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

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

-'ỉSkũ2l,ef -ĐÕ VĂN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG

Chuyên ngành: V ật lý chất rắn

M ã số: 60.44.01.04

LUÂN VĂN THAC s ĩ KHOA HOC VÂT CHẤT• • • •

NG Ư Ờ I HƯ ỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NG UY ỄN HỮU TÌNH

HÀ NỘI, 2016

người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và dành cho tôi sự động viên trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này Tôi cũng gửi lời cảm om chân thành sự giúp

đỡ, khích lệ và tạo điều kiện thực nghiệm của PGS.TS Nguyễn Huy Dân.

Tiếp đến, tôi xin cảm om sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS Nguyễn Mầu Lâm, NCS Nguyễn Hải Yen 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).

Xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ của học viên Nguyễn Đăng Trường người cùng chung giảng viên hướng dẫn, đã cùng tôi hoàn thành nhiều công đoạn trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm om sự giúp đỡ dạy bảo tận tình của các thầy cô giáo Trường đại học sư phạm Hà Nội 2, Viện khoa học vật liệu — Viện hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam, đã trang bị trì thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, thảng 7 năm 2016

Tác giả

Đỗ Văn Phương

Tôi xin cam đoan rằng kết quả nghiên cứu ữong luận văn này là trung thực

và không trùng lặp với các đề tài khác Tôi cam đoan mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Phưong

LỜI CAM Đ O A N

MỤC L Ụ C

DANH MỤC CÁC KÝ H IỆ U

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT T Ắ 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 3

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ (G M I) 3

1.1 Vật liệu từ mềm nano tinh th ể 3

1.1.1 Cấu trúc nano tinh t h ể 3

1.1.2 Các tính chất từ của yật liệu từ nano tinh th ể 3

1.1.3 Anh hưởng của thành phàn các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt lên tính chất từ của hệ vật liệu Fe - Zr - B - C u 4

1.2 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 5

1.3 Giải thích hiệu ứng từ trở khổng l ồ 8

1.3.1 Vùng tần số thấp (cỡ vài kH z) 8

1.3.2 Vùng tần số trung bình (vài M H z ) 8

1.3.3 Vùng tần số cao (vài chục đến hàng trăm MHz hoặc G H z) 9

1.4 Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 9

1.4.1 Cấu trúc đômen và tính dị hướng từ 9

1.4.2 Hiện tượng tách đỉnh ở đường cong G M I 11

1.4.3 Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong vật liệu khác n h a u 13

1.4.3.1 Vật liệu dạng d â y 13

1.4.3.2 Vật liệu dạng băng hoặc màng m ỏ n g 14

m ỏng 16

1.5.2 Tốc độ nguội của hợp kim nóng c h ả y 17

1.5.3 Tốc độ nguội tới hạn 19

CHƯƠNG 2 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 các vật liệu có cấu trúc vô định hình bằng 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 X ử lý nhiệt bằng lò ủ n h iệt 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 của hàm lượng Zr đến cấu trúc vật liệu Fe93.xZrx B6Cu i 32

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr đến tính chất từ của vật liệu Fe93.xZrx B6Cu i 34

3.3 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng Zr đến tỉ số GM Ir của vật liệu Fe93-xZrx B6Cu i 37

KẾT L U Ậ N 39

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM K H Ả O 40

K Từ giảo bão hòa

^0 Độ từ thẩm của chân không

(ũ Tần số góc dòng điện xoay chiều

TAg Nhiệt độ thủy tinh hóa

u k Năng lượng dị hướng từ tinh thể

: Kim loại chuyển tiếp : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha : Yô định hình

: Hệ từ kế mẫu rung : Nhiễu xạ tia X

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ trường ngoài 8

Hình 1.3 Mô hình đômen của Squire 9

Hình 1.4 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh của đường cong tỷ số GMI 11

Hình 1.5 Hình dạng đường cong tỷ số GMI (có hiện tượng tách đỉnh) .12

Hình 1.6 Đồ thị Xtứng với các giá trị 0Kkhác nhau 13

Hình 1.7 Cấu trúc đômen của dây vô định h ìn h 13

Hình 1.8 Cấu trúc đômen của màng, b ă n g 14

Hình 1.9 Cấu trúc đômen của màng mỏng đa lớ p 15

Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt 18

Hình 1.11 Họp kim một nguyên, đường 20

1, 2 và 3 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 trong 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 các bước nấu họp kim 25

Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không 28

Hình 2.5 Mô hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X 28

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo GMI 30

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và ảnh chụp của hệ từ kế mẫu rung (VSM) 31

Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X trên các mẫu Fe93_xZrx B6Cui (x = 5, 7, 9) chưa ủ nhiệt 32

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X fren các mẫu Fe93.xZrx B6Cui (x = 5, 7, 9) ủ nhiệt ở 580°c trong thời gian l h 32

Hình 3.4 Đường cong từ ừễ của mẫu hợp kim Fe93.xZrxB6Cui (x =5, 7 và 9) ủ nhiệt tại 580°c trong l h 34Hình 3.5 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 chưa ủ nhiệt 35Hình 3.6 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 ủ nhiệt ở

Bảng 3.1 Sự thay đổi kích thước hạt theo nồng độ Zr khi ủ Fe93_xZrxB6Cui nhiệt ở

580°c trong thời gian lh 33

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát Hc và Ms theo thành phần trước và sau khi chưa ủ nhiệt 36

kỹ thuật nguội nhanh để tạo ra các băng hợp kim có cấu trúc vô định hình, sau đó ủ 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 sẽ có điện trở suất cao và đặc biệt là độ từ thẩm cao là các yếu tố quan trọng có thể khai thác và điều khiển hiệu ứng tổng trở cao tần trong dây dẫn từ tính

Hợp kim từ làm bằng băng vô định hình dưới tác dụng của từ trường ngoài H

và dòng điện xoay chiều làm độ từ thẩm p thay đổi mạnh, dẫn đến sự thay đổi độ thấm sâu bề mặt ô từ đó làm thay đổi mạnh tổng ưở z của vật liệu Khi đó ta dùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trưng bởi tỷ

số GMI (hoặc GMIr) Hiệu ứng GMI của một dây dẫn có từ tính phụ thuộc vào: bản chất của vật liệu làm dây dẫn (p), tần số góc của dòng điện đặt vào dây dẫn (co), độ

dầy thấm sâu bề mặt ( ổ ), độ từ thẩm ụ

Hợp kim Vật liệu nanoperm với các thành phần Fe-X-B trong đó X có thể làZr-Cu, Hf-Cu , trên nền vô định hình dư Khi thay đổi hàm lượng của các nguyên tố trong họp kim thì cấu trúc vi mô thay đổi cụ thể là kích thước hạt dẫn đến tính chất từ của họp kim cũng thay đổi theo và có thể dẫn đến hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI Mỗi thành phần trong họp kim có vai trò và ảnh hưởng khác nhau đến cấu trúc vi mô của vật liệu Trong đó Fe đóng vai trò tạo nên tính chất từ, Zr làm giới hạn kích thước hạt a-Fe, Cu đóng vai trò tạo mầm kết tinh, B đóng vai trò

làm ổn định nền YÔ định hình và làm giảm lượng pha a - Fe 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 lý mẫu hợp kim để tínhchất 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 thành phần Zr thay đổi với X = 5; 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 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

NÔIDUNGCHƯƠNG 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 pháp từ dưới lên, cụ thể:

Phương pháp từ trên xuống: dùng kỹ thuật nghiền để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được ữộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối (có thể được bảo vệ trong dung môi) Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano)

Phương pháp từ dưới lên về nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phần lớn các vật liệu nano hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết họp cả hai Phương pháp nguội nhanh thuộc nhóm phương pháp vật lý Nguyên lý của phương pháp này là dùng trống quay có bề mặt nhẵn bóng với tốc độ cao làm môi trường thu nhiệt của hợp kim nóng chảy Với mục đích tạo băng có độ dày từ 20-Ỉ-30 pm tôi dùng phương pháp nguội nhanh đơn trục hay ly tâm

1.1.2 Các tính chất từ của vật liệu từ nano tinh thể

Vật liệu từ khi đặt trong trường điện từ xoay chiều, trạng thái từ hoá luôn bị đảo chiều Lực kháng từ Hc chính là từ trường cần để xoá đi một trạng thái từ hoá

trước khi thiết lập trạng thái từ hoá mới Vì vậy tổn hao năng lượng do hiện tượng

từ trễ phụ thuộc vào lực kháng từ Hc: Lực kháng từ Hc càng nhỏ (đường từ trễ càng

hẹp), tổn hao năng lượng càng nhỏ Với vật liệu từ mềm, đòi hỏi đầu tiên là vật liệu phải có lực kháng từ Hc nhỏ [3, 5]

Lực kháng từ Hc dựa trên lý thuyết dịch vách đômen và xoay véctơ từ độ được viết như sau [6]:

H , = a - ^ - + b ^ - + c \ N t- N ị l , ( 1 1 )

Kx: dị hướng từ tinh thể; Xs: hằng số từ giảo; Nx N2 hệ số khử từ; Is: Từ độ

Từ (1.1) ta thấy để Hc nhỏ thì dị hướng từ Ki, từ giảo Ằs phải nhỏ và các hạt sắt từ có dạng đều

Khi các hạt tinh thể sắt từ (a-Fe) có kích thước D nhỏ hom chiều dài tưomg tác trao đổi sắt từ L0 ~(A/K,)1/2 (Đại lượng này cũng chính là bề rộng vách đômen

ô ~ 7Ĩ L0, trong đó A ~10“n J/m: độ cứng trao đổi, Ki ~ 8000 J/m3: dị hướng từ tinh thể đối với Fe- 20%Si), dưới ảnh hưởng của sự cạnh ữanh giữa tưomg tác ừao đổi

và dị hướng, các mô men từ không nhất thiết phải định hướng theo phưomg dễ từ hoá của từng hạt tinh thể vốn sắp xếp ngẫu nhiên, mà có thể định hướng song song nhau nhờ vào tương tác trao đổi và liên kết từ với nhau

Dị hướng trung bình <K> của tập thể các hạt sắt từ N có thể viết dưới dạng:

1.1.3 Ảnh hưởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt lên tính chất từ của hê vât liêu Fe - Zr - B - Cu• • •

Kích thước hạt trung bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ các chất, nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt Các nghiên cứu cho thấy lượng Zr, B, Cu hòa tan trong tinh thể a - Fe ít, ta có thể coi pha tinh thể chỉ chứa Fe

Mỗi nguyên tố đóng vai ưò khác nhau trong hợp kim ữong đó, B theo có tác

dụng làm ổn định nền vô định hình Tuy nhiên theo khi xử lý nhiệt ở trên 600°c,

dẫn đến kết tinh pha borit sắt, ảnh hưởng đến dị hướng từ tinh thể và trực tiếp đến tính từ mềm của vật liệu do đó sẽ ảnh hưởng đến tỷ số GMIr

Nồng độ Cu đóng vai trò cải thiện cơ tính của vật liệu, tạo mầm kết tinh Tuy nhiên, nếu nồng độ Cu lớn, sẽ tạo ra các đám giàu Cu, làm giảm tính chất từ của vật liệu, các kết quả cho thấy nồng độ Cu tối ưu là 1%

Vai trò của Zr trong hợp kim được khẳng định là cản trở sự kết tinh của các hạt a - Fe, nhờ đó mà các hạt mới được phân bố đồng đều và kích thước hạt nhỏ, đạt cỡ nano mét Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nếu nồng độ Zr lớn, sẽ làm loãng pha sắt từ dẫn đến tính từ mềm kém đi Ngoài ra nồng độ Zr cao cũng gây ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ Curie của vật liệu

Như vậy việc hạn chế kích thước hạt tinh thể là yêu cầu đầu tiên để vận hành quy luật Hc ~ D6 Tính chất từ mềm tốt nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó thành phần hợp kim luôn luôn là quan tíọng Thành phần hợp kim 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 công nghệ nguội nhanh, với các giá trị X = 5; 7; 9

1.2 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

Khi có dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn có từ tính, dòng điện này sẽ sinh một từ trường biến thiên Ht xung quanh vuông góc với dây dẫn (Hình 1.1) Làm xuất hiện trong dây dẫn dòng điện i cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ trường Ht Ngoài ra Ht từ hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện độ

từ thẩm theo phương ngang Pt

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ (giant 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

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 trường ngoài, tần số và hiệu ứng

bề mặt [1,2]

Độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường Ht do chính dòng điện cao tần chạy qua dây dẫn và vào từ trường ngoài Hext tác động lên dây dẫn Như vậy kết hợp (1 1) và

(1 2) có thể thấy z tổng trở z trong dây dẫn phi từ tính do hiệu ứng bề mặt quyết

định và trong dây dẫn từ tính do hai yếu tố là hiệu ứng bề mặt và sự thay đổi mạnh của từ thẩm dưới tác động của hai từ trường H ’ và H ngoài

Để đặc trưng cho hiệu ứng người ta đưa ra một đại lượng, đó là tỷ số tổng trở khổng lồ GMIr được xác đinh theo biểu thức sau:

Z(H=0)

- Z(H): giá trị tổng trở được đo ở từ trường H.

- Z(H=0): giá trị tổng trở đo ở từ trường bằng không.

Trong các hệ vật liệu, thì vật liệu VĐH và nano tinh thể là vật liệu từ mềm có

từ thẩm cao (p~ 105), điều này cho phép hy vọng có hiệu ứng GMI tốt

z = RdckaJ0(k«)

- Rdc là điện trở của dây dẫn

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt

với từ trường ngoài

1.3 Giải thích hiệu ứng từ trở khổng lồ

1.3.1 Vùng tần số thấp (cỡ vài kHz)

Ở vùng tần số thấp, độ thấm sâu bề mặt 5 có giá ừị tưomg đưorng và thậm chí

còn lớn hơn kích thước mẫu, hiệu ứng bề mặt xảy ra yếu, không đáng kể Tổng trở

của mẫu thay đổi hầu như chỉ do sự thay đổi của độ từ thẩm fi của vật dẫn gây nên

bởi từ trường ngoài [6]

1.3.2 Vùng tần số trung bình (vài MHz)

Với dải tần số này độ thấm sâu bề mặt s có giá trị nhỏ hom bán kính dây dẫn

từ Do đó hiệu ứng bề mặt bắt đầu có giá trị đáng kể, dòng điện xoay chiều có thể coi như chỉ tập chung ở lớp mỏng bên ngoài dây dẫn và sự cản trở dòng điện đã tăng lên Lúc này sự thay đổi của tổng trở dẫn đến hiệu ứng GMI sẽ phụ thuộc vào

độ thấm sâu bề mặt và độ từ thẩm ịi của vật liệu.

Ta giải thích sự thay đổi tổng trở ở vùng tần số này như sau: Từ trường ngoài

làm thay đổi từ thẩm ịi của vật liệu, dẫn đến thay đổi độ thấm sâu bề mặt s và theo

(1.6) làm thay đổi tổng trở z Sự thay đổi từ thẩm được giải thích do hai quá trình

khác nhau là sự dịch chuyển vách đômen và sự quay vectơ từ độ trong đó sự quay vectơ từ độ chiếm ưu thế hom sự dịch chuyển vách đômen

1.3.3 Vùng tần số cao (vài chục đến hàng trăm MHz hoặc GHz)

Từ công thức (1.6), khi tần số f cao độ thấm sâu bề mặt ổ có giá trị rất nhỏ

tức là dòng điện coi như chỉ tập chung ở một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn và dòng điện bị cản trở mạnh (tổng ừở lớn) Ở tần số này hiệu ứng GMI phụ thuộc vào

độ thấm sâu 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

ra Nhưng mỗi mô hình chỉ

phù hợp với mỗi dải tần số

nhất định, tùy 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) Với dạng hình trụ, trường khử từ là rất nhỏ, với dạng phẳng, trường khử từ phụ thuộc vào bề rộng của mẫu Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách đômen và quá trình quay của

véctơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra.

Mô hình (Hình 1.3) bao gồm các đômen phản song song định hướng theo

trục từ dễ

Trong đó:

+ ớ là góc tạo bởi phương dễ từ hóa và trường ngoài

+ ệjV ầệ 2 là góc giữa mô men từ của hai đômen với phương dễ từ hóa

+ Từ trường ngoài Hexí

+ Từ trường vuông góc Ht

+ d là bề rộng vách đômen khi không có từ trường ngoài

+ X là độ dịch chuyển của vách đômen dưới tác dụng của trường cảm ứng từ

Độ tự cảm ngang ỵ t liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:

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

Trong đó UK là mật độ năng lượng dị hướng từ tinh thể và được tính theo công thức sau:

ơ^là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang Hl:

U'H = /J0M sHl[(L — a)sm(ỡ + (p2) — asm(ỡ — <p1)] (1 12)

Và uw là năng lượng tĩnh từ, nó phụ thuộc vào cấu trúc của các đômen Năng lượng tĩnh từ được thể hiện dưới dạng hàm bậc hai:

ngang Xt - ~ ~ và từ đó tính đươc đô thẩm từ.

õHt

Khi nghiên cứu mối quan hệ giữa sự định hướng trục dễ của các đômen từvới hiệu ứng GMI, đã chỉ ra rằng dạng của đường cong GMI phụ thuộc vào sự địnhhướng trục dễ Nghiên cứu về sự phân bố dị hướng lên hiệu ứng GMI, cũng chỉ rarằng GMIr là hàm của M(%t)

1.4.2 Hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GM I

Hiện tượng tách đỉnh trên đường

cong GMI xảy ra ở một số mẫu Đây là

hiện tượng, trên đường cong biểu diễn sự Hext

phụ thuộc của tỷ số GMI vào từ trường

ngoài H xuất hiện hai cực đại, ứng vói hai

đỉnh Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở

thích hiện tượng tách đỉnh củahướng của mẫu nghiên cứu [6] giải thích ' ' , X „

theo mô hình sau đây: Xét một đơn đômen

quay quanh một trục chuẩn Do mẫu có tính dị hướng nên năng lượng tương tác của dây dẫn từ tính đặt trong từ trường H và có phương dễ từ hoá hcrp với phương từ trường một góc 0 trong từ trường H (Hình 1.4) được xác định bằng:

E = K sỉn2 ỠK - MsHextsin( 6+ 0K) - MsHtcosị &K + 0) (1.14)Với E là năng lượng toàn phần của hệ, K là hằng số dị hướng từ tinh thể của vật liệu làm dây dẫn, 0K là góc họp bởi phương dễ từ hoá và phương của từ trường ngang Ht (Hình 1.4) và 0 là góc giữa phương dễ từ hoá và phương từ độ Ms của vật

° K

f Ms

0 s

liệu Điều kiện cân bằng của hệ trên là:

Hình 1.5 Hình dạng đường cong tỷ số GMI (có hiện tượng tách đỉnh) [6]

trong đó trường dị hướng H k =2K/Ms; h =Hex/H K

Do = Xt + 1 nên Pt và Xt có cùng dạng đồ thị Dan đến, theo phương trình

(1.14) khi 0 và 0K nhỏ khoảng 5° thì đường cong được vẽ bởi phương trình (1.14) sẽ

xuất hiện hai đỉnh tại h = ± 1 hay Hext = ± H K, như được mô tả ở (Hình 1.5) Dạng đồ thị của Xt được mô tả như (Hình 1.6), mà Xt lại tỷ lệ với ịiu nên dạng đường cong của Xt cũng tương tự dạng đường cong của GMI Khi 0K nằm ữong khoảng 5° đến

50° thì đường cong GMI có hiện tượng tách đỉnh với độ mạnh yếu khác nhau

Nhưng khi 0K có giá trị từ 60° đến 90° thì hiện tượng tách đỉnh trong đường cong

GMI không còn nữa

Hình 1.6 Đồ thị Xtứng với các giá trị 0Kkhác nhau

1.4.3 Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong vật liệu khác nhau

1.4.3.1 Vật liệu dạng dây

Hiệu ứng GMI chủ yếu được

điều khiển bởi độ từ thẩm hiệu dụng

Một ữong những nguyên nhân ảnh

hưởng đến độ lớn của độ từ thẩm là

dị hướng từ, dị hướng này thường là

do ứng suất dư trong quá trình chế

tạo mẫu, ứng suất này có thể được

khử thông qua quá trình ủ mẫu Với

mẫu dạng dây chế tạo bằng công

nghệ nguội nhanh, do tốc độ nguội

của lớp bề mặt dây và vùng lõi của dây khác nhau, dẫn đến cấu trúc đômen của hai vùng khác nhau, điều này được biểu diễn trên (Hình 1.7) Những nghiên cứu về dây FeBSi vô định hình bởi Takemura (1996) cho thấy cấu trúc dạng đômen ữên của dây Trong đó, phần lõi là đơn đômen với phương của véctơ từ độ trùng vói chiều

Đôm*n Lõp võ

Hình 1.7 Cấu trúc đômen của dây vô định hình

[ 6 ].

dài của dây dẫn Phần vỏ ngoài có cấu trúc đa đômen với các véctơ từ độ có dạng vòng tròn, nguyên nhân là do ứng suất nén kết hợp với hiệu ứng từ giảo âm, giữ cho các đômen từ là các vòng tròn kín, đảm bảo sự cực tiểu về năng lượng [6].

Khi ủ mẫu ở nhiệt độ thích hcrp đã khử các ứng suất, tạo ra các đômen cóvéctơ từ độ dạng vòng kín và có thể làm kết tinh một phần bề mặt

Từ (1.18) tổng trở z phụ thuộc vào ỊI, co.

1.4.3.2 Vật liệu dạng băng hoặc màng mỏng

Theo các công bố thì tỷ số

Hdc, I

là ở các mẫu dây Còn màng

mỏng tuy có độ dày nhỏ nhưng tỷ

số GMIr trong các công bố cho

thấy còn chưa cao, nên các

nghiên cứu gần đây đều tập trung Hình 1 -8 cấu trúc đômen của màng, băng [6]tìm cách tăng tỷ số GMI trong các màng mỏng Trong mẫu cấu trúc dạng đơn lớp, cấu trúc đômen được mô phỏng như Hình 1.8 Khi dòng xoay chiều tần số cao đi qua các mẫu màng mỏng hoặc mẫu băng, nó cũng tạo ra từ trường xoay chiều cường độ nhỏ vuông góc với chiều dòng điện Neu chiều này trùng với chiều dễ từ hóa, thì từ trường này chủ yếu làm các vách đômen dịch chuyển Khi có từ trường

ngoài theo hướng vuông góc vói trục dễ tác động vào mẫu, thì sự dịch chuyển các vách đômen sẽ bị kìm hãm và thay vào đó là sự xoay các véctơ từ độ ữong các đômen theo phương từ trường ngoài Trong suốt quá trình này độ từ thẩm của mẫu

sẽ giảm cho tói giá trị bằng 1 Độ từ thẩm này sẽ làm thay đổi trở kháng thông qua việc thay đổi độ thấm sâu bề mặt của từ trường Theo [6] hiệu ứng này trong băng

tù hay màng mỏng không xảy ra mạnh như trong dây từ

Khi cho dòng điện xoay chiều I0eJ<m chạy qua mẫu màng mỏng có bề dày t

thì tổng ưở của mẫu là:

(1.22)

(1.23)

(1.24)

1.4.3.3 Vật liệu dạng màng đa lớp

Vật liệu màng đơn lớp thường có

giá trị GMI tương đối nhỏ, để tăng

hiệu ứng ta sử dụng màng có cấu trúc

đa lớp Màng đa lớp có cấu trúc dạng

sandwich của hai lớp sắt từ (Hình 1.9)

khép kín cũng là một yếu tố làm tăng ụ, dẫn đến làm tăng GMIr.