Nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ composite có cấu trúc đa lớp trên cơ sở các dây micro từ mềm sử dụng kỹ thuật điện hóa

NGUYỄN ĐỨC LONG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Đức Long

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU TỪ COMPOSITE
CÓ CẤU TRÚC ĐA LỚP TRÊN CƠ SỞ CÁC DÂY MICRO TỪ MỀM
SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

KHOÁ 2009 - 2011

Hà Nội - Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐỨC LONG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU TỪ COMPOSITE CÓ
CẤU TRÚC ĐA LỚP TRÊN CƠ SỞ CÁC DÂY MICRO TỪ MỀM
SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ ANH TUẤN

HÀ NỘI - Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và
chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham
khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả

Nguyễn Đức Long

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Lê Anh Tuấn, người đã hướng dẫn và
giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại
học, Viện ITIMS, Viện HAST của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều
kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn Thầy Đặng Việt Anh Dũng cùng các Thầy
Cô đã giúp đỡ tác giả thực hiện thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của Bộ môn
Công nghệ Điện hóa – Bảo vệ kim loại.

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà
khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Nguyễn Đức Long

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GMI (Giant Magnetoimpedence) - Từ tổng trở khổng lồ
MI (Magnetoimpedence) - Từ tổng trở
MR (Magnetoresistive) - Từ điện trở
GMR (Giant Magnetoresistive) - Từ điện trở khổng lồ
MF (Inner core - Shell region) - Lõi – vỏ
FE-SEM (Field Emission - Scanning Electron Microscope) – Kính hiển vi điện tử
quét phát xạ trường
EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) - Phổ tán sắc năng lượng hay phổ tán sắc
năng lượng tia X (EDX)
XRD (X -Ray Diffraction Spetrum) - Phổ nhiễu xạ tia Rơnghen (tia X)
VSM (Vibrating Sample Magnetometer) - Từ kế mẫu rung

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TT Bảng số

Nội dung

Trang

1

4.1

Thông số mạ lớp FeNi lên các dây Au, Pt, Cu.

56

2

4.2

61

3

4.3

4

4.4

5

4.5

Bảng tổng hợp thành phần phần trăm FeNi mạ lên dây
Au, Pt, Cu.

Bảng tổng hợp các thông số từ phân tích phổ XRD.
Bảng tổng hợp kết quả đặc trưng từ bằng phép đo
VSM.
Bảng tổng hợp các kết quả về tính chất từ và đặc trưng
GMI của hệ vật liệu dây micro từ cấu trúc hai lớp
FeNi/Au, FeNi/Pt, FeNi/Cu.

3

64
66
71


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

1

Lời cảm ơn

2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

3

Danh mục các bảng biểu

3

Mục lục

4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

7

MỞ ĐẦU

10

1. Lý do chọn đề tài
2. Mục đích nghiên cứu của luận án, đối tượng, phạm vi nghiên
cứu.

10
11

2.1. Mục đích nghiên cứu của luận văn

11

2.2. Đối tượng nghiên cứu của luận văn

11

2.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn

12

3. Phương pháp nghiên cứu

12

4. Cấu trúc luận văn
Chương 1-CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ MI:CƠ SỞ LÝ THUYẾT
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
1.1. Khái niệm về hiệu ứng GMI

13
14
14

1.1.1. Khái niệm

14

1.1.2. Nguyên lý của hiệu ứng

16

1.2. Các thông số đo ảnh hướng đến hiệu ứng GMI

17

1.2.1. Tần số dòng điện xoay chiều

18

1.2.2. Từ trường ngoài một chiều

20

1.2.3. Cường độ dòng điện xoay chiều

22

1.2.4. Nhiệt độ đo

23

1.3. Giới thiệu về cảm biến từ MI và một số ứng dụng công nghệ

4

24


1.3.1. Khóa chuyển đổi mạch điện

24

1.3.2. Đo vận tốc góc

25

1.3.3. Sensor đo dòng điện sử dụng cảm biến dạng dây

26

1.3.4. Cảm biến Lực
Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ CÁC VẬT LIỆU
GMI DÂY TỪ ĐƠN LỚP VÀ ĐA LỚP
2.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây từ đơn lớp và đa lớp

27
29
29

2.1.1. Công nghệ nguội nhanh RQ (rapidly quenching)

29

2.1.2. Công nghệ mạ điện hóa ED (electrodeposition):

30

2.2. Vật liệu GMI dây từ đơn lớp và đa lớp

32

2.2.1. Vật liệu GMI dây từ đơn lớp chế tạo bằng công nghệ RQ

32

2.2.2. Vật liệu GMI dây từ đa lớp chế tạo bằng công nghệ ED

35

Chương 3 - CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
3.1. Phương pháp mạ điện hóa

43
43

3.1.1. Mạ hợp kim hai nguyên Ni-Fe

43

3.1.2. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình mạ hợp kim Ni-Fe

44

3.1.2. 1. Ảnh hưởng của mật độ dòng

44

3.1.2. 2. Ảnh hưởng của nồng độ ion Fe2+

44

3.1.2. 3. Ảnh hưởng của độ pH trong dung dịch mạ

44

3.1.2. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch mạ

45

3.1.2. 5. Ảnh hưởng của sự khuấy trộn

45

3.1.2. 6. Ảnh hưởng của các chất ổn định và các phụ gia khác

45

3.1.2. 7. Ảnh hưởng của các dạng anot

45

3.1.2. 8. Hiệu suất dòng điện catot

46

3.2. Một số phép đo thực nghiệm

46

3.2.1. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)

46

3.2.2. Phổ nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD)

48

3.2.3. Từ kế mẫu rung (VSM)

50

3.2.4. Hệ đo từ tổng trở khổng lồ

51

5


Chương 4 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Nghiên cứu chế tạo hệ dây từ cấu trúc hai lớp dạng MF trong
đó M= Cu, Au, Pt; và F= FeNi

53
53

4.1.1. Chuẩn bị dụng cụ

53

4.1.2. Chuẩn bị các dung dịch chế tạo mẫu

53

4.1.3. Các bước thực hiện quá trình mạ điện hóa

53

4.1.4. Các thông số chế tạo mẫu dây hệ MF

56

4.2. Nghiên cứu các tính chất đặc trưng của vật liệu dây MF

57

4.2.1. Phân tích hình thái bề mặt mẫu bằng FE-SEM

57

4.2.2. Phân tích thành phần mẫu bằng EDX

59

4.2.3. Phân tích cấu trúc tinh thể mẫu bằng XRD

61

4.2.4. Phân tích đặc trưng từ bằng phép đo từ kế mẫu rungVSM

64

4.2.5. Phân tích các đặc trưng hiệu ứng từ tổng trở MI

68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

75

PHỤ LỤC

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Đồ thị tỷ số ∆ Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài một chiều
Hdc, công thức tính toán giá trị tổng trở Z và tỷ số GMI
[ ∆ Z/Z(%)]……………………………………………………

14

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hiệu ứng GMI trong vật liệu dây từ………...

16

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của tổng trở tương đối(Z/Rdc) vào tần số và từ
trường………………………………………………………...

18

Hình 1.4 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ

trường ngoài………………………………………………….

20

Hình 1.5a Quá trình từ hóa do sự quay các moment từ theo hướng
trục (axial), và đường cong GMI có dạng đặc trưng một peak

21

Hình 1.5b Quá trình từ hóa do sự dịch chuyển vách domain và sự quay
của các moment từ theo hướng vòng quanh trục (circular)
và đường cong GMI có dạng đặc trưng hai peak…………….

22

Hình 1.6 Tỷ số GMI thay đổi theo cường độ dòng điện biến đổi……...

23

Hình 1.7 Sự phụ thuộc nhiệt độ[∆µ/µ]max/∆H và[∆Z/Z]max/∆H ở tần số
1 MHz khi ủ hợp kim vô định hình Co70Fe5Si15Nb2.2Cu0.8B7.

23

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của của sensor chuyển đổi mạch điện…………

25

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo của của sensor đo vận tốc góc…………………

26

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo của của sensor đo dòng điện dùng cảm biến
dạng dây và đồ thị sự phụ thuộc của dòng điện I theo điện
thế V..………………………………………………………...

27

Hình 1.11 Sự giảm điện áp khi tác dụng một lực lên cảm biến GMI…...

28

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị và công nghệ nguội nhanh RQ để chế tạo các
vật liệu dây từ vô định hình đơn lớp…………………………

29

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị mạ điện hóa sử dụng 3 điện cực………………

31

Hình 2.3 Một lớp từ tính CoP được phủ lên trên dây dẫn Cu bằng mạ

7


điện hóa………………………………………………………

31

Hình 2.4 Cấu trúc đômen từ của vật liệu dây từ vô định hình có bọc
thủy tinh, nền sắt Fe (a) và nền coban Co (b)………………..

33

Hình 2.5 Sự thay đổi của tỷ số ∆Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài đo
với các mẫu dây từ có tỷ số hình dạng khác nhau…………...

34

Hình 2.6 Độ thẩm vòng µ φ = µφ /µo ở tần số khoảng 100KHz cho các
dây ủ khác nhau……………………………………………...

35

Hình 2.7 Cấu trúc của vật liệu dây từ 2 lớp dạng MF; với F =FeNi và
M= Cu………………………………………………………..

36

Hình 2.8 Đường cong từ trễ thay đổi khi thay đổi tỉ lệ giữa Ni và Fe,
(b) Sự thay đổi của lực kháng từ HC và kích thước hạt D theo
hàm lượng Fe của hợp kim Fe-Ni……………………………

36

Hình 2.9 Biến đổi tỷ số GMI của dây CoP/Cu phụ thuộc vào thời gian
điện hóa đo tại các tần số là: 4.5, 6.0 và 10.7 MHz………….

38

Hình 2.10 Biến đổi tỷ số GMI của dây CoP/Cu phụ thuộc vào mật độ
dòng đo tại các tần số là: 4.5, 6.0 và 10.7 MHz……………..

38

Hình 2.11 Biến đổi tỷ số GMI đo với các tần số khác nhau trong dây
NiFe/Cu mạ trong thời gian (a)60 phút và (b) 180 phút……..

39

Hình 2.12 Biến đổi tỷ số GMI đo với các tần số khác nhau trong dây
NiFe/Cu khi không ủ (a) và khi có ủ (b). ……………………

40

Hình 2.13 Cấu trúc của dây từ 3 lớp Co/Cu/Co phủ trên lõi Ag………..

41

Hình 2.14 Sự phụ thuộc của ∆Z / Z vào tần số của dây Co/Cu/Co bọc
trên lõi Ag có đường kính 120 µm …………………………...

42

Hình 3.1 Ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM,
Hitachi S-4800……………………………………………….

46

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của phương pháp
phân tích SEM………………………………………………..

47

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy đo phổ nhiễu xạ XRD…….

49

8


Hình 3.4 Sơ đồ khối và ảnh thiết bị từ kế mẫu rung VSM……………..
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ đo GMI……………………………...

50

Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị mạ điện hóa……………………………………

54

Hình 4.2 Sơ đồ quy trình điện hóa chế tạo mẫu dây từ cấu trúc hai lớp.

55

Hình 4.3 Cấu tạo hệ dây từ cấu trúc hai lớp……………………………

56

52

Hình 4.4 Ảnh FESEM lớp mạ FeNi trên các lõi khác nhau của hệ dây
hai lớp a) FeNi/Au, b) FeNi/Pt, c) FeNi/Cu khi mạ ở cùng
mật độ dòng và cùng thời gian……………………………….

58

Hình 4.5 Kết quả chụp thành phần mẫu bằng (EDX) trên lớp mạ
FeNi của các lõi khác nhau a) FeNi/Au, b) FeNi/Pt,
c) FeNi/Cu ở cùng mật độ dòng j = 80mA/cm2, thời gian 18
phút…………………………………………………………..

60

Hình 4.6 Biểu đồ so sánh sự thay đổi thành phần của Ni và Fe mạ ở
các lõi Au, Pt, Cu khác nhau trong cùng mật độ dòng
2

j = 80mA/cm2, thời gian 18 phút……………........................

60

Hình 4.7 Giản đồ XRD của mẫu FeNi/Cu ở các thời gian khác nhau
12 phút, 36 phút và 60 phút khi mật độ dòng mạ cố định
40 mA/cm2..............................................................................

62

Hình 4.8 Đường cong từ hóa của các mẫu FeNi/Au, FeNi/Pt, FeNi/Cu
đo ở cùng mật độ dòng điện j = 40mA/cm2 và ở cùng thời

gian t= 36 phút.........................................................................

65

Hình 4.9 Đường cong từ hóa của các mẫu a)FeNi/Au, b)FeNi/Pt, gian
c)FeNi/Cu đo ở cùng mật độ dòng điện j = 40mA/cm2 và ở
các thời gian mạ khác nhau......................................................

68

Hình 4.10 Đồ thị GMI phụ thuộc vào từ trường ngoài đo ở các tần số
khác nhau ở các hệ dây micro a)FeNi/Au, b)FeNi/Pt,
c)FeNi/Cu khi mạ thời gian 36 phút.......................................

71

Hình 4.11 Đồ thị GMI cực đại của các hệ dây micro FeNi/Au, FeNi/Pt,
FeNi/Cu trong cùng một điều kiện...........................................

9

72


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Cảm biến từ đóng một vai trò thiết yếu trong công nghệ hiện đại. Chúng
được sử dụng rộng rãi trong gần như tất cả các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp,
chẳng hạn trong hàng hải, quân sự và an ninh để phát hiện mục tiêu và theo dõi, hệ
thống chống trộm, phá hoại thử nghiệm, từ đánh dấu và ghi nhãn, đo địa từ, nghiên

cứu không gian, đo lường của các lĩnh vực từ tính trên tàu vũ trụ và đo từ sinh học
trong cơ thể con người [17]. Các cảm biến từ được phân loại theo các hiệu ứng vật
lý sử dụng, một số loại cảm biến đã phát triển hiện nay như cảm biến Hall, cảm biến
quang từ, cảm biến từ điện trở khổng lồ (MR/GMR), cảm biến từ tổng trở khổng lồ
(MI/GMI).
Một cảm biến từ hoạt động dựa trên sự chuyển đổi từ tín hiệu từ thành tín
hiệu điện (điện áp hoặc điện trở), trong đó độ nhạy từ đóng một vai trò quan trọng
trong việc xác định dải làm việc và khả năng ứng dụng của các cảm biến từ. Ngoài
độ nhạy từ của thiết bị cảm biến, một số yếu tố khác ảnh hưởng đến việc sử dụng
thực tế của cảm biến từ bao gồm chi phí sản xuất, kích thước, dải tần số làm việc và
mức công suất tiêu thụ điện năng. Khi so sánh chi phí sản xuất và tiêu thụ điện năng
của các bộ cảm biến từ, dòng cảm biến MR/GMR cho thấy chi phí thấp và điện
năng tiêu thụ thấp. Tuy nhiên, độ nhạy từ của bộ cảm biến MR/GMR là khá thấp (~
1%/Oe). Để nâng cao độ nhạy từ của thiết bị cảm biến, gần đây các nhà khoa học
quan tâm đến nghiên cứu dòng cảm biến dựa trên hiệu ứng MI/GMI, ở đó tổng trở
của vật liệu nhạy từ thay đổi mạnh dưới tác dụng của từ trường, Các nhà nghiên
cứu đã chứng minh rằng từ bộ cảm biến MI/GMI có ưu điểm hơn nhiều so với các
bộ cảm biến từ thông thường. Yếu tố chính quyết định của cảm biến GMI là độ
nhạy từ cao. Khi so sánh với cảm biến GMR có độ nhạy 1%/Oe, độ nhạy từ của
cảm biến GMI điển hình có thể đạt đến giá trị là 10 - 100% / Oe [17].
Tuy nhiên ngoài các ưu điểm là độ nhạy cao, giá thành thấp, ứng dụng rộng
thì các vật liệu GMI cũng xuất hiện một nhược điểm là tính lặp lại hay độ ổn định
còn thấp, điều này đã ảnh hưởng lớn đến chất lượng của thiết bị. Ngoài ra, công

10


nghệ chế tạo các vật liệu GMI trên đều yêu cầu các kỹ thuật xử lý tương đối đặc biệt
và phức tạp nên chỉ có thể áp dụng cho một số đối tượng vật liệu cụ thể trong những
điều kiện nhất định, chưa thể áp dụng cho phạm vi rộng. Để khắc phục điều này,

gần đây các nhà nghiên cứu đã đề xuất ra một công nghệ chế tạo mới đó là sử dụng
công nghệ mạ điện hóa để tạo ra các vật liệu GMI dạng dây tổ hợp nhiều lớp gồm
lớp vỏ, lớp lõi CoP/Cu; NiFe/Cu; NiFe/Ag; FeCoNi/CuBe...[26]. Nhóm nghiên cứu
Buznikov et al [2,3]. Đã chứng minh hiệu ứng GMI trong các vật liệu đó được nâng
cao khi độ dẫn điện của lớp lõi cao hơn nhiều so với lớp vỏ. Điều này đạt được khi
có thể tạo ra sự khác biệt lớn về điện trở giữa hai lớp, bởi vì khi đó phân bố dòng
điện sẽ được tập trung chủ yếu trên lớp vỏ. Các kết quả này đã mở ra một định
hướng nghiên cứu mới phát triển các cảm biến GMI với độ nhạy và độ ổn định cao
trên cơ sở vật liệu dây cấu trúc đa lớp.
Từ những lý do trên, dựa trên những điều kiện và trang thiết bị hiện có trong
phòng thí nghiệm, tôi chọn đề tài của luận án là: ‘‘Nghiên cứu chế tạo các vật liệu
từ composite có cấu trúc đa lớp trên cơ sở các dây micro từ mềm sử dụng kỹ
thuật điện hóa’’ làm luận văn tốt nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
2.1. Mục đích nghiên cứu của luận văn
- Chế tạo thành công các vật liệu dây micro từ có cấu trúc đa lớp dạng MF
(M: là lớp dẫn điện, F: là lớp từ tính) bằng phương pháp mạ điện hóa.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mạ đến các tính chất của lớp mạ từ
tính FeNi chế tạo trên các vật liệu lõi dẫn điện khác nhau Cu, Pt, Au.
- Đánh giá được mối tương quan giữa cấu trúc bề mặt, tính chất từ mềm và
hiệu ứng GMI trong các vật liệu dây từ cấu trúc đa lớp đã chế tạo.
2.2. Đối tượng nghiên cứu của luận văn
- Vật liệu: dây micro từ cấu trúc hai lớp gồm 3 cấu trúc sau: FeNi/Cu,
FeNi/Pt và FeNi/Au; trong đó FeNi là lớp vỏ có từ tính và Cu, Au, Pt là lớp lõi dẫn
điện không có từ tính.

11


- Công nghệ chế tạo: Kĩ thuật mạ điện hóa.

2.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
- Nghiên cứu các đặc trưng hình thái bề mặt của mẫu dây
- Nghiên cứu thành phần lớp từ tính FeNi
- Nghiên cứu cấu trúc và kích thước hạt lớp từ tính FeNi
- Nghiên cứu tính chất từ của mẫu dây
- Nghiên cứu hiệu ứng MI trong mẫu dây
3. Phương pháp nghiên cứu.
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
- Tiến hành thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.
Các phương pháp thực nghiệm sử dụng gồm phương pháp mạ điện hóa, phương
pháp hiển vi điện tử quét (FE-SEM), phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương
pháp từ kế mẫu rung (VSM) và phương pháp từ tổng trở (MI).

12


Cấu trúc của luận văn:
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung của luận văn được
trình bày trong 4 chương.
Chương 1: Cảm biến từ tổng trở MI: cơ sở lý thuyết và một số ứng dụng công
nghệ
Tìm hiểu về hiệu ứng GMI, các thông số đo ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI.
Giới thiệu một số loại cảm biến đã được phát triển trong thực tế sử dụng hiệu ứng
GMI: cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của từng loại.
Chương 2: Phương pháp chế tạo và các vật liệu GMI dây từ đơn lớp và đa lớp
Tìm hiểu về phương pháp chế tạo vật liệu dây từ GMI: công nghệ nguội nhanh
và công nghệ điện hóa. Tìm hiểu về một số các loại vật liệu GMI dây từ đơn lớp và
đa lớp chế tạo bằng hai công nghệ trên.

Chương 3: Phương pháp thực nghiệm
Trình bày phương pháp mạ điện hóa để chế tạo vật liệu dây micro từ cấu trúc đa
lớp dạng MF (M=Cu, Au, Pt; F=FeNi). Các kĩ thuật nghiên cứu về vật liệu dây
micro từ cấu trúc đa lớp (XRD, FE-SEM, EDX, VSM, GMI).
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận về cấu trúc, thành phần, hình
thái bề mặt, tính chất từ và hiệu ứng GMI của các vật liệu dây micro từ FeNi/Cu,
FeNi/Au và FeNi/Pt cấu trúc đa lớp.
Kết luận và Kiến nghị

13


Chương 1
CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ MI: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MỘT SỐ ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ
1.1 . Khái niệm về hiệu ứng GMI
1.1.1. Khái niệm
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant magneto-impedance-GMI) được định
nghĩa là sự thay đổi rất lớn của tổng trở phức (Z) của một vật liệu từ mềm dưới tác
dụng của từ trường ngoài một chiều đặt vào (Hext). Hiệu ứng này phụ thuộc mạnh
vào tần số của dòng điện xoay chiều đặt vào, kích thước, hình dáng, dị hướng từ và
cấu trúc của mẫu.
Để đặc trưng cho hiệu ứng người ta đưa ra một đại lượng đặc trưng đó là tỷ
số tổng trở khổng lồ [GMI (%)] được xác định theo công thức sau:
GMI (%) = ∆ Z/Z (%) =100x

Z ( H ) − Z ( H max)
Z ( H max)

(1.1)

Công thức tính toán phần trăm thay đổi của trở kháng ( ∆ Z/Z), và hình dáng cơ bản
của đồ thị tỷ số ∆ Z/Z phụ thuộc vào từ trường [17,19] được miêu tả ở hình 1.1:

Hình 1.1. Đồ thị tỷ số ∆ Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài một chiều Hdc, công
thức tính toán giá trị tổng trở Z và tỷ số GMI [ ∆ Z/Z(%)][19]
trong đó: - Z(H) là giá trị tổng trở đo được ở từ trường H.
- Z(Hmax) là giá trị tổng trở đo được ở từ trường lớn nhất (của hệ đo)

14


Để đánh giá độ nhạy từ của đường cong GMI người ta sử dụng một đại lượng là độ
nhạy từ trường [ξ(%/Oe)], và ξ được tính theo công thức:
ξ = 2x

(∆Z / Z ) max
∆H

(1.2)

trong đó ∆H là độ bán rộng của đường cong ∆ Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài
một chiều.
Theo lý thuyết, tổng trở Z của một mẫu vật liệu dây dẫn từ tính hình trụ có
dòng điện xoay chiều với tần số là ƒ chạy dọc theo mẫu được xác định theo công
thức sau [18]:
Z=

E Z ,0 l

2πaH ϕ ,0

= (R + iX ) = Rdc

Trong đó: k = (1+i)/ δ ,

ka J 0 (ka )
2 J 1 (ka )

(1.3)

J0 và J1 là các hàm Bessel, a là bán kính

của dây, tại tần số cao ( ka >> 1 ) biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng:
⎛ a ⎞
R ≈ X ≈ Rdc ⎜ ⎟
⎝ 2δ ⎠

(1.4)

δ là độ thấm sâu được tính bằng công thức[1 tập in]:

δ = c(4π 2σµ p f ) −1/2 =

2ρ

µω

(1.5)

Trong đó: σ là độ dẫn điện của dây dẫn, f là tần số của dòng xoay chiều (iac)
chạy dọc theo mẫu, µ p là độ từ thẩm (độ thấm từ vòng).
Từ biểu thức (1.3), (1.4) và (1.5) ta có:
⎛ a ⎞
⎟ µω
Z = (1 + i )Rdc ⎜
⎜ 2 2ρ ⎟
⎝
⎠

(1.6)

Trong công thức (1.5) thì tổng trở được tính là tổng trở phức, nó phụ thuộc vào
cường độ điện trường đặt vào mẫu EZ,0 và từ trường xoay chiều H ϕ,0 . Hay chính là
phụ thuộc vào µ và ω.

15


1.1.2. Nguyên lý của hiệu ứng
Ở trạng thái ban đầu khi chưa có từ trường ngoài Hext tác động (Hext=0), nếu ta
→

cấp cho mẫu một điện áp xoay chiều có điện thế uac = E Z ,0 sin ωt với tần số cao,
trong mẫu sẽ sinh ra một dòng điện xoay chiều iac cao tần chạy trong mẫu thì nó tạo
→

ra một từ trường xoay chiều Hac = H ϕ ,0 sin ωt bao quanh mẫu, từ trường này làm cho
véctơ từ độ của mẫu xoay theo hướng của nó. Khi đặt mẫu dưới tác dụng của từ
trường một chiều bên ngoài (Hext ≠ 0) dọc theo trục của mẫu dây, thì từ trường này

sẽ tác động làm cho véctơ từ độ của mẫu trở về trạng thái ban đầu, trạng thái khi
chưa đặt dòng điện xoay chiều vào mẫu. Khi đó làm cho độ từ thẩm giảm µ =1+ χ =
1+

M
, độ từ thẩm giảm kéo theo trở kháng Z của mẫu giảm.
H

Hiệu ứng từ trổng khổng lồ GMI là sự thay đổi tổng trở cao tần Z của dây
micro từ mềm dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều đặt vào. Bản chất của
hiệu ứng GMI được giải thích theo lý thuyết điện động lực học cổ điển mà nguyên
nhân sâu xa gây ra sự thay đổi tổng trở của vật dẫn là sự thay đổi độ từ thẩm hiệu
dụng của vật liệu từ mềm do quá trình từ hóa vật liệu bởi từ trường ngoài. Bản chất
của hiệu ứng được làm rõ khi ta phân tích các thông số ảnh hưởng đến sự thay đổi
tổng trở của vật liệu [25].

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hiệu ứng GMI trong vật liệu dây từ[35]

16


Mà tổng trở của dây dẫn từ tính phụ thuộc vào từ trường, tần số dòng điện,
tính chất từ của vật liệu còn thay đổi theo kích thước hình học cũng như cấu hình
của phép đo. Đối với dòng điện một chiều thì mật độ dòng điện có giá trị giống
nhau trong mọi điểm thuộc tiết diện của dây dẫn. Nhưng đối với dòng điện xoay
chiều đặc biệt là dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung ở lớp
mỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi của dây
dẫn và người ta gọi hiện tượng này là hiệu ứng bề mặt.
Đặc trưng của hiệu ứng bề mặt người ta đưa ra đại lượng δ độ thấm sâu
được tính theo công thức (1.5) và được định nghĩa là khoảng cách từ bề mặt đến vị

trí mà mật độ dòng điện giảm còn gần 30% so với bề mặt δ =

2ρ

µω

trong đó: δ là độ thấm sâu bề mặt, µ là độ từ thẩm của vật liệu, trong vật liệu độ từ
thẩm phụ thuộc vào tần số và dòng điện xoay chiều, độ lớn của từ trường ngoài. Sự
phụ thuộc mạnh của độ từ thẩm µ vào từ trường ngoài của vật liệu từ mềm thể hiện
hiệu ứng GMI. Khi thấm sâu vào vật liệu một lớp δ thì mật độ dòng điện giảm đi e
lần và có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dầy δ trên bề mặt dây dẫn. Khi
thay đổi thì tổng trở của dây dẫn thay đổi theo và chiều dầy δ càng nhỏ thì dòng
điện chủ yếu tập trung phân bố trên một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn.
1.2. Các thông số đo ảnh hướng đến hiệu ứng GMI
Như đã biết độ từ thẩm hiệu dụng µ là hàm của tần số ω và từ trường ngoài
Hext. Đối với các vật dẫn phi từ µ ∼ 1, khi từ trường tác động độ thấm từ gần như
không đáng kể, có thể bỏ qua. Do đó, tổng trở của chúng chỉ thay đổi theo tần số.
Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ từ thẩm rất lớn (µ ∼ 104), thì độ từ thẩm
thay đổi mạnh theo từ trường và tần số, kéo theo sự thay đổi mạnh tổng trở Z khi từ
trường và tần số thay đổi. Như vậy, hiệu ứng GMI phụ thuộc mạnh vào sự thay đổi
của độ từ thẩm theo tần số của dòng điện chạy qua dây dẫn và từ trường ngoài một
chiều đặt vào xem (hình 1.3).

17


Hình 1.3. Sự phụ thuộc của tổng trở tương đối(Z/Rdc) vào tần số và
từ trường [17]

1.2.1. Tần số dòng điện xoay chiều (f)

Do sự ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến độ từ thẩm µ dẫn đến
hiệu ứng GMI và được lý giải ở 3 vùng tần số khác nhau là:
+ Tần số thấp.
+ Tần số trung bình.
+ Tần số tần số cao.
Ở vùng tần số thấp: Hiệu ứng bề mặt yếu, tổng trở của vật dẫn thay đổi hầu như chỉ
do sự thay đổi của độ từ cảm nội tại của dây dẫn gây nên [17]. Khi cho dòng điện
xoay chiều i= Io.eiωt chạy qua một dây dẫn có từ tính. Dòng điện xoay chiều này sẽ
sinh ra một từ trường vuông góc với dây dẫn. Trong dây dẫn xuất hiện suất điện
động cảm ứng biến thiên theo sự biến thiên của từ trường sinh ra bởi dòng điện
chính i. Sức điện động cảm ứng này sinh ra sức điện động cảm ứng i’ có chiều
ngược với chiều dòng điện chính và có tác dụng chống lại dòng điện chính sinh ra
nó, cũng tương đương như sự cản trở của mạch điện. Với tần số thấp độ thấm sâu bề
mặt lớn so với kích thước của mẫu nên tổng trở của vật dẫn được xác định bằng
công thức (1.3)[17].

18


Z = RDC + i.X
Trong đó: RDC =

(1.3)

ρ .l
S

X = 2πfL
Khi ta đưa từ trường ngoài Hext một chiều vào song song với trục của dây từ, thì từ
trường này sẽ thay đổi quá trình từ hóa theo phương nằm ngang tức là thay đổi độ

từ thẩm µt là nguyên nhân ảnh hưởng đến tổng trở của dây từ làm giảm tổng trở của
dây. Do sự thay đổi này nhỏ dẫn đến hiệu ứng GMI ở vùng tần số này thể hiện
tương đối yếu.
Ở vùng tần số trung bình: Ở tần số vài MHz độ thấm sâu bề mặt bằng cỡ bán kính
của dây. Khi có từ trường ngoài Hext một chiều dẫn đến độ thấm sâu bề mặt thay đổi
làm tổng trở thay đổi. Ở đây độ từ thẩm µ thay đổi do hai quá trình khách nhau là
dịch vách đômen và sự quay của véc tơ từ độ [17] và sự quay của véc tơ từ độ
chiếm ưu thế hơn so với sự dịch vách đômen do ở tần số trung bình nên hiệu ứng bề
mặt mạnh hơn so với ở tần số thấp.
Ở vùng tần số cao: Ở vùng tần số vài chục MHz trở lên ở đây độ thấm sâu bề mặt
nhỏ hơn bán kính của dây. Ở tần số cộng hưởng độ thấm sâu bề mặt thay đổi một
lượng lớn, kéo theo sự thay đổi tổng trở của mẫu. Độ thấm sâu bề mặt phụ thuộc
vào tính chất từ của vật liệu:
+ Đối với vật liệu phi từ tính, độ từ thẩm µ ∼1 do đó độ thấm sâu bề mặt gần
như không phụ thuộc vào vật liệu mà chỉ phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu và
từ trường ngoài ảnh hưởng rất ít đến vật liệu. Như vậy tổng trở luôn tăng khi tăng
tần số dòng điện và ở đây không xuất hiện hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI.
+ Đối với dây dẫn là vật liệu từ mềm tốt [28] độ từ thẩm rất lớn µ∼100000,
lực kháng từ HC ∼ 1-5A/m và thay đổi rất mạnh theo từ trường, tần số (nó sẽ giảm
mạnh khi tăng từ trường và tần số). Như vậy sự có mặt của từ trường ngoài và từ
trường ngang do dòng điện có tần số cao làm từ hoá vật dẫn từ mềm đến gần trạng
thái bão hòa tức là độ từ thẩm µ giảm gần đến 1 và ở một tần số xác định thì sự có

19


mặt của từ trường ngoài làm tăng mạnh độ thấm sâu điều này có nghĩa là tổng trở
của dây dẫn từ mềm giảm mạnh.
1.2.2. Từ trường ngoài một chiều (Hext)
Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng hiệu ứng GMI liên hệ đến hiệu ứng bề

mặt (đại lượng đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt là độ thấm sâu δ). Ở tần số cao, độ
thấm sâu δ nhỏ, dòng điện chỉ phân bố trên một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn có
nghĩa là dòng điện bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) và ngược lại. Lý thuyết và thực
nghiệm cho thấy δ phụ thuộc vào tần số dòng điện chạy qua dây dẫn, tính chất từ
của vật liệu và từ trường ngoài đặt vào vật dẫn theo biểu thức (1.4) (tài liệu)
Mối liên hệ giữa độ thấm sâu bề mặt δ, độ từ thẩm µ và từ trường ngoài Hext
được thể hiện trên hình 1.4. Khi từ trường ngoài Hext tăng thì độ từ thẩm µ giảm dẫn
tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại.

µµrr

δm
(µm)

0

Hext (kOe)

δm

δm

a

Hext>o

Hext = 0

Hình 1.4. Mối liên hệ giữa độ từ thẩm (µ) và độ thấm sâu bề mặt (δ) với từ trường
ngoài Hext [17].

20


Ngoài ra, với sự có mặt đồng thời của từ trường ngoài một chiều Hdc đặt vào và
từ trường xoay chiều Hac do dòng điện cao tần sinh ra, quá trình từ hoá (quá trình
dịch vách đômen và quá trình quay vectơ từ độ) trong vật dẫn từ thay đổi, từ đó dẫn
tới sự thay đổi độ thấm sâu bề mặt δ theo công thức 1.5. Các kết quả nghiên cứu
cho thấy đối với dây dẫn đồng nhất có bán kính a thì hiệu ứng GMI đạt giá trị lớn
nhất khi độ thấm sâu δ <dày ∆r bao xung quanh một lõi phi từ có bán kính r thì hiệu ứng GMI đạt giá trị lớn
nhất khi δ << ∆r [35].
Ban đầu khi Hext tăng theo trục song song, là trục dễ từ hóa, khi đó các vectơ từ
độ trong mỗi đomen sẽ dịch chuyển theo hướng của trục, dẫn đến làm tăng độ từ
thẩm µ và làm tăng Z. Giá trị lớn nhất của µ đạt được khi trường ngoài đạt giá trị
cân bằng với trường dị hướng Hk, tại điểm đó trở kháng Z đạt giá trị cực đại.
Nếu tiếp tục tăng Hext tới điểm mà quá trình quay của vectơ từ hóa chiếm ưu thế
sẽ làm µ giảm tới một hằng số có giá trị rất nhỏ và Z sẽ giảm tương ứng với µ. Vì
thế biểu đồ thay đổi tổng trở theo sự phụ thuộc từ trường ngoài ∆Z/Z (H) sẽ thể hiện
các đặc trưng dạng một peak (single peak) hình 1.5a, hoặc hai peak (double peak)
như trình bày trong hình 1.5b.

Hình 1.5a. Quá trình từ hóa do sự quay các moment từ theo
hướng trục (axial), và đường cong GMI có dạng đặc trưng
một peak [19]

21


Hình 1.5b. Quá trình từ hóa do sự dịch chuyển vách domain và sự quay của các

moment từ theo hướng vòng quanh trục (circular) và đường cong GMI có dạng đặc
trưng hai peak [19]
1.2.3. Cường độ dòng điện xoay chiều
Ta biết quá trình từ hóa mẫu theo phương nằm ngang do từ trường của dòng
xoay chiều chạy qua mẫu. Trong khi đó sự thay đổi của tổng trở ảnh hưởng trực tiếp
bởi các quá trình từ hóa này [17] Các nghiên cứu chỉ ra rằng tỷ số GMI cực đại phụ
thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua mẫu cho thấy sự phụ thuộc này có tính tỉ lệ
nghịch. Đường cong GMI ở giá trị cường độ dòng điện nhỏ cho thấy có sự tách đỉnh
rõ nét, nhưng ở dòng điện có cường độ dòng điện lớn hơn chúng dần mất đi hiện
tượng tách đỉnh mà chỉ còn dạng đơn peak. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sự phụ
thuộc của hiệu ứng GMI vào cường độ dòng điện xoay chiều trong các vật liệu khác
nhau là khác nhau.

22


Hình 1.6. Tỷ số GMI thay đổi theo cường độ dòng điện biến đổi[16]
1.2.4. Nhiệt độ đo
Những hiểu biết về ảnh hưởng của nhiệt độ đo đến hiệu ứng GMI là rất quan
trọng và không thể thiếu cả trong nghiên cứu cơ bản lẫn trong thực nghiệm. Có vài
nghiên cứu trong các hệ vật liệu khác nhau như dây vô định hình, băng vô định hình
trên nền Co [17]. Dây và băng nano tinh thể nền Fe [17]. Nhìn chung, hiệu ứng
GMI lúc đầu tăng với sự tăng của nhiệt độ đo và đạt giá trị cực đại gần nhiệt độ
Curie của vật liệu và cuối cùng giảm dần ở nhiệt độ cao hơn. Với băng vô định hình
nền Co sau khi xử lý nhiệt cũng có ảnh hưởng bởi nhiệt độ đo tuy nhiên độ sai khác
không nhiều.

Hình 1.7 Sự phụ thuộc nhiệt độ[∆µ/µ]max/∆H và[∆Z/Z]max/∆H ở tần số 1
MHz khi ủ hợp kim vô định hình Co70Fe5Si15Nb2.2Cu0.8B7 [17]

23