Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim fe73,5cu1nb3 xzrxb9si13,5

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI
HỌC
s ư PHẠM
HÀ NỘI
2
•
•
•
•

NGUYỄN THỊ NGỌC LOAN

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ
VÀ HIỆU
KIM
• ỨNG GMI TRÊN HỆ• HỢP
•
F e73>5 C u i N ồ 3 .xZ r xB 9S ii3,5

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
Mã sổ: 60 46 01 04

LUÂN
CHẤT
• VĂN THAC
• s ĩ KHOA HOC
• VẢT
•

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Tình

HÀ NỘI, 2015


LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành ừên cơ sở những kiến thức
tiếp thu được trong quá trình học tập tại Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2
và những kiến thức mà tôi đã học hỏi trong suốt thời gian học tập và nghiên
cứu tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam. Những kết quả của tôi đạt được không chỉ có sự nỗ lực của bản
thân tôi mà còn có sự giúp đỡ vô cùng to lớn của những người xung quanh.
Trước hết, tôi xin tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS.
Nguyễn Hữu Tình - người thầy đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình và sự
quan tâm chu đáo để giúp tôi hoàn thiện luận văn này. Thầy đã cung cấp tài
liệu và truyền thụ cho tôi những kiến thức mang tính khoa học và hơn nữa là
các phương pháp nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Huy Dân cùng toàn thể
các anh chị, các thành viên khác trong Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Cùng toàn thể các thầy cô giáo tại
trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã cung cấp kiến thức và đóng góp ý kiến
giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã
luôn bên cạnh, động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học.

Hà nội, ngày 10 tháng 7 năm 2015

Học Viên

Nguyễn Thị Ngọc Loan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này
là trung thực và không trùng lặp vói các đề tài khác.
Đề tài “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI trên hệ
họp kim Fe73 5CuiNb3 .xZrxB9Sii3 5”. Được thực hiện bởi sự nỗ lực của bản
thân và dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hữu Tình. Luận văn chưa
được công bố ở bất kỳ nơi nào.

Học Viên

Nguyễn Thị Ngọc Loan


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................. I
I. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU............................................................................I
II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................. II
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ........................................................ III
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................V
MỞ ĐẦU.............................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài..............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu....................................................................................... 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu...................................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................2

6 . Giả thuyết khoa học......................................................................................... 2

NỘI DƯNG........................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMI...................3
1.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI........................................................................3
1.2. Lý thuyết giải thích hiệu ứng......................................................................... 6
1.3. Mô hình giải thích hiệu ứng.......................................................................... 7
1.4. Anh hưởng thông số đo đến tỉ số GMI..........................................................11
1.4.1. Cường độ dòng điện chạy qua mẫu.................................................... 11
1.4.2. Tần số dòng đo................................................................................. 11
1.4.3. Nhiệt độ đo...................................................................................... 13
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM NANÔ TINH THÊ......................................14
2.1.

Cấu trúc, tính chất, phân loại vật liệu từ mềm nanô tinh thể....................... 14
2.1.1. Cấu trúc vật liệu từ mềm nanô tinh thể.............................................. 14
2.1.2. Tính chất của vật liệu từ mềm............................................................15
2.1.3. Phân loại vật liệu từ mềm.................................................................. 17


2.2. Vật liệu từ nano tình thể nền Fe...................................................................19
2.3. Vai trò của những nguyên tố kim loại trong việc hình thành cấu trúc hạt
nanomet................................................................................................... 19
CHƯƠNG 3: THựC NGHIỆM CHÉ TẠO MẪU............................................... 22
3.1. Đối tượng nghiên cứu..................................................................................22
3.2. Xử lí mẫu................................................................................................... 22
3.2.1. Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu trúc vô định hình bằng thiết bị
nguội nhanh đơn trục.................................................................................22
3.2.2. Tạo hợp kim ban đầu........................................................................ 23
3.2.3. Phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu ở dạng băng mỏng.................... 25

3.2.4. Kỹ thuật gia công mẫu..................................................................... 27
3.2.5. Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt................................................................27
3.3. Các phương pháp nghiên cứu...................................................................... 28
3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction)...................... 28
3.3.2. Phương pháp phân tích hiển vi điện tô quét và phương pháp tán sắc
năng lượng tia X (EDX)............................................................................. 29
3.3.3. Phương pháp quét phân tích nhiệt vi sai (DSC)................................. 32
3.3.4. Phương pháp đo từ tổng trở...............................................................34
CHƯƠNG 4: NGHIÊN c ứ u CẮƯ TRÚC, TÍNH CHẮT TỪ VÀ HIỆU ỨNG GMI
TRÊN HỆ HỢP KIM Fe73,5Cu1Nb3.xZrxB9Si13j5...................................................36
4.1. Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của hệ hợp kim nano tinh thể Fe73 5CuiNb3.
................................................................................................36
4.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr và chế độ xử lí nhiệt đến cấu
trúc của hợp kim nanô tinh thể Fe73 5CuiNb3.xZrxB9Sii3 5 ............................. 37
4.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr đến tính chất từ của hợp kim
nano tinh thể Fe73 5Cu1Nb3.xZrxB9Si13 5 ....................................................... 41
4.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến tính chất từ của hợp kim
Fc73J5Cu1Nb3.xZrxB9Si13!5............................................................................ 43


4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr trong hợp kim Fe73 5CuiNb3.xZrxB9
Sii3,5..........................................................................................................47
4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr trong họp kim đến tỷ số GMIr
của hợp kim Fe73 5CuiNb3.xZrx Bặ Sii35.......................................................47
4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến đến tỷ số GMIr của họp
k im

Fe73j5CuiNb 3 -xZTx B 9 S ii 3 ,5 .............................................................................................. 4 8

KẾT LUẬN....................................................................................................... 49

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................... 52


I

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
I. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Br

: Cảm ứng từ dư

Xs

: Từ giảo bão hòa

JL10

: Độ từ thẩm của chân không

D

: Hệ số khử từ

Hc

: Lực kháng từ

Hext

: Từ trường ngoài

Ir, Jr, Mr

: Từ độ dư

kB

: Hằng số Boltzmann

mr

: Từ độ rút gọn

Ms

: Từ độ bão hòa

N

: Hệ số khử từ

Rc

: Tốc độ nguội tới hạn

s

: Spin của nguyên tử kim loại chuyển tiếp

Ta

: Nhiệt độ ủ

Tc

: Nhiệt độ Curie

Tm

: Nhiệt độ nóng chảy

ta

: Thời gian ủ nhiệt


II

II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GMI

: Giant Magneto Impedan

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

GMIr

: Giant Magneto Impedan ratio

Tỷ số từ tổng

TEM

: Kính hiển vi điện tử truyền qua

TM

: Kim loại chuyển tiếp

VĐH

: Vô định hình

VLTC

: Vật liệu từ cứng

XRD

: Nhiễu xạ tia X

trở khổng lồ


Ill

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tổng trở của dây dẫn có từ tính
Hình 1.2. Mổi liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thẩm sâu bề mặt vói từ trường ngoài

Hình 1.3. Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
Hình 1.4. Hình dạng đường cong GMI có hiện tượng tách đỉnh
Hình 1.5. Tỷ sổ GMIr của băng vô định hình nền Co theo cường độ dòng điện.
Hình 1.6. Tỷ sổ GMIr của băng nano tinh thể Fe7 iAl2Sii4 B8sCuiNbß 5 phụ
thuộc tần sổ.
Hình 1.7. Tỷ sổ GMIr đo ở tần sổ 4 MHz, nhiệt độ thay đổi từ 10K đến 300K
của băng vồ định hình Cỡ6 9 Fe4 sCui sSiioBis chưa ủ (a) và ủ ở 35(fc (b).
Hình 2.1. Đường cong từ trễ của vật liệu
Hình 3.1. Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không
Hình 3.2. Sơ đồ khẩi của hệ nấu hồ quang và đủc mẫu
Hình 3.3. (a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) máy chân không, (2) buồng
nấu, (3) tủ điều khiển, (4) bình khí trơ (Ar hay Ni), (5) nguồn điện, (b)
Ảnh bên trong buồng nấu: (6) cần điện cực, (7) nồi, (8) cần lật mẫu.
Hình 3.4. Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không
Hình 3.5. Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của phương pháp đo nhiễu xạ
tia X.
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét SEM.
Hình 3.7. a) là sơ đồ cung cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt;
b) là loại bổ chính công suất
Hình 3.8. Sơ đồ khối hệ đo GMI.
Hình 4.1. Giản đồ EDX của mẫu N2.
Hình 4.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe735Cu1Nb3.x ZrxB9Si135vừa chế
tạo xong.


IV

Hình 4.3. Giản đồ nhiễu xạ tỉa X của mẫu Fe735Cu]Nb3.xZrxB9Si] 3 5 sau khi ủ
ở nhiệt độ 540°c .
Hình 4.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe735CujNb3.xZrxB9Sij3 5 ủ ở nhiệt

độ 540°c với thời gian ủ khác nhau.
Hình 4.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe73sCuiNbß-x ZrxB9Sii3 5 ủ trong
15 phút ở các nhiệt độ ủ khác nhau
Hình 4.6. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Msvào hàm lượng Zr mẫu ủ ở 540°c.
Hình 4.7. Sự phụ thuộc của từ độ dư Mrvào hàm lượng Zr mẫu ủ ở 540°c
Hình 4.8. Đường cong từ hóa của mẫu N3ủ ở 540°c.
Hình 4.9. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Msvào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.10. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.11. Sự phụ thuộc của Mr vào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.12. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 4 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 4.13. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 4.14. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 10 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 4.15. So sánh tỷ số GMI cực đại theo hàm lượng Zr với các mẫu chưa ủ..
Hình 4.16. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6 MHz) của mẫu N3 ủ 540°c.
Hình 4.17. So sánh tỷ số GMI cực đại theo hàm lượng Zr với các mẫu ủ 54(fc.
Hình 4.18. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6MHz) của mẫu N3 ủ 540°c
Hình 4.10. Tỷ số GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu ịNhiệt độ ủ: 540°C)
Hình 4.20. Khảo sát hiệu ứng GMIịtần sổ 6MHz, 15 phút) theo nhiệt độ ủ mẫu
Hình 4.21. Tỷ sổ GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu với thời gian ủ 15 phút


V

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Hệ hợp kim nền sắt - Finemet
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe735Cu]Nb3.xZrxB9Si] 3 s) ủ trong
15 phút theo nhiệt độ ủ.
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe735CuiNb3 .xZrxB9Sii3 5 ) ủ ở nhiệt
độ 5 4 (fc theo thời gian ủ.

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
FINEMET là loại hợp kim từ mềm đầu tiên sử dụng cấu trúc nanô trên
nền vô định hình và nhanh chóng được thương mại hóa nhờ những phẩm chất
tuyệt vời. Từ sự xuất hiện của FINEMET, ngưòi ta đã cải tiến thành phần để
tạo ra nhiều loại hợp kim từ mềm có cấu trúc nanô với nhiều tính chất đặc biệt
hơn. Để có được các tính chất từ mềm tốt, rất nhiều vấn đề thuộc công nghệ
cần được nghiên cứu một cách chi tiết. Bên cạnh đó ảnh hưởng của các thành
phần hợp kim trong đó có thành phần của các nguyên tò từ (Fe, Co), các
nguyên tử kim loại (Cu, Nb, w , Mo, Zr), các nguyên tố á kim (B, Si)..., lên
cấu trúc vi mô (kích thước hạt, tỉ phần pha tinh thể và pha VĐH), lên hằng số
từ giảo; ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt (nhiệt độ ủ, thời gian ủ, môi trường
ủ, từ trường) lên thành phần pha, tổ chức tế vi và các tính chất từ cũng cần
được nghiên cứu một cách sâu sắc. Tính chất từ mềm của vật liệu nanô tinh
thể cần được nghiên cứu, đánh giá không những trong từ trường hóa một
chiều mà còn trong cả trường xoay chiều (ở dải tần số thích hợp), về phương
diện sử dụng việc định lượng các thông số về tổn hao sắt từ (bao gồm cả tổn
hao từ trễ và tổn hao dòng xoáy) là rất quan trọng. Các giá trị độ từ thẩm thực,
độ từ thẩm ảo, sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số cũng rất có ý nghĩa
trong việc thiết kế các mạch từ.
Dây dẫn làm bằng finemet vốn có từ thẩm |_1 rất cao. Dưới tác động của
từ trường ngoài H, |_1 thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt ỗ thay đổi mạnh
dẫn đến sự thay đổi mạnh của tổng trở z của dây dẫn. Trong trường hợp đó
người ta dùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI)
và đặc trưng bởi tỷ số GMI (hoặc GMIr). Muốn nhận được tỷ số tổng trở
GMIr cao, dây dẫn từ tính phải có từ thẩm |_1 cao hay nói cách khác dây dẫn

phải là vật liệu có tính từ mềm tốt.


2

Ở Việt Nam, hiệu ứng từ trở khổng lồ - GMI được bắt đầu nghiên cứu từ
năm 2001 đến nay tại phòng thí nghiệm vật liệu từ Vô định hình và Nanô tinh
thể, Viện vật lý kĩ thuật - Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các kết quả nghiên
cứu tập trung trên hệ vật liệu từ siêu mềm hiện đại: Vô định hình nền Co và
nanô tinh thể nền sắt (íinemet) được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh và
công nghệ điện kết tủa với tỉ số GMIr trên 200%. Với lý do trên tôi quyết định
chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng
GMI trên hệ họp kim Fe73 5CuiNb3 .xZrxB9Sii3 5”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay thế Zr cho Nb để tìm ra hợp phần có
tính chất tốt nhất, hiệu ứng GMI cao nhất.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay thế Zr cho Nb trong hợp kim
FINEMET đến cấu trúc, tính chất và hiệu ứng GMI.
- Khảo sát hiệu ứng GMI trên mẫu khi thay thế thành phần.
4. Đổi tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Hệ vật liệu Fe73!5CuiNb3.xZrxB9Sii3!5
5. Phương pháp nghiên cứu
Từ đối tượng và mục đích nghiên cứu làm rõ mối quan hệ giữa công
nghệ chế tạo và xử lí mẫu. cấu trúc vi mô và tính chất tổng trở của mẫu áp
dụng các phương pháp thực nghiệm như sau: Sử dụng công nghệ nguội nhanh
để chế tạo hợp kim vô định hình và sau đó ủ bằng phương pháp thông thường
ừong chân không để tạo ra cấu trúc nanô đa pha rồi sử dụng phương pháp đo
thích hợp để xác định các thông số cấu trúc, tính chất của mẫu vật liệu.
6.

Giả thuyết khoa học
Đề xuất hướng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật và đời sống.


3

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỒNG LỒ GMI
1.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI
Khi cho dòng điện xoay chiều qua dây dẫn có từ tính, dòng điện này sẽ
sinh một từ trường biến thiên Ht
vuông góc với dây dẫn (hình 1 . 1).
Từ thông sinh ra do sự biến thiên của

I^ e ^ t

Ht

i'

______

Ht làm xuất hiện trong dây dẫn dòng
điện i cảm ứng có tác dụng chống lại
T_
sư• biên thiên của từ trương® Ht tương tự như tổng trở của mạch

Hình 1.1 Tổng trở của dây
dãn có từ tinh,

RLC. Mặt khác Ht từ hóa dây theo
phương ngang làm xuất hiện độ từ thẩm theo phương ngang Ịj,t. Khi ta đưa từ
trường ngoài Hext một chiều 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 độ từ thẩm
ngang |_it là nguyên nhân ảnh hưởng đến tổng trở của dây (làm giảm tổng trở).
Tổng trởcủadây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tầnsố 00 chạy qua
dưới tác dụngcủa từ trường ngoài một chiều Hex đặt dọc theo trục của dây
được xác định theo biểu thức sau:
z = RdckaJo(k Cí )/2J1(k Cí)

(1.1)

- Rdc là điện trở của dây dẫn
-CL là bán kính tròn của dây
ỏ là độ dày thấm sâu bề mặt
-J0 và Ji là các hàm Bessel, và k= (l+j)l s
Tại tần số cao, (\k a \» ì), biểu thức hàm Bessel được tính gần đứng cho
phép ta tính tổng trở dưới dạng sau:
Z=R + jx,

(1.2)


4

Với R x X - R,

(1.3)

K™oJ

ỒBlà độ dầy thấm sâu : S0 =

lp
(1.4)

ß0G>

Từ (1.2) (1.3) (1.4) biến đổi ta có:
Z=(l+J )Rdc( ^ = ) 7 MoMrtữ

(1.5)

Với p là điện trở suất vầLŨ) là tần số góc của dòng điện xoay chiều
đặt vào dây dẫn.
Từ (1.5) thấy tổng trở của một dây
dẫn có từ tính phụ thuộc vào: Bản
chất của vật liệu làm dây dẫn (p),
tần số góc của dòng điện đặt vào
dây dẫn (co), độ dầy thấm sâu bề
mặt ( ổ ), độ từ thẩm ....
Như vậy đối với các vật dẫn
phi từ

|LX~

1, từ trường tác động lên

độ thấm từ gần như không đáng kể,

có thể bỏ qua. Do do đó tổng ừở
của chúng chỉ thay đổi theo tần số.
Nhưng đối với các vật liệu từ mềm
có độ từ thẩm rất lớn |_1~ 10 6(vô

H„, =

Hext>0

Hình 1.2. Mối liên hệ giữa độ từ thẩm
và độ thẩm sâu bề mặt với từ trường

định hình nền Co và nano tinh thể Fe), thì độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ
trường và tần số (|_i=|_i(H,(a)), kéo theo sự thay đổi mạnh tổng ừở khi từ trường
và tần số thay đổi. Tuy nhiên tổng trở z không chỉ cơ bản phụ thuộc tính chất
từ của vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào quá trình từ hóa động của các domain
ừong dây dẫn (quá trình dịch vách và quay véc tơ từ độ). Đây là yếu tố liên


5

quan đến hình dạng, kích thước hình học của vật dẫn. Các kết quả được công
bố ừong nước và quốc tế cho thấy: Hiệu ứng GMI được quan sát thấy tốt nhất
ừong các vật liệu từ mềm vô định hình và nanô tinh thể có hệ số từ giảo gần
như bằng 0 .
Ngoài ra hiệu ứng GMI còn liên quan mật thiết đến hiệu ứng bề mặt khi
tần số cao. Khi đi sâu vào ừong vật liệu một lớp ô (độ thấm sâu), mật độ dòng
điện xoay chiều giảm đi e lần và có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều
dày ỗ trên bề mặt dây dẫn. Độ thấm sâu ỗ càng nhỏ (tần số cao) thì tức là
dòng điện chỉ phân bố trên một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn và dòng điện

càng bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) và ngược lại. Bằng lý thuyết và thực
nghiệm thấy ỗ phụ thuộc vào tần số dòng điện, tính chất từ của vật liệu làm
dây dẫn và từ trường ngoài đặt vào vật dẫn theo biểu thức sau:
(1.6)

Hình 1.2 và công thức (1.6) thể hiện mối tương quan giữa độ từ thẩm và
độ thấm sâu bề mặt với từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài Hext tăng thì độ
từ thẩm |_1 giảm dẫn tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại. Như vậy cùng
với sự có mặt của từ trường ngoài Hext và từ trường ngang Ht của dòng cao tần
đã làm thay đổi quá trình từ hoá vật dẫn từ mềm (|_1 thay đổi và giảm khi tăng
từ trường ngoài) và làm thay đổi độ dầy thấm sâu của bề mặt ỗ. Như vậy khi
có mặt từ trường ngoài Hext độ thấm sâu ỗ tăng mạnh tương ứng với tổng trở
của vật dẫn giảm và xuất hiện hiệu ứng tổng trở khổng lồ.
Nói tóm lại hiệu ứng từ tổng ừở khổng lồ (Giant Magneto - impedance
effect) là sự thay đổi mạnh tổng ừở z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của
từ trường ngoài Hc và dòng điện cao tần có tần số 00. Cơ chế của hiệu ứng
tổng trở khổng lồ (GMI) có bản chất điện - từ và có thể giải thích bằng lý
thuyết điện động lực học cổ điển. Theo L.V.Panina bản chất điện từ của hiệu


6

ứng tổng trở khổng lồ (GMI) là sự kết hợp giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ
thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng ( ỊLI eff) của dây dẫn vào từ trường.
1.2. Lý thuyết giải thích hiệu ứng
Như đã trình bày ở ừên tổng ừở của dây dẫn từ tính phụ thuộc vào từ
trường, tần số của dòng điện, tính chất từ của vật liệu còn thay đổi theo kích
thước hình học cũng như cấu hình của phép đo.
Chứng ta đã biết, đối với dòng điện một chiều, mật độ dòng điện có giá
ừị như nhau đối với tất cả các điểm thuộc tiết diện của dây dẫn. Nhưng đối

với dòng điện xoay chiều, đặc biệt là dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có
xu hướng tập trung ở lớp mỏng ừên 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
(Hiệu ứng lớp vỏ -skin efffect).
Mật độ dòng điện cao tần giảm theo hàm mũ theo chiều dày tính từ bề
mặt của dây dẫn. Đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt người ta đưa ra đại lượng 8
gọi là độ thấm sâu, được định nghĩa là khoảng cách bề mặt đến vị ừí mà mật
độ dòng điện giảm còn ~ 37% so với ở bề mặt theo hướng xuyên tâm
(1.7)
Trong đó p là điện ừở suất của vật liệu, w là tần số góc của dòng điện,
ụ là độ từ thẩm của vật liệu. Trong vật liệu từ ịí chịu ảnh hưởng của tần số
dòng điện xoay chiều cũng như độ lớn từ trường ngoài. Sự phụ thuộc Ị.Í vào từ
trường ngoài của vật liệu từ mềm thể hiện hiệu ứng GMI.
Khi đi sâu vào ừong vật liệu một lớp 8, mật độ dòng điện giảm đi e lần và
có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dày 8 ứên bề mặt dây dẫn. Khi 8


7

thay đổi, khả năng cản trở dòng điện (tổng trở) của dây dẫn thay đổi và 3 càng
nhỏ tức là dòng điện chỉ phân bố ừên mặt lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn.
Do sự ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến từ thẩm ụ, dẫn
đến hiệu ứng GMI được cơ bản giải thích theo ba vùng tần số khác nhau:
- Tần số thấp (Hiệu ứng từ cảm)
- Tần số trung bình (Hiệu ứng từ tổng ừở)
- Tần số cao (Hiêu ứng cổng hưởng sắt từ)
1.3. Mô hình giải thích hiệu ứng
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. Một số mô hình đã rất thành công.
Tuy nhiên, mỗi mô hình chỉ phù hợp với mỗi dải tần số nhất định. Ví dụ mô
hình dòng xoay chiều dành cho dải tần f ~ 100kHz - 30MHz; mô hình domain
cho dải tần f ~ 100kHz - 100MHz; mô hình điện từ cho dải tần f~ 10MHz 10GHz; mô hình trao đổi độ dẫn cho dải tần f ~ 10MHz - 10GHz. Trong đó 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 GML
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, 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. 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. Đây là mô hình của Squừe [12] 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


8

từ tròn là rất nhỏ do từ trường tròn xoay liên tục duy trì. Vcd dạng phẳng,
trường khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng cùa mẫu. Mô hình này bao gồm
cả quá trình dịch vách domain và quá trình quay của vec tơ từ độ dưới tác
dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra. Hình
1.3 chỉ ra cấu trúc domain và các góc được sử dụng trong mô hình.

Hình 1.3. Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
Xét mô hình bao gồm các domain phản song được bão hòa bởi vách đơn
180°, đinh hướng theo các trục từ dễ, 0 là góc tạo bởi phương dễ từ hóa và
trường ngoài. <t>i và Ộ2 là góc giữa mô men từ của hai domain với phương dễ
từ hóa dưới tác dựng tổng hợp của từ trường ngoài Hext và từ trườngvuông góc
Ht, d là bề rộng vách domain khi không có từ trường ngoài và

X

là độ dịch

chuyển của vách domain dướỉ tác dụng của trường cảm ứng từ. Thông qua mô
hình này có thể tính được độ tự cảm ngang Xt- Mặt khác độ tự cảm ngang %t
liên hệ vái độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:
Ht=Xt+l

(1.8)

Nếu có thể tính được độ tự thẩm ngang fit theo mô hình này và từ đó có
thể biết được mối liên hệ giữa hiệu ứng tổng trở khổng lồ và các yếu tố khác.
Trong mô hình này, mật độ năng lượng tự do được cực tiểu hóa nhằm xác
định cấu true domain (bao gầm vị trí của vách domain và gốc quay từ hốa).
Mật độ năng lượng tự do được xác định theo công thức sau:


9

UM=Uk+U - +UtH+Uw

(1.9)

Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức
sm:UK =K[asm2ệl + (\-a )m 2ệĩ ]

(1.9 a)

Với K là hằng số dị hướng. Thừa số a chỉ phần vật liệu được chiếm giữ bởi
các domain từ hóa dọc theo trục của từ trường ngoài đặt vào (hình 1.3).
£/# là năng lượng Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài
đặt vào HH:
U™ =M0MsHữX[(ỉ-a)cos(ỡ +ệ2)-acos(ỡ -ệl)]

(1.9 b)

Uỵ là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang H1:
U‘H =// 0Ms/ / í[(l-a)sin(ớ + ^2)-asin(ớ-^1)]

(1.9 c)

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:
U w =/?u 2

(1.9d)

Với u=x/d và /3 đơn vị đo “độ cứng” của vách domain. Đại lượng này
được sử dụng để chọn giá trị của moment góc ậ ị,ậ -2 và vị trí của vách
domain tại vị trícó năng lượng cực tiểu tương ứng với từ trường Hax đặt vào
và từ trường ngang H* =0.Do vậy phát hiện ra được những thay đổi mặc dù
rất nhỏ của các thông số ừên dưới tác dụng của từ trường ngang nhỏ. Sự khác
biệt AM 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 theo phương ngang.
Kị

AM
0Ht

= —

( 1 . 10 )


10

6 day, trpng tam cua mo hinh nay chu y 6u nham vao ba khia c^nh

chinh trong moi quan he giua tic tdng tra va ciu true domain. Khia canh thu
nhit dutrcr. Vtn dh nay cung da duducmg cong tir tdng trcr GMI (H) la mot ham phu thuoc tkn so cua dong dien
kich thich. Nhrnig nghien cuu v6 dp tir thlm cung nhin mpnh rang qua trinh
dich vach domain cung bi gim lai kha manh phu thuoc vao dong xoay chieu
tin s6 cao. Do do, mo hinh nay ducho cac vat lieu ma tai do luomg dich chuySn vach domain do tu trucmg ngang
gay ra va giam din khi tang tin sd. Khia c$nh thu hai dugc nhac din trong mo
hinh nay la moi quan he giua su dinh huong di huong true d l voti hieu ung
GMI,

cac

kit

qua

nghien cuu chi ra rang
dang cua ducmg cong

GMI(H) ph\i thupc vao
su dinh huong true dl.
Khia c$nh cudi cung la
nghien cuu su phan bo
di hudmg len hi§u ung
GMI, m§t so ket qua

Applied Field [A/m)

nghien cuu chi ra rang

Fig. 2 . GM I for a Co-base am orphous wire wit h induced circu­
lar anisotropy, Evolution from T P to SP-Jike with increasing
current is observed.

GMIr la ham cua

Hinh 1.4, Hinh dgng ducmg cong GMI co hi?n tupng
tdch dinh


11

1.4. Ảnh hưởng thông số đo đến tỉ số GMI
1.4.1. Cường độ dòng điện chạy qua mẫu
Quá trình từ hóa mẫu theo phương ngang do từ trường cùa dòng xoay
chiều chạy qua mẫu. Trong khỉ đó, quá trình từ hốa này dẫn đến sự thay đổi
của tổng trở [26]. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, tỷ số GMLr cực đại phụ thuộc
vào cường độ dòng điện chạy qua mẫu. Đồ thị trên hình 1.5 cho thấy sự phụ
thuộc giữa giá trị,

hình dạng đường

250

cong GMI và dòng

200

điện cao tần có

ềg, 1 5 0

tính tỷ lệ nghịch.
Đường cong GMI
tương ứng với giá
trị cường độ dòng
điện nhỏ cho thấy
cổ sự tách đỉnh rõ

-1000

-5 0 0

o

500

1G O O

H (A/m)

Hình 1.5. Tỷ sổ GMIr của băng vô định hình nền Co
theo cường độ dòng điện.

nét, nhưng ở dòng có cường độ dòng điện lớn hơn, chúng dần mất đi hiện
tượng tách đỉnh và đồ thị chỉ còn một đỉnh [14]. Các cổng bố cũng chỉ ra
rằng, sự phụ thuộc của hiệu ứng GMI vào cường độ dòng điện với các vật liệu
khác nhau là khác nhau.
1.4.2. Tần số dòng đo
Theo phương trình 1.11 vàGMlr(%)=100-^—

tổng trở z và kéo

'(/ỉmax)

theo là hiệu ứng GMI sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi tần số của dòng điện xoay
chiều. Sự ảnh hưởng này đã được nghiên cứu bằng thực nghiệm và được công
bố trong [22]. Các nghiên cứu chỉ ra rằng với sự tăng của tần số, quá trình từ
hóa qua việc dịch vách đômen diễn ra ở tần số thấp (100kHz - 1 MHz) đối với


12

băng vô định hình [29]. Với tàn số < 100 kHz, giá trị cực đại của GMI (%)
tương đối thấp, do sự chiếm ưu thế của hiện tượng cảm ứng từ vào từ tổng trở
[25, 26]. Đối với dải tần số từ 100 kHz đến 10 MHz, dải thông thường với hầu
hết các nghiên cứu về hiệu ứng GMI, với sự tăng của tần số, tỷ số GMlTmax lúc
đầu tăng đến giá trị cực đại rồi sau đó giảm. Như quan sát thấy ở hình 1.6.

H (O e)

Hình 1.6. Tỷ sổ GMIr của băng nanô tinh thể Fe71Al2Sii4B8sCuiNbß 5 phụ
thuộc tần sổ.
Khi tần số tăng từ 1 - 5 MHz, GMlTmax tăng, hiệu ứng bề mặt chiếm ưu
thế khi tần số tiếp tục tăng lớn hơn 5 MHz thì GMImax lại giảm theo chiều tăng
của tần số. Người ta cho rằng ở vùng tần số 5 MHz, sự dịch vách đômen mạnh
hơn do sự đóng góp của dòng điện xoáy vào độ từ thẩm theo phương ngang.

Hình 1.7. Tỷ sổ GMIyđo ở tần sổ 4 MHz, nhiệt độ thay dổi ttừ 10K đến 300K
của băng vồ định hình Co6çFe4 sCui sSiioBjs chưa ủ (a) và ủ ở 350°c (b)


13

1.4.3. Nhiệt độ đo
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đo ừong dải nhiệt độ thấp sử
dụng các hệ vật liệu khác nhau như dây và băng vô định hình nền Co, dây và
băng nano tinh thể nền Fe đã được trình bày trong các công bố [8 , 16]. Hình
1.7 [8 ] cho thấy: Khi khảo sát tỷ số GMIr với cùng một mẫu, ừong điều kiện
nhiệt độ đo thấp ở các mẫu đã xử lý nhiệt, hầu như kết quả không đổi khi thay
đổi nhiệt độ đo. Sự thay đổi đáng kể, chỉ được quan sát thấy ở những mẫu
chưa xử lý nhiệt.


14

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM NANÔ TINH THỂ

2 .1

. Cấu trúc, tính chất, phân loại vật liệu từ mềm nanô tình thể

2 . 1 .1

. Cấu trúc vât
từ mềm nanô tinh thể
« liêu
•
Các vật liệu nano tinh thể là các đa tinh thể một pha hoặc nhiều pha với

kích thước hạt tinh thể cỡ nanomet thường thì từ 5 đến 50 nm. Chúng có thể
được chế tạo bằng nhiều cách như nghiền cơ năng lượng cao, bằng kĩ thuật
lắng đọng hóa học hoặc bằng cách kết tinh từ trạng thái VĐH (có thể thu được
trạng thái nano tinh thể ngay sau khi phun băng hoặc qua quá trình ủ nhiệt).
Vật liệu nano tinh thể bao gồm cả vật liệu từ cứng, từ mềm với nhiều
loại nền khác nhau như nền Fe, nền Co.... Tuy nhiên, một điều hết sức quan
trọng là vật liệu từ mềm có khả năng cho biến thiên entropy lớn. Nên ở đây
chúng tôi sẽ đề cập đến vật liệu nanno tinh thể nền Fe được chế tạo thông qua
giai đoạn VĐH, cụ thể bằng phương pháp nguội nhanh sau đó được xử lí
nhiệt để tạo pha tinh thể. Một ví dụ điển hình là vật liệu Fe73 5CuiNb3Sii3 5B9
được chết tạo bởi Y.Yoshizawa và các đồng nghiệp ở công ty Hitachi Metal
(Nhật Bản), và có tên thường gọi là Finemet (Fine Mixture of Metals).
Finemet được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh sau đó ủ ở nhiệt độ thích
hợp để tạo nên các hạt nano tinh thể ft-Fe(Si) có kích thước chỉ 10 nm trên
nền vô định hình còn dư, ngoài ra tùy thuộc vào chế độ xử lý nhiệt còn có thể
tìm thấy các đám nhỏ (cluster) giàu nguyên tử Cu giữa các tinh thể, hay sự
xuất hiện của các pha borid sắt sẽ làm giảm đặc tính từ mềm của vật liệu. Với
cấu trúc này, Finemet có tính chất từ tuyệt vời mà chưa một vật liệu từ mềm
nào trước đó có thể có như:
- Có lực kháng từ nhỏ tới cỡ 0,01 Oe

- Độ từ thẩm

có thể đạt tới vài trăm ngàn (có thể lên tới 60000)

- Có từ độ bão hòa cao tới 1,2-1,5 T