Nghiên cứu và chế tạo dây cop có hiệu ứng GMI, chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Më §ÇU
I. Lý do chọn đề tài
Ngày nay đất nước đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa.
Đòi hỏi sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật và phát triển
vật liệu đã trở thành vấn đề quan trọng trong phát triển kinh tế.
Vì vậy việc cung cấp cho sinh viên nói chung và sinh viên nghiên cứu vật
lý nói riêng các kiến thức cơ bản về các loại vật liệu và phương pháp chế tạo
là rất quan trọng.
Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng
dụng vật liệu từ vào khoa học kỹ thuật cũng như đời sống hằng ngày.
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI là một dạng của hiện tượng cảm
ứng từ. Bản chất của hiệu ứng này là sự thay đổi của tổng trở Z dưới tác dụng
của từ trường ngoài. Tuy nhiên trong thời kỳ đầu mới phát hiện, người ta thấy
sự thay đổi của tổng trở Z là không nhiều nên chưa thu hút được sự quan tâm
của các nhà khoa học.
Đến năm 1994, khi Beach và Panina phát hiện sự thay đổi rất lớn của
tổng trở dưới tác dụng của từ trường trong dây dẫn vô định hình nền Co.
Hiệu ứng này được quan tâm trở lại và được gọi là hiệu ứng từ tổng
trở khổng lồ.
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI được bắt đầu nghiên cứu từ năm
2001 đến nay tại phòng thí nghiệm vật lý kĩ thuật ĐHBK Hà Nội.
Bằng phương pháp điện kết tủa người ta có thể tạo ra những vật liệu có
hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI cao. Mục đích của phương pháp này là
để tăng thêm tính chất bề mặt vật liệu ban đầu cũng như là để bảo vệ chúng
khỏi tác động của môi trường bên ngoài.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

II. Mục đích nghiên cứu
1. Nâng cao hiểu biết, hiểu sâu sắc hơn các vấn đề về vật liệu từ,
một trong những vấn đề của vật lý hiện đại có nhiều ứng dụng
trong kỹ thuật.
2. Đây cũng là đợt tập dược nghiên cứu khoa học.
III. Nhiệm vụ nghiên cứu
1. Nghiên cứu hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI.
2. Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm nền Co có hiệu
ứng GMI cao bằng công nghệ điện kết tủa.
IV. Đối tượng nghiên cứu
1. Dây CoP.
2. Phương pháp điện kết tủa.
V. Phương pháp nghiên cứu
1. Đọc tài liệu trong và ngoài nước.
2. Tìm hiểu các bài nghiên cứu khoa học.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỔNG TRỞ KHỔNG
LỒ - GMI

1. Hiệu ứng tổng trở khổng lồ ( Giant Magneto impedance effect – GMI )
1.1. Giới thiệu chung về hiệu ứng tổng trở khổng lồ
Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI ( Giant Magneto - impedance effect
- GMI ) là sự thay đổi mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng
của từ trường ngoài Hc và dòng điện cao tần có tần số . Để đặc trưng cho
hiệu ứng GMI, người ta đưa ra tỷ số GMIr được định nghĩa như sau:
GMIR 

Z ( H )  Z ( H max )
x 100%.
Z ( H max )

(1.0)

- Z(H): Từ tổng trở được đo ở từ trường H.
- Z(Hmax): Từ tổng trở đo ở điểm từ trường lớn nhất ( của hệ đo ).
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ mang bản chất điện từ. Nó là sự kết hợp
giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng (  eff) của
dây dẫn vào từ trường. Người ta quan sát thấy hiệu ứng GMI trong các vật
liệu từ siêu mềm như: Dây băng màng mỏng vô định hình và nano tinh thể...
Với tỷ số GMIr từ 100% đến 500% ở nhiệt độ phòng. Để tạo ra những vật
liệu có hiệu ứng GMI cao người ta sử dụng các phương pháp khác nhau như:
Nguội nhanh, bốc bay, quay phủ, điện kết tủa... Hiệu ứng này đã và đang mở

ra một hướng đi đầy triển vọng trong việc phát triển vật liệu từ.
1.2. Hiệu ứng tổng trở khổng lồ GMI
Khi cho dòng điện xoay chiều i = Ioeit chạy qua một mạch điện gồm
các thành phần điện trở, cảm kháng và dung kháng. Các thành phần này của

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

mạch điện cản trở chống lại dòng điện chính và được gọi là tổng trở của dây
dẫn. Để đi đến khái niệm tổng trở của một dây dẫn có từ tính, chúng ta xét các
quá trình xảy ra khi cho dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn có từ tính. Dòng
điện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trường vuông góc với dây dẫn có từ tính
( hình 1.1). Trong dây dẫn có từ tính xuất hiện một suất điện động cảm ứng
biến thiên do sự biến thiên của từ trường sinh ra bởi dòng điện chính i, suất
điện động cảm ứng này tạo ra dòng điện cảm ứng i' có chiều ngược với chiều
của dòng điện chính i. Dòng điện cảm ứng này có tác dụng chống lại dòng
điện chính cũng tương đương như sự cản trở của mạch điện RLC và được gọi
tổng trở của dây dẫn có từ tính.
Dòng điện cao tần i = Ioeit chạy trong
dây dẫn sinh ra một từ trường Ht quanh dây
dẫn. Từ trường Ht này từ hoá dây theo phương
ngang ( phương vuông góc với trục của dây
dẫn ) như hình (1.1) và có độ từ thẩm theo

i

Ht

i'

i=Ioe
t>>

Hình 1.1. Tổng trở
của dây dẫn có từ
tính.

phương ngang t. Khi ta đưa từ trường ngoài một chiều Hext song song với
trục của dây dẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hoá theo
phương ngang tức là thay đổi t. Và tổng trở của dây dẫn từ tính có dòng điện
xoay chiều tần số  chạy qua dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều
Hext đặt dọc theo trục của dây được xác định theo biểu thức sau:
Z = RdckaJo(k  )/2J1(k  ).

(1.1)

- Rdc là điện trở của dây dẫn.
-  là bán kính tròn của dây.
- J0 và J1 là các hàm Besel, và k= (1+j)/  .
-  là độ dày thấm sâu bề mặt.
Tại tần số cao ( k >>1 ), dạng gần đúng của các biểu thức Besel cho
phép ta tính tổng trở dưới dạng sau:

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Z=R + jX .

(1.2)

Với
 
R  X  Rdc 
 2 o


  r .


(1.3)

 o là độ dầy thấm sâu khi độ từ thẩm tương đối  r =1, và được tính theo

công thức sau:
o 

2

 o

.

(1.4)

Với  là điện trở suất và  là tần số góc của dòng điện xoay chiều đặt
vào dây dẫn.
Từ các biểu thức trên ta thấy tổng trở của một dây dẫn có từ tính phụ
thuộc vào: Bản chất của vật liệu làm dây dẫn, tần số của dòng điện đặt vào
dây dẫn, độ dầy thấm sâu bề mặt, sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào từ trường
ngoài. Để làm rõ bản chất của hiệu ứng tổng trở khổng lồ chúng ta đi xét các
yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ứng.
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ứng tổng trở khổng lồ
1.3.1. Ảnh hưởng của độ từ thẩm lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ
Độ từ thẩm của vật liệu là một hàm của từ trường H và tần số f, tùy
theo mỗi một loại vật liệu mà sự phụ thuộc đó là nhiều hay ít. Trong các vật
dẫn phi từ   1, từ trường tác động lên độ từ thẩm gần như không đáng kể,
có thể bỏ qua. Do do đó tổng trở của chúng chỉ thay đổi theo tần số. Nhưng
đối với các vật dẫn từ là các vật liệu từ mềm đặc biệt có độ từ thẩm rất lớn 
 105 ( vô định hình nền Co và nano tinh thể Fe ). Thì độ từ thẩm của nó thay
đổi mạnh theo từ trường và tần số (  = (H, f) ), kéo theo sự thay đổi mạnh
tổng trở khi từ trường và tần số thay đổi.
Do hiệu ứng bề mặt, dòng điện chủ yếu tập trung trên bề mặt của vật
dẫn một lớp mỏng  là nguyên nhân dẫn đến cấu trúc domain trong dây vô

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

định hình nền Co bao gồm 2 miền domain: Domain lớp vỏ và domain lõi
(hình 1-2).

Dòng xoay chiều

Domain lõi

Domain lớp vỏ

iac

HDC

Hình1.2. Cấu trúc domain của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay
chiều và từ trường một chiều.

Như vậy độ từ thẩm hiệu dụng eff bao gồm hai phần:
o (f, H) = wall (f, H) + rot (f, H).
Trong đó: o (f, H) là độ từ thẩm hiệu dụng.
wall (f, H) là độ từ thẩm do quá trình dịch vách domain.
rot (f, H) là độ từ thẩm do quá trình quay vec tơ từ độ.
f là tần số của dòng xoay chiều.
H là từ trường ngoài một chiều.
Qua mô hình trên thấy rằng khi từ trường H tăng, wall (f, H) giảm bớt
vì thành phần từ trong mỗi domain giảm khi momen từ hướng theo từ trường

ngoài. Ngược lại rot(f, H) tăng cùng với từ trường và tiến gần đến dị hướng

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Hk, sau đó giảm nếu từ trường tăng nữa bởi vì momen từ được gim theo
hướng từ trường ngoài.
Ở vùng tần số thấp quá trình dịch vách domain ở lớp vỏ chiếm ưu thế
hơn quá trình quay véctơ từ độ ở domain lõi. Ở tần số cao quá trình dịch vách
domain bị dập tắt bởi dòng xoáy, khi này đóng góp vào độ từ thẩm hiệu dụng
eff (f, H) chỉ do quá trình quay vectơ từ độ trong domain lõi của dây dẫn
dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều eff (f, H) = rot(f, H).
Hình (1.3) chỉ ra đường
cong GMI và các đường cong từ
hoá theo các trục ở tần số thấp
tương ứng. Đường cong từ hoá có
dạng vuông, có lực kháng từ nhỏ (
một vài A/m ), trục domain hướng
theo phương từ dễ và µo sinh ra
chủ yếu từ quá trình quay của
véctơ từ độ. Cùng với quá trình
tăng dần của từ trường tĩnh, độ từ
thẩm hiệu dụng µo giảm dần và do
đó kéo theo cả sự giảm dần của

GMIr. Tuy nhiên, khi xem xét
Hình 1.3.

trong vùng từ trường thấp, người ta

vẫn tìm thấy sự tồn tại của cấu trúc rất mịn, và trên thực tế, giá trị GMIr cao
nhất thường đạt tới tại giá trị lực kháng từ Hc

.

Trong trường hợp của dây có cấu trúc domain tròn ( còn được gọi là cấu
trúc bambô ), độ từ thẩm xuất hiện chủ yếu từ quá trình dịch vách domain.
Khi tăng từ trường tĩnh thì µo tăng lên do quá trình quay của véctơ từ độ theo
phương của từ trường tĩnh. Trên thực tế, độ từ thẩm do quá trình quay của véc

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

tơ từ độ µrot tăng cùng với quá trình giảm dần của độ từ thẩm µwall do quá
trình dịch vách domain. Giá trị độ từ thẩm lớn nhất đạt được tại thời điểm từ
trường tĩnh cân bằng với trường dị hướng Hk, đồng thời tại vị trí đó GMIr
cũng đạt giá trị lớn nhất.
Tương tự với từ trường tĩnh, ứng suất đặt vào cũng làm thay đổi độ từ
thẩm và do đó làm thay đổi tổng trở ( hình1.4 ). Hiện tượng từ giảo đóng vai

trò quan trọng trong quá trình xác định tỷ số GMI và có thể được tính toán từ
đường cong của trường dị hướng thay đổi theo ứng suất.

Hình1.4.

Nói tóm lại độ từ thẩm phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau như:
Bản chất của vật liệu, tần số, cấu trúc domain, tính dị hướng, ứng suất, và
kiểu từ hóa ( quá trình dịch vách domain hay quá trình quay véctơ từ độ )…
Do vậy hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũng phụ thuộc vào các yếu tố trên. Bằng
các kết quả thực nghiệm các nhà khoa học trên thế giới đã khẳng định được:
Hiệu ứng GMI đạt kết quả tốt nhất trong các vật liệu từ mềm vô định hình và
Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

nanô tinh thể có hệ số từ giảo gần như bằng 0 ( tính từ mềm tốt  lớn ), đồng
thời trên cùng một loại vật liệu từ mềm thì ứng với mỗi một tần số và quy
trình công nghệ chế tạo khác nhau thì hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũng khác
nhau.
1.3.2. Ảnh hưởng của độ dầy thấm sâu của bề mặt lên hiệu ứng tổng trở
khổng lồ
Như đã biết, đối với dòng điện một chiều thì mật độ dòng điện phân bố
đều trên tiết diện của dây dẫn. Nhưng đối với dòng điện xoay chiều đặc biệt là
với dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung nhiều ở lớp
mỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi dây

dẫn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt.
Mật độ của dòng điện cao tần giảm theo hàm mũ từ bề mặt dây dẫn vào
of

trong lõi ( j = joe- 2 t, t là chiều dày tính từ mặt ngoài của dây dẫn ). Đặc
trưng cho hiệu ứng bề mặt người ta đưa ra đại lượng  gọi là độ thấm sâu:
o 

2

 o

.

Trong đó  là điện trở suất của vật liệu, o là độ từ thẩm hiệu dụng của
vật liệu.
1.3.3. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt và từ nhiệt lên hiệu ứng tổng
trở khổng lồ

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Hinh 1.5.

Cấu trúc domain và hiệu ứng GMI có thể được thay đổi nhờ quá trình
xử lý nhiệt tạo ra các dị hướng từ đơn trục hoặc dị hướng tròn thông qua quá
trình ủ nhiệt có từ trường hoặc có ứng suất. Ảnh hưởng của dòng điện lên
hiệu ứng GMI được chỉ ra ở hình 2 với mẫu dây vô định hình được ủ trong
môi trường ứng suất. Tại mật độ dòng thấp, do chỉ xuất hiện chủ yếu là quá
trình dịch vách nên ở đường cong GMI có xuất hiện hiện tượng tách đỉnh. Khi
tăng dần mật độ dòng điện, hiện tượng tách đỉnh dần dần biến mất. Hiện
tượng trễ trong đường cong GMI có liên quan trực tiếp đến hiện tượng trễ
trong quá trình từ hoá, và từ trường bất thuận nghịch có thể được định nghĩa
là từ trường mà tại đó tính bất thuận nghịch của đường cong từ trễ và đường
cong GMI bị biến mất. Tính trễ bị khử dần do quá trình ủ nhiệt làm đồng nhất
tính chất từ của vật liệu. Do vậy tính trễ đang dần được loại bỏ trong hiệu ứng
GMI.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

1.4. Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI
Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng
dụng vật liệu từ vào khoa học kỹ thuật cũng như đời sống hàng ngày.
Nên ngay sau khi được tìm thấy vào năm 1994, có rất nhiều mô hình lý
thuyết được đưa ra nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng này. Một số mô hình
đã rất thành công với mục đích này, tuy nhiên mỗi mô hình toán học chỉ phù
hợp với mỗi dải tần số nhất định. Đồng thời có mô hình chỉ giải thích được

nguồn gốc của hiệu ứng GMI mà chưa nói lên được mối liên hệ giữa cấu trúc
domain, dị hướng từ và tỷ số GMI.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn. Nghiên cứu hiệu ứng tổng trở
khổng lồ - GMI trong vật liệu từ mềm giầu Co với giải tần số thấp ( 10 KHz
đến 10 MHz ) có một số mô hình toán học đã được tìm thấy có dải tần phù
hợp với dải tần nghiên cứu ( lớn hơn 10 KHz ) và dạng hình học của vật liệu.
Tuy nhiên, các mô hình này do xuất phát từ quá trình dẫn từ và hiệu ứng bề
mặt nên chỉ giải thích được nguồn gốc của hiệu ứng GMI và mối liên hệ giữa
cấu trúc domain, dị hướng. Còn quá trình từ hóa và các cấu trúc domain thành
phần trong các mô hình này vẫn chưa được khai thác triệt để. Chính vì vậy
một mô hình mới đã được đưa ra. Trong đó, mối quan hệ giữa cấu trúc
domain và quá trình từ hóa của chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ số GMI
được thể hiện. Mô hình này dựa trên mô hình của Squire dành cho quá trình
từ hóa và hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ mềm. Mô hình này có thể được sử
dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và vật dẫn có cấu trúc phẳng ( hai
cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng lượng khử từ ngang ). Với
dạng hình trụ, trường khử từ tròn là rất nhỏ do từ trường tròn xoay liên tục
duy trì. Với dạng phẳng, trường khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu.
Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách domain và qúa trình quay của
véctơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

cao tần gây ra. Hình (1.6) chỉ ra cấu truc domain và các góc được sử dụng
trong mô hình :

Hình 1.6. Mô hình giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI.

Mô hình này có thể được sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và
vật dẫn có cấu trúc phẳng ( hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng
lượng khử từ ngang ). Với cấu trúc hình trụ, sự có mặt của vécto từ độ theo
dạng vòng khép kín, trường khử từ tròn rất nhỏ. Với cấu trúc phẳng, trường
khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu. Mô hình này bao gồm cả quá
trình dịch vách domain và quá trình quay của vécto từ độ dưới tác dụng của từ
trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra.
Hình (1.6) thể hiện cấu trúc domain và các góc được sử dụng trong mô hình.
Xét mô hình dây bao gồm các domain vách 180º như hình vẽ trong đó: θ
là góc tạo bởi vách domain từ trường ngoài Hax và từ trường ngang Ht do
dòng điện sinh ra, vuông góc với vật dẫn, d là kích thước domain khi không
có từ trường ngoài và x là độ dịch chuyển của vách domain dưới tác dụng của
từ trường ngoài và từ trường ngang.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Trong mô hình này, mật độ năng lượng tự do cũng được cực tiểu hóa
nhằm xác định cấu trúc domain ( bao gồm vị trí của vách domain và góc quay

từ hóa ). Mật độ năng lượng tự do được xác định theo công thức sau:
U tot  U k  U Hax  U Ht  UW .

(1.5)

Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công
thức sau:
U K  K [ sin 2 1  (1   ) sin 2  2 ] .

(1.6a)

Với K là hằng số dị hướng. Thừa số  chỉ phần vật liệu được chiếm giữ
bởi các domain từ hóa dọc theo trục của từ trường đặt vào. U Hax là năng lượng
Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài đặt vào Hax:
U Hax   0 M S H ax [(1   ) cos(   2 )   cos(  1 )] .

(1.6b)
t

U Ht là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang H :
U Ht   0 M S H t [(1   ) sin(   2 )   sin(  1 )] .

(1.6c)

Và UW là năng lượng tĩnh từ phụ thuộc vào vị trí cấu trúc vách domain.
Năng lượng tĩnh từ cũng được thể hiện dưới dạng hàm bậc hai:
UW =  u2.

(1.6d)

Với u = x/d và  đơn vị đo độ cứng của vách domain. Đại lượng này
được sử dụng để chọn giá trị của moment góc 1 ,  2 , và vị trí của vách domain
tại vị trí có năng lượng cực tiểu tương ứng với từ trường Hax đặt vào và từ
trường ngang Ht = 0 do vậy phát hiện ra được những thay đổi mặc dù rất nhỏ
của các thông số trên dưới tác dụng của từ trường ngang nhỏ. Sự khác biệt
M giữa các quá trình từ hóa ngang với sự có mặt và không có mặt của từ

trường ngang cho phép tính được độ từ cảm ngang.
t 

Đào Thị Thanh Dung

M  2U tot
.

Ht
H 2 t

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Ở đây trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh chính
trong mối quan hệ giữa từ tổng trở và cấu trúc domain. Khía cạnh thứ nhất
được nhắc đến là mối quan hệ giữa quá trình từ hóa và hiệu ứng từ tổng trở.
Vấn đề này cũng đã được làm sáng tỏ thông qua kết luận dạng của đường
cong từ tổng trở GMI là một hàm phụ thuộc tần số của dòng điện kích thích.

Những nghiên cứu về độ từ thẩm cũng nhấn mạnh rằng quá trình dịch vách
domain cũng bị gim lại khá mạnh phụ thuộc vào dòng xoay chiều tại tần số
cao. Do đó, mô hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm ngang cho các
vật liệu mà tại đó lượng dịch chuyển vách domain do từ trường ngang gây ra
được làm cho nhỏ dần đi.
Khía cạnh thứ hai được nhắc đến trong mô hình này là mối quan hệ giữa
sự định hướng dị hướng trục dễ với GMI. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng
dạng của đường cong GMI phụ thuộc vào định hướng trục dễ.
Khía cạnh cuối cùng là sự phân bố về độ lớn của tính dị hướng lên hiệu
ứng GMI.
1.5. Hiên tượng tách đỉnh - lý thuyết dị hướng từ
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu hiệu ứng GMI, một số kết quả
quan sát được cho thấy có sự khác biệt ở đường cong GMI trong khoảng từ
trường nhỏ ( -50÷ 50 Oe ). Hiện tượng này làm đường cong tỷ số GMI có hai
điểm đạt giá trị lớn nhất - được gọi là hiện tượng tách đỉnh. Điều này gây hạn
chế trong việc ứng dụng các sensor đo và nhậy từ trường. Cơ chế của hiện
tượng tách đỉnh ở đường cong GMI liên quan đến tính dị hướng của mẫu
nghiên cứu và được giải thích theo mô hình sau:

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

GMIR

H

-HC

HC
o

Hình 1.7. Hình dạng đường cong GMI có hiện tượng tách đỉnh.

Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GMI liên quan đến tính
dị hướng của mẫu nghiên cứu và được giải thích theo mô hình sau:
Năng lượng của dây dẫn từ tính đặt
trong từ trường Hdc và có phương dễ từ
hoá hợp với phương từ trường một góc 
trong từ trường H (Hình 1.8):
E = K sin2K - MsHextsin(+K) MsHtcos(K+) .

Ht
Hext

K

Easy axis


Ms

I

(1.7)

Trong đó E năng lượng toàn phần
của hệ, K hằng số dị hướng của vật liệu
làm dây dẫn, K là góc hợp bởi phương dễ

Hình1.8: Mô hình dị hướng
giải thích hiện tượng tách
đỉnh của đường cong tỷ số.
GMI

từ hoá và phương của từ trường ngang Ht và  là góc giữa phương dễ từ hoá
và phương từ độ M của vật liệu.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là:

E
= 0.


(1.8)

Mặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:
Mt
2E
t =
=.
Ht
Ht2

(1.9)

Kết hợp các biểu thức (1.7), (1.8) và (1.9) ta xác định được:

t 

M s sin 2 (   K )
.
H K h sin 2 (   K )  cos(2 )



(1.10)



Trong đó HK = 2K/Ms ; h = Hext/HK.
Và do t = t + 1 nên t và t có cùng dạng đồ thị.
Theo (1.10) khi  và K nhỏ khoảng 5o thì đường cong được vẽ bởi (1.10)
sẽ xuất hiện hai đỉnh tại h = 1 hay Hext = HK = 2K/MS  HC, HC là lực
kháng từ của vật liệu. Và theo biểu thức (1.1) tính tổng trở Z của dây dẫn thì
ta cũng có đường cong tỷ số GMIR sẽ tách hai đỉnh ở Hc như được mô tả ở

hình (1.8).
1.6. Hợp kim phosphor - chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa
Hợp kim phosphor hiện nay được quan tâm đến khá nhiều do những tính
chất thú vị của nó. Người ta nhân thấy rằng, tính chất của hợp kim phosphor
điện kết tủa khá giống so với tính chất của hợp kim phosphor kết tủa hóa học.
Nguyên nhân của nó có thể được giải thích do thành phần của hợp kim này
bao gồm một phần nhỏ của nguyên tố phi kim loại.
Bề mặt của lớp kết tủa thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào hàm lượng của
phosphor có trong kết tủa. Với các lớp kết tủa chứa hàm lượng P nhiều hơn
2% có bề mặt rất mịn. Với các lớp kết tủa chứa hàm lượng P khoảng 5% có
bề mặt khá sáng và khi hàm lượng P đạt tới hơn 10 % thì bề mặt sáng bóng.
Để xác định cấu trúc của hợp kim người ta sử dụng phương pháp nhiễu
xạ tia X. Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên họ hợp kim phosphor cho

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

thấy hầu hết chúng có cấu trúc vô định hình và các thông tin khác thu được
khi nghiên cứu giản đồ nhiễu xạ là rất ít.
Qua quá trình xử lí nhiệt trong các hợp kim vô định hình xảy ra quá
trình tái kết tinh hình thành nên pha tinh thể. Giản đồ pha cân bằng của các
hợp kim Ni và Co chế tạo bằng phương pháp luyện kim thông thường xuất
hiện một số các pha trung gian. Phosphor hoà tan trong Co một lượng khoảng
vài chục %, cao hơn lượng phosphor cần thiết để hình thành một pha mới.

Tuy nhiên, không thể phát hiện sự có mặt nhiều hơn một pha trong hợp kim
phosphor. Vì vậy, có thể kết luận rằng các hợp kim là tồn tại ở dạng dung
dịch rắn giả bền hay trạng thái thuỷ tinh kim loại giả bền. Việc tăng cường độ
cứng của hợp kim bằng cách ủ nhiệt và phát triển cấu trúc hạt có thể phân bố
lại mật độ sai hỏng của dung dịch rắn không ổn định trong hợp kim cân bằng
hai pha.
Độ cứng của hợp kim phosphor thường cao hơn kim loại sạch. Độ
cứng của hợp kim phosphor nằm trong khoảng 350 - 700 VHN trong khi đó
đối với Ni và Co kết tủa bằng phương pháp truyền thống là khoảng 200 - 300
VHN - trong hợp kim Ni - P độ cứng không thay đổi nhiều theo thành phần P.
Điều này ngược lại trong hợp kim với Co. Khi được xử lí nhiệt độ cứng của
hợp kim tăng mạnh và có thể đạt được giá trị cực đại tại điều kiện thích hợp.
Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì độ cứng sẽ giảm.
Độ cứng của hợp kim phosphor ở nhiệt độ cao là rất kém và hoàn toàn
không có mối liên hệ nào giữa việc cứng hoá của hợp kim bởi quá trình ủ
nhiệt và độ cứng khi ở nhiệt độ cao. Điều này được giải thích bởi điểm nóng
chảy thấp khoảng 1000oC của hợp kim phosphor và với kim loại Co và Ni
tương ứng là 1455oC và 1495oC.
Hợp kim Co với 1% P và Ni với 2% P là bền và hơi dẻo. Khi tăng hàm
lượng P chúng trở nên yếu đi và giòn. Khi xử lí nhiệt hợp kim chứa hàm

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

lượng P cao tại 800oC càng làm kém đi độ bền và tăng tính giòn so với hợp
kim ban đầu.
Trong các vật liệu chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa thì độ bền kéo
có vai trò quan trọng. Với sự có mặt của P trong thành phần hợp kim chế tạo
bằng phương pháp điện kết tủa là nguyên nhân chính dẫn đến việc tăng độ
bền kéo. Ví dụ, với hợp kim điện kết tủa chứa khoảng 1- 2% P thì độ bền kéo
lớn hơn nhiều so với kim loại sạch Co – khoảng 2500kg/cm2. Tuy nhiên độ
bền kéo này dễ dàng nhận được với các hợp kim chế tạo với độ dày dưới
1mm và khi tăng độ dày lên thì sẽ dễ xảy ra hiện tượng đứt gãy tự phát. Độ
bền kéo của hợp kim điện kết tủa có thể bị giảm mạnh do một số nguyên nhân
như là sự có mặt của các thành phần hữu cơ trong quá trình chế tạo.
Khối lượng riêng (mật độ) của hợp kim với P phụ thuộc nhiều vào hàm
lượng P. Mật độ của hợp kim điện kết tủa giảm khi hàm lượng P tăng. Tuy
nhiên mật độ không thay đổi đáng kể khi xử lí nhiệt. Và mật độ của hợp kim
phụ thuộc tuyến tính theo hàm lượng P.
Hầu hết các hợp kim với P có tính chống ăn mòn cao đối với axít. Có
nghĩa là hợp kim P khá ổn định về mặt hoá học. Chẳng hạn như hợp kim
Ni-14%P ít bị ăn mòn bởi axít hơn hẳn so với Ni.
Hợp kim CoP có Hc thấp, co μ cao. Các tính chất điện từ của hợp kim
CoP phụ thuộc mạnh vào hàm lượng P.
1.7. Dây Cu/CoP
Do các nguyên nhân và khả năng ứng dụng được trình bày ở phần trên,
dây Cu/CoP đã được nghiên cứu, chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau
với mục đích làm sáng tỏ các đặc tính của chúng phục vụ các mục đích ứng
dụng.
Vào những năm 1970 các nhà nghiên cứu đã chỉ ra được vai trò quan
trọng của dị hướng từ của vật liệu ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI. Tuỳ theo

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

tính dị hướng từ của vật liệu mà đường cong GMI sẽ có 1 hoặc 2 peak. Vì vậy
các dây CoP có thể được sử dụng với các mục đích khác nhau. Và thật sự cần
thiết làm sáng tỏ nguồn gốc của tính dị hướng từ trong các dây vô định hình
CoP chế tạo bằng công nghệ điện hoá. J. Hungenberg và các cộng sự bằng
phương pháp sử dụng các điện cực catôt quay, đã đi đến kết luận rằng hệ điện
cực và catốt quay ảnh hưởng đến phương dễ từ hoá của dây CoP.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 2
THỰC NGHIỆM
Để tạo ra vật liệu có hiệu ứng GMI người ta có thể dùng các công nghệ
khác nhau như công nghệ nguội nhanh, bốc bay trong chân không, điện hóa,
lắng đọng hóa học, và một số phương pháp khác... Mỗi một phương pháp đều
có những ưu nhược điểm khác nhau, trong luận văn này để tạo ra vật liệu có
hiệu ứng GMI đã sử dụng phương pháp đó là phương pháp dùng công nghệ

điện kết tủa.
2.1. Quá trình điện kết tủa
Quá trình điện kết tủa là quá trình phủ lên vật mẫu một lớp kim loại
thông qua dung dịch điện ly. Mục đích của quá trình này là để tăng thêm tính
chất của bề mặt vật liệu ban dầu cũng như là để bảo vệ chúng khỏi tác động
của môi trường bên ngoài. Quá trình điện kết tủa bao gồm 2 quá trình:
Quá trình khử, xẩy ra tại catot:
Men+ + ne → Me .

(1.11)

Quá trình oxy hóa, xẩy ra tại anot:
Me – ne → Men+ .

(1.12)

H2O – 4e → O2 + H+ .

(1.13)

Trong qúa trình điện kết tủa, các ion dương nhận điện tử trên bề mặt
catot để tạo thành các nguyên tố bám trên bề mặt catot .
Trong dung dịch, điện thế điện cực tĩnh được tính bởi công thức:
ES = E0 + RTlnα/nF.

(1.14)

Công thức này được áp dụng cho cả quá trình cân bằng thuận nghịch.
Do trong quá trình điện kết tủa chỉ luôn xảy ra phản ứng thuận nên công thức

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

(1.14) không thể sử dụng được để xác định điện thế của quá trình kết tủa. Do
đó, điện thế kết tủa được xác định thông qua công thức sau:
Ed = E0 + RTlnα/nF + ΔE10 = ES + ΔE20 .

(1.15)

Với α là hoạt độ của ion dương trong quá trình điện kết tủa.
E0 là giá trị điện thế điện cực cân bằng.
ΔE10 là độ phân cực điện thế trong quá trình kết tủa.
2.2. Điện kết tủa hợp kim
Trong quá trình tạo hợp kim, điều kiện của quá trình kết tủa sẽ phức tạp
hơn rất nhiều. Đặc biệt, để kết tủa hợp kim các loại ion dương phải cùng ở
trong một dung dịch điện ly và có giá trị điện thế kết tủa gần tương đương
nhau.
E1d = E2d.
E10 + RTlnα1/n1 F + ΔE10

= E20 + RTlnα2 /n2F + ΔE20 .

(1.16)

Công thức (1.16) chỉ ra rằng chúng ta có thể thay đổi giá trị điện thế kết
tủa của mỗi nguyên tố bằng cách:
- Thay đổi hoạt độ của các ion. Nó là kết quả của việc thay đổi nồng độ
của các ion trong dung dịch hoặc thay đổi quá trình tạo phức của chúng.
- Thay đổi độ phân cực catot, mật dộ...
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình điện kết tủa
Trong quá trình điện kết tủa có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất
lượng của lớp mạ như: Độ pH, mật độ dòng điện, tốc độ khấy, nhiệt độ, thời
gian điện kết tủa. Mỗi một dung dịch đều đòi hỏi một chế độ điện phân thích
hợp nhằm thu được lớp màng đúng yêu cầu đặt ra.
2.3.1. Mật độ dòng điện
Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, đồng đều,
bởi vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại các điểm lồi ( điểm
có lợi thế ) mà cả trên mặt phẳng ( ít lợi thế hơn ) của tinh thể. Mặt khác dùng

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

mật độ dòng điện cao sẽ làm cho ion kim loại mạ bị nghèo đi nhanh chóng
trong lớp dung dịch sát catot, do đó phân cực catot sẽ tăng lên tạo điều kiện
sinh ra lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn. Nhưng nếu dùng mật độ dòng điện quá
cao thì lớp mạ sẽ bị gai. Bên cạnh đó với mật độ dòng điện quá cao, anot hòa
tan sẽ dễ bị thụ động và dung dịch sẽ nghèo dần ion kim loại mạ, đồng thời
hyđro dễ thoát ra hơn làm giảm hiệu suất dòng điện mạ và gây ra biến động

mạnh PH ở lớp sát catot. Vì vậy muốn tăng mật độ dòng điện lên mà chất
lượng lớp màng vẫn được đảm bảo ta phải tìm cách nâng cao mật độ dòng
điện giới hạn lên bằng cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ ion chính, tăng đối
lưu… Ngược lại nếu giảm mật độ dòng điện quá thấp tốc độ mạ sẽ chậm và
kết tủa gốm nhiều tinh thể thô, không đều. Cho nên mỗi dung dịch chỉ có lớp
mạ tốt trong khoảng mật độ dòng nhất định. Khoảng mật độ làm việc này
càng rộng thì càng dễ thu được lớp mạ đồng đều. Điều này có ý nghĩa rất lớn
khi phải mạ cho các vật có hình thù phức tạp.
2.3.2. Tốc độ khuấy
Trong quá trình mạ mật độ ion kim loại mạ trong dung dịch sát catot bị
nghèo đi, nếu không được khôi phục kịp thời sẽ gây nên phân cực nhiệt độ
quá lớn và nhiều bất lợi khác có thể xẩy ra như: Không dùng được mật độ
dòng điện cao, lớp mạ dễ bị gãy, cháy… Dung dịch bị phân lớp nhiệt độ theo
chiều sâu. Kết quả là rất khó thu được lớp màng đồng đều trên vật mạ. Khắc
phục nhược điểm ấy cần khuấy mạnh để san bằng nhiệt độ trong toàn khối
dung dịch, tăng khuyếch tán đến điện cực. Nhưng một nhược điểm mới lại
phát sinh là cấu trúc tinh thể kém đi do độ phân cực nhiệt độ giảm. Vì vậy
muốn được tinh thể nhỏ mịn, chắc sít phải đồng thời tăng nhiệt độ và mật độ
dòng điện lên một cách thích hợp. Có thể khuấy dung dịch bằng cách cho
catot chuyển động, sục khí nén hoặc cho dung dịch cháy tuần hoàn.
2.3.3. Nhiệt độ

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nhiệt độ cao hơn, độ dẫn điện
của dung dịch tăng, giảm nguy cơ thụ động anot. Ba yếu tố đó làm tăng mật
độ dòng điện giới hạn nên cho phép dùng mật độ dòng điện cao hơn. Nhưng
nhiệt độ cao lại làm giảm phân cực catot do giảm tác dụng của các chất hoạt
động bề mặt, tăng độ phân ly ion phức hay độ ion hyđrat hóa và thúc đẩy
khuyếch tán đối lưu mạnh lên. Nếu chỉ tăng nhiệt độ mà vẫn giữ nguyên các
điều kiện khác thì lớp mạ sẽ gồm các tinh thể thô, to. Nhưng nếu lại đồng thời
tăng cả mật độ dòng điện thì có thể bù trừ được nhược điểm do nhiệt độ cao
gây ra và lớp mạ thu được vẫn có tinh thể nhỏ mịn và tốc độ mạ cao.
2.3.4. Độ pH
Độ pH là yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật lý của lớp màng điện kết
tủa. Nếu độ pH của dung dịch quá thấp thì hiệu suất của quá trình điện kết tủa
sẽ giảm đi rõ rệt do xảy ra quá trình thoát khí ở điện cực catot. Bên cạnh đó
quá trình thoát khí này còn làm cho bề mặt lớp màng trên catot bị rỗ, thủng.
Khí hydro thoát ra ở dạng nguyên tử rất dễ hấp thụ bởi nhiều kim loại ( nền và
mạ ) tạo thành lớp hợp chất hydrua hay hòa tan trong kim loại thành dung
dịch rắn hoặc chui vào mạng tinh thể làm xô lệch tổ chức kim loại gây nên
cứng và giòn hydro, lớp màng có ứng suất lớn, dễ bong và phồng dộp. Nếu độ
pH của dung dịch quá cao sẽ hình thành các hydroxit hoặc muối kiềm. Các
chất này lẫn vào lớp mạ sinh ra gai, sùi… Trên bề mặt lớp màng.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ THẢO LUẬN

3.1. Cấu trúc hình thể của dây hai lớp CoP/Cu chế tạo bằng phương pháp
điện kết tủa

Hình 3.1. Ảnh hiển vi quang học dây hai lớp CoP/Cu.

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khoá luận tốt nghiệp

Hình (3.1) là ảnh hiển vi quang học của dây CoP/Cu. Trong hình (3.1a)
là ảnh dọc của dây Cu và CoP/Cu. Dây thứ nhất là ảnh của dây Cu chưa được
xử lý nên có đường kính 150 m. Dây thứ hai là dây Cu đã được ăn mòn hoá
học và rửa sạch bằng nước cất nên có đường kính là 100 m. Dây thứ 3 là dây
hai lớp CoP/Cu sau khi điện kết tủa. Qua hình ảnh thấy dây CoP/Cu có mầu
sáng trắng hơn so với dây chưa mạ. Trong hình (3.1) thể hiện tiết diện ngang
của dây hai lớp CoP/Cu với thời gian điện hoá theo thứ tự là 3ph, 5ph, 7ph.
Và nồng độ H3P03 là 30g/l. Mật độ dòng là 750mA/cm2. Như vậy trong cùng
một điều kiên mật độ dòng, thành phần hoá học của dung dich thì khi thay đổi
thời gian điện kết tủa dẫn tới bề dầy của lớp mạ CoP được thay đổi trong
khoảng từ 15 m đến 40 m.
3.2. Hiệu ứng tổng trở khổng lồ trong vật liệu từ mềm giầu Co

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI ( Giant Magneto - impedance effect
– GMI ) là sự thay đổi mạnh tổng trở Z của vật liệu từ mềm dưới tác dụng
của từ trường ngoài HC và dòng điện cao tần có tần số . Để đặc trưng cho
hiệu ứng GMI, người ta đưa ra tỷ số GMIr được định nghĩa như sau:
GMIR 

Z ( H )  Z ( H max )
x 100%.
Z ( H max )

(1.0)

- Z(H): Từ tổng trở được đo ở từ trường H.
- Z(Hmax): Từ tổng trở đo ở điểm từ trường lớn nhất (của hệ đo).

Đào Thị Thanh Dung

K31D - Lý