3.1. Hệ vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe trên đế PZT phân cực ngang
3.1.3. Hiệu ứng điện – từ
a. Ảnh hưởng của điện trường lên cấu trúc tinh thể
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu MN13 và MN63 khảo sát tại các giá trị điện thế khác nhau U = 0, 400, 600V được trình bày trên các hình 3.5 và 3.6. Đối với tất cả các mẫu, giản đồ nhiễu xạ tia X đều cho thấy cấu trúc perovskite của đế PZT với đỉnh nhiễu xạ có cường độ lớn nhất tại góc 2 = 31.2o, tương ứng với định hướng (110). Bên cạnh đó đỉnh nhiễu xạ tại góc 2 trong khoảng 44-45o chứng tỏ sự tồn tại của lớp sắt từ NiFe/CoFe.
Quan sát kĩ hơn phổ nhiễu xạ tia X, chúng ta thấy có sự dịch chuyển của đỉnh PZT (110) về phía góc 2 lớn. Điều này có thể được giải thích là do dưới tác dụng của điện thế, các tinh thể áp điện bị kéo căng tạo ra ứng suất toàn bộ trên vật liệu áp điện. Sự kéo căng của các tinh thể áp điện dẫn đến sự thay đổi nhỏ về hằng số mạng tinh thể
của PZT. Các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của điện trường lên cấu trúc tinh thể đang được tiếp tục thực hiện.
Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ X-ray của các mẫu MN13 đo tại các thế khác nhau
Hình 3.6. Phổ nhiễu xạ X-ray của các mẫu MN63 đo tại các thế khác nhau b. Ảnh hưởng của điện trường lên tính chất từ b. Ảnh hưởng của điện trường lên tính chất từ
Từ độ của các mẫu được đo tại các từ trường ngoài khác nhau H = 5, 50, 200, 1000, 2000 Gauss đặt theo phương song song với mặt phẳng mẫu khi điện thế đặt vào 2 cực lớp áp điện PZT thay đổi từ -700 V đến 700 V, tương ứng với điện trường E thay đổi từ -1.2 kV/cm đến 1.2 kV/cm. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của từ độ theo điện thế được trình bày trên hình 3.7. Chúng ta có thể thấy sự thay đổi giá trị từ độ M gần như tuyến tính theo điện thế V đặt vào. Điều này cho thấy rằng ứng suất đàn hồi đã truyền từ lớp áp điện PZT sang lớp sắt từ NiFe/CoFe. Sự thay đổi về hình dạng,
kích thước lớp từ giảo dẫn đến sự thay đổi tính chất từ của lớp NiFe/CoFe. Đường cong điện trễ P(U) của vật liệu PZT và sự phụ thuộc của dòng rò theo thời gian cũng được trình bày trên hình 3.8 và 3.9. Do điện trường ngoài là nhỏ nên đường điện trễ chưa đạt tới trạng thái bão hoà, các đế PZT đều thể hiện tính cách điện qua giá trị dòng rò nhỏ, cỡ 10-8 A.
Đối với các mẫu này, do hướng từ trường song song với mặt phẳng mẫu nên ứng suất tác dụng là ứng suất căng gây ra sự tăng từ độ khi tăng điện thế tác dụng. Giá trị của từ độ M tại U = 700V ứng với các mẫu MN13, MN23,MN43,MN63 đo tại từ trường H= 50 G lần lượt là 740, 675, 536 và 580 (µemu). Trong dải điện thế tác dụng U = 700V, độ thay đổi tỉ đối của từ độ M tương ứng là 235, 218, 170 và 240%. Như vậy, sự thay đổi tỉ đối của từ độ dưới tác dụng của điện thế đối với mẫu MN43 là lớn nhất, còn đối với mẫu MN63 sự thay đổi này là nhỏ nhất.
Hình 3.7. Sự phụ thuộc từ độ của các mẫu MN13, MN23,MN43,MN63 theo điện trường tại các từ trường ngoài khác nhau.
Sự thay đổi của từ độ dưới ảnh hưởng của điện thế thu được cho các mẫu có đế PZT phân cực ngang nêu trên có thể được giải thích như sau:
với vectơ phân cực điện (chiều phân cực điện) ban đầu ⃗⃗⃗ và giá trị của độ phân cực điện nhỏ đi. Lớp PZT sẽ chịu một ứng suất nén theo chiều dài và co lại theo chiều dài. Kết quả là lớp màng từ NiFe/CoFe sẽ chịu tác dụng của ứng suất nén trong mặt phẳng. Do các vật liệu từ này có hệ số từ giảo dương (xem hình 3.21) nên mômen từ sẽ định hướng ra ngoài mặt phẳng màng và giá trị từ độ giảm đi.
- Tại giá trị điện thế V > 0, điện trường ngoài ⃗ cùng chiều với vectơ ⃗⃗⃗ và giá trị của độ phân cực điện tăng lên. Lớp PZT lúc này chịu tác dụng của một ứng suất kéo theo chiều dài và dài ra theo chiều dài. Lớp vật liệu từ tính NiFe/CoFe sẽ chịu tác dụng của một ứng suất kéo trong mặt phẳng và do đó mômen từ có xu hướng định hướng trong mặt phẳng màng, giá trị từ độ sẽ tăng lên.
Bên cạnh đó, kết quả trên hình 3.7 còn cho chúng ta thấy hiện tượng đảo từ xuất hiện tại các giá trị điện thế khác nhau với từng mẫu. Ví dụ, tại từ trường H = 5 G, quá trình đảo từ xảy ra tại thế đảo từ Ur = -450, -500, -600 và -250V lần lượt đối với các mẫu MN13, MN23, MN43 và MN63. Qui luật biến đổi của thế đảo Ur này phù hợp với qui luật biến đổi của từ độ bão hòa MS như đã thảo luận ở phần trước.
Hình 3.8. Đường cong điện trễ của đế áp điện PZT phân cực ngang
Giá trị của thế đảo từ cũng thay đổi khi mẫu được đo tại các từ trường khác nhau. Để giải thích chi tiết hơn về hiện tượng đảo từ dưới tác dụng của điện thế, chúng tôi tính toán giá trị hệ số cảm trường χ tại các từ trường khác nhau. Hình 3.10 chỉ ra hệ số cảm trường χ phụ thuộc vào điện thế của mẫu MN63 được đo tại các từ trường khác nhau H= 5, 50, 100, 200 G. Tại từ trường H= 5 G, ban đầu χ tăng rồi giảm dần và đảo dấu từ dương sang âm tại thế U = -250 V. Khi tăng giá trị từ trường, qui luật biến đổi của χ là tương tự song χ đổi dấu tại giá trị thế lớn hơn. Nguyên nhân của hiện tượng này là do khi từ trường tăng, từ độ M của mẫu cũng tăng theo do quá trình từ hóa trong vật liệu, trong đó quá trình dịch chuyển vách đômen xảy ra trong vùng từ trường H < 2000 G. Do từ độ M tăng nên cần nhiều năng lượng hơn để có thể đảo từ, vì vậy thế đảo từ tăng như hiện tượng trên. Tuy nhiên, giá trị từ độ M chỉ tăng đến một giá trị bão hòa MS, lúc này tất cả các mômen từ đã định hướng hoàn toàn theo phương từ trường ngoài nên không còn xuất hiện sự đảo từ, tức là χ 0. Như vậy, quá trình đảo từ được quyết định bởi sự cạnh tranh năng lượng giữa năng lượng từ trường ngoài và điện trường ngoài.
Hình 3.10. Sự phụ thuộc vào điện áp của độ cảm trường χ của mẫu MN63
Bên cạnh đó, chúng tôi cũng tiến hành khảo sát ảnh hưởng của điện trường lên tính chất từ của mẫu MN63 với từ trường ngoài đặt theo các phương khác nhau so với mặt phẳng mẫu (hình 3.11). Kết quả được trình bày trên hình 3.11 cho thấy tại các góc α = 0o
và α = 45o, từ độ vẫn có xu hướng tăng tuyến tính dưới tác dụng của điện trường. Tuy nhiên, sự thay đổi giá trị từ độ M giảm dần khi hướng từ trường lệch khỏi mặt phẳng màng (xem bảng 3.2). Giá trị từ độ M gần như không thay đổi khi hướng từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu ứng α = 90o.
Hình 3.11. Sự phụ thuộc từ độ của các mẫu MN63 vào điện trường đặt vào lớp áp điện PZT theo các góc α khác nhau
Kết quả khảo sát cũng cho thấy thế đảo từ cũng giảm dần khi thay đổi hướng từ trường so với mặt phẳng mẫu (bảng 3.2). Điều này có thể được giải thích một cách định tính như sau: khi α = 0o, hướng từ độ và từ trường song song với nhau (màng sắt
từ có dị hướng mặt phẳng) (hình 3.12) nên quá trình đảo từ sẽ mất nhiều năng lượng hơn, do đó điện áp cần thiết để đảo từ lớn hơn so với trường hợp α = 45o. Đặc biệt khi α = 90o
, giá trị thế đảo từ Ur là nhỏ nhất vì định hướng từ trường lúc này là vuông góc với mặt phẳng mẫu. Trong trường hợp này, năng lượng điện trường cần thiết để đảo từ là nhỏ nhất.
Bảng 3.2. Bảng giá trị M, Ur của mẫu MN63 theo các góc α khác nhau
α MH= 5G (µemu) Ur (V)
0o 1204 -300
45o 826 -150
90o 55 -100
Hình 3.12. Hình minh hoạ sự phụ thuộc từ độ của các mẫu MN63 vào điện thế tác dụng lên lớp áp điện PZT khi đo theo các góc α khác nhau.