ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Tô Thành Tâm

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA
CÁC HẠT Fe3O4 VÀ Fe3O4 PHA TẠP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Tô Thành Tâm

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA
CÁC HẠT Fe3O4 VÀ Fe3O4 PHA TẠP

Chuyên ngành: vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGÔ THU HƯƠNG

Hà Nội - 2013

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ
VÀ NANO OXIT SẮT TỪ .......................................................................... 3
1.1. Phân loại vật liệu từ: .................................................................................. 3
1.1.1. Các khái niệm cơ bản:......................................................................... 4
1.1.2. Vật liệu thuận từ: ................................................................................ 6
1.1.3. Vật liệu nghịch từ: ............................................................................... 7
1.1.4. Vật liệu sắt từ: ..................................................................................... 8
1.1.5. Vật liệu phản sắt từ: ............................................................................ 9
1.1.6. Vật liệu feri từ: .................................................................................... 9
1.1.7. Vật liệu từ giả bền: ............................................................................ 10
1.1.8. Vật liệu sắt từ kí sinh: ....................................................................... 11
1.2. Một số tính chất của oxit sắt: ................................................................... 11
1.2.1. Các oxit sắt từ:................................................................................... 11
1.2.2. Cấu trúc tinh thể: .............................................................................. 12
1.2.3. Tính chất siêu thuận từ: .................................................................... 14
1.3. Các ứng dụng của hạt nano Fe3O4:.......................................................... 16
1.3.1. Chất lỏng từ: ...................................................................................... 16
1.3.2. Phân tách và chọn lọc tế bào:............................................................ 16
1.3.3. Tăng thân nhiệt cục bộ:..................................................................... 17
1.3.4. Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ: .................................. 18
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .......................... 19
2.1. Phương pháp chế tạo mẫu: ...................................................................... 19
2.1.1. Phương pháp nghiền: ........................................................................ 19
2.1.2. Phương pháp thủy nhiệt: .................................................................. 19
2.1.3. Phương pháp vi nhũ tương: .............................................................. 20
2.1.4. Phương pháp đồng kết tủa :.............................................................. 24
2.2. Quy trình chế tạo mẫu : ........................................................................... 28
2.2.1 Chế tạo mẫu Fe3-xNixO4:..................................................................... 29



b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ............................................ 8
Hình 1.4: Định hướng mômen từ của chất phản sắt từ. ............................................ 9
Hình 1.5: Cấu trúc của Ferrite Spinel..................................................................... 10
Hình 1.6: Oxit sắt trong tự nhiên. .......................................................................... 11
Hình 1.7: Cấu trúc spinel của Fe3O4 (Fe2,5+ là Fe2+ và Fe3+ ở vị trí B). .................. 13
Hình 1.8: Cấu hình spin của Fe3O4 ( là phần spin tổng cộng). ............................. 13
Hình 1.9: Đường cong từ hóa sắt từ (---) và siêu thuận từ (---)............................... 15
Hình 1.10: Hc phụ thuộc vào đường kính hạt. ........................................................ 15
Hình 2.1: Mô tả sự phụ thuộc của phức kim loại vào pH và hoá trị của chúng. ...... 26
Hình 2.2: Những phản ứng Olation tạo thành phức đa nhân. .................................. 27
Hình 2.3: Phản ứng oxolation từ một cầu hydroxy không bền................................ 27
Hình 2.4: Phản ứng oxolation. ............................................................................... 28
Hình 2.5: Dung dịch 1. .......................................................................................... 31
Hình 2.6: Dung dịch 2. .......................................................................................... 31
Hình 2.7: Dung dịch 3. .......................................................................................... 31
Hình 2.8: Dung dịch A. ......................................................................................... 31
Hình 2.9: Dung dịch B........................................................................................... 32
Hình 2.10: Dung dịch C sau khi lắng. .................................................................... 32
Hình 2.11: Các hạt sắt đã được tổng hợp. .............................................................. 33
Hình 2.12: Nhiễu xạ kế tia X D5005 tại TT KHVL. .............................................. 34
Hình 2.13: Kính hiển vi điện tử quét JMS 5410 tại TT KHVL. .............................. 35
Hình 2.14: Từ kế mẫu rung DMS 880 tại TT KHVL. ............................................ 36
Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe3O4 không pha tạp................................... 37
Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu Fe3-xCo xO4. ............................................ 38


Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu Fe3-xNixO4. ............................................. 38
Hình 3.4: Ảnh SEM của hệ mẫu Fe3O4 .................................................................. 41
Hình 3.5: Ảnh SEM của hệ mẫu Fe3-xCo xO4. ......................................................... 42
Hình 3.6: Ảnh SEM của hệ mẫuFe3-xNixO4. ........................................................... 43

tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong
một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các vị trí mong muốn hay các
ứng dụng khác như phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ trong tế bào ung thư, cũng
như tăng độ tương phản trong kĩ thuật hình ảnh cộng hưởng từ và sensor [11].
Trong hầu hết các trường hợp, các hạt nano phải phân tán đều sao cho mỗi hạt có

1


tính chất lý, hóa giống nhau để có thể điều khiển phân phối sinh học và loại bỏ sinh
học. Để đáp ứng được các yêu cầu ứng dụng trên thì hạt nano từ tính Fe3O4 phải có
từ tính lớn nhờ pha tạp các kim loại chuyển tiếp.
Trong luận văn này, chúng tôi xin trình bày về việc chế tạo và nghiên cứu hạt
nano từ tính Fe3O4 pha tạp Coban và Niken thực hiện theo phương pháp đồng kết
tủa.
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm
3 chương chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về oxit sắt từ và nano oxit sắt từ.
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.

2


CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ
VÀ NANO OXIT SẮT TỪ

1.1.Phân loại vật liệu từ:
Vật liệu từ là loại vật liệu mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từ

+Điện môi từ: là vật liệu tổ hợp, gồm 60 – 80 % vật liệu từ dạng bột và 40 –
20% điện môi. Ferit và điện môi từ có điện trở suất lớn nên làm giảm đáng kể
những mất mát do dòng điện xoáy Fucault sinh ra. Ngoài ra, nhiều loại ferit có độ
ổn định của các đặc tính từ trong một dải tần số rộng, kể cả siêu cao tần.
Một ứng dụng quan trọng nữa của vật liệu sắt từ là khả năng ghi từ. Hình 1.1
là hình biểu diễn đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ.

Hình 1.1: Đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ.

1.1.1.Các khái niệm cơ bản:
Xung quanh các điện tích chuyển động tồn tại một môi trường đặc biệt gọi là
từ trường. Một dòng điện chạy trong dây dẫn diện tích S và có cường độ i thì sinh ra
mô men từ M. Mô men từ M là một véc tơ có chiều phụ thuộc vào chiều dòng điện:
M = i.S

4

(1)


Như vậy, trong hệ đơn vị chuẩn SI mô men từ có đơn vị chuẩn là A.m 2, còn trong
hệđơn vị CGS mô men từ có đơn vị là emu:
1A.m2 = 1000 emu

(2)

Mô men từ M sinh ra quanh nó một véc tơ cảm ứng từ B tại vị trí có bán kính R
theo công thức:
B=
Trong đó: μ = 4μ∗ 10


Trong đó χ là độ cảm từ, đơn vị là H/m .
Thay (7) vào (5) ta có:
B = (χ + μ )H = µH

(8a)

Độ cảm từ tương đối  :
=

5

(8b)


Ta cũng có thể phân loại các vật liệu từ căn cứ theo cấu trúc từ của chúng
thành các vật liệu sau [4]:
(-10-5)

Nghịch từ (Diamagnetism)

(10-5)

Thuận từ (Paramagnetism)

↓

Phản sắt từ (Antiferromagnetism)
Từ giả bền (Metamagnetism)


Al:

= 2,10.10

(H/m)

Pt:

= 2,90.10

(H/m)

Ôxy lỏng:

= 3,50.10 ( )[4]

1.1.3. Vật liệu nghịch từ:
Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ cảm từ tương đối 
xếp song song nhau. Khi nhiệt độ T tăng, do giao động nhiệt từ độ giảm dần và biến
mất ở Tc. Trên nhiệt độ Tc,

tuân theo định luật tuyến tính với T (gọi là định luật

Curie-Weiss).
Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự phát: Khi T
Vật liệu sắt từ kí sinh là vật liệu sắt từ yếu kèm theo phản sắt từ. Ví dụ điển
hình là vật liệu αFe2O3. Từ độ giảm về 0 ở điểm Néel – nơi mà sự sắp xếp phản sắt
từ của spin không còn nữa [3].
1.2. Một số tính chất của oxit sắt:
1.2.1. Các oxit sắt từ:
Oxít sắt từ có công thức phân tử Fe3O4 là vật liệu từ tính đầu tiên mà con
người biết đến. Từ thế kỷ thứ tư người Trung Quốc đã khám phá ra rằng Fe3O4 tìm
thấy trong các khoáng vật tự nhiên có khả năng định hướng dọc theo phương Bắc
Nam địa lý. Đến thế kỉ mười hai, vật liệu Fe3O4 được sử dụng để làm la bàn, một
công cụ giúp xác định phương hướng rất hữu ích [15].Trong tự nhiên oxít sắt từ
không những được tìm thấy trong các khoáng vật (hình 1.6) mà nó còn được tìm
thấy trong cơ thể các sinh vật như: vi khuẩn Aquaspirillum magnetotacticum, ong,
mối, chim bồ câu..v..v. Chính sự có mặt của Fe3O4 trong cơ thể các sinh vật này đã
tạo nên khả năng xác định phương hướng mang tính bẩm sinh của chúng.

Hình 1.6: Oxit sắt trong tự nhiên.

11


Hiện nay oxit sắt từ đã được sử dụng ở kích thước nano. Các hạt nano oxit
sắt từ được sử dụng để làm sạch nước bị nhiễm thạch tím để loại bỏ chất độc không
màu không mùi này. Hạt nano oxit sắt từ còn được sử dụng để dẫn truyền thuốc mở
ra một triển vọng mới ứng dụng trong y học.
1.2.2. Cấu trúc tinh thể:
Trong phân loại vật liệu từ, Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferít là nhóm
vật liệu từ có công thức tổng quát MO.Fe2O3 và có cấu trúc spinel, trong đó M là
một kim loại hoá trị 2 như Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Mg hoặc Cu. Trong loại vật liệu này
các ion oxy có bán kính khoảng 1,32Ǻ lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim loại (0,6 
0,8 Ǻ) nên chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng có cấu trúc lập