Nghiên cứu một số tính chất của dây nano Co được chế tạo bằng phương pháp điện hóa

TÓM TẮT:

Dây nano Co với đường kính khoảng 200 nm đã được chế tạo vào khuôn mẫu Polycacbonat (PC) bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. Dung dịch lắng đọng gồm 0,2 M CoSO₄.7H₂O và 0,6M H₃BO₃. Điều kiện thực hiện trong quá trình chế tạo dây nano Co gồm có giá trị pH, thế lắng đọng và nhiệt độ của dung dịch được giữ ổn định lần lượt là 5,5; - 9 V và 27^oC. Kết quả thu được cho thấy dây nano Co có cấu trúc tinh thể kiểu lục giác xếp chặt và giá trị lực kháng từ lớn nhất là khoảng 170 Oe.

Từ khóa: khuôn mẫu PC, dây nano Co, tính chất từ.

1. Đặt vấn đề

Trong những năm qua, sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực nghiên cứu công nghệ nano đã và đang làm thay đổi cuộc sống xã hội từng ngày, nhờ vào khả năng ứng dụng của các loại vật liệu mới có kích thước nano mét. Ở đó, vật liệu có kích thước nano tương đương với kích thước của các phân tử và nguyên tử mới tạo ra các tính chất vật lý đặc biệt và hấp dẫn hơn so với các vật liệu có kích thước thông thường. Vật liệu có cấu trúc nano, trong đó có các vật liệu nano từ tính đang làm thay đổi diện mạo của nhiều ngành khoa học. Trong đó, điển hình là vật liệu nano từ tính. Các hiện tượng vật lý mới của vật liệu nano từ tính đã và đang được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm qua, đặc biệt là đối với dây nano. Hiện nay, nhiều nhà khoa học, nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước đang quan tâm đến khả năng ứng dụng của dây nano từ tính trong các lĩnh vực y sinh học (phân tách tế bào, chọn lọc tế bào và phân tách protein), cảm biến từ trường, ghi từ mật độ cao [5, 8].

Để có thể xem xét ứng dụng trong thực tế, các tính chất vật lý đặc trưng của vật liệu dây nano từ tính cần phải được nghiên cứu, ví dụ như kích thước, cấu trúc tinh thể, dị hướng từ, từ độ, thành phần hóa học. Những tính chất này phụ thuộc nhiều vào công nghệ chế tạo vật liệu.

Đối với mảng dây nano Co, các tính chất vật lý của nó đã được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới công bố. Một trong những tính chất đặc trưng đó là cấu trúc tinh thể theo kiểu cấu trúc lục giác xếp chặt [1, 6]. A. Ramazani phát hiện thấy dây nano từ tính Co có cấu trúc lục giác xếp chặt định hướng theo phương (100) [2].   

Trong bài viết này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo vật liệu dây nano từ tính Co chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa sử dụng khuôn mẫu polycarbonat. Mẫu dây nano Co sau khi chế tạo được đo bằng máy đo nhiễu xạ tia X, kết quả thu được cho thấy dây nano Co có cấu trúc tinh thể theo kiểu lục giác xếp chặt.

2. Phương pháp nghiên cứu

Quá trình lắng đọng điện hóa được thực hiện bằng ba điện cực đặt trong bình chứa dung dịch lắng đọng nêu trên. Ba điện cực này gồm có điện cực so sánh (RE) làm bằng Ag/AgCl, điện cực làm việc (WE) là lớp kim loại bằng đồng (Cu) được phủ lên một mặt của khuôn mẫu PC với độ dày khoảng 200 nm bằng phương pháp phún xạ và điện cực đếm (CE) làm bằng tấm lưới Pt. Quá trình lắng đọng được điều khiển bằng phần mềm LapView. Dung dịch lắng đọng gồm có 0,2M CoSO₄.7H₂O, 0,6M H₃BO₃. Các thông số kỹ thuật trong quá trình chế tạo vật liệu dây nano từ tính Co được trình bày trong Bảng 1.

Bảng 1. Điều kiện chế tạo dây nano Co

Mẫu vật liệu dây nano từ tính Co sau khi chế tạo xong được sử dụng để nghiên cứu những đặc trưng tính chất về hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM); thành phần hóa học được phân tích bằng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS); cấu trúc tinh thể được đo bằng nhiễu xạ tia X (X-Ray) và tính chất từ được khảo sát bằng máy đo từ kế mẫu rung (VSM) với từ trường đặt song song và vuông góc với trục của dây.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Hình thái bề mặt

Hình 1a trình bày ảnh SEM của khuôn mẫu polycarbonat với đường kính lỗ khuôn là khoảng 200 nm. Các đường kính của lỗ trên bề mặt mẫu khuôn là khá đồng nhất nhau. Hình 1b trình bày ảnh SEM của mảng các dây nano Co. Có thể quan sát thấy những dây nano Co này sau khi loại bỏ khuôn mẫu PC bằng dung dịch Chloroform cho kết quả với đường kính và chiều dài của dây lần lượt là khoảng 200 nm và 4,0 µm.

Như vậy, bằng phương pháp lắng đọng điện hóa, chiều dài dây Co có thể kiểm soát được trong phạm vi từ vài nm đến vài chục µm bằng cách thay đổi thời gian lắng đọng và các điều kiện công nghệ chế tạo.

3.2. Thành phần hóa học

Hình 2: Phổ tán sắc năng lượng tia X của dây nano Co

Hình 2 chỉ ra thành phần nguyên tố hóa học của dây nano Co được đo bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS). Có thể quan sát thấy rõ ràng 3 đỉnh phổ năng lượng. Điều này chứng tỏ, dây nano Co được tạo ra trong quá trình lắng đọng có độ tinh khiết. Đỉnh phổ năng lượng của Cu xuất hiện trong phổ tán sắc năng lượng này là do mẫu đo đặt trên đế Cu. Mặt khác, trong quá trình phân hủy khuôn mẫu PC và lọc rửa chưa kỹ, nên vẫn còn tồn tại tạp chất Cu. Đỉnh phổ năng lượng của O quan sát được rất rõ ràng trong phổ tán sắc năng lượng. Nguyên nhân do ôxi xuất hiện trên bề mặt của điện cực đồng hay ôxi hình thành tự nhiên trên bề mặt của dây nano Co sau khi đã loại bỏ khuôn mẫu Polycacbonat bằng dung dịch Chloroform. Kết quả này rất phù hợp với sự giải thích của nhóm tác giả T.S. Ramula [10].

3.3. Cấu trúc tinh thể

Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu dây nano Co được trình bày trong Hình 3. Kết quả thu được từ phổ nhiễu xạ tia X cho thấy, dây nano Co có xuất hiện 3 đỉnh nhiễu xạ, tương ứng với các mặt tinh thể (100), (002) và (101).

Cấu trúc tinh thể của các pha này đều là lục giác xếp chặt (hcp). Với số liệu nhận được từ phép phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy, kết quả này khá phù hợp với thông tin của mã thẻ chuẩn (JCPDS 89-4308). Thông tin về cấu trúc tinh thể cũng chỉ ra hướng ưu tiên (100) của dây nano Co là phát triển thành đa tinh thể. Phần lớn các hạt Co là đa tinh thể theo cấu trúc lục giác, xếp chặt với trục dễ vuông góc với trục của dây. Như thấy trong Hình 3 đỉnh nhiễu xạ của mặt (100) có cường độ rất lớn so với 2 đỉnh nhiễu xạ của mặt (002) và (101). Cấu trúc này khá phù hợp với kết quả đã công bố của nhóm nghiên cứu Y. Ren [11] và A. RamaZani A [2]. Hai đỉnh đồng xuất hiện trong giản đồ nhiễu xạ là do 1 lớp màng đồng (Cu) được phún xạ lên một mặt của khuôn mẫu Poly cac bo nat với độ dày khoảng 200 nm.

3.4. Tính chất từ

Hơn nữa, dạng đường cong từ trễ của 2 phép đo là hoàn toàn khác nhau. Điều này thể hiện tính dị hướng từ của các dây nano Co, tức là, dị hướng từ thay đổi tương ứng với hướng của từ trường ngoài đặt vào. Ngoài ra, giá trị tỷ số giữa từ độ dư và từ độ tại 8000 Oe (M_r/M_Max) của dây Co giảm từ 0,12 xuống 0,05 lần lượt ứng với từ trường đặt song song và vuông góc với dây Co. Từ những kết quả này, cho thấy, dị hướng từ của dây nano Co là dị hướng đơn trục và phù hợp với nhận định của một số nhóm nghiên cứu như nhóm tác giả D. Almawlawi [3, 4, 7, 9].

4. Kết luận

Đã chế tạo thành công vật liệu dây nano từ tính Co có đường kính 200 nm và chiều dài khoảng 4,0 µm bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. Kết quả phân tích đặc trưng cấu trúc của dây nano Co bằng nhiễu xạ tia X cho biết dây có cấu trúc tinh thể theo kiểu lục giác xếp chặt định hướng theo phương (100) và (101). Tính chất từ nhận được từ phép đo bằng từ kế mẫu rung chỉ ra dây nano có giá trị lực kháng từ lớn nhất khoảng 170 Oe và có tính dị hướng từ một chiều dọc theo trục của dây.

Tài liệu tham khảo:

[1]. A. Fert, L. Piraux, J. Magn. Magn. Mater. 200 (1999) 338.

[2] A. Ramazani, M. Almasi KaShi, M. Alikhani, S. Erfanfam, Mater. Chem.  Phys. 112 (2008) 285.

[3] D. Almawlawi, N. Coombs, M. Moskovits, J. Appl. Phys. 70 (1991) 4421.

[4] E.T. de Laceisserie, D. Gignoux, M. Schlenker, Magnetism, Kluwer Academic Publishers (2002).

[5] G. Zangari, D. N. Lamberth, IEEE Trans. Magn. 33 (1977) 3010.

[6] H. Zeng, R. Skomski, D.J. Sellmyer, Y. Liu, L. Menon, S. Bandyopadhyay, J. Appl. Phys. 87 (2000) 4718.

[7] J. Worst, J.C. Lodder, T. Wielinga, Thin solid films. 101 (1983) 75.

[8] L.C. Sampaio, E.H.C.P. Sinnecker, G.R.C. Cernicchiaro, M. Knobel, M. Vazques, J. Velazquez, Phys. Rev. B 61 (2000) 8976.

[9] M. Darques, A. Encinas, L. ViLa, L. Piraux, J.D. Phus, J. Appl. Phys. 37 (2004) 1411.

[10] T.S. Ramulu, R. Venu, C.G. Kim, Thin Solid films. 520 (2012) 5508.

[11] Y. Ren, Q.F. Liu, S.L. Li, J.B. Wang, H.X. Han, J. Magn. Magn. Mater. 321 (2009) 226.

A study on some various properties of Co nanowires fabricated by the electrodeposition method

Ph.D Luu Van Thiem

Faculty of Basic Sciences, Hanoi Industrial Textile Garment University

Abstract:

Co nanowires with diameters of 200 nm were fabricated in polycarbonate (PC) templates by an electrodeposition method. The electrolyte consisted of 0.2 M CoSO4.7H2O and 0.6 M H3BO3. During the deposition process, some electrochemical bath parameters, such as pH, deposition voltage, and temperature of solution, were kept at 5.5, 9 V, and 27^oC, respectively. The obtained results showed that the crystal structure of Co nanowires is a hexagonal, tightly packed structure, and the maximum coercivity value is 170 OE.           

Keywords: PC template, Co nanowires, magnetic properties.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 5 tháng 3 năm 2024]