][ Pe Q n R
2.1.4. Ph−ơng pháp lò cao tần và hiện t−ợng treo (levitation)
(levitation)
Trong ph−ơng pháp lò cao tần (hình 2.5), các vòng dây cảm ứng đ−ợc làm bằng các ống đồng (bên trong có n−ớc chảy qua để làm nguội) đ−ợc nuôi bởi một máy phát tần số cao (có thể lên đến 350 kHz). Khi đó nhiệt độ của kim loại và hợp kim tăng lên, mẫu bị nóng chảy do hiện t−ợng cảm ứng và dòng Foucault sinh ra trên bề mặt mẫu. Theo hiệu ứng “da”, độ dày của lớp bề mặt của mẫu có dòng điện cảm ứng chạy qua là [2.5]:
f σ πà δ ο 1 = , (2.5) ở đây, σ là độ dẫn điện của mẫu và f là tần số máy phát.
Với cấu tạo của cuộn dây và nồi nấu nh− trên hình 2.5, lực từ có thể đẩy mẫu lên phía trên. Đó là hiện t−ợng treo (levitation). Khi đó, mẫu hợp kim nóng chảy nh−ng không tiếp xúc với thành nồi. Điều này sẽ làm giảm tạp chất trong mẫu so với ph−ơng pháp nóng chảy hồ quang. Tuy nhiên, để nhận đ−ợc quá trình treo ổn định, cần phải tạo đ−ợc một vùng có gradient từ tr−ờng không đổi theo ph−ơng thẳng đứng ở bên trong các cuộn dây. Ví dụ nh− từ tr−ờng có dạng:
( pz)
H
Hz = 0 1− , (2.6) với p là hằng số.
Khi đó, lực từ tác dụng lên mẫu có thể tích dV theo ph−ơng thẳng đứng đ−ợc xác định là [2.5]: dV R r X X X X X X X H p dF ⋅ ⋅ − − 2 2 2 3 2 0 z cos cosh sinh cos cosh sin 4 ~ , (2.7)
trong đó, X =Rδ với R là bán kính của mẫu.
Hiện t−ợng nóng chảy treo đã đ−ợc áp dụng khá phổ biến ở phòng thí nghiệm Louis Néel, Grenoble (CH Pháp) bắt đầu từ công trình của R. Lemaire vào năm 1964 [2.6]. Để tạo ra từ tr−ờng cho trạng thái treo ổn định, S. David [2.5] đã thiết kế và chế tạo hệ 2 cuộn dây mắc xung đối có sơ đồ nguyên lý nh− trên hình 2.6a và thiết kế cụ thể nh− trên ảnh chụp hình 2.6b. Bảy vòng dây của cuộn thứ nhất đ−ợc cuốn theo dạng hình côn tạo
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý lò nóng chảy cao tần
ra một từ tr−ờng có gradient thay đổi rất mạnh (đ−ờng cong liền nét mảnh trên hình 2.7). Từ tr−ờng này đ−ợc bù trừ nhờ từ tr−ờng của hai vòng dây xung đối phía trên (đ−ờng đứt nét trên hình 2.7). Cuối cùng, từ tr−ờng tổng cộng (đ−ờng cong đậm nét
Hình 2.6.
(a)-Sơ đồ thiết kế các cuộn dây của lò cao tần
(b)-ảnh chụp cấu hình cuộn dây trong ph−ơng pháp lò cao tần
N−ớc làm lạnh
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của từ tr−ờng vào khoảng cách
Đ−ờng liền nét mảnh: từ tr−ờng của 7 vòng dây; đ−ờng đứt nét mảnh: từ tr−ờng của 2 vòng dây xung đối; đ−ờng liền nét đậm: từ tr−ờng tổng cộng [2.5]
Hình2.8. Hệ nóng chảy cao tần không có hiện t−ợng treo
trên hình 2.7) sẽ có một vùng gradient không đổi. Trong vùng này, mẫu kim loại và hợp kim đ−ợc nâng lên (mẫu đ−ợc treo) và hiện t−ợng treo sẽ ổn định. Sử dụng ph−ơng pháp này không những cho phép chế tạo các mẫu hợp kim dạng khối mà còn có thể kéo đ−ợc các đơn tinh thể. Tuy nhiên, trong các tr−ờng hợp trên, khối l−ợng mẫu th−ờng bị hạn chế không những do công suất của máy phát mà còn do phải chú ý đến sự cân bằng của lực từ và trọng lực. Vì vậy, trong các tr−ờng hợp chế tạo các mẫu đơn giản, thiết bị nấu chảy bằng lò cao tần đ−ợc chế tạo nh−
trên hình 2.8.
2.2. Chế tạo các màng mỏng từ bằng ph−ơng pháp
phún xạ
Các màng mỏng có thể đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp phun tĩnh điện (electro–deposition), bốc bay chân không (vacuum evaporation) và phún xạ (sputtering). Hai ph−ơng pháp đầu tiên đã đ−ợc sử dụng từ những năm 50. Hiện nay, các màng mỏng, nhất là các màng mỏng đất hiếm – kim loại chuyển tiếp th−ờng đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp phún xạ. Đây cũng là ph−ơng pháp phổ biến đ−ợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm ở Việt Nam. Do đó, phần này chỉ tập trung giới thiệu công nghệ chế tạo màng mỏng bằng ph−ơng pháp phún xạ mà các bạn đọc Việt Nam có thể đang quan tâm vào thời điểm hiện nay.