Khóa luận khảo sát hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo áp điện

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu khóa luận Đối tƣợng mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Đóng góp khóa luận Nội dung khóa luận CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tính chất từ vật rắn 1.1.1 Tính thuận từ 1.1.2 Tính nghịch từ 1.1.3 Tính sắt từ 1.1.4 Tính phản sắt từ 10 1.1.5 Tính Feri từ 12 1.2 Tính chất từ băng từ mềm 14 1.3 Hiện tƣợng từ giảo 14 1.4 Hiện tƣợng áp điện 16 1.5 Hiệu ứng từ - điện 19 1.6 Cảm biến dựa hiệu ứng từ - điện 20 1.7 Một số cảm biến từ dựa hiệu ứng vật lí khác 21 1.7.1 Cảm biến từ dựa hiệu ứng Hall 21 1.7.2 Cảm biến từ dựa hiệu ứng từ điện trở 23 1.7.3 Cảm biến từ dựa hiệu ứng AMR 26 1.7.4 Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn 28 1.7.5 Cảm biến từ trường Flux - gate 29 1.7.6 So sánh cảm biến từ hiệu ứng khác 30 1.8 Kết luận chƣơng 31 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 33 2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện 33 2.2 Khảo sát hiệu ứng từ điện 33 2.3 Kết luận chƣơng 35 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Sự phụ thuộc hệ số từ - điện E vào tần số f từ trƣờng xoay chiều 36 3.2 Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trƣờng chiều mẫu có kích thƣớc khác (n =L/W) đo tần số cộng hƣởng mẫu 37 3.3 Kết luận chƣơng 40 KẾT LUẬN CHUNG 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.2 Sự xếp moomen từ nguyên tử: Khi chƣa có từ trƣờng ngồi tác dụng (a); có từ trƣờng tác dụng (b) Hình 1.3 (a) Mơ hình xếp mơmen từ nguyên tử, Hình 1.4 Đƣờng cong từ trễ vật liệu sắt từ Hình 1.5 Biến đổi momen từ nhiệt độ Curie sắt từ 10 Hình 1.6 Cấu trúc từ vật liệu phản sắt từ, gồm phân mạng spin đối song 11 Hình 1.7 Sự phụ thuộc  1 vào nhiệt độ 11 Hình 1.8 (a) Sự xếp mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc  1 vào nhiệt độ 13 Hình 1.9 Sự bù trừ từ tính phân mạng điểm nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ 13 Hình 1.10 Hiệu ứng từ giảo mẫu hình cầu: (a) từ giảo thể tích (b) từ giảo tuyến tính Joule 15 Hình 1.11 Hình minh họa biến dạng tuyến tính vật liệu từ giảo dạng khối dạng băng mỏng 15 Hình 1.12 Hiệu ứng áp điện xảy đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng ứng suất nén (b) giãn học (c) 16 Hình 1.13 Cấu trúc tinh thể vật liệu Perovskite 17 Hình 1.14 Sự dịch chuyển ion tinh thể Perovskite có điện trƣờng 18 Hình 1.15 Mơ tả hiệu ứng từ điện 19 Hình 1.17 Sơ đồ thí nghiệm cảm biến từ trƣờng trái đất dựa hiệu ứng từ giảo-áp điện Zhai đồng nghiệp 20 Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến Hall 22 Hình 1.19 Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng 24 Hình 1.20 Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khơng có từ trƣờng ngồi (a) có từ trƣờng (b) 25 Hình 1.21 Sơ đồ thể nguồn gốc vật lý AMR 26 Hình 1.22 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dịng điện chạy qua hƣớng vectơ từ hoá 27 Hình 1.23 Cảm biến từ giao thao lƣợng tử siêu dẫn (a) 28 Hình 1.24 Sơ đồ cấu tạo cảm biến flux – gate 29 Hình 1.25 Cảm biến từ trƣờng dựa hiệu ứng từ - điện 31 Hình 2.1 Cấu trúc sandwich vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi ảnh chụp sau chế tạo 33 Hình 2.2 Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện 34 Hình 3.1 Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều đo theo phƣơng song song vật liệu băng từ FeNiBSi 36 Hình 3.2 Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trƣờng chiều mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm chiều rộng W thay đổi từ đến 15 mm Từ trƣờng đặt dọc theo chiều dài (L) Phép đo đƣợc thực tần số cộng hƣởng tƣơng ứng 37 Hình 3.3 Hệ số từ - điện từ trƣờng 2.5 Oe đo mẫu có tỉ số kích thƣớc khác 38 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Sự phát hiệu ứng từ - điện số vật liệu với khả ứng dụng rộng rãi hiệu ứng nhiều lĩnh vực bƣớc đánh dấu đặc biệt phát triển khoa hoc công nghệ, mở hƣớng nghiên cứu thu hút nhiều quan tâm nhóm nghiên cứu ngồi nƣớc năm gần Hiệu ứng từ - điện hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dƣới tác dụng từ trƣờng (H) hay ngƣợc lại, vật liệu bị từ hóa dƣới tác dụng điện trƣờng Hiệu ứng từ - điện thƣờng đƣợc quan sát thấy vật liệu đa pha (multiferroic), có tồn đồng thời hai pha sắt từ sắt điện vật liệu Trong số vật liệu từ - điện đƣợc nghiên cứu ứng dụng phải kể đến vật liệu tổ hợp gồm hai pha từ giảo áp điện Nếu đặt vật liệu từ trƣờng, pha từ giảo bị biến dạng cƣỡng bức, sinh ứng suất học tác động lên pha áp điện làm pha áp điện bị phân cực điện cảm ứng làm xuất bề mặt pha áp điện điện tích trái dấu Nếu nối với mạch ngồi, lối ta thu đƣợc hiệu điện VME Sự chuyển hoá qua lại lƣợng từ lƣợng điện hay ngƣợc lại mở nhiều khả ứng dụng lĩnh vực nhƣ chế tạo chuyển đổi lƣợng, truyền chuyển động, máy phát điện, đầu dò, sensơ đo từ trƣờng ứng dụng trong y - sinh học, quân sự,… Tuỳ theo mục đích ứng dụng mà yêu cầu đặt vật liệu tổ hợp từ - điện khác Sự phát triển mạnh mẽ khoa học cơng nghệ địi hỏi thiết bị linh kiện điện tử ngày đƣợc chế tạo thu nhỏ tinh vi Các nghiên cứu năm gần chủ yếu tập trung vào việc tìm vật liệu có hiệu ứng từ - điện lớn, nhạy với thay đổi nhỏ từ trƣờng Phƣơng pháp chế tạo vật liệu tổ hợp chủ yếu phƣơng pháp kết dính, dạng cách kẹp theo kiểu Sandwich áp điện PZT băng mỏng từ giảo Với lý trên, khóa luận lựa chọn vật liệu multiferroic dạng có hiệu ứng từ - điện cho độ nhạy cảm biến cao vùng từ trƣờng yếu Khóa luận có tên là: Khảo sát hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện Mục tiêu khóa luận - Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện Trong vật liệu từ giảo băng từ FeNiBSi Áp điện vật liệu PZT - Đề xuất số ứng dụng Đối tƣợng mục tiêu nghiên cứu - Vật liệu tổ hợp có hiệu ứng từ giảo/áp điện Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện - Khảo sát hiệu ứng từ - điện Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc tài liệu tra cứu - Thực nghiệm Đóng góp khóa luận - Sự phụ thuộc hiệu ứng từ - điện vào từ trƣờng chiều - Tài liệu tham khảo cho sinh viên ngƣời nghiên cứu Nội dung khóa luận: chƣơng Chƣơng Tổng quan Chƣơng Các phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng Kết thảo luận Kết luận CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tính chất từ vật rắn Trong hệ SI véc tơ cảm ứng từ vật liệu ( ) chịu tác dụng từ trƣờng ngồi ( ) đƣợc biểu diễn cơng thức [1]: (1.1) Trong đó: vec tơ cảm ứng từ μ0 độ từ thẩm chân không (= 4π.10-7 H/m) vec tơ cƣờng độ từ trƣờng vec tơ từ độ vật liệu Để đặc trƣng cho mức độ từ hóa vật liệu, ngƣời ta dựa vào dấu độ lớn độ cảm từ (χ) phụ thuộc vào nhiệt độ Đại lƣợng độ cảm từ χ đƣợc định nghĩa [1]: (1.2) Về độ cảm từ phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng nhiệt độ χ = χ(T, H) 1.1.1 Tính thuận từ Là vật từ có   , giá trị nhỏ (cỡ 10-5- 10-3)  phụ thuộc vào nhiệt độ, phụ thuộc tuân theo định luật Curie:   C T , (Trong đó: C số Curie, T nhiệt độ tuyệt đối) Hình 1.1 Sự phụ thuộc χ-1 vào nhiệt độ Thuận từ chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa chất khơng có từ tính) Tính chất thuận từ thể khả hƣởng ứng thuận theo từ trƣờng ngồi, có nghĩa chất có mơmen từ ngun tử (nhƣng giá trị nhỏ), có tác dụng từ trƣờng ngồi, mômen từ bị quay theo từ trƣờng ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng chất tăng lên Khi chƣa có từ trƣờng ngồi, chuyển động nhiệt, mômen nguyên tử xếp hỗn loạn, khơng có phƣơng ƣu tiên (hình 1.2a) Vì vậy, mơmen từ tổng hợp tồn vật thuận từ khơng vật khơng có từ tính Khi có từ trƣờng ngồi, mơmen từ ngun tử có xu hƣớng xếp theo hƣớng từ trƣờng chiều ƣu tiên (hình 1.2b) Do tồn vật thuận từ có mômen từ khác không, mômen từ tổng hợp chiều với từ trƣờng Đây hiệu ứng thuận từ (a) (b) Hình 1.2 Sự xếp moomen từ ngun tử: Khi chưa có từ trường ngồi tác dụng (a); có từ trường ngồi tác dụng (b) Thuận từ đƣợc xếp vào nhóm chất phi từ, nhóm khơng có trật tự từ Độ từ thẩm chất thuận từ lớn nhƣng xấp xỉ (chỉ chênh lệch cỡ 10−6) Từ tính yếu thuận từ hai yếu tố đem lại: - Mômen từ nguyên tử - Các mômen từ ngun tử nhỏ hồn tồn khơng tƣơng tác với Một số chất thuận từ: + Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do, ơxit nitơ dạng khí (NO)… + Các nguyên tử tự với lớp vỏ không đầy: nguyên tố chuyển tiếp, nguyên tố nhóm Uran… + Các kim loại: thuộc nhóm 3d (nhóm sắt): Cr, Mn, Co…; nhóm kim loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Sm, Pm, Pr… Các chất thuận từ điển hình là: ơxi, nhơm 1.1.2 Tính nghịch từ Vật liệu từ trạng thái nghịch từ vật liệu từ có   (χ độ từ cảm), độ lớn nhỏ (cỡ 10-5), phụ thuộc vào nhiệt độ a) b) Hình 1.3 (a) Mơ hình xếp mơmen từ nguyên tử, (b) Sự phụ thuộc  1 vào nhiệt độ Các chất nghịch từ chất khơng có mơmen từ Một cách gần đúng, coi chất nghịch từ có nguyên tử mà mặt phẳng quỹ đạo electron song song với quỹ đạo chúng giống Trên quỹ đạo ấy, electron chuyển động vận tốc nhƣng ngƣợc chiều làm mômen từ quỹ đạo chúng trực đối Do tổng mơmen từ quỹ đạo ln khơng Tính chất nghịch từ thể rõ chủ yếu chất mà chƣa đặt từ trƣờng ngồi mơmen từ ngun tử phân tử không nghĩa tổng vectơ mômen từ tất nguyên tử hay phân tử không Dựa sở lý thuyết chứng minh mômen từ riêng (mômen spin) electron ngƣợc chiều nhau, nên tổng mômen từ riêng không Do mômen từ nguyên tử electron (gồm mômen từ quỹ đạo mômen từ spin) không Khi đặt vào từ trƣờng ngồi, electron có mômen từ cảm ứng chiều ngƣợc chiều với từ trƣờng ngồi Kết mơmen từ ngun tử khác khơng làm tồn chất nghịch từ có mơmen từ khác khơng ngƣợc chiều từ trƣờng Hiện tƣợng nghịch từ xuất tất vật nhƣng thƣờng bị che lấp hiệu ứng khác chiếm ƣu (nhƣ tƣợng thuận từ, sắt từ…) Hiện tƣợng nghịch từ thể rõ chất mà mômen từ tổng cộng chúng khơng Ví dụ: khí trơ, hợp chất hữu cơ, số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag… Vật liệu nghịch từ lý tƣởng vật liệu siêu dẫn (là vật mà dƣới nhiệt độ, điện trở vật khơng) có      , lớn gấp nhiều lần 4 so với chất nghịch từ khác Do độ thẩm điện môi môi trƣờng μ < 1, độ từ cảm χ < Cảm biến từ trƣờng flux – gate hoạt động dựa tƣợng xuất suất điện động cảm ứng cuộn dây tín hiệu có từ trƣờng ngồi xuất Do lõi sắt từ hình xuyến có dạng đối xứng nên khơng có từ trƣờng ngồi từ thơng lịng cuộn dây tín hiệu bị triệt tiêu hồn tồn Khi có từ trƣờng ngồi, nửa cuộn solenoid sinh từ trƣờng cảm ứng ngƣợc chiều (cùng chiều ngƣợc chiều với từ trƣờng ngồi) Do từ thơng tổng cộng lịng cuộn dây tín hiệu khác khơng sinh tín hiệu lối tƣơng ứng Tín hiệu có độ lớn t lệ với độ lớn cƣờng độ từ trƣờng Thơng qua độ lớn tín hiệu lối với hệ số chuyển đổi thiết bị xác định cƣờng độ từ trƣờng Cảm biến từ trƣờng flux – gate có ƣu điểm cơng nghệ chế tạo đơn giản dẫn đến giá thành rẻ Tuy nhiên, cảm biến có nhiều nhƣợc điểm nhƣ: kích thƣớc lớn, độ bền có thời gian đáp ứng chậm (khoảng 2-3 giây) 1.7.6 So sánh cảm biến từ hiệu ứng khác Các loại cảm biến từ trƣờng đƣợc trình bày cho thấy điểm chung tồn vài nhƣợc điểm làm hạn chế khả ứng dụng rộng rãi đời sống khoa học công nghệ Chẳng hạn với cảm biến Hall độ phân giải từ trƣờng thấp (mT), cảm biến từ trƣờng giao thoa siêu dẫn cơng nghệ chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao khơng làm việc điều kiện nhiệt độ phịng, cảm biến Flux – gate thời gian đáp ứng chậm kích thƣớc lớn, cảm biến từ điện trở cơng nghệ chế tạo phức tạp cần có từ trƣờng nhiệt độ làm việc thấp Vật liệu tổ hợp từ - điện với hiệu ứng từ - điện thuận cho thấy khả ứng dụng để chế tạo cảm biến từ trƣờng với nhiều ƣu điểm Mặc dù nghiên cứu ứng dụng cảm biến từ trƣờng dựa hiệu ứng từ điện cho thấy chúng khơng có đƣợc độ nhạy độ phân giải cao nhƣ cảm biến từ trƣờng giao thoa siêu dẫn nhiên công nghệ chế tạo lại đơn giản 30 (triển vọng phát triển thiết bị giá thành thấp) hoạt động tốt điều kiện nhiệt độ phòng Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến từ trƣờng dựa hiệu ứng từ-điện với sở vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT cho thấy cảm biến từ trƣờng đạt đƣợc độ nhạy 130 mV/mT độ phân giải 10-3 mT (hình 1.25) Hình 1.25 Cảm biến từ trường dựa hiệu ứng từ - điện Tuy nhiên nghiên cứu vật liệu từ - điện cịn khả tối ƣu hóa mặt vật liệu, cấu hình để nâng cao khả ứng dụng cảm biến từ trƣờng loại Bên cạnh đó, nguyên tắc hoạt động thiết bị chƣa đề cập đến hiệu ứng cộng hƣởng dao động vật liệu Nếu tận dụng tốt hiệu ứng cộng hƣởng dao động vật liệu hiệu ứng từ - điện vật liệu tổ hợp từ - điện cịn tăng cƣờng lên nhiều để ứng dụng cho từ trƣờng nhỏ (từ trƣờng trái đất) 1.8 Kết luận chƣơng Các nghiên cứu thực chƣơng 1: - Tổng quan số tính chất từ vật liệu: ngƣời ta dựa vào dấu độ lớn độ cảm từ (χ) phụ thuộc vào nhiệt độ để đặc trƣng cho mức độ từ hóa vật liệu 31 - Nghiên cứu tính chất từ băng mềm - Nghiên cứu tƣợng tƣợng từ giảo, tƣợng áp điện - Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện ứng dụng Vật liệu tổ hợp từ - điện đƣợc tối ƣu hóa đƣợc nghiên cứu ứng dụng để chế tạo cảm biến từ đo từ trƣờng nhỏ có độ nhạy độ phân giải cao 32 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện Vật liệu tổ hợp từ - điện dạng đƣợc chế tạo phƣơng pháp kết dính sử dụng keo chuyên dụng để gắn kết áp điện hai lớp băng từ FeNiBSi thƣơng mại Sơ đồ minh họa cấu trúc mẫu vật liệu tổ hợp đƣợc minh họa hình 2.1 Trong nghiên cứu mình, chúng tơi sử dụng vật liệu áp điện PZT (Pb, Zr, Ti) dạng chiều dày tPZT = 250m mang số hiệu APCC-855 đƣợc cung cấp công ty Mỹ (American Piezoceramics Inc., PA, USA) [5] Tấm áp điện sau tạo kích thƣớc phù hợp đƣợc phủ lớp điện cực mỏng Ag vào hai mặt trên, dƣới đƣợc phân cực với véc tơ phân cực PE hƣớng vng góc với mặt phẳng mẫu Thế hiệu lối từ vật liệu tổ hợp đƣợc đo qua hai dây điện cực đồng nhỏ gắn mặt áp điện nhờ keo dẫn Ag (Silve paint) Hình 2.1 Cấu trúc sandwich vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi ảnh chụp sau chế tạo 2.2 Khảo sát hiệu ứng từ điện Hiệu ứng từ - điện đƣợc đặc trƣng hệ số từ - điện E đƣợc xác định thông qua áp điện VME đƣợc sinh hai mặt áp điện dƣới tác dụng từ trƣờng 33 Thế áp điện VME hiệu xoay chiều sinh cảm ứng từ trƣờng xoay chiều hac = h sin(2 f t) đƣợc đặt từ trƣờng chiều HDC Từ trƣờng chiều DC đƣợc tạo nhờ nam châm điện với cƣờng độ cực đại lên tới T (10 kOe) Để tạo từ trƣờng xoay chiều hac, sử dụng cuộn Helmholtz đặt vào bên vùng không gian từ trƣờng DC đƣợc điều khiển máy phát chức (FG-202C Function Generator) Hình 2.2 Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện Biên độ hac thay đổi từ h = đến 12 Oe với dải tần số từ f = Hz đến 2.5 MHz Góc tạo véc tơ phân cực điện phƣơng từ trƣờng tác dụng đƣợc thay đổi nhờ hệ thống mâm quay Thế hiệu lối từ áp điện đƣợc đƣa vào khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier) Độ lớn pha tín hiệu VME đƣợc hiển thị hình tinh thể lỏng Hệ số từ - điện E = dE/dH đƣợc xác định qua hiệu từ - điện lối VME Thông thƣờng VME hàm phụ thuộc vào từ trƣờng: VME  f ( H ) 34 (2.1) Khi đó, biểu thức mối liên hệ hệ số từ - điện với từ trƣờng độ dày áp điện đƣợc viết tổng quát dƣới dạng: E  dE dVME VME   dH t dH t hο (2.2) Nhƣ hệ số từ - điện E đƣợc xác định thơng qua biểu thức mối liên hệ hiệu điện VME chia cho độ dày mẫu áp điện (tPZT) biên độ từ trƣờng xoay chiều ho theo biểu thức (2.2) 2.3 Kết luận chƣơng Các nghiên cứu thực nghiệm chƣơng 2: - Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện có kích thƣớc 1x15mm phƣơng pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết áp điện hai lớp băng từ FeNiBSi vật liệu áp điện - Khảo sát hiệu ứng từ - điện hệ đo hiệu ứng từ - điện sử dụng từ trƣờng xoay chiều chiều 35 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sự phụ thuộc hệ số từ - điện E vào tần số f từ trƣờng xoay chiều Để khảo sát hiệu ứng từ điện vào từ trƣờng xoay chiều Ta khảo sát ảnh hƣởng tần số từ trƣờng xoay chiều kích thích đến hiệu ứng từ - điện mẫu có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc khác Đƣờng cong phụ thuộc hệ số từ - điện αE vào tần số từ trƣờng xoay chiều hac số mẫu điển hình đƣợc thực Hình 3.1 mơ tả phụ thuộc αE vào tần số từ trƣờng xoay chiều đo mẫu hình vng kích thƣớc 15 × 15 mm Hình 3.1 Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều đo theo phương song song vật liệu băng từ FeNiBSi Phép đo đƣợc thực theo phƣơng song song với mặt phẳng băng với biên độ đƣợc lựa chọn hac = Oe giá trị từ trƣờng chiều H = 10 Oe tƣơng ứng Nhìn vào đƣờng cong ta thấy hệ số từ điện phụ thuộc mạnh vào tần số từ trƣờng xoay chiều Ở vùng khảo sát tần số thấp, hệ số αE xuất đỉnh cộng hƣởng mà αE đạt giá trị cực đại sau lại giảm từ từ 36 tần số tiếp tục tăng Nhƣ kết luận tần số cộng hƣởng cho vật liệu FeNiBSi f1 = fr1 ~ 90 kHz f1 = fr2 ~ 136,4 kHz hiệu ứng từ điện lớn Vậy ta chọn tần số cộng hƣởng làm việc cho mẫu f1 = fr2 ~ 136,4 kHz, tín hiệu từ điện lớn Sự phụ thuộc hệ số từ - điện E vào tần số f từ trƣờng xoay chiều mẫu khác có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc chiều dài khơng đổi (L = 15 mm) chiều rộng thay đổi (W = 1-15 mm) đƣợc khảo sát tƣơng tự nhƣ mẫu Thực nghiệm cho thấy tần số cộng hƣởng mẫu hình chữ nhật tƣơng đối cỡ 100 kHz 3.2 Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trƣờng chiều mẫu có kích thƣớc khác (n =L/W) đo tần số cộng hƣởng mẫu Trên hình 3.2 kết đo hệ số từ - điện phụ thuộc vào từ trƣờng chiều đo mẫu có tỉ số kích thƣớc khác Tất phép đo đƣợc thực tần số cộng hƣởng tƣơng ứng mẫu đƣợc nghiên cứu Hình 3.2 Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường chiều mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm chiều rộng W thay đổi từ đến 15 mm Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L) Phép đo thực tần số cộng hưởng tương ứng 37 Nhìn vào đƣờng cong ta thấy phụ thuộc mạnh hệ số từ điện vào kích thƣớc khác mẫu có tỉ số n lớn độ dốc đƣờng cong vùng từ trƣờng thấp lớn ngƣợc lại Thêm vào đó, giá trị từ trƣờng, hệ số từ-điện đạt cực đại giảm mạnh với tăng tỉ số kích thƣớc Nếu với mẫu có tỉ số n = giá trị từ trƣờng cần thiết 12 Oe với tỉ số n = 15 giá trị giảm xuống 2,5 lần khoảng Oe Kết đƣợc giải thích hệ trƣờng khử từ hay tính dị hƣớng hình dạng Hình 3.3 Hệ số từ - điện từ trường 2,5 Oe đo mẫu có tỉ số kích thước khác Với mục tiêu ứng dụng từ trƣờng thấp đặc biệt làm việc vùng từ trƣờng trái đất hiệu ứng từ - điện vùng từ trƣờng thấp đƣợc quan tâm Trên hình 3.3 số liệu hệ số từ - điện đo từ trƣờng 2,5 Oe đo mẫu có tỉ lệ kích thƣớc khác Số liệu đƣợc tổng kết bảng 3.1 Ta thấy hệ số từ - điện thay đổi không theo xu hƣớng với tỉ số n Ban đầu tăng lên nhanh αE từ 14,04 lên 22,83 n tăng từ đến Sự tăng lên phù hợp với qui luật tăng cƣờng tính chất từ mềm từ giảo mềm dị hƣớng hình dạng Tiếp đến n tiếp tục tăng 38 hệ số từ - điện giảm dần Sự suy giảm mạnh hệ số từ điện kích thƣớc mẫu giảm giải thích dựa vào hiệu ứng “shear lagging” phân bố ứng suất không đồng bề mặt mẫu phụ thuộc vào kích thƣớc mẫu Theo hiệu ứng Shear lag: ứng suất tác dụng lên bề mặt áp điện đƣợc phân thành hai phần đóng góp, phần biên phần lõi Trong đó, vào sâu tâm mẫu, ứng suất mạnh ứng suất lớn nằm tâm mẫu Ngƣợc lại, xa tâm lại gần biên mẫu, ứng suất giảm tiến đến biên mẫu [6] Bảng 3.1 Bảng tổng hợp hệ số từ - điện đo mẫu hình chữ nhật có kích thƣớc khác (L = 15mm, W thay đổi) đo tần số cộng hƣởng mẫu TT Tỉ số αE (V/cmOe) αE (max) (V/cmOe) n = L/W Hdc = 2.5 Oe 15 17,24 22,01 7,5 22,48 28,04 3 22,83 38,40 19,00 31,80 1,5 16,74 35,00 14,04 36,25 Nhƣ vậy, việc khai thác dị hƣớng hình dạng băng từ mềm hệ số từ - điện đƣợc cải thiện mạnh chế tạo mẫu hình chữ nhật có kích thƣớc L > W Tuy nhiên bên cạnh ln tồn cạnh tranh với hiệu ứng Shear lag có xu hƣớng ngƣợc lại Hệ số từ - điện tăng tỉ lệ L/W nhỏ từ 39 đến giảm trƣờng khử từ dọc theo băng từ mềm, nhƣng tỉ lệ L/W lớn (>8) hệ số từ điện lại giảm, trƣờng hợp hiệu ứng “shear lagging” lớn hiệu ứng dị hƣớng hình dạng Kích thƣớc tối ƣu cho hiệu ứng từ - điện nghiên cứu cho giá trị cực đại hệ số từ điện 38,4 V/cmOe đƣợc tìm thấy mẫu có kích thƣớc 15x5 mm (n = L/W = 3), giá trị lớn mẫu vng kích thƣớc 15x15 mm (= 36,25 V/cmOe) 3.3 Kết luận chƣơng Các nghiên cứu thảo luận chƣơng 3: - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ - điện αE vào tần số từ trƣờng xoay chiều mẫu vật liệu có kích thƣớc khác Ta thu đƣợc hệ số từ điện lớn tần số cộng hƣởng f ~ 136,4 kHz (đối với mẫu hình vng kích thƣớc 15x15 mm) - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ điện vào từ trƣờng chiều mẫu có kích thƣớc khác đo tần số cộng hƣởng mẫu Ta thu đƣợc hệ số từ - điện lớn 38,4V/ cmOe đƣợc tìm mẫu có kích thƣớc 15x5 mm ( n = L/W = 3) 40 KẾT LUẬN CHUNG Đề tài “Khảo sát hiệu ứng từ - điện vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện” đƣợc triển khai nghiên cứu hoàn thành Các kết thu đƣợc: - Đã chế tạo vật liệu tổ hợp từ giảo áp điện có chiều dài không đổi chiều rộng thay đổi phƣơng pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết áp điện hai lớp băng từ FeNiBSi vật liệu áp điện - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ- điện αE vào tần số từ trƣờng xoay chiều mẫu vật liệu có kích thƣớc khác Ta thu đƣợc hệ số từ điện lớn tần số cộng hƣởng f ~ 136,4 kHz ( mẫu hình vng kích thƣớc 15x15 mm) - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ điện vào từ trƣờng chiều mẫu có kích thƣớc khác đo tần số cộng hƣởng mẫu Ta thu đƣợc hệ số từ- điện lớn 38,4V/ cmOe đƣợc tìm mẫu có kích thƣớc 15x5 mm ( n = L/W = 3) 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ tính cấu trúc nanơ điện tử học spin, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, tr 20-22 [2] Phạm Anh Đức, Đỗ Thị Hƣơng Giang, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức (2013), Nghiên cứu, tối ưu cấu hình mơ lý thuyết hiệu ứng từđiện vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, Hội nghị SPMS Thái Nguyên [3] Đỗ Thị Hƣơng Giang, Phạm Văn Thạch, Nguyễn Hữu Đức "Hiệu ứng từ -điện khổng lồ vật liệu multiferroics PZT/FeCoBSi dạng ứng dụng chế tạo sensơ đo từ trường độ nhạy cao”, Báo cáo hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5, Vũng tàu [4] Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, Nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng có cấu trúc nanơ, Luận văn thạc sĩ, Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN [5] Nguyễn Hữu Mình, Nguyễn Thị Thanh Hƣơng, Lý thuyết lƣợng tử chất rắn, NXB ĐHSP (2008) [6] Nguyễn Thị Bảo Ngọc, Nguyễn Văn Nhó, Vật lý chất rắn, NXB ĐHQG HN (1998) [7] Lê Khắc Quynh, Đỗ Thị Hƣơng Giang (2014), Tăng cường hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp băng từ Metglas/PZT, Tạp chí Khoa học số 30, ĐHSP HN 42 Tiếng anh [8] D Landau and E Lifshitz (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, p.119 [9] Do Thi Huong Giang (2005), “Fabrication and study of giant magnetostrictive single layer and multilayer fimls based on TbFeCo alloy”, Physics – Materials Science [10] D.T Huong Giang and N.H Duc (2009), Sensor and Actuator, A149, 229 [11] D Drung, C Assmann, J Beyer, A Kirste, M Peters, F Ruede, and Th Schurig (2007), “Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol 17, Iss 2, pp 699 – 704 [12] G Song, P Z Qiao, W K Binienda, and G P Zou (2002), “Active vibration damping of composite beam using smart sensors and actuators” Journal of aerospace enginerring, 15(3), pp 97–103 [13] G Srinivasan et al., Phys Rev B 64 (2001) 21440 [14] N Nersessian et al, IEEE Trans Magn 40 (2004) 2646 [15] Ran, Shannon K’doah (2004), “Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes”, Gravity Probe B NASA pp 26 [16] Joule, J.P (1847) "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars", Philosophical Magazine Series 3, Vol 30, Iss 199, pp 76-87 [17] Nicola A Spaldin and Manfred Fiebig (2005), “Materials science: The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics”, Science, 15, pp 391-392 [18] Tamara Bratland, Michael J Caruso, Carl H Smith, A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Sensors (1998) 43 [19] Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D Viehland (2007) , Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters, 123513 [20] J.P Joule (1847), Philosophical Magazine, 30, 76 [21] Joule, J.P (1847) "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars", Philosophical Magazine Series 3, Vol 30, Iss 199, pp 76-87 [22] Ran, Shannon K’doah (2004), “Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes”, Gravity Probe B NASA pp 26 44 ... liệu tổ hợp từ giảo/ áp điện Mục tiêu khóa luận - Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện vật liệu tổ hợp từ giảo/ áp điện Trong vật liệu từ giảo băng từ FeNiBSi Áp điện vật liệu PZT - Đề xuất số ứng dụng Đối... tiêu nghiên cứu - Vật liệu tổ hợp có hiệu ứng từ giảo/ áp điện Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện - Khảo sát hiệu ứng từ - điện Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc tài liệu tra cứu -... từ giảo Với lý trên, khóa luận lựa chọn vật liệu multiferroic dạng có hiệu ứng từ - điện cho độ nhạy cảm biến cao vùng từ trƣờng yếu Khóa luận có tên là: Khảo sát hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp