Ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2 tới trạng thái bề mặt, thành phần, cấu trúc, tính chất từ và tỷ số từ tổng trở khổng lồ của dây hai lớp hệ thủy tinh cop

ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ NAH
2
PO
2
TỚI TRẠNG THÁI BỀ MẶT,
THÀNH PHẦN, CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ TỶ SỐ
TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ CỦA DÂY HAI LỚP HỆ THỦY TINH/ COP
Phạm Văn Hào
1

Mai Thanh Tùng
2

Nguyễn Hoàng Nghị
3


Vật liệu có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto Impedance - GMI)
dạng dây micro được chế tạo bằng công nghệ điện hóa tỏ ra có những ưu điểm vượt
trội khi khắc phục được những hạn chế của vật liệu dạng băng được chế tạo bằng
phương pháp nguội nhanh. Chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo dây CoP hệ thủy tinh
bằng phương pháp mạ hóa học. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lớp mạ CoP như
nồng độ các chất trong dung dịch, độ pH, nhiệt độ, đặc biệt là ảnh hưởng của nồng
độ NaH
2
PO
2
.

1. Giới thiệu
Nhiều hiện tượng vật lí đã được quan sát trong vật liệu từ mềm, đặc biệt là vật liệu từ vô định

hình và nanô tinh thể. Một trong những hiện tượng vật lí, đó là sự thay đổi mạnh tổng trở cao tần
Z

của dây dẫn từ tính khi có dòng xoay chiều đi qua và đặt trong từ trường một chiều ngoài yếu (vài Oe;
1Oe

80A/m). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto Impedance
- GMI).
Đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi tổng trở là tỷ số từ tổng trở
MIr
(Magnetoimpedance
Ratio):

%100
)(
)()(
x
Z
ZZ
MIr
MAX
MAX
H
HH




)(H
Z

là tổng trở của vật liệu tại từ trường
H
,
)(
M AX
H
Z
là trổng trở của vật liệu tại từ trường
MAX
H
.[1, 2]
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI) là một dạng khác của hiệu ứng cảm ứng từ và được biết
đến như là sự thay đổi mạnh tổng trở
Z
của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài
H

và dòng điện tần số cao. Cơ chế hiệu ứng GMI mang bản chất điện từ và có thể được giải thích bằng
lý thuyết động lực học cổ điển. Theo L. V. Panima, bản chất điện từ của hiệu ứng MI là sự kết hợp
giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ thẩm từ hiệu dụng (
eff

) của dây dẫn và từ trường
tương ứng với sự chuyển động vòng của các momen từ trong cấu trúc domain đặc biệt.

1
Trường ĐHSP Hà Nội 2
2
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
3

Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Bề mặt
Xúc tác
Bề mặt
Xúc tác
Khi trong quá trình mạ hoá học xảy ra, ion phức kim loại ML
m
n+
sẽ khử thành nguyên tử kim
loại M, đồng thời chất khử R bị oxi hoá thành dạng O
n+
. Các phản ứng này có bản chất giống như
phản ứng điện hoá. Nó gồm các phản ứng catot và anot riêng biệt xảy ra đồng thời trên cùng một bề
mặt nền.[1-4]
Các phản ứng tổng quát diễn ra trong quá trình mạ hoá học CoP:

Co
2+
+ Na(H
2
PO
2
) + HOH Co + 2H
+
+ NaH(HPO
3
)

(H

2
PO
2
)
+
+ OH P + H
2
O + OH
-



2. Thực nghiệm
Chuẩn bị:



Thành phần dung dịch và chế độ mạ:
TT
Tên
Nồng độ
1
CoSO
4
.7H
2
O
24 g/l
2
NH

4
SO
4

40 g/l
3
Citrate
80 g/l
4
pH
8,5
5
Nhiệt độ
80 - 90
o
C
6
NaH
2
PO
2

10-50g/l

3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaH
2
PO
2
tới trạng thái bề mặt của lớp mạ CoP

(a) (b)
(c) (d)
(e)
§o EDS §o EDS
§o EDS
§o EDS
§o EDS
10-50g/l
6
NaH
2
PO
2

Hoạt hóa
Mạ hóa học
Sấy khô
Nhạy hóa
Xâm thực

Các kết quả cho thấy màng CoP đã bám đều trên mặt đế. Khi nồng độ NaH
2
PO
2
tăng dần lên thì
độ nhám bề mặt màng cũng tăng dần lên.
Kết quả này được giải thích, do tăng nồng độ H
2
PO
2
mà nồng độ P cũng tăng, theo phản ứng:
(H
2
PO
2
)

-
+ H (bề mặt xúc tác)

P + H
2

O + OH
-
(1.18)
Và cũng do đó mà nồng độ khí H
2
tăng lên, bám vào bề mặt đế, làm tăng độ nhám bề mặt:
H + H

H
2


(1.19)
Qua các kết quả thu được, ta thấy bề mặt của màng tuy có những khuyết tật nhưng không có
khuyết tật lớn như vết nứt, gãy Điều này có thể làm ảnh hưởng tới kết quả GMI.





3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng NaH
2
PO
2
tới thành phần hợp kim CoP

Hình 3.1. Ảnh SEM các dây CoP kết tủa hóa học trong các dung dịch có nồng độ
NaH
2
PO
2
khác nhau. (a) 10g/l, (b) 20g/l, (c) 30g/l, (d) 40g/l, (e)50g/l (Thời gian
mạ 10 phút, bề dày màng 10 )
a
e
d
c
b








Nhận thấy, đã có Co va P bám vào mặt đế, hàm lượng P tăng dần khi tăng nồng độ NaH
2
PO
2
.
3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng NaH
2
PO
2

cấu trúc hợp kim CoP
Nhằm nghiên cứu cấu trúc pha của hợp kim CoP, các màng CoP được kết tủa lên các tấm Cu, lý
do là các dây thủy tinh phủ CoP cho tín hiệu rất thấp, không đủ quan sát cấu trúc của màng CoP. Và
chúng ta có phổ nhiễu xạ tia X của dây hai lớp hệ thủy tinh CoP trong hình 3.4.







Hình 3.3. Phổ nhiễu xạ tia X của dây hai lớp hệ thủy tinh CoP từ các dung dịch có hàm
lượng NaH
2
PO
2
khác nhau
Từ phổ nhiễu xạ tia X, nhận thấy rằng cấu trúc của lớp mạ CoP là cấu trúc bán vô định hình
3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaH
2
PO
2
tới tính chất từ của hợp kim CoP
Với thiết bị từ kế mẫu rung, ta nghiên cứu tính chất từ của hợp kim CoP:

35 40 45 50 55 60
0
200
400
600
800
1000
1200
Cu <111>
Cu <200>
Co <111>
Co <200>
Intensity
2 theta
-15 -10 -5 0 5 10 15
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
(b)
Hc=5.02e
P = 9 wt%
M (memu)
Magnetic field (kOe)

-15 -10 -5 0 5 10 15
-100
-50
0
50
100
(a)
Hc=78 Oe
P 2 wt%
M (memu)
Magnetic field (kOe)











Hình 3.4. Đường cong từ trễ VSM của các dây hai lớp
CoP hệ thủy tinh có nồng độ NaH
2
PO
2
khác nhau:
a) 10g/l b) 20g/l c) 30g/l d) 40g/l e) 50g/l

Kết quả cho thấy lực kháng từ H
c
tương đối nhỏ, giảm dần khi nồng độ tăng dần, điều này hoàn
toàn phù hợp với lý thuyết. Trong các hợp kim vô định hình, phân tử mang là các nguyên tử kim loại
chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, hay Mn, Các nguyên tử phi từ tính làm ổn định trạng thái vô định hình
như P, B, C, Si,
3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng NaH
2
PO
2
tới tỷ số GMI của hợp kim CoP
Tỷ số GMI phụ thuộc vào tần số theo biểu thức:
%100
)(
)()(
x
HZ
HZHZ
MIr
MAX
MAX




),( HffAz
eff



Với kết quả đo tỷ số GMI của hợp kim COP được thể hiện trên hình 3.5:








-300 -200 -100 0 100 200 300
0
40
80
120
160
200
240
f= 4.5MHz
GMIr (%)
H(Oe)
0 g/l
20 g/l
30 g/l
40 g/l
50 g/l
-15 -10 -5 0 5 10 15
-10
-5
0
5

10
(e)
Hc = 4 Oe
P = 13.2 wt%
M (memu)
Magnetic field (kOe)
-15 -10 -5 0 5 10 15
-50
-25
0
25
50
(d)
Hc = 1.9 Oe
P= 12 wt%
M (memu)
Magnetic field (kOe)
-15 -10 -5 0 5 10 15
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
(c)
Hc = 1.9Oe
P = 14 wt%

M (memu)
Magnetic field (kOe)

Hình 3.5. Tỷ số GMI của hợp kim CoP với các dung dịch
có hàm lượng NaH
2
PO
2
khác nhau









Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ H
2
PO
2
đến tỷ số GMI
Mối liên hệ giữa tỷ số GMI và hàm lượng NaH
2
PO
2
được biễu diễn cụ thể trong hình 3.7:
Trong các kết quả hình 3.6 này, một điểm đáng chú ý là một số các trường hợp có hiện tượng
tách đỉnh. Hiện tượng tách đỉnh này được giải thích do nguyên nhân hướng từ hóa tạo góc với phương

từ trường ngoài, hiện tượng này ít xảy ra đối với vật liệu dạng băng có phương từ hóa trùng với
phương từ trường.
Tỷ số GMI đạt giá trị lớn khi nồng độ NaH
2
PO
2
khoảng 30 g/l. Trong dung dịch mà nồng độ
NaH
2
PO
2
bằng không có giá trị MIr
max
= 0. Khi thêm P, nồng độ NaH
2
PO
2
= 20g/l, ta thấy tỷ số
MIr
max
=100%. Nhưng khi tăng hàm lượng NaH
2
PO
2
quá 30g/l thì tỷ số này lại giảm. Từ các hình 3.6,
ta nhận thấy khi tăng hàm lượng NaH
2
PO
2
hoặc tăng thời gian mạ thì tỷ số MIr giảm. Kết hợp với các

kết quả VSM, ta nhận thấy rằng, khi lực kháng từ H
c
càng nhỏ thì tỷ số MIr càng lớn, điều này phù
hợp với lý thuyết. Sự thay đổi H
c
làm thay đổi độ từ thẩm, dẫn đến tổng trở Z thay đổi và do đó tỷ số
MIr thay đổi.
4. Kết luận
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
- Dây từ hai lớp CoP hệ thủy tinh có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ có thể được chế tạo bằng
phương pháp mạ hóa học.
- Thành phần, cấu trúc, tính chất từ và tỷ số MIr của dây hai lớp CoP hệ thủy tinh phụ thuộc
vào rất nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố cơ bản là hàm lượng NaH
2
PO
2
trong dung dịch mạ. Trong
bài báo này, mối liên hệ giữa: hàm lượng NaH
2
PO
2
trong dung dịch mạ, thời gian mạ và hiệu ứng
GMI đã được làm sáng tỏ
- Chế độ tối ưu đạt tỷ lệ MIr lớn nhất với nồng độ NaH
2
PO
2
= 40g/l và thời gian mạ là 1 phút.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60
Hµm l-îng H2PO2 (g/l)
Tû sè MIr MAX (%)
1. Bùi Xuân Chiến, “Nghiên cứu vật liệu từ cấu trúc nanô dạng hạt có hiệu ứng từ điện trở
khổng lồ (GMR) chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh”, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Đại học Bách
Khoa Hà Nội, 2007
2. Chu Văn Thuấn, “Chế tạo dây Cu/FeNi có hiệu ứng từ tổng trở (MI) cao bằng kỹ thuật điện
kết tủa”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2006.
3. Mai Xuân Dương, “Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim vô định hình-nano tinh
thể”, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1999.
4. Bui Thi Khanh Nhung, “Investigation of giant magnetoimpedance effect in electrodeposited
Cu-CoP wires”, Master thesis of materials science, Hanoi university of technology, 2006.
5. Trần Minh Hoàng, Công nghệ mạ điện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1998.
6. Mai Thanh Tùng, Mạ hóa học NiP trong dung dịch hypophotphit: ảnh hưởng của các thông
số đến tốc độ mạ, Tạp chí Hóa học và ứng dụng, 4 (2005) 32-35.
7. P. Ripka and L.Kraus, “Magnetoimpedance and Magnetoinductance” in Magnetic Sensors
and Magnetometers, P. Ripka, Ed. Norwood, MA:Artech House, (2001), pp. 350-358.
8. Sh. Alirezaei, S.M. Monirvaghefi, M. Salehi, A. Saatchi, „„Surface and coating technology‟‟
184 (2004) 170-175.

THE INFLUENCE OF NAH
2
PO
2

CONCENTRATION ON THE STATUS OF THE
SURFACE, INGREDIENT, MAGNETIC PROPERTY AND THE RATIO OF GIANT
MAGNETO IMPEDANCE OF TWO LAYERS GLASS SYSTEM
Pham Van Hao, Mai Thanh Tung, Nguyen Hoang Nghi

Abstract
Material with Giant Magneto Impedance - GMI effect as wireless microphones manufactured
by electrochemical technology has shown outstanding strength while overcoming the limitations of
the material as with the processing created by rapid cooling method. We studied how to manufacture
COP line as glass system by chemical plated method. There are many factors affecting the plate of
COP such as concentration of substances in solution, pH, temperature, especially the influence of
concentration NaH
2
PO
2
.