BÁO CÁO tốt nghiệp môn vật lý 2016

Trờng đại học s phạm hà nội 2
Khoa vật lý
-----oOo----Nguyễn đức thành

HIệU ứng từ tổng trở khổng lồ-gmi, phơng
pháp chế tạo và ứng dụng
KHOá LUậN TốT NGHIệP ĐạI HọC
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

hớng dẫn khoa học
Th.s Nguyễn Hữu Tình

Ngời

Hà nội 2007


Cấu trúc luận văn





Mở đầu
Nội dung
Kết luận


MỞ ĐẦU
Hiệu ứng từ tổng trở - MI (Magneto-Impedance
effect) là một dạng của hiện tượng cảm ứng điện từ. Bản

chất của hiệu ứng này là sự thay đổi của tổng trở xoay
chiều Z dưới tác dụng của từ trường ngoài. Tuy nhiên,
trong thời kì đầu mới phát hiện, người ta thấy sự thay đổi
của tổng trở Z là không nhiều, nên hiệu ứng này vẫn chưa
thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học. Đến năm
1994 khi L.V. Panina phát hiện ra sự thay đổi rất lớn của
tổng trở duới tác dụng của từ trường trong dây dẫn vô
định hình nền Co, được gọi là hiệu ứng từ tổng trở khổng
lồ (Giant magneto-Impedance effect - GMI).
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI là sự thay đổi
mạnh tổng trở xoay chiều Z của vật liệu từ mềm dưới tác
dụng của từ trường ngoài Hext.




Hiệu ứng GMI mang bản chất điện từ, đó là sự kết
hợp giữa hiệu ứng bề mặt (đặc trưng bởi độ thấm sâu - ) và

sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng (eff) của dây dẫn vào
từ trường. Hiệu ứng này được quan sát rất mạnh trong các
vật liệu từ siêu mềm vô định hình và nano tinh thể ở dạng
dây, băng, màng mỏng, với tỷ số GMIr vượt quá 100% ở
nhiệt độ phòng. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu
đạt được những thành tựu lớn trong việc nâng cao tỷ số GMIr
vượt quá 100% ở nhiệt độ phòng. Trong những năm gần đây,
nhiều nghiên cứu đạt được những thành tựu lớn trong việc
nâng cao tỷ số GMIr cũng như đưa các kết quả này ứng dụng
vào chế tạo cảm biến đo từ trường, đo dòng điện với độ nhạy
cao, ứng dụng trong sinh học và kỹ thuật đo lường điều

khiển.... Tuy nhiên, để tăng hiệu quả sử dụng các vật liệu dựa
trên hiệu ứng GMI cần nghiên cứu bản chất, cơ chế của hiệu
ứng cũng như khả năng ứng dụng.




l



Ở Việt Nam, hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI được bắt đầu
nghiên cứu từ năm 2001 đến nay tại Phòng thí nghiệm Vật liệu
từ vô định hình và Nano tinh thể, Viện Vật lý kỹ thuật - Đại học
Bách khoa Hà Nội. Các kết quả nghiên cứu tập trung trên hệ
vật liệu từ siêu mềm hiện đại: Vô định hình nền Co và nano
tinh thể nền Fe (finemet) được chế tạo bằng công nghệ nguội
nhanh và công nghệ điện kết tủa với tỷ số GMIr trên 200%.
Luận văn này được tiến hành với đề tài: “Hiệu ứng từ tổng

trở khổnglồ -GMI, phương pháp chế tạo và ứng dụng”

dựa trên cơ sở các kết quả đã được nghiên cứu và phát triển.


Mục tiêu của luận văn là:
Nghiên cứu hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ-GMI.
Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm
nền Co có hiệu ứng GMI cao bằng công nghệ nguội nhanh
và điện kết tủa.

Nghiên cứu ứng dụng của vật liệu từ mềm có hiệu
ứng GMI vào đời sống và kỹ thuật.
Luận văn gồm 3 chương chính:
Chương 1: Tổng quan về hiệu ứng từ tổng trở
khổng lồ-GMI
Giới thiệu hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ- GMI
Vật liệu từ mềm cho hiệu ứng GMI cao
Chương 2: Phương pháp chế tạo
Công nghệ chế tạo băng vô định hình và dây
Chương 3: Ứng dụng


Chương 1
Tổng quan về hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
1.1 Hiệu ứng từ tổng trở
khổng lồ (GMI)

1.1.1 Giới thiệu về hiệu
ứng GMI

Ht

i=Ioei
Khi cho dòng điện t
xoay chiều có tần số ω
chạy qua dây dẫn có từ
tính, dòng điện này sẽ
Hình 1.1 Tổng trở
sinh một
ờngtừ

H trường biến
của dây dẫn có từ
thiên Ht vuông góc với
tính
dây dẫn (hình 1.1).

i'


Mặt khác Ht từ hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện độ từ
thẩm theo phương ngang t
. Khi ta đưa từ trường ngoài Hext một chiều song song với trục
của dây dẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hoá
theo phương ngang, tức là thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng theo
phương ngang t nên tổng trở của dây dẫn thay đổi (tổng trở giảm).
Tổng trở Z của dây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tần số  chạy
qua dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều Hext đặt dọc theo trục
của dây dẫn được xác định theo biểu thức sau:

Z (, H ext )

t (, H ext )

Trong đó: t là độ từ thẩm hiệu dụng theo phương ngang
của dây dẫn, là hàm của tần số và từ trường ngoài, ω là tần số
dòng điện đặt vào dây dẫn.


Công thức (1.1) cho thấy hiệu ứng GMI là sự thay đổi
mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của

từ trường ngoài Hext và dòng điện có tần số cao (). Để
đặc trưng cho hiệu ứng GMI, người ta đưa ra tỷ số GMIr
được định nghĩa như sau:

Z ( H )  Z ( H max )
Z
GMIr 
100% 
100%
Z ( H max )
Z ( H max )

Z (H): Tổng trở được đo ở từ trường H
Z (Hmax): Tổng trở đo ở điểm từ trường lớn nhất (của

hệ đo)
Cơ chế của hiệu ứng GMI có bản chất điện - từ và có thể
giải thích bằng lý thuyết điện động lực học cổ điển. Theo
L.V.Panina bản chất điện từ của hiệu ứng GMI là sự kết hợp
giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu
dụng của dây dẫn vào từ trường






Bản chất của hiệu ứng được làm rõ khi phân tích các
thông số ảnh hưởng đến sự thay đổi tổng trở của vật
liệu. Cụ thể: hiệu ứng GMI phụ thuộc vào sự thay đổi

của độ từ thẩm theo tần số của dòng điện chạy qua dây
dẫn và từ trường ngoài, và lien hệ đến hiệu ứng bề mặt.
Mối liên hệ giữa độ thấm sâu bề mặt , độ từ thẩm
 và từ trường ngoài Hext được thể hiện trên hinh ve.
Khi từ trường ngoài Hext tăng thì độ từ thẩm  giảm dẫn
tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại.




m
(m)

0

Hext (kOe)
a
Hext = 0

m

m
Hexto

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


Trong quá trình
nghiên cứu hiệu ứng GMI,

đã thu được một số kết
quả đặc biệt, đó là đường
cong GMI có hiện tượng
tách làm hai đỉnh (có hai
giá trị cực đại) trong
khoảng từ trường nhỏ (-50
đến 50 Oe). Cơ chế của
hiện tượng tách đỉnh ở
đường cong GMI liên
quan đến tính dị hướng
của mẫu nghiên cứu được
X.P.Li và các cộng sự giải
thích theo mô hình cấu
trúc đômen chuẩn

Hình 1.9 Hình dạng đường cong GMI khi có
hiện tượng tách đỉnh


1.2 Vật liệu từ vô định hình


Các hợp kim VÐH thường là TM80M20 (tính theo phần
trăm nguyên tử) với TM là các kim loại sắt từ chuyển tiếp
Fe, Co, Ni và M là các á kim B, Si, P, C. Các vật liệu trên
đều chứa các nguyên tử từ với lớp điện tử 3d chưa được
điền đầy và hằng số trao đổi giữa các spin là dương. Đây
là điều kiện cần và đủ để tạo ra trạng thái sắt từ trong vật
liệu VĐH. Với vật liệu VĐH, có thể quan sát thấy những
hiện tượng sắt từ như trong vật liệu sắt từ có cấu trúc tinh

thể. Hợp kim VĐH có từ tính tốt được đặc trưng bằng từ
độ bão hòa, mômen từ lớn, và nhiệt độ chuyển pha Tc
cao.




1.2.1 Băng vô định hình nền Co

Như trình bày ở trên, hiệu ứng GMI đạt tỷ số cao đối
với những đã họ vật liệu có tính từ mềm tốt. Hợp kim
CoFeBSi được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh là
một trong những họ hợp kim có tính từ mềm cao. Trong
đó các nguyên tử Co, Fe là những nguyên tử từ. Sự có
mặt của Fe với thành phần từ 4% đến 5% nguyên tử của
hợp kim sẽ mang lại tính chất từ mềm tốt nhất cho hợp
kim và từ giảo của hợp kim s 0. B, Si có tác dụng làm
ổn định trạng thái VĐH của hợp kim, làm tăng nhiệt độ
kết tinh, làm cho tính từ mềm của hợp kim tốt hơn đồng
thời làm tăng điện trở suất của hợp kim.


1.2.3 Hợp kim từ photpho chế tạo bằng công
nghệ điện kết tủa

Hợp kim photpho hiện nay được quan tâm đến
khá nhiều do những tính chất thú vị của nó. Đối với
hợp kim phôt pho chế tạo bằng phương pháp điện
kết tủa, bề mặt của lớp kết tủa phụ thuộc vào hàm
lượng của photpho.

Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên họ hợp kim pho
tpho cho thấy hầu hết chúng có cấu trúc vô định hình.
Độ cứng của hợp kim photpho thường cao hơn kim
loại sạch. Trong các vật liệu chế tạo bằng phương pháp
điện kết tủa thì độ bền kéo có vai trò quan trọng. Sự có
mặt của photpho trong thành phần hợp kim chế tạo
bằng phương pháp điện kết tủa là nguyên nhân chính
dẫn đến việc tăng độ bền kéo.


Chương 2
Phương pháp chế tạo






2.1 Công nghệ nguội nhanh

2.1.1 Giới thiệu công nghệ nguội
nhanh
Công nghệ nguội nhanh là phương pháp chế tạo hợp kim
vô định hình quan trọng vì phương pháp này có năng suất
cao (vài chục mét băng trong một giây), sản phẩm tạo ra
có kích thước lớn (cho phép chế tạo băng VĐH rộng tới 150
– 200 mm), có ý nghĩa trong việc ứng dụng vào thực tế.


¸ p suÊt

Vßng c ¶ m øng

VAN

Hî p kim lá ng
Vßi p hun

B¨ ng V§ H



Ar

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị nguội nhanh đơn trục


•

2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu

Băng vô định hình CoFeBSi được chế tạo bằng công
nghệ nguội nhanh theo sơ đồ như sau:



Nguyên liệu ban đầu CoFeBSi được chuẩn bị với thành
phần hợp thức của các nguyên tố tương ứng là 68: 4, 5:
12, 5: 15. Các băng VĐH thu được có độ dày cỡ 20 - 30
μm và chiều rộng cỡ 5 - 7 cm



Để khảo sát ảnh hưởng của
hình dạng mẫu băng lên hiệu
ứng GMI, các mẫu nghiên cứu
được chế tạo với chiều dài từ 2
cm đến 5 cm, chiều rộng từ 0,1
mm đến 5 mm, chiều dày
khoảng 25 μm đến 40 μm. Mẫu
được tạo ra với dạng thẳng
hoặc dạng lò xo. Ngoài ra, các
quá trình xử lý nhiệt cũng được
tiến hành để khảo sát ảnh
hưởng của nhiệt độ ủ lên hiệu
ứng GMI trong băng vô định
hình

Hình 2.3 Băng vô định
hình CoFeBSi chế tạo
bằng công nghệ nguội
nhanh


2.2 Công nghệ điện kết tủa


Quá trình điện kết tủa là quá trình phủ lên vật mẫu một
lớp kim loại thông qua dung dịch điện ly. Mục đích của

quá trình này là để tăng thêm tính chất của bề mặt vật
liệu ban đầu cũng như để bảo vệ chúng khỏi tác động
của môi trường bên ngoài.

2. 2. 2 Quy trình chế tạo mẩu


Quy trình chế tạo dây Cu-CoP
được thể hiện trên hình . Đường
kính dây Cu được sử dụng là 50
μm và 100 μm. Thành phần của
dung dịch và chế độ tạo dây được
thể hiện ở bảng 2.1. Sự phụ
thuộc của hiệu ứng GMI vào mật
độ dòng điện được khảo sát trong
khoảng mật độ dòng từ 450
mA/cm2 đến 800 mA/cm2. Thời
gian thực hiện quá trình điện kết
tủa được thay đổi trong khoảng
từ 2 đến 15 phút.


Bảng 2.1 Thành phần dung dịch và chế độ tạo màng CoP

Dung
dịch

Nồng T (0C)
độ
(g/l)

CoSO4. 212. 5
7H2O
60
H3PO 3 40
H3PO4

50

t (22)

2 -15

Dc
(mA/cm2)

450 –
900


KẾT LUẬN






1. Đã tìm hiểu được bản chất hiệu ứng từ tổng trở
khổng lồ - GMI, giải thích về mặt lý thuyết cơ chế của
hiệu ứng cũng như hoàn việc giải thích hiện tượng
tách đỉnh.

2. Khoá luận đã hoàn thành tìm hiểu công nghệ chế
tạo vật liệu có hiệu ứng GMI: Công nghệ nguội
nhanh và công nghệ điện kết tủa.
3. Nghiên cứu được một số ứng dụng điển hình dựa
trên hiệu ứng GMI