Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy theo thời gian ngày của CO và PM10 tại một số trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định ở Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

ĐÀO SƠN LÂM

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BĂNG VÀ
DÂY VƠ ĐỊNH HÌNH TỪ MỀM NỀN COBAN NHẰM
ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ (GMI)
ĐO TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA CÁC HẠT NANO TỪ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

ĐÀO SƠN LÂM

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BĂNG VÀ
DÂY VƠ ĐỊNH HÌNH TỪ MỀM NỀN COBAN NHẰM
ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ (GMI)
ĐO TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA CÁC HẠT NANO TỪ
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 62440104

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Ngô Thu Hương

PGS.TS. Phan Mạnh Hưởng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng

Xác nhận của đại diện tập thể

chấm Luận án Tiến sĩ cấp ĐHQG

Cán bộ hướng dẫn

GS.TS. Bạch Thành Công

PGS.TS. Ngô Thu Hương

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng
tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố
theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân
tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các
kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Nghiên cứu sinh

Đào Sơn Lâm


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và lịng biết ơn sâu sắc nhất của
mình tới thầy cô hướng dẫn đã ân cần giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi và

định hướng tốt nhất để tôi thực hiện Luận án này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu
sắc tới Giáo sư Hariharan Srikanth đã tạo điều kiện và giúp đỡ để tôi thực hiện được
phần thực nghiệm quan trọng của luận án tại Khoa Vật lý, trường Đại học Nam
Florida, Hoa Kì. Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn Giáo sư Nguyễn Châu đã đóng
góp ý kiến quý báu và giúp đỡ tận tình để tơi hồn thành được luận án của mình.
Tơi xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy các cô, các anh các chị là nhân viên đang
công tác tại Khoa Vật lý, Trung tâm Khoa học Vật Liệu, Trường ĐHKHTNĐHQGHN đã cho tôi những ý kiến đóng góp q báu để tơi hồn thành luận án của
mình. Đặc biệt, tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Khoa Hóa học Trường
ĐHKHTN-ĐHQGHN, Viện Vật liệu tiên tiến và Công nghệ (AIST) thuộc Trường
ĐH Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Khoa học vật liệu - ĐHKHTN, ĐHQGHN đã
giúp tôi thực hiện các phép đo này. Tôi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn của mình tới
các thành viên thuộc Trung tâm nghiên cứu LABVIEW (Jagannath Devkota, C.
Albrecht, Tatiana Eggers, O. Thiabgoh, Kristen Stojak) cùng các cán bộ, nhân viên
thuộc Khoa Vật Lý trường Đại học Nam Florida vì sự giúp đỡ nhiệt tình thực hiện
các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tơi trong q trình thực
hiện Luận án. Tơi cũng xin được cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ
NAFOTED; Khoa Vật lý, Đại học Nam Florida; Viện Công nghệ Harbin, Trung
Quốc đã tạo điều kiện cho tơi về kinh phí và thời gian, cung cấp mẫu băng và dây từ
vơ định hình nền Co để tơi thực hiện phần thực nghiệm của luận án này. Tôi xin gửi
lời cảm ơn đến Sở Giáo dục và Đào tạo Tỉnh Bắc Giang, các thầy giáo cô giáo
Trường THPT Lục Nam đã tạo điều kiện về thời gian và động viên tôi rất nhiều
trong khi học tập và thực hiện luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lịng biết ơn
đến những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên tinh thần và là hậu
phương vững chắc giúp tơi n tâm hồn thành luận án.
Hà Nội, tháng
Tác giả

năm 2018

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 21
1.1. HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỔ (HIỆU ỨNG GMI) .................... 21
1.1.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) ............................................ 21
1.1.2. Tổng trở của vật dẫn ............................................................................. 22
1.1.3. Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo tần số của dòng điện xoay
chiều ................................................................................................................ 24
1.1.4. Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo cường độ dòng điện xoay
chiều. ............................................................................................................... 31
1.1.5. Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo từ trường một chiều ............. 32
1.1.6. Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo nhiệt độ đo .......................... 32
1.1.7. Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo cấu hình vật liệu dạng băng
và dây .............................................................................................................. 33
1.1.8. Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo độ từ giảo ........................... 34
1.1.9. Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo quá trình ủ trong từ trường và
ủ nhiệt .............................................................................................................. 35
1.1.10. Ứng dụng của hiệu ứng từ trở khổng lồ .............................................. 36
1.2. VẬT LIỆU BĂNG VÀ DÂY TỪ MỀM VƠ ĐỊNH HÌNH. ................ 42
1.2.1. Tính chất từ ........................................................................................... 43
1.2.2. Tính chất cơ .......................................................................................... 52
1.2.3. Tính chất điện ........................................................................................ 52
1.3. VẬT LIỆU HẠT NANO ÔXIT SẮT TỪ Fe3O4 .................................. 53
1.3.1. Cấu trúc tinh thể.................................................................................... 53
1.3.2. Tính chất từ ........................................................................................... 55
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ của hạt nano Fe3O4 ................ 59
1

1.3.4. Tương tác giữa các hạt nano Fe3O4...................................................... 66
1.3.5. Các ứng dụng của hạt nano Fe3O4 ....................................................... 67
1.3.6. Các phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 ........................................... 69
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .............................................................................. 73
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................... 74
2.1. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU VƠ ĐỊNH HÌNH DẠNG
BĂNG VÀ DÂY ............................................................................................. 74
2.1.1. Phương pháp chế tạo vật liệu dạng băng vơ định hình ........................ 75
2.1.2. Phương pháp chế tạo vật liệu dạng dây vơ định hình .......................... 76
2.2. NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU
BĂNG VÀ DÂY VƠ ĐỊNH HÌNH NỀN Co ............................................... 77
2.2.1. Ủ nhiệt thơng thường ............................................................................ 77
2.2.2. Khảo sát hiệu ứng GMI trên vật liệu dạng băng và dây vơ định hình . 77
2.3. CHẾ TẠO HẠT NANO ÔXIT SẮT TỪ Fe3O4 BẰNG PHƯƠNG
PHÁP PHÂN HỦY TỪ TIỀN CHẤT HỮU CƠ ........................................ 78
2.4. KHẢO SÁT ĐỘ NHẠY TỪ TRƯỜNG CỦA VẬT LIỆU DẠNG
BĂNG (DÂY) NỀN Co XÁC ĐỊNH TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HỆ HẠT
NANO Fe3O4 .................................................................................................. 80
2.5. CÁC PHÉP ĐO SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CÁC HỆ MẪU BĂNG,
DÂY TỪ VƠ ĐỊNH HÌNH VÀ HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4 ......... 83
2.5.1. Nhiễu xạ tia X ........................................................................................ 83
2.5.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................................. 84
2.5.4. Phép đo phổ EDS ................................................................................. 85
2.5.5. Hệ đo các tính chất vật lý...................................................................... 86
2.5.6. Từ kế mẫu rung ..................................................................................... 87
2.5.7. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ........................................................ 88
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .............................................................................. 90

2

CHƯƠNG 3. CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ CHO VẬT LIỆU VƠ ĐỊNH
HÌNH DẠNG BĂNG DÂY NỀN Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP Ủ NHIỆT91
3.1. CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ MỀM CỦA VẬT LIỆU VƠ ĐỊNH
HÌNH DẠNG BĂNG CHỨA COBAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP Ủ
NHIỆT ............................................................................................................ 91
3.1.1. Tính chất cấu trúc, thành phần, hình thái học bề mặt băng vô định hình
nền Co ............................................................................................................. 91
3.1.2. Tính chất từ băng vơ định hình nền Co................................................. 94
3.1.3. Tính chất từ tổng trở của băng vơ định hình nền Co ........................... 96
3.2. CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ MỀM CỦA DÂY TỪ NỀN COBAN
BẰNG PHƯƠNG PHÁP Ủ NHIỆT........................................................... 103
3.2.1. Tính chất cấu trúc, thành phần và hình thái bề mặt .......................... 103
3.2.2. Tính chất từ ......................................................................................... 105
3.2.3. Tính chất từ tổng trở ........................................................................... 107
CHƯƠNG 4. PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG YẾU TẠO RA BỞI HỆ HẠT
NANO TỪ TÍNH Fe3O4 BẰNG CẢM BIẾN TỪ GMI SỬ DỤNG BĂNG
VÀ DÂY TỪ NỀN Co LÀM THÀNH PHẦN CHÍNH ............................ 119
4.1. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4 ......... 120
4.1.1. Tính chất cấu trúc ............................................................................... 120
4.1.2. Tính chất từ ......................................................................................... 121
4.2. PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HẠT NANO Ơ XÍT SẮT TỪ
BẰNG CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ SỬ DỤNG BĂNG TỪ NỀN Co
LÀM THÀNH PHẦN CHÍNH ................................................................... 124
4.3. PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HẠT NANO Ơ XÍT SẮT TỪ
BẰNG CẢM BIẾN TỪ SỬ DỤNG DÂY TỪ NỀN Co LÀM THÀNH
PHẦN CHÍNH ............................................................................................. 129
4.4. XÁC ĐỊNH TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỒI QUI TUYẾN TÍNH ................................. 133

3


KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................ 142
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 143
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ .................. 144
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.................................................................... 144

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng giá trị cực đại gần đúng của độ biến thiên ΔR/R (%), ΔX/X (%) ,
ΔZ/Z (%) theo từ trường của dây từ Co69,25Fe4,25Si13B13,5 chưa ủ và đã ủ nhiệt trong
20 phút ở các tần số 20 MHz (a-c), 100 MHz (d-e) và 300 MHz (g-i). ....................27
Bảng 1.2: Bảng giá trị của độ biến thiên cực đại R (ΔR/R(%)); X (ΔX/X(%)) và Z
(ΔZ/Z(%)) của mẫu băng từ vơ định hình nền Fe trong dải tần số cao ở tần số 100,
400, 900 MHz............................................................................................................29
Bảng 1.3. Bảng giá trị độ từ giảo bão hòa (λS) và giá trị tỉ số [Z/Z]max(%) ở tần số
đo f  100KHz và cường độ dòng điện I  5mA đối với mẫu (Co1-xFex)70Si12B18 . ..35
Bảng 1.4. Bảng so sánh các loại cảm biến ...............................................................36
Bảng 1.5: Độ lớn khoảng cách giữa các ion kim loại, hằng số mạng a (Å), tham số
ôxi u (u=3/8, đặc trưng cho độ dịch chuyển của ion ôxi khỏi mạng lý tưởng ) . .....56
Bảng 1.6. Bảng giá trị tham số đặc trưng tính chất từ của MFe2O4 (M= Fe, Co, Ni) .
...................................................................................................................................57
Bảng 1.7: Bảng thống kê sự phụ thuộc kích thước hạt nano ơxit săt từ theo lượng
chất hoạt động bề mặt (mmol) và thể tích dung môi Benzyl ether (ml) . .................72
Bảng 4.1. Xác định độ biến thiên giá trị R (hay  R ) và giá trị từ trường yếu (Hstray)
ứng với các khối lượng hạt nano từ tính khác nhau. ..............................................139

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ đo từ tổng trở của vật dẫn...........................................................21
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của độ thấm sâu (δm) và độ từ thẩm trịn (ngang)µT (a)
vào từ trường ngồi (HDC) của mẫu dây từ (b) và băng từ (c). ............................24
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của độ biến thiên ΔR/R(%), ΔX/X(%) , ΔZ/Z(%) theo từ
trường của dây từ Co69,25Fe4,25Si13B13,5 chưa ủ và đã ủ nhiệt trong 20 phút ở các
tần số 20 MHz (a-c), 100 MHz (d-e) và 300 MHz (g-i) ........................................26
Hình 1.4: Sự phụ thuộc của tỉ số ΔR/R (a), ΔX/X (b), và ΔZ/Z (c) theo từ trường
kích thích HDC tại các tần số 100 MHz, 400 MHz, 900 MHz và giá trị cực đại của
tỉ số ΔR/R(d) , ΔX/X (e), và ΔZ/Z (f) trong dải tần số từ 100 - 1000 MHz của mẫu
không phủ (không tô đậm) và đã được phủ Co (tô đậm) của vật liệu
(Fe50Ni50)81Nb7B12 được phủ lớp Co ......................................................................28
Hình 1.5: Sự phụ thuộc của từ trường dị hướng Hk theo tần số đo được xác định
dựa vào đỉnh của các đường cong ΔR/R (a), ΔX/X (b), ΔZ/Z (c) theo từ trường
một chiều HDC. .......................................................................................................30
Hình 1.6: Ảnh minh họa ứng dụng cảm biến từ tổng trở trong phát hiện tế bào
ung thư dạ dày thông qua các hạt từ tính . ............................................................42
Hình 1.7. Mơ phỏng cấu trúc đơmen ngang của băng từ vơ định hình nền Co . ..44
Hình 1.8. Cấu trúc đơmen băng từ Co69Fe4Ni1Mo2B12Si12 ..................................44
Hình 1.9. Cấu trúc đơmen của dây vơ định hình nền Co. .....................................46
Hình 1.10. Ảnh kính hiển vi điện tử từ lực ba chiều (MFM 3D) hình thái bề mặt
của dây vơ định hình nền Co ................................................................................46
Hình 1.11. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ nền Fe khi ủ ở các nhiệt độ khác
nhau ......................................................................................................................49
Hình 1.12. Cấu trúc tinh thể và cấu hình spinel của Fe3O4 .................................53
Hình 1.13: Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano ơxit sắt từ Fe3O4 ............................54
Hình 1.14: Cấu hình sắp xếp ion kim loại trên hai phân mạng A và B tương ứng

với vị trí phân mạng tứ diện và bát diện. Vòng tròn lớn là ion ơxi ......................56
Hình 1.15: Trường khử từ trong mẫu có dạng ellipsoid trịn xoay .....................59
Hình 1.16: Hệ tọa độ cho quá trình đảo từ trong một hạt đơn đômen . ...............62

6


Hình 1.17: Sơ đồ hàng rào năng lượng cho một hạt có dị hướng đơn trục khi
khơng có từ trường ngồi (trái) và khi có từ trường đặt vào (phải). ....................63
Hình 1.18: Đồ thị mơ tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt .......65
Hình 1.19: Mơ hình với cấu trúc lõi vỏ của một hạt nano từ . .............................66
Hình 1.20: Sơ đồ khối của phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 bằng phương
pháp phân hủy từ tiền chất hữu cơ. .......................................................................71
Hình 2.1. Phương pháp làm lạnh nhanh (Melt- spinning) chế tạo vật liệu băng
vô định hình và ảnh mẫu băng vô định hình (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 được chế tạo
theo phương pháp làm lạnh nhanh. .......................................................................75
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý (a), ảnh SEM của mẫu dây vô định hình nền Co chế
tạo bằng phương pháp rút nhanh từ thể lỏng (Melt-extraction) (b) .....................76
Hình 2.3: Quy trình xử lý nhiệt đối với vật liệu băng hoặc dây vô định hình nền
Co. ..........................................................................................................................77
Hình 2.4 : Thiết bị đo từ tổng trở của hệ vật liệu băng và dây từ vô định hình
trong dải tần số từ 100 - 1000 MHz. .....................................................................78
Hình 2.5: Hệ chế tạo hạt nano ơxit sắt bằng phương pháp phân hủy từ tiền chất
hữu cơ ....................................................................................................................79
Hình 2.6: Giản đồ xử lý nhiệt chế tạo hạt Fe3O4 ..................................................79
Hình 2.7: Hệ đo tín hiệu từ trường nhiễu loạn yêu của cảm biến từ trong trạng
thái khơng tiếp xúc. ................................................................................................81
Hình 2.8: Cấu hình đo từ trường của các hạt từ tính bằng cảm biến GMI sử
dụng băng (dây) từ nền Co. ...................................................................................82
Hình 2.9: Máy đo phổ nhiễu xạ tia X- Brüker AXS D8.........................................83

Hình 2.10: Máy đo ảnh SEM (JEOL JSM-6390LV SEM) ....................................84
Hình 2.11: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Morgagni Transmission
Electron Microscope FEI) với độ phân giải 16.7 Mpixel. ....................................85
Hình 2.12. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) tích hợp với phổ
kế tán sắc năng lượng tia X (EDS) và đầu dị huỳnh quang catơt (CL): JEOL
JSM-7600F (Mỹ). ...................................................................................................86
Hình 2.13: Hệ thống đo tính chất vật lý ( PPMS) .................................................87

7


Hình 2.14: Ảnh (a) và sơ đồ nguyên lý hoạt động (b) của từ kế mẫu rung (VSM).
...............................................................................................................................88
Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực ngun tử (AFM) ....89
Hình 2.16: Kính hiển vi lực ngun tử Veeco Dimension 3100 AFM. .................89
Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của băng vơ định hình (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 sau khi
ủ ở các nhiệt độ khác nhau. ...................................................................................92
Hình 3.2: Phổ EDS của mẫu băng vơ định hình (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4..................93
Hình 3.3. Ảnh AFM của hệ mẫu băng vơ định hình (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 chưa ủ
nhiệt (a) và ủ ở 100oC (b), 200oC (c), 350oC (d), 400oC (e), và 500oC (f). ..........93
Hình 3.4: Đường cong từ trễ M(H) của hệ mẫu băng vơ định hình sau khi ủ
nhiệt; hình nhỏ góc trái và phải tương ứng là hình phóng to đường cong từ trễ
trong khoảng từ trường từ -20  20 (Oe) và 0  2500 (Oe). .................................95
Hình 3.5: Sự thay đổi R theo tần số của hệ mẫu băng từ (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 ứng
với các nhiệt độ ủ khác nhau khi khơng có từ trường kích thích (H=0). ..............97
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của ΔR/R (%) theo từ trường ngoài của hệ mẫu băng từ
tại các tần số: a)100 MHz; b) 400 MHz; c)500 MHz; d) 600 MHz; e)800 MHz; f)
1000 MHz ứng với các nhiệt độ ủ khác nhau. .....................................................100
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của giá trị từ trường dị hướng (Hk) theo tần số ứng với
nhiệt độ ủ khác nhau. ...........................................................................................100

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của giá trị [ΔR/R] max (%) theo tần số tại các nhiệt độ ủ
khác nhau.tại các nhiệt độ ủ khác nhau……………………………………….

101

Hình 3.9: Sự phụ thuộc độ nhạy (  ) theo từ trường ngoài ở các nhiệt độ ủ khác
nhau tại tần số f = 500 MHz. ...............................................................................103
Hình 3.10: Sự phụ thuộc độ nhạy cực đại  max  theo tần số tại các nhiệt độ ủ
khác nhau. ............................................................................................................103
Hình 3.11: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu dây vô định hình Co68,2Fe4,3B15Si12,5 ủ tại
các nhiệt độ khác nhau. .......................................................................................104
Hình 3.12: Phổ EDS của mẫu dây vơ định hình Co68,2Fe4,3B15Si12,5. .................104
Hình 3.13: Ảnh SEM của mẫu dây vơ định hình tại các nhiệt độ ủ khác nhau: a)
chưa ủ, b) 100 oC, c) 200 oC, d) 350 oC, e) 400 oC, f) 450 oC. .............................105

8


Hình 3.14: Đường cong M(H) của hệ dây vơ định hình Co68,2Fe4,3B15Si12,5 trước
và sau khi ủ nhiệt; hình nhỏ góc trái là đường cong M(H) ứng với từ trường từ 0
đến 300 Oe. ..........................................................................................................107
Hình 3.15: Sự phụ thuộc của giá trị từ độ cực đại của mẫu dây từ
Co68,2Fe4,3B15Si12,5 theo nhiệt độ ủ. ......................................................................107
Hình 3.16: Sự phụ thuộc của R theo tần số của hệ mẫu dây vơ định hình
Co68,2Fe4,3B15Si12,5 khi khơng có từ trường ngồi (H=0) tại cácnhiệt độ ủ khác
nhau. ....................................................................................................................108
Hình 3.17. Sự phụ thuộc của ΔR/R (%) theo từ trường ngoài tại các tần số:
a)100 MHz; b) 300 MHz; c) 500 MHz; d) 600 MHz; e) 800 MHz; f) 1000 MHz
ứng với các nhiệt độ ủ khác nhau của mẫu dây từ Co68,2Fe4,3B15Si12,5 . ..............110
Hình 3.18: Sự phụ thuộc giá trị [ΔR/R] max theo tần số của mẫu dây từ

Co68,2Fe4,3B15Si12,5 tại các nhiệt độ ủ khác nhau. ................................................112
Hình 3.19: Sự phụ thuộc của độ nhạy theo từ trường của vật liệu dây từ
Co68,2Fe4,3B15Si12,5 trước và sau khi ủ tại các tần số: a) 200 MHz; b) 400 MHz;
.............................................................................................................................113
Hình 3.20: Sự phụ thuộc của độ nhạy từ theo từ trường kích thích đối với vật liệu
dây từ Co68,2Fe4,3B15Si12,5 được ủ ở 350 oC tại tần số 200 MHz. ........................114
Hình 3.21 : Sự phụ thuộc độ nhạy cực đại theo tần số của vật liệu dây từ
Co68,2Fe4,3B15Si12,5 tại các nhiệt độ ủ khác nhau (H = Hk ≈ 4,5 Oe). ...................115
Hình 3.22: Sự phụ thuộc độ nhạy cực đại theo tần số của vật liệu dây vơ định
hình nền Co (Co68,2Fe4,3B15Si12,5) tại các nhiệt độ ủ khác nhau .........................116
Hình 4.1: Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano từ tính Fe3O4 ..................................120
Hình 4.2: Biểu đồ phân bố phần trăm kích thước hạt theo đường kính hình góc
trái là ảnh TEM của hệ hạt Fe3O4 ......................................................................121
Hình 4.3: Đường cong ZFC - FC và hình nhỏ góc bên phải là đường cong M(H)
của mẫu hạt nano ơxit sắt Fe3O4. ........................................................................123
Hình 4.4: Sự phụ thuộc R theo tần số ứng với khối lượng hệ hạt nano từ tính khác
nhau; hình nhỏ bên trái là hình phóng to của R theo tần số ứng ........................125
Hình 4.5: Sự phụ thuộc của độ biến thiên của giá trị R theo tần số ...................126

9


Hình 4.6: Sự phụ thuộc của giá trị ΔR theo tần số và khối lượng hạt nano từ tính.
.............................................................................................................................127
Hình 4.7: Hình 2D mô tả sự phụ thuộc của giá trị ∆R theo tần số và khối lượng
hạt nano từ tính của băng từ (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4. .............................................128
Hình 4.8: Sự phụ thuộc của giá trị R theo tần số các mẫu hạt từ tính có khối
lượng khác nhau (hình nhỏ là phần phóng to trong khoảng tần số từ 300 - 600
MHz). ...................................................................................................................130
Hình 4.9: Sự phụ thuộc độ biến thiên của giá trị R theo tần số ứng với các khối

lượng hạt nano từ tính khác nhau. .......................................................................131
Hình 4.10: Hình 3D mơ tả sự phụ thuộc của giá trị ΔR của dây từ
Co68,2Fe4,3B15Si12,5.theo tần số và khối lượng hạt nano từ tính khác nhau. .........131
Hình 4.11: Hình 2D mô tả sự phụ thuộc của giá trị ∆R theo tần số và khối lượng
hạt nano từ tính khác nhau của dây từ Co68,2Fe4,3B15Si12,5. .................................132
Hình 4.12: Sự phụ thuộc của giá trị R theo tần số ứng với các hệ mẫu hạt nano từ
tính có khối lượng khác nhau dưới từ trường kích thích tương ứng:(a) 0 Oe; (b) 2
Oe; (c) 3,5 Oe. .....................................................................................................134
Hình 4.13: Sự phụ thuộc của giá trị R theo từ trường kích thích H

DC

tại tần số f

= 300 MHz. ..........................................................................................................135
Hình 4.14: Sự phụ thuộc từ trường kích thích chuẩn của giá trị R của dây vơ định
hình nền Co ..........................................................................................................136
Hình 4.15: Sự phụ thuộc của giá trị R của thành phần cảm biến vào khối lượng
mẫu hạt nano ơ xít sắt từ ứng với các từ trường kích thích khác nhau, (a) 0 Oe;
(b) 2Oe; (c) 3,5 Oe tại tần số 300 MHz. ..............................................................137
Hình 4.16: Sự phụ thuộc của ΔR (a), giá trị từ trường Hstray(b) theo khối lượng hệ
hạt nano Fe3O4 của mẫu dây vơ định hình. .........................................................140

10


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
A

Đơn vị đo cường độ dòng điện (Ampe)

AMR

Dị hướng từ điện trở

Aex

Hệ số tương tác trao đổi

AC

Xoay chiều

Alg

Alginate

AFM

Kính hiển vi lực nguyên tử

Cur

Curcumin

DC

Một chiều

DC

Đường kính giới hạn

DP

Hai đỉnh

EDS

Tán sắc năng lượng tia x

Ez

Điện trường theo phương z
Năng lượng từ giảo

f

Tần số

Fe(acac)3

Sắt acetylacetonat

FE-SEM

Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao

FC

Lạnh có từ trường

FG

Từ thông

FMR

Cộng hưởng sắt từ

GMI

Từ tổng trở khổng lồ

GMR

Từ điện trở khổng lồ

HDC

Cường độ từ trường một chiều

HAC

Cường độ từ trường xoay chiều

Hg

Cường độ Từ trường nền

Hp

Cường độ từ trường yếu

Hk

Cường độ từ trường dị hướng

Hmax

Cường độ từ trường cực đại

11


K

Nhiệt độ Kenvil

MFM

Kính hiển vi lực từ

N

Thừa số khử từ

N//

Thừa số khử từ theo phương song song

N

Thừa số khử từ theo phương vuông góc

nm

Nano mét

mW

Đơn vị đo của công suất (1mW =10-3W)

mOe

Đơn vị đo cường độ từ trường (1 Oe=10-3 Oe)

MHz

Đơn vị đo tần số (1MHz =106 Hz)

MPa

Đơn vị đo áp suất ((1MPa =106 Pa)

Ms

Từ độ bão hòa

Mmax

Từ độ cực đại

OA

Acid Oleic

OY

Oley lamin

PPMS

Hệ thống đo tính chất vật lý (Physical Property Measurement
System)

rC

Bán kính giới giạn

SQUID

Giao thoa kế siêu dẫn lượng tử

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

SI

Cảm biến cảm ứng

SD

Đơn đỉnh

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

Ta

Nhiệt độ ủ nhiệt

Tx

Nhiệt độ kết tinh

TC

Nhiệt độ Curie

ZFC

Lạnh khơng có từ trường

JA-B

Giá trị tích phân trao đổi của phân mạng A-B

JA-A

Giá trị tích phân trao đổi của phân mạng A-A

JB-B

Giá trị tích phân trao đổi của phân mạng B-B

12


 jz  q

Giá trị trung bình của mật độ dòng điện theo tiết diện q.

jz

Mật độ dòng điện theo phương z

αg

Hệ số dập tắt Gillbert

ω

Tần số góc dòng điện xoay chiều

ωo

Tần số cộng hưởng sắt từ



Độ từ thẩm tròn

T

Độ từ thẩm ngang

o

Độ từ thẩm trong chân không

σ

Độ dẫn điện



Hệ số từ hồi chuyển

ΔR/R

Tỉ số biến thiên phần thực của tổng trở

[ΔR/R]max

Giá trị cực đại của tỉ số biến thiên phần thực

R(H)

Giá trị phần thực của tổng trở tại từ trường H

ΔX/X

Tỉ số biến thiên phần ảo của tổng trở

[ΔX/X]max

Giá trị cực đại của tỉ số biến thiên phần ảo

X(H)

Giá trị phần ảocủa tổng trở tại từ trường H

ΔZ/Z

Tỉ số biến thiên của tổng trở

[ΔZ/Z]max

Giá trị cực đại của tỉ số biến thiên tổng trở

Z(H)

Giá trị tổng trở tại từ trường H

13

MỞ ĐẦU
Hiện nay cảm biến từ được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, công nghiệp và y
sinh, như bộ ghi từ mật độ cao, bảo mật, thiệt bị chống trộm, nghiên cứu không
gian, đo đạc bản đồ trắc địa, thiết bị đo từ trường trên tầu vũ trụ và thiết bị cảm biến
đo đạc trên cơ thể người [58, 127]. Nhiều cảm biến từ đã và đang được nghiên cứu
và ứng dụng mạnh mẽ, như cảm biến cảm ứng từ, cảm biến Hall, cảm biến
Fluxgate, cảm biến từ điện trở khổng lồ hoạt động dựa vào hiệu ứng từ điện trở
khổng lồ (hiệu ứng GMR) hoặc cảm biến từ trong thiết bị giao thoa siêu dẫn lượng
tử (SQUID) [83, 87, 103]. Cảm biến từ dùng để chuyển đổi từ tín hiệu từ trường
sang tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Độ nhạy của cảm biến từ đóng vai trò
quyết định trong việc xác định phạm vi hoạt động và khả năng ứng dụng thực tiễn
của nó. Ví dụ cảm biến từ trong thiết bị SQUID với độ nhạy rất nhỏ 10-10 Oe đang
được sử dụng để đo sự thay đổi của từ trường nhỏ trong các hệ y sinh học [42]. Cảm
biến FG và cảm biến từ điện trở khổng lồ (cảm biến GMR) với độ nhạy khoảng 10-6
Oe được sử dụng để đo từ trường của trái đất. Cảm biến Hall với độ nhạy thấp từ 1
đến 106 Oe được ứng dụng trong bộ nhớ từ khơng tiếp xúc và đo dịng điện. Khi so
sánh các loại cảm biến hiện tại, cảm biến GMR có giá thành thấp nhất, tổn hao nhỏ,
độ nhạy của cảm biến này khá nhỏ (cỡ 1-10 %/Oe) [102]. Hiện nay việc kết hợp
công nghệ cảm biến từ và các vật liệu từ kích thước nano mét đã mở ra một giải
pháp mới trong các ứng dụng kỹ thuật, công nghiệp và y sinh nhằm chẩn đoán sớm
tế bào bệnh và phát hiện các phân tử sinh học [118]. Trong những vật liệu từ kích
thước nano mét ứng dụng nhiều trong y sinh, hạt nano ôxit sắt Fe3O4 đã và đang thu
hút rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học. Các nghiên cứu cho thấy các hạt
nano từ tính Fe3O4 có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực y sinh [36, 111, 118].
Một trong những ứng dụng của hạt nano Fe3O4 đó là dẫn truyền thuốc. Trong ứng
dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ
trường để hạt nano cố định tại vị trí xác định trong một thời gian đủ dài để thuốc có
thể khuếch tán vào các vị trí mong muốn trong cơ thể. Bên cạnh đó, hạt nano Fe3O4
có thể làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ, tăng thân nhiệt cục bộ
(dưới tác dụng của một nguồn từ trường xoay chiều) để tiêu diệt tế bào ung thư. Tuy

14


nhiên hiện nay do những yêu cầu về an toàn y tế, các nghiên cứu điều trị bệnh bằng
phương pháp đưa hạt nano từ tính Fe3O4 vào cơ thể người chưa được ứng dụng rộng
rãi trong thực tiễn [36]. Chính vì vậy những ứng dụng của hạt nano Fe3O4 ở bên
ngoài cơ thể nhằm phát hiện tế bào bệnh hoặc các phân tử sinh học được ưu tiên
(thông qua gắn kết đặc trưng giữa các hạt nano từ tính với các tế bào bệnh hoặc
phân tử sinh học). Việc phát hiện sự tồn tại của các tế bào bệnh hoặc các phân tử
sinh học dựa trên cơ sở phát hiện sự tồn tại của từ trường nhiễu loạn yếu do hệ hạt
nano từ tính tạo ra bằng cảm biến từ. Do đó cảm biến từ phải có độ nhạy cao và
thuận tiện khi nó hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ phòng.
Gần đây việc phát triển loại cảm biến từ tổng trở (cảm biến từ GMI) hoạt
động dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magneto-impedance effect: hiệu ứng
GMI) đã và đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Cảm biến từ GMI có độ
nhạy rất cao tương đương độ nhạy của thiết bị SQUID và hoạt động ở nhiệt độ
phòng [11, 83]. Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) có bản chất là sự
thay đổi lớn tổng trở Z của vật liệu từ mềm khi có dòng xoay chiều chạy qua, vật
liệu được đặt trong một từ trường ngoài một chiều (DC) dọc theo vật dẫn. Vật liệu
được sử dụng và nghiên cứu là vật liệu từ vơ định hình nền Co hoặc vật liệu từ nano
tinh thể nền Fe [11]. Thông thường, vật liệu từ nano tinh thể nền Fe được tạo thành
từ vật liệu vơ định hình nền Fe, sau đó tiến hành ủ nhiệt đến nhiệt độ kết tinh, ở
trạng thái kết tinh độ từ thẩm ngang của vật liệu từ mềm nền Fe sẽ được cải thiện,
do đó tỉ số GMI (gồm ΔR/R, ΔX/X, ΔZ/Z) sẽ tăng vọt. Tuy nhiên khi ủ đến nhiệt độ
kết tinh, tính chất cơ của vật liệu sẽ bị suy giảm mạnh [67]. Bên cạnh vật liệu từ
mềm nền Fe, vật liệu băng hoặc dây từ mềm nền Co có điểm ưu việt hơn, do đặc
trưng thành phần các chất hóa học của vật liệu và quá trình chế tạo mẫu, tạo cấu
trúc đômen ngang đặc biệt nên vật liệu từ mềm nền Co ở trạng thái vơ định hình có
tính chất cơ tốt hơn vật liệu từ nền Fe khi ở trạng thái kết tinh. Vật liệu băng hoặc
dây từ nền Co có cấu trúc đơmen ngang đặc biệt, độ từ thẩm ngang cao nên tỉ số

GMI có giá trị lớn [6, 120]. Năm 2003, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Nguyễn
Hồng Nghị đã tiến hành nghiên cứu tính chất mẫu băng từ vơ định hình nền Co
được chế tạo theo phương pháp làm lạnh nhanh, độ nhạy từ trường của vật liệu băng
15


nền Co này làm thành phần chính của cảm biến đạt khoảng 1,22 mV/Oe với giá trị
cực đại của tỉ số GMI đạt khoảng 50% tại tần số khoảng 18 MHz, trong từ trường
kích thích một chiều khoảng 56 Oe [99]. Năm 2007, Tiến sĩ Lê Anh Tuấn cùng các
cộng sự đã cải thiện độ nhạy từ của cảm biến từ tổng trở trên vật liệu dây từ vơ định
hình nền Co, bằng cách sử dụng dây từ nền Co là thành phần chính của mạch cộng
hưởng LC hoạt động trong dải tần số cao từ 100MHz đến 600 MHz. Kết quả cải
thiện tỉ số GMI trong nghiên cứu này đạt giá trị rất cao, khoảng 400000% tại tần số
518,51 MHz [7]. Hiện nay việc kết hợp vật liệu băng (hoặc dây) từ mềm vơ định
hình nền Co với các hạt nano từ tính (Fe3O4) có thể tạo ra một hệ cảm biến sinh học
lý tưởng. Thiết bị cảm biến sinh học đầu tiên dựa trên sự kết hợp hiệu ứng từ tổng
trở (GMI) và các hạt nano từ tính được đề xuất và chế tạo bởi Kurlyskaya và các
cộng sự vào năm 2003 [41]. Ngoài ra, với việc sử dụng các mẫu băng hoặc dây vơ
định hình nền Co kích thước micro mét, Chiriac cùng các cộng sự cũng đã thiết kế
thành công thiết bị cảm biến GMI, cho phép phát hiện các phân tử sinh học (ví dụ:
DNA, RNA, kháng thể, …) liên kết với các hạt nano từ tính [50]. Cảm biến từ GMI
đã thể hiện khả năng phát hiện các tế bào ung thư và các phân tử sinh học thông qua
việc chức năng hóa bề mặt của các hạt nano từ tính với các phân tử hữu cơ, tạo điều
kiện cho các tế bào gây bệnh và các phân tử sinh học kết nối với các hạt nano từ (ví
dụ: kết hợp các hạt nano Fe3O4 với Alginate (Alg) và Curcumin (Cur)) theo quy tắc
bắt cặp kháng nguyên kháng thể [57]). Những nghiên cứu gần đây về cảm biến từ
tổng trở (GMI) chủ yếu tập trung trong dải từ trường tần số thấp (khoảng dưới 20
MHz trở xuống), trong dải tần số này tỉ số GMI thường có giá trị cao cỡ vài trăm
phần trăm, và có xu hướng bị giảm xuống nếu tần số đo tăng dần. Tuy nhiên ở tần
số cao (khoảng trên 100 MHz) do ảnh hưởng của dịng xốy xuất hiện bên trong vật

dẫn nên độ thấm sâu bề mặt bị giảm mạnh, hiệu ứng GMI chủ yếu xảy ra trên bề
mặt với giá trị tỉ số GMI khá lớn nên độ nhạy từ của cảm biến có giá trị đáng kể
[82]. Để cải thiện giá trị tỉ số GMI hoặc độ nhạy từ của vật liệu băng và dây từ mềm
vơ định hình trong dải tần số cao, vật liệu có thể được ủ ở nhiệt độ và thời gian
thích hợp để giảm ứng suất dư do quá trình chế tạo mẫu hình thành, đồng thời sẽ
duy trì trạng thái vơ định hình của hệ vật liệu [68, 70, 83, 105]. Trong nghiên cứu
16


này chúng tơi tiến hành cải thiện tính chất từ mềm, nâng cao độ nhạy từ của vật liệu
băng và dây từ mềm vơ định hình nền Co trong dải tần số cao từ 100 -1000 MHz
bằng cách ủ nhiệt vật liệu trong điều kiện nhiệt độ và thời gian thích hợp. Độ nhạy
của cảm biến từ sử dụng vật liệu băng hoặc dây từ nền Co làm thành phần chính sẽ
được minh chứng bởi khả năng phát hiện từ trường do nguồn từ trường nhiễu loạn
yếu tạo ra. Trong đó, hệ hạt nano từ tính ơxit sắt từ Fe3O4 là mẫu nguồn từ trường
để tạo ra từ trường nhiễu loạn yếu đó. Trên cơ sở tính chất từ đặc biệt của vật liệu
băng từ và dây từ vô định hình nền Co (đặc tính từ mềm và dị hướng từ) cùng với
tính chất siêu thuận từ của các hạt nano từ tính Fe3O4 và tính cấp thiết ứng dụng
thực tiễn trong việc chế tạo cảm biến phát hiện từ trường yếu ứng dụng trong lĩnh
vực kỹ thuật, công nghiệp và y sinh, tôi đã lựa chọn và thực hiện đề tài luận án:
“Nghiên cứu tính chất của băng và dây vô định hình từ mềm nền Coban nhằm ứng
dụng làm cảm biến từ tổng trở (GMI) đo từ trường yếu của các hạt nano từ”.


Mục tiêu của luận án



Nghiên cứu tính chất của hệ vật liệu vơ định hình dạng băng và dây

nền Fe, Co trong dải tần số cao từ 100 MHz đến 1000 MHz. Trên cơ sở đó lựa chọn
vật liệu băng từ có thành phần (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 được chế tạo theo phương pháp
trống quay làm lạnh nhanh (melt-spinning) và vật liệu dây từ vơ định hình nền Co
có cơng thức thành phần Co68,2Fe4,3B15Si12,5 được chế tạo theo phương pháp rút
nhanh từ thể lỏng (Melt-Extraction). Dựa trên cơ sở kết quả nghiên cứu trước đây
về tính chất chung của hệ vật liệu băng và dây từ vô định hình nền Co và nền Fe ở
trong dải tần số thấp dưới 13 MHz sẽ tiến hành mở rộng phạm vi nghiên cứu các hệ
vật liệu trên trong dải tần số cao từ 100 - 1000 MHz. Các hệ vật liệu sẽ được cải
thiện tính chất từ mềm, nâng cao tỉ số GMI và tăng độ nhạy từ trường thấp bằng
phương pháp ủ nhiệt trong thời gian ngắn và nhiệt độ không cao.


Xác định điều kiện hoạt động tốt nhất (từ trường một chiều kích thích

và tần số đo) cho cảm biến từ tổng trở (cảm biến GMI) sử dụng băng từ và dây từ
nền Co làm thành phần chính để phát hiện từ trường nhiễu loạn yếu do các hạt nano
Fe3O4 tạo ra ở khoảng cách xác định. Trên cơ sở đó dùng cảm biến từ GMI trên xác
định từ trường nhiễu loạn yếu do hệ hạt nano từ tính Fe3O4 tạo ra bằng phương
17


pháp hồi qui tuyến tính.


Phương pháp nghiên cứu của luận án

Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phương pháp tính tốn.


Khảo sát các đặc trưng cấu trúc, tính chất của mẫu băng và dây vơ

định hình bằng các thiết bị: nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM),
kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), phổ tán sắc năng lượng (EDS), từ kế mẫu rung
(VSM).


Khảo sát hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI dùng thiết bị: HP 4191A,

sử dụng cuộn Hemholt tạo từ trường trong khoảng từ -120 Oe đến +120 Oe. Sử
dụng dòng điện xoay chiều có tần số cao biến thiên liên tục từ 100 MHz đến 1000
MHz.


Thực nghiệm chế tạo mẫu hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 bằng phương

pháp phân hủy từ tiền chất hữu cơ. Khảo sát đo đạc các đặc trưng, tính chất cấu
trúc, tính chất hình dạng và tính chất từ của hệ hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 đã chế
tạo bằng các phép đo : XRD, TEM, VSM, PPMS.


Dùng cảm biến từ GMI với thành phần chính là băng và dây từ vơ

định hình nền Co, kết hợp phương pháp hồi qui tuyến tính để xác định từ trường
yếu của hệ hạt nano từ tính Fe3O4 với các khối lượng khác nhau trong dải tần số cao
từ 100 - 1000 MHz


Cách tiếp cận trong quá trình nghiên cứu:
Vận dụng hợp lý các kết quả nghiên cứu, các kết quả thực nghiệm đã

công bố của các tác giả khác để tiến hành thực nghiệm, phân tích đánh giá kết quả
thu được.


Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa trong việc định hướng cho sự phát triển cảm
biến từ trên nền vật liệu băng từ hoặc dây từ vô định hình nền Co để phát hiện từ
trường yếu nhằm ứng dụng trong kỹ thuật, cơng nghiệp và y sinh.


Đóng góp mới của luận án



Luận án đã tiến hành cải thiện được tính chất từ mềm và tăng độ nhạy

cho vật liệu băng (dây) từ mềm vơ định hình nềnCo hoạt động trong dải tần số cao
18


từ 100 MHz  1000 MHz bằng phương pháp ủ nhiệt thơng thường.


Xác định được điều kiện kích thích thích hợp (gồm từ trường một

chiều và tần số dòng điện xoay chiều) để tăng độ nhạy của cảm biến từ GMI sử
dụng băng và dây từ vơ định hình nền Co trong dải tần số từ 100  1000 MHz.


Sử dụng cảm biến từ GMI dùng dây từ mềm vô định hình nền Co để

xác định được từ trường yếu của hạt nano Fe3O4 .


Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận án được chia thành
04 chương chính với nội dung cụ thể các chương như sau:
Chương 1. Tổng quan


Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (hiệu ứng GMI):

Nghiên cứu về bản chất của hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI), sự phụ
thuộc giá trị biến thiên tổng trở (giá trị tỉ số GMI) của vật dẫn từ theo: độ thấm sâu,
từ trường kích thích một chiều, cường độ dịng điện xoay chiều, tần số của dòng
điện xoay chiều, nhiệt độ đo, cấu hình vật liệu (chiều dài, độ dày, độ nhám bề mặt)
và quá trình ủ mẫu. Đặc biệt nghiên cứu đã xác định được thành phần thực của tổng
trở (R) là yếu tố đóng góp chính đến sự thay đổi tổng trở (Z) xảy ra trên lớp bề mặt
của vật liệu băng và dây sắt từ mềm trong dải tần số cao từ 100  1000 MHz.


Vật liệu băng và dây từ mềm vơ định hình:

Nghiên cứu tính chất từ (cấu trúc đơmen, tính chất từ trễ, độ từ thẩm), tính
chất cơ, tính chất điện, ứng dụng của vật liệu băng và dây sắt từ mềm vô định hình.


Về vật liệu từ Fe3O4:

Nghiên cứu về tính chất cấu trúc, tính chất từ (đơmen từ, dị hướng từ), tương
tác từ, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng bề mặt, ứng dụng và các phương pháp chế tạo
của hạt nano từ tính ơxít sắt từ Fe3O4.
Chương 2. Thực nghiệm


Phương pháp chế tạo vật liệu băng từ và dây từ mềm vô định hình.



Nghiên cứu khả năng cải thiện tính chất từ mềm của vật liệu băng từ

và dây từ mềm vô định hình chứa Co

19




Chế tạo hạt nano ôxit sắt từ Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy từ tiền

chất hữu cơ


Khảo sát độ nhạy từ trường của vật liệu dạng băng (dây) nền Co, xác

định từ trường yếu của hệ hạt nano Fe3O4


Các phép đo sử dụng các hệ mẫu băng từ, dây từ mềm vơ định hình và

hệ hạt nano từ tính ơxit sắt từ Fe3O4
Chương 3. Cải thiện tính chất từ mềm của vật liệu vơ định hình dạng
băng và dây chứa Coban bằng phương pháp ủ nhiệt
Nghiên cứu khảo sát sự phụ thuộc của tính chất cấu trúc, hình thái, tính chất
từ, tính chất từ tổng trở, độ nhạy từ của vật liệu vơ định hình dạng băng (hoặc dây)
chứa Co theo nhiệt độ ủ và từ trường một chiều trong dải tần số từ 100  1000 MHz.
Từ đó nghiên cứu xác định được điều kiện nhiệt độ ủ, từ trường một chiều thích hợp
để nâng cao độ nhạy từ của vật liệu băng và dây từ trong dải tần số cao từ 100
 1000 MHz và lựa chọn vật liệu làm thành phần chính của cảm biến từ GMI đo từ

trường yếu.
Chương 4. Nghiên cứu khả năng phát hiện từ trường yếu tạo ra bởi hệ hạt
nano từ tính Fe3O4 bằng cảm biến từ tổng trở sử dụng băng từ và dây từ nền Co làm
thành phần chính.


Tiến hành nghiên cứu tính chất cấu trúc, kích thước, hình thái, tính

chất từ, của hệ hạt nano từ tính Fe3O4 đã được chế tạo theo phương pháp phân hủy
từ tiến chất hữu cơ.


Sử dụng vật liệu băng từ (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 và dây từ

Co68,2Fe4,3B15Si12,5 đã được ủ nhiệt, có độ nhạy tốt nhất để làm thành phần chính của
cảm biến từ phát hiện từ trường yếu của hệ hạt nano từ tính Fe3O4.


Sử dụng cảm biến GMI dùng dây từ Co68,2Fe4,3B15Si12,5 làm thành

phần chính để đo từ trường yếu do hệ hạt nano từ tính Fe3O4 tạo ra. Giá trị của từ
trường yếu được xác định cụ thể theo khối lượng của hệ hạt nano từ tính Fe3O4
bằng phương pháp hồi qui tuyến tính.
Kết luận chung
Tài liệu tham khảo
20


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Nguyên tắc hoạt động của cảm biến từ tổng trở (cảm biến GMI) để xác định
từ trường nhiễu loạn yếu dựa vào hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) xảy
ra trên các họ vật liệu băng và dây từ nền Fe hoặc Co. Trong chương này chúng tơi
tìm hiểu hiệu ứng GMI, nghiên cứu các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI.
Đặc biệt trên cơ sở lý thuyết về sự ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều trên
vật liệu sắt từ mềm vơ định hình nền Fe, Co xác định các yếu tố chính đóng góp đến
sự thay đổi của tổng trở, giá trị của tỉ số GMI, độ nhạy từ của vật liệu trong dải tần
số cao từ 100 - 1000 MHz. Kết hợp với nghiên cứu tổng quan về vật liệu ôxit sắt từ,
chúng tôi chọn vật liệu phù hợp cho nghiên cứu trong luận án này.
1.1. HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỔ (HIỆU ỨNG GMI)
1.1.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI)
Xét một vật dẫn sắt từ đặt trong từ trường một chiều HDC, khi một dòng điện
xoay chiều iac có cường độ nhỏ chạy qua một vật dẫn sắt từ, tổng trở (Z) của vật dẫn
sẽ thay đổi. Hình 1.1 là sơ đồ đo tổng trở của vật dẫn từ tính mang dịng điện xoay
chiều dưới tác dụng của từ trường một chiều HDC [83].

Hình 1.1. Sơ đồ đo từ tổng trở của vật dẫn
Hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) được định nghĩa là sự thay đổi lớn
tổng trở của vật dẫn khi có dòng điện xoay chiều cường độ nhỏ chạy qua, trong từ

trường một chiều đặt dọc theo vật dẫn.
Tổng trở Z (H) của vật dẫn được xác định :

21