3.3.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction)
Để phân tích cấu trúc của hợp kim, thiết bị thực hiện phép đo chúng tôi dùng là SIEMENS D – 500 đặt tại Phòng phân tích cấu trúc tia X. Các mẫu trƣớc khi phân tích nhiễu xạ tia X đƣợc cắt dạng hình chữ nhật, với chiều rộng từ 2 - 3 mm,
dài 15- 18 mm và đƣợc làm sạch bằng dung dịch Ethanol trong 20 phút trên máy rung siêu âm. Sau đó mẫu đƣợc dán trên đế thủy tinh bằng băng dính 2 mặt và đƣợc gắn vào máy để phân tích.
Detector Tia X đƣợc tiêu tụ tại dây Nguồn tia X Vòng tròn tiêu tụ Vòng tròn nhiễu xạ Mẫu 2 Hình 2.4 Hình học nhiễu xạ kế tia X
Hình 3. 5. Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của
23
3.3.2. Phƣơng pháp phân tích hiển vi điện tử quét và phƣơng pháp tán sắc năng lƣợng tia X (EDX)
Thiết bị chúng tôi dùng là máy HITACHI S-4800 của phòng thí nghiệm trọng điểm thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt
Nam. Để nghiên cứu bề dày và hình thái bề mặt băng, cũng nhƣ phân tích thành phần định lƣợng các nguyên tố trong hợp phần hợp kim
Trong hiển vi điện tử mẫu bị bắn phá bằng chùm tia điện tử có độ hội tụ cao. Nếu mẫu đủ dày, dẫn đến sau khi tƣơng tác với bề mặt mẫu, các các điện tử thứ cấp sẽ đi theo một hƣớng khác ra khỏi bề mặt mẫu. Các điện tử thứ cấp này đƣợc thu nhận, phân tích và chuyển đổi thành hình ảnh đối với phép đo SEM hay cho biết thành phần các nguyên tố có trong mẫu trong phép đo EDX.
Hình 3.6 là sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động phóng đại của kính hiển vi điện tử quét (SEM).
24
3.3.3. Phƣơng pháp quét nhiệt vi sai (DSC)
Chúng tôi sử dụng phƣơng pháp phân tích quét nhiệt vi sai để phân tích nhiệt độ kết tinh của hợp kim. Thiết bị chúng tôi sử dụng là hệ Labsys TG/DSC thuộc khoa Hoá, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Một phần nhỏ của mẫu đƣợc đặt trong nồi nung làm bằng Nhôm và đƣợc nung nóng hay làm nguội theo một quy trình xác định. Một vật liệu đƣợc chọn làm mẫu chuẩn (thƣờng là một nồi nung Nhôm rỗng) cũng đƣợc nung nóng hay làm nguội cùng lúc để so sánh. Lƣợng nhiệt sinh ra hay hấp thụ trong quá trình đó đƣợc ghi lại.
Phƣơng pháp này dựa trên nguyên lý về nhiệt động học, sơ đồ hệ quét nhiệt vi sai (DSC) đƣợc thể hiện trên hình 3.7
*Mối quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt lƣợng:
mC Q
T
Trong đó C là nhiệt dung phụ thuộc vào bản chất khối vật liệu, m là khối lƣợng mẫu đo.
Khi xuất hiện sự chuyển pha trên mẫu, năng lƣợng sẽ đƣợc thêm vào hoặc mất đi trong mẫu đo hoặc mẫu chuẩn, để duy trì nhiệt độ ở mẫu đo và mẫu chuẩn bằng nhau. Năng lƣợng cân bằng
này đƣợc ghi lại và cho kết quả đo trực tiếp của năng lƣợng chuyển pha. Trong phép phân tích DSC đƣờng cong thu đƣợc, thƣờng thay đổi xung quanh trục nhiệt độ, và xuất hiện các đỉnh thu nhiệt và toả nhiệt ứng với các quá trình chuyển pha của mẫu.
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý thiết bị
25
3.3.4. Phƣơng pháp đo từ độ bão hòa bằng từ kế mẫu rung
Từ kế mẫu rung là một thiết bị rất hiện đại dùng để xác định từ độ của mẫu hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Chúng tôi dùng hệ đo VSM đặt tại Viện khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Để thực hiện phép đo này mẫu đƣợc rung với tần số xác định trong vùng từ trƣờng đồng nhất. Từ trƣờng sẽ từ hoá mẫu và khi mẫu rung sẽ sinh ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây đặt cạnh mẫu. Tín hiệu này đƣợc thu nhận, khuyếch đại và xử lý trên máy tính và cho ta biết giá trị từ độ của mẫu. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị từ kế mẫu rung đƣợc cho trong hình 3.8.
3.3.5. Xác định lực kháng từ HC bằng hệ đo từ hoá tĩnh
Để xác định lực kháng từ HC của vật liệu, chúng tôi sử dụng hệ đo hệ đo
đƣờng cong từ trễ tĩnh (Static Hysteresis Graph) của Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội (hình 3.9).
Cần rung
N S
Mẫu đo Cuộn dây thu
tín hiệu
Đầu đo Hall
Khuyếch đại
Hình 3.8. Sơ đồ hệ đo từ kế mẫu rung (VSM).
26
Nguyên lí của phép đo: Mẫu đo có dạng hình xuyến gồm hai cuộn dây: Cuộn từ hoá N1 vòng và cuộn đo N2 vòng và mắc theo sơ đồ nguyên lí hình 3.10.
Khi đóng khóa cho dòng điện I1 chạy trong mạch 1 tạo từ trƣờng H từ hóa mẫu. khi ngắt K, dòng từ hoá mẫu là I2. Biến thiên dòng điện I/t = (I1- I2)/t gây nên biến thiên từ thông /t = (1-2)/t, sinh ra suất điện động cảm ứng e và dòng điện i trong cuộn dây N2: e = N2
t , i =
e
Rg (3.2)
Điện lƣợng Q chạy trong mạch làm lệch điện kế G một độ lệch X: Q =
CX đồng thời điện lƣợng đó bằng: Q = N2SBRg (1= B.S, thiết diện lõi xuyến,
2= 0, B2= 0 và gọi B1=B). Ta có: B = CRg
N2S X (3.3)
Nhƣ vậy biến thiên dòng điện I1I2 gây nên độ lệch điện kế X và cảm ứng từ B, từ trƣờng tƣơng ứng là H.
Hệ đo này cho phép đo đƣờng cong từ hoá, qua đó xác định đƣợc các thông số HC, µ, …
1 2
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lí hệ đo từ trễ tĩnh
Kg Rg G Mẫu N1 N2 N1 N2 A + -
27
3.3.6. Phƣơng pháp đo tổng trở, GMI
Nguyên lý hoạt động: Dòng điện cao tần (4, 6, 10MHz) chạy qua mẫu và
ta đo đƣợc tổng trở cao tần thông qua tín hiệu điện áp U trên mẫu. Từ đó, ta tính đƣợc trở kháng của mẫu Z theo công thức:
I U
Z (3.4)
Tín hiệu này đi qua xử lý dữ liệu (lọc, khuyếch đại, tách sóng) rồi đi qua khối xử lý tín hiệu một chiều. Tín hiệu ra khối này đi theo hai đƣờng, một đƣờng tới chỉ thị LED chỉ thị ngay Z và một đƣờng qua một kênh của bộ thu thập và xử lý dữ liệu đa kênh PHT 0201 (hình 3.11).
1- Nguồn cấp dòng điện cho nam châm. Dòng điện dƣợc quét từ 0 đến một giá trị cực đại để tạo từ trƣờng từ 0 đến Hmax.
2- Đầu đo cảm biến Hall để đo từ trƣờng.
3- Nam châm điện, từ trƣờng biến thiên từ 0 đến Hmax. 4- Mẫu đo, có kích thƣớc phù hợp đƣợc gắn vào đế. 5- Máy phát dòng cao tần để đƣa vào mẫu.
6- Bộ xử lý tín hiệu, lọc, khuyếch đại, tách sóng.
(7) Bộ thu thập dữ liệu đa kênh PHT
Hình 3.11. Sơ đồ khối hệ đo GMI.
(5) Nguồn phát dòng cao tần (6) Xử lý tín hiệu (1) Cấp dòng điện (2) Cảm biến Hall (8) Cổng LPT (4) Mẫu (3) Nam châm điện
28
7- Bộ xử lý tín hiệu đa kênh PHT 0201, để đƣa tín hiệu qua cổng LPT vào máy tính.
8- Cổng LPT của máy tính. Từ trƣờng do nam châm tác dụng lên mẫu đƣợc cảm biến Hall thu thập và đƣa ra chỉ thị LED và một kênh khác của bộ thu thập và xử lý dữ liệu đa kênh PHT 0201.
Bộ thu thập và xử lý dữ
liệu đa kênh PHT 0201 sẽ số hóa các dữ liệu H và Z thu đƣợc nhờ bộ chuyển đổi ADC rồi ghép nối với máy tính qua cổng song song LPT. Máy tính sẽ đƣợc cài chƣơng trình thu thập và ghi lại dữ liệu, đồng thời chƣơng trình này cho phép vẽ đồ thị Z theo từ trƣờng ngoài H và tỷ số từ tổng trở GMIr. Hình 3.12 là hình ảnh của hệ đo GMI tại Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội.
29
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ
4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của chế độ ủ nhiệt đến tính chất từ của mẫu N3
(Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9)
Ta đã biết, quá tình tạo pha nanô tinh thể xảy ra nhanh hay chậm là tuỳ thuộc vào nhiệt độ ủ mẫu. Khi nhiệt độ ủ mẫu thấp thì quá trình kết tinh xảy ra chậm, để đạt tới trạng thái bão hoà có thể kéo dài vài giờ. Còn nhiệt độ ủ mẫu cao thì quá trình kết tinh xảy ra nhanh, quá trình kết tinh có thể đạt tới bão hoà chỉ trong một thời gian ngắn chừng vài phút. Khảo sát với mẫu N3 (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9), cho kết quả trong bảng 4.1 (khảo sát theo nhiệt độ ủ) và bảng 4.2 (khảo sát theo thời gian ủ ở nhiệt độ 5400C). Khi các hạt tinh thể sắt từ (-Fe) có kích thƣớc D nhỏ hơn chiều dài tƣơng tác trao đổi sắt từ L0 (A/K1)1/2 (Đại lƣợng này cũng chính là bề rộng vách đômen L0. Trong đó: A 10-11J/m là độ cứng trao đổi, K1 8000 J/m3 là dị hƣớng từ tinh thể đối với Fe-20%Si
Bảng 4.1 Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) ủ trong 15 phút theo nhiệt độ ủ.
Tên mẫu MS (emu/g) HC (A/m) Mr (emu/g)
Chƣa ủ 152,0 4,3 0,1
5300C/15ph 154,5 4,0 0,3
5400C/15ph 156,0 3,6 0,4
5500C/15ph 155,5 4,1 0,2
30
Dị hƣớng trung bình <K> của tập thể các hạt sắt từ N có thể viết dƣới dạng: 3 0 1 ; L K K N D N (4.1)
Trong đó: K1 là dị hƣớng từ tinh thể của các hạt sắt từ riêng biệt
: N là số lƣợng hạt sắt từ có trong không gian tƣơng tác trao đổi sắt từ L0
: D kích thƣớc hạt sắt từ (D < L0)
Quãng đƣờng tƣơng tác trao đổi bằng: L0 = (A/K1)1/2, thay L0 vào hai biểu thức trên, có: -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 130 140 150 160 M s (emu/g) Hµm l-îng Nb (%)
Hình 4.1. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa
Ms vào hàm lượng Nb mẫu ủ ở 5400C.
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.1 0.2 0.3 0.4 Mr (emu/g) Hµm l-îng Nb (%)
Hình 4.2. Sự phụ thuộc của từ độ dư Mr
31 4 4 6 6 1 1 3 ; C 3 S S K K K K D H D A J J A (4.2)
Nếu D 10 nm, <K> giảm từ 8000 J/m3 xuốngcòn 4 J/m3. Khi đó lực kháng từ H C và độ từ thẩm ban đầu µi bằng:
2 2 3 4 6 0 0 1 1 S S i j J A K K D (4.3)
(JS: từ độ bão hoà). Nhƣ vậy, đối với cấu trúc nano, khi D < L0, lực kháng từ HC phụ thuộc bậc 6 vào kích thƣớc hạt HC D6, khác hẳn với quy luật HC 1/ D đối với các vật liệu từ mềm kinh điển. Điều này lý giải tại sao tính chất từ lại phụ thuộc vào kích thƣớc hạt (bảng 4.2). Và qua đó gián tiếp ảnh hƣởng bởi chế độ xử lý nhiệt. -15 -10 -5 0 5 10 15 -150 -100 -50 0 50 100 150 M ( emu /g ) H (kOe) Ch-a ñ 5400 C/05ph 5400 C/10ph 5400 C/15ph 5400 C/20ph
Hình 4.3. Đường cong từ hóa của mẫu N3
ủ ở 5400 C. 0 5 10 15 20 135 140 145 150 155 160 Ms ( emu /g ) Thêi gian ñ (phót) 5000C
Hình 4.4. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa
Ms vào thời gian ủ mẫu.
0 5 10 15 20 3.5 4.0 4.5 Hc (A/m) Thêi gian ñ (phót) 0 5 10 15 20 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Mr (em u/ g) Thêi gian ñ (phót) Hình 4.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào thời gian ủ
Hình 4.6. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Mr vào thời gian ủ
32
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) ủ ở nhiệt độ
5400C theo thời gian ủ.
Tên mẫu MS (emu/g) HC (A/m) Mr (emu/g)
Chƣa ủ 152,0 4,7 0,1
5400C/05ph 142,0 4,3 0,2
5400C/10ph 153,0 4,0 0,3
5400C/15ph 156,0 3,6 0,4
5400C/20ph 135,5 3,8 0,2
Kết quả cho trên các bảng 4.1 và bảng 4.2 cũng nhƣ các hình cho thấy, tính chất từ mềm phụ thuộc tƣơng đối rõ ràng vào chế độ ủ nhiệt. Điều này lý giải là do tính chất từ phụ thuộc vào kích thƣớc của các hạt cũng nhƣ liên kết giữa các hạt, trong khi kích thƣớc các hạt lại phụ thuộc vào chế độ ủ nhiệt. Kết quả cho thấy với mẫu N3, khi ủ nhiệt ở 5400C trong 15 phút vật liệu sẽ cho tính từ mềm tốt nhất.
4.2. Nghiên cứu hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim nano tinh thể mẫu N3
(Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) -400 -200 0 200 400 0 5 10 15 20 25 30 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 0 1 23 45 6 7 5 10 15 20 25 30 Hµm l-îng Nb (% at) GMIr ma x (%) 6MHz 6 MHz GMIr (%) H (Oe)
33 -400 -200 0 200 400 0 50 100 150 200 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 5400C - 6 MHz H (Oe)
Hình 4.8. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6 MHz) của mẫu N3 ủ 5400C.
Bản chất của hiệu ứng GMI đƣợc giải thích theo lý thuyết điện động lực học cổ điển mà nguyên nhân sâu xa gây ra sự thay đổi tổng trở của vật dẫn là sự thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng µeff của vật liệu từ mềm do quá trình từ hoá vật liệu bởi từ trƣờng ngoài. Từ đó ta thấy tổng trở Z phụ thuộc vào độ từ thẩm hiệu dụng theo phƣơng ngang của băng từ t, tức là phụ thuộc vào tính chất từ mềm của vật liệu. Việc thay đổi hàm lƣợng Nb sẽ dẫn đến thay đổi tính chất từ, do đó thay đổi tổng trở cũng nhƣ ảnh hƣởng đến hiệu ứng GMI ở vật liệu.
4.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ ủ nhiệt đến đến tỷ số GMIr của hợp kim nano tinh thể mẫu N3 (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9) hợp kim nano tinh thể mẫu N3 (Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9)
Nhƣ ta đã biết, khi xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau dẫn đến kích thƣớc hạt khác nhau, và do đó ảnh hƣởng trực tiếp đến tính chất từ mềm của vật liệu. Do đó, dự đoán đƣợc hiệu ứng GMI sẽ bị ảnh hƣởng bởi chế độ xử lý nhiệt.
Kết quả khảo sát hiệu ứng GMI của mẫu N3 đƣợc ủ trong 15 phút, nhiệt độ ủ mẫu thay đổi từ 530 0C đến 560 0C đƣợc biểu diễn trên hình 4.7 và 4.8
Kết quả cho thấy mẫu ủ ở nhiệt độ 5400C cho tỷ số GMIrmax cao nhất. Kết quả khảo sát theo thời gian ủ, đối với mẫu N3 ủ ở nhiệt độ 5400C thời gian ủ nhiệt thay đổi từ 5 phút đến 20 phút đƣợc biểu diễn trên hình 5.6 và
34
5.7. Kết quả cho thấy, mẫu ủ trong khoảng thời gian 15 phút cho tỷ số GMIrmax cao nhất. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả khảo sát từ, mẫu N3 khi ủ nhiệt ở 5400C trong 15 phút vật liệu sẽ cho tính từ mềm tốt nhất.
Kết quả khảo sát GMI cho thấy mẫu N3 ứng với thành phần Nb là 3% ủ ở 5400C trong 15 phút cho tỷ số GMIrmax cao nhất. Tƣơng ứng với kết quả thu
đƣợc ở phần khảo sát từ. Điều này khẳng định sự phụ thuộc của tổng trở cũng nhƣ hiệu ứng GMI vào từ thẩm µ hay vào tính chất từ mềm của vật liệu.
-400 -200 0 200 400 0 50 100 150 200 N3 - 5400C 6 MHz GMIr (%) H (Oe) Kh«ng ñ 5 phót 10 phót 15 phót 20 phót
Hình 4.9. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số
6 MHz) của mẫu N3 ủ 5400C. 0 5 10 15 20 50 100 150 200 N3 - 5400C 6 MHz GMIr ma x (%) Thêi gian ñ (phót)
Hình 4.10. Tỷ số GMI cực đại theo thời
35
KẾT LUẬN
- Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến vật liệu từ mềm nanô tinh thể, đặc biệt phƣơng pháp chế tạo ra vật liệu nanô.
- Nghiên cứu đƣợc công nghệ nguội nhanh chế tạo ra băng từ nanô có hiệu ứng GMI.
- Tìm hiểu, nghiên cứu về vật liệu từ mềm, hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI.
- Khảo sát ảnh hƣởng của chế độ ủ nhiệt đến tính chất từ của mẫu. Nghiên cứu hiệu ứng GMI trên hợp kim nanô tinh thể.