ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Trịnh Thị Hồng Thúy

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ HAI PHA CỨNG/MỀM

BẰNG PHƢƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Trịnh Thị Hồng Thúy

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ HAI PHA CỨNG/MỀM

BẰNG PHƢƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA

Chuyên ngành: Vật lí nhiệt

Mã số: (Chương trình đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội - Năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận văn của tôi

là TS. Lê Tuấn Tú, người đã động viên, tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để tôi hoàn

thiện luận văn tốt nghiệp này. Thầy đã hướng dẫn tôi nghiên cứu về vấn đề thiết

thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong khoa học.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật lý nhiệt độ thấp, cũng

như các thầy cô trong khoa Vật lý đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Ngoài ra, tôi cũng xin cám ơn đề tài

VNU QG.14.03 đã hỗ trợ một phần kinh phí.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã

luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để tôi có thể vượt qua và

hoàn thành tốt luận văn này.

Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015.

Học viên

Trịnh Thị Hồng Thúy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU.............................................................................................................................. 1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ ....................................................... 2

1.1. Vật liệu từ có cấu trúc nano ............................................................................... 2

1.1.1. Dây nano từ tính .................................................... Error! Bookmark not defined.

1.1.2. Màng mỏng từ tính ................................................ Error! Bookmark not defined.

1.2. Vật liệu từ cứng ..................................................... Error! Bookmark not defined.

1.2.1. Khái niệm ................................................................ Error! Bookmark not defined.

1.2.2. Một số đặc trưng quan trọng ............................... Error! Bookmark not defined.

1.2.3. Ứng dụng ................................................................ Error! Bookmark not defined.

1.3. Vật liệu từ mềm ..................................................... Error! Bookmark not defined.

1.3.1. Khái niệm ................................................................ Error! Bookmark not defined.

1.3.2. Một số đặc trưng quan trọng ............................... Error! Bookmark not defined.

1.3.3. Ứng dụng ................................................................ Error! Bookmark not defined.

1.4. Giới thiệu về vật liệu từ hai pha cứng/mềm ....... Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆMError! Bookmark not defined.

2.1. Phƣơng pháp lắng đọng điện hóa ........................ Error! Bookmark not defined.

2.2. Phƣơng pháp Vol – Ampe vòng (CV) ................. Error! Bookmark not defined.

2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) .................................. Error! Bookmark not defined.

2.4. Phổ tán sắc năng lƣợng (EDX) ............................ Error! Bookmark not defined.

2.5. Từ kế mẫu rung (VSM) ............................................... Error! Bookmark not defined.

2.6. Nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................. Error! Bookmark not defined.

2.7. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ...................... Error! Bookmark not defined.

2.8. Chi tiết thí nghiệm ................................................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................. Error! Bookmark not defined.

3.1. Kết quả chế tạo vật liệu từ mềm CoNi ............... Error! Bookmark not defined.

3.1.1. Kết quả đo Vol – Ampe vòng (CV) ...................... Error! Bookmark not defined.

3.1.2. Kết quả hiển vi điện tử quét................................... Error! Bookmark not defined.

3.1.3. Kết quả đo tính chất từ ........................................... Error! Bookmark not defined.

3.2. Kết quả chế tạo vật liệu từ cứng CoNiP dạng màng mỏngError! Bookmark not defined.

3.2.1. Kết quả đo Vol - Ampe vòng (CV) ........................ Error! Bookmark not defined.

3.2.2. Kết quả phân tích EDX .......................................... Error! Bookmark not defined.

3.2.3. Kết quả đo nhiễu xạ tia X ...................................... Error! Bookmark not defined.

3.2.4. Kết quả đo tính chất từ ........................................... Error! Bookmark not defined.

3.3. Kết quả về hệ vật liệu hai pha CoNiP/CoNi....... Error! Bookmark not defined.

3.3.1. Kết quả của kính hiển vi điện tử quét ................... Error! Bookmark not defined.

3.3.2. Kết quả phân tích EDX .......................................... Error! Bookmark not defined.

3.3.3. Kết quả đo tính chất từ ........................................... Error! Bookmark not defined.

3.3.4. Ảnh hưởng của từ trường ...................................... Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ........................................................................... Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 3

BÁO CÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂNError! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số dạng hình học của vật liệu nano 2

Hình 1.2. (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b)

Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm

3

Hình 1.3 (a) Dây nano Ni một đoạn; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn;

(c) Dây nano nhiều lớp Co-Cu

3

Hình 1.4. Những chu trình trễ của một mảng dây nano Ni. Đường

kính của các dây nano là 100 nm, chiều dài của chúng là 1

µm.

4

Hình 1.5. Chức năng hóa các dây nano Au-Ni. 6

Hình 1.6. (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc 7

Hình 1.7. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng 9

Hình 1.8 Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số

trên đường từ trễ

11

Hình 1.9 Sơ đồ minh họa đường khử từ của nam châm hai pha 12

Hình 2.1 Bố trí ba cực của phương pháp mạ điện chế tạo dây nano 14

Hình 2.2 Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV 15

Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quá trình khử 16

Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quét thế vòng 17

Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử quét 18

Hình 2.6 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) 20

Hình 2.7 Máy đo từ kế mẫu rung 21

Hình 2.8 Mô hình từ kế mẫu rung 22

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy XRD 24

Hình 2.10 Máy nhiễu xạ tia X D5005 24

Hình 2.11 Sơ đồ của máy hiển vi điện tử truyền qua 25

Hình 3.1 Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân 28

Hình 3.2 Ảnh SEM của dây nano khi loại bỏ các khuôn 29

Hình 3.3 Đường cong từ trễ của dây nano CoNi với từ trường đặt vào

song song với trục của dây

29

Hình 3.4 Đường đặc trưng CV của dung dịch điện phân chứa CoNiP 30

Hình 3.5 Kết quả đo EDX 31

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ phần trăm nguyên tử

P vào nồng độ mol NH2PO2.

32

Hình 3.7 Phân tích phổ XDR của vật liệu CoNiP 32

Hình 3.8 Đường cong từ trễ của các màng CoNiP được đo tại nhiệt

độ phòng

33

Hình 3.9 Sự phụ thộc của lực kháng từ vào nồng độ mol của NH2PO2 34

Hình 3.10 Sự phụ thuộc của tỉ lệ Mr/Ms 7500 Oe vào nồng độ của

NH2PO2

35

Hình 3.11 Sự phụ thuộc của từ độ vào tỉ lệ phần trăm của P tại 7500

Oe

35

Hình 3.12 Ảnh SEM của vật liệu dây nano CoNiP 36

Hình 3.13 Phổ tán sắc năng lượng của mẫu CoNiP 37

Hình 3.14 Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP với từ trường đặt vào

song song với trục của dây

37

Hình 3.15 Thí nghiệm lắng đọng trong từ trường 38

Hình 3.16 Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP bị ảnh hưởng của từ

trường đặt vào

38

Hình 3.17 Ảnh TEM của vật liệu CoNiP khi có từ trường đặt vào sau

khi loại bỏ khuôn

39

Hình 3.18 Phổ XRD của vật liệu CoNiP khi chế tạo trong 39

Hình 3.19 Phổ EDX của vật liệu CoNiP khi được chế tạo trong từ

trường

40

Hình 3.20 HRTEM của vật liệu CoNi/CoNiP 41

Hình 3.21 Ảnh SAED của vật liệu CoNiP 41

Hình 3.22 Đường cong từ trễ của vật liệu CoNiP dưới ảnh hưởng của

từ trường

41

1

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, công nghệ nano là hướng nghiên cứu đang thu hút

được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công nghiệp

bởi ứng dụng của nó trong sản xuất các thiết bị ứng dụng trong công nghiệp, chế tạo

các thiết bị điện tử. Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano

luôn là một nhánh nghiên cứu dành được sự quan tâm đặc biệt do những đặc điểm

và tính chất mới lạ so với các vật liệu thông thường. Quan trọng hơn, các khái niệm

và các ứng dụng của công nghệ nano hiện nay không chỉ giới hạn trong các ngành

khoa học kĩ thuật mà còn được áp dụng cho các ngành khoa học sự sống và y học.

Đặc biệt, công nghệ chế tạo và các đặc trưng vật lý của cấu trúc nano một chiều, hai

chiều đã thu hút nhiều sự chú ý do các các ứng dụng quan trọng như: ghi từ, xét

nghiệm sinh học, cảm biến ….[11, 13,15, 16].

Ở Việt Nam, vào những năm cuối của thế kỷ XX, vật liệu nano đã trở thành

lĩnh vực rất được các nhà khoa học quan tâm chú ý. Với nhiều trung tâm nghiên

cứu, nhiều thiết bị máy móc hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng vật

liệu nano đã được trang bị và cũng đã thu được nhiều kết quả đáng kể, đặc biệt là

các vật liệu dạng hạt nano, dây nano và màng mỏng.

Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên cứu là

chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của các vật liệu nano từ tính đơn pha từ và hai

pha từ cứng/mềm bằng phương pháp lắng đọng điện hóa.

Luận văn gồm 3 phần chính:

Chương 1 - Tổng quan về vật liệu từ.

Chương 2 - Các phương pháp thực nghiệm.

Chương 3 - Kết quả và thảo luận.

2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ

1.1. Vật liệu từ có cấu trúc nano

Cấu trúc nano nói chung và vật liệu từ tính có cấu trúc nano nói riêng thường

là vật liệu đa pha, trong đó, đặc tính của vùng giáp ranh giữa các pha được qui định

bởi tương tác trao đổi. Chính tương tác trao đổi giữa các hạt hoặc các lớp từ tính

khác nhau, tiếp xúc nhau hoặc phân cách nhau một khoảng vài nano mét là nhân tố

quan trọng tạo nên một số hiện tượng vật lý mới [3].

Nhờ các phương pháp khác nhau mà con người chế tạo ra một số cấu trúc vật

liệu nano điển hình như: chuỗi hạt nano, băng nano, dây nano, ống nano, màng

mỏng nano... (hình 1.1). Để chế tạo các cấu trúc nano vừa nêu trên, nói chung phải

chuẩn bị khuôn đúc, mặt nạ, phải sử dụng kĩ thuật ăn mòn....[3]

Hình 1.1. Một số dạng hình học của vật liệu nano [7]

Rất nhiều thiết bị công nghệ hiện đại được chế tạo dựa trên các vật liệu từ

bao gồm: các máy phát điện, biến áp, động cơ điện, máy tính và các thành phần của

hệ thống âm thanh, video. 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

3

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

1. Nguyễn Đình Đức, Vật liệu composite - tiềm năng và ứng dụng, trường đại học

công nghệ, đại học QGHN.

2. Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật liệu từ liên kim loại, NXB Đại học Quốc gia Hà

Nội.

3. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB

Đại học Quốc gia Hà Nội.

4. Nguyễn Hoàng Hải (2009), Hiệu ứng nhớ từ trong vật liệu từ cứng FeCo/(Nd,

Pr)2Fe14B, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ

25 (2009).

5. Lưu Tuấn Tài (2010), Giáo trình vật liệu từ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.

6. Nguyễn Thị Thái (2014), Ảnh hưởng của đường kính và tỉ số hình dạng lên

tính chất từ của dây nano, Luận văn thạc sĩ Vật lí, trường Đại học Khoa học

tự nhiên, đại học QGHN.

7. Đào Thị Trang (2015), Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ P lên vật liệu

CoNiP, Khóa luận tốt nghiệp, trường Đại học Khoa học tự nhiên, đại học

QGHN.

8. Nguyễn Xuân Trường (2015), Nghiên cứu chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-

B/Fe-Co từ băng nguội nhanh có yếu tố ảnh hưởng của từ trường, Luận án

tiến sĩ khoa học vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt nam.

Tiếng Anh:

9. C. Zet, C. Fosalau (2012), Magnetic nanowire based sensors, Digest Journal

of Nanomaterials and Biostructures, Vol. 7, pp. 299 – 306.

10. C. Wen Kuo and P. Chen (2010), The Applications of Metallic Nanowires

for Live Cell Studies, Electrodeposited Nanowires and their Applications,

Nicoleta Lupu (Ed.), ISBN: 978-953-7619-88-6, InTech Publishing House.

4

11. D. Zhang, Z. Liu, S. Han, C. Li, B. Lei, M. P. Stewart, J. M. Tour, C. Zhou

(2004), Magnetite (Fe3O4) Core-Shell Nanowires: Synthesis and

Magnetoresistance, Nano Lett, 4, pp: 2151-2155.

12. K.B. Lee, Park, S., Mirkin, C. A (2004), Multicomponent magnetic

nanorods for biomolecular separations, Angew. Chem. Int. Ed. 43, pp: 3048.

13. Le Tuan Tu, Luu Van Thiem, Pham Duc Thang (2014), Influence of bath

composition on the electrodeposited Co-Ni-P nanowires, Communications in

Physics, Vol. 24, No. 3S1, pp. 103-107.

14. Le Tuan Tu, Luu Van Thiem (2014), Fabrication and characterization of

single segment CoNiP and multisegment CoNiP/Au nanowires,

Communications in Physics, Vol. 24, No. 3 (2014), pp. 283-288.

15. Luu Van Thiem, Le Tuan Tu, Phan Manh Huong (2015), Magnetization

Reversal and Magnetic Anisotropy in Ordered CoNiP Nanowire Arrays:

Effects of Wire Diameter, Sensors, 15, pp. 5687-5696.

16. M. Alper, K. Attenborough, R. Hart, S.J.Lane, D.S. Lashmore, C.Younes

and W.Schwarzacher (1993), Giant magnetoresistance in electrodeposited

superlattices, Appl. Phys. Lett. 63 pp. 2144-2146.

17. Martin, C.R (1994), “Nanomaterials: A membrane-based

syntheticapproach”, Science, Vol. 266, pp. 1961

18. Nguyen Thi Lan Anh (2015), Magnetic behavior of arrays of CoNi/CoNiP

nanowires, Graduate studies, VNU University of Science, VNU, Hanoi.

19. P. Cojocaru, L. Magagnin, E. Gomez, E. Vallés (2011), Nanowires of

NiCo/barium ferrite magnetic composite by electrodeposition, Materials

Letters 65, pp: 2765–2768.

20. P. Cojocaru, L. Magagnin, E. Gómez, E. Vallés (2010), Electrodeposition of

CoNi and CoNiP alloys in sulphamate electrolytes, Journal of Alloys and

Compounds, 503, pp: 454–459.

21. R.N. Emerson, C. Joseph Kennady, S. Ganesan (2007), Effect of organic

additives on the magnetic properties of electrodeposited CoNiP hard

magnetic films, Thin Solid Films, Vol 515, pp: 3391–3396.

5

22. S. Karim, K. Maaz (2011), Magnetic behavior of arrays of nickel

nanowires: Effect of microstructure and aspect ratio, Materials

Chemistry and Physics, Vol 3, pp: 1103 – 1108.

23. S. Guana, zand Bradley J. Nelson (2005), Pulse-Reverse Electrodeposited

Nanograinsized CoNiP Thin Films and Microarrays for MEMS Actuators,

Journal of The Electrochemical Society,15, pp: C190-C195.

24. T. Ouchi, N. Shimano, T. Homma (2011), CoNiP electroless deposition

process for fabricating ferromagnetic nanodot arrays, Electrochimica

Acta, Vol 56, pp 9575 – 9580.

25. V. Varadan, L.F. Chen, J. Xie (2008), Nanomedicine: Design and

Applications of Magnetic Nanomaterials, Nanosensors and Nanosystems.

Wiley Publishing House.

26. W. Yanga, C. Cui, Q. Liu, B. Cao, L. Liu, Y. Zhang (2014), Fabrication and

magnetic properties of Sm2Co17and Sm2Co17/Fe7Co3 magnetic nanowires

via AAO templates, Journal of Crystal Growth, 399, pp: 1–6.

27. Y. Cao, G. Wei, Hongliang Ge, Yundan Yu (2014), Synthesis and Magnetic

Properties of NiCo Nanowire Array by Potentiostatic Electrodeposition, Int.

J. Electrochem. Sci., 9 (2014) 5272 – 5279.