Các kết quả nghiên cứu trên cho thấy màng Terfecohan sau quá trình ủ nhiệt tại nhiệt độ thấp (< 200°C) vẫn bảo toàn cấu trúc vô định hình. Quá trình ủ nhiệt này có tác dụng giải phóng ứng suất nội trong màng và do đó đã làm tăng cường tính chất từ của màng. Tuy nhiên sự tăng cường này vẫn là chưa đủ lớn để có thé sử dụng màng Terfecohan cho việc chế tao vật liệu tô hợp từ-điện cho ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường yếu có độ nhạy và độ phân giải cao. Do đó, luận án đã tiến hành ủ nhiệt màng tại nhiệt độ cao hơn (nhiệt độ ủ: 350°C va 450°C, thời gian ủ: 1 giờ, áp suất ủ: 107 Bar, tốc độ gia nhiệt: 10 độ/phút) với ý tưởng là tạo ra cau trúc nano tinh thé qua đó tăng cường hơn nữa các tính chất từ, từ giảo
và tù-điện đê có thê đáp ứng các yêu câu của nghiên cứu ứng dụng.
3.2.1. Nhiệt độ ti 350°C
3.2.1.a. Cấu trúc tinh thé của màng Terfecohan
Ảnh chụp bề mặt màng Terfecohan sau khi được ủ nhiệt tại nhiệt độ 350°C trong thời gian 1 giờ ở điều kiện chân không được thể hiện trong hình 3.13. Ảnh chụp cho thấy đã xuất hiện cấu trúc tinh thê với độ đồng đều cao. Các kết quả phân tích hình anh cho thấy tinh thé có kích thước trung bình đ = 20 nm.
Như vậy nhiệt độ ủ tăng lên 350°C đã thay đôi câu trúc của màng Terfecohan từ vô định hình sang nano tỉnh thê.
Hình 3.13: Ảnh chụp SEM của màng mỏng Terfecohan ủ nhiệt tai 350°C
62
Giản đồ nhiễu xa tia X (hỡnh 3.14) sẽ làm rừ hơn cấu trỳc nano tinh thộ của màng Terfecohan sau khi ủ nhiệt tại 350°C. Kết quả phân tích cho thay màng Terfecohan đã xuất hiện cấu trúc tinh thé Fe(Co) ứng với góc 20 = 53°. Sử dụng công thức Scherrer cho đỉnh nhiễu xạ này, kích thước tinh thể được tính toán có
giá trị đ ~ 15 nm.
Cường độ (d.v.t.y)
30 35 40 45 50 55 60 65 70
20 ( độ )
Hình 3.14: Giản đô nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan sau khi nhiệt tại
350°C
Công thức Scherrer chỉ cho phép ước lượng kích thước của tinh thé. Giá trị thu được thông thường là giới hạn dưới của kích thước tinh thể. Có rất nhiều lý do ảnh hưởng đến độ rộng của đỉnh nhiễu xạ. Trong số đó, hai yếu tố quan trọng nhất là sự không đồng nhất của ứng suất và lỗi mang tinh thé. Các yếu tố này làm tăng độ rộng của đỉnh nhiễu xạ và làm cho kết quả thu được thường nhỏ hơn kích thước thực của tinh thể. Với các lý do trên, có thể nhận định rằng kích thước thực sự của tinh thé lớn hơn 15 nm.
63
Sự phù hợp của kết quả phân tích thông qua hình ảnh bề mặt và giản đồ
nhiễu xạ tia X cho phép kết luận rằng: màng Terfecohan sau khi được ủ nhiệt tại
350°C đã xuất hiện cấu trúc nano tinh thé Fe(Co) với kích thước đ ~ 20 nm.
3.2.1.b. Tinh chất từ và từ gido của màng Terfecohan
Tính chất từ của mang Terfecohan ủ nhiệt tại nhiệt độ 350°C được khảo
sát thông qua đường cong từ trễ đo theo hai phương (phương song song và
phương vuông góc mặt phẳng màng) và được so sánh với đường cong từ trễ của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 250°C (hình
3.15).
Phân tích kết quả thực nghiệm cho thấy màng Terfecohan sau khi được ủ nhiệt tại nhiệt độ 350°C thể hiện tính dị hướng mặt phăng. Tinh dị hướng mặt phẳng của màng ủ tại 350%C đã được tăng cường khi so sánh với màng ủ tại
nhiệt độ 250°C.
Không chi tăng cường tinh di hướng mặt phẳng, lực kháng từ của màng ủ tại 350°C cũng được giảm đáng ké. Các giá trị lực kháng từ lần lượt là Hc = 30
Oe (ngay sau khi chế tạo), Hc = 81 Oe (ủ tại 250°C) và Hc = 15 Oe (ủ tại 350°C).
-1,0-5000 = -2500 0 2500 5000
H(Oe)
Hình 3.15: Đường cong từ trễ của màng Terfecohan ủ nhiệt tại 350°C
Tinh dị hướng mặt phăng được tăng cường, lực kháng từ giảm là các yếu tố vô cùng quan trong cho khả năng sử dụng màng Terfecohan làm lớp từ gido trong vật liệu tô hợp tu-dién dạng màng hướng đến ứng dụng chế tạo cảm biến từ
trường yêu có độ nhạy và độ phân giải cao.
64
Không chỉ tính dị hướng mặt phăng được tăng cường, lực kháng từ giảm mà độ cảm từ của màng Terfecohan tại từ trường yếu sau khi được ủ tại nhiệt độ 350°C cũng thể hiện vượt trội. Kết quả nội suy độ cảm từ của các màng trước và sau khi ủ nhiệt tại 250°C, 350°C được thé hiện trong hình 3.16.
Kết quả thực nghiệm cho thấy độ cảm từ tại vùng từ trường thấp (< 200 Oe) có giá trị cực đại lần lượt là ymax = 12.105 (ngay sau khi chế tạo), Ymax =
21.105 ( tại 250°C) và Ymax = 115.105 (ủ tại 350°C).
Tính chất từ mềm của màng Terfecohan đã được tăng cường đáng kể trong vùng từ trường thấp thông qua giá trị cực đại của độ cảm từ tăng lên một bậc độ lớn cho thấy khả năng sử dụng màng Terfecohan làm lớp từ giảo trong vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng hướng đến ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường yếu có
độ nhạy và độ phân giải cao.
_-4000 -2000 0 2000 4000 H(Oe)
Hình 3.16 Sự phụ thuộc cua độ cam từ vào từ trường một chiêu của màng
Terfecohan trước và sau khi u nhiệt tai 250°C va 350°C
Su thay đổi tinh chat từ của màng Terfecohan được ủ nhiệt tại nhiệt độ 350°C còn ảnh hưởng đến cả tính chất từ giảo của chúng. Kết quả khảo sát tính chất từ giao của màng Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tai 350°C được thé
hién trong hinh 3.17.
Từ đồ thị có thé dé dàng thấy rang quá trình ủ nhiệt đã làm độ cảm từ giao của màng Terfecohan tăng lên trong vùng từ trường thấp. Điều này được thê hiện
65
thông qua độ dốc của đồ thị tại vùng từ trường này. Kết quả này mở ra tương lai cho khả năng ứng dụng của màng Terfecohan vào việc chế tạo cảm biến từ trường có độ nhạy và độ phân giải cao trong vùng từ trường thấp.
Max0,81,0
0,6 0,4 0,2
0,0-4000 -2000 0 2000 4000
H (Oe)
Hình 3.17: Đường cong từ giao của mang Terfecohan trước và sau khi u nhiệt tại
350°C
So sánh kết quả thu được trong hình 3.17 với các nghiên cứu trước đây về vật liệu màng Terfecohan [78] cho thấy một sự tương đồng rất tốt. Tính chất từ giảo của màng Terfecohan có độ dầy 5 um trước và sau khi ủ nhiệt (tại nhiệt độ 350°C) là tương tự như màng Terfecohan (có độ day 1 um) được chế tạo trong
các nghiên cứu của luận án.
3.2.1.c. Tinh chát từ-điện cua vật liệu tô hop
Kết quả khảo sát thực nghiệm đường cong từ-điện (đo tại các thông số làm việc tối ưu của từng vật liệu) của vật liệu Terfecohan/glass/PZT trước và sau khi ủ nhiệt được thé hiện trong hình 3.18.
Đường cong từ-điện cho thấy từ trường ứng với hệ số thế từ-điện cực đại giảm mạnh từ 5 kG xuống 2,5 kG tương ứng với vật liệu Terfecohan/glass/PZT trước và sau khi ủ nhiệt. So sánh kết quả này với tính chất từ của các màng Terfecohan (hình 3.4) cho thấy một sự phù hợp rất tốt. Quá trình ủ nhiệt không chỉ làm giảm từ trường làm việc mà còn làm tăng hệ số thế từ-điện cực đại của vật liệu tổ hợp. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số thế từ-điện cực đại đã tăng từ
66
giá trị 170 mV/cm.Oe lên 326 mV/cm.Oe (tăng 1,9 lần) tương ứng với các mẫu
trước và sau khi ủ nhiệt.
400
nNSo °o
a (mV/cm.Oe)-200o
-400 , T : r T t
-8000 -4000 0 4000 8000
H (Oe)
Hình 3.18: Duong cong từ-điện cua vật liệu Terfecohan/glass/PZT (mang
Terfecohan day I um) trước và sau khi ủ nhiệt tai 350°C
So sánh đường cong từ-điện của vật liệu Terfecohan/glass/PZT với đường
cong từ-điện của vật liệu tương tự (màng Terfecohan day 5 um) trong các nghiên cứu trước đây sẽ thấy một sự đồng nhất rất tốt. Cụ thể là, đối với màng Terfecohan day 5 um, hé số thé từ-điện cực dai tăng từ 3350 V m/kA m lên 9650 V m/kA m (tăng 2,88 lần) tương ứng với vật liệu trước và sau khi ủ nhiệt [78].
Như vậy có thể kết luận rằng quá trình ủ nhiệt tại nhiệt độ 350°C đã làm giảm từ trường ứng với hệ số thế từ-điện cực đại và đồng thời làm tăng giá trị hệ số thế từ-điện cực đại. Điều này đồng nghĩa với việc hệ số thế từ-điện tại vùng từ trường thấp tăng lên sau khi thực hiện quá trình ủ nhiệt màng Terfecohan. Kết quả trên có được là do sự xuất hiện cấu trúc nano tinh thé và sự giải phóng ứng suất nội sau quá trình ủ nhiệt.
3.2.2. Nhiệt độ ú 450°C
Đề hoàn thiện một cách có hệ thống các nghiên cứu về màng Terfecohan, luận án đã tiến hành ủ nhiệt màng Terfecohan tại nhiệt độ cao hơn (450°C) va
khảo sát các tính chât của màng này.
67
3.2.2.a. Cau trúc tinh thé của mang Terfecohan
Anh chup bé mat mang Terfecohan sau khi được ủ nhiệt tại nhiệt độ
450°C (nhiệt độ ủ: 450°C, thời gian ủ: 1 giờ, áp suất ủ: 10? Bar, tốc độ gia nhiệt:
10 độ/phút) được thé hiện trong hình 3.19.
Ảnh chụp cho thay sự xuất hiện cấu trúc tinh thé với độ đồng đều cao. Các tinh thé đã có sự phát triển về mặt kích thước so với màng Terfecohan được ủ tai nhiệt độ 350°C. Các kết quả phân tích hình ảnh cho thấy tinh thé có kích thước
trung bình đ = 40 nm.
Hình 3.19: Ảnh SEM cua màng Terfecohan ủ nhiệt tại 450°C
Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (hình 3.20) cũng thu được kết quả tương tự. Trờn đồ thị nhiễu xạ tia X, xuất hiện đỉnh nhiễu xạ rất rừ nột ứng với góc 20 = 53°. Dinh nhiễu xa này cho thấy màng Terfecohan có cấu trúc tinh thể Fe(Co) tương tự như trên mang này được ủ tại nhiệt độ 350°C. Tuy nhiên đỉnh nhiễu xạ này rat hẹp chứng tỏ kích thước tinh thé đã có sự phát triển về mặt kích thước. Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X kết hợp với công thức Scherrer cho phép ước lượng kích thước hạt tinh thé có giá trị d ~ 35 nm.
Các kết quả phân tích hình ảnh bề mặt màng và giản đồ nhiễu xạ tia X cho kết quả tương đồng cho phép kết luận: tăng nhiệt độ ủ từ 350°C lên 450°C đã làm phát triển kích thước tinh thé Fe(Co).
68
Tinh thé Fe(Co)
Cường độ (d.v.t.y)
30 aa 40 45 50 55 60 65 70
20 ( độ )
Hình 3.20: Giản đô nhiễu xạ tia X cua màng Terfecohan sau khi u nhiệt tại
450°C
3.2.2.b. Tinh chất từ của mang Terfecohan
Tính chất từ của màng Terfecohan ủ nhiệt tại nhiệt độ 450°C được khảo
sát thong qua đường cong từ trễ đo theo hai phương (phương song song va
phương vuông góc mặt phẳng màng) và được so sánh với đường cong từ trễ của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 250°C và
350°C (hình 3.21).
Từ đồ thi thấy răng mặc dù tính chất dị hướng mặt phăng của màng Terfecohan ủ tại 450°C vẫn còn nhưng không lớn bằng màng Terfecohan ủ tại 350°C. Bên cạnh đó, việc tăng nhiệt độ ủ đã làm tăng đáng ké lực kháng từ của màng. Cụ thé là giá trị lực khang từ tăng từ Hc = 15 Oe lên Hc = 100 Oe tương
ứng với màng Terfecohan ủ nhiệt tại nhiệt độ 350°C và 450°C. Nhu vậy sự lớn
lên về mặt kích thước của tinh thé đã dẫn đến sự tăng cường di hướng từ tinh thé
và do đó đã làm tăng lực kháng từ của mảng.
Nhiệt độ ủ tăng lên không chỉ làm tăng lực kháng từ mà còn làm giảm
đáng ké độ cảm từ trong vùng từ trường thấp của màng. Điều này được thê hiện thông qua đồ thị tính toán độ cảm từ của các màng trước và sau khi ủ nhiệt được
thê hiện trong hình 3.22 và hình 3.23.
69
1,0 T "|
H |
S 0,5 |
a
0,0
-0,5F =~ Song song 1 ite -®©- Vuông góc
-1,0 | ua œ1 1 tk 4
-5000 -2500 0 2500 5000
H (Oe)
Hình 3.21: Đường cong từ trễ do theo hai phương song song và vuông góc bê
mặt màng của màng Terfecohan ui tại 450°C
-4000 -2000 0 2000 4000 H (Oe)
Hình 3.22: Sự phụ thuộc cua độ cam từ vào từ trường một chiêu của màng
Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau.
Kết quả thực nghiệm cho thấy độ cảm từ trong vùng từ trường thấp đã giảm mạnh cùng với sự tăng nhiệt độ ủ từ 350° C lên 450°C. Các giá trị cụ thé của độ cảm từ tại vùng từ trường thấp (< 200 Oe) có giá trị cực đại lần lượt là
#máx = 115.109 (ủ tại 350°C) và xua = 17.105 (ủ tại 450°C) (Hình 3.23).
Các nghiên cứu về cấu trúc tinh thé và tinh chất từ của màng Terfecohan ủ nhiệt tại nhiệt độ 450°C cho thấy sự lớn lên của kích thước tinh thé đã làm tăng cường di hướng từ tinh thé của mang mỏng và do đó đã làm giảm tính dị hướng mặt phăng, tăng lực kháng từ và giảm độ cảm từ trong vùng từ trường thấp. Các
két qua này chi ra răng nhiệt độ ủ tôi ưu cho các ứng dụng chê tạo cảm biên từ
70
trường yếu có độ nhạy và độ phân giải cao là 350°C. Việc tăng nhiệt độ ủ đã làm giảm đáng ké khả năng ứng dụng của màng do sự tăng cường dị hướng từ tinh thé.
120
100
(10°)
0 100 200 300 400 500
TC)
Hình 3.23: Sự phụ thuộc của độ cảm từ cực đại vào nhiệt độ ủ