tóm tắt Từ trường của vi cấu trúc từ với biến thiên từ trường lớn

Header Page of 126 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI VIẾT CHUNG TỪ TRƢỜNG CỦA VI CẤU TRÚC TỪ VỚI BIẾN THIÊN TỪ TRƢỜNG LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2016 Footer Page of 126 Header Page of 126 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI VIẾT CHUNG TỪ TRƢỜNG CỦA VI CẤU TRÚC TỪ VỚI BIẾN THIÊN TỪ TRƢỜNG LỚN Chuyên ngành:Vật liệu linh kiện nano Mã số: Chuyên nghành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Cán hƣớng dẫn: PGS TS Phạm Đức Thắng HÀ NỘI - 2016 Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc hướng dẫn tận tình PGS TS Phạm Đức Thắng Thầy tạo điều kiện cho hoạt động nghiên cứu trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Lê Việt Cường giúp đỡ có trao đổi nhiệt tình, xin cảm ơn CN Nguyễn Doãn Thành, TS Bùi Đình Tú đồng nghiệp công tác Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nano, trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) động viên hỗ trợ thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo đồng nghiệp trường THCS Nhân Chính, phường Nhân Chính, quận Thanh Xuân, Hà Nội nơi công tác Luận văn hoàn thành với sự h ỗ trợ mô ̣t phầ n t đề tài 103.02- 2015.80 Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Sau cùng, muốn gửi tình cảm yêu thương biết ơn tới bố, mẹ, tất người thân gia đình bạn bè cổ vũ, động viên để vượt qua khó khăn, hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu luận văn Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2016 Bùi Viết Chung Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu thực Các kết nghiên cứu luận văn trung thực, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2016 Học viên Bùi Viết Chung Footer Page of 126 Header Page of 126 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Đường cong từ trễ M(H) vật liệu sắt từ với lực kháng từ HC, độ từ dư MR, từ độ bão hòa MS 10 Hình Đường cong từ trễ vật liệu từ mềm vật liệu từ cứng 11 Hình Từ trường dòng điện tròn bán kính R sinh điểm P Error! Bookmark not defined Hình 2 Từ trường cuộn dây sinh điểm P Error! Bookmark not defined Hình Nam châm hình trụ có độ từ dư 𝑀 với n mô-men từ lưỡng cực 𝜇 (a) dòng điện tương đương (b) Error! Bookmark not defined Hình Nam châm hình trụ với vô số phần tử từ 𝑑𝑚 (a) sơ đồ tính toán từ phần tử từ 𝑑𝑚 sinh điểm P (0; 0; z) (b) Error! Bookmark not defined Hình Giao diện mô-đun thiết kế (a) giao diện mô-đun tính toán (b) phần mềm MacMMems Error! Bookmark not defined Hình Giao diện phần mềm mô Ansys Maxwell Error! Bookmark not defined Hình Cấu hình 1×1 nam châm trụ vị trí tính toán từ trường, biến thiên từ trường Error! Bookmark not defined Hình Từ trường thành phần Bz mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác nhau.Error! Bookmark not defined Hình 3 Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo y (dBz/dy) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo z (dBz/dz) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình Cấu hình 2×2 nam châm vị trí tính toán từ trường, biến thiên từ trường Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình Từ trường thành phần Bz mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác nhau.Error! Bookmark not defined Hình Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo y (dBz/dy) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo z (dBz/dz) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình Cấu hình 3×3 nam châm vị trí tính toán từ trường, biến thiên từ trường Error! Bookmark not defined Hình 10 Từ trường thành phần Bz mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác nhau.Error! Bookmark not defined Hình 11 Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo y (dBz/dy) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình 12 Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo z (dBz/dz) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình 13 Cấu hình 4×4 (a) 5×5 (b) nam châm vị trí tính toán từ trường, biến thiên từ trường Error! Bookmark not defined Hình 14 Từ trường thành phần Bz mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác nhau.Error! Bookmark not defined Hình 15 Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo y (dBz/dy) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình 16 Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo z (dBz/dz) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình 17 Từ trường thành phần Bz mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác nhau.Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 18 Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo y (dBz/dy) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình 19 Sự biến thiên thành phần từ trường Bz theo z (dBz/dz) mô dọc theo đường quét x1 (a), x2 (b) x3 (c) độ cao d khác Error! Bookmark not defined Hình 20 Cấu hình 1×1 nam châm vị trí khảo sát từ trường phần mềm Ansys Maxwell Error! Bookmark not defined Hình 21 Thành phần từ trường Bz mô điểm nằm trục nam châm cách mặt nam châm khoảng d (a), điểm nằm đường thẳng qua mép nam châm song song với trục nam châm cách mặt nam châm khoảng d (b), điểm nằm đường thẳng song song với trục nam châm cách trục nam châm khoảng 2R (c) Error! Bookmark not defined Hình 22 Không gian từ trường sát bề mặt nam châm (a), mặt cắt không gian từ trường dọc theo khoảng cách d từ bề mặt nam châm (b) Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Header Page of 126 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Từ trường đại lượng 1.2 Các phương trình từ trường tĩnh 1.3 Phân loại số vật liệu từ 1.3.1 Vật liệu nghịch từ 1.3.2 Vật liệu thuận từ 1.4 Đường cong từ trễ 1.5 Mục tiêu luận văn 12 CHƢƠNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined 2.1 Mô hình lý thuyết Error! Bookmark not defined 2.1.1 Mô hình dòng tương đương Error! Bookmark not defined 2.1.2 Mô hình từ tích Error! Bookmark not defined 2.2 Phần mềm mô Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phần mềm MacMMems Error! Bookmark not defined 2.2.2 Phần mềm Ansys Maxwell Error! Bookmark not defined CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Kết khảo sát từ trường phần mềm MacMMems Error! Bookmark not defined 3.1.1 Cấu hình 11 nam châm Error! Bookmark not defined 3.1.2 Cấu hình 22 nam châm Error! Bookmark not defined 3.1.3 Cấu hình 33 nam châm Error! Bookmark not defined 3.1.4 Cấu hình 44 5×5 nam châm Error! Bookmark not defined a) Cấu hình 4×4 nam châm Error! Bookmark not defined Footer Page of 126 Header Page of 126 b) Cấu hình 5×5 nam châm Error! Bookmark not defined 3.2 So sánh từ trường biến thiên từ trường bề mặt số cấu hình nam châm mô phần mềm mô tính toán lý thuyết Error! Bookmark not defined 3.2.1 Cấu hình 11 nam châm Error! Bookmark not defined 3.2.2 Cấu hình 22 nam châm Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 14 Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 MỞ ĐẦU Nam châm từ trường thành phần quan trọng nhiều thiết bị kỹ thuật Ngày nay, nam châm sử dụng nhiều động ô tô, đầu đọc ghi thông tin lĩnh vực máy tính Với phát triển công nghệ nano, nhu cầu nam châm mạnh tạo từ trường không đồng (biến thiên) lớn không gian nhỏ ngày nhiều Cho đến việc phân tách đối tượng từ tính phi từ tính truyền động sử dụng lực từ thông thường sử dụng từ trường tạo cuộn solenoid, nam châm điện nam châm siêu dẫn Gần đây, số nhóm nghiên cứu thành công việc sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường lớn thay nam châm truyền thống Từ trường lớn tạo phù hợp với đặc điểm dị hướng từ mạnh vật liệu sử dụng để làm nam châm vĩnh cửu, thường hợp chất vật liệu đất kim loại chuyển tiếp Tuy nhiên, từ trường đồng thuận lợi phân tách sử dụng từ tính đòi hỏi nguồn từ trường có cường độ lớn biến thiên mạnh Bởi lực từ tác dụng lên đối tượng tỉ lệ thuận với độ cảm từ đối tượng, cảm ứng từ độ biến thiên cảm ứng từ Cụ thể, phần tử (đối tượng) từ tính đặt môi trường từ không đồng chịu tác dụng lực từ cho công thức sau: 𝐹𝑚 = 𝑉∆ 𝐵 ∇𝐵 𝜇0 với V thể tích phần tử từ, ∆χ chênh lệch độ thẩm từ phần tử từ (χp) môi trường (χm), B độ lớn từ trường Tùy thuộc vào giá trị ∆χ mà phần tử từ chịu tác dụng lực hút hay lực đẩy từ trường tác động Nếu ∆χ > phần tử chịu tác động lực hút bị hút vị trí có lực hút mạnh (thường cạnh nam châm), phần tử bị đẩy xa khỏi nguồn từ trường tới vị trí có lực đẩy nhỏ ∆χ < Ngoài ra, dung dịch nhỏ lên cấu trúc từ, phần tử chịu tác động lực khác như: trọng lực (Fg), lực đẩy Archimedes (FA), lực kéo dòng chất lỏng… phần tử thường có xu hướng di chuyển (magnetophoresis) tới vị trí ổn định nơi mà tổng lực tác động lên phần tử có xu hướng cân Việc tính toán lực tác dụng lên phần tử từ cho phép xác định tiên đoán cách mà phần tử từ di chuyển Footer Page 10 of 126 Header Page 11 of 126 vị trí ổn định chúng đặt vào môi trường từ Do đó, để tăng hiệu phân tách từ tính, bên cạnh yêu cầu khác giá trị tích 𝐵∇𝐵 cao yêu cầu Theo dự đoán với kỹ thuật chế tạo hệ thống vi điện tử vi nam châm ngày nay, cấu trúc từ vĩnh cửu tích hợp hệ thống phân tích vi lưu, mở rộng khả ứng dụng nam châm Một thực tế rõ ràng hệ thống phân tách từ phức tạp, đắt tiền cần nhiều công đoạn thời gian để chế tạo Do đó, phương pháp thiết kế lý thuyết sử dụng để thu mô hình hệ thống tối ưu trước chế tạo Công việc quan trọng trình thiết kế lý thuyết mô từ trường Vì luận văn này, nghiên cứu lý thuyết mô từ trường số cấu trúc từ kích thước micro-nano, có tính từ cứng dị hướng từ lớn theo trục Tại viền nam châm, từ trường (B) mạnh biến thiên (B) lớn tạo ra, với tích giá trị (BB) đạt 103 – 105 T2/m Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Từ trƣờng đại lƣợng Từ trường môi trường vật chất đặc biệt bao quanh điện tích chuyển động tác dụng lực lên điện tích chuyển động Từ trường sinh hai cách: sử dụng cuộn dây có dòng điện chạy dây dẫn nam châm vĩnh cửu Trong nam châm vĩnh cửu dòng điện theo nghĩa thông thường mà có chuyển động quỹ đạo chuyển động spin điện tử Đó nguồn gốc tượng từ vật liệu Cảm ứng từ 𝐵 đại lượng véctơ, đặc trưng cho từ trường phương diện tác dụng lực Cường độ từ trường hay gọi véctơ cường độ từ trường 𝐻 đặc trưng cho độ mạnh yếu từ trường Trong chân không không khí, cường độ từ trường H có chiều giống chiều cảm ứng từ B Chúng liên kết với phương trình [1, 2]: (1 1) 𝐵 = 𝜇0 𝐻 với µ0 = 4×10-7 N.A-2 độ từ thẩm chân không Trong vật liệu từ, vật liệu từ có từ trường nội (từ độ) 𝑀 nên đặt từ trường 𝐻, cảm ứng từ B bao gồm thành phần từ trường 𝐻, từ độ 𝑀 bên vật liệu: 𝐵 = 𝜇0 (𝐻 + 𝑀) (1 2) Độ cảm từ  thiết lập mối quan hệ M H theo phương trình sau: 𝑀 = 𝐻 (1 3) Từ phương trình trên, thấy: 𝐵 = 𝜇0 (𝐻 + 𝑀) = 𝜇0 (1 + )𝐻 = 𝜇0 𝜇𝑟 𝐻 = 𝜇𝐻 (1 4) với µr = 𝜇/𝜇0 độ từ thẩm tương đối vật liệu so với chân không 1.2 Các phƣơng trình từ trƣờng tĩnh Như biết điện trường từ trường đồng thời tồn không gian tạo thành trường thống gọi trường điện từ Vì để mô tả trường điện từ, Maxwell nêu hệ thống phương trình sau [20]: Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 - Dạng vi phân: ∇∙𝐷 = 𝜌 (1 5) ∇∙𝐵 =0 (1 6) 𝜕𝐵 ∇×𝐸 =− 𝜕𝑡 (1 7) 𝜕𝐷 ∇×𝐻 =𝐽+ 𝜕𝑡 (1 8) - Dạng tích phân: 𝐷𝑑𝑆 = 𝑆 (1 9) 𝜌𝑑𝑉 𝑉 (1 10) 𝐵𝑑𝑆 = 𝑆 𝐶 𝐻𝑑𝑙 = 𝐶 đó: (1 11) 𝑑 𝐸 𝑑𝑙 = − 𝐵𝑑𝑆 𝑑𝑡 𝐽𝑑𝑆 + 𝑆 𝑑 𝑑𝑡 𝐷𝑑𝑆 𝑆 𝐷 = 𝜀0 𝜀𝐸 (1 13) 𝐵 = 𝜇0 𝜇𝐻 (1 14) 𝐸 véc tơ cường độ điện trường, có đơn vị (V/m) 𝐻 véctơ cường độ từ trường, có đơn vị (A/m) 𝐷 độ điện cảm, có đơn vị (C/m2)  mật độ điện tích, có đơn vị (C/m3) 𝐵 véctơ cảm ứng từ, có đơn vị (T) Footer Page 13 of 126 (1 12) Header Page 14 of 126 d𝑆 véctơ vi phân diện tích có hướng vuông góc với mặt S có đơn vị (m2) dV vi phân thể tích V bao bọc diện tích S, có đơn vị (m3) d𝑙 véctơ vi phân đường cong tiếp tuyến với đường cong (C) bao quanh diện tích S, có đơn vị (m) , µ số điện môi từ thẩm môi trường Hệ phương trình Maxwell viết áp dụng điều kiện sau: - Các vật thể đứng yên chuyển động chậm điện từ trường - Các đại lượng 𝜀, 𝜇 đặc trưng cho tính chất điện từ môi trường không phụ thuộc thời gian không phụ thuộc véctơ đặc trưng cho điện từ trường Như vậy, hệ phương trình Maxwell cho phép ta xác định trạng thái điện từ trường cách đơn giản Khi áp dụng hệ phương trình Maxwell cho từ trường tĩnh, ta phải cho đạo hàm theo thời gian cho 𝐽 = (không có mật độ dòng) phương trình Maxwell đơn giản nhiều Từ điều kiện trên, ta viết lại hệ phương trình Maxwell cho trường tĩnh từ gồm phương trình sau đây: ∇∙𝐷 =𝜌 (1 15) ∇×𝐸 =0 (1 16) ∇∙𝐵 =0 (1 17) ∇×𝐻 =0 (1 18) 1.3 Phân loại số vật liệu từ Từ trường định nghĩa đường sức từ, từ trường tương tác với loại vật liệu đó, số đường sức từ tăng giảm Nguồn từ trường theo khuếch đại hay giảm vật liệu kết tương tác Các chất khác tương tác với từ trường mức độ khác Để biểu diễn mức độ tương tác vật liệu với từ trường ngoài, người ta dựa vào công thức 1.3 Thông qua công thức người ta đưa khái niệm hệ số từ hóa  đại lượng đặc trưng cho mức độ bị từ hóa vật liệu Dựa vào giá trị hệ số này, vật liệu từ thường chia làm ba nhóm, Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 bao gồm vật liệu nghịch từ, thuận từ sắt từ Nhóm vật liệu sắt từ coi lớp thuận từ tách riêng có tính chất từ quan trọng [1, 2, 20] 1.3.1 Vật liệu nghịch từ Như ta biết, hiệu ứng nghịch từ có nguyên tử đặt từ trường Do tính chất nghịch từ có chất Tuy nhiên, tính chất nghịch từ thể rõ chủ yếu chất mà chưa đặt từ trường ngoài, tổng mô-men từ nguyên tử (hay phân tử) chúng 0, nghĩa mô-men từ quỹ đạo mô-men từ spin hoàn toàn triệt tiêu lẫn Đó chất khí (He, Ne, Ar, Kr, Ze, Rn) ion (Na+, Cl-) có lớp điện tử giống khí Tính chất nghịch từ thể số chất có mô-men từ nguyên tử chiếm ưu so với hiệu ứng thuận từ Cu, Ag, Sb, Bi Ngoài ra, chất Pb, Zn, Si, Ge, S, CO2, H2O, thủy tinh đa số hợp chất hữu chất nghịch từ Khi đặt từ trường ngoài, từ độ vật liệu yếu ngược hướng với từ trường Độ cảm từ có giá trị âm nằm khoảng từ -10-6 tới -10-4 không thay đổi theo nhiệt độ 1.3.2 Vật liệu thuận từ Khác với chất nghịch từ, chất thuận từ bị từ hóa sinh từ trường phụ hướng chiều với từ trường Tính chất thể chất mà chưa có từ trường ngoài, mômen từ nguyên tử (hay phân tử) chúng khác Đó chất kim loại kiềm (Na, K,…), Al, NO, Pt, O2, N2, nguyên tố đất hiếm,… Khi chưa đặt khối vật liệu thuận từ vào từ trường ngoài, theo lý thuyết Langevin, chuyển động nhiệt, mô-men từ nguyên tử xếp hoàn toàn hỗn loạn nên tổng mô-men từ khối thuận từ Khi đặt khối vật liệu thuận từ vào từ trường ngoài, mô-men từ nguyên tử có xu hướng xếp theo hướng từ trường Tuy nhiên chuyển động nhiệt lại có xu hướng làm cho chúng xếp hỗn loạn Dưới tác dụng đồng thời hai nguyên nhân trên, mô-men từ nguyên tử xếp có thứ tự theo hướng từ trường ngoài, tạo mô-men từ tổng khối vật liệu thuận từ, mô-men từ tổng biến từ trường loại bỏ Độ cảm từ vật liệu thuận từ có giá trị khoảng từ 10-4 tới 10-3 phụ thuộc vào nhiệt độ, độ cảm từ lớn nhiệt độ thấp giảm dần nhiệt độ tăng dao động nhiệt mô-men từ Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 1.3.3 Vật liệu sắt từ Nghịch từ thuận từ vật liệu từ yếu Sắt từ loại vật liệu từ mạnh Độ cảm từ vật liệu sắt từ lớn độ cảm từ cùa vật liệu nghịch từ thuận từ hàng trăm triệu lần Độ cảm từ vật liệu sắt từ có giá trị khoảng từ 102 tới 105 [3, 4, 6, 9-11, 14-16, 20-26] Các nguyên tố hóa học có tính chất sắt từ Fe, Ni, Co, Gd, số nguyên tố đất nhiệt độ thấp,… Ngoài số lượng lớn chất sắt từ hợp kim nguyên tố sắt từ với nhau, hợp kim nguyên tố sắt từ với nguyên tố không sắt từ (như Fe-Ni, Fe-Ni-Al,…) số hợp kim nguyên tố không sắt từ với (như Cu-Mn-Al),… Giống vật liệu thuận từ chỗ có mô-men từ tĩnh, mô-men từ liên kết chặt chẽ với Các mô-men từ nguyên tử liên kết xếp song song chiều với qua vùng không gian gọi miền Weiss (domain) Nhiệt độ tăng chất sắt từ làm giảm mô-men từ tổng vật liệu dao động nhiệt mô-men từ riêng rẽ Các chất sắt từ có từ độ tự phát mô-men từ tổng cộng mô-men từ tổng miền Weiss liên kết ngẫu nhiên với định hướng ưu tiên Khi vật liệu đặt từ trường với cường độ tăng dần, mô-men từ nguyên tử xếp hướng với từ trường đạt trạng thái bão hòa từ (MS) Khi vật liệu đạt trạng thái bão hòa từ, từ trường loại bỏ vật liệu sắt từ tồn mô-men từ tổng tương ứng với định hướng ưu tiên mô-men thành phần sau từ hóa, gọi từ độ dư (MR) Lúc này, từ trường đưa vào theo hướng ngược lại tăng dần cường độ để mô-men từ vật liệu đạt trạng thái bão hòa lần từ độ vật liệu hàm từ trường có đường khác đường Đồ thị phụ thuộc từ độ vật liệu sắt từ vào từ trường gọi đường cong từ trễ Đường cong từ trễ tính chất quan trọng vật liệu sắt từ làm cho vật liệu sắt từ có nhiều tiềm ứng dụng mà ứng dụng điển hình chúng dùng để chế tạo nam châm 1.4 Đƣờng cong từ trễ Từ trễ (magnetic hysteresis) tượng bất thuận nghịch trình từ hóa đảo từ vật liệu sắt từ khả giữ lại từ tính vật liệu sắt từ Hiện tượng từ trễ biểu thông qua đường cong từ trễ (từ độ - từ trường M(H), hay cảm ứng từ - từ trường B(H)), mô tả sau: sau từ Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 hóa vật sắt từ đến từ trường bất kỳ, ta giảm dần từ trường quay lại theo chiều ngược, không quay trở đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà theo đường khác, ta đảo từ theo chu trình kín (thay đổi từ trường theo hướng ngược lại), ta có đường cong kín gọi đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ [1, 15] (hình 1.1) Tính chất từ trễ tính chất nội đặc trưng vật liệu sắt từ, tượng trễ biểu khả từ tính của chất sắt từ [20] Hình 1 Đường cong từ trễ M(H) vật liệu sắt từ với lực kháng từ HC, độ từ dư MR, từ độ bão hòa MS Trên đường cong từ trễ, ta xác định đại lượng đặc trưng chất sắt từ như: - Từ độ bão hòa (MS): từ độ đạt trạng thái bão hòa từ, có nghĩa tất mômen từ chất sắt từ song song với - Từ dư (MR): giá trị từ độ từ trường khử - Lực kháng từ (HC): từ trường cần thiết để khử hoàn toàn mô men từ vật liệu, giá trị để từ độ đổi chiều Đôi lực kháng từ gọi trường đảo từ Nguyên nhân tượng từ trễ tương tác mô men từ có tác dụng ngăn cản chúng quay theo từ trường Có nhiều chế khác tạo nên tượng từ trễ dạng đường cong từ trễ khác nhau: chế quay mô men từ, chế hãm dịch chuyển vách đô men, chế hãm phát triển mầm đảo từ 10 Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 Việc phân tích đường cong từ trễ vật liệu sắt từ dẫn tới khái niệm vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm (hình 1.2) Hình Đường cong từ trễ vật liệu từ mềm vật liệu từ cứng Vật liệu từ mềm vật liệu dễ từ hóa dễ khử từ từ trường có cường độ tương đối thấp Khi từ trường loại bỏ vật liệu từ mềm gần trở trạng thái cân từ dư sau từ hóa tới trạng thái bão hòa Lực kháng từ Hc thường nhỏ 100Oe (1Oe = 1G = 0.0796 kA/m), chu trình trễ he ̣p, từ đô ̣ baõ hòa , độ từ thẩm (µ  103) ̣ số từ hóa rấ t cao Vật liệu từ mềm thường dùng làm vật liệu hoạt động trường ngoài, ví dụ lõi biến thế, lõi nam châm điện, lõi dẫn từ, máy phát điện, role, sensơ từ, cuộn cảm, cuộn chắn hay chắn từ, Vật liệu từ cứng vật liệu sắt từ khó khử từ khó từ hóa Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ bền, độ chống ăn mòn,… Các đại lượng vật lý đặc trưng vật liệu từ cứng là: - Lực kháng từ Hc lớn nằm khoảng 102 ÷ 103 kA/m Nguồn gốc lực kháng từ lớn vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn vật liệu Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng so với vật liệu từ mềm chúng có dị hướng từ tinh thể lớn [1-4, 6, 9-11, 14-16, 21-26] - Cảm ứng từ dư hay độ từ dư, thường ký hiệu BR hay MR, cảm ứng từ dư sau ngắt từ trường Vật liệu từ cứng có cảm ứng từ dư MR đáng kể - Tích lượng từ cực đại ((BH)max) đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu vật liệu từ, đặc trưng lượng từ cực đại tồn trữ đơn vị thể tích vật liệu từ Đại lượng có đơn vị đơn vị mật độ lượng, J/m3 Tích lượng từ cực đại xác định đường cong từ trễ thuộc góc phần tư thứ hai đường cong từ trễ, điểm cho 11 Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 giá trị tích cảm ứng từ B từ trường H đạt cực đại Để có tích lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn cảm ứng từ dư cao Bảng 1.1 trình bày số tính chất điển hình vật liệu từ cúng phổ biến [21, 25, 26] Trong số vật liệu từ cứng vật liệu NdFeB có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10kOe) từ độ bão hòa cao (tới 1.62T) nên lạo nam châm vĩnh cửu mạnh với khả cho tích lượng từ lớn, sử dụng rộng rãi nghành công nghiệp máy móc, thiết bị truyền thông, hóa học, y học, lĩnh vực công nghệ cao hàng không vũ trụ, hàng không, quân sự…hơn nữa, chúng sử dụng nghành công ngiệp nghành công nghiệp lượng lượng gió Bên cạnh đó, số nghiên cứu cho thấy việc giảm kích thước nam châm NdFeB không làm thay đổi tính chất từ chúng cho thấy nam châm có nhiều khả tích hợp với thiết bị vi hệ thống Bảng 1 Nhiệt độ Curie TC, từ trường dị hướng HA, từ độ bão hòa MS, mật độ khối  khả chống ăn mòn hợp chất kim loại chuyển tiếp-đất điển hình, FePt (L10), CoPt (L10) so với vật liệu cổ điển BaFe12O19, α-Fe [22] Vật liệu  MS (T) HA (T) (BH)max, th (kJ/m3) TC (K) (g/cm ) Khả chống ăn mòn Nd2Fe14B 1.61 7.6 514 585 7.6 Kém SmCo5 1.05 40.0 220 1000 8.6 Kém Sm2Co17 1.30 6.4 333 1173 8.7 Kém Sm2Fe17N3 1.54 21.0 472 749 7.7 Kém FePt-L10 1.43 11.6 407 750 15.1 Tốt CoPt-L10 1.00 4.9 200 840 15.2 Tốt α-Fe 2.16 - - 1043 7.9 Kém BaFe12O19 0.48 1.8 - 742 5.3 Tốt 1.5 Mục tiêu luận văn Chúng ta thấy từ tính thuộc tính quan trọng vật liệu Về bản, dù nhiều hay vật liệu biểu tính chất từ Các vật liệu từ ngày ứng dụng nhiều khoa học kỹ thuật sống Trong tất ứng dụng, vật liệu từ sử dụng có hình dạng, kích thước tính chất từ định phù hợp với mục tiêu ứng dụng Tất thông số liên quan hướng tới việc tạo không gian từ trường 12 Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 mong muốn Vì trước chế tạo, người ta thường tiến hành mô để thu vật liệu từ với hình dạng tính chất hợp lý Một ứng dụng quan tâm nghiên cứu khả bắt giữ phần tử kích thước nhỏ dựa vào tính chất từ chúng vật liệu, cấu trúc từ nhờ phân bố không đồng từ trường bề mặt vật liệu từ cấu trúc từ Bằng việc sử dụng vật liệu từ có kích thước, hình dạng, trật tự tính chất từ phù hợp, tạo không gian có cường độ từ trường lớn biến thiên từ trường mạnh qua tác dụng lực lớn lên phần tử kích thước nhỏ Mục tiêu luận văn là: - Luận văn thực với mục đích tính toán, khảo sát lý thuyết phân bố từ trường số nam châm từ cứng hình trụ NdFeB có cấu trúc micro mô hình lý thuyết phần mềm mô - Các giá trị thu tính toán mô so sánh với nhau, qua cho thấy mức độ xác đáng tin cậy mô hình lý thuyết phần mềm mô từ trường - Các kết tính toán mô thu làm sở cho nghiên, chế tạo vi cấu trúc từ thực tế có từ trường biến thiên từ trường phù hợp cho số ứng dụng liên quan tới việc bắt giữ hạt từ phần tử sinh học 13 Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Phú Thùy, Vật lý tượng từ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [2] Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài, Từ học vật liệu từ, NXB Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006 Tiếng Anh [3] O Akdogan , W Li and G Hadjipanayis, “High coercivity of Alnico thin films: effect of Si substrate and the emergence of a novel magnetic phase”, Journal of Nanoparticle Research, Vol 14, 2012, pp 891 [4] G Allaedinil, S M Tasirinl, P Aminayi, “Magnetic properties of cobalt ferrite synthesized by hydrothermal method”, Int Nano Lett, Vol 5, 2015, pp 183–186 [5] H Allag, J Yonnet, M E H Latreche, H Bouchekara, “Coulombian model for 3D analytical calculation of the torque exerted on cuboidal permanent magnets with arbitrarly oriented polarizations”, International Conference on Linear Drives for Industry Applications, Vol 8, 2011, pp 102-108 [6] L Castaldi, H A Davies, M R J Gibbs, “Growth and characterization of NdFeB thin films”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol 242-245, 2002, pp 1284-1286 [7] O Chadebec, J L Coulomb, F Janet, “A review of magnetostatic moment method”, IEEE Transactions on magnetics, Vol 42, 2006, pp 515-520 [8] S Chigirinsky, M Kustov, N Dempsey, C Ndao and R Grechishkin, “Calculations and measurements of the magnetic field of patterned permanent magnetic films for lab on chip applications”, Rev Adv Mater Sci., Vol 20, 2009, pp 85-91 [9] J A Christodoulides, Y Zhang, G C Hadjipanayis, I Panagiotopoulos and D Niarchos, “CoPt and FePt Thin Films For High Density Record Media”, NATO Advanced Research Workshop on Nanostructured Films and Coatings, Series 3, Vol 78, 2004, pp 1326-1348 14 Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 [10] A Itabashi, M Ohtake, S Ouchi, F Kirino and M Futamoto, “FePd, FePt, and CoPt alloy epitaxial thin films with flat surface grown on MgO(111) substrate”, EPJ Web of Conferences, Vol 75, 2014, pp 6008 [11] S Jeong, Y Hsu, D E Laughlin, and M E McHenry, “Magnetic Properties of Nanostructured CoPt and FePt Thin Films”, IEEE Transactions On Magnetic, Vol 36, 2000, pp 2336-2338 [12] A L Gassner, M Abonnenc, H X Chen, J Morandini, J Josserand, J S Rossier, J M Busnel and H H Girault, “Magnetic forces produced by rectangular permanent magnets in static microsystem”, Lab Chip, Vol 9, 2009, pp 2356-2363 [13] T Mikolanda, M Kosek, A Richter, “3D magnetic field measurement, visulisation and modeling”, Proceeding of the 7th International Conference, Slovakia, 2009, pp 306-309 [14] F Mohseni, M J Pereira, N M Fortunato, J S Amaral, “Magnetic and morphologic properties of Alnico-based rare-earth free permanent magnets”, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol 46, 2013, pp 23 [15] V Neu, S Melcher, U Hannemann, S Fähler and L Schultz, “Growth, microstructure and magnetic properties of highly textured and highly coercive Nd-Fe-B films”, Phys Rev, Vol 70, 2009, pp 144418 [16] D Pătroi, M M Codescu, E A Pătroi, V Marinescu, “Structural and magnetic behaviour of DC sputtered Alnico type thin films”, Optoelectronics and Advanced Materials – Rapid Communications, Vol 5, 2011, p 1130-1133 [17] H L Rakotoarison, J P Yonnet, “Using Coulombian Approach for Modeling Scalar Potential and Magnetic Field of a Permanent Magnet With Radial Polarization’’, IEEE Transactions On Magnetics, Vol 43, 2007, pp 1261-1264 [18] R Ravaud and G Lemarquand, “Synthesis about Analytical Approaches for Calculating the Magnetic Field Produced by Permanent Magnets of Various Topologies”, PIERS Proceedings, Cambridge, Vol 11, 2010, pp.281-297 [19] R Ravaud and G Lemarquand, “Magnetic field produced by a parallelepipedic magnet of various and uniform polarization”, Progress In Electromagnetics Research, Vol 98, 2009, pp 207-219 15 Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 [20] I B Roth, “Characterization and use of permanent magnets with extremely strong field gradients”, Master thesis, Department of Physics University of Oslo, 2009, pp 125 [21] K E B Serrona, A Sugimura, R Fujisaki, T Okuda, N Adachi, H Ohsato, I Sakamoto, A Nakanishi, M Motokawa, “Magnetic and structural properties of NdFeB thin film prepared by step annealing”, Materials Science and Engineering Vol 97, 2003, pp 59-63 [22] K E B Serrona, A Sugimura, N Adachi, T Okuda, H Ohsato, and I Sakamoto, “Structure and magnetic properties of high coercive NdFeB films with a perpendicular anisotropy”, Appl Phys Lett Vol 82, 2003, pp.1751 [23] A B Shinde, “Structural and Electrical Properties of Cobalt Ferrite Nanoparticles”, (IJITEE) ISSN, Vol 3, 2013, pp 2278-3075 [24] P D Thang, G Rijnders, D H A Blank, “Stress-induced magnetic anisotropy of CoFe2O4 thin films using pulsed laser deposition”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol 310, 2007, pp 2621-2623 [25] P Vaishnava, U Senaratne, E Buc, P Boolchand, “Magnetic properties of cobalt-ferrite nanoparticles embeddedin polystyrene resin”, Journal Of Applied Physics Vol 99, 2006, pp.702-708 [26] A Walther, C Marcoux, B Desloges, R Grechishkin, D Givord, N M Dempsey, “Micro-patterning of NdFeB and SmCo magnet films for integration into micro-electro-mechanical-systems”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol 321, 2009, pp 590-594 16 Footer Page 23 of 126  ... mô từ trường Vì luận văn này, nghiên cứu lý thuyết mô từ trường số cấu trúc từ kích thước micro-nano, có tính từ cứng dị hướng từ lớn theo trục Tại vi n nam châm, từ trường (B) mạnh biến thiên. .. liệu từ cấu trúc từ Bằng vi c sử dụng vật liệu từ có kích thước, hình dạng, trật tự tính chất từ phù hợp, tạo không gian có cường độ từ trường lớn biến thiên từ trường mạnh qua tác dụng lực lớn. .. mềm mô từ trường - Các kết tính toán mô thu làm sở cho nghiên, chế tạo vi cấu trúc từ thực tế có từ trường biến thiên từ trường phù hợp cho số ứng dụng liên quan tới vi c bắt giữ hạt từ phần