Để khẳng định ý tưởng tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng, ở đây chúng tôi đã chế tạo các mẫu bilayer và sandwich dạng xen kẽ gồm những tấm băng từ kích thướng 15×1 mm được đặt cách đều nhau 1 mm trải đều che phủ một mặt (bilayer xen kẽ) hoặc cả hai mặt (sandwich xen kẽ). Kết quả được đưa ra trên hình 3.24 và 3.25 tương ứng cho hai hệ bilayer và sandwich. Các kết quả thu được có so sánh đối chiếu với các cấu hình tương đương của hệ thường. Nhìn vào hai đường cong này ta thấy dị hướng hình dạng rất hiệu quả trong việc tăng cường độ dốc và từ trường làm việc, tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại. Sử dụng các tấm băng từ xen kẽ hình chữ nhật giúp cho từ trường giảm xuống được 2.5 lần còn 5 Oe so với 12 Oe của mẫu bilayer thường. Giá trị từ trường của hệ bilayer xen kẽ này cùng giá trị với mẫu bilayer thường kích thước 15×1 mm. Hơn thế nữa hệ bilayer xen kẽ cho hệ số từ-điện đạt giá trị αE = 41318 (mV/cmOe) cao hơn giá trị αE = 36248 (mV/cmOe) của hệ bilayer thường.
Cũng với ý tưởng này thì xu hướng giảm từ trường làm việc do giảm trường khử từ nhờ dị hướng hình dạng cũng được quan sát thấy trên mẫu sandwich xen kẽ so với sandwich thường. Từ trường trên hệ sandwich xen kẽ là 6 Oe nhỏ hơn 3 lần so với 18 Oe của hệ sandwich thường. Tuy nhiên, trong trường hợp này hệ số từ-điện cực đại nhỏ hơn. Điều quan trọng hơn cả là độ dốc của hệ sandwich xen kẽ được cải thiện hơn so với hệ sandwich thường. Đây cũng là kết quả mong đợi của luận văn.
Hình 3.24. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu bilayer xen kẽ so sánh với mẫu bilayer thường kích thước 15×15 mm. Phép đo
được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu.
Hình 3.25. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đo trên mẫu sandwich xen kẽ so sánh với mẫu sandwich thường kích thước 15×15 mm. Phép
đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng của các mẫu.
Tổng hợp lại thì ý tưởng chế tạo cấu trúc xen kẽ được cải thiện rõ nhất trên hệ bilayer với đồng thời cả sự tăng hệ số từ-điện và giảm vùng từ trường làm việc. Cấu trúc này tối ưu cho các triển khai ứng dụng trong vùng từ trường thấp. Đặc biệt so sánh với nhóm S.X. Dong thì kết quả trên hệ bilayer xen kẽ này có cùng từ trường làm việc nhưng độ lớn hệ số từ-điện lớn hơn gấp gần 2 lần trong khi kích thước mẫu nhỏ hơn 7 lần. Đây là kết quả rất đáng quan tâm cho các hướng nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo của nhóm nghiên cứu. -80000 -60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 80000 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) E ( m V /c m O e ) Sandwich thường Sandwich xen kẽ -50000 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000 50000 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HDC (Oe) M (e m u /c m 3 ) Bilayer xen kẽ Bilayer thường
KẾT LUẬN
Sử dụng phương pháp kết dính đơn giản, dễ chế tạo, luận văn đã chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ siêu mềm Metglas có pha Ni và PZT. Trong luận văn này, thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Ni-based Metglas) với sự có mặt của Ni hàm lượng nhỏ 1,2% đã tăng cường được đồng thời cả tính chất từ và từ giảo và do đó tăng cường đáng kể hiệu ứng từ-điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ này. Các kết quả nghiên cứu đã thu được bao gồm:
- Chế tạo được các mẫu vật liệu multiferroics dạng lớp sử dụng băng từ siêu mềm Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 và các tấm áp điện bằng phương pháp kết dính
- Nghiên cứu quá trình từ hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích thước băng từ có kích thước khác nhau. Tính toán được hệ số trường khử từ phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng của băng sử dụng cách tính toán xuất phát từ số liệu thực nghiệm.
- Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ trường một chiều và xoay chiều của các băng từ Metglas pha Ni với hình dạng và kích thước khác nhau. Kết quả cho thấy đường cong từ giảo động có hình dáng phù hợp rất tốt với đường cong độ cảm từ giảo của đường cong từ giảo tĩnh.
- Nghiên cứu hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8/PZT trên các cấu hình và kích thước khác nhau. Tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng của băng từ và từ đó tối ưu cấu hình cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo. Kết quả thu được cho thấy luôn tồn tại sự cạnh tranh của hai hiệu ứng: hiệu ứng Shear Lag (mẫu càng lớn hiệu ứng từ-điện càng cao) và hiệu ứng trường khử từ (mẫu có L >> W thì hệ số từ-điện trong từ trường thấp càng cao). Cấu hình tối ưu hệ quả của hai hiệu ứng này thu được trên mẫu bilayer với hệ số αE = 38,4 V/cmOe tại từ trường 10 Oe.
- Chế tạo cấu hình xen kẽ sử dụng các băng từ hình chữ nhật có kích thước 15x1 mm (n = L/W = 15) thậm chí còn cho hiệu ứng từ-điện tốt hơn cả với αE = 41318 (mV/cmOe) tại từ trường 5 Oe. Đặc biệt so sánh với nhóm S.X. Dong thì kết quả trên hệ bilayer xen kẽ này có cùng từ trường làm việc, nhưng độ lớn hệ số từ-điện lớn hơn gấp gần 2 lần, trong khi kích thước mẫu nhỏ hơn 7 lần.
Các kết quả thu được trong luận văn này rất khả thi cho các hướng nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo đặc biệt chế tạo sensor đo từ trường trái đất của nhóm nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89
(2006) 252904
D.T. Huong Giang and N.H. Duc, Sensor and Actuator, A149 (2009) 229.
http://www3.imperial.ac.uk/spat/research/areas/space_magnetometer_laboratory/s paceinstrumentationresearch/magnetometers/fluxgatemagnetometers
FCB Fluxgate magnetic sensors, Tyndall National Instute (www.tyndall.ie)
Ripka, Pavel (ed), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London: Artech, 2001.
http://www.harting-mitronics.ch/en/produkte/anwendungen/sensorik/
Tamara Bratland, Michael J. Caruso, Carl H. Smith, A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Sensors (1998)
Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland,
Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters (2007)123513
J.P. Joule, Philosophical Magazine, 30 (1847) 76
Hoàng Mạnh Hà. 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, 2007.
D. Landau and E. Lifshitz., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, p.119.
G. Srinivasan et al., Phys. Rev B 64 (2001) 21440 N. Nersessian et al, IEEE Trans. Magn. 40 (2004) 2646
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89
(2006) 252904
APC International Ltd datasheet: http://americanpiezo.com/piezo_theory/ Fred Hochgraf (October 1, 1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol. 10. 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.
C.-M. Chang and G. P. Carman, Phys. Rev. B 76,134116 (2007).William C. Elmore and Mark A. Heald., Physics of Waves. New York: Dover Publications, 1985
William C. Elmore and Mark A. Heald., Physics of Waves. New York: Dover Publications, 1985