Khảo sát hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo áp điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ ===o0o=== DƯƠNG THỊ PHONG KHẢO SÁT HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ GIẢO/ÁP ĐIỆN Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học ThS Lê Khắc Quynh Hà Nội, 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘ KHOA VẬT LÝ ===o0o=== DƯƠNG THỊ PHONG KHẢO SÁT HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ GIẢO/ÁP ĐIỆN Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học ThS Lê Khắc Quynh Hà Nội, 2018 LỜI CẢM ƠN Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô giáo khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội dạy dỗ bảo truyền đạt kiến thức cho em suốt trình học tập rèn luyện trường q trình thực khóa luận Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt q trình thực khóa luận tốt nghiệp Lần nghiên cứu khoa học, khóa luận em khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn bè để khóa luận hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2018 Sinh viên Dương Thị Phong LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng em Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2018 Sinh viên Dương Thị Phong MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu khóa luận Đối tượng mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đóng góp khóa luận Nội dung khóa luận CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tính chất từ vật rắn 1.1.1 Tính thuận từ 1.1.2 Tính nghịch từ 1.1.3 Tính sắt từ 1.1.4 Tính phản sắt từ 10 1.1.5 Tính Feri từ 12 1.2 Tính chất từ băng từ mềm 14 1.3 Hiện tượng từ giảo 14 1.4 Hiện tượng áp điện 16 1.5 Hiệu ứng từ - điện 19 1.6 Cảm biến dựa hiệu ứng từ - điện 20 1.7 Một số cảm biến từ dựa hiệu ứng vật lí khác 21 1.7.1 Cảm biến từ dựa hiệu ứng Hall 21 1.7.2 Cảm biến từ dựa hiệu ứng từ điện trở 23 1.7.3 Cảm biến từ dựa hiệu ứng AMR 26 1.7.4 Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn 28 1.7.5 Cảm biến từ trường Flux - gate 29 1.7.6 So sánh cảm biến từ hiệu ứng khác 30 1.8 Kết luận chương 31 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 33 2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện 33 2.2 Khảo sát hiệu ứng từ điện 33 2.3 Kết luận chương 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Sự phụ thuộc hệ số từ - điện E vào tần số f từ trường xoay chiều 36 3.2 Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trường chiều mẫu có kích thước khác (n =L/W) đo tần số cộng hưởng mẫu 37 3.3 Kết luận chương 40 KẾT LUẬN CHUNG 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.2 Sự xếp moomen từ ngun tử: Khi chưa có từ trường ngồi tác dụng (a); có từ trường ngồi tác dụng (b) Hình 1.3 (a) Mơ hình xếp mơmen từ ngun tử, Hình 1.4 Đường cong từ trễ vật liệu sắt từ Hình 1.5 Biến đổi momen từ nhiệt độ Curie sắt từ 10 Hình 1.6 Cấu trúc từ vật liệu phản sắt từ, gồm phân mạng spin đối song 11 Hình 1.7 Sự phụ thuộc  1 vào nhiệt độ 11 Hình 1.8 (a) Sự xếp mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc  1 vào nhiệt độ 13 Hình 1.9 Sự bù trừ từ tính phân mạng điểm nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ 13 Hình 1.10 Hiệu ứng từ giảo mẫu hình cầu: (a) từ giảo thể tích (b) từ giảo tuyến tính Joule 15 Hình 1.11 Hình minh họa biến dạng tuyến tính vật liệu từ giảo dạng khối dạng băng mỏng 15 Hình 1.12 Hiệu ứng áp điện xảy đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng ứng suất nén (b) giãn học (c) 16 Hình 1.13 Cấu trúc tinh thể vật liệu Perovskite 17 Hình 1.14 Sự dịch chuyển ion tinh thể Perovskite có điện trường ngồi 18 Hình 1.15 Mơ tả hiệu ứng từ điện 19 Hình 1.17 Sơ đồ thí nghiệm cảm biến từ trường trái đất dựa hiệu ứng từ giảo-áp điện Zhai đồng nghiệp 20 Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến Hall 22 Hình 1.19 Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng 24 Hình 1.20 Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khơng có từ trường ngồi (a) có từ trường ngồi (b) 25 Hình 1.21 Sơ đồ thể nguồn gốc vật lý AMR 26 Hình 1.22 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dòng điện chạy qua hướng vectơ từ hố 27 Hình 1.23 Cảm biến từ giao thao lượng tử siêu dẫn (a) 28 Hình 1.24 Sơ đồ cấu tạo cảm biến flux – gate 29 Hình 1.25 Cảm biến từ trường dựa hiệu ứng từ - điện 31 Hình 2.1 Cấu trúc sandwich vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi ảnh chụp sau chế tạo 33 Hình 2.2 Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện 34 Hình 3.1 Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều đo theo phương song song vật liệu băng từ FeNiBSi 36 Hình 3.2 Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường chiều mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm chiều rộng W thay đổi từ đến 15 mm Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L) Phép đo thực tần số cộng hưởng tương ứng 37 Hình 3.3 Hệ số từ - điện từ trường 2.5 Oe đo mẫu có tỉ số kích thước khác 38 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện Vật liệu tổ hợp từ - điện dạng chế tạo phương pháp kết dính sử dụng keo chuyên dụng để gắn kết áp điện hai lớp băng từ FeNiBSi thương mại Sơ đồ minh họa cấu trúc mẫu vật liệu tổ hợp minh họa hình 2.1 Trong nghiên cứu mình, chúng tơi sử dụng vật liệu áp điện PZT (Pb, Zr, Ti) dạng chiều dày tPZT = 250m mang số hiệu APCC-855 cung cấp công ty Mỹ (American Piezoceramics Inc., PA, USA) [5] Tấm áp điện sau tạo kích thước phù hợp phủ lớp điện cực mỏng Ag vào hai mặt trên, phân cực với véc tơ phân cực PE hướng vng góc với mặt phẳng mẫu Thế hiệu lối từ vật liệu tổ hợp đo qua hai dây điện cực đồng nhỏ gắn mặt áp điện nhờ keo dẫn Ag (Silve paint) Hình 2.1 Cấu trúc sandwich vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi ảnh chụp sau chế tạo 2.2 Khảo sát hiệu ứng từ điện Hiệu ứng từ - điện đặc trưng hệ số từ - điện E xác định thông qua áp điện VME sinh hai mặt áp điện tác dụng từ trường Thế áp điện VME hiệu xoay chiều sinh cảm ứng từ trường xoay chiều hac = h sin(2 f t) đặt từ trường chiều HDC Từ trường chiều DC tạo nhờ nam châm điện với cường độ cực đại lên tới T (10 kOe) Để tạo từ trường xoay chiều hac, sử dụng cuộn Helmholtz đặt vào bên vùng không gian từ trường DC điều khiển máy phát chức (FG-202C Function Generator) Hình 2.2 Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện Biên độ hac thay đổi từ h = đến 12 Oe với dải tần số từ f = Hz đến 2.5 MHz Góc tạo véc tơ phân cực điện phương từ trường tác dụng thay đổi nhờ hệ thống mâm quay Thế hiệu lối từ áp điện đưa vào khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier) Độ lớn pha tín hiệu VME hiển thị hình tinh thể lỏng Hệ số từ - điện E = dE/dH xác định qua hiệu từ - điện lối VME Thông thường VME hàm phụ thuộc vào từ trường: VME  f Khi đó, biểu thức mối liên hệ hệ số từ - điện với từ trường độ dày áp điện viết tổng quát dạng:  E dE dVME   VME dH t dH t hο (2.2) Như hệ số từ - điện E xác định thơng qua biểu thức mối liên hệ hiệu điện VME chia cho độ dày mẫu áp điện (tPZT) biên độ từ trường xoay chiều ho theo biểu thức (2.2) 2.3 Kết luận chương Các nghiên cứu thực nghiệm chương 2: - Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện có kích thước 1x15mm phương pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết áp điện hai lớp băng từ FeNiBSi vật liệu áp điện - Khảo sát hiệu ứng từ - điện hệ đo hiệu ứng từ - điện sử dụng từ trường xoay chiều chiều CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sự phụ thuộc hệ số từ - điện E vào tần số f từ trường xoay chiều Để khảo sát hiệu ứng từ điện vào từ trường xoay chiều Ta khảo sát ảnh hưởng tần số từ trường xoay chiều kích thích đến hiệu ứng từ - điện mẫu có dạng hình chữ nhật với kích thước khác Đường cong phụ thuộc hệ số từ - điện αE vào tần số từ trường xoay chiều hac số mẫu điển hình thực Hình 3.1 mơ tả phụ thuộc αE vào tần số từ trường xoay chiều đo mẫu hình vng kích thước 15 × 15 mm Hình 3.1 Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều đo theo phương song song vật liệu băng từ FeNiBSi Phép đo thực theo phương song song với mặt phẳng băng với biên độ lựa chọn hac = Oe giá trị từ trường chiều H = 10 Oe tương ứng Nhìn vào đường cong ta thấy hệ số từ điện phụ thuộc mạnh vào tần số từ trường xoay chiều Ở vùng khảo sát tần số thấp, hệ số αE xuất đỉnh cộng hưởng mà αE đạt giá trị cực đại sau lại giảm từ từ tần số tiếp tục tăng Như kết luận tần số cộng hưởng cho vật liệu FeNiBSi f1 = fr1 ~ 90 kHz f1 = fr2 ~ 136,4 kHz hiệu ứng từ điện lớn Vậy ta chọn tần số cộng hưởng làm việc cho mẫu f1 = fr2 ~ 136,4 kHz, tín hiệu từ điện lớn Sự phụ thuộc hệ số từ - điện E vào tần số f từ trường xoay chiều mẫu khác có dạng hình chữ nhật với kích thước chiều dài khơng đổi (L = 15 mm) chiều rộng thay đổi (W = 1-15 mm) khảo sát tương tự mẫu Thực nghiệm cho thấy tần số cộng hưởng mẫu hình chữ nhật tương đối cỡ 100 kHz 3.2 Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trường chiều mẫu có kích thước khác (n =L/W) đo tần số cộng hưởng mẫu Trên hình 3.2 kết đo hệ số từ - điện phụ thuộc vào từ trường chiều đo mẫu có tỉ số kích thước khác Tất phép đo thực tần số cộng hưởng tương ứng mẫu nghiên cứu Hình 3.2 Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường chiều mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm chiều rộng W thay đổi từ đến 15 mm Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L) Phép đo thực tần số cộng hưởng tương ứng Nhìn vào đường cong ta thấy phụ thuộc mạnh hệ số từ điện vào kích thước khác mẫu có tỉ số n lớn độ dốc đường cong vùng từ trường thấp lớn ngược lại Thêm vào đó, giá trị từ trường, hệ số từ-điện đạt cực đại giảm mạnh với tăng tỉ số kích thước Nếu với mẫu có tỉ số n = giá trị từ trường cần thiết 12 Oe với tỉ số n = 15 giá trị giảm xuống 2,5 lần khoảng Oe Kết giải thích hệ trường khử từ hay tính dị hướng hình dạng Hình 3.3 Hệ số từ - điện từ trường 2,5 Oe đo mẫu có tỉ số kích thước khác Với mục tiêu ứng dụng từ trường thấp đặc biệt làm việc vùng từ trường trái đất hiệu ứng từ - điện vùng từ trường thấp quan tâm Trên hình 3.3 số liệu hệ số từ - điện đo từ trường 2,5 Oe đo mẫu có tỉ lệ kích thước khác Số liệu tổng kết bảng 3.1 Ta thấy hệ số từ - điện thay đổi không theo xu hướng với tỉ số n Ban đầu tăng lên nhanh αE từ 14,04 lên 22,83 n tăng từ đến Sự tăng lên phù hợp với qui luật tăng cường tính chất từ mềm từ giảo mềm dị hướng hình dạng Tiếp đến n tiếp tục tăng hệ số từ - điện giảm dần Sự suy giảm mạnh hệ số từ điện kích thước mẫu giảm giải thích dựa vào hiệu ứng “shear lagging” phân bố ứng suất không đồng bề mặt mẫu phụ thuộc vào kích thước mẫu Theo hiệu ứng Shear lag: ứng suất tác dụng lên bề mặt áp điện phân thành hai phần đóng góp, phần biên phần lõi Trong đó, vào sâu tâm mẫu, ứng suất mạnh ứng suất lớn nằm tâm mẫu Ngược lại, xa tâm lại gần biên mẫu, ứng suất giảm tiến đến biên mẫu [6] Bảng 3.1 Bảng tổng hợp hệ số từ - điện đo mẫu hình chữ nhật có kích thước khác (L = 15mm, W thay đổi) đo tần số cộng hưởng mẫu TT Tỉ số αE (V/cmOe) αE (max) (V/cmOe) n = L/W Hdc = 2.5 Oe 15 17,24 22,01 7,5 22,48 28,04 3 22,83 38,40 19,00 31,80 1,5 16,74 35,00 14,04 36,25 Như vậy, việc khai thác dị hướng hình dạng băng từ mềm hệ số từ - điện cải thiện mạnh chế tạo mẫu hình chữ nhật có kích thước L > W Tuy nhiên bên cạnh ln tồn cạnh tranh với hiệu ứng Shear lag có xu hướng ngược lại Hệ số từ - điện tăng tỉ lệ L/W nhỏ từ đến giảm trường khử từ dọc theo băng từ mềm, tỉ lệ L/W lớn (>8) hệ số từ điện lại giảm, trường hợp hiệu ứng “shear lagging” lớn hiệu ứng dị hướng hình dạng Kích thước tối ưu cho hiệu ứng từ - điện nghiên cứu cho giá trị cực đại hệ số từ điện 38,4 V/cmOe tìm thấy mẫu có kích thước 15x5 mm (n = L/W = 3), giá trị lớn mẫu vng kích thước 15x15 mm (= 36,25 V/cmOe) 3.3 Kết luận chương Các nghiên cứu thảo luận chương 3: - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ - điện αE vào tần số từ trường xoay chiều mẫu vật liệu có kích thước khác Ta thu hệ số từ điện lớn tần số cộng hưởng f ~ 136,4 kHz (đối với mẫu hình vng kích thước 15x15 mm) - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ điện vào từ trường chiều mẫu có kích thước khác đo tần số cộng hưởng mẫu Ta thu hệ số từ - điện lớn 38,4V/ cmOe tìm mẫu có kích thước 15x5 mm ( n = L/W = 3) KẾT LUẬN CHUNG Đề tài “Khảo sát hiệu ứng từ - điện vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện” triển khai nghiên cứu hoàn thành Các kết thu được: - Đã chế tạo vật liệu tổ hợp từ giảo áp điện có chiều dài khơng đổi chiều rộng thay đổi phương pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết áp điện hai lớp băng từ FeNiBSi vật liệu áp điện - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ- điện αE vào tần số từ trường xoay chiều mẫu vật liệu có kích thước khác Ta thu hệ số từ điện lớn tần số cộng hưởng f ~ 136,4 kHz ( mẫu hình vng kích thước 15x15 mm) - Khảo sát phụ thuộc hệ số từ điện vào từ trường chiều mẫu có kích thước khác đo tần số cộng hưởng mẫu Ta thu hệ số từ- điện lớn 38,4V/ cmOe tìm mẫu có kích thước 15x5 mm ( n = L/W = 3) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ tính cấu trúc nanơ điện tử học spin, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, tr 20-22 [2] Phạm Anh Đức, Đỗ Thị Hương Giang, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức (2013), Nghiên cứu, tối ưu cấu hình mơ lý thuyết hiệu ứng từđiện vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, Hội nghị SPMS Thái Nguyên [3] Đỗ Thị Hương Giang, Phạm Văn Thạch, Nguyễn Hữu Đức "Hiệu ứng từ -điện khổng lồ vật liệu multiferroics PZT/FeCoBSi dạng ứng dụng chế tạo sensơ đo từ trường độ nhạy cao”, Báo cáo hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5, Vũng tàu [4] Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, Nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng có cấu trúc nanô, Luận văn thạc sĩ, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN [5] Nguyễn Hữu Mình, Nguyễn Thị Thanh Hương, Lý thuyết lượng tử chất rắn, NXB ĐHSP (2008) [6] Nguyễn Thị Bảo Ngọc, Nguyễn Văn Nhó, Vật lý chất rắn, NXB ĐHQG HN (1998) [7] Lê Khắc Quynh, Đỗ Thị Hương Giang (2014), Tăng cường hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp băng từ Metglas/PZT, Tạp chí Khoa học số 30, ĐHSP HN Tiếng anh [8] D Landau and E Lifshitz (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, p.119 [9] Do Thi Huong Giang (2005), “Fabrication and study of giant magnetostrictive single layer and multilayer fimls based on TbFeCo alloy”, Physics – Materials Science [10] D.T Huong Giang and N.H Duc (2009), Sensor and Actuator, A149, 229 [11] D Drung, C Assmann, J Beyer, A Kirste, M Peters, F Ruede, and Th Schurig (2007), “Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol 17, Iss 2, pp 699 – 704 [12] G Song, P Z Qiao, W K Binienda, and G P Zou (2002), “Active vibration damping of composite beam using smart sensors and actuators” Journal of aerospace enginerring, 15(3), pp 97–103 [13] G Srinivasan et al., Phys Rev B 64 (2001) 21440 [14] N Nersessian et al, IEEE Trans Magn 40 (2004) 2646 [15] Ran, Shannon K’doah (2004), “Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes”, Gravity Probe B NASA pp 26 [16] Joule, J.P (1847) "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars", Philosophical Magazine Series 3, Vol 30, Iss 199, pp 76-87 [17] Nicola A Spaldin and Manfred Fiebig (2005), “Materials science: The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics”, Science, 15, pp 391-392 [18] Tamara Bratland, Michael J Caruso, Carl H Smith, A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Sensors (1998) [19] Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D Viehland (2007) , Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters, 123513 [20] J.P Joule (1847), Philosophical Magazine, 30, 76 [21] Joule, J.P (1847) "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars", Philosophical Magazine Series 3, Vol 30, Iss 199, pp 76-87 [22] Ran, Shannon K’doah (2004), “Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes”, Gravity Probe B NASA pp 26 ... liệu tổ hợp từ giảo/ áp điện Mục tiêu khóa luận - Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện vật liệu tổ hợp từ giảo/ áp điện Trong vật liệu từ giảo băng từ FeNiBSi Áp điện vật liệu PZT - Đề xuất số ứng dụng Đối... tiêu nghiên cứu - Vật liệu tổ hợp có hiệu ứng từ giảo/ áp điện Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện - Khảo sát hiệu ứng từ - điện Phương pháp nghiên cứu - Đọc tài liệu tra cứu -... thời hai pha sắt từ sắt điện vật liệu Trong số vật liệu từ - điện nghiên cứu ứng dụng phải kể đến vật liệu tổ hợp gồm hai pha từ giảo áp điện Nếu đặt vật liệu từ trường, pha từ giảo bị biến dạng