Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể fe87 xzr7b6cux (LV01988)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN ĐĂNG TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG GMI CỦA VẬT LIỆU Fe87-xZr7B6Cux 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 Trước tiên, xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Hữu Tình người thầy dành cho nhiều công sức, trí tuệ động viên khích lệ, giúp đỡ tận tình định hướng khoa học hiệu suốt trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn bảo, giúp đỡ ân cần, khích lệ tạo điều kiện PGS.TS Nguyễn Huy Dân dành cho suốt thời gian thực luận văn Viện Khoa học Vật liệu Cảm ơn đồng hành giúp đỡ học viên Đỗ Văn Phương người chung giáo viên hướng dẫn, hoàn thành nhiều công đoạn trình thực nghiệm hoàn thiện luận văn Tôi xin cảm ơn cộng tác giúp đỡ đầy hiệu NCS Nguyễn Mẫu Lâm, NCS Nguyễn Hải Yến, NCS Phạm Thị Thanh cán bộ, học viên khác Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi mặt Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trung tâm Nghiên cứu khoa học Chuyển giao công nghệ trường Đại học Sư phạm Hà Nội trình thực luận văn Sau cùng, xin cảm ơn thực quên giúp đỡ tận tình thầy cô giáo, bạn bè, anh em gần xa động viên tinh thần, giúp đỡ vật chất, tạo điều kiện mặt người thân gia đình suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn Hà Nội, tháng năm 2016 Tác giả LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan gi p đ cho việc thực luận văn đƣợc cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Nguyễn Đăng Trƣờng 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 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) 1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI 1.2 Mối quan hệ cấu tr c đômen hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 1.2.1 Cấu tr c đômen tính dị hƣớng từ 1.2.2 Hiện tƣợng tách đỉnh đƣờng cong GMI 1.2.3.Cấu tr c đômen hiệu ứng GMI dạng vật liệu khác 1.3 Vật liệu từ mềm nano tinh thể 12 1.3.1 Cấu trúc nano tinh thể 12 Các tính chất từ vật liệu từ nano 13 1.3.3 Ảnh hƣởng thành phần nguyên tố trình xử lý nhiệt lên tính chất từ hệ vật liệu Fe – Zr – B – Cu 16 1.4 Công nghệ nguội nhanh 17 1.4.1 Các phƣơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dƣới dạng băng mỏng 17 1.4.2 Tốc độ nguội hợp kim nóng chảy 18 1.5 Tốc độ nguội tới hạn 20 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Chế tạo mẫu hợp kim 23 2.1.1 Công nghệ chế tạo vật liệu có cấu tr c vô định hình thiết bị nguội nhanh đơn trục 23 2.1.2 Kỹ thuật gia công mẫu 25 2.1.3 Xử lý nhiệt lò ủ nhiệt 25 2.2 Phƣơng pháp phân tích 26 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) 26 2.2.2 Phƣơng pháp đo từ hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) 27 2.2.3 Phƣơng pháp đo GMI 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Nghiên cứu cấu trúc hợp kim Fe87-xZr7B6Cux 31 3.2 Nghiên cứu tính chất từ hợp kim Fe87-xZr7B6Cux 32 3.3 Nghiên cứu hiệu ứng GMI hợp kim Fe87-xZr7B6Cux 35 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Cu hợp kim đến tỷ số GMIr hợp kim Fe87-xZr7B6Cux 35 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng tần số đến tỷ số GMIr hợp kim 37 Fe87-xZr7B6Cux 37 KẾT LUẬN 39 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU s : Từ giảo bão hòa  : Năng lƣợng đơn vị diện tích vách đômen  : Độ dày vách đômen 0 : Độ từ thẩm chân không Ek : Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể Hc : Lực kháng từ Hext : Từ trƣờng Ir, Jr, Mr : Từ độ dƣ MS : Từ độ bão hòa RC : Tốc độ nguội tới hạn Ta : Nhiệt độ ủ TC : Nhiệt độ Curie Tg : Nhiệt độ thủy tinh hóa ta : Thời gian ủ nhiệt 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 T-T-T : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha VSM : Hệ từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X VĐH : Vô định hình DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Từ trƣờng quanh vật dẫn có dòng xoay chiều chạy qua Hình 1.2 Mô hình đômen Squire [6] Hình 1.3 Mô hình dị hƣớng giải thích tƣợng tách đỉnh đƣờng cong tỷ số GMIr Hình 1.4 Hình dạng đƣờng cong tỷ số GMIr (có tƣợng tách đỉnh) Hình 1.5 Đồ thị t ứng với giá trị K khác Hình 1.7 Cấu tr c đômen màng, băng 10 Hình 1.8 Cấu tr c đômen màng mỏng đa lớp 11 Hình 1.9 (a) Hợp kim đa nguyên tố siêu bão hòa đƣợc đông cứng nhanh từ thể lỏng tạo trạng thái VĐH (b) Khi ủ, trạng thái siêu bão hòa bị phá v : Cu, Zr B với nồng độ bão hòa tách khỏi Fe Thành phần hợp kim bị phân ly thành vùng giàu Fe vùng giàu Cu, Zr, B, vùng có nhiệt độ kết tinh khác Tc1 < Tc2 Nếu mẫu đƣợc ủ nhiệt độ: Tc1 < T < Tc2, pha α – Fe kết tinh, pha VĐH giàu Cu, Zr, B không kết tinh bao lấy hạt tinh thể α – Fe, hạn chế hạt phạm vi vài chục nano mét (c) Cấu trúc vật liệu từ mềm nano tinh thể FeZrBCu sau ủ nhiệt Tc1 < T < Tc2 [6] 13 Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt 19 Hình 1.11 Hợp kim nguyên, đƣờng 1, ứng với tốc độ nguội khác 20 Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh chân không 24 Hình 2.2 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không 26 Hình 2.3 Mô hình hình học tƣợng nhiễu xạ tia X 27 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên l ảnh chụp hệ từ kế mẫu rung (VSM) 28 Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ đo GMI 30 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu chƣa ủ nhiệt 31 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu ủ nhiệt 580oC 1h 31 Hình 3.3 Đƣờng cong từ hóa mẫu chƣa ủ nhiệt 33 Hình 3.4 Đƣờng cong từ hóa mẫu ủ nhiệt 580oC 33 Hình 3.5 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu mẫu chƣa ủ 33 Hình 3.6 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu mẫu chƣa ủ 33 Hình 3.7 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu mẫu ủ nhiệt 580oC 33 Hình 3.8 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu mẫu ủ nhiệt 580oC 33 Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 chƣa ủ nhiệt 35 Hình 3.10 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 ủ nhiệt 580oC 35 Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 chƣa ủ nhiệt 35 Hình 3.12 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 ủ nhiệt 580oC 35 Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 chƣa ủ nhiệt 36 Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 ủ nhiệt 580oC 36 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn cực đại tỉ số GMI mẫu chƣa ủ nhiệt theo hàm lƣợng Cu 36 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn cực đại tỉ số GMI mẫu ủ nhiệt 580oC theo hàm lƣợng Cu 36 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số mẫu chƣa ủ nhiệt 37 Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số mẫu ủ nhiệt 580oC 37 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Vận tốc nguội tới hạn RC trình vô định hình hợp kim 21 Bảng Hệ hợp kim sắt 25 Bảng Kết khảo sát từ với mẫu theo thay đổi hàm lƣợng Cu 34 28 sánh, (5) bệ đ , (6) cần giữ bình mẫu, (7) mẫu đo, (8) cuộn dây thu tín hiệu đo, (9) cực nam châm Hình 2.4 Sơ đồ nguyên l ảnh chụp hệ từ kế mẫu rung (VSM) [6] 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) (2.1) 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: 29 H2 ∆Sm(T) = S(T, H2) – S(T, H1) =  ( H1 M (T , H ) )[ H ] dH T (2.2) Ngoài phƣơng pháp ch ng ta dùng phƣơng pháp đo từ trƣờng xung 2.2.3 Phƣơng pháp đo GMI Để tiến hành đo hiệu ứng GMI mẫu vật liệu đƣợc cắt thành sợi có kích thƣớc bề rộng 1mm, chiều dài 10mm, sau mẫu đƣợc gắn lên giá đ 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 4, 6, 10MHz 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 (2.3) 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 2.5) 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 30 Điện áp thay đổi Nam châm điện Cảm biến r 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 2.5 Sơ đồ khối hệ đo GMI [6] 31 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Cƣờng độ tùy ý 3.1 Nghiên cứu cấu trúc hợp kim Fe87-xZr7B6Cux x=1.5 x=1.0 x=0.5 10 20 30 40 2 50 60 70 Cƣờng độ tùy ý Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu chưa ủ nhiệt x=1.5 x=1 x=0.5 10 20 30 40 50 60 70 2 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu ủ nhiệt 580oC 1h Trên sở mẫu băng hợp kim sắt với thành phần Cu thay đổi từ 0,5% đến 1,5% nguyên tử không đƣợc ủ nhiệt đƣợc ủ nhiệt độ 580oC với môi trƣờng chân không thấp 32 Các mẫu băng sau phun, đƣợc phân tích nhiễu xạ tia X để kiểm tra trạng thái vô định hình Hình 3.1 giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu băng phun Fe87-xZr7B6Cux Trên giản đồ không thấy tồn đỉnh đặc trƣng cho trạng thái tinh thể Điều khẳng định, tất mẫu băng Fe87-xZr7B6Cux phun trạng thái vô định hình Sự tồn đỉnh nhòe góc 2θ≈45o đƣợc giải thích trật tự gần ổn định mầm kết tinh pha tinh thể α-Fe Kết cho thấy băng vô định hình phù hợp với mô hình phôi thai tinh thể [6] Từ giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.2 mẫu ủ 580oC 60 phút ta thấy với mẫu không quan sát thấy pha Fe2B, tồn pha α-Fe góc 2θ≈45o 2θ≈66o Tất mẫu xuất cấu trúc tinh thể nano Ảnh hƣởng nồng độ Cu đến trình chuyển pha hiểu nhƣ sau: Trong hợp kim Cu đóng vai trò tạo mầm kết tinh pha α–Fe, nồng độ Cu tăng số mầm kết tinh tăng làm số hạt tăng lên thể tích giới hạn hạt có kích thƣớc nhỏ 3.2 Nghiên cứu tính chất từ hợp kim Fe87-xZr7B6Cux Để nghiên cứu tính chất từ ch ng sử dụng từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất từ vật liệu với mẫu chƣa ủ sử dụng phƣơng pháp đo từ trƣờng xung với mẫu ủ nhiệt Trên bảng kết đo mẫu chƣa ủ mẫu ủ 580oC 60 phút Kết cho thấy với mẫu chƣa ủ giá trị Ms nhỏ, Hc lớn ngƣợc với mẫu ủ nhiệt điều đƣợc l giải Cu ảnh hƣởng đến trình kết tinh, dẫn đến việc giới hạn kích thƣớc hạt nhƣ tạo độ đồng hạt Do đó, trạng thái vô định hình, Cu chƣa thể vai trò đó, l c đóng vai trò làm loãng pha từ, không ảnh hƣởng nhiều đến tính chất từ Dù vậy, theo kết cho bảng hình 3.3 đến 3.6 cho thấy với hàm lƣợng Cu 1% cho tính từ mềm tốt 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 -20 -40 -60 -80 -100 -120 200 x=0.5 x=1 x=1.5 150 100 x=0.5 x=1 x=1.5 50 M (emu/s) M (emu/g) 33 -50 -100 -150 -200 -10 -6 10 -4 -2 0 40 60 H (kOe) H (kOe) Hình 3.3 Đường cong từ trễ mẫu chưa ủ nhiệt Hình 3.4 Đường cong từ trễ mẫu ủ nhiệt 580oC 50 105 48 100 95 Ms (emu/g) Hc (Oe) 46 44 42 90 85 80 75 40 70 38 65 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Thµnh phÇn Cu (%) Thµnh phÇn Cu (%) Hình 3.5 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lượng Cu mẫu chưa ủ Hình 3.6 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lượng Cu mẫu chưa ủ 26 180 175 24 170 22 Ms (emu/g) Hc (Oe) 165 20 18 16 160 155 150 145 14 140 12 135 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Thµnh phÇn Cu (%) Hình 3.7 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lượng Cu mẫu ủ nhiệt 580oC 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Thµnh phÇn Cu (%) Hình 3.8 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lượng Cu mẫu ủ nhiệt 580oC 34 Bảng Kết khảo sát từ với mẫu theo thay đổi hàm lượng Cu Tên mẫu Ms (emu/g) Hc (Oe) Tên mẫu Ms (emu/g) Hc (Oe) M1 chƣa ủ 68 43 M1 ủ 5800C/1h 139 22 M2 chƣa ủ 104 39 M2 ủ 5800C/1h 175 13 151 25 M3 chƣa ủ 72 49 M3 ủ 580 C/1h Khi ủ nhiệt, theo kết cho bảng đồ thị hình 3.5 đến 3.8 cho thấy, ủ nhiệt thông số từ Hc, Ms có thay đổi chênh lệch đáng kể so với trƣớc ủ theo hàm lƣợng Cu Điều đƣợc lý giải là: Khi nồng độ Cu tăng lên, kích thƣớc hạt giảm đồng Tuy với nồng độ Cu 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 [23] Kết cho thấy với hàm lƣợng Cu 1% cho tính từ mềm tối ƣu, điều phù hợp với kết tác giả khác [21, 28] Hạn chế kích thƣớc hạt tinh thể yêu cầu để vận hành quy luật Hc  D6 Tuy nhiên cần lƣu đến yêu cầu khác nhằm đạt đƣợc tính chất từ mềm tốt nhất, tỷ phần nguyên tố hợp kim thể vai trò định Thành phần hợp kim cho phép điều khiển kết tinh hệ Tuy nhiên cần lƣu đến chi tiết sau: Khi tăng hàm lƣợng Cu lên, giảm kích thƣớc hạt -Fe giảm đƣợc dị hƣớng K Tuy nhiên nồng độ Cu cao, pha vô định hình dƣ chứa nhiều Cu làm giảm nhiệt độ Curie pha biến pha vô định hình dƣ thành pha thuận từ Các hạt -Fe tƣơng tác với nhau, ghép nối qua biên giới hạt, tức qua lớp vô định hình dƣ Pha vô định hình dƣ chứa nhiều pha thuận từ cản trở liên kết làm giảm tính từ mềm, kích thƣớc hạt D < L0 [28] 35 3.3 Nghiên cứu hiệu ứng GMI hợp kim Fe87-xZr7B6Cux 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Cu hợp kim đến tỷ số GMIr hợp kim Fe87-xZr7B6Cux x=0.5 100 X=0.5 80 GMIr (%) 6MHz 10MHz 4MHz 60 GMIr (%) 20 6MHz 10MHz 4MHz 40 20 0 -40 -20 20 40 -40 -20 B(mT) 20 40 B(mT) Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 chưa ủ nhiệt Hình 3.10 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 ủ nhiệt 580oC x=1 140 x=1 20 100 GMIr (%) GMI (%) 6MHz 10MHz 4MHz 120 f=10MHz f=4MHz f=6MHz 80 60 40 20 -40 -20 20 40 B (mT) Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 chưa ủ nhiệt -40 -20 20 40 B(mT) Hình 3.12 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 ủ nhiệt 580oC 36 x=1,5 100 20 6MHz 10MHz 4MHz 80 X=1.5 60 GMIr (%) GMIr (%) 6MHz 10MHz 4MHz 40 20 0 -40 -20 20 40 -40 -20 B(mT) 20 40 B(mT) Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 chưa ủ nhiệt Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 ủ nhiệt 580oC f=10MHz f=4MHz f=6MHz 140 120 100 GMI (%) GMIr (%)) f=10MHz f=4MHz f=6MHz 20 80 60 40 0,4 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Thµnh phÇn Cu (%) Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn cực đại tỷ số GMIr mẫu chưa ủ nhiệt theo hàm lượng Cu 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Thµnh phÇn Cu (%) Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn cực đại tỷ số GMIr mẫu ủ nhiệt 580oC theo hàm lượng Cu Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI thay đổi tổng trở cao tần Z băng từ dƣới tác động từ trƣờng chiều đặt vào Tổng trở Z phụ thuộc vào độ từ thẩm hiệu dụng theo phƣơng ngang băng từ t, tức phụ thuộc vào tính chất từ mềm vật liệu Việc thay đổi hàm lƣợng Cu dẫn đến thay đổi tính chất từ, thay đổi tổng trở nhƣ ảnh hƣởng đến hiệu ứng GMI vật liệu 37 Kết khảo sát hiệu ứng GMI với mẫu chƣa ủ đƣợc biểu diễn hình 3.9, 3.11; 3.13 với mẫu ủ 580oC 60 phút biểu diễn hình 3.10, 3.12, 3.14 Hình 3.9 đến 3.14 cho thấy, tỷ số GMIrmax đạt giá trị lớn tƣơng ứng với mẫu có hàm lƣợng Cu 1% (ở mẫu chƣa ủ nhƣ ủ nhiệt) giá trị lớn đƣợc lặp lại tần số đo (hình3.15, 3.16) Kết hoàn toàn phù hợp với kết thu đƣợc phần khảo sát tính chất từ, ứng với mẫu có hàm lƣợng Cu 1% có tính chất từ mềm tốt 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng tần số đến tỷ số GMIr hợp kim Fe87-xZr7B6Cux 140 x=0,5 x=1,5 x=1 18 120 16 14 100 GMIr(%) GMIr(%) x=0,5 x=1,5 x=1 12 80 10 60 40 6 10 f(MHz) Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số mẫu chưa ủ nhiệt 10 f(MHz) Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số mẫu ủ nhiệt 580oC Để khảo sát ảnh hƣởng tần số đo hiệu ứng GMI, sử dụng mẫu vật liệu trƣớc ủ sau ủ nhiệt 580oC Mẫu đƣợc cắt thành sợi có kích thƣớc bề rộng 1mm, chiều dài 10mm Kết đƣợc biểu diễn hình 3.17, 3.18, từ kết cho thấy với tất mẫu cho tỷ số GMIr cao tần số 6MHz Sự phụ thuộc vào tần số hiệu ứng GMI đƣợc giải thích tổng trở Z kéo theo hiệu ứng GMI bị ảnh hƣởng mạnh tần số dòng điện xoay chiều Các nghiên cứu với tăng tần số, trình từ hóa qua việc dịch vách đômen diễn tần số thấp (100kHz – 1MHz) băng vô định hình Với tần số < 100kHz, giá trị cực đại GMIr (%) tƣơng đối thấp, chiếm ƣu tƣợng cảm ứng từ vào từ tổng trở Đối với dải tần số từ 38 100kHz đến 10MHz, dải thông thƣờng với hầu hết nghiên cứu hiệu ứng GMI, với tăng tần số tỷ số GMIrmax l c đầu tăng đến giá trị cực đại sau giảm Khi tần số tăng, l c đầu GMIrmax tăng hiệu ứng bề mặt chiếm ƣu nhƣng tần số tiếp tục tăng lớn tỷ số GMImax lại giảm theo chiều tăng tần số Các nghiên cứu cho tỷ số GMIrmax tần số 6MHz đạt giá trị lớn Các nghiên cứu cho tần số 6MHz, dịch vách đômen mạnh đóng góp dòng điện xoáy vào độ từ thẩm theo phƣơng ngang Sự ảnh hƣởng đƣợc nghiên cứu thực nghiệm đƣợc trình bày công bố [6] Các công bố hoàn toàn trùng hợp với kết thực nghiệm thu đƣợc 39 KẾT LUẬN Đã nghiên cứu tổng quan hiệu ứng tổng trở cao tần tổng trở khổng lồ GMI dây dẫn từ tính Các 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 tr c đômen dây dẫn từ tính Đã sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo mẫu hợp kim Fe87xZr7B6Cux (x = 0.5, 1.5), sau ủ nhiệt mẫu để tạo cấu trúc nano cho vật liệu Đã nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng đồng đến cấu trúc, kết cho thấy hàm lƣợng đồng ảnh hƣởng đến số lƣợng mầm kết tinh ảnh hƣởng đến kích thƣớc hạt Khi ủ 580 độ C 60 phút Tất mẫu xuất pha alpha – Sắt Đã nghiên cứu ảnh hƣởng việc thay đổi hàm lƣợng Cu hợp kim Fe đến tính chất từ vật liệu Kết cho thấy việc thay đổi hàm lƣợng Cu làm thay đổi từ độ bão hòa lực kháng từ Kết khảo sát lực kháng từ Hc cho thấy có giảm Hc mẫu so với mẫu chƣa ủ, điều trình ủ nhiệt khử ứng suất dƣ, giảm dị hƣớng vật liệu, xuất pha alpha – Sắt làm giảm từ giảo làm giảm Hc Mẫu có 1% nguyên tử Cu, ủ 580oC cho tính từ mềm tốt (Hc nhỏ nhất, Ms lớn nhất) Đã nghiên cứu ảnh hƣởng tần số đo đến tỷ số GMIr, kết cho thấy giá trị GMIr lớn thu đƣợc đo tần số 6MHz với mẫu Đã nghiên cứu ảnh hƣởng việc thay đổi hàm lƣợng Cu đến hiệu ứng GMI, kết thu đƣợc cho thấy, mẫu có hàm lƣợng Cu 1% nguyên tử đƣợc ủ nhiệt độ 580oC 60 phút cho tỷ số GMIrmax lớn Giá trị lớn đạt đƣợc 131% đo tần số 6MHz nhiệt độ phòng 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 Tiếng Anh [7] 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 [8] 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 [9] H.S Chen and K.A Jackson (1981) Metallic Glasses, Treatise on Materials Science and technology Vol 20, pp 251 [10] L.D Landau and E.M.Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon, Oxford, 1975), p 195 41 [11] E P Harrison, G L Turney, H Rowe, and H Gollop, Proc R Soc Edinburgh 157, 651 (1937) [12] P T Squire, J Magn Magn Mater 87, 299 (1990); 140-144, 1829 (1995) [13] P Duhaj, I Maiko, P Svec, D Janickovic (1995) Structural characterization of the Finemet type alloys Journal of Nou-Crystalline Solids, pp 561-564 [14] 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 [15] 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 [16] 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 [17] G Herzer (1990) Grain size dependence of coercivity and permeability in nanocrysttalline ferromagnets IEEE Trans Magn., pp 1397-1402 [18] G Herzer (1991) Magnetism and microstructure of nanocrystalline Fe-base alloys Int Symp on 3d Transition-Semi Metal Thin Films, Proc., pp 130 [19] G Herzer (1993) Nanocrystalline Soft Magnetic Materials EPS 13th General Conference, Physica scripta, Vol.T49, pp 307-314 [20] 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)77.5SixB22.5-x alloys J MMM, 153, pp 315-319 [21] 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 [22] 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) 42 [23] T Kulik, A Hernando (1996) Magnetic Properties of Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9 alloys nanocrystallized from amorphous state J MMM, 160, pp 269-270 [24] 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 [25] 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 [26] L.V Panina, K Mohri (1994) Influence of thermo-stress factor on magnetoimpedance of soft magnetic materialp Appl Phys Lett., pp 1189-1191 [27] R Valenzuela, J Gonzalez, E Amano (1997) Current annealing and magnetoimpedance in CoFeBSi amorphous ribbons IEEE, pp 3925-3927 [28] 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 [...]... từ và hiệu ứng GMI của vật liệu Fe87- xZr7B6Cux 2 Mục đích nghiên cứu Tìm ra thành phần và chế độ xử lý mẫu cho tính chất từ và hiệu ứng GMI tốt nhất 2 3 Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo mẫu vật liệu 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... là vật liệu có tính từ mềm tốt Khi thay đổi hợp phần các nguyên tố trong vật liệu thì cấu trúc, tính chất từ và dẫn đến hiệu ứng GMI cũng thay đổi Theo tài liệu tham khảo cho thấy với vật liệu nanoperm thì Cu đóng vai trò tạo mầm kết tinh của pha α–Fe Việc thay đổi hợp phần dẫn đến việc thay đổi tính chất từ và hiệu ứng GMI chính vì thế chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu. .. đề tài Vật liệu từ mềm, hay vật liệu sắt từ mềm là vật liệu sắt từ, “mềm” về phƣơng diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ Vật liệu sắt từ mềm thƣờng đƣợc dùng làm vật liệu hoạt động trong trƣờng ngoài, ví dụ nhƣ lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ Vật liệu từ mềm nano tinh thể (hay còn gọi là vật liệu từ tổ hợp nano nanocomposite magnetic materials) có tính từ mềm tuyệt... 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 Mô hình này đƣợc sử dụng để tính toán độ Ht từ thẩm ngang của các vật liệu 7 Nghiên cứu về sự phân bố dị hƣớng lên hiệu ứng GMI chỉ ra rằng GMIr là hàm của M(t) Các nghiên cứu về mối quan hệ giữa sự định hƣớng trục dễ của các đômen từ với hiệu ứng GMI, chỉ ra rằng dạng của đƣờng cong GMI. .. thƣớc hạt tinh thể -Fe, tuy nhiên tính chất từ mềm cũng kém đi do xuất hiện các pha có dị hƣớng cao nhƣ Fe2B và Fe3B Tính chất từ của vật liệu ngoài sự phụ thuộc vào thành phần, nồng độ các chất thì còn phụ thuộc rất nhiều vào chế độ ủ nhiệt nhƣ thời gian ủ, nhiệt độ ủ Trong giới hạn này tôi nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất từ mềm và do đó ảnh hƣởng đến hiệu ứng GMI của hệ Fe87- xZr7B6Cux. .. hạt nano tinh thể siêu mịn (hạt chỉ có kích thƣớc 10 nm) và sự tổ hợp tính chất của 2 pha: hạt tinh thể nano và các ma trận vô định hình còn dƣ Hợp kim trên nền sắt (Fe), khi ở trạng thái các băng từ vô định hình thì ch ng có đặc tính dẻo dai rất tốt là loại vật liệu có tính từ mềm rất tốt, từ đó quyết định các tính chất vật lý, các hiệu ứng khác của hệ vật 13 liệu này Xét với hệ vật liệu Fe – Cu –... mối quan hệ giữa cấu tr c đômen và quá trình từ hóa của chất sắt từ Với rất nhiều mô hình đƣợc giải thích thì ngƣời ta chú ý nhất là mô hình của Squire [6] dành cho quá trình từ hóa và hiệu ứng GMI trong vật liệu từ mềm Với mô hình đó có thể đƣợc 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 lƣợng khử từ ngang) Với dạng... các thông số cấu trúc, tính chất của mẫu vật liệu 6 Giả thuyết khoa học Đề xuất hƣớng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật và đời sống: Khả năng ứng dụng 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 TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) 1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI Nhƣ ch ng ta đều thấy tỉ số U/I có giá trị không thay đổi với một vật dẫn nhƣng... 1.3 Vật liệu từ mềm nano tinh thể 1.3.1 Cấu trúc nano tinh thể Để chế tạo vật liệu từ có cấu tr c nano, đơn pha hoặc đa pha có nhiều biện pháp nhƣ: Nghiền cơ, lắng đọng hóa học hay tái kết tinh từ trạng thái vô định hình Để có thể nhận đƣợc các pha và kích thƣớc hạt mong muốn thì phải điều khiển đƣợc quá trình tái kết tinh, bằng cách đó chúng ta có thể tạo đƣợc các hợp kim có cấu trúc nano tinh thể [2,... dẫn từ tính khi có dòng điện cao tần đi qua, dƣới tác động của từ trƣờng ngoài Hext (hình 1.1) ngƣời ta gọi đó là: Hiệu ứng tổng trở khổng lồ (giant magnetoimpedance -GMI) Hiệu ứng này đƣợc quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1994 [26] 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