Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim fe73,5cu1nb3 xzrxb9si13,5

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HÀ NỘI • • • • NGUYỄN THỊ NGỌC LOAN NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU KIM • ỨNG GMI TRÊN HỆ• HỢP • F e73>5 C u i N xZ r xB 9S ii3,5 Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã sổ: 60 46 01 04 LUÂN CHẤT • VĂN THAC • s ĩ KHOA HOC • VẢT • Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Tình HÀ NỘI, 2015 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp hoàn thành ừên sở kiến thức tiếp thu trình học tập Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội kiến thức mà học hỏi suốt thời gian học tập nghiên cứu Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Những kết đạt nỗ lực thân mà có giúp đỡ vô to lớn người xung quanh Trước hết, xin tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Nguyễn Hữu Tình - người thầy trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình quan tâm chu giúp hoàn thiện luận văn Thầy cung cấp tài liệu truyền thụ cho kiến thức mang tính khoa học phương pháp nghiên cứu khoa học suốt trình nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Dân toàn thể anh chị, thành viên khác Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Cùng toàn thể thầy cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội cung cấp kiến thức đóng góp ý kiến giúp đỡ hoàn thành luận văn Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè người thân bên cạnh, động viên, tạo điều kiện giúp đỡ hoàn thành khóa học Hà nội, ngày 10 tháng năm 2015 Học Viên Nguyễn Thị Ngọc Loan LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp vói đề tài khác Đề tài “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ hiệu ứng GMI hệ họp kim Fe73 5CuiNb3 xZrxB9Sii3 5” Được thực nỗ lực thân hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Tình Luận văn chưa công bố nơi Học Viên Nguyễn Thị Ngọc Loan MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU I II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT II DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ III DANH MỤC CÁC BẢNG V MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Giả thuyết khoa học NỘI DƯNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMI 1.1 Hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI 1.2 Lý thuyết giải thích hiệu ứng 1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng 1.4 Anh hưởng thông số đo đến tỉ số GMI 11 1.4.1 Cường độ dòng điện chạy qua mẫu 11 1.4.2 Tần số dòng đo 11 1.4.3 Nhiệt độ đo 13 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM NANÔ TINH THÊ 14 2.1 Cấu trúc, tính chất, phân loại vật liệu từ mềm nanô tinh thể 14 2.1.1 Cấu trúc vật liệu từ mềm nanô tinh thể 14 2.1.2 Tính chất vật liệu từ mềm 15 2.1.3 Phân loại vật liệu từ mềm 17 2.2 Vật liệu từ nano tình thể Fe 19 2.3 Vai trò nguyên tố kim loại việc hình thành cấu trúc hạt nanomet 19 CHƯƠNG 3: THựC NGHIỆM CHÉ TẠO MẪU 22 3.1 Đối tượng nghiên cứu 22 3.2 Xử lí mẫu 22 3.2.1 Công nghệ chế tạo vật liệu có cấu trúc vô định hình thiết bị nguội nhanh đơn trục .22 3.2.2 Tạo hợp kim ban đầu 23 3.2.3 Phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu dạng băng mỏng 25 3.2.4 Kỹ thuật gia công mẫu 27 3.2.5 Xử lý nhiệt lò ủ nhiệt 27 3.3 Các phương pháp nghiên cứu 28 3.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction) 28 3.3.2 Phương pháp phân tích hiển vi điện tô quét phương pháp tán sắc lượng tia X (EDX) 29 3.3.3 Phương pháp quét phân tích nhiệt vi sai (DSC) 32 3.3.4 Phương pháp đo từ tổng trở .34 CHƯƠNG 4: NGHIÊN c ứ u CẮƯ TRÚC, TÍNH CHẮT TỪ VÀ HIỆU ỨNG GMI TRÊN HỆ HỢP KIM Fe73,5Cu1Nb3.xZrxB9Si13j5 36 4.1 Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ hệ hợp kim nano tinh thể Fe73 5CuiNb3 36 4.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr chế độ xử lí nhiệt đến cấu trúc hợp kim nanô tinh thể Fe73 5CuiNb3.xZrxB9Sii3 37 4.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr đến tính chất từ hợp kim nano tinh thể Fe73 5Cu1Nb3.xZrxB9Si13 41 4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt đến tính chất từ hợp kim Fc73J5Cu1Nb3.xZrxB9Si13!5 43 4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr hợp kim Fe73 5CuiNb3.xZrxB9 Sii3,5 47 4.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr họp kim đến tỷ số GMIr hợp kim Fe73 5CuiNb3.xZrx Bặ Sii35 .47 4.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt đến đến tỷ số GMIr họp k im Fe73j5CuiNb -xZTx B S ii ,5 KẾT LUẬN 49 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Br : Cảm ứng từ dư Xs : Từ giảo bão hòa JL10 : Độ từ thẩm chân không D : Hệ số khử từ Hc : Lực kháng từ Hext : Từ trường Ir, Jr, Mr : Từ độ dư kB : Hằng số Boltzmann mr : Từ độ rút gọn Ms : Từ độ bão hòa N : Hệ số khử từ Rc : Tốc độ nguội tới hạn s : Spin nguyên tử kim loại chuyển tiếp Ta : Nhiệt độ ủ Tc : Nhiệt độ Curie Tm : Nhiệt độ nóng chảy ta : Thời gian ủ nhiệt II II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT GMI : Giant Magneto Impedan Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMIr : Giant Magneto Impedan ratio Tỷ số từ tổng TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua TM : Kim loại chuyển tiếp VĐH : Vô định hình VLTC : Vật liệu từ cứng XRD : Nhiễu xạ tia X trở khổng lồ Ill DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tổng trở dây dẫn có từ tính Hình 1.2 Mổi liên hệ độ từ thẩm độ thẩm sâu bề mặt vói từ trường Hình 1.3 Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ Hình 1.4 Hình dạng đường cong GMI có tượng tách đỉnh Hình 1.5 Tỷ sổ GMIr băng vô định hình Co theo cường độ dòng điện Hình 1.6 Tỷ sổ GMIr băng nano tinh thể Fe7 iAl2Sii4 B8sCuiNbß phụ thuộc tần sổ Hình 1.7 Tỷ sổ GMIr đo tần sổ MHz, nhiệt độ thay đổi từ 10K đến 300K băng vồ định hình Cỡ6 Fe4 sCui sSiioBis chưa ủ (a) ủ 35(fc (b) Hình 2.1 Đường cong từ trễ vật liệu Hình 3.1 Hệ phun băng nguội nhanh chân không Hình 3.2 Sơ đồ khẩi hệ nấu hồ quang đủc mẫu Hình 3.3 (a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) máy chân không, (2) buồng nấu, (3) tủ điều khiển, (4) bình khí trơ (Ar hay Ni), (5) nguồn điện, (b) Ảnh bên buồng nấu: (6) cần điện cực, (7) nồi, (8) cần lật mẫu Hình 3.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không Hình 3.5 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động phương pháp đo nhiễu xạ tia X Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét SEM Hình 3.7 a) sơ đồ cung cung cấp nhiệt DSC loại thông lượng nhiệt; b) loại bổ công suất Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ đo GMI Hình 4.1 Giản đồ EDX mẫu N2 Hình 4.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe735Cu1Nb3.x ZrxB9Si135vừa chế tạo xong IV Hình 4.3 Giản đồ nhiễu xạ tỉa X mẫu Fe735Cu]Nb3.xZrxB9Si] sau ủ nhiệt độ 540°c Hình 4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe735CujNb3.xZrxB9Sij3 ủ nhiệt độ 540°c với thời gian ủ khác Hình 4.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe73sCuiNbß-x ZrxB9Sii3 ủ 15 phút nhiệt độ ủ khác Hình 4.6 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Msvào hàm lượng Zr mẫu ủ 540°c Hình 4.7 Sự phụ thuộc từ độ dư Mrvào hàm lượng Zr mẫu ủ 540°c Hình 4.8 Đường cong từ hóa mẫu N3ủ 540°c Hình 4.9 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Msvào thời gian ủ mẫu Hình 4.10 Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào thời gian ủ mẫu Hình 4.11 Sự phụ thuộc Mr vào thời gian ủ mẫu Hình 4.12 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số MHz) mẫu chưa ủ Hình 4.13 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số MHz) mẫu chưa ủ Hình 4.14 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 10 MHz) mẫu chưa ủ Hình 4.15 So sánh tỷ số GMI cực đại theo hàm lượng Zr với mẫu chưa ủ Hình 4.16 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số MHz) mẫu N3 ủ 540°c Hình 4.17 So sánh tỷ số GMI cực đại theo hàm lượng Zr với mẫu ủ 54(fc Hình 4.18 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6MHz) mẫu N3 ủ 540°c Hình 4.10 Tỷ số GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu ịNhiệt độ ủ: 540°C) Hình 4.20 Khảo sát hiệu ứng GMIịtần sổ 6MHz, 15 phút) theo nhiệt độ ủ mẫu Hình 4.21 Tỷ sổ GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu với thời gian ủ 15 phút 39 ủ nhiệt độ thấp thời gian ủ ngắn, tỷ phàn pha tinh thể nhỏ, băng giữ cấu trúc gần vô định hình Khi tăng nhiệt độ ủ lên đến 540°c, pha tinh thể hình thành với đỉnh đặc trưng cho pha a-Fe(Si) Để xác định kích thước hạt nanô tinh thể (nanocrystalline grains), sử dụng công thức Scherrer biết: r = _ 09^ _ (4 1) yỡ.cos Trong đó, Ấ= 1,5406 Ấ bước sóng tia X (bức xạ đồng) sử dụng, 6- góc nhiễu xạ ß - độ bán rộng (tính theo radian) Tuy nhiên, biết, với hệ nano tinh thể tái kết tinh từ trạng thái VĐH thông qua xử lý nhiệt, VĐH đóng góp vào giản đồ nhiễu xạ với vai trò tạo nhiễu Nên áp dụng công thức Scherrer để tính cho sai số lớn Để tăng độ xác, chứng tách phần đóng góp vào phổ nhiễu xạ tia X pha VĐH pha tinh thể, sau dùng phương pháp fit profile vạch nhiễu xạ trừ theo hàm chuẩn Voigt: V(x) = Io[ĩ1lL(x) + (1 - nL)G(x)] (4.2) Ở đây, L(x) G(x) tương ứng hàm Lorentz hàm Gauss; lo cường độ peak nL phần đóng góp hàm Lorentz vào peak Biến số X định nghĩa sau: X = (20 - 20o)/w (4.3) ừong 20 góc nhiễu xạ, 200 vùng góc chứa peak, w nửa bề rộng bán vạch Từ đó, áp dụng công thức Scherrer để tính toán Kết thu cho thấy kích thước hạt thay đổi theo nhiệt độ ủ thời gian ủ [6 ] Nhiệt độ ủ cao, thời gian ủ lớn kích thước hạt lớn Ở đây, trình chuyển pha xảy mỏng vật liệu rắn, kích thước trung 40 bình vùng chuyển pha lớn nhiều so với độ dày vật liệu rắn Sự phát triển theo bề dày vùng chuyển pha nhanh chóng bị dừng lại trở thành trình phát triển hai chiều Khi biểu thức biểu diễn phụ thuộc thể tích vùng chuyển tạo theo thời gian có dạng: v x = 7iỗY2(t - x ỷ (4.4) Ở đây, ỗ độ dày vật liệu rắn Trên sở kết tính toán giản đồ nhiễu xạ tia X kết luận mẫu sau ủ nhiệt có cấu trúc đa pha: pha nanô tinh thể phân bố pha vô định hình Nhiệt độ ủ tăng thời gian ủ kéo dài làm tăng kích thước hạt, điền hoàn toàn phù hợp với lý thuyết động học chuyển pha, khẳng định công bố [14, 15] Quá tình tạo pha nano tinh thể xảy nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ mẫu Khi nhiệt độ ủ mẫu thấp trình kết tinh xảy chậm, để đạt tới trạng thái bão hoà kéo dài vài Còn nhiệt độ ủ mẫu cao trình kết tinh xảy nhanh, trình kết tinh đạt tới bão hoà thời gian ngắn Xác định nhiệt độ chuyển pha hợp kim nano tinh thể Fe73 5CuiNb3 xZrxB9Sii35 Trước xử lý nhiệt, mẫu cần phải xác định vùng nhiệt độ ủ xảy kết tinh kết tinh pha tinh thể Từ ta chọn vùng nhiệt độ ủ mẫu thích hợp để tạo pha mong muốn Ở đây, sử dụng phương pháp quét nhiệt vi sai (DSC) với tốc độ quét nhiệt 20°c ứên phút để xác định nhiệt độ kết tinh mẫu Tiến hành phân tích nhiệt vi sai tất mẫu Từ kết thu cho thấy nhiệt độ chuyển pha mẫu thay đổi theo hàm lượng Zr, hàm lượng Zr tăng, nhiệt độ chuyển pha tăng Như chứng ta biết, hàm lượng nguyên tố hợp phần thay đổi cấu trúc tính chất hợp kim thay đổi Mỗi nguyên tố hợp phần có vai trò ảnh hưởng khác đến cấu trúc vi mô vật liệu 41 Trong B đóng vai trò làm ổn định vô định hình làm giảm lượng pha a - Fe nồng độ tăng lên Si làm thay đổi số dị hướng từ giảo Ằs vật liệu Cu đóng vai ừò tạo mầm kết tinh pha tinh thể, Zr đóng vai ừò kìm hãm phát triển hạt tinh thể Các nghiên cứu tác giả trước với nồng độ B %, Si 13,5 % Cu % vật liệu cho tính từ mềm tốt Lý với nồng độ này, vật liệu lại cho tính từ mềm tốt quan tâm nghiên cứu Khi nồng độ Zr tăng, nhiệt độ kết tinh hai pha tinh thể a Fe(Si) Boride tăng lên Như chứng tỏ Zr làm cho kết tinh xảy khó hơn, điều thể kết phép phân tích quét nhiệt vi sai qua kết phân tích nhiễu xạ tia X (hình 4.3) Ảnh hưởng nồng độ Zr hiểu sau: Trong hợp kim có vùng giàu Fe - Si - Cu có vùng giàu Fe - Nb - B, tương quan vùng phụ thuộc vào nồng độ Zr Cu Lượng vùng Fe - Nb B tăng lên nồng độ Zr tăng lên ngăn cản hình thành phát triển hạt tinh thể Các nghiên cứu tác giả khác phân tích nhiễu xạ tia X hiển vi điện tà hay từ nhiệt [24, 27] cho thấy nồng độ Zr tăng lên, kích thước hạt giảm đồng Còn nồng độ Zr giảm xuống, trình kết tinh xảy nhanh dễ dàng Nhưng kích thước hạt lớn nhiều không đồng 4.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr đến tính chất từ họp kim nano tinh thể Fe7 sCuiNb3 xZrxB9Sỉi3 Để nghiên cứu tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung hệ đo tính chất từ mềm để khảo sát tính chất từ vật liệu Kết cho thấy với mẫu chưa ủ giá trị Ms, Hc mẫu không sai khác nhiều dù hàm lượng Zr thay đổi, điều lý giải Zr ảnh hưởng đến 42 trình kết tình, dẫn đến việc giới hạn kích thước hạt tạo độ đồng hạt Do đó, trạng thái vô định hình, Zr đóng vai ừò làm loãng pha từ, không ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ Từ kết cho thấy với hàm lượng Zr 3% cho tính từ mềm tốt với mẫu chưa ủ lẫn mẫu xử lý nhiệt Tuy nhiên, ủ nhiệt cho thấy xử lý nhiệt thông số từ có thay đổi chênh lệch đáng kể theo hàm lượng Zr Điều lý giải là: nồng độ Zr tăng lên, kích thước hạt giảm đồng Còn nồng độ Zr giảm xuống, trình kết tinh xảy nhanh dễ dàng làm tăng mạnh kích thước hạt phân bố kích thước hạt không đồng đều, tính chất từ mềm Tuy với nồng độ Zr lớn hạt tinh thể có kích thước nhỏ chất sắt từ bị pha loãng nhiều nên từ độ bão hoà giảm liên kết từ hệ giảm, tính chất từ mềm Kết cho thấy với hàm lượng Zr 3% cho tính từ mềm tối ưu, điều phù hợp với kết tác giả khác Hạn chế kích thước hạt tinh thể yêu cầu để vận hành quy luật Hc ~D6 Tuy nhiên cần lưu ý đến yêu cầu khác nhằm đạt tính chất từ mềm tốt nhất, ừong tỷ phần nguyên tố hợp kim thể vai trò định Thành phần hợp kim cho phép điều khiển kết tinh hệ Tuy nhiên cần lưu ý đến chi tiết sau: Khi tăng hàm lượng Zr lên, giảm kích thước hạt a-Fe(Si) giảm dị hướng K Tuy nhiên nồng độ Zr cao, pha vô định hình dư chứa nhiều Zr làm giảm nhiệt độ Curie pha biến pha vô định hình dư thành pha thuận từ Các hạt aFe(Si) tương tác với nhau, ghép nối qua biên giới hạt, tức qua lớp vô 43 định hình dư Pha vô định hình dư chứa nhiều Zr pha thuận từ cản trở liên kết làm giảm tính từ mềm, kích thước hạt D < Lo 4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt đến tính chất từ họp kim Fe73,5CuiNb3 xZrxB9Sii3,5 Như ta biết, tình tạo pha nanô tinh thể xảy nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ mẫu Khi nhiệt độ ủ mẫu thấp trình kết tinh xảy chậm, để đạt tới trạng thái bão hoà kéo dài vài giờ.Còn nhiệt độ ủ mẫu cao trình kết tinh xảy nhanh, trình kết tinh đạt tới bão hoà thời gian ngắn chừng vài phút Khảo sát với mẫu N3 (Fe73 5CuiNb3.xZrxB9Sii35 ), cho kết bảng 4.1 (khảo sát theo nhiệt độ ủ) bảng 4.2 (khảo sát theo thời gian ủ nhiệt độ 540°C) Bảng 4.1 Kết khảo sát từ mẫu N3 (Fe735Cu]Zr3B9Si] ) ủ 15 phút theo nhiệt độ ủ ppA A Tên mâu Ms (emu/g) Hc (A/m) Mr (emu/g) N3 chưa ủ 152,0 4,3 0,1 N3-530uC/15ph 154,5 4,0 0,3 N3-540°C/15ph 156,0 3,6 0,4 N3-550uC/15ph 155,5 4,1 0,2 N3-560uC/15ph 153,5 4,6 0,3 44 Bảng 4.2 Kết khảo sát từ mẫu Ns (Fe7 5CujNb3 xZrxB9Sij3 ) ủ nhiệt độ 540°c theo thời gian ủ rp Tên mâu Ms (emu/g) Hc (A/m) Mr (emu/g) N3 chưa ủ 152,0 4,7 0,1 N3-540°C/05ph 142,0 4,3 0,2 N3-540°C/10ph 153,0 4,0 0,3 N3-540°C/15ph 156,0 3,6 0,4 N3-540°C/20ph 135,5 3,8 0,2 1^ A A 160 0.5 150 0.4 I 140 3 0.3 iũ s 0.2 ã / / * * \ \ 130 \ ★ -1 Hàm ợng Zr (%) Hình 4.6 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Msvào hàm lượng Zr mẫu ủ 0.1 A /\ / \ * // \\ * J \ 1 Hàm ợng Zr (%) Hình 4.7 Sự phụ thuộc từ độ dư Mrvào hàm lượng Zr mẫu ủ 540°c 540°c Khi hạt tinh thể sắt từ (a-Fe) có kích thước D nhỏ chiều dài tương tác ừao đổi sắt từ L0 ~(A/Ki) 172 (Đại lượng bề rộng vách đômen Ỗ~7I L0, A ~10"nJ/m: độ cứng ừao đổi, Ki~ 8000 J/m3: dị hướng từ tinh thể Fe-20%Si), ảnh hưởng cạnh tranh tương tác ừao đổi dị hướng, momen từ không thiết phải định hướng theo phương dễ từ hoá hạt tinh thể vốn xếp ngẫu nhiên, mà định hướng song song nhờ vào tương tác ừao đổi liên kết từ với 45 Dị hướng trung bình tập thể hạt sắt từ N viết dạng: (4.5) ừong Ki dị hướng từ tinh thể hạt sắt từ riêng biệt, N số lượng hạt sắt từ có ừong không gian tương tác ừao đổi sắt từ L0, D: kích thước hạt sắt từ (D < L0) Với dị hướng trung bình , quãng đường tương tác ừao đổi bằng: L0 = (A/Ki)172, thay L0 vào hai biểu thức có: (4.6) Nếu D ~10 nm, giảm từ 8000 J/m3 xuốngcòn J/m3 Khi lực kháng từ H c độ từ thẩm ban đầu |Lii bằng: (Js: từ độ bão hoà) Như vậy, cấu trúc nanô, D < L0, lực kháng từ Hc phụ thuộc bậc vào kích thước hạt Hc ~ D6, khác hẳn với quy luật Hc ~ 1/ D vật liệu từ mềm kinh điển 170 150- -15 540°c -10 -5 10 15 H (kOe) Hình 4.8 Đường cong từ hóa mẫu N3 ủ 540°c 10 15 20 Thỉri gian ủ (phút) Hình 4.9 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Msvào thời gian ủ mẫu 46 Hình 4.10 Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào thời gian ủ mẫu Hình 4.11 Sự phụ thuộc Mr vào thời gian ủ mẫu Điều lý giải tính chất từ lại phụ thuộc vào kích thước hạt.Và qua gián tiếp ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt Kết cho bảng 4.1 bảng 4.2 hình h- 4.11 cho thấy, tính chất từ mềm phụ thuộc tương đối rõ ràng vào chế độ ủ nhiệt Điều lý giải tính chất từ phụ thuộc vào kích thước hạt liên kết hạt, ừong kích thước hạt lại phụ thuộc vào chế độ ủ nhiệt Kết cho thấy với mẫu vật liệu cho tính từ mềm tốt N3, ủ nhiệt 540°c 15 phút 47 4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr họp kim Fe7355 CuiNb3.xZrx B9 Sii3,5 4.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr họrp kim đến tỷ sổ GMIr họp kim Fe73 5CuiNb3.x Zrx B9 SÌ13 -400 -400 -200 200 H (Oe) Hình 4.12 Khảo sát hiệu ứng GM1 (tần số MHz) mẫu chưa ủ -400 -200 200 400 H (O e) Hình 4.14 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 10 MHz) mẫu chưa ủ -200 200 400 H (Oe) 400 Hình 4.13 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số MHz) mẫu chưa ủ 01 Hàmirtag Zr (% at) Hình 4.15 So sánh tỷ sổ GM1 cực đại theo hàm lượng Zr với mẫu chưa ủ Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI thay đổi tổng trở cao tần z băng từ tác động từ trường chiều đặt vào Bản chất hiệu ứng GMI giải thích theo lý thuyết điện động lực học cổ điển mà nguyên nhân sâu xa gây thay đổi tổng trở vật dẫn thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng |Ueff vật liệu từ mềm trình từ hoá vật liệu từ trường Từ ta thấy tổng trở z phụ thuộc vào độ từ thẩm hiệu dụng theo phương ngang băng từ |Xt, tức phụ thuộc vào tính chất từ mềm 48 vật liệu Việc thay đổi hàm lượng Zr dẫn đến thay đổi tính chất từ, thay đổi tổng trở ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI vật liệu Kết nghiên cứu hiệu ứng GMI với mẫu chưa ủ biểu diễn hình 4.12 đến Hàm 1- ợng Zr (% at) H (Oe) Hình 4.16 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ MHz) mẫu N3 ủ 540°c Hình 4.17 So sánh tỷ số GMI cực đại theo hàm lượng Zr với mẫu ủ 540°c 4.15, với mẫu ủ 540°c 15 phút biểu diễn hình 4.16, 4.17 Hình 4.16, 4.17 cho thấy, tỷ số GMIrmax đạt giá trị lớn tương ứng với mẫu có hàm lượng Zr 3%, mẫu chưa ủ ủ nhiệt, giá trị lớn lặp lại tần số đo Kết hoàn toàn phù hợp với kết thu phần khảo sát tính chất từ, ứng với mẫu có hàm lượng 3% Zr cho tính chất từ tốt 4.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt đến đến tỷ sổ GMIr họp kim Fe73,5CuiNb _xZrx B9 Sii3,5 Như ta biết, xử lý nhiệt chế độ khác dẫn đến kích thước hạt khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ mềm vật liệu Do đó, dự đoán hiệu ứng GMI bị ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt Kết khảo sát hiệu ứng GMI mẫu N3 ủ 15 phút, nhiệt độ ủ mẫu thay đổi từ 530°c đến 560°c biểu diễn hình 4.18 4.19 Kết cho thấy mẫu ủ nhiệt độ 540°c cho tỷ số GMIrmax cao Kết 49 khảo sát theo thời gian ủ, mẫu N3 ủ nhiệt độ 540°c thời gian ủ nhiệt thay đổi từ phút đến 20 phút biểu diễn hình 4.20 4.21 Kết cho thấy, mẫu ủ khoảng thời gian 15 phút cho tỷ số GMIrmax cao Kết phù hợp với kết khảo sát từ mẫu N3 ủ nhiệt 540°c 15 phút vật liệu cho tính từ mềm tốt 10 15 20 Thòi gian ủ (phút) Hình 4.18 Khảo sát hiệu ứng GM1 (tần sổ MHz) mẫu N3 ủ 540°c 250 N3 -1 phút 200 Ỹ\ MHz -400 -200 Hình 4.19 Tỷ sổ GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu (nhiệt độ ủ: 540°C) —*— Không ủ — 530°c 540°c — 550°c —*— 560°c 200 H (Oe) Hình 4.20 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số MHz, 15 phút) theo nhiệt độ ủ mẫu N3 100 200 300 400 500 Nhiệt độ ủ (°C) Hình 4.21 Tỷ sổ GMlr cực đại theo nhiệt độ ủ mẫu với thời gian ủ 15 50 Kết khảo sát GMI cho thấy mẫu N3 ứng với thành phần Zr 3% ủ 540°c 15 phút cho tỷ số GMIrmax cao Tương ứng với kết thu phần khảo sát từ Điều khẳng định phụ thuộc tổng trở hiệu ứng GMI vào từ thẩm |LI hay vào tính chất từ mềm vật liệu 51 KÉT LUẬN Đã nghiên cứu tổng quan hiệu ứng từ tổng ừở khổng lồ GMI ừong dây dẫn từ tính: Lý thuyết giải thích hiệu ứng, mô hình giải thích hiệu ứng ảnh hưởng thông số đến tỉ số GML Tìm hiểu vật liệu từ mềm nano tinh thể Tìm hiểu công nghệ nguội nhanh sử dụng công nghệ nguội nhanh việc chế tạo mẫu hợp kim Fe73 5CuiNbxZrx B9 SỈ13 (x= 0, 1,2, 3) Đã nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr lên cấu trúc, tính chất từ vật liệu VĐH-nano tinh thể ừong mẫu finemet Đã nghiên cứu ảnh hưởng việc thay đổi hàm lượng Zr chế độ xử lý nhiệt đến hiệu ứng GMI hệ mẫu Finemet, kết thu cho thấy: Mầu có hàm lượng Zr với x=3 ủ nhiệt độ 540°c 15 phút cho tỷ số GMI lớn Giá trị lớn đạt 220% đo tần số MHz nhiệt độ phòng 52 DANH MỤC CÀC TẢI LIỆU THAM KHÁO Tiếng Việt [1] Bùi Xuân Chiến (2009), Vật liệu từ cấu trúc nanồ dạng hạt có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) chế tạo công nghệ nguội nhanh, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [2] Nguyễn Đồng Dũng (1996), cẩu trúc tế vi tính chất từ vật liệu nanô tỉnh thể hệ FeBSiCuNb, Luận án PTS Toán- Lý, Hà Nội 1996 [3] Mai Xuân Dương (2000), Nghiên cứu cẩu trúc tính chất từ số vật liệu từ vồ định hình nanômét, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [4] Nguyễn Hoàng Nghị (1992), Vật liệu vô định hình kim loại vô định hình, Giáo trình giảng dạy viện Vật Lý Kĩ Thuật, Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội 1992 [5] Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cẩu trúc, NXB Giáo dục, Hà Nội [6 ] Nguyễn Hữu Tình (2012), Nghiên cứu tính chất từ hiệu ứng GMI vật liệu từ vồ định hình, nano tinh thể ứng dụng làm cảm biến dòng điện, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Tiếng Anh [7] J Bigot, N Lecaude, J.c Perron, c Milan, c Ramiarijaona and J.F Rialland (1994) Influence of annealing conditions on nanocrystallization and magnetic properties in Fe735CuiNb3Sii3 5B9 alloy J MMM, 133, pp 299-302 53 [8] G Chen, X.L Yang, L Zeng, J.X Yang, F.F Gong, D.P Yang, Z.C Wang (2000) Enhanced GMI effect in a Co7 oFe5Sii5Bio ribbon due to Cu and Nb substitution for B J Appl Phys, pp 5263-5265 [9] H.S Chen and K.A Jackson (1981) Metallic Glasses, Treatise on Materials Science and technology Vol 20, pp 251 [10] L.D Landau and E.M.Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon, Oxford, 1975), p 195 [11] E P Harrison, G L Turney, H Rowe, and H Gollop, Proc R Soc Edinburgh 157, 651 (1937) [12] P T Squire, J Magn Magn Mater 87, 299 (1990); 140-144, 1829 (1995) [13] P Duhaj, I Maiko, P Svec, D Janickovic (1995) Structural characterization of the Finemet type alloys Journal of Nou-Crystalline Solids, pp 561-564 [14] J.J Freijo, A Hernando, M Vazquez, A Mendez, V.R Ramanan (1999) Exchange biasing in ferromagnetic amorphous wires: A controllable micromagnetic configuration Appl Phys Lett., 74, pp 1305-1307 [15] K.L García, J.M Garcia-Beneytez, R Valenzuela, A Zhukov, J Gonzalez, M Vazquez (2011) Effects of torsion on the magnetoimpedance response of CoFeBSi amorphous wires Journal of Magnetism and Magnetic Materials, pp 721-723 [16] K.L García, R Valenzuela (2011) Correlation between magnetization processes and giant magnetoimpedance response in CoFeBSi amorphous CoFeBSi wires Journal of Non-Crystalline Solids, 287, pp 313-317 [17] G Herzer (1990) Grain size dependence of coercivity and permeability in nanocrysttalline ferromagnets IEEE Trans Magn., pp 1397-1402 [...]... tìm ra hợp phần có tính chất tốt nhất, hiệu ứng GMI cao nhất 3 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay thế Zr cho Nb trong hợp kim FINEMET đến cấu trúc, tính chất và hiệu ứng GMI - Khảo sát hiệu ứng GMI trên mẫu khi thay thế thành phần 4 Đổi tượng và phạm vi nghiên cứu - Hệ vật liệu Fe73!5CuiNb3.xZrxB9Sii3!5 5 Phương pháp nghiên cứu Từ đối tượng và mục đích nghiên cứu làm rõ mối quan hệ giữa... kết quả nghiên cứu tập trung trên hệ vật liệu từ siêu mềm hiện đại: Vô định hình nền Co và nanô tinh thể nền sắt (íinemet) được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh và công nghệ điện kết tủa với tỉ số GMIr trên 200% Với lý do trên tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI trên hệ họp kim Fe73 5CuiNb3 xZrxB9Sii3 5” 2 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh... trường hợp đó người ta dùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trưng bởi tỷ số GMI (hoặc GMIr) Muốn nhận được tỷ số tổng trở GMIr cao, dây dẫn từ tính phải có từ thẩm |_1 cao hay nói cách khác dây dẫn phải là vật liệu có tính từ mềm tốt 2 Ở Việt Nam, hiệu ứng từ trở khổng lồ - GMI được bắt đầu nghiên cứu từ năm 2001 đến nay tại phòng thí nghiệm vật liệu từ Vô định hình và. .. Trong đó, mối quan hệ giữa cấu trúc domain và quá trình từ hóa của chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ số GMI được thể hiện Đây là mô hình của Squừe [12] dành cho quá trình từ hóa và hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ mềm Mô hình này có thể được sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và vật dẫn có cấu trúc phẳng (hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng lượng khử từ ngang) Với dạng... các tính chất của Finemet thỏa mãn rất tốt các yêu cầu của vật liệu từ nhiệt ứng dụng vào các máy làm lạnh bằng từ trường 2.1.2 Tính chất của vât liêu từ mềm • • M if~~ H V Hình 2.1 Đường cong từ trễ của vật liệu Tính chất từ mềm của vật liệu từ mềm là lực kháng từ (Coercivity thường kí hiệu là Hc) Lực kháng từ là từ trường ngoài ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu Lực kháng từ. .. lại hiệu ứng từ tổng ừở khổng lồ (Giant Magneto - impedance effect) là sự thay đổi mạnh tổng ừở z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài Hc và dòng điện cao tần có tần số 00 Cơ chế của hiệu ứng tổng trở khổng lồ (GMI) có bản chất điện - từ và có thể giải thích bằng lý thuyết điện động lực học cổ điển Theo L.V.Panina bản chất điện từ của hiệu 6 ứng tổng trở khổng lồ (GMI) là sự kết hợp. .. tổng trở khổng lồ (GMI) là sự kết hợp giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng ( ỊLI eff) của dây dẫn vào từ trường 1.2 Lý thuyết giải thích hiệu ứng Như đã trình bày ở ừên tổng ừở của dây dẫn từ tính phụ thuộc vào từ trường, tần số của dòng điện, tính chất từ của vật liệu còn thay đổi theo kích thước hình học cũng như cấu hình của phép đo Chứng ta đã biết, đối với dòng điện một chiều,... đổi và 3 càng nhỏ tức là dòng điện chỉ phân bố ừên mặt lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn Do sự ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến từ thẩm ụ, dẫn đến hiệu ứng GMI được cơ bản giải thích theo ba vùng tần số khác nhau: - Tần số thấp (Hiệu ứng từ cảm) - Tần số trung bình (Hiệu ứng từ tổng ừở) - Tần số cao (Hiêu ứng cổng hưởng sắt từ) 1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI. .. nghệ chế tạo và xử lí mẫu cấu trúc vi mô và tính chất tổng trở của mẫu áp dụng các phương pháp thực nghiệm như sau: Sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo hợp kim vô định hình và sau đó ủ bằng phương pháp thông thường ừong chân không để tạo ra cấu trúc nanô đa pha rồi sử dụng phương pháp đo thích hợp để xác định các thông số cấu trúc, tính chất của mẫu vật liệu 6 Giả thuyết khoa học Đề xuất hướng ứng. .. nguyên tố á kim (B, Si) , lên cấu trúc vi mô (kích thước hạt, tỉ phần pha tinh thể và pha VĐH), lên hằng số từ giảo; ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt (nhiệt độ ủ, thời gian ủ, môi trường ủ, từ trường) lên thành phần pha, tổ chức tế vi và các tính chất từ cũng cần được nghiên cứu một cách sâu sắc Tính chất từ mềm của vật liệu nanô tinh thể cần được nghiên cứu, đánh giá không những trong từ trường hóa