Luận văn nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của hợp kim vô định hình co75 xfexsi15b10

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

HOÀNG CÔNG TĨNH

N G H IÊ N CỨ U C ẤU T R Ú C , TÍN H C H Ắ T T Ừ VÀ H IỆ U Ứ N G
G M I CỦA H Ợ P K IM V Ô Đ ỊN H H ÌN H C O 75_xFExSI 15B 10

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 01 04

L U Ẩ• N V Ă N TH A• C s ĩ K H O A H O• C V Ẩ• T C H Ắ T

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Tình

HÀ NỘI, 2015


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Hữu
Tình người thầy đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và những định
hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đõ, tạo điều kiện và khích lệ của
PGS.TS. Nguyễn Huy Dân dành cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận
văn.
Tôi xin cảm ơn sự cộng tảc và giúp đỡ của học viên Nguyễn Thị Ngọc
Loan người cùng chung giảo viên hướng dẫn, đã cùng tôi hoàn thành nhiều
công đoạn trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS. Nguyễn
Mau Lâm, NCS. Nguyễn Hải Yến, NCS Đinh Chỉ Linh và cảc cản bộ, học viên
khác trong Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt

Nam (nơi tồi hoàn thành công việc chế tạo mẫu thực nghiệm phục vụ cho

công tác nghiên cứu luận văn).
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của Trường đại
học sư phạm Hà Nội 2, Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn - Trung tâm nghiên
cứu khoa học và chuyển giao công nghệ trường Đại học sư phạm Hà Nội 2
đổi với tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn và thực sự không thể quên được sự giúp đỡ
tận tình của các thầy cô giáo, bạn bè, anh em gần xa và sự động viên, giúp
đỡ, tạo điều kiện của những người thân trong gia đình trong suốt quá trình tôi
học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 7 năm 2015
Tác giả


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 với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan
rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Tác giả luận văn

Hoàng Công Tĩnh


MUC LUC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU............................................................................. 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT T Ắ T ............................................................... 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ T H Ị..................................................... 3

DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. 5
MỞ Đ Ầ U ............................................................................................................... 6
NỘI DUNG............................................................................................................ 8
■

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT HIỆU ỨNG TỪ TỒNG TRỞ
KHỔNG LỒ (GMI) VÀ VẬT LIỆU TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH
(VĐH)..................... ........ ................. ................................................................. 8
.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI)...................................................... 8
.1.1 Giới thiệu về hiệu ứng GMI...................................................................8
. 1.2 Cấu trúc đômen của vật dẫn từ tổng trở.............................................. 11
.1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ- GMI........................ 13
.1.4 Hiện tượng tách đỉnh - mô hình giải thích hiện tượng tách đỉnh.... 16
.2 Ảnh hưởng của thông số đo đến tỷ số GMI...........................................19
.2.1 Cường độ dòng điện chạy qua mẫu.................................................... 19
.2.2 Tần số dòng đo..................................................................................... 19
.2.3 Nhiệt độ đo........................................................................................... 20
.3 Công nghệ nguội nhanh.......................................................................... 21
.3.1 Các phương pháp nguội nhanhchế tạo vật liệu dưới dạng băng
mỏng............................................................................................................... 21
.3.2 Tốc độ nguội của hợp kim nóng chảy.................................................22
.3.3 Tốc độ nguội tới hạn............................................................................24
.4 Vật liệu từ mềm có cấu trúc vô định hình..............................................26
.4.1 Cấu trúc tinh thể và VĐH................................................................... 26
.4.2 Đặc trưng cơ bản của vật liệu từ mềm VĐH..................................... 27
.4.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm VĐH............................... 28

1.4.4 Khả năng ứng dụng của vật liệu từ mềm VĐH............................... 28
CHƯƠNG 2: THựC
NGHIỆM
CHẾ TẠO
MẪU.................................. 30
•
•
•

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u .....................................................30
2.1 Đối tượng nghiên cứu...........................................................................30
2.2 Chế tạo mẫu hợp kim............................................................................ 30
2.2.1 Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu trúc vô định hình bằng thiết bị
nguội nhanh đơn trục.................................................................................. 30
2.2.1.1 Tạo hợp kim ban đầu......................................................................31
2.2.1.2 Phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu ở dạng băng mỏng............33
2.2.2 Kỹ thuật gia công mẫu.....................................................................34
2.2.3 Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt................................................................. 34
2.3 Phương pháp phân tích.........................................................................35
2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction).................. 36
2.3.2 Phương pháp phân tích hiển vi điện tò quét và phương pháp tán sắc
năng lượng tia X (EDX).............................................................................. 37
2.3.3 Phương pháp quét phân tích nhiệt vi sai (DSC)................................ 39
2.3.4 Phương pháp đo từ tổng trở................................................................ 41
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................43
3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử
lý nhiệt lên tính chất từ của hệ vật liệu Co - Fe - Si - B........................... 43
3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần các nguyên tố lên tính chất từ
của hệ vật liệu Co75_xFexSii5Bio.................................................................. 43
3.1.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt lên tính chất từ của

hệ vật liệu Co75_xFexSii5Bio.........................................................................44
3.2 Nghiên cứu Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến tính chất từ của băng
VĐH Co75-xFexSii5Bio................................................................................. 47
3.3 Nghiên cứu hiệu ứng GMI của băng hợp kim vô định hình nền Co.. 48


3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến hiệu ứng GML... 48
3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của tần số đo đến hiệu ứng GMI....................51
3.4 Nghiên cứu hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim VĐH Co75 _xFexSii5Bio 53
3.4.1 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng Fe trong hợp kim đến tỷ
số GMIr của hợp kim VĐH Co75 _xFexSii5Bio..........................................53
3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến tỷ số GMIr của hợp
kim vô định hình C075 _xFexSiisBio........................................................... 54
KÉT LUẬN.......................................................................................................55
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................56


1

D A N H M Ụ C CÁC K Ý H IỆ U
Br

Cảm ứng từ dư
Từ giảo bão hòa

Y

Năng lượng của mỗi đơn vị diện tích trên vách đômen

8

Độ dày vách đômen

M'O

Độ từ thẩm của chân không

D

Hệ số khử từ

E k

Năng lượng dị hướng từ tinh thể

He

Lực kháng từ

H n

Trường tạo mầm đảo từ

H cr

Số hạng trường tinh thể

H ex

Số hạng trường trao đổi hoạt động trên các môm en đất hiểm

H ext

Từ trường ngoài

H in

Trường nội tại

Ir, J r , M r

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

Sv

Hệ số nhớt của vật liệu

T a

Nhiệt độ ủ

Tc

Nhiệt độ Curie

T Rt

Nhiệt độ Curie gây bởi tương tác đất hiểm và kim loại chuyển tiếp

TAm

Nhiệt độ nóng chảy

TAg

Nhiệt độ thủy tinh hóa

ta

Thời gian ủ nhiệt


2

D A N H M Ụ C CÁC C H Ữ V IÉ T TẮT
GMI

: Giant Magneto Impedan

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

GM Ir

: Giant Magneto Impedan ratio

Tỷ số từ tổng trở khổng lồ

L

: Lỏng

LQN

: Lỏng quá nguội

RE

: Đất hiểm

SAED

: Nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc

TEM

: Kính hiển vi điện tử truyền qua

TM

: Kim loại chuyển tiếp

T-T-T

: Giản đồ nhiệt độ - thời gian -

VĐH

: Vô định hình

VLTC

: Vật liệu từ cứng

VSM

: Hệ từ kể mẫu rung

XRD

: Nhiễu xạ tia X

chuyển pha


3

D A N H M Ụ C C Á C H ÌN H V Ẽ V À ĐỒ TH Ị
Hình 1.1 Tong trở của dây dẫn có từ tính
Hình 1.2 M ổi liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thẩm sâu bề m ặt với từ

trường ngoài

Hình 1.3 M ô hình đơn giản của domain lõi vỏ
a, Quá trình từ giảo dương
b, quá trình từ giảo âm
Hình 1.4 Cẩu trúc domain trong lõi và vỏ
a/Cẩu trúc domain nhọn đổi song trong lõi
b/Sự phân bo cẩu trúc domain trong lõi và vỏ của dây
Hình 1.5 Cẩu trúc domain của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay chiều và
từ trường m ột chiều
Hình 1.6 Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ
Hình 1.7 Hình dạng đường cong GM I có hiện tượng tách đỉnh
Hình 1.8 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đinh
Hình 1.9 Đồ thị ỵ t theo h ứng với các giá trị ỠỊỉkhác nhau
Hình 1.10 Tỷ số GMIr của băng vô định hình nền Co theo cường độ dòng điện.
Hình 1.11 Tỷ sổ GMIr của băng nano tinh thể F e7iAl2Sỉi 4 B 85CuiNb 3 5 phụ thuộc

tần số.
Hình 1.12 Tỷ số GMIr đo ở tần số 4 MHz, nhiệt độ thay đổi từ 10K đến 300K của
băng vô định hình Cơ 6 ỹFe4 5Cui sSijoBjs chưa ủ (a) và ủ ở 350°c (b).
Hình 1.13 Quá trình truyền nhiệt.
Hình 1.14 Hợp kim m ột nguyên, đường 1, 2 và 3 ứng với toc độ nguội khác nhau
Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không.
Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ nẩu hồ quang và đúc mẫu.
Hình 2.3 (a) Ảnh hệ nẩu hợp kim hồ quang: (1) máy chân không, (2) buồng nẩu,
(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.


4

Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không.
Hình 2.5 Sơ đồ mình họa nguyên lý hoạt động của phương pháp đo nhiễu xạ tia X.
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét SEM.
Hình 2.7 a) Là sơ đồ cung cung cẩp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt; b) Là
loại bo chính công suẩt.
Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ đo GMI.

Hình 3.1 Ảnh chụp băng mẫu VĐH Co75.xFexSi15B10 với
Hình 3.2 Giản đồ nhiệm xạ tia X của các mẫu Co75.xFexSìi5B10 ị X = 4, 5 và 6) chưa
ủ.
Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co75 .xFexSij5B ỉ0 ( X = 4, 5 và 6) được xử
lý nhiệt ở 360°c trong lh .
Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co75.xFexSiỉ5B 10 ( X = 4, 5 và 6) được xử
lý nhiệt ở 440°c trong lh .
Hình 3.5 Đường cong từ hóa của mẫu VĐH Co75.xFexSiỉ5B 10 (x =4, 5 và 6) chưa xử
lý nhiệt.

Hình 3.6 Đường cong từ hóa của mẫu VĐH Co75.xFexSiỉ5B 10 (x =4, 5 và 6) ủ ở

400°c, 60 phút.
Hình 3.7 Khảo sát hiệu ứng GM I (tần số 6 M hz) theo chiều đài mẫu đo
Hình 3.8 Tỷ sổ GM I cực đại theo chiều dài mẫu đo (bề rộng mẫu là 2 mm)
Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 4 M hz) theo chiều rộng mẫu đo
Hình 3.10 Tỷ sổ GM I cực đại theo chiều rộng mẫu đo
Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GM I mẫu M 5 ủ 360°c trong 60 phút
Hình 3.12 So sánh tỷ số GM I cực đại theo tần số đo.
Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng G M I theo hàm lượng Fe, mẫu chưa ủ
Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng G M I theo hàm lượng Fe, mẫu ủ ở 3 6 0 °c /lh
Hình 3.15 So sánh tỷ so GM I cựu đại theo nhiệt độ ủ của mẫu Co75- x FexSỉi5B 10, 6
M Hz
Hình 3.16 So sánh tỷ so GM I cựu đại theo thời gian ủ của mẫu Co75- x FexSỉi5B 10, 6
MHz


5

D A N H M Ụ C CÁC B Ả N G
Bảng 1.1. Vận tốc nguội tới hạn R c trong quá trình vó định hình hợp kim [3].
Bảng 2.1 Hệ hợp kim nền coban.
Bảng 4.1 Nhiệt độ kểt tinh pha a - Co của các mẫu băng VĐH Co75 .xFexSij5Bỉ0 (x =
4, 5 và 6)


6

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.

Vật liệu từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà “m ềm ” về
phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Vật liệu từ mềm có đường trễ từ hẹp
(lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ
từ thẩm lớn nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài. Cho
nên thường được sử dụng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài, ví dụ như lõi
biển thể, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ hoặc các chi tiết cảm biển.
Hợp kim vô định hình (VĐH) dưới dạng băng mỏng, sợi mảnh kích thước cỡ
m ột vài cho đến vài chục micro m ét là kích thước so sánh được với độ thấm sâu cao
tần ỗ. Điện trở suất cao và đặc biệt là từ thẩm cao của hợp kim VĐH và nano tinh
thể là các yểu tố quan trọng có thể khai thác và điều khiển hiệu ứng tổng trở cao tần
trong dây dẫn từ tính hoặc các thiết bị như đã nêu ở trên.
Hợp kim từ tính làm bằng băng VĐH vốn có từ thẩm
động của từ trường ngoài H,

]LL

]LL

rất cao. Dưới tác

thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt ô thay đổi

mạnh dẫn đến sự thay đổi mạnh của tổng trở z của vật liệu. Trong trường hợp đó
người ta dùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và
đặc trưng bởi tỷ số GM I (hoặc GMIr). M uốn nhận được tỷ số tổng trở GM Ir cao,
hợp kim phải có từ thẩm ]LLcao hay nói cách khác phải là vật liệu có tính từ mềm tốt.
Hợp kim VĐH là vật liệu có tính từ mềm rất tốt. Trong hợp kim VĐH, khi
hàm lượng của các nguyên tố hợp phần thay đổi thì cấu trúc và tính chất của hợp
kim cũng thay đổi. M ỗi nguyên tố trong hợp phần có vai trò và ảnh hưởng khác
nhau đến cấu trúc vi mô của vật liệu. Trong đó B đóng vai trò làm ổn định nền vô

định hình và làm giảm lượng pha a - Fe khi nồng độ của nó tăng lên. Si làm ảnh
hưởng đến dị hướng từ tinh thể và từ giảo của vật liệu. Ảnh hưởng của tỷ phần các
nguyên tố lên tính chất từ và hiệu ứng GMI đang được nghiên cứu m ột cách triệt để.
Với lý do trên tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và
hiệu ứng GMI của hợp kim vô định hình Co 75_xFexSii5Bio”.


7

2. M ục đích nghiên cứu
Tìm được thành phần và chế độ xử lý mẫu cho tính chất từ và hiệu ứng GMI
tốt nhất.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo mẫu vật liệu mẫu bằng công nghệ nguội nhanh.
- Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của các mẫu đã được chế tạo.
- Khảo sát hiệu ứng GM I trên các mẫu đã được chế tạo.
4. Đổi tượng và phạm vỉ nghiên cứu
- Vật liệu từ mềm vô định hình nền Co chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh
từ thể lỏng, cụ thể là Co 75.xFexSii 5B 10 trong đó thành phần Fe thay đổi với X = 4, 5,

6.
5. Phương pháp nghiên cứu
Từ đối tượng và mục đích nghiên cứu là làm rõ mối quan hệ giữa công nghệ
chế tạo và xử lý mẫu - cấu trúc vi mô và tính chất từ và tổng trở của mẫu, áp dụng
các phương pháp thực nghiệm như sau. Sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo
hợp kim VĐH, sau đó sử dụng các 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.

8

NỘI DUNG
C H Ư Ơ N G 1: T Ô N G Q U A N V Ề V Ậ T H IỆ U Ứ N G T Ừ T Ổ N G
T R Ở K H Ô N G LỒ (G M I) V À V Ậ T L IỆ U T Ừ M Ề M VÔ Đ ỊN H
H ÌN H (V Đ H ).
1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GM I)
1.1.1 Gỉớỉ thiệu về hiệu ứng GMI
Khi cho dòng điện xoay chiều qua dây dẫn có từ tính, dòng điện này sẽ sinh
m ột từ trường biển thiên Ht vuông góc với dây dân (hình 1.1). Từ thông sinh ra do
sự biển thiên của Ht làm xuất hiện trong dây dẫn dòng điện i cảm ứng có tác dụng
chống lại sự biển thiên của từ trường Ht - tương
tự như tổng trở của mạch RLC. M ặt khác Ht từ

;_ T ico^
1—i 0e

H

hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện độ từ
thẩm theo phương ngang |Lit. Khi ta đưa từ trường
„
, .X ___________„_______ ,
ngoài Hext m ột chiêu song song với trục của dây
dân thì từ trường này sẽ làm thay đôi quá trình từ

Hình 1.1 Tổng trở của
dây dân có từ tính

hoá theo phương ngang tức là thay đổi độ từ thẩm ngang |Lit 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 [ 1 0 ]
z = RdckaJc(k a )/2J!(k a )
- Rdc là điện trở của dây dẫn
- Oi là bán kính tròn của dây
ổ là độ dày thấm sâu bề mặt
-J0 và Ji là các hàm Bessel, và k= (l+ j)/ ổ

(1.1)


9

Tại tần số cao, ( |f c a |» l ) , biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng cho
phép ta tính tổng trở dưới dạng sau:
Z = R + jX ,

(1.2)

R & X * R dc

Với

(1.3)

■ị ĩ ~t

2p

8 0 là

s =

độ dầy thấm sâu

(1.4)
Mo®

Từ (1.2) (1.3) (1.4) biển đổi ta có:
Z = (l+ J )Rdc( T - ^ = ) A/ / / ^ m
2 ^12 p

(1.5)

V ới p là điện trở suất và Cù là tần số góc của dòng điện xoay chiều đặt
vào dây dẫn.
Từ (1.5) thấy tổng
trở của m ột dây dẫn có từ
tính phụ thuộc vào: bản

( lim'»

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 ....

N hư vậy đối YỚi các
vật dẫn phi từ |LL ~ 1, từ
trường tác động lên độ
thấm từ gần như không
đáng kể, có thể bỏ qua. Do
đó tổng trở của chúng chỉ
thay

đổi

theo

tần

số.

H ex t = 0

H ext> 0

H ình 1.2 M oi liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thẩm sâu
bề măt với từ trườns neoài


10

Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ từ thẩm rất lớn |J. ~ 106 (vô định hình nền
Co và nano tinh thể Fe), thì độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ trường và tần số (n =
|li(H,cô)), kéo theo sự thay đổi mạnh tổng 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 đômen trong dây dẫn (quá trình dịch vách
và quay véc tơ từ độ). Đây là yểu tố liên quan đến hình dạng, kích thước hình học
của vật dẫn. Các kết quả được công bố trong nước và quốc tể 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 m ặt khi tần
số cao. Khi đi sâu vào trong 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 ô trên bề
mặt dây dẫn. Độ thấm sâu ô càng nhỏ (tần số cao) thì tức là dòng điện chỉ phân bố
trên một lớp rất mỏng ở bề m ặt dây dẫn và dòng điện càng bị cản trở mạnh (tổng trở
lớn) và ngược lại. Bằng lý thuyết và thực nghiệm thấy ô phụ thuộc vào tần số dòng
điện, tính chất từ của vật liệu làm dây dẫn và từ trưòng 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 H ext tăng thì độ từ thẩm ]LL
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 m ềm (|LI thay đổi và giảm khi tăng từ trường ngoài) và làm

thay đổi độ dầy thấm sâu của bề m ặt 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.


11

Nói tóm lại hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto - impedance
effect) là sự thay đổi m ạnh tổng trở z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ

trường ngoài Hc và dòng điện cao tần cỏ tần số ú). 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 ứng tổng trở khổng lồ
(GMI) là sự kết hợp giữa hiệu ứng bề m ặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng
( ụ eff) của dây dẫn vào từ
OUrEK SHELL

( M

trường.

7

INNER- ỢQRE

\y > Y U 1

1.1.2 Cấu trúc đômen của

íllpROSOOQfiD

yật dẫn từ tỗng trở

CLOSURE ['OHAlMS

Như đã được đề cập ở
trên, hỉêu ứng từ tồng trở

ib)

khổng lồ liên quan đến quá
trình từ hoá động của vật dẫn

Hình 1.3 M ồ hình đơn giản của đômen ỉõi vỏ

trong từ trường. Quá trình từ
hoá này cố m éỉ liên hệ mật
thiết với cấu trúc từ vi mô

a, Quá trình từ giảo dương
b, quá trình từ xiảo âm
rh«i|

của các vật dẫn từ. Theo các
kết quả nghỉên cứu, cấu truc
từ vi mô của vật d ln từ tổng
trở phụ thuộc vào độ từ giảo
và các ứng suất nội cũng như

à E Ĩ Ĩ I Ĩ E ’ ĩ lỉ
p.

ự

bên ngoài tác động lên vật

-e*

&
V*

^

-pr
Th-

^ ĩ ĩ ¡TjjTj'i 7

liệu.
a/ Mô hình cấu trúc
dom ain

khi

không

cố

từ

rJj E * Ị * h<*

^

bi

a-

w*

5-

i*

E-

&.

r—
^

-p*

¿TpyT'b'j ỹỊ lị ?ì~ĩ| V[sh*n
rl_.

Hình 1.4 Cấu trúc đômen trong lõi và vỏ
a /cẩ u trúc đồm en nhọn đồi song trong lõi

trường ngoài
b/Sự phân bẩ cẩu trúc đồm en trong lỗi và vỏ cửa đây
Trên hình 1.3 là mô


12

hình cấu trúc đômen của vật dẫn dạng dây. Có thể thể thấy có hai dạng cấu trúc
chính ứng với các vật liệu có hằng số khác dấu. c ấ u trúc này bao gồm hai phần là
lõi và vỏ. Với vật liệu có hằng số từ giảo dương (Hình 1.3 a), đôm en lớp vỏ ngoài
của dây là có dạng xuyến tròn được gọi là đômen vòng. Đômen vòng này làm xuất

hiện năng lượng khử từ, năng lượng này giảm dần theo chiều từ lớp bề m ặt đi vào
lõi do các đômen khép kín có trên bề mặt mẫu và trong lõi của dây. Do đó, các trục
dễ cũng nằm dọc theo trục của dây hoặc vuông góc với trục của dây. Vì vậy, các
mômen từ sẽ tạo với trục của dây m ột góc 0 hoặc 90°, ngoại trừ vách đômen. Hiện
tượng từ giảo âm là nguyên nhân sinh ra cấu trúc đômen ‘bam boo’ với trục dễ vòng.
Theo Kinoshita và các cộng sự [11] khi có m ặt ứng suất kéo, sẽ có m ột trục
ứng suất thay đổi dần từ dạng nén tại bề m ặt thành dạng kéo ở lõi của dây. Liu và
các cộng sự cũng mô hình hoá quá trình làm nguội nhanh trong chế tạo vật dẫn
dạng dây. Các kết quả của nhóm này chỉ ra đối với dây đường kính 60|am thì ứng
suất dư ở dạng nén tại bề mặt dây (= 1200 M Pa) khi giảm chiều sâu khoảng 20 |am
thì ứng suất dư dạng nén tiến đến

0,

sau đó ứng suất dư dạng nén biển đổi thành

ứng suất dạng kéo và tăng dần giá trị lên khoảng 150MPa khi tiếp tục đi sâu vào
trong lõi của dây khoảng 10 |am .Cuối cùng thì giá trị ứng suất lại giảm dần về 0
tại lõi của dây. Giá trị cơ bản của mô hình lõi - vỏ đã được xác nhận qua rất nhiều
nghiên cứu thực nghiệm và rất cần thiết trong qúa trình quan sát trực tiếp bề mặt
đômen. Tuy nhiên, điểm khó khăn trong quá trình quan sát trực tiếp cấu trúc
đôm en là chỉ quan sát được cấu trúc đôm en trên bề mặt của dây (cả dây ban đầu
và dây đã qua xử lí), cấu trúc đômen bên trong chỉ có thể được phỏng đoán.
Tuy nhiên có sự thay đổi m ột chút với các đômen song song nhau ở lớp vỏ,
thành phần xoắn của từ độ trong lõi và sự phân bố của các trục dễ trong dây (hình
1.4)
b/ Quá trình từ hoá trong vật dẫn từ


13

Dòng xoay chiều

Đômen lõi

Đômen lớp vỏ

Hình 1.5 Cẩu trúc đômen của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay chiều
và từ trưòne mót chiều
Ở vùng tần số thấp quá trình dịch vách đôm en ở lớp vỏ chiếm ưu thể hơn
quá trình quay vec tơ từ độ ở đômen lõi. Ở tần số cao quá trình dịch vách đôm en bị
dập tắt bởi dòng xoáy, do đó chỉ còn quá trình quay vectơ từ độ trong đômen lõi của
dây dẫn dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều. Điều này được phân tích chi
tiết với mô hình lý thuyết giải thich hiệu ứng GMI được trình bày ở phần tiếp theo
sau.
1.1.3 Mô hình gỉảỉ 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. M ột 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 đômen 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 m à chưa nói lên được mối liên hệ giữa cấu trúc đômen, dị
hướng từ và tỷ số GMI.


14

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, m ột số mô hình toán học đã được

tìm thấy cố dải tần phù hợp với dải tần nghiên cứu (lớn hơn 10 KHz) và dạng hình
học của vật liệu. Trong đó, m ối quan hệ giữa cấu trúc đômen. và quá trình từ hổa của
chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ số GMI được thể hiện. Đ ây là mô hình của
Squừe [12] dành cho quá trình từ hốa và hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ mềm.
Mô hình này cổ thể được sử dụng trong cả vật dẫn cố cấu trức hình trụ và vật dẫn cố
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 ưòn 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 đomãỉn và quá trình quay của vec tơ từ
độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gâỵ ra.
Hình 1.6 chỉ ra cấu trúc đôm en và các góc được sử dụng trong mô hình.
X ểt mô hình bao gồm các đômen phản song được bão hòa bởi vách đơn
180°, định hướng theo các trục từ dễ,

0

là góc tạo bởi phương dễ từ hóa và trường

ngoài, ộ 1 và ộ 2 là gốc giữa mồ men từ của hai đô men với phương dễ từ hóa dưới tác
dụng tổng hợp của từ trường ngoài H ext và từ trường vuông góc Ht, d là bề rộng
vách đôm en khỉ không cố từ trường ngoài và

X

là độ dịch chuyền của vách đômen

dưới tác dụng của trường cảm ứng từ.Thông qua mô hình này cổ thể tính được độ tự
cảm ngang

%ị.

M ặt khác độ tự cảm ngang Xtliên hệ vớỉ độ từ thẳm ngang theo biểu

thức sau:

Nếu có thể tính
được độ tự ¿hẩm ngang
jit theo mồ 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

Hình 1.6 M ô hình tính toán giải thích hiệu ứng tổng trở
khẳng lồ


15

mô hình này, m ật độ năng lượng tự do được cực tiểu hóa nhằm xác định cấu trúc
đômen (bao gồm vị trí của vách domain và góc quay từ hóa). M ật độ năng lượng tự
do được xác định theo công thức sau:
Utot= U i + U - + U lH + Uw

( 1 .8 )

Với UK là m ật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức
UK = £ [ a s in 2^ + ( l - ữ ) s i n 2 ^2]

sau:

( l . 8 a)

Với K là hằng số dị hướng. Thừa số a chỉ phần vật liệu được chiếm giữ bởi
các đômen từ hóa dọc theo trục của từ trường ngoài đặt vào. (hình 1 .6 ).
U ỵ là năng lượng Zeem an energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài
đặt vào H ax:
U™ = ụ ữM sH ax[ặ - a)cos(ớ + ệĩ ) - acos(ớ - ^ )]

( l . 8 b)

U ỵ là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang Hl:
U ‘H = JU0M sH l[ (ỉ-a )s m (ỡ + ệ 2 ) - a s ĩ a ( ỡ - ệ 1)\

( 1 .8 c)

Và u w 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=yỡu2

(1.8d)

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

, và vị trí của vách đômen 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 đổi 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 m ặt và không có mặt của từ trường ngang cho phép tính được độ từ
cảm theo phương ngang.
AM
Xt ~~ÕHt


16

Ở đây, trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh chính
trong mốỉ quan hệ giữa từ tểng trở và cấu trúc đômen. Khía cạnh thứ nhất được
nhắc đến là mối quan hệ giữa quá trình từ hổa và hiệu ứng từ tổng trở. v ấ n đề này
cũng đã được làm sáng tỏ thông qua kết luận trên dạng của đường cong từ tổng trở
GMI(H) là m ột 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 đômen 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 tại đó lượng dịch chuyển vách
đôm en do từ trường ngang gây ra và giảm dần khỉ tăng tần sế. Khía cạnh thứ hai
được nhắc đến trong mô hình nàỵ là m ối 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, m ột số kểt quả nghiên cứu chỉ ra rằng GM Ir
là hàm của M(Xt)*
1 .1 .4 H iện t ư ợ n g tá c h đ in h - m ô h ìn h g iả i th íc h h iệ n t ư ợ n g tá c h đ in h
Trong quá trình nghiên cứu hiệu
úng ƠMI, đẵ thu được m ột số kểt quả

250

đặc biệt đó là đường cong GM I cố hiện

200

tượng tách làm hai đỉnh (có hai cực đại)

ĩ.

150

trong khoảng từ trường nhò ("50 đến 50

100

Oe). Điều này mở ra m ột tiềm năng to

50

lớn cho việc ứng dụng chế tạo sensơr

0

dòng dải đo nhỏ, sensơ nhạy từ trường
do trong khoảng từ trường tách đỉnh tỷ
số GMI thay đổi rất lớn và rất nhạy với
tư trương.

Applied Field [A/m]
Fig. 2. GMI for a. Co-base amorphous wire with induced circu­
lar anisotropy. Evolution from TP to SP-Iitoỉ with increasiJic
current is observed,

H ình 1.7 Hình dạng đường cong GM I
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 X.P.Li


17

và các cộng sự giải thích theo mô hình xét một đơn đômen quay quanh một trục
chuẩn. Mô hình này có thể giải thích đối với vật liệu có hình dạng là dây tròn và
băng mỏng.
X ét một dây dẫn hợp kim có từ tính, từ trường ngoài Hext đặt dọc theo trục
của dây dẫn, dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn sinh ra từ trường ngang Ht ,
Phương của từ trường ngang Ht hợp với phương dễ từ hóa một góc 0K, và 0 là góc
giữa phương dễ từ hoá và phương véc tơ từ độ M của vật liệu.

Hình 1.8 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh
Năng lượng của dây dẫn từ tính đặt trong từ trường Hext là:
E = K sin2e -M sHextsin(0+0K)-M sHtcos(0K+0)

(1.9)

Trong đó E năng lượng toàn phần của hệ,
K hằng số dị hướng của vật liệu làm dây dẫn,
0K là góc hợp bởi phương dễ từ hoá và phương của từ trường ngang Ht
0 là góc giữa phương dễ từ hoá và phương từ độ M của vật liệu.
Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là:
ỔE
TT- = k sin(20) - M s Hext sin (0+0 k ) - M sHt cos(0+0K) = 0

tí\J
M ặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:

( 1.10)


18

ÔM

d 2E

M s sm2(0 + 0K)
*

H k ịh sin2(0 + 0K) + cos(20)}

(i-11)

Trong đó Hk= 2K/M S; h = Hext/Hk
Từ biểu thức (1.11) dựng đồ thị Xttheo từ trường ngoài ứng với các giá trị 0Kkhác
nhau (0K thay đổi từ 5° đến 9 0 ° ). Do jLLt=5Ct + 1 nên |LLt và Xt có cùng dạng đồ thị.

Hình 1.9 Đồ thị ỵ t theo h ứng với các giá trị ỡKkhác nhau
Theo hình 1.9 khi 0K nhỏ khoảng 5° thì đường cong được vẽ bởi (1.11) sẽ
xuất hiện hai đỉnh tại h= ±1 hay

H e x t=

±HK= ±2K/M S « ±HC .Khi 0K nằm trong

khoảng 5° đến 50° thì đường cong GMI vẫn xuất hiện hiện tượng tách đỉnh với độ
mạnh yểu khác nhau. Khi 0K =(60° đến 90° ) hiện tượng tách đỉnh trong đường
cong GMI không còn nữa.


19

1.2 Ảnh hưởng của thông số đo đến tỷ số GMI
1.2.1 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 GM Ir cực đại phụ
thuộc vào cường độ dòng điện

1000 500

0

500

1000

H (A/mỊ
chạy qua mẫu. Đồ thị trên hình
1 .1 0

cho thấy sự phụ thuộc giữa

giá trị, hình dạng đường cong

Hình 1.10 Tỷ số GMIr của băng vô định hình
nền Co theo cường độ dòng điện.

GMI và dòng điện cao tần có tính tỷ lệ nghịch. Đường cong GMI tương ứng với giá
trị cường độ dòng điện nhỏ cho thấy có sự tách đỉnh rõ nét, nhưng ởdòng có cường
độ dòng điện lớn hơn, chúng
dần m ất đi hiện tượng tách
đỉnh và đồ thị chỉ còn m ột đỉnh
[14]. Các công 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.
H (O e )

1.2.2 Tần sổ dòng đo

Hình 1.11 Tỷ số GMIr của băng nano tinh thể

Theo phương trình 1.11

F e 71A l 2Si 14B 8 5 Cu 2Nb 3 5 phụ thuộc tần sổ.

vàGM Ir(% )=100
(H max)

tổng trở z và kéo theo là hiệu ứng GMI sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi tần số của dòng