Một trong những cách thể hiện tính chất từ cơ bản nhất, và quan trọng nhất, của một vật liệu từ là quá trình đảo từ độ M của các thực thể từ tính đối với từ trường ngoài H. Hành vi của quá trình này phản ánh cấu trúc và bản chất nội tại của các thành phần từ tính có bên trong vật liệu. Hơn nữa, riêng đối với loại vật liệu từ có cấu
trúc kiểu dạng hạt nano như hệ Co-Al2O3, các phép đo đường từ trễ M-H còn là một
31
phép đo đường từ trễ M-H thường được thực hiện trên các máy từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer, VSM). Nguyên lý làm việc của máy VSM dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, và dùng để đo mômen từ hay từ độ của mẫu. Hình 2.16 trình bày sơ đồ khối cấu tạo của một máy VSM.
Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi 2 cực của nam châm điện. Mẫu là vật liệu từ nên khi đặt trong từ trường sẽ bị được từ hóa và tạo ra từ trường. Khi rung mẫu với một tần số
nhất định, từ thông biến thiên do từ độ M của mẫu rung tạo ra xuyên qua cuộn dây
thu tín hiệu, và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ thuận với từ độ M
của mẫu theo quy luật cho bởi:
4. . . m.
V n S M , (2.12) với M là từ độ của mẫu đo, Sm là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu. Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng hai cuộn dây thu tín hiệu
đối xứng nhau, gọi là cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil), là hệ hai cuộn dây đối
xứng
Máy phát
chức năng Khuếch đại
Nguồn phát Điều khiểnĐộng cơ
Bộ đo từ trường Tiền Khuếch đại Khuếch đại
Lock- in
Mẫu đo Bộ tạo tín hiệu chuẩn
Moto bước Bộ dao động
Cuộn day thu tín hiệu Đâu đo hall
VSM 880-Magnetics
32
nhau, cuốn ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm. Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế, người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế
lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference device - SQUID), là một
tiếp xúc xuyên ngầm Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được tăng lên rất nhiều. Với cuộn dây thu này, ta có từ kế SQUID, thường hoạt động ở nhiệt độ thấp vì hiện nay chỉ có các vật liệu siêu dẫn đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ thấp. Nam châm điện trong từ kế cũng là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường từ hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một chiều ổn định, từ trường tạo ra sẽ là trường một chiều ổn định, nhưng thường không lớn, do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và cuộn dây một chiều không thể cho dòng điện lớn chạy qua (vì sẽ sinh nhiệt lớn). Loại nam châm kiểu này chỉ đạt được từ trường lớn nhất cỡ xung quanh 3 T (30 kOe).
Những đặc trưng cơ bản về từ tính của màng mỏng từ như là từ độ (M), lực
kháng từ (HC), v.v… hoặc các quá trình xảy ra dưới tác dụng của từ trường ngoài
như sự đảo từ độ của các hạt từ trong các màng dạng hạt, hay các lớp từ trong các màng dạng đa lớp, thường là những yếu tố được quan tâm chủ yếu. Tính chất từ của
cấu trúc màng mỏng Co-Al2O3 sử dụng trong luận văn này, chẳng hạn như đường
cong từ trễ M-H, được khảo sát trên hệ từ kế mẫu rung (VSM) kiểu DMS 880 (hình 2.17) của hãng Digital Measurements System Inc., với từ trường tối đa có thể đạt
khoảng 14 kOe, và mẫu được gắn trên cần đo có thể quay từ 0–360o
. Ngoài ra hệ
Hình 2.17: Hình ảnh hệ đo từ VSM DMS 880
33
ni-tơ lỏng và thổi khí nóng. Đối với các mẫu có từ tính yếu, như các màng mỏng từ, để loại bỏ ảnh hưởng của nền và đế, trước khi đo cần thực hiện thao tác trừ nền do ảnh hưởng của đế nghịch từ bằng cách đặt hai mảnh vật liệu giống như đế mẫu (thường là đế bằng thủy tinh hoặc silic, có kích thước tương đương với mẫu), được đặt ở ngay phía trên và phía dưới của mẫu theo chiều rung mẫu (chiều thẳng đứng).