Chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng tấm có cấu trúc nanô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






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

Hà Nội - 2007

iii

MỤC LỤC

Trang
Lời cảm ơn
i
Lời cam đoan
ii
Mục lục
iii
Danh mục các bảng
v
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
vi
MỞ ĐẦU
1
Chương 1: TỔNG QUAN
3
1.1 Hiện tượng từ giảo và khả năng ứng dụng
3
1.1.1 Hiện tượng từ giảo 3
1.1.2 Vật liệu từ giảo và khả năng ứng dụng 6
1.2 Hiện tượng áp điệ
n

8
1.2.1 Lý thuyết áp điện 8
1.2.2 Vật liệu PZT 10
1.2.3 Khả năng ứng dụng của vật liệu PZT 11
1.3 Hiệu ứng từ-điện
11
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
14
2.1 Chế tạo mẫu
14
2.1.1 Chế tạo băng từ FeCoBSi bằng phương pháp nguội nhanh 14
2.1.2 Xử lý nhiệt 15
2.1.3 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ-điện 15
2.2 Đo t
ừ giảo bằng phương pháp quang
16
2.3 Hệ đo hiệu ứng từ-điện
19
2.4 Các phương pháp thực nghiệm khác
21
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
23

iv

3.1 Phân tích cấu trúc của băng từ (Fe
0.8
Co
0.2
)

0.78
Si
0.12
B
0.1


23
3.2 Tính chất từ của (Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
dạng băng
25
3.2.1 Tính chất từ của mẫu ngay sau khi chế tạo 25
3.2.2 Tính chất từ của mẫu ngay sau khi ủ nhiệt 26
3.3. Tính chất từ giảo của băng từ (Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12

B
0.1

28
3.4. Hiệu ứng từ-điện của mẫu vật liệu tổ hợp FeCoBSi/PZT
30
3.4.1 Sự phụ thuộc của hệ số hệ số từ-điện
α
E
vào từ trường
H
DC

30
3.4.2 Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào góc định hướng φ
giữa véc tơ phân cực P
E
với từ trường ngoài H
DC
và h
ac

33
3.4.3 Ngoại suy đường cong λ(H) từ đường cong α
E
(H) 39
3.4.4 Sự phụ thuộc của hệ số từ-điện vào từ trường h
ac
40
3.4.5 Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào cấu hình vật liệu tổ

hợp
43
3.4.6 Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào băng từ sau khi ủ
nhiệt
46
3.5. Ứng dụng chế tạo sensơ đo từ trường
48
KẾT LUẬN
52
TÀI LIỆU THAM KHẢO
53





v

DANH MỤC CÁC BẢNG


Bảng 3.1. Bảng tổng kết hệ số α
E
và từ trường H* tại đó hiệu ứng từ-điện
đạt cực đại đo được trên cấu hình bilayer
Trang

45
Bảng 3.2. Bảng tổng kết hệ số α
E

và từ trường H* tại đó hiệu ứng từ-điện
đạt cực đại đo được trên cấu hình sandwich
46
Bảng 3.3. Sự thay đổi hiệu ứng ME phụ thuộc vào quá trình ủ nhiệt của
băng từ FeCoBSi
47
Bảng 3.4. Bảng so sánh sensơ chế tạo được và các loại sensơ đo từ trường
dựa trên các hiệu ứng khác nhau đang được sử dụng rộng rãi hiện nay

51














vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.1. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu:(a) từ giảo thể tích và (b) từ
giảo tuyến tính Joule [12]

Trang
3

Hình 1.2. Hiện tượng từ giảo ứng với phân bố đám mây điện tử
dạng đối xứng cầu (α
J
= 0) [17]
4
Hình 1.3. Hiện tượng từ giảo tương ứng với các trường hợp:
α
J
>0 (a), α
J
<0 (b), liên kết spin – quỹ đạo yếu (c) [17]
5
Hình 1.4. Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng
khối hoặc dạng băng mỏng.
6
Hình 1.5. Đường cong thực nghiệm mô tả sự thay đổi từ độ (M ∼ B
hf

(
57
Fe) (trường siêu tinh tế) của hợp kim Fe
1-x
Co
x
với sự thay đổi của nồng
độ Co thay thế (x) [4, 5, 9].
8

Hình 1.6. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác
dụng của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c).
9
Hình 1.7. Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite bốn phương
(trái) và mặt thoi (phải) [22]
10
Hình 1.8. Cảm biến gia tốc áp điện 11
Hình 1.9. Cảm biến siêu âm 11
Hình 1.10. Các vật liệu tổ hợp từ-đi
ện: (a) dạng hạt, (b) dạng màng đa lớp
và (c) dạng tấm.
13
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Trang
Hình 2.1. Quy trình chế tạo băng vô định hình bằng phương pháp nguội
nhanh.
15
Hình 2.2. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ-điện
FeCoBSi/PZT/FeCoBS, và ảnh chụp sau khi chế tạo
16
Hình 2.3. Cấu trúc mẫu băng từ dán trên tấm Si trong phép đo từ giảo
bằng phương pháp phản xạ quang học.
17
Hình 2.4. Ảnh chụp (a) và sơ đồ minh họa (b) hệ đo từ giảo bằng phương 18

vii
pháp quang.
Hình 2.5. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ-điện. 21
Chương 3: Kết quả và thảo luận Trang
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ngay sau khi chế tạo và sau khi
ủ với các nhiệt độ T

a
= 250 °C, 350 °C và 450 °C
23
Hình 3.2. Ảnh chụp FESEM các mẫu băng từ trước (a) và sau khi ủ nhiệt
ở T
a
= 250

°C (b) và T
a
= 450 °C (c)
24
Hình 3.3. Đường cong từ trễ đo theo phương từ trường song song và
vuông góc với mặt phẳng băng
26
Hình 3.4. Đường cong từ trễ tỉ đối (M/M
s
) đo trong mặt phẳng, theo hai
phương từ trường song song với chiều dài và chiều rộng của băng ngay
sau khi chế tạo.
26
Hình 3.5. Đường cong từ trễ theo phương song song với mặt phẳng băng
sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt với các nhiệt độ T
a
= 250 °C và
T
a
= 450 °C
27
Hình 3.6. Đường cong từ trễ tỉ đối (M/M

s
) đo trong mặt phẳng, theo hai
phương từ trường song song với chiều dài và chiều rộng của băng sau khi
ủ ở T
a
= 250 °C.
28
Hình 3.7. Đường cong từ giảo đo theo phương từ trường nằm trong mặt
phẳng, dọc theo chiều dài (λ
//
) và chiều rộng (λ
⊥
) của băng từ
(Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
ngay sau khi chế tạo
29
Hình 3.8. Đường cong độ cảm từ giảo theo phương song song (χ
λ//
) với
chiều dài băng từ (Fe
0.8

Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
ngay sau khi chế tạo
29
Hình 3.9. Đường cong từ giảo theo phương song song của băng từ
(Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt tại ở
T
a
= 250
o
C
30
Hình 3.10. Đường cong sự phụ thuộc của hệ số từ điện α
E

vào từ trường
một chiều H
DC
của băng từ ngay sau khi chế tạo. Phép đo được thực hiện
trong từ trường xoay chiều có cường độ h
ac
= 1 Oe tại tần số cộng hưởng
và nằm trong mặt phẳng theo hai phương song với chiều dài băng và
chiều rộng băng
31

viii

Hình 3.11. Mối liên hệ giữa hiệu ứng từ-điện và tính chất từ giảo của pha
của vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện khi chịu tác dụng của từ trường một
chiều H và xoay chiều h
ac
trong hai trường hợp: pha từ có độ cảm từ giảo
(độ dốc đường cong) lớn (1) và nhỏ (2)

33
Hình 3.12. Đường cong sự phụ thuộc của thế từ-điện V
ME
vào từ trường
H
DC
đo tại các góc ϕ giữa véc tơ phân cực điện và trường ngoài H
DC,
h
ac

khác nhau
34
Hình 3.13. Đường cong sự phụ thuộc của thế áp điện cực đại vào góc định
hướng φ giữa véc tơ phân cực P
E
với từ trường ngoài H
DC
và h
ac

35
Hình 3.14. Đường cong sự phụ thuộc µ
o
H* tại đó thế từ-điện
đạt cực đại V
MEmax
vào góc định hướng φ
37
Hình 3.15. Qui luật phụ thuộc của V
ME
vào φ tại một từ trường H
o
cố định 38
Hình 3.16. Đồ thị sự phụ thuộc của từ giảo tỉ đối λ /λ
s
vào từ trường một
chiều thu được bằng cách ngoại suy từ đường cong hệ số từ-điện từ thực
nghiệm α
E

(H) so sánh với đường cong thực nghiệm
40
Hình 3.17. Đường cong sự phụ thuộc của hệ số từ-điện α
E
vào cường độ
từ trường xoay chiều h
ac
đo tại tần số cộng hưởng trong trường hợp từ
trường tác dụng song song với chiều dài băng
41
Hình 3.18. Đường cong mô tả sự phụ thuộc hệ số α
E
(H) và µ
o
H* vào từ
trường h
ac

41
Hình 3.19. Đường cong sự phụ thuộc V
ME
và

hệ số α
E
(H)
vào từ trường h
ac
trong vùng từ trường thấp 0 ≤ h
ac

≤ 3 Oe
42
Hình 3.20. Đường cong sự phụ thuộc V
ME
và

hệ số α
E
(H)
vào từ trường h
ac
trong vùng từ trường cao h
ac
> 3 Oe
43
Hình 3.21. Hình minh họa hai cấu hình vật liệu tổ hợp nghiên cứu:
bilayer (a) và sandwich (b)
44
Hình 3.22. Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào từ trường một chiều đo
trên các mẫu bilayer có 1, 2, 3 và 4 tấm băng từ tương ứng với tỉ phần thể
tích giữa hai pha từ và điện n = 0,12; 0,24; 0,36 và 0,48
44
Hình 3.23. Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào từ trườ
ng một chiều đo
trên các mẫu sandwich có 2, 4 và 6 tấm băng từ tương ứng với tỉ phần thể
45

ix

tích giữa hai pha từ và điện n = 0,24; 0,48 và 0,72

Hình 3.24. Đường cong sự phụ thuộc của

hệ số α
E
vào từ trường H
DC
trong mặt phẳng mẫu theo phương song song với chiều dài băng
khi chưa ủ và khi ủ với các nhiệt độ T
a
= 350 °C và 450 °C
47
Hình 3.25. Ảnh chụp vật liệu multiferroic FeCoBSi/PZT (a) và sensơ đo
từ trường (b,c)
48
Hình 3.26. Sự phụ thuộc tín hiệu điện thế lối ra sensơ vào từ trường đo 49
Hình 3.27. Đường cong sự phụ thuộc tín hiệu điện thế V
out
của sensơ vào
góc định hướng φ khác nhau giữa từ trường và pháp tuyến với mặt phẳng
mẫu đo tại các giá trị từ trường khác nhau μ
○
H = 80, 150, 200 và 50 Oe.
Đường liền nét là đường cong sự phụ thuộc của V
out
vào H khi φ = 90°
50



1

MỞ ĐẦU

Trong lịch sử phát triển của khoa học và công nghệ, sự phát hiện ra hiệu ứng
từ-điện của một số vật liệu cùng với khả năng ứng dụng rộng rãi hiệu ứng này trong
nhiều lĩnh vực của đời sống đã mở ra một hướng nghiên cứu mới đặc biệt thu hút
nhiều mối quan tâm của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước trong những
năm gầ
n đây. Từ-điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (P
E
) dưới tác dụng của
từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường.
Nhờ khả năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng này có
khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sensơ, máy phát điện, …. Hiệu ứng
này thường quan sát thấy trên các vật li
ệu multiferroic có tồn tại đồng thời cả hai
pha sắt từ và sắt điện. Các nghiên cứu trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng hiệu
ứng từ-điện cao đã được tìm ra trên các vật liệu multiferroics tổ hợp của 2 pha từ
giảo và áp điện. Do có sự liên kết chặt giữa hai pha này, khi chịu tác dụng của từ
trường, pha từ giảo sẽ bị biến d
ạng cưỡng bức và ứng suất cơ học do pha từ giảo
sinh ra sẽ truyền cho pha áp điện làm xuất hiện phân cực điện cảm ứng trên pha
này. Hệ số từ-điện lớn nhất α
E
(= dE/dH) = 10300 mV/cmOe đã được công bố bởi
Ryu và các đồng nghiệp trên vật liệu multiferroics sử dụng vật liệu áp điện
(Pb(Mn
1/3
Nb
2/3
)O

3
-PbTiO
3
) (PZT) và từ giảo Terfenol-D dạng tấm bằng phương
pháp kết dính [10,11]. Tuy nhiên, cho đến nay, khả năng ứng dụng hệ vật liệu này
còn hạn chế do nó đòi hỏi từ trường rất lớn (~ 5000 Oe) đặt vào. Ở Việt Nam,
nhóm nghiên cứu của N.H. Đức và các đồng nghiệp đã thành công bước đầu trong
việc tìm ra vật liệu multiferroics sử dụng màng mỏng từ giảo Terfecohan và tấm áp
điện PZT và ứng dụng chế t
ạo sensơ đo từ trường cũng đã được nghiên cứu [5, 16].
Các nghiên cứu cho đến nay chủ yếu tập trung vào tìm ra vật liệu có hiệu
ứng từ-điện lớn rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài. Gần đây, kết quả
nghiên cứu của Srinivasan và các đồng nghiệp đã thành công trong việc chế tạo ra
các vật liệu dạng màng đa lớp NiZnFeO/PZT bằng ph
ương pháp Tape casting. Vật
liệu này cho hệ số α
E
∼ 1500 mV/cmOe tại từ trường 100 Oe [8, 24]. Tuy nhiên,
hạn chế của phương pháp này là công nghệ chế tạo phức tạp và giá thành cao. Tại
khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nanô, trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà


2
nội, hướng nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ-điện theo định hướng ứng dụng đã được
chúng tôi tiếp tục triển khai và đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ. Trong
nghiên cứu của mình, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu trên các vật liệu multiferroic
dạng tấm sử dụng tấm áp điện PZT và các băng từ mềm FeCoBSi. Chúng tôi mong
đợi với công nghệ chế
tạo đơn giản, giá thành thấp mà vẫn tạo ra được một vật liệu
có hiệu ứng từ-điện cao trong từ trường thấp nhờ tính chất từ và từ giảo siêu mềm

của các băng từ. Với hướng nghiên cứu và triển khai ứng dụng như vậy, chúng tôi
đã tiến hành làm những công việc cụ thể như sau:
• Chế tạo các băng từ FeCoBSi và vật liệ
u tổ hợp FeCoBSi/PZT với các cấu
hình khác nhau (hai lớp, ba lớp, ).
• Xây dựng hệ đo hiệu ứng từ-điện tại phòng thí nghiệm Công nghệ Nanô,
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN.
• Nghiên cứu các đặc trưng vi cấu trúc, tính chất từ, từ giảo của các băng từ
trước và sau khi xử lý nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau từ 150 °C đến 450 °C.
• Nghiên cứu hiệu ứng t
ừ-điện của các vật liệu tổ hợp FeCoBSi/PZT với các
cấu hình khác nhau sử dụng các băng từ trước và sau khi xử lý nhiệt.
• Chế tạo thử nghiệm đầu đo của sensơ từ trường độ nhạy cao sử dụng vật liệu
tổ hợp nghiên cứu với cấu hình lựa chọn tối ưu.
Bố cục của luận văn
Lu
ận văn có bố cục như sau: ngoài phần mở đầu và phần kết luận, các nội
dung còn lại được trình bày trong bốn chương, bao gồm:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận

3
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Hiện tượng từ giảo và khả năng ứng dụng
1.1.1. Hiện tượng từ giảo
Từ giảo là hiện tượng hình dạng và kích thước của vật liệu từ thay đổi khi
trạng thái từ của vật liệu thay đổi. Hiện tượng từ giảo đã được James Prescott Joule
(1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [12]. Trạng thái từ của vật liệu
có thể bị
thay đổi khi nhiệt độ thay đổi hoặc dưới tác dụng của từ trường ngoài
(hình 1.1). Hiện tượng thể tích của vật liệu từ thay đổi do sự thay đổi trạng thái từ
khi nhiệt độ thay đổi được gọi là hiện tượng từ giảo tự phát hay từ giảo thể tích
(hình 1.1a). Từ giảo xuất hiện khi đặt vật liệu từ trong từ trường ngoài được gọi là
từ gi
ảo cưỡng bức hay từ giảo tuyến tính Joule (hình 1.1b).

Hình 1.1. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu:
(a) từ giảo thể tích và (b) từ giảo tuyến tính Joule [12].
Từ giảo tuyến tính Joule liên quan đến sự định hướng của mômen từ dưới tác
dụng của từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo tuyến tính của các vật liệu từ được
giải thích dựa trên mô hình tương tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ và điện


4
tích môi trường xung quanh. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của
điện tử (tức là mômen quỹ đạo) sẽ bị biến đổi tuỳ theo mức độ tương tác của chúng
với mômen từ (mômen spin). Các vật liệu khác nhau sẽ có từ giảo khác nhau tuỳ
thuộc vào hình dạng đám mây điện tử từ của chúng. Đối với trường hợp các nguyên
tố có đám mây điện tử
dạng đối xứng cầu (L = 0 và hệ số Steven

α
J
= 0), tương tác
tĩnh điện là đẳng hướng, do đó khoảng cách giữa các nguyên tử vẫn được giữ
nguyên khi mômen từ bị đảo dưới tác dụng của từ trường ngoài. Trong trường hợp
này, hầu như không quan sát thấy có hiện tượng từ giảo (hình 1.2a).

Hình 1.2. Hiện tượng từ giảo ứng với phân bố đám mây điện tử
dạng đối xứng cầu (
α
J
= 0) [17].
Đối với các kim loại có đám mây điện tử dạng không đối xứng cầu (L ≠ 0 và
α
J
≠ 0), tương tác tĩnh điện không còn là đẳng hướng. Khi chưa có từ trường, tương
tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ tích điện âm và các ion dương lân cận
(nguyên tử) luôn có xu hướng làm ngắn khoảng cách giữa chúng theo hướng trục
phân bố tại đó mật độ điện tích của đám mây điện tử từ lớn nhất. Có hai trường hợp
x
ảy ra:
- Trường hợp tương tác spin - quỹ đạo yếu (năng lượng tương tác
λ
LS ~ 0,015
eV/nguyên tử), khi đặt trong từ trường ngoài chỉ có mômen spin dễ dàng quay theo
hướng từ trường ngoài, trong khi đó mômen quỹ đạo hầu như không chịu ảnh
hưởng gì của từ trường ngoài (hiện tượng đóng băng mômen quỹ đạo). Trong
trường hợp này, mặc dù đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu nhưng năng
lượng cần thiết để quay mômen spin theo từ trường ngoài yếu và từ gi
ảo nhỏ (hình

1.3.a). Đó là trường hợp của các kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni).


5

Hình 1.3. Hiện tượng từ giảo tương ứng với các trường hợp:
α
J
>0 (a),
α
J
<0 (b), liên kết spin – quỹ đạo yếu (c) [17].
- Hiện tượng từ giảo chỉ xảy ra khi đám mây của các điện tử từ không có dạng
đối xứng cầu và tương tác spin - quỹ đạo (
λ
LS) mạnh, khi đó sự quay của mômen
spin gắn liền với sự quay của mômen quỹ đạo. Trong trường hợp này từ giảo
thường có giá trị lớn. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, ta sẽ quan sát được từ
giảo âm nếu sự phân bố đám mây điện tử từ có dạng hình chày (
α
J
> 0, hình 1.3.b)
và từ giảo dương nếu đám mây điện tử từ có dạng đĩa dẹt (
α
J
< 0, hình 1.3.c).


6
Từ giảo của các vật liệu được đặc trưng bởi hệ số từ giảo

λ
được xác định theo
công thức sau:
()
(
)
(
)
000
0
00
lHlHl
H
ll
μμ
λμ
Δ−
==
(1.1)
với
l
o
là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài và l(
μ
o
H) là chiều
dài của mẫu khi có từ trường ngoài
μ
o
H đặt vào. Từ giảo là một đại lượng không có

thứ nguyên. Trong các vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng, hiện tượng từ
giảo thể hiện bởi biến dạng tuyến tính (
Δl/l) phương từ trường ngoài (hình 1.4).

Hình 1.4. Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối
hoặc dạng băng mỏng.
1.1.2. Vật liệu từ giảo và khả năng ứng dụng
Để nâng cao khả năng ứng dụng của các vật liệu từ giảo thì yêu cầu đặt ra đối
với các vật liệu từ giảo là không những phải có từ giảo (
λ
S
) lớn ở nhiệt độ phòng
(có nhiệt độ Curie
T
C
cao) mà còn có độ cảm từ giảo (
χ
λ//
=
∂λ
/
∂
H) cao. Trong các
ứng dụng chế tạo các hệ vi điện - cơ, yêu cầu đặt ra cho các vật liệu phải có từ giảo
cao trong vùng từ trường thấp. Điều này cho phép động cơ có thể hoạt động với
công suất cao tại từ trường điều khiển thấp. Đối với các nguyên tố là kim loại
chuyển tiếp (nhóm 3
d), mặc dù có nhiệt độ Curie rất cao (T
C
của Fe, Ni và Co

tương ứng là 1043 K, 631 K và 1393 K) nhưng dị hướng từ và từ giảo của chúng lại
rất nhỏ (
λ
S
~ 10
-5
). Các hợp kim của nhóm 3d (FeCo, NiCo, ) có từ giảo lớn hơn
(
λ
S
~ 10
-4
) [17, 18, 19].
Các nguyên tố kim loại đất hiếm (nhóm 4
f) có từ giảo lớn
λ
S
~ 10
-2
. Tuy nhiên,
do nhiệt độ Curie thấp hơn nhiệt độ phòng (
T
C
của Tb và Dy tương ứng là 219,5 K


7
và 89 K) nên các vật liệu này chỉ có từ giảo lớn trong vùng nhiệt độ thấp, không
khả quan trong việc ứng dụng trong các thiết bị sử dụng ở nhiệt độ phòng [18, 19].
Khi tổ hợp các vật liệu có từ giảo lớn (các kim loại đất hiếm 4

f) và các vật liệu
có nhiệt độ
T
C
cao (các kim loại chuyển tiếp 3d) cho các hợp kim liên kim loại đất
hiếm - kim loại chuyển tiếp có từ giảo lớn ngay ở nhiệt độ phòng. Với những liên
kim loại giàu đất hiếm, từ giảo lớn và nhiệt độ Curie của chúng đã được cải thiện
đáng kể. Năm 1971, A.E Clark đã khám phá ra hợp kim liên kim loại TbFe
2

(TerfeNol, ở đây Ter là tên viết tắt của Tb, fe là Fe và Nol là tên phòng thí nghiệm,
nơi đã nghiên cứu ra hợp chất này) với giá trị từ giảo bão hòa lên tới
λ
S
= 1753×10
-6
[1,2]. Tuy nhiên, để đạt đến trạng thái bão hòa từ giảo trên các vật
liệu này cần phải có từ trường rất lớn đặt vào. Với ý tưởng thay thế một phần Tb
bằng Dy với thành phần tối ưu Tb
0.27
D
0.73
Fe
2
để bù trừ dị hướng, vật liệu từ giảo
dạng khối Terfenol-D (D là tên viết tắt của Dy) đang được ứng dụng rất rộng rãi
hiện nay. Vật liệu này có từ giảo bão hòa rất lớn
λ
S
= 2400x10

-6
nhưng độ cảm từ
giảo vẫn còn khá nhỏ so với các yêu cầu ứng dụng trong các hệ vi điện - cơ.
Để có thể ứng dụng trong các thiết bị kích thước nhỏ micro và nanô và đặc
biệt trong việc chế tạo các đầu đo, sensơ đo từ trường thì tính chất mềm từ giảo
đóng vai trò quan trọng hơn cả. Tính chất này được qui định bởi độ cảm từ gi
ảo cao
χ
λ
(= d
λ
/dH) > 10
-2
T
-1
hoạt động trong vùng từ trường nhỏ cỡ militesla. Do vậy,
các vật liệu từ giảo dạng khối đất hiếm - kim loại chuyển tiếp khó có thể đáp ứng
được các ứng dụng này. Để phục vụ mục đích này, trong các nghiên cứu của mình,
chúng tôi chế tạo các băng từ dựa trên các kim loại chuyển tiếp giầu Fe có tính chất
từ mềm cao. Ý tưởng xuất phát từ các nghiên cứu đã đượ
c thực hiện trên các băng
từ vô định hình có tính chất từ giảo siêu mềm nổi tiếng FeBSiC có tên gọi Metglass
2650SC với độ cảm từ giảo đã được công bố lớn nhất hiện nay
χ
λ
= 76×10
-2
T
-1
[9].

Tuy nhiên, vật liệu này có hệ số từ giảo rất thấp
λ
= 30×10
-6
. Sự có mặt của các
nguyên tố pha tạp B, Si, C tuy có làm giảm từ giảo của vật liệu này so với Fe đơn
chất (
λ
Fe
∼ 40×10
-6
) nhưng chúng có tác dụng tạo pha vô định hình của băng và do
đó tăng cường đáng kể tính chất mềm của Metglass so với Fe tinh thể. Với mục
đích làm tăng cường hơn nữa từ giảo trên các băng từ này mà vẫn duy trì được tính
mềm từ giảo ở trạng thái vô định hình, nguyên tố cũng thuộc họ kim loại chuyển


8
tiếp Co với từ giảo lớn hơn Fe (
λ
Co
∼ 60×10
-6
) đã được lựa chọn để pha tạp. Dựa
trên các kết quả nghiên cứu sự thay đổi từ độ của hợp kim FeCo (hình 1.5), tại
thành phần thay thế Co cho Fe nằm trong khoảng 0,2
≤ x ≤ 0,35 thì hợp kim này lại
có từ độ lớn hơn rất nhiều so với các kim loại Fe và Co nguyên chất [4,5,9].

Hình 1.5. Đường cong thực nghiệm mô tả sự thay đổi từ độ M

∼
B
hf
(
57
Fe) (trường siêu
tinh tế) của hợp kim Fe
1-x
Co
x
với sự thay đổi của nồng độ Co thay thế (x) [4, 5, 9].
Trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi lựa chọn thành phần thay thế Co
cho Fe là
x = 0,2 để nhằm hai mục đích không những giảm được từ trường bão hòa
(
H
s
∼ K/M
s
) do có sự tăng cường được từ độ M
s
mà vẫn cải thiện được cả từ giảo
của chúng. Chính vì lý do này, chúng tôi đã lựa chọn để chế tạo và đưa vào nghiên
cứu các băng từ với thành phần (Fe
0,8
Co
0,2
)
0,78
Si

0,12
B
0,1
. Các nghiên cứu đã được
thực hiện trên các băng từ ngay sau khi chế tạo và sau khi được ủ nhiệt tại các nhiệt
độ khác nhau từ 150 °C đển 450 °C để tìm ra cấu hình tối ưu đáp ứng yêu cầu ứng
dụng chế tạo các senso đo từ trường với độ nhạy siêu cao
[4, 5, 9].
1.2. Hiện tượng áp điện
1.2.1. Lý thuyết áp điện
Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie là
hiện tượng vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất kéo hoặc nén thì trong lòng vật
liệu sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngược lại. Khi vật liệu chịu tác
dụng của đi
ện trường thì vật liệu sẽ bị biến dạng dài ra hoặc ngắn lại tùy thuộc vào


9
điện trường ngoài cùng chiều hay ngược chiều với véc tơ phân cực điện của vật liệu.
Hiệu ứng áp điện dưới tác dụng của ứng suất bên ngoài được mô tả trên hình 1.6.
Nếu vật liệu chịu ứng suất nén (hình 1.6a) hoặc kéo theo hướng phân cực (hình
1.6b) sẽ dẫn đến sự giảm hoặc tăng độ phân cực điện trong lòng vật liệu và kết quả
sẽ làm xuất hiện trong lòng vật liệu một điện trường cùng chiều hay ngược chiều
với véc tơ phân cực điện. Kết quả là trên hai mặt đối diện của vật liệu áp điện sẽ
xuất hiện thế áp điện có dấu và độ lớn phụ thuộc vào ứng suất tác dụng theo công
thức [3, 14]:
33
Eg
σ
=

−⋅
(1.2)
Ở đây,
g
33
là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho từng vật liệu và
σ
là độ lớn ứng suất
tác dụng (ứng suất nén
σ
< 0 và ứng suất kéo
σ
> 0).

Hình 1.6. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng
của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c).
Hiệu ứng áp điện xảy ở một số đơn tinh thể điện môi như thạch anh,
tuamalin, Hiệu ứng áp điện cũng được quan sát thấy trên các vật liệu đa tinh thể
như các gốm áp điện. Từ khi được phát hiện ra cho đến nay, các gốm áp điện đã
được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng rất mạnh trong nhiều lĩnh vực như màng
rung, máy phát đ
iện, sensơ, bộ chuyển đổi, [22]. Một trong những vật liệu gốm
áp điện được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PbTiZrO
3
(PZT) được chế tạo bằng
phương pháp nung thiêu kết oxit chì, Zr và Ti. Vật liệu PZT có nhiều tính năng nổi
trội như độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện dung ký sinh, độ
bền cơ học cao và dễ gia công. Hiện nay, các vật liệu áp điện PZT có thành phần và

10
tính chất tối ưu tùy vào mục đích sử dụng đã được thương mại hóa và sản xuất
hàng loạt theo yêu cầu được cung cấp bởi các công ty với giá thành thấp.
1.2.2. Vật liệu PZT
PZT là tên viết tắt của vật liệu áp điện có thành phần hóa học PbZn
x
Ti
1-x
O
3.
Trong thành phần cấu tạo PZT, tỉ lệ Zn:Ti là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới
hiệu ứng áp điện. Vật liệu PZT ở trạng thái đơn tinh thể có thể tồn tại ở cấu trúc
perovskite bốn phương (tetragonal) hoặc thoi (rhombohedral) (hình 1.7) [22].
Trong các trạng thái này, ô đơn vị là sắt điện chứa mômen lưỡng cực được tạo ra
do cấu trúc bất đối xứng của các ion O
2-
và Zn
4+
/Ti
4+
so với trục tinh thể. Tùy thuộc
vào hướng của điện trường ngoài đặt vào (hướng trục Oz), vị trí của các ion này sẽ
xác định tính chất áp điện của tinh thể.

Hình 1.7. Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite
lập phương (trái) và mặt thoi (phải) [22].
Hiệu ứng áp điện có thể giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trong ô
đơn vị được minh họa trên hình 1.7. Dưới tác dụng của một điện trường ngoài theo
phương trục Oz, các ion O
2-

sẽ bị hút về điện cực dương, các ion Zn
4+
/Ti
4+
và Pb
2+

sẽ bị hút về điện cực còn lại. Do có sự dịch chuyển này, liên kết giữa các ion trong
tinh thể và do đó khoảng cách giữa các ion này sẽ bị thay đổi. Kết quả là tinh thể áp
điện sẽ bị biến dạng và hiện tượng này gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. Trong
trường hợp ngược lại, gọi là hiệu ứng áp điện thuận, nghĩa là năng lượ
ng cơ biến
thành năng lượng điện khi tinh thể bị biến dạng bởi một tác động cơ học bên ngoài,
mômen lưỡng cực và sự phân cực điện sẽ bị thay đổi. Do dó tinh thể sẽ chuyển


11
sang một trạng thái cân bằng điện mới và một điện trường nội sẽ xuất hiện trong
lòng vật liệu.
1.2.3. Khả năng ứng dụng của vật liệu PZT
Trong những năm gần đây, các perovskite như BaSrO
3
, PbTiO
3
,
Pb(Zn
x
Ti
1-x
)O

3
(PZT) đặc biệt thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên
cứu (do có độ phân cực tự phát và hiệu ứng áp điện lớn). Trên thế giới, đặc biệt là
các nước tiên tiến như Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, các nước Châu Âu… vật liệu
PZT đã có nhiều ứng dụng triển khai trong thực tế dưới dạng các sản phẩm thương
mại. Nhờ hiệu ứng áp điện thuận (bi
ến đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện)
và nghịch (biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ), các nhà khoa học đã chế
tạo thành công nhiều thiết bị cảm biến và tích hợp chúng trên các vi mạch hoặc các
mạch số [7, 20, 22]. Một trong các ứng dụng sử dụng vật liệu áp điện phải kể đến
cảm biến gia tốc áp đ
iện và cảm biến siêu âm được minh họa trên hình 1.8 và 1.9.

Hình 1.8. Cảm biến gia tốc áp điện Hình 1.9. Cảm biến siêu âm
1.3. Hiệu ứng từ-điện
Hiệu ứng từ-điện là hiện tượng vật liệu bị phân cực điện (P
E
) khi đặt trong từ
trường ngoài, hay ngược lại vật liệu bị phân cực từ khi có điện trường ngoài đặt vào
[6]. Đây là một hiệu ứng tích của hai hiệu ứng: hiệu ứng từ và hiệu ứng điện và
được đặc trưng bởi hệ số từ-điện
α
E
= dE/dH.
Hiệu ứng từ-điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời
cả hai pha sắt từ và sắt điện. Đây là một hiệu ứng mới và đang được nghiên cứu
mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây [10, 11]. Vật liệu có hiệu ứng từ-
điện có thể được chia thành hai loại: (i) vật liệu đơ
n pha và (ii) vật liệu tổ hợp.

12
Trong đó, vật liệu dạng đơn pha bộc lộ nhiều hạn chế như hệ số từ-điện thấp
α
E
∼ 1 ÷ 10 (mV/cmOe) so với các yêu cầu ứng dụng vì hầu hết các vật liệu đó chỉ
làm việc ở nhiệt độ rất thấp do nhiệt độ Néel và nhiệt độ Curie thấp hơn nhiệt độ
phòng [13, 21]. Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này được chế tạo đều dựa
trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn đến sự hình
thành một số pha phụ làm giảm tính chấ
t từ-điện của vật liệu.
Hiệu ứng từ-điện lớn nhất được tìm thấy trên vật liệu tổ hợp dạng tấm gồm vật
liệu từ giảo Terfenol-D dạng khối và vật liệu áp điện PZT dạng tấm (hình 1.10a).
Hệ số từ-điện trên hệ vật liệu này
α
E
= 10300 (mV/cmOe) được công bố bởi J. Ryu
và các đồng nghiệp [10, 11]. Tuy nhiên, để đạt được hiệu ứng lớn như vậy thì cần
phải có một từ trường ngoài rất lớn
μ
ο
H ∼ 500 mT tác dụng. Từ trường này chỉ có
thể đạt được bằng một nam châm điện được nuôi bằng một nguồn cao áp. Do vậy,
khả ứng dụng được vật liệu này trong hệ vi cơ là rất hạn chế. Điều này có thể được
lý giải là do để bão hòa được pha từ giảo từ giảo Terfenol-D cần phải có một từ
trường rất lớn. Để khắc phục h
ạn chế này, nhóm Nersessian và các đồng nghiệp đã
cố gắng giảm từ trường điều khiển trên vật liệu tổ hợp hai pha này bằng cách sử
dụng vật liệu từ giảo Terfenol-D micrô dạng hạt nhân tạo thay vì dạng tấm [15].
Vật liệu từ giảo dạng hạt đã được tạo ra từ các hạt Terfenol-D có kích thước

khoảng 300 μm phân tách nhau trên nền nhựa Vinyl ester resin (hình 1.10b). Bằng
phương pháp kết dính, v
ật liệu tổ hợp chế tạo được cho hệ số từ-điện cao
α
E
= 2700 (mV/cmOe) tại từ trường nhỏ hơn rất nhiều
μ
ο
H ∼ 70 mT. Một dạng vật
liệu tổ hợp có hiệu ứng từ-điện cao trong từ trường thấp phải kể đến cấu trúc dạng
màng đa lớp (hình 1.10c). Trong số các dạng vật liệu tổ hợp thì phải kể đến vật liệu
dạng màng đa lớp cấu tạo bởi các lớp từ và áp điện được lắng đọng xen kẽ nhau
nhau. Trong đó, cho đến th
ời điểm hiện tại, vật liệu tối ưu nhất cho hệ số
α
E
= 1500
(mV/cmOe) tại từ trường rất nhỏ
μ
ο
H ∼ 10 mT đã được công bố trên vật liệu dạng
màng đa lớp {NiZnFeO/PZT}
n
chế tạo bằng phương pháp tape casting [8].
Do đặc điểm công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể sản xuất và
ứng dụng hàng loạt với qui mô lớn nên trong nghiên cứu của mình, chúng tôi tiếp
tục triển khai nghiên cứu trên hệ vật liệu tổ hợp dạng tấm bằng phương pháp kết
dính. Ở đây, thay vì s
ử dụng vật liệu từ giảo dạng khối, chúng tôi đã sử dụng các

13
băng từ (Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
với hi vọng tính mềm từ giảo vượt trội của các băng
từ này sẽ cho nhiều hiệu ứng lý thú trong vùng từ trường thấp nhằm định hướng
ứng dụng trong các linh kiện micro/nanô và sensơ đo từ trường độ nhạy cao.

Hình 1.10. Các vật liệu tổ hợp từ-điện: (a) dạng hạt, (b) dạng màng đa lớp và
(c) dạng tấm.

14
Chương 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Một số quá trình thực nghiệm đã được thực hiện trong khóa luận này bao gồm
các quá trình chế tạo và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, tính chất từ, từ giảo và hiệu
ứng từ-điện của vật liệu nghiên cứu sẽ được giới thiệu trong trong chương này.
2.1. Chế tạo mẫu
2.1.1. Chế tạo băng từ FeCoBSi bằng phương pháp nguội nhanh
Phương pháp nguội nhanh (melt-spun hay melt-spinning) là m
ột phương pháp
rất phổ biến để chế tạo các hợp kim vô định hình và nanô tinh thể ở dạng băng
mỏng. Qui trình chế tạo băng (Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
sử dụng phương pháp này
thực hiện tại Phòng thí nghiệm từ học, Trường Đại học Tổng hợp Rouen, CH Pháp
có thể mô tả ngắn gọn như sau (xem hình 2.1).

(i) Cân hợp kim bao gồm các nguyên tố Fe, Co, Si, B theo hợp thức danh định
(có tính đến sự bù trừ các thành phần dễ bị ôxi hóa và bay hơi).
(ii) Chế tạo hợp kim dạng khối đồng nhất từ hỗn hợp các kim loại trên bằng
phương pháp lò cao tần trong môi trường chân không cao.
(iii) Sau đó, hợp kim được đưa vào bên trong một ống thach anh, phần dưới
của ống có một khe hẹp cho phép hợp kim khi bị nóng chảy dưới dạng lỏng có thể
chảy qua khe. Ống thạch anh có chứa hợp kim được đưa vào lò cảm ứng cao tần
trong môi trường bảo vệ (môi trường khí Ar, áp suất 200 mbar). Dùng lò cao tần
nấu chảy hợp kim, ở phía dưới khe của ống thạch anh, có đặt một trống đồng quay
vớ
i tốc độ cao (20 m/s). Khi nhiệt độ trong lò cao tần lên đến T
nc
=1130 °C, hợp
kim bị nóng chảy và được phun lên bề mặt trống đồng qua khe hẹp. Ở đây, bề mặt
trống quay với tốc độ cao chính là tác nhân thu nhiệt nhanh của dòng hợp kim lỏng,
làm cho hợp kim bị làm nguội với tốc độ nguội cực nhanh tới hàng triệu độ một
giây (10
6
K/s) cho ra dưới dạng các băng mỏng có chiều dày t = 30 μm và chiều
rộng 8 mm với cấu trúc giữ được nguyên trạng thái giống như chất lỏng (trạng thái
vô định hình).


15

Hình 2.1. Quy trình chế tạo băng vô định hình bằng phương pháp nguội nhanh.
2.1.2. Xử lý nhiệt
Với mong muốn tăng cường hiệu ứng từ-điện trên tổ hợp vật liệu các băng từ
sau khi chế tạo được ủ nhiệt với các nhiệt độ khác nhau. Phương pháp ủ nhiệt cho
băng từ được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu. Các băng từ được ủ trong điều

kiện khí trơ, với áp su
ất thấp trong vòng 30 phút, tại các nhiệt độ ủ T
a
= 250 °C,
350 °C và 450 °C.
2.1.3. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ-điện
Vật liệu tổ hợp từ-điện dạng tấm được chế tạo bằng phương pháp kết dính sử
dụng keo để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ (Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
chế
tạo được. Sơ đồ minh họa cấu trúc của mẫu vật liệu tổ hợp được minh họa trên hình
2.2.


16

Hình 2.2. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ-điện
FeCoBSi/PZT/FeCoBS, và ảnh chụp sau khi chế tạo
Trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện PZT (Pb,
Zr, Ti) dạng tấm chiều dày
t
PZT

= 250μm mang số hiệu APCC-855 được cung cấp
bởi công ty của Mỹ (American Piezoceramics Inc., PA, USA) [3]. Tấm áp điện sau
khi tạo kích thước phù hợp đã được phủ lớp điện cực mỏng bằng Ag vào hai mặt
trên và dưới và đã được phân cực với véc tơ phân cực
P
E
hướng vuông góc với mặt
phẳng mẫu. Thế hiệu lối ra từ vật liệu tổ hợp được đo qua hai dây điện cực bằng
đồng nhỏ gắn trên 2 mặt của tấm áp điện nhờ keo dẫn Ag (Silve paint). Ngoài cấu
hình trên chúng tôi còn khảo sát với các cấu hình khác. Trong cùng một cấu hình
vật liệu chúng tôi lần lượt khảo sát với các băng từ có cấu trúc hạt tinh thể nanô
khác nhau.
2.2. Đ
o từ giảo bằng phương pháp quang
Từ giảo của các băng từ (Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
được khảo sát sử dụng hệ đo
từ giảo màng mỏng tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Khoa Vật lý, Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên. Nguyên lý đo của phương pháp này dựa trên hiện tượng phản
xạ quang học: tia phản xạ sẽ bị đổi phương khi mặt phản xạ bị uốn cong. Dựa vào
độ lệch của tia phản xạ ta có thể tính đượ
c độ uốn cong của mẫu. Đối với các băng

vô định hình nghiên cứu, để có thể sử dụng được phương pháp này, chúng tôi đã
dán băng lên một tấm Si với mặt phản xạ hướng lên trên (hình 2.3).


17

Hình 2.3. Cấu trúc mẫu băng từ dán trên tấm Si trong phép đo từ giảo bằng
phương pháp phản xạ quang học.
Từ giảo của băng (Fe
0.8
Co
0.2
)
0.78
Si
0.12
B
0.1
do có liên kết với tấm Si (không có
từ tính) nên khi có tác dụng của từ trường ngoài, hiện tượng biến dạng của hệ này
không thể hiện bởi biến dạng tuyến tính
(
Δ
l/l) như các vật liệu dạng khối, mà thể
hiện bởi hiệu ứng uốn cong. Khi tác dụng một từ trường theo phương Ox, biến
dạng của mẫu xảy ra theo 2 phương Oy và Oz là ngược nhau. Nếu mẫu có dạng dài
theo trục Ox, tức là
l << L, có thể xem sự biến dạng của mẫu chỉ xảy ra theo
phương Oz. Khi đó độ uốn cong của mẫu được dặc trưng bởi góc lệch
α

giữa mặt
phẳng mẫu khi không chịu tác dụng của từ trường ngoài và khi có từ trường ngoài
(hình 2.4). Từ giảo của mẫu sẽ được xác định thông qua góc lệch
α
. Ảnh chụp hệ
đo và sơ đồ hệ đo từ giảo bằng phương pháp quang được đưa ra trên hình 2.4.
Nguyên lý hoạt động của hệ đo này được mô tả ngắn gọn như sau: tia sáng
laser từ nguồn laser tới đập vào lăng kính phản xạ toàn phần bị đổi hướng đi xuống
gặp bề mặt mẫu cho tia phản xạ đi lên gặp gương phản xạ, bị
đổi hướng lần thứ hai
đi vào detector là một photodiode array. Khi chưa có từ trường ngoài đặt vào, ánh
sáng tới detector ở một vị trí
B xác định tương ứng cho ta một thế hiệu U
B
xác định.
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, do mặt phẳng mẫu bị uốn cong nên ánh sáng
đến detector tại điểm
C cho thế hiệu U
C
tương ứng với một độ dịch chuyển D. Đo
độ thay đổi của thế
ΔU = U
C
– U
B
suy ra được độ dịch chuyển D trên detector. Từ
độ dịch chuyển
D ta có thể xác định được góc lệch α theo công thức (2.1) trong đó
h
+ l là tổng quãng đường đi của tia sáng từ bề mặt mẫu tới detector.