2.1. Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT bằng phương pháp phún xạ phún xạ
Đối với vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng, màng Terfecohan được phún xạ trực tiếp lên bề mặt của vật liệu áp điện PZT thông qua thiết bị phún xạ 6 bia của PTN micro – nano, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN. Thiết bị này có mã số ATC – 2000F được cung cấp bởi công ty AJA international, Inc. (Mỹ) (hình 2.3). Đây là một thiết bị phún xạ hiện đại với nhiều tính năng ưu việt như:
chân không cao (10-9 Torr), số lượng bia lớn (6 bia), có buồng chân không phụ
v.v... Do đó, thiết bị này cho phép chế tạo được các màng với chất lượng cao, đồng nhất.
Hình 2.3: Thiết bị phún xạ catốt (AJA – 2000F)
Màng Terfecohan trong luận án được phún xạ ở chế độ RF, áp suất chân
không cơ bản là 3.10-7 torr, áp suất khí Ar là 2,2 mTorr, công suất phún xạ là
75W, khoảng cách từ bia tới đế là 5 cm và thời gian phún xạ là 1 giờ. Bia hợp kim tổ hợp bởi các miếng kim loại với thành phần danh định tương ứng với thành
phần màng Tb(Fe0.55Co0.45)1.5 được tính theo tỉ lệ diện tích của các tấm kết hợp
với hiệu suất tương ứng cho Tb:Fe(Co) là 1:0.8 (hình 2.4). Với các thông số chế
tạo trên, màng Terfecohan đã được tạo ra trên đế PZT với chiều dầy là tTerfecohan =
1,18 μm được quan sát thông qua ảnh chụp SEM bằng thiết bị hiển vị điện tử SEM (S-3400N và S-4800) trong hình 2.5.
Màng Terfecohan được tiến hành phún xạ đồng thời lên bề mặt đế thủy
tinh và PZT để làm cơ sở so sánh và đối chiếu với các kết quả đã công bố trước
đây của nhóm nghiên cứu trên cùng vật liệu này [78].
Hình 2.4: Bia vật liệu để tạo màng Terfecohan
Hình 2.5: Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang của màng Terfecohan trên đế thủy tinh
2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm
Đối với vật liệu tổ hợp từ-điện dạng đa lớp, lớp băng từ Metglas được kết dính cơ học với lớp áp điện PZT bởi một lớp keo polymer. Cấu hình vật liệu được chế tạo khác nhau gồm có: cấu hình bilayer đơn (hình 2.6a), cấu hình bilayer kép (hình 2.6b) và cấu hình sandwich (hình 2.6c).
Metglas PZT Metglas a) BL(1) PZT Metglas b) BL(2) PZT Metglas c) SW(1) Metglas
Hình 2.6: Cấu hình bilayer đơn (a), bilayer kép (b) và sandwich (c)
Với mục đích nghiên cứu sự ảnh hưởng của số lớp băng từ đến hiệu ứng từ-điện, cấu hình sandwich có số lớp băng từ lần lượt là 1, 2, 3 và 4 lớp ở mỗi mặt đã được chế tạo.
Ngoài ra để phục vụ cho các khảo sát tối ưu hóa kích thước vật liệu và tần số cộng hưởng, vật liệu tổ hợp cũng được chế tạo với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Các kích thước của vật liệu tổ hợp cụ thể gồm có (hình 2.7):
- Hình vuông: 25×25 mm, 15×15mm, 12×12 mm, 10×10 mm, 8×8 mm - Hình chữ nhật: 15×10 mm, 15×7,5 mm, 15×5 mm, 15×3 mm, 15×2 mm và 15×1 mm.
Hình 2.7: Vật liệu tổ hợp từ-điện được chế tạo với các kích thước khác nhau
2.3. Khảo sát tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung
Từ kế mẫu rung là một thiết bị không thể thiếu trong các nghiên cứu về từ học. Đây là thiết bị cho phép xác định các tính chất từ của vật liệu thông qua xác định đường cong từ trễ, từ độ bão hòa, độ từ dư, lực kháng từ, độ thẩm từ v.v... Trong các thực nghiệm khảo sát tính chất từ của vật liệu đã được tiến hành, thiết bị được sử dụng là từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 được cung cấp bởi hãng Lakeshore tại PTN micro – nano, Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN (hình
2.8). Đường cong từ trễ của mẫu được đo tại nhiệt độ phòng với từ trường tối đa là 10 kOe.
Hình 2.8: Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404
2.4. Hệ đo từ giảo
Để thực hiện các thực nghiệm xác định tính chất từ giảo của màng Terfecohan và băng từ Metglas, hệ đo từ giảo phản xạ quang học được thiết kế, chế tạo và sử dụng tại PTN micro – nano, Trường Đại Học Công Nghệ như trong hình 2.9.
Hệ đo có cấu tạo gồm 5 phần: (1): Nguồn phát laser
(2): Gương phản xạ có tác dụng hướng tia laser đến bề mặt mẫu và hướng tia laser phản xạ từ bề mặt mẫu đến photodiode.
(3): Photodiode có tác dụng cảm nhận vị trí chùm sáng phản xạ (4): Hệ vi chỉnh gương phản xạ
(5): Nam châm điện có tác dụng tạo từ trường
Phương pháp đo từ giảo dựa trên nguyên lý phản xạ quang học là phép đo góc lệch của tia phản xạ trên bề mặt vật liệu từ giảo trước và sau khi có từ trường tác dụng. Độ biến dạng của vật liệu từ giảo có thể tính toán thông qua góc lệch
của tia phản xạ. Để tăng cường độ phản xạ của vật liệu từ giảo, bề mặt vật liệu từ giảo được dán thêm một tấm thủy tinh mỏng có một mặt được phủ lớp đồng (Cu) (hình 2.10).
Hình 2.9: Hệ đo từ giảo phản xạ quang học
Hình 2.10: Mô hình băng từ dán trên tấm thủy tinh và quá trình biến dạng của băng từ khi có từ trường tác dụng
Với phương pháp đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học, vật liệu từ giảo sẽ thể hiện biến dạng thông qua quá trình uốn cong mà không phải quá trình từ giảo tuyến tính. Nguyên lý hoạt động của hệ đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học được thể hiện trong hình 2.11.
Một tia laser được phát ra từ nguồn (1) được phản xạ đến bề mặt mẫu (3) thông qua gương (2). Tia laser sau khi phản xạ được định hướng đến photodiode (5) thông qua gương phản xạ (4). Photodiode cho phép xác định vị trí tia phản xạ
trên photodiode (trước và sau khi có từ trường tác dụng) được tính toán thông qua sự thay đổi tín hiệu của photodiode.
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học
Độ uốn của vật liệu từ giảo được xác định thông qua góc lệch 𝜗 (Hình
2.11). Góc lệch này được xác định từ độ dịch chuyển vị trí D theo công thức:
2𝜗 ≈ 𝑡𝑎𝑛(2𝜗) = 𝐷
ℎ + 𝑙
(2.1)
Trong công thức trên thì h là khoảng cách từ vật liệu đến gương phản xạ
(4), l là khoảng cách từ nguồn (1) đến gương phản xạ (4). Do đó 2.(h + l) chính
là tổng quãng đường tia laser đi từ nguồn đến bề mặt mẫu và quay về photodiode.
Quá trình tính toán độ từ giảo từ các giá trị góc lệch 𝜗 là tương đối phức tạp bởi
phải cần đến các giá trị hệ số đàn hồi của vật liệu, hệ số đàn hồi của đế thủy tinh và hệ số truyền ứng suất của lớp kết dính. Để khắc phục khó khăn này, luận án đã sử dụng một phương pháp tính toán đơn giản hơn đó là so sánh kết quả thu được của vật liệu với kết quả thu được trong cùng điều kiện (cùng gắn trên một loại đế thủy tinh, cùng một loại chất kết dính v.v...) của một mẫu vật liệu chuẩn đã biết trước hệ số từ giảo. Từ việc so sánh góc lệch của vật liệu cần đo với vật liệu chuẩn, luận án có thể tính toán được độ từ giảo của vật liệu cần đo.
2.5. Đo hệ số thế từ-điện
2.5.1. Hệ đo thực nghiệm
Hệ số thế từ-điện E là đại lượng quan trọng trong các khảo sát tính chất từ-
điện của vật liệu từ-điện. Hệ số thế từ-điện E được xác định thông qua điện áp
lối ra (VME), biên độ của cường độ từ trường xoay chiều kích thích (h0) và độ dầy
của vật liệu áp điện PZT (t). Hình 2.12 là sơ đồ minh họa hệ đo hệ số thế từ-điện.
Hình 2.12: Hệ đo từ-điện với dải đo từ trường lớn 10 kOe
Điện áp lối ra VME là một điện áp xoay chiều được sinh ra do cảm ứng bởi
từ trường xoay chiều hac = h sin(2.f.t) được đặt trong từ trường một chiều HDC.
Điện áp này được xác định thông qua thiết bị khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Từ trường xoay chiều được cung cấp bởi một cuộn Hemlholtz (nuôi bằng máy phát chức năng lock-in) có thể tạo ra từ trường có biên độ lên đến 1 Oe và tần số lên đến 250 kHz. Từ trường một chiều DC được cung cấp bởi một nam châm điện với cường độ từ trường cực đại lên tới 1 T (10 kOe). Giá trị cường độ từ trường một chiều được xác định thông qua cảm biến từ trường Hall thương phẩm. Góc lệch giữa mặt phẳng vật liệu với các vec tơ từ trường (một chiều và xoay chiều) có thể điều chỉnh thông qua hệ thống trục quay gắn với vật liệu. Toàn bộ các thiết bị trong hệ đo được ghép nối với máy tính cho phép đo đạc, ghi nhận số liệu một cách tự động.
Đối với các phép đo trong từ trường nhỏ đòi hỏi độ chính xác và độ ổn định cao, hệ đo từ-điện đơn giản dùng cuộn Helmholtz tạo từ trường một chiều đã được sử dụng (hình 2.13). Trong hệ đo này, cuộn Helmholtz được nuôi bởi nguồn dòng nanoampe có thể cung cấp từ trường tới 30 Oe và độ chính xác là 10 nOe. Từ trường xoay chiều kích thích được cung cấp bởi một cuộn solenoid (xem 2.2) và được nuôi bởi máy khuếch đại lock – in.
Hình 2.13: Hệ đo từ-điện trong dải từ trường thấp (-30 đến 30 Oe)
2.5.2. Phương pháp tính hệ số thế từ-điện thuận
Theo nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận, khi có từ trường ngoài tác dụng vào vật liệu tổ hợp từ-điện dạng lớp thì lớp vật liệu từ giảo sẽ bị biến dạng (biến dạng uốn). Ứng suất do lớp từ giảo sinh ra từ quá trình biến dạng sẽ được truyền một phần sang lớp vật liệu áp điện thông qua các liên kết ứng suất (lớp keo kết dính). Kết quả của quá trình này được biểu hiện thông qua điện tích cảm ứng trên bề mặt của tấm áp điện. Tuy nhiên lượng điện tích này suy giảm rất nhanh theo thời gian do quá trình phóng điện (tương tự như trên tụ điện). Nguyên nhân này dẫn đến việc xác định hệ số thế từ-điện thông qua điện tích cảm ứng là rất phức tạp và đòi hỏi các thiết bị đo đạc chuyên dụng. Để khắc phục khó khăn trên, một phương án đo đạc hệ số thế từ-điện bằng thực nghiệm khác đã được đề
xuất và dần trở nên thông dụng bởi ưu điểm là đơn giản và không đòi hỏi các thiết bị đo đạc phức tạp. Theo đó thì một từ trường xoay chiều kích thích sẽ được bổ sung bên cạnh từ trường một chiều. Do có sự xuất hiện của từ trường xoay chiều kích thích nên vật liệu sẽ bị biến dạng liên tục (theo tần số của từ trường xoay chiều) và tương ứng với đó là sự xuất hiện liên tục của điện tích cảm ứng. Khi đó việc xác định hệ số thế từ-điện sẽ thông qua việc xác định điện áp lối ra giữa hai bề mặt của tấm áp điện và được đo bằng các vôn kế.
Theo phương pháp này thì từ trường tác dụng lên vật liệu có dạng:
𝐻 = 𝐻𝑑𝑐 + ℎ𝑎𝑐 = 𝐻𝑑𝑐 + ℎ0. 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) (2.2)
Khi đó, hệ số thế thế từ-điện E được xác định qua điện áp lối ra VME được
đo trực tiếp từ tấm áp điện theo công thức:
𝛼𝐸 = 1
𝑡
𝜕𝑉𝑀𝐸
𝜕𝐻
(2.3)
với t là chiều dày của tấm áp điện.
Hàm số VME theo từ trường có thể được biểu diễn như sau:
𝑉𝑀𝐸 = 𝑓(ℎ𝑎𝑐) (2.4)
Ta có thể khai triển biểu thức dưới dạng chuỗi Taylor theo biểu thức:
𝑉𝑀𝐸 = ∑ 1 𝑛!. 𝜕𝑛𝑓 𝜕ℎ𝑎𝑐𝑛|ℎ 𝑎𝑐=0 . ℎ𝑎𝑐𝑛 ∞ 𝑛=0 (2.5) 𝑉𝑀𝐸 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 + 𝛼ℎ𝑎𝑐 + 𝛽ℎ𝑎𝑐2+ 𝛾ℎ𝑎𝑐3+ ⋯ (2.6) ở đây: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 = 𝑓(ℎ𝑎𝑐)|ℎ𝑎𝑐=0 , 𝛼 =𝜕𝑓(ℎ𝑎𝑐) 𝜕ℎ𝑎𝑐 |ℎ𝑎𝑐=0 𝛽 = 1 2 𝜕2𝑓(ℎ𝑎𝑐) 𝜕ℎ𝑎𝑐2 |ℎ 𝑎𝑐=0 , 𝛾 = 1 6 𝜕3𝑓(ℎ𝑎𝑐) 𝜕ℎ𝑎𝑐3 |ℎ 𝑎𝑐=0 (2.7)
Do ℎ0 ≪ 𝐻𝑑𝑐(ℎ0/𝐻𝑑𝑐 → 0) nên có thể bỏ qua các số hạng bậc cao của hac
trong công thức (2.6). Khi đó biểu thức (2.6) có thể được viết lại dưới dạng:
𝑉𝑀𝐸 = 𝑉𝑀𝐸|ℎ𝑎𝑐=0+ 𝜕𝑓 𝜕ℎ𝑎𝑐|ℎ 𝑎𝑐=0 . ℎ𝑎𝑐 (2.8) hay ∆𝑉𝑀𝐸 = 𝑉𝑀𝐸− 𝑉𝑀𝐸|ℎ𝑎𝑐=0 = 𝛼. ℎ𝑎𝑐 = 𝛼. ℎ0. 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) (2.9)
Theo (2.9) thì tín hiệu thu được ∆𝑉𝑀𝐸 là một tín hiệu xoay chiều có cùng
tần số với tần số của từ trường xoay chiều kích thích. Trong các phép đo thực nghiệm thì giá trị điện thế lối ra thu được là giá trị biên độ của tín hiệu:
‖∆𝑉𝑀𝐸‖ = 𝛼. ℎ0 Bên cạnh đó lại có: 𝜕𝑓 𝜕ℎ𝑎𝑐 = 𝜕𝑓 𝜕𝐻. 𝜕𝐻 𝜕ℎ𝑎𝑐 = 𝜕𝑓 𝜕𝐻 (2.10)
Từ các tính toán trên rút ra được biểu thức:
𝛼 = 𝜕𝑓 𝜕ℎ𝑎𝑐|ℎ 𝑎𝑐=0 = 𝜕𝑓 𝜕𝐻|ℎ𝑎𝑐=0 = ‖∆𝑉𝑀𝐸‖ ℎ0 (2.11)
Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số thế từ-điện với từ trường và độ dày của tấm áp điện được viết tổng quát dưới dạng:
𝛼𝐸 = 𝜕𝐸 𝜕𝐻 = 1 𝑡 𝜕𝑉𝑀𝐸 𝜕𝐻 = 1 𝑡 𝜕𝑉𝑀𝐸 𝜕ℎ𝑎𝑐 = ‖∆𝑉𝑀𝐸‖ 𝑡. ℎ0 (2.12)
Công thức này sẽ được sử dụng để tính toán hệ số thế từ-điện trong các phép đo thực nghiệm của luận án.
2.6. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi điện tử
Các nghiên cứu cấu trúc bề mặt của vật liệu và xác định chiều dầy của các lớp vật liệu và của lớp kết dính đã được thực hiện trên thiết bị hiển vị điện tử SEM (S – 3400N và S-4800 được cung cấp bởi hãng Hitachi).
2.7. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi lực nguyên tử
Hình thái học bề mặt của đế (PZT, thủy tinh) và màng mỏng Terfecohan trong luận án được khảo sát trên kính hiển vi lực nguyên tử/lực từ đặt tại Phòng thí nghiệm Công nghệ micro và nano, trường Đại học Công nghệ.
2.8. Kết luận chương 2
Các phương pháp thực nghiệm (chế tạo vật liệu và khảo sát tính chất vật liệu) được sử dụng trong luận án có một số đặc điểm sau:
- Có tính chất đa dạng: chế tạo vật liệu (phún xạ và kết dính cơ học), khảo sát tính chất vật liệu (tính chất từ, từ giảo, từ-điện, hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể v.v...)
- Có tính chất toàn diện: các tính chất ảnh hưởng đến tính chất từ-điện đều được quan tâm và nghiên cứu (tính chất từ, từ giảo, cấu trúc tinh thể v.v...)
- Có tính chất cập nhật: phương pháp phún xạ, phương pháp đo từ-điện sử dụng cả từ trường một chiều và xoay chiều, thiết bị VSM, SEM v.v...
- Có tính ứng dụng cao: mục đích nghiên cứu vật liệu là hướng đến ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường yếu có độ nhạy và độ phân giải cao.
Chương 3
VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Terfecohan/PZT DẠNG MÀNG VỚI LỚP VẬT LIỆU TỪ GIẢO
CÓ CẤU TRÚC NANO
Tiếp tục các nghiên cứu trước đây của nhóm nghiên cứu trên các vật liệu có từ giảo khổng lồ dạng màng dựa trên hợp kim của đất hiếm (Tb) và kim loại chuyển
tiếp (Fe, Co), với thành phần hợp kim là Tb(Fe0.55Co0.45)1.5 cho màng có cấu trúc vô
định hình là thành phần tối ưu nhất cho hệ số từ giảo lớn hiện nay. Các nghiên cứu hiệu ứng từ-điện của màng cũng đã được thực hiện trên màng này nhưng theo cách
tiếp cận chế tạo bằng phương pháp kết dính của màng Terfecohan độ dầy tTFC = 5
μm được chế tạo bằng phương pháp phún xạ trên bề mặt thủy tinh (glass) có chiều dầy 150 μm kết hợp với vật liệu áp điện là tấm PZT (APCC – 855) cho ra đời vật liệu tổ hợp từ-điện Terfecohan/glass/PZT (hình 3.1a).
Hình 3.1: Cấu hình vật liệu Terfecohan/thủy tinh/PZT (a) và Terfecohan/PZT (b)
Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu này cho hệ số thế từ-điện đạt được là 3350 và 9650 (V/m)/(kA/m) tương ứng với các vật liệu ngay sau khi chế tạo và vật liệu đã qua xử lý nhiệt. Các nghiên cứu triển khai ứng dụng chế tạo cảm biến đo từ trường cũng đã được triển khai trên vật liệu tổ hợp này cho độ nhạy cảm biến là 130 mV/mT [78] cho thấy triển vọng ứng dụng của vật liệu từ-điện này. Tuy nhiên, hiệu ứng từ-điện trong cấu hình vật liệu này được trông đợi còn có thể được cải thiện hơn
nữa thông qua hai phương pháp: i) xử lý nhiệt màng Terfecohan để giải phóng ứng suất nội và tạo ra cấu trúc nanô, ii) phún xạ trực tiếp màng Terfecohan lên bề mặt PZT để loại bỏ sự suy hao ứng suất khi không có mặt của đế thủy tinh và lớp kết dính (hình 3.1b).
Theo cách tiếp cận này, vật liệu từ-điện Terfecohan/glass/PZT và Terfecohan/PZT dạng màng được chế tạo bằng phương pháp phún xạ trực tiếp màng Terfecohan lên bề mặt thủy tinh (hình 3.1a) và bề mặt tấm áp điện PZT (hình 3.1b). Với các cấu hình này, màng Terfecohan sẽ được xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác