Luận văn nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể fe93 xzrxb6cu1

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỘC S PHẠM HÀ NỘI -'ỉSkũ2l,ef ĐÕ VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG GMI CỦA VẶT LIỆU NANO TINH THẺ Fe93.xZrxB6Cu! Chuyên ngành: V ật lý chất rắn M ã số: 60.44.01.04 LUÂN VĂN THAC s ĩ KHOA HOC VÂT CHẤT • • • • NG ƯỜ I HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỮU TÌNH HÀ NỘI, 2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sẳc 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 om chân thành giúp đỡ, khích lệ tạo điều kiện thực nghiệm PGS.TS Nguyễn Huy Dân Tiếp đến, xin cảm om cộng tác giúp đỡ đầy hiệu NCS Nguyễn Mầu Lâm, NCS Nguyễn Hải Yen 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 om 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 trì thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Hà Nội, thảng năm 2016 Tác giả Đỗ Văn Phương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu ữong luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi cam đoan thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Đỗ Văn Phưong MUC • LUC • LỜI CẢM ƠN LỜI CAM Đ O A N MỤC L Ụ C DANH MỤC CÁC KÝ H IỆ U DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮ T DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ T H Ị DANH MỤC CÁC B Ả N G MỞ Đ Ầ U .1 NỘI D U N G CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ (GM I) 1.1 Vật liệu từ mềm nano tinh th ể 1.1.1 Cấu trúc nano tinh t h ể 1.1.2 Các tính chất từ yật liệu từ nano tinh th ể 1.1.3 Anh hưởng thành phàn nguyên tố trình xử lý nhiệt lên tính chất từ hệ vật liệu Fe - Zr - B - C u 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 kH z) 1.3.2 Vùng tần số trung bình (vài M H z) 1.3.3 Vùng tần số cao (vài chục đến hàng trăm MHz G H z) 1.4 Mối quan hệ cấu trúc đômen hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 1.4.1 Cấu trúc đômen tính dị hướng từ 1.4.2 Hiện tượng tách đỉnh đường cong G M I 11 1.4.3 Cấu trúc đômen hiệu ứng GMI vật liệu khác n h au 13 1.4.3.1 Vật liệu dạng d ây .13 1.4.3.2 Vật liệu dạng băng màng m ỏ n g 14 1.5 Công nghệ nguội nhanh 16 1.5.1 Các phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dưói dạng băng m ỏng 16 1.5.2 Tốc độ nguội hợp kim nóng c h ảy 17 1.5.3 Tốc độ nguội tới hạn .19 CHƯƠNG 22 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C Ú Ư 22 2.1 Chế tạo mẫu hợp k im 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 đ ầ u 24 2.1.2 Kỹ thuật gia công m ẫu 26 2.1.3 Xử lý nhiệt lò ủ nhiệt 27 2.2 Phương pháp phân tích 28 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction) 28 2.2.2 Phương pháp đo từ tổng trở G M I 29 2.2.3 Phép đo khảo sát tính chất từ V S M 30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO L U Ậ N 32 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr đến cấu trúc vật liệu Fe93.xZrx B6C u i 32 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr đến tính chất từ vật liệu Fe93.xZrx B6C u i .34 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Zr đến tỉ số GMIr vật liệu Fe93-xZrx B6C u i 37 KẾT L U Ậ N 39 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM K H Ả O 40 DANH MUC • CÁC KÝ HIÊU • Br Cảm ứng từ dư K Từ giảo bão hòa Độ dày vách đômen ^0 Độ từ thẩm chân không (ũ Tần số góc dòng điện xoay chiều D Hệ số khử từ h Hệ số truyền nhiệt Hc Lực kháng từ Hn Trường tạo mầm đảo từ H cr Số hạng trường tinh thể Hext Từ trường Hin Trường nội Ir, Jr, M r Từ độ dư K Hằng số dị hướng 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 TAm Nhiệt độ nóng chảy TAg Nhiệt độ thủy tinh hóa ta Thời gian ủ nhiệt uk Năng lượng dị hướng từ tinh thể U Ĩ Năng lượng Zeeman DANH MUC 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 : Yô định hình VSM : Hệ từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X DANH MUC • CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THI• Hình 1.1 Từ trường dây dẫn có từ tính Hình 1.2 Mối liên hệ độ từ thẩm độ thấm sâu bề mặt với từ trường Hình 1.3 Mô hình đômen Squire Hình 1.4 Mô hình dị hướng giải thích tượng tách đỉnh đường cong tỷ số GMI 11 Hình 1.5 Hình dạng đường cong tỷ số GMI (có tượng tách đỉnh) 12 Hình 1.6 Đồ thị Xtứng với giá trị 0Kkhác 13 Hình 1.7 Cấu trúc đômen dây vô định h ình 13 Hình 1.8 Cấu trúc đômen màng, b ăng 14 Hình 1.9 Cấu trúc đômen màng mỏng đa lớ p 15 Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt 18 Hình 1.11 Họp kim nguyên, đường 20 1, ứng với tốc độ nguội khác n h a u 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 bước nấu họp kim 25 Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không 28 Hình 2.5 Mô hình hình học tượng nhiễu xạ tia X 28 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo GMI 30 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý ảnh chụp hệ từ kế mẫu rung (VSM) 31 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe93_xZrx B6Cui (x = 5, 7, 9) chưa ủ nhiệt 32 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X fren mẫu Fe93.xZrx B6Cui (x = 5, 7, 9) ủ nhiệt 580°c thời gian l h 32 Hình 3.3 Đường cong từ trễ mẫu hợp kim Fe93_xZrxB6Cu1 (x =5, 9) chưa xử lý nhiệt 34 Hình 3.4 Đường cong từ ừễ mẫu hợp kim Fe93.xZrxB6Cui (x =5, 9) ủ nhiệt 580°c l h 34 Hình 3.5 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 chưa ủ nhiệt 35 Hình 3.6 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 ủ nhiệt 580°c l h 35 Hình 3.7 Sự phụ thuộc Ms theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 chưa ủ nhiệt 35 Hình 3.8 Sự phụ thuộc Ms theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 M9 ủ nhiệt 580°c l h 35 Hình 3.9 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) mẫu chưa ủ nhiệt 37 Hình 3.10 Sự phụ thuộc GMIr(max) mẫu vào hàm lượng Zr chưa ủ nhiệt 37 Hình 3.11 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) mẫu ủ nhiệt 580°c lh .37 Hình 3.12 Đồ thị GMIr (tần số 6MHz) mẫu ủ nhiệt 580°c lh .37 Hình 3.13 Đồ thị GMI (tần số 10MHz) mẫu ủ 580°c lh 38 Hình 3.14 Sự phụ thuộc GMIr (max) mẫu ủ 580°c lh vào hàm lượng Zr 38 DANH MUC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Hệ thành phần hợp kim Fe 23 Bảng 3.1 Sự thay đổi kích thước hạt theo nồng độ Zr ủ Fe93_xZrxB6Cui nhiệt 580°c thời gian lh 33 Bảng 3.2 Kết khảo sát Hcvà Ms theo thành phần trước sau chưa ủ nhiệt 36 27 - Đưa vòi phun vào giá đỡ, cho vòi phun nghiêng với phưong thẳng đứng góc = 1-» 2°, miệng vòi phun hạ thấp để phun cách bề mặt trống làm nguội cỡ 0,3 mm - Nạp khí Ar vào bình khí với áp suất định Điều chỉnh tốc độ quay trống đồng làm nguội, mở hệ thống nước làm mát vòng dây cảm ứng - Mở máy phát cao tần làm nóng, chảy hợp kim vòi phun thạch anh Khi họp kim nóng chảy, tiến hành mở van khí Ar phun hợp kim lên bề mặt trống đồng quay, họp kim nóng chảy giàn mỏng bề mặt trống đồng văng duới dạng băng mỏng liên tục - Thu gom sản phẩm, đóng gói mẫu (băng vật liệu) Các mẫu chế tạo thường dạng băng mỏng có bề rộng từ mm đến nun, dầy từ 15 pm - 30 pm với độ dài khác nhau, lên tới vài mét tuỳ lượng họp kim chuẩn bị ban đầu Vì để có mẫu phù họp với yêu cầu nghiên cứu cấu trúc đo từ tổng trở, băng mỏng phải gia công, cắt, làm cẩn thận phù hợp với phép phân tích, đo đạc Sau mẫu gia công, đem ủ nhiệt với nhiệt độ thời gian ủ khác 2.1.3 Xử lý nhiệt lò ủ nhiệt Chúng thực xử lý nhiệt cho mẫu nhằm mục đích khảo sát ảnh hưởng trình ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất từ họp kim Quá trình thực lò RVS - 15G (tại Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) Đây thiết bị cho phép cài đặt thông số công nghệ toàn trình ủ cách tự động buồng đốt có độ chân không cao (< 10'3 Pa) Lò ủ nhiệt chế tạo, có chế độ điều chỉnh nhiệt tự động, sai số không ± 2°c, với dải nhiệt độ từ 100°C-Ỉ-8000C (hình 2.4) gồm thiết bị sau: Đồng hồ đo nhiệt phận điều khiển Thiết bị kiểm tra độ chân không Cặp nhiệt Thuyền đặt mẫu Thân lò thạch anh Dây đốt cấp nhiệt Bơm hút chân không 28 Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không Ta đưa mẫu 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 dư Lò bật, đặt nhiệt độ thời gian cho lò Đến nhiệt độ ổn định đưa ống kim loại vào lò ủ thời gian 60 phút 2.2 Phương pháp phân tích 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction) Chúng sử dụng thiết bị thực phép đo dùng Bruker D5005 Siemens, German phòng thí nghiệm phân tích cấu trúc trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Đó phương pháp nhiễu xạ tia (X ray diffraction - XRD nhằm phân tích cấu trúc mẫu) Các mẫu trước phân tích nhiễu xạ tia X nghiền lượng cao thời gian 60 phút môi trường bảo vệ Ethanol Số liệu thu từ hệ đo cho ta giản đồ nhiễu xạ tia X Từ giản đồ ta biết đặc điểm cấu trúc vật liệu Nguyên lý phương pháp sau: 29 Xét phản xạ chùm tia X ừên hai mặt phẳng mạng song song gần với khoảng cách d Tia X có lượng cao nên có khả xuyên sâu vào vật liệu gây phản xạ nhiều mặt phẳng mạng tinh thể (hkl) sâu phía Từ hình 2.6 ta thấy hiệu quang trình hai tia phản xạ từ hai mặt phẳng liên tiếp 2d sin0 Điều kiện để có tượng nhiễu xạ đưa phương trình Bragg Phổ nhiễu xạ mẫu thể đặc trưng cấu trúc mẫu Qua phổ nhiễu xạ tia X ta xác định đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể như: 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 ý nghĩa quan trọng nghiên cứu vấn đề liên quan như: biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt liên kết nguyên tử Tóm lại từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta đánh giá mẫu có hạng thái vô định hình hay không tỷ phần thể tích pha mẫu xử lý nhiệt tạo cấu trúc nano 2.2.2 Phương pháp đo từ tổng trở GMI Để tiến hành đo hiệu ứng GMI mẫu vật liệu trước ủ sau ủ nhiệt cắt thành sợi có kích thước bề rộng mm, chiều dài 2cm, sau mẫu gắn lên giá đỡ mẫu Công việc khảo sát GMI tiến hành phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ trường Đại học Sư 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 dùng để tạo dòng điện xoay chiều có biên độ I định trước tần số tương ứng Dòng điện tác động lên mẫu đo tạo tín hiệu điện áp U(H) mẫu phụ thuộc vào từ trường H nam châm, từ U(H) ta tính trở kháng mẫu Z(H) theo công thức: Z(H) = U(H) I ( 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 đường, đường tói thị LED thị Z(H) đường qua kênh thu thập xử lý liệu đa kênh PHT 0201 (hình 2.6) Từ trường nam châm tác dụng lên mẫu máy đo từ trường sử dụng cảm biến Hall thu thập đưa 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 đường 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 ừong khoảng từ trường từ -12kOe đến 12 kOe ữong khoảng nhiệt độ từ 77 đến 1000 K Các mẫu đo gắn với bình đựng mẫu để tránh dao động mẫu trình đo Quá trình đo từ độ nhiệt độ cao thực ưong môi trường khí trơ 31 Sơ đồ nguyên lý từ kế mẫu rung 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 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 phương cố định nhờ màng rung điện động Suất điện động cảm ứng xuất cuộn dây thu thay đổi khoảng cách tương đối mẫu đo cuộn dây mẫu dao động Biểu thức suất điện động cảm ứng: e = MAG(r)cos(œt) (2.3) Trong M, ÖJ A 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 từ cuộn dây khuếch đại khuếch đại lọc lựa tần số nhạy pha trước đến xử lý để hiển thị kết Từ phép đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ, ta xác định nhiệt độ chuyển pha Curie (Tc) vật liệu Từ kết đo đường cong từ hóa đẳng nhiệt nhiệt độ khác vùng lân cận chuyển pha Tc, ta tính biến thiên entropy từ phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức : ASm(T) = S(T, H2) - S(T, Hi) = I ( M ^ , ' g ) ) w l đH 32 CH Ư Ơ N G 3: K É T QUẢ VÀ TH Ả O LUẬN 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Z r đến cấu trú c vật liệu Fe93-xZrxB6Cu1 Để phân tích cấu trúc mẫu băng trước sau chế tạo, sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X với thiết bị thực máy Bruker D5005 Siemens, German phòng thí nghiệm phân tích cấu trúc trường Đại học Khoa học Tự nhiên mẫu băng Fe93.xZrxB6Cui (x = 5, 7, 9) 26 (°) Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe9 _xZrxB6 Cui (x = 5, 7, 9) chưa ủ nhiệt Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fe93 -xZrxB6 Cui (x = 5, 7, 9) ủ nhiệt 580°c thời gian lh 33 Trên hình 3.1 kết đo nhiễu xạ tía X mẫu Fe93_xZrxB6Cu, chưa ủ nhiệt cho thấy không tồn đỉnh đặc trưng cho trạng thái tinh thể ưên toàn băng mẫu băng Fe93_xZrxB6Cui (x = 5, 7, 9) chưa ủ nhiệt Từ khẳng định mẫu băng chế tạo có cấu trúc VĐH tồn đỉnh nhòe thấp góc 20 ~ 45° giải thích trật tự gần ổn định mầm kết tinh nguội nhanh Khi xử lý nhiệt 580°c thời gian lh môi trường có sử dụng khí trơ để bảo vệ hợp kim khỏi bị oxy hóa Quá trình ủ giúp cho hệ hợp kim YĐH 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 tíạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể Pha tinh thể hình thành với đỉnh đặc trưng cho pha a-Fe góc 20 ~ 45° 20 ~ 66° Để xác định kích thước hạt nanô tinh thể, sử dụng công thức Scherrer biết: T= 0,89Ẩ yỡ.cos (4.1) đó, Ằ = 1,54056 Ấ bước sóng tia X (bức xạ đồng) sử dụng, - góc nhiễu xạ p - độ bán rộng (tính theo radian) Kết đo kích thước hạt bảng 3.1 Bảng 3.1 S ự thay đổi kích thước hạt theo nồng độ Zr khỉ ủ Fe93.xZrxB 6CuI nhiệt 580°c thòi gian lh X Kích thước hạt (nm) 31 27 19 Ảnh hưởng nồng độ Zr đến trình chuyển pha hiểu sau: Khi nồng độ Zr tăng lên, Zr ngăn cản hình thành phát triển hạt tinh thể nhiều hơn, dẫn đến kích thước hạt giảm đi, điều nghiên cứu phân tích nhiễu xạ tia X hiển vi điện tử hay từ nhiệt Các công bố cho thấy nồng độ Zr tăng lên, kích thước hạt giảm đồng Còn nồng độ Zr giảm xuống, trình kết tinh xảy nhanh dẫn đến 34 kích thước hạt lớn không đồng [6, 29] Ngoài ảnh hưởng 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 tính 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 ứng suất dư cấu trúc vật liệu Như trình xử lý nhiệt, mẫu có chuyển pha cấu trúc từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tính thể với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng rõ nét (hình 3.2) hàm lượng Zr tăng làm giảm kích thước hạt nano tinh thể 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Z r đến tính chất từ vật liệu r^-x^rxB tìC u! 200-, 15010050- ' 0) ° -50- 100 - -150-200 \ - - T - , - T - , - -10 10 H(kOe) H(kOe) Hình 3.4 Đường cong từ trễ mẫu hợp Hình 3.3 Đường cong từ trễ mẫu hợp kim Fe9 -xZrxB6 Cui (x =5, 9) ủ nhiệt kim Fe9 -xZrxB Cui (x =5, 9) chưa xử 580°c lh lý nhiệt 35 I 302 20- - -, -, -, , -, 10-1 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, chưa ủ nhiệt M9 ủ nhiệt 580°c lh Hình 3.7 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Ms theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 chưa ủ nhiệt Hình 3.8 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Ms theo thành phần Zr mẫu M5, M7, M9 M9 ủ nhiệt 580°c lh 36 Bảng 3.2 Kết khảo sát Hc M„ theo thành phần trước sau chưa ủ nhiệt Tên mẫu M5 chưa ủ M7 chưa ủ M9 chưa ủ He (Oe) 49.14 39.68 50.93 Ms (emu/g) Tên mẫu 74.18 104.18 67.95 M5-580°C/lh M7-580°C/lh M9-580°C/lh He (Oe) 25.12 12.48 22.74 Ms (emu/g) 148.62 177.63 122.95 Hiệu ứng GMI đạt giá trị cao ứng với vật liệu có tính từ mềm tốt Vật liệu từ mềm đánh giá qua thông số từ độ bão hòa Ms lực kháng từ Hc Hạn chế kích thước hạt tinh thể yêu cầu để vận hành quy luật Hc ~ D6 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng 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 hưởng đến tính dị hướng vật liệu thông qua giá trị V Kết cho thấy tỷ số GMIr cực đại đạt giá trị cao ứng với mẫu có Xs ~ 0, tỷ số GMIr phụ thuộc vào tính từ mềm vật liệu Vậy việc thay đổi thành phần Zr ảnh hưởng đến tính chất từ hiệu ứng GMI vật liệu Nhưng cần lưu ý đến chi tiết sau: Khi tăng hàm lượng Zr lên, giảm kích thước hạt a-Fe giảm dị hướng 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 ưên bảng 3.2 đồ thị hình 3.4 3.5 cho thấy trước sau xử lý nhiệt thông số từ có thay đổi chênh lệch đáng kể theo hàm lượng Zr Điều lý giải là: 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 Còn nồng độ Zr tăng lên, kích thước hạt giảm đồng Tuy nhiên 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 Trong hệ hợp kim nghiên cứu, kết cho thấy hợp kim với thành phần Zr 7% nguyên tử tức họp kim Feg6Zr7B6Cui, ủ nhiệt 580°c cho Hc nhỏ 37 nhất, Ms lớn nhất, kết luận điều kiện này, họp kim có tính từ mềm tốt Điều lý giải với thành phần 7% nguyên tử Zr họp kim có từ giảo ~ xử lý nhiệt khoảng nhiệt độ trên, mẫu khử ứng suất dư, giảm dị hướng, dẫn đến tăng từ độ bão hòa giảm lực kháng từ [6, 29] 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Z r đến tỉ số G M Ir vật liệu Fe93.xZ rxB6Cui Hình 3.9 ĐỒ thị GMữ (tần sô 4MHz) cùa mẫu chua ù nhiệt Hình 3.11 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) mẫu ủ nhiệt 580°c lh Hình 3.10 Sự phự thuộc GMIr(max) cùa mẫu vào hàm toong Zr chưa ú nhiệt Hình 3.12 Đồ thị GMIr (tần số 6MHz) mẫu ủ nhiệt 580°c ưong lh 38 mẫu ủ 580°c lh mẫu ủ 580°c lh vào hàm lượng Zr Kết khảo sát hiệu ứng GMI với mẫu chưa xử lý nhiệt cho hình 3.9 3.10, kết cho thấy mẫu có thành phần Zr 7% nguyên tử cho tỷ số GMIr cao Kết tương tự với hệ mẫu ủ nhiệt 580°c thòi 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 cường tính từ mềm hợp kim vô định hình thường chọn thành phần hợp kim cho có từ giảo bù trừ để Ằ,s hệ 0, với thành phần này, từ giảo hợp kim ~ Ngoài tính chất từ mềm phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt mà hàm lượng Zr ảnh hưởng trực tiếp tới kích thước hạt phân bố đồng hạt hợp kim sở cho thay đổi tổng trở dẫn đến hiệu ứng GMI tốt 39 KẾT LUÂN • Đã nghiên cứu tổng quan hiệu ứng tổng trở cao tần tổng ữở khổng lồ GMI ữong 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 ữong họp kim Fe93.xZrxB6Cui (x = 5,7 9) Đã nghiên cứu ảnh hưởng việc thay đổi hàm lượng Zr ttong họp kim VĐH Fe trước sau ủ nhiệt 580°c (thời gian ủ tới lh) đến cấu trúc, tính chất từ hiệu ứng GMI vật liệu Kết cho thấy hàm lượng Zr ảnh hưởng tới kích thước hạt hàm lượng Zr 7% nguyên tử họp kim cho từ độ bão hòa lớn nhất, lực kháng từ Hc nhỏ hiệu ứng GMI tốt 40 DANH MUC CÁC TÀI LIÊU THAM KHẢO • • 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 Yật lý, Trường 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 Dương (2000), Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ sổ vật liệu từ vô 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 vô định hình, nano tinh thể ứng dụng làm cảm biển dòng điện, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Trường 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 Fe735CujNb3Si135Bọ 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 o f 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 García, J.M García-Beneytez, R Valenzuela, A Zhukov, J González, M Vázquez (2011) Effects o f torsion on the magnetoimpedance response of CoFeBSi amorphous wires Journal of Magnetism and Magnetic Materials, pp 721-723 [17] 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 [18] G Herzer (1990) Grain size dependence o f coercivity and permeability in nanocrysttalline ferromagnets IEEE Trans Magn., pp 1397-1402 [19] G Herzer (1991) Magnetism and microstructure o f 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 o f the elements Si/B on the structure and magnetic properties of nanocrystslline (Fe,Cu,Nb)775SixB22.5x alloys J MMM, 153, pp 315-319 [22] B Kaviraj, S.K Ghatak (2006) Influence o f microwave annealing on GMI response and magnetization o f an amorphous Fe735Nb3Cu]Si]35B9 ribbon Solid State Co mmunications, 140, pp 294-298 [...]... khi nồng độ của nó tăng lên Vì thế việc nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ phần các nguyên tố đến tính chất từ và hiệu ứng GMI đã và đang được 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 được thành phần và chế độ xử... độ xử lý mẫu hợp kim 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 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 nanoperm nền Fe chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng, cụ thể là Fe93_ xZrxB6Cui trong đó... 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 NÔIDUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÈ 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 thước nanomet, được chế tạo bằng hai phương pháp [1, 3, 7]: phương pháp từ trên xuống và phương... magnetoimpedance -GMI) là sự thay đổi mạnh của tổng trở z của vật dẫn có từ tính khi dòng điện cao tần đi qua, dưới tác 6 động của từ trường ngoài Hext (hình 1 1) Hiệu ứng này được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1994 [6] Hiệu ứng quan sát tốt nhất trong 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... 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 trường ngoài đây là những tính cơ bản của vật liệu từ mềm Trong đó vật liệu từ mềm nano tính thể như Finemet, Nanoperm là những vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay thường được chế tạo bằng kỹ thuật nguội nhanh để tạo ra các băng hợp kim có cấu trúc vô định hình,... trước tạo ra khả năng kết tinh chọn lọc trong đó pha vô định hình dư kìm hãm sự phát triển của các hạt tinh thể Ngoài phụ thuộc vào thành phần, nồng độ các chất, tính chất từ của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào chế độ ủ nhiệt như thời gian ủ, nhiệt độ ủ Trong luận văn này tôi nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ mềm và do đó ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI của hợp kim Fe93. xZrxB6Cui chế tạo bằng... 7 và 9 5 Phương pháp nghiên 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 và tính chất từ và tổng trở của mẫu, áp dụng các phương pháp thực nghiệm như 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 phương pháp đo thích họp để xác định các thông số cấu trúc, tính chất của. .. bề mặt sẽ chiếm ưu thế so với sự phụ thuộc vào độ từ thẩm ụ Vậy hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI là sự thay đổi mạnh tổng trở của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài và dòng điện cao tần có tần số góc (Ö 1.4 Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tồng trở khổng lồ 1.4.1 Cấu trúc đômen và tính dị hướng từ Giải thích cơ chế của hiệu ứng GMI có rất nhiều mô hình lý thuyết được đưa... nhiệt ở nhiệt độ kết tinh để hình thành các hạt tinh thể ở kích thước nanomet Kết quả là ta thu được một cấu trúc nano gồm các hạt tính thể (pha từ giàu sắt) được nhúng trong ma ưận vô định hình dư Đặc biệt vật liệu từ Nanoperm có cảm ứng từ cao (vượt trên 1,5 T), có độ từ thẩm rất lớn và có độ bền cơ học [7] Vật liệu từ nano tinh thể dưới dạng băng mỏng với độ dày cỡ một vài cho đến vài chục micromét... thuộc vào mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và quá trình từ hóa của chất sắt từ Mô hình lý giải thỏa đáng nhất được nhiều nhà khoa học chấp nhận là mô hình của Squire [12] dành cho quá trình từ hóa và hiệu ứng GMI 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)