a) Vật liệu băng từ vô định hình và nano tinh thể
Vật liệu vô định hình/nanô tinh thể dạng băng mỏng được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh (hình 1.7). Các tắnh chất từ học, tương tác từ giữa các hạt pha cũng nhưảnh hưởng của thành phần, chếđộ công nghệ, chế độ xử lý nhiệt đã được nghiên cứu và tổng kết khá toàn diện và sâu sắc trong một loạt các tài liệu trong và ngoài nước [33]. Nói chung, hiệu ứng GMI được quan sát rõ ràng nhất trong các vật liệu từ ỘsiêuỢ mềm với hệ số từ giảo tổng cộng gần như bằng không và tỷ số MIr có thể vượt quá 100% ở nhiệt độ phòng và rất nhạy với từ trường. Điều này là do những vật liệu này có tắnh chất từ mềm tốt và thuận lợi điều chỉnh dị hướng từ của chúng nhờ xử lý nhiệt. Tỷ số MIr nói chung vượt quá 100% trong các băng vô định hình nền Co và nano tinh thể nền Fe (hình 1.8).
Ngoài tỉ số MIr, người ta còn định nghĩa tỉ số từ thẩm (Pr): Pr(H) = 1- Max H H ộ ộ( ) (1.15) Nhằm tăng độ nhạy của thiết bị, đòi hỏi vật liệu có cả giá trị MIr và Pr cao.
ậéng lùc
ậiÒu khiÓn:
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền 26 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Co68Fe4.5B15Si12.5 Về ậỡnh Hừnh f= 4.5 MHz GM I R (% ) H(Oe) Khềng ự ự 300oC ,1 giê ự 350oC ,1 giê ự 380oC ,1 giê Hình 1.8. Đường GMI của vật liệu băng Co68Fe4.5B15Si12.5 *) Tắnh chất của vật liệu băng từ VĐH và nano tinh thể
Các hợp kim dạng băng từ VĐH, nano tinh thể thể hiện các đặc tắnh như: Độ cứng cao, độ dẻo, độ dai, độ chống ăn mòn hóa học cao.
Có tắnh từ mềm tốt: lực kháng từ (Hc) nhỏ nhất cho đến nay thuộc về hợp kim vô định hình giàu Co với Hc< 10-3Oe ≈1A/m[32].
Độ từ thẩm cực đạiộm lớn ~106.
Nhiệt độ chuyển pha Curie TC của hợp kim vô định hình thấp hơn rất nhiều so với nhiệt chuyển pha TC của hợp kim có cấu trúc tinh thể; đó là do sự
thăng giáng mạnh của tắch phân trao đổi, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên một số hợp kim VĐH cũng có TC khá cao. Vắ dụ như nhiệt độ chuyển pha TC của hợp kim vô định hình nền Fe và Co nằm trong khoảng từ 2500C
đến 5500C [32]. Nhiệt độ chuyển pha cao thể hiện tương tác trao đổi mạnh giữa các nguyên tử Fe và Co. Hợp kim VĐH chứa hai kim loại Fe và Co vừa có thểđạt ộSvà TC cao lại vừa có tương tác trao đổi giữa Fe và Co rất mạnh. Có tắnh dị hướng từ thấp nên quá trình từ hóa là đồng nhất trên toàn mẫu
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền
27
Có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI) lớn; có tiềm năng ứng dụng làm thành phần nhạy từ trong các thiết bị cảm biến từ sử dụng hiệu ứng GMI. Tỷ
số GMI quan sát được đối với vật liệu băng từ vô định hình
Co69Fe4.5Ni1.5Si10B5 là 90% ở tần số 6 MHz.
*) Ứng dụng của vật liệu băng từ vô định hình, nano tinh thể
Các vật liệu băng từ vô định hình được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau nhưđiện tử, công nghệ thông tin, máy tắnh và y sinh. Trong công nghiệp, các vật liệu băng từ vô định hình có tắnh từ mềm tốt được sử dụng để chế tạo các màn chắn từ, đầu ghi từ, lõi biến áp, các mạch khuếch đại từ, các máy điện, các rơle, lõi các cuộn cảm[32].
b) Vật liệu dây từ vô định hình và nano tinh thể
*) Công nghệ chế tạo
Công nghệ nguội nhanh là phương pháp chế tạo dây từ hợp kim vô định hình
quan trọng vì phương pháp này có năng suất cao (hàng trăm mét dây trong một
giây). Kim loại được nung chảy trong nồi nung bằng dòng điện cảm ứng cao tần, sau đó dưới tác dụng của áp suất khắ Ar sẽ đẩy kim loại nóng chảy qua vòi phun (gắn liền với nồi nung) lên một môi trường làm lạnh là chất lỏng [4]. Khi tia kim loại lỏng ra khỏi vòi phun, gặp chất lỏng lạnh bị mất nhiệt nhanh chóng, đông cứng tức thời (trong thời gian 1/1000 giây) và văng ra dưới dạng dây. Vì quá trình đông cứng xảy ra trước quá trình kết tinh nên các dây đó là hợp kim vô định hình hay còn gọi là thủy tinh kim loại [4].
*) Cấu trúc của vật liệu dây từ vô định hình và nano tinh thể
Cấu trúc VĐH và NNTT của vật liệu dây từ hoàn toàn tương tự với cấu trúc của vật liệu dạng băng từ. Vật liệu dây từ vô định hình có cấu tạo gồm 2 phần là phần lõi và phần vỏ, phần lõi là hợp kim sắt từ (ferromagnetic) có đường kắnh ~ 15 - 20ộm[34], phần vỏ là lớp thủy tinh (glass) có đường kắnh ~ 4 - 7ộm(hình 1.9).
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền
28
Hình 1.9. Công nghệ nguội nhanh chế tạo các dây từ vô định hình [34,4].
*) Tắnh chất của vật liệu dây từ vô định hình và nano tinh thể:
Tắnh chất điện: Dây vô định hình có điện trở suất rất lớn, điện trở suất của dây vô định hình cao hơn giá trị tương ứng của cùng một dây sau khi kết tinh. Một quan sát thấy rằng các điện trở suất của dây vô định hình cao hơn 20% [4] so với một dây tương ứng ở dạng tinh thể, điện trở suất của dây vô
định hình phụ thuộc vào kắch thước, hình dạng, thành phần hợp kim. Ngoài ra điện trở suất của dây NNTT biến đổi mạnh theo nhiệt độ ủ và có giá trị
nhỏ hơn điện trở suất của băng NNTT (hình 1.10 a)
Tắnh chất hóa học: Các dây vô định hình có khả năng chống ăn mòn rất cao, hợp kim vô định hình của Fe bổ sung Cr là hợp kim chống ăn mòn cao nhất, thậm chắ cao hơn cả thép không gỉ. Đặc biệt đối với các dây có bọc thủy tinh
ở bên ngoài thì có thể chống ăn mòn rất tốt trong các môi trường hóa học[4].
Dây thủy tinh vô định hình Khắ Ar Ống thủy tinh chịu nhiệt Cuộn dây cảm ứng cao tần Hợp kim nóng chảy Nước làm nguội
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền
29
Hình 1.10. (hình a) Sự thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ ủ đối với mẫu hợp kim Finemet Fe-Si-B-Nb-Cu dạng dây (wire) và dạng băng (ribbon); (hình b) sự
phụ thuộc của tỷ số GMI (∆Z / Z) vào từ trường ngoài trong mẫu dây VĐH nền Co
đo ở các chiều dài khác nhau
Tắnh chất từ: trong quá trình từ hóa một trong những nguyên nhân ảnh hưởng
đến độ lớn của độ từ thẩm là tắnh dị hướng từ, dị hướng này là do ứng suất còn dư trong quá trình chế tạo mẫu, ứng suất này có thểđược 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 lõi dây khác nhau dẫn đến cấu trúc
đômen của hai vùng khác nhau . Trong đó, phần lõi là một đơn đômen với phương của vectơ từ độ trùng với chiều dài của dây, phần vỏ ngoài có cấu trúc đa đômen với các véctơ từđộ có dạng vòng tròn , nguyên nhân là do ứng suất nén kết hợp với hiệu ứng từ giảo âm giữ cho các mômen từ là các vòng tròn kắn [4], đảm bảo sự cực tiểu về năng lượng. Điều này được thể hiện rất rõ khi khảo sát đường cong từ trễ (hình 1.11), từ hình vẽ có thể nhận thấy hình dạng của đường cong từ trễ biến đổi mạnh theo giá trị hệ số từ giảo của dây.
Hiệu ứng GMI cũng đã được quan sát trong các vật liệu dây từ VĐH và NNTT. Do độ từ thẩm của vật liệu dây là rất cao nên tỷ số GMI đạt được
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền
30
trong các dây từ là rất lớn (~ vài trăm %) với độ nhạy trường cao. Do độ
nhạy cao đối với sự thay đổi của từ trường thấp nên vật liệu dây đã được ứng dụng làm thành phần nhạy trong các sensor đo từ trường rất nhỏ. Ngoài ra với ưu điểm với kắch thước nhỏ của dây( ~ micro mét), nên việc ứng dụng các dây từ trong chế tạo cảm biến đã làm giảm rất đáng kể kắch thước của các linh kiện, điều này cũng là yếu tố góp phần làm giảm giá thành.
Hình 1.11. Đường cong từ trễ của dây VĐH nền Co: (hình a) dây VĐH có hệ số từ
giảo dương, (hình b) dây VĐH có hệ số từ giảo âm,(hình c) dây VĐH có hệ số từ
giảo rất nhỏ