Hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp PZT băng từ mattglas với các cấu trúc khác nhau

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

TRƯỜNG ĐẠI HOC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÍ -

NGUYỄN THỊ HẬU

HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRÊN VẬT LIỆU

TỔ HỢP: PZT/BĂNG TỪ METGLAS VỚI CÁC

CẤU TRÚC KHÁC NHAU

Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học ThS LÊ KHẮC QUYNH

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, người hướng dẫn khoa học ThS Lê Khắc Quynh người đã tạo điều kiện thuận lợi và đưa ra ý kiến đóng góp chỉ đạo quý báu trong suốt quá trình thực hiện

đề tài này

Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo những người

đã tận tình, nhiệt huyết giảng dạy em trong suốt quá trình học tập đại học Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới Bố, Mẹ và những người thân yêu trong gia đình, cùng bạn bè đã luôn cổ vũ động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực tập và thực hiện khóa luận này

Hà nội, ngày 20 tháng 5 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Thị Hậu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong tiểu luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác

Hà nội, ngày 20 tháng 5 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Thị Hậu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về các hiệu ứng từ và điện 4

1.1.1 Hiện tượng từ giảo 4

1.1.2 Hiện tượng áp điện 9

1.1.3 Hiệu ứng từ - điện 15

1.2 Vật liệu tổ hợp multiferoics từ giảo/áp điện 17

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu 17

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu của khóa luận 18

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 20

2.1 Chế tạo mẫu 20

2.1.1 Chế tạo băng từ bằng phương pháp nguội nhanh 20

2.1.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện 21

2.2 Đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM 22

2.3 Đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học 23

2.4 Hệ đo hiệu ứng từ - điện 26

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Tính chất từ của băng Metglas 28

3.1.1 Tính chất từ siêu mềm 28

3.1.2 Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm 29

3.2 Tính chất từ giảo của băng Metglas 3.2.1 Nghiên cứu tính chất từ giảo trên băng dạng vuông 30

3.2.2 Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ giảo 31

3.3 Hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 33

3.3.1 Hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều 33

3.3.2 Hiệu ứng từ-điện phụ thuộc từ trường ngoài HDC trên các mẫu với tỉ số kích thước n = L/W khác nhau 33

KẾT LUẬN 37

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, 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 18 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 [6] 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, một số nhóm nghiên cứu tại Việt Nam 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)0.78Si0.12B-

0.1/PZT bằng phương pháp kết dính [11] Cũng với hướng nghiên cứu này trong đề tài tốt nghiệp đại học của mình dưới sự hướng dẫn của Th.S Lê Khắc Quynh, tôi chọn vật liệu multiferroics dạng tấm sử dụng tấm áp điện PZT và băng từ mềm Metglas có pha Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8(Ni-based Metglas) 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 đề tài này, mục đích nghiên cứu là:

- 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

- Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ trường một chiều

- Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện trên các vật liệu tổ hợp

Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8/PZT với kích thước khác nhau

Nội dung của khóa luận: 3 chương

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Các phương pháp thực nghiệm

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Kết luận

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các hiệu ứng từ và điện

1.1.1 Hiện tượng từ giảo

1.1.1.a Hiện tượng

Từ giảo là hiện tượng hình dạng và kích thước của vật liệu từ thay đổi khi trạng thái từ của vật liệu thay đổi Hiện tượng từ giảo đã được James Prescott Joule (1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [9] Trạng thái từ của vật liệu có thể bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi hoặc dưới tác dụng của từ trường ngoài (hình 1.1) Hiện tượng thể tích của vật liệu từ thay đổi do

sự thay đổi trạng thái từ khi nhiệt độ thay đổi được gọi là hiện tượng từ giảo

tự phát hay từ giảo thể tích (hình 1.1a) Từ giảo xuất hiện khi đặt vật liệu từ trong từ trường ngoài được gọi là từ giảo cưỡng bức hay từ giảo tuyến tính Joule (hình 1.1b)

Hình 1.1 Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu:

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 tuyến tính của các vật liệu từ được giải thích dựa trên mô hình tương tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ và điện tích môi trường xung quanh Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của điện tử (tức là mômen quỹ đạo) sẽ bị biến đổi tuỳ theo mức độ tương tác của chúng với mômen từ (mômen spin) Các vật liệu khác nhau sẽ có từ giảo khác nhau tuỳ thuộc vào hình dạng đám mây điện tử từ của chúng Đối với trường hợp các nguyên tố có đám mây điện tử dạng đối xứng

cầu (L = 0 và hệ số Steven J = 0), tương tác tĩnh điện là đẳng hướng, do đó khoảng cách giữa các nguyên tử vẫn được giữ nguyên khi mômen từ bị đảo dưới tác dụng của từ trường ngoài Trong trường hợp này, hầu như không quan sát thấy có hiện tượng từ giảo (hình 1.2 a)

Đối với các kim loại có đám mây điện tử từ dạng không đối xứng cầu

(L  0 và J  0), tương tác tĩnh điện không còn là đẳng hướng Khi chưa có

từ trường, tương tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ tích điện âm và các ion dương lân cận (nguyên tử) luôn có xu hướng làm ngắn khoảng cách giữa chúng theo hướng trục phân bố tại đó mật độ điện tích của đám mây điện tử

từ lớn nhất Có hai trường hợp xảy ra:

- 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 từ có dạng không đối xứng cầu nhưng năng lượng cần thiết để quay mômen spin theo từ trường ngoài yếu và từ giảo nhỏ (hình 1.3.a) Đó là trường hợp của các kim loại

chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni)

Hình 1.2 Hiện tượng từ giảo ứng với phân bố đám mây điện tử

có dạng đĩa dẹt (J < 0, hình 1.3c)

Từ giảo của các vật liệu được đặc trưng bởi hệ số từ giảo  được xác

định theo công thức sau:

với lo là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài và

l(oH) là chiều dài của mẫu khi có từ trường ngoài oH 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)

phương từ trường ngoài (hình 1.4)

Hình 1.3 Hiện tượng từ giảo tương ứng với các trường hợp:

J >0 (a), J <0 (b), liên kết spin – quỹ đạo yếu (c)

Hình 1.4 Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối

hoặc dạng băng mỏng

1.1.1.b Vật liệu từ giảo, khả năng ứng dụng

Để nâng cao khả năng ứng dụng của các vật liệu từ giảo thì yêu cầu đặt

ra đối với các vật liệu từ giảo là không những phải có từ giảo (S) lớn ở nhiệt

độ phòng (có nhiệt độ Curie TC cao) mà còn có độ cảm từ giảo (// = /H)

mạnh

mạnh

cao Trong các ứng dụng chế tạo các hệ vi điện - cơ, yêu cầu đặt ra cho các vật liệu phải có từ giảo cao trong vùng từ trường thấp Điều này cho phép hệ

vi điện - cơ có thể hoạt động với công suất cao tại từ trường điều khiển thấp

Đối với các nguyên tố là kim loại chuyển tiếp (nhóm 3d), mặc dù có nhiệt độ Curie rất cao ( TC của Fe, Ni và Co tương ứng là 1043 K, 631 K và 1393 K) nhưng dị hướng từ và từ giảo của chúng lại rất nhỏ (S ~ 10-5) Các hợp kim

của nhóm 3d (FeCo, NiCo, ) có từ giảo lớn hơn (S ~ 10-4) [11]

Các nguyên tố kim loại đất hiếm (nhóm 4f) có từ giảo lớn S ~ 10-2

Tuy nhiên, do nhiệt độ Curie thấp hơn nhiệt độ phòng (TC của Tb và Dy tương ứng là 219,5 K và 89 K) nên các vật liệu này chỉ có từ giảo lớn trong vùng nhiệt độ thấp, không khả quan trong việc ứng dụng trong các thiết bị sử dụng

từ giảo trên các vật liệu này cần phải có từ trường rất lớn đặt vào Với ý tưởng thay thế một phần Tb bằng Dy với thành phần tối ưu Tb0.27D0.73Fe2 để bù trừ

dị hướng, vật liệu từ giảo dạng khối Terfenol-D (D là tên viết tắt của Dy) đang được ứng dụng rất rộng rãi hiện nay Vật liệu này có từ giảo bão hòa rất lớn S = 2400x10-6 nhưng độ cảm từ giảo vẫn còn khá nhỏ so với các yêu cầu ứng dụng trong các hệ vi điện - cơ[12]

Để có thể ứng dụng trong các thiết bị kích thước nhỏ micro và nanô và đặc biệt trong việc chế tạo các đầu đo, dò từ trường thì tính chất mềm từ giảo đóng vai trò quan trọng hơn cả Tính chất này được qui định bởi độ cảm từ giảo cao  (= d/dH)  10-2 T-1) hoạt động trong vùng từ trường nhỏ cỡ militesla Do vậy, các vật liệu từ giảo dạng khối đất hiếm - kim loại chuyển tiếp khó có thể đáp ứng được các ứng dụng này Ý tưởng xuất phát từ các nghiên cứu đã được thực hiện trên các băng từ vô định hình có tính chất từ giảo siêu mềm nổi tiếng FeBSiC có tên gọi Metglass 2650SC với độ cảm từ giảo đã được công bố lớn nhất hiện nay  = 7610-2 T-1 Tuy nhiên, vật liệu này có hệ số từ giảo rất thấp  = 3010-6 Sự có mặt của các nguyên tố pha tạp

B, Si, C tuy có làm giảm từ giảo của vật liệu này so với Fe đơn chất (Fe  4010-6) nhưng chúng có tác dụng tạo pha vô định hình của băng và do đó tăng cường đáng kể tính chất mềm của Metglass so với Fe tinh thể

1.1.2 Hiện tượng áp điện

Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie [9] 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 [9] Hình 1.5 mô tả hiệu ứng áp điện dưới tác dụng của ứng suất bên ngoài Nếu vật liệu chịu ứng suất nén (hình 1.5a) hoặc kéo theo hướng phân cực (hình 1.5b) 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 [9]

Hình 1.5 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)

1.1.2.a PZT áp điện

PZT là tên viết tắt của vật liệu áp điện có thành phần hóa học PbZnxTi

1-xO3, được chế tạo bằng phương pháp nung thiêu kết Trong thành phần cấu tạo PZT, tỉ lệ Zn : Ti là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu ứng áp điện Vật liệu PZT ở trạng thái đơn tinh thể có thể tồn tại ở cấu trúc perovskite bốn phương (tetragonal) hoặc thoi (rhombohedral) (hình 1.6) Trong các trạng thái này, ô đơn vị là sắt điện chứa mômen lưỡng cực được tạo

ra do cấu trúc bất đối xứng của các ion O2- và Zn4+/Ti4+ so với trục tinh thể

+ Hiệu ứng áp điện nghịch: Tùy thuộc vào hướng của điện trường ngoài đặt vào, vị trí của các ion này sẽ xác định tính chất áp điện của tinh thể

Hình 1.6 Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite

lập phương (trái) và mặt thoi (phải)

Hiệu ứng áp điện có thể giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trong ô đơn vị được minh họa trên hình Dưới tác dụng của một điện trường ngoài theo phương trục Oz, các ion O2- sẽ bị hút về điện cực dương, các ion

Zn4+/Ti4+ và Pb2+ sẽ bị hút về điện cực còn lại Do có sự dịch chuyển này, liên kết giữa các ion trong tinh thể và do đó khoảng cách giữa các ion này sẽ bị thay đổi Kết quả là tinh thể áp điện sẽ bị biến dạng

+ Hiệu ứng áp điện thuận:

Ngược lại với hiệu ứng áp điện nghịch là hiệu ứng áp điện thuận, nghĩa

là năng lượng cơ biến thành năng lượng điện khi tinh thể bị biến dạng bởi một tác động cơ học bên ngoài:

Khi không có lực tác dụng, ô mạng dạng lập phương, tâm của các ion dương và iôn âm trùng nhau, không bị phân cực điện

Khi có lực tác dụng, ô mạng bị biến dạng, co lại theo chiều này và giãn

ra theo chiều kia Hình lập phương trở thành khối chữ nhật Lúc đó tâm của các iôn dương và iôn âm dịch chuyển đối với nhau Ô mạng từ trung hòa điện trở nên một lưỡng cực điện Người ta đặc trưng tác dụng của một lưỡng cực điện bằng véctơ phân cực điện P, trong đó pq r 

, điện tích q nhân với khoảng cách giữa 2 điện tích, còn chiều của p

là chiều của véctơ nối từ điện tích âm đến điện tích dương Có thể có nhiều lưỡng cực nhỏ như vậy, có p

song song cùng chiều với nhau ứng với một miền gồm nhiều ô mạng người ta gọi miền đó là một miền điện Weiss, có Pp( hình vẽ 1.6)

Nhiều tính chất của vật liệu áp điện được giải thích theo các tính chất của miền điện Weiss tương tự như giải thích tính chất từ của vật liệu từ nhờ miền từ

Từ khi được phát hiện ra cho đến nay, các gốm áp điện PZT 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, làm bộ phận đánh lửa ở bếp ga, bật lửa ga, ứng dụng trong loa - mic áp điện 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 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

Trong những năm gần đây, các perovskite như BaSrO3, PbTiO3, Pb(ZnxTi1-x)O3 (PZT) đặc biệt thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu (do có độ phân cực tự phát và hiệu ứng áp điện lớn) Trên thế giới, đặc biệt là các nước tiên tiến như Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, các nước Châu Âu… vật liệu PZT đã có nhiều ứng dụng triển khai trong thực tế dưới dạng các sản phẩm thương mại Nhờ hiệu ứng áp điện thuận (biến đổi năng lượng

cơ thành năng lượng điện) và nghịch (biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ), các nhà khoa học đã chế tạo thành công nhiều thiết bị cảm biến và tích hợp chúng trên các vi mạch hoặc các mạch số Một trong các ứng dụng

sử dụng vật liệu áp điện phải kể đến cảm biến gia tốc áp điện và cảm biến siêu

âm được minh họa trên hình 1.7 và 1.8 tương ứng mà trong khuôn khổ khóa luận không đi sâu vào nghiên cứu

Pb

O

Ti,Zr

Hình 1.6 Mô hình giải thích hiệu ứng áp điện thuận

Hình 1.7 Cảm biến gia tốc áp điện Hình 1.8 Cảm biến siêu âm 1.1.2.b Polyme áp điện

Các vật liệu áp điện như thạch anh, PZT có nhược điểm là cứng và giòn, khó làm thành tấm to và mỏng, chịu được biến dạng lớn nên người ta tìm cách chế tạo Polyme áp điện trong nhiều trường hợp dễ dùng hơn

Vật liệu Polyme áp điện điển hình ngày nay có tên gọi tắt là PVDF (Polyvinylidene Fluoride) Cấu tạo phân tử của Polyme này có dạng chuỗi dài như hình vẽ Chuỗi phân tử như vậy gồm nhiều lưỡng cực điện, bình thường chúng nằm lộn xộn (hình 1.9a) nhưng khi có điện trường đủ mạnh tác dụng, các lưỡng cực điện định hướng theo điện trường làm cho các mặt bên xuất hiện các điện tích trái dấu tức là có hiệu điện thế Cách sắp xếp có trật tự của các lưỡng cực này cũng làm cho tấm Polyme bị co giãn (hình 1.9b) Ngược lại nếu tác dụng lực làm cho tấm Polyme bị co giãn, xu hướng sắp xếp có trật tự của các lưỡng cực dưới tác dụng của lực cơ cũng làm cho hai bề mặt của Polyme áp điện xuất hiện các điện tích trái dấu, tức là sinh ra hiệu điện thế

Hình 1.9 Cấu tạo nguyên tử Polyme áp điện a) Khi định hướng lộn xộn b) khi định hướng có trật tự

Đây là vật liệu Polyme nên dễ sản xuất ra thành tấm mỏng, to nhỏ dày mỏng tuỳ ý Để tăng hiệu suất người ta lại có thể dán các lá mỏng Polyme lại với nhau và ghép các cực theo kiểu song song hay nối tiếp để có lợi về mặt điện tích hoặc điện thế

Ra đời năm 1969, polyme áp điện đã được sử dụng ở nhiều lĩnh vực như: làm cảm biến, làm micro và loa, đặc biệt làm bộ phận biến cơ năng thành điện năng một cách rất gon nhẹ Người ta lót Polyme áp điện dưới các tám thảm ở vườn trẻ, khi trẻ con chạy chơi trên thảm các tấm áp điện bị lõm xuống, phồng lên sinh ra điện qua chỉnh lưu rồi tích và acquy, thừa công suất

để thắp sáng đèn LED Tương tự như vậy, người ta dán Polyme áp điện vào các cành của một cây, khi gió thổi cành lá rung, đủ sinh ra điện dùng để thắp sang, sạc pin điện thoại Ứng dụng này đặc biệt quan trọng ở những nơi không có điện lưới Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu

(b)

hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, các máy in một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo

1.1.3 Hiệu ứng từ - điện

1.1.3.a Lý thuyết hiệu ứng

Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác

dụng của từ trường ngoài (H) gọi là hiệu ứng từ- điện hay ngược lại, vật liệu

bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường Đây là một hiệu ứng tích của hai hiệu ứng: hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng điện và được đặc trưng bởi hệ số từ - điện

E = dE/dH (hình 1.10)

Hiệu ứng từ điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu Multifrroic tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện Trong số các vật liệu từ - điện đang được nghiên cứu và ứng dụng phải kể đến vật liệu gồm hai pha từ giảo và áp điện Nếu đặt vật liệu trong từ trường, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cưỡng bức, tạo ra một ứng suất cơ học tác động chặt chẽ lên pha áp điện, làm pha áp điện bị phân cực điện cảm ứng nghĩa là tạo ra trên hai bề mặt của pha áp điện những điện tích trái dấu hay trong lòng vật liệu có một điện trường Nếu nối ra mạch ngoài ta sẽ được một thế hiệu một chiều

VME= E.tỨng suất

1.1.3.b Các dạng vật liệu có hiệu ứng từ - điện

Vật liệu có hiệu ứng từ - điện có thể được chia thành hai loại: (i) vật liệu đơn pha và (ii) vật liệu tổ hợp

+ Vật liệu dạng đơn pha bộc lộ nhiều hạn chế như hệ số từ - điện thấp

E  1 ÷ 10 (mV/cmOe) so với các yêu cầu ứng dụng vì hầu hết các vật liệu

đó chỉ làm việc ở nhiệt độ rất thấp do nhiệt độ Néel và nhiệt độ Curie thấp hơn nhiệt độ phòng [12] Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này được chế tạo đều dựa trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn đến sự hình thành một số pha phụ làm giảm tính chất từ - điện của vật liệu (hình 1.11)

+ Vật liệu tổ hợp: Khắc phục những hạn chế của vật liệu đơn pha, người ta đã thay đổi công nghệ chế tạo bằng cách tạo ra vật liệu tổ hợp từ hai pha sắt từ và sắt điện độc lập dưới ba dạng chính sau (hình 1.12):

- Dạng hạt: các hạt sắt từ tồn tại trên pha sát điện (hình a)

- Dạng màng đa lớp: các lớp sắt điện được lắng đọng xen kẽ nhau giữa các lớp sắt từ (hình b)

- Dạng tấm: dán kết dính các tấm sắt điện (PZT) giữa các tấm sắt từ (hình c)