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 nhau để xác định được thông số nhiệt tối ưu. Trong phần này, các kết quả nghiên cứu được tập trung vào tính chất từ, từ giảo và từ-điện của vật liệu Terfecohan/glass/PZT và Terfecohan/PZT ngay sau khi chế tạo và sau khi được xử lý nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau.
3.1. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ở trạng thái vô định hình
Màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi được ủ nhiệt (nhiệt độ ủ:
2500C, thời gian ủ: 1 giờ, áp suất ủ: 10-2 Bar, tốc độ gia nhiệt: 10 độ/phút) đã
được sử dụng để chế tạo vật liệu tổ hợp từ-điện Terfecohan/PZT và nghiên cứu cấu trúc tinh thể của màng, tính chất từ, tính chất từ giảo và tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp.
3.1.1. Cấu trúc tinh thể của lớp từ giảo
Màng Terfecohan sau khi chế tạo (trên đế thủy tinh) và sau khi ủ nhiệt tại
nhiệt độ 2500C đã được khảo sát cấu trúc tinh thể thông qua ảnh chụp FESEM bề
mặt của màng (hình 3.2).
Trên ảnh chụp hình 3.2a và hình 3.2b quan sát rất rõ không có sự tồn tại của pha tinh thể nào cả. Toàn bộ bức ảnh là cấu trúc đồng nhất của pha vô định hình. Như vậy, màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo có cấu trúc vô định hình
Hình 3.2: Ảnh SEM bề mặt của màng Terfecohan: ngay sau khi chế tạo (a) và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C (b)
Cấu trúc vô định hình của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau
khi ủ nhiệt tại 2500C được thể hiện rõ hơn thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X
(Hình 3.3).
Hình 3.3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt tại 2500C
Các kết quả phân tích ảnh chụp FESEM và giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy nếu có sự biến đổi các tính chất từ, từ giảo của màng Terfecohan và tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp thì sự biến đổi này không phải do sự thay đổi cấu trúc tinh thể gây ra mà do sự giải phóng ứng suất nội.
Các kết quả về cấu trúc tinh thể của màng Terfecohan sau khi chế tạo và
sau khi ủ nhiệt tại 2500C là phù hợp với các nghiên cứu trước đây về màng
Terfecohan được chế tạo bằng phương pháp phún xạ [78].
3.1.2. Tính chất từ và từ giảo của màng Terfecohan
Đường cong từ trễ của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo được khảo sát theo hai phương (phương song song và phương vuông góc mặt phẳng màng) trên hai màng lắng đọng trên hai đế khác nhau là thủy tinh và PZT (hình 3.4).
Hình 3.4: Đường cong từ trễ của màng Terfecohan chế tạo trên đế PZT (a) và trên đế thủy tinh (b)
Kết quả cho thấy màng Terfecohan trên PZT thể hiện tính dị hướng mặt
phẳng ngay sau khi chế tạo với lực kháng từ HC = 140 Oe. Trong khi đó, màng
được chế tạo trên đế thủy tinh cho tính chất từ hoàn toàn ngược lại với tính dị
hướng vuông góc mạnh và lực kháng từ HC = 30 Oe (nhỏ hơn gần 5 lần khi so
sánh với màng được tạo trên đế áp điện).
Kết quả khảo sát độ từ giảo tỷ đối (λ/λmax) của màng Terfecohan tạo trên
đế thủy tinh đã được thực hiện thông qua hệ đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học cho kết quả trên hình 3.5. Với phép đo này, màng tạo trên đế áp điện không thực hiện được do độ nhám bề mặt màng không cho phép tia laser phản xạ. Dị hướng từ vuông góc trên hệ màng Terfecohan/glass được thể hiện bởi đường cong từ giảo khó đạt đến trạng thái bão hòa tại từ trường ngoài cao là
HDC = 7 kOe.
Song song Vuông góc Song song
Sự khác nhau về tính chất từ của hai màng này có thể được giải thích là do sự khác nhau về tính chất của bề mặt đế (độ nhám, lớp vật liệu liên kết). Để minh chứng cho lập luận trên, phương pháp chụp ảnh hiển vi lực nguyên tử để quan sát
độ nhám bề mặt đế đã được thực hiện. Ảnh phân tích trên hình 3.6 trên 2 đế cho
kết quả độ nhám bề mặt đế PZT trung bình lên đến 4,5 μm (hình 3.6a) trong khi
giá trị này giảm còn 35 nm đối với bề mặt của thủy tinh (hình 3.6b).
Hình 3.5: Sự phụ thuộc độ từ giảo của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo vào từ trường một chiều
(a) (b)
Hình 3.6: Hình thái bề mặt của PZT (a) và bề mặt của thủy tinh (b) được chụp bằng kính hiển vi lực nguyên tử.
Màng Terfecohan trên đế PZT có ưu điểm nổi trội là có tính dị hướng mặt phẳng ngay sau khi chế tạo. Tuy nhiên màng Terfecohan trên đế thủy tinh lại có ưu điểm là có lực kháng từ nhỏ. Sự khác nhau về tính chất từ của màng
Terfecohan trên các đế khác nhau (PZT và thủy tinh) được giải thích là do sự khác nhau về hình thái bề mặt của đế.
Các khảo sát về tính chất từ được tiếp tục thực hiện trên màng Terfecohan
ngay sau khi chế tạo và sau khi được ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C (hình 3.7).
Các kết quả thực nghiệm thu được đã cho thấy tính chất từ của màng Terfecohan đã thay đổi rõ rệt sau quá trình ủ nhiệt. Điều này được biểu hiện thông qua sự chuyển đổi từ tính chất dị hướng vuông góc (màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo - hình 3.7a) sang tính chất dị hướng mặt phẳng (màng Terfecohan
sau khi ủ tại nhiệt độ 2500C - hình 3.7b).
Hình 3.7: Đường cong từ trễ của màng Terfecohan trên đế thủy tinh ngay sau khi chế tạo (a) và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C (b)
Bên cạnh sự chuyển đổi từ dị hướng vuông góc sang dị hướng mặt phẳng, quá trình ủ nhiệt còn làm tăng cường độ cảm từ của màng tại vùng từ trường thấp. Kết quả so sánh độ cảm từ của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và
sau khi ủ nhiệt (tại 2500C) được thể hiện trong hình 3.8.
Kết quả thực nghiệm cho thấy độ cảm từ lớn nhất của màng Terfecohan
tại vùng từ trường thấp (< 200 Oe) đã tăng từ 12.10-6 lên 21.10-6 sau quá trình ủ
nhiệt.
Như vậy màng Terfecohan sau khi được ủ nhiệt tại nhiệt độ thấp ( ≤
2500C) thì vẫn bảo toàn được trạng thái cấu trúc vô định hình. Quá trình ủ nhiệt
có tác dụng làm giải phóng ứng suất nội bên trong màng và do đó đã biến đổi
Song song Vuông góc
Song song Vuông góc
tính chất từ của màng [77]. Sự biến đổi tính chất từ của màng được thể hiện thông qua: i) chuyển từ dị hướng vuông góc sang dị hướng mặt phẳng, ii) tăng cường độ cảm từ tại vùng từ trường thấp < 200 Oe (tăng tính từ mềm của màng trong vùng từ trường thấp).
Hình 3.8: Độ cảm từ của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C
3.1.3. Tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp
Phép đo từ-điện trên hệ vật liệu tổ hợp từ-điện Terfecohan/PZT và Terfecohan/Glass/PZT (sử dụng lớp từ giảo Terfecohan ngay sau khi chế tạo) được thực hiện bao gồm khảo sát tần số cộng hưởng của vật liệu, khảo sát sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện vào từ trường xoay chiều và từ trường một chiều.
Kết quả khảo sát sự phụ thuộc tần số từ trường xoay chiều của hiệu ứng từ-điện trên vật liệu Terfecohan/PZT thu được kết quả trong hình 3.9. Kết quả thực nghiệm cho thấy vật liệu cộng hưởng tại tần số f = 81,9 kHz. Giá trị này là phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết về hiện tượng cộng hưởng sẽ được trình bày trong phần 4.3.3.a.
Sự phụ thuộc của thế từ-điện lối ra (VME) vào cường độ từ trường xoay