Khảo sát hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo áp điện

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
===o0o===

DƢƠNG THỊ PHONG

KHẢO SÁT HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN
TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ GIẢO/ÁP ĐIỆN

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

ThS. Lê Khắc Quynh

Hà Nội, 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
===o0o===

DƢƠNG THỊ PHONG

KHẢO SÁT HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN
TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ GIẢO/ÁP ĐIỆN

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

ThS. Lê Khắc Quynh

Hà Nội, 2018


LỜI CẢM ƠN
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong khoa Vật lý,
Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã dạy dỗ chỉ bảo và truyền đạt kiến thức
cho em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trƣờng cũng nhƣ trong
quá trình thực hiện khóa luận này.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh đã
tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt
nghiệp này.
Lần đầu tiên nghiên cứu khoa học, khóa luận của em không tránh khỏi
thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận đƣợc những đóng góp ý kiến của các thầy
cô và bạn bè để khóa luận đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Dương Thị Phong


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố

trong bất cứ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh viên

Dương Thị Phong


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài ................................................................................................ 1
2. Mục tiêu của khóa luận ..................................................................................... 2
3. Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu .................................................................... 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................ 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................... 2
6. Đóng góp của khóa luận .................................................................................... 2
7. Nội dung của khóa luận..................................................................................... 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3
1.1. Tổng quan về tính chất từ của vật rắn ............................................................ 3
1.1.1. Tính thuận từ ............................................................................................... 3
1.1.2. Tính nghịch từ ............................................................................................. 5
1.1.3. Tính sắt từ.................................................................................................... 7
1.1.4. Tính phản sắt từ ........................................................................................ 10
1.1.5. Tính Feri từ ............................................................................................... 12
1.2. Tính chất từ của băng từ mềm...................................................................... 14
1.3. Hiện tƣợng từ giảo ....................................................................................... 14
1.4. Hiện tƣợng áp điện ....................................................................................... 16
1.5. Hiệu ứng từ - điện ........................................................................................ 19
1.6. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện .......................................................... 20

1.7. Một số cảm biến từ dựa trên hiệu ứng vật lí khác ........................................ 21
1.7.1. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall ......................................................... 21
1.7.2. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng từ điện trở ............................................... 23
1.7.3. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng AMR ........................................................ 26
1.7.4. Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn .................................... 28
1.7.5. Cảm biến từ trường Flux - gate ................................................................ 29


1.7.6. So sánh cảm biến từ trong các hiệu ứng khác nhau ................................. 30
1.8. Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................ 31
CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..................................... 33
2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện ................................................................... 33
2.2. Khảo sát hiệu ứng từ điện ............................................................................ 33
2.3. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................ 35
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 36
3.1. Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện E vào tần số f của từ trƣờng xoay chiều 36
3.2. Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trƣờng một chiều trên các mẫu có kích
thƣớc khác nhau (n =L/W) đo tại tần số cộng hƣởng của các mẫu .................... 37
3.3. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................ 40
KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 42


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.2. Sự sắp xếp các moomen từ nguyên tử: Khi chƣa có từ trƣờng ngoài
tác dụng (a); khi có từ trƣờng ngoài tác dụng (b). ............................................ 4
Hình 1.3. (a) Mô hình sắp xếp mômen từ nguyên tử, ....................................... 5
Hình 1.4. Đƣờng cong từ trễ của vật liệu sắt từ. .............................................. 9
Hình 1.5. Biến đổi của momen từ tại nhiệt độ Curie sắt từ ............................ 10
Hình 1.6. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối song

và bằng nhau.................................................................................................... 11
Hình 1.7. Sự phụ thuộc của  1 vào nhiệt độ. .................................................. 11
Hình 1.8. (a) Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của  1
vào nhiệt độ. .................................................................................................... 13
Hình 1.9. Sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt độ đặc biệt:
Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ. ...................................................................... 13
Hình 1.10. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu: (a) từ giảo thể tích và (b) từ
giảo tuyến tính Joule. ...................................................................................... 15
Hình 1.11. Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối
hoặc dạng băng mỏng...................................................................................... 15
Hình 1.12. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng
của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c). ......................................................... 16
Hình 1.13. Cấu trúc tinh thể của vật liệu Perovskite ...................................... 17
Hình 1.14. Sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể Perovskite khi có điện
trƣờng ngoài .................................................................................................... 18
Hình 1.15. Mô tả hiệu ứng từ điện .................................................................. 19
Hình 1.17. Sơ đồ thí nghiệm cảm biến từ trƣờng trái đất dựa trên hiệu ứng từ
giảo-áp điện của Zhai và đồng nghiệp ............................................................ 20
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall ............................ 22
Hình 1.19. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng........................... 24


Hình 1.20. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khi không có từ trƣờng ngoài (a)
và có từ trƣờng ngoài (b) ................................................................................. 25
Hình 1.21. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR. .................................. 26
Hình 1.22. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy
qua và hƣớng của vectơ từ hoá ....................................................................... 27
Hình 1.23. Cảm biến từ giao thao lƣợng tử siêu dẫn (a) và ............................ 28
Hình 1.24. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux – gate......................................... 29
Hình 1.25. Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện ........................... 31

Hình 2.1. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện
FeNiBSi/PZT/FeNiBSi và ảnh chụp sau khi chế tạo ...................................... 33
Hình 2.2. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện. ....................................... 34
Hình 3.1. Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều đo theo
phƣơng song song của vật liệu băng từ FeNiBSi. ........................................... 36
Hình 3.2. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trƣờng một chiều đối với các mẫu
hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 1 đến 15
mm. Từ trƣờng đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo đƣợc thực hiện tại tần số
cộng hƣởng tƣơng ứng. ................................................................................... 37
Hình 3.3. Hệ số từ - điện tại từ trƣờng 2.5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích
thƣớc khác nhau .............................................................................................. 38


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Sự phát hiện ra hiệu ứng từ - điện của một số vật liệu cùng với khả năng
ứng dụng rộng rãi hiệu ứng này trong nhiều lĩnh vực là một bƣớc đánh dấu
đặc biệt sự phát triển của khoa hoc công nghệ, đã mở ra một hƣớng nghiên
cứu mới thu hút nhiều sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài
nƣớc trong những năm gần đây. Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị
phân cực điện (PE) dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài (H) hay ngƣợc lại, vật
liệu bị từ hóa dƣới tác dụng của điện trƣờng ngoài. Hiệu ứng từ - điện thƣờng
đƣợc quan sát thấy trên các vật liệu đa pha (multiferroic), trong đó có sự tồn
tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện trên cùng một vật liệu.
Trong số các vật liệu từ - điện đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng phải
kể đến vật liệu tổ hợp gồm hai pha từ giảo và áp điện. Nếu đặt vật liệu trong
từ trƣờng, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cƣỡng bức, sinh ra một ứng suất cơ học
tác động lên pha áp điện làm pha áp điện bị phân cực điện cảm ứng và làm
xuất hiện trên bề mặt của pha áp điện những điện tích trái dấu. Nếu nối với
mạch ngoài, ở lối ra ta sẽ thu đƣợc một hiệu điện thế VME. Sự chuyển hoá qua

lại giữa năng lƣợng từ và năng lƣợng điện hay ngƣợc lại đã mở ra nhiều khả
năng ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ chế tạo các bộ chuyển đổi năng lƣợng,
bộ truyền chuyển động, máy phát điện, đầu dò, sensơ đo từ trƣờng ứng dụng
trong trong y - sinh học, quân sự,…
Tuỳ theo từng mục đích ứng dụng mà yêu cầu đặt ra đối với vật liệu tổ
hợp từ - điện rất khác nhau. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ
đòi hỏi các thiết bị và linh kiện điện tử ngày càng đƣợc chế tạo thu nhỏ và
tinh vi hơn. Các nghiên cứu trong những năm gần đây chủ yếu tập trung vào
việc tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ - điện lớn, rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của
từ trƣờng ngoài. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu tổ hợp chủ yếu hiện nay là

1


phƣơng pháp kết dính, dạng tấm bằng cách kẹp giữa theo kiểu Sandwich tấm
áp điện PZT và các băng mỏng từ giảo.
Với các lý do trên, khóa luận đã lựa chọn vật liệu multiferroic dạng tấm
có hiệu ứng từ - điện cho độ nhạy cảm biến cao trong vùng từ trƣờng yếu.
Khóa luận có tên là: Khảo sát hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp từ
giảo/áp điện.
2. Mục tiêu của khóa luận
- Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện.
Trong đó vật liệu từ giảo là băng từ FeNiBSi. Áp điện là vật liệu PZT.
- Đề xuất một số ứng dụng.
3. Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu
- Vật liệu tổ hợp có hiệu ứng từ giảo/áp điện.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện.
- Khảo sát hiệu ứng từ - điện.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Đọc tài liệu và tra cứu.
- Thực nghiệm.
6. Đóng góp của khóa luận
- Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ - điện vào từ trƣờng một chiều.
- Tài liệu tham khảo cho các sinh viên và ngƣời nghiên cứu.
7. Nội dung của khóa luận: 3 chƣơng
Chƣơng 1. Tổng quan
Chƣơng 2. Các phƣơng pháp thực nghiệm
Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận
Kết luận

2


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về tính chất từ của vật rắn
Trong hệ SI thì véc tơ cảm ứng từ của vật liệu ( ) khi chịu tác dụng của
từ trƣờng ngoài ( ) đƣợc biểu diễn bằng công thức [1]:
(1.1)
Trong đó:

là vec tơ cảm ứng từ
μ0 là độ từ thẩm của chân không (= 4π.10-7 H/m)
là vec tơ cƣờng độ từ trƣờng ngoài
là vec tơ từ độ của vật liệu

Để đặc trƣng cho mức độ từ hóa của vật liệu, ngƣời ta dựa vào dấu và độ
lớn của độ cảm từ (χ) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Đại lƣợng độ cảm
từ χ đƣợc định nghĩa là [1]:

(1.2)
Về cơ bản thì độ cảm từ phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài và
nhiệt độ χ = χ(T, H).
1.1.1. Tính thuận từ
Là vật từ có   0 , giá trị nhỏ (cỡ 10-5- 10-3).  phụ thuộc vào nhiệt độ,
sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie: 



C
T

, (Trong đó: C là hằng số

Curie, T là nhiệt độ tuyệt đối)

Hình 1.1. Sự phụ thuộc của χ-1 vào nhiệt độ

3


Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào
nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở
khả năng hƣởng ứng thuận theo từ trƣờng ngoài, có nghĩa là các chất này có
mômen từ nguyên tử (nhƣng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trƣờng ngoài,
các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trƣờng ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng
cộng trong chất tăng lên. Khi chƣa có từ trƣờng ngoài, do chuyển động nhiệt,
các mômen nguyên tử sắp xếp hỗn loạn, không có phƣơng ƣu tiên (hình 1.2a).
Vì vậy, mômen từ tổng hợp của toàn vật thuận từ bằng không và vật không có
từ tính. Khi có từ trƣờng ngoài, các mômen từ nguyên tử có xu hƣớng sắp xếp

theo hƣớng từ trƣờng đó là chiều ƣu tiên (hình 1.2b). Do đó toàn bộ vật thuận
từ có mômen từ khác không, mômen từ tổng hợp sẽ cùng chiều với từ trƣờng
ngoài. Đây là hiệu ứng thuận từ.

(a)

(b)

Hình 1.2. Sự sắp xếp các moomen từ nguyên tử: Khi chưa có từ trường ngoài
tác dụng (a); khi có từ trường ngoài tác dụng (b).
Thuận từ đƣợc xếp vào nhóm các chất phi từ, hoặc nhóm không có trật
tự từ. Độ từ thẩm của các chất thuận từ là lớn hơn 1 nhƣng xấp xỉ 1 (chỉ chênh
lệch cỡ 10−6). Từ tính yếu của thuận từ do hai yếu tố đem lại:
- Mômen từ nguyên tử.

4


- Các mômen từ nguyên tử này nhỏ và hoàn toàn không tƣơng tác với
nhau.
Một số chất thuận từ:
+ Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do, ôxit
nitơ dạng khí (NO)…
+ Các nguyên tử tự do với lớp vỏ không đầy: các nguyên tố chuyển
tiếp, các nguyên tố nhóm Uran…
+ Các kim loại: thuộc nhóm 3d (nhóm sắt): Cr, Mn, Co…; nhóm kim
loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Sm, Pm, Pr…
Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm...
1.1.2. Tính nghịch từ
Vật liệu từ ở trạng thái nghịch từ là vật liệu từ có   0 (χ là độ từ

cảm), độ lớn nhỏ (cỡ 10-5), ít phụ thuộc vào nhiệt độ.

a)

b)

Hình 1.3. (a) Mô hình sắp xếp mômen từ nguyên tử,
(b) Sự phụ thuộc của  1 vào nhiệt độ.

5


Các chất nghịch từ là các chất không có mômen từ. Một cách gần đúng,
coi rằng trong các chất nghịch từ có nguyên tử mà trong đó mặt phẳng quỹ
đạo của các electron song song với nhau và quỹ đạo của chúng giống nhau.
Trên các quỹ đạo ấy, các electron đều chuyển động cùng vận tốc nhƣng
ngƣợc chiều nhau và do đó làm mômen từ quỹ đạo của chúng luôn trực đối
nhau. Do đó tổng mômen từ quỹ đạo luôn bằng không. Tính chất nghịch từ sẽ
thể hiện rõ chủ yếu ở những chất mà khi chƣa đặt trong từ trƣờng ngoài
mômen từ của nguyên tử hoặc phân tử bằng không nghĩa là tổng vectơ của
mômen từ của tất cả các nguyên tử hay phân tử bằng không.
Dựa trên cơ sở lý thuyết đã chứng minh rằng các mômen từ riêng
(mômen spin) của electron cũng luôn ngƣợc chiều nhau, nên tổng mômen từ
riêng bằng không. Do vậy mômen từ nguyên tử của electron (gồm mômen từ
quỹ đạo và mômen từ spin) bằng không. Khi đặt vào trong từ trƣờng ngoài,
các electron đều có mômen từ cảm ứng cùng chiều nhau và ngƣợc chiều với
từ trƣờng ngoài. Kết quả là mômen từ của mỗi nguyên tử khác không làm
toàn bộ chất nghịch từ có mômen từ khác không và ngƣợc chiều từ trƣờng
ngoài.
Hiện tƣợng nghịch từ xuất hiện ở tất cả các vật nhƣng thƣờng bị che

lấp bởi các hiệu ứng khác chiếm ƣu thế hơn (nhƣ hiện tƣợng thuận từ, sắt
từ…). Hiện tƣợng nghịch từ thể hiện rõ ở những chất mà mômen từ tổng cộng
của chúng bằng không. Ví dụ: khí trơ, hợp chất hữu cơ, một số kim loại: Cu,
Zn, Au, Ag…
Vật liệu nghịch từ lý tƣởng là vật liệu siêu dẫn (là vật mà ở dƣới nhiệt
độ, điện trở của vật bằng không) vì nó có   0 và    1 , lớn gấp nhiều lần
4

so với các chất nghịch từ khác. Do đó độ thẩm điện môi của môi trƣờng μ < 1,
độ từ cảm χ < 0.

6


Các chất ở nhóm này là các khí hiếm nhƣ: I, He, Ne, Ar, Kr,...và các
ion có các lớp electron giống khí hiếm. Nhiều kim loại nhƣ: Bi, Zn, Ag, Cu,
Pb, và không kim loại nhƣ C, NaCl, SiO2, S, H2O.
1.1.3. Tính sắt từ
Chất sắt từ đƣợc biết đến là chất có từ tính mạnh, tức khả năng cảm
ứng dƣới từ trƣờng ngoài mạnh.
Là vật liệu có   0 , có giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ
chế tạo đặc biệt có thể lên tới hàng triệu).
Vật liệu sắt từ đƣợc định nghĩa là vật liệu có từ độ tự phát, từ độ này ổn
định theo thời gian và có thể có hiện tƣợng trễ dƣới tác động của từ trƣờng
ngoài. Véc tơ từ độ đƣợc định nghĩa là tổng tất cả các mômen từ (mômen từ
tự phát và mômen từ cảm ứng) của vật liệu trong một đơn vị thể tích. Bản
chất của mômen từ có nguồn gốc từ các chuyển động của điện tử trong các
nguyên tử. Về cơ bản có thể chia thành ba loại chính bao gồm:
- Mômen từ do sự chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân.
Chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân này gây ra một mômen từ

vuông góc với mặt phẳng chuyển động của điện tử.
- Mômen từ do sự tự quay của điện tử. Giá trị của mômen từ ở lúc này
đƣợc xác định thông qua đại lƣợng magneton Bohr μB.
- Mômen từ do sự thay đổi của các orbital dƣới tác dụng của từ trƣờng
ngoài.
Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Nhƣng nó khác biệt so
với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tƣơng
tác với nhau (tƣơng tác trao đổi sắt từ). Bản chất tƣơng tác trao đổi là tƣơng
tác tĩnh điện đặc biệt. Tƣơng tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật
liệu các vùng (gọi là đômen từ) mà trong mỗi đômen này các mômen từ sắp
xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là

7


độ từ hoá tồn tại ngay cả khi không có từ trƣờng). Nếu không có từ trƣờng, do
năng lƣợng nhiệt làm cho các mômen từ các đômen trong toàn khối sẽ sắp
xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn bằng 0.
Nếu ta đặt từ trƣờng ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tƣợng xảy ra nhƣ
sau:
- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phƣơng từ trƣờng.
- Sự quay của các đômen từ theo hƣớng từ trƣờng.
Khi tăng dần từ trƣờng đến mức đủ lớn ta có hiện tƣợng bão hoà từ, lúc
đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều của từ
trƣờng tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đomen duy nhất. Nếu ta ngắt từ
trƣờng, các mômen từ lại có xu hƣớng trở về với hƣớng ban đầu và lại tạo
thành các đômen. Tuy nhiên các đômen này vẫn còn tƣơng tác với nhau do
vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị
khác 0 gọi là độ từ dƣ (remanent magnetiration). Điều này tạo thành hiện
tƣợng trễ của vật liệu.

Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ
trƣờng ngƣợc sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ
(coercivity hay coercivity field). Đƣờng cong từ hoá (sự phụ thuộc của từ độ
vào từ tƣờng ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó có đƣờng
cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đƣờng cong tuyến tính) và đạt tới bão
hoà khi đƣờng cong đủ lớn. Đƣờng cong từ trễ là đặc trƣng quan trọng nhất
của vật liệu sắt từ.
Về cơ bản đƣờng cong từ trễ của các vật liệu sắt từ có dạng nhƣ hình 1.4.
Khi tất cả các đômen trong vật liệu quay theo hƣớng từ trƣờng ngoài thì
vật liệu đạt trạng thái từ hóa bão hòa và từ độ bão hòa đƣợc ký hiệu là MS.
Khi vật liệu bị từ hóa và từ trƣờng giảm về không thì vật liệu vẫn còn tồn tại
một giá trị từ độ gọi là từ dƣ Mr. Giá trị Mr/MS còn thể hiện thông tin về tính

8


chất dị hƣớng từ tinh thể của vật liệu. Muốn khử từ hoàn toàn vật liệu thì cần
phải tác dụng một từ trƣờng ngƣợc chiều từ trƣờng ban đầu và có giá trị Hc và
đƣợc gọi là lực kháng từ. Giá trị của lực kháng từ cho biết thông tin về tính
chất từ của vật liệu (từ cứng hay từ mềm) và cấu trúc từ của vật liệu.

Hình 1.4. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ.
Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế ngƣời ta phân biệt vật liệu từ thành vật
liệu từ cứng, vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ. Chúng khác biệt nhau ở khả
năng tồn giữ từ tính sau khi đƣợc từ hoá. Trong các vật liệu từ cứng thì từ dƣ
và lực kháng từ lớn hơn so với vật liệu từ mềm và do đó năng lƣợng cần thiết
để triệt tiêu tính chất từ của vật liệu từ cứng cũng lớn hơn so với vật liệu từ
mềm. Do các tính chất khác nhau này thì vật liệu từ cứng thƣờng đƣợc sử
dụng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu.
Ngoài đƣờng cong từ trễ ra thì chất sắt từ có đặc trƣng là nhiệt độ Curie

Tc. Nhiệt độ Curie là nhiệt độ tại đó chất bị mất trật tự và khi T>T c chất trở
thành chất thuận từ, Tnhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ. Tc là một thông số đặt trƣng cho chất.

9


Ví dụ một số chất có nhiệt độ Curie nhƣ dƣới đây: Fe: 1043K; Co:
1388K; Ni: 627K; Gd: 292.5K.

Hình 1.5. Biến đổi của momen từ tại nhiệt độ Curie sắt từ
1.1.4. Tính phản sắt từ
Vật liệu phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu
trúc gồm có hai phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị.
Là vật liệu từ có   0 , giá trị không lớn lắm (cỡ 10-4 đến 1), có từ tính
yếu.
Vật liệu phản sắt từ đƣợc liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Đôi khi,
cũng có ngƣời gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ bởi từ tính của chúng
cũng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt nguồn từ tƣơng tác trao đổi giữa các spin.
Nếu nhƣ tƣơng tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là tƣơng tác trao đổi
dƣơng, làm cho các spin song song nhau thì tƣơng tác trao đổi trong phản sắt
từ là tƣơng tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song với nhau.

10


Ở không độ tuyệt đối (0 Kelvin), các spin của vật liệu phản sắt từ sắp
xếp đối song song nhau nên từ độ. Nhiệt độ tăng dần dẫn đến việc phá vỡ trật
tự từ kiểu phản song song làm tăng độ từ hóa (độ cảm từ χ) của vật liệu phản
sắt từ. Từ trƣờng ngoài cũng là nguyên nhân phá vỡ trật tự phản song song

của vật liệu.

Hình 1.6. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối
song và bằng nhau.

Hình 1.7. Sự phụ thuộc của  1 vào nhiệt độ.
Nhiệt độ Néel (TN): Là đại lƣợng đặc trƣng của vật liệu phản sắt từ (cũng
giống nhƣ nhiệt độ Curie trong chất sắt từ) là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản

11


sắt từ bị phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ. Ở dƣới nhiệt độ
Néel, vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Nếu ta đo sự phụ thuộc của hệ số
từ hóa (độ cảm từ χ) vào nhiệt độ của chất phản sắt từ thì tại nhiệt độ Néel sẽ
xuất hiện một cực đại, hay nói cách khác có chuyển pha tại nhiệt độ Néel.
Một số chất phản sắt từ điển hình:
Crôm - Cr, TN = 310 K
FeO - TN = 198 K
NiO - TN = 523 K
CoO - TN = 291 K
1.1.5. Tính Feri từ
Feri từ là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu
trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhƣng có độ lớn khác nhau.
Ferri từ còn đƣợc gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn.
Là vật liệu có   0 , giá trị tƣơng đối lớn. Khi chƣa có từ trƣờng và
TVì feri từ có 2 phân mạng từ bù trừ không hoàn toàn, nên nó có từ độ tự
phát và từ độ này đƣợc bù trừ từ mômen từ của 2 phân mạng:
λ.MA – ( 1- λ).MB

(1.3)

MA, MB lần lƣợt là mômen từ của 2 phân mạng A và B, λ là tỉ phần giữa 2
phân mạng.
Nhìn chung, tính chất từ của feri từ gần giống với sắt từ, tức là cũng có
các đặc trƣng nhƣ vật liệu sắt từ: từ trễ, nhiệt độ trật tự từ (nhiệt độ Curie), từ
độ tự phát... Điểm khác biệt cơ bản nhất là do nó có 2 phân mạng ngƣợc chiều
nhau, nên thực chất trật tự từ của nó đƣợc cho bởi 2 phân mạng trái dấu, vì
thế, có một nhiệt độ mà tại đó mômen từ tự phát của 2 phân mạng bị bù trừ
nhau gọi là "nhiệt độ bù trừ".

12


Nhiệt độ bù trừ thấp hơn nhiệt độ Curie (đôi khi nhiệt độ Curie của feri
từ cũng đƣợc gọi là nhiệt độ Néel), ở trên nhiệt độ Curie chất bị mất trật tự từ
và trở thành thuận từ.

(a)

(b)

Hình 1.8. (a) Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của  1
vào nhiệt độ.

Hình 1.9. Sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt độ đặc biệt:
Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ.

13

1.2. Tính chất từ của băng từ mềm
Tính chất từ mềm của băng từ nền Fe đƣợc thể hiện:
- Giá trị của lực kháng từ HC cực nhỏ cỡ vài Oe.
- Độ từ thẩm ban đầu và độ từ thẩm cực đại lớn: ~ 104 đến 105
- Cảm ứng từ bão hoà BS hay từ độ bão hoà MS lớn: khoảng vài Tesla (ví
dụ hợp kim Fe65Co35 đạt đƣợc 2,34T).
- Hệ số từ giảo bão hoà λS rất nhỏ: ~ 10-5 đến 10-6.
- Tính chất từ giảo mềm cao trong vùng từ trƣờng thấp: Độ cảm từ giảo
χλ = dλ/dH ~ 10-2 T-1 trong vùng từ trƣờng nhỏ ~ mT.
1.3. Hiện tƣợng từ giảo
Từ giảo là hiện tƣợng hình dạng và kích thƣớc của vật liệu từ thay đổi
khi mà trạng thái từ của vật liệu thay đổi khi chịu tác dụng của từ trƣờng
ngoài và ngƣợc lại. Hiện tƣợng từ giảo đã đƣợc James Prescott Joule (1818 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [16]. Trạng thái từ của vật liệu có
thể bị thay đổi khi chịu tác dụng của từ trƣờng ngoài hoặc khi nhiệt độ thay
đổi (hình 1.10). Hiện tƣợng khi thể tích của vật liệu từ thay đổi do sự thay đổi
trạng thái từ khi nhiệt độ thay đổi đƣợc gọi là hiện tƣợng từ giảo tự phát hay
từ giảo thể tích (hình 1.10a). Từ giảo xuất hiện khi đặt vật liệu từ trong từ
trƣờng ngoài đƣợc gọi là từ giảo cƣỡng bức hay từ giảo tuyến tính Joule (hình
1.10b).
Bản chất từ giảo tuyến tính Joule liên quan đến sự định hƣớng của
mômen từ dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Hiện tƣợng từ giảo tuyến tính
của các vật liệu từ đƣợc giải thích dựa trên mô hình tƣơng tác tĩnh điện giữa
đám mây điện tử từ và điện tích môi trƣờng xung quanh. Dƣới tác dụng của từ
trƣờng ngoài, sự phân bố của điện tử (tức là mômen quỹ đạo) sẽ bị biến đổi
tuỳ theo mức độ tƣơng tác của chúng với mômen từ (mômen spin). Các vật

14

liệu khác nhau sẽ có từ giảo khác nhau tuỳ thuộc vào hình dạng đám mây điện
tử từ của chúng.

Hình 1.10. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu:
(a) từ giảo thể tích và (b) từ giảo tuyến tính Joule.
Từ giảo của các vật liệu đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ giảo  đƣợc xác
định theo công thức sau:

  0 H  

l  0 H  l  0 H   l0

l0
l0

(1.4)

với lo là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trƣờng ngoài và l(oH) là
chiều dài của mẫu khi có từ trƣờng ngoài oH đặt vào.

Hình 1.11. Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối
hoặc dạng băng mỏng.

15


Từ giảo là một đại lƣợng không có thứ nguyên. Trong các vật liệu từ
giảo dạng khối hoặc dạng băng, hiện tƣợng từ giảo thể hiện bởi biến dạng
tuyến tính (l/l) phƣơng từ trƣờng ngoài (hình 1.11).

1.4. Hiện tƣợng áp điện
Hiệu ứng áp điện đƣợc phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre
Curie [9] là hiện tƣợng vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất nén hoặc kéo
thì trong lòng của vật liệu sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngƣợc
lại, khi vật liệu chịu tác dụng của điện trƣờng thì vật liệu sẽ bị biến dạng ngắn
lại hoặc dài ra tùy thuộc vào điện trƣờng ngoài cùng chiều hay ngƣợc chiều
với véc tơ phân cực điện của vật liệu.

Hình 1.12. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng
của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c).
Hình 1.12 mô tả hiệu ứng áp điện dƣới tác dụng của ứng suất bên ngoài.
Nếu vật liệu chịu ứng suất nén (hình 1.12b) hoặc kéo theo hƣớng phân cực
(hình 1.12c) thì sẽ dẫn đến sự giảm hoặc tăng của độ phân cực điện trong lòng
vật liệu và kết quả sẽ làm xuất hiện trong lòng vật liệu một điện trƣờng cùng
chiều hay ngƣợc chiều với véc tơ phân cực điện. Kết quả là trên hai mặt đối
diện của vật liệu áp điện sẽ xuất hiện thế áp điện có dấu và độ lớn phụ thuộc
vào ứng suất tác dụng theo công thức:

E  g 

16

(1.5)


với g là hệ số tỉ lệ đặc trƣng cho từng vật liệu và  là độ lớn ứng suất tác
dụng (ứng suất nén   0 và ứng suất kéo   0).
Hiệu ứng áp điện xảy ở một số điện môi tinh thể nhƣ thạch anh,
tuamalin, ... hoăc dƣới dạng vật liệu đa tinh thể. Cho đến nay, ngƣời ta tạo ra
vật liệu áp điện dƣới 2 dạng: gốm áp điện (PbZnxTi1-xO3 - PZT) và Polyme áp

điện.
Vật liệu áp điện về cơ bản là vật liệu dạng gốm và có cấu trúc dạng
Perovskite. Các vật liệu có cấu trúc dạng Perovskite là vật liệu có cả tính chất
sắt điện và áp điện. Các vật liệu này có số lƣợng rất lớn nên chúng đang đƣợc
quan tâm nghiên cứu nhiều. Theo định nghĩa, vật liệu có cấu trúc Perovskite
là các vật liệu có cấu trúc tinh thể tƣơng tự với cấu trúc của CaTiO3. Cấu tạo
chung của vật liệu này có dạng ABO3 (trong đó A và B là hai ion dƣơng, A
thƣờng có bán kính lớn hơn B) (hình 1.13).

Hình 1.13. Cấu trúc tinh thể của vật liệu Perovskite
Cấu trúc Perovskite là biến thể của hai cấu trúc lập phƣơng với ion A
nằm ở 8 đỉnh, ion B nằm ở tâm. Ion B cũng đồng thời là tâm bát diện tạo bởi
các ion O-2. Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phƣơng sang dạng khác
nhƣ hệ trực giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thế bởi các nguyên tố khác.
PZT đƣợc hình thành do sự kết hợp của PbZrO3 (một chất phản sắt điện có
cấu trúc tinh thể trực thoi) và PbTiO3 (một chất sắt điện có cấu trúc Perovskite

17