Luận văn nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể fe93 xzrxb6cu1

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỘC S ư PHẠM HÀ NỘI 2
---------------------------'ỉSkũ2l,ef------------------------------

ĐÕ VĂN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG
GMI CỦA VẶT LIỆU NANO TINH THẺ Fe93.xZrxB6Cu!

Chuyên ngành: V ật lý chất rắn
M ã số: 60.44.01.04

LUÂN
VĂN THAC
s ĩ KHOA HOC
VÂT
CHẤT
•
•
•
•
NG ƯỜ I HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HỮU TÌNH

HÀ NỘI, 2016


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sẳc 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 om chân thành sự giúp
đỡ, khích lệ và tạo điều kiện thực nghiệm của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân.

Tiếp đến, tôi xin cảm om sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS. Nguyễn
Mầu Lâm, NCS. Nguyễn Hải Yen 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 om 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 trì 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, thảng 7 năm 2016
Tác giả

Đỗ Văn Phương


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng kết quả nghiên cứu ữong 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 được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Phưong


MUC
• LUC

•
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................
LỜI CAM Đ O A N .......................................................................................................
MỤC L Ụ C ...................................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ H IỆ U ..................................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮ T......................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ T H Ị...........................................................
DANH MỤC CÁC B Ả N G ........................................................................................
MỞ Đ Ầ U .....................................................................................................................1
NỘI D U N G ................................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1........................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ (GM I)..................... 3
1.1. Vật liệu từ mềm nano tinh th ể ...................................................................3
1.1.1. Cấu trúc nano tinh t h ể ...................................................................... 3
1.1.2. Các tính chất từ của yật liệu từ nano tinh th ể ................................3
1.1.3. Anh hưởng của thành phàn các nguyên tố và quá trình xử lý
nhiệt lên tính chất từ của hệ vật liệu Fe - Zr - B - C u............................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 kH z).......................................................... 8
1.3.2. Vùng tần số trung bình (vài M H z)................................................. 8
1.3.3. Vùng tần số cao (vài chục đến hàng trăm MHz hoặc G H z)........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 hướng từ ............................................... 9
1.4.2. Hiện tượng tách đỉnh ở đường cong G M I................................... 11
1.4.3. Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong vật liệu khác n h au .... 13
1.4.3.1. Vật liệu dạng d ây .....................................................................13
1.4.3.2 Vật liệu dạng băng hoặc màng m ỏ n g .................................. 14

1.5. Công nghệ nguội nhanh...........................................................................16
1.5.1 Các phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dưói dạng băng
m ỏng.............................................................................................................. 16
1.5.2. Tốc độ nguội của hợp kim nóng c h ảy ..........................................17
1.5.3. Tốc độ nguội tới hạn.........................................................................19
CHƯƠNG 2 .......................................................................................................... 22
THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C Ú Ư .........22
2.1 Chế tạo mẫu hợp k im ................................................................................ 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 đ ầ u ................................................................24
2.1.2 Kỹ thuật gia công m ẫu...................................................................... 26
2.1.3. Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt..............................................................27
2.2 Phương pháp phân tích.............................................................................. 28
2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction)............ 28
2.2.2 Phương pháp đo từ tổng trở G M I.................................................. 29
2.2.3. Phép đo khảo sát tính chất từ V S M .............................................. 30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO L U Ậ N ...................................................32
3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr đến cấu trúc vật liệu
Fe93.xZrx B6C u i ............................................................................................ 32
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr đến tính chất từ của vật
liệu Fe93.xZrx B6C u i .....................................................................................34
3.3. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng Zr đến tỉ số GMIr của vật
liệu Fe93-xZrx B6C u i .......................................................................................... 37
KẾT L U Ậ N ..............................................................................................................39
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM K H Ả O ...................................................40


DANH MUC

• CÁC KÝ HIÊU
•
Br

Cảm ứng từ dư

K

Từ giảo bão hòa

8

Độ dày vách đômen

^0

Độ từ thẩm của chân không

(ũ

Tần số góc dòng điện xoay chiều

D

Hệ số khử từ

h

Hệ số truyền nhiệt

Hc

Lực kháng từ

Hn

Trường tạo mầm đảo từ

H cr

Số hạng trường tinh thể

Hext

Từ trường ngoài

Hin

Trường nội tại

Ir, Jr, M r

Từ độ dư

K

Hằng số dị hướng 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

TAm

Nhiệt độ nóng chảy

TAg

Nhiệt độ thủy tinh hóa

ta

Thời gian ủ nhiệt

uk

Năng lượng dị hướng từ tinh thể

U Ĩ

Năng lượng Zeeman


DANH MUC 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

: Yô định hình

VSM

: Hệ từ kế mẫu rung

XRD

: Nhiễu xạ tia X


DANH MUC
• CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THI•
Hình 1.1 Từ trường dây dẫn có từ tính....................................................................... 6
Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ trường ngoài....8
Hình 1.3 Mô hình đômen của Squire..........................................................................9
Hình 1.4 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh của đường cong tỷ số
GMI.................................. .........................................................................................11
Hình 1.5 Hình dạng đường cong tỷ số GMI (có hiện tượng tách đỉnh) ..................12

Hình 1.6 Đồ thị Xtứng với các giá trị 0Kkhác nhau.................................................. 13
Hình 1.7 Cấu trúc đômen của dây vô định h ình........................................................13
Hình 1.8 Cấu trúc đômen của màng, b ăng................................................................14
Hình 1.9. Cấu trúc đômen của màng mỏng đa lớ p ....................................................15
Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt..............................................................................18
Hình 1.11 Họp kim một nguyên, đường................................................................... 20
1, 2 và 3 ứng với tốc độ nguội khác n h a u .............................................................. 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 bước nấu họp kim..................................................................... 25
Hình 2.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không....................................................................... 28
Hình 2.5. Mô hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X......................................28
Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo GMI................................................................................ 30
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý 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 B6Cui (x = 5, 7, 9) chưa ủ
nhiệt............................................................................................................................32
Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X fren các mẫu Fe93.xZrx B6Cui (x = 5, 7, 9) ủ nhiệt ở
580°c trong thời gian l h ...........................................................................................32


Hình 3.3 Đường cong từ trễ của mẫu hợp kim Fe93_xZrxB6Cu1 (x =5, 7 và 9) chưa xử
lý nhiệt........................................................................................................................ 34
Hình 3.4 Đường cong từ ừễ của mẫu hợp kim Fe93.xZrxB6Cui (x =5, 7 và 9) ủ nhiệt
tại 580°c trong l h ......................................................................................................34
Hình 3.5 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 chưa ủ
nhiệt.............................................................................................................................35
Hình 3.6 Sự phụ thuộc Hc theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 ủ nhiệt ở
580°c trong l h ...................................

35
Hình 3.7 Sự phụ thuộc Ms theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 chưa ủ
nhiệt.............................................................................................................................35
Hình 3.8 Sự phụ thuộc Ms theo thành phần Zr của các mẫu M5, M7, M9 M9 ủ nhiệt
ở 580°c trong l h .................................

35

Hình 3.9 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) của mẫu chưa ủ nhiệt.................................... 37
Hình 3.10 Sự phụ thuộc GMIr(max) của mẫu vào hàm lượng Zr chưa ủ nhiệt.... 37
Hình 3.11 Đồ thị GMIr (tần số 4MHz) của mẫu ủ nhiệt ở 580°c trong lh .............37
Hình 3.12 Đồ thị GMIr (tần số 6MHz) của mẫu ủ nhiệt ở 580°c trong lh .............37
Hình 3.13 Đồ thị GMI (tần số 10MHz) của mẫu ủ ở 580°c trong lh ..................... 38
Hình 3.14 Sự phụ thuộc GMIr (max) của mẫu ủ ở 580°c trong lh vào hàm lượng Zr
.....................

38


DANH MUC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Hệ thành phần hợp kim nền Fe.................................................................. 23
Bảng 3.1 Sự thay đổi kích thước hạt theo nồng độ Zr khi ủ Fe93_xZrxB6Cui nhiệt ở
580°c trong thời gian lh ............................................................................................33
Bảng 3.2 Kết quả khảo sát Hcvà Ms theo thành phần trước và sau khi chưa 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 trường ngoài... đây là những tính cơ bản
của vật liệu từ mềm. Trong đó vật liệu từ mềm nano tính thể như Finemet,
Nanoperm... là những vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay thường được 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 thước nanomet. Kết
quả là ta thu được một cấu trúc nano gồm các hạt tính thể (pha từ giàu sắt) được
nhúng trong ma ưận vô định hình dư. Đặc biệt vật liệu từ Nanoperm có cảm ứng từ
cao (vượt trên 1,5 T), có độ từ thẩm rất lớn và có độ bền cơ học [7].
Vật liệu từ nano tinh thể dưới 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 dưới tác dụng của từ trường ngoài H
và dòng điện xoay chiều làm độ từ thẩm p thay đổi mạnh, dẫn đến sự thay đổi độ
thấm sâu bề mặt ô từ đó làm thay đổi mạnh tổng ưở z của vật liệu. Khi đó ta dùng
thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trưng 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 (p), tần số góc của dòng điện đặt vào dây dẫn (co), độ
dầy thấm sâu bề mặt ( ổ ), độ từ thẩm ụ ....
Hợp kim Vật liệu nanoperm với các thành phần Fe-X-B trong đó X có thể
làZr-Cu, Hf-Cu..., trên nền vô định hình dư. Khi thay đổi hàm lượng của các
nguyên tố trong họp kim thì cấu trúc vi mô thay đổi cụ thể là kích thước hạt dẫn đến
tính chất từ của họp kim cũng thay đổi theo và có thể dẫn đến hiệu ứng từ tổng trở
khổng lồ GMI. Mỗi thành phần trong họp kim có vai trò và ảnh hưởng 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 thước hạt a-Fe, Cu đóng vai trò tạo mầm kết tinh, B đóng vai trò

2

làm ổn định nền YÔ định hình và làm giảm lượng pha a - Fe khi nồng độ của nó
tăng lên. Vì thế việc nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ phần các nguyên tố đến tính chất
từ và hiệu ứng GMI đã và đang được 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 được thành phần và chế độ xử lý mẫu hợp kim

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 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 nanoperm nền Fe chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh từ
thể lỏng, cụ thể là Fe93_xZrxB6Cui trong đó thành phần Zr thay đổi với X = 5; 7 và 9.
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
Vật liệu nano tinh thể, sau đó xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt và các phương pháp đo
thích họp 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

NÔIDUNG
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VÈ 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 thước nanomet,
được chế tạo bằng hai phương pháp [1, 3, 7]: phương pháp từ trên xuống và phương
pháp từ dưới lên, cụ thể:
Phương pháp từ trên xuống: dùng kỹ thuật nghiền để biến vật liệu thể khối
với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Trong phương pháp nghiền, vật
liệu ở dạng bột được ữộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và
đặt trong một cái cối (có thể được 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 thước nano. Kết quả thu
được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
Phương pháp từ dưới lên về nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các
nguyên tử hoặc ion. Phần lớn các vật liệu nano hiện nay được chế tạo từ phương
pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa
học hoặc kết họp cả hai. Phương pháp nguội nhanh thuộc nhóm phương pháp vật lý.
Nguyên lý của phương pháp này là dùng trống quay có bề mặt nhẵn bóng với tốc độ
cao làm môi trường thu nhiệt của hợp kim nóng chảy. Với mục đích tạo băng có độ
dày từ 20-Ỉ-30 pm tôi dùng phương 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 trường điện từ xoay chiều, trạng thái từ hoá luôn bị
đảo chiều. Lực kháng từ Hc chính là từ trường cần để xoá đi một trạng thái từ hoá

trước 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 (đường từ trễ càng
hẹp), tổn hao năng lượng 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
được viết như sau [6]:

H , = a . - ^ - + b ^ - + c \ N t- N ị l ,

( 1 .1 )

Kx: dị hướng từ tinh thể; Xs: hằng số từ giảo; Nx N2 hệ số khử từ; Is: Từ độ
Từ (1.1) ta thấy để Hc nhỏ thì dị hướng từ Ki, từ giảo Ằs phải nhỏ và các hạt
sắt từ có dạng đều.
Khi các hạt tinh thể sắt từ (a-Fe) có kích thước D nhỏ hom chiều dài tưomg
tác trao đổi sắt từ L0 ~(A/K,)1/2 (Đại lượng này cũng chính là bề rộng vách đômen
ô ~ 7Ĩ L0, trong đó A ~10“n J/m: độ cứng trao đổi, Ki ~ 8000 J/m3: dị hướng từ tinh
thể đối với Fe- 20%Si), dưới ảnh hưởng của sự cạnh ữanh giữa tưomg tác ừao đổi
và dị hướng, các mô men từ không nhất thiết phải định hướng theo phưomg dễ từ
hoá của từng hạt tinh thể vốn sắp xếp ngẫu nhiên, mà có thể định hướng song song
nhau nhờ vào tương tác trao đổi và liên kết từ với nhau.
Dị hướng trung bình <K> của tập thể các hạt sắt từ N có thể viết dưới dạng:
< K > = ^ \D 6-,Hc * ^ ^ = ^ ^ D 6. Nếu D ~10 nm, <K> giảm từ 8000 J/m3
A
c
Js

JSA3
s
xuống còn 4 J/m3. Khi đó lực kháng từ Hc và độ từ thẩm ban đầu Pi bằng:
fs

1

Như vậy, đối với cấu trúc nano, khi D < L0, lực kháng từ Hc phụ thuộc bậc 6
vào kích thước hạt Hc ~ D6, khác hẳn với quy luật Hc ~ 1/D đối với các vật liệu từ
mềm kinh điển.
1.1.3. Ảnh hưởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt
lên tính chất từ của hê vât liêu Fe - Zr - B - Cu
•

•

•

Kích thước hạt trung bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ các chất,
nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt. Các nghiên cứu cho thấy lượng Zr, B, Cu hòa tan
trong tinh thể a - Fe ít, ta có thể coi pha tinh thể chỉ chứa Fe.
Mỗi nguyên tố đóng vai ưò khác nhau trong hợp kim ữong đó, B theo có tác


5

dụng làm ổn định nền vô định hình. Tuy nhiên theo khi xử lý nhiệt ở trên 600°c,
dẫn đến kết tinh pha borit sắt, ảnh hưởng đến dị hướng từ tinh thể và trực tiếp đến
tính từ mềm của vật liệu do đó sẽ ảnh hưởng 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 ưu là 1%.
Vai trò của Zr trong hợp kim được khẳng định là cản trở sự kết tinh của các
hạt a - Fe, nhờ đó mà các hạt mới được phân bố đồng đều và kích thước 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
hưởng mạnh đến nhiệt độ Curie của vật liệu.
Như vậy việc hạn chế kích thước 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 tíọng. Thành phần hợp kim trước tạo ra khả
năng kết tinh chọn lọc trong đó pha vô định hình dư 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 như thời gian ủ, nhiệt độ ủ. Trong luận văn
này tôi nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ mềm và do đó ảnh hưởng
đến hiệu ứng GMI của hợp kim Fe93.xZrxB6Cui 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 trường 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 trường Ht. Ngoài ra Ht từ hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện độ
từ thẩm theo phương ngang Pt.
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, dưới tác


6

động của từ trường ngoài Hext (hình 1. 1). Hiệu ứng này được 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 trường ngoài, tần số và hiệu ứng
bề mặt [1,2].
Z(oo, H)~ ^coụt (ũì,H)

(1.2)

Độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường Ht do chính dòng điện cao tần chạy qua
dây dẫn và vào từ trường ngoài Hext tác động lên dây dẫn. Như 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 dưới tác động của hai từ trường H’ và H ngoài.
Để đặc trưng cho hiệu ứng người ta đưa ra một đại lượng, đó là tỷ số tổng trở
khổng lồ GMIr được xác đinh theo biểu thức sau:
GMIr(%)=100Z(fl) Z(fl=0)
(1.3)
Z(H=0)
- Z(H): giá trị tổng trở được đo ở từ trường H.
- Z(H=0): giá trị tổng trở đo ở từ trường bằng không.
Trong các hệ vật liệu, thì vật liệu VĐH và nano tinh thể là vật liệu từ mềm có
từ thẩm cao (p~ 105), điều này cho phép hy vọng có hiệu ứng GMI tốt
AA

i=I„eitot »

H.

E ext

J
Hình 1.1 Từ trường dây dẫn có từ tính
Dòng điện xoay chiều tần số co chạy qua dây dẫn có từ tính đặt trong từ
trường ngoài một chiều Hext dọc theo trục của dây thì tổng ưở của dây được xác
định theo biểu thức sau [11]:
z = RdckaJ0(k«)
2 J j(k a )

(1.3)


7

- Rdc là điện trở của dây dẫn
- ố là độ dày thấm sâu bề mặt
- Oí là bán kính tròn của dây
-J0 và Ji là các hàm Bessel, và k= (l+j)/ ỏ
Ở tần số cao, ( \ka\ » 1 ) , biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng cho phép
ta tính tổng trở dưới dạng sau:
Z=R + jx ,
Với

R«X*R,

ỏ0 là độ dầy thấm sâu :

a

J 2 fl
8ữ =

(1.4)
(1.5)

( 1 .6 )

V o®

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

(1.7)

Trong đó
+ p là điện trở suất
+ + ụữ',ụr là hằng số từ và độ từ thẩm tương đối
+ ụ = ụữ.ụr là độ từ thẩm của vật dẫn
Theo công thức (1.7) ta thấy tổng ữở 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
(íữ), Độ dầy thấm sâu bề mặt ( ỏ ), độ từ thẩm n ....


8

▲

&m

/4

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt
với từ trường 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 5 có giá ừị tưomg đưorng và thậm chí
còn lớn hơn kích thước mẫu, hiệu ứng bề mặt xảy ra yếu, không đáng kể. Tổng trở
của mẫu thay đổi hầu như chỉ do sự thay đổi của độ từ thẩm fi của vật dẫn gây nên
bởi từ trường ngoài [6].
1.3.2. Vùng tần số trung bình (vài MHz)
Với dải tần số này độ thấm sâu bề mặt s có giá trị nhỏ hom 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 như 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 ịi của vật liệu.


9

Ta giải thích sự thay đổi tổng trở ở vùng tần số này như sau: Từ trường ngoài
làm thay đổi từ thẩm ịi của vật liệu, dẫn đến thay đổi độ thấm sâu bề mặt s và theo
(1.6) làm thay đổi tổng trở z. Sự thay đổi từ thẩm được 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 ưu thế hom 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 ổ có giá trị rất nhỏ
tức là dòng điện coi như chỉ tập chung ở một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn và
dòng điện bị cản trở mạnh (tổng ừở lớn). Ở tần số này hiệu ứng GMI phụ thuộc vào
độ thấm sâu bề mặt sẽ chiếm ưu thế so với sự phụ thuộc vào độ từ thẩm ụ..

Vậy hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI là sự thay đổi mạnh tổng trở của vật dẫn
có từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài và dòng điện cao tần có tần số góc (Ö.
1.4. Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tồng trở khổng lồ
1.4.1. Cấu trúc đômen và tính dị hướng từ
Giải thích cơ chế của
hiệu ứng GMI có rất nhiều
mô hình lý thuyết được đưa
ra. Nhưng 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
sắt từ. Mô hình lý giải thỏa
đáng nhất được 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 được
sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và vật dẫn có cấu trúc phẳng (hai cấu
trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng lượng khử từ ngang). Với dạng hình trụ,
trường khử từ là rất nhỏ, với dạng phẳng, trường 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 dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần
gây ra.
Mô hình (Hình 1.3) bao gồm các đômen phản song song định hướng theo
trục từ dễ.
Trong đó:
+ ớ là góc tạo bởi phương dễ từ hóa và trường ngoài
+ ệjVầệ 2 là góc giữa mô men từ của hai đômen với phương dễ từ hóa

+ Từ trường ngoài Hexí
+ Từ trường vuông góc Ht
+ d là bề rộng vách đômen khi không có từ trường ngoài
+ X là độ dịch chuyển của vách đômen dưới tác dụng của trường cảm ứng từ.
Độ tự cảm ngang ỵ t liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:
V t = X t+ l

(1-8)

Ở mô hình này, mật độ năng lượng tự do được cực tiểu hóa nhằm xác định
cấu trúc đômen (bao gồm vị trí của vách đômen và góc quay từ hóa). Mật độ năng
lượng tự do được xác định theo công thức:
UM =Uk +UĨ+U'H+Uw

(1.9)

Trong đó UK là mật độ năng lượng dị hướng từ tinh thể và được tính theo
công thức sau:
UK = K \assi2ệl + (l-a )s in 2^2]

(1.10)

Với K là hằng số dị hướng từ tinh thể, a chỉ lượng các đômen từ hóa dọc theo
trục của từ trường ngoài đặt vào. Un là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào trục của
từ trường ngoài đặt vào ư xt:
t / ^ = >í/0M sí í e;[t[ ( l - a ) c o s ( ớ + íơ2) - a c o s ( ớ - í ơ 1)]

(1-11)

ơ^là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang Hl:

U'H = /J0M sHl[(L—a)sm(ỡ +(p2) —asm(ỡ —Và

uwlà năng

(1. 12)

lượng tĩnh từ, nó phụ thuộc vào cấu trúc của các đômen.

Năng lượng tĩnh từ được thể hiện dưới dạng hàm bậc hai:


11

Uw =J3u2

(1.13)

Trong đó u = x/d và p đặc trưng cho “độ cứng” của vách đômen. Đại lượng
này được sử dụng để chọn giá trị của mômen góc ệì,ệ2, và vị trí của vách đômen tại
vị trí có năng lượng cực tiểu tưomg ứng với từ trường Hext đặt vào và từ trường
ngang Ht -

0.

Sự khác nhau

AM

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

không có mặt của từ trường ngang cho phép tính được độ từ cảm theo phưomg
ngang Xt - ~ ~ và từ đó tính đươc đô thẩm từ.
õHt
Khi nghiên cứu mối quan hệ giữa sự định hướng trục dễ của các đômen từ
với hiệu ứng GMI, đã chỉ ra rằng dạng của đường cong GMI phụ thuộc vào sự định
hướng trục dễ. Nghiên cứu về sự phân bố dị hướng lên hiệu ứng GMI, cũng chỉ ra
rằng GMIr là hàm của M(%t).
1.4.2. Hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GMI
Hiện tượng tách đỉnh trên đường

ỊỊt

Trục dễ

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

f

Hext

°K

0 s

. Ms

phụ thuộc của tỷ số GMI vào từ trường
ngoài H xuất hiện hai cực đại, ứng vói hai

đỉnh. Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở
đường cong GMI liên quan đen tính dị
hướng của mẫu nghiên cứu [6] giải thích
b

b

b

bb
thích hiện tượng tách đỉnh của

.

'

'

, X

„

đường cong tỷ sô GMI.

theo mô hình sau đây: Xét một đơn đômen
quay quanh một trục chuẩn. Do mẫu có tính dị hướng nên năng lượng tương tác của
dây dẫn từ tính đặt trong từ trường H và có phương dễ từ hoá hcrp với phương từ
trường một góc 0 trong từ trường H (Hình 1.4) được xác định bằng:
E = K sỉn2 ỠK- MsHextsin( 6+ 0K) - MsHtcosị &K+ 0)

(1.14)

Với E là năng lượng toàn phần của hệ, K là hằng số dị hướng từ tinh thể của
vật liệu làm dây dẫn, 0K là góc họp bởi phương dễ từ hoá và phương của từ trường
ngang Ht (Hình 1.4) và 0 là góc giữa phương dễ từ hoá và phương từ độ Ms của vật


12

liệu. Điều kiện cân bằng của hệ trên là:
( 1. 15)

Mặt khác độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:
õMt _ õ2E
ÕHt
ÕH2

Xt Xt

(1.16)

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

_
_
_

M s sm 2(ỡ + ỡK)
¡3

V

A /

Xt ~ H K{hsm2(ỡ + ỡK) + cos(20)}

(1.17)

n
GMIr

Hình 1.5 Hình dạng đường cong tỷ số GMI (có hiện tượng tách đỉnh) [6]
trong đó trường dị hướng H k=2K/Ms; h =Hex/H K
Do

= Xt + 1 nên Pt và Xt có cùng dạng đồ thị. Dan đến, theo phương trình

(1.14) khi 0 và 0Knhỏ khoảng 5° thì đường cong được vẽ bởi phương trình (1.14) sẽ
xuất hiện hai đỉnh tại h = ± 1 hay Hext = ± H K, như được mô tả ở (Hình 1.5). Dạng đồ
thị của Xt được mô tả như (Hình 1.6), mà Xt lại tỷ lệ với ịiu nên dạng đường cong
của Xt cũng tương tự dạng đường cong của GMI. Khi 0K nằm ữong khoảng 5° đến
50° thì đường cong GMI có hiện tượng tách đỉnh với độ mạnh yếu khác nhau.
Nhưng khi 0K có giá trị từ 60° đến 90° thì hiện tượng tách đỉnh trong đường cong
GMI không còn nữa.


13

29

2

19

1

09

Hình 1.6 Đồ thị Xtứng với các giá trị 0Kkhác 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 được
điều khiển bởi độ từ thẩm hiệu dụng.

Đôm*n

Lõp võ

Một ữong những nguyên nhân ảnh
hưởng đến độ lớn của độ từ thẩm là
dị hướng từ, dị hướng này thường là
do ứng suất dư trong quá trình chế
tạo mẫu, ứng suất này có thể được
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 được biểu diễn trên (Hình 1.7). Những nghiên cứu về dây
FeBSi vô định hình bởi Takemura (1996) cho thấy cấu trúc dạng đômen ữên của
dây. Trong đó, phần lõi là đơn đômen với phương của véctơ từ độ trùng vói 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 lượng [6].
Khi ủ mẫu ở nhiệt độ thích hcrp 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.
U'
1'
* - z _ R + j.x _k.a J0(k.a)
Nêu goi bán kính dây là a, ta có: —= ——— =
7
R
R
2 J1ị^kaj

(1.18)

Trong đó J0 và Ji là các hàm Bessel và k= (l+j)/ổ
Ở tần số cao, (\ka\» 1 ) , ta có biểu thức gần đúng sau:
(1.19)

Độ thấm sâu £ :

( 1.20)

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

(1.21)

Từ (1.18) tổng trở z phụ thuộc vào ỊI, co.
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

Hdc, I

■*

là ở các mẫu dây. Còn màng
mỏng tuy có độ dày nhỏ nhưng tỷ
số GMIr trong các công bố cho
thấy còn chưa 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 được mô phỏng như Hình 1.8. Khi dòng xoay chiều tần số cao đi
qua các mẫu màng mỏng hoặc mẫu băng, nó cũng tạo ra từ trường xoay chiều
cường độ nhỏ vuông góc với chiều dòng điện. Neu chiều này trùng với chiều dễ từ

hóa, thì từ trường này chủ yếu làm các vách đômen dịch chuyển. Khi có từ trường


15

ngoài theo hướng vuông góc vói 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 ữong các
đômen theo phương từ trường ngoài. Trong suốt quá trình này độ từ thẩm của mẫu
sẽ giảm cho tói 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 trường. Theo [6] hiệu ứng này trong băng
tù hay màng mỏng không xảy ra mạnh như trong dây từ.
Khi cho dòng điện xoay chiều I0eJthì tổng ưở của mẫu là:
z

kt

, ( jk t^

( 1.22)

= — coth J

RDC

2

Trong đó Rdc là điện trở thuần của màng; ỗ là độ thấm sâu bề mặt.
Trường hợp 1: Hiệu ứng cảm ứng từ ở tần số thấp (kt /2 « 1);
z = ị-ĩi

\2 S j
RDC

(1.23)

Trường hợp 2: Hiệu ứng từ tổng ừở ở tần số cao (kt /2 » 1);
R

= \ -

(1.24)

25

1.4.3.3 Vật liệu dạng màng đa lớp

Hđc, I

Vật liệu màng đơn lớp thường có

>■

giá trị GMI tương 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, người 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 ừở của lớp giữa). Ở đây, thông lượng từ
khép kín cũng là một yếu tố làm tăng ụ, dẫn đến làm tăng GMIr.