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

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

HOÀNG CÔNG TĨNH

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG
GMI CỦA HỢP KIM VÔ ĐỊNH HÌNH CO75.xFExSIi5B10
Chuyên ngành: Vật ỉý chất rắn
Mã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC VẶT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Tình

HÀ NỘI, 2015


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sẳc 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 đỡ, 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 tác và giúp đỡ của học viên Nguyễn Thị Ngọc
Loan người cùng chung giáo 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
Mẩu Lâm, NCS. Nguyễn Hải Yến, NCS Đinh Chỉ Linh và các cán bộ, học viên
khác trong Viện khoa học vật liệu - Viện hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt
Nam (nơi tôi 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 chuyến giao công nghệ trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đối ván tôi
trong quá trình thực hiện luận văn.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn và thực sự không thế 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 on và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Tác giả luận văn

Hoàng Công Tĩnh


MUC LUC

3.1 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 GMI.... 48
3.3.2
3.3.3...................................................................................................................

5

3.3.4
Br

y

3.3.5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

3.3.6

Cảm ứng từ dư Từ giảo bão hòa

3.3.7

Năng lượng của mỗi đơn vị diện tích trên vách đômen Độ dày vách đômen Độ từ thẩm

của chân không Hệ số khử từ

5

3.3.8

Ho
D

tinh thể

Ek

3.3.9

Năng lượng dị hướng từ tinh thể Lực kháng từ Trường tạo mầm đảo từ Số hạng trường
Số hạng trường trao đổi hoạt động trên các mômen đất hiếm Từ trường ngoài Trường nội tại Từ

độ dư

He
Hn

3.3.10

Hằng số Boltzmann

HCR

3.3.11

Từ độ rút gọn

Hex

3.3.12

Từ độ bão hòa

Hext

3.3.13

Hệ số khử từ

Hin

3.3.14

Tốc độ nguội tới hạn

3.3.15

Spin của nguyên tử kim loại chuyển tiếp

kß
mr
Ms
N

3.3.16

Hệ số nhớt của vật liệu

3.3.17

Nhiệt độ ủ

3.3.18

Nhiệt độ Curie

Rc

3.3.19

Nhiệt độ Curie gây bởi tương tác đất hiếm và kim loại chuyển tiếp Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ thủy

Ir, Jr,

s
Sv
Ta

Tc
TRt
T
A

m

T
1
g
ta

Mr

tinh hóa Thời gian ủ nhiệt

6

GMI
GMIr
L
LQN
RE
SAED
TEM
TM
T-T-T
VĐH
VLTC
VSM
XRD

3.3.20
3.3.21

DANH MỤC CÁC CHỮ VIÉT TẮT
Giant Magneto Impedan

3.3.22

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

Giant Magneto Impedan ratio Tỷ số từ tổng trở khổng lồ

3.3.23

Lỏng

3.3.24

Lỏng quá nguội Đất hiếm

3.3.25

Nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc

3.3.26

Kính hiển vi điện tử truyền qua

3.3.27

Kim loại chuyển tiếp

3.3.28

Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha

3.3.29

V ô định hình

3.3.30

Vật liệu từ cứng

3.3.31

Hệ từ kế mẫu rung

3.3.32

Nhiễu xạ tia X


3.3.33 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
3.3.34 Hình 1.1 Tổng trở của dây dẫn có từ tính
3.3.35 Hình 1.2 Moi liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thẩm sâu bề mặt với từ trường
ngoài Hình 1.3 Mô hình đơn giản của domain lõi vỏ
a, Quá trình từ giảo dương
b, quá trình từ giảo âm

3.3.36 Hình 1.4 Cẩu trúc domain trong lõi và vỏ
3.3.37 a/cẩu trúc domain nhọn đối song trong lõi
3.3.38 b/Sự phân bố cẩu trúc domain trong lõi và vỏ của dây
3.3.39 Hình 1.5 Cấu trúc domain của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay
chiều và từ trường một chiều

3.3.40 Hình 1.6 Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng tong trở
khống lồ Hình 1.7 Hình dạng đường cong GMI có hiện tượng
tách đỉnh Hình 1.8 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách
đỉnh Hình 1.9 Đồ thị Xttheo h ứng với các giá trị 0Kkhác nhau

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

điện.

3.3.42 Hình 1.11 Tỷ sổ GMIr của băng nano tỉnh thể Fe7jAl2Sij4B8sCujNb3 5 phụ
thuộc tần so.

3.3.43 Hình 1.12 Tỷ sổ GMIr đo ở tẩn sổ 4 MHz, nhiệt độ thay đối từ 10K đến 300K
của băng vô định hình Co69Fe4 5C UỊ 5Siì0Bì5 chưa ủ (a) và ủ ở 350°c (b).
3.3.44 Hình 1.13 Quá trình truyền nhiệt.
3.3.45 Hình 1.14 Hợp kim một nguyên, đường 1, 2 và 3 ứng với tổc độ nguội khác
nhau Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không.

3.3.46 Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ nấu hồ quang và đúc mẫu.
3.3.47 Hình 2.3 (a) Ánh hệ nấu hợp kim ho quang: (1) máy chân không, (2) buồng
nấu,

3.3.48 (3) tủ điều khiến, (4) bình khỉ trơ (Ar hay Ni), (5) nguồn điện, (b) Ảnh bên


trong
buồng nấu: (6) cần điện cực, (7) nồi, (8) cần lật mẫu.

3.3.49 Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không.
3.3.50 Hình 2.5 Sơ đồ minh 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.

3.3.51 Hình 2.7 a) Là sơ đồ cung cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt; b)
Là loại bổ chính công suất.
3.3.52 Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ đo GMI.

3.3.53 Hình 3.1 Ảnh chụp băng mẫu VĐH Co75.xFexSiI5BI0 với

3.3.54 Hình 3.2 Giản đồ nhiệm xạ tia X của các mẫu Co75.xFexSij5BỊ0 ( X = 4, 5 và 6)
chưa ủ.

3.3.55 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co75.xFexSÌỊ5B¡0 (X = 4, 5 và 6) được
xử lý nhiệt ở 360°c trong lh.
3.3.56 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Co75.xFexSÌỊ5B¡0 (X = 4, 5 và 6) được
xử lý nhiệt ở 440°c trong Ih.

3.3.57 Hình 3.5 Đường cong từ hóa của mẫu VĐH Co75.xFexSij5B10 (x =4, 5 và 6)
chưa xử lý nhiệt.
3.3.58 Hình 3.6 Đường cong từ hóa của mẫu VĐH Co75.xFexSij5B10 (x =4, 5 và 6) ủ ở
400°c, 60 phút.

3.3.59 Hình 3.7 Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6 Mhz) theo chiều dài mẫu đo Hình
3.8 Tỷ sổ GMI cực đại theo chiều dài mẫu đo (bề rộng mẫu là 2 mm)

3.3.60 Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI (tan so 4 Mhz) theo chiểu rộng mâu đo Hình
3.10 Tỷ sổ GMI cực đại theo chiểu rộng mâu đo Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GMI
mâu M5 ủ 360°c trong 60 phút Hình 3.12 So sánh tỷ so GMI cực đại theo tẩn sổ đo.

3.3.61 Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI theo hàm lượng Fe, mâu chưa ủ
3.3.62 Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI theo hàm lượng Fe, mâu ủ ở 360°c/lh
3.3.63 Hình 3.15 So sánh tỷ sổ GMI cựu đại theo nhiệt độ ủ của mâu Co75
FexSi]5B10, 6

x

3.3.64 MHz
3.3.65 Hình 3.16 So sánh tỷ sổ GMI cựu đại theo thời gian ủ của mẫu Co75

FexSiI5BI0, 6 MHz

x

3.3.66 DANH MỤC CÁC BẢNG
3.3.67 Bảng 1.1. Vận tốc nguội tới hạn Rc trong quá trình vô định hình hợp kim [3].
Bảng 2.1 Hệ hợp kim nền coban.

3.3.68 Bảng 4.1 Nhiệt độ kết tỉnh pha a - Co của các mẫu băng VĐH Co75.xFexSi¡5B¡0
(x 4, 5 và 6)


3.3.69

3.3.70 MỞ

ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài.

3.3.71 Vật liệu từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà “mềm” 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 10 2 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 biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ hoặc các chi tiết cảm biến.

3.3.72 Hợp kim vô định hình (VĐH) dưới dạng băng mỏng, sợi mảnh kích thước cỡ một vài cho đến vài chục micro
mét là kích thước so sánh được với độ thấm sâu cao tần 5. Điện trở suất cao và đặc biệt là từ thẩm cao của hợp kim VĐH và
nano tinh thể là các yếu 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.

3.3.73 Hợp kim từ tính làm bằng băng VĐH vốn có từ thẩm p rất cao. Dưới tác động của từ trường ngoài H, p thay đổi
mạnh làm cho độ thấm bề mặt 5 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 GMI (hoặc GMIr). Muốn
nhận được tỷ số tổng trở GMIr cao, hợp kim phải có từ thẩm p cao hay nói cách khác phải là vật liệu có tính từ mềm tốt.

3.3.74 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. Mỗi nguyên tố trong hợp phần có vai trò và ảnh hưởng k hác
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 một 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 Co75.xFexSi15B10”.
2. Mục đích nghiền cứu

3.3.75 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 GMI trên các mẫu đã được chế tạo.
4. Đối tượng và phạm vi 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_xFexSii5B10 trong
đó thành phần Fe thay đổi với X = 4, 5, 6.


5. Phương pháp nghiền cứu

3.3.76 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

3.3.77 Đe xuất hướng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật và đời sống.


3.3.78 NỘI
3.3.79

DƯNG

CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN VÈ VẶT HIỆU ỨNG TỪ TỒNG

TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) VÀ VẶT LIỆU TỪ MÈM VÔ ĐỊNH
3.3.80 HÌNH (VĐH).
1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI)

1.1.1

Giới thiệu về hiệu ứng GMI

3.3.81 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 dân (hình 1.1). Từ thông sinh ra do sự
biến thiên của Ht làm xuất hiện trong dây dẫn dòng điện i cảm ứng có tác dụng chống lại
sự biến thiên của từ trường H t - tương tự như tổng trở

Ht

ira
của mạch RLC. Mặt khác H t từ hóa dây theo phương i=Ine t»

ngang làm xuất hiện độ từ thẩm theo phương ngang

-----------

—72

pt. Khi ta đưa từ trường ngoài Hext một chiều song song với Hình 1.1 Tổng trở của
trục của dây dẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình

dây dẫn có từ tính

từ hoá theo phương ngang tức là thay đổi độ từ thẩm ngang
Pt là nguyên nhân ảnh hưởng đến tổng trở của dây (làm giảm tổng trở).

3.3.82 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 H ex đặt dọc theo trục của dây được xác định

theo biểu thức sau [10]

3.3.83
RdckaJ0(ktf)/2J1(ktf)
-

Rdc là điện trở của dây dẫn

-

ct là bán kính tròn của dây ổ là
độ dày thấm sâu bề mặt

3.3.84 -J0 và Jj là các hàm Bessel, và k= (l+j)/ ỏ

z=
(1.1)


3.3.85 Tại tần số cao, (|ka|»l), biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng cho phép
ta tính tổng trở dưới dạng sau:

3.3.86
Với Rxi X Xi R,

Z=R + jX,
■ỊK

(1.3)

ỏ0 là độ dầy thấm sâu :

ỏ0=

\

2p
Mo
®

Từ (1.2) (1.3) (1.4) biến đổi ta có:

(1.4)

Z—(1+J
)Rdc(
(1.5)
-----------------------')'\jMoMr
®
Với p là điện trở suất và 0) 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 (<5 ), độ từ
thẩm ....
Như vậy đối với các

H.yt — 0

vật dẫn phi từ p ~ 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.

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thấm và độ thẩm sâu
bề mãt với từ trường ngoài
(1.2)


3.3.87 Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ từ thẩm rất lớn p ~ 10 6 (vô định hình nền
Co và nano tinh thể Fe), thì độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ trường và tần số (p =
p(H,o>)), 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 yếu tố liên 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.

3.3.88 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 trưòng ngoài đặt vào vật dẫn theo biểu thức sau:

3.3.89

( 1. 6)

3.3.90 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 p
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 (p thay đổi và giảm khi tăng từ trường ngoài) và làm thay đổi độ dầy
thấm sâu của bề mặt 8. Như vậy khircó mặt từ trường ngoài H ext độ thấm sâu 8 tăng mạnh
tương ứng với tổng trở của vật dẫn giảm và xuất hiện hiệu ứng tổng trở khổng lồ.


3.3.91 Nói tóm lại hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto - impedance
effect) là sự thay đổi mạnh tồng ưở

z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ trường

ngoài Hc và dòng điện cao tần có tần số (ừ. Cơ chế của hiệu ứng tổng trở khổng lề (GMI)
có bản chất điện - từ và cố thề 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 mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng (Jii eff) của dây dẫn vào từ trường.


1.1.2

Cấu trúc đômen của
Như đã được đề cập ỡ

ưên, hiêu ứng từ tồng trở
khổng lồ liên quan đến quá
trình từ hoá động của vật dẫn
trong từ trường. Quá trình từ
hoá này cổ mối liên hệ mật

(lb
)
Hình 1.3 Mô hình đơn giản của đômen lõi

vỏ

thiết với cấu trúc từ vi mô của

a,

Quá trình từ giảo dương

các vật dẫn từ. Theo các kết

b,

CỊUấ shall
(trình
ay

từ giảo âm

quả nghiên cứu, cấu trúc từ vỉ

mô của vật dẫn từ tổng trở phụ
thuộc vào độ từ giảo và các
ứng suất nội cũng như bên
ngoài tác động lên vật liệu.
aỉ Mô hình cấu trúc
domain khỉ không cố từ trường
ngoài

±JL

ÌQL

ỉh.

_TỈ-y i ¡j I ị ĩ bj7Ị t_Vj'YỊ7[sh
Hình 1.4 Cấu trúc đômen trong lõi và vỏ

a/cắu trúc đômen nhọn đổi song trong lõi
Trên hình 1.3 là mô
vật dẫn từ tổng trở

b/Sự phân bố cấu trúc đômen trong lõi vồ vỏ của
dây


3.3.92 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. cấu trúc này bao gồm hai phần là lõi và
vỏ. Với vật liệu có hằng số từ giảo duơng (Hình 1.3 a), đômen lớp vỏ ngoài của dây là có
dạng xuyến tròn đuợc gọi là đômen vòng. Đômen vòng này làm xuất hiện năng luợng
khử từ, năng luợng này giảm dần theo chiều từ lớp bề mặt 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
một góc 0 hoặc 90°, ngoại trừ vách đômen. Hiện tuợng từ giảo âm là nguyên nhân sinh ra
cấu trúc đômen ‘bamboo’ với trục dễ vòng.

3.3.93 Theo Kinoshita và các cộng sự [11] khi có mặt ứng suất kéo, sẽ có một
trục ứng suất thay đổi dần từ dạng nén tại bề mặt 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 đuờng kính 60pm thì ứng suất du ở dạng nén tại
bề mặt dây (~ 1200 MPa) khi giảm chiều sâu khoảng 20 pm thì ứng suất du dạng nén tiến
đến 0, sau đó ứng suất du dạng nén biến 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 pm .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
đuợc 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 đômen là chỉ quan sát đuợc cấu trúc đômen trên bề mặt của dây (cả dây ban đầu
và dây đã qua xử lí), cấu trúc đômen bên trong chỉ có thể đuợc phỏng đoán.

3.3.94 Tuy nhiên có sự thay đổi một 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
3.3.95 1.4)

3.3.96 b/ Quá trình từ hoá trong vật dẫn từ
3.3.97
Dòng xoay chiều Đômen lõi Đômen lớp vỏ


3.3.1

3.3.2 HDC

3.3.98

3.3.99 Hình 1.5 Cấu trúc đômen của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay chiều
3.3.100 và từ trườne môt chiều
3.3.101
ở vùng tần số thấp quá trình dịch vách đômen ở lớp vỏ chiếm ưu
thế hơn quá trình quay vec tơ từ độ ở đômen lõi. ở tần số cao quá trình dịch vách đômen
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 thích hiệu ứng GMI được trình bày ở phần tiếp theo sau.
1.1.3

Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ- GMI

3.3.102

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI có ý nghĩa quan trọng trong việc

ứng dụng vật liệu từ vào khoa học kỳ 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 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 mà chưa
nói lên được mối liên hệ giữa cấu trúc đômen, dị hướng từ và tỷ số GMI.


3.3.103

Trong phạm vỉ nghiên cứu của luận văn, một 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, mểi quan hệ giữa cấu trúc đômen và quá trinh từ hốa của
chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ số GMI được thể hiện. Đây là mô hình của Sqmre
[12] dành cho quá trình từ hổa và hiệu ứng từ giảo ưong vật liệu từ mềm. Mô hình này cổ
thề được sử dụng trong cả vật dẫn cố cấu trúc 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 tròn xoay liên tục duy tri. Với dạng phẳng,
trường khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu. Mô hình này bao gồm cả quá trình
dịch vách đomain và quá trình quay củã vec tơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài
cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra. Hình 1.6 chỉ ra cấu trúc đômen và các góc
được sử dụng trong mô hình.

3.3.104

Xét mô hình bao gồm các đômen phản song được bão hòa bởi vách

đom 180°, định hướng theo các trục từ dễ, ỡ là gốc tạo bời phương dễ từ hỗã và trường
ngoài. (Ị>1 và ộ2 là gốc giữa mô men từ của hãi đômen với phương dễ từ hỏa dưới tác
dụng tổng hợp của từ trường ngoài H ext và từ trường vuông gốc H t, d là bề rộng vách
đômen khỉ không cố từ trường ngoài và

X

là độ dịch chuyển của vách đômen dưới tác

dụng của trường cảm ứng từ.Thông qua mô hình này cố thể tính được độ tự cảm ngang
Xt* Mặt khác độ tự cảm ngang Xt liên hệ vói độ từ thẩm ngang theo bỉểu thức sau:

3.3.3
3.3.105
tính

3.3.106

Nếu cố thể

Hình 1.6 Mô hình tỉnh toán giải thích hiệu ứng tổng

trở

khổng lồ


3.3.107

được độ tự thẩm ngang jLL t theo mô hình này và từ đỗ cỗ thể biết được

mốỉ liên hệ giữa hiệu ứng tổng trở khổng lề và các yếu tổ khác. Trongmô hình này, mật
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). Mật độ năng lượng tự do được xác định theo công thức
sau:

3.3.108

Vlol=Uk+Ua

x
H

(1.8)

+U'H+Uw

3.3.109
công thức sau:

Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo
UK=K[am2ệl+(l-a)m2ệ2]

3.3.110

(I.8a)

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).

3.3.111

U™ là năng lượng Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ

trường ngoài đặt vào Hax:

3.3.112
ax

H [(l - a)cos(0 + ệ2) - acos(0 - ệ^]

s

3.3.113

U‘H là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang H*:

3.3.114

[(1-a)sin(0 + ệ2) - asin(0 - ^)]

3.3.115

UaHx = ỊJ0M
(1.8b)

Và

uw

U‘H = nữM SH‘
(l.8c)

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:

3.3.116

3.3.117

Uw=yỡu 2
(1.8d)

Với u=x/d và /3 đơn vị đo “độ cứng” của vách đômen. Đại lượng

này được sử dụng để chọn giá trị của moment góc ^, (Ị)^, và vị trí của vách đômen tại vị
trí có năng lượng cực tiểu tương ứng với từ trường H ax đặt vào và từ trường ngang H1 =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 khúc 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.


3.3.119

3.3.118
x

'mt

AM


3.3.120

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 đômen. Khía cạnh thứ nhất được
nhắc đến là mối quan hệ giữa quá trình từ hốa 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 tồng trở 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 đômen cũng bị gim 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 đômen do từ trường ngang gây ra và
giảm dần khỉ 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 GMỈ, 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 )*
1.1.4

Hiện tượng tách đỉnh - mô hình giải thích hiện tượng tách đinh

3.3.121

Trong quá trình nghiên

cứu hiệu ứng GMI, đã thu được một số kết quả
đặc biệt đó là đường cong GMI cố hiện tượng
tách làm hai đỉnh (cố hai cực đại) trong khoảng
từ trường nhỏ (-50 đến 50 Oe). Điều này mở ra
một tiềm năng to lởn cho việc ứng dụng chế
tạo sensơr 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 từ
trường.

-1000 -500

0

500 1000

Applied Field [A/nn]
Fig. 1. OM I for a Co-base amorphous wire will) induced ÓICUJar anisotropy. Evolution front TP to SP-liJie with iucreasinft
current is observed

Hình 1.7 Hình dạng đường cong GMỈ

3.3.122

tượng tách đình

Cơ

chế

của

hiện

cồ hiện tượng tách đỉnh


3.3.123

ở đường cong GMI liên quan đến tính dị hướng của mẫu nghiên cứu và
được X.P.Livà 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.

3.3.124

Xét một dây dẫn hợp kim có từ tính, từ trường ngoài H ext đặt dọc

theo trục của dây dẫn, dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn sinh ra từ trường ngang H t ,
Phương của từ trường ngang Ht hợp với phương dễ từ hóa một góc 0 K, và 0 là góc giữa
phương dễ từ hoá và phương véc tơ từ độ M của vật liệu.

3.3.125 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:

3.3.126

E

-MsHextsin(0+0K)-MsHtcos(0K+0)

(1.9)

3.3.127

=

K

sin20

Trong đó E năng lượng toàn phần của hệ,

3.3.128

K hằng số dị hướng của vật liệu làm dây dẫn,

3.3.129

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.
3.3.130
Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là:

3.3.131
= krsin(20) - Ms Hext sin (0+0K) - MsHtcos(0+0K) = 0
ỔE

3.3.132

Ổ0

(1.10)


3.3.133

Mặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:


3.3.134
3.3.135

3.3.137
3.3.138

ÕM, Õ2E
~ H, ~ ÕH,2 _M s sia2 (0+0K)

Xl

3.3.136

x

(0+0K) + cos(2ỡ)}

(111)

' ~HK {h sin

2

Trong đó Hk= 2K/MS; h = Hext/Hk

Từ biểu thức (1.11) dựng đồ thị 5£ttheo từ trường ngoài ứng với các giá trị

ỡKkhác nhau (0K thay đồi từ 5° đến 90°). Do |Jt=Xt + 1 nên |j,t và Xt có cùng dạng đồ thị.

3.3.4

3.3.139

3.3.140

Hình 1.9 Đồ thị ỵttheo h ứng với các giá trị 0Kkhâc nhau

3.3.141

Theo hình 1.9 khi 0K nhỏ khoảng 5° thì đường cong được vẽ bởi

(1.11) sẽ xuất hiện hãi đỉnh tạỉ h= ±1 hay Hext= ±HK= ±2K/MS « ±HC .Khi ỠK nằm ưong
khoảng 5° đến 50° thì đường cong GMI vẫn xuất hiện hiện tượng tách đỉnh với độ mạnh
yếu khác nhau. Khỉ 6K =(60° đến 90° ) hiện tượng tách đình trong đường cong GMI
không còn nữa.