ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐOÀN MẠNH QUANG
NGHI£N CøU CHÕ T¹O VËT LIÖU HÊP THô SãNG VI BA
TR£N NÒN VËT LIÖU GèM Tõ Vµ §IÖN M¤I
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀO NGUYÊN HOÀI NAM
HÀ NỘI - 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của TS. Đào Nguyên Hoài Nam. Các số liệu và kết quả trong luận
văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Tác giả luận văn Đoàn Mạnh Quang
MnO
3
(LSMO) và La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
(LSNO) 18
2.2. Phương pháp phân tích 20
2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X 20
2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM). 22
2.2.3. Từ kế mẫu rung (VSM) 23
2.2.4. Phép đo phản xạ, truyền qua và hấp thụ sóng vi ba 24
2.2.4.1. Quy trình trải các lớp vật liệu hấp thụ 24
2.2.4.2. Phương pháp đo truyền qua/phản xạ sóng vi ba trong không gian
tự do 26
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29
3.1. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh bề mặt SEM 29
3.2. Kết quả khảo sát tính chất từ của các hệ hạt nano chế tạo 31
3.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của hình thái, kích thước hạt và tính chất từ
vào các điều kiện công nghệ chế tạo các hạt nano La
0,7
Sr
0,3
MnO
3
32
3.3.1. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt La
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới đã được công bố [1,
2, 3, 8, 17, 34, 36, 37, 43, 47, 49, 50, 51, 52] 4
Bảng 3.1. Các tham số đặc trưng của các mẫu LSMO nghiên cứu (D là đường
kính hạt được tính từ số liệu XRD theo công thức Scherrer, M
S
được
xác định tại từ trường 10 kOe) 34
Bảng 3.2. Các tham số đặc trưng của các tấm vật liệu La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
/paraffin với
các độ dày khác nhau 38
Bảng 3.3. Các tham số đặc trưng của các tấm vật liệu (100-x)LSNO/xLSMO với x
= 0; 2; 4; 6; 8; 10% 46
Hình 4. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ RL vào tần số f của các lớp
MAM có các độ dày khác nhau gồm các hạt nano hợp kim ba thành
phần Fe
0,25
(CoNi)
0,75
trong paraffin [9]. 4
Hình 1.1. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số [11]. 12
Hình 2.1. Sơ đồ máy nghiền hành tinh. 18
Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu. 19
Hình 2.3. Mô hình minh họa dẫn đến định luật nhiễu xạ Bragg 20
Hình 2.4. Máy đo nhiễu xạ tia X. 20
Hình 2.5. Hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800. 22
Hình 2.6. Sơ đồ minh họa cho một hệ đo VSM. 23
Hình 2.7. Hình ảnh minh họa một tấm vật liệu hấp thụ kích thước 10cm x 10cm
x 0,3cm. 25
Hình 2.8. Mô hình sóng tới trên một vật liệu hấp thụ điển hình 27
Hình 2.9. Sơ đồ lắp mẫu trong phép đo truyền qua (a) và phản xạ (b). 27
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột nano La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
(a) và
La
0,7
Sr
0,3
MnO
3
(b) đo tại nhiệt độ phòng. 32Hình 3.4. Phổ XRD (a) và đường cong từ hóa M(H) (b) tại nhiệt độ phòng
của các mẫu LSMO khối, mẫu bột sau nghiền nano và mẫu bột
sau ủ nhiệt tại 900
0
C/2h. 34
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của RL và |Z| vào tần số của các tấm vật liệu
La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
/paraffin với các độ dày khác nhau: (a) d = 1,5
mm; (b) d = 2,0 mm; (c) d = 3,0 mm và (d) d = 3,5 mm. 36
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của RL vào tần số f của các tấm vật liệu
LSMO/paraffin với các độ dày khác nhau khi có đế Al phẳng gắn
chặt phía sau. 41
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Z
0
| vào tần số của các tấm vật liệu 43
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu (100-
x)LSNO/xLSMO với các tỷ lệ phần trăm thể tích x khác nhau 44
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của RL vào tần số f của các tấm vật liệu (100-
x)LSNO/xLSMO với các tỷ lệ phần trăm thể tích x khác nhau
khi có đế Al phẳng gắn chặt phía sau 45
Hình 3. 13. Sự phụ thuộc tần số của tín hiệu phản xạ S
11
cho các mẫu tổ hợp
(100-x)LSNO/xLSMO có gắn đế Al 45
BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
EM Sóng điện từ (Electromagnetic)
EMI Chống nhiễu điện từ (ElectroMagnetic Interference )
LSMO La
1. Lý do chọn đề tài
Những công trình nghiên cứu đầu tiên về vật liệu hấp thụ sóng vi ba (MAM
– Microware Absorbing Material) đã được thực hiện vào khoảng những năm 1930
[30]. Vật liệu hấp thụ sóng vi ba [43] (trong vùng 3 ÷ 30 GHz) có những ứng dụng
hết sức quan trọng trong kỹ thuật chống nhiễu điện từ (ElectroMagnetic Interference
- EMI) [7, 27] cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là các tổ hợp thiết bị điện tử di động
(như hệ thống thông tin liên lạc cho vệ tinh, máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, hệ thống
định vị, phát hiện và theo dõi mục tiêu bằng sóng radio). Các vật liệu này cũng
được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng che chắn sóng điện từ, trong an toàn bức
xạ và y tế, kỹ thuật phòng tối…(hình 1, 2). Hình 1. So sánh tín hiệu của một bộ khuếch đại dải rộng được đặt trong một hộp
kim loại kín trước và sau khi được dán một lớp MAM dày 1 mm. Nguồn: Công ty
Laird Technologies.
S21 (dB)
f (GHz)
Không vật liệu 2Hình 2. Một công nhân đang dán các lớp RAM (màu đen) chống nhiễu radar băng
tần X cho một cột ăng-ten trên tàu sân bay USS Ronald Reagan. Nguồn: Bộ Chỉ huy
Hải quân Hoa kỳ.
Trong quân sự, vật liệu hấp thụ sóng radar (8 ÷ 12 GHz) là yếu tố cốt lõi
trong công nghệ tàng hình cho tên lửa tầm xa, tàu chiến và máy bay chiến đấu. Do
yêu cầu của các phương tiện thông tin liên lạc hiện đại và sự phát triển của vũ khí
f (GHz)
RL (dB) 4
Hình 4. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ RL vào tần số f của các lớp MAM
có các độ dày khác nhau gồm các hạt nano hợp kim ba thành phần Fe
0,25
(CoNi)
0,75
trong paraffin [34].
Bảng 1. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới đã được công bố
[1, 2, 3, 8, 17, 34, 36, 37, 43, 47, 49, 50, 51, 52].
Vật liệu (Thành phần)
Độ dày lớp hấp thụ/
PP chế tạo
RL
(dB)
Vùng tần
số (GHz)
Hỗn hợp carbon nanofibers (CNFs)/
hạt NiFe
1 – 1,3mm -10
13,5-16
Hạt nano tinh thể La
0,8
Ba
0,2
2,2mm/pp sol-gel -41,1
8,2
f (GHz)
RL (dB) 5
Hạt nano Fe(C)/paraffin 3,1mm -43,15
9,6
Hỗn hợp các hạt nano ferrit
Co
1-x
Mn
x
Fe
2
O
4
/paraffin
2mm -46,6
10,5
Hỗn hợp hạt nano Sr
2
FeMoO
6
2,15mm/pp sol- gel -49,3
8,58
Hỗn hợp các hạt
16,5 - 19
Các hạt Fe bọc ZnO/paraffin
3mm/ KT phóng điện-
hồ quang
-57,1
7,8
Các hạt nano hợp kim
Fe
0,25
(Co,Ni)
0,75
/paraffin
2,3mm -59
9,5
Hạt nano ferrite Mn
0,5
Zn
0,5
Fe
2
O
4
2,2mm/phun sương -
đồng kết tủa
-30
8,2
Vật liệu multiferroic BiFeO
NiO
4
có 6
khả năng hấp thụ sóng điện từ khá tốt (RL = -36,7 dB) và có thể sử dụng như một
chất nền điện môi cho các vật liệu hấp thụ sóng vi ba. Đây cũng là phát hiện đầu
tiên về khả năng hấp thụ mạnh được ghi nhận với vật liệu thuần điện môi. Tác giả
cùng nhóm nghiên cứu cũng đã chứng minh được rằng cơ chế phối hợp trở kháng
(Z - matching) và phối hợp pha (phase matching) đóng vai trò chính trong việc hình
thành các đỉnh hấp thụ sóng vi ba trong La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
dù cho có sự mất cân đối lớn
giữa độ điện thẩm và độ từ thẩm trong vật liệu này [31, 14]. Để tăng khả năng hấp
thụ của vật liệu thông qua việc thiết lập sự cân bằng giữa các hệ số điện thẩm và từ
thẩm, tác giả đã pha trộn La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
với vật liệu sắt từ La
0,7
Sr
0,3
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn này là tập trung phát triển các hợp chất gốm điện môi
La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
(LSNO) và gốm sắt từ La
0,7
Sr
0,3
MnO
3
(LSMO) có kích thước
nanomet nhằm chế tạo các chất hấp thụ hiệu quả sóng vi ba, tìm hiểu cơ chế hấp thụ
trong các vật liệu này cũng như tìm cách nâng cao khả năng hấp thụ của chúng. Đây
là một vấn đề nghiên cứu khá mới ở Việt Nam và là hướng nghiên cứu mới của
nhóm nghiên cứu, vì thế ngoài việc chế tạo vật liệu, luận văn còn nghiên cứu và
thiết lập một quy trình đo phản xạ và hấp thụ sóng vi ba bằng phương pháp không
gian tự do, qua đó xây dựng phương pháp tính thông qua thuật toán NRW [26, 46]
để xác định khả năng hấp thụ thông qua hệ số tổn hao phản xạ (Reflection Loss -
RL) của vật liệu. 7
Kết quả của luận văn sẽ góp phần cung cấp những thông tin quan trọng về
tính chất và kiểm chứng cơ chế vật lý trong việc ứng dụng vật liệu La
1,5
Sr
Sr
0,5
NiO
4
(LSNO) và La
0,7
Sr
0,3
MnO
3
(LSMO) và các phương pháp phân tích
chất lượng mẫu như: Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi
điện tử quét (SEM), phương pháp từ kế mẫu rung (VSM), phép đo phản xạ,
truyền qua và hấp thụ sóng vi ba.
Chương 3. Trình bày kết quả thực nghiệm: Kết quả phân tích giản đồ nhiễu
xạ tia X và chụp ảnh bề mặt SEM, kết quả khảo sát tính chất từ của các hệ hạt nano
chế tạo, nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano tổng hợp
La
1,5
Sr
0,5
NiO
4
/La
0,7
Sr
0,3
MnO
3
khác nhau; các thông số của sóng điện từ có thể thu được bằng cách giải các
phương trình Maxwell với điều kiện biên tại bề mặt. Chỉ số khúc xạ có thể được xác
định bằng biểu thức [5]:
n =
rr
(1.1) 9
Trong đó:
r
,
r
tương ứng với độ điện thẩm và từ thẩm tương đối, cả hai đại
lượng này đều là số phức và có biểu thức như sau:
'''
rrr
i
(1.2)
'''
rrr
i
hệ số phản xạ tại tại bề mặt.
0
0
0
0
ZZ
ZZ
(1.6)
Trong đó: là hệ số phản xạ và
là giá trị đặc trưng của môi trường tới
(môi trường tới bất kỳ hoặc không khí). Giá trị đặc trưng của môi trường trong
phương trình này có thể được thay thế bằng trở kháng nội tại Z = 1/
. Hệ số phản
xạ giảm về không khi
=
0
, hay nói cách khác các lớp vật liệu này phải có trở
kháng đầu vào phù hợp với môi trường tới. Trong phép đo trong không gian tự do,
Vì vậy, một vật liệu có trở kháng đầu vào bằng Z Z
0
= 377 Ω thì sẽ không
phản xạ sóng vi ba nếu môi trường tới là môi trường không khí. Phương pháp phối 10
hợp trở kháng lý tưởng có thể có được nếu độ từ thẩm và điện thẩm bằng nhau. Đây
chính là điều kiện thứ hai để có kết quả của sự phản xạ tối thiểu. Trong trường hợp
này phương trình (1.6) được viết lại như sau:
1
1
0
0
Z
Z
Z
Z
(1.8)
Bình thường thì trở kháng nội tại sẽ là
r
r
Z
Z
r
. Có nghĩa là cả hai thành
phần thực và ảo của độ từ thẩm và điện thẩm là bằng nhau, khi đó hệ số phản xạ
bằng không.
Điều kiện thứ ba, đây là trường hợp đặc biệt vì mẫu hấp thụ được phủ lên đế
là tấm kim loại, ta thấy có sự tổn hao sóng điện từ khi sóng truyền vào trong môi
trường hấp thụ. Công suất tổn hao của sóng tỉ lệ với khoảng cách theo hàm số e
-
d
.
là hệ số tổn hao của vật liệu và có biểu thức như sau:
b
’,
’’ phải lớn. Cần lưu ý
rằng điều kiện này phải phù hợp với điều kiện đầu tiên (phương trình 1.6). Ở đây
giá trị của độ từ thẩm và điện thẩm lớn thì sẽ làm tăng khả năng khử phản xạ.
Cuối cùng, để sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật liệu hấp thụ tự triệt tiêu
lẫn nhau, thì pha của hai sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật liệu này phải lệch pha
nhau là π. Điều này được biết đến như một điều kiện phối hợp pha hay điều kiện 11
phối hợp một phần tư bước sóng. Hiệu ứng này xảy ra khi độ dày mẫu thỏa mãn
điều kiện:
)4/()12(
rr
fcnd
, n = 0, 1, 2, …
1.2. Các cơ chế hấp thụ sóng vi ba
Trên thực tế thì bất kỳ một loại vật liệu nào cũng đều hấp thụ năng lượng của
sóng điện từ khi truyền qua chúng. Các vật liệu có thể hấp thụ sóng điện từ theo
nhiều cơ chế khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của từng vật liệu. Trong thực tế, hầu
hết các vật liệu hấp thụ sóng vi ba đều được thiết kế dựa trên ba cơ chế hấp thụ cơ
bản: tổn hao xoáy, tổn hao điện môi và tổn hao từ.
- Tổn hao xoáy (còn gọi là dòng Foucault) là cơ chế hấp thụ cơ bản của các
vật liệu dẫn điện. Điện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng
lượng của dòng Foucault thành nhiệt năng.
- Vật liệu điện môi hấp thụ sóng điện từ thông qua sự phân cực tần số cao
của các dipole lưỡng cực điện. Do năng lượng sóng điện từ được hấp thụ và chuyển
r
) (thông thường đối với không gian tự do là
0
= 8,85.10
-12
F/m) được định nghĩa:
r
=
/
0
(1.12)
Một trong những thông số quan trọng của một chất điện môi là thời gian hồi
phục () của các lưỡng cực điện. Hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra khi chu kỳ biến
đổi của điện trường ngoài bằng với tần số hồi phục của lưỡng cực. Đối với chất điện
môi đồng nhất, thời gian hồi phục bao gồm thời gian định hướng của lưỡng cực
điện và đảo hướng lưỡng cực điện khi thay đổi hướng của điện trường ngoài [9]. Hình 1.1. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số [11].
Hằng số điện môi
đạt tới giới hạn khi tăng tần số. Vượt qua giới hạn ở tần
số cao, hằng số điện môi gần như không thay đổi do các lưỡng cực điện rơi vào
Điện tử
Nguyên tử
Lưỡng cực điện
1.2.1.2. Phân cực tự phát
Trong một số vật liệu điện môi, các lưỡng cực định hướng tự phát và hình
thành nên các mômen lưỡng cực điện. Các mômen lưỡng cực điện vì thế được định
hướng tự phát mà không cần sự có mặt của điện trường ngoài. Sự định hướng của
các mômen lưỡng cực tự phát này gây bởi điện trường ngoài sẽ gây ra tổn hao điện
môi ở vùng tần số sóng vi ba [28].
1.2.1.3. Phân cực nguyên tử
Cũng giống như phân cực lưỡng cực, phân cực nguyên tử được tạo ra khi có
điện trường ngoài, các nguyên tử liên kết với nhau bằng cách chia sẻ các điện tử của
chúng. Trái ngược với phân cực tự phát, sự phân cực nguyên tử không có lưỡng cực
vĩnh cửu. Dưới tác dụng của điện trường, các phân tử có xu hướng dao động theo
điện trường ngoài. Sự dao động này gây ra sự thay đổi vị trí tương đối của các
nguyên tử, do đó các trung tâm điện tích dương và âm có thể lệch nhau. Cả hai phân
cực điện tử và nguyên tử thường xảy ra rất nhanh và không thay đổi so với vùng
sóng vi ba và đó là lý do tại sao nó ít hoạt động ở vùng tần số vi ba [29]. 14
1.2.1.4. Ion dẫn
Trong vật liệu điện môi, dẫn ion là do sự thay đổi cục bộ của điện tích khi
có tác dụng của điện trường ngoài. Tổn hao ion dẫn chỉ ở mức tối thiểu và khác so
với tổn hao lưỡng cực điện. Sự khác biệt này là do sự quay và định hướng theo
điện trường của các lưỡng cực điện, trong khi ion dẫn dao động dưới ảnh hưởng
của điện trường ngoài. Trong khi điện tích chuyển động, nó có thể va chạm với
các phân tử hoặc nguyên tử bên cạnh. Những va chạm là do kích thích hoặc do
chuyển động và từ đó tạo ra nhiệt. Cả hai trường hợp ion dẫn và phân cực lưỡng
cực đều là nguồn chính để tạo ra nhiệt. Ngoài ra, các tổn hao dẫn lại chiếm ưu thế
ở các tần số thấp hơn 30 GHz, trong khi ở tần số cao hơn tần số này thì cơ chế tổn
).
r
=
/
0
(1.14)
Độ từ thẩm phụ thuộc tần số và cũng là một đại lượng phức giống như độ
điện thẩm và được biểu diễn dưới dạng:
)'''('''
0 rr
jj
(1.15)
Năng lượng lưu trữ do từ hóa được thể hiện bởi phần thực (
’) của độ từ
thẩm phức (
), trong đó phần ảo (
’’) thể hiện công suất tổn hao [44]. Ứng dụng 15
của vật liệu có tính sắt từ hoặc ferrite từ cũng được sử dụng rộng rãi trong các vật
liệu hấp thụ, trong công nghệ che chắn và chống nhiễu điện từ (EMI) [25, 45]. Tổn
(1.16)
Trong đó g 2 là hệ số hồi chuyển từ cơ, e và m là điện tích và khối lượng
của điện tử. Trở ngại đáng kể nhất của cơ chế này là điều kiện giới hạn Snoek:
3
S
FMR
M
f
(với
m
e
g
2
0
) , theo đó tại một tần số cộng hưởng f
FMR
cố định, độ
lớn của độ từ thẩm µ (tham số quyết định mức độ tổn hao) bị hạn chế bởi giá trị từ
độ bão hòa M
s
. Do cộng hưởng sắt từ cũng nằm trong vùng sóng vi ba, hầu hết các
là độ cảm từ xoay chiều ảo được biểu diễn bằng biểu thức
)1/()(''
2
0
f
với
N
f
và
)/(
2
00
TkVM
BS
. Trong trường hợp hệ được
đặt trong chất lỏng,
N
sẽ được thay bằng thời gian hồi phục hiệu dụng
)/(
BNBNeff
do sự có mặt của hồi phục Brown với thời gian hồi phục
B
s
cao.
1.2.3. Tổn hao xoáy
Khi từ trường ngoài đặt vào một vật liệu dẫn điện thay đổi có thể gây ra hiện
tượng cảm ứng điện từ. Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu dẫn điện xuất hiện khi
làm thay đổi từ trường hay thay đổi thành phần từ của sóng điện từ truyền tới vật
liệu [33]. Do hầu hết các vật liệu dẫn đều có một độ dẫn hữu hạn, dòng cảm ứng vì
thế sẽ bị hấp thụ bởi điện trở của vật liệu và gây tổn hao do quá trình sinh nhiệt.
1.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng hấp thụ bề mặt
Vật liệu từ tính được sử dụng rộng rãi để hấp thụ sóng vi ba, do có sự hấp thụ
tốt hơn so với các vật liệu điện môi. Tuy nhiên, hiệu suất hấp thụ sóng vi ba của các
vật liệu từ tính bị khống chế bởi hai giới hạn, đó là hiệu ứng Snoke và hiệu ứng
Skin. Hiệu ứng Skin xuất hiện trên bề mặt của vật liệu, giới hạn độ thấm sâu của
sóng điện từ trong một vùng không gian nhất định. Độ lớn của điện trường nội tại
thấm vào vật liệu được xác định bởi:
/
0
.
d
eEE
(1.18)
Copyright: Tài liệu đại học ©