LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy Nguyễn Hoàng Hải,
người ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ và cung cấp cho em phương pháp
nghiên cứu, cách làm việc khoa học ñể em hoàn thành khóa luận này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô và toàn thể các anh chị cán bộ
của Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường ðại học Khoa học tự nhiên ñã tạo
ñiều kiện giúp ñỡ em trong thời gian thực tập tại trung tâm.
Xin gửi lời cảm ơn tới anh Nguyễn ðăng Phú, người ñã giúp ñỡ em rất
nhiều trong thời gian ñầu làm thực nghiệm.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia ñình, bạn bè ñã luôn
bên cạnh, ủng hộ và ñộng viên em trong những lúc gặp phải khó khăn ñể em
có thể hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện khóa luận tốt
nghiệp này.

Hà Nội, tháng 5 năm 2011
Sinh viên

Trịnh Xuân Sỹ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU TIÊNG ANH DỊCH NGHĨA
XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X
TEM Transmission Electron
Microscopy

Một số khái niệm .......................................................................... 5

1.1.2.

Hiệu ứng bề mặt ............................................................................ 5

1.1.3.

Hiệu ứng kích thước ...................................................................... 6

1.1.4.

Phân loại vật liệu nano .................................................................. 7

1.2. Vật liệu từ tính ..................................................................................... 8

1.2.1. Vật liệu thuận từ ........................................................................... 8

1.2.2. Vật liệu sắt từ ................................................................................ 8

1.2.3. Vật liệu phản sắt từ ..................................................................... 10

1.2.4.Vật liệu feri từ ............................................................................. 11

1.2.5. Siêu thuận từ ............................................................................... 12

1.3. Vật liệu Fe
2
O
3


2.1. Hệ vi sóng ......................................................................................... 24

2.2. Quy trình chế tạo mẫu ....................................................................... 25

2.3. Các phép ño khảo sát mẫu ................................................................. 26

Chương III: Kết quả và thảo luận ................................................................. 28

3.1. Cấu trúc và hình dạng ........................................................................ 28

3.1.1. Kết quả nhiễu xạ tia X ................................................................ 28

3.1.2. Kết quả chụp TEM ...................................................................... 30

3.2. Phân tích nhiệt ................................................................................... 30

3.3. Tính chất từ ....................................................................................... 33

3.4. Kết quả FTIR và Raman .................................................................... 36

Chương IV: Ứng dụng lọc Asen ................................................................... 39

4.1. Asen và tác hại .................................................................................. 39

4.2. Xử lý asen bằng oxit sắt ..................................................................... 40

4.3. Thí nghiệm ........................................................................................ 41

4.4. Kết quả và thảo luận .......................................................................... 42

chất. Chính ba yếu tố này ñã tạo ra sự thay ñổi lớn về tính chất của vật liệu
nano. Và cũng vì vậy, vật liệu nano thu hút ñược sự nghiên cứu rộng rãi
nhằm tạo ra các các vật liệu có những tính chất ưu việt với mong muốn ứng
dụng chúng ñể chế tạo ra các sản phẩm mới có tính năng vượt trội phục vụ
trong nhiều lĩnh vực và mục ñích khác nhau.
Vật liệu nano có cả dạng kết tinh và vô ñịnh hình. Trong khi hạt nano
tinh thể ñược nghiên cứu mạnh cả về thực nghiệm lẫn mô hình máy tính, thì
vật liệu nano vô ñịnh hình không dành ñược nhiều chú ý do chúng không ña
dạng bằng vật liệu tương ứng ở dạng tinh thể. Vật liệu nano vô ñịnh hình chỉ
có trật tự gần, nên chúng có cấu trúc và tính chất hoàn toàn khác biệt so với
Mở ñầu Trịnh Xuân Sỹ
4

dạng tinh thể. Chính vì vậy, việc nghiên cứu vật liệu nano vô ñịnh hình là một
lĩnh vực khá mới mẻ, có tiềm năng ứng dụng vào công nghệ và cuộc sống.
Nhận thấy ñiều ñó, chúng tôi ñã tiến hành khảo sát, nghiên cứu các vật liệu
nano vô ñịnh hình, mà cụ thể ở ñây là vật liệu nano oxit sắt vô ñịnh hình do
sự phổ biến, phương pháp chế tạo ñơn giản, chi phí thấp và tính ứng dụng cao
của vật liệu này.
Oxit sắt vô ñịnh hình có nhiều tính chất thú vị so với oxit sắt ở dạng kết
tinh, trong ñó ñặc biệt phải kể ñến tính xúc tác và hấp phụ, có nguyên nhân từ
diện tích bề mặt lớn của vật liệu vô ñịnh hình. Khả năng xúc tác của oxit sắt
vô ñịnh hình ñã ñược công bố trong nhiều tài liệu khác nhau, ñây cũng là một
trong những ứng dụng quan trọng nhất của vật liệu này.
Vô ñịnh hình là trạng thái giả bền, tức là nó bị già hóa theo thời gian.
Vì vậy việc xác ñịnh thời gian già hóa ñể biết thời gian sử dụng của vật liệu là
cần thiết. Rất tiếc trên thế giới vấn ñề này vẫn chưa ñược nghiên cứu một
cách cụ thể. Do vậy, mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu quá trình già hóa
của vật liệu oxit sắt vô ñịnh hình, cụ thể ở ñây là quá trình kết tinh. Bên cạnh
ñó, bước ñầu thử nghiệm ứng dụng lọc Asen của vật liệu này so sánh với vật

m).
- Vật liệu nano: là vật liệu trong ñó ít nhất một chiều có kích thước
nano mét. ðây là ñối tượng nghiên cứu của khoa học nano và công
nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Tính chất của vật
liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào cỡ nanômét, ñạt
tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông
thường. ðây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu. Kích thước vật
liệu nano trải một khoảng từ vài nm ñến vài trăm nm phụ thuộc vào
bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu.
1.1.2. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ
chiếm tỉ lệ ñáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có
liên quan ñến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho
tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng
Chương I: Tổng quan Trịnh Xuân Sỹ
6

khối. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước,
hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở ñây không có giới hạn nào
cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có ñiều
hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt
của vật liệu nano tương ñối dễ dàng.
1.1.3. Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano ñã
làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống.
ðối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này ñều có một ñộ dài ñặc
trưng. ðộ dài ñặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu ñều rơi vào
kích thước nm. Chính ñiều này ñã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta
thường nghe ñến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều
lần ñộ dài ñặc trưng này dẫn ñến các tính chất vật lí ñã biết. Nhưng khi kích

1-10

Chương I: Tổng quan Trịnh Xuân Sỹ
7

Tính chất từ

ðộ dày vách ñômen

10-100

Quãng ñường tán xạ spin

1-100
Tính siêu
dẫn

ðộ dài liên kết cặp Cooper

0,1-100

ðộ thẩm thấu Meisner

1-100

Xúc tác

Hình học topo bề mặt

1-10

-3
– 10
-5
). Trong loại vật liệu này, khi không có từ trường tác dụng, các
momen từ ñộc lập không tương tác và ñinh hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt,
do vậy tổng momen từ trong vật liệu thuận từ bằng 0. Dưới tác dụng của từ
trường ngoài, các momen từ có khuynh hướng quay theo phương của từ
trường làm cho momen từ tổng cộng của vật liệu khác không và tăng lên khi
từ trường tăng.
Các vật liệu có trật tự từ như sắt từ hay feri từ cũng có tình thuận từ ở
nhiệt ñộ cao. Nguyên nhân của ñiều này là khi ở nhiệt ñộ cao, năng lượng
nhiệt phá vỡ trật tự từ của vật liệu, các momen từ ñịnh hướng hỗn loạn, do
vậy tổng momen từ trong vật liệu bằng 0 giống như vật liệu thuận từ.
Các chất thuận từ thường gặp là các kim loại chuyển tiếp hoặc kim loại
ñất hiếm, các liên kết có số ñiện tử chẵn (ví dụ: phân từ oxy, các gốc hữu cơ
kép), và các kim loại.
1.2.2. Vật liệu sắt từ
Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới
tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi "sắt từ" ñược
ñặt cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt. Các chất sắt từ có hành vi
gần giống với các chất thuận từ ở ñặc ñiểm hưởng ứng thuận theo từ trường
ngoài.
Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Nhưng nó khác biệt so
với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tương
tác với nhau (tương tác trao ñổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction).
Tương tác này dẫn ñến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là
Chương I: Tổng quan Trịnh Xuân Sỹ
9

các ñômen từ) mà trong mỗi ñômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn

ñômen duy nhất, khi ñó từ ñộ sẽ ñạt cực ñại và không thể tăng nữa, gọi là từ
ñộ bão hoà.
Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn ñộn và lại
tạo thành các ñômen, tuy nhiên, các ñômen này vẫn còn tương tác với nhau
(ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng không hỗn ñộn
ñược) do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một
giá trị khác 0, gọi là ñộ từ dư. Muốn khử hoàn toàn từ dư, ta phải ñặt vào một
từ trường ngược gọi là lực kháng từ H
C
và nếu ta ñặt tư trường theo 1 chu
trình kín, ta sẽ có 1 ñường con kín gọi là ñường cong từ trễ (hình 1.2).
Nhiệt ñộ Cuire (T
C
) cũng là một ñặc trưng rất quan trọng của vật liệu
sắt từ. ðó là nhiệt ñộ mà tại ñó vật liệu bị mất tính sắt từ và trở thành chất
thuận từ. Có nghĩa là ở nhiệt ñộ T<T
C
, vật liệu là sắt từ, còn nếu T>T
C
thì do
năng lượng nhiệt thắng năng lượng ñịnh hướng của các mômen từ, các
mômen từ không còn giữ ñược trạng thái ñịnh hướng nữa, mà bị hỗn loạn và
trở thành vật liệu thuận từ.
Ngày nay có rất nhiều loại vật liệu có tính sắt từ ñã ñược tìm ra và ứng
dụng rộng rãi trong kỹ thuật và ñời sống như: các kim loại (kim loại chuyển
tiếp và kim loại ñất hiếm), các hợp kim (hợp kim Fe-Si, Fe-Ni hay còn gọi là
hợp kim Permalloy, …), các oxit. Vật liệu sắt từ với từ tính mạnh và khả năng
ứng dụng lớn là ñối tượng nghiên cứu ñược quan tâm hàng ñầu trong lĩnh vực
từ học.
1.2.3. Vật liệu phản sắt từ

sắt từ bị phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ. Ở dưới nhiệt ñộ
Néel, vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Nếu ta ño sự phụ thuộc của hệ số
từ hóa (ñộ cảm từ χ) vào nhiệt ñộ của chất phản sắt từ thì tại nhiệt ñộ Néel sẽ
xuất hiện một cực ñại, hay nói cách khác có chuyển pha tại nhiệt ñộ Néel.
Một số vật liệu có tính phản sắt từ như: MnO, Mn, Cr, Au.
1.2.4.Vật liệu feri từ
Nếu như chất phản sắt từ có 2 phân mạng từ ñối song song và bù trừ
nhau thì feri từ có cấu trúc gần giống như vậy. Feri từ cũng có 2 phân mạng từ
ñối song song, nhưng có ñộ lớn khác nhau nên không bù trừ hoàn toàn. Do
vậy feri từ còn ñược gọi là các phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn.

Hình 1.3. Cấu trúc từ của vật liệu phản
sắt từ

Chương I: Tổng quan Trịnh Xuân Sỹ
12

Nhìn chung, tính chất từ của feri từ gần giống với sắt từ, tức là cũng có
các ñặc trưng như vật liệu sắt từ: từ trễ, nhiệt ñộ trật tự từ (nhiệt ñộ Curie), từ
ñộ tự phát... ðiểm khác biệt cơ bản nhất là do nó có 2 phân mạng ngược chiều
nhau, nên thực chất trật tự từ của nó ñược cho bởi 2 phân mạng trái dấu, vì
thế, có một nhiệt ñộ mà tại ñó mômen từ tự phát của 2 phân mạng bị bù trừ
nhau gọi là "nhiệt ñộ bù trừ". Nhiệt ñộ bù trừ thấp hơn nhiệt ñộ Curie (ñôi khi
nhiệt ñộ Curie của feri từ cũng ñược gọi là nhiệt ñộ Néel, ở trên nhiệt ñộ
Curie chất bị mất trật tự từ và trở thành thuận từ.
Các vật liệu feri từ thường gặp là: các spinel (có cấu trúc giống khoáng
chất Fe
3
O
4

ña ñômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều ñômen từ). Khi kích thước hạt
giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái ñơn ñômen, có nghĩa là mỗi hạt sẽ là
một ñômen. Khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng ñịnh hướng (mà chi
phối chủ yếu ở ñây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với
năng lượng nhiệt, khi ñó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự ñịnh hướng song song
của các mômen từ, và khi ñó mômen từ của hệ hạt sẽ ñịnh hướng hỗn loạn
như trong chất thuận từ.
Khi xảy hiện tượng siêu thuận từ, chất vẫn có mômen từ lớn của sắt từ,
nhưng lại thể hiện các hành vi của chất thuận từ, có nghĩa là mômen từ biến
Chương I: Tổng quan Trịnh Xuân Sỹ
13

ñổi theo hàm Langevin [3]. Nếu ta ñặt vào một từ trường ngoài, mômen từ có
xu hướng ñịnh hướng theo từ trường ngoài làm từ ñộ tăng dần lên. Nếu ta tiếp
tục tăng thì từ ñộ sẽ tiến tới giá trị từ ñộ bão hòa, tất cả các mômen từ sẽ hoàn
toàn song song với nhau. Nếu ta ngắt từ trường, do vật liệu ở trạng thái ñơn
ñômen nên các momen từ lại ñịnh hướng hỗn loạn vì vậy tổng momen bằng 0
và không có từ dư như trong chất sắt từ. ðường hysteresis loop của chất siêu
thuận từ có dạng như trong hình 1.4.

Hình 1.4. ðường cong từ hóa của chất siêu thuận từ
1.3. Vật liệu Fe
2
O
3

1.3.1. Giới thiệu
Sắt (ký hiệu: Fe) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn
nguyên tố có ký hiệu Fe và số hiệu nguyên tử bằng 26, nằm ở phân nhóm
VIIIB chu kỳ 4, là một trong các nguyên tố chuyển tiếp. Các ñồng vị

Fe
2
O
3
là oxit sắt phổ biến nhất trong thiên nhiên và cũng là hợp chất
thuận tiện nhất cho việc nghiên cứu tính chất từ và chuyển pha cấu trúc của
các hạt nano. Sự tồn tại của Fe
2
O
3
vô ñịnh hình và 4 pha tinh thể khác (alpha,
beta, gamma, epsilon) ñã ñược xác nhận [4], trong ñó pha alpha (hematite) có
tinh thể mặt thoi (rhombohedral) hoặc lục giác (hexagonal) dạng như cấu trúc
mạng corundum và gamma (maghemite) có cấu trúc lập phương spinel là ñã
ñược tìm thấy trong tự nhiên. Hai dạng khác của Fe
2
O
3
là beta với cấu trúc
bixbyite lập phương và epsilon với cấu trúc trực giao ñã ñược tổng hợp và
nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần ñây [4,5].
Epsilon là pha chuyển tiếp giữa hematite và maghemite. Tài liệu khoa
học ñầu tiên về epsilon Fe
2
O
3
ñược công bố lần ñầu tiên năm 1934 (Forestier
and Guiot - Guillain). ðặc ñiểm cấu trúc chi tiết của pha epsilon ñược Klemm
công bố năm 1998 và sau ñó là Mader. Cho ñến nay cách thông thường ñể tạo
ra epsilon Fe

3
có cấu trúc lập phương tâm mặt, không bền, ở nhiệt ñộ trên
500 °C chuyển hóa thành alpha Fe
2
O
3
. Pha beta có thể ñược tạo thành bằng
cách khử alpha bằng cacbon, nhiệt phân dung dịch sắt (III) clorua, hay là phân
hủy sắt (III) sunphat.
Beta Fe
2
O
3
có tính thuận từ. Gamma và epsilon Fe
2
O
3
có từ tính mạnh,
alpha Fe
2
O
3
là phản sắt từ, trong khi beta Fe
2
O
3
là vật liệu thuận từ. Ch

(corundum) có cùng
một dạng cấu trúc vì vậy hematite
cũng thường ñược nói là có cấu trúc
corundum. Cấu trúc này có thể coi
như là cấu trúc mặt thoi hoặc trực
giao [7].
Cấu trúc mặt thoi hoặc trực
giao của hematite ñược chỉ ra trong
hình 1.5 và 1.6. Hình vẽ ñã ñược thiết kế ñể làm nổi bật lên mối quan hệ giữa
2 loại cấu trúc này. Các anion oxi có cấu trúc lục giác xếp chặt (ñặc trưng bởi
sự xen kẽ của 2 lớp; nguyên tử của mỗi lớp nằm ở ñỉnh của một nhóm tam
giác ñều, và các nguyên tử trong một lớp nằm ngay trên tâm của các tam giác
ñều của lớp bên cạnh), còn các cation
sắt chiếm hai phần ba lỗ hổng 8 mặt
theo dạng ñối xứng. Nói cách khác,
các ion oxi chiếm các lỗ hổng sáu
mặt và các ion sắt chỉ ở tại vị trí của
các lỗ hổng tám mặt xung quanh.
Tuy nhiên, 6 ion oxi xung quanh gần
ion sắt nhất chịu sự biến dạng nhỏ.
Bên cạnh ñó, 4 ion sắt xung quanh
ion oxi không tạo thành tứ diện
thông thường [7].

Hình 1.5. C
ấ
u trúc tinh th
ể
hematite


phẳng nền (111) của cấu trúc mặt thoi. Các ñường tròn liền nét và ñường tròn
nét ñứt tương ứng với các ion oxi trên và dưới ion Fe
3+
[7].
Dưới 260 K, hematite có tính phản sắt từ, trên 260 K hematite thể hiện
tính sắt từ yếu. Sự chuyển tiếp ở nhiệt ñộ khá thấp này gọi là chuyển tiếp
Morin - T
M
. Nhiệt ñộ Morin phụ thuộc mạnh vào kích cỡ của hạt. Nói chung
nhiệt ñộ Morin giảm khi kích thước của hạt giảm và biến mất khi hạt có hình
cầu dưới 8 nm [8]. Dưới 8 nm, hạt nano hematite có tính siêu thuận từ, nhưng
nói chung kích cỡ này phụ thuộc mạnh vào phương pháp chế tạo.
Hematite có thể ñiều chế dễ dàng bằng cả phương pháp phân hủy nhiệt
lẫn kết tủa trong pha lỏng. Tính chất từ của nó phụ thuộc vào nhiều tham số
chẳng hạn như áp suất, kích cỡ hạt và cường ñộ từ trường.
1.3.3. γ-Fe
2
O
3
(maghemite)
Maghemite có cấu trúc lập phương spinel, không bền và dễ bị chuyển
thành α-Fe
2
O
3
ở nhiệt ñộ cao. Maghemite có cấu trúc tinh thể tương tự Fe
3
O
4


ỹ

17

Maghemite có thể ñược ñiều chế bằng các khử nước bằng nhiệt
(thermal dehydratation) gamma sắt(III) oxit-hidroxit, oxi hóa một cách cẩn
thận sắt (II,III) oxit.
1.4. Giới thiệu về vật liệu vô ñịnh hình

Hình 1.7. M
ộ
t s
ố
ch
ấ
t có c
ấ
u trúc vô
ñị
nh hình
Các loại nhựa, thuỷ tinh hữu cơ, cao su, thủy tinh kim loại dạng khối
(bulk metallic glasses), các chất keo dường như là các hệ thống chất có cấu
tạo hoàn toàn khác biệt, nhưng thực tế chúng ñều sở hữu cùng một cấu trúc vô
ñịnh hình. Vật liệu vô ñịnh hình khá phổ biến và có mặt mọi nơi trong tự
nhiên cũng như trong các hệ thống kỹ thuật. Nhiều chất khác cũng có cấu trúc
vô ñịnh hình như nhũ tương, kính của sổ, polime và thậm chí cả các mô sinh
học.
Vật liệu vô ñịnh hình là vật liệu có các nguyên tử ñược sắp xếp một
cách bất trật tự không theo một quy tắc nào, nhưng về mặt thực chất, nó vẫn
mang tính trật tự nhưng trong phạm vi rất hẹp, gọi là trật tự gần (Chất rắn có

Có thể phân biệt dễ dàng vật thể vô ñịnh hình với vật thể kết tinh bằng
những ñặt ñiểm dễ quan sát của trạng thái lỏng mà vật thể vô ñịnh hình mang
theo:
- Tính ñẳng hướng: Các tính chất vật lý của nó như nhau theo các
phương khác nhau
- Phân biệt bằng ñường nóng chảy: chất rắn vô ñịnh hình không có
nhiệt ñộ nóng chảy (hoặc ñông ñặc) xác ñịnh. Khi bị nung nóng,
chúng mềm dần và chuyển sang thể lỏng.
Ngoài ra cũng có thể xác ñịnh vật liệu vô ñịnh hình thông quan giản ñồ
XRD hay TEM. Với giản ñồ XRD, vật liệu vô ñịnh hình không xuất hiện các
ñỉnh nhiễu xạ ñặc trưng, còn với ảnh TEM có thể nhận thấy rõ ràng vật liệu
vô ñịnh hình thông qua sự sắp xếp có trật tự của các lớp nguyên tử (hình 1.8).
Ch
ươ
ng I: T
ổ
ng quan Tr
ị
nh Xuân S
ỹ

19 Hình 1.8.
Ả
nh TEM c
ấ
u trúc tinh th
ể

ỹ

20

- Phương pháp Sputtering
- Lắng ñọng hơi hóa học
- Phương pháp nguội nhanh
- Phương pháp lắng ñọng ñiện phân
- Phương pháp hóa học
- Phương pháp chiếu xạ
- Phương pháp sóng xung kích
Trong khóa luận này chúng tôi chỉ ñề cập ñến phương pháp hóa học sử
dụng sóng vi ba (phương pháp vi sóng) do những thuận lợi của hai phương
pháp này mang lại so với những phương pháp khác, chẳng hạn như thời gian
chế tạo ngắn, thiết bị ñơn giản, nguyên liệu rẻ và phương thức chế tạo dễ
dàng.
a. Sóng vi ba
Sóng vi ba là sóng ñiện từ mà vùng tần số nằm giữa vùng hồng ngoại
và vùng sóng vô tuyến, khoảng 0.3 ñến 30GHz tương ứng với bước sóng
1mm ñến 1m. Trong công nghiệp cũng như trong các lò vi sóng, ñể tránh sự
giao thoa thì người ta sử dụng sóng vi ba với tần số 2.450 (± 0.050) GHz
tương ứng với bước sóng là 12.2 cm.
b. Cơ chế tăng nhiệt do làm quay lưỡng cực ñiện
ðây là một cơ chế làm tăng nhiệt ñộ của chất ñiện môi. Nếu vật liệu có
các momen lưỡng cực, ví dụ như phân từ nước khi chiếu sóng vi ba, các phân
tử nước (hay các momen lưỡng cực) trong vật liệu sẽ quay theo chiều ñiện
trường ngoài. ðiện trường sẽ cung cấp năng lượng cho chuyển ñộng quay
này. Khả năng sắp xếp các phân tử theo ñiện trường phụ thuộc vào tần số
sóng vi ba và bản chất của chất lỏng. Với tần số sóng vi ba thấp, các phân tử
quay cùng pha với dao ñộng của ñiện trường. Phân tử thu ñược năng lượng từ

Khi chiếu sóng vi ba các dung môi phân cực chẳng hạn như nước, chỉ
xảy ra hiện tượng tăng nhiệt do cơ chế quay lưỡng cực ñiện xảy ra ñồng ñều
tại mọi nơi trong chất lỏng. Nhưng nếu cho thêm các chất có các ion dẫn thì
xảy ra thêm cơ chế tăng nhiệt do sự dao ñộng các ion dẫn. Các ion này không
ở mọi nơi trong chất lỏng như các lưỡng cực ñiện mà phân bố rải rác một
cách ñồng ñều. Tại những vị trí có ion dẫn, nhiệt ñộ tăng mạnh so với các
ñiểm xung quanh theo cơ chế tăng nhiệt do sự dao ñộng các ion dẫn. Chênh
lệch nhiệt ñộ giữa môi trường xung quanh và các vị trí này rất lớn, vì vậy
ngay lập tức xảy ra quá trình cân bằng nhiệt với tốc ñộ giảm nhiệt cao. Chính
ñiều này ngăn cản quá trình kết tinh của vật liệu, dẫn ñến việc tạo ra các vật
liệu vô ñịnh hình. Tuy vậy chi tiết quá trình này chưa ñược nghiên cứu cụ thể
và vẫn chưa biết xác ñịnh ñược chính xác giá trị tốc ñộ giảm nhiệt.

Ch
ươ
ng I: T
ổ
ng quan Tr
ị
nh Xuân S
ỹ

22

1.6. Các mô hình nghiên cứu ñộng lực học kết tinh
1.6.1. Mô hình Kissinger
Mô hình Kissinger mô tả ñộng lực học kết tinh trong suốt quá trình
tăng nhiệt liên tục. Phương trình Kissinger:
2
p p

a
[14].
Trong khóa luận này, phân tích nhiệt vi sai kết hợp với mô hình
Kissinger ñược sử dụng ñể nghiên cứu quá trình kết tinh và từ sự thay ñổi tốc
ñộ tăng nhiệt tìm ra ñược năng lượng kích hoạt cho quá trình kết tinh E
a
.
1.6.1. Mô hình Johnson – Mehl – Avrami (JMA)
Mô hình JMA mô tả ñộng lực học kết tinh trong suốt quá trình ñẳng
nhiệt. Phương trình tỷ lệ JMA ñược suy ra từ các ñiều kiện giả sử sau [14]:
- Sự tạo mầm và phát triển xảy ra ở một nhiệt ñộ không ñổi, có nghĩa
là kết tinh ñẳng nhiệt.
- Sự tạo mầm xảy ra ngẫu nhiên trong khối vật liệu ñược xem là vô
hạn.
- Sự phát triển tinh thể là ñẳng hướng ñến khi các tinh thể chạm vào
các tinh thể khác.
(1.1)
Ch
ươ
ng I: T
ổ
ng quan Tr
ị
nh Xuân S
ỹ

23

Phương trình JMA ñôi khi ñược thay ñổi ñể phù hợp với ñiều kiện thí
nghiệm cụ thể nếu các ñiều kiện trên không ñược thỏa mãn. Phần thể tích ñã

(1.2)
(1.3)

Trích đoạn Asen và tác hại

---