DSpace at VNU: Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu Multiferroics Metglas PZT dạng lớp cấu trúc micrô-nanô

Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ
trường thấp trên các vật liệu Multiferroics
Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc micrô-nanô
Nguyễn Xuân Toàn

Trường Đại học Công nghệ
Luận văn ThS. Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano; Mã số:
Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thị Hương Giang
Năm bảo vệ: 2010
Abstract: Chế tạo được các mẫu vật liệu multiferroics dạng lớp sử dụng băng từ siêu mềm và
các tấm áp điện bằng phương pháp kết dính. Nghiên cứu quá trình từ hóa phụ thuộc vào hình
dạng và kích thước băng từ có kích thước khác nhau, tính toán được hệ số trường khử từ phụ
thuộc vào tỉ số kích thước dài rộng của băng. Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ
trường một chiều và xoay chiều của các băng từ Metglas pha Ni với hình dạng và kích thước
khác nhau. Nghiên cứu hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp trên các cấu hình và kích thước
khác nhau. Tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng của băng từ và từ đó
tối ưu cấu hình cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo
Keywords: Vật liệu Nanô; Hiệu ứng từ điện; Linh kiện Nanô
Content:

MỞ ĐẦU
Khoa học ngày càng phát triển đòi hỏi con người không ngừng khai thác và tìm kiếm ra
những tính chất, hiệu ứng mới, công nghệ và vật liệu mới để thay thế. Gần đây các nghiên cứu đã
công bố một trong những hiệu ứng mới là hiệu ứng từ - điện với sự tổ hợp đồng thời của hai pha
sắt từ và sắt điện trong một vật liệu đang thu hút được nhiều các nhà khoa học trong và ngoài
nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực
điện (PE) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng
của điện trường. Nhờ khả năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng này
có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sensơ, máy phát điện,…. Hiệu ứng này thường
quan sát thấy trên các vật liệu multiferroic có tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Các
nghiên cứu trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng hiệu ứng từ - điện cao đã được tìm ra trên các

vật liệu multiferroics tổ hợp của 2 pha từ giảo và áp điện. Do có sự liên kết chặt giữa hai pha này,
khi chịu tác dụng của từ trường, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cưỡng bức và ứng suất cơ học do pha
từ giảo sinh ra sẽ truyền cho pha áp điện làm xuất hiện phân cực điện cảm ứng trên pha này.
Hệ số từ-điện lớn nhất trên các vật liệu tổ hợp dạng khối với hệ số từ-điện (αE = dE/dH) =
10300 mV/cmOe đã được công bố bởi nhóm nghiên cứu Ryu và các đồng nghiệp trên vật liệu
multiferroics sử dụng vật liệu áp điện (Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) (PZT) và từ giảo Terfenol-D
dạng khối bằng phương pháp kết dính. Tuy nhiên, cho đến nay, khả năng ứng dụng hệ vật liệu này
còn hạn chế do nó đòi hỏi từ trường rất lớn (~ 500 Oe) đặt vào. Các nghiên cứu cho đến nay đặc
biệt trong lĩnh vực ứng dụng cảm biến chủ yếu tập trung vào tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ-điện
rất lớn đồng thời rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài. Có rất nhiều phương pháp khác
nhau để chế tạo vật liệu multiferroics như tape casting, PLD, phún xạ, … nhưng cho đến nay các
kết quả nghiên cứu vẫn chỉ ra rằng phương pháp kết dính vẫn là phương pháp đơn giản và cho
hiệu ứng lớn nhất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của S.X. Dong và các đồng nghiệp đã thành công
hơn nữa trong việc chế tạo ra các vật liệu dạng tấm sử dụng các băng từ Metglas dày 25 µm với
kích thước 0.35×100 mm kết dính trên hai mặt của tấm áp điện. Với cấu hình này, hiệu ứng từđiện đạt kỷ lục lên tới αE  22000 mV/cmOe tại từ trường rất nhỏ H ~ 5 Oe [1]. Tuy nhiên việc
ứng dụng đặc biệt là linh kiện và sensor thì vật liệu này bị giới hạn do kích thước quá dài.
Cũng với phương pháp trên, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghệ cũng đã đạt
được một số kết quả nghiên cứu và triển khai ứng dụng thành công trên vật liệu tổ hợp sử dụng băng
từ siêu mềm (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1/PZT bằng phương pháp kết dính [2]. Tiếp tục hướng nghiên cứu
này của nhóm trong luận văn này, chúng tôi tiếp tục nghiên trên các vật liệu multiferroics dạng tấm
sử dụng tấm áp điện PZT và băng từ mềm do ưu điểm của chúng là dễ chế tạo, giá thành rẻ và đặc
biệt thích hợp với các nghiên cứu hiệu ứng từ-điện do tính chất từ siêu mềm. Trong luận văn này,
chúng tôi sử dụng băng từ Metglas có pha Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Ni-based Metglas).
Chúng tôi trông đợi với sự có mặt của Ni hàm lượng nhỏ 1,2% sẽ không ảnh hưởng đến hệ số từ giảo
nhưng bù lại có thể tăng cường hơn nữa tính chất từ mềm trong vùng từ trường thấp khi so sánh với
các kết quả đã được công bố gần đây trên băng từ Metglas không pha Ni.
Với hướng nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành làm những công việc cụ thể như sau:
- Chế tạo được các mẫu vật liệu multiferroics dạng lớp sử dụng băng từ siêu mềm

Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 và các tấm áp điện bằng phương pháp kết dính
- Nghiên cứu quá trình từ hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích
thước băng từ có
kích thước khác nhau. Tính toán được hệ số trường khử từ phụ thuộc vào tỉ số
kích
thước dài/rộng của băng.


- Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ trường một chiều và xoay
của các băng từ Metglas pha Ni với hình dạng và kích thước khác nhau

chiều

- Nghiên cứu hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8/PZT
trên
các cấu hình và kích thước khác nhau. Tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ
khai thác dị
hướng hình dạng của băng từ và từ đó tối ưu cấu hình cho các nghiên cứu triển khai ứng
dụng tiếp theo.
Tài liệu tham khảo
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 252904

D.T. Huong Giang and N.H. Duc, Sensor and Actuator, A149 (2009) 229.
/>mentationresearch/magnetometers/fluxgatemagnetometers
FCB Fluxgate magnetic sensors, Tyndall National Instute (www.tyndall.ie)
Ripka, Pavel (ed), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London: Artech, 2001.
/>Tamara Bratland, Michael J. Caruso, Carl H. Smith, A New Perspective on Magnetic Field
Sensing, Sensors (1998)
Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, Geomagnetic
sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters (2007)123513

J.P. Joule, Philosophical Magazine, 30 (1847) 76
Hoàng Mạnh Hà. Chế tạo, Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng tấm
có cấu trúc nanô, Luận văn thạc sĩ, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN, 2007.
D. Landau and E. Lifshitz., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press,
Oxford, p.119.
G. Srinivasan et al., Phys. Rev B 64 (2001) 21440
N. Nersessian et al, IEEE Trans. Magn. 40 (2004) 2646
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Viehland, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 252904

APC International Ltd datasheet: />Fred Hochgraf (October 1, 1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol. 10.


Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ tính cấu trúc nanô và điện tử học spin, Nhà xuất bản
Đại học Quốc gia Hà Nội, tr. 20-22.
C.-M. Chang and G. P. Carman, Phys. Rev. B 76,134116 (2007).William C. Elmore and
Mark A. Heald., Physics of Waves. New York: Dover Publications, 1985
William C. Elmore and Mark A. Heald., Physics of Waves. New York: Dover Publications,
1985