TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
----------

NGUYỄN THỊ HIÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM
Fe-Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
----------

NGUYỄN THỊ HIÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM
Fe-Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA
Chuyên ngành: Vật lí chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học

GVC. ThS. NGUYỄN MẪU LÂM

HÀ NỘI, 2018

Sinh viên

Nguyễn Thị Hiên


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VLTM: Vật liệu từ mềm
TCN: Trước Công nguyên


DẠNH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu từ mềm
Bảng 3.1. Kết quả thành phần nguyên tố

5
35


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của sắt

7

Hình 1.2. Giản đồ pha áp suất thấp của sắt tinh khiết

7

Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của coban

10


19

Hình 2.6. Thiết bị đo pH

20

Hình 2.7. Thiết bị đo nhiệt độ

20

Hình 2.8. Mô hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X

22

Hình 2.9. Nhiễu xạ kế tia X D8 - Advance Bruker

24

Hình 2.10. Nguyên lý hoạt động

25

Hình 2.11. Hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800

26

Hình 2.12. Hệ từ kế mẫu rung và sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung

27

độ 600 C với thời gian 2h trong môi trường khí H2

33

Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35 trước khi ủ nhiệt ứng với độ pH khác
nhau

33
o

Hình 3.8. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu Fe65Co35 ủ ở nhiệt độ 600 C
với thời gian 2h trong môi trường khí H2 ứng với độ pH khác nhau

34

Hình 3.9. Đường cong từ trễ của mẫu Fe65Co35 ứng với các nồng độ pH khác
o

nhau sau ủ ở nhiệt độ 600 C với thời gian 2h trong môi trường khí H2

36

Hình 3.10: Thay đổi của từ độ bão hòa ứng với các nồng độ pH khác nhau
0

sau ủ ở nhiệt độ 600 C với thời gian 2h trong môi trường khí H2

36



1.4.3.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................. 12
1.4.3.2. Giản đồ pha ........................................................................................ 12
1.4.3.3. Các tính chất từ .................................................................................. 15
1.4.4. Một số phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co............................ 15
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 16
2.1. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa........... 16
2.1.1. Hóa chất ban đầu cần sử dụng để tổng hợp các hạt nano Fe-Co .......... 16
2.1.2. Tổng hợp các hạt nano Fe-Co ............................................................... 17
2.1.3. Các dụng cụ thí nghiệm để chế tạo mẫu ............................................... 18
2.2. Các phương pháp nghiên cứu thành phần, cấu trúc ................................. 21
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)...................................................... 21
2.2.1.1. Phân tích Rietveld .............................................................................. 21
2.2.1.2. Xác định kích thước tinh thể và ứng suất mạng ................................ 21
2.2.2. Phương pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) [1]........................ 24
2.2.3. Phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ......... 26
2.3. Phép đo đường cong từ trễ trên hệ từ kế mẫu rung (VSM) ..................... 26
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 29
3.1. Cấu trúc và tính chất từ trước ủ nhiệt....................................................... 29
3.2. Cấu trúc và tính chất từ sau ủ nhiệt.......................................................... 31
3.3. Ảnh hưởng của pH đến cấu trúc, thành phần và tính chất từ................... 33
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 39


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Cuối thập niên 80 của thế kỷ XX, công nghệ nano bắt đầu phát triển và
thu được nhiều thành quả to lớn không chỉ trong nghiên cứu mà còn mở rộng
phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điện tử học, năng lượng, môi trường,
y sinh,… Vật liệu có kích thước nano xuất hiện nhiều hiện tượng, tính chất

“Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết
tủa.”
2. Mục đích nghiên cứu
Chế tạo thành công hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết
tủa đạt kích thước nano mét có tính chất từ mềm tốt có thể ứng dụng trong
thực tế.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo mẫu từ mềm Fe-Co.
- Khảo sát cấu trúc mẫu.
- Khảo sát các tính chất từ của mẫu.
- Viết bài tham gia hội nghị, hội thảo khoa học về vấn đề đang nghiên
cứu.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ hợp kim từ mềm Fe-Co.
b. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng
kết tủa.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất của mẫu trên các hệ đo: SEM, XRD,
EDX.
- Khảo sát các tính chất từ của mẫu trên các hệ đo: VSM.


5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thực nghiệm.
6. Giả thuyết khoa học
- Chế tạo được vật liệu từ mềm Fe-Co có kích thước nano mét.
- Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co.
7. Cấu trúc khóa luận
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Khóa luận gồm có


tuyệt đối (0 K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. VLTM có từ độ
bão hòa cao và hợp kim Fe-Co được biết đến là VLTM có từ độ bão hòa cao
nhất hiện nay, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245 emu/g.


1.2.3. Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie, thường được kí hiệu là Tc, là nhiệt độ chuyển pha trong
các vật liệu sắt từ, được đặt theo tên nhà vật lý học người Pháp Pierre Curie
(1859-1906).
Nhiệt độ Curie trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận
từ. Ở dưới nhiệt độ này vật liệu mang tính sắt từ, còn khi ở trên nhiệt độ này
vật liệu trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie tỉ lệ với số phối vị (số lân cận gần
nhất), tích phân trao đổi của vật liệu theo công thức:
Z .Eex
Tc 
,
2k B

(1.1)

trong đó, Z là số lân cận gần nhất, Ee là năng lượng tích phân trao đổi, k B là
x

hằng số Boltzman. Ở trên nhiệt độ Curie, độ cảm từ  của chất phụ thuộc
nhiệt độ tuân theo định luật Curie:
C
 
.
T  Tc

Trong y sinh, các hạt nano từ nói chung và Fe-Co nói riêng có thể được
sử dụng để dẫn thuốc và đốt nhiệt [9, 16].
1.4. Vật liệu từ mềm Fe-Co
1.4.1. Nguyên tố sắt
Sắt đươc G. . Wainwright tìm thấy ở Gerzah-Ai Cập vào khoảng
4000 năm TCN [10]. Sắt là nguyên tố có nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ
ngoài và trong của lõi Trái Đất.
Sắt là kim loại màu ánh kim xám nhẹ. Nó là kim loại có các đặc tính tốt
về chịu lực, độ dẻo, độ cứng, nhưng dễ bị ôxy hóa.
Sắt là kim loại đa năng nhất. Nó chiếm khoảng 90% lượng kim loại
được tiêu thụ toàn cầu. Sắt có mặt xung quanh chúng ta, ở nhiều dạng thức
khác nhau.
Sắt là kim loại chuyển tiếp, được ký hiệu là Fe, có số hiệu nguyên tử
bằng 26. Nằm ở phân nhóm VIIIB, chu kỳ 4, được phân bố thành 4 lớp. Cấu
2

2

6

2

6

6

2

hình electron của nguyên tử là 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s . Khi tạo ra các ion sắt,
nguyên tử Fe nhường electron ở phân lớp 4s trước phân lớp 3d.

Trong khoảng nhiệt độ từ 1394 - 1538 C, sắt có dạng thù hình sắt δ. Từ
o

o

910 - 1394 C, dạng thù hình của nó là sắt γ hay austenit . Dưới 910 C dạng
thù hình chuyển sang dạng sắt α.
1.4.1.3. Tính chất từ
Các hạt nano Fe là vật liệu sắt từ nhưng khi đạt đến kích thước của các
hạt mịn thì các hạt nano Fe trở thành thuận từ và được gọi là siêu thuận từ.
Trong vật liệu sắt từ vĩ mô, các spin của electron chưa kết cặp trải qua
sự từ hóa tự phát, nơi mà năng lượng của các hạt nano được hạ xuống bằng
cách sắp xếp với spin của các nguyên tử lân cận. Giảm năng lượng tổng thể
của hệ thống bằng cách hạn chế hao hụt thông lượng từ, vật liệu đi vào trong
đômen từ khi không có từ trường ngoài. Kích thước của các đômen được xác
định bởi sự chênh lệch giữa năng lượng gia tăng do lượng từ bên ngoài và
năng lượng tiêu tốn của vách đômen bổ sung. Các vách giữa các đômen này
có thể được di chuyển bởi sự gắn vào của một từ trường, và nó là sự di
chuyển của các vách đômen tạo nên đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ.
Kích thước riêng của các đômen từ tính thay đổi tùy thuộc vào vật liệu,
thường là cỡ khoảng hàng chục nano mét. Nếu một hạt nhỏ hơn kích thước
đômen đặc trưng này, thì hạt đó sẽ chứa một đômen từ duy nhất. Chính xác
hơn: một hạt vẫn duy trì trong đômen đơn nhất khi năng lượng cần thiết để
tạo ra vách đômen lớn hơn mức giảm năng lượng, điều đó có thể đạt được
bằng cách giảm thông lượng từ [2, tr.10-16].
Tính chất từ của các hạt siêu thuận từ cũng có ích. Đầu tiên là sự định
hướng lại của các spin có thể đạt được ở trường tương đối thấp. Như vậy tức
là các hạt siêu thuận từ có khả năng cảm ứng ban đầu rất cao. Trường này đòi
hỏi phải sắp xếp tất cả các spin, vì vậy sự bão hòa thường không được nhìn


Hợp kim của sắt với một kim loại có khả năng phản ứng thấp là một
cách để giảm khả năng phản ứng của các hạt nano sắt với khí oxy.
Các phản ứng của sắt không phải lúc nào cũng có hại, và sắt tìm được
các ứng dụng như một chất xúc tác. Thực tế là bề mặt sắt bị oxy hóa dễ dàng
trong các điều kiện môi trường xung quanh và chính quá trình oxy hóa của sắt
có thể là một phần quan trọng cho quá trình xúc tác. Các ứng dụng đó cực kì
quan trọng trong công nghiệp.
1.4.2. Nguyên tố Coban
Nhà khoa học người Thụy Điển Georg Brandt (1694-1768) đã phát hiện
ra nguyên tố coban vào khoảng thời gian 1730-1737. Ông đã chứng minh
rằng coban là nguồn gốc tạo ra màu xanh dương trong thủy tinh, mà trước đây
được người ta cho là do Bitmut (Bismuth) (được phát hiện cùng với coban).
Nó là kim loại tương đối cứng và giòn.
Nguyên tố coban ký hiệu là Co và số hiệu nguyên tử bằng 27. Nằm ở
2

2

6

2

2

7

phân nhóm 9, chu kỳ 4. Cấu hình electron là 1s 2s 2p 3s 4s 3d .
1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể

a)

nam châm samari- coban (loại vĩnh cửu) giữ tính chất từ của nó khi nhiệt độ
o

lên đến 800 C [2, tr.10-16].
Gần đây hơn, coban được sử dụng chủ yếu trong các loại pin mới hơn,
các hạt từ tính để ghi và lưu trữ thông tin trong bang từ, ổ đĩa cứng.
1.4.2.3. Tính chất hóa học
Coban không thể tìm thấy như là một kim loại tự do, mà nói chung là ở
trong các dạng quặng.
Trạng thái ôxy hóa phổ biến của coban là +2 và +3.
Coban phản ứng với oxy trong không khí, nhưng không bắt lửa và chỉ
cháy khi ở dạng bột. Bột kim loại coban dễ bùng cháy khi tiếp xúc với lửa.


Coban có khả năng phản ứng với hầu hết các axit để tạo khí hydro. Tuy nhiên,
coban không phản ứng với nước ở nhiệt độ phòng.
Các hợp chất của coban phải được xử lí cẩn thận do có độc tính nhẹ.
1.4.3. Vật liệu từ mềm Fe-Co
1.4.3.1. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể có tác động đáng kể đến tính chất từ. Khi hợp kim
giàu Fe, nó được hình thành ở pha bcc do quá trình kết tinh của hợp kim.
Thay thế Co cho Fe trong các hợp kim có thể tạo ra một pha α-FeCo với cấu
trúc B2 (pha trật tự). Với hợp kim giàu Co, tìm thấy có cả cấu trúc fcc và hcp
trong quá trình kết tinh của hợp kim [20, tr.57-171].

(hcp)

(bcc)

(fcc)


Giản đồ pha của Fe-Co được biểu diễn trên hình 1.5. Từ giản đồ này có
thể thấy Fe và Co tạo nên hệ dung dịch rắn mất trật tự fcc (γ) ở nhiệt độ cao.
o

Ở nhiệt độ trên 730 C, với Co chiếm ~ 75% khối lượng thì hợp chất này tồn
o

tại ở trạng thái dung dịch rắn bcc (α). Dưới nhiệt độ 730 C, tồn tại dạng bcc
(α) với thành phần nguyên tố cân bằng nhau (trật tự nguyên tử theo dạng cấu
trúc của CsCl (α1)). Sự chuyển đổi từ pha trật tự-bất trật tự đóng một vai trò
quan trọng trong việc xác định phẩm chất cơ học và tính chất từ của vật liệu
[11].
Hợp kim Fe-Co có tính chất sắt từ và được xem là vật liệu có giá trị từ
độ bão hòa cao nhất trong số các vật liệu sắt từ đã biết. Tuy Co có mômen từ
nguyên tử thấp hơn của Fe, nhưng khi được thay bởi Co sẽ làm tăng từ độ của
hợp kim. Hình 1.6 đã chỉ ra sự thay đổi của mômen từ bão hòa ở nhiệt độ
phòng của Fe theo hàm lượng Co được đưa vào, cho thấy giá trị lớn nhất đạt

Ms (emu/g)

được là 240 emu/g khi Co chiếm 35% khối lượng trong hợp kim [11].

Khối lượng Co (%)
Hình 1.6. Sự thay đổi từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co [18].


1.4.3.3. Các tính chất từ
Hợp kim Fe-Co là VLTM điển hình với các đặc trưng [8]:
- Từ độ bão hòa M s cao.