây nano nhiều đoạn CoNiP / Au ............................................... 43 3.2.5.2. Thành phần hóa học. .......................................................................... 44 3.2.5.3. Tính chất từ của dây CoNiP/Au ......................................................... 45 3.3. Khảo sát đặc trưng của dây nano CoNiP/Au có gắn 4-ATP ................. 45 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 49 Trang4
5. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng .................... 3 Hình 1.2. Ảnh TEM của cụm hạt nano từ tính vói lớp vỏ silica [10] .................. 6 Hình 1.3. Hạt nano Co có vỏ graphene [11] ........................................................ 7 Hình 1.4. Sơ đồ mối quan hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt ..................... 7 Hình 1.5. Cấu trúc lục giác xếp chặt tinh thể CoNiP .......................................... 10 Hình 1.6. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào độ dày của màng CoNiP ............ 11 Hình 1.7. (a) Ảnh TEM từng thành phần của màng CoNiP; (b) Thông tin các thành phần được đo bởi phép đo phổ tia X (XPS); (c) Tỉ lệ [Co]/[Ni] thể hiện như một hàm của độ dày ..................................................................................... 12 Hình 1.8. (a) ảnh TEM độ phân giải cao; (b) nhiễu xạ điện tử .......................... 12 Hình 1.9: Đồ thị của sự phân tách His-tagged proteins từ untagged proteins (theo đường a) và phân tách kháng thêt thành poly-His từ các kháng thể khác (theo đường b) sử dụng dây nano nhiều đoạn Au/Ni/Au ................................... 14 Hình 1.10: Chức năng hóa dây nano Au–Ni. 1. Dây nano được ủ với AEDP. Đoạn Ni được liên kết với nhóm carboxylate. 2. Plasmids được liên kết tĩnh điện với nhóm amin của AEDP. 3. Cố định hóa bề mặt plasmid được gắn chặt bởi CaCl2. 4. Đoạn vàng được liên kết chọn lọc với hodamine-taged chuyển giao. 15 Hình 2.1. Sơ đồ mô tả hệ điện hóa siêu âm ......................................................... 18 Hình 2.2. Nguồn cấp sóng siêu âm ..................................................................... 18 Hình 2.3. Mô tả quy trình gắn 4-ATP lên dây nano từ tính CoNiP/Au .............. 21 Hình 2.4. Mô hình tổng quát thí nghiệm Vol – Ampe ........................................ 21 Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng – thế trong quá trình khử ................... 22 Hình 2.6. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng – thế trong quét vòng ......................... 23 Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét ..................................................................... 24 Hình 2.8. Sơ đồ cấu tạo từ kế mẫu rung .............................................................. 28 Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo XRD .............................................................................. 29 Hình 3.1. Đặc trưng CV của dung dịch chứa 0.2 M CoCl2.6H2O ...................... 30 Hình 3.2. Đặc trưng CV của CoP ........................................................................ 31 Hình 3.3. Hình ảnh SEM của các hạt CoP ở điều kiện thứ nhất ......................... 32 Hình 3.4. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) ở điều kiện 2 ......................... 32 Hình 3.5. Kết quả hiển vi điện tử quét ( SEM ) của các hạt CoP ở thế cung cấp 5V ........................................................................................................................ 33 Trang5
6. Hình 3.6. Kết quả đo nhiễu xạ tia X .................................................................... 34 Hình 3.7. Đường cong từ trễ của các hạt CoP ..................................................... 35 Hình 3.8. Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân ................................... 36 Hình 3.9. Ảnh SEM của hạt CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua không có chất hoạt hóa ............................................................................................................... 37 Hình 3.10. Ảnh SEM của hạt CoNiP chế tạo bởi muối gốc axetat có chất hoạt hóa ....................................................................................................................... 37 Hình 3.11. Ảnh SEM của hạt CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua có chất hoạt hóa ....................................................................................................................... 38 Hình 3.12. Phổ tán sắc năng lượng của mẫu CoNiP ........................................... 39 Hình 3.13. Phổ XRD của mẫu CoNiP chế tạo bằng muối clorua không có chất hoạt hóa ............................................................................................................... 40 Hình 3.14. Chu trình từ trễ của hạt nano CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua không có chất hoạt hóa ........................................................................................ 41 Hình 3.15. Chu trình từ trễ của hạt nano CoNiP chế tạo bởi muối gốc axetat có chất hoạt hóa ........................................................................................................ 41 Hình 3.16. Chu trình từ trễ của hạt nano CoNiP chế tạo bởi muối gốc clorua có chất hoạt hóa ........................................................................................................ 42 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của lực kháng từ theo kích thước của các hạt nano CoNiP .................................................................................................................. 43 Hình 3.18. Dây nano CoNiP / Au phân tán sau khi loại bỏ màng ...................... 44 Hình 3.19. Phân tích phổ EDS của dây nano CoNiP / Au .................................. 44 Hình 3.20. Đường cong trễ của mảng dây nano CoNiP / Au ............................. 45 Hình 3.21. Phổ hấp thụ của dây nano CoNiP/Au và CoNiP/Au gắn 4-ATP ..... 46 Hình 3.22. Phổ raman của dây nano CoNiP/Au và CoNiP/Au-4 ATP ............... 47 Trang6
7. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Giá trị ước tính của kích thước đơn đômen cho các hạt nano hình cầu không có dị hướng [15] ......................................................................................... 8 Bảng 2. Sự phụ thuộc của kích thước hạt nano CoFe2O4 vào nồng độ SDS .... 16 Bảng 3. Thành phần nguyên tử của mẫu CoNiP chế tạo bởi các tiền chất khác nhau ..................................................................................................................... 39 Trang7
8. MỞ ĐẦU Trong suốt nhiều thế kỷ qua, khoa học đã không ngừng phát triển và chế tạo ra những vật liệu có kích thước bé và có thể đạt đến kích thước nano. Các nhà khoa học đã nghiên cứu ra nhiều tính chất của các vật liệu có kích thước nano và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ghi từ, xét nghiệm sinh học, cảm biến,... Những vật liệu có kích thước ít nhất của một trong ba chiều ở cấp độ nano mét được gọi là vật liệu nano. Vật liệu nano có các tính chất khác biệt so với vật liệu khối như khả năng thay đổi màu sắc, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ nóng chảy, tính siêu thuận từ... Khi kích thước vật liệu giảm xuống thì tỷ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu tăng lên. Các nguyên tử trên bề mặt và các nguyên tử bên trong vật liệu có số phối vị, năng lượng và khả năng tương tác môi trường khác nhau nên có tính chất khác hẳn nhau. Khi kích thước vật liệu giảm thì các tính chất liên quan đến nguyên tử hay bề mặt hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt gia tăng. Ở vật liệu nano, tỷ số giữa nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu rất lớn, do đó hiệu ứng bề mặt chưa được thể hiện rõ. Các hạt nano từ tính được chế tạo theo hai phương pháp: Phương pháp thứ nhất là phương pháp từ trên xuống nghĩa là các vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano và hình thành các hạt nano từ các nguyên tử. Phương pháp thứ nhất bao gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền thành tinh, nghiền rung. Phương pháp thứ hai là phương pháp từ dưới lên được phân thành hai loại đó là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay, lắng đọng điện hóa, ) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch và kết tủa từ khí hơi, ). Trong phương pháp thứ hai này, các hạt nano được chế tạo từ các dung dịch lỏng bằng cách điện phân dung dịch hoặc lắng đọng điện hóa. Việc chế tạo các hạt nano từ tính từ các dung dịch sẽ thuận lợi hơn vì dễ chế tạo và giá thành vật liệu rẻ. Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu chế tạo hạt nano từ cứng CoNiP bằng phương pháp điện hóa siêu âm. Luận văn gồm 3 phần chính: Chương I – Tổng quan 1
9. Chương II – Phương pháp thực nghiệm Chương III – Kết quả và thảo luận 2
10. CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu từ có cấu trúc nano Vật liệu từ tính có cấu trúc nano thường là vật liệu đa pha, trong đó đặc tính của vùng giáp ranh giữa các pha được quy định bởi tương tác trao đổi. Các tương tác trao đổi giữa các hạt hoặc các lớp từ tính khác nhau, tiếp xúc nhau hoặc phân tách nhau một khoảng vài nanomet là nhân tố quan trọng tạo nên một số hiện tượng vật lý [1]. Nhờ các phương pháp khác nhau mà người ta chế tạo ra một số cấu trúc vật liệu nano như: chuỗi hạt nano, băng nano, dây nano, ống nano, màng mỏng nano Các vật liệu nano từ tính được quan tâm bởi mối liên hệ giữa các đặc trưng vi cấu trúc và các tính chất từ. Các đặc trưng đó bao gồm kích thước hạt, sự phân bố, tính không đồng nhất hóa học, các sai lệch mạng tinh thể, kết cấu tinh thể học [1]. 1.2. Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ có lực kháng từ cao (trên 150 Oe), chu trình từ trễ rộng, cảm ứng từ dư tương đối cao và bền vững. Hình 1.1. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng Lực kháng từ (Hc) là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngược lại với vật liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn 3