Nghiên cứu và chế tạo dây hai lớp hệ thuỷ tinh CoP có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto Impedance - GMI) bằng phương pháp mạ hoá học

tạo Bộ giáo dục đào Trờng đại học s phạm hà nội phạm văn hào Nghiên cứu chế tạo dây hai lớp hệ Thủy tinh/cop Có hiệu øng tõ tæng trë khæng lå (giant magneto impedance - gmi) Bằng phơng pháp mạ hóa học Luận văn thạc sĩ vật lý hà nội, 2009 phạm văn hào Nghiên cứu chế tạo dây hai lớp hệ Thủy tinh/cop Cã hiƯu øng tõ tỉng trë khỉng lå (giant magneto impedance - gmi) Bằng phơng pháp mạ hóa học Chuyên ngành Vật lý chất rắn Mã số: 60.44.07 Luận văn th¹c sÜ vËt lý Ngêi híng dÉn khoa häc: TS Mai Thanh Tùng GS TS Nguyễn Hoàng Nghị Lời cảm ơn Luận văn đợc hoàn thành Phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể, Viện Vật lý Kỹ thuật, trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm Bộ môn Ăn mòn Bảo vệ Kim lọai, trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội dới hớng dẫn khoa học giúp đỡ tận tình tinh thần vật chất GS TS Nguyễn Hoàng Nghị, TS Mai Thanh Tùng Trớc hết xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến GS TS Nguyễn Hoàng Nghị, TS Mai Thanh Tùng tập thể cán bộ, giáo viên Bộ môn Phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể, Phòng thí nghiệm Ăn mòn Bảo vệ Kim loại tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập nghiên cứu phòng thí nghiệm Tôi xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới đồng nghiệp nhóm nghiên cứu: ThS Nguyễn Văn Dũng, NCS Nguyễn Văn Dũng, KS Nguyễn Ngọc Phách, Trịnh Thị Thanh Nga, Lê Cao Cờng tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thời gian nghiên cứu phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể, phòng thí nghiệm Ăn mòn Bảo vệ Kim loại Xin cám ơn Viện Khoa học Vật liệu ITIMS Đại học Bách khoa Hà Nội, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu, đo đạc mẫu viện cho góp ý thảo luận quí báu Tôi xin chân thành cám ơn lãnh đạo, đồng nghiệp nơi công tác Trờng THPT Nam Duyên Hà - Thái Bình, Trung tâm Hỗ trợ NCKH & CGCN, Trờng Đại học S Phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ trình thực luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đến tới bố, mẹ, tất ngời thân yêu gia đình bạn bè cổ vũ, động viên nhiều vật chất tinh thần thời gian thực luận văn Tác giả luận văn Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn riêng Các kết nêu luận văn trung thực Tác giả luận văn Phạm Văn Hào Mục lục Mở đầu Ch¬ng I - Tỉng quan 1.1 .VËt liÖu cã hiƯu øng tõ tỉng trë khỉng lå (GMI) 1.1.1 HiƯu øng tõ trỉng trë khỉng lå GMI 1.1.2 Lý thut tõ häc vỊ hiƯn tỵng GMI 1.1.2.1 .Cấu trúc domain dây vô định hình 1.1.2.2 .ChiỊu s©u thÊm tõ  11 1.1.2.3 Hiện tợng tách đỉnh đờng GMI 13 1.1.3 VËt liÖu cã hiÖu øng GMI 14 1.1.3.1 .Băng vô định hình (ribbons) 14 1.1.3.2 D©y (wires) 15 1.2 M¹ hãa häc CoP 17 1.2.1 Mạ hoá học 17 1.2.1.1 Định nghĩa 17 1.2.1.2 Các đặc điểm mạ hoá học 18 1.2.1.2.1 Cơ chế phản ứng mạ hoá học 18 1.2.1.2.2Các yếu tố ảnh hởng đến phản ứng mạ ho¸ häc 20 1.2.2 .Mạ hóa học CoP 21 1.2.2.1 Cơ chế mạ 21 1.2.2.2 Các yếu tố ảnh hởng đến lớp mạ CoP 23 1.2.2.3 CÊu tróc vµ tÝnh chÊt vËt lý cđa líp m¹ CoP 26 1.2.2.3.1 CÊu tróc cđa líp m¹ CoP 26 1.2.2.3.2 .TÝnh chÊt vËt lý cđa líp m¹ CoP 28 Ch¬ng - Thùc nghiƯm .35 2.1 ChuÈn bÞ mÉu 35 2.1.1 ChuÈn bÞ 35 2.1.2 Thành phần dung dịch chế độ mạ 36 2.2 Các phơng pháp phân tích mẫu 36 2.2.1 Phơng pháp hiển vi ®iƯn tư qt (SEM) 36 2.2.2 .Phơng pháp nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD) 36 2.2.3 ThiÕt bÞ tõ kÕ mÉu rung (VSM) 38 2.2.4 §o hiÖu øng GMI 39 Chơng - kết qủa thảo luËn 41 3.1 .¶nh hëng cđa nång ®é NaH2PO2 42 3.1.1 ¶nh SEM 42 3.1.2.¶nh hởng nồng độ NaH2PO2 tới thành phần hợp kim CoP 43 3.1.3.ảnh hởng nồng độ NaH2PO2 tới cÊu tróc hỵp kim CoP .45 3.1.4¶nh hëng nồng độ NaH2PO2 tới tính chất từ hợp kim CoP .46 3.1.5 ảnh hởng nồng độ NaH2PO2 tíi tû sè GMI cđa hỵp kim CoP .48 3.2.¶nh hởng thời gian mạ tới tính chất từ tû sè GMI .50 3.3.So sánh kết thu đợc với hệ dây Cu/FeNi có hiệu ứng GMI đợc chế tạo phơng pháp điện kết tủa 55 Ch¬ng - KÕt luËn 57 Tài liệu tham khảo 58 Danh mục chữ viết tắt ký hiệu sử dụng luận văn Chữ viết Chữ tiếng Anh đầy đủ t¾t GMI Giant Magneto Impedance NghÜa tiÕng ViƯt Tõ tỉng trë khỉng lå SEM Scanning Electron Microscope HiĨn vi ®iƯn tư qt TEM HiĨn vi ®iƯn tư trun qua Tõ kÕ mÉu rung V§H Transmission Electron Microscope Vibrating Sample Magnetometer Amorphous XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X VSM Vô định hình Danh mục bảng luận văn Bảng 1.1 Tổng kết số vật liệu dây thông số vật lý dây vô định hình Bảng 1.2 Độ hoà tan photphit phụ thuộc pH Bảng 3.1: Nồng độ NaH2PO2 dung dịch tốc độ mạ Danh mục hình vẽ, đồ thị luận văn Hình 1.1 Cấu trúc domain dây vô định hình bao gồm lớp vỏ lõi Hình 1.2 Hiện tợng tách đỉnh đờng MI vật liệu finemet Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5 Hình 1.3 Mô tả dị hớng từ giải thích tợng tách đỉnh đờng cong GMI Hình 1.4: Một số phơng pháp chế tạo vật liệu dới dạng băng mỏng từ thể lỏng phơng pháp nguội nhanh Hình 1.5: Tỷ số MIr màng FeNi/Cu đợc chế tạo phơng pháp điên kết tủa Hình 1.6 Đồ thị điện cực thể tổng hợp (Trong i: dòng điện thực; ia: dòng điện anot; ic: dòng điện catot; ipl: dòng điện mạ hoá học thể hỗn hợp Epl) Hình 1.7 Điện phản ứng khử hydro xúc tác kim loại khác trờng hợp chất khử NaH2PO2, HCHO, NaBH4, DMAB, NH2NH2 Hình 1.8 Giản đồ pha hợp kim CoP Hình 1.9 ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình 1.10 ảnh hởng đốt nóng lên suất điện trở hợp kim CoP kết tủa điện chứa 1.3% P Hình 1.11: Trạng thái ferro từ nguyên tử Co Hình 1.12 Sự xuất xắp sếp đômen Hình 1.13 ảnh hởng đốt nóng lên độ cứng hợp kim photpho kết tủa điện hóa Hình 1.14 Độ cứng hợp kim kim loại kết tủa điện hóa Hình 2.1 Quy trình chế tạo dây GMIr (%) 100 80 60 40 20 -20 -300 -200 -100 H(Oe) 51 100 200 300 160 frequency 4.5MHz [NaH PO ]=40g/l GMIr (%) mins mins 10 mins 15 mins 20 mins 30 mins 15 mins b) [NaH2PO2] = 30 g/l 120 80 40 -300 -200 -100 100 200 300 H(Oe) 240 GMIr (%) 200 frequency 4.5MHz [NaH PO ]=30g/l mins mins 10 mins 15 mins 20 mins 30 mins 15 mins c) [NaH2PO2] = 40 g/l 2 160 120 80 40 -300 -200 -100 H(Oe) 51 100 200 300 mins mins 10 mins 15 mins 20 mins 30 mins 15 mins frequency 4.5MHz [NaH PO d) [NaH 2PO2]=50g/l ] = 50 g/l 2 200 GMIr (%) 160 120 80 40 -300 -200 -100 100 200 300 H(Oe) H×nh 3.9 Tû sè tõ tỉng trë MIr dây hai lớp CoP hệ thủy tinh với thời gian mạ tốc độ mạ khác a) Nång NaH PO2 : 20g/l, tèc ®é mạ: 0,6 m / phut độ NaH PO2 : 30g/l, tốc độ mạ: 0,75 b) Nồng độ m / phut NaH PO2 : 40g/l, tốc độ mạ: 0,8 m / phut NaH PO2 : 50g/l, c) Nång ®é tèc ®é m¹: 0,84 m / phut d) Nång độ Thời gian mạ ảnh hởng định đền độ dày lớp mạ, song từ kết hình 3.9 b) 3.9 d), thấy tợng tách đỉnh xảy không theo quy luật thay đổi độ dày lớp mạ Có thể phơng dây đo đặt không thẳng góc 90 với từ trờng Do tốc độ mạ theo lý thuyết phụ thuộc vào nồng độ NaH2PO2, cụ thể là: Bảng 3.1: Nồng độ NaH2PO2 dung dịch tốc độ mạ Nồng ®é NaH2PO2 (g/l) 20 30 52 40 50 Tèc ®é m¹ ( m / phut ) 0,50 0,75 0,80 0,84 Hình 3.10 Biểu diễn mối liên hệ tỷ số MIr tốc độ mạ 53 180 160 160 140 140 120 120 Mirmax% Mirmax% 180 100 80 60 100 80 60 40 40 20 20 0 10 15 20 10 20 25 30 ChiÒu dµy mµng ChiỊu dµy mµng a) b) 250 250 200 200 MIrmax% MIrmax% 15 150 100 50 150 100 50 0 10 15 20 25 30 ChiỊu dµy mµng 10 15 20 25 30 35 Chiều dày màng c) d) Hình 3.10 Sự phụ thuộc cđa tû sè MIr vµo chiỊu dµy cđa mµng a) Nồng độ NaH2PO2: 20g/l, tốc độ m / phut mạ 0.50 m / phut b) Nång ®é NaH2PO2: 30g/l, tèc ®é m¹ 0.75 m / phut c) Nång ®é NaH2PO2: 40g/l, tốc độ m / phut mạ 0.80 d) Nồng độ NaH2PO2: 50g/l, tốc độ mạ 0.84 53 Hình 3.11 sau thể ảnh hởng thời gian mạ ®Õn tû sè MIr cđa d©y hai líp hƯ thđy tinh CoP: 54 e) 40 35 GMIr (max) 30 25 20 15 10 0 50 100 150 200 250 Thời gian mạ (phút) Hình 3.11 ảnh hởng thời gian mạ đến tỷ số MIr dây hai líp hƯ thđy tinh CoP: a) Nång ®é NaH2PO2: 20g/l b) Nång ®é NaH2PO2: 30g/l c) Nång ®é NaH2PO2: 40g/l d) Nång ®é NaH2PO2: 50g/l e) Tû sè MIr max dung dịch có nồng độ NaH2PO2 khác theo thời gian mạ Với kết thu đợc nh hình 3.10, đặc biệt 3.10 e, cho thấy 54 tăng thời gian mạ, tỷ số MIr giảm MIr đạt cực đại thời gian mạ phút, max mạnh b) a) 180 160 lớp mạ mỏng, số lợng 140 đômen ít, định hớng chúng 120 100 theo từ 80 180 140 Tû sè MIr MAX (%) Tû sè MIr MAX (%) 160 120 100 80 60 40 60 40 20 20 0 10 15 20 25 30 35 10 20 Thêi gian m¹ (phót) Thêi gian m¹ (phót) c) (%) MAX Tû sè MIr (%) 150 Tû sè MIr 200 100 50 40 d) 250 MAX 250 30 200 150 100 50 0 10 20 30 40 10 20 Thêi gian m¹ (phút) Thời gian mạ (phút) 55 30 40 trờng cực đại, Hc giảm cực tiểu tỷ số MIr đạt cực đại Khi tăng thời gian mạ, lớp mạ tăng dần lên, nên định hớng theo từ trờng đômen giảm dần, H c tăng dần tỷ số MIr giảm dần Khi độ dày lớp mạ đạt đến giá trị lớn chiều sâu độ thấm từ tỷ số MIr đạt giá trị bão hòa, nhng tiếp tục tăng thời gian mạ, nồng độ P tiếp tục tăng, tạo nên lớp phủ P bề mặt lớp mạ, tỷ số MIr giảm đột ngột 3.3 So sánh kết thu đợc với hệ dây Cu/FeNi có hiệu ứng GMI đợc chế tạo phơng pháp điện kết tủa Các kết đo tỷ số MIr hệ dây Cu/FeNi đợc chế tạo phơng pháp điện kết tủa đợc biểu diễn hình 3.12: a) 25 25 20 20 15 15 10 10 5 0 -500 -300 -100 100 300 50 -500 -300 -100 10030050 Xư lý nhiƯt ë 450 oC Cha xư lý nhiƯt 55 b) Hình 3.12 Tỷ số MIr hệ dây Cu/ FeNi đợc chế tạo phơng pháp điện kết tủa: a)Đờng cong GMI thu đợc mật độ dòng thấp b)Đờng cong GMI thu đợc mật độ dòng cao 56 Từ kết thu đợc, so sánh với kết hệ dây Cu/FeNi, có hiệu ứng GMI đợc chế tạo phơng pháp điện kết tủa rút đợc nhận xét sau: Dây Cu/ FeNi có quy luật đạt tỷ số MIr cực đại theo chiều dày Kết luận đợc giải thích hiệu ứng GMI hiệu ứng bề mặt  TÝnh tõ mỊm ( Hc nhá) tèt h¬n rÊt nhiỊu  So víi d©y Cu/ FeNi, d©y thđy tinh/ CoP có tỷ số MIr lớn nhiều lần 56 Chơng - Kết luận Dây từ hai lớp CoP hƯ thđy tinh cã hiƯu øng tõ tỉng trë khổng lồ đợc chế tạo phơng pháp mạ hóa học Thành phần, cấu trúc, tính chất từ tỷ số MIr dây hai lớp CoP hƯ thđy tinh phơ thc vµo rÊt nhiỊu u tè, yếu tố là: Hàm lợng NaH2PO2 dung dịch mạ Thời gian mạ Trong luận văn này, mối liên hệ giữa: hàm lợng NaH2PO2 dung dịch mạ, thời gian mạ hiệu ứng GMI đợc làm sáng tỏ Chế độ tối u đạt tỷ lệ MIr lớn với nồng độ NaH2PO2 = 40g/l thời gian mạ D©y tõ hai líp CoP hƯ thđy tinh chế tạo phơng pháp mạ hóa học cho tỷ số MIr lớn nhiều lần so với dây hai lớp FeNi/Cu chế tạo phơng pháp điện kết tủa hay FeNi dạng màng mỏng 57 Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt 58 Bùi Xuân Chiến (2006), Nghiên cứu 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 lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội Chu Văn Thuấn (2006), Chế tạo dây Cu/FeNi có hiƯu øng tõ tỉng trë (MI) cao b»ng kü tht điện kết tủa, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội Mai Xuân Dơng (1999), Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ hợp kim vô định hình-nano tinh thể, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội Mai Thanh Tùng (2005), Mạ hóa học NiP dung dịch hypophotphit: ảnh hởng thông số đến tốc độ mạ, Tạp chí Hóa học ứng dụng, (4), 32-35 Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phơng pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, Nhà Xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Hoàng Nghị 2003, Lý thuyết nhiễu xạ tia X, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Trần Minh Hong (1998), Công nghệ mạ điện, Nhà xuất b¶n Khoa häc v□ Kü tht, H□ Néi Vò Đình Cự (1996), Từ học, Nhà Xuất Khoa học vµ kü tht, Hµ Néi Tµi liƯu tiÕng Anh Beach R S and Berkowitz A E (1994), Appl Phys Lett, (64), 3652 10 Bui Thi Khanh Nhung magnetoimpedance (2006), effect in Investigation electrodeposited of giant Cu-CoP wires, Master thesis of materials science, Hanoi university of technology 11 Gllen Mallory (2005), Surface Finishing Publisher, NewYork Electroless deposition technology, ... trung vào hệ dây dẫn/ vật liệu từ mềm (Cu/FeNi) Trong luận văn này, tập trung vào hệ dây cách điện/ vật liệu từ mềm có sử dụng phơng pháp mạ hóa học Mục đích nghiên cứu: Chế tạo dây hai lớp hệ thủy... dây micro có hiệu ứng GMI chế tạo phơng pháp mạ hóa học Các dây có cấu tạo gồm dây mang cì 50 - 500 m vµ líp phđ vËt liệu từ mềm phơng pháp kết tủa điện hóa mạ hóa học Một số nghiên cứu trớc...phạm văn hào Nghiên cứu chế tạo dây hai líp hƯ Thđy tinh/ cop Cã hiƯu øng tõ tỉng trë khổng lồ (giant magneto impedance - gmi) Bằng phơng pháp mạ hóa học Chuyên ngành Vật lý chất