Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến kích thước hạt và từ tính của nano ferit Fe-Zn-Ni

TÓM TẮT:

Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới cấu trúc nano tinh thể, kích thước hạt trung bình và từ tính của vật liệu từ ferit Zn_0,8Ni_0,2Fe₂O₄. Các kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy, các mẫu nung ở nhiệt độ 700, 800 và 900^oC thể hiện mức độ tinh thể hóa cao. Thông qua ảnh chụp của kính hiển vi điện tử quét SEM thể hiện kích thước hạt trung bình tăng từ 20 nm lên 35 nm khi nhiệt độ nung mẫu tăng từ 600 đến 900^oC và cảm ứng từ cực đại cũng tăng theo nhiệt độ, đạt giá trị cao nhất là 58,66 emu/gr ở 900^oC.

Từ khóa: nano ferit từ, ferit Zn-Ni, cảm ứng từ cực đại.

1. Đặt vấn đề

Vật liệu ferit từ đang được nghiên cứu rộng rãi nhờ có nhiều tính chất từ nổi trội, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tần số cao và siêu cao. Trong lĩnh vực dân sự, vật liệu ferit từ cứng dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu có từ tính cao. Trong lĩnh vực quân sự, vật liệu ferit từ được nghiên cứu rộng rãi để chế tạo vật liệu hấp thụ sóng rađa [1-3].

Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước chưa nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến kích thước nano và tính chất từ của vật liệu ferit tinh thể Zn_0,8Ni_0,2Fe₂O₄ bằng phương pháp tổng hợp đồng kết tủa. Khi kích thước hạt giảm xuống tới cấp độ nanomet, vật liệu sẽ có nhiều tính chất đặc biệt (siêu thuận từ). Vật liệu ferit sẽ có lực kháng từ H_c » 0 và từ dư M_r » 0. Lúc này độ nhạy với từ trường ngoài của vật liệu rất lớn, mở ra nhiều ứng dụng trong quân sự, y sinh học và công nghệ lưu trữ thông tin. Việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu ferit nano tinh thể với lực kháng từ, từ dư với giá trị bé, cảm ứng từ cực đại lớn là rất cần thiết.

2. Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên vật liệu

Sử dụng các muối có độ tinh khiết cao 98 - 99% (Merck) gồm NiCl₂.6H₂O (độ tinh khiết ³ 98%), FeCl₃.6H₂O (độ tinh khiết ³ 99%), ZnSO₄.7H₂O (độ tinh khiết ³ 98%), NaOH (độ tinh khiết ³ 98,5%), etanol (độ tinh khiết ³ 99,8%), nước cất.

Phương pháp nghiên cứu và quy trình tổng hợp mẫu

Trong các phương pháp nghiên cứu tổng hợp ferit Fe-Zn-Ni thì phương pháp đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất do việc chế tạo mẫu đơn giản. Phương pháp đồng kết tủa sau đó nhiệt phân có ưu điểm là sản phẩm oxyt đạt độ mịn cao, rất đồng đều [4-6]

Quy trình tổng hợp mẫu được mô tả như sau: Các muối clorua của Fe, Zn, Ni ban đầu được cân theo công thức và pha vào nước khử ion tới nồng độ dung dịch 0,05M. Sau đó, pha trộn các dung dịch này lại và khuấy với tốc độ 550 vòng/phút. Dung dịch NaOH được chuẩn bị trước với nồng độ 0,1M đã tính toán và đem đi đun sôi tới 60^oC. Nhỏ từng giọt dung dịch NaOH vào dung dịch muối (đang khuấy) với tốc độ rất chậm để tạo kết tủa, trong quá trình nhỏ giọt vẫn duy trì khuấy liên tục, lúc này tăng tốc độ khuấy lên 800 vòng/phút.

Sau khi nhỏ giọt hết lượng NaOH đã pha, tiếp tục vừa đun vừa khuấy trong 30 phút nữa để đảm bảo phản ứng xảy ra triệt để. Tiếp tục khuấy thêm 6 giờ nữa để hóa già, lắng đọng rồi sau đó ta đem đi rửa 6 lần bằng nước khử ion, tiếp tục lọc bằng giấy lọc để lấy phần bột kết tủa. Đem mẫu đi sấy ở 110^oC trong thời gian 4 giờ. Dùng cối giã nhuyễn bột để tạo hạt mịn. Nung mẫu các nhiệt độ Ferit hóa ở 600, 700, 800 và 900^oC trong thời gian 4 giờ để thu được các mẫu bột Ferit tương ứng.

3. Kết quả và bàn luận

3.1. Kết quả thành phần hóa và cấu trúc mẫu tổng hợp

Bảng 1. Thành phần hóa học của mẫu nung ở 800^oC trong 4h.

Nguyên tố	Trọng lượng thực %	Trọng lượng lý thuyết %
O K	25,20	26,71
Fe K	45,99	46,74
Ni K	5,01	4,84
Zn K	23,81	21,70

                                                                Nguồn: Tác giả thực hiện

Bảng 1 và Hình 1 cho kết quả so sánh thành phần hóa học của mẫu Zn_0.8Ni_0.2Fe₂O₄ nung ở 800^oC so với thành phần hóa học theo công thức lý thuyết. Từ đó cho thấy rõ có sự sai khác nhỏ về thành phần hóa học nhưng với mức độ không đáng kể. Kết quả phân tích EDS chứng tỏ thành phần của mẫu ferit đã tổng hợp là phù hợp với công thức Zn_0,8Ni_0,2Fe₂O₄.

Bên cạnh đó, kết quả phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu nung ở các nhiệt độ 600, 700, 800 và 900^oC cho trên Hình 2. Qua 4 mẫu XRD cho thấy, các mẫu nung ở 700, 800, 900^oC cho kết quả các đỉnh nhiễu xạ cường độ cao, rõ rệt, chứng tỏ mức độ tinh thể hóa hoàn toàn. Riêng mẫu nung ở 600^oC thể hiện mức độ tinh thể hóa chưa hoàn toàn, do chưa đủ nhiệt độ Ferit hóa.

Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến kích thước hạt trung bình của các mẫu

Theo Hình 3, các mẫu nung ở 700, 800 và 900^oC, hạt có dạng hình cầu tròn, kích thước hạt khá đồng đều nhau, riêng mẫu nung ở 600^oC thì hạt chưa có dạng cầu, hình thái hạt dài do chưa đạt tới nhiệt độ yêu cầu. Cùng với phổ nhiễu xạ tia X của 4 mẫu trên Hình 2 cho thấy, mẫu nung ở 600^oC trong 4 giờ chỉ cho các đỉnh nhiễu xạ với cường độ thấp, thể hiện mức độ tinh thể hóa chưa cao, phù hợp với hình thái hạt chưa hoàn thiện như trên ảnh chụp SEM.

Từ hình ảnh chụp SEM (Hình 3) và sử dụng phần mềm Image J cho kích thước các hạt Ferit từ theo các nhiệt độ nung cho trên Bảng 2. Kết quả Bảng 2 cho thấy, khi tăng nhiệt độ nung từ 600 đến 900^oC sẽ làm kích thước hạt trung bình tăng từ 20 đến 35 nm. Điều này được giải thích là do nhiệt độ nung càng cao thì năng lượng nhiệt mẫu hấp thụ càng nhiều làm cho các hạt sát nhập vào nhau để giảm năng lượng bề mặt và làm cho kích thước hạt tăng lên đáng kể.

Bảng 2. Kích thước hạt trung bình và thông số từ tính các mẫu ferit Zn_0,8Ni_0,2Fe₂O₄

Nhiệt độ nung (oC)	Kích thước hạt trung bình (nm)	Mr (emu/gr)	Ms (emu/gr)	Hc (Oe)
600	20 ± 0,5	2,47	38,29	4,67
700	23 ± 0,6	5,48	43,28	10,74
800	32 ± 0,8	10,62	50,89	14,37
900	35 ± 0,5	25,89	58,66	32,15

                                                               Nguồn: Tác giả thực hiện

Kết quả Bảng 2 cũng cho thấy, khi giảm kích thước hạt nano ferrite thì H_c giảm. Khi kích thước hạt đạt khoảng 20 nm thì lực kháng từ H_c tiến dần về giá trị 0, khả năng đạt tới trạng thái siêu thuận từ cao. Khi H_c càng nhỏ thì vùng từ với các momen từ sắp xếp song song - vùng 1 đômen càng linh động [4]. Điều này giúp khả năng hấp thụ sóng điện từ tốt, có thể chuyển năng lượng của sóng thành năng lượng nhiệt. Đây cũng là đặc tính quan trọng của vật liệu ferit từ mềm hệ Fe-Zn-Ni có thể hướng đến khả năng hấp thụ sóng điện từ, mang ý nghĩa ứng dụng trong lĩnh vực quân sự.

3. Kết luận

Nghiên cứu đã xem xét được ảnh hưởng của nhiệt độ nung (600, 700, 800 và 900^oC) tới kích thước hạt và từ tính bằng phương pháp tổng hợp đồng kết tủa. Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ nung từ 600 đến 900^oC thì kích thước hạt đồng thời cũng tăng từ 20 lên 35 nm, lực kháng từ tăng từ 4,67 Oe lên 32,15 Oe, cảm ứng từ cực đại cũng tăng theo nhiệt độ và đạt giá trị cao nhất ở mẫu nung tại 900^oC (58,66 emu/gr).

LỜI CẢM ƠN:

Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ cho nghiên cứu này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. F. Hyder and S. Hoque. (2017). Brain tumor diagnostics and therapeutics with superparamagnetic ferrite nanoparticles. Contrast Media Mol Imaging, Special issue, 1-17.
2. E. Fantechi, et al. (2014). A smart platform for hyperthermia application in cancer treatment: cobalt-doped ferrite nanoparticles mineralized in human ferritin cages. ACS nano, 8, 4705-4719.
3. M. Meshram, et al. (2004). Characterization of M-type barium hexagonal ferrite-based wide band microwave absorber. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 271, 207-214.
4. William D.Callister. (2001). Fundamentals of Materials Science and Engineering 5th. John Wiley & Sons.
5. A. H. Lu, E. L. Salabas, F. Schuth. (2007). Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Protection, Functionalization, and Application. Angewdte Chemie International Edition, A Journal of the German Chemical Society, 46, 1222-1244.
6. K. Bhattacharjee, C. K. Ghosh. (2011). Novel synthesis of Ni_xZn_1-xFe₂O₄ (0< x <1) nanoparticles and their dielectric properties. Journal of Nanoparticle Research, 13, 739-750.

A study on the effects of temperature on particles size and magnetic properties of Fe-Zn-Ni ferrites

Luong Thi Quynh Anh¹

¹Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology,^, Vietnam National University Ho Chi Minh City

Abstract:

This study examines the effect of heating temperature on the nanocrystal structure, average particle size and magnetic properties of the Zn_0,8Ni­_0,2Fe₂O₄ ferrite nanoparticles. The X-ray diffraction results show that the samples calcined at 700, 800 and 900^oC exhibit a high crystallization. Scanning electron microscopy (SEM) images show that the average particle size increases from 20 nm to 35 nm when the sample heating temperature increases from 600 to 900^oC and the maximum magnetization saturation also increases with temperature, reaching the highest value. The highest value is 58.66 emu/gr at 900^oC.

Keywords: magnetic ferrites nanoparticles, Zn-Ni ferrites, magnetization saturation.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 25 tháng 11  năm 2022]