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

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2

NGUYỄN THỊ NGỌC LOAN

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ
VÀ HIỆU ỦNG GMI TRÊN HỆ HỢP KIM
•••
Fe73j5CuiNb3.xZrxB9Sii3j5

Chuyên ngành: Vật ỉí chất rắn
Mã số: 60 46 01 04

LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngưòi hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Tình

HÀ NỘI, 2015


Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành trên 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
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và không trùng lặp với 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........................................................................................................


4.1.1.

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến tính chất từ của họp kim

Fe^sCujNbs-xZrxBgSiiss



7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÉT TẮT I.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU


8

Br

Cảm ứng từ dư
Từ giảo bão hòa

Ho
D

Độ từ thẩm của chân không
Hệ số khử từ

Hc
Hext

Lực kháng từ

Từ trường ngoài

Ir, Jr, Mr
kB

Từ độ dư
Hằng số Boltzmann

mr
Ms

Từ độ rút gọn
Từ độ bão hòa

N
Rc

Hệ số khử từ
Tốc độ nguội tới hạn

s

Spin của nguyên tử kim loại chuyển tiếp

Ta

Nhiệt độ ủ

Tc
Tm

Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ nóng chảy

ta

Thời gian ủ nhiệt


9
II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

: Giant
GMI Magneto Impedan Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ : Giant Magneto
Impedan ratio Tỷ số từ tổng trở khổng lồ : Kính hiển vi điện tử truyền qua :
GMIr
Kim
loại chuyển tiếp : Vô định hình : Vật liệu từ cứng : Nhiễu xạ tia X
TEM
TM
VĐH
VLT
C


I

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tổng trở của dây dẫn có từ tính
Hình 1.2. Mối liên hệ giữa độ ữ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với ữ 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 tỉnh thể
Fe7iAl2Sii4B8 sCuiNbĩ s phụ thuộc tần sổ.
Hình 1.7. Tỷ sổ GMIr đo ở tần số 4 MHz, nhiệt độ thay đổi từ ỈOK đến 300K của
băng vô định hình Co6ỹFe4 SCUỊ SSỈỊOBỊS 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 khối của hệ nấu hồ quang và đúc mẫu Hình 3.3. (a) Ảnh hệ
nấu hợp kim hồ quang: (ỉ) máy chân không, (2) buồng nấu, (3) tủ điều khiển, (4) bình
khí trơ (Ar hay Nỉ), (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 đổ nguyên lý kính hiến 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 Fe7ĩ sCuiNbĩ-ỵ ZrxB9Si¡3 Ịvừa chế
tạo xong.


1

Hình 4.3. Giản đồ nhiễu xạ tiaX của mẫu Fe73 sCujNbî-x ZrxBgSi¡3 5 sau khi ủ ở
nhiệt độ 54(fc.
Hình 4.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe73 SCUỊNÒ3.X ZrxBgSi¡3 5 ủ ở nhiệt
độ 54(fc với thời gian ủ khác nhau.
Hình 4.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe73 sCu}Nb3-x ZrxBỹSi]3 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 54(f 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 N3 ủ ở 54(fc.
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 sổ 4 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 4.13. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ 6 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 4.14. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ 10 MHz) của các mẫu chưa ủ. Hình 4.15.
So sánh tỷ sổ 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 vói các mẫu ủ 54(f c. Hình
4.18. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6MHz) của mẫu N3 ủ 54(fc Hình 4.10. Tỷ số
GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu (Nhiệt độ ủ: 540°C)
Hình 4.20. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ 6MHz, 15 phút) theo nhiệt độ ủ mẫu
Hình 4.21. Tỷ số GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu với thời gian ủ 15 phút


y

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Hệ hợp kim nền sẳt - Finemet
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe73 CuiNb3-xZrxB Sii3 s) ủ trong 15
5

9

phút theo nhiệt độ ủ.
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe73 CuiNb3-xZrxB Sii3 5) ủ ở
nhiệt độ 54(f c theo thời gian ủ.

5

9


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, người 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 tử 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 ịi rất cao. Dưới tác động của từ trường
ngoài H, ịi thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt ô 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 tống
trở khống lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trưng bởi tỷ số GMI (hoặc

GMIr). Muốn nhận được tỷ số tống trở GMIr cao, dây dẫn từ tính phải có từ thấm p
cao hay nói cách khác dây dẫn phải là vật liệu có tính từ mềm tốt.
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


1

liệu từ siêu mềm hiện đại: Vô định hình nền Co và nanô tinh thể nền sắt (íínemet) được
chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh và công nghệ điện kết tủa với tỉ số GMIrtrên
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 hợp kim Fe73 5CuiNb3.xZrxB9Sii3 s”.

2. Mục đích nghiên cứu
-

Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay thế Zr cho Nb để tìm ra họp 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 họp kim FINEMET đến cấu trúc,
tính chất và hiệu ứng GMI.

-

Khảo sát hiệu ứng GMI trên mẫu khi thay thế thành phần.

4. Đối 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 trong 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.


1

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG 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).
H dòng điện i cảm
Từ thông sinh ra do sự biến thiên của Ht làmI xuất hiện trong dây dẫn

t
ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ trường Ht - tương tự như tổng trở của
mạch RLC. Mặt khác Ht từ hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện độ từ thẩm theo
Hình 1.1 Tổng trở của dây
phương ngang |it. Khi ta đưa từ trường ngoài Hext một chiều
song
song với trục của
dẫn có
từ tính
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 trở của dây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tần số co chạy qua dưới
tác dụng của từ trường ngoài một chiều Hex đặt dọc theo trục của dây được xác định
theo biểu thức sau:
z = RdckaJo(k a )/2Ji(k a)

-

Rdc là điện trở của dây dẫn

-

ct là bán kính tròn của dây

(1.1)

ô là độ dày thấm sâu bề mặt
-Jo và Ji là các hàm Bessel, và k= (l+j)/ ổ
Tại tần số cao, (\ka\»l), biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng cho

phép ta tính tông trở dưới dạng sau:
Z=R(1.
+ jx,


Với

1

Với p là điện trở suất và ty 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 |I~ 1, từ trường tác động lên độ thấm từ gần
như không đáng kể, có thể bỏ qua. Do do đó tổng trở của chúng chỉ thay đối theo tần
số.
Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ từ thẩm
rất1.2.
lớn Moi
106(vô
hìnhđộnền
Hình
liên định
hệ giữa
từ Co và
thắm
nano tinh thể Fe), thì độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ trường
và tần số (p=|j,(H,a>)),
kéo theo sự thay đối mạnh tống trở 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 trong dây dẫn (quá trình dịch vách và quay véc tơ từ
độ). Đây là yếu tố liên


1

quan đến hình dạng, kích thước hình học của vật dẫn. Các kết quả được công bố trong
nước và quốc tế cho thấy: Hiệu ứng GMI được quan sát thấy tốt nhất trong 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 trong vật liệu một lớp 5 (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 5 trên bề mặt dây
dẫn. Độ thấm sâu 5 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 5 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 (I 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 đối quá trình
từ hoá vật dẫn từ mềm (p thay đối và giảm khi tăng từ trường ngoài) và làm thay đổi
độ dầy thấm sâu của bề mặt ô. Như vậy khi có mặt từ trường ngoài Hext độ thấm sâu ô
tăng mạnh tương ứng với tổng trở của vật dẫn giảm và xuất hiện hiệu ứng tổng trở
khổng lồ.


1

Nói tóm lại hiệu ứng từ tống trở khống lồ (Giant Magneto - impedance effect) là
sự thay đối mạnh tống trở z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài
Hc và dòng điện cao tần có tần số GO. 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 hiệuứng tổng trở khổng lồ (GMI) là sự kết họp
giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng ( ỊẨ eff) của dây dẫn
vào từ truờng.

1.2.

Lý thuyết giải thích hiệu ứng
Nhu đã trình bày ở trên tổng trở của dây dẫn từ tính phụ thuộc vào từ truờng, tần

số của dòng điện, tính chất từ của vật liệu còn thay đổi theo kích thuớc hình học cũng
nhu cấu hình của phép đo.
Chúng ta đã biết, đối với dòng điện một chiều, mật độ dòng điện có giá trị nhu
nhau đối với tất cả các điểm thuộc tiết diện của dây dẫn. Nhung đối với dòng điện
xoay chiều, đặc biệt là dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu huớng tập trung ở
lớp mỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi dây dẫn.
Hiện tuợng này đuợc 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 trung cho hiệu ứng bề mặt nguời ta đua ra đại luợng &
gọi là độ thấm sâu, đuợc định nghĩa là khoảng cách bề mặt đến vị trí mà mật độ dòng
điện giảm còn ~~ 37% so với ở bề mặt theo huớng xuyên tâm
(1.7)
Trong đó p là điện trở suất của vật liệu, là tần số góc của dòng điện,
ịi là độ từ thấm của vật liệu. Trong vật liệu từ p chịu ảnh huởng của tần số
dòng điện xoay chiều cũng nhu độ lớn từ truờng ngoài. Sự phụ thuộc ịí vào từ

1

truờng ngoài của vật liệu từ mềm thể hiện hiệu ứng GMI.
Khi đi sâu vào trong vật liệu một lóp í, mật độ dòng điện giảm đi e lần và
có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dày s trên bề mặt dây dẫn. Khi <5


2
thay đổi, khả năng cản hở dòng điện (tổng trở) của dây dẫn thay đổi và 8 càng
nhỏ tức là dòng điện chỉ phân bố trên 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 trở)

-

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
họp 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 GMI.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, một số mô hình toán học đã được tìm
thấy có dải tần phù họp 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 Squữe [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


2

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 quá trình quay của vec tơ từ độ dưứi 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 ỉồ Xét mô hình
q được bão hòa bởi vách đơn 180°, định hướng theo các
bao gồm các domain phảnX.song
trục từ dễ, 0 là góc tạo bởi phương dễ từ hóa và trường ngoài. <|>1 và <|>2 là góc
giữa mô men từ của hai domain với phương dễ từ hỏa dưới tác dụng 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 dưối 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 Xt liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:
Ht=X
t+l
(1.
Nếu có thể tính được độ tự thẳm ngang \Xị 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 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:


2

Ulol=Uk+U-+U‘H+Uw

(1.9)

Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức
s 2M : U K = K [ a s m 2 ệ ì + ( l - a ) s m 2 ệ 2 ]

(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).
U H là năng lượng Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài đặt vào
Hax:
[/" = ^0M5//"[(l-a)cos(ớ + ^2)-acos(ớ-^1)]

(1.9 b)

U ! H là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang Hl:
U‘H = fjữMsH‘[ặ-a)sm(9 + ệ2)-asm(9-ệ1)]

(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:
Uw=/?u2

(1.9d)

Với u=x/d và p đơn vị đo “độ cứng” của vách domain. Đại lượng này được sử
dụng để chọn giá trị của moment góc

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 Hl =0. Do vậy phát hiện ra được những thay đối mặc dù rất nhỏ của các
thông số trên 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.
AM X t _ ổ H t

(1.1


2

Ở đây, trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh cìánh 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 ưở. Vấn đề này cũng đã được
làm sáng tỏ thông qua kết luận trên dạng của đường cong từ tổng ữở GMI (H) 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 gỉm lại khá mạnh phụ thuộc vào
dòng xoay chiều tần số cao. Do đó, mô hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm
ngang cho các vật liệu mà tạỉ đó lượng dịch chuyển vách domain do từ trường ngang
gây ra và giảm dần khi tăng tần số. Khía cạnh thứ hai được nhắc đến trong mô hình
này là mối quan hệ giữa sự định hướng dị hướng trục dễ với hiệu ứng GMI, các kết
quả nghiên cứu chỉ ra rằng dạng của đường cong GMI(H) phụ thuộc vào sự định
hướng trục dễ.
Khía cạnh cuối cùng là nghiên cứu sự phân bố dị hướng lên hiệu ứng GMI, một số kết
quả nghiên cứu chỉ ra rằng GMIr là hàm của M(Xt).
-1000 -500
0
500 1000
Applied Field [A/m]
Fig. 2. GMI for a Co-base amorphous wire with indu
ced circular anisotropy. Evolution from TP to SP-]ike
with increasine current i.s observed.
Hình 1,4. Hình dạng đường cong GMI cố hiện tượng
tách đỉnh


2

1.4. Ảnh hưởng thông sế đo đến tỉ số GML

1.4.1.

Cường độ dòng điện chạy qua mẫu
Quá trình từ hóa mẫu theo phương ngang do từ trường của dòng xoay chiều chạy

qua mẫu. Trong khi đó, quá trình từ hóa này dẫn đến sự thay đổi của tổng trở [26]. Các
nghiên cứu chỉ ra rằng, tỷ số GMIr 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 cong
GMI và dòng điện cao tần có tính tỷ lệ nghịch.
-1000
500 o 500 10OO
Đường cong GMI tương ứng vói giá trị cường độ dòng
H (A/m)
điện nhỏ cho thấy ______________
Hình 1.5. Tỷ số GMIr của bang vô định hình nền
Co
có sự tách đỉnh rõ
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 công bé cũng chỉ ra rằng, sự phụ thuộc của
hiệu ứng GMI vào cường độ dòng điện với các vật liệu khắc nhau là khắc nhau.

1.4.2.

Tần số dòng đo
Theo phương trình 1.11 vả GMĩr (%)=1Q0 Z ( I Ỉ )

Z(fímBX)

, tổng trở z và kéo

theo là hiệu ứng GMI sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi tần số của dòng đỉện 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 vối 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


2

băng vô định hình [29]. Với tần 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 vói
dải tần số từ 100 kHz đến 10 MHz, dải thông thường vói hầu hết các nghiên cứu về
hiệu ứng GMI, với sự tăng của tần số, tỷ số GMIrmax lúc đầu tăng đến giá trị cực đại
rồi sau đó giảm. Như quan sát thấy ở hình 1.6.
Hình 1.6. Tỷ sổ GMIr của băng nanô tinh thể Fe7iAỈ2Sii4Bg SCUỊNÒĨ 5 phụ
thuộc tần sổ.
Khi tần số tăng từ 1 - 5 MHz, GMIrmax 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.
Ngưòi 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.
H (Oe)
(Oe)
HìnhH1.7.
Tỷ số GMIrđo ở tần số 4 MHz, nhiệt độ thay dổi ttừ 10K đến 300K
của băng vô định hình Co69Fe4 ỊCUI SSÌỊQBỊS chưa ủ (a) và ủ ở 35(fc (b)