Nghiên cứu và chế tạo dây hai lớp hệ thuỷ tinh cop có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (giant magneto impedance GMI) bằng phương pháp mạ hoá học

Bộ giáo dục và đào
tạo
Trường đại học sư phạm hà nội
2

phạm văn
hào

Nghiên cứu và chế tạo dây
hai lớp hệ Thủy tinh/cop
Có hiệu ứng từ tổng trở khổng
lồ (giant magneto impedance gmi) Bằng phương pháp mạ hóa
học

Luận văn thạc sĩ vật
lý

hà nội, 2009


Bộ giáo dục và đào
tạo
Trường đại học sư phạm hà nội
2
phạm văn
hào

Nghiên cứu và chế tạo dây
hai lớp hệ Thủy tinh/cop
Có hiệu ứng từ tổng trở khổng
lồ (giant magneto impedance gmi) Bằng phương pháp mạ hóa

học
Chuyên ngành Vật lý chất
rắn
Mã số: 60.44.07

Luận văn thạc sĩ vật
lý

Người hướng dẫn khoa học:
TS. Mai Thanh
Tùng
hà nội, 2009


Bộ giáo dục và đào
tạo
Trường đại học sư phạm hà nội
GS.2 TS. Nguyễn Hoàng Nghị

hà nội, 2009


Lời cảm ơn
Luận văn này được hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Vật liệu từ và nanô tinh
thể, Viện Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm của
Bộ môn Ăn mòn và Bảo vệ Kim lọai, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới
sự hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tận tình cả về tinh thần và vật chất của GS.
TS. Nguyễn Hoàng Nghị, của TS. Mai Thanh Tùng. Trước hết tôi xin bày tỏ lòng
kính trọng và biết ơn sâu sắc đến GS. TS. Nguyễn Hoàng Nghị, TS. Mai Thanh
Tùng và tập thể các cán bộ, giáo viên Bộ môn và Phòng thí nghiệm Vật liệu từ và

nanô tinh thể, Phòng thí nghiệm Ăn mòn và Bảo vệ Kim loại đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại các phòng thí
nghiệm.
Tôi xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới các đồng nghiệp trong nhóm nghiên
cứu: ThS. Nguyễn Văn Dũng, NCS. Nguyễn Văn Dũng, KS. Nguyễn Ngọc Phách,
Trịnh Thị Thanh Nga, Lê Cao Cường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi
trong thời gian nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Vật liệu từ và nanô tinh thể, phòng
thí nghiệm Ăn mòn và Bảo vệ Kim loại.
Xin cám ơn Viện Khoa học Vật liệu ITIMS Đại học Bách khoa Hà Nội, tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá nghiên cứu, đo đạc mẫu tại viện và cho tôi
những góp ý và thảo luận quí báu.
Tôi xin chân thành cám ơn các lãnh đạo, các đồng nghiệp nơi công tác
Trường THPT Nam Duyên Hà - Thái Bình, Trung tâm Hỗ trợ NCKH & CGCN,
Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên giúp
đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tới bố, mẹ, và tất cả những người
thân yêu trong gia đình cùng bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi rất nhiều về vật chất và
tinh thần trong thời gian thực hiện luận văn.
Tác giả luận văn


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực.

Tác giả luận văn

Phạm Văn Hào

Mục lục
Mở đầu.......................................................................................................................... 7
Chương I - Tổng quan ...........................................................................................
8

1.1. Vật liệu có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI) ............................... 8
1.1.1. Hiệu ứng từ trổng trở khổng lồ GMI
..........................................................8
1.1.2. Lý thuyết từ học về hiện tượng GMI
..........................................................8
1.1.2.1. Cấu trúc domain của dây vô định hình ...................................... 9
1.1.2.2. Chiều sâu thấm từ  ................................................................ 11
1.1.2.3.Hiện tượng tách đỉnh của đường GMI ...................................... 13
1.1.3 Vật liệu có hiệu ứng
GMI...........................................................................14
1.1.3.1 Băng vô định hình (ribbons) ..................................................... 14
1.1.3.2 Dây (wires)................................................................................ 15
1.2. Mạ hóa học CoP .................................................................................. 17
1.2.1. Mạ hoá học
.................................................................................................17
1.2.1.1. Định nghĩa................................................................................ 17
1.2.1.2 Các đặc điểm mạ hoá học ......................................................... 18
1.2.1.2.1 Cơ chế phản ứng mạ hoá học.............................................. 18
1.2.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng mạ hoá học ............... 20
1.2.2. Mạ hóa học CoP
........................................................................................21
1.2.2.1 Cơ chế mạ.................................................................................. 21
1.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lớp mạ CoP .................................... 23
1.2.2.3 Cấu trúc và tính chất vật lý của lớp mạ CoP ............................. 26

1.2.2.3.1 Cấu trúc của lớp mạ CoP .................................................... 26
1.2.2.3.2 Tính chất vật lý của lớp mạ CoP......................................... 28
1


Chương 2 - Thực nghiệm ....................................................................................
35

2.1 Chuẩn bị mẫu ....................................................................................... 35
2.1.1 Chuẩn bị:
......................................................................................................35
2.1.2. Thành phần dung dịch và chế độ
mạ........................................................36

2


2.2 Các phương pháp phân tích mẫu ....................................................... 36
2.2.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
..................................................36
2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen
(XRD)..............................................36
2.2.3 Thiết bị từ kế mẫu rung
(VSM)..................................................................38
2.2.4. Đo hiệu ứng GMI
.......................................................................................39
Chương 3 - kết qủa và thảo luận ................................................................
41

3.1. ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2..................................................... 42

3.1.1. ảnh SEM
....................................................................................................42
3.1.2. ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2 tới thành phần hợp kim
CoP...........43
3.1.3. ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2 tới cấu trúc hợp kim CoP
................45
3.1.4 ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2 tới tính chất từ của hợp kim CoP
....46
3.1.5 ảnh hưởng của nồng độ NaH2PO2 tới tỷ số GMI của hợp kim CoP
......48
3.2. ảnh hưởng của thời gian mạ tới tính chất từ và tỷ số GMI .................
50
3.3. So sánh các kết quả thu được với hệ dây Cu/FeNi có hiệu ứng GMI
được chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa.......................................... 55
Chương 4 - Kết luận ............................................................................................
57
Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 58

2


Danh mục các chữ viết tắt và ký
hiệu sử dụng trong luận văn

Chữ viết tắt

Chữ tiếng Anh đầy đủ

Nghĩa tiếng Việt

GMI

Giant Magneto Impedance

Từ tổng trở khổng lồ

SEM

Scanning Electron Microscope

Hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron Microscope

Hiển vi điện tử truyền qua

VSM

Vibrating Sample Magnetometer

Từ kế mẫu rung

VĐH

Amorphous

Vô định hình

XRD

X-ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

3


Danh mục các bảng trong luận
văn

Bảng 1.1. Tổng kết một số vật liệu dây và các thông số vật lý của dây vô định hình.
Bảng 1.2. Độ hoà tan của photphit phụ thuộc pH
Bảng 3.1: Nồng độ NaH2PO2 trong dung dịch và tốc độ mạ

4


Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận
văn

Hình 1.1 Cấu trúc domain của dây vô định hình bao gồm lớp vỏ và lõi
Hình 1.2 Hiện tượng tách đỉnh đường MI trong vật liệu finemet Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5
Hình 1.3 Mô tả dị hướng từ giải thích hiện tượng tách đỉnh của đường cong GMI
Hình 1.4: Một số phương pháp chế tạo vật liệu dưới dạng băng mỏng từ thể lỏng
bằng phương pháp nguội nhanh
Hình 1.5: Tỷ số MIr của màng FeNi/Cu được chế tạo bằng phương pháp điên kết tủa
Hình 1.6. Đồ thị điện cực thể tổng hợp (Trong đó i: dòng điện thực; ia: dòng điện
anot; ic: dòng điện catot; ipl: dòng điện mạ hoá học tại thể hỗn hợp Epl)

Hình 1.7. Điện thế phản ứng khử hydro trên các xúc tác kim loại khác nhau trong
trường hợp chất khử là NaH2PO2, HCHO, NaBH4, DMAB, NH2NH2
Hình 1.8. Giản đồ pha của hợp kim CoP
Hình 1.9. ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Hình 1.10. ảnh hưởng của một giờ đốt nóng lên suất điện trở của hợp kim CoP kết
tủa bằng điện chứa 1.3% P
Hình 1.11: Trạng thái ferro từ của các nguyên tử Co
Hình 1.12. Sự xuất hiện và xắp sếp các đômen cơ bản
Hình 1.13. ảnh hưởng của một giờ đốt nóng lên độ cứng của hợp kim photpho kết
tủa điện hóa.
Hình 1.14. Độ cứng của hợp kim và kim loại kết tủa điện hóa
Hình 2.1 Quy trình chế tạo dây
Hình 2.2. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp nhiễu xạ tia X
Hình 3.1. ảnh SEM các dây CoP kết tủa hóa học trong các dung dịch
có nồng độ NaH2PO2 khác nhau.
Hình 3.2 Phổ EDS các màng kết tủa trong dung dịch có nồng độ NaH2PO2 khác
nhau khác nhau.
Hình 3.3. ảnh hưởng nồng độ NaH2PO2 tới hàm lượng P

5


Hình 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X của dây hai lớp hệ thủy tinh CoP từ các dung dịch có
hàm lượng NaH2PO2 khác nhau
Hình 3.5. Đường cong từ trễ VSM của các dây hai lớp CoP hệ thủy tinh có nồng độ
NaH2PO2 khác nhau
Hình 3.6. ảnh hưởng của hàm lượng P tới lực kháng từ H c
Hình 3.7. Tỷ số MIr của hợp kim CoP với các dung dịch có hàm lượng NaH2PO2
khác nhau
Hình 3.8. ảnh hưởng của nồng độ H2PO2 đến tỷ số GMI

Hình 3.9. Tỷ số từ tổng trở MIr của các dây hai lớp CoP hệ thủy tinh với các thời
gian mạ và tốc độ mạ khác nhau
Hình 3.10 Sự phụ thuộc của tỷ số MIr vào chiều dày của màng
Hình 3.11. ảnh hưởng của thời gian mạ đến tỷ số MIr của dây hai lớp hệ thủy
tinh CoP
Hình 3.12. Tỷ số MIr của hệ dây Cu/ FeNi được chế tạo bằng phương pháp điện kết
tủa

6


Mở đầu
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto Impedance - GMI) tuy mới được
phát hiện trong vòng hơn một thập kỷ nhưng nó đã cho thấy tiềm năng ứng dụng rất
lớn, đặc biệt trong lĩnh vực sensor từ. Dạng vật liệu có hiệu ứng GMI thường được
nhắc tới nhất là vật liệu từ vô định hình - nano tinh thể chế tạo bằng phương pháp
nguội nhanh (Rapid Solidification). Vật liệu dạng này có khả năng đạt được hiệu
ứng từ tổng trở MIr rất lớn (lên đến trên 500%), tuy nhiên, công nghệ chế tạo tồn tại
nhiều hạn chế như: kỹ thuật phức tạp, khó ổn định hiệu ứng, vật liệu chế tạo ở dạng
băng không thích hợp cho chế tạo sensor từ,

Trong 5 năm trở lại đây, đã xuất hiện

dạng vật liệu dây micro có hiệu ứng GMI chế tạo bằng phương pháp mạ hóa học.
Các dây này có cấu tạo gồm một dây mang cỡ 50 - 500
m

và lớp phủ vật liệu từ

mềm bằng phương pháp kết tủa điện hóa hoặc mạ hóa học. Một số nghiên cứu trước

đã tập trung vào hệ dây dẫn/ vật liệu từ mềm (Cu/FeNi). Trong luận văn này, chúng
tôi sẽ tập trung vào hệ dây cách điện/ vật liệu từ mềm có sử dụng phương pháp mạ
hóa học.
Mục đích nghiên cứu:
1. Chế tạo dây hai lớp hệ thủy tinh/ CoP có hiệu ứng GMI bằng phương pháp
mạ hóa học
2. Nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố tới cấu trúc, tính chất từ và tỷ số MIr
3. So sánh kết quả thu được với hệ dây Cu/ FeNi có hiệu ứng GMI được chế
tạo bằng phương pháp điện kết tủa.
Phương pháp nghiên cứu:
1. Phân tích bề mặt: SEM, AFM
2. Phân tích thành phần, cấu trúc: EDS, AAS, XRD
3. Đo từ: VSM
4. Đo hiệu ứng GMI
Nội dung của luận văn: 4 chương
Chương 1. Tổng quan Chương
2. Thực nghiệm Chương 3. Kết
quả và thảo luận Chương 4. Kết
luận

7


Chương I - Tổng
quan
1.1. Vật liệu có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
(GMI)
1.1.1. Hiệu ứng từ trổng trở khổng lồ GMI
Nhiều hiện tượng vật lí đã được quan sát trong vật liệu từ mềm, đặc biệt là vật
liệu từ vô định hình và nanô tinh thể. Một trong những hiện tượng vật lí, đó là sự

thay đổi mạnh tổng trở cao tần Z của dây dẫn từ tính khi có dòng xoay chiều đi qua
và đặt trong từ trường một chiều ngoài yếu (vài Oe; 1Oe  80A/m). Hiện tượng
này
được gọi là hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI (Giant Magneto Impedance). Hiệu
ứng GMI tuy mới được phát hiện vào khoảng năm 1994 nhưng nó đã mở ra một tiềm
năng ứng dụng rất lớn.
Đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi tổng trở là tỷ số từ tổng trở MIr (Magneto
Impedance Ratio):

Z (H) Z (H
MIr 

)

x100%

(PT 1.1)

MAX

Z ( H MAX )

Z ( H ) là tổng trở của vật liệu tại từ trường H , Z ( H ) là trổng trở của vật liệu tại
MAX

từ trường H MAX .
Người ta đã quan sát thấy hiệu ứng GMI trong các vật liệu từ mềm như băng vô
định hình và nanô tinh thể (ribbon), dây vô định hình (amorphous wire) với tỷ số
MIr lớn hơn 300% ở nhiệt độ phòng. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng vật

liệu có hiệu ứng từ tổng trở trong các thiết bị nhạy từ trường và các sensor đo từ
trường với độ nhạy cao

Trong luận văn này, vật liệu từ dây hai lớp hệ thủy tinh/

CoP là đối tượng để nghiên cứu hiệu ứng từ tổng trở trong dải tần MHz.
1.1.2. Lý thuyết từ học về hiện tượng GMI
Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI) là một dạng khác của hiệu ứng cảm ứng từ
và được biết đến như là sự thay đổi mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác

8


dụng của từ trường ngoài H và dòng điện tần số cao. Cơ chế hiệu ứng GMI mang
bản chất điện từ và có thể được giải thích bằng lý thuyết động lực học cổ điển. Theo
L. V. Panima, bản chất điện từ của hiệu ứng MI là sự kết hợp giữa hiệu ứng bề mặt

9


và sự phụ thuộc của độ thẩm từ hiệu dụng (  eff ) của dây dẫn và từ trường tương
ứng
với sự chuyển động vòng của các momen từ trong cấu trúc domain đặc biệt.
Tổng trở cao tần Z của dây dẫn từ tính dưới tác động của từ trường ngoài ( H )
được xác định bởi hai thông số đặc trưng cơ bản là độ thẩm từ hiệu dụng  ef và tần
f

số của dòng điện ( f ), được tính theo biểu thức sau:

Z  A. f . eff ( f , H

)
Với A là hệ số tỷ lệ, Z 

(PT 1.2)

2

2

X  R , và X là phần ảo, R là phần thực.

1/2
Như vậy khi làm việc ở một tần số nhất định thì Z tỷ lệ với eff . Còn khi làm

việc ở một từ trường nhất định, do  ef thường giảm khi tần số tăng, sự giảm này
f

nhanh hơn so với sự tăng của tần số f nên nói chung Z giảm khi tần số tăng. Tuy
nhiên cần chú ý là tuy Z giảm theo tần số nhưng R lại tăng theo tần số do hiệu ứng
bề mặt.
Như chúng ta đã biết đối với vật liệu từ,  ef là hàm của từ trường và tần số, và
f

giảm đáng kể khi từ trường và tần số tăng tuy vậy tổng trở Z của dây dẫn từ tính
thay đổi khi nó đặt trong từ trường. Tuy nhiên tổng trở Z không chỉ cơ bản phụ
thuộc tính chất từ của vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào quá trình từ hóa động của
các domain (dịch vách và quay vectơ từ độ) ở tần số cao.
1.1.2.1. Cấu trúc domain của dây vô định hình
Dòng xoay chiều

Domain lõi

iac

9

Domain lớp vỏ


HDC

Hình 1.1 Cấu trúc domain của dây vô định hình bao gồm lớp vỏ và lõi

1
0


Như vậy độ thẩm từ hiệu dụng  ef bao gồm hai phần:
f

 eff ( f , H )   dw ( f , H )   rot ( f , H )

(PT 1.3)

Trong đó:

 dw : Là độ từ thẩm do quá trình dịch vách (domain
wall)

 rot : Là độ từ thẩm do quá trình quay vectơ từ độ

Khi từ trường tăng thì  dw (H giảm do thành phần từ độ trong mỗi domain
)
giảm khi moment từ hướng theo từ trường ngoài. Ngược lại  (H tăng cùng với
rot

)
từ trường sau đó giảm nếu từ trường tăng nữa vì momen từ được ghim theo hướng
từ trường ngoài.
ở vùng tần số thấp, quá trình dịch vách domain ở lớp vỏ chiếm ưu thế hơn so
với quá trình quay vectơ từ độ ở domain lõi. ở tần số cao, quá trình dịch vách không
còn nữa bởi dòng xoáy (dòng Fuco), khi đó đóng góp vào độ thẩm từ hiệu dụng  eff
chỉ do quá trình quay vectơ từ độ trong domain lõi của dây dẫn dưới tác dụng của từ
trường ngoài một chiều.
Có thể tính toán sự thay đổi của
t

dưới tác dụng của từ trường ngoài H ext

bằng việc xem xét mô hình giản đơn domain. Trong hệ trục tọa độ vuông góc cho ta
thấy quá trình quay vectơ từ độ được dùng để miêu tả  t   t ( H ext ) . Từ trường
ngoài
H eff và dòng điện i tác dụng dọc theo trục của dây. Trục dễ từ hóa là với

phương
ngang một góc bằng  và H t là từ trường ngang sinh ra bởi dòng điện. Năng lượng
tự
k
do để làm vectơ từ độ quay đi một góc  từ trục dễ từ hóa được cho bởi biểu thức sau:

10

2

E  K .sin   H .sin(  ) 
S
ext
M
M
k

S

H t cos(  
k

(PT 1.4)

)

( K : hằng số dị hướng từ)
Sau một số phép biến đổi và lấy giá trị gần đúng khi giá trị H t nhỏ, độ từ thẩm
ngang  t có thể viết:
2

M .Sin (   )

t 

S

k


H k .h.Sin(2(  ))  Cos(2 ) 

k

1

11

(PT 1.5)


(Trong đó H k  2K M S và h  H ext H k )
Công thức (1.5) cho thấy
t

phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: từ trường một

chiều, từ trường xoay chiều do dòng điện sinh ra, dị hướng từ, ...
Như vậy ta thấy ở tần số thấp sự thay đổi tổng trở Z của dây dẫn vô định hình
chủ yếu là do quá trình dịch vách domain của lớp vỏ, còn ở tần số cao, quá trình
quay vectơ từ độ ở lõi dây chiếm ưu thế.
1.1.2.2. Chiều sâu thấm từ 
Đối với dòng điện một chiều, mật độ dòng điện đồng đều trên toàn bộ tiết diện
của dây. Trong khi đó, dòng điện xoay chiều tần số cao phân bố không đồng đều
trên toàn bộ tiết diện của dây, nó chủ yếu tập trung ở gần bề mặt của dây dẫn. Mật
độ dòng điện giảm theo hàm số mũ từ bề mặt vật liệu vào lõi của vật dẫn. Hiện

tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt.
  2 / 0


PT(1.6)

 là chiều sâu thấm từ của vật liệu (đi sâu vào vật liệu một lớp  thì mật độ

dòng điện giảm đi e lần ( e  3 ) nên có thể coi dòng điện chỉ thấm vào vật liệu một
lớp thấm  ).
Từ công thức (1.6) có thể thấy chiều sâu thấm từ phụ thuộc vào tần số góc 
của dòng xoay chiều, điện trở suất  và độ thẩm từ  . Trong vật liệu phi từ,
độ
thẩm từ  không phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều và từ trường ngoài một
chiều, nó tiến gần tới độ thẩm từ của chân không 0  4. .10 7 H / m . Ngược
lại,
trong vật liệu sắt từ,  phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều, độ lớn của từ
trường xoay chiều, biến dạng cơ học và nhiệt độ...
Trong dây từ, hiệu ứng GMI xảy ra ở tần số cao khi trong mẫu cóa dòng điện
xoay chiều: i  I 0 .e

j .t

, từ trường một chiều tác dụng theo chiều dọc của dây. ở tần

số mà chiều dày của lớp từ trở nên có thể so sánh được với chiều sâu lớp thấm từ 
thì tổng trở của dây dẫn tỷ lệ với tần số dòng xoay chiều và độ thẩm từ ngang 
(transverse permeability) dây từ.

11

Hiệu ứng GMI ở tần số cao có thể giải thích thông qua sự phụ thuộc từ trường
của độ từ thẩm ngang tương ứng với hướng của dòng xoay chiều trong mẫu và hiệu

12


ứng bề mặt. Bởi vì dòng xoay chiều có xu hướng tập trung ở gần bề mặt vật dẫn,
tổng trở Z thay đổi theo sự phân bố của dòng và hình dạng vật dẫn.
Đối với vật liệu từ, độ từ thẩm ngang
ảnh hưởng tới chiều sâu thấm từ theo
t
công thức:
(PT 1.7)

 m   /( t )1 / 2

Trong đó  là chiều sâu thấm từ của vật liệu không sắt từ:
  c /(2. .. )1 / 2

(PT 1.8)

Với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Từ công thức trên tổng trở phụ
thuộc vào t do đó nó phụ thuộc vào độ thấm sâu  .
m
Tóm lại ta thấy trong dây và băng vô định hình, hiếu ứng từ tổng trở có nguồn
gốc từ sự kết hợp hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc từ trường của độ từ thẩm  .
ý nghĩa của 
Khi đi sâu vào trong vật liệu một lớp  thì mật độ dòng giảm đi e lần và có thể

coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dày  trên bề mặt vật dẫn. Khi  thay đổi thì
khả năng cản trở dòng (tổng trở) của dây dẫn thay đổi,  càng nhỏ thì cường độ
dòng điện chỉ phân bố trên lớp rất mỏng bề mặt dây dẫn và dòng điện càng bị cản
trở mạnh (tổng trở lớn).
Từ công thức (1.8) ta thấy  phụ thuộc vào tần số dòng điện và tính chất từ của
vật liệu. Đối với vật liệu phi từ, độ từ thẩm   1 do đó  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 luôn tăng khi tăng tần số của
dòng
điện, ở đây không xuất hiện hiệu ứng MI. Ngược lại, đối với dây dẫn là vật liệu từ
mềm tốt (vô định hình nền Co và nano tinh thể nền Fe) có độ từ thẩm rất lớn
  100000 , lực kháng
từ

H C  1  và thay đổi rất mạnh theo từ trường và tần
5A/m

số (giảm mạnh khi tăng từ trường và tần số). Như vậy sự có mặt của từ trường
ngoài và từ trường ngang do dòng cao tần làm từ hóa vật dẫn từ mềm đến gần
trạng thái
bão hòa tức là độ từ thẩm  giảm tiến đến 1 và ở tần số này có nghĩa là tổng trở của

12


dây dẫn từ mềm giảm mạnh. Đây chính là nguồn gốc của hiệu ứng GMI.

13

1.1.2.3.Hiện tượng tách đỉnh của đường GMI
Finemet không ủ
Fe nano ủ 5500C, 10phút
Fe nano ủ 5500C, 30phút

250
200
150
100
50
0

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Hình 1.2 Hiện tượng tách đỉnh đường MI trong vật liệu finemet Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5 [2]
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu hiệu ứng GMI, một số kết quả quan sát
cho thấy có sự khác biệt ở đường cong tỷ số MIr trong khoảng từ trường nhỏ
(  50  50Oe ). Hiện tượng này làm đường cong tỷ số MIr có hai điểm đạt giá trị
lớn
nhất, được gọi là hiện tượng tách đỉnh (hình 1.2). Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở
đường cong MIr liên quan đến tính dị hướng của mẫu nghiên cứu và được giải thích
theo mô hình sau:
Trục dễ

Ht

H ext

MS

K


I

Hình 1.3 Mô tả dị hướng từ giải thích hiện tượng tách đỉnh của đường cong GMI
Năng lượng của dây dẫn từ tính đặt trong từ trường H dc và có phương của từ
hóa hợp với phương của từ trường một góc  trong từ trường H .

13


E  K .sin

2
K



 H ext sin( 
MS
K

)  M S cos(  
Ht
K)

PT(1.9)

Trong đó E là năng lượng toàn phần của hệ, K là hằng số dị hướng của vật liệu
làm dây dẫn,  là phương của từ hóa dễ và phương của từ trường
ngang
k

H t và góc

 là góc giữa phương từ hóa dễ và phương từ độ M của vật
liệu.
Ta có điều kiện cân bằng của hệ là:

(PT 1.10)

E /   0

Mặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:
2

 t  M / H t   E / Ht

(PT 1.11)

2

t

Kết hợp với biểu thức (1.4), (1.9) và (1.10) ta xác định được:
t 

M

2

S

 

.sin (  K ) / HK h.sin 2 ( K )  cos(2 )



(PT 1.12)



Trong đó H K  2K / M S ; h  H ext / H K và  t   t  1 nên  t ,  t cùng dạng đồ
thị.
Theo (1.11) khi  và
k

nhỏ khoảng 50 thì đường cong được vẽ bởi (PT 1.12)

sẽ xuất hiện hai đỉnh tại h  1 hay H ext  1H  2K / M S   H C , H C là lực
kháng từ của vật liệu.

K

1.1.3 Vật liệu có hiệu ứng GMI
Xét về mặt cấu hình, vật liệu có hiệu ứng GMI có thể chia ra làm 2 loại: Băng
(ribbons), dây (wires).
1.1.3.1 Băng vô định hình (ribbons)
Vật liệu vô định hình/ nano tinh thể dạng băng mỏng được chế tạo bằng công
nghệ nguội nhanh (hình 1.4). Các tính chất từ học, tương tác giữa các hạt pha cũng
như ảnh hưởng của thành phần, chế độ công nghệ, chế độ xử lí nhiệt đã được nghiên
cứu và tổng kết khá toàn diện và sâu sắc trong một loạt các tài liệu trong và ngoài
nước. Nói chung, hiệu ứng GMI được quan sát rõ ràng nhất trong các vật liệu “siêu”
mềm với hệ số từ giảo tổng cộng gần như bằng không và tỷ số MIr có thể vượt

14