Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị từ kế vector độ nhạy nanotesla dựa trên vật liệu sắt từ sắt điện dạng dãy cấu trúc micro nano phục vụ đo vẽ bản đồ từ trường trái đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI – 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano Mã số: 8440126.01QTD LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Thị Hương Giang HÀ NỘI – 2020 LỜI CẢM ƠN Những nội dung nghiên cứu luận văn tơi hồn thiện hướng dẫn đến từ cán hướng dẫn giúp đỡ từ anh chị công tác nhóm nghiên cứu Đầu tiên, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Đỗ Thị Hương Giang, trực tiếp hướng dẫn tơi tồn luận văn Bên cạnh kiến thức chuyên mơn kỹ nghiên cứu cịn người truyền cho nhiều động lực lịng nhiệt huyết nghiêm túc cơng việc Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn tới anh chị nhóm nghiên cứu Phịng thí nghiệm Trọng điểm Cơng nghệ Micro – Nano thầy cô Khoa Vật lý kỹ thuật giảng dạy giúp đỡ cho thời gian học tập làm việc Cuối tơi xin cảm ơn Phịng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano trường Đại học Cơng Nghệ tạo điều kiện cho tơi hồn thiện tốt luận văn Luận văn hoàn thành với hỗ trợ phần Đề tài “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm ứng dụng hệ thống đo định vị từ trường Trái đất dựa hiệu ứng từ giảo – áp điện kỹ thuật GPS” Mã số ĐTĐL.CN-02/17 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu tơi hồn tồn khơng có chép tài liệu hay cơng trình nghiên cứu người khác mà khơng thích rõ ràng mục tài liệu tham khảo Những kết số liệu luận văn chưa công bố hình thức Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm, trước nhà trường điều cam đoan Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2020 Tác giả Nguyễn Việt Hùng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH ẢNH vii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan từ trường Trái đất 1.1.1 Nguồn gốc từ trường Trái đất 1.1.2 Cường độ từ trường Trái đất .5 1.1.3 Thành phần từ trường Trái đất .6 1.2 Ứng dụng từ trường Trái đất .7 1.3 Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất .10 1.4 Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa hiệu ứng từ-điện 12 1.4.1 Tổng quan cảm biến từ-điện 12 1.4.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến từ-điện 13 1.4.3 Đặc điểm cảm biến từ-điện 14 1.5 Vật liệu từ-điện hiệu ứng từ-điện 16 1.5.1 Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) 16 1.5.2 Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) 17 1.5.3 Vật liệu sắt từ, vật liệu sắt điện 17 1.6 Từ kế vector 20 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 2.1 Mơ tính chất từ FeSiC .21 2.2 Khảo sát tính chất vật liệu FeSiC 22 2.2.1 Khảo sát tính chất từ 22 2.2.2 Khảo sát bề mặt độ dày 23 iii 2.2.3 Khảo sát thành phần vật liệu .23 2.3 Chế tạo cảm biến từ-điện FeSiC/PZT .23 2.4 Khảo sát tín hiệu thông số cảm biến 25 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .27 3.1 Kết mô 27 3.2 Kết khảo sát tính chất vật liệu FeSiC 31 3.2.1 Khảo sát tính chất từ 31 3.2.2 Khảo sát thành phần vật liệu .33 3.2.3 Khảo sát cấu trúc bề mặt độ dày 33 3.3 Kết khảo sát cấu hình cảm biến 35 3.3.1 Khảo sát cảm biến với cấu hình nối liền 35 3.3.2 Khảo sát cảm biến với cấu hình nhiều 37 3.4 Kết khảo sát tín hiệu cảm biến dạng dãy 41 3.5 Kết khảo sát độ nhạy và độ phân giải cảm biến 42 3.6 Tới đa hóa tín hiệu cảm biến 44 KẾT LUẬN 47 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AC Xoay chiều Beff Cảm ứng từ hiệu dụng c Chiều dài phần nối liền vật liệu D Độ từ thiên DC Một chiều djk Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực ĐTNL Cấu hình đa nối liền ĐTTR Cấu hình đa tách rời e Phần kéo dài vật liệu EDX Phổ tán xạ lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) F Cường độ từ trường điểm đo fch Tần số cộng hưởng cảm biến FeSiC Vật liệu băng từ Fe96Si2C2 g Khoảng cách hai vật liệu cấu hình đa H Cường độ từ trường h0 Biên độ từ trường xoay chiều hac Cường từ trường xoay chiều Hc Lực kháng từ Hd Từ trường khử từ Hdc Từ trường chiều Heff Từ trường hiệu dụng Hs Từ trường bão hòa Hx, Hy, Hz Các vector thành phần hệ tọa độ I Góc nghiêng từ kH Hệ số chuyển đổi cuộn Helmholtz Kp Hệ số máy đo từ trường proton L Chiều dài mẫu vật liệu chế tạo L_tg Chiều dài mẫu vật liệu mô v Ls Vùng khả dụng vật liệu (vùng cảm nhận) m Số cảm biến đơn vị cảm biến dãy M Từ độ vật liệu ME Từ-điện (Magnetoelectric) Mr Độ từ dư Ms Từ độ bão hòa n Số vật liệu từ giảo cấu hình Pj Độ lớn vector phân cực điện PZT Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 qac Điện lượng biến thiên Qdc Điện tích cảm ứng vật liệu áp điện r Độ đồng mật độ từ thơng SEM Kính hiển vi điện tử qt (scanning electron microscope) t Độ dày vật liệu Vac Điện áp xoay chiều kích thích VME Thế từ điện VSM Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer) W Chiều rộng mẫu vật liệu chế tạo W_tg Chiều rộng mẫu vật liệu mơ Wm Kích thước vật liệu từ giảo αE Hệ số từ-điện δ-, δ+ Điện tích hai mặt vật liệu áp điện λ(µ0.H) Từ giảo có tác dụng từ trường H σ Độ lệch chuẩn σac Ứng suất dao động σk Ứng suất tác dụng τ Thời gian trì điện tích áp điện χM Độ cảm từ χλ Độ cảm từ giảo vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Số lượng cơng bố đưa có từ khóa magnetoelectric multiferroic [33] Hình 1.1 Từ trường Trái đất tác động Mặt trời (nguồn: NASA) Hình 1.2 Mơ hoạt động vật chất bên Trái đất (XSHELLS) .5 Hình 1.3 Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng tâm Trái đất (North-East-Center) Hình 1.4 Từ trường gây mỏ quặng sắt từ đồ từ vùng khảo sát Hình 1.5 Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng có mỏ dầu Hình 1.6 Hình minh họa đường sức từ trường khơng gian vùng có tầu ngầm Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate 10 Hình 1.8 Ảnh thiết bị, sơ đồ khối phổ tín hiệu đo máy đo từ trường proton 11 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy đo từ lượng tử 12 Hình 1.10 Biểu đồ giao động vật liệu cảm biến từ-điện [3] 14 Hình 1.11: Liên kết từ-điện vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện từ trường (a); thay đổi độ từ hóa điện trường ngồi (b) 15 Hình 1.12 Sơ đồ phân loại loại vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) [32] 17 Hình 1.13 Đường cong từ hóa vật liệu sắt từ 18 Hình 1.14 Ảnh chụp ba cảm biến từ trường đơn trục mơ hình từ kế vector với ba cảm biến đơn trục 20 Hình 2.1 Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 22 Hình 2.2 Vật liệu PZT dạng (a); vật liệu FeSiC dạng màng mỏng (b) .24 Hình 2.3 Hệ máy cắt phiến Sherline 5410 máy tính điều khiển 24 Hình 2.4 Sơ đồ lắp đặt hệ đo khảo sát tín hiệu cảm biến 26 Hình 3.1 Kết mô phân bố từ thông (a); Cảm ứng từ hiệu dụng Beff toàn thể tích vật liệu (b) 28 vi Hình 3.2 Phân bố từ thông bề mặt vật liệu từ giảo với cấu hình (a); Độ đồng phân bố từ thông vùng khả dụng cấu hình (b) 30 Hình 3.3 Đường cong từ hóa vật liệu FeSiC 0.8x50 mm 32 Hình 3.4 Kết đo phân tích thành phần vật liệu FeSiC 33 Hình 3.5 Ảnh chụp SEM độ dày vật liệu FeSiC 34 Hình 3.6 Ảnh chụp SEM bề mặt vật liệu FeSiC 34 Hình 3.7 Mơ tả cấu hình cảm biến chế tạo 35 Hình 3.8 Tín hiệu cảm biến theo tần số (a); Tín hiệu cảm biến theo từ trường (b) 36 Hình 3.9 Kích thước khoảng rỗng hai vật liệu 38 Hình 3.10 Tỷ số hiệu ứng “shear lag” theo số (màu đỏ); Tỷ số tỷ phần thể tính hai pha vật liệu (màu đen) 38 Hình 3.11 Cảm biến với cấu hình đa nối liền chế tạo .39 Hình 3.12 Kết tín hiệu cảm biến (a) Hệ số từ-điện độ nhạy với số khác (b) .39 Hình 3.13 Cấu hình tối ưu vật liệu từ giảo cảm biến từ-điện (a); Cấu tạo cảm biến từ-điện với cấu hình tối ưu (b) .41 Hình 3.14 Kết tín hiệu cảm biến cảm biến dãy có số đơn vị cảm biến khác (a); Hệ số từ-điện với cảm biến dãy có số đơn vị khác (b) 42 Hình 3.15 Tín hiệu cảm biến dãy dải từ trường thấp (a); Tín hiệu cảm biến theo bước nhảy cố định (b) 43 Hình 3.16 Tín hiệu thả trơi cảm biến từ trường (a); Đồ thị phân bố kết thả trôi hai cảm biến dãy với m = m=4 (b),(c) 43 Hình 3.17 Tín hiệu cực đại cảm biến tăng từ trường kích thích 45 Hình 3.18 Độ nhạy tín hiệu cảm biến khảo sát vùng từ trường nhỏ .45 vi .. .Đ? ??I HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG Đ? ??I HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR Đ? ?? NHẠY NANOTESLA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO- NANO. .. Đ? ?? từ dư Ms Từ đ? ?? bão hòa n Số vật liệu từ giảo cấu hình Pj Đ? ?? lớn vector phân cực điện PZT Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 qac Điện lượng biến thiên Qdc Điện tích cảm ứng vật liệu áp điện r Đ? ?? đ? ??ng... Hình 1.10 Biểu đ? ?? giao đ? ??ng vật liệu cảm biến từ- điện [3] 14 Hình 1.11: Liên kết từ- điện vật liệu từ- điện thay đ? ??i phân cực điện từ trường ngồi (a); thay đ? ??i đ? ?? từ hóa điện trường ngồi (b)