Luận văn Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu multiferroics metglas/pzt dạng lớp cấu trúc micrô-Nanô

Nội dung text: Luận văn Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu multiferroics metglas/pzt dạng lớp cấu trúc micrô-Nanô

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN XUÂN TOÀN TĂNG CƯỜNG HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRONG VÙNG TỪ TRƯỜNG THẤP TRÊN CÁC VẬT LIỆU MULTIFERROICS METGLAS/PZT DẠNG LỚP CẤU TRÚC MICRÔ-NANÔ Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đỗ Thị Hương Giang Hà Nội - 2010
2. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo, người hướng dẫn khoa học TS. Đỗ Thị Hương Giang người đã tạo điều kiện thuận lợi và đưa ra những ý kiến đóng góp chỉ đạo quý báu trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô, cán bộ trong bộ môn Vật liệu và Linh kiện nano đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Bộ môn, Phòng thí nghiệm và các anh chị em NCS. Bùi Đình Tú, NCS. Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Thị Ngọc đã trao đổi kiến thức, giúp đỡ em trong quá trình làm thực nghiệm. Xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ nanô, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội đã dạy dỗ chỉ bảo em trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Công nghệ. Cuối cùng cho em gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ và những người thân trong gia đình đã giúp đỡ, động viên kịp thời để em vượt qua những khó khăn, vất vả cùng toàn thể các bạn lớp cao học K15N. Luận văn này được thực hiện với sự tài trợ kinh phí từ Đề tài Nghiên cứu cơ bản của Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia mang Mã số 103.02.86.09 và Đề tài Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ Vũ trụ năm 2010-2011. Hà nội, ngày 6 tháng 10 năm 2010 Tác giả Nguyễn Xuân Toàn
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Hà nội, ngày 06 tháng 10 năm 2010 Tác giả Nguyễn Xuân Toàn
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN 3 1.1. Sensor đo từ trường 3 1.1.1. Sensor đo từ trường dựa trên nguyên lý cảm ứng (flux-gate sensor) 3 1.1.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường 4 1.1.3. Cảm biến AMR 6 1.1.4. Cảm biến GMR 7 1.1.5. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện (ME sensor) 7 1.2. Hiệu ứng từ - điện 8 1.2.1. Hiệu ứng từ giảo 8 1.2.2. Hiệu ứng áp điện 9 1.2.3. Hiệu ứng tổ hợp từ-điện 10 1.2.3.a Nguyên lý hoạt động 10 1.2.3.b Nguyên lý đo hiệu ứng từ - điện 11 1.3. Nội dung nghiên cứu của luận văn 14 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 15 2.1. Chế tạo mẫu 15 2.1.1. Chế tạo băng từ bằng phương pháp nguội nhanh 15 2.1.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện 16 2.2. Đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM 18 2.3. Kính hiển vi điện tử quét 19 2.4. Đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học 21 2.5. Hệ đo hiệu ứng từ - điện 23 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1. Tính chất từ của băng Metglas 25 3.1.1. Tính chất từ siêu mềm 25 3.1.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm 26 3.1.2.a Tính chất từ phụ thuộc vào hình dạng của băng từ 26 3.1.2.b Tính toán hệ số trường khử từ 27 3.2. Tính chất từ giảo của băng Metglas 31 3.2.1. Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh 31 3.2.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ giảo 32
5. 3.2.3. Tính chất từ giảo động 33 3.3. Hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 35 3.3.1. Cấu trúc bilayer thường 35 3.3.1.a Hệ số từ-điện phụ thuộc vào tần số và kích thước 35 3.3.1.b Hiệu ứng Shear lag 37 3.3.1.c Bài toán dao động của màng mỏng 39 3.3.2. Cấu trúc sandwich thường 41 3.3.3. Tăng cường hiệu ứng từ điện nhờ dị hướng hình dạng 42 3.3.3.a Hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào tần số 43 3.3.3.b Hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào tỉ số kích thước n = l/W 44 3.3.4. Cấu trúc bilayer và sandwich xen kẽ 46 KẾT LUẬN 48 Tài liệu tham khảo 49
6. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động (a) và ảnh chụp của cảm biến đo từ trường 3D thương phẩm dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ 3 Hình 1.2. Ảnh chụp của cảm biến đơn đo từ trường 1D (a) và cảm biến tích hợp đo từ trường 3D thương phẩm (b) dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ 4 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall 5 Hình 1.4. Cảm biến Hall tổ hợp đo từ trường 3D 5 Hình 1.5. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện trở dị hướng 6 Hình 1.6. Hiệu ứng từ trở khổng lồ: a Khi không có từ trường ngoài, mômen từ phản song song-điện trở cao; b Khi có từ trường ngoài mômen từ song song-điện trở thấp 7 Hình 1.7. Hiệu ứng từ giảo tuyến tính Joule trên mẫu vật liệu hình thanh. 9 Hình 1.8. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c). 10 Hình 1.9. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu sắt từ/sắt điện 11 Hình 2.1. Sơ đồ minh họa quá trình chế tạo băng vô định hình bằng phương pháp nguội nhanh (a) và ảnh chụp băng từ sau khi được chế tạo (b). 16 Hình 2.2. Cấu trúc vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT dạng bilayer thường (a) và bilayr xen kẽ (b) 16 Hình 2.3. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện dạng sandwich thường (a) và sandwich xen kẽ (b) 17 Hình 2.4. Ảnh chụp các mẫu hình vuông có kích thước khác nhau: 25 25, 15 15 và 10 10 mm 17 Hình 2.5. Ảnh chụp các mẫu hình chữ nhật cấu trúc xen kẽ (a) và cấu trúc thường có kích thước khác nhau (b,c) 17 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung 18 Hình 2.7. Ảnh chụp hệ đo từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 được sử dụng trong luận văn (PTN Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ) 19 Hình 2.8. Ảnh chụp hệ chụp SEM S-3400N (PTN Micro-nano, Đại học Công Nghệ) 19 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét [16] 20 Hình 2.10. Ảnh chụp tổng thể hệ (a), và cấu tạo chi tiết (b) hệ đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang tại PTN Micro-Nano 21 Hình 2.11. Cấu trúc mẫu băng từ dán trên tấm Si trong phép đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học. 22 Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ giảo bằng phương pháp quang 23 Hình 2.13. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện 24
7. Hình 3.1. Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni hình vuông kích thước 5×5 mm được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng, hướng dọc theo chiều dài (L), chiều rộng (W) và theo phương vuông góc với mặt phẳng băng từ 25 Hình 3.2. Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước L×W khác nhau. Phép đo được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng băng song song với chiều L của băng. L và W thay đổi từ 0,25 mm đến 10 mm. 26 Hình 3.3. Đường cong độ cảm từ của vật liệu với các tỉ lệ kích thước n = L/W khác nhau 27 Hình 3.4. (a) Biểu diễn sự hình thành của các mômen lưỡng cực trong vật liệu bị từ hoá (b) Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu bị từ hoá 28 Hình 3.5. Trường khử từ bên trong một thanh chữ nhật đã được từ hoá theo phương song song (a) và vuông góc với chiều dài thanh (b). 28 Hình 3.6. Hình minh họa cách tính trường khử từ thu được từ các đường cong từ hóa thực nghiệm 29 Hình 3.7. Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước L×W khác nhau sử dụng để đánh giá đóng góp trường khử từ vào dị hướng từ của mẫu 30 Hình 3.8. Đường cong từ giảo của băng từ mẫu 12x12 đo theo 2 phương chiều dài và chiều rộng của mẫu 31 Hình 3.9. Đường cong độ cảm từ giảo theo phương song song với chiều dài băng từ của mẫu 12x12 mm 32 Hình 3.10. Đường cong từ giảo tỉ đối (λ/λmax) của băng từ với các kích thước n = L/W khác nhau đo trong mặt phẳng mẫu 33 Hình 3.11. Đường cong độ cảm từ giảo đo trên các mẫu với tỉ số L/W khác nhau 33 Hình 3.12. Đường cong từ giảo động đo trên mẫu băng từ Metglas pha Ni tại các tần số từ trường xoay chiều kích thích khác nhau 34 Hình 3.13. Hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số của các mẫu vuông có kích thước khác nhau 8x8, 10x10, 15x15 và 25x25 được thực hiện ở cùng một từ trường 10 Oe 36 Hình 3.14. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường đối với các mẫu vuông kích thước khác nhau, đo ở tần số cộng hưởng 37 Hình 3.15. a) Sự phân bố ứng suất trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào vị trí tính từ tâm của mẫu ( x = 0) ra đến ngoài biên ( x = 1) 38 Hình 3.16. Các mode dao động của màng mỏng 40 Hình 3.17. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng vào kích thước của các mẫu hình vuông 40
8. Hình 3.18. Sự phụ thuộc vào tần số từ trường xoay chiều kích thích của hệ số từ-điện đo trên mẫu 15×15 mm cấu trúc sandwich thường so với mẫu cấu trúc bilayer 41 Hình 3.19. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu sandwich thường kích thước 15×15 mm so với mẫu bilayer thường. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu 42 Hình 3.20. Hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số của các mẫu hình chữ nhật (L×W) có cùng chiều dài L = 15 mm và chiều rộng thay đổi khác nhau từ 1 đến 15 mm 43 Hình 3.21. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng vào kích thước của các mẫu hình chữ nhật có tỉ số kích thước n = L/W khác nhau. Kết quả thực nghiệm được fit với kết quả lý thuyết tương ứng với các tần số dao động riêng f11 và f10 của các mode dao động tương ứng với bộ số nguyên (m,n) = (1,1) và (1,0) 43 Hình 3.22. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đối với các mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 1 đến 15 mm. Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng 44 Hình 3.23. Hệ số từ-điện tại từ trường 2.5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích thước khác nhau 45 Hình 3.24. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu bilayer xen kẽ so sánh với mẫu bilayer thường kích thước 15×15 mm. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu 47 Hình 3.25. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu sandwich xen kẽ so sánh với mẫu sandwich thường kích thước 15×15 mm. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu 47
9. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Bảng tổng hợp số liệu từ trường khử từ và hệ số trường khử từ trên các mẫu khác nhau tính toán được từ các số liệu thực nghiệm 30 Bảng 3.2. So sánh tính chất từ và từ giảo trên một số vật liệu nổi tiếng 32 Bảng 3.3. Bảng tổng hợp hệ số từ-điện cực đại đo trên các mẫu hình vuông có kích thước khác nhau 37 Bảng 3.4. Bảng tổng hợp tần số cộng hưởng và hệ số từ-điện cực đại đo trên các mẫu hình chữ nhật có kích thước khác nhau đối chiếu với các kết quả fit lý thuyết tương ứng với các mode dao động trong lời giải của bài toán dao động màng 2 chiều 46
10. MỞ ĐẦU Khoa học ngày càng phát triển đòi hỏi con người không ngừng khai thác và tìm kiếm ra những tính chất, hiệu ứng mới, công nghệ và vật liệu mới để thay thế. Gần đây các nghiên cứu đã công bố một trong những hiệu ứng mới là hiệu ứng từ - điện với sự tổ hợp đồng thời của hai pha sắt từ và sắt điện trong một vật liệu đang thu hút được nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường. Nhờ khả năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng này có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sensơ, máy phát điện, . Hiệu ứng này thường quan sát thấy trên các vật liệu multiferroic có tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Các nghiên cứu trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng hiệu ứng từ - điện cao đã được tìm ra trên các vật liệu multiferroics tổ hợp của 2 pha từ giảo và áp điện. Do có sự liên kết chặt giữa hai pha này, khi chịu tác dụng của từ trường, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cưỡng bức và ứng suất cơ học do pha từ giảo sinh ra sẽ truyền cho pha áp điện làm xuất hiện phân cực điện cảm ứng trên pha này. Hệ số từ-điện lớn nhất trên các vật liệu tổ hợp dạng khối với hệ số từ-điện (αE = dE/dH) = 10300 mV/cmOe đã được công bố bởi nhóm nghiên cứu Ryu và các đồng nghiệp trên vật liệu multiferroics sử dụng vật liệu áp điện (Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) (PZT) và từ giảo Terfenol-D dạng khối bằng phương pháp kết dính. Tuy nhiên, cho đến nay, khả năng ứng dụng hệ vật liệu này còn hạn chế do nó đòi hỏi từ trường rất lớn (~ 500 Oe) đặt vào. Các nghiên cứu cho đến nay đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng cảm biến chủ yếu tập trung vào tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ-điện rất lớn đồng thời rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài. Có rất nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu multiferroics như tape casting, PLD, phún xạ, nhưng cho đến nay các kết quả nghiên cứu vẫn chỉ ra rằng phương pháp kết dính vẫn là phương pháp đơn giản và cho hiệu ứng lớn nhất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của S.X. Dong và các đồng nghiệp đã thành công hơn nữa trong việc chế tạo ra các vật liệu dạng tấm sử dụng các băng từ Metglas dày 25 µm với kích thước 0.35×100 mm kết dính trên hai mặt của tấm áp điện. Với cấu hình này, hiệu ứng từ-điện đạt kỷ lục lên tới αE  22000 mV/cmOe tại từ trường rất nhỏ H ~ 5 Oe [1]. Tuy nhiên việc ứng dụng đặc biệt là linh kiện và sensor thì vật liệu này bị giới hạn do kích thước quá dài. Cũng với phương pháp trên, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghệ cũng đã đạt được một số kết quả nghiên cứu và triển khai ứng dụng thành công trên vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ siêu mềm (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1/PZT bằng phương pháp kết dính 1
11. [2]. Tiếp tục hướng nghiên cứu này của nhóm trong luận văn này, chúng tôi tiếp tục nghiên trên các vật liệu multiferroics dạng tấm sử dụng tấm áp điện PZT và băng từ mềm do ưu điểm của chúng là dễ chế tạo, giá thành rẻ và đặc biệt thích hợp với các nghiên cứu hiệu ứng từ-điện do tính chất từ siêu mềm. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng băng từ Metglas có pha Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Ni-based Metglas). Chúng tôi trông đợi với sự có mặt của Ni hàm lượng nhỏ 1,2% sẽ không ảnh hưởng đến hệ số từ giảo nhưng bù lại có thể tăng cường hơn nữa tính chất từ mềm trong vùng từ trường thấp khi so sánh với các kết quả đã được công bố gần đây trên băng từ Metglas không pha Ni. Với hướng nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành làm những công việc cụ thể như sau: - Chế tạo được các mẫu vật liệu multiferroics dạng lớp sử dụng băng từ siêu mềm Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 và các tấm áp điện bằng phương pháp kết dính - Nghiên cứu quá trình từ hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích thước băng từ có kích thước khác nhau. Tính toán được hệ số trường khử từ phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng của băng. - Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ trường một chiều và xoay chiều của các băng từ Metglas pha Ni với hình dạng và kích thước khác nhau - Nghiên cứu hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8/PZT trên các cấu hình và kích thước khác nhau. Tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng của băng từ và từ đó tối ưu cấu hình cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo. 2
12. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Sensor đo từ trường Cảm biến (sensor) được định nghĩa như một thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng, ). Nó là thành phần quan trọng nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động. Nhờ có các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Có rất nhiều loại cảm biến như cảm biến quang, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo vận tốc, lưu lượng và mức chất lưu, cảm biến đo áp suất, cảm biến từ, Trong khuôn khổ luận văn tôi tập trung tìm hiểu và nghiên cứu các loại cảm biến từ. 1.1.1. Sensor đo từ trường dựa trên nguyên lý cảm ứng (flux-gate sensor) Cảm biến flux-gate hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Trên hình 1.1 là sơ nguyên lý của cảm biến sử dụng lõi hình xuyến. Cảm biến loại này có cấu tạo rất đơn giản gồm 1 cuộn dây kích thích (exc) được quấn xung quanh lõi sắt từ mềm có tác dụng tạo ra từ trường xoay chiều từ được cấp bởi dòng điện xoay chiều. Đây là từ trường khép kín chạy bên trong lõi sắt. Cuộn dây tín hiệu (sensing winding) được cuốn bên ngoài để thu tín hiệu cảm ứng khi có mặt của từ thông biến thiên. Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động (a) và ảnh chụp của cảm biến đo từ trường 3D thương phẩm dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ [3] Khi không có mặt của từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu sẽ bằng không do từ trường khép kín chạy trong lòng lõi sắt từ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài theo một phương nào đó (ví dụ như trong hình 1.1 a), trong hai nửa vòng dây từ trường sẽ thay đổi theo hai xu hướng ngược nhau. Chính điều này đã 3
13. tạo ra một từ thông bên trong lòng cuộn dây tín hiệu. Đây là một từ thông biến thiên và do đó sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng hay một điện áp lối ra ở hai đầu cuộn dây tín hiệu. Từ độ lớn của điện áp này ta có thể đánh giá được cường độ từ trường tác dụng vào trong trường hợp này. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này có thể được mô tả đơn giản như sau: cho một dòng kích thích Iexc chạy qua cuộn dây kích thích sinh ra từ trường kích thích xoay chiều và tạo ra một thế ở lối ra Vout. (a) (b) Hình 1.2. Ảnh chụp của cảm biến đơn đo từ trường 1D (a) và cảm biến tích hợp đo từ trường 3D thương phẩm (b) dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ [4] Trên hình 1.2 là cảm biến thương phẩm dùng để đo từ trường 1D và 3D đã được phát triển bởi viện nghiên cứu Tyndall [5]. Fluxgate là cảm biến từ có độ nhạy cao nhất khi làm việc ở nhiệt độ phòng. Khi làm việc ở thang từ trường 1mT có thể cho độ phân giải của từ trường lên tới 100pT ở tần số từ 0-100MHz. Cho đến nay cảm biến flux-gate vẫn được sử dụng nhiều hơn cả do đặc trưng của nó ổn định với nhiệt độ, giá thành rẻ và có khả năng phát hiện từ trường trái đất. Tuy nhiên, hạn chế của cảm biến loại này là kích thước lớn. Thêm vào đó, do cấu tạo của cảm biến có lõi sắt từ có độ từ thẩm cao và có đặc trưng trễ từ đặt bên trong của các cuộn dây nên làm giảm khả năng hoạt động của cảm biến đặc biệt khi đo trong vùng từ trường thấp. Ngoài ra, hệ số trường khử từ lớn cũng là một trong các hạn chế cho việc thiết kế và chế tạo cảm biến loại này. 1.1.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường Cảm biến từ được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường hiện này là cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường được minh họa trên hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của sensor này dựa trên hiệu ứng Hall phẳng. Khi có một dòng điện chạy qua chất bán dẫn khi có mặt từ trường ngoài tác dụng thì sự chuyển động của tất cả các điện tích bị ảnh hưởng bởi lực Lorent: F = qE + q[v×B] (1.1) trong đó q là điện tích của vật dẫn, v là véc tơ vận tốc, B là véc tơ từ trường. Giả thiết rằng vật liệu là bán dẫn loại n để bỏ qua sự xuất hiện lỗ trống. Dưới tác dụng của lực 4
14. này, các hạt tải sẽ bị lệch phương chuyển động tạo ra điện trường trên hai mặt đối diện trực giao với chiều dòng điện. Điện trường Hall vuông góc với điện trường đặt vào và từ trường. Độ lớn của trường Hall tỷ lệ với độ linh động hạt tải. Độ linh động của hạt tải loại p (lỗ trống) thì luôn thấp hơn độ linh động của điện tử. Vì vậy trong cảm biến Hall sử dụng bán dẫn loại n tốt hơn sử dụng bán dẫn loại p. Thế Hall cho bởi công thức: R V H I B (1.2) H t trong đó, RH điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày tấm vật liệu. Sử dụng công thức này ta có thể tính được từ trường thông qua điện áp Hall thu được. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall Sensor loại này có vùng nhiệt độ làm việc từ -100°C tới 100°C có thể đo được cả từ trường một chiều và xoay chiều với tần số xoay chiều tới 30 kHz. Dựa trên hiệu ứng này, người ta đã phát triển sensor đo từ trường thành nhiều loại sensor khác như sensor đo góc, vận tốc và tốc độ quay bằng cách tổ hợp nhiều cảm biến đơn (hình 1.4) [6]. Hình 1.4. Cảm biến Hall tổ hợp đo từ trường 3D [6] Các cảm biến Hall đã được thương mại hóa thường làm việc trong từ trường lớn hơn 10-3 mT. Bằng cách tổ hợp nhiều cảm biến trên một thiết bị đo, nó có thể cho độ 5
15. chính xác của từ trường và góc định hướng lên đến 10-5 mT và 0,5 độ, do đó rất có triển vọng được ứng dụng để phát hiện được từ trường trái đất. Tuy nhiên, cũng phải chờ thêm thời gian nữa để các cảm biến Hall tổ hợp mới được ứng dụng rộng rãi. 1.1.3. Cảm biến AMR Cảm biến từ điện trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance – AMR sensor) có nguyên tắc hoạt động là dựa vào sự tán xạ của điện tử theo hướng mômen từ của vật liệu làm cảm biến. Nói khác đi đây là hiệu ứng điện trở của các màng sắt từ thay đổi phụ thuộc vào góc giữa từ độ (từ trường ngoài) và dòng qua cảm biến [7]. Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến từ điện trở dị hướng được minh họa trong (hình 1.5). Màng mỏng sắt từ có dị hướng từ đơn trục (trục dễ) được tạo ra nhờ dị hướng hình dạng hoặc nhờ quá trình phún xạ trong từ trường (Hx). Dưới tác dụng của từ trường ngoài giả sử hướng dọc theo trục Oy (Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hướng quay ra khỏi trục từ hóa dễ của màng tạo một góc θ với trục dễ Ox. Góc này một cách gần đúng xác định bởi : H y sin với Hy < Hx (1.3) H x Biểu thức này chỉ đúng khi màng mỏng lý tưởng mà sự từ hóa tự phát thay đổi bởi sự quay đồng bộ. Góc quay được tính theo nguyên lý cực tiểu năng lượng. Sự phụ thuộc vào từ trường của điện trở có thể nhận được từ công thức: 2 RHRR(y ) 0 cos  Màng sắt từ H y Mômen từ y θ Chiều dòng điện x Hình 1.5. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện trở dị hướng Cảm biến AMR có độ nhạy cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, độ trôi ổn định hơn cảm biến Hall, phạm vi hoạt động tần số rộng đạt được 10MHz. Nhờ độ nhạy cao cảm biến được ứng dụng để đếm mật độ phương tiện lưu thông, đo cường độ dòng điện không cần tiếp xúc, đo chuyển động và tốc độ quay của máy móc, đo từ trường trái đất và các hệ thống định vị. 6
16. 1.1.4. Cảm biến GMR Cảm biến GMR gồm 2 lớp phản sắt từ (B) xen giữa là lớp không từ (A) (hình 1.6). Cảm biến GMR có thể cho độ nhạy khoảng 10 mV/mT. Cảm biến loại này là một trong các linh kiện của kỹ thuật điện tử spin (spintronics). Tuy nhiên, chúng đang gặp phải một hạn chế như vùng làm việc bị giới hạn ở vùng từ trường lớn (thường chỉ làm việc trong khoảng 10-3 đến 100 mT) và để có độ nhạy cao, các cảm biến này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp. Giá trị GMR được định nghĩa: R R R GMR AF F (1.4) R RF B B A A B B Chiều từ a b trường ngoài Hình 1.6. Hiệu ứng từ trở khổng lồ: a Khi không có từ trường ngoài, mômen từ phản song song-điện trở cao; b Khi có từ trường ngoài mômen từ song song-điện trở thấp 1.1.5. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện (ME sensor) Mỗi loại cảm biến đều có những ưu điểm và nhược điểm và tuỳ theo mục đích sử dụng mà ta nên chọn loại cảm biến nào cho phù hợp. Để xác định từ trường trái đất chúng ta có thể sử dụng cảm biến Hall, cảm biến AMR, nhưng các loại cảm biến này công nghệ chế tạo phức tạp, giá thành cao. Chính vì vậy chúng tôi mạnh dạn tìm hiểu và nghiên cứu loại cảm biến chế tạo đơn giản, giá thành thấp, phù hợp với công nghệ ở Việt Nam mà vẫn đảm bảo được độ nhạy của cảm biến, đặc biệt là trong vùng từ trường thấp đó là cảm biến dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện. Để chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng này chúng tôi sử dụng vật liệu multiferroics. Nó là vật liệu lưỡng pha sắt từ - sắt điện với sự tồn tại đồng thời của cả tính chất từ, tính chất từ đàn hồi và tính chất áp điện (hình 1.7). Với độ nhạy trong khoảng từ trường nanô-tesla (nT), các vật liệu này có khả năng ứng dụng các đầu đọc thông tin, các cảm biến sinh học và cảm biến xác định phương vị bắc trong các thiết bị dẫn đường, Hơn thế nữa, cảm biến loại này còn có nhiều thế mạnh không thể tìm thấy trên các loại cảm biến thông thường như có thể phát hiện cả từ trường một chiều và xoay chiều công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng Đặc biệt, năm 2007, Zhai và đồng nghiệp [8] đã công bố kết quả nghiên cứu cảm biến từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện (hình 1.8) sử dụng nguồn dòng xoay chiều 10 mA đạt độ nhạy từ trường vùng nT và góc lệch 10-5 độ. Đây là 7
17. hướng nghiên cứu mà nhóm nghiên cứu ở Trường ĐH Công nghệ cũng đã tiếp cận kịp thời và đã có một số kết quả ban đầu rất khả quan. Hình 1.1. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện trên các vật liệu multiferroics kiểu từ giảo-áp điện Hình 1.2. Sơ đồ thí nghiệm và kết quả nghiên cứu cảm biến từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện của Zhai và đồng nghiệp (2007) [3] 1.2. Hiệu ứng từ - điện 1.2.1. Hiệu ứng từ giảo Từ giảo là hiện tượng hình dạng và kích thước của vật liệu từ thay đổi khi chịu tác dụng của từ trường ngoài (hình 1.7). Hiện tượng từ giảo đã được James Prescott Joule (1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [9]. Từ giảo tuyến tính Joule liên quan đến sự định hướng của mômen từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo lớn thường chỉ quan sát thấy trên các kim loại có lớp vỏ điện tử từ có đám mây của các điện tử không có dạng đối xứng cầu và tương tác spin - quỹ đạo (LS) mạnh, khi đó sự quay của mômen spin gắn liền với sự quay của mômen quỹ đạo. Trường hợp tương tác spin - quỹ đạo yếu (năng lượng tương tác LS ~ 0,015 eV/nguyên tử), khi đặt trong từ trường ngoài chỉ có mômen spin dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài, trong khi đó mômen quỹ đạo hầu như không chịu ảnh hưởng gì của từ trường ngoài (hiện tượng đóng băng mômen quỹ đạo). Trong trường hợp này, mặc dù đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu nhưng năng lượng cần thiết để quay mômen spin theo từ trường ngoài yếu 8
18. và từ giảo nhỏ (hình 1.11.a). Đó là trường hợp của các kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni). Hình 1.7. Hiệu ứng từ giảo tuyến tính Joule trên mẫu vật liệu hình thanh. Từ giảo của các vật liệu được đặc trưng bởi hệ số từ giảo  được xác định theo công thức sau: l H l H l 0  H (1.5) l 0 l 0 với l(0) là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài và l(H) là chiều dài của mẫu khi có từ trường ngoài H đặt vào. Từ giảo là một đại lượng không có thứ nguyên. Trong các vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng, hiện tượng từ giảo thể hiện bởi biến dạng tuyến tính ( l/l) theo phương từ trường ngoài (hình 1.12). 1.2.2. Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie là hiện tượng vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất kéo hoặc nén thì trong lòng vật liệu sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngược lại, khi vật liệu chịu tác dụng của điện trường thì vật liệu sẽ bị biến dạng dài ra hoặc ngắn lại tùy thuộc vào điện trường ngoài cùng chiều hay ngược chiều với véc tơ phân cực điện của vật liệu. Hình 1.8 mô tả hiệu ứng áp điện dưới tác dụng của ứng suất bên ngoài. Nếu vật liệu chịu ứng suất nén hoặc kéo dọc theo phương phân cực thì sẽ dẫn đến sự giảm hoặc tăng của độ phân cực điện trong lòng vật liệu và kết quả sẽ làm xuất hiện trong lòng vật liệu một điện trường cùng chiều hay ngược chiều với véc tơ phân cực điện. Kết quả là trên hai mặt đối diện của vật liệu áp điện sẽ xuất hiện thế áp điện có dấu và độ lớn phụ thuộc vào ứng suất tác dụng theo công thức [10]: 9
19. E g33  (1.6) với g33 là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho từng vật liệu và  là độ lớn ứng suất tác dụng (ứng suất nén  0 và ứng suất kéo  0). Hình 1.8. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c). Hiệu ứng áp điện xảy ở một số điện môi tinh thể như thạch anh, tuamalin, Hiệu ứng áp điện cũng được quan sát thấy trên các vật liệu đa tinh thể như các gốm áp điện. Từ khi được phát hiện ra cho đến nay, các gốm áp điện đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng rất mạnh trong nhiều lĩnh vực như màng rung, máy phát điện, sensơ, bộ chuyển đổi, Một trong những vật liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PbTiZrO3 (PZT) được chế tạo bằng phương pháp nung thiêu kết oxít chì, Zr và Ti. Vật liệu PZT có nhiều tính năng nổi trội như độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện dung ký sinh, độ bền cơ học cao và dễ gia công. Hiện nay các vật liệu áp điện PZT có thành phần và tính chất tối ưu tùy vào mục đích sử dụng đã được thương mại hóa và sản xuất hàng loạt theo yêu cầu được cung cấp bởi các công ty với giá thành thấp. 1.2.3. Hiệu ứng tổ hợp từ-điện 1.2.3.a Nguyên lý hoạt động Hiệu ứng từ - điện là hiện tượng vật liệu bị phân cực điện ( P ) khi đặt trong từ trường ngoài (hiệu ứng từ-điện thuận), hay ngược lại vật liệu bị phân cực từ khi có điện trường ngoài đặt vào (hiệu ứng từ-điện nghịch) [11]. Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên các vật liệu có sự kết hợp đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện (hình 1.9). 10
20. Hình 1.9. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu sắt từ/sắt điện Khi chịu tác dụng của từ trường ngoài, pha sắt từ sẽ bị biến dạng do hiệu ứng từ giảo. Sự biến dạng này sẽ tạo ra ứng suất truyền sang pha sắt điện (do có liên kết cơ học) và do đó sẽ xuất hiện sự thay đổi véc tơ phân cực điện trong lòng pha sắt điện do hiện tượng áp điện thuận. Khi đó, trên bề mặt vật liệu áp điện sẽ xuất hiện điện tích cảm ứng (điện trường) bởi từ trường. Bằng các thiết bị đo (máy khuếch đại điện tích) ta có thể xác định được lượng điện tích được tạo ra này. Điện lượng này thay đổi phụ thuộc vào ứng suất hay phụ thuộc vào từ trường tác dụng. Thông qua việc đo điện lượng (điện trường) được tạo ra này ta có thể tính được từ trường chịu tác dụng. Đây chính là nguyên lý hoạt động khi sử dụng vật liệu tổ hợp từ-điện chế tạo làm sensor đo từ trường. Hiệu ứng từ-điện được coi như là một hiệu ứng tích của hai hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng áp điện, được đặc trưng bởi hệ số từ điện được định nghĩa bởi công thức sau: dE dE d (1.7) E dH d dH 1.2.3.b Nguyên lý đo hiệu ứng từ - điện Như đã trình bày trong phần 1.2.3.a về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng, đối với vật liệu tổ hợp dạng lớp gồm hai lớp, do có sự liên kết giữa hai lớp nên khi có mặt từ trường ngoài không đổi (HDC) chỉ có lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng còn lớp áp điện (sắt điện) thì không chịu ảnh hưởng gì bởi từ trường này. Trong trường hợp này, biến dạng trên vật liệu tổ hợp sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (xem hình 1.10) và ứng suất được sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (DC). Sự có mặt của ứng suất này sẽ làm xuất hiện trên bề mặt của tấm áp điện lượng điện tích cảm ứng không đổi (QDC). Lúc này tấm áp điện hoạt động như một tụ điện với lượng điện tích này không được duy trì mãi mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một hằng số thời gian () do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết bị đo đạc. Chính vì lý do này, trong các bố trí thực nghiệm, người ta đã cung cấp thêm một từ trường xoay chiều (hac) với mục đích tạo ra các ứng suất dạng dao động (ac). Sự xuất hiện của ứng suất này sẽ tạo ra điện lượng biến thiên (qac) 11
21. trên tấm áp điện và việc đo đạc có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng các voltmeter có chức năng đo điện áp xoay chiều. Khi đó, hệ số thế từ - điện E được xác định qua điện áp lối ra VME được đo trực tiếp từ tấm áp điện theo công thức: dE1 dV ME (1.8) E dH t dH với t là chiều dày của tấm áp điện. Thông thường VME là hàm phi tuyến phụ thuộc vào từ trường: VME f() H (1.9) Ta có thể khai triển biểu thức (1.9) dưới dạng chuổi Taylor theo biểu thức: 1 dn V n (1.10) VHME  n n 0 n! dH H 0 12
22. 2 3 VME const H  H  H (1.11) ở đây: dV 1 d2 V 1 d3 V , ME , ME và ME (1.12) const VME () H H 0  2  3 dH H 0 2 dH H 0 6 dH H 0 với H Hdc h ac (1.13) H Hdc hο sin 2 ft (1.14) Biểu thức (1.11) có thể được viết lại dưới dạng: 2 VME const H dc hοsin 2 ft  H dc h ο sin 2 f (1.15) 3  Hdc hο sin 2 f hay VME A H dc, h B H dc , h sin 2 ft (1.16) C Hdc, hο cos4 ft D H dc , h ο sin6 ft Thế hiệu - từ điện: 3 4  Hdc 8 16  24  hο 6  h ο VME B H dc , hο 3 2 2  (1.17) 8 HHHHHH dc dc dc dc dc dc  h h Bỏ qua số hạng bậc cao ο ( ο 1) và xấp xỉ đạo hàm riêng bậc nhất ta có: Hdc Hdc dVME VME hο h ο (1.18) dH H 0 Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số từ - điện với từ trường và độ dày của tấm áp điện được viết tổng quát dưới dạng: dE1 dVME 1 V ME E (1.19) dH t dH t hο Công thức này sẽ được sử dụng để tính toán hệ số từ-điện trong các phép đo thực nghiệm của luận văn. 13
23. 1.3. Nội dung nghiên cứu của luận văn Hệ số từ-điện lớn nhất trên các vật liệu tổ hợp dạng khối với hệ số từ-điện (αE = dE/dH) = 10300 mV/cmOe đã được công bố bởi nhóm nghiên cứu Ryu và các đồng nghiệp trên vật liệu multiferroics sử dụng vật liệu áp điện (Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) (PZT) và từ giảo Terfenol-D dạng khối bằng phương pháp kết dính. Tuy nhiên, cho đến nay, khả năng ứng dụng hệ vật liệu này còn hạn chế do nó đòi hỏi từ trường rất lớn (~ 500 Oe) đặt vào. Các nghiên cứu cho đến nay đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng cảm biến chủ yếu tập trung vào tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ-điện rất lớn đồng thời rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài. Có rất nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu multiferroics như tape casting, PLD, phún xạ, [12,13] nhưng cho đến nay các kết quả nghiên cứu vẫn chỉ ra rằng phương pháp kết dính vẫn là phương pháp đơn giản và cho hiệu ứng lớn nhất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của S.X. Dong và các đồng nghiệp đã thành công hơn nữa trong việc chế tạo ra các vật liệu dạng tấm sử dụng các băng từ Metglas dày 25 µm với kích thước 0.35×100 mm kết dính trên hai mặt của tấm áp điện. Với cấu hình này, hiệu ứng từ-điện đạt kỷ lục lên tới αE  22000 mV/cmOe tại từ trường rất nhỏ H ~ 5 Oe [14]. Tuy nhiên việc ứng dụng đặc biệt là linh kiện và sensor thì vật liệu này bị giới hạn do kích thước quá dài. Cũng với phương pháp trên, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghệ cũng đã đạt được một số kết quả nghiên cứu và triển khai ứng dụng thành công trên vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ siêu mềm (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1/PZT bằng phương pháp kết dính [2]. Tiếp tục hướng nghiên cứu này của nhóm trong luận văn, chúng tôi tiếp tục nghiên trên các vật liệu multiferroics dạng tấm sử dụng tấm áp điện PZT và băng từ mềm do ưu điểm của chúng là dễ chế tạo, giá thành rẻ và đặc biệt thích hợp với các nghiên cứu hiệu ứng từ-điện do tính chất từ siêu mềm. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng băng từ Metglas có pha Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Ni-based Metglas). Chúng tôi trông đợi với sự có mặt của Ni hàm lượng nhỏ 1,2% sẽ không ảnh hưởng đến hệ số từ giảo nhưng bù lại có thể tăng cường hơn nữa tính chất từ mềm trong vùng từ trường thấp khi so sánh với các kết quả đã được công bố gần đây trên băng từ Metglas không pha Ni. Bên cạnh đó, các nghiên cứu còn tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của trường khử từ phụ thuộc vào kích thước của mẫu, vào các tính chất từ, từ giảo và từ-điện của vật liệu nghiên cứu để từ đó tối ưu hóa cấu trúc vật liệu cho hệ số từ điện cao trong từ trường điều khiển thấp nhất để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến nhạy từ trường trái đất. 14
24. Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo mẫu 2.1.1. Chế tạo băng từ bằng phương pháp nguội nhanh Trong khóa luận này chúng tôi sử dụng băng từ có thành phần Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 được chế tạo tại PTN Đại học Busan, Hàn Quốc bằng phương pháp nguội nhanh (rapid cooling, melt-spinning). Đây là một phương pháp rẻ tiền, dễ chế tạo và rất phổ biến để chế tạo các hợp kim vô định hình và nano tinh thể ở dạng băng mỏng. Thành phần hợp kim này đã được lựa chọn dựa trên thành phần của Metglas đã được biết đến với tính chất từ và từ giảo siêu mềm cho các ứng dụng nhạy từ trường và ứng suất nhỏ. Quy trình chế tạo gồm các bước được thực hiện như sau: + Cân hợp kim bao gồm các nguyên tố Fe, Ni, B, Si theo hợp thức danh định (có tính đến sự bù trừ các thành phần dễ bị oxi hóa và bay hơi). + Chế tạo hợp kim dạng khối đồng nhất từ hỗn hợp các kim loại trên bằng lò cao tần trong môi trường chân không cao. + Đưa hợp kim vào bên trong ống thạch anh đặt trong lò cảm ứng cao tần. Hợp kim bị nóng chảy trong lò cao tần được phun lên bề mặt trống đồng đang quay qua khe hẹp (hình 2.1.a). Hợp kim bị nguội nhanh trên bề mặt trống đồng cho ra các băng mỏng (hình 2.1.b) Ống thạch anh có chứa hợp kim được đưa vào lò cảm ứng cao tần trong môi trường bảo vệ (môi trường khí Ar). Dùng lò cao tần nấu chảy hợp kim, ở phía dưới khe của ống thạch anh, có đặt một trống đồng quay với tốc độ cao. Khi nhiệt độ trong lò cao tần lên đến nhiệt độ đủ lớn, hợp kim bị nóng chảy và được phun lên bề mặt trống đồng qua khe hẹp. Ở đây, bề mặt trống quay với tốc độ cao chính là tác nhân thu nhiệt nhanh của dòng hợp kim lỏng, làm cho hợp kim bị làm nguội với tốc độ nguội cực nhanh tới hàng triệu độ một giây cho ra dưới dạng các băng mỏng. Chiều dày băng có thể được điều khiển nhờ thay đổi khe hẹp của ống thạch anh và tốc độ quay của trống. Băng từ được sử dụng trong luận văn này có chiều dày t = 18 m và chiều rộng 15 mm với cấu trúc giữ được nguyên trạng thái giống như chất lỏng (trạng thái vô định hình). 15
25. a) b) Hình 2.1. Sơ đồ minh họa quá trình chế tạo băng vô định hình bằng phương pháp nguội nhanh (a) và ảnh chụp băng từ sau khi được chế tạo (b). 2.1.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện Vật liệu tổ hợp nghiên cứu trong khóa luận này được chế tạo bằng phương pháp kết dính giữa các tấm áp điện PZT chiều dày tPZT = 500 µm (mang mã số APCC-855 cung cấp bởi công ty American Pezoceramics Inc., PA, USA) [15] với băng từ Metglas. Tấm áp điện đã được phân cực với vectơ phân cực PE hướng vuông góc với mặt phẳng mẫu (dọc theo chiều dày). Điện thế lấy ra từ vật liệu tổ hợp được lấy ra thông qua 2 điện cực được làm trên 2 mặt của tấm áp điện sử dụng keo bạc dẫn điện (Silve paint). Chúng tôi tiến hành làm mẫu theo 2 cấu trúc: + Cấu trúc bilayer (hai lớp): Dùng keo dính gắn kết một tấm băng từ Metglas lên một mặt của tấm PZT. Đối với cấu hình này, chúng tôi đã tiến hành trên hai loại cấu trúc bilayer thường (hình 2.2.a) và bilayer xen kẽ (hình 2.2.b). Hình 2.2. Cấu trúc vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT dạng bilayer thường (a) và bilayr xen kẽ (b) + Cấu trúc sandwich (ba lớp): Cách làm tương tự như cấu trúc bilayer nhưng với 2 lớp băng từ được gắn lên hai mặt của tấm áp điện. Đối với cấu hình này, chúng tôi cũng tiến hành trên hai loại cấu trúc sandwich thường (hình 2.3.a) và sandwich xen kẽ (hình 2.3.b). 16
26. Hình 2.3. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện dạng sandwich thường (a) và sandwich xen kẽ (b) Ảnh chụp các mẫu vuông và các mẫu hình chữ nhật trên các cấu trúc thường và xen kẽ sau khi được chế tạo hoàn chỉnh được đưa ra trên hình 2.4 và 2.5 tương ứng. Hình 2.4. Ảnh chụp các mẫu hình vuông có kích thước khác nhau: 25 25, 15 15 và 10 10 mm (a) (b) (c) Hình 2.5. Ảnh chụp các mẫu hình chữ nhật cấu trúc xen kẽ (a) và cấu trúc thường có kích thước khác nhau (b,c) 17
27. 2.2. Đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM Từ kế mẫu rung là một thiết bị dùng để đo các tính chất từ của vật liệu bao gồm đường cong từ hóa, từ độ bão hòa, lực kháng từ, độ thẩm từ . Đây là một thiết bị không thể thiếu được trong các nghiên cứu về từ học. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi cho mẫu đo rung trong từ trường. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị được minh họa trên hình 2.6. Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính (ví dụ thạch anh) và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi 2 cực của nam châm điện. Khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông đi qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với mômen từ M của mẫu: V  4. .N.S .M m với Sm là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu. Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung Trong luận văn của mình, tính chất từ của các băng từ sau khi chế tạo được nghiên cứu sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) của hãng Lakeshore 7404 tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Phép đo được thực hiện tại nhiệt độ phòng với độ phân giải của thiết bị là 10-7 emu và dải làm việc của từ trường nằm trong khoảng từ -2 T đến 2 T. 18
28. Hình 2.7. Ảnh chụp hệ đo từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 được sử dụng trong luận văn (PTN Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ) 2.3. Kính hiển vi điện tử quét Trong luận văn này để nghiên cứu bề mặt của mẫu, đo chiều dày của băng từ và của lớp kết dính, chúng tôi sử dụng máy đo SEM S-3400N của hãng Hitachi tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội (hình 2.8). Phép đo được thực hiện tại nhiệt độ phòng với độ phân giải của thiết bị: 3.0 nm (tại 30 kV, chân không cao), 10 nm (tại 3 kV, chân không cao), 4.0 nm (tại 30 kV, chân không thấp) và dải làm việc của điện áp nằm trong khoảng từ 0,1 kV đến 30 kV. Hình 2.8. Ảnh chụp hệ chụp SEM S-3400N (PTN Micro-nano, Đại học Công Nghệ) 19
29. Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM được mô tả trên hình 2.9. Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm: + Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét [16] 20
30. + Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử). Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thông tin về các đômen sắt điện. 2.4. Đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học Từ giảo của các băng từ Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 được khảo sát sử dụng hệ đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học tại phòng thí nghiệm Micro-nano Trường Đại học Công Nghệ. Cấu tạo hệ đo gồm 5 phần chính (hình 2.10): - Nguồn phát laze (1) - Gương phản xạ (2) - Chuỗi photodiode (3) - Hệ điều chỉnh gương phản xạ (4) - Bộ tạo từ trường (5) 2 3 5 4 1 (a) (b) Hình 2.10. Ảnh chụp tổng thể hệ (a), và cấu tạo chi tiết (b) hệ đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang tại PTN Micro-Nano 21
31. Nguyên lý đo của phương pháp này dựa trên hiện tượng phản xạ quang học: tia phản xạ sẽ bị đổi phương khi mặt phản xạ bị uốn cong. Dựa vào độ lệch của tia phản xạ ta có thể tính được độ uốn cong của mẫu. Đối với các băng vô định hình nghiên cứu, để có thể sử dụng được phương pháp này, chúng tôi đã sử dụng keo dán để dính kết lớp băng này lên một tấm thủy tinh đã được phủ một lớp kim loại mỏng để tạo mặt phản xạ (hình 2.11). Đây là lớp không từ (thường là Cu) để đảm bảo khi đo trong từ trường, lớp kim loại này không gây ảnh hưởng gì đến từ trường và tính chất của băng từ. Hình 2.11. Cấu trúc mẫu băng từ dán trên tấm Si trong phép đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học. Từ giảo của băng Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 do có liên kết với đế thủy tinh (không có từ giảo) nên khi có tác dụng của từ trường ngoài, hiện tượng biến dạng của hệ này không thể hiện bởi biến dạng tuyến tính ( l/l) như các vật liệu dạng khối, mà thể hiện bởi hiệu ứng uốn cong. Khi tác dụng một từ trường theo phương Ox, biến dạng của mẫu xảy ra theo 2 phương Oy và Oz là ngược nhau. Nếu mẫu có dạng dài theo trục Ox, tức là l << L, có thể xem sự biến dạng của mẫu chỉ xảy ra theo phương Oz. Khi đó độ uốn cong của mẫu được dặc trưng bởi góc lệch giữa mặt phẳng mẫu khi không chịu tác dụng của từ trường ngoài và khi có từ trường ngoài (hình 2.11). Từ giảo của mẫu sẽ được xác định thông qua góc lệch . Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ giảo bằng phương pháp quang được đưa ra trên hình 2.12. Nguyên lý hoạt động của hệ đo này được mô tả ngắn gọn như sau: tia sáng laser từ nguồn laser tới đập vào lăng kính phản xạ toàn phần bị đổi hướng đi xuống gặp bề mặt mẫu cho tia phản xạ đi lên gặp gương phản xạ, bị đổi hướng lần thứ hai đi vào detector là một photodiode array. Khi chưa có từ trường ngoài đặt vào, ánh sáng tới detector ở một vị trí B xác định tương ứng cho ta một thế hiệu UB xác định. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, do mặt phẳng mẫu bị uốn cong nên ánh sáng đến detector tại điểm C cho thế hiệu UC tương ứng với một độ dịch chuyển D. Đo độ thay đổi của thế ΔU = UC – UB suy ra 22
32. được độ dịch chuyển D trên detector. Từ độ dịch chuyển D ta có thể xác định được góc lệch α theo công thức: D 2 tg2 (2.1) h l trong đó h + l là tổng quãng đường đi của tia sáng từ bề mặt mẫu tới detector. Do sự biến dạng của băng từ giảo gắn liền với sự biến dạng của đế thủy tinh, nên việc tính toán hệ số từ giảo của băng từ phải tính đến các thông số đàn hồi của cả băng FeNiBSi, của đế và cả của lớp kết dính. Để đơn giản, ở đây chúng tôi đối chiếu với mẫu chuẩn với hệ số từ giảo đã biết trước để tính toán các hệ số chuyển đổi từ tín hiệu thu được trên detector sang từ giảo của vật liệu. Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ giảo bằng phương pháp quang. 2.5. Hệ đo hiệu ứng từ - điện Như đã được trình bày trong chương 1, hiệu ứng từ - điện được đặc trưng bởi hệ số từ - điện E và được xác định thông qua thế áp điện VME được sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hình 2.14 là sơ đồ minh họa hệ đo hiệu điện thế từ - điện. Thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac = h sin(2 f t) được đặt trong từ trường một chiều HDC. Từ trường một chiều DC được tạo ra nhờ một nam châm điện với cường độ cực đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Để tạo ra từ trường xoay chiều hac, chúng tôi sử dụng một cuộn Helmholtz đặt vào bên trong vùng không gian của từ trường DC và được điều khiển bằng một máy phát chức năng (FG-202C Function Generator). Biên độ của hac có thể thay đổi từ h = 0 đến 12 Oe với dải tần số từ f = 1 Hz đến 2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và phương các từ trường tác dụng có thể được thay đổi nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ 23
33. tấm áp điện được đưa vào bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Độ lớn và pha của tín hiệu VME được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng. Hệ số thế từ - điện E = dE/dH được xác định qua thế hiệu từ - điện lối ra VME sử dụng công thức (1.19) Hình 2.13. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện 24
34. Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất từ của băng Metglas 3.1.1. Tính chất từ siêu mềm Tính chất từ của băng từ Metglas có pha Ni đã được nghiên cứu thông qua việc đo đường cong từ hóa theo cả 3 phương: phương vuông góc với mặt phẳng mẫu (hướng theo phương pháp tuyến với mặt phẳng băng), phương nằm trong mặt phẳng mẫu dọc theo chiều dài L và chiều rộng W. Trên hình 3.1 là kết quả đo đường cong từ hóa đo trên mẫu hình vuông có kích thước W = L = 5 mm. Kết quả cho thấy tính chất từ siêu mềm trong mặt phẳng mẫu được thể hiện, quá trình từ hóa quan sát được trong từ trường thấp với từ 3 trường bão hòa rất thấp (Hs ~ 70 Oe), từ độ bão hòa cao (Ms ~ 1216 emu/cm ) và đặc biệt hầu như không có độ từ dư và lực kháng từ (Mr, Hc ~ 0 Oe). So sánh với băng từ FeCoBSi trước đây đã được chế tạo và nghiên cứu tại PTN băng từ này thể hiện tính chất từ mềm vượt trội. Với kết quả này, chúng tôi trông đợi băng từ Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 sẽ cho tính chất từ giảo mềm, hiệu ứng từ-điện tốt hơn nhiều trong vùng từ trường thấp cỡ trái đất (Oe). 1500 H // L 1000 H // W H vuông góc 500 ) 3 0 H vuông góc M(emu/cm -500 -1000 H // W H // L -1500 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 H (Oe) Hình 3.1. Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni hình vuông kích thước 5×5 mm được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng, hướng dọc theo chiều dài (L), chiều rộng (W) và theo phương vuông góc với mặt phẳng băng từ Chú ý đến dáng của đường cong ta thấy khi từ hóa theo 2 phương dọc theo chiều dài L và chiều rộng W của băng thì 2 đường cong từ hóa này trùng khít với nhau chứng tỏ với mẫu có kích thước L = W, băng từ chế tạo được đẳng hướng hoàn toàn trong mặt 25
35. phẳng băng. Tính chất này có được là do băng từ có trạng thái vô định hình tốt với độ đồng nhất cao và các thông số chế tạo tối ưu không có sự tồn tại của ứng suất nội ảnh hưởng đến trạng thái từ của băng. Trong 3 phương này thì phương vuông góc với mặt phẳng băng là phương khó từ hóa, tại đó với từ trường rất lớn H = 4000 Oe, từ độ của mẫu vẫn chưa đạt tới trạng thái bão hòa. 3.1.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm 3.1.2.a Tính chất từ phụ thuộc vào hình dạng của băng từ Ảnh hưởng của hình dạng mẫu (kích thước chiều dài (L) và chiều rộng (W) lên các tính chất từ đã được khảo sát. Trong các phép đo này, các băng từ có chiều dày cố định tMetglas = 18 m và các kích thước L và W thay đổi từ 0,25 mm đến 10 mm tương ứng với tỉ số giữa 2 kích thước này n = L/W dao động từ 0.025 đến 40. Từ trường ngoài luôn hướng dọc theo chiều (L) của băng. Trên hình 3.2 là đường cong từ hóa đo được trên các băng từ Metglas với các tỉ lệ kích thước n = L/W khác nhau. Kết quả cho ta thấy tính chất từ của băng thay đổi rất rõ phụ thuộc vào tỉ lệ kích thước. Nếu như với mẫu có hình vuông, n = 1, từ trường cần thiết để thiết lập trạng thái từ độ bão hòa vào khoảng Hs ~ 70 Oe thì với mẫu có tỉ số n = 40, chỉ cần một từ trường ngoài nhỏ hơn rất nhiều Hs ~ 15 Oe cũng đủ để bão hòa. Trong khi đó, với mẫu n = 0.025 thì cần một từ trường bão hòa rất lớn Hs ~ 1000 Oe. Tỉ lệ n càng lớn đường cong càng dễ bão hòa dọc theo phương chiều dài của băng và ngược lại. 1.200 800 H W ) 400 3 L 0 M (emu/cm M -400 10x0.25 10x1 5x10 -800 10x10 3x10 2x10 10x2 1x10 0.25x10 -1.200 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) Hình 3.2. Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước L×W khác nhau. Phép đo được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng băng song song với chiều L của băng. L và W thay đổi từ 0,25 mm đến 10 mm. 26
36. Ảnh hưởng của hình dạng, kích thước mẫu đến tính chất từ mềm còn được thể hiện rõ hơn trên các đường cong độ cảm từ χM = dM/dH thu được từ các đường cong thực nghiệm được vẽ trên hình 3.3. Tất cả các đường cong này đều cho thấy độ cảm từ cực đại quan sát thấy trong vùng từ trường rất thấp H ~ 1 Oe chứng tỏ khả năng nhạy từ trường thấp của các băng từ Metglas khi có mặt của Ni. Nhìn vào đường cong này ta thấy rất rõ khi n tăng lên, đường cong độ cảm này tăng mạnh. Với mẫu có hình chữ nhật 10×0.25 3 mm (n = 40) với L >> W, độ cảm từ đạt đến giá trị M = 220 emu/cm Oe, lớn hơn gấp 5 lần so với mẫu có dạng hình vuông 10×10 mm (n = 1), lớn hơn gấp 200 lần so với mẫu 0.25×10 mm có L << W. 250 10x0.25 10x1 200 H W 10x2 L 10x10 5x10 ) 3 150 3x10 2x10 1x10 100 0.25x10 M (emu/cm 50 0 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) Hình 3.3. Đường cong độ cảm từ của vật liệu với các tỉ lệ kích thước n = L/W khác nhau. Sự thay đổi mạnh của tính chất từ mềm phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của mẫu băng từ đã mở ra một khả năng ứng dụng chế tạo cảm biến đo từ trường trái đất. 3.1.2.b Tính toán hệ số trường khử từ Đường cong từ hóa và độ cảm từ quan sát được khác nhau rất nhiều phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của mẫu băng từ được giải thích dựa trên hiện tượng trường khử từ hay dị hướng hình dạng. Như ta đã biết, với một vật liệu từ có từ độ M, các cực từ tự do luôn luôn tồn tại ở hai đầu (hình 3.4.a) nên ta thấy rằng ở bên ngoài và đặc biệt ở cả bên trong, từ trường H mà các lưỡng cực từ này sinh ra luôn có chiều ngược với M. Đó là trường khử từ Hd [17]. Cường độ trường khử từ Hd tỉ lệ với từ độ M của vật liệu đồng thời phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cực và diện tính bề mặt của các cực. Ví dụ, đối với một khối chữ nhật như trên hình 3.5, khi véc tơ M hướng dọc theo chiều dài, hai cực khá xa nhau nên Hd sẽ nhỏ. Ngược lại, khi M hướng vuông góc, hai cực rất gần nhau nên Hd sẽ rất lớn. Trên cơ sở đó, có thể viết được như sau: 27
37. Hd NM (3.1) Khi mẫu vật liệu được chế tạo dạng màng hoặc băng có độ dày rất mỏng so với kích thước của mẫu thì các mômen từ có xu hướng nằm trong mặt phẳng mẫu để cực tiểu hóa năng lượng trường khử từ. Đây chính là trường hợp các băng từ được nghiên cứu trong luận văn này. Hình 3.4. (a) Biểu diễn sự hình thành của các mômen lưỡng cực trong vật liệu bị từ hoá (b) Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu bị từ hoá Hình 3.5. Trường khử từ bên trong một thanh chữ nhật đã được từ hoá theo phương song song (a) và vuông góc với chiều dài thanh (b). Trong trường hợp mẫu băng từ có dạng hình vuông, L = W, các mômen nằm trong mặt phẳng và đẳng hướng. Nói khác đi, quá trình từ hóa xảy ra khi đặt từ trường dọc theo phương chiều dài hay chiều rộng có kết quả như nhau. Điều này đã được quan sát đúng đối với mẫu 5x5 mm được đưa ra trên hình 3.1. Đối với mẫu băng từ có hình chữ nhật, các mômen từ sẽ có xu hướng nằm trong mặt phẳng băng và hướng dọc theo chiều dài của mẫu. Điều này đã được khẳng định rất rõ ràng trên các đường cong từ hóa được đưa ra trên hình 3.4. Mẫu càng dài (tỉ số L/W) càng lớn thì 28
38. dị hướng này càng thể hiện rõ và có xu hướng trở thành vật liệu có dị hướng đơn trục. Điều này là rất cần thiết cho một số ứng dụng nhạy với định hướng của từ trường. Để đánh giá mức độ đóng góp của trường khử từ trong trường hợp này, ở đây chúng tôi vận dụng cách tính toán thực nghiệm xuất phát từ các đường cong từ hóa trên các mẫu có tỉ số L/W khác nhau. Phương pháp tính được minh họa trên hình 3.6. Hình 3.6. Hình minh họa cách tính trường khử từ thu được từ các đường cong từ hóa thực nghiệm Áp dụng phương pháp tính thực nghiệm này, ở đây chúng tôi lựa chọn giá trị từ độ 3 Mo = 970 emu/cm (hình 3.7), dùng phương pháp trên cho các số liệu thực nghiệm đã thu được. Các mẫu có kích thước khác nhau sẽ có giá trị từ trường ngoài Ho khác nhau. Ở đây, giả thiết mẫu 10×0,25 mm với tỉ số lớn nhất n = 40 là mẫu có dị hướng đơn trục hoàn toàn, tức là không chịu ảnh hưởng của trường khử từ. Khi đó từ trường Ho = 31 Oe của mẫu này chính là từ trường nội tại Hint bên trong lòng vật liệu cần thiết để từ độ đạt đến giá trị Mo. Mẫu có tỉ số n càng lớn thì Ho càng tăng theo công thức: Hint = Ho - Hd (3.2) với Hd phụ thuộc vào từ độ theo công thức (3.1). Kết hợp cả 2 công thức (3.1) và (3.2) ta thu được bảng số liệu cho độ lớn của trường khử từ và hệ số trường khử từ được tổng hợp trên bảng 3.1. Đường cong sự phụ thuộc của hệ số trường khử từ vào tỉ số kích thước của mẫu được đưa ra trên hình 3.7. Kết quả thu được này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tăng cường tính chất từ mềm và do đó có thể tăng cường được tính chất từ giảo và từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng của các băng từ. Theo xu hướng này thì mẫu càng dài và hẹp thì hiệu ứng từ- điện quan sát được trong vùng từ trường thấp càng cao. Đây cũng là ý tưởng thực hiện của luận văn để định hướng ứng dụng chế tạo các cảm biến nhạy từ trường thấp, đặc biệt là từ trường trái đất. 29
39. 1,200 3 Mo Mo = 970 emu/cm 900 ) 3 H 600 W L M (emu/cm M 300 10x0.25 10x1 5x10 10x10 3x10 2x10 10x2 1x10 0.25x10 0 0 200 Ho 400 600 800 1000 HDC (Oe) Hình 3.7. Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước L×W khác nhau sử dụng để đánh giá đóng góp trường khử từ vào dị hướng từ của mẫu. Bảng 3.1. Bảng tổng hợp số liệu từ trường khử từ và hệ số trường khử từ trên các mẫu khác nhau tính toán được từ các số liệu thực nghiệm Kích thước mẫu đo Tỉ số Kí kích thước H (Oe) H (Oe) N hiệu Chiều dài Chiều rộng o d L (mm) W (mm) n = L/W No 1 10 0.25 40.00 31 0.0 0.000 No 2 10 1.04 9.62 40.8 9.8 0.010 No 3 10 1.925 5.19 44 13.0 0.013 No 4 10 2.83 3.53 47.5 16.5 0.017 No 5 10 4.8 2.08 52.8 21.8 0.022 No 6 10 10 1.00 65.2 34.2 0.035 No 7 4.8 10 0.48 86.3 55.3 0.057 No 8 2.83 10 0.28 119 88.0 0.091 No 9 2 10 0.20 157.7 126.7 0.131 No 10 0.9 10 0.09 278.2 247.2 0.255 No 11 0.4 10 0.04 478 447.0 0.461 No 12 0.2 10 0.02 765 734.0 0.757 30
40. 3.2. Tính chất từ giảo của băng Metglas 3.2.1. Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh Đường cong từ giảo của băng từ Metglas cũng được khảo sát trong mặt phẳng mẫu theo hai phương dọc theo chiều dài L và chiều rộng mẫu W. Trong trường hợp này, từ trường tác dụng vào mẫu là từ trường một chiều DC. Kết quả được đưa ra trên hình 3.8 cho mẫu đo hình vuông có kích thước L = W = 12 mm. Nhìn vào đồ thị ta thấy tương tự như kết quả đo đường cong từ hóa, đường cong từ giảo đo theo hai phương trong mặt phẳng băng trùng khít nhau. Điều này thêm một lần nữa khẳng định tính đẳng hướng trong mặt phẳng của băng từ nghiên cứu. Các băng từ Metglas có từ giảo bão hòa cỡ -6 30x10 và đạt được ở từ trường rất thấp Hs ~ 100 Oe. Giá trị từ trường bão hòa này tương ứng với từ trường bão hòa của từ độ như đã trình bày trong phần 3.1. Từ độ dốc của đường cong từ giảo thực nghiệm đo được, độ cảm từ giảo được tính toán theo công thức χλ = dλ/dH được biểu diễn trên hình 3.9. Với mẫu băng từ này, độ cảm từ giảo đạt được -6 -1 -2 -1 cực đại χλ = 0.36x10 Oe (tương đương với 0.36x10 T ) tại từ trường ngoài rất thấp khoảng H ~ 30 Oe. 30 25 12x12 12x12 20 ) -6 15 λ (10 H vuông góc 10 H // L 5 H // W H // W 0 -300 -200 -100 0 100 200 300 H (Oe) Hình 3.8. Đường cong từ giảo của băng từ mẫu 12x12 đo theo 2 phương chiều dài và chiều rộng của mẫu So sánh các tính chất này với các loại vật liệu nổi tiếng trên thế giới ta thấy, dù từ giảo của vật liệu chúng tôi đang nghiên cứu rất nhỏ nhưng điều đáng chú ý ở đây là tính từ giảo siêu mềm của băng từ này được đặc trưng bởi độ cảm từ giảo là hoàn toàn có thể so sánh được (xem bảng 3.2). 31
41. 0.6 1 0.4 0.2 ) -1 Oe 0 -6 (10 λ χ -0.2 -0.4 -0.6 -200 -100 0 100 200 H (Oe) Hình 3.9. Đường cong độ cảm từ giảo theo phương song song với chiều dài băng từ của mẫu 12x12 mm Bảng 3.2. So sánh tính chất từ và từ giảo trên một số vật liệu nổi tiếng -6 -6 -1 Vật liệu từ giảo Hệ số từ giảo λ (10 ) Độ cảm từ giảo χλ (10 Oe ) Terfernol-D khối 2400 0.01 Tefecohan 1140 0.23 Băng từ FeCoBSi 60 0.15 Băng từ Metglas 30 0.36 3.2.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ giảo Đường cong từ giảo đo trên các mẫu với chỉ số n thay đổi từ 0.5 đến 6 được chỉ ra trên hình 3.10. Nhìn vào hình vẽ ta thấy, trạng thái bão hòa của các mẫu đạt được lần lượt tại các giá trị từ trường khác nhau và các giá trị này phụ thuộc vào chỉ số n của từng mẫu. Đối với mẫu có chỉ số n = 0.5 từ trường cần tác dụng để làm mẫu bão hòa là khoảng 200 Oe, với mẫu có n = 1 giá trị này giảm xuống còn khoảng 100 Oe và khi n = 6 giá trị này chỉ còn là 70 Oe. Mặt khác độ dốc của đường cong từ giảo cũng tăng tương ứng khi n tăng. Điều này chứng tỏ sự ảnh hưởng của tỉ số kích thước đến tính mềm của băng từ. Theo đó khi tỉ số kích thước tăng, tính mềm của băng từ cũng tăng theo tương ứng và ngược lại khi n giảm tính mềm của băng từ cũng giảm theo. Từ độ dốc ta tính được độ cảm từ giảo của các mẫu theo công thức χλ = dλ/dH. Đường cong từ giảo của các mẫu với các kích thước khác nhau được thể hiện trên hình 3.11. Nhìn vào đồ thị ta thấy, độ cảm từ giảo lớn nhất của mẫu có tỉ số n = 0.5 là 0.26x10-6 32
42. Oe đạt được khi từ trường ngoài là 50 Oe, đối với mẫu có n = 1 độ cảm từ giảo lớn nhất là 0.36 x 10-6 Oe đạt được khi từ trường ngoài là 30 Oe. Chỉ số này lớn nhất khi đo với mẫu có tỉ số n = 6 là 0.5 x 10-6 Oe đạt được khi từ trường chỉ là 13 Oe. Như vậy khi tỉ số n tăng 12 lần, độ cảm từ giảo lớn nhất tăng hơn 2 lần còn từ trường làm việc thì giảm đi 4 lần. Điều đó càng chứng minh sự ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến độ cảm từ giảo hay là tính mềm của băng từ giảo 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 n=6 λ/λmax 0.4 n=1 0.3 n=0.5 0.2 0.1 0 -300 -200 -100 0 100 200 300 H (Oe) Hình 3.10. Đường cong từ giảo tỉ đối (λ/λmax) của băng từ với các kích thước n = L/W khác nhau đo trong mặt phẳng mẫu 0.6 0.4 0.2 ) -1 Oe -6 0 (10 λ χ -0.2 n=6 1 -0.4 0.5 -0.6 -200 -100 0 100 200 H (Oe) Hình 3.11. Đường cong độ cảm từ giảo đo trên các mẫu với tỉ số L/W khác nhau 3.2.3. Tính chất từ giảo động Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành đo đạc và khảo sát đường cong từ giảo trong từ trường ngoài bao gồm cả từ trường DC và AC. Phép đo này hoàn toàn mới và 33
43. chưa được thực hiện và công bố trên bất cứ tài liệu nào liên quan đến vật liệu từ-điện nghiên cứu. Phép đo này là cần thiết vì về cơ chế nguyên lý đo và biến dạng của băng từ giảo trong trường hợp này giống hệt trong trường hợp khảo sát hiệu ứng từ-điện. Tận dụng hệ đo từ giảo bằng phương pháp quang sẵn có tại phòng thí nghiệm, ở đây thực hiện phép đo này chúng tôi sử dụng thêm một cuộn dây Helmholtz được nuôi bằng nguồn xoay chiều để tạo từ trường xoay chiều. Sơ đồ bố trí nam châm trong trường hợp này giống hệt sơ đồ hệ đo hiệu ứng từ-điện. Tuy nhiên do giới hạn đáp ứng của thiết bị Photodiode nên trong các phép đo này chúng tôi chỉ thực hiện được với tần số thấp < 500 Hz. Kết quả đường cong từ giảo động phụ thuộc vào từ trường một chiều đo tại các tần số khác nhau được chỉ ra trên hình 3.12. Ở đây, biên độ từ trường xoay chiều kích thích được duy trì ở 2 Oe cho các phép đo. Kết quả cho thấy sự phù hợp về hình dáng của đường cong từ giảo tĩnh với đường cong độ cảm từ giảo được đưa ra trên hình 3.11. 1.5 1.0 0.5 25 Hz ) -6 80 Hz 0.0 (10 ac l -0.5 -1.0 -1.5 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) Hình 3.12. Đường cong từ giảo động đo trên mẫu băng từ Metglas pha Ni tại các tần số từ trường xoay chiều kích thích khác nhau Như vậy có thể khẳng định rằng đường cong từ giảo động phản ánh độ cảm từ giảo của đường cong từ giảo tĩnh, hay nói khác đi là khả năng đáp ứng từ giảo của vật liệu khi chịu một sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài. Nguyên lý hoạt động của băng từ trong trường hợp đo động này giống trong phương pháp đo hiệu ứng từ điện. Chính vì lý do này, độ cảm từ giảo hay từ giảo động chính là thông số quyết định chính của pha từ đến hiệu ứng từ-điện nghiên cứu. Ở đây, sự khác nhau về dấu của hai đường cong tại hai tần số khác nhau này có thể được giải thích do hai nguyên nhân là sự khác nhau về pha giữa dao động của băng từ và từ trường kích thích đồng thời với thời gian trễ do sự đáp ứng của photodiode với laser tới, đây cũng là một hạn chế cho các phép đo này không thể thực hiện được ở tần số cao và từ trường xoay chiều nhỏ. 34
44. 3.3. Hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 3.3.1. Cấu trúc bilayer thường 3.3.1.a Hệ số từ-điện phụ thuộc vào tần số và kích thước Do đặc trưng của hiệu ứng từ-điện phải làm việc với sự có mặt của từ trường xoay chiều nên một trong các thông số vô cùng quan trọng cần phải khảo sát và nghiên cứu đó là sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào tần số từ trường kích thích. Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành đo trên các mẫu vuông (L = W) có kích thước khác nhau 8x8, 10x10, 12x12, 15x15 và 25x25 (mm). Phép đo được tiến hành ở cùng một từ trường một chiều tác dụng H = 10 Oe. Kết quả được đưa ra trên hình 3.13. Nhìn vào tất cả các đường cong này ta thấy đều quan sát thấy xuất hiện một đỉnh tần số rất hẹp tại đó có hệ số từ- điện đạt được lớn nhất. Đỉnh này có xu hướng dịch chuyển về tần số thấp đối với mẫu có kích thước càng lớn. Đây được coi là đỉnh cộng hưởng của vật liệu tổ hợp. Qui luật sự phụ thuộc của hệ số từ-điện vào tần số của vật liệu được lý giải sử dụng bài toán dao động hai chiều áp dụng cho băng và màng mỏng sẽ được trình bày dưới đây. Điều đáng chú ý ở đây là tại cùng một từ trường một chiều và cùng cường độ từ trường xoay chiều tác dụng, hệ số từ-điện giảm mạnh khi kích thước vật liệu càng thu nhỏ. Trên hình 3.14 là kết quả đo đường cong từ điện phụ thuộc vào từ trường một chiều. Phép đo được thực hiện trong từ trường xoay chiều tại các tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu thu được từ kết quả hình 3.13. Hệ số từ-điện cực đại được tổng kết trong bảng 3.3. Hiệu ứng từ điện đạt lớn nhất αE = 54261 mV/cmOe trên mẫu 25×25 mm, lớn gấp gân 3 lần so với hệ số αE = 19050 mV/cmOe trên mẫu 8×8 mm. So với các kết quả đã được công bố của nhóm Ryu và các đồng nghiệp trên các vật liệu từ giảo Terfenol-D thì hiệu ứng đạt được trong luận văn này lớn hơn rất nhiều. Đặt biệt so với nhóm S.X. Dong cùng nghiên cứu trên băng từ Metglass thì kết quả thu được của chúng tôi lớn hơn 2 lần trong khi kích thước mẫu thì nhỏ hơn 4 lần [1]. Điều này được lý giải là do đóng góp của Ni với hàm lượng rất nhỏ có tác dụng tăng cường được đáng kể tính chất từ mềm và do đó hiệu ứng từ-điện nhờ đó cũng được cải thiện lên rất nhiều. Sự suy giảm mạnh của hệ số từ-điện khi kích thước mẫu giảm có thể giải thích dựa vào hiệu ứng “shear lagging” do sự phân bố ứng suất không đồng nhất trên bề mặt mẫu phụ thuộc vào kích thước mẫu [18]. Phần này sẽ được giải thích chi tiết trong phần trình bày dưới đây. 35
45. Hình 3.13. Hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số của các mẫu vuông có kích thước khác nhau 8x8, 10x10, 15x15 và 25x25 được thực hiện ở cùng một từ trường 10 Oe 36
46. Hình 3.14. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường đối với các mẫu vuông kích thước khác nhau, đo ở tần số cộng hưởng Bảng 3.3. Bảng tổng hợp hệ số từ-điện cực đại đo trên các mẫu hình vuông có kích thước khác nhau Chiều dài Chiều rộng Hệ số từ-điện L (mm) W (mômen) αE (mV/cmOe) 8 8 19050 10 10 20738 12 12 27101 15 15 36248 25 25 54261 3.3.1.b Hiệu ứng Shear lag Hiệu ứng Shear lag là hiệu ứng liên quan đến sự phân bố ứng suất trên bề mặt mẫu có dạng tấm mỏng. Các hiệu ứng này không thể bỏ qua cho việc dự đoán với hầu hết các vật liệu tổ hợp từ-điện dạng tấm. Chỉ khi xét hiệu ứng này thì mới giải thích được chính xác kết quả thực nghiệm. Ta có thể hiểu hiệu ứng Shear lag một cách đơn giản như sau: ứng suất tác dụng lên bề mặt tấm áp điện được phân ra thành hai phần đóng góp, phần biên và phần lõi. Trong đó, càng vào sâu trong tâm mẫu, ứng suất càng mạnh và ứng suất lớn nhất nằm ở tâm mẫu. Ngược lại, càng ra xa tâm lại gần biên của mẫu, ứng suất càng giảm và tiến đến 0 tại các biên của mẫu. Sự phân bố ứng suất này được mô tả bởi một hàm: 37
47. _ cosh x  (x ) A 1 (3.2) cosh  trong đó x  x/(L/2) là khoảng cách tỉ đối tính từ tâm mẫu ( x = 0) ra đến ngoài biên ( x = 1), A là hằng số và Γ là hệ số Shear lag. Hệ số này phụ thuộc tuyến tính vào kích thước của mẫu theo công thức:  kL (3.3) với L là kích thước của mẫu dọc theo phương xem xét ứng suất. Trên hình 3.15 là đường cong lý thuyết mô tả sự phân bố ứng suất phụ thuộc vào vị trí của mẫu đối với các hệ số Shear lag  khác nhau. Nhìn vào hình vẽ ta thấy rõ ràng với những mẫu có  lớn (tức L lớn) thì sự phân bố ứng suất càng đồng đều và đóng góp ứng suất ở phần lõi sẽ chiếm ưu thế so với đóng góp ứng suất ở biên là rất nhỏ do đó ứng suất tác dụng lên áp điện lớn tức hệ số từ điện E lớn, ngược lại với những mẫu có  càng nhỏ thì ứng suất càng ít đồng đều và ứng suất gây ra ở biên nhiều hơn so với mẫu lớn dẫn đến ứng suất nhỏ. Hình 3.15. a) Sự phân bố ứng suất trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào vị trí tính từ tâm của mẫu ( x = 0) ra đến ngoài biên ( x = 1). Sự phân bố ứng suất không đồng nhất trên toàn bộ bề mặt mẫu phụ thuộc vào kích thước mẫu chính là nguyên nhân dẫn đến độ lớn của hệ số từ-điện thu được khác nhau trên các mẫu như trên hình 3.13. Theo lý thuyết này, hệ số từ-điện x tại các vị trí khác nhau là khác nhau, lớn nhất sẽ tập trung ở tâm mẫu và càng lại gần biên hệ số từ-điện 38
48. càng suy giảm mạnh do sự suy giảm của ứng suất. Trong trường hợp này, hệ số từ-điện thu được từ thực nghiệm là giá trị trung bình trên toàn bộ mẫu được tính theo công thức: 1 x d xd yd z (3.4) V V Dựa trên mô hình lý thuyết hiệu ứng Shear lag, hệ số từ-điện trung bình được biểu diễn đơn giản bằng công thức: tanh(kL ) B 1 (3.5) kL ở đây B là hằng số có thể rút ra được từ thực nghiệm. 3.3.1.c Bài toán dao động của màng mỏng Từ hình vẽ ta thấy hệ số từ điện αE đạt giá trị cực đại ở các tần khác nhau. Diện tích mẫu càng lớn thì tần số cộng hưởng càng thấp và hệ số từ điện càng lớn. Trong trường hợp này, do cấu trúc dạng hai lớp nên khi mẫu chịu tác dụng của từ trường ngoài, vật liệu tổ hợp sẽ có dạng dao động giống mặt phẳng 2 chiều. Khi đó, ta có thể áp dụng cách tính toán hàm sóng của màng dao động hai chiều. Xét bài toán dao động của màng chữ nhật kích thước (L×W) với các điều kiện biên cố định, vận tốc truyền sóng của màng là v. Đặt hệ trục tọa độ Oxy như hình 3.16. Gọi ly độ của dao động là u(x,y,t). Khi đó ly độ u(x,y,t) phải thỏa mãn phương trình dao động tự do của màng là [19]: 2 2 2 u2  u  u 2 v 2 2 0 (3.6) t  x  y Lời giải của phương trình trên cho ta các tần số dao động riêng của tấm được biểu diễn theo công thức [19]: v n2 m2 f (3.7) nm 2 W 2 L2 trong đó v là vận tốc pha của PZT; n và m là số nguyên nhận các giá trị (1, 2, 3 ), L và W tương ứng là kích thước chiều dài và chiều rộng của mẫu. Bộ các thông số (m,n) sẽ cho các mode dao động tương ứng được minh họa trên hình 3.16. Tổng hợp các tần số dao động, tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại được vẽ trên hình 3.17. Kết quả fit cho thấy các số liệu thực nghiệm thu được trên các mẫu hình vuông này trùng khít với mode dao động Ψ11. Đây cũng là mode dao động của màng cho biên độ dao động lớn nhất. Điều này phù hợp với quan sát thực nghiệm với hệ số từ-điện lớn nhất khi tần số từ trường xoay chiều kích thích trùng với tần số dao động riêng của mode này. 39
49. Hình 3.16. Các mode dao động của màng mỏng Hình 3.17. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng vào kích thước của các mẫu hình vuông Từ đường cong fit thực nghiệm này, kết quả cho ra vận tốc pha trong vật liệu áp điện PZT v = 2800 m/s. Số liệu này phù hợp với các số liệu đã được công bố liên quan đến vật liệu áp điện (thường từ 2200 đến 3000 m/s). Đây là mô hình lý thuyết đơn giản nhưng lần đầu tiên được áp dụng để giải thích tần số cộng hưởng của vật liệu tổ hợp dạng tấm kiểu này. Các kết quả này rất quan trọng cho các nghiên cứu chủ động lựa chọn tần số làm việc bằng cách lựa chọn và chế tạo vật liệu có kích thước phù hợp sử dụng phương pháp tính toán ở trên. 40
50. 3.3.2. Cấu trúc sandwich thường Trên hình 3.18 là kết quả đo sự phụ thuộc của hệ số từ-điện vào tần số của từ trường xoay chiều kích thích trên mẫu có cấu trúc sandwich thường như được mô tả trên hình vẽ 2.3.a. Kết quả được so sánh đối chiếu với kết quả tương ứng thu được trên mẫu bilayer thường với cùng kích thước 15×15 mm. Nhìn vào đường cong này ta thấy tồn tại một đỉnh có cường độ lớn nhất tại tần số 132 kHz, bên cạnh đó có sự xuất hiện của một số đỉnh có cường độ nhỏ hơn nhiều. So sánh với kết quả thu được trên cấu trúc bilayer thường thì vị trí tần số của đỉnh cực đại này gần như trùng nhau, chỉ sai khác ở vị trí của các đỉnh phục có cường độ nhỏ hơn. Điều này chứng tỏ tần số cộng hưởng của vật liệu tổ hợp chỉ phụ thuộc vào kích thước của tấm áp điện mà không phụ thuộc vào số các tấm băng từ có mặt trong vật liệu. Kết quả này cho ta thấy bài toán dao động của màng hai chiều có thể vận dụng rất tốt cho tất cả các vật liệu tổ hợp dạng tấm, qua đó, tần số cộng hưởng của vật liệu có thể được tính toán khi biết kích thước và các thông số liên quan đến dao động của pha áp điện. 50000 40000 Sandwich Bilayer 30000 (mV/cmOe) E 20000 α 10000 0 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 f (kHz) Hình 3.18. Sự phụ thuộc vào tần số từ trường xoay chiều kích thích của hệ số từ- điện đo trên mẫu 15×15 mm cấu trúc sandwich thường so với mẫu cấu trúc bilayer Đáng quan tâm hơn cả trong kết quả hình 3.18 là hệ số từ-điện của cấu trúc sandwich lớn hơn so với cấu trúc bilayer với cùng từ trường một chiều tác dụng Hdc = 8 Oe. Điều này có thể thấy rõ hơn trên đường cong phụ thuộc vào từ trường một chiều đo tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu sandwich thường so với cấu hình bilayer thường được đưa ra trên hình 3.19. Kết quả cho thấy các mẫu sandwich thường cho hệ số từ điện αE = 68198 lớn hơn gần 2 lần so với αE = 36248 mV/cmOe của hệ bilayer thường. Điều này có thể được hiểu là do sự có mặt thêm của một tấm băng từ trong cấu hình sandwich đã tăng cường ứng suất (gấp đôi) so với trường hợp cấu hình bilayer. Chính nhờ 41
51. vậy hiệu ứng từ điện cũng được tăng cường với tỉ lệ tương ứng. Bên cạnh sự tăng lên của hệ số từ-điện thì ta cũng thấy kéo theo sự tăng của từ trường một chiều tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại lên 1,4 lần so với hệ chỉ có 1 lớp băng từ. Đây là xu hướng không mong đợi của cấu hình này có bản chất là do sự tăng lên của trường khử từ bên trong mỗi lớp băng từ sinh ra do tấm băng từ lân cận. 80000 60000 Sandwich 40000 Bilayer ) 3 20000 0 M(emu/cm -20000 -40000 -60000 -80000 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) Hình 3.19. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu sandwich thường kích thước 15×15 mm so với mẫu bilayer thường. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu. Như vậy, việc tăng cường hiệu ứng từ điện có thể được thực hiện một cách đơn giản nhờ tăng số lượng tấm băng từ để qua đó tăng cường ứng suất tác dụng vào pha áp điện. Tuy nhiên, việc tăng số lượng tấm băng từ cần phải cân nhắc đến kéo theo sự gia tăng của vùng từ trường tác dụng. Do vậy trong trường hợp này tùy theo từng mục đích ứng dụng, vùng từ trường làm việc và độ phân giải mà lựa chọn cấu hình hai lớp, ba lớp hay nhiều lớp phù hợp. 3.3.3. Tăng cường hiệu ứng từ điện nhờ dị hướng hình dạng Như đã trình bày trong phần 3.1.2 tính chất từ và từ giảo mềm của mẫu càng được tăng cường khi tỉ lệ n = L/W càng lớn và điều này được giải thích là do ảnh hưởng của dị hướng hình dạng. Ở đây, chúng tôi trông đợi sự tăng cường này sẽ kéo theo sự tăng cường của hệ số từ-điện trong vùng từ trường thấp. Chúng tôi đã chế tạo cấu hình bilayer thường với chiều dài cố định L = 15 mm và chiều rộng thay đổi từ W = 15 mm đến 1mm tương ứng với tỉ số kích thước n thay đổi từ 1 đến 15. Các kết quả nghiên cứu hiệu ứng từ điện cũng được thực hiện tuần tự giống như phần trình bày ở trên bao gồm khảo sát theo tần số và theo từ trường một chiều. 42
52. 3.3.3.a Hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào tần số Trên hình 3.20 là đường cong hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số của các mẫu hình chữ nhật (L×W) có cùng chiều dài L = 15 mm và chiều rộng thay đổi khác nhau từ 1 đến 15 mm. Nhìn vào đường cong này ta thấy tất cả các mẫu hình chữ nhật đều có cùng tần số cộng hưởng dao động trong khoảng 100 kHz nhỏ hơn nhiều so với mẫu hình vuông có tần số 131.2 kHz (xem bảng 3.4). Kết quả tổng hợp tần số cộng hưởng của các mẫu này đã được vẽ phụ thuộc vào tỉ số n trên hình 3.21. 35000 30000 15x1 15x2 25000 15x3 15x5 20000 15x10 15x15 15000 (mV/cmOe) E α 10000 5000 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 f (kHz) Hình 3.20. Hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số của các mẫu hình chữ nhật (L×W) có cùng chiều dài L = 15 mm và chiều rộng thay đổi khác nhau từ 1 đến 15 mm 800 700 600 Exp. Data Fitted f11 500 Fitted f10 400 (kHz) r f 300 200 f10 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 n = L/W Hình 3.21. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng vào kích thước của các mẫu hình chữ nhật có tỉ số kích thước n = L/W khác nhau. Kết quả thực nghiệm được fit với kết quả lý thuyết tương ứng với các tần số dao động riêng f11 và f10 của các mode dao động tương ứng với bộ số nguyên (m,n) = (1,1) và (1,0) 43
53. Ở đây, các kết quả thực nghiệm được fit với kết quả lý thuyết tương ứng với các tần số dao động riêng f11 và f10 của các mode dao động tương ứng với bộ số nguyên (m,n) = (1,1) và (1,0). Nhìn vào đường cong thực nghiệm đối chiếu với 2 đường cong lý thuyết ta thấy ngoài mẫu hình vuông có tỉ số n = 1 có số liệu phù hợp với tần số dao động f11 còn lại tất cả các mẫu hình chữ nhật còn lại đều trùng với tần số của mode dao động f10. Như vậy, chỉ có mẫu hình vuông với L = W thì được vận dụng tốt với dao động của màng mỏng 2 chiều. Các trường hợp còn lại với L > W thì bài toán lại đúng với trường hợp dao động dạng dây, tức là chỉ phụ thuộc vào kích thước dài của mẫu. 3.3.3.b Hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào tỉ số kích thước n = l/W Trên hình 3.22 là kết quả đo hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên các mẫu có tỉ số kích thước khác nhau. Tất cả các phép đo đều được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của từng mẫu đã thu được trong hình 3.20. Nhìn vào đường cong này ta thấy sự phụ thuộc rất mạnh của hệ số từ-điện vào kích thước khác nhau trong đó các mẫu có tỉ số n càng lớn thì độ dốc của đường cong trong vùng từ trường thấp càng lớn và ngược lại. Thêm vào đó, giá trị từ trường, tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại giảm mạnh với sự tăng của tỉ số kích thước. Nếu với mẫu có tỉ số n = 1 thì giá trị từ trường này cần thiết là 12 Oe trong khi với tỉ số n = 15 thì giá trị này giảm xuống 2,5 lần chỉ còn khoảng 5 Oe. Đây chính là hệ quả của dị hướng hình dạng gây ra do trường khử từ như đã trình bày ở trên. Hình 3.22. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đối với các mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 1 đến 15 mm. Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng 44
54. Với mục tiêu ứng dụng trong từ trường thấp đặc biệt làm việc trong vùng từ trường trái đất thì hiệu ứng từ-điện trong vùng từ trường thấp được quan tâm hơn cả. Trên hình 3.23 là số liệu hệ số từ-điện đo tại từ trường 2.5 Oe đo trên các mẫu có tỉ lệ kích thước khác nhau. Số liệu này cũng được tổng kết trên bảng 3.4. Ta thấy hệ số từ-điện thay đổi này không theo một xu hướng với tỉ số n. Ban đầu là sự tăng lên rất nhanh của αE từ 14040 lên 22830 khi n tăng từ 1 đến 3. Sự tăng lên này phù hợp với qui luật tăng cường tính chất từ mềm và từ giảo mềm do dị hướng hình dạng. Tiếp đến khi n tiếp tục tăng thì hệ số từ-điện giảm dần. Theo xu hướng này có thể được lý giải là do khi n tiếp tục tăng, đồng nghĩa với việc giảm chiều rộng W của mẫu và do đó dẫn đến việc giảm đóng góp ứng suất của phần lõi. Lý giải theo hiệu ứng Shear lag phần 3.3.1.b thì sẽ kéo theo sự suy giảm của hiệu ứng từ-điện. Như vậy, bằng việc khai thác dị hướng hình dạng của băng từ mềm hệ số từ-điện có thể được cải thiện mạnh khi chế tạo các mẫu hình chữ nhật có kích thước L > W. Tuy nhiên bên cạnh đó luôn tồn tại sự cạnh tranh với hiệu ứng Shear lag có xu hướng ngược lại. Rõ ràng hệ số từ điện tăng ở tỉ lệ L/W nhỏ từ 1 đến 3 là do sự giảm của trường khử từ dọc theo băng từ mềm, nhưng ở tỉ lệ L/W lớn (>8) thì hệ số từ điện lại giảm, trong trường hợp này do hiệu ứng “shear lagging” lớn hơn hiệu ứng dị hướng hình dạng. Kích thước tối ưu cho hiệu ứng từ-điện trong các nghiên cứu của chúng tôi cho giá trị cực đại của hệ số từ điện là 38,4 V/cmOe được tìm thấy trên mẫu có kích thước 15x5 mm (n = L/W = 3), giá trị này lớn hơn mẫu vuông kích thước 15x15 mm (= 36,25 V/cmOe). Hình 3.23. Hệ số từ-điện tại từ trường 2.5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích thước khác nhau 45
55. Bảng 3.4. Bảng tổng hợp tần số cộng hưởng và hệ số từ-điện cực đại đo trên các mẫu hình chữ nhật có kích thước khác nhau đối chiếu với các kết quả fit lý thuyết tương ứng với các mode dao động trong lời giải của bài toán dao động màng 2 chiều Kích thước Tỉ số fr f10 f11 αE (mV/cmOe) TT n = L/W L (mm) W (mm) (kHz) (kHz) (kHz) tại Hdc = 2.5 Oe [1]. 15 1 15 100.5 93 1423 17240 [2]. 15 2 7.5 98.8 93 716 22480 [3]. 15 3 5 104.5 93 3 22600 [4]. 15 5 3 100.1 93 299 22830 [5]. 15 7.5 2 102 93 212 19000 [6]. 15 10 1.5 97.5 93 171 16740 [7]. 15 15 1 131.2 93 134 14040 3.3.4. Cấu trúc bilayer và sandwich xen kẽ Để khẳng định ý tưởng tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng, ở đây chúng tôi đã chế tạo các mẫu bilayer và sandwich dạng xen kẽ gồm những tấm băng từ kích thướng 15×1 mm được đặt cách đều nhau 1 mm trải đều che phủ một mặt (bilayer xen kẽ) hoặc cả hai mặt (sandwich xen kẽ). Kết quả được đưa ra trên hình 3.24 và 3.25 tương ứng cho hai hệ bilayer và sandwich. Các kết quả thu được có so sánh đối chiếu với các cấu hình tương đương của hệ thường. Nhìn vào hai đường cong này ta thấy dị hướng hình dạng rất hiệu quả trong việc tăng cường độ dốc và từ trường làm việc, tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại. Sử dụng các tấm băng từ xen kẽ hình chữ nhật giúp cho từ trường giảm xuống được 2.5 lần còn 5 Oe so với 12 Oe của mẫu bilayer thường. Giá trị từ trường của hệ bilayer xen kẽ này cùng giá trị với mẫu bilayer thường kích thước 15×1 mm. Hơn thế nữa hệ bilayer xen kẽ cho hệ số từ-điện đạt giá trị αE = 41318 (mV/cmOe) cao hơn giá trị αE = 36248 (mV/cmOe) của hệ bilayer thường. Cũng với ý tưởng này thì xu hướng giảm từ trường làm việc do giảm trường khử từ nhờ dị hướng hình dạng cũng được quan sát thấy trên mẫu sandwich xen kẽ so với sandwich thường. Từ trường trên hệ sandwich xen kẽ là 6 Oe nhỏ hơn 3 lần so với 18 Oe của hệ sandwich thường. Tuy nhiên, trong trường hợp này hệ số từ-điện cực đại nhỏ hơn. Điều quan trọng hơn cả là độ dốc của hệ sandwich xen kẽ được cải thiện hơn so với hệ sandwich thường. Đây cũng là kết quả mong đợi của luận văn. 46
56. 50000 40000 Bilayer xen kẽ 30000 Bilayer thường 20000 ) 3 10000 0 -10000 M(emu/cm -20000 -30000 -40000 -50000 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) Hình 3.24. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu bilayer xen kẽ so sánh với mẫu bilayer thường kích thước 15×15 mm. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu. 80000 60000 Sandwich thường 40000 Sandwich xen kẽ 20000 0 (mV/cmOe) E -20000 a -40000 -60000 -80000 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) Hình 3.25. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu sandwich xen kẽ so sánh với mẫu sandwich thường kích thước 15×15 mm. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu. Tổng hợp lại thì ý tưởng chế tạo cấu trúc xen kẽ được cải thiện rõ nhất trên hệ bilayer với đồng thời cả sự tăng hệ số từ-điện và giảm vùng từ trường làm việc. Cấu trúc này tối ưu cho các triển khai ứng dụng trong vùng từ trường thấp. Đặc biệt so sánh với nhóm S.X. Dong thì kết quả trên hệ bilayer xen kẽ này có cùng từ trường làm việc nhưng độ lớn hệ số từ-điện lớn hơn gấp gần 2 lần trong khi kích thước mẫu nhỏ hơn 7 lần. Đây là kết quả rất đáng quan tâm cho các hướng nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo của nhóm nghiên cứu. 47
57. KẾT LUẬN Sử dụng phương pháp kết dính đơn giản, dễ chế tạo, luận văn đã chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ siêu mềm Metglas có pha Ni và PZT. Trong luận văn này, thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Ni-based Metglas) với sự có mặt của Ni hàm lượng nhỏ 1,2% đã tăng cường được đồng thời cả tính chất từ và từ giảo và do đó tăng cường đáng kể hiệu ứng từ-điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ này. Các kết quả nghiên cứu đã thu được bao gồm: - Chế tạo được các mẫu vật liệu multiferroics dạng lớp sử dụng băng từ siêu mềm Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 và các tấm áp điện bằng phương pháp kết dính - Nghiên cứu quá trình từ hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích thước băng từ có kích thước khác nhau. Tính toán được hệ số trường khử từ phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng của băng sử dụng cách tính toán xuất phát từ số liệu thực nghiệm. - Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ trường một chiều và xoay chiều của các băng từ Metglas pha Ni với hình dạng và kích thước khác nhau. Kết quả cho thấy đường cong từ giảo động có hình dáng phù hợp rất tốt với đường cong độ cảm từ giảo của đường cong từ giảo tĩnh. - Nghiên cứu hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8/PZT trên các cấu hình và kích thước khác nhau. Tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng của băng từ và từ đó tối ưu cấu hình cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo. Kết quả thu được cho thấy luôn tồn tại sự cạnh tranh của hai hiệu ứng: hiệu ứng Shear Lag (mẫu càng lớn hiệu ứng từ-điện càng cao) và hiệu ứng trường khử từ (mẫu có L >> W thì hệ số từ-điện trong từ trường thấp càng cao). Cấu hình tối ưu hệ quả của hai hiệu ứng này thu được trên mẫu bilayer với hệ số αE = 38,4 V/cmOe tại từ trường 10 Oe. - Chế tạo cấu hình xen kẽ sử dụng các băng từ hình chữ nhật có kích thước 15x1 mm (n = L/W = 15) thậm chí còn cho hiệu ứng từ-điện tốt hơn cả với αE = 41318 (mV/cmOe) tại từ trường 5 Oe. Đặc biệt so sánh với nhóm S.X. Dong thì kết quả trên hệ bilayer xen kẽ này có cùng từ trường làm việc, nhưng độ lớn hệ số từ-điện lớn hơn gấp gần 2 lần, trong khi kích thước mẫu nhỏ hơn 7 lần. Các kết quả thu được trong luận văn này rất khả thi cho các hướng nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo đặc biệt chế tạo sensor đo từ trường trái đất của nhóm nghiên cứu. 48
58. Tài liệu tham khảo Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 252904
    D.T. Huong Giang and N.H. Duc, Sensor and Actuator, A149 (2009) 229. paceinstrumentationresearch/magnetometers/fluxgatemagnetometers FCB Fluxgate magnetic sensors, Tyndall National Instute (www.tyndall.ie) Ripka, Pavel (ed), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London: Artech, 2001. Tamara Bratland, Michael J. Caruso, Carl H. Smith, A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Sensors (1998) Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters (2007)123513 J.P. Joule, Philosophical Magazine, 30 (1847) 76 Hoàng Mạnh Hà. Chế tạo, Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng tấm có cấu trúc nanô, Luận văn thạc sĩ, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN, 2007. D. Landau and E. Lifshitz., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, p.119. G. Srinivasan et al., Phys. Rev B 64 (2001) 21440 N. Nersessian et al, IEEE Trans. Magn. 40 (2004) 2646 Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 252904
    APC International Ltd datasheet: Fred Hochgraf (October 1, 1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol. 10. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ tính cấu trúc nanô và điện tử học spin, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, tr. 20-22. C.-M. Chang and G. P. Carman, Phys. Rev. B 76,134116 (2007).William C. Elmore and Mark A. Heald., Physics of Waves. New York: Dover Publications, 1985 49
59. William C. Elmore and Mark A. Heald., Physics of Waves. New York: Dover Publications, 1985 50