7. Nội dung của khóa luận
1.8. Kết luận chƣơng 1
Các nghiên cứu thực hiện trong chƣơng 1:
- Tổng quan về một số tính chất từ của vật liệu: ngƣời ta dựa vào dấu và
độ lớn của độ cảm từ (χ) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó để đặc trƣng cho mức độ từ hóa của vật liệu.
32
- Nghiên cứu tính chất từ của băng mềm.
- Nghiên cứu hiện tƣợng tƣợng từ giảo, hiện tƣợng áp điện.
- Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện và ứng dụng. Vật liệu tổ hợp từ - điện đã đƣợc tối ƣu hóa sẽ đƣợc nghiên cứu ứng dụng để chế tạo cảm biến từ đo từ
33
CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện
Vật liệu tổ hợp từ - điện dạng tấm đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp kết
dính sử dụng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ FeNiBSi thƣơng mại. Sơ đồ minh họa cấu trúc của mẫu vật liệu tổ hợp đƣợc minh họa trên hình 2.1. Trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện PZT (Pb, Zr, Ti) dạng tấm chiều dày tPZT = 250m mang số
hiệu APCC-855 đƣợc cung cấp bởi công ty của Mỹ (American Piezoceramics Inc., PA, USA) [5]. Tấm áp điện sau khi tạo kích thƣớc phù hợp đã đƣợc phủ
lớp điện cực mỏng bằng Ag vào hai mặt trên, dƣới và đã đƣợc phân cực với
véc tơ phân cực PE hƣớng vuông góc với mặt phẳng mẫu. Thế hiệu lối ra từ
vật liệu tổ hợp đƣợc đo qua hai dây điện cực bằng đồng nhỏ gắn trên 2 mặt của tấm áp điện nhờ keo dẫn Ag (Silve paint).
Hình 2.1. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi và ảnh chụp sau khi chế tạo
2.2. Khảo sát hiệu ứng từ điện
Hiệu ứng từ - điện đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ - điện E và đƣợc xác
định thông qua thế áp điện VME đƣợc sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện
34
Thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trƣờng
xoay chiều hac = h sin(2 f t) đƣợc đặt trong từ trƣờng một chiều HDC. Từ trƣờng một chiều DC đƣợc tạo ra nhờ một nam châm điện với cƣờng độ cực
đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Để tạo ra từ trƣờng xoay chiều hac, chúng tôi sử
dụng một cuộn Helmholtz đặt vào bên trong vùng không gian của từ trƣờng
DC và đƣợc điều khiển bằng một máy phát chức năng (FG-202C Function
Generator).
Hình 2.2. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện.
Biên độ của hac có thểthay đổi từ h= 0 đến 12 Oe với dải tần số từ f = 1
Hz đến 2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và phƣơng các từ trƣờng
tác dụng có thể đƣợc thay đổi nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ
tấm áp điện đƣợc đƣa vào bộ khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in
Amplifier). Độ lớn và pha của tín hiệu VME đƣợc hiển thị trên màn hình tinh
thể lỏng. Hệ số thế từ - điện E = dE/dH đƣợc xác định qua thế hiệu từ - điện lối ra VME. Thông thƣờng VME là hàm phụ thuộc vào từtrƣờng:
35
Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số từ - điện với từ trƣờng và độ dày của tấm áp điện đƣợc viết tổng quát dƣới dạng:
ME ME E ο 1 1 dE dV V dH t dH t h (2.2)
Nhƣ vậy hệ số từ - điện E có thểđƣợc xác định thông qua biểu thức mối
liên hệ giữa hiệu điện thế VME chia cho độ dày mẫu áp điện (tPZT) và biên độ
từtrƣờng xoay chiều ho theo biểu thức (2.2).
2.3. Kết luậnchƣơng 2
Các nghiên cứu thực nghiệm trong chƣơng 2:
- Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện có kích thƣớc 1x15mm bằng phƣơng pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng
từFeNiBSi và vật liệu áp điện.
- Khảo sát hiệu ứng từ - điện bằng các hệ đo hiệu ứng từ - điện sử dụng từtrƣờng xoay chiều và một chiều.
36
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện E vào tần số f của từ trƣờng xoay chiều chiều
Để khảo sát hiệu ứng từ điện vào từ trƣờng xoay chiều. Ta khảo sát sự
ảnh hƣởng của tần số từ trƣờng xoay chiều kích thích đến hiệu ứng từ - điện
trên các mẫu có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc khác nhau. Đƣờng cong sự
phụ thuộc của hệ số từ - điện αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều hac của một số mẫu điển hình đã đƣợc thực hiện. Hình 3.1 mô tả sự phụ thuộc của αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều đo trên mẫu hình vuông kích thƣớc 15 ×
15 mm.
Hình 3.1. Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều đo theo phương song song của vật liệu băng từ FeNiBSi.
Phép đo đƣợc thực hiện theo phƣơng song song với mặt phẳng băng với
biên độ đƣợc lựa chọn hac = 2 Oe và giá trị từ trƣờng một chiều H = 10 Oe
tƣơng ứng. Nhìn vào đƣờng cong ta thấy hệ số từ điện phụ thuộc mạnh vào
tần số của từ trƣờng xoay chiều. Ở vùng khảo sát tần số thấp, hệ số αE xuất hiện những đỉnh cộng hƣởng mà tại αE đạt giá trị cực đại sau đó lại giảm từ từ
37
khi tần số tiếp tục tăng. Nhƣ vậy có thể kết luận rằng tần số cộng hƣởng cho vật liệu FeNiBSi là f1 = fr1 ~ 90 kHz và f1 = fr2 ~ 136,4 kHz tại đó hiệu ứng từ điện sẽ lớn nhất. Vậy ta chọn tần số cộng hƣởng làm việc cho mẫu này là f1 = fr2 ~ 136,4 kHz, tại đó tín hiệu từ điện là lớn nhất.
Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện Evào tần số f của từ trƣờng xoay chiều
của các mẫu khác có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc chiều dài không đổi
(L = 15 mm) và chiều rộng thay đổi (W = 1-15 mm) đƣợc khảo sát tƣơng tự
nhƣ mẫu trên. Thực nghiệm cho thấy tần số cộng hƣởng của các mẫu hình
chữ nhậttƣơng đối bằng nhau cỡ 100 kHz.
3.2. Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trƣờng một chiều trên các mẫu có kích thƣớc khác nhau (n =L/W) đo tại tần số cộng hƣởng của các mẫu
Trên hình 3.2 là kết quả đo hệ số từ - điện phụ thuộc vào từ trƣờng một chiều đo trên các mẫu có tỉ số kích thƣớc khác nhau. Tất cả các phép đo đều
đƣợc thực hiện tại tần số cộng hƣởng tƣơng ứng của từng mẫu đã đƣợc nghiên
cứu.
Hình 3.2. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đối với các mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 1 đến 15 mm. Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo được thực hiện tại tần số
38
Nhìn vào đƣờng cong này ta thấy sự phụ thuộc rất mạnh của hệ số từ -
điện vào kích thƣớc khác nhau trong đó các mẫu có tỉ sốn càng lớn thì độ dốc
của đƣờng cong trong vùng từ trƣờng thấp càng lớn và ngƣợc lại. Thêm vào
đó, giá trị từ trƣờng, tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại giảm mạnh với sự tăng
của tỉ số kích thƣớc. Nếu với mẫu có tỉ số n = 1 thì giá trị từ trƣờng này cần thiết là 12 Oe trong khi với tỉ sốn= 15 thì giá trị này giảm xuống 2,5 lần chỉ còn khoảng 5 Oe. Kết quả này đƣợc giải thích là do hệ quả của trƣờng khử từ
hay tính dịhƣớng hình dạng.
Hình 3.3. Hệ số từ - điện tại từ trường 2,5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích thước khác nhau
Với mục tiêu ứng dụng trong từ trƣờng thấp đặc biệt làm việc trong vùng
từ trƣờng trái đất thì hiệu ứng từ - điện trong vùng từ trƣờng thấp đƣợc quan
tâm hơn cả. Trên hình 3.3 là số liệu hệ số từ - điện đo tại từ trƣờng 2,5 Oe đo
trên các mẫu có tỉ lệ kích thƣớc khác nhau. Số liệu này cũng đƣợc tổng kết
trên bảng 3.1. Ta thấy hệ số từ - điện thay đổi này không theo một xu hƣớng
với tỉ số n. Ban đầu là sự tăng lên rất nhanh của αE từ 14,04 lên 22,83 khi n
tăng từ 1 đến 3. Sự tăng lên này phù hợp với qui luật tăng cƣờng tính chất từ
39
hệ số từ - điện giảm dần. Sự suy giảm mạnh của hệ số từ điện khi kích thƣớc
mẫu giảm có thể giải thích dựa vào hiệu ứng “shear lagging” do sự phân bố
ứng suất không đồng nhất trên bề mặt mẫu phụ thuộc vào kích thƣớc mẫu. Theo hiệu ứng Shear lag: ứng suất tác dụng lên bề mặt tấm áp điện đƣợc phân ra thành hai phần đóng góp, phần biên và phần lõi. Trong đó, càng vào sâu
trong tâm mẫu, ứng suất càng mạnh và ứng suất lớn nhất nằm ở tâm mẫu.
Ngƣợc lại, càng ra xa tâm lại gần biên của mẫu, ứng suất càng giảm và tiến đến 0 tại các biên của mẫu [6].
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp hệ số từ - điện đo trên các mẫu hình chữ nhật có kích
thƣớc khác nhau (L = 15mm, W thay đổi) đo tại tần số cộng hƣởng của các
mẫu TT Tỉ số n = L/W αE (V/cmOe) tại Hdc = 2.5 Oe αE (max) (V/cmOe) 1 15 17,24 22,01 2 7,5 22,48 28,04 3 3 22,83 38,40 4 2 19,00 31,80 5 1,5 16,74 35,00 6 1 14,04 36,25
Nhƣ vậy, bằng việc khai thác dịhƣớng hình dạng của băng từ mềm hệ số
từ - điện có thể đƣợc cải thiện mạnh khi chế tạo các mẫu hình chữ nhật có kích thƣớc L > W. Tuy nhiên bên cạnh đó luôn tồn tại sự cạnh tranh với hiệu
40
1 đến 3 là do sự giảm của trƣờng khử từ dọc theo băng từ mềm, nhƣng ở tỉ lệ
L/W lớn (>8) thì hệ số từ điện lại giảm, trong trƣờng hợp này do hiệu ứng
“shear lagging” lớn hơn hiệu ứng dịhƣớng hình dạng.
Kích thƣớc tối ƣu cho hiệu ứng từ - điện trong các nghiên cứu của chúng tôi cho giá trị cực đại của hệ số từ điện là 38,4 V/cmOe đƣợc tìm thấy trên
mẫu có kích thƣớc 15x5 mm (n = L/W = 3), giá trị này lớn hơn mẫu vuông
kích thƣớc 15x15 mm (= 36,25 V/cmOe).
3.3. Kết luậnchƣơng 3
Các nghiên cứu thảo luận trong chƣơng 3:
- Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ - điện αE vào tần số của từ trƣờng
xoay chiều trên các mẫu vật liệu có kích thƣớc khác nhau. Ta thu đƣợc hệ số
từ điện lớn nhất tại tần số cộng hƣởng f ~ 136,4 kHz (đối vớimẫu hình vuông
kích thƣớc 15x15 mm).
- Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ điện vào từ trƣờng một chiều trên
các mẫu có kích thƣớc khác nhau đo tại tần số cộng hƣởng của mẫu. Ta thu đƣợc hệ số từ - điện lớn nhất là 38,4V/ cmOe đƣợc tìm trên mẫu có kích thƣớc 15x5 mm ( n = L/W = 3).
41
KẾT LUẬN CHUNG
Đề tài “Khảo sát hiệu ứng từ - điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo/áp
điện” đã đƣợc triển khai nghiên cứu và hoàn thành. Các kết quả chính thu
đƣợc:
- Đã chế tạo vật liệu tổ hợp từ giảo áp điện có chiều dài không đổi và
chiều rộng thay đổi bằng phƣơng pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn
kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ FeNiBSi và vật liệu áp điện.
- Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ- điện αE vào tần số của từ trƣờng
xoay chiều trên các mẫu vật liệu có kích thƣớc khác nhau. Ta thu đƣợc hệ số từ điện lớn nhất tại tần số cộng hƣởng f ~ 136,4 kHz ( đối với mẫu hình
vuông kích thƣớc 15x15 mm).
- Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ điện vào từ trƣờng một chiều trên
các mẫu có kích thƣớc khác nhau đo tại tần số cộng hƣởng của mẫu. Ta thu
đƣợc hệ số từ- điện lớn nhất là 38,4V/ cmOe đƣợc tìm trên mẫu có kích thƣớc
42
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
[1]. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ tính cấu trúc nanô và điện tử học
spin, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, tr. 20-22.
[2]. Phạm Anh Đức, Đỗ Thị Hƣơng Giang, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu
Đức (2013), Nghiên cứu, tối ưu cấu hình và mô phỏng lý thuyết hiệu ứng từ-
điện trên các vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, Hội nghịSPMS Thái Nguyên.
[3]. Đỗ Thị Hƣơng Giang, Phạm Văn Thạch, Nguyễn Hữu Đức "Hiệu ứng
từ -điện khổng lồ trên vật liệu multiferroics PZT/FeCoBSi dạng tấm và ứng dụng chế tạo sensơ đo từ trường độ nhạy cao”, Báo cáo tại hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5, Vũng tàu.
[4]. Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ
hợp từ giảo - áp điện dạng tấm có cấu trúc nanô, Luận văn thạc sĩ, Đại học
Công Nghệ - ĐHQGHN.
[5]. Nguyễn Hữu Mình, Nguyễn Thị Thanh Hƣơng, Lý thuyết lƣợng 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 Hƣơng Giang (2014), Tăng cường hiệu ứng từ
điện trên vật liệu tổ hợp băng từ Metglas/PZT, Tạp chí Khoa học số 30, ĐHSP HN 2.
43
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).
44
[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