Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể fe93 xzrxb6cu1 (LV01895)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI - - ĐỖ VĂN PHƢƠNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG GMI CỦA VẬT LIỆU NANO TINH THỂ Fe93-xZrxB6Cu1 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỮU TÌNH HÀ NỘI, 2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Hữu Tình người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ dành cho động viên suốt trình thực luận văn Tôi gửi lời cảm ơn chân thành giúp đỡ, khích lệ tạo điều kiện thực nghiệm PGS.TS Nguyễn Huy Dân Tiếp đến, xin cảm ơn cộng tác giúp đỡ đầy hiệu NCS Nguyễn Mẫu Lâm, NCS Nguyễn Hải Yến cán bộ, học viên khác Viện khoa học vật liệu – Viện hàn lâm khoa học Công nghệ Việt Nam (nơi hoàn thành công việc chế tạo mẫu thực nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu luận văn) Xin cảm ơn cộng tác giúp đỡ học viên Nguyễn Đăng Trường người chung giảng viên hướng dẫn, hoàn thành nhiều công đoạn trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn giúp đỡ dạy bảo tận tình thầy cô giáo Trường đại học sư phạm Hà Nội 2, Viện khoa học vật liệu – Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, trang bị tri thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2016 Tác giả Đỗ Văn Phƣơng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi cam đoan thông tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Đỗ Văn Phƣơng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU NỘI DUNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) 1.1 Vật liệu từ mềm nano tinh thể 1.1.1 Cấu trúc nano tinh thể 1.1.2 Các tính chất từ vật liệu từ nano tinh thể 1.1.3 Ảnh hƣởng thành phần nguyên tố trình xử lý nhiệt lên tính chất từ hệ vật liệu Fe – Zr – B – Cu 1.2 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 1.3 Giải thích hiệu ứng từ trở khổng lồ 1.3.1 Vùng tần số thấp (cỡ vài kHz) 1.3.2 Vùng tần số trung bình (vài MHz) 1.3.3 Vùng tần số cao (vài chục đến hàng trăm MHz GHz) 1.4 Mối quan hệ cấu trúc đômen hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 1.4.1 Cấu trúc đômen tính dị hƣớng từ 1.4.2 Hiện tƣợng tách đỉnh đƣờng cong GMI 11 1.4.3 Cấu trúc đômen hiệu ứng GMI vật liệu khác 13 1.4.3.1 Vật liệu dạng dây 13 1.4.3.2 Vật liệu dạng băng màng mỏng 14 1.5 Công nghệ nguội nhanh 16 1.5.1 Các phƣơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dƣới dạng băng mỏng 16 1.5.2 Tốc độ nguội hợp kim nóng chảy 17 1.5.3 Tốc độ nguội tới hạn 19 CHƢƠNG 22 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1 Chế tạo mẫu hợp kim 22 2.1.1 Công nghệ chế tạo vật liệu có cấu trúc vô định hình thiết bị nguội nhanh đơn trục 22 2.1.1.1 Công nghệ nguội nhanh đơn trục 22 2.1.1.2 Tạo hợp kim ban đầu 24 2.1.2 Kỹ thuật gia công mẫu 26 2.1.3 Xử lý nhiệt lò ủ nhiệt 27 2.2 Phƣơng pháp phân tích 28 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) 28 2.2.2 Phƣơng pháp đo từ tổng trở GMI 29 2.2.3 Phép đo khảo sát tính chất từ VSM 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Zr đến cấu trúc vật liệu Fe93-xZrx B6Cu1 32 3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Zr đến tính chất từ vật liệu Fe93-xZrx B6Cu1 34 3.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Zr đến tỉ số GMIr vật liệu Fe93-xZrx B6Cu1 37 KẾT LUẬN 39 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Br : Cảm ứng từ dƣ s : Từ giảo bão hòa  : Độ dày vách đômen 0 : Độ từ thẩm chân không  : Tần số góc dòng điện xoay chiều D : Hệ số khử từ h : Hệ số truyền nhiệt Hc : Lực kháng từ Hn : Trƣờng tạo mầm đảo từ HCR : Số hạng trƣờng tinh thể Hext : Từ trƣờng Hin : Trƣờng nội Ir, Jr, Mr : Từ độ dƣ K : Hằng số dị hƣớng từ tinh thể mr : Từ độ rút gọn MS : Từ độ bão hòa N : Hệ số khử từ RC : Tốc độ nguội tới hạn Ta : Nhiệt độ ủ TC : Nhiệt độ Curie Tm : Nhiệt độ nóng chảy Tg : Nhiệt độ thủy tinh hóa ta : Thời gian ủ nhiệt Uk : Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể U Hext : Năng lƣợng Zeeman 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 trở khổng lồ LQN : Lỏng nguội TM : Kim loại chuyển tiếp T-T-T : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha VĐH : Vô định hình VSM : Hệ từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Từ trƣờng dây dẫn có từ tính Hình 1.2 Mối liên hệ độ từ thẩm độ thấm sâu bề mặt với từ trƣờng Hình 1.3 Mô hình đômen Squire Hình 1.4 Mô hình dị hƣớng giải thích tƣợng tách đỉnh đƣờng cong tỷ số GMI 11 Hình 1.5 Hình dạng đƣờng cong tỷ số GMI (có tƣợng tách đỉnh) 12 Hình 1.6 Đồ thị t ứng với giá trị K khác 13 Hình 1.7 Cấu trúc đômen dây vô định hình 13 Hình 1.8 Cấu trúc đômen màng, băng 14 Hình 1.9 Cấu trúc đômen màng mỏng đa lớp 15 Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt 18 Hình 1.11 Hợp kim nguyên, đƣờng 20 1, ứng với tốc độ nguội khác 20 Hình 2.1.(a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) máy chân không, (2) buồng nấu, 23 (3) tủ điều khiển, (4) bình khí trơ (Ar hay He), (5) nguồn điện, 23 (b) Ảnh bên buồng nấu: (6) cần điện cực, (7) nồi, (8) cần lật mẫu 23 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ nấu hợp kim hồ quang 24 Hình 2.3 Sơ đồ bƣớc nấu hợp kim 25 Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không 28 Hình 2.5 Mô hình hình học tƣợng nhiễu xạ tia X 28 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo GMI 30 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên l ảnh chụp hệ từ kế mẫu rung (VSM) 31 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe93-xZrx B6Cu1 (x = 5, 7, 9) chƣa ủ nhiệt 32 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe93-xZrx B6Cu1 (x = 5, 7, 9) ủ nhiệt 5800C thời gian 1h 32 Hình 3.3 Đƣờng cong từ trễ mẫu hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 (x =5, 9) chƣa xử lý nhiệt 34 Hình 3.4 Đƣờng cong từ trễ mẫu hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 (x =5, 9) ủ nhiệt 5800C 1h 34 Hình 3.5 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 chƣa ủ nhiệt 35 Hình 3.6 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 ủ nhiệt 5800C 1h 35 Hình 3.7 Sự phụ thuộc MS theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 chƣa ủ nhiệt 35 Hình 3.8 Sự phụ thuộc MS theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 M9 ủ nhiệt 5800C 1h 35 Hình 3.9 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) mẫu chƣa ủ nhiệt 37 Hình 3.10 Sự phụ thuộc GMIr(max) mẫu vào hàm lƣợng Zr chƣa ủ nhiệt 37 Hình 3.11 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) mẫu ủ nhiệt 5800C 1h 37 Hình 3.12 Đồ thị GMIr (tần số 6MHz) mẫu ủ nhiệt 5800C 1h 37 Hình 3.13 Đồ thị GMI (tần số 10MHz) mẫu ủ 5800C 1h 38 Hình 3.14 Sự phụ thuộc GMIr (max) mẫu ủ 5800C 1h vào hàm lƣợng Zr 38 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Hệ thành phần hợp kim Fe 23 Bảng 3.1 Sự thay đổi kích thƣớc hạt theo nồng độ Zr ủ Fe93-xZrxB6Cu1 nhiệt 5800C thời gian 1h 33 Bảng 3.2 Kết khảo sát Hc Ms theo thành phần trƣớc sau chƣa ủ nhiệt 36 28 Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không Ta đƣa mẫu đƣợc đặt ống kim loại kín (mỗi mẫu đặt riêng ống kim loại nhỏ đặt vị trí bên ống kim loại lớn), tiến hành hút chân không xả Ar vài lần, sau nạp Ar dƣ Lò đƣợc bật, đặt nhiệt độ thời gian cho lò Đến nhiệt độ ổn định đƣa ống kim loại vào lò ủ thời gian 60 phút 2.2 Phƣơng pháp phân tích 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) Hình 2.5 Mô hình hình học tƣợng nhiễu xạ tia X Chúng sử dụng thiết bị thực phép đo dùng Bruker D5005 Siemens, German phòng thí nghiệm phân tích cấu trúc trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên Đó phƣơng pháp nhiễu xạ tia (X ray diffraction - XRD nhằm phân tích cấu trúc mẫu) Các mẫu trƣớc phân tích nhiễu xạ tia X đƣợc nghiền lƣợng cao thời gian 60 phút môi trƣờng bảo vệ Ethanol Số liệu thu đƣợc từ hệ đo cho ta giản đồ nhiễu xạ tia X Từ giản đồ ta biết đƣợc đặc điểm cấu trúc vật liệu Nguyên lý phƣơng pháp nhƣ sau: 29 Xét phản xạ chùm tia X hai mặt phẳng mạng song song gần với khoảng cách d Tia X có lƣợng cao nên có khả xuyên sâu vào vật liệu gây phản xạ nhiều mặt phẳng mạng tinh thể (hkl) sâu phía dƣới Từ hình 2.6 ta thấy hiệu quang trình hai tia phản xạ 1’ 2’ từ hai mặt phẳng liên tiếp 2d sin Điều kiện để có tƣợng nhiễu xạ đƣợc đƣa phƣơng trình Bragg Phổ nhiễu xạ mẫu thể đặc trƣng cấu trúc mẫu Qua phổ nhiễu xạ tia X ta xác định đƣợc đặc trƣng cấu trúc mạng tinh thể nhƣ: kiểu mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh số mạng Với vật liệu kết tinh, số mạng thông số quan trọng Xác định xác số mạng không yêu cầu xác định kiểu mạng mà có nghĩa quan trọng nghiên cứu vấn đề liên quan nhƣ: biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt liên kết nguyên tử Tóm lại từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta đánh giá đƣợc mẫu có trạng thái vô định hình hay không tỷ phần thể tích pha mẫu đƣợc xử lý nhiệt tạo cấu trúc nano 2.2.2 Phƣơng pháp đo từ tổng trở GMI Để tiến hành đo hiệu ứng GMI mẫu vật liệu trƣớc ủ sau ủ nhiệt đƣợc cắt thành sợi có kích thƣớc bề rộng mm, chiều dài 2cm, sau mẫu đƣợc gắn lên giá đỡ mẫu Công việc khảo sát GMI đƣợc tiến hành phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội Nguyên lý hoạt động: Hệ đo sử dụng máy phát thạch anh để phát dao động tần số MHz, MHz, 10 MHz Dao động cao tần đƣợc dùng để tạo dòng điện xoay chiều có biên độ I định trƣớc tần số tƣơng ứng Dòng điện tác động lên mẫu đo tạo tín hiệu điện áp U(H) mẫu phụ thuộc vào từ trƣờng H nam châm, từ U(H) ta tính đƣợc trở kháng mẫu Z(H) theo công thức: Z (H )  U (H ) I (2.1) 30 Tín hiệu qua xử lý liệu (lọc, khuyếch đại, tách sóng) qua khối xử lý tín hiệu chiều Tín hiệu khối theo hai đƣờng, đƣờng tới thị LED thị Z(H) đƣờng qua kênh thu thập xử lý liệu đa kênh PHT 0201 (hình 2.6) Điện áp thay đổi Nam châm điện Cảm biến Hall Mẫu Xử lý tín hiệu (lọc, khuyếch đại, tách sóng) Phát dòng Cổng LPT Máy phát dao động thạch anh Xử lý tín hiệu chiều Bộ thu thập liệu đa kênh PHT 0201 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo GMI Từ trƣờng nam châm tác dụng lên mẫu đƣợc máy đo từ trƣờng sử dụng cảm biến Hall thu thập đƣa thị LED kênh khác thu thập xử lý liệu đa kênh PHT 0201 2.2.3 Phép đo khảo sát tính chất từ VSM Để đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ phép đo đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt thực hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (Hình 2.7) Hệ đo có độ nhạy cỡ 10-4 emu hoạt động khoảng từ trƣờng từ -12kOe đến 12 kOe khoảng nhiệt độ từ 77 đến 1000 K Các mẫu đo đƣợc gắn với bình đựng mẫu để tránh dao động mẫu trình đo Quá trình đo từ độ nhiệt độ cao đƣợc thực môi trƣờng khí trơ 31 Sơ đồ nguyên lý từ kế mẫu rung đƣợc biểu diễn Hình 2.7 với phận sau: (1) màng rung điện động; (2) giá đỡ hình nón; (3) mẫu so sánh; (4) cuộn dây thu tín hiệu so sánh, (7) mẫu đo, (8) cuộn dây thu tín hiệu đo, (9) cực nam châm Hình 2.7 Sơ đồ nguyên l ảnh chụp hệ từ kế mẫu rung (VSM) Hệ VSM hoạt động dựa vào thay đổi từ thông cuộn dây thu, đặt gần mẫu mẫu dao động với tần số xác định theo phƣơng cố định nhờ màng rung điện động Suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây thu thay đổi khoảng cách tƣơng đối mẫu đo cuộn dây mẫu dao động Biểu thức suất điện động cảm ứng: e = MAG(r)cos(t) (2.3) Trong M,  A lần lƣợt mômen từ, tần số biên độ dao động mẫu; G(r) hàm độ nhạy phụ thuộc vào vị trí đặt mẫu so với cuộn dây thu cấu hình cuộn thu Tín hiệu thu đƣợc từ cuộn dây đƣợc khuếch đại khuếch đại lọc lựa tần số nhạy pha trƣớc đến xử l để hiển thị kết Từ phép đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ, ta xác định đƣợc nhiệt độ chuyển pha Curie (TC) vật liệu Từ kết đo đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt nhiệt độ khác vùng lân cận chuyển pha TC, ta tính đƣợc biến thiên entropy từ phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức : ∆Sm(T) = S(T, H2) – S(T, H1) = H2 ( H1 M (T , H ) )[ H ] dH T 32 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Zr đến cấu trúc vật liệu Fe93-xZrxB6Cu1 Để phân tích cấu trúc mẫu băng trƣớc sau chế tạo, sử dụng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X với thiết bị thực máy Bruker D5005 Siemens, German phòng thí nghiệm phân tích cấu trúc trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Cƣờng độ tùy ý mẫu băng Fe93-xZrxB6Cu1 (x = 5, 7, 9) x=9 x=7 x=5 10 20 30 40 50 60 70 2) Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe93-xZrxB6Cu1 (x = 5, 7, 9) chƣa ủ nhiệt 160 128 96 64 32 x=9 x=7 x=5 10 20 30 40 2 50 60 70 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe93-xZrxB6Cu1 (x = 5, 7, 9) ủ nhiệt 5800C thời gian 1h 33 Trên hình 3.1 kết đo nhiễu xạ tia X mẫu Fe93-xZrxB6Cu1 chƣa ủ nhiệt cho thấy không tồn đỉnh đặc trƣng cho trạng thái tinh thể toàn băng mẫu băng Fe93-xZrxB6Cu1 (x = 5, 7, 9) chƣa ủ nhiệt Từ khẳng định mẫu băng chế tạo đƣợc có cấu trúc VĐH tồn đỉnh nhòe thấp góc 2θ ≈ 450 đƣợc giải thích trật tự gần ổn định mầm kết tinh nguội nhanh Khi xử lý nhiệt 5800C thời gian 1h môi trƣờng có sử dụng khí trơ để bảo vệ hợp kim khỏi bị oxy hóa Quá trình ủ giúp cho hệ hợp kim VĐH tái kết tinh để tạo hạt nano có cấu trúc tinh thể Ta thấy hình 3.2, đỉnh nhiễu xạ trở nên rõ nét Điều chứng tỏ sau trình xử lý nhiệt, mẫu có chuyển pha cấu trúc từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể Pha tinh thể hình thành với đỉnh đặc trƣng cho pha α-Fe góc 2θ ≈ 450 2θ ≈ 660 Để xác định kích thƣớc hạt nanô tinh thể, sử dụng công thức Scherrer biết:  0,89  cos  (4.1) đó,  = 1,54056 Ǻ bƣớc sóng tia X (bức xạ đồng) đƣợc sử dụng,  - góc nhiễu xạ  - độ bán rộng (tính theo radian) Kết đo kích thƣớc hạt bảng 3.1 Bảng 3.1 Sự thay đổi kích thước hạt theo nồng độ Zr ủ Fe93-xZrxB6Cu1 nhiệt 5800C thời gian 1h x Kích thƣớc hạt (nm) 31 27 19 Ảnh hƣởng nồng độ Zr đến trình chuyển pha hiểu nhƣ sau: Khi nồng độ Zr tăng lên, Zr ngăn cản hình thành phát triển hạt tinh thể nhiều hơn, dẫn đến kích thƣớc hạt giảm đi, điều đƣợc nghiên cứu phân tích nhiễu xạ tia X nhƣ hiển vi điện tử hay từ nhiệt Các công bố cho thấy nồng độ Zr tăng lên, kích thƣớc hạt giảm đồng Còn nồng độ Zr giảm xuống, trình kết tinh xảy nhanh dẫn đến 34 kích thƣớc hạt lớn không đồng [6, 29] Ngoài ảnh hƣởng Zr đến tốc độ kết tinh trình ủ nhiệt kích thích trình tái kết tinh làm tăng tính chất từ mềm 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 chừng vài phút Vì điều kiện xử lý nhiệt (nhiệt độ, thời gian) quan trọng cho loại bỏ đƣợc ứng suất dƣ cấu trúc vật liệu Nhƣ trình xử lý nhiệt, mẫu có chuyển pha cấu trúc từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể với đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng rõ nét (hình 3.2) hàm lƣợng Zr tăng làm giảm kích thƣớc hạt nano tinh thể 3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Zr đến tính chất từ vật liệu Fe93-xZrxB6Cu1 200 200 150 150 100 100 x=5 x=7 x=9 50 x=5 x=7 x=9 -50 M(emu/g) M (emu/g) 50 -50 -100 -100 -150 -150 -200 -200 -10 10 H(kOe) Hình 3.3 Đƣờng cong từ trễ mẫu hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 (x =5, 9) chƣa xử lý nhiệt -40 -20 20 40 60 H (kOe) Hình 3.4 Đƣờng cong từ trễ mẫu hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 (x =5, 9) ủ nhiệt 5800C 1h 50 50 40 40 Hc (A/m) M (emu/g) 35 30 30 20 20 10 10 5 9 x (%) x (%) Hình 3.5 Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc theo Hình 3.6 Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 theo thành phần Zr mẫu M5, M7, chƣa ủ nhiệt M9 ủ nhiệt 5800C 1h 180 160 160 140 140 M (emu/g) M(emu/g) 180 120 100 120 100 80 80 60 60 x (%) Hình 3.7 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa MS theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 chƣa ủ nhiệt x (%) Hình 3.8 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa MS theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 M9 ủ nhiệt 5800C 1h 36 Bảng 3.2 Kết khảo sát Hc Ms theo thành phần trước sau chưa ủ nhiệt Tên mẫu Hc (Oe) Ms (emu/g) Tên mẫu Hc (Oe) Ms (emu/g) M5 chƣa ủ 49.14 74.18 M5-5800C/1h M7 chƣa ủ M9 chƣa ủ 39.68 50.93 104.18 67.95 25.12 148.62 12.48 177.63 22.74 122.95 M7-580 C/1h M9-580 C/1h Hiệu ứng GMI đạt giá trị cao ứng với vật liệu có tính từ mềm tốt Vật liệu từ mềm đƣợc đánh giá qua thông số từ độ bão hòa Ms lực kháng từ Hc Hạn chế kích thƣớc hạt tinh thể yêu cầu để vận hành quy luật Hc  D6 Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất từ mềm, tỷ phần nguyên tố hợp kim thể vai trò định Thành phần hợp kim cho phép điều khiển kết tinh hệ, ảnh hƣởng đến tính dị hƣớng vật liệu thông qua giá trị λs Kết cho thấy tỷ số GMIr cực đại đạt giá trị cao ứng với mẫu có λs ~ 0, tỷ số GMIr phụ thuộc vào tính từ mềm vật liệu Vậy việc thay đổi thành phần Zr ảnh hƣởng đến tính chất từ nhƣ hiệu ứng GMI vật liệu Nhƣng cần lƣu đến chi tiết sau: Khi tăng hàm lƣợng Zr lên, giảm kích thƣớc hạt -Fe giảm đƣợc dị hƣớng K Tuy nhiên nồng độ Zr cao, chất sắt từ bị pha loãng nhiều nên từ độ bão hoà giảm Khi ủ nhiệt, theo kết cho bảng 3.2 đồ thị hình 3.4 3.5 cho thấy trƣớc sau xử l nhiệt thông số từ có thay đổi chênh lệch đáng kể theo hàm lƣợng Zr Điều đƣợc l giải là: nồng độ Zr giảm xuống, trình kết tinh xảy nhanh dễ dàng làm tăng mạnh kích thƣớc hạt phân bố kích thƣớc hạt không đồng đều, tính chất từ mềm Còn nồng độ Zr tăng lên, kích thƣớc hạt giảm đồng Tuy nhiên với nồng độ Zr lớn hạt tinh thể có kích thƣớc nhỏ nhƣng chất sắt từ bị pha loãng nhiều nên từ độ bão hoà giảm liên kết từ hệ giảm, tính chất từ mềm Trong hệ hợp kim nghiên cứu, kết cho thấy hợp kim với thành phần Zr 7% nguyên tử tức hợp kim Fe86Zr7B6Cu1, ủ nhiệt 5800C cho HC nhỏ 37 nhất, Ms lớn nhất, kết luận điều kiện này, hợp kim có tính từ mềm tốt Điều đƣợc l giải với thành phần 7% nguyên tử Zr hợp kim có từ giảo ~ xử l nhiệt khoảng nhiệt độ trên, mẫu đƣợc khử ứng suất dƣ, giảm dị hƣớng, dẫn đến tăng từ độ bão hòa giảm lực kháng từ [6, 29] 3.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Zr đến tỉ số GMIr vật liệu Fe93-xZrxB6Cu1 4Mhz 6Mhz 10Mhz 100 f = Mhz 35 x=5 x=7 x=9 80 30 25 GMIr(%) GMIr(%) 60 40 20 15 20 10 -40 -20 20 40 Hình 3.9 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) mẫu chƣa ủ nhiệt Hình 3.10 Sự phụ thuộc GMIr(max) mẫu vào hàm lƣợng Zr chƣa ủ nhiệt 140 5800C/1h - 4Mhz 140 x=5 x=7 x=9 120 100 100 80 80 60 40 5800C/1h - 6Mhz x=5 x=7 x=9 120 GMIr(%) GMIr(%)) x (%) B(mT) 60 40 20 20 0 -20 -40 -20 20 40 B(mT)) Hình 3.11 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) mẫu ủ nhiệt 5800C 1h -40 -20 20 40 B(mT) Hình 3.12 Đồ thị GMIr (tần số 6MHz) mẫu ủ nhiệt 5800C 1h 38 140 140 x=5 x=7 x=9 5800C/1h - 10Mhz 120 4Mhz 6Mhz 10Mhz 5800C - 1h 120 100 100 GMIr(%) GMIr(%) 80 60 80 40 60 20 40 -40 -20 20 40 x (%) B(mT) Hình 3.13 Đồ thị GMI (tần số 10MHz) mẫu ủ 5800C 1h Hình 3.14 Sự phụ thuộc GMIr (max) mẫu ủ 5800C 1h vào hàm lƣợng Zr Kết khảo sát hiệu ứng GMI với mẫu chƣa xử lý nhiệt đƣợc cho hình 3.9 3.10, kết cho thấy mẫu có thành phần Zr 7% nguyên tử cho tỷ số GMIr cao Kết tƣơng tự với hệ mẫu đƣợc ủ nhiệt 5800C thời gian (hình 3.11 đến 3.14) Kết đối chiếu với kết phần khảo sát tính chất từ cho thấy hoàn toàn phù hợp, muốn tăng cƣờng tính từ mềm hợp kim vô định hình thƣờng chọn thành phần hợp kim cho có từ giảo bù trừ để s hệ 0, với thành phần này, từ giảo hợp kim ~ Ngoài tính chất từ mềm phụ thuộc mạnh vào kích thƣớc hạt mà hàm lƣợng Zr ảnh hƣởng trực tiếp tới kích thƣớc hạt phân bố đồng hạt hợp kim sở cho thay đổi tổng trở dẫn đến hiệu ứng GMI tốt 39 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 số khác (tần số thấp, tần số trung bình tần số cao) Đã làm rõ mối liên hệ hiệu ứng GMI cấu trúc đômen dây dẫn từ tính vô định hình có hình dạng khác Đã sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo mẫu hợp kim VĐH Fe hợp kim Fe93-x ZrxB6Cu1 (x = 5, 9) Đã nghiên cứu ảnh hƣởng việc thay đổi hàm lƣợng Zr hợp kim VĐH Fe trƣớc sau ủ nhiệt 5800C (thời gian ủ tới 1h) đến cấu trúc, tính chất từ hiệu ứng GMI vật liệu Kết cho thấy hàm lƣợng Zr ảnh hƣởng tới kích thƣớc hạt hàm lƣợng Zr 7% nguyên tử hợp kim cho từ độ bão hòa lớn nhất, lực kháng từ HC nhỏ hiệu ứng GMI tốt 40 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Xuân Chiến (2009), Vật liệu từ cấu trúc nanô dạng hạt có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) chế tạo công nghệ nguội nhanh, Luận án Tiến sĩ Vật l , Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [2] Nguyễn Đồng Dũng (1996), Cấu trúc tế vi tính chất từ vật liệu nanô tinh thể hệ FeBSiCuNb, Luận án PTS Toán- Lý, Hà Nội 1996 [3] Mai Xuân Dƣơng (2000), Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ số vật liệu từ vô định hình nanômét, Luận án Tiến sĩ Vật l , Trƣờng 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 L Kĩ Thuật, Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội 1992 [5] Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, NXB Giáo dục, Hà Nội [6] Nguyễn Hữu Tình (2012), Nghiên cứu tính chất từ hiệu ứng GMI vật liệu từ vô định hình, nano tinh thể ứng dụng làm cảm biến dòng điện, Luận án Tiến sĩ Vật l , Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [7] https://vi.wikipedia.org/ Tiếng Anh [8] 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 Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 alloy J MMM, 133, pp 299-302 [9] 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 Co70Fe5Si15B10 ribbon due to Cu and Nb substitution for B J Appl Phys, pp 5263-5265 [10] H.S Chen and K.A Jackson (1981) Metallic Glasses, Treatise on Materials Science and technology Vol 20, pp 251 41 [11] L.D Landau and E.M.Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon, Oxford, 1975), p 195 [12] E P Harrison, G L Turney, H Rowe, and H Gollop, Proc R Soc Edinburgh 157, 651 (1937) [13] P T Squire, J Magn Magn Mater 87, 299 (1990); 140-144, 1829 (1995) [14] P Duhaj, I Maiko, P Svec, D Janickovic (1995) Structural characterization of the Finemet type alloys Journal of Nou-Crystalline Solids, pp 561-564 [15] 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 [16] K.L Garc a, J.M Garc a-Beneytez, R Valenzuela, A Zhukov, J González, M Vázquez (2011) Effects of torsion on the magnetoimpedance response of CoFeBSi amorphous wires Journal of Magnetism and Magnetic Materials, pp 721-723 [17] K.L Garc a, 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 [18] G Herzer (1990) Grain size dependence of coercivity and permeability in nanocrysttalline ferromagnets IEEE Trans Magn., pp 1397-1402 [19] G Herzer (1991) Magnetism and microstructure of nanocrystalline Fe-base alloys Int Symp on 3d Transition-Semi Metal Thin Films, Proc., pp 130 [20] G Herzer (1993) Nanocrystalline Soft Magnetic Materials EPS 13th General Conference, Physica scripta, Vol.T49, pp 307-314 [21] Z Jing, Y.H Kai, C Ki-Zhi, J.F Yu (1996) Influence of the elements Si/B on the structure and magnetic properties of nanocrystslline (Fe,Cu,Nb)77.5SixB22.5x alloys J MMM, 153, pp 315-319 [22] B Kaviraj, S.K Ghatak (2006) Influence of microwave annealing on GMI response and magnetization of an amorphous Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9 ribbon Solid State Co mmunications, 140, pp 294-298 42 [23] M Knobel, M Vazquez, L Kraus (2003) Giant magnetoimpedance Handbook of Magnetic Materials, Vol 15, Elsevier Science B.V., Amsterdam, pp 1–69 (Chapter 5) [24] T Kulik, A Hernando (1996) Magnetic Properties of Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9 alloys nanocrystallized from amorphous state J MMM, 160, pp 269-270 [25] L.V Panina, K Mohri, T Uchiyama, M Noda and K Buchida (1995) Offdiagonal magnetoimpedance in NiFe-Au-NiFe layered film and its application to linear magnetic cảm biếnrs IEEE Trans Magn., 34, pp 1249-1260 [26] K Mohri, T Kohsawa, K Kawashima, H Yoshida, L.V Panina (1992) A method to generate high-frequency magnetic field for GMI effects IEEE Trans Magn., 28, pp 3150-3152 [27] L.V Panina, K Mohri (1994) Influence of thermo-stress factor on magnetoimpedance of soft magnetic materialp Appl Phys Lett., pp 11891191 [28] R Valenzuela, J Gonzalez, E Amano (1997) Current annealing and magnetoimpedance in CoFeBSi amor [29] W Qin, Y.F Zhang, YW/Du, f Xu, Y.J.Wu, M Zhao, F Ma (2004) Permeability-frequency spectra of Nanoperm alloys under different heat treatment conditions [...]... khi nồng độ của nó tăng lên Vì thế việc nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ phần các nguyên tố đến tính chất từ và hiệu ứng GMI đã và đang đƣợc nghiên cứu một cách triệt để nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thực tiễn Với lý do trên tôi quyết định chọn đề tài: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể Fe93- xZrxB6Cu1 2 Mục đích nghiên cứu Tìm đƣợc thành phần và chế độ xử... mẫu hợp kim Fe93- xZrxB6Cu1 để 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 đƣợc chế tạo - Khảo sát hiệu ứng GMI trên các mẫu đã đƣợc chế tạo 4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Vật liệu từ mềm nanoperm nền Fe chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng, cụ thể là Fe93- xZrxB6Cu1 trong... của mẫu vật liệu 6 Giả thuyết khoa học Khả năng ứng dụng của đề tài khả thi, có thể ứng dụng thực tế làm các loại cảm biến 3 NỘI DUNG CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) 1.1 Vật liệu từ mềm nano tinh thể 1.1.1 Cấu trúc nano tinh thể Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomet, đƣợc chế tạo bằng hai phƣơng pháp [1, 3, 7]: phƣơng pháp từ trên xuống và phƣơng... ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Vật liệu từ mềm có cảm ứng từ cao, độ từ thẩm rất lớn, lực kháng từ nhỏ và dễ dàng bị mất đi từ tính sau khi ngắt từ trƣờng ngoài… đây là những tính cơ bản của vật liệu từ mềm Trong đó vật liệu từ mềm nano tinh thể nhƣ Finemet, Nanoperm là những vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay thƣờng đƣợc chế tạo bằng kỹ thuật nguội nhanh để tạo ra các băng hợp kim có cấu trúc vô định hình,... 7 và 9 5 Phƣơng pháp nghiên cứu Từ đối tƣợng và mục đích nghiên cứu là làm rõ mối quan hệ giữa công nghệ chế tạo và xử lý mẫu – cấu trúc vi mô và tính chất từ và tổng trở của mẫu, áp dụng các phƣơng pháp thực nghiệm nhƣ sau Sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo Vật liệu nano tinh thể, sau đó xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt và các phƣơng pháp đo thích hợp để xác định các thông số cấu trúc, tính chất của. .. nhiệt ở nhiệt độ kết tinh để hình thành các hạt tinh thể ở kích thƣớc nanomet Kết quả là ta thu đƣợc một cấu trúc nano gồm các hạt tinh thể (pha từ giàu sắt) đƣợc nhúng trong ma trận vô định hình dƣ Đặc biệt vật liệu từ Nanoperm có cảm ứng từ cao (vƣợt trên 1,5 T), có độ từ thẩm rất lớn và có độ bền cơ học [7] Vật liệu từ nano tinh thể dƣới dạng băng mỏng với độ dày cỡ một vài cho đến vài chục micromét... các vật liệu từ siêu mềm (độ từ thẩm cao) Bản chất của hiệu ứng là sự phụ thuộc của tổng trở cao tần Z vào sự thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng của vật liệu trong trƣờng ngoài, tần số và hiệu ứng bề mặt [1,2] Z(, H)~  t  , H  (1.2) Độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trƣờng Ht do chính dòng điện cao tần chạy qua dây dẫn và vào từ trƣờng ngoài Hext tác động lên dây dẫn Nhƣ vậy kết hợp (1 1) và (1 2) có thể thấy... có mặt hay không có mặt của từ trƣờng ngang cho phép tính đƣợc độ từ cảm theo phƣơng ngang  t  M và từ đó tính đƣợc độ thẩm từ H t Khi nghiên cứu mối quan hệ giữa sự định hƣớng trục dễ của các đômen từ với hiệu ứng GMI, đã chỉ ra rằng dạng của đƣờng cong GMI phụ thuộc vào sự định hƣớng trục dễ Nghiên cứu về sự phân bố dị hƣớng lên hiệu ứng GMI, cũng chỉ ra rằng GMIr là hàm của M(t) 1.4.2 Hiện tƣợng... giá trị tổng trở đo ở từ trƣờng bằng không Trong các hệ vật liệu, thì vật liệu VĐH và nano tinh thể là vật liệu từ mềm có từ thẩm cao (~ 105), điều này cho phép hy vọng có hiệu ứng GMI tốt Ht i=Ioeit>> i' Hext Hình 1.1 Từ trƣờng dây dẫn có từ tính Dòng điện xoay chiều tần số  chạy qua dây dẫn có từ tính đặt trong từ trƣờng ngoài một chiều Hext dọc theo trục của dây thì tổng trở của dây đƣợc xác định... dây dẫn và dòng điện bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) Ở tần số này hiệu ứng GMI phụ thuộc vào độ thấm sâu bề mặt sẽ chiếm ƣu thế so với sự phụ thuộc vào độ từ thẩm  Vậy hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI là sự thay đổi mạnh tổng trở của vật dẫn có từ tính dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài và dòng điện cao tần có tần số góc  1.4 Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 1.4.1 Cấu trúc