Chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng tấm có cấu trúc nanô

I H C QU C GIA HÀ N I
TR
NG
I H C CÔNG NGH

Hoàng M nh Hà

CH T O, NGHIÊN C U VÀ NG D NG V T LI U
T H P T GI O - ÁP I N D NG T M
CÓ C U TRÚC NANÔ

LU N V N TH C S

Hà N i - 2007


i

L IC M N

h

L i đ u tiên cho phép tác gi bày t lòng bi t n sâu s c t i cô giáo, ng i
ng d n khoa h c TS.
Th H ng Giang ng i đã t o đi u ki n thu n l i

và đ a ra nh ng ý ki n đóng góp ch đ o quý báu trong su t quá trình th c hi n
và hoàn thành lu n v n t t nghi p.
Xin chân thành c m n t p th các th y cô, cán b trong b môn V t li u
và Linh ki n T tính đã t o đi u ki n giúp đ tác gi trong su t th i gian làm
th c nghi m t i phòng thí nghi m c a B môn.

Xin chân thành c m n t i các th y cô Khoa V t lý K thu t và Công ngh
Nanô, Tr ng
i h c Công ngh ,
i h c Qu c gia Hà n i đã d y d ch b o
tác gi trong su t th i gian h c t p t i Tr ng i h c Công ngh .
Xin chân thành c m n s tài tr c a
410.406 và
tài Mã s QC. 07. 07 c a tr
Qu c gia Hà N i.

tài Nghiên c u C b n Mã s
ng
i h c Công ngh ,
ih c

Cu i cùng tác gi xin g i l i c m n chân thành t i s giúp đ , đ ng viên
và d y d c a b m , ng i thân trong gia đình và các b n cùng l p đ i h c,
l p cao h c K12N.
Hà n i, ngày 15 tháng 12 n m 2007
Tác gi

Hoàng M nh Hà


ii

L I CAM OAN
Tôi xin cam đoan nh ng k t qu nghiên c u khoa h c trong lu n v n là
hoàn toàn trung th c và ch a t ng đ c công b b i b t k n i nào khác.
Hà n i, ngày 15 tháng 12 n m 2007

Tác gi

Hoàng M nh Hà


iii

M CL C

Trang

L ic m n

i

L i cam đoan

ii

M cl c

iii

Danh m c các b ng

v

Danh m c các hình v , đ th

vi

M

1

Ch

U

3

ng 1: T NG QUAN

1.1 Hi n t

ng t gi o và kh n ng ng d ng

1.1.1 Hi n t

ng t gi o

3

1.1.2 V t li u t gi o và kh n ng ng d ng
1.2 Hi n t

ng áp đi n

6
8

1.2.1 Lý thuy t áp đi n

8

1.2.2 V t li u PZT

10

1.2.3 Kh n ng ng d ng c a v t li u PZT

11
11

1.3 Hi u ng t -đi n
Ch

3

ng 2: CÁC PH

NG PHÁP TH C NGHI M

14
14

2.1 Ch t o m u
2.1.1 Ch t o b ng t FeCoBSi b ng ph

ng pháp ngu i nhanh

14

2.1.2 X lý nhi t

15

2.1.3 Ch t o v t li u t h p t -đi n

15

2.2 o t gi o b ng ph

ng pháp quang

16

2.3 H đo hi u ng t -đi n

19

2.4 Các ph

21

Ch

ng pháp th c nghi m khác

ng 3: K T QU VÀ TH O LU N

23


iv
3.1 Phân tích c u trúc c a b ng t (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1

23

3.2 Tính ch t t c a (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1 d ng b ng

25

3.2.1 Tính ch t t c a m u ngay sau khi ch t o

25

3.2.2 Tính ch t t c a m u ngay sau khi nhi t

26

3.3. Tính ch t t gi o c a b ng t (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1

28

3.4. Hi u ng t -đi n c a m u v t li u t h p FeCoBSi/PZT

30

3.4.1 S ph thu c c a h s h s t -đi n αE vào t tr

ng

30

HDC
3.4.2 S ph thu c c a hi u ng t -đi n vào góc đ nh h
gi a véc t phân c c PE v i t tr ng ngoài HDC và hac
3.4.3 Ngo i suy đ

ng cong (H) t đ

ng cong

3.4.4 S ph thu c c a h s t -đi n vào t tr

ng

E(H)

ng hac

3.4.5 S ph thu c c a hi u ng t -đi n vào c u hình v t li u t

33
39
40
43

h p

3.4.6 S ph thu c c a hi u ng t -đi n vào b ng t sau khi
nhi t
3.5.

ng d ng ch t o sens đo t tr

ng

46
48

K T LU N

52

TÀI LI U THAM KH O

53


v

DANH M C CÁC B NG
Trang
ng H* t i đó hi u ng t -đi n

45

B ng 3.2. B ng t ng k t h s E và t tr ng H* t i đó hi u ng t -đi n
đ t c c đ i đo đ c trên c u hình sandwich

46

B ng 3.3. S thay đ i hi u ng ME ph thu c vào quá trình
b ng t FeCoBSi

nhi t c a

47

B ng 3.4. B ng so sánh sens ch t o đ c và các lo i sens đo t tr ng
d a trên các hi u ng khác nhau đang đ c s d ng r ng rãi hi n nay

51

B ng 3.1. B ng t ng k t h s E và t tr
đ t c c đ i đo đ c trên c u hình bilayer


vi

DANH M C CÁC HÌNH V ,

TH

Ch ng 1: T ng quan
Hình 1.1. Hi u ng t gi o c a m u hình c u:(a) t gi o th tích và (b) t
gi o tuy n tính Joule [12]

Trang

3

đám mây đi n t

4

Hình 1.2. Hi n t

ng

t

gi o

ng v i phân b

d ng đ i x ng c u (αJ = 0) [17]
Hình 1.3. Hi n t

ng t

gi o t

ng

ng v i các tr

ng h p:

5

Hình 1.4. Hình minh h a bi n d ng tuy n tính c a v t li u t gi o d ng
kh i ho c d ng b ng m ng.

6

ng cong th c nghi m mô t s thay đ i t đ (M ∼ Bhf

8

αJ >0 (a), αJ <0 (b), liên k t spin – qu đ o y u (c) [17]

Hình 1.5.

(57Fe) (tr ng siêu tinh t ) c a h p kim Fe1-xCox v i s thay đ i c a n ng
đ Co thay th (x) [4, 5, 9].
Hình 1.6. Hi u ng áp đi n x y ra khi m t đ a g m áp đi n (a) ch u tác
d ng c a ng su t nén (b) và giãn c h c (c).
Hình 1.7. Ô đ n v tinh th PZT trong tr ng thái Perovskite b n ph
(trái) và m t thoi (ph i) [22]

ng

9

10

Hình 1.8. C m bi n gia t c áp đi n

11

Hình 1.9. C m bi n siêu âm

11

Hình 1.10. Các v t li u t h p t -đi n: (a) d ng h t, (b) d ng màng đa l p
và (c) d ng t m.

13

Ch

ng 2: Các ph

ng pháp th c nghi m

Hình 2.1. Quy trình ch t o b ng vô đ nh hình b ng ph
nhanh.
Hình 2.2. C u trúc sandwich c a v t li u t
FeCoBSi/PZT/FeCoBS, và nh ch p sau khi ch t o

Trang
ng pháp ngu i

h p

15

t -đi n

16

Hình 2.3. C u trúc m u b ng t dán trên t m Si trong phép đo t gi o
b ng ph ng pháp ph n x quang h c.

17

Hình 2.4. nh ch p (a) và s đ minh h a (b) h đo t gi o b ng ph

18

ng


vii
pháp quang.
Hình 2.5. S đ minh h a h đo hi u ng t -đi n.
Ch

21

ng 3: K t qu và th o lu n

Trang

Hình 3.1. Gi n đ nhi u x tia X c a m u ngay sau khi ch t o và sau khi
v i các nhi t đ Ta = 250 °C, 350 °C và 450 °C

23

Hình 3.2. nh ch p FESEM các m u b ng t tr
Ta = 250 °C (b) và Ta = 450 °C (c)

nhi t

24

ng song song và

26

Hình 3.4.
ng cong t tr t đ i (M/Ms) đo trong m t ph ng, theo hai
ph ng t tr ng song song v i chi u dài và chi u r ng c a b ng ngay
sau khi ch t o.

26

Hình 3.5.
ng cong t tr theo ph ng song song v i m t ph ng b ng
sau khi ch t o và sau khi nhi t v i các nhi t đ Ta = 250 °C và
Ta = 450 °C

27

Hình 3.6.
ng cong t tr t đ i (M/Ms) đo trong m t ph ng, theo hai
ph ng t tr ng song song v i chi u dài và chi u r ng c a b ng sau khi
Ta = 250 °C.

28

Hình 3.3.
ng cong t tr đo theo ph
vuông góc v i m t ph ng b ng

Hình 3.7.

ng cong t gi o đo theo ph

c (a) và sau khi

ng t tr

ng t tr

ng n m trong m t

29

ph ng, d c theo chi u dài ( //) và chi u r ng ( ⊥) c a b ng t
(Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1 ngay sau khi ch t o
Hình 3.8.

ng cong đ c m t gi o theo ph

ng song song (χλ//) v i

29

chi u dài b ng t (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1 ngay sau khi ch t o
Hình 3.9.
ng cong t gi o theo ph ng song song c a b ng t
(Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1 ngay sau khi ch t o và sau khi nhi t t i
Ta = 250 oC
Hình 3.10.

ng cong s ph thu c c a h s t đi n αE vào t tr

ng

m t chi u HDC c a b ng t ngay sau khi ch t o. Phép đo đ c th c hi n
trong t tr ng xoay chi u có c ng đ hac = 1 Oe t i t n s c ng h ng
và n m trong m t ph ng theo hai ph ng song v i chi u dài b ng và
chi u r ng b ng

30

31


viii
Hình 3.11. M i liên h gi a hi u ng t -đi n và tính ch t t gi o c a pha
c a v t li u t h p t gi o/áp đi n khi ch u tác d ng c a t tr ng m t
chi u H và xoay chi u hac trong hai tr ng h p: pha t có đ c m t gi o
(đ d c đ ng cong) l n (1) và nh (2)

33

Hình 3.12.

34

ng cong s ph thu c c a th t -đi n VME vào t tr

HDC đo t i các góc ϕ gi a véc t phân c c đi n và tr

ng

ng ngoài HDC, hac

khác nhau
Hình 3.13.
ng cong s ph thu c c a th áp đi n c c đ i vào góc đ nh
h ng gi a véc t phân c c PE v i t tr ng ngoài HDC và hac

35

Hình 3.14.
ng cong s ph thu c µoH* t i đó th
đ t c c đ i VMEmax vào góc đ nh h ng

t -đi n

37

ng Ho c đ nh

38

Hình 3.16.
th s ph thu c c a t gi o t đ i / s vào t tr ng m t
chi u thu đ c b ng cách ngo i suy t đ ng cong h s t -đi n t th c
nghi m E(H) so sánh v i đ ng cong th c nghi m

40

Hình 3.15. Qui lu t ph thu c c a VME vào

Hình 3.17.

t i m t t tr

ng cong s ph thu c c a h s t -đi n αE vào c

t tr ng xoay chi u hac đo t i t n s c ng h
tr ng tác d ng song song v i chi u dài b ng
Hình 3.18.
tr ng hac

ng cong mô t s ph thu c h s

ng trong tr

E(H)

ng đ

41

ng h p t

và µoH* vào t

41

Hình 3.19.
ng cong s ph thu c VME và h
vào t tr ng hac trong vùng t tr ng th p 0 ≤ hac ≤ 3 Oe

s

E(H)

42

Hình 3.20.
ng cong s ph thu c VME và h
vào t tr ng hac trong vùng t tr ng cao hac > 3 Oe

s

E(H)

43

Hình 3.21. Hình minh h a hai c u hình v t li u t h p nghiên c u:
bilayer (a) và sandwich (b)

44

Hình 3.22. S ph thu c c a hi u ng t -đi n vào t tr ng m t chi u đo
trên các m u bilayer có 1, 2, 3 và 4 t m b ng t t ng ng v i t ph n th
tích gi a hai pha t và đi n n = 0,12; 0,24; 0,36 và 0,48

44

Hình 3.23. S ph thu c c a hi u ng t -đi n vào t tr ng m t chi u đo
trên các m u sandwich có 2, 4 và 6 t m b ng t t ng ng v i t ph n th

45


ix
tích gi a hai pha t và đi n n = 0,24; 0,48 và 0,72
Hình 3.24.
ng cong s ph thu c c a h s E vào t tr ng HDC
trong m t ph ng m u theo ph ng song song v i chi u dài b ng
khi ch a và khi v i các nhi t đ Ta = 350 °C và 450 °C

47

Hình 3.25. nh ch p v t li u multiferroic FeCoBSi/PZT (a) và sens đo
t tr ng (b,c)

48

Hình 3.26. S ph thu c tín hi u đi n th l i ra sens vào t tr

49

ng đo

Hình 3.27.
ng cong s ph thu c tín hi u đi n th Vout c a sens vào
góc đ nh h ng khác nhau gi a t tr ng và pháp tuy n v i m t ph ng
m u đo t i các giá tr t tr ng khác nhau H = 80, 150, 200 và 50 Oe.
ng li n nét là đ ng cong s ph thu c c a Vout vào H khi = 90°

50


52

K T LU N
tài “CH T O, NGHIÊN C U VÀ NG D NG V T LI U T
H P T GI O - ÁP I N D NG T M CÓ C U TRÚC NANÔ” đã đ c
tri n khai nghiên c u và hoàn thành. Các k t qu chính thu đ c g m:
1.

ã ch t o thành công các b ng t m m (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1 b ng ph ng
pháp ngu i nhanh. Các nghiên c u v c u trúc và các tính ch t t , t gi o đã
đ c ti n hành cho th y b ng t ch t o đ c có c u trúc vô đ nh hình v i
tính ch t t và t gi o siêu m m.

2.

ã ch t o thành công v t li u t h p ME d ng t m b ng ph ng pháp k t
dính t m áp đi n PZT gi a hai l p b ng t FeCoBSi. S ph thu c c a hi u
ng t -đi n đã đ c kh o sát m t cách đ y đ ph thu c vào đ l n và đ nh

h ng c a t tr ng so v i véc t phân c c đi n.

3. V i công ngh ch t o đ n gi n, giá thành th p, chúng tôi đã ch t o thành
công v t li u multiferroic d ng t m s d ng b ng t m m nanô tinh th
(Fe80Co20)78Si12B10 có hi u ng t -đi n kh ng l v i h s t -đi n cao trong
t tr ng r t th p. Tính ch t tuy t v i này có đ c là nh tính ch t t và t
gi o siêu m m c a các b ng t nanô tinh th d a trên h p kim FeCo. S
d ng v t li u nghiên c u v i c u hình t i u đ c l a ch n, chúng tôi đã ch
t o th nghi m thành công sens đo t tr ng đ nh y cao cho phép sens
có kh n ng phát hi n đ c t tr ng v i đ phân gi i micrô tesla. c bi t
là sens ch t o đ c không ch phát hi n đ c đ l n c a c t tr ng m t
chi u và xoay chi u mà còn c đ nh h ng c a chúng. V i các u th này,
sens d a trên hi u ng t -đi n h a h n kh n ng ng d ng r t m nh m
trong nhi u l nh v c nh các đ u đ c thông tin trong ghi t m t đ cao, đ u
đo t tr ng dùng trong quân s , y-sinh h c, …


53

TÀI LI U THAM KH O

1.

A.E. Clark and H.S. Belson., (1972), Phys. Rev. B5 3642

2.

A.E. Clark, in: Handbook of Ferromagnetic Materials, ed. E.P. Wohlfarth,
Elsevier Science, North-Holland, Amsterdam, 1980, Vol. 1, p. 513.

3.

APC International Ltd datasheet: />
4.

B. de Mayo, D.W. Forester, S. Spooner., (1970), J. Appl. Phys. 41, 1319.

5.

C.E. Johnson, M.S. Ridout, T.E. Cranshaw., (1963), Proc. Phys. Soc. (London)
81, 1079.

6.

D. Landau and E. Lifshitz., (1960), Electrodynamics of Continuous Media,
Perganon Press, Oxford, p. 119.

7.

G. Song, P. Z. Qiao, W. K. Binienda, and G. P. Zou., (2002), “Active
vibration damping of composite beam using smart sensors and actuators”.
JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING, 15(3):97–103, July.

8.

G. Srinivasan et al., (2001), Phys. Rev B 64, 21440

9.

H.P.J. Wijn., (1991), Magnetic Properties of Metals: d-element, alloys and

compounds, Berlinm, Heidelberg, New York: Springer, p. 26

10.

J. Ryu, S. Priya, K. Uchino, H. Kim and D. Viehland., (2002), J. Korean
Ceramic Society 9, 813.

11.

J. Ryu, S. Priya, K. Uchino, H.-E. Kim., (2002), J. Electroceramics 8, 107.

12.

J.P. Joule., (1847), Philosophical Magazine, 30, 76

13.

K. Uchino., (2000), Comprehensive Composite Materials Elsevier,
Amsterdam, Vol. 5, Chap. 5.24, p. 523.

14.

M.I. Bichurin, V.M. Petrov, R.V. Petrov, YU.V. Kiliba, F.I. Bukashev,
A.YU. Smirnov, and D.N. Eliseev., (2002) Ferroelectric, 280, 199.

15.

N. Nersessian et al., (2004), IEEE Trans. Magn. 40, 2646

54

16.

N.H. Duc and D.T. Huong Giang., (2007), J. Alloys Comp, inpress.

17.

N.H. Duc, in: K.H.J. Buschow (Ed.)., (2001), Handbook of Physics and
Chemistry of the Rare Earths s,Vol.32, Elsevier Science, North-Holland,
Amsterdam.

18.

N.H. Duc, in: K.H.J. Buschow (Ed.)., (2001), Handbook of Physics and
Chemistry of the Rare Earths s,Vol.32, Elsevier Science, North-Holland,
Amsterdam.

19.

N.H. Duc., (2002), J. Magn. Magn. Mater. 242-245, 1411

20.

Nicola A. Spaldin and Manfred Fiebig., (2005), “MATERIALS SCIENCE:
The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics” Science, 15 July, pp:
391-392

21.

Philips., (1976), “Piezoelectric ceramic/Permanent magnet materials”.
December, Componets and materials, Part 4b

22.

R.G. Ballas., (2007), “Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators”,
Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

23.

T.H. O’Dell., (1965), Electron Power 11, 266.

24.

Y. Fetisov, A. Bush, K. Kamentsev, A. Ostashchenko, G. Srinivasan., (2004),
Sensors, Proceedings of IEEE 3, 1106.