Chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ điện với lớp từ giảo có cấu trúc nano và vô định hình dùng cho cảm biến từ trường micro tesla

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM ANH ĐỨC

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ - ĐIỆN
VỚI LỚP TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC NANO VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH
DÙNG CHO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG MICRO - TESLA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

HÀ NỘI - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM ANH ĐỨC

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ - ĐIỆN
VỚI LỚP TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC NANO VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH
DÙNG CHO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG MICRO - TESLA

Chuyên ngành : Vật liệu và linh kiện nanô
Mã số
: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang

2. GS.TS. Nguyễn Hữu Đức

HÀ NỘI - 2017


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin to long biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Đô Thi Hương Giang.
Cô la người trực tiếp hướng dẫn, chi bảo, động viên va giúp đơ đê em co thê hoan
thanh luận an. Cô không chi la người hướng dẫn khoa học ma con la người truyền
cho em tình yêu va nhiệt huyết với nghiên cứu thông qua tấm gương học tập va lam
việc của bản thân.
Em cũng xin chân thanh cảm ơn GS. TS. Nguyễn Hữu Đức. Với kinh nghiệm
của một Giao sư đầu nganh, Thầy đa đưa ra những lời khuyên va đinh hướng cần
thiết trong lúc em gặp kho khăn trong nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn tập thê cac thầy cô, can bộ trong bộ môn Vật liệu
va linh kiện nano, trong Khoa Vật ly ky thuật va Công nghệ nano đa giảng dạy va
giúp đơ em trong thời gian nghiên cứu tại phong thi nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn NCS Nguyễn Thi Ngọc, NCS Lê Việt Cường, NCS
Nguyễn Xuân Toàn, NCS Lê Khắc Quynh đa giúp đỡ, trao đổi kiến thức va kinh
nghiệm với tôi trong suốt qua trình học tập va nghiên cứu tại trường Đại học
Công Nghệ.
Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha me va gia đình đa động
viên, giúp đơ đê con co thê hoan thanh luận án một cach tốt nhất.
Luận an nay được hoan thanh với sự hô trơ một phần của Đề tai thuộc
chương trình Khoa học va Công nghệ vũ tru ma số VT/CN-03/13-15 va đề tai cấp
Đại học Quốc gia Ha Nội ma số QG.15.28.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nhữ n g nghiên cứ u trong luận án là do tôi thự c hiện,

bản luậ n á n do tôi viết và không sao chép tư các tài liệu sẵ n có . Cá c số liệ u và
kế t qua trình bà y trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố bởi các
luậ n án khác.

Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2016
Tác gia

Phạm Anh Đức


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..................................................................... v
DANH

MỤC

CÁC

BẢNG

.............................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH
VẼ,

ĐỒ

THỊ.....................................................................

viii

MỞ

ĐẦU

........................................................................................................................ 1
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................... 4
1.1. Vật liệu sắt từ, sắt điện và multiferroic .......................................................... 4
1.1.1. Vật liệu sắt điện và hiệu ứng áp điện ........................................................... 4
1.1.1.a. Vật liệu sắt điện ..................................................................................... 4
1.1.1.b. Hiệu ứng áp điện ................................................................................... 8
1.1.2. Vật liệu sắt tư và hiệu ứng tư giao ............................................................. 12
1.1.2.a. Vật liệu sắt tư ...................................................................................... 12
1.1.2.b. Hiệu ứng tư giao .................................................................................. 14
1.1.3. Vật liệu mutiferroic.................................................................................... 18
1.2. Hiệu ứng từ-điện ............................................................................................. 19
1.2.1. Tổng quan về hiệu ứng tư-điện .................................................................. 19
1.2.2. Hệ số tư-điện .............................................................................................. 20
1.2.3. Liên kết ứng suất bề mặt trong hiệu ứng tư-điện thuận ............................. 24
1.3. Vật liệu từ-điện ............................................................................................... 25
1.3.1. Vật liệu tư-điện đơn pha ............................................................................ 26
1.3.2. Vật liệu tổ hợp đa pha ................................................................................ 28
1.3.3. Vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc nano .................................................... 29
1.4. Tổng quan cảm biến từ trường ..................................................................... 30
1.4.1. Cam biến tư trường dựa trên hiệu ứng Hall ............................................... 30
1.4.2. Cam biến tư trường giao thoa lượng tử siêu dẫn ....................................... 32
i


1.4.3. Cam biến tư trường Flux – gate ................................................................. 33
1.4.4. Cam biến tư trường dựa trên hiệu ứng tư trở ............................................. 34
1.4.5. Cam biến tư trường dựa trên hiệu ứng tư-điện .......................................... 36

1.5. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu ............................................... 37
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................ 37
1.5.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 38
1.5.3. Nội dung nghiên cứu.................................................................................. 39
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ......................................................... 40
2.1. Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT bằng phương pháp phún xạ ... 41
2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm........................................... 42
2.3. Khảo sát tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung ............................................ 43
2.4. Hệ đo từ giảo ................................................................................................... 44
2.5. Đo hệ số thế từ-điện ........................................................................................ 47
2.5.1. Hệ đo thực nghiệm..................................................................................... 47
2.5.2. Phương pháp tính hệ số thế tư-điện thuận ................................................. 48
2.6. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi điện tử........................................... 50
2.7. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi lực nguyên tử ............................... 51
2.8. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 51
Chương 3 VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Terfecohan/PZT DẠNG MÀNG VỚI
LỚP VẬT LIỆU TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC NANO ................................................ 52
3.1. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ơ trạng thái vô định hình ........................... 53
3.1.1. Cấu trúc tinh thể của lớp tư giao................................................................ 53
3.1.2. Tính chất tư và tư giao của màng Terfecohan ........................................... 55
3.1.3. Tính chất tư-điện của vật liệu tổ hợp ......................................................... 58
3.2. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ơ trạng thái nano tinh thể .......................... 62
3.2.1. Nhiệt độ ủ 3500C........................................................................................ 62
3.2.1.a. Cấu trúc tinh thể của màng Terfecohan .............................................. 62
ii


3.2.1.b. Tính chất tư và tư giao của màng Terfecohan..................................... 64
3.2.1.c. Tính chất tư-điện của vật liệu tổ hợp .................................................. 66
3.2.2. Nhiệt độ ủ 4500C........................................................................................ 67

3.2.2.a. Cấu trúc tinh thể của màng Terfecohan .............................................. 68
3.2.2.b. Tính chất tư của màng Terfecohan...................................................... 69
3.3. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 71
Chương 4 VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Metglas/PZT DẠNG TẤM VỚI LỚP
TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC VÔ ĐỊNH HÌNH ............................................................ 73
4.1. Tính chất từ của băng từ Metglas ................................................................. 74
4.1.1. Tính chất tư siêu mềm................................................................................ 74
4.1.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất tư mềm ....................... 76
4.2. Tính chất từ giảo của băng từ Metglas ......................................................... 79
4.2.1. Nghiên cứu tính chất tư giao tĩnh .............................................................. 79
4.2.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất tư giao ........................ 81
4.3. Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào tần số kích thích........................... 82
4.3.1. Mẫu hình vuông ......................................................................................... 82
4.3.2. Mẫu hình chữ nhật ..................................................................................... 83
4.3.3. Tính toán lý thuyết quy luật phụ thuộc tần số ........................................... 84
4.3.3.a. Mô hình dao động một chiều............................................................... 84
4.3.3.b. Mô hình dao động hai chiều ................................................................ 89
4.4. Ảnh hương của cấu hình (bilayer và sandwich) .......................................... 94
4.5. Ảnh hương của chiều dầy lớp từ giảo Metglas ............................................ 96
4.6. Ảnh hương của kích thước (mẫu vuông)...................................................... 98
4.6.1. Kết qua thực nghiệm khao sát hiệu ứng tư-điện ........................................ 98
4.6.2. Lý thuyết hiệu ứng “Shear lag” ............................................................... 101
4.7. Ảnh hương của tỷ lệ kích thước dài/rộng................................................... 103
3


4.7.1. Kết qua đo thực nghiệm khao sát hệ số thế tư-điện ................................. 103
4.7.2. Lý thuyết trường khử tư giai thích qui luật phụ thuộc kích thước........... 108
4.8. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 111
Chương 5 ỨNG DỤNG..............................................................................................112

5.1. Cảm biến từ trường dựa trên màng mong Terfecohan co cấu trúc nano112
5.2. Cảm biến từ trường dựa trên băng từ Metglas co cấu trúc vô định hình116
5.2.1. Thiết kế và chế tạo hệ thống cam biến đo tư trường ............................... 116
5.2.2. Khao sát các thông số làm việc của cam biến ......................................... 119
5.2.2.a. Tần số cộng hưởng ............................................................................119
5.2.2.b. Tín hiệu của cam biến phụ thuộc vào cường độ tư trường ...............120
5.2.2.c. Tín hiệu cam biến phụ thuộc vào góc định hướng ............................122
5.2.3. Tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục .......................................... 125
5.2.4. Cam biến đo góc dựa trên cam biến đo tư trường 2D ............................. 127
5.2.5. Cam biến đo tư trường trái đất 3D dựa trên hiệu ứng tư-điện ................. 131
5.3. Kết luận chương 5 ........................................................................................ 134
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................135
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ....................................................................................................................138
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................139

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
AFE

Phan sắt điện

AFM
�⃗

Phan sắt tư
Véc tơ cam ứng tư

dik

Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực (C/N)

ES

Điện trường bão hòa

E

Cường độ điện trường

EC

Lực kháng điện

f

Tần số cộng hưởng

FE

Sắt điện

FIM

Feri tư

FM

Sắt tư

H

Cường độ tư trường

h0

Biên độ tư trường xoay chiều

hac

Cường độ tư trường xoay chiều

Hdc

Cường độ tư trường một chiều

L

Chiều dài

MEMS

Hệ vi cơ điện tử

Metglas

Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8

�⃗

Véc tơ tư độ của vật liệu

Mis

Tư độ tự phát

Mr

Độ tư dư

Ms

Tư độ bão hòa

Pe

Véc tơ phân cực nguyên tử

Pi

Véc tơ phân cực ion

Pj

Độ lớn véc tơ phân cực điện

Pis

Véc tơ phân cực ion tự phát

P0

Véc tơ phân cực phân tử

Pr

Độ phân cực dư

Ps

Độ phân cực bão hòa

PZT

Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3
5


PVDF

Pôlime áp điện (PolyVinylidenne DiFlorua)

PT

Vật liệu áp điện PbTiO3

Q

Hệ số phẩm chất

r

Tỷ số kích thước dài/rộng

RAM

Bộ nhớ đệm

RF

Siêu cao tần

T

Nhiệt độ

TC

Nhiệt độ Curie

Terfecohan

Tb0,4(Fe0,55Co0,45)0,6

VME

Thế tư-điện

WFM

Sắt tư yếu

W

Chiều rộng

αE

Hệ số tư-điện

αmax

Hệ số tư-điện cực đại

α'mn

Tensơ độ cam tư-điện

αpmn

Hệ số tư-điện thuận

ε0

Hằng số điện

εk

Độ biến dạng tỷ đối

σ

Ứng suất tác dụng
Tư giao khi có tác dụng của tư

�(�0 . � )
trường H
λmax

Tư giao cực đại

λS

Tư giao bão hòa

μB

Magnton Bohr

ρ

Điện trở suất

χM

Độ cam tư (mức độ tư hóa của vật liệu)

χλ

Độ cam tư giao

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bang 1.1: Lịch sử nghiên cứu về hiệu ứng tư-điện .............................................. 20
Bang 1.2: Ý nghĩa của các số hạng trong biểu thức năng lượng tự do ................ 24
Bang 1.3: So sánh nhiệt độ chuyển pha điện và tư của các vật liệu multiferroic
đơn pha [35,64-66] ............................................................................................... 27
Bang 3.1: Tổng hợp các tính chất của màng Terfecohan với các cấu trúc vật liệu
khác nhau.............................................................................................................. 72
Bang 4.1: Tính chất tư và tư giao của một số vật liệu tư giao khác nhau [11] .... 80
Bang 5.1: Tổng hợp tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất của các cam biến 1D
............................................................................................................................ 120
Bang 5.2: Liệt kê các công thức xác định góc phương vị trong toàn bộ dai đo. 130

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các dạng phân cực khác nhau: phân cực nguyên tử (a), phân cực ion
(b) và phân cực phân tử (c) .................................................................................... 5
Hình 1.2: Vật liệu đa đômen (a), sự dịch chuyển vách đômen (b), vật liệu đơn
đômen (c) và sự quay đômen (d)............................................................................ 6
Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể BaTiO3 khi nhiệt độ cao (T > TC) (a) và khi nhiệt độ
thấp (T < TC) (b)..................................................................................................... 7
Hình 1.4: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện.............................................. 8
Hình 1.5: Mô ta hiệu ứng áp điện: phân cực tự phát (a), phân cực khi chịu ứng

suất nén (b), phân cực khi chịu ứng suất kéo (c) ................................................... 9
Hình 1.6: Hỗn hợp PZT – polymer được phân loại theo các kiểu liên kết khác
nhau: (a) 0 – 3, (b) 2 – 2, (c) 1 - 3 ........................................................................ 10
Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể của vật liệu Perovskite ............................................. 11
Hình 1.8: Sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể Perovskite khi có điện
trường ngoài ......................................................................................................... 11
Hình 1.9: Đường cong tư hóa của vật liệu sắt tư ................................................. 14
Hình 1.10: Sơ đồ khối về khái niệm vật liệu multiferroic ................................... 18
Hình 1.11: Sơ đồ phân loại các vật liệu multiferroic và vật liệu tư-điện ............. 22
Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng tư-điện thuận trong vật liệu ....... 24
Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cam biến Hall [11]........................... 31
Hình 1.14: Cam biến tư trường SQUID (a) và cấu tạo của cam biến (b) ............ 32
Hình 1.15: Sơ đồ cấu tạo của cam biến flux – gate.............................................. 33
Hình 1.16: Sơ đồ minh họa hiệu ứng tư-điện trở dị hướng [8] ............................ 35
Hình 1.17: Hiệu ứng tư-điện trở khổng lồ: khi không có tư trường ngoài (a) và có
tư trường ngoài (b) ............................................................................................... 36
8


Hình 1.18: Cam biến tư trường dựa trên hiệu ứng tư-điện [78]........................... 37
Hình 2.1: Vật liệu tổ hợp tư-điện dạng màng ...................................................... 40
Hình 2.2: Cấu hình vật liệu tổ hợp: bilayer (a) và sandwich (b).......................... 40
Hình 2.3: Thiết bị phún xạ catốt (AJA – 2000F) ................................................. 41
Hình 2.4: Bia vật liệu để tạo màng Terfecohan ................................................... 42
Hình 2.5: Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang của màng Terfecohan trên đế thủy tinh
.............................................................................................................................. 42
Hình 2.6: Cấu hình bilayer đơn (a), bilayer kép (b) và sandwich (c) .................. 43
Hình 2.7: Vật liệu tổ hợp tư-điện được chế tạo với các kích thước khác nhau ... 43
Hình 2.8: Thiết bị tư kế mẫu rung Lakeshore 7404 ............................................. 44
Hình 2.9: Hệ đo tư giao phan xạ quang học......................................................... 45

Hình 2.10: Mô hình băng tư dán trên tấm thủy tinh và quá trình biến dạng của
băng tư khi có tư trường tác dụng ........................................................................ 45
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ đo tư giao bằng phương pháp phan
xạ quang học ........................................................................................................ 46
Hình 2.12: Hệ đo tư-điện với dai đo tư trường lớn 10 kOe ............................... 47
Hình 2.13: Hệ đo tư-điện trong dai tư trường thấp (-30 đến 30 Oe).................... 48
Hình 3.1: Cấu hình vật liệu Terfecohan/thủy tinh/PZT (a) và Terfecohan/PZT (b)
.............................................................................................................................. 52
Hình 3.2: Ảnh SEM bề mặt của màng Terfecohan: ngay sau khi chế tạo (a) và
sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C (b)................................................................... 54
Hình 3.3: Gian đồ nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và
sau khi ủ nhiệt tại 2500C ...................................................................................... 54
Hình 3.4: Đường cong tư trễ của màng Terfecohan chế tạo trên đế PZT (a) và
trên đế thủy tinh (b) .............................................................................................. 55

9


Hình 3.5: Sự phụ thuộc độ tư giao của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo vào
tư trường một chiều .............................................................................................. 56
Hình 3.6: Hình thái bề mặt của PZT (a) và bề mặt của thủy tinh (b) được chụp
bằng kính hiển vi lực nguyên tử........................................................................... 56
Hình 3.7: Đường cong tư trễ của màng Terfecohan trên đế thủy tinh ngay sau khi
chế tạo (a) và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C (b) ............................................ 57
Hình 3.8: Độ cam tư của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ
nhiệt tại nhiệt độ 2500C ........................................................................................ 58
Hình 3.9: Sự phụ thuộc của hệ số thế tư-điện vào tần số tư trường xoay chiều .. 59
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của thế tư-điện lối ra vào cường độ tư trường xoay
chiều kích thích .................................................................................................... 59
Hình 3.11: Sự phụ thuộc của hệ số thế tư-điện vào tư trường một chiều của cấu

trúc Terfecohan/PZT (a) và cấu trúc Terfecohan/thủy tinh/PZT (b) ................... 60
Hình 3.12: Ứng suất do màng Terfecohan tác dụng lên PZT trên thủy tinh (a) và
trên PZT (b) .......................................................................................................... 61
Hình 3.13: Ảnh chụp SEM của màng mỏng Terfecohan ủ nhiệt tại 3500C ........ 62
Hình 3.14: Gian đồ nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan sau khi ủ nhiệt tại 3500C
.............................................................................................................................. 63
Hình 3.15: Đường cong tư trễ của màng Terfecohan ủ nhiệt tại 3500C .............. 64
Hình 3.16 Sự phụ thuộc của độ cam tư vào tư trường một chiều của màng
Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tại 2500C và 3500C ..................................... 65
Hình 3.17: Đường cong tư giao của màng Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tại
3500C .................................................................................................................... 66
Hình 3.18: Đường cong tư-điện của vật liệu Terfecohan/glass/PZT (màng
Terfecohan dầy 1 µm) trước và sau khi ủ nhiệt tại 3500C ................................... 67
Hình 3.19: Ảnh SEM của màng Terfecohan ủ nhiệt tại 4500C............................ 68
10


Hình 3.20: Gian đồ nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan sau khi ủ nhiệt tại 4500C
.............................................................................................................................. 69
Hình 3.21: Đường cong tư trễ đo theo hai phương song song và vuông góc bề
mặt màng của màng Terfecohan ủ tại 4500C ....................................................... 70
Hình 3.22: Sự phụ thuộc của độ cam tư vào tư trường một chiều của màng
Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau. ......................... 70
Hình 3.23: Sự phụ thuộc của độ cam tư cực đại vào nhiệt độ ủ .......................... 71
Hình 4.1: Minh họa cấu trúc vật liệu multiferroics tư giao/áp điện .....................
73
Hình 4.2: Ảnh chụp SEM của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương
pháp kết dính được chụp ở độ phóng đại nhỏ (a) và phóng đại lớn (b) ...............
74
Hình 4.3: Đường cong tư trễ của mẫu băng tư Metglas pha Ni hình vuông kích

thước 10×10 mm được thực hiện với tư trường một chiều nằm trong mặt phẳng,
hướng dọc theo chiều dài (L), chiều rộng (W) và theo phương vuông góc với mặt
phẳng băng tư ....................................................................................................... 75
Hình 4.4: Đường cong tư trễ của các băng tư Metglas có tỷ số r = L/W khác nhau
với tư trường đặt trong mặt phẳng và dọc theo phương chiều dài mẫu ............... 76
Hình 4.5: Độ cam tư cực đại của các mẫu băng tư Metglas có tỷ số r = L/W khác
nhau ...................................................................................................................... 77
Hình 4.6: (a) Biểu diễn sự hình thành của các mômen lưỡng cực trong vật liệu bị
tư hoá (b) Cam ứng tư B, tư độ M và trường khử tư Hd của mẫu bị tư hoá [4] ...
78
Hình 4.7: Trường khử tư bên trong một thanh chữ nhật đã được tư hoá
theo phương song song (a) và vuông góc với chiều dài thanh (b) .......................
78
Hình 4.8: Đường cong tư giao của băng tư kích thước 10x10 đo theo 2 phương
chiều dài và chiều rộng của mẫu .......................................................................... 80
11


Hình 4.9: Đường cong tư giao tỉ đối (λ/λmax) của băng tư với các kích thước r =
L/W khác nhau đo trong mặt phẳng mẫu ............................................................. 81

12


Hình 4.10: Sự phụ thuộc của hệ số thế tư-điện vào tần số tư trường xoay chiều
của các vật liệu tổ hợp tư-điện hình vuông có kích thước khác nhau .................. 82
Hình 4.11: Sự phụ thuộc của hệ số thế tư-điện vào tần số tư trường xoay chiều
của các vật liệu tổ hợp tư-điện hình chữ nhật (đo dọc theo chiều dài mẫu) ........ 83
Hình 4.12: Hệ tọa độ cho bài toán truyền sóng một chiều ................................... 85
Hình 4.13: So sánh tần số cộng hưởng thu được tư thực nghiệm với mô phỏng lý

thuyết của các mẫu hình chữ nhật có cùng chiều dài ........................................... 88
Hình 4.14: Các đỉnh cộng hưởng của mẫu hình chữ nhật tương ứng với các trạng
thái dao động khác nhau....................................................................................... 88
Hình 4.15: Hệ tọa độ cho bài toán truyền sóng hai chiều .................................... 89
Hình 4.16: Trạng thái dao động hai chiều của màng mỏng với các giá trị (m, n)
khác nhau.............................................................................................................. 91
Hình 4.17: Các đỉnh cộng hưởng và sự tương ứng với các trạng thái dao động . 91
Hình 4.18: So sánh tần số cộng hưởng chính của mẫu hình vuông thu được tư lý
thuyết và thực nghiệm .......................................................................................... 92
Hình 4.19: Cấu hình bilayer đơn (a), bilayer kép (b) và sandwich (c) ................ 94
Hình 4.20: Tần số cộng hưởng của vật liệu với các cấu hình khác nhau............. 95
Hình 4.21: Sự phụ thuộc của hệ số thế tư-điện vào tư trường một chiều của các
vật liệu với cấu hình khác nhau............................................................................ 95
Hình 4.22: Sự tán xạ tư trường của băng tư khi bị tư hóa (a) và sự anh hưởng đến
các băng tư lân cận trong cấu hình bilayer kép (b) và sandwich (c) .................... 96
Hình 4.23: So sánh hiệu ứng tư-điện theo chiều dày lớp vật liệu tư giao trong cấu
hình sandwich....................................................................................................... 97
Hình 4.24: Sự biến đổi của hệ số thế tư-điện cực đại (a) và tư trường ứng với hệ
số thế tư-điện cực đại (b) theo số lớp băng tư...................................................... 98

xii


Hình 4.25: Sự anh hưởng của kích thước mẫu hình vuông đến hệ số thế tư-điện
cực đại (a) và tư trường ứng với giá trị hệ số thế tư- điện cực đại (b) ................. 99
Hình 4.26: Sự phân bố ứng suất trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào vị trí tính tư
tâm của mẫu (� = 0) ra đến ngoài biên (� = 1) [27] ........................................
100
Hình 4.27: Sự phụ thuộc của tư trường ứng với hệ số thế tư-điện cực đại (a) và sự
phụ thuộc của hệ số dị hướng hình dạng (b) vào kích thước mẫu vuông .......... 100

Hình 4.28: Sự phụ thuộc của hệ số thế tư-điện cực đại vào kích thước mẫu theo
lý thuyết Shear lag.............................................................................................. 103
Hình 4.29: Sự phụ thuộc của hiệu ứng tư-điện vào tư trường một chiều đo dọc
theo phương dễ (chiều dài) và phương khó (chiều rộng) của các mẫu với tỷ phần
kích thước khác nhau. Mẫu có L >> W nhạy tư trường thấp khi đo dọc theo
phương dễ ........................................................................................................... 104
Hình 4.30: Sự phụ thuộc của hiệu ứng tư-điện vào tư trường một chiều đo dọc
theo phương dễ (chiều dài) của các mẫu với tỷ phần kích thước khác nhau r = 1,
5 và 15 ................................................................................................................ 105
Hình 4.31: Hệ số thế tư-điện αE cực đại và tại tư trường H = 2 Oe của các mẫu có
tỷ số L/W khác nhau .......................................................................................... 105
Hình 4.32: Sự phụ thuộc của hiệu ứng tư-điện vào góc tạo bởi phương chiều dài
của mẫu (trục dễ) với phương định hướng của tư trường một chiều (a), xoay
chiều (b) và đồng thời ca hai tư trường (c) ........................................................ 107
Hình 4.33: Sự phụ thuộc của Nexp (a) và Ntheory (d), tỷ số hệ số thế tư-điện thực
nghiệm (b,e) và tư lý thuyết (c,f) theo r ............................................................. 110
Hình 5.1: Ảnh chụp vật liệu tổ hợp tư-điện dạng màng mỏng (a), cuộn solenoid
(b) và cam biến tư trường (c) ............................................................................. 112
Hình 5.2: Ảnh chụp hệ đo thực nghiệm thông số làm việc của đầu đo cam biến
............................................................................................................................ 114
13


Hình 5.3:Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cam biến vào cường độ tư trường
một chiều ............................................................................................................ 115
Hình 5.4: Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cam biến vào góc định hướng giữa
cam biến với tư trường một chiều ...................................................................... 116
Hình 5.5: Cấu tạo của cam biến tư trường 1D ................................................... 117
Hình 5.6: Thành phần cấu tạo (a) và đầu đo của cam biến tư trường 1D hoàn
thiện (b) .............................................................................................................. 118

Hình 5.7: Đầu đo của cam biến tư trường 2D (a) và 3D (b) hoàn thiện ............ 118
Hình 5.8: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào tư trường một chiều
Hdc trong các dai tư trường khác nhau ............................................................... 121
Hình 5.9: Đồ thị đánh giá độ phân giai .............................................................. 122
Hình 5.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục đầu
đo cam biến với tư trường trái đất ...................................................................... 124
Hình 5.11: Đồ thị đánh giá độ phân giai góc của cam biến ............................... 124
Hình 5.12: Hiện tượng dâng nền (zero offset) của tín hiệu lối ra của cam biến tư
trường 1D ........................................................................................................... 125
Hình 5.13: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế lối ra có offset vào góc phương vị khi
được kích thích bởi hai tư trường xoay chiều ngược pha nhau (hAC và –hAC)... 126
Hình 5.14: Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào cường độ tư trường của cam biến
2D trong dai tư trường lớn (a) và trong dai tư trường trái đất (b)...................... 128
Hình 5.15: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái
đất (North-East-Center), góc phương vị φ trong phép đo khao sát góc của đầu đo
cam biến tư trường 2D ....................................................................................... 129
Hình 5.16: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 2 cam biến đơn vào
góc phương vị..................................................................................................... 130

14


Hình 5.17 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 3 cam biến
vào góc phương vị trong hệ tọa độ vuông góc ................................................... 133

15


MỞ ĐẦU
Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng mà vật liệu tư-điện khi chịu tác dụng của tư

trường (hoặc điện trường) ngoài sẽ sinh ra một độ phân cực điện (hoặc tư trường)
tương ứng. Khi vật liệu tư-điện chịu tác dụng của tư trường (hoặc điện trường)
ngoài thì pha tư giao (hoặc pha áp điện) sẽ bị biến dạng đồng thời sinh ra một
ứng suất truyền sang pha áp điện (hoặc tư giao) làm chúng biến dạng và kết qua
là sinh ra một độ phân cực điện (hoặc tư trường). Hiệu ứng này đã được phỏng
đoán lần đầu tiên vào năm 1894 [81] và được gọi tên chính thức vào năm 1926
[82]. Tuy nhiên phai đến đầu thế kỷ 21 thì các nghiên cứu về hiệu ứng tư-điện
mới thực sự phát triển mạnh mẽ ca về số lượng và chất lượng. Các nghiên cứu đã
cho thấy hiệu ứng tư-điện có kha năng ứng dụng thực tiễn vào rất nhiều lĩnh vực
như: thiết bị chuyển đổi tín hiệu (tranducer) [87], thiết bị lọc tín hiệu (filter) [17],
thiết bị lưu trữ thông tin thế hệ mới (MeRAM) [73] và đặc biệt là cam biến tư
trường có độ nhạy và độ phân giai cao [62,78,94,101].
Về cơ ban thì hiệu ứng tư-điện xuất hiện trên các vật liệu multiferroic
(multifferoics materials). Các vật liệu multiferroic đã có quá trình phát triển tư
vật liệu đơn pha [32,47] đến vật liệu đa pha dạng khối [55] và gần nhất là vật liệu
đa lớp. Vật liệu đa lớp cho thấy nhiều ưu điểm so với các dạng vật liệu khác bởi:
công nghệ chế tạo đơn gian, không xuất hiện pha thứ ba trong quá trình chế tạo
và hiệu ứng tư-điện đủ lớn cho các ứng dụng thực tiễn.
Các tính chất tư, tư giao, tư-điện của vật liệu multiferroic có thể được
tăng cường thông qua các tối ưu về: vật liệu và công nghệ chế tạo các pha
riêng biệt, cấu hình vật liệu, kích thước vật liệu, hình dạng vật liệu, cấu trúc
tinh thể của vật liệu.
Các tối ưu về tính chất tư-điện của vật liệu multiferroic hướng đến mục
đích chế tạo cảm biến từ trường yếu có độ nhạy và độ phân giải cao. Các cam
biến này không chỉ phục vụ mục đích xác định độ lớn và góc định hướng của tư
1


trường trái đất mà còn có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác trong đời sống và
khoa học công nghệ như: thiết bị bám sát vệ tinh, thiết bị định vị vệ tinh, thiết bị

y – sinh (phát hiện hạt tư, đo nhịp tim ...) [2,3,14,18,28,29].
Với các lý do trên, vật liệu multiferroic đa lớp (dạng màng và dạng tấm)
cùng với hiệu ứng tư-điện và cam biến tư trường yếu có độ nhạy và độ phân giai
cao được lựa chọn là đối tượng và mục tiêu nghiên cứu của luận án. Hiệu ứng tưđiện trên các vật liệu này được nghiên cứu toàn diện (về vật liệu, cấu hình, hình
dạng, kích thước, cấu trúc tinh thể) để đạt được giá trị đủ lớn phục vụ cho các
ứng dụng chế tạo cam biến tư trường yếu có độ nhạy cao và độ phân giai cao.
Luận án có tên là:
Chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ-điện với lớp từ giảo có cấu trúc
nano và vô định hình dùng cho cảm biến từ trường micro – tesla.
Cấu trúc của luận án bao gồm 05 chương:
- Chương 1: Tổng quan.
Đề cập đến các khái niệm cơ ban về vật liệu multiferroic, vật liệu tư-điện,
hiệu ứng tư-điện, ứng dụng của vật liệu tư-điện ...
- Chương 2: Phương pháp thực nghiệm.
Đề cập đến các phương pháp chế tạo vật liệu, phương pháp nghiên cứu
tính chất vật liệu được sử dụng.
- Chương 3: Vật liệu tổ hợp tư-điện Terfecohan/PZT dạng màng với lớp
tư giao có cấu trúc nano
Đề cập đến các kết qua nghiên cứu tính chất vật liệu tổ hợp tư-điện dạng
màng Terfecohan/PZT với lớp tư giao có cấu trúc nano tinh thể
- Chương 4: Vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm.
Đề cập đến các kết qua nghiên cứu tính chất của vật liệu tổ hợp dạng tấm
Metglas/PZT. Các kết qua nghiên cứu đã rút ra được cấu hình tối ưu của vật liệu
cho các ứng dụng chế tạo cam biến tư trường yếu.
- Chương 5: Ứng dụng.
2


Mục tiêu nghiên cứu của luận án là chế tạo và nghiên cứu thành công vật
liệu tổ hợp tư-điện hai pha tư giao và áp điện có vật liệu được lựa chọn với cấu

hình, hình dạng và kích thước tối ưu, cho hiệu ứng tư điện cao trong tư trường
thấp ứng dụng trong lĩnh vực cam biến nhạy tư trường thấp cỡ tư trường trái đất
với độ nhạy, độ phân giai cao và có giá thành rẻ, phù hợp với điều kiện chế tạo
trong nước.
Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào nghiên cứu và chế tạo hệ
vật liệu tổ hợp tư-điện dạng màng và dạng tấm với pha tư giao là hợp kim dạng
màng Tb0,4(Fe0,55Co0,45)0,6 (TerfecoHan) và băng tư mềm Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8
(Metglas) với pha áp điện PZT dạng tấm theo các cấu hình, hình dạng, kích
thước khác nhau. Các đo đạc tính chất tư, tư giao, tư-điện cũng như các đặc trưng
cấu trúc vi cấu trúc sẽ được thực hiện một cách hệ thống và lập luận có căn cứ
khoa học để tối ưu cho các ứng dụng chế tạo cam biến nhạy tư trường theo mục
tiêu luận án.
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu được thực hiện trong luận án là
phương pháp chế tạo, nghiên cứu thực nghiệm trên các thiết bị hiện đại, đồng bộ,
tin cậy có kết hợp mô phỏng, tính toán lý thuyết dựa trên phương trình truyền
sóng, hiệu ứng shear lag, hiệu ứng trường khử tư cũng được sử dụng để giai thích
cho các kết qua thu được tư thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Đề tài đặt ca 2 nội dung
nghiên cứu cơ ban trên vật liệu tổ hợp và hiệu ứng tư điện kết hợp nghiên cứu
ứng dụng chế tạo cam biến nhạy tư trường độ phân giai cao hướng đến các ứng
dụng thực tiễn.
Đong góp mới của luận án: Đã chế tạo và khao sát các tính chất tư, tư
giao, tư-điện của các hệ vật liệu tổ hợp dạng màng và dạng tấm. Xác định được
cấu hình phù hợp để ứng dụng chế tạo cam biến tư trường yếu có độ nhạy và độ
phân giai cao. Đã thiết kế và chế tạo thành công các cam biến tư trường 1D, 2D,
3D trên cơ sở sử dụng vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm với cấu trúc kiểu
xen kẽ có độ nhạy cao (tư 200 đến 653 mV/Oe) và độ phân giai tốt (310-4 Oe).

3

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu sắt từ, sắt điện và multiferroic
Khái niệm vật liệu multiferroic lần đầu tiên được sử dụng bởi H. Schmid
vào năm 1994 [45]. Vật liệu multiferroic là vật liệu có hai hoặc nhiều hơn các
tính chất sắt cơ ban trong cùng một pha vật liệu. Các tính chất sắt cơ ban bao
gồm:
* Tính chất sắt điện: là tính chất của vật liệu sắt điện có độ phân cực tự
phát ngay ca khi không có điện trường ngoài. Độ phân cực điện này ổn định theo
thời gian và có thể có hiện tượng trễ dưới tác động của điện trường ngoài.
* Tính chất sắt tư: là tính chất của vật liệu sắt tư có tư độ tự phát ngay
ca khi không có tư trường ngoài. Tư độ này ổn định theo thời gian và có thể
có hiện tượng trễ dưới tác động của tư trường ngoài.
* Tính chất sắt đàn hồi: là tính chất của vật liệu sắt đàn hồi có độ biến
dạng tự phát ngay ca khi không có ứng suất ngoài. Độ biến dạng này ổn định
theo thời gian và có thể có hiện tượng trễ dưới tác động của ứng suất ngoại.
Theo định nghĩa trên thì có rất nhiều loại vật liệu multiferroic khác nhau.
Vật liệu multiferroic mà có tồn tại đồng thời ca hai tính chất sắt điện và sắt tư có
rất nhiều tính chất lý thú đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên
cứu và triển khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

1.1.1. Vật liệu sắt điện và hiệu ứng áp điện
1.1.1.a. Vật liệu sắt điện
Hiện tượng sắt điện lần đầu tiên được phát hiện bởi J. Valasek vào năm
1921 trên muối Rochelle (muối xenhet) [54]. Sắt điện được định nghĩa là vật liệu
có cấu trúc tinh thể với độ phân cực điện tự phát. Hướng của véc tơ phân cực

4

điện tự phát này có thể thay đổi theo điện trường ngoài. Độ phân cực điện được
định nghĩa là tổng các mômen phân cực điện trong một đơn vị thể tích.
Cần phân biệt rõ ràng về sự khác nhau giữa các khái niệm: phân cực
nguyên tử, phân cực ion và phân cực phân tử. Phân cực nguyên tử xuất hiện do
sự thay đổi khoang cách giữa tâm điện tích âm và tâm điện tích dương trong
nguyên tử trung hòa khi có tác dụng của điện trường ngoài (hình 1.1a). Véc tơ
phân cực nguyên tử được ký hiệu là Pe. Đối với các vật liệu có tồn tại các ion,
véc tơ phân cực điện hình thành tư các ion dương và ion âm lân cận nhau (hình
1.1b). Véc tơ phân cực điện trong trường hợp này có phương nằm trên đường
thẳng nối hai ion và có chiều tư ion âm sang ion dương. Véc tơ phân cực ion
được ký hiệu là Pi. Dạng thứ ba của hiện tượng phân cực là phân cực phân tử và
được ký hiệu là Po. Phân cực phân tử xuất hiện trong các phân tử có các mômen
phân cực tự phát (hình 1.1c). Trong các phân tử này luôn luôn tồn tại một sự tách
biệt giữa các phần điện tích âm (δ-) và điện tích dương (δ+). Các véc tơ phân cực
này có thể sắp xếp theo hướng của điện trường ngoài.
a

+
E

c

b

+
E

+

δ+

δ+

E

- -

δ-

δ-

δ-

δ-

Hình 1.1: Cac dạng phân cực khac nhau: phân cực nguyên tử (a), phân cực ion
(b) va phân cực phân tử (c)
Đối với một số vật liệu, dạng thứ tư của hiện tượng phân cực điện cũng
được biết đến và được gọi là phân cực điện tích không gian. Dạng phân cực điện
này có nguồn gốc tư các hạt tai điện tự do có trong vật liệu. Khi chuyển động của
các hạt tai điện này bị can trở bởi sự tán xạ với các sai hỏng mạng và bề mặt vật
5