Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu nano tinh thể fe87 xzr7b6cux (LV01988)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2

NGUYỄN ĐĂNG TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ
VÀ HIỆU ỨNG GMI CỦA VẬT LIỆU Fe87-xZr7B6Cux

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
Trước tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Hữu Tình người
thầy đã dành cho tôi nhiều công sức, trí tuệ cùng sự động viên khích lệ, 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 ân cần, khích lệ và tạo điều kiện của
PGS.TS. Nguyễn Huy Dân dành cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn
tại Viện Khoa học Vật liệu.
Cảm ơn sự đồng hành và giúp đỡ của học viên Đỗ Văn Phương người cùng
chung giáo viên hướng dẫn, đã cùng tôi hoàn thành nhiều công đoạn trong quá
trình thực nghiệm và hoàn thiện luận văn.
Tôi xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS. Nguyễn Mẫu
Lâm, NCS. Nguyễn Hải Yến, NCS Phạm Thị Thanh và các cán bộ, học viên khác
trong Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt 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 – Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Trung tâm Nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ trường Đại học
Sư phạm Hà Nội 2 đối với tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Sau cùng, xin được cảm ơn và thực sự không thể quên được sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô giáo, bạn bè, anh em gần xa và sự động viên tinh thần, giúp đỡ
vật chất, tạo điều kiện về mọi mặt của những người thân trong gia đình trong suốt
quá trình tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này.
Hà Nội, tháng 7 năm 2016
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 gi p đ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích
dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc
Tác giả luận văn

Nguyễn Đăng Trƣờng


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: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ
(GMI) ....................................................................................................................... 3
1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI ............................................................... 3
1.2. Mối quan hệ giữa cấu tr c đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ ............ 5
1.2.1 Cấu tr c đômen và tính dị hƣớng từ ...................................................... 5
1.2.2. Hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong GMI ............................................. 7
1.2.3.Cấu tr c đômen và hiệu ứng GMI trong các dạng vật liệu khác
nhau ................................................................................................................. 9
1.3. Vật liệu từ mềm nano tinh thể ..................................................................... 12
1.3.1 Cấu trúc nano tinh thể .......................................................................... 12
1. 3. 2 Các tính chất từ của vật liệu từ nano .................................................. 13
1.3.3 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. ......................................... 16
1.4 Công nghệ nguội nhanh ............................................................................... 17
1.4.1 Các phƣơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dƣới dạng băng
mỏng .............................................................................................................. 17
1.4.2 Tốc độ nguội của hợp kim nóng chảy .................................................. 18
1.5 Tốc độ nguội tới hạn .................................................................................... 20
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU .......................................................................................................... 23
2.1 Chế tạo mẫu hợp kim ................................................................................... 23


2.1.1 Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu tr c vô định hình bằng
thiết bị nguội nhanh đơn trục ........................................................................ 23
2.1.2 Kỹ thuật gia công mẫu ......................................................................... 25
2.1.3 Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt ................................................................... 25
2.2 Phƣơng pháp phân tích ................................................................................. 26
2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) ...................... 26

2.2.2 Phƣơng pháp đo từ trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) ........................ 27
2.2.3 Phƣơng pháp đo GMI ........................................................................... 29
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 31
3.1. Nghiên cứu cấu trúc của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ...................................... 31
3.2 Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ................................. 32
3.3. Nghiên cứu hiệu ứng GMI của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ........................... 35
3.3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Cu trong hợp kim đến tỷ số
GMIr của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux. ............................................................... 35
3.3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng tần số đến tỷ số GMIr của hợp kim ................ 37
Fe87-xZr7B6Cux. .............................................................................................. 37
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 39
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 39


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
s

: Từ giảo bão hòa



: Năng lƣợng của mỗi đơn vị diện tích trên vách đômen



: Độ dày vách đômen

0

: Độ từ thẩm của chân không

Ek

: Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể

Hc

: Lực kháng từ

Hext

: Từ trƣờng ngoài

Ir, Jr, Mr

: Từ độ dƣ

MS

: Từ độ bão hòa

RC

: Tốc độ nguội tới hạn

Ta

: Nhiệt độ ủ

TC

: Nhiệt độ Curie

Tg

: Nhiệt độ thủy tinh hóa

ta

: Thời gian ủ nhiệt


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

T-T-T

: Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha

VSM

: Hệ từ kế mẫu rung

XRD

: Nhiễu xạ tia X

VĐH

: Vô định hình


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Từ trƣờng quanh một vật dẫn có dòng xoay chiều chạy qua. ...................... 3
Hình 1.2 Mô hình đômen của Squire [6]. ................................................................... 5
Hình 1.3 Mô hình dị hƣớng giải thích hiện tƣợng tách đỉnh của đƣờng cong tỷ
số GMIr ...................................................................................................... 7
Hình 1.4 Hình dạng đƣờng cong tỷ số GMIr (có hiện tƣợng tách đỉnh) .................... 8
Hình 1.5 Đồ thị t ứng với các giá trị K khác nhau .................................................... 9
Hình 1.7 Cấu tr c đômen của màng, băng. ............................................................... 10
Hình 1.8. Cấu tr c đômen của màng mỏng đa lớp.................................................... 11
Hình 1.9 (a) Hợp kim đa nguyên tố và siêu quá bão hòa đƣợc đông cứng
nhanh từ thể lỏng tạo trạng thái VĐH. (b) Khi ủ, trạng thái siêu quá
bão hòa bị phá v : Cu, Zr và B với nồng độ quá bão hòa tách ra
khỏi Fe. Thành phần hợp kim bị phân ly thành vùng giàu Fe và
vùng giàu Cu, Zr, B, các vùng này có nhiệt độ kết tinh khác nhau
Tc1 < Tc2. Nếu mẫu đƣợc ủ tại nhiệt độ: Tc1 < T < Tc2, pha α – Fe
kết tinh, pha VĐH giàu Cu, Zr, B không kết tinh và bao lấy hạt tinh
thể α – Fe, hạn chế hạt này trong phạm vi vài chục nano mét. (c)

Cấu trúc vật liệu từ mềm nano tinh thể FeZrBCu sau khi ủ nhiệt tại
Tc1 < T < Tc2. [6] ...................................................................................... 13
Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt. ............................................................................. 19
Hình 1.11 Hợp kim một nguyên, đƣờng 1, 2 và 3 ứng với tốc độ nguội khác
nhau.......................................................................................................... 20
Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không ........................................... 24
Hình 2.2 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không. ...................................................................... 26
Hình 2.3. Mô hình hình học của hiện tƣợng nhiễu xạ tia X ...................................... 27
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên l và ảnh chụp của hệ từ kế mẫu rung (VSM) ................... 28
Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ đo GMI ................................................................................ 30
Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 3 mẫu chƣa ủ nhiệt ................................................ 31
Hình 3. 2 Giản đồ nhiễu xạ tia X 3 mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1h ...................... 31
Hình 3.3 Đƣờng cong từ hóa các mẫu chƣa ủ nhiệt .................................................. 33


Hình 3.4 Đƣờng cong từ hóa các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ..................... 33
Hình 3.5 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu chƣa ủ................ 33
Hình 3.6 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu chƣa ủ ............. 33
Hình 3.7 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu đã ủ nhiệt ở
580oC trong 1 giờ ..................................................................................... 33
Hình 3.8 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu đã ủ nhiệt ở
580oC trong 1 giờ ..................................................................................... 33
Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 chƣa ủ nhiệt........................................... 35
Hình 3.10 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ............ 35
Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 chƣa ủ nhiệt ........................................ 35
Hình 3.12 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ............ 35
Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 chƣa ủ nhiệt ........................................ 36
Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ............ 36
Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn các cực đại tỉ số GMI các mẫu chƣa ủ nhiệt theo
hàm lƣợng Cu. ......................................................................................... 36

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn các cực đại tỉ số GMI các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC
trong 1 giờ theo hàm lƣợng Cu. ............................................................... 36
Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số các mẫu chƣa ủ nhiệt................ 37
Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC
trong 1 giờ ................................................................................................ 37


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. Vận tốc nguội tới hạn RC trong quá trình vô định hình hợp kim. ................21
Bảng 2. Hệ hợp kim nền sắt. .....................................................................................25
Bảng 3. Kết quả khảo sát từ với các mẫu theo sự thay đổi của hàm lƣợng Cu ........34


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Vật liệu từ mềm, hay vật liệu sắt từ mềm là vật liệu sắt từ, “mềm” về phƣơng
diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ. Vật liệu sắt từ mềm
thƣờng đƣợc dùng làm vật liệu hoạt động trong trƣờng ngoài, ví dụ nhƣ lõi biến thế,
lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ...
Vật liệu từ mềm nano tinh thể (hay còn gọi là vật liệu từ tổ hợp nano nanocomposite magnetic materials) có tính từ mềm tuyệt vời: Có lực kháng từ cực
nhỏ, độ từ thẩm cao, cảm ứng từ lớn, có khả năng dùng ở tần số cao... Một số vật
liệu ở dạng thƣơng phẩm có các tên nhƣ Finemet (FeSiBNbCu), Nanoperm
(FeZrBCu), Hitperm (FeCoZrBCu)... đều là các hợp kim trên nền sắt Fe.
Ngoài vật liệu Finemet điển hình cho từ thẩm cao, thì các công trình công bố
trên thế giới vật liệu Hitperm, Nanoperm cho độ từ thẩm rất cao. Trong đó hợp kim
Nanoperm là loại vật liệu từ mềm rất tốt. Ta cũng biết khi có tác động của từ trƣờng
ngoài H thì  thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt  thay đổi mạnh dẫn đến sự

thay đổi mạnh của tổng trở Z của vật liệu. Trong trƣờng hợp đó ngƣời ta dùng thuật
ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trƣng bởi tỷ số
GMI (hoặc GMIr). Muốn nhận đƣợc tỷ số tổng trở GMIr cao, hợp kim phải có từ
thẩm  cao hay nói cách khác phải là vật liệu có tính từ mềm tốt.
Khi thay đổi hợp phần các nguyên tố trong vật liệu thì cấu trúc, tính chất từ
và dẫn đến hiệu ứng GMI cũng thay đổi. Theo tài liệu tham khảo cho thấy với vật
liệu nanoperm thì Cu đóng vai trò tạo mầm kết tinh của pha α–Fe. Việc thay đổi
hợp phần dẫn đến việc thay đổi tính chất từ và hiệu ứng GMI chính vì thế chúng tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu
Fe87-xZr7B6Cux”.
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm ra thành phần và chế độ xử lý mẫu cho tính chất từ và hiệu ứng GMI tốt
nhất.


2

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo mẫu vật liệu 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 Fe87-xZr7B6Cux trong đó thành phần Cu thay đổi với x = 0,5; 1,0; 1,5.
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, 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 nanoperm, sau đó sử dụng 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
Đề xuất hƣớng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật và đời sống: Khả
năng ứng dụng 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 TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI)
1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI
Nhƣ ch ng ta đều thấy tỉ số U/I có giá trị không thay đổi với một vật dẫn
nhƣng nó lại thay đổi với các dây dẫn khác nhau, tỉ số U/I=R ngƣời ta gọi là điện trở,
đại lƣợng đặc trƣng cho tính cản trở dòng điện vật dẫn. Tƣơng tự tổng trở Z là tác
nhân cản trở dòng điện xoay chiều trong dây dẫn, vì vậy có thể viết I=U/Z (dòng điện
I, điện áp U và tổng trở Z). Nguyên nhân xuất hiện của tổng trở đƣợc giải thích dựa
trên hai hiện tƣợng vật lý cổ điển là: Hiện tƣợng cảm ứng điện từ và hiệu ứng bề mặt.
i’
i =Ioeit

δ
Ht
Hext

Hình 1.1 Từ trường quanh một vật dẫn có dòng xoay
chiều chạy qua [6].
Theo hiện tƣợng cảm ứng điện từ, thì khi có dòng điện xoay chiều i= Ioeit
chạy qua một vật dẫn (hình 1.1). Dòng điện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trƣờng
Ht biến thiên xung quanh dây dẫn. Điều này dẫn đến xuất hiện một suất điện động
cảm ứng biến thiên và tạo ra dòng điện cảm ứng i' có chiều ngƣợc với chiều của

dòng điện chính i. Dòng điện cảm ứng này có tác dụng chống lại dòng điện chính,
đây chính là nguyên nhân gây ra tổng trở của dây dẫn.


4

Theo hiệu ứng bề mặt với dây dẫn thông thƣờng thì điện tích chủ yếu tập
trung bề mặt nên khi có dòng cao tần chạy qua, dòng điện này chỉ xuất hiện ở một
lớp trên bề mặt có độ dày  đƣợc gọi là độ thấm sâu bề mặt (độ thấm dòng điện).
Độ thấm  đƣợc định nghĩa là chiều sâu tính từ bề mặt dây dẫn điện đến vị trí mà ở
đó mật độ dòng điện giảm e lần (J=JS e-d/) ~ 37% so với ở bề mặt theo hƣớng
xuyên tâm [22, 24]. Trong hiệu ứng bề mặt, dòng điện chỉ phân bố trên bề mặt, điều
đó tƣơng tự nhƣ tiết diện dây dẫn bị thu nhỏ lại, do đó nó cản trở dòng điện cao tần.
Trong dây dẫn điện độ thấm từ phụ thuộc vào các yếu tố tần số góc  = 2f,
độ dẫn điện và điện trở suất  = 1/ cũng nhƣ độ từ thẩm tƣơng đối r= /0 (: độ
từ thẩm của vật dẫn, 0: hằng số từ).
~

1

t

1
2

(1.1)

Sự thay đổi mạnh của tổng trở Z của vật dẫn từ tính khi có dòng điện cao tần
đi qua, dƣới tác động của từ trƣờng ngoài Hext (hình 1.1) ngƣời ta gọi đó là: Hiệu
ứng tổng trở khổng lồ (giant magnetoimpedance-GMI). Hiệu ứng này đƣợc quan sát

thấy lần đầu tiên vào năm 1994 [26]. 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.
Z(, H)~  t  , H 

(1.2)

Dòng điện cao tần chạy qua dây dẫn và từ trƣờng ngoài Hext tác động lên dây
dẫn đến độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trƣờng Ht. Nhƣ vậy kết hợp (1.1) và (1.2) có
thể thấy 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:


5

GMIr  %  =100

Z ( H )  Z ( H 0)
Z ( H 0)

(1.3)

- 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 Nanoperm là vật liệu từ mềm có từ thẩm
cao (~ 105), điều này cho phép hy vọng có hiệu ứng GMI tốt.

1.2. Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
1.2.1 Cấu trúc đômen và tính dị hƣớng từ
Cấu tr c đômen và tính dị hƣớng từ đƣợc tìm ra vào năm 1994, với rất nhiều
mô hình lý thuyết đƣợc đƣa ra nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng GMI. Trong đó
mỗi mô hình chỉ phù hợp với mỗi dải tần số nhất định, tùy thuộc vào mối quan hệ
giữa cấu tr c đômen và quá trình từ hóa của chất sắt từ. Với rất nhiều mô hình đƣợc
giải thích thì ngƣời ta chú ý nhất là mô hình của Squire [6] dành cho quá trình từ
hóa và hiệu ứng GMI trong vật liệu từ mềm. Với mô hình đó 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 véctơ từ
độ dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài cũng nhƣ từ trƣờng do dòng cao tần gây ra.
Hình 1.2 chỉ ra cấu
tr c đômen đƣợc sử dụng là
các đômen phản song song
định hƣớng theo trục từ dễ. Ở
đây,  là góc tạo bởi phƣơng
dễ từ hóa và trƣờng ngoài, 1

Hình 1.2 Mô hình đômen của Squire [6].

và 2 là góc giữa mô men từ
của hai đômen với phƣơng dễ từ hóa dƣới tác dụng tổng hợp của từ trƣờng ngoài
Hext và từ trƣờng vuông góc Ht, d là bề rộng vách đômen khi không có từ trƣờng
ngoài và x là độ dịch chuyển của vách đômen dƣới tác dụng của trƣờng cảm ứng từ.


6

Thông qua mô hình này có thể tính đƣợc độ tự cảm ngang t. Mặt khác độ tự cảm
ngang t liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:

 t = t +1

(1.4)

Muốn biết cấu tr c đômen (bao gồm vị trí của vách đômen và góc quay từ
hóa) thì trong mô hình này mật độ năng lƣợng tự do đƣợc cực tiểu hóa. Mật độ năng
lƣợng tự do do đó đƣợc xác định theo công thức sau:
U tot  U k  U Hext  U Ht  UW

(1.5)

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 ]

(1.6)

Với K là hằng số dị hƣớng từ tinh thể, hệ số 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 )]

(1.7)
t

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

(1. 8)

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:
UW =  u2

(1.9)

Với 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 biệt 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. Mô hình này đƣợc sử dụng để tính toán độ
Ht

từ thẩm ngang của các vật liệu.


7

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

Đó chính là hiện tƣợng, trên đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ số
GMIr vào từ trƣờng ngoài H xuất hiện hai cực đại, ứng với hai đỉnh. Từ kết quả
nghiên cứu và kết quả thực nghiệm của chúng tôi thì thấy có hiện tƣợng tách đỉnh
trên đƣờng cong GMI ở một số mẫu. Cơ chế của hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong
GMI liên quan đến tính dị hƣớng của mẫu nghiên cứu và đƣợc X. P. Li và các cộng
sự [6] giải thích theo mô hình sau: xét một trục chuẩn có một đơn đômen quay
quanh. 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 + )

(1.10)

Trong đó 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 và  là góc giữa phƣơng dễ từ hoá và phƣơng từ độ MS của vật
liệu. Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là:
E
=0

Ht
Hext

K

(1.11)



Ms

I

Hình 1.3 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng
tách đỉnh của đường cong tỷ số GMI [6].


8

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

M t
2 E

H t
H 2

(1.12)

Từ các biểu thức (1.10), (1.11) và (1.12) ta xác định đƣợc:

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





(1.13)

trong đó trƣờng dị hƣớng HK=2K/MS; h =Hext/HK

Hình 1.4 Hình dạng đường cong tỷ số GMIr (có hiện tượng tách đỉnh)[6].
Và do t = t + 1 nên t và t có cùng dạng đồ thị. Dẫn đến, theo phƣơng
trình (1.13) khi  và K nhỏ khoảng 5o thì đƣờng cong đƣợc vẽ bởi phƣơng trình
(1.13) sẽ xuất hiện hai đỉnh tại h = 1 hay Hext =  HK, nhƣ đƣợc mô tả ở (hình 1.4).
Dạng đồ thị của t đƣợc mô tả nhƣ (hình 1.5), 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 trên đƣờng cong
GMI không còn nữa.


9

Hình 1.5 Đồ thị t ứng với các giá trị K khác nhau [6].
1.2.3.Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong các dạng vật liệu khác nhau
* Vật liệu dạng dây
Độ từ thẩm hiệu dụng dùng
điều khiển hiệu ứng từ tổng trở.
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

Hình 1.6 Cấu trúc đômen của dây vô định

hình [6].

mẫu. Với 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 tr c đômen của hai vùng
khác nhau, điều này đƣợc biểu diễn trên hình 1.6. 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 dài
của dây dẫn. Phần vỏ ngoài có cấu tr c đa đômen với các véctơ từ độ có dạng vòng


10

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].
Để khử các ứng suất ta phải chọn việc ủ mẫu ở nhiệt độ thích hợp, việc ủ
mẫu đó 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 

(1.14)

J0 và J1 là các hàm Bessel, và k= (1+j)/ 

Tại tần số cao, ( ka >>1), ta có biểu thức gần đ ng sau:
 a 
X  R

 2 

 là độ thấm sâu:



(1.15)

2

(1.16)



Từ (1.14), (1.15) và (1.16) ta có:
Z = (1+J)R(

a
) 
2 2

(1.17)

Trong biểu thức ta thấy tổng trở Z phụ thuộc vào 2 thành phần µ, ω.
* Vật liệu dạng băng hoặc màng mỏng
Các mẫu màng mỏng tuy

có độ dày nhỏ nhƣng tỷ số GMIr
trong các công bố cho thấy chƣa
cao, nên các nghiên cứu gần đây
đều tập trung tìm cách tăng tỷ số
GMIr trong các màng mỏng. Bên
cạnh đó thì tỷ số GMIr lớn nhất
trong các công bố là ở các mẫu

Hình 1.7 Cấu

trúc đômen của màng, băng [6].

dây. Trong mẫu cấu trúc dạng đơn lớp, cấu tr c đômen đƣợc mô phỏng nhƣ hình
1.7. 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


11

chiều này trùng với chiều dễ từ hóa, thì từ trƣờng này chủ yếu làm các vách đômen
dịch chuyển. Khi có từ trƣờng 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 I e
0

jωt

chạy qua màng có bề dày t thì tổng trở của mẫu là:

Z
kt
 jkt 
 coth 

RDC 2
 2 

(1.18)

Ở đây, 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

(1.19)

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

RDC
2

(1.20)

* Vật liệu dạng màng đa lớp

Hình 1.8. Cấu trúc đômen của màng mỏng đa lớp [6].
Màng đơn lớp tỷ số GMIr thƣờng có giá trị tƣơng đối nhỏ, nên để tăng hiệu
ứng ngƣời ta dùng màng có cấu tr c đa lớp để giải quyết vấn đề này. Màng đa lớp
có cấu trúc dạng sandwich của hai lớp sắt từ (hình 1.8). F (sắt từ)/M (kim loại dẫn
điện)/F (sắt từ). Trong cấu trúc này, do sự khác biệt lớn về điện trở suất giữa lớp sắt


12

từ và lớp kim loại dẫn tạo nên sự thay đổi lớn về tổng trở. Ở cấu tr c 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) [6]. Ở đây,
thông lƣợng từ khép kín cũng là một yếu tố làm tăng µ, dẫn đến làm tăng GMIr.
1.3. Vật liệu từ mềm nano tinh thể
1.3.1 Cấu trúc nano tinh thể
Để chế tạo vật liệu từ có cấu tr c nano, đơn pha hoặc đa pha có nhiều biện
pháp nhƣ: Nghiền cơ, lắng đọng hóa học hay tái kết tinh từ trạng thái vô định hình
...
Để có thể nhận đƣợc các pha và kích thƣớc hạt mong muốn thì phải điều
khiển đƣợc quá trình tái kết tinh, bằng cách đó chúng ta có thể tạo đƣợc các hợp
kim có cấu trúc nano tinh thể [2, 3, 4, 6].
Finemet đã đƣợc tìm ra năm 1988 bởi Yoshizawa, Ogunma và Yamauchi,
vật liệu mới này đã đánh dấu một bƣớc ngoặt lớn với sự ra đời của một loại vật liệu

đó là các băng đƣợc chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh sau đó đƣợc xử lý nhiệt để
tạo cấu trúc nano, là hợp kim của: Fe, Cu, Si, Bo, M, trong đó M là: Nb, Mo, W, …
Nó đƣợc cho là gồm các hạt tinh thể α – Fe(Si) siêu mịn (10 – 15 nm) đƣợc phân bố
trong nền vô định hình còn dƣ [6].
Nanoperm FeZrBCu là 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 tr c 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 tr c nano gồm các hạt tinh thể (pha từ giàu
sắt) đƣợc nh ng trong ma trận vô định hình dƣ.
Tính chất từ mềm đạt được là do 2 yếu tố: Cấu trúc hạt nano tinh thể siêu
mịn (hạt chỉ có kích thƣớc 10 nm) và sự tổ hợp tính chất của 2 pha: hạt tinh thể
nano và các ma trận vô định hình còn dƣ. Hợp kim trên nền sắt (Fe), khi ở trạng thái
các băng từ vô định hình thì ch ng có đặc tính dẻo dai rất tốt là loại vật liệu có tính
từ mềm rất tốt, từ đó quyết định các tính chất vật lý, các hiệu ứng khác của hệ vật


13

liệu này. Xét với hệ vật liệu Fe – Cu – Zr – B, có các đặc trƣng về cấu tr c đƣợc mô
tả nhƣ trên hình 1.9.
Hệ vật liệu này theo [5, 6] chủ yếu đƣợc cấu tạo bởi hai pha: “hạt” tinh thể α
– Fe và nền vô định hình dƣ với công thức hỗn hợp có dạng (Fe1-yZry)2B (hình 1.9).
TC1

TC2

α–

Fe, Cu

Fe

Zr, B

Cu
Zr

a)

b)

B

α – Fe

1nm

30nm
Nền VĐH dƣ
Vùng giàuZr, B,Cu

c)
Hình 1.9 (a) Hợp kim đa nguyên tố và siêu quá bão hòa được đông cứng nhanh từ thể lỏng tạo trạng thái
VĐH. (b) Khi ủ, trạng thái siêu quá bão hòa bị phá vỡ: Cu, Zr và B với nồng độ quá bão hòa tách ra khỏi
Fe. Thành phần hợp kim bị phân ly thành vùng giàu Fe và vùng giàu Cu, Zr, B, các vùng này có nhiệt độ kết
tinh khác nhau Tc1 < Tc2. Nếu mẫu được ủ tại nhiệt độ: Tc1 < T < Tc2, pha α – Fe kết tinh, pha VĐH giàu Cu,
Zr, B không kết tinh và bao lấy hạt tinh thể α – Fe, hạn chế hạt này trong phạm vi vài chục nano mét. (c) Cấu
trúc vật liệu từ mềm nano tinh thể FeZrBCu sau khi ủ nhiệt tại Tc1 < T < Tc2. [6]

1.3.2. Các tính chất từ của vật liệu từ nano

Ta đã biết trạng thái từ hoá luôn bị đổi chiều khi ta đặt một vật liệu từ trong
trƣờng điện từ xoay 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


14

lượng do hiện tượng từ trễ phụ thuộc vào lực kháng từ HC: Khi lực kháng từ HC
càng nhỏ, đƣờng từ trễ càng hẹp, tổn hao năng lƣợng càng nhỏ. Do đó, đối với vật
liệu từ mềm, đòi hỏi đầu tiên là vật liệu phải có lực kháng từ Hc nhỏ [4, 6].
Dựa trên lý thuyết dịch vách đômen và xoay véctơ từ độ lực kháng từ Hc
đƣợc viết dƣới dạng:
H

C

 a.

 .
K
1  b S  c N  N .I
1
2 S
 I
 .I
0 S
0 S

(1.21)

K1: dị hƣớng từ tinh thể; S: hằng số từ giảo; N1, N2 hệ số khử từ; IS:Từ độ
Nhƣ vậy, để Hc nhỏ, dị hƣớng từ K1, từ giảo S phải nhỏ và các hạt sắt từ có
dạng đều.
Dung dịch rắn đa nguyên tố Fe (86 % nguyên tử), Cu (1 % nguyên tử), Zr
(7 % nguyên tử), B (6 % nguyên tử), đƣợc tạo ra nhờ kỹ thuật nguội nhanh. Trong
hợp kim với Fe, 0,5%, 1% và 1,5 % Cu và Zr vƣợt quá xa giới hạn hoà tan cân bằng,
vì vậy ch ng có xu hƣớng tách ra khỏi Fe khi đƣợc nung nóng để tạo ra vùng giàu Fe
và bao quanh là vùng giàu Cu, Zr, B. Nhiệt độ kết tinh phụ thuộc mạnh vào thành
phần, vì vậy vùng giàu Fe có nhiệt độ kết tinh T1 nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh T2 của
vùng giàu Cu, Zr và B. Vì vậy nếu chọn nhiệt độ nung là Ta sao cho T1 < Ta < T2, thì
quá trình kết tinh chỉ có thể xảy ra tại vùng giàu Fe, kết quả là tại đó xuất hiện tinh
thể lập phƣơng tâm khối -Fe, trong đó Fe tạo thành siêu cấu trúc (gần pha trật tự).
Bao quanh hạt tinh thể -Fe này là vùng giàu Cu, Zr, B gần với công thức hợp phức
(Fe-Zr-Cu)2B (hình 1.9) với nhiệt độ kết tinh cao và vì vậy không kết tinh, trạng
thái vô định hình đƣợc giữ nguyên. Vì vậy tinh thể -Fe bị bao bởi một lớp vô định
hình, không thể phát triển đƣợc, kích thƣớc của chúng bị giới hạn trong vòng vài
chục nano mét (hình 1.9).
Biện pháp kết tinh chọn lọc hợp kim vô định hình bị phân huỷ tạo ra các hạt
tinh thể -Fe kích thƣớc nano mét và pha vô định hình còn dƣ, tức là tạo ra đƣợc
cấu trúc nano-đa pha [4, 6].
vô định hình  vô định hình (dƣ) + -Fe


15

Để biên giới giữa chúng tăng thì kích thƣớc D của các hạt tinh thể giảm, lớp
biên giới đó cũng đƣợc coi nhƣ pha vô định hình dƣ. Nhƣ vậy, hạt tinh thể càng nhỏ
bao nhiêu thì pha tinh thể càng ít bấy nhiêu. Từ mô hình hình học có thể xác định
quan hệ giữa thể tích pha tinh thể VFe, kích thƣớc hạt tinh thể D và bề rộng lớp biên
giới hạt  nhƣ sau: VFe1-3. /D ( coi bằng 1 nm, vài lớp nguyên tử).

Với kích thƣớc D các hạt tinh thể sắt từ (-Fe) 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
pha -Fe ), 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:
 K 

K14 6
K14 6
K
D
;
H


D . Nếu D 10 nm, <K> giảm từ 8000 J/m3 xuống
C
3
3
A
JS
JS A

còn 4 J/m3. Khi đó lực kháng từ Hc và độ từ thẩm ban đầu µi bằng:
i 

jS2

J 2 A3 1
 S 4 6 . Nhƣ vậy, đối với cấu trúc nano, khi D < L0, lực kháng từ
0  K  0 K1 D

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.
Dị hướng đàn hồi: Đƣợc tạo nên do ứng suất cơ học  và hiện tƣợng từ giảo
(đặc trƣng bởi hằng số từ giảo bão hoà λS). Dị hƣớng từ đàn hồi Ka, và giá trị
Ka= 3/2. λS. . Cũng nhƣ dị hƣớng từ tinh thể K1, dị hƣớng đàn hồi Ka làm tăng lực
kháng từ H C, vì vậy cần giảm chúng.
Vật liệu nano, đa pha bao gồm các hạt -Fe đƣợc bao bọc bởi pha vô định
am
6
hình còn dƣ. Hằng số từ giảo của pha vô định hình dƣ khoảng  S  20.10 và

Fe
6
của pha -Fe khoảng S  5.10 đối với thành phần Fe. Từ giảo tổng cộng của

hỗn hợp hai pha đó với các hằng số từ giảo trái dấu nhau đƣợc biểu diễn nhƣ sau: