Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể fe93 xzrxb6cu1 (LV01895)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
--------------------------------------------

ĐỖ VĂN PHƢƠNG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG
GMI CỦA VẬT LIỆU NANO TINH THỂ Fe93-xZrxB6Cu1
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60.44.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HỮU TÌNH

HÀ NỘI, 2016


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Hữu Tình
người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và dành cho tôi sự động viên trong suốt
quá trình tôi thực hiện luận văn này. Tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành sự giúp
đỡ, khích lệ và tạo điều kiện thực nghiệm của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân.
Tiếp đến, tôi xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS. Nguyễn
Mẫu Lâm, NCS. Nguyễn Hải Yến 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).
Xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ của học viên Nguyễn Đăng Trường người
cùng chung giảng viên hướng dẫn, đã cùng tôi hoàn thành nhiều công đoạn trong
quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sự giúp đỡ dạy bảo tận tình của các thầy cô giáo
Trường đại học sư phạm Hà Nội 2, Viện khoa học vật liệu – Viện hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam, đã trang bị tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập
thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận
văn này.
Hà Nội, tháng 7 năm 2016
Tác giả

Đỗ Văn Phƣơng


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực
và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cam đoan mọi thông tin trích dẫn trong
luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Đỗ Văn Phƣơng


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................
MỤC LỤC ..........................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
NỘI DUNG ...................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1 ................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) .................... 3

1.1. Vật liệu từ mềm nano tinh thể ..............................................................3
1.1.1. Cấu trúc nano tinh thể ................................................................. 3
1.1.2. Các tính chất từ của vật liệu từ nano tinh thể .............................. 3
1.1.3. Ảnh hƣởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý
nhiệt lên tính chất từ của hệ vật liệu Fe – Zr – B – Cu.......................... 4
1.2. Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ ..............................................................5
1.3. Giải thích hiệu ứng từ trở khổng lồ ......................................................8
1.3.1. Vùng tần số thấp (cỡ vài kHz) ..................................................... 8
1.3.2. Vùng tần số trung bình (vài MHz) .............................................. 8
1.3.3. Vùng tần số cao (vài chục đến hàng trăm MHz hoặc GHz) ........ 9
1.4. Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ ...9
1.4.1. Cấu trúc đômen và tính dị hƣớng từ ............................................ 9
1.4.2. Hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong GMI ................................. 11
1.4.3. Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong vật liệu khác nhau ..... 13
1.4.3.1. Vật liệu dạng dây ................................................................ 13
1.4.3.2 Vật liệu dạng băng hoặc màng mỏng .................................. 14


1.5. Công nghệ nguội nhanh......................................................................16
1.5.1 Các phƣơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dƣới dạng băng
mỏng .................................................................................................... 16
1.5.2. Tốc độ nguội của hợp kim nóng chảy ....................................... 17
1.5.3. Tốc độ nguội tới hạn.................................................................. 19
CHƢƠNG 2 ................................................................................................. 22
THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......... 22
2.1 Chế tạo mẫu hợp kim ..........................................................................22
2.1.1 Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu trúc vô định hình bằng
thiết bị nguội nhanh đơn trục............................................................... 22
2.1.1.1 Công nghệ nguội nhanh đơn trục......................................... 22
2.1.1.2 Tạo hợp kim ban đầu ........................................................... 24

2.1.2 Kỹ thuật gia công mẫu................................................................ 26
2.1.3. Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt ........................................................ 27
2.2 Phƣơng pháp phân tích ........................................................................28
2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) ............ 28
2.2.2 Phƣơng pháp đo từ tổng trở GMI ............................................... 29
2.2.3. Phép đo khảo sát tính chất từ VSM ........................................... 30
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 32
3.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng Zr đến cấu trúc vật liệu
Fe93-xZrx B6Cu1 .................................................................................... 32
3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng Zr đến tính chất từ của vật
liệu Fe93-xZrx B6Cu1 ............................................................................. 34
3.3. Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của hàm lƣợng Zr đến tỉ số GMIr của vật
liệu Fe93-xZrx B6Cu1 ...................................................................................37
KẾT LUẬN .................................................................................................... 39
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................. 40


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Br

: Cảm ứng từ dƣ

s

: Từ giảo bão hòa



: Độ dày vách đômen

0

: Độ từ thẩm của chân không



: Tần số góc dòng điện xoay chiều

D

: Hệ số khử từ

h

: Hệ số truyền nhiệt

Hc

: Lực kháng từ

Hn

: Trƣờng tạo mầm đảo từ

HCR

: Số hạng trƣờng tinh thể

Hext

: Từ trƣờng ngoài

Hin

: Trƣờng nội tại

Ir, Jr, Mr

: Từ độ dƣ

K

: Hằng số dị hƣớng từ tinh thể

mr

: Từ độ rút gọn

MS

: Từ độ bão hòa

N

: Hệ số khử từ

RC

: Tốc độ nguội tới hạn

Ta

: Nhiệt độ ủ

TC

: Nhiệt độ Curie

Tm

: Nhiệt độ nóng chảy

Tg

: Nhiệt độ thủy tinh hóa

ta

: Thời gian ủ nhiệt

Uk

: Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể

U Hext

: Năng lƣợng Zeeman


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 trở khổng lồ

LQN

: Lỏng quá nguội

TM

: Kim loại chuyển tiếp

T-T-T

: Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha

VĐH

: Vô định hình

VSM

: Hệ từ kế mẫu rung

XRD

: Nhiễu xạ tia X


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Từ trƣờng dây dẫn có từ tính ...................................................................... 6
Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ trƣờng ngoài.... 8
Hình 1.3 Mô hình đômen của Squire . ....................................................................... 9
Hình 1.4 Mô hình dị hƣớng giải thích hiện tƣợng tách đỉnh của đƣờng cong tỷ số
GMI. ........................................................................................................................ 11
Hình 1.5 Hình dạng đƣờng cong tỷ số GMI (có hiện tƣợng tách đỉnh) .................. 12
Hình 1.6 Đồ thị t ứng với các giá trị K khác nhau ................................................. 13
Hình 1.7 Cấu trúc đômen của dây vô định hình . .................................................... 13
Hình 1.8 Cấu trúc đômen của màng, băng .............................................................. 14
Hình 1.9. Cấu trúc đômen của màng mỏng đa lớp .................................................. 15
Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt . ........................................................................... 18
Hình 1.11 Hợp kim một nguyên, đƣờng .................................................................. 20
1, 2 và 3 ứng với tốc độ nguội khác nhau ............................................................... 20
Hình 2.1.(a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) máy chân không, (2) buồng nấu, .. 23
(3) tủ điều khiển, (4) bình khí trơ (Ar hay He), (5) nguồn điện, .............................. 23
(b) Ảnh bên trong buồng nấu: (6) cần điện cực, (7) nồi, (8) cần lật mẫu ................. 23
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ nấu hợp kim hồ quang ....................................................... 24
Hình 2.3. Sơ đồ các bƣớc nấu hợp kim.................................................................... 25
Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không. .................................................................... 28
Hình 2.5. Mô hình hình học của hiện tƣợng nhiễu xạ tia X. .................................... 28
Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo GMI. ............................................................................. 30

Hình 2.7. Sơ đồ nguyên l và ảnh chụp của hệ từ kế mẫu rung (VSM). .................. 31
Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X trên các mẫu Fe93-xZrx B6Cu1 (x = 5, 7, 9) chƣa ủ
nhiệt................................................................................................................. ........32
Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X trên các mẫu Fe93-xZrx B6Cu1 (x = 5, 7, 9) ủ nhiệt ở
5800C trong thời gian 1h ......................................................................................... 32


Hình 3.3 Đƣờng cong từ trễ của mẫu hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 (x =5, 7 và 9) chƣa xử
lý nhiệt..................................................................................................................... 34
Hình 3.4 Đƣờng cong từ trễ của mẫu hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 (x =5, 7 và 9) ủ nhiệt
tại 5800C trong 1h ................................................................................................... 34
Hình 3.5 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 chƣa ủ
nhiệt......................................................................................................................... 35
Hình 3.6 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 ủ nhiệt ở
5800C trong 1h ........................................................................................................ 35
Hình 3.7 Sự phụ thuộc MS theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 chƣa ủ
nhiệt......................................................................................................................... 35
Hình 3.8 Sự phụ thuộc MS theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 M9 ủ nhiệt
ở 5800C trong 1h ..................................................................................................... 35
Hình 3.9 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) của mẫu chƣa ủ nhiệt. .................................. 37
Hình 3.10 Sự phụ thuộc GMIr(max) của mẫu vào hàm lƣợng Zr chƣa ủ nhiệt ....... 37
Hình 3.11 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) của mẫu ủ nhiệt ở 5800C trong 1h. ............. 37
Hình 3.12 Đồ thị GMIr (tần số 6MHz) của mẫu ủ nhiệt ở 5800C trong 1h. ............. 37
Hình 3.13 Đồ thị GMI (tần số 10MHz) của mẫu ủ ở 5800C trong 1h. ..................... 38
Hình 3.14 Sự phụ thuộc GMIr (max) của mẫu ủ ở 5800C trong 1h vào hàm lƣợng Zr
................................................................................................................................ 38


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Hệ thành phần hợp kim nền Fe................................................................. 23

Bảng 3.1 Sự thay đổi kích thƣớc hạt theo nồng độ Zr khi ủ Fe93-xZrxB6Cu1 nhiệt ở
5800C trong thời gian 1h. ........................................................................................ 33
Bảng 3.2 Kết quả khảo sát Hc và Ms theo thành phần trƣớc và sau khi chƣa ủ nhiệt
................................................................................................................................ 36


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu từ mềm có cảm ứng từ cao, độ từ thẩm rất lớn, lực kháng từ nhỏ và
dễ dàng bị mất đi từ tính sau khi ngắt từ trƣờng ngoài… đây là những tính cơ bản
của vật liệu từ mềm. Trong đó vật liệu từ mềm nano tinh thể nhƣ Finemet,
Nanoperm... là những vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay thƣờng đƣợc chế tạo bằng
kỹ thuật nguội nhanh để tạo ra các băng hợp kim có cấu trúc vô định hình, sau đó ủ
nhiệt ở nhiệt độ kết tinh để hình thành các hạt tinh thể ở kích thƣớc nanomet. Kết
quả là ta thu đƣợc một cấu trúc nano gồm các hạt tinh thể (pha từ giàu sắt) đƣợc
nhúng trong ma trận vô định hình dƣ. Đặc biệt vật liệu từ Nanoperm có cảm ứng từ
cao (vƣợt trên 1,5 T), có độ từ thẩm rất lớn và có độ bền cơ học [7].
Vật liệu từ nano tinh thể dƣới dạng băng mỏng với độ dày cỡ một vài cho
đến vài chục micromét sẽ có điện trở suất cao và đặc biệt là độ từ thẩm cao là các
yếu tố quan trọng có thể khai thác và điều khiển hiệu ứng tổng trở cao tần trong dây
dẫn từ tính.
Hợp kim từ làm bằng băng vô định hình dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài H
và dòng điện xoay chiều làm độ từ thẩm  thay đổi mạnh, dẫn đến sự thay đổi độ
thấm sâu bề mặt  từ đó làm thay đổi mạnh tổng trở Z của vật liệu. Khi đó ta dùng
thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trƣng bởi tỷ
số GMI (hoặc GMIr). Hiệu ứng GMI của một dây dẫn có từ tính phụ thuộc vào: bản
chất của vật liệu làm dây dẫn (), tần số góc của dòng điện đặt vào dây dẫn (), độ
dầy thấm sâu bề mặt (  ), độ từ thẩm  ....

Hợp kim Vật liệu nanoperm với các thành phần Fe-X-B trong đó X có thể
là Zr-Cu, Hf-Cu..., trên nền vô định hình dƣ. Khi thay đổi hàm lƣợng của các
nguyên tố trong hợp kim thì cấu trúc vi mô thay đổi cụ thể là kích thƣớc hạt dẫn đến
tính chất từ của hợp kim cũng thay đổi theo và có thể dẫn đến hiệu ứng từ tổng trở
khổng lồ GMI. Mỗi thành phần trong hợp kim có vai trò và ảnh hƣởng khác nhau
đến cấu trúc vi mô của vật liệu. Trong đó Fe đóng vai trò tạo nên tính chất từ, Zr
làm giới hạn kích thƣớc hạt α-Fe, Cu đóng vai trò tạo mầm kết tinh, B đóng vai trò


2

làm ổn định nền vô định hình và làm giảm lƣợng pha  - Fe khi nồng độ của nó
tăng lên. Vì thế việc nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ phần các nguyên tố đến tính chất
từ và hiệu ứng GMI đã và đang đƣợc nghiên cứu một cách triệt để nhằm nâng cao
hiệu quả ứng dụng trong thực tiễn. Với lý do trên tôi quyết định chọn đề tài:
“Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể
Fe93-xZrxB6Cu1”.
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm đƣợc thành phần và chế độ xử lý mẫu hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 để 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 đƣợc chế tạo.
- Khảo sát hiệu ứng GMI trên các mẫu đã đƣợc chế tạo.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Vật liệu từ mềm nanoperm nền Fe chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh từ
thể lỏng, cụ thể là Fe93-xZrxB6Cu1 trong đó thành phần Zr thay đổi với x = 5; 7 và 9.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Từ đối tƣợng 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 phƣơng pháp thực nghiệm nhƣ sau. Sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo
Vật liệu nano tinh thể, sau đó xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt và các phƣơng pháp đo
thích hợp để xác định các thông số cấu trúc, tính chất của mẫu vật liệu.
6. Giả thuyết khoa học
Khả năng ứng dụng của đề tài khả thi, có thể ứng dụng thực tế làm các loại
cảm biến.


3

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ (GMI)
1.1. Vật liệu từ mềm nano tinh thể
1.1.1. Cấu trúc nano tinh thể
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomet,
đƣợc chế tạo bằng hai phƣơng pháp [1, 3, 7]: phƣơng pháp từ trên xuống và phƣơng
pháp từ dƣới lên, cụ thể:
Phƣơng pháp từ trên xuống: dùng kỹ thuật nghiền để biến vật liệu thể khối
với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thƣớc nano. Trong phƣơng pháp nghiền, vật
liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và
đặt trong một cái cối (có thể đƣợc bảo vệ trong dung môi). Máy nghiền có thể là
nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các
viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu
đƣợc là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
Phƣơng pháp từ dƣới lên về nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các
nguyên tử hoặc ion. Phần lớn các vật liệu nano hiện nay đƣợc chế tạo từ phƣơng
pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp hóa
học hoặc kết hợp cả hai. Phƣơng pháp nguội nhanh thuộc nhóm phƣơng pháp vật lý.
Nguyên lý của phƣơng pháp này là dùng trống quay có bề mặt nhẵn bóng với tốc độ

cao làm môi trƣờng thu nhiệt của hợp kim nóng chảy. Với mục đích tạo băng có độ
dày từ 20÷30 µm tôi dùng phƣơng pháp nguội nhanh đơn trục hay ly tâm.
1.1.2. Các tính chất từ của vật liệu từ nano tinh thể
Vật liệu từ khi đặt trong trƣờng điện từ xoay chiều, trạng thái từ hoá luôn bị
đảo chiều. Lực kháng từ HC chính là từ trƣờng cần để xoá đi một trạng thái từ hoá
trƣớc khi thiết lập trạng thái từ hoá mới. Vì vậy tổn hao năng lượng do hiện tượng
từ trễ phụ thuộc vào lực kháng từ HC: Lực kháng từ HC càng nhỏ (đƣờng từ trễ càng
hẹp), tổn hao năng lƣợng càng nhỏ. Với vật liệu từ mềm, đòi hỏi đầu tiên là vật liệu
phải có lực kháng từ HC nhỏ [3, 5].


4

Lực kháng từ HC dựa trên lý thuyết dịch vách đômen và xoay véctơ từ độ
đƣợc viết nhƣ sau [6]:

H c  a.

 .
K1
 b s  c N1  N 2 .I s
0 I s
 0 .I s

(1.1)

K1: dị hƣớng từ tinh thể; s: hằng số từ giảo; N1, N2 hệ số khử từ; Is: Từ độ
Từ (1.1) ta thấy để HC nhỏ thì dị hƣớng từ K1, từ giảo s phải nhỏ và các hạt
sắt từ có dạng đều.
Khi các hạt tinh thể sắt từ (-Fe) có kích thƣớc D nhỏ hơn chiều dài tƣơng

tác trao đổi sắt từ L0 (A/K1)1/2 (Đại lƣợng này cũng chính là bề rộng vách đômen
   L0, trong đó A 10-11J/m: độ cứng trao đổi, K1  8000 J/m3: dị hƣớng từ tinh
thể đối với Fe- 20%Si), dƣới ảnh hƣởng của sự cạnh tranh giữa tƣơng tác trao đổi
và dị hƣớng, các mô men từ không nhất thiết phải định hƣớng theo phƣơng dễ từ
hoá của từng hạt tinh thể vốn sắp xếp ngẫu nhiên, mà có thể định hƣớng song song
nhau nhờ vào tƣơng tác trao đổi và liên kết từ với nhau.
Dị hƣớng trung bình <K> của tập thể các hạt sắt từ N có thể viết dƣới dạng:
K14 6
K14 6
K
 K  3 D ; H C 

D . Nếu D 10 nm, <K> giảm từ 8000 J/m3
3
A
JS
JS A

xuống còn 4 J/m3. Khi đó lực kháng từ HC và độ từ thẩm ban đầu µi bằng:
jS2
J S2 A3 1
i 

.
0  K  0 K14 D 6

Nhƣ vậy, đối với cấu trúc nano, khi D < L0, lực kháng từ HC phụ thuộc bậc 6
vào kích thƣớc hạt HC  D6, khác hẳn với quy luật HC  1/D đối với các vật liệu từ
mềm kinh điển.
1.1.3. Ảnh hƣởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt

lên tính chất từ của hệ vật liệu Fe – Zr – B – Cu
Kích thƣớc hạt trung bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nồng độ các chất,
nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt. Các nghiên cứu cho thấy lƣợng Zr, B, Cu hòa tan
trong tinh thể α – Fe ít, ta có thể coi pha tinh thể chỉ chứa Fe.
Mỗi nguyên tố đóng vai trò khác nhau trong hợp kim trong đó, B theo có tác


5

dụng làm ổn định nền vô định hình. Tuy nhiên theo khi xử lý nhiệt ở trên 6000C,
dẫn đến kết tinh pha borit sắt, ảnh hƣởng đến dị hƣớng từ tinh thể và trực tiếp đến
tính từ mềm của vật liệu do đó sẽ ảnh hƣởng đến tỷ số GMIr.
Nồng độ Cu đóng vai trò cải thiện cơ tính của vật liệu, tạo mầm kết tinh. Tuy
nhiên, nếu nồng độ Cu lớn, sẽ tạo ra các đám giàu Cu, làm giảm tính chất từ của vật
liệu, các kết quả cho thấy nồng độ Cu tối ƣu là 1%.
Vai trò của Zr trong hợp kim đƣợc khẳng định là cản trở sự kết tinh của các
hạt α – Fe, nhờ đó mà các hạt mới đƣợc phân bố đồng đều và kích thƣớc hạt nhỏ,
đạt cỡ nano mét. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nếu nồng độ Zr lớn, sẽ làm loãng
pha sắt từ dẫn đến tính từ mềm kém đi. Ngoài ra nồng độ Zr cao cũng gây ảnh
hƣởng mạnh đến nhiệt độ Curie của vật liệu.
Nhƣ vậy việc hạn chế kích thƣớc hạt tinh thể là yêu cầu đầu tiên để vận hành
quy luật HC  D6. Tính chất từ mềm tốt nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó
thành phần hợp kim luôn luôn là quan trọng. Thành phần hợp kim trƣớc tạo ra khả
năng kết tinh chọn lọc trong đó pha vô định hình dƣ kìm hãm sự phát triển của các
hạt tinh thể.
Ngoài phụ thuộc vào thành phần, nồng độ các chất, tính chất từ của vật liệu
phụ thuộc rất nhiều vào chế độ ủ nhiệt nhƣ thời gian ủ, nhiệt độ ủ. Trong luận văn
này tôi nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất từ mềm và do đó ảnh hƣởng
đến hiệu ứng GMI của hợp kim Fe93-xZrxB6Cu1 chế tạo bằng công nghệ nguội
nhanh, với các giá trị x = 5; 7; 9.

1.2. Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
Khi có dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn có từ tính, dòng điện này sẽ
sinh một từ trƣờng biến thiên Ht xung quanh vuông góc với dây dẫn (Hình 1.1).
Làm xuất hiện trong dây dẫn dòng điện i’ cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến
thiên của từ trƣờng Ht. Ngoài ra Ht từ hóa dây theo phƣơng ngang làm xuất hiện độ
từ thẩm theo phƣơng ngang t.
Hiệu ứng tổng trở khổng lồ (giant magnetoimpedance-GMI) là sự thay đổi
mạnh của tổng trở Z của vật dẫn có từ tính khi dòng điện cao tần đi qua, dƣới tác


6

động của từ trƣờng ngoài Hext (hình 1. 1). Hiệu ứng này đƣợc quan sát thấy lần đầu
tiên vào năm 1994 [6]. Hiệu ứng quan sát tốt nhất trong các vật liệu từ siêu mềm
(độ từ thẩm cao). Bản chất của hiệu ứng là sự phụ thuộc của tổng trở cao tần Z vào
sự thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng của vật liệu trong trƣờng ngoài, tần số và hiệu ứng
bề mặt [1,2].
Z(, H)~  t  , H 

(1.2)

Độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trƣờng Ht do chính dòng điện cao tần chạy qua
dây dẫn và vào từ trƣờng ngoài Hext tác động lên dây dẫn. Nhƣ vậy kết hợp (1. 1) và
(1. 2) có thể thấy Z tổng trở Z trong dây dẫn phi từ tính do hiệu ứng bề mặt quyết
định và trong dây dẫn từ tính do hai yếu tố là hiệu ứng bề mặt và sự thay đổi mạnh
của từ thẩm dƣới tác động của hai từ trƣờng H’ và H ngoài.
Để đặc trƣng cho hiệu ứng ngƣời ta đƣa ra một đại lƣợng, đó là tỷ số tổng trở
khổng lồ GMIr đƣợc xác định theo biểu thức sau:
GMIr  %  =100

Z ( H )  Z ( H 0)

(1.3)

Z ( H 0)

- Z(H): giá trị tổng trở đƣợc đo ở từ trƣờng H.
- Z(H=0): giá trị tổng trở đo ở từ trƣờng bằng không.
Trong các hệ vật liệu, thì vật liệu VĐH và nano tinh thể là vật liệu từ mềm có
từ thẩm cao (~ 105), điều này cho phép hy vọng có hiệu ứng GMI tốt
Ht

i=Ioeit>>

i'

Hext

Hình 1.1 Từ trƣờng dây dẫn có từ tính

Dòng điện xoay chiều tần số  chạy qua dây dẫn có từ tính đặt trong từ
trƣờng ngoài một chiều Hext dọc theo trục của dây thì tổng trở của dây đƣợc xác
định theo biểu thức sau [11]:
Z

R dc kaJ 0 (k )
2J1 (k )

(1.3)

7

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

Với

Z=R + jX,

(1.4)

  
R  X  Rdc 
 r
 2 0 

(1.5)

 o là độ dầy thấm sâu :

0 

2
0

(1.6)

Từ (1.4) (1.5) (1.6) biến đổi ta có:
Z=(1+J )Rdc(


) 0  r 
2 2

(1.7)

Trong đó
+  là điện trở suất
+  là tần số góc của dòng điện xoay chiều đặt vào dây dẫn.
+ 0 ; r là hằng số từ và độ từ thẩm tƣơng đối
+   0 .r là độ từ thẩm của vật dẫn
Theo công thức (1.7) ta thấy tổng trở của một dây dẫn có từ tính phụ thuộc
vào: bản chất của vật liệu làm dây dẫn (), tần số góc của dòng điện đặt vào dây dẫn
(), Độ dầy thấm sâu bề mặt (  ), độ từ thẩm  ....


8

r

m
(m)

0

Hdc (kOe)

m
a

m

Hext0

Hext = 0

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt
với từ trƣờng ngoài

1.3. Giải thích hiệu ứng từ trở khổng lồ
1.3.1. Vùng tần số thấp (cỡ vài kHz)
Ở vùng tần số thấp, độ thấm sâu bề mặt  có giá trị tƣơng đƣơng và thậm chí
còn lớn hơn kích thƣớc mẫu, hiệu ứng bề mặt xảy ra yếu, không đáng kể. Tổng trở
của mẫu thay đổi hầu nhƣ chỉ do sự thay đổi của độ từ thẩm  của vật dẫn gây nên
bởi từ trƣờng ngoài [6].
1.3.2. Vùng tần số trung bình (vài MHz)
Với dải tần số này độ thấm sâu bề mặt  có giá trị nhỏ hơn bán kính dây dẫn
từ. Do đó hiệu ứng bề mặt bắt đầu có giá trị đáng kể, dòng điện xoay chiều có thể
coi nhƣ chỉ tập chung ở lớp mỏng bên ngoài dây dẫn và sự cản trở dòng điện đã
tăng lên. Lúc này sự thay đổi của tổng trở dẫn đến hiệu ứng GMI sẽ phụ thuộc vào
độ thấm sâu bề mặt và độ từ thẩm  của vật liệu.


9

Ta giải thích sự thay đổi tổng trở ở vùng tần số này nhƣ sau: Từ trƣờng ngoài
làm thay đổi từ thẩm  của vật liệu, dẫn đến thay đổi độ thấm sâu bề mặt  và theo
(1.6) làm thay đổi tổng trở Z. Sự thay đổi từ thẩm đƣợc giải thích do hai quá trình
khác nhau là sự dịch chuyển vách đômen và sự quay vectơ từ độ trong đó sự quay
vectơ từ độ chiếm ƣu thế hơn sự dịch chuyển vách đômen.
1.3.3. Vùng tần số cao (vài chục đến hàng trăm MHz hoặc GHz)
Từ công thức (1.6), khi tần số f cao độ thấm sâu bề mặt  có giá trị rất nhỏ
tức là dòng điện coi nhƣ chỉ tập chung ở một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn và
dòng điện bị cản trở mạnh (tổng trở lớn). Ở tần số này hiệu ứng GMI phụ thuộc vào
độ thấm sâu bề mặt sẽ chiếm ƣu thế so với sự phụ thuộc vào độ từ thẩm  .
Vậy hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI là sự thay đổi mạnh tổng trở của vật dẫn
có từ tính dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài và dòng điện cao tần có tần số góc .

1.4. Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
1.4.1. Cấu trúc đômen và tính dị hƣớng từ
Giải thích cơ chế của
hiệu ứng GMI có rất nhiều
mô hình lý thuyết đƣợc đƣa
ra. Nhƣng mỗi mô hình chỉ
phù hợp với mỗi dải tần số
nhất định, tùy thuộc vào mối
quan hệ giữa cấu trúc đômen
và quá trình từ hóa của chất

Hình 1.3 Mô hình đômen của Squire [6].

sắt từ. Mô hình lý giải thỏa
đáng nhất đƣợc nhiều nhà khoa học chấp nhận là mô hình của Squire [12] dành cho
quá trình từ hóa và hiệu ứng GMI trong vật liệu từ mềm. Mô hình này có thể đƣợc

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 lƣợng khử từ ngang). Với dạng hình trụ,
trƣờng khử từ là rất nhỏ, với dạng phẳng, trƣờng khử từ phụ thuộc vào bề rộng của
mẫu. Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách đômen và quá trình quay của


10

véctơ từ độ dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài cũng nhƣ từ trƣờng do dòng cao tần
gây ra.
Mô hình (Hình 1.3) bao gồm các đômen phản song song định hƣớng theo
trục từ dễ.
Trong đó:
+  là góc tạo bởi phƣơng dễ từ hóa và trƣờng ngoài
+1 và 2 là góc giữa mô men từ của hai đômen với phƣơng dễ từ hóa
+ Từ trƣờng ngoài Hext
+ Từ trƣờng vuông góc Ht
+ d là bề rộng vách đômen khi không có từ trƣờng ngoài
+ x là độ dịch chuyển của vách đômen dƣới tác dụng của trƣờng cảm ứng từ.
Độ tự cảm ngang t liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:

 t = t +1

(1.8)

Ở mô hình này, mật độ năng lƣợng tự do đƣợc cực tiểu hóa nhằm xác định
cấu trúc đômen (bao gồm vị trí của vách đômen và góc quay từ hóa). Mật độ năng
lƣợng tự do đƣợc xác định theo công thức:
U tot  U k  U Hext  U Ht  UW

(1.9)

Trong đó UK là mật độ năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể và đƣợc tính theo
công thức sau:
U K  K[ sin 2 1  (1   ) sin 2 2 ]

(1.10)

Với K là hằng số dị hƣớng từ tinh thể, α chỉ lƣợng các đômen từ hóa dọc theo
trục của từ trƣờng ngoài đặt vào. U Hext là năng lƣợng Zeeman phụ thuộc vào trục của
từ trƣờng ngoài đặt vào Hext:
U Hext  0 M S H ext [(1   ) cos(   2 )   cos(  1 )]

(1.11)

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

(1. 12)

Và UW là năng lƣợng tĩnh từ, nó phụ thuộc vào cấu trúc của các đômen.
Năng lƣợng tĩnh từ đƣợc thể hiện dƣới dạng hàm bậc hai:


11

UW =  u2

(1.13)

Trong đó u = x/d và  đặc trƣng cho “độ cứng” của vách đômen. Đại lƣợng
này đƣợc sử dụng để chọn giá trị của mômen góc 1 , 2 , và vị trí của vách đômen tại
vị trí có năng lƣợng cực tiểu tƣơng ứng với từ trƣờng Hext đặt vào và từ trƣờng
ngang Ht = 0. Sự khác nhau

M

giữa các quá trình từ hóa ngang với sự có mặt hay

không có mặt của từ trƣờng ngang cho phép tính đƣợc độ từ cảm theo phƣơng
ngang  t 

M
và từ đó tính đƣợc độ thẩm từ.
H t

Khi nghiên cứu mối quan hệ giữa sự định hƣớng trục dễ của các đômen từ
với hiệu ứng GMI, đã chỉ ra rằng dạng của đƣờng cong GMI phụ thuộc vào sự định
hƣớng trục dễ. Nghiên cứu về sự phân bố dị hƣớng lên hiệu ứng GMI, cũng chỉ ra
rằng GMIr là hàm của M(t).
1.4.2. Hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong GMI
Hiện tƣợng tách đỉnh trên đƣờng

Ht

cong GMI xảy ra ở một số mẫu. Đây là
hiện tƣợng, trên đƣờng cong biểu diễn sự

Hext

Trục dễ

K



Ms

phụ thuộc của tỷ số GMI vào từ trƣờng

I

ngoài H xuất hiện hai cực đại, ứng với hai
đỉnh. Cơ chế của hiện tƣợng tách đỉnh ở
đƣờng cong GMI liên quan đến tính dị
hƣớng của mẫu nghiên cứu [6] giải thích

Hình 1.4 Mô hình dị hƣớng giải
thích hiện tƣợng tách đỉnh của
đƣờng cong tỷ số GMI.

theo mô hình sau đây: Xét một đơn đômen
quay quanh một trục chuẩn. Do mẫu có tính dị hƣớng nên năng lƣợng tƣơng tác của
dây dẫn từ tính đặt trong từ trƣờng H và có phƣơng dễ từ hoá hợp với phƣơng từ
trƣờng một góc  trong từ trƣờng H (Hình 1.4) đƣợc xác định bằng:
E = K sin2K - MsHextsin( + K) - MsHtcos(K + )

(1.14)

Với E là năng lƣợng toàn phần của hệ, K là hằng số dị hƣớng từ tinh thể của

vật liệu làm dây dẫn, K là góc hợp bởi phƣơng dễ từ hoá và phƣơng của từ trƣờng
ngang Ht (Hình 1.4) và  là góc giữa phƣơng dễ từ hoá và phƣơng từ độ MS của vật


12

liệu. Điều kiện cân bằng của hệ trên là:
E
=0


(1.15)

Mặt khác độ từ cảm theo phƣơng ngang đƣợc xác định nhƣ sau:
t = t 

M t
2 E
 2
H t
H

(1.16)

Kết hợp các biểu thức (1.14), (1.15) và (1.16) ta xác định đƣợc:

M s sin 2 (   K )
t 
H K h sin 2 (   K )  cos( 2 )





(1.17)

GMIr

- Hk

0

+ Hk

H

Hình 1.5 Hình dạng đƣờng cong tỷ số GMI (có hiện tƣợng tách đỉnh) [6]

trong đó trƣờng dị hƣớng HK=2K/Ms; h =Hext/HK
Do t = t + 1 nên t và t có cùng dạng đồ thị. Dẫn đến, theo phƣơng trình
(1.14) khi  và K nhỏ khoảng 50 thì đƣờng cong đƣợc vẽ bởi phƣơng trình (1.14) sẽ
xuất hiện hai đỉnh tại h = 1 hay Hext =  HK, nhƣ đƣợc mô tả ở (Hình 1.5). Dạng đồ
thị của t đƣợc mô tả nhƣ (Hình 1.6), mà t lại tỷ lệ với µt, nên dạng đƣờng cong
của t cũng tƣơng tự dạng đƣờng cong của GMI. Khi K nằm trong khoảng 50 đến
500 thì đƣờng cong GMI có hiện tƣợng tách đỉnh với độ mạnh yếu khác nhau.
Nhƣng khi K có giá trị từ 600 đến 900 thì hiện tƣợng tách đỉnh trong đƣờng cong
GMI không còn nữa.


13

Hình 1.6 Đồ thị t ứng với các giá trị K khác nhau

1.4.3. Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong vật liệu khác nhau
1.4.3.1. Vật liệu dạng dây
Hiệu ứng GMI chủ yếu đƣợc
điều khiển bởi độ từ thẩm hiệu dụng.
Một trong những nguyên nhân ảnh
hƣởng đến độ lớn của độ từ thẩm là
dị hƣớng từ, dị hƣớng này thƣờng là
do ứng suất dƣ trong quá trình chế
tạo mẫu, ứng suất này có thể đƣợc
khử thông qua quá trình ủ mẫu. Với

Hình 1.7 Cấu trúc đômen của dây vô định hình
[6].

mẫu dạng dây chế tạo bằng công
nghệ nguội nhanh, do tốc độ nguội
của lớp bề mặt dây và vùng lõi của dây khác nhau, dẫn đến cấu trúc đômen của hai
vùng khác nhau, điều này đƣợc biểu diễn trên (Hình 1.7). Những nghiên cứu về dây
FeBSi vô định hình bởi Takemura (1996) cho thấy cấu trúc dạng đômen trên của
dây. Trong đó, phần lõi là đơn đômen với phƣơng của véctơ từ độ trùng với chiều


14

dài của dây dẫn. Phần vỏ ngoài có cấu trúc đa đômen với các véctơ từ độ có dạng
vòng tròn, nguyên nhân là do ứng suất nén kết hợp với hiệu ứng từ giảo âm, giữ cho
các đômen từ là các vòng tròn kín, đảm bảo sự cực tiểu về năng lƣợng [6].

Khi ủ mẫu ở nhiệt độ thích hợp đã khử các ứng suất, tạo ra các đômen có
véctơ từ độ dạng vòng kín và có thể làm kết tinh một phần bề mặt.
Nếu gọi bán kính dây là a, ta có:

Z R  j. X k .a J 0  k .a 


.
R
R
2 J1  ka 

(1.18)

Trong đó J0 và J1 là các hàm Bessel và k= (1+j)/ 
Ở tần số cao, ( ka >>1), ta có biểu thức gần đúng sau:
 a 
X  R

 2 

Độ thấm sâu  :  

2

(1.19)
(1.20)



Từ (1.15), (1.16) và (1.17) suy ra công thức tổng trở:
Z = (1+J)R(

a
) 
2 2

(1.21)

Từ (1.18) tổng trở Z phụ thuộc vào µ, ω.
1.4.3.2 Vật liệu dạng băng hoặc màng mỏng
Theo các công bố thì tỷ số
GMIr lớn nhất trong các công bố
là ở các mẫu dây. Còn màng
mỏng tuy có độ dày nhỏ nhƣng tỷ
số GMIr trong các công bố cho
thấy còn chƣa cao, nên các
nghiên cứu gần đây đều tập trung

Hình 1.8 Cấu trúc đômen của màng, băng [6]

tìm cách tăng tỷ số GMI trong các màng mỏng. Trong mẫu cấu trúc dạng đơn lớp,
cấu trúc đômen đƣợc mô phỏng nhƣ Hình 1.8. Khi dòng xoay chiều tần số cao đi
qua các mẫu màng mỏng hoặc mẫu băng, nó cũng tạo ra từ trƣờng xoay chiều
cƣờng độ nhỏ vuông góc với chiều dòng điện. Nếu chiều này trùng với chiều dễ từ
hóa, thì từ trƣờng này chủ yếu làm các vách đômen dịch chuyển. Khi có từ trƣờng


15

ngoài theo hƣớng vuông góc với trục dễ tác động vào mẫu, thì sự dịch chuyển các
vách đômen sẽ bị kìm hãm và thay vào đó là sự xoay các véctơ từ độ trong các
đômen theo phƣơng từ trƣờng ngoài. Trong suốt quá trình này độ từ thẩm của mẫu
sẽ giảm cho tới giá trị bằng 1. Độ từ thẩm này sẽ làm thay đổi trở kháng thông qua
việc thay đổi độ thấm sâu bề mặt của từ trƣờng. Theo [6] hiệu ứng này trong băng
từ hay màng mỏng không xảy ra mạnh nhƣ trong dây từ.
Khi cho dòng điện xoay chiều I 0 e jt chạy qua mẫu màng mỏng có bề dày t
thì tổng trở của mẫu là:
Z
kt
 jkt 
 coth 

RDC 2
 2 

(1.22)

Trong đó RDC là điện trở thuần của màng; δ là độ thấm sâu bề mặt.
Trƣờng hợp 1: Hiệu ứng cảm ứng từ ở tần số thấp (kt /2 << 1);
Z
2j  t 
 1  .

RDC
3  2 

2

(1.23)

Trƣờng hợp 2: Hiệu ứng từ tổng trở ở tần số cao (kt /2 >> 1);
Z
t
 1  j.
RDC
2

(1.24)

1.4.3.3 Vật liệu dạng màng đa lớp
Vật liệu màng đơn lớp thƣờng có
giá trị GMI tƣơng đối nhỏ, để tăng
hiệu ứng ta sử dụng màng có cấu trúc
đa lớp. Màng đa lớp có cấu trúc dạng
sandwich của hai lớp sắt từ (Hình 1.9).
F: sắt từ
M: kim loại dẫn điện

Hình 1.9. Cấu trúc đômen của màng mỏng đa
lớp [6].

Trong cấu trúc này, do sự khác biệt lớn về điện trở suất giữa lớp sắt từ và lớp
kim loại dẫn tạo nên sự thay đổi lớn về tổng trở. Ở cấu trúc đa lớp, ngƣời ta thấy sự
thay đổi lớn về tổng trở ngay ở dải tần số thấp, do sự tăng trở kháng của lớp sắt từ
(mà trở kháng này lớn hơn rất nhiều điện trở của lớp giữa). Ở đây, thông lƣợng từ
khép kín cũng là một yếu tố làm tăng µ, dẫn đến làm tăng GMIr.