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

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2

HOÀNG CÔNG TĨNH

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNGGMI CỦA HỢP KIM VÔ ĐỊNH HÌNH CO75.xFExSIi5B10

Chuyên ngành: Vật ỉý chất rắnMã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC VẶT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Tình

HÀ NỘI, 2015

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sẳc tới TS Nguyễn Hữu Tình người thầy đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này.

Tôi xin cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện và khích lệ của

PGS.TS Nguyễn Huy Dân dành cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn.

Tôi xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ của học viên Nguyễn Thị NgọcLoan người cùng chung giáo viên hướng dẫn, đã cùng tôi hoàn thành nhiều công đoạn trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tôi xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS Nguyễn Mẩu Lâm, NCS Nguyễn Hải Yến, NCS Đinh Chỉ Linh và các cán bộ, học viên khác trong Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam (nơi tôi hoàn thành công việc chế tạo mẫu thực nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu luận văn).

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của Trường đại họcsư phạm Hà Nội 2, Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn - Trung tâm nghiên cứu khoa học và chuyến giao công nghệ trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đối ván tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Sau cùng, tôi xin cảm ơn và thực sự không thế quên được sự giúp đỡ tậntình của các thầy cô giáo, bạn bè, anh em gần xa và sự động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện của những người thân trong gia đình trong suốt quá trình tôi học tập,nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 7 năm 2015 Tác giả

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm on và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Hoàng Công Tĩnh

1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI) 8

1.1.1 Giới thiệu về hiệu ứng GMI 8

1.1.2 Cấu trúc đômen của vật dẫn từ tổng trở 11

1.1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ- GMI 13

1.1.4 Hiện tượng tách đỉnh - mô hình giải thích hiện tượng tách đỉnh 16

1.2 Ảnh hưởng của thông số đo đến tỷ số GMI 19

1.2.1 Cường độ dòng điện chạy qua mẫu 19

1.2.2 Tần số dòng đo 19

1.2.3 Nhiệt độ đo 20

1.3 Công nghệ nguội nhanh 21

1.3.1 Các phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dưới dạng băngmỏng 21

1.3.2 Tốc độ nguội của họp kim nóng chảy 22

1.4.3

Các phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm VĐH 28

1.4.4 Khả năng ứng dụng của vật liệu từ mềm VĐH 28

CHƯƠNG 2: THựC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 30

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.2 Chế tạo mẫu hợp kim 30

2.2.1 Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu trúc vô định hình bằng thiết bịnguội nhanh đơn trục 30

2.2.1.1 Tạo họp kim ban đầu 31

2.2.1.2 Phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu ở dạng băng mỏng 33

2.2.2 Kỹ thuật gia công mẫu 34

2.2.3 Xử lý nhiệt bằng 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 tử quét và phương pháp tán sắcnăng 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 của thành phần các nguyên tố và quá trình xửlý nhiệt lên tính chất từ của hệ vật liệu Co - Fe - Si - B 43

3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần các nguyên tố lên tính chất từcủa hệ vật liệu Co75_xFexSii5Bio 43

3.1.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt lên tính chất từ củahệ vật liệu Co75_xFexSii5Bio 443.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến tính chất từ của băng

VĐH Co75.xFexSi15B10 473.3 Nghiên cứu hiệu ứng GMI của băng hợp kim vô định hình nền Co 48

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến hiệu ứng GMI 483.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của tần số đo đến hiệu ứng GMI 513.4 Nghiên cứu hiệu ứng GMI trên hệ họp kim VĐH Co7g_xFexSiigB10 533.4.1 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng Fe trong họp kim đến tỷsố GMIr của họp kim VĐH Co7g_xFexSiigBio 533.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến tỷ số GMIr của họpkim vô định hình Co75 _ X FexSiigBio 54KẾT LUẬN 55DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Ir, Jr, MrkßmrMsNRc

A mT1 gta

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Cảm ứng từ dư Từ giảo bão hòa

Năng lượng của mỗi đơn vị diện tích trên vách đômen Độ dày vách đômen Độ từ thẩm của chân không Hệ số khử từ

Năng lượng dị hướng từ tinh thể Lực kháng từ Trường tạo mầm đảo từ Số hạng trường tinh thể

Số hạng trường trao đổi hoạt động trên các mômen đất hiếm Từ trường ngoài Trường nội tại Từ độ dưHằng số Boltzmann

Từ độ rút gọnTừ độ bão hòaHệ số khử từ

Tốc độ nguội tới hạn

Spin của nguyên tử kim loại chuyển tiếpHệ số nhớt của vật liệu

Nhiệt độ ủNhiệt độ Curie

Nhiệt độ Curie gây bởi tương tác đất hiếm và kim loại chuyển tiếp Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ thủy tinh hóa Thời gian ủ nhiệt

DANH MỤC CÁC CHỮ VIÉT TẮT

Lỏng quá nguội Đất hiếmNhiễu xạ điện tử vùng chọn lọcKính hiển vi điện tử truyền quaKim loại chuyển tiếp

Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển phaV ô định hình

Vật liệu từ cứngHệ từ kế mẫu rungNhiễu xạ tia X

b/Sự phân bố cẩu trúc domain trong lõi và vỏ của dây

Hình 1.5 Cấu trúc domain của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay chiều và từ

trường một chiều

Hình 1.6 Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng tong trở khống lồ Hình 1.7 Hình dạng đường cong GMI có hiện tượng tách đỉnh Hình 1.8 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh Hình 1.9 Đồ thị Xttheo h ứng với các giá trị 0Kkhác nhau

Hình 1.10 Tỷ số GMIr của băng vô định hình nền Co theo cường độ dòng điện.Hình 1.11 Tỷ sổ GMIr của băng nano tỉnh thể Fe7jAl2Sij4B8sCujNb35 phụ thuộc tần so.

Hình 1.12 Tỷ sổ GMIr đo ở tẩn sổ 4 MHz, nhiệt độ thay đối từ 10K đến 300K của

băng vô định hình Co69Fe4 5CUỊ5Siì0Bì5 chưa ủ (a) và ủ ở 350°c (b).

Hình 1.13 Quá trình truyền nhiệt.

Hình 1.14 Hợp kim một nguyên, đường 1, 2 và 3 ứng với tổc độ nguội khác nhau Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không.

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ nấu hồ quang và đúc mẫu.

Hình 2.3 (a) Ánh hệ nấu hợp kim ho quang: (1) máy chân không, (2) buồng nấu,

(3) tủ điều khiến, (4) bình khỉ trơ (Ar hay Ni), (5) nguồn điện, (b) Ảnh bên trongbuồng 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 minh họa nguyên lý hoạt động của 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 cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt; b) Là loại

bổ chính công suất.

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ đo GMI.

Hình 3.1 Ảnh chụp băng mẫu VĐH Co75.xFexSiI5BI0 với

Hình 3.2 Giản đồ nhiệm xạ tia X của các mẫu Co75.xFexSij5BỊ0 ( X = 4, 5 và 6) chưa ủ.

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co75.xFexSÌỊ5B¡0 (X = 4, 5 và 6) được xử lý nhiệt ở 360°c trong lh.

Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co75.xFexSÌỊ5B¡0 (X = 4, 5 và 6) được xử lý nhiệt ở 440°c trong Ih.

Hình 3.5 Đường cong từ hóa của mẫu VĐH Co75.xFexSij5B10 (x =4, 5 và 6) chưa xử lý nhiệt.

Hình 3.6 Đường cong từ hóa của mẫu VĐH Co75.xFexSij5B10 (x =4, 5 và 6) ủ ở 400°c, 60 phút.

Hình 3.7 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6 Mhz) theo chiều dài mẫu đo Hình 3.8 Tỷ

sổ GMI cực đại theo chiều dài mẫu đo (bề rộng mẫu là 2 mm)

Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI (tan so 4 Mhz) theo chiểu rộng mâu đo Hình 3.10

Tỷ sổ GMI cực đại theo chiểu rộng mâu đo Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GMI mâu M5 ủ 360°c trong 60 phút Hình 3.12 So sánh tỷ so GMI cực đại theo tẩn sổ đo.

Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI theo hàm lượng Fe, mâu chưa ủHình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI theo hàm lượng Fe, mâu ủ ở 360°c/lh

Hình 3.15 So sánh tỷ sổ GMI cựu đại theo nhiệt độ ủ của mâu Co75 xFexSi]5B10, 6MHz

Hình 3.16 So sánh tỷ sổ GMI cựu đại theo thời gian ủ của mẫu Co75 xFexSiI5BI0, 6 MHz

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài.

Vật liệu từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà “mềm” về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khửtừ) Vật liệu từ mềm có đường trễ từ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từthẩm lớn nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài Cho nên thường được sử dụng làm vật liệu hoạtđộng trong trường ngoài, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ hoặc các chi tiết cảm biến.

Hợp kim vô định hình (VĐH) dưới dạng băng mỏng, sợi mảnh kích thước cỡ một vài cho đến vài chục micro mét làkích thước so sánh được với độ thấm sâu cao tần 5 Điện trở suất cao và đặc biệt là từ thẩm cao của hợp kim VĐH và nano tinhthể là các yếu tố quan trọng có thể khai thác và điều khiển hiệu ứng tổng trở cao tần trong dây dẫn từ tính hoặc các thiết bị nhưđã nêu ở trên.

Hợp kim từ tính làm bằng băng VĐH vốn có từ thẩm p rất cao Dưới tác động của từ trường ngoài H, p thay đổi mạnhlàm cho độ thấm bề mặt 5 thay đổi mạnh dẫn đến sự thay đổi mạnh của tổng trở z của vật liệu Trong trường hợp đó người tadùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trưng bởi tỷ số GMI (hoặc GMIr) Muốn nhậnđược tỷ số tổng trở GMIr cao, hợp kim phải có từ thẩm p cao 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 thayđổi thì cấu trúc và tính chất của hợp kim cũng thay đổi Mỗi nguyên tố trong hợp phần có vai trò và ảnh hưởng k hác nhau đếncấu 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 độcủa 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 một cách triệt để Với lý do trên tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu

cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của hợp kim vô định hình Co75.xFexSi15B10”.2 Mục đích nghiền 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 GMI trên các mẫu đã được chế tạo.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Vật liệu từ mềm vô định hình nền Co chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng, cụ thể là Co75_xFexSii5B10trong đó thành phần Fe thay đổi với X = 4, 5, 6.

5 Phương pháp nghiền cứu

Từ đối tượng và mục đích nghiên cứu là làm rõ mối quan hệ giữa công nghệ chế tạo và xử lý mẫu - cấu trúc vi mô vàtính chất từ và tổng trở của mẫu, áp dụng các phương pháp thực nghiệm như sau Sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạohợp kim VĐH, sau đó sử dụng các phương pháp đo thích hợp để xác định các thông số cấu trúc, tính chất của mẫu vật liệu.

6 Giả thuyết khoa học

Đe xuất hướng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật và đời sống.

-Hình 1.1 Tổng trở củadây dẫn có từ tính

Khi cho dòng điện xoay chiều qua dây dẫn có từ tính, dòng điện này sẽ sinh mộttừ trường biến thiên Ht vuông góc với dây dân (hình 1.1) Từ thông sinh ra do sự biếnthiên của Ht làm xuất hiện trong dây dẫn dòng điện i

cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từtrường Ht - tương tự như tổng trở của mạch RLC.Mặt khác Ht từ hóa dây theo phương ngang làm xuấthiện độ từ thẩm theo phương ngang pt Khi ta đưa từtrường ngoài Hext một chiều song song với trục củadây dẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình

từ hoá theo phương ngang tức là thay đổi độ từ thẩm ngang Pt là nguyên nhân ảnh hưởngđến tổng trở của dây (làm giảm tổng trở).

Tổng trở của dây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tần số co chạy qua dưới tácdụng của từ trường ngoài một chiều Hex đặt dọc theo trục của dây được xác định theo biểuthức sau [10]

Với Rxi X Xi R,■ỊK (1.3)

ỏ0 là độ dầy thấm sâu :

Từ (1.2) (1.3) (1.4) biến đổi ta có:

ỏ 0 =\2 pMo®

Như vậy đối với cácvật dẫn phi từ p ~ 1, từtrường tác động lên độ thấmtừ gần như không đáng kể,có thể bỏ qua Do đó tổngtrở của chúng chỉ thay đổitheo tần số.

Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ từ thẩm rất lớn p ~ 106 (vô định hình nền Co vànano tinh thể Fe), thì độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ trường và tần số (p = p(H,o>)),kéo theo sự thay đổi mạnh tổng trở khi từ trường và tần số thay đổi Tuy nhiên tổng trở z

không chỉ cơ bản phụ thuộc tính chất từ của vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào quá trình từhóa động của các đômen trong dây dẫn (quá trình dịch vách và quay véc tơ từ độ) Đây làyếu tố liên quan đến hình dạng, kích thước hình học của vật dẫn Các kết quả được côngbố trong nước và quốc tế cho thấy: Hiệu ứng GMI được quan sát thấy tốt nhất trong cácvật liệu từ mềm vô định hình và nanô tinh thể có hệ số từ giảo gần như bằng 0.

Ngoài ra hiệu ứng GMI còn liên quan mật thiết đến hiệu ứng bề mặt khi tần sốcao Khi đi sâu vào trong vật liệu một lớp 5 (độ thấm sâu), mật độ dòng điện xoay chiềugiảm đi e lần và có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dày 5 trên bề mặt dây dẫn Độthấm sâu 5 càng nhỏ (tần số cao) thì tức là dòng điện chỉ phân bố trên một lớp rất mỏng ởbề mặt dây dẫn và dòng điện càng bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) và ngược lại Bằng lýthuyết và thực nghiệm thấy 5 phụ thuộc vào tần số dòng điện, tính chất từ của vật liệulàm dây dẫn và từ trưòng ngoài đặt vào vật dẫn theo biểu thức sau:

Hình 1.2 và công thức (1.6) thể hiện mối tươngquan giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ trường ngoài Khi từ trường ngoài Hexttăng thì độ từ thẩm p giảm dẫn tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại Như vậy cùngvới sự có mặt của từ trường ngoài Hext và từ trường ngang Ht của dòng cao tần đã làmthay đổi quá trình từ hoá vật dẫn từ mềm (p thay đổi và giảm khi tăng từ trường ngoài) vàlàm thay đổi độ dầy thấm sâu của bề mặt 8 Như vậy khircó mặt từ trường ngoài Hext độthấm sâu 8 tăng mạnh tương ứng với tổng trở của vật dẫn giảm và xuất hiện hiệu ứngtổng trở khổng lồ.

Nói tóm lại hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto - impedance effect) làsự thay đổi mạnh tồng ưở z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài Hc

và dòng điện cao tần có tần số (ừ Cơ chế của hiệu ứng tổng trở khổng lề (GMI) có bản

chất điện - từ và cố thề giải thích bằng lý thuyết điện động lực học cổ điển TheoL.V.Panina bản chất điện từ của hiệu ứng tổng trở khổng lồ (GMI) là sự kết hợp giữa hiệu

ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng (Jii eff) của dây dẫn vào từ trường.

Như đã được đề cập ỡưên, hiêu ứng từ tồng trởkhổng lồ liên quan đến quátrình từ hoá động của vật dẫntrong từ trường Quá trình từhoá này cổ mối liên hệ mậtthiết với cấu trúc từ vi mô củacác vật dẫn từ Theo các kếtquả nghiên cứu, cấu trúc từ vỉmô của vật dẫn từ tổng trở phụthuộc vào độ từ giảo và cácứng suất nội cũng như bênngoài tác động lên vật liệu.

aỉ Mô hình cấu trúc

domain khỉ không cố từ trườngngoài

Hình 1.3 Mô hình đơn giản của đômen lõi vỏ

a,Quá trình từ giảo dương

b, CỊUấ trình từ giảo âmshall

hình cấu trúc đômen của vật dẫn dạng dây Có thể thể thấy có hai dạng cấu trúc chính ứngvới các vật liệu có hằng số khác dấu cấu trúc này bao gồm hai phần là lõi và vỏ Với vậtliệu có hằng số từ giảo duơng (Hình 1.3 a), đômen lớp vỏ ngoài của dây là có dạng xuyếntròn đuợc gọi là đômen vòng Đômen vòng này làm xuất hiện năng luợng khử từ, năngluợng này giảm dần theo chiều từ lớp bề mặt đi vào lõi do các đômen khép kín có trên bềmặt mẫu và trong lõi của dây Do đó, các trục dễ cũng nằm dọc theo trục của dây hoặcvuông góc với trục của dây Vì vậy, các mômen từ sẽ tạo với trục của dây một góc 0 hoặc90°, ngoại trừ vách đômen Hiện tuợng từ giảo âm là nguyên nhân sinh ra cấu trúc đômen‘bamboo’ với trục dễ vòng.

Theo Kinoshita và các cộng sự [11] khi có mặt ứng suất kéo, sẽ có một trục ứngsuất thay đổi dần từ dạng nén tại bề mặt thành dạng kéo ở lõi của dây Liu và các cộng sựcũng mô hình hoá quá trình làm nguội nhanh trong chế tạo vật dẫn dạng dây Các kết quảcủa nhóm này chỉ ra đối với dây đuờng kính 60pm thì ứng suất du ở dạng nén tại bề mặtdây (~ 1200 MPa) khi giảm chiều sâu khoảng 20 pm thì ứng suất du dạng nén tiến đến 0,sau đó ứng suất du dạng nén biến đổi thành ứng suất dạng kéo và tăng dần giá trị lênkhoảng 150MPa khi tiếp tục đi sâu vào trong lõi của dây khoảng 10 pm Cuối cùng thì giátrị ứng suất lại giảm dần về 0 tại lõi của dây Giá trị cơ bản của mô hình lõi - vỏ đã đuợcxác nhận qua rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm và rất cần thiết trong qúa trình quan sáttrực tiếp bề mặt đômen Tuy nhiên, điểm khó khăn trong quá trình quan sát trực tiếp cấutrúc đômen là chỉ quan sát đuợc cấu trúc đômen trên bề mặt của dây (cả dây ban đầu vàdây đã qua xử lí), cấu trúc đômen bên trong chỉ có thể đuợc phỏng đoán.

Tuy nhiên có sự thay đổi một chút với các đômen song song nhau ở lớp vỏ, thànhphần xoắn của từ độ trong lõi và sự phân bố của các trục dễ trong dây (hình

b/ Quá trình từ hoá trong vật dẫn từ

Hình 1.5 Cấu trúc đômen của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay chiềuvà từ trườne môt chiều

ở vùng tần số thấp quá trình dịch vách đômen ở lớp vỏ chiếm ưu thế hơn quá trìnhquay vec tơ từ độ ở đômen lõi ở tần số cao quá trình dịch vách đômen bị dập tắt bởi dòngxoáy, do đó chỉ còn quá trình quay vectơ từ độ trong đômen lõi của dây dẫn dưới tácdụng của từ trường ngoài một chiều Điều này được phân tích chi tiết với mô hình lýthuyết giải thích hiệu ứng GMI được trình bày ở phần tiếp theo sau.

1.1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ- GMI

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng vậtliệu từ vào khoa học kỳ thuật cũng như đời sống hàng ngày Nên ngay sau khi được tìmthấy vào năm 1994, có rất nhiều mô hình lý thuyết được đưa ra nhằm giải thích cơ chếcủa hiệu ứng Một số mô hình đã rất thành công, tuy nhiên, mỗi mô hình chỉ phù hợp vớimỗi dải tần số nhất định Ví dụ mô hình dòng xoay chiều dành cho dải tần f ~ 100kHz -30MHz; mô hình đômen cho dải tần f ~ 100kHz - 100MHz; mô hình điện từ cho dải tầnf~ 10MHz - 10GHz; mô hình trao đổi độ dẫn cho dải tần f ~ 10MHz - 10GHz Trong đócó mô hình chỉ giải thích được nguồn gốc của hiệu ứng GMI mà chưa nói lên được mốiliên hệ giữa cấu trúc đômen, dị hướng từ và tỷ số GMI.

HDC

Hình 1.6 Mô hình tỉnh toán giải thích hiệu ứng tổng trở

khổng lồ

Trong phạm vỉ nghiên cứu của luận văn, một số mô hình toán học đã được tìmthấy cố dải tần phù hợp với dải tần nghiên cứu (lớn hơn 10 KHz) và dạng hình học củavật liệu Trong đó, mểi quan hệ giữa cấu trúc đômen và quá trinh từ hốa của chất sắt từvới độ từ thẩm ngang và tỷ số GMI được thể hiện Đây là mô hình của Sqmre [12] dànhcho quá trình từ hổa và hiệu ứng từ giảo ưong vật liệu từ mềm Mô hình này cổ thề đượcsử dụng trong cả vật dẫn cố cấu trúc hình trụ và vật dẫn cố cấu trúc phẳng (hai cấu trúcnày chỉ khác nhau về độ lớn của năng lượng khử từ ngang) Với dạng hình trụ, trường-khử từ tròn là rất nhỏ do từ trường tròn xoay liên tục duy tri Với dạng phẳng, trường khửtừ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch váchđomain và quá trình quay củã vec tơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từtrường do dòng cao tần gây ra Hình 1.6 chỉ ra cấu trúc đômen và các góc được sử dụngtrong mô hình.

Xét mô hình bao gồm các đômen phản song được bão hòa bởi vách đom 180°,định hướng theo các trục từ dễ, ỡ là gốc tạo bời phương dễ từ hỗã và trường ngoài (Ị>1

và ộ2 là gốc giữa mô men từ của hãi đômen với phương dễ từ hỏa dưới tác dụng tổng hợpcủa từ trường ngoài Hext và từ trường vuông gốc Ht, d là bề rộng vách đômen khỉ khôngcố từ trường ngoài và X là độ dịch chuyển của vách đômen dưới tác dụng của trường cảmứng từ.Thông qua mô hình này cố thể tính được độ tự cảm ngang Xt* Mặt khác độ tựcảm ngang Xt liên hệ vói độ từ thẩm ngang theo bỉểu thức sau:

Nếu cố thể tínhđược độ tự thẩm ngangjLLt theo mô hình này vàtừ đỗ cỗ thể biết được mốỉliên hệ giữa hiệu ứng tổngtrở khổng lề và các yếu tổkhác Trong

mô hình này, mật độ năng lượng tự do được cực tiểu hóa nhằm xácđịnh cấu trúc đômen (bao gồm vị trí của vách domain và góc quay từhóa) Mật độ năng lượng tự do được xác định theo công thức sau:

Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức sau:

UK=K[am2ệl+(l-a)m2ệ2] (I.8a)Với K là hằng số dị hướng Thừa số a chỉ phần vật liệu được chiếm giữ bởi cácđômen từ hóa dọc theo trục của từ trường ngoài đặt vào (hình 1.6).

U™ là năng lượng Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài đặt vào

Hx = ỊJ0M sHax[(l - a)cos(0 + ệ2) - acos(0 - ệ^] (1.8b)

U‘H là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang H*:

U‘H = nữM SH‘ [(1-a)sin(0 + ệ2) - asin(0 - ^)] (l.8c)

Và uw là năng lượng tĩnh từ phụ thuộc vào vị trí cấu trúc vách domain Nănglượng tĩnh từ cũng được thể hiện dưới dạng hàm bậc hai:

x' m t

-1000-50005001000Applied Field [A/nn]

Fig 1 OM I for a Co-base amorphous wire will) induced ÓICU-

Jar anisotropy Evolution front TP to SP-liJie with iucreasinft current is observed

Hình 1.7 Hình dạng đường cong GMỈcồ hiện tượng tách đỉnh

Ở đây, trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh chính trongmối quan hệ giữa từ tổng trở và cấu trúc đômen Khía cạnh thứ nhất được nhắc đến là mốiquan hệ giữa quá trình từ hốa và hiệu ứng từ tổng ưở vấn đề này cũng đã được làm sángtỏ thông qua kết luận trên dạng của đường cong từ tồng trở GMI(H) là một hàm phụthuộc tần số của dòng điện kích thích Những nghiên cứu về độ từ thẩm cũng nhấn mạnhrằng quá trình dịch vách đômen cũng bị gim lại khá mạnh phụ thuộc vào dòng xoay chiềutần số cao Do đó, mô hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm ngang cho các vậtliệu mà tại đó lượng dịch chuyển vách đômen do từ trường ngang gây ra và giảm dần khỉtăng tần số Khía cạnh thứ hai được nhắc đến trong mô hình này là mối quan hệ giữa sựđịnh hướng dị hướng trục dễ với hiệu ứng GMỈ, các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng dạngcủa đường cong GMI(H) phụ thuộc vào sự định hướng trục dễ Khía cạnh cuối cùng lànghiên cứu sự phân bố dị hướng lên hiệu ứng GMI, một số kết quả nghiên cứu chỉ ra rằngGMIr là hàm của M(xt )*

1.1.4 Hiện tượng tách đỉnh - mô hình giải thích hiện tượng tách đinhTrong quá trình nghiên cứu hiệu ứng

GMI, đã thu được một số kết quả đặc biệt đó làđường cong GMI cố hiện tượng tách làm hai đỉnh(cố hai cực đại) trong khoảng từ trường nhỏ (-50đến 50 Oe) Điều này mở ra một tiềm năng to lởncho việc ứng dụng chế tạo sensơr dòng dảiđo nhỏ, sensơ nhạy từ trường do trongkhoảng từ trường tách đỉnh tỷ số GMIthay đổi rất lớn và rất nhạy với từ trường.

Cơ chế của hiện tượng tách đìnhở đường cong GMI liên quan đến tính dịhướng của mẫu nghiên cứu và đượcX.P.Li

= krsin(20) - Ms Hext sin (0+0K) - MsHtcos(0+0K) = 0 (1.10)

và các cộng sự giải thích theo mô hình xét một đơn đômen quay quanhmột trục chuẩn Mô hình này có thể giải thích đối với vật liệu có hìnhdạng là dây tròn và băng mỏng.

Xét một dây dẫn hợp kim có từ tính, từ trường ngoài Hext đặt dọc theo trục của dâydẫn, dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn sinh ra từ trường ngang Ht , Phương của từtrường ngang Ht hợp với phương dễ từ hóa một góc 0K, và 0 là góc giữa phương dễ từ hoávà phương véc tơ từ độ M của vật liệu.

Hình 1.8 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh

Năng lượng của dây dẫn từ tính đặt trong từ trường Hext là:

E = K sin20 -MsHextsin(0+0K)-MsHtcos(0K+0) (1.9)Trong đó E năng lượng toàn phần của hệ,

K hằng số dị hướng của vật liệu làm dây dẫn,

0K là góc hợp bởi phương dễ từ hoá và phương của từ trườngngang Ht 0 là góc giữa phương dễ từ hoá và phương từ độ M của

vật liệu.

Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là:ỔE

Ổ0

Mặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:

ÕM, Õ2E

Xl~ H, ~ ÕH,2 _M s sia2 (0+0K)

x' ~HK {h sin 2 (0+0K) + cos(2ỡ)} (111)Trong đó Hk= 2K/MS; h = Hext/Hk

Từ biểu thức (1.11) dựng đồ thị 5£ttheo từ trường ngoài ứng với các giá trị ỡKkhác nhau

(0K thay đồi từ 5° đến 90°) Do |Jt=Xt + 1 nên |j,t và Xt có cùng dạng đồ thị.

Hình 1.9 Đồ thị ỵttheo h ứng với các giá trị 0Kkhâc nhau

Theo hình 1.9 khi 0K nhỏ khoảng 5° thì đường cong được vẽ bởi (1.11) sẽ xuấthiện hãi đỉnh tạỉ h= ±1 hay Hext= ±HK= ±2K/MS « ±HC Khi ỠK nằm ưong khoảng 5° đến50° thì đường cong GMI vẫn xuất hiện hiện tượng tách đỉnh với độ mạnh yếu khác nhau.Khỉ 6K =(60° đến 90° ) hiện tượng tách đình trong đường cong GMI không còn nữa.

Trong khi đó, quá trình từ hóa này dẫn đếnsự thay đổi của tổng trở [26] Các nghiêncứu chỉ ra rằng, tỷ số GMIr cực đại phụthuộc vào cường độ dòng điện chạy

qua mẫu Đồ thị trên hình 1.10 chothấy sự phụ thuộc giữa giá trị, hìnhdạng đường cong GMI và dòng điệncao tần có tính tỷ lệ nghịch Đường

cong GMI tương ứng với giá trị cường độ dòng điện nhỏ cho thấy có sự tách đỉnh rõ nét,nhưng ở dòng có cường độ dòng

điện lớn hơn, chúng dần mất đihiện tượng tách đỉnh và đồ thị chỉcòn một đỉnh [14] Các công bốcũng chỉ ra rằng, sự phụ thuộccủa hiệu ứng GMI vào cường độdòng điện với các vật liệu khácnhau là khác nhau.

điện xoay chiều Sự ảnh hưởng này đã được nghiên cứu bằng thực nghiệm và được côngbố trong [22] Các nghiên cứu chỉ ra rằng với sự tăng của tần số, quá trình từ hóa qua việcdịch vách đômen diễn ra ở tần số thấp (100kHz - 1 MHz) đối với băng vô định hình [29].Yới tần số < 100 kHz, giá trị cực đại của GMI (%) tương đối thấp, do sự chiếm ưu thếcủa hiện tượng cảm ứng từ vào từ tổng trở [25, 26] Đối với dải tần số từ 100 kHz đến 10MHz, dải thông thường với hầu hết các nghiên cứu về hiệu ứng GMI, với sự tăng của tầnsố, tỷ số GMIrmax lúc đầu tăng, đến giá trị cực đại rồi sau đó giảm Như quan sát thấy ởhình 1.14, khi tần số tăng từ 1 - 5 MHz, GMlTmax tăng, hiệu ứng bề mặt chiếm ưu thế,khi tần số tiếp tục tăng lớn hom 5 MHz, thì GMImax lại giảm theo chiều tăng của tần số.Người ta cho rằng, ở vùng tần số 5 MHz, sự dịch vách đồmen mạnh hơn do sự đóng gópcủa dòng điện xoáy vào độ từ thẩm theo phương ngang.

1.2.3 Nhiệt độ đo

của băng vô định hình CoföFej sCiiỊ sSiioBis chưa ủ (a) và ủ ở 350°c (b).

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đo trong dải nhiệt độ thấp sử dụng cáchệ vật liệu khác nhau như dây và băng vô định hình nền Co, dây và băng nano tinh thểnền Fe đã được teình bày ưong các công bố [8, 16] Hình 1.12 [8] cho thấy: Khi khảo sáttỷ số GMỈr với cùng một mẫu, ưong điều kiện nhiệt độ đo thấp ở các mẫu đã xử lý nhiệt,hầu nhu kết quả không đổi khi thay đổi nhiệt độ đo Sự thay đổi đáng kể, chỉ đuợc quansát thấy ở những mẫu chua xử lý nhiệt.

1.3 Công nghệ nguội nhanh

Công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng: Khi hợp kim hay kim loại đuợc làm nóngchảy ở trạng thái lỏng trong vòi phun (nồi nấu), dưới áp suất nén của khí Ar thổi vào vòiphun làm cho hợp kim lỏng phun lên mặt một trống bằng đồng đang quay với tốc độnhanh Khi gặp mặt trống đồng, hợp kim hay kim loại lỏng dàn mỏng, nhanh chóng mấtnhiệt, rồi đông cứng tức thời và văng ra ngoài dưới dạng băng mỏng cỡ từ 20 - 30 pm.

Theo tính toán và các kết quả thực nghiệm, tốc độ nguội có thể đạt 106 K/S (1triệu độ trong một giây), nếu vận tốc của mặt trống đồng quay cỡ 30 m/s Với tốc độnguội nhu vậy, quá trình kết tinh không kịp xảy ra Hợp kim đông cứng dưới dạng phitinh thể và đuợc gọi là kim loại thủy tinh hay hợp kim vô định hình (pha G) - một trạngthái mới của kim loại hay hợp kim [3].

1.3.1 Các phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dưới dạng băng mỏng

Băng hợp kim vô định hình nguội nhanh có thể được chế tạo bằng nhiều phươngpháp khác nhau [3, 4], Tuỳ theo yêu cầu khác nhau về độ mỏng của băng mà người ta cóthể sử dụng các phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu Nếu cần băng có độ dày từ20^-30 pm người ta thường dùng phương pháp nguội nhanh đơn trục hay ly tâm Neu cầnbăng có độ dày lớn hơn 100 pm người ta dùng phương pháp hai trục.

Trong nghiên cứu này chúng tôi đề cập và nghiên cứu trên thiết bị nguội nhanhđơn trục Phương pháp này thường được dùng nhiều nhất để chế tạo hợp kim dưới dạngbăng mỏng nói chung, đặc biệt là hợp kim vô định hình, vì ưu điểm của phương pháp nàyđơn giản, hợp kim có độ đồng nhất hóa học cao, dễ điều khiển, cho năng suất cao Hợpkrnmóng chảy được nấu trong vòi phun thạch anh bằng dòng cảm ứng cao tần, sau đóđược phun lên bề mặt trống đồng đang quay, hợp kim nóng chảy được giàn đều trên bềmặt trống đồng, văng ra dưới dạng băng mỏng.

1.3.2 Tốc độ nguội của hợp kim nóng chảy

Các tính chất vật lý, cơ tính và độ dày mỏng của băng vật liệu sau khi chế tạo phụthuộc vào tốc độ chảy của hợp kim nóng chảy và tốc độ làm nguội của hợp kim sau khi rakhỏi miệng vòi phun Tốc độ làm nguội lại phụ thuộc vào vận tốc quay của trống đồng.Tốc độ chảy của hợp kim nóng chảy phụ thuộc vào kích thước vòi phun, độ chảy nhớt và

áp suất khí nén.

Với các hợp kim có thành phần khác nhau, tốc độ làm nguội còn phụ thuộc vàotính chất của từng hợp kim (độ dẫn nhiệt, nhiệt dung, độ sệt, mật độ) Bên cạnh đó tốc độlàm nguội còn phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt giữa hợp kim nóng chảy và bề mặt củavật làm nguội (trống trong phương pháp nguội nhanh đơn trục).

Khi hợp kim nóng chảy qua miệng vòi phun có nhiệt độ Ti tiếp xúc với mặt trốngđồng có nhiệt độ T0, quá trình truyền nhiệt giữa lớp hợp kim nóng chảy bề dày b với mặttrống đồng phụ thuộc vào độ lớn của hệ số truyền nhiệt h Quá trình truyền nhiệt giữa hợpkim nóng chảy và mặt trống đồng có thể xảy ra ở một trong

Hình 1.13 Quá trình truyền nhiệt.

Truyền nhiệt lý tưởng Truyền nhiệt chậm Truyền nhiệt trung gian

^

- p: Khối lượng riêng của hợp kim nóng chảy.- b: Bề dày của hợp kim nóng chảy.

Để chế tạo các hợp kim vô định hình, cho đến nay phương pháp thông dụng nhấtvẫn là làm đông cứng cấu trúc chất lỏng (hợp kim lỏng) với tốc độ nguội nhanh Khi làmlạnh hợp kim trong một thời gian dài, sao cho trạng thái cân bằng nhiệt động được xác

lập, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ở nhiệt độ kết tinh Tm

Với ở tốc độ làm nguội nhanh, chất lỏng không thể kết tinh ngay cả khi ở nhiệt độ

dưới nhiệt độ kết tinh T < Tm ở trạng thái này chất lỏng được gọi là chất lỏng quá nguội.

Neu tốc độ làm nguội đủ lớn thì chất lỏng không thể kết tinh, khi đó cấu trúc của chất

lỏng giữ nguyên Tuy nhiên, nhiệt độ giảm làm cho độ chảy 0 giảm Nếu 0đạt giá trị

10"12, chất lỏng quá nguội bị đông cứng dưới dạng thuỷ tinh Khi đó trạng thái của hợpkim được gọi là trạng thái thuỷ tinh hay trạng thái vô định hình - trạng thái ứng với cấutrúc giả bền và không cân bằng nhiệt động Khi kết

Hình 1.14 Hợp kim một nguyên, đường 1, 2

và 3 ứng với tốc độ nguội khác nhau

giản đồ T.T.T - đường 1) Tốc độ này là tốc độ làm nguội nhỏ nhất (Rc), nó không chophép tạo mầm kết tinh và kết tinh (như theo đường 2 và đường

3) mà nó đưa chất lỏng quá nguội sang trạng thái vô định hình.

Với chất lỏng quá nguội nó giữ nguyên tính chất cho tới nhiệt độ thuỷ tinh

hoá - Tg Trong khi đó có rất nhiều thông số nhiệt động, thành phần ảnh hưởng lênđộ lớn Rc (Bảng 1.2) nhận được trong quá trình thực nghiệm [3] và bằng tính toán.

Thông qua tN và TN với từ giản đồ T.T.T Công thức tốc độ nguội tới hạn như sau:

Rc - (Tm - TN)/tN

ở đó TN được chọn sao cho Tm> TN> Tg.

Với các hợp kim có sự khác biệt đáng kể về bán kính nguyên tử của cácnguyên tố: đặc biệt là hợp kim với các nguyên tố kim loại và á kim rất dễ vô định hìnhhoá (ở các nguyên tố này, bán kính nguyên tử rất khác biệt nhau) Thực chất vấn đề làở chỗ, ở đó xảy ra quá trình ổn định cấu trúc do sự điền đầy các lỗ trống trong cấu trúcvô định hình, ở pha vô định hình xuất hịên mối quan hệ bền vững giữa các kim loại vàá kim dẫn tới sự bền vững cấu trúc.

Ta thấy để vô định hình hoá kim loại và hợp kim, chúng ta cần phải làm nguộichúng thật nhanh Với kim loại tinh khiết Rc thường rất lớn (cỡ 1010 4- 1012 K/s).

Vậy biết được tốc độ nguội Rc của các hợp kim khác nhau ta có thể dự đoántrước được các thông số trên các thiết bị công nghệ cụ thể để vô định hình hoá hợp

kim Tuy nhiên, tốc độ nguội tới hạn (Rc) của các hợp kirrrcòn phụ thuộc vào thành

phần của các hợp kim.

Tóm lại, trạng thái vô định hình của hợp kim có mối quan hệ mật thiết với cácđiều kiện vô định hình hoá: thành phần, tốc độ làm nguội, bề dày băng hợp kim và cácthông số về tính chất vật lý của các nguyên tố tham gia hợp kim, cũng như toàn bộhợp kim (độ sệt, độ chảy, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ thuỷ tinh hoá ) Với

mỗi hợp kim cụ thể, mối quan hệ giữa tốc độ nguội và bề dày băng hợp kim có tính quyếtđịnh 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

Bảng 1.1 Vận tốc nguội tới hạn Rc trong quá trình vô định hình hợp kim [3].

Thành phần

Rc (K/s)

Thành phần

Rc (K/s)

Ghi chúThực

Tínhtoán