Hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp áp điện băng từ mềm vô định hình fe76 5 x crx b10 si 13,5 ( x = 0,2,4)

HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP:
ÁP ĐIỆN/ BĂNG TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH Fe
76.5-x
Cr
x
B
10
Si
13,5
( x = 0;2;4)
Lê Khắc Quynh
1

Bùi Mạnh Tuấn
2

Đỗ Thị Hương Giang
3

Nguyễn Hoàng Nghị
4


Bài báo giúp người đọc thấy được hiệu ứng từ-điện trên vật liệu tổ hợp dạng
tấm: PZT/ Fe
76.5-x
Cr
x
B
10
Si

13,5
( x = 0;2;4). Kết quả cho thấy, hệ số từ điện α
E
(=dE/dH) phụ thuộc mạnh vào việc thay thế các nguyên tố tạo pha Vô định hình. Vật
liệu có hiệu ứng từ điện cao trong vùng từ trường thấp cho phép ứng dụng chế tạo
Sensor phát hiện từ trường nhỏ microtesla và cảm biến sinh học nhằm phát hiện các
hạt từ.

1. Giới thiệu
Hiệu ứng từ-điện là hiện tượng vật liệu bị phân cực điện (P
E
) dưới tác dụng của từ trường
ngoài (H
DC
) 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 có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
Sensor đo từ trường, BioSensor,…Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên vật liệu tổ hợp tồn tại
đồng thời cả hai pha từ giảo và áp điện. Hệ số từ điện lớn nhất α
E
= 10300mV/cm.Oe tại từ trường
5000Oe, được công bố bởi Ryu và các cộng sự trên vật liệu tổ hợp sử dụng vật liệu áp điện là tấm
PZT (Pb(Mn
1/3
Nb
2/3
)O
3
-PbTiO
3
) và vật liệu từ giảoTerfenol-D dạng tấm bằng phương pháp kết

dính[4]. Các nghiên cứu cho đến nay chủ yếu tập trung vào việc tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ điện
cao trong vùng từ trường thấp. Gần đây, Srinivasan đã thành công trong việc chế tạo vật liệu dạng
màng đa lớp NiZnFeO/PZT bằng phương pháp Tape casting. Vật liệu này cho hệ số từ điện α
E
=
1500mV/cm.Oe tại từ trường thấp100Oe[3]. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là công nghệ
chế tạo phức tạp, giá thành sản phẩm cao.
Băng từ ở dạng vô định hình được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh dựa trên nền Fe
chiếm 70% đến 80%, phần còn lại là các nguyên tố tạo pha “glass-forming elements” (B, Si, Cr,
Nb…) là vật liệu được biết đến với các tính chất: tính dị hướng từ theo mặt phẳng băng; tính chất từ
siêu mềm thể hiện bằng các thông số như từ độ bão hòa (M
S
) cao tại từ trường (H
S
) nhỏ, hệ số từ giảo
bão hòa thấp (λ
s
 10
-6
)[2]. Mặc dù, hệ số từ giảo bão hòa thấp nhưng nhờ tính chất từ siêu mềm nên
băng từ lại cho tính mềm từ giảo hay độ cảm từ giảo cao (dλ/dH 10
-2
). Điều này sẽ dẫn đến, vật liệu
tổ hợp từ giảo/áp điện cho hiệu ứng từ điện cao trong vùng từ trường điều khiển thấp. Trong nghiên
cứu của mình, chúng tôi chọn cách tiếp cận vật liệu theo hướng của Ryu. Ở đây, vật liệu từ giảo được
chọn là băng từ mềm Vô định hình(VĐH) nền Fe với thành phần danh định: Fe
76.5-x
Cr
x
B

10
Si
13,5
(x =

1
Trường ĐHSP Hà Nội 2
2
HVCH, K12, Trường ĐHSP Hà Nội 2
3
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội
4
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

0;2;4). Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phụ thuộc mạnh của tín hiệu từ-điện vào thành phần Cr thay
thế cho Fe cũng như tính chất từ, tính mềm từ giảo của vật liệu băng. Kết quả nghiên cứu được mở ra
một số hướng ứng dụng khả thi.
2. Thực nghiệm, kết quả và thảo luận
2.1. Chế tạo mẫu và hệ đo
Băng từ có cấu trúc VĐH FeCrBSi với chiều dày cỡ 20 μm, kích thước mặt băng 5x5mm được
chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh. Vật liệu tổ hợp được chế tạo bằng phương pháp kết dính giữa
tấm áp điện PZT có chiều dày t = 250 μm (mang mã số APCC-855, USA) xen giữa các băng từ
FeCrBSi theo kiểu kẹp sandwich. Tấm PZT đã được phân cực theo phương chiều dày tấm. Do liên kết
cơ học giữa các lớp nên khi các băng từ biến dạng từ giảo dưới tác dụng của từ trường sẽ làm xuất
hiện ứng suất tác dụng lên tấm áp điện. Kết quả dẫn đến sự hình thành điện trường bên trong tấm PZT
và trên hai mặt của tâm sẽ xuất hiện một thế hiệu V
ME
= t.E. Đây là thế hiệu xoay chiều cảm ứng bởi
từ trường xoay chiều h
ac

= h
0
sin2πf
0
t (tạo bởi cuộn Helmholtz) được đặt trong từ trường một chiều
H
DC
tạo bởi một nam châm điện. Cuộn Helmholtz được nuôi bởi một máy phát chức năng (FG-202C
Function Generator). Biên độ của h
ac
có thể thay đổi từ h

= 0 đến 12 Oe với dải tần số từ f = 1 Hz đến
2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và phương các từ trường tác dụng có thể được thay đổi
nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ tấm áp điện được đưa vào bộ khuếch đại lock-in
(7265 DSP Lock-in Amplifier). Độ lớn và pha của tín hiệu V
ME
được hiển thị trên màn hình tinh thể
lỏng. Hệ số thế từ-điện

E
= dE/dH được xác định qua thế hiệu từ-điện lối ra V
ME
:
ME ME
E
ο
11dE dV V
dH t dH t h


  


2.2. Kết quả phân tích tính chất từ và tính chất từ-điện của các mẫu
Hình 1(a) là đường cong từ trễ tỉ đối M/M
S
của các băng FeCrBSi với các thành phần Cr khác
nhau. Ta thấy, tất cả các mẫu đều có H
C
rất nhỏ, nhỏ hơn 0,5Oe và tính chất từ rất khác nhau khi
thành phần Cr thay đổi. Sự có mặt của Cr đã cải thiện rõ rệt tính chất từ mềm của các băng từ, thể
hiện bởi đường cong trở nên dốc hơn và quá trình từ hóa dễ đạt bão hòa hơn. Đường cong dốc nhất,
cảm ứng từ bão hòa đạt được tại từ trường H
S
nhỏ nhất ứng với thành phần Cr cao nhất 4%. Như vậy,
hợp kim với Cr 4% cho tính chất từ mềm tốt nhất. Tính chất này sẽ giúp cho tín hiệu từ điện cực đại
(

E max
)trên vật liệu tổ hợp đạt được tại từ trường nhỏ nhất. Thật vậy, nhìn vào đồ thị hình 1(b) ta thấy
từ trường H
0
để hệ số từ điện đạt cực đại giảm từ 205Oe xuống còn 100Oe ứng với %Cr từ 0 đến 4%.
Điều đặc biệt là cũng tại từ trường 100Oe thì mẫu không có Cr

E
chỉ đạt cỡ 300mV/cmOe. Số liệu
thực nghiệm cho thấy, trên các hợp kim từ độ bão hòa M
S
giảm dần từ 190emu/g xuống còn

162emu/g khi %Cr tăng từ 0 đến 4%. Điều này có thể được giải thích là do Cr là nguyên tố không từ
nên sự thay thế Cr cho Fe sẽ làm “pha loãng” từ của băng dẫn đến sự giảm của từ độ. Chính sự giảm
của từ độ bão hòa làm cho hệ số từ điện cực đại giảm từ

E max
= 800mV/cm.Oe (0 %Cr ) xuống còn

E max
= 680mV/cm.Oe (4%Cr). Qui luật phụ thuộc

E max
vào từ trường trên các mẫu liên hệ rất chặt
chẽ với qui luật phụ thuộc của tính chất từ vào hàm lượng Cr như đã phân tích. Như đã biết, hiệu ứng
từ-điện phụ thuộc đồng thời vào cả độ lớn từ giảo và độ cảm từ giảo của pha từ trong vật liệu tổ hợp.
Sự thay thế Cr (nguyên tố không đóng góp từ giảo) cho Fe sẽ làm giảm hiệu ứng từ giảo của các băng
từ dẫn đến sự giảm độ lớn của hệ số 
E
. Tuy nhiên, sự thay thế này lại có tác dụng cải thiện đáng kể
tính chất từ mềm, tức là làm cho sự định hướng mômen theo phương từ trường ngoài xảy ra dễ dàng
hơn trong vùng từ trường thấp. Hiệu ứng từ giảo có bản chất do sự định hướng lại các mômen từ theo
phương từ trường ngoài và do đó sẽ xảy ra nhanh hơn. Như là hệ quả, hiệu ứng từ điện trong vùng từ
trường thấp của mẫu có Cr sẽ có hiệu ứng từ-điện lớn hơn trong mẫu không có Cr.

Hình 1. a) Đường cong từ trễ tỉ đối đo theo phương song song mặt phẳng của các băng
VĐH Fe
76,5-x
B
10
Si
13,5

Cr
x
(x = 0; 2; 4).
b) Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện 
E
vào từ trường H
DC
của các vật liệu tổ hợp
đo tại tần số cộng hưởng f = 2,2 kHz với từ trường xoay chiều cố định h
ac
= 2,5 Oe.

3. Một vài khả năng ứng dụng
3.1. Sensor đo từ trường độ nhạy cao
Một trong các khả năng ứng dụng quan trọng dựa trên hiệu ứng này của vật liệu tổ hợp là ứng
dụng chế tạo Sensor đo từ trường độ nhạy cao. Với hướng ứng dụng này thì độ nhạy của thế tín hiệu
lối ra S
H
= dV/dH là quan trọng nhất. Từ đồ thị hình 1(b) ta có thể tính toán được độ nhạy lớn nhất
tương ứng với mẫu 4%Cr khi sử dụng để chế tạo sensơ đo từ trường là S
H
= dV/dH = 0,75mV/ Oe.
Kết quả này khá lớn so với các kết quả đã công bố, nó mở ra khả năng ứng dụng tuyệt vời trong việc
chế tạo các đầu dò từ trường độ nhạy cao.

3.2. Chế tạo cảm biến sinh học (biochip) dựa trên hiệu ứng từ-điện
Việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai trò rất quan trọng trong ngành công
nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học. Các đầu
dò có các chức năng nêu trên gọi là các cảm biến sinh học. Thay vì nhận biết các phân tử sinh học
bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quang quang học hay laser, chúng ta có thể sử dụng

các sensơ dựa trên hiệu ứng từ - điện có thể nhận biết từ trường của các hạt từ và trực tiếp biến thành
các tín hiệu điện với giá thành rẻ. Đối với các cảm biến này, yêu cầu đặt ra là phải có độ nhạy cao để
phát hiện được các hạt từ có từ trường nhỏ. Với độ nhạy từ trường cao đặc biệt trong vùng từ trường
thấp, hiệu ứng từ - điện hoàn toàn có thể đáp ứng được. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi cũng
đã tiến hành nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu tổ hợp trong việc phát hiện các hạt từ để triển khai
ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học và đã đạt một số kết quả thành công bước đầu. Trên hình 2 là kết
quả thực nghiệm khảo sát tín hiệu điện áp lối ra của vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ nền FeBSi nghiên
cứu khi có mặt hạt nanô ferrit sắt từ NiFe
2
O
4
. Tín hiệu được ghi nhận trong 2 chu trình: tín hiệu nhỏ
tương ứng với quá trình nhỏ dung dịch có chứa hạt từ NiFe
2
O
4
solution (5 wt%) lên bề mặt của vật
liệu và tín hiệu lớn tương ứng quá trình hạt từ đã được lấy đi khỏi bề mặt vật liệu. Nhìn vào đường
cong này ta thấy khi có mặt hạt từ, vật liệu có thể cho một sự thay đổi tín hiệu lên tới 30 μV. Tín hiệu
ổn định và có độ lặp lại cao giữa các chu trình. Kết quả này khẳng định khả năng sử dụng vật liệu tổ
hợp sử dụng các băng từ chế tạo được để ứng dụng chế tạo các cảm biến sinh học. Việc sử dụng cảm
biến sinh học được đề xuất ở đây hứa hẹn nhiều thuận lợi so với các cảm biến huỳnh quang truyền
thống.






(a) (b)

Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm (a) và đường cong sự thay đổi tín hiệu thế áp điện V
ME

theo thời gian (b) của vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ mềm nền FeBSi phát hiện hạt
nanô từ NiFe
2
O
4
. Phép đo thực hiện tại từ trường làm việc H
o
= 50 Oe.
4. Kết luận
Các băng từ FeCrBSi với các thành phần Cr khác nhau thể hiện tính chất từ siêu mềm. Mặc dù
có hệ số từ giảo nhỏ nhưng bù lại độ cảm từ giảo lại lớn dẫn đến vật liệu tổ hợp từ giảo/ áp điện cho hiệu
ứng từ điện cao trong vùng từ trường thấp. Một số kết quả và ứng dụng nêu trên mới chỉ là nghiên cứu
ban đầu. Hy vọng hiệu ứng từ-điện dựa trên các băng từ mềm Vô định hình nền Fe cũng như việc tìm ra
các vật liệu thay thế mang lại hiệu ứng cao sẽ được nghiên cứu sâu rộng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đỗ Thị Hương Giang, Phạm Văn Thạch, Nguyễn Hữu Đức, Hiệu ứng từ - điện khổng lồ trên
vật liệu multiferroics PZT/FeCoBSi dạng tấm và ứng dụng chế tạo sensơ đo từ trường độ
nhạy cao, Báo cáo tại hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5,2007.
2. N.H. Duc and D.T. Huong Giang, J. Alloys Compounds. 449, 214-218 (2008)
3. Y.Fetisov, A. Bush, K. Kamentsev, A. Ostashchenko, G. Srinivasan, Sensors, 2004,
Proceedings of IEEE 3 (2004) 1106.
4. J.Ryu, A.V. Carazo, K.Uchinno, and H. E. Kim, J. Electroceramics, 7(2001) 17.



MAGNETOELECTRIC EFFECTS IN PIEZOELECTRIC/SOFT
MAGNETIC AMORPHOUS Fe

76.5-x
Cr
x
Bo
10
Si
13,5
( x = 0;2;4)
RIBBON COMPOSITES

Le Khac Quynh, Bui Manh Tuan, Do Thi Huong Giang, Nguyen Hoang Nghi

Abstract
The article presents Magnetoelectric effect in multiferroic laminates: PZT/ Fe
76.5-x
Cr
x
Bo
10

Si
13,5
( x = 0;2;4). The results show that the magnetoelectric coefficient α
E
(= dE/dH) depends on the
rest glass-forming elements substitution. High magnetoelectricty at low field make these composites
suitable for special applications such as smart sensors for detecting microtesla magnetic fields and
especially biosensor for magnetic label detection.