Luận văn nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của hợp kim vô định hình co75 xfexsi15b10

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HÀ NỘI HOÀNG CÔNG TĨNH N G H IÊ N CỨ U C ẤU T R Ú C , TÍN H C H Ắ T T Ừ VÀ H IỆ U Ứ N G G M I CỦA H Ợ P K IM V Ô Đ ỊN H H ÌN H C O 75_xFExSI 15B 10 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 01 04 L U Ẩ• N V Ă N TH A• C s ĩ K H O A H O• C V Ẩ• T C H Ắ T Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Tình HÀ NỘI, 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Hữu Tình người thầy dành cho động viên, giúp đỡ tận tình định hướng khoa học hiệu suốt trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn bảo, giúp đõ, tạo điều kiện khích lệ PGS.TS Nguyễn Huy Dân dành cho suốt thời gian thực luận văn Tôi xin cảm ơn cộng tảc giúp đỡ học viên Nguyễn Thị Ngọc Loan người chung giảo viên hướng dẫn, hoàn thành nhiều công đoạn trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn cộng tác giúp đỡ đầy hiệu NCS Nguyễn Mau Lâm, NCS Nguyễn Hải Yến, NCS Đinh Chỉ Linh cảc cản bộ, học viên khác Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm khoa học Công nghệ Việt Nam (nơi tồi hoàn thành công việc chế tạo mẫu thực nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu luận văn) Tôi xin cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi Trường đại học sư phạm Hà Nội 2, Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn - Trung tâm nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ trường Đại học sư phạm Hà Nội đổi với trình thực luận văn Sau cùng, xin cảm ơn thực quên giúp đỡ tận tình thầy cô giáo, bạn bè, anh em gần xa động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện người thân gia đình suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Hoàng Công Tĩnh MUC LUC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT T Ắ T DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ T H Ị DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ Đ Ầ U NỘI DUNG ■ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT HIỆU ỨNG TỪ TỒNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) VÀ VẬT LIỆU TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH (VĐH) Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI) 1.1 Giới thiệu hiệu ứng GMI 1.2 Cấu trúc đômen vật dẫn từ tổng trở 11 1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ- GMI 13 1.4 Hiện tượng tách đỉnh - mô hình giải thích tượng tách đỉnh 16 Ảnh hưởng thông số đo đến tỷ số GMI 19 2.1 Cường độ dòng điện chạy qua mẫu 19 2.2 Tần số dòng đo 19 2.3 Nhiệt độ đo 20 Công nghệ nguội nhanh 21 3.1 Các phương pháp nguội nhanhchế tạo vật liệu dạng băng mỏng 21 3.2 Tốc độ nguội hợp kim nóng chảy .22 3.3 Tốc độ nguội tới hạn 24 Vật liệu từ mềm có cấu trúc vô định hình 26 4.1 Cấu trúc tinh thể VĐH 26 4.2 Đặc trưng vật liệu từ mềm VĐH 27 4.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm VĐH 28 1.4.4 Khả ứng dụng vật liệu từ mềm VĐH 28 CHƯƠNG 2: THựC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 30 • • • VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u .30 2.1 Đối tượng nghiên cứu 30 2.2 Chế tạo mẫu hợp kim 30 2.2.1 Công nghệ chế tạo vật liệu có cấu trúc vô định hình thiết bị nguội nhanh đơn trục 30 2.2.1.1 Tạo hợp kim ban đầu 31 2.2.1.2 Phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu dạng băng mỏng 33 2.2.2 Kỹ thuật gia công mẫu 34 2.2.3 Xử lý nhiệt lò ủ nhiệt 34 2.3 Phương pháp phân tích .35 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction) 36 2.3.2 Phương pháp phân tích hiển vi điện tò quét phương pháp tán sắc lượng tia X (EDX) 37 2.3.3 Phương pháp quét phân tích nhiệt vi sai (DSC) 39 2.3.4 Phương pháp đo từ tổng trở 41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nguyên tố trình xử lý nhiệt lên tính chất từ hệ vật liệu Co - Fe - Si - B 43 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nguyên tố lên tính chất từ hệ vật liệu Co75_xFexSii5Bio 43 3.1.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng trình xử lý nhiệt lên tính chất từ hệ vật liệu Co75_xFexSii5Bio .44 3.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến tính chất từ băng VĐH Co75-xFexSii5Bio 47 3.3 Nghiên cứu hiệu ứng GMI băng hợp kim vô định hình Co 48 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố hình học đến hiệu ứng GML 48 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng tần số đo đến hiệu ứng GMI 51 3.4 Nghiên cứu hiệu ứng GMI hệ hợp kim VĐH Co75 _xFexSii5Bio 53 3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Fe hợp kim đến tỷ số GMIr hợp kim VĐH Co75 _xFexSii5Bio 53 3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt đến tỷ số GMIr hợp kim vô định hình C075 _xFexSiisBio 54 KÉT LUẬN .55 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 D A N H M Ụ C CÁC K Ý H IỆ U Br Cảm ứng từ dư Từ giảo bão hòa Y Năng lượng đơn vị diện tích vách đômen Độ dày vách đômen M'O Độ từ thẩm chân không D Hệ số khử từ E k Năng lượng dị hướng từ tinh thể He Lực kháng từ H n Trường tạo mầm đảo từ H cr Số hạng trường tinh thể H ex Số hạng trường trao đổi hoạt động môm en đất hiểm H ext Từ trường H in Trường nội Ir, J r , M r 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 Sv Hệ số nhớt vật liệu T a Nhiệt độ ủ Tc Nhiệt độ Curie T Rt Nhiệt độ Curie gây tương tác đất hiểm kim loại chuyển tiếp TAm Nhiệt độ nóng chảy TAg Nhiệt độ thủy tinh hóa ta Thời gian ủ nhiệt D A N H M Ụ C CÁC C H Ữ V IÉ T TẮT GMI : Giant Magneto Impedan Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GM Ir : Giant Magneto Impedan ratio Tỷ số từ tổng trở khổng lồ L : Lỏng LQN : Lỏng nguội RE : Đất hiểm SAED : Nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua TM : Kim loại chuyển tiếp T-T-T : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - VĐH : Vô định hình VLTC : Vật liệu từ cứng VSM : Hệ từ kể mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X chuyển pha D A N H M Ụ C C Á C H ÌN H V Ẽ V À ĐỒ TH Ị Hình 1.1 Tong trở dây dẫn có từ tính Hình 1.2 M ổi liên hệ độ từ thẩm độ thẩm sâu bề m ặt với từ trường Hình 1.3 M ô hình đơn giản domain lõi vỏ a, Quá trình từ giảo dương b, trình từ giảo âm Hình 1.4 Cẩu trúc domain lõi vỏ a/Cẩu trúc domain nhọn đổi song lõi b/Sự phân bo cẩu trúc domain lõi vỏ dây Hình 1.5 Cẩu trúc domain dây vô định hình Co có dòng xoay chiều từ trường m ột chiều Hình 1.6 Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ Hình 1.7 Hình dạng đường cong GM I có tượng tách đỉnh Hình 1.8 Mô hình dị hướng giải thích tượng tách đinh Hình 1.9 Đồ thị ỵ t theo h ứng với giá trị ỠỊỉkhác Hình 1.10 Tỷ số GMIr băng vô định hình Co theo cường độ dòng điện Hình 1.11 Tỷ sổ GMIr băng nano tinh thể F e7iAl2Sỉi B 85CuiNb phụ thuộc tần số Hình 1.12 Tỷ số GMIr đo tần số MHz, nhiệt độ thay đổi từ 10K đến 300K băng vô định hình Cơ ỹFe4 5Cui sSijoBjs chưa ủ (a) ủ 350°c (b) Hình 1.13 Quá trình truyền nhiệt Hình 1.14 Hợp kim m ột nguyên, đường 1, ứng với toc độ nguội khác Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh chân không Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ nẩu hồ quang đúc mẫu Hình 2.3 (a) Ảnh hệ nẩu hợp kim hồ quang: (1) máy chân không, (2) buồng nẩu, (3) tủ điều khiển, (4) bình khí trơ (Ar hay Nỉ), (5) nguồn điện, (b) Ảnh bên buồng nấu: (6) cần điện cực, (7) nồi, (8) cần lật mẫu Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không Hình 2.5 Sơ đồ họa nguyên lý hoạt động phương pháp đo nhiễu xạ tia X Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét SEM Hình 2.7 a) Là sơ đồ cung cung cẩp nhiệt DSC loại thông lượng nhiệt; b) Là loại bo công suẩt Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ đo GMI Hình 3.1 Ảnh chụp băng mẫu VĐH Co75.xFexSi15B10 với Hình 3.2 Giản đồ nhiệm xạ tia X mẫu Co75.xFexSìi5B10 ị X = 4, 6) chưa ủ Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Co75 xFexSij5B ỉ0 ( X = 4, 6) xử lý nhiệt 360°c lh Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Co75.xFexSiỉ5B 10 ( X = 4, 6) xử lý nhiệt 440°c lh Hình 3.5 Đường cong từ hóa mẫu VĐH Co75.xFexSiỉ5B 10 (x =4, 6) chưa xử lý nhiệt Hình 3.6 Đường cong từ hóa mẫu VĐH Co75.xFexSiỉ5B 10 (x =4, 6) ủ 400°c, 60 phút Hình 3.7 Khảo sát hiệu ứng GM I (tần số M hz) theo chiều đài mẫu đo Hình 3.8 Tỷ sổ GM I cực đại theo chiều dài mẫu đo (bề rộng mẫu mm) Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số M hz) theo chiều rộng mẫu đo Hình 3.10 Tỷ sổ GM I cực đại theo chiều rộng mẫu đo Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GM I mẫu M ủ 360°c 60 phút Hình 3.12 So sánh tỷ số GM I cực đại theo tần số đo Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng G M I theo hàm lượng Fe, mẫu chưa ủ Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng G M I theo hàm lượng Fe, mẫu ủ °c /lh Hình 3.15 So sánh tỷ so GM I cựu đại theo nhiệt độ ủ mẫu Co75- x FexSỉi5B 10, M Hz Hình 3.16 So sánh tỷ so GM I cựu đại theo thời gian ủ mẫu Co75- x FexSỉi5B 10, MHz 42 Từ trường nam châm tác dụng lên mẫu m áy đo từ trường sử dụng cảm biển Hall thu thập đưa thị LED m ột kênh khác thu thập xử lý liệu đa kênh PHT 0201 43 C H Ư Ơ N G 3: K ÉT Q U Ả V À TH Ả O L U Ậ N 3.1 N ghiên cứu ản h h ởng th n h p h ần nguyên tổ q u trìn h xử lý nhiệt lên tính chất từ hệ vật liệu Co - Fe - Sỉ - B 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nguyên tổ lên tính chất từ hệ yật liệu Co75.xFexSii 5B 10 Như trình bày hiệu ứng GMI đạt tỷ số cao họ vật liệu có tính từ mềm tốt Hợp kim CoFeSiB chế tạo công nghệ nguội nhanh họ hợp kim có tính từ mềm cao nguyên tử Co, Fe nguyên tử từ Sự có m ặt Fe với thành phần nguyên tử thích hợp mang lại tính từ mềm tốt cho hợp kim từ giảo của hợp kim Xs « B, Si có tác dụng làm ổn định trạng thái VĐH hợp kim, làm tăng nhiệt độ kết tinh, làm cho tính từ mềm hợp kim tốt đồng thời làm tăng điện trở suất hợp kim Băng VĐH Co chế tạo có bề rộng từ 2mm đến 5mm bề dày từ 10 đến 35 |am Tính chất học ( độ dẻo, độ giòn, độ bền kéo) phụ thuộc vào độ dầy băng tức phụ thuộc vào tốc độ nguội (tốc độ nguội phụ thuộc vào chiều dày băng theo tỷ lệ nghịch) Tuy nhiên tính chất từ, trước hết lực kháng từ Hc mật độ xếp tốt băng dày 30 ịAĩĩi M ặt khác băng VĐH Co chế tạo điều kiện nguội nhanh tồn ứng suất dư vật liệu này, ứng suất dư làm tăng lực kháng từ Hc tăng tổn hao công suất lõi dẫn từ Do tính chất từ liên quan tới cấu trúc VĐH H ìn h 3.1 Ả n h chụp b ă n g mà ủ nhiệt kích thích trình kết m ẫ u VĐH Co 75 xFexSìi 5B 10 với tinh làm tính chất từ mềm Vì x= 44 điều kiện xử lý nhiệt (nhiệt độ, thời gian) quan trọng cho loại bỏ ứng suất dư m bảo đảm cấu trúc VĐH Ngoài m ột số trường hợp tính chát từ tốt quan sát tháy vật liệu VĐH kết tinh phần pha tính thể có thành phần, cấu trúc kích thước định Trong trường hợp việc xù lý khắt khe Trong nhiều trường hợp việc xử lý nhiệt tiến hành đồng thời liên hoàn với xử lý từ trường- Pha sắt từ, đômen từ hình thành từ trường có định hưởng (dị hướng) làm tăng tính chất từ mềm Điều quan trọng trường hợp phải điều chỉnh thành phần hợp kim cho nhiệt độ kết tinh TK cao nhiệt độ Curie Tc 3.1.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng trình xử lỷ nhiệt lên tính chất từ hệ vật liệu Co75_xFexSiisBio H ình 3.2 Giản đồ nhiệm xạ tia X mẫu Co 75 xFexSiỉ5BỊQ ( X = 4, 6) chưa ủ Các mẫu băng sau khỉ chế tạo, phân tích cấu trúc nhiễu xạ tỉa X Hình 3.3 giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bâng Co 75_xFexSii 5Bio (x = 4, ) Kết cho thấy không tồn củã đỉnh đặc trưng cho trạng thái tỉnh thể toàn băng VĐH Coban chế tạo Như khẳng định mẫu băng chể tạo có cấu trúc VĐH tồn đỉnh rộng với cường độ thấp góc 20 ~ 45° giải thích trật tự gàn ổn định mầm kết tinh nguội nhanh Tuy nhiên, Các vật liệu nguội nhânh, kim loại trạng thái lỏng bị dàn mỏng, nhiệt nhanh chỏng đông cứng tức thời, nguyên tử không kịp xếp lại giữ nguyên trạng thái không trật tự chất lỏng N hư thân 45 vật liệu nhận sau nguội nhanh có cấu trúc VĐH ổn định chứa nhiều ứng suất dư làm giảm tính chất từ Như trình ủ nhiệt vật liệu sau nguội nhanh cần thiết nhằm khử ứng suất dư đề cập trình xử lý nhiệt cần điều khiển (nhiệt độ, thời gian môi trường bảo vệ) để khử ứng suất dư m không làm thay đổi đặc trưng cấu trúc VĐH Việc xác định chế độ xử lý nhiệt tối ưu tiến hành thông qua kết phân tích nhiệt vi sai nhằm xác định nhiệt độ kết tinh pha tồn vật liệu Từ kết phân tích nhiệt vi sai nhận số liệu thống kê bảng 4.1 băng nguội nhanh Co 75.xFexSii 5B 10 (x = 4, ), đưa số nhận định sau: Bảng 4.1 N hiệt độ kểt tinh pha a - Co mẫu băng VĐH Co75.xFexSi15 ^ (x = 4, 6) X Nhiệt độ kết tinh (°C) Pha 441,2 a - Co (hccp) 441,8 a - Co (hccp) 441,6 a - Co (hccp) Quan sát thấy tượng tái kết tinh từ trạng thái VĐH pha a - Co (hccp) tất mẫu nhiệt độ khoảng 442°c Nhiệt độ kết tinh gần không thay đổi thành phần Fe hệ vật liệu Như để không làm thay đổi cấu trúc VĐH vật liệu cần chọn nhiệt độ ủ nhiệt nhiệt độ kết tinh pha a - Co (442°C) 46 a 'Cũ n Co JW t ỉ« pliai lif t Ệll pliụt ■ẫ « I V «=5 ũ B S u < = S -4 , 25 30 ' Ị ■ ■ - ■ : Ï5 40 45 54 55 eo a =5 / ĩri « =5 z L - - x = ^.^1 -' - - - - - - s - - ' - - - -05 2& 2M4Ì 30 35 40 45 iö Sỉ 60 Sỉ ỉblty) H ìn h 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X H ìn h 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co 75 xFexSiisBio ( X = 4, mẫu Co 75 xFexSỉjsB 10 ( X = 4, và ) xử lý nhiệt 360°c xử ỉý nhiệt 440°c Ih 6) Trên sờ kết thu sau phân tích nhiệt vi sai, mẫu băng VĐH Co vói thành phần Fe thay đổi từ 4% đến 6% nguyên tử đem ủ nhiệt nhiệt độ 320°c, 360°c, 400°e, 440°c với thời gian cố định 60 phút môi trường chân không thấp, sau tiến hành kiểm tra cấu truc nhiễu xạ tỉa X Trên hình 3.3 3.4 giản đồ nhiễu xạ tia X với mẫu VĐH Co chế độ xử lý nhiệt khác Kết cho thấy với mẫu xử lý nhiệt 420°c cho cấu trúc VĐH Khi tăng nhiệt độ lên đến 440°c xuất kết tinh pha a - Co mẫu có thành phần Fe nhỏ 5% nguyên tử tương ứng với xuất píc nhiễu xạ Ket hợp với kểt khảo sát tính chất từ sau xử lý nhiệt họ vật liệu VĐH Co nói đưa chế độ xử lý nhiệt tối ưu sau: - N hiệt độ: 360°c - Thời gian: 60 phút - M ôi trường: chân không 47 3.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến tính chất từ băng VĐH Co75.xFexSii5Bio Như đề cập chế độ xử lý nhiệt cần nghiên cứu nhằm thu vật liệu có tính chất từ mong muốn cho phép đạt hiệu ứng GMI cao Tính chất từ mềm mẫu băng VĐH đánh giá m ột cách tổng quát qua thông số đường cong từ trễ đo từ kể mẫu rung hệ đo tính chất từ mềm: Lực kháng từ Hc, từ độ bão hòa M s từ dư Mr Trên hình 3.5 3.6 đường cong từ trễ mẫu Tính chất từ mềm mẫu trước sau xử lý nhiệt đo từ kể mẫu rung (VSM) Kết thu cho thấy mẫu với hàm lượng Fe 5% nguyên tử, cho tính từ mềm tốt r 100 _ □> 50 a -50 •100 -10 -5 10 15 H(kOe) Hình 3.5 Đ ường cong từ hóa mẫu VĐH Co 75 xFexSi 15B 10 ịx =4, ) chưa xử lý nhiêt H ình -6 Đường cong từ hóa mẫu VĐH Co 75 xFexSiỉ B ỉ0 (x =4, ) ủở 400 c, 60 phút Điều lý giải sau, nguyên tử Co Fe nguyên tử từ, có mặt Fe với thành phần từ % nguyên tử thích hợp hợp kim mang lại tính chất từ mềm tốt cho hợp kim từ giảo hợp kim Xs «0 Trong B Si có tác dụng làm ổn định trạng thái VĐH hợp kim, làm tăng nhiệt độ kết tinh, làm cho tính từ mềm hợp kim tốt đồng thời làm tăng điện trở suất hợp kim nói phần Như vậy, sở tính chất từ mềm tốt hợp kim VĐH vắng mặt dị hướng từ M uốn tăng cường tính từ mềm hợp kim VĐH thường chọn thành phần hợp kim cho có từ giảo bù trừ để Xs hệ chọn 48 chế độ xử lý nhiệt tối ưu để khử ứng suất Do băng VĐH Co chế tạo điều kiện nguội nhanh tồn ứng suất dư vật liệu này, ứng suất dư làm tăng lực kháng từ Hc Do tính chất liên quan tới cấu trúc VĐH mà ủ nhiệt kích thích trình kết tinh làm m ất tính chất từ mềm Vì điều kiện xử lý nhiệt (thời gian ủ, nhiệt độ ủ) quan trọng cho loại bỏ ứng suất dư mà bảo đảm cấu trúc vô định hình kết tinh phần pha tinh thể có thành phần, cấu trúc kích thước định Trong nhiều trường hợp việc xử lý nhiệt tiến hành đồng thời liên hoàn với xử lý môi trường từ trường Pha sắt từ, đômen từ hình thành từ trường có định hướng (dị hướng) làm tăng tính chất từ mềm Trong hệ hợp kim nghiên cứu, kết cho thấy hợp kim với thành phần Fe 5% nguyên tử, ủ nhiệt đọ 360 đến 380°c thời gian 60 phúc cho H c nhỏ Thực tể ủ 440°c giá trị Hc thu lớn không đáng kể, ủ nhiệt độ này, vật liệu chuyển sang trạng thái bị giòn nên không ứng dụng sản xuất số thiết bị làm cảm biển 3.3 Nghiên cứu hiệu ứng GMI băng hợp kim vô định hình Co Các thí nghiệm nghiên cứu, đo đạc hiệu ứng GMI tiến hành phòng thí nghiệm vật lý chất rắn (VLCR) thuộc trung tâm nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ, trường đại học sư phạm Hà Nội 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng yếu tổ hình học đến hiệu ứng GMI Như biết, dòng điện chiều mật độ dòng điện có giá trị m ọi điểm thuộc tiết diện dây đãn Nhưng dòng điện xoay chiều đặc biệt với dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung mạnh lớp mỏng bề mặt dây dẫn giảm mạnh sâu vào bên lõi dây dẫn Hiện tượng gọi hiệu ứng bề mặt (hiệu ứng lớp vỏ skin effect) M ật độ dòng điện cao tần giảm theo hàm mũ theo chiều dày tính từ bề mặt dây dẫn vào Đặc trưng cho hiệu ứng bề m ặt người ta đưa đại lượng ỗ gọi độ thấm sâu, định nghĩa khoảng cách từ bề m ặt đến vị trí mà mật độ dòng điện giảm ~ 37% so với bề mặt [11 , ]: 49 (3.1) Trong p điện trở suất vật liệu, 0) tần số củã dòng điện li độ từ thẩm vật liệu Trong vật liệu từ, |J chịu ảnh hưởng tần số dòng điện xoay chiều, độ lớn từ trường Sự phụ thuộc mạnh n vào từ trường ngài vật liệu từ mềm thể hiệu ứng GMI Trên hình ảnh chụp bề mặt băng cho thấy, m ặt băng có tổ chức dạng hạt đám hạt, hạt nano a - Fe, theo kết phần khảo sát cấu trúc, ta thấy kích thước hạt a - Fe cỡ 20 nm V DH nửn Co 1= J M H? 250 ''S w_ a “ •« ỈB im — - — IU litílì — »— S m m — * — 6isi rtl A M 200 L.1 * — 7mm J iỊ lû t 150- âmíTi m 10050 -400 ĩ - 200 20 Ũ 400 Hị Oe ) H ìn h 3,7 ; Khảo sát hiệu ứng GM Ỉ (tần sẩ G hiểu M hz) theo chiều đài mẫu đo d ả i ( itĩ m } H ình 3.8: Tỷ số GM I cực đại theo chiều dài mẫu đo (bề rộng mẫu mm) 50 Như ta biết, hiệu ứng GMI ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt nên thông số hình học mẫu chắn có ảnh hưởng đến hiệu ứng Mẩu chế tạo công nghệ nguội nhanh có dạng băng mỏng nên dễ dàng gia công thành dạng sợi có chiều dài độ rộng khác thuận lợi cho việc khảo sát ảnh hưởng hình học mẫu lên hiệu ứng GMI Hình ảnh chụp SEM độ dày băng, hình cho thấy, độ dày băng thay đổi theo vị trí phun (đầu, hay cuối băng) điều lý giải sau: trình truyền nhiệt trung gian R = h(Tj - T 0)/Cp.p.b Từ suy ra: b = —^ -— Cp.R.p (3.2) (3.3) Trong đó: R : tốc độ làm nguội; Cp: nhiệt dung riêng; p : Khối lượng riêng hợp kim nóng chảy; b: Bề dày hợp kim nóng chảy Trong điều kiện, Ti, h, Cp, p không thay đổi, sau phun T có xu hướng tăng lên nhiệt truyền từ băng vào trống Cộng với hợp kim ít, áp lực đẩy lên hợp kim nóng chảy “dễ” hơn, dẫn đến R tăng Điều dẫn đến hệ độ dày băng giảm Do đó, mẫu khảo sát, cố gắng chọn mẫu băng có bề dày có 20 |am ± (Am để khảo sát Các kết khảo sát ảnh hưởng thông số hình học độ dài mẫu đo, độ rộng mẫu đo YỚi băng VĐH hình 3.7 đến 3.10, nhằm tìm kích thước tối ưu cho tỷ số GMI cao với mục đích tăng độ xác phép đo Kết cho thấy, mẫu có kích thước dài 5mm, rộng ,3 rnm cho hiệu ứng GMI cao cới hệ đo, cho tính lặp lại cao Điều lý giải hiệu ứng bề mặt chịu ảnh hưởng thông số hình học mẫu đo Việc tìm kích thước tối ưu cho tỷ số GM Ir cao tăng độ xác phép đo thuận lợi cho việc đánh giá kết Tất mẫu dùng để khảo sát GMI phần sau cắt thành dạng sợi có kích thước dài ~ mm, rộng ~ 0,3 mm, bề dày ~ 20 |xm, sau đem xử lý nhiệt Tất mẫu gắn vào điện cực keo bạc, hàn thiếc (dùng công nghệ hàn “đồ kim hoàn” để tránh tượng mẫu bị ủ cưỡng hàn thiếc) 51 \ ' H ìn h 3.9 Khảo sát hiệu ứng GM I (tân sổ M hz) theo chiêu rộng mâu đo C h iế u r ộ n g ( m 111 ^ H ình 3.10 Tỷ sổ GM I cực đại theo chiều rộng mẫu đo 3.3.2 K hảo sát ản h hư ởng tầ n số đo đến hiệu ứng G M I Ta biết, hiệu ứng GM I thay đổi tổng trở tác dụng từ trường Từ trường làm thay đổi từ thẩm vật liệu, dẫn đến độ thám sâu bề m ặt thay đổi tìieo tổng trở z thay đổi Ở độ từ thẩm thay đổi giải thích hai trình khác nhau, dịch vách đômen quay véc tơ từ độ [16], tần số thấp hai chế ảnh hưởng đển thay đổi độ thẩm từ, tần số cao hơn, hiệu ứng bề mặt mạnh hơn, quay véc tơ từ độ chiếm ưu so vởi dịch vách đômen Và tồng trở dây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tần sế Cữ chạy qua tác dụng từ trường ngoàỉ m ột chỉều trục băng xác định theo biểu thức sau: H ex t đặt dọc theo 52 (3.4) 200 _ 50 ^ 100- CD 50 H (O e) H (kO e) Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GM I mẫu M ủ 360°c 60 phút 200 g - l X ci | E1 0 - 504 10 T ần s ố ( MHz) Hình 3.12 So íấn/i $ íố GM I cực đại theo tần số đo Trong độ từ thẩm hiệu dụng theo phương ngang băng từ hàm tần số từ trường Để khảo sát ảnh hưởng tần số đo hiệu ứng GMI, sử dụng mẫu vật liệu VĐH M5 M ẩu cắt thành sợi có kích thước bề rộng 0,3 mm, chiều dài mm kết biểu diễn hình 3.11, từ kết cho thấy với tất mẫu cho tỷ số GMI cao lân cận vùng tần số Mhz Sự phụ thuộc vào tần số hiệu ứng GMI giải thích tổng trở z kéo theo hiệu ứng GMI bị ảnh hưởng mạnh tần số dòng điện xoay chiều theo biểu thức 3.4 Các nghiên cứu với tăng tần số, trình từ hóa qua 53 việc dịch vách đômen diễn tần số thấp (100kHz - 1MHz) băng VĐH Với tần số < 100 kHz, giá trị cực đại GMI (%) tương đối thấp, chiếm ưu thể tượng cảm ứng từ vào tổng trở Đối với dải tần số từ 100 kHz đến 10 MHz, dải thông thường với hầu hết nghiên cứu hiệu ứng GMI, với tăng tần số, tỷ số GM Irmax lúc đầu tăng, đến giá trị cực đại sau giảm Khi tần số tăng, lúc đầu GM Irmax tăng, hiệu ứng bề mặt chiếm ưu thể, tần số tiếp tục tăng lớn hơn, GM Imax lại giảm theo chiều tăng tần số Các nghiên cứu cho thấy tỷ số GM Irmax vùng tần số cho vùng tần số - 6 MHz đạt giá trị lớn nhất, nhà nghiên cứu MHz, dịch vách đômen m ạnh đóng góp dòng điện xoáy vào độ từ thẩm theo phương ngang Sự ảnh hưởng nghiên cứu thực nghiệm công bố [1 ] Các công bố hoàn toàn khớp với kết thực nghiệm thu 3.4 Nghiên cứu hiệu ứng GMI hệ hợp kim VĐH Co _xFexSi15B 10 3.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Fe hợp kim đến tỷ sổ GMIr hợp kim VĐH Co _xFexSii5B10 H (Oe) Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI theo hàm lượng Fe, mẫu chưa ủ theo hàm lượng Fe, mẫu ủ ìá ũ °c n b Kết khảo sát với mẫu chửa xử lý nhiệt cho hình 3.13 kết cho thấy mẫu có thành phần Fe 5% nguyên tử cho tỷ số GMI cao 54 Kết tương tự với hệ mẫu ủ nhiệt 360°c Kết đối chiếu với kết phần khảo sát tính chất từ cho thấy hoàn toàn phù hợp, tính chất từ mềm tốt, kéo theo hiệu ứng GMI thay đổi lớn Ta biết, sở tính chất từ m ềm tốt hợp kim VĐH vắng mặt dị hướng từ M uốn tăng cường tính từ mềm hợp kim VĐH thường chọn thành phần hợp kim cho có từ giảo bù trừ để Xs hệ chọn chế độ xử lý nhiệt tối ưu để khỏi ứng suất Ta biết, ảnh hưởng thành phần xử lý nhiệt đến tính dị hướng vật liệu thông qua giá trị Ầs Kết cho thấy tỷ số GMI cực đại đạt giá trị cao ứng với mẫu có Ầs - 0, tỷ số GMI phụ thuộc vào tính tù mềm vật liệu Vậy việc thay đổi thành phần Fe ảnh hưởng đến tính chất từ hiệu ứng GMI vật liệu 3.4.2 N ghiên cứu ảnh hư ởng chế độ ủ nhiệt đến tỷ số G M Ir hợp kỉm vô định hình Co 75 - x FexSii5Bio 20 40 60 Thờỉ giỉin (phút) Nhiệt độ ("C) H ìn h 3.15 So sánh tỳ số GM I cựu đại theo nhiệt độ ủ mẫu C S-X FexSi 15B I0, ao H ình 3.16 So sánh tỳ sổ G M I cựu đại theo thời gian ủ mẫu C _xFexSỉisB 10, M Hz M Hz Như kết phần khảo sát từ, vởỉ m ột khoảng thời gian xử lý nhiệt hợp lý, trình khử ứng suất dư dẫn đến giảm dị hưởng từ Kết khảo sát GMỈ cho thấy, mẫu xử lý nhiệt 3Ố0°C cho tỷ số GMI cao 55 KẾT LUẬN Đã nghiên cứu tổng quan hiệu ứng tổng trở cao tần tổng trở khổng lồ GMI dây dẫn từ tính: chế hiệu ứng theo dải tần sổ khác (tần sổ thẩp, tần sổ trung bình tần sổ cao) Đã làm rõ mối liên hệ hiệu ứng GMI cẩu trúc đômen dây dẫn từ tỉnh vô định hình có hình dạng khác Đã sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo mẫu hợp kim VĐH giàu Co hệ Co7S.xFexSijSBjo (x = 4, ó) Đã nghiên cứu ảnh hưởng việc thay đổi hàm lượng Fe hợp kim VĐH Co chế độ xử lý nhiệt đến cẩu trúc, tính chất từ vật liệu Kết cho thấy việc thay đổi hàm lượng Fe không làm thay đổi trạng thải VĐH vật liệu trình nguội nhanh Nhưng Fe làm tăng cảm ứng từ bão hòa, đồng thời Fe nguyên tổ rẻ tiền Co Khi ủ mẫu giàu Co, trạng thái VĐH quan sát thấy tất mẫu ủ 380°c (thời gian ủ tới lh ) với mẫu 380°c thấy xuất pha tình thể a - Fe số mẫu Với mẫu ủ 380°c , kết khảo sát lực kháng từ H c cho thấy có giảm H c mẫu ủ, điều trình ủ nhiệt khử ứng suất dư, tăng độ ổn định cẩu trúc vô định hình, giảm dị hướng vật liệu đỏ làm giảm H c Mẩu có 5% nguyên tử nguyên tử Fe, ủ 360 - 380°c cho tính từ mềm tốt Đã nghiên cứu ảnh hưởng yếu tổ hình học mẫu (senso GMI) đến hiệu ứng GMI, Kết cho thấy hiệu ứng GMI phụ thuộc mạnh vào yếu tổ kích thước mẫu Kết thu cho thấy mẫu có bề dày cỡ 20 fim, rộng cở 0,3 mm, dài mm cho tỷ số GMIr lớn nhiệt độ phòng Đã nghiên cứu ảnh hưởng tần số đo đến tỷ số GMIr, kết cho thấy giá trị GMIr lớn thu đo tần sổ MHz với mẫu 56 DANH MỤC CÀC TÀI LIỆU THAM KHAO Tiếng Việt [1] Bùi Xuân Chiến (2009), Vật liệu từ cẩu trúc nanô 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), cẩ u trúc tể vi tính chẩt 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 chẩt từ m ột so vật liệu từ vô định hình nanômét, Luận án Tiến sĩ V ật 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 V ật Lý K ĩ 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, Ha Nội [6 ] Nguyễn Hữu Tình (2012), Nghiên cứu tính chat từ hiệu ứng GM I vật liệu từ vô định hình, nano tinh thể ứng dụng làm cảm biển dòng điện, Luận án Tiến sĩ V ật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Tiếng Anh [7] J Bigot, N Lecaude, J c Perron, c Milan, c Ram iarijaona and J.F Rialland (1994) Influence o f annealing conditions on nanocrystallization and magnetic properties in F e 73 CujNb Si 135 B alloy J MMM, 133, pp 299-302 [8 ] G Chen, X.L Yang, L Zeng, J x Yang, F.F Gong, D.p Yang, z c Wang (2000) Enhanced GM1 effect in a Co oFe5 Sij5Bjo ribbon due to Cu and Nb substitution fo r B J Appl Phys, pp 5263-5265 [9] H s Chen and K.A Jackson (1981) M etallic Glasses, Treatise on M aterials Science and technology Vol 20, pp 251 [10] L.D Landau and E.M Lifshitz, Electrodynamics of Continuous M edia (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 M aiko, p Svec, D Janickovic (1995) Structural characterization o f the Finem et type alloys Journal of Nou-Crystalline Solids, pp 561-564 [...]... quyết định chọn đề tài: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của hợp kim vô định hình Co 75_xFexSii5Bio” 7 2 M ục đích nghiên cứu Tìm được thành phần và chế độ xử lý mẫu cho tính chất từ và hiệu ứng GMI tốt nhất 3 Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo mẫu vật liệu mẫu bằng công nghệ nguội nhanh - Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của các mẫu đã được chế tạo - Khảo sát hiệu ứng GM I trên các mẫu... giữa cấu trúc đômen, dị hướng từ và tỷ số GMI 14 Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, m ột số mô hình toán học đã được tìm thấy cố dải tần phù hợp với dải tần nghiên cứu (lớn hơn 10 KHz) và dạng hình học của vật liệu Trong đó, m ối quan hệ giữa cấu trúc đômen và quá trình từ hổa của chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ số GMI được thể hiện Đ ây là mô hình của Squừe [12] dành cho quá trình từ hốa và. .. là hợp kim với các nguyên tố kim loại và á kim rất dễ vô định hình hoá (ở các nguyên tố này, bán kính nguyên tử rất khác biệt nhau) Thực chất vấn đề là ở chỗ, ở đó xảy ra quá trình ổn định cấu trúc do sự điền đầy các lỗ trống trong cấu trúc YÔ định hình Ở pha vô định hình xuất hịên mối quan hệ bền vững giữa các kim loại và á kim dẫn tới sự bền vững cấu trúc Ta thấy để YÔ định hình hoá kim loại và hợp. .. tố trong hợp phần có vai trò và ảnh hưởng khác nhau đến cấu trúc vi mô của vật liệu Trong đó B đóng vai trò làm ổn định nền vô định hình và làm giảm lượng pha a - Fe khi nồng độ của nó tăng lên Si làm ảnh hưởng đến dị hướng từ tinh thể và từ giảo của vật liệu Ảnh hưởng của tỷ phần các nguyên tố lên tính chất từ và hiệu ứng GMI đang được nghiên cứu m ột cách triệt để Với lý do trên tôi quyết định chọn... trường hợp đó người ta dùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trưng bởi tỷ số GM I (hoặc GMIr) M uốn nhận được tỷ số tổng trở GM Ir cao, hợp kim phải có từ thẩm ]LLcao hay nói cách khác phải là vật liệu có tính từ mềm tốt Hợp kim VĐH là vật liệu có tính từ mềm rất tốt Trong hợp kim VĐH, khi hàm lượng của các nguyên tố hợp phần thay đổi thì cấu trúc và tính chất của hợp kim. .. thái YÔ định hình của hợp kim có mối quan hệ m ật thiết với các điều kiện YÔ định hình hoá: thành phần, tốc độ làm nguội, bề dày băng hợp kim và các thông số về tính chất vật lý của các nguyên tố tham gia hợp kim, cũng như toàn bộ hợp kim (độ sệt, độ chảy, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ thuỷ tinh hoá ) Với 26 mỗi hợp kim cụ thể, mối quan hệ giữa tốc độ nguội và bề dày băng hợp kim có tính quyết định đến... việc hình thành trạng thái vô định hình mong muốn Vì vậy, vấn đề then chốt của công nghệ nguội nhanh là phải chọn thành phần hợp kim phù hợp, chọn tốc độ nguội gần với tốc độ nguội tới hạn R c Xác định bề dày băng hợp kim và các tính chất vật lý của nó sau chế tạo, để điều khiển các thông số kỹ thuật và công nghệ Trên cơ sở của các yểu tố này có thể phần nào dự đoán được cấu trúc và tính chất của hợp kim. .. liệu từ này với cơ sở Fe và Co M oment từ của các nguyên tử từ tính giảm khi hàm lượng á kim tăng với cơ sở Fe + Co Với cơ sở Co thì moment của các nguyên từ từ tính thay đổi phụ thuộc vào nồng độ á kim ( B, Si, N b ) được pha vào trong vật liệu Với vật liệu từ VĐH cơ sở Fe thì việc phụ thuộc vào nồng độ á kim của m oment từ của các nguyên tử từ tính khá phức tạp Nhiệt độ Curie Tc của vật liệu từ VĐH... lại hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto - impedance effect) là sự thay đổi m ạnh tổng trở z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài Hc và dòng điện cao tần cỏ tần số ú) 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 ứng tổng trở khổng lồ (GMI) là sự kết hợp. .. không được xác định 1.4.2 Đặc trưng C tf bản của vật liệu từ mềm VĐH Hợp kim VĐH về từ tính có thể là sắt từ, ferrit từ hay phản sắt từ M ột số tính chất chung của vật liệu từ VĐH: + Khi bị từ hóa thì từ độ dễ dàng tiệm cận và đạt giá trị bão hòa + Quan sát được tổ chức đômen và hiện tượng từ trễ + Có tồn tại nhiệt độ Curie (Tc) + Quan sát được hiện tượng từ giảo và dị hướng từ ( trừ dị hướng từ tinh thể)