Chế Tạo Và Khảo Sát Ảnh Hưởng Của Độ Dày Lớp Hấp Thụ Lên Tính Chất Hấp Thụ Sóng Vi Ba Của Vật Liệu Ferrite Srfe12-2Xm2Xo19 (M = Co, Ti, Cu,).Pdf

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
---------------------------

BÙI HỮU QUÂN

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DÀY LỚP
HẤP THỤ LÊN TÍNH CHẤT HẤP THỤ SĨNG VI BA CỦA
VẬT LIỆU Ferrite SrFe12-2XM2XO19 (M = Co, Ti, Cu, ...)
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 84 40 110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Ngọ
TS. Chu Thị Anh Xuân

THÁI NGUYÊN - 2022


i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả của luận văn thu được trong quá trình thực hiện luận văn của học viên
dưới sự hướng dẫn trực tiếp của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả này là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả

Bùi Hữu Qn

ii
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cô TS. Chu Thị Anh Xuân và
TS. Trần Ngọ - Hai người Thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền cho tôi những

kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học trong suốt q trình hồn thành
luận văn này.
Tôi xin chân trọng cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Viện Khoa học & Công
nghệ và các cán bộ, nhân viên các phòng Đào Tạo Sau Đại Học- Trường Đại học
Khoa Học - Đại học Thái Nguyên đã ln nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất
cho tơi trong suốt q trình học tập tại trường.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, các thầy cô giáo Trường PT Vùng cao
Việt Bắc nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hồn thành khóa học.
Xin chân thành cảm ơn các anh, các chị và các bạn học viên lớp Cao học Quang
học K14 Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Ngun đã ln động viên, giúp
đỡ và nhiệt tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập, công tác trong suốt khố
học.
Cuối cùng tơi xin được cảm ơn tới gia đình và người thân những người ln ở
bên cạnh ủng hộ, động viên để tơi có thể hồn thành khóa học.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do sự hạn hẹp về thời gian, điều kiện nghiên
cứu và trình độ, luận văn khơng tránh khỏi những khiếm khuyết. Tơi rất mong nhận
được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và đồng nghiệp .
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2022
Học viên

Bùi Hữu Quân


iii
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 4
1.1. Các chất ferrite ........................................................................................... 4
1.2. Vật liệu ferrite lục giác (hexa-ferrite) ........................................................ 7
1.2.1. Cấu trúc lục giác ..................................................................................... 7
1.2.2. Ảnh hưởng của sự pha tạp vào vị trí Fe lên tính chất của vật liệu
hexa-ferrite Strontium ............................................................................. 9
1.3. Lý thuyết về sự hấp thụ sóng vi ba của vật liệu ....................................... 11
1.3.1. Sóng vi ba .............................................................................................. 11
1.3.2. Các chất hấp thụ sóng vi ba .................................................................. 12
1.3.3. Các cơ chế hấp thụ sóng vi ba .............................................................. 15
1.4. Thuật toán Nicolson-Ross-Weir (NRW) ................................................. 18
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ................................................ 20
2.1. Công nghệ chế tạo vật liệu ....................................................................... 20
2.2. Một số phép đo phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu .................... 21
2.2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................... 21
2.2.2. Phân tích cấu trúc vi mơ ....................................................................... 22
2.2.3. Phép đo tính chất từ của vật liệu .......................................................... 23
2.3. Phép đo tính chất hấp thụ sóng vi ba của các lớp vật liệu hấp thụ .......... 24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 27


iv
3.1. Phân tích cấu trúc tinh thể và hình thái hạt của vật liệu .......................... 27

3.2. Tính chất từ cùa hệ vật liệu SrFe12-2x(Cu,Co)x/2TixO19 ..................... 32
3.3. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ vật liệu SrFe122x(Cu,Co)x/2TixO19 (x = 0; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25)....................... 36
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 48


v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

RL

Độ tổn hao phản xạ (Reflection Loss)

Z

Trở kháng (Impedance)

NRW

Thuật tốn Nicolson–Ross–Weir

M

Từ độ

MS

Từ độ bão hịa

Mr

Độ từ dư

HC

Lực kháng từ

D

Kích thước hạt tinh thể

VSM

Từ kế mẫu rung

SEM

Hiển vi điện tử quét

XRD

Nhiễu xạ tia

EM

Sóng điện từ (Electromagnetic)

εr

Hằng số điện môi tương đối

μr

Độ từ thẩm tương đối

d

Độ dày lớp hấp thụ

EAB

Hấp thụ băng thông rộng

X


vi
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Liệt kê các hợp chất ferrite theo giản đồ pha bậc ba của BaO – MeO
– Fe2O3 .............................................................................................. 9
Bảng 1.2. Kí hiệu các dải tần số khác nhau trong phổ sóng điện từ với những
khả năng ứng dụng của chúng. ....................................................... 12
Bảng 2.1. Bảng kí hiệu tên mẫu theo nồng độ pha tạp. .................................. 25
Bảng 3.1. Các thơng số mạng tính tốn từ phân tính cấu trúc và hình thái hạt
của các mẫu SFCCT........................................................................ 28


vii
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Cấu trúc lục giác xếp chặt theo mơ hình quả cầu đồng nhất. ........... 7
Hình 1.2. Mối quan hệ của sự cân bằng pha của hệ BaO: Fe2O3-Fe2O3 với
các ferit lục giác M, W, Y và Z []. .................................................... 8
Hình 1.3. Phổ bức xạ điện từ (EM) theo tần số và bước sóng tương ứng [4]. 11
Hình 1.4. Mơ hình các bộ hấp thụ đa lớp phối hợp. ....................................... 14
Hình 1.5. Các cơ chế xảy ra khi sóng điện từ chiếu tới vật liệu hấp thụ. ....... 16
Hình 2.1. Ảnh chụp máy nghiền bi MM 200 – Retsch của CHLB Đức. ........ 20
Hình 2.2. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu theo phương pháp phản ứng
pha rắn. ............................................................................................ 21
Hình 2.3. Sơ đồ hệ trục tọa độ và các góc tương ứng trong phép đo XRD. ... 22
Hình 2.4. Sơ đồ tín hiệu nhận được từ mẫu trong quá trình chụp ảnh bề mặt
SEM. ............................................................................................... 23
Hình 2.5. Sơ đồ khối của phép đo đầu dò đồng trục. ..................................... 24
Hình 2.6. Thơng số kỹ thuật khn đúc mẫu đo hấp thụ ................................ 25
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu SFCCT tại nhiệt độ phịng...... 27
Hình 3.2. Phổ tán xạ Raman của hệ SrFe12-2x(Cu,Co)x/2TixO19. Dấu * kí hiệu
cho các mode dao động của pha tạp chất Fe2O3. ............................ 30
Hình 3.3. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của hệ mẫu SrFe122x(Cu,Co)x/2TixO19

với x = 0; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25. ................. 32

Hình 3.4. Các vịng lặp từ trễ M(H) của hệ vật liệu SFCCT tại TP. ............ 33
Hình 3.5. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ đo của (a) lực kháng từ HC;.................. 34
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của độ điện thẩm phức (a, b) và độ từ thẩm phức (c,
d) theo tần số. .................................................................................. 37
Hình 3.7. (a) Tổn hao điện; (b) Tổn hao từ và (c) Tổn hao tổng cộng phụ
thuộc tần số. .................................................................................... 38
Hình 3.8. Biểu đồ các đường đồng mức của mẫu x = 0 (a) và x = 0,15 (b) ... 40

viii
Hình 3.9. Giá trị độ tổn hao phản xạ tối ưu cho mỗi mẫu hấp thụ có độ dày d =
0,75 mm với (a) x = 0; (b) x = 0,05; (c) x = 0,10 và (c) x = 0,15. ..... 41
Hình 3.10. Đường cong phụ thuộc tần số của Zin/Z0 của các mẫu hấp thụ có
độ dày d = 0,75 mm với (a) x = 0; (b) x = 0,05; (c) x = 0,10 và (d)
x = 0,15. .......................................................................................... 43
Hình 3.11. Giá trị độ tổn hao phản xạ tối ưu cho mỗi mẫu hấp thụ có độ dày d
= 1,25 mm với (a) x = 0; (b) x = 0,05; (c) x = 0,10 và (c) x = 0,15. .. 44
Hình 3.12. Đường cong phụ thuộc tần số của Zin/Z0 của các mẫu hấp thụ có
45độ dày d = 1,25 mm với (a) x = 0; (b) x = 0,05; (c) x = 0,10 và
(d) x = 0,15. ..................................................................................... 45


1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công
nghệ, sự cạnh tranh quân sự gay gắt giữa các quốc gia đã thúc đẩy sự phát triển
của nhiều loại thiết bị quân sự công nghệ cao, đặc biệt là máy bay chiến đấu
tàng hình và máy bay không người lái, điều này dẫn đến việc phải đối mặt với
thách thức trong việc hấp thụ hiệu quả sóng điện từ (EM). Ngồi ra, bức xạ điện
từ được tạo bởi các thiết bị kỹ thuật thông minh, các thiết bị điện và điện tử
hiện đại như: điện thoại di động, máy tính, máy bay, ... cũng gây ra mối hiểm
hỏa rất lớn tới sức khỏe thể chất. Do đó, việc tìm kiếm và phát triển các vật liệu
tiên tiến khác nhau để hấp thụ sóng EM là điều cần thiết. Hexaferrite loại M (có
cơng thức chung là MeFe12O19 – Me: Pb, Ba và Sr) đã được quan tâm nhiều
trong những năm gần đây cho các ứng dụng vi ba và đa pha điện từ tại nhiệt độ
phòng [1]. Trong đó, tiềm năng ứng dụng của vật liệu này để chế tạo các lớp
che chắn nhiễu điện từ (Electromagnetic Interference - EMI) ở vùng tần số
GHz đã được phát hiện và thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu [2]. Với sự

phát triển nhanh chóng của các điện tử hiện đại, các nghiên cứu này sẽ góp
phần hiệu quả vào việc bảo vệ sức khỏe con người và các thiết bị điện tử thông
minh khỏi tác động của EMI [3]. Ngoài ra, các hexaferrite loại M cũng thể hiện
nhiều tính chất điện – từ hấp dẫn, chẳng hạn như tính dị hướng từ tinh thể lớn,
các hiệu ứng chuyển pha điện – từ đa dạng hay các hiệu ứng điện – từ trường
thấp [4]. Tính dị hướng từ lớn được tìm thấy trong SrFe12O19 dẫn đến trường dị
hướng mạnh (Ha: là tổng của các thành phần dị hướng từ tinh thể, hình dạng và
ứng suất) [1]. Điều này cho thấy tần số cộng hưởng sắt từ (fFMR) được xác định
bởi cơng thức 𝑓𝐹𝑀𝑅 = (𝛾/2𝜋)𝐻𝑎 , trong đó γ là hằng số từ hồi chuyển, xảy ra

tại tần số cao trong dải GHz. Do đó, việc lựa chọn vật liệu SFO cho việc chế

tạo lõi cảm ứng, bộ triệt tiêu hoặc lớp che chắn nhiễu điện từ, … trong dải GHz
là phù hợp và có tính hiệu quả cao. Trên thực tế, kết quả nghiên cứu thực
nghiệm của nhóm Korolev [1] và Bobzin [5] đã chỉ ra các tính hấp thụ sóng vi


2
ba (MWA) của chúng ở tần số trên 45 GHz. Đối với các ứng dụng vi ba băng
thông rộng, cần điều chỉnh sự hấp thụ sóng vi ba về phía tần số thấp hơn theo
sự thay đổi trường dị hướng từ Ha. Điều này có thể được thực hiện bằng cách
kiểm sốt kích thước hạt, cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, mật độ, nồng độ
pha tạp và/hoặc tổ hợp vật liệu. Trong trường hợp này, không chỉ Ha thay đổi
mà cả từ độ bão hòa MS và lực kháng từ HC của vật liệu cũng thay đổi [1, 6].
Khi pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp vào vị trí của nguyên tố Fe, tính
chất từ và tính chất hấp thụ sóng vi ba của vật liệu có sự thay đổi rõ rệt. Trong
một số cơng bố trước đây, các tính chất quang, điện-từ, điện mơi và tính chất
hấp thụ sóng vi ba của các hexaferrite đồng pha tạp đã được nghiên cứu, ví dụ
như SrFe12-xCoxO19 [7], (Nd, Co) -doped SrFe12O19 [8], và SrCoxZrxFe12-2xO19
[9]. Trong nghiên cứu tổng hợp vật liệu SrFe12-xCoxO19/ LLDPE, Ghahfarokhi

và cộng sự [7] đã nhận thấy khả năng MWA với hiệu suất hấp thụ cao (> 90%)
trong dải tần số f ~ 9,6-11 GHz. Khả năng hấp thụ gần như hồn hảo sóng vi
ba cũng đã được quan sát thấy cho vật liệu SrFe12-2xCoxZrxO19 trong dải tần số
f từ 16,5-18 GHz bởi nhóm nghiên cứu của Kaur và cộng sự [9]. Với hi vọng
sự pha tạp đồng thời các nguyên tố (như Co, Cu, Ti, …) ở các nồng độ khác
nhau vào vị trí của ngun tố Fe có thể tăng cường độ từ hóa bão hịa MS, giảm
lực kháng từ HC và do đó nâng cao hiệu suất cũng như mở rộng vùng tần số hấp
thụ sóng vi ba của vật liệu SFO pha tạp. Chúng tôi chọn hướng nghiên cứu cho
đề tài luận văn là “Chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ lên tính
chất hấp thụ sóng vi ba của vật liệu ferrite SrFe12-2xM2xO19 (M = Co, Ti, Cu, …)”. Sự

thành công của đề tài sẽ góp phần trong việc nghiên cứu và phát triển những
vật liệu mới có khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ trong vùng tần số vi ba.
2. Mục đích nghiên cứu
- Chế tạo thành công vật liệu SrFe12-2xM2xO19 (M = Co, Ti, Cu, …).


3
- Khảo sát tính hấp thụ sóng vi ba trong một vùng tần số từ 2-18 GHz
của vật liệu.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu đặc trưng cơ bản và tính chất hấp thụ sóng điện từ của vật
liệu SrFe12-2xM2xO19 (M = Co, Ti, Cu, …) trong điều kiện phòng thí nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo vật liệu, đo đạc, xử lý số
liệu thực nghiệm và giải thích các tính chất dựa trên các cơ chế vật lý.
5. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ vật liệu ferrite SrFe12-2xM2xO19 (M = Co, Ti, Cu, …).
6. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết.

- Nghiên cứu chế tạo vật liệu SrFe12-2xM2xO19 (M = Co, Ti, Cu, …).
- Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ lên tính chất hấp thụ
sóng vi ba của vật liệu chế tạo được.


4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Các chất ferrite
Ferrite là vật liệu gốm từ tính trong đó oxit sắt là một thành phần chính.
Vật liệu ferrite được nghiên cứu từ khoảng 70 năm trước và dường như là một
loại vật liệu từ tính mới quan trọng do điện trở cao hơn, hiệu ứng tổn hao thấp
và các ứng dụng công nghệ đa dạng. Hiện tại, những vật liệu này tạo thành một
nhóm vững chắc với khoảng 70-80% vật liệu điện tử sử dụng liên quan đến sắt.
Một trong số các ví dụ phổ biến được kể đến là các thiết bị liên lạc, thiết bị gia
dụng, và thiết bị xử lý dữ liệu là những ví dụ phổ biến của các vật liệu điện tử
như vậy. Những chất ferrite cũng đã góp phần vào sự phát triển của lĩnh vực
điện tử. Trong lĩnh vực vật liệu mới, các chất ferrite có độ từ thẩm lên đến
30.000 và các vật liệu ferrite tiềm năng có thể hoạt động trong vùng tần số lên
đến 10 MHz đã được cung cấp trên thị trường [10]. Cùng với sự tiến bộ của
khoa học kỹ thuật và cơng nghệ, kết hợp với các mơ hình lý thuyết, các nghiên
cứu về vật liệu ferrite đang ngày càng được mở rộng. Một số vật liệu thể hiện
các đặc tính từ tính đáng chú ý, ví dụ: niken, coban và sắt. Từ tính của các chất
này xuất hiện bất cứ khi nào có sự chuyển động của các hạt tích điện. Từ tính
được tạo ra bởi sự chuyển động quỹ đạo và chuyển động quay của các electron.
Theo nguyên tắc Loại trừ Pauli, khi các electron quay theo hướng ngẫu nhiên
thì sẽ khơng có hiệu ứng từ tính đối với phép lấy trung bình. Tùy thuộc vào cấu
trúc vật liệu và cấu hình của điện tử, các hiệu ứng xảy ra trong vật liệu có thể
thay đổi. Dựa trên cơ sở là độ cảm từ (), vật liệu từ được phân loại thành các
loại sau:
(i)

Vật liệu thuận từ;

(ii)

Vật liệu nghịch từ;

(iii)

Vật liệu sắt từ;

(iv)

Vật liệu sắt từ;

(v)

Vật liệu phản sắt từ.


5
Trong vật liệu thuận từ quỹ đạo được lấp đầy một phần do đó các điện tử
khơng được ghép đơi, dẫn đến một số ngun tử và ion có mơmen từ trường
tồn phần khi khơng có trường tác dụng. Độ từ hóa bão hịa tổng cộng bằng
khơng do các mơmen từ riêng lẻ khơng có tương tác từ lẫn nhau. Khi có từ
trường ngồi tác dụng, tất cả các mơmen từ được định hướng theo hướng của
từ trường, tạo ra một hiệu ứng từ nhỏ và do đó xuất hiện độ cảm từ dương. Sự
tăng nhiệt độ dẫn đến sự dịch chuyển vách đơ-men từ do kích thích nhiệt.
Trong các chất nghịch từ do các quỹ đạo được lấp đầy hồn tồn, khơng
tồn tại mơmen từ trường tổng cộng và khơng có điện tử chưa ghép đơi. Mặt

khác, trong trường hợp khơng có từ trường ngồi thì từ độ được sinh ra có giá
trị âm, kéo theo độ cảm từ cũng âm.
Các chất sắt từ là những vật liệu xuất hiện độ từ hóa khác khơng ngay cả
khi khơng có từ trường ngoài, do sự sắp xếp song song của các mơ-men từ trong
cấu hình điện tử. Hai đặc điểm nổi bật của vật liệu sắt từ là (i) nhiệt độ Curie
và (ii) từ trường tự phát. Tại nhiệt độ xác định, lực trao đổi điện tử trở lên lớn
hơn năng lượng nhiệt và đô-men từ bị lệch hướng. Nhiệt độ này được gọi là
nhiệt độ Curie. Độ từ hóa tồn phần tồn tại bên trong một thể tích vi mơ đồng
nhất khi khơng có bất kỳ trường nào tác dụng được gọi là độ từ hóa tự phát. Độ
lớn của độ từ hóa ở độ khơng tuyệt đối phụ thuộc vào mômen từ spin của các
electron.
Ferri từ là các vật liệu từ cứng hoặc vật liệu từ tính xảy ra trong pha rắn
khi trường từ được liên kết với các nguyên tử riêng lẻ và do đó dẫn đến cấu
hình sắp xếp một cách tự phát theo kiểu một phần song song và một phần phản
song song của các mơ-men từ. Các chất ferri từ có tù tính nhỏ hơn so với các
chất sắt từ.
Trong các chất phản sắt từ, mô-men spin của các điện tử sắp xếp một cách
đối song hồn tồn. Nói chung, vật liệu phản sắt từ thể hiện tính thuận từ ở nhiệt
độ cao hơn một nhiệt độ xác định. Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ Neel.


6
Một đô-men từ được mô tả là vùng bên trong vật liệu có các mơ-men định
hướng song song. Độ dày của các đơ-men từ có giá trí khoảng từ 5-200 nm tùy
thuộc vào mỗi loại vật liệu từ. Đường cong từ hóa/khử từ của vật liệu sắt từ
cung cấp rất nhiều thơng tin xác định tính chất từ của chúng.
Các hợp chất oxit phức có chứa sắt được biết đến là các chất ferrite có
cơng thức chung được biểu diễn dưới dạng Fe2O3.MeO, trong đó Me là ion kim
loại hóa trị hai (như Co, Mn, Ni và Zn). Đây là những vật liệu từ tính điển hình
có điện trở suất thay đổi từ 102 đến 1011 (Ohm-cm) tùy thuộc vào công thức

cấu tạo của chúng. Ferrite được hy vọng là các chất bán dẫn với điện trở suất
của chúng thay đổi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Khi là chất cách điện, chúng có
bản chất là vật liệu kết tinh, có từ tính và hoạt động tốt ở tần số cực đại do tổn
thất dịng xốy tối thiểu. Dựa trên cấu trúc tinh thể, vật liệu ferrite được phân
thành bốn loại:
- Ferrite spinel;
- Ferrite trực giao;
- Ferrite garnet;
- Ferrite lục giác.
Trong đó, nhóm vật liệu ferrite spinel có cơng thức hợp thức dạng M-O
Fe2O3, trong đó M là ion kim loại hóa trị hai. Ferrite spinel là vật liệu sắt từ
mềm, trừ CoFe2O4. Khi bị từ hóa, các vật liệu khơng giữ được từ tính của chúng.
Chúng có các vịng từ trễ hẹp, độ từ hóa bão hịa cao nhưng lực kháng từ nhỏ,
thường từ 0,5-4 Oe. Các ứng dụng điển hình của vật liệu này là trong các thiết
bị nguồn điện và máy biến áp. Vật liệu ferrite có cấu trúc trực giao còn được
gọi là cấu trúc perovskite với cơng thức chung có dạng ReFeO3, trong đó Re là
nguyên tố đất hiếm. Riêng với nhóm vật liệu ferrite garnet, cơng thức hợp thức
chung của chúng có dạng Re3Fe5O12, với Re là nguyên tố đất hiếm, như La, Y
hay Gd. Cấu trúc tinh thể của nhóm vật liệu garnet thuộc hệ lập phương với các


7
ion oxy được sắp xếp theo tổ hợp đa diện chứ không phải cấu trúc xếp chặt. Vật
liệu garnet được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị vi sóng.
1.2. Vật liệu ferrite lục giác (hexa-ferrite)
1.2.1. Cấu trúc lục giác
Vật liệu haxa-ferrite là một loại khoáng chất tự nhiên được phân loại đầu
tiên vào năm 1925 và đến năm 1938 chúng được xác nhận là có cấu trúc lục
giác [11]. Khi đó sắt được coi là một thành phần chính trong vật liệu loại này.
Đến những năm 1950, cơng trình đầu tiên đánh dấu sự phát triển của các nghiên

cứu về vật liệu kết tinh theo pha tinh thể hexa-ferrite được cơng bố bởi phịng
thí nghiệm Philips Laboratories [12]. Cấu trúc của vật liệu ferrite lục giác là sự
kết hợp của ferrite spinel và các ion kim loại, trong đó các lớp ion oxy được
xếp chặt còn các ion kim loại hóa trị hai và hóa trị ba nằm tại các vị trí hốc
trống xen kẽ. Mạng tinh thể có ba vị trí là tứ diện, bát diện và chóp tam giác.
Do vật liệu ferrite lục giác là một chất sắt từ rất cứng, do đó chúng khơng dễ
nhiễm từ và vịng lặp từ trễ có diện tích lớn với lực kháng từ cao hơn 10 kAm1

. Một trong số đó cịn được sử dụng trong radio do có vịng lặp từ trễ gần

vuông, lực khử từ HC và độ từ dư MR lớn. Vật liệu từ tính có thể được phân biệt
bằng độ từ thẩm và điện trở suất cực đại, do đó chúng là nhóm vật liệu tiềm
năng cho các ứng dụng trong công nghiệp, công nghệ, thiết bị truyền thông,
thiết bị điện tử, thiết bị ghi từ mật độ cao [13].

Hình 1.1. Cấu trúc lục giác xếp chặt theo mơ hình quả cầu đồng nhất.


8
Theo hai cách sắp xếp các nguyên tử được coi là những quả cầu nguyên
tử để tạo thành cấu trúc quả cầu xếp chặt, sự sắp xếp các nguyên tử được mơ tả
như trên Hình 1.1. Các lớp ngun tử đầu tiên được kí hiệu là A, sau đó lớp
thứ hai được đặt lên vết lõm lớp thứ nhất, được gọi là lớp B, cuối cùng lớp thứ
3 được xếp chồng khít lên các vị trí của lớp thứ nhất để tạo thành cấu trúc lục
giác xếp chặt (HCP). Các lớp xếp chặt này đại diện cho các hốc trống như là
các vị trí xen kẽ nhau trong mạng tinh thể vật rắn. Nhiều loại cấu trúc tinh thể
ion bao gồm sự xếp chặt của các anion với các cation có bán kính nhỏ hơn
chiếm giữ các vị trí này. Có hai loại hốc trống là hốc bát diện và hốc tứ diện
được hình thành trong cả hai dạng cấu trúc xếp chặt HCP và CCP. Như quan
sát, cấu trúc lục giác xếp chặt có sự lặp lại của mỗi lớp khác nhau tạo thành cấu

trúc lớp dạng ABABAB… Vật liệu ferrite được tạo thành bằng cách xếp chặt
xen kẽ của các nguyên tử oxy và các nguyên tử kim loại.
Thành phần hóa học của các hợp chất ferrite lục giác được thể hiện trên
giản đồ pha bậc ba của hệ hợp chất BaO-MeO-Fe2O3, như chỉ ra trên Hình 1.2.
Rõ ràng là vật liệu hexa-ferrite bao gồm một lượng lớn các hợp chất khác nhau
và bao gồm các loại M, X, W, U, Z và loại Y. Trong đó Me là ion kim loại hóa
trị hai, chẳng hạn như Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ và Zn2+ và sự kết hợp của chúng.
Bảng 1.1 liệt kê sáu loại khác nhau của vật liệu hexa-ferrite [14].

Hình 1.2. Mối quan hệ của sự cân bằng pha của hệ BaO: Fe2O3-Fe2O3
với các ferit lục giác M, W, Y và Z [15].


9
Các chất ferrite có đặc điểm nổi bật là các chất hấp thụ sóng vi ba do đặc
tính từ mềm tốt. Hiệu ứng này được thể hiện trong các hợp chất được thiêu kết
với nhiệt độ cao, thậm chí lên đến trên 1200oC, tức là chúng có kích thước hạt
lớn. Ngồi ra, các chất ferrite lục giác có thể được chế tạo một cách dễ dàng
với chi phí thấp và là loại vật liệu từ tính phổ biến có độ tổn hao điện mơi rất
thấp, do đó chúng được sử dụng rất phổ biến trong chế tạo các chất hấp thụ
sóng vi ba hiệu suất cao.
Bảng 1.1. Liệt kê các hợp chất ferrite theo giản đồ pha bậc ba
của BaO – MeO – Fe2O3.
Kí

Cơng thức

Cấu trúc

Số phân tử/

hiệu

hợp thức

tinh thể học

ô đơn vị

RSR*S*

2M

23,2

M

M

BaFe12O19

c (Å)

Tên
viết tắt

(MM*)
X

Ba2Me2Fe28O46

MM*S

3MeX

84,0

Me2X

W

BaMe2Fe16O27

MSM*S*

2MeW

32,8

Me2W

U

Ba4Me2Fe36O60

MM*Y*

MeU

38,1

Me2U

Z

Ba3Me2Fe24O41

MYMY

2MeZ

52,3

Me2Z

Y

Ba2Me2Fe12O22

3TS

3MeY

43,5

Me2Y

1.2.2. Ảnh hưởng của sự pha tạp vào vị trí Fe lên tính chất của vật liệu hexaferrite Strontium
Trong hai thập kỷ gần đây, một số lượng lớn các nghiên cứu đã được thực
hiện trên nhóm vật liệu hexa-ferrite loại M. Cùng với các hexa-ferrite nguyên

chất, các nhà nghiên cứu đã pha tạp những nguyên tố khác nhau nhằm cải thiện
các tính chất từ và tính chất hấp thụ sóng vi ba của chúng. Dưới đây là tóm tắt
một số cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện dựa trên vật liệu nền SrFe12O19
(SFO) loại M.
Năm 2005, nhóm nghiên cứu của Q. Fang và cộng sự [16] đã tiến hành
tổng hợp các hạt nano SrFe12-xCrxO19 (x = 0-1,0) bằng phương pháp sol-gel.


10
Lực kháng từ của vật liệu giảm một cách liên tục trong khi giá trị từ hóa bão
hịa tăng nhẹ khi nồng độ Cr thay thế tăng lên đến x = 0,4 và sau đó giảm xuống
nếu x tiếp tục tăng. Ngoài ra, vật liệu là đơn pha cấu trúc lục giác khi x ≤ 0,4,
nhưng bắt đầu có sự xuất hiện của pha thứ cấp α-Fe2O3 khi x = 0,6. Ngoài ra,
nghiên cứu phổ hồng ngoại biến đổi Fourie của vật liệu nano SrFe 12-xCoxO19 (x
= 0-1,0) [17] xác nhận ba chế độ dao động kéo dài của liên kết oxy - kim loại
trong cấu trúc lục giác sau khi thiêu kết nhiệt độ cao. Đối với x ≤ 0,5, cấu trúc
đơn pha của SrFe12-xCoxO19 đã được quan sát trong khi đối với các mẫu x > 0,5
có sự xuất hiện của pha tạp chất từ tính CoFe2O4 trên giản đồ XRD. Mặt khác,
kích thước hạt lớn hơn (87-110 nm) khi hàm lượng coban cao cũng đã được
quan sát thấy trong các mẫu pha tạp. Lực kháng từ của vật liệu giảm theo nồng
độ coban trong khi giá trị cực đại của từ độ bão hòa đạt được đối với x = 0,5.
Năm 2019, M. Zhang và cộng sự [18], đã sử dụng phương pháp Rietveld xác
nhận vật liệu SFO pha tạp Co và Ti kết tinh theo cấu trúc lục giác và FE-SEM
có sự gia tăng kích thước hạt khi hàm lượng pha tạp tăng dần. Lực kháng từ
của vật liệu giảm phần từ 1697 Oe xuống 20 Oe trong khi từ độ bão hòa giảm
nhẹ khi tăng nồng lượng pha tạp từ x = 0,5 đến 1,5. Cần lưu ý rằng với sự thay
thế của Co-Ti, tính dị hướng từ tính của vật liệu dần dần chuyển từ đơn trục
sang dị hướng từ vng góc với điểm chuyển tiếp rất gần với giá trị pha tạp x
= 1,5, có lợi cho việc hình thành cấu trúc hình nón để tạo ra phân cực điện.
Trong

một

nghiên

cứu

khác,

vật

liệu

hexa-ferrite

loại

M

Ba0,5Sr0,5Fe12−2xGaxCoxO19 (x = 0-1,0) được chế tạo thành công bằng phương
pháp gốm và nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng vi ba của vật liệu [19]. Một
lượng nhỏ của pha tạp chất α-Fe2O3 được quan sát thấy khi nồng độ pha tạp là
x > 0,2. Nghiên cứu này chỉ ra sự tăng cường khả năng hấp thụ sóng vi ba trong
một dải tần rộng từ 8,2-12,4 GHz theo sự giảm độ dày lớp hấp thụ. Hiệu ứng
hấp thụ sóng vi ba của vật liệu được quan sát thấy theo cơ chế phù hợp trở
kháng. Đối với mẫu có x = 0,2, độ tổn hao phản xạ tối thiểu đạt -29,74 dB tại


11
tần số cộng hưởng 8,28 GHz với độ dày 2mm. Giá trị của lực kháng từ cực đại

cũng được quan sát thấy với mẫu có x = 0,2.
1.3. Lý thuyết về sự hấp thụ sóng vi ba của vật liệu
1.3.1. Sóng vi ba

Hình 1.3. Phổ bức xạ điện từ (EM) theo tần số và bước sóng tương ứng [4].

Sóng vi ba là khái niệm được sử dụng phổ biến để chỉ tín hiệu AC có tần
số thuộc khoảng từ 300 MHz đến 300 GHz, tương ứng với bước sóng ~ từ 1 m
đến 1 mm. Hình 1.3 đưa ra vị trí tương ứng với mỗi dải tần số (hay dải bước
sóng) và kí hiệu của các dải sóng trong quang phổ điện từ. Các thông tin chi tiết
về các dải tần số và lĩnh vực ứng dụng tương ứng trong hấp thụ sóng vi ba của
các chất ferrite được chỉ ra trong Bảng 1.2.
Ngồi ra, vùng tần số sóng vi ba còn được chia thành những dải tần theo
tiêu chuẩn của Hiệp hội vô tuyến, bao gồm: bằng tần L (f: 1-2 GHz; λ: 15-30
cm) được sử dụng trong kỹ thuật điều hướng, đo độ ẩm đất rừng, điện thoại
thông minh GSM và trong các ứng dụng quân sự; băng tần S (f: 2-4 GHz; λ:
7,5-15 cm) được sử dụng trong mạng không dây, thông tin quang và đèn hiệu
định vị hướng; băng tần C (f: 4- GHz; λ: 3,75-7,5 cm) là những tín hiệu vi ba
có khả năng xun qua các lớp bụi, khói, tuyết và mưa để có thể được sử dụng
trong viễn thông đường truyền dài; băng tần X (f: 8-12 GHz; λ: 25-37,5 mm)
được sử dụng trong truyền thông băng thông rộng, truyền thông không gia,
radar và thông tin vệ tinh; băng tần Ku (f: 12-18 GHz; λ: 16,7-25 mm) được sử
dụng trong thông tin vệ tinh và xác định tốc độ cũng như hướng gió; băng tần


12
K và Ka (fK: 18-26,5 GHz; λK: 11,3-16,7 mm; fKa: 26,5-40 GHz; λK: 5-11,3mm)
được sử dụng trong thông tin vệ tinh, thiên văn và radar; băng tần V (f: 50-75
GHz; λ: 4-6 mm).
Bảng 1.2. Kí hiệu các dải tần số khác nhau trong phổ sóng điện từ

với những khả năng ứng dụng của chúng.
Dải tần số
3-30 KHz

Đặc tính

Khả năng ứng dụng

Vùng tần số rất thấp Điều hướng, Sonar, sóng âm thanh
(VLF)

30-300 KHz

Vùng tần số thấp (LF)

Định vị bằng sóng vơ tuyến, Giám
sát bằng sóng vơ tuyến

300-3000 KHz

Vùng tần số trung bình Đài AM, định vị
(MF)

3-30 MHz

Vùng tần số cao (HF)

30-300 MHz

Vùng tần số rất cao Đài FM, TV, Kiểm soát khơng lưu,

(VHF)

Điện thoại, Fax, Radio sóng ngắn
Điện thoại di động

300-3000 MHz Vùng tần số cực cao Truyền hình, Truyền thơng qua vệ
(UHF)
3-30 GHz

Vùng tần số siêu cao Radar máy bay, Truyền thơng qua
(SHF)

30-300 GHz

tinh, Dữ liệu khơng dây, Lị vi sóng
vệ tinh

Vùng tần số cực siêu cao Radar, Khám phá khơng gian
(EHF)

1.3.2. Các chất hấp thụ sóng vi ba
Các chất hấp thụ sóng vi ba được định nghĩa là những vật liệu mà đặc tính
điện và từ của nó bị biến đổi để chúng có khả năng hấp thụ sóng vi ba tại những
tần số nhất định. Trong chế tạo các hợp chất hấp thụ với độ phản xạ thấp, có
hai điều kiện cần lưu ý đó là (1) thơng lượng cực tiểu của sóng điện từ chiếu
tới có thể đi vào bên trong lớp hấp thụ (đặc tính phù hợp trở kháng) và (2) độ
tổn hao và hấp thụ cực đại năng lượng sóng điện từ bên trong các chất hấp thụ


13

(đặc tính tổn hao). Nhiều cơng trình nghiên cứu khác nhau sử dụng các chất
hấp thụ là một lớp vật liệu ferrite, sắt cacbonyl, v.v. cho thấy các chất hấp thụ
đơn lớp không thể hiện hiệu ứng phản xạ thấp trong một dải tần số điện từ rộng.
Hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy trong các chất hấp thụ sóng vi ba
gồm hai lớp vật liệu ferrite từ mềm và vật liệu sắt điện . Việc sử dụng ngày
càng nhiều bức xạ điện từ thuộc vùng tần số GHz trong các thiết bị truyền thông
không dây, mạng nội bộ (LAN), thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân và một số
thiết bị truyền thông khác đã tạo ra rất nhiều vấn đề do hiện tượng nhiễu điện
từ trong hoạt động của các thiết bị điện tử công nghệ cao và sự rị rỉ thơng tin
do hiện tường rị rỉ sóng điện từ. Chính vì vậy, sự suy hao năng lượng được chủ
yếu gây ra bởi tính tương thích điện từ (EMC) và nhiễu điện từ (EMI) nhằm
tìm kiếm các hợp chất hấp thụ sóng vi ba hiệu năng cao [20]. Hiện tượng phản
xạ sóng điện từ có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các chất hấp thụ sóng
vi ba. Đặc biệt, các chất hấp thụ được sử dụng phổ biến cho các phương tiện
chiến đấu trong quân sự như tàu thủy, kỹ thuật hàng không, thiết bị điện tử, xe
tăng và các bức tường trong buồng khử vọng [21].
Trên thực tế, vật liệu hấp thụ sóng vi ba được phát triển dựa trên sự hấp
thụ năng lượng từ trường và điện trường của bức xạ điện từ truyền qua chúng.
Thông thường, người ta sử dụng các bộ chỉ số khúc xạ phức, bao gồm độ điện
thẩm (ε = ε'− jε") và độ từ thẩm (μ = μ'− jμ") để đặc trưng cho tính chất hấp thụ
điện từ của vật liệu. Trong đó, đặc trưng cho sự mất mát năng lượng sóng vi ba
xảy ra bên trong các vật liệu là thừa số ảo của chỉ số khúc xạ (ε" và μ"). Thực
chất sự mất mát năng lượng này là quá trình chuyển đổi từ năng lượng EM
thành năng lượng nhiệt. Để giảm thiểu thành phần sóng phản xạ khi có một
sóng điện chiếu tới bề mặt lớp vật liệu hấp thụ, các lớp hấp thụ được thiết kế
sao cho chúng có kiểu dáng đặc biệt. Hai loại thiết kế điển hình của các vật che
chắn và hấp thụ sóng điện từ thường được sử dụng là các vật có các bề mặt
tương tác được phân tầng hoặc phù hợp trở kháng và hấp thụ cộng hưởng.
a) Các bộ hấp thụ phối hợp trở kháng

14
Các chất hấp thụ có thể hấp thụ năng lượng điện, từ trường của sóng điện
từ chiếu tới theo các cơ chế khác nhau. Nhìn chung, có hai cơ chế thường được
xét đến nhiều nhất đó là:
(i) Điều kiện phối hợp trở kháng khi trở kháng đầu vào của các chất hấp
thụ Z1 có giá trị gần bằng trở kháng của mơi trường truyền sóng Z0, nghĩa là khi
điều kiện Z1 = Z0 được thỏa mãn tại tần số cộng hưởng fm thì độ tổn hao phản
xạ RL đạt giá trị cực tiểu. Độ lớn hiệu dụng của độ tổn hao phản xạ khi đó được
xác định bởi biểu thức sau:
𝑅𝐿 (𝑑𝐵) = −20 𝑙𝑜𝑔10

𝑍1 −𝑍0
𝑍1 +𝑍0

(1.1)

Với Z1 là trở kháng đầu vào của các chất hấp thụ; Z0 = 377 Ohm là trở
kháng của không gian tự do (chân khơng, khơng khí).
(ii) Điều kiện cộng hưởng một phần tư bước sóng khi độ dày lớp hấp thụ
(d) tỉ lệ với một phần tư bước sóng điện từ chiếu tới, nghĩa là:
𝑑=

𝜆0

4√|𝜇𝑟 ||𝜀𝑟 |

(1.2)

Với λ0 = c/f là bước sóng của sóng tới; độ dày d của lớp hấp thụ là tỉ lệ với

1/f và độ dày hấp thụ sẽ giảm với sự tăng của dải tần số.

Hình 1.4. Mơ hình các bộ hấp thụ đa lớp phối hợp.
Hình 1.4 đưa ra mơ hình cơ bản cho một bộ hấp thụ phối hợp. Độ dày và
trở kháng của lớp phối hợp (lớp màu xanh lá) có giá trị nằm ở khoảng giữa của
các trở kháng được phối hợp, tức là lớp vật liệu hấp thụ (lớp màu cam) và môi
trường truyền sóng (lớp khơng khí). Sự phối hợp trở kháng chỉ xảy ra tại tần số


15
có giá trị bằng độ dày quang học. Độ lớn của các bước phân tầng trở kháng
giữa môi trường truyền sóng và mơi trường vật chất tỉ lệ với cường độ của tín
hiệu sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa các mơi trường. Để triệt tiêu gần
như hồn tồn sóng tới cần thiết phải có sự kết hợp khơng chỉ một mà có thể
nhiều lớp phản xạ sóng.
b) Các cấu trúc hấp thụ cộng hưởng
Các cấu trúc hấp thụ cộng hưởng điển hình được nghiên cứu nhiều nhất
đó là các mơ hình lớp Dallenbach, lớp Salisbury và lớp Jaumann. Chúng còn
được gọi là các lớp hấp thụ một phần tư bước sóng. Trở kháng của mơi trường
sóng tới và lớp vật liệu hấp thụ không cân bằng trong các bộ hấp thụ loại này.
Mặt khác, độ dày của các lớp này thường là mỏng nên công suất hấp thụ là nhỏ.
Pha của sóng phản xạ bị đảo ngược một góc π và sóng truyền qua bị phản xạ từ
một đế kim loại sau khi truyền qua môi trường hấp thụ. Trước khi sóng truyền
trở lại mơi trường tới, lần phản xạ thứ hai này làm cho dao động ngược pha một
góc π.
1.3.3. Các cơ chế hấp thụ sóng vi ba
Hấp thụ sóng EM là một cơ chế trong đó năng lượng của sóng điện từ
được hấp thụ và sau đó được chuyển đổi thành một dạng năng lượng khác,
chẳng hạn như nhiệt năng, dựa trên nguyên tắc bảo toàn năng lượng và giảm
thiểu thành phần sóng phản xạ hoặc truyền qua môi trường vật liệu [22]. Bằng

cách điều chỉnh các tính chất điện và từ của mơi trường và vật liệu tương ứng
trong dải tần số mong muốn, các đặc tính hấp thụ sóng điện từ hiệu suất cao có
thể đạt được. Khi sóng điện từ truyền qua vật liệu có thể có ba q trình xảy ra,
bao gồm: phản xạ, hấp thụ và truyền qua. Ngồi ra, cịn có thể xuất hiện các
q trình truyền ngược trở lại và phản xạ thứ cấp, như được chỉ ra trong Hình
1.5.


16

Hình 1.5. Các cơ chế xảy ra khi sóng điện từ chiếu tới vật liệu hấp thụ.

Đối với các phép đo hấp thụ sóng vi ba, hệ số phản xạ của lớp được xác
định bởi độ dày và thừa số hình dạng của nó. Sóng tới bị phản xạ một phần từ
mặt phân cách giữa không gian tự do và bề mặt lớp vật liệu. Phần còn lại sẽ
thâm nhập vào môi trường vật liệu. Sự phản xạ nhiều lần dẫn đến sự hấp thụ
phần lớn năng lượng của sóng tới và một phần nhỏ được truyền qua lớp vật liệu
nếu khơng có đế kim loại. Để tăng cường khả năng hấp thụ, một đế kim loại
được thiết kế sao cho được đặt gần nhất có thể phía sau chất hấp thụ. Tấm kim
loại này sẽ đóng vai trị là đế phản xạ gần như hoàn toàn các thành phần sóng
chiếu tới quay trở lại mơi trường vật liệu. Kết quả là, thành phần sóng truyền
qua coi như khơng đáng kể trong q trình hấp thụ sóng vi ba với các lớp hấp
thụ có gắn đế kim loại, khi đó độ suy hao phản xạ được tính tốn bằng hiệu số
giữa sóng tới ban đầu và sóng phản xạ cuối cùng [23]. Độ suy hao phản xạ là
thông số được sử dụng để xác định hiệu suất hấp thụ sóng vi ba trong các chất
hấp thụ tổ hợp được tính toán từ các đại lượng phức của độ từ thẩm và điện
thẩm. Đối với các vật liệu hấp thụ sóng EM lý tưởng, có hai yêu cầu cần được
đáp ứng: (1) sự phù hợp trở kháng giữa không gian tự do và bề mặt vật liệu để
ngăn chặn thành phần phản xạ sóng, điều này dẫn đến điều kiện cân bằng giữa
giá trị của độ từ thẩm phức và độ điện thẩm phức; và (2) vật liệu phải hấp thụ

nhiều nhất thành phần sóng tới đi vào bên trong vật liệu hấp thụ, điều này đòi