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 vào nhiệt độ. .................................................. 11
Hình 1.8. (a) Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của
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
1
từ trƣờng ngoài. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu tổ hợp chủ yếu hiện nay là
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
2
Kết luận
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 , giá trị nhỏ (cỡ 10-5- 10-3). phụ thuộc vào nhiệt độ,
sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie: , (Trong đó: C là hằng số
Curie, T là nhiệt độ tuyệt đối)
3
Hình 1.1. Sự phụ thuộc của χ-1 vào nhiệt độ
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:
4
- Mômen từ nguyên tử.
- 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 (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,
5
(b) Sự phụ thuộc của vào nhiệt độ.
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 và , lớn gấp nhiều lần
so với các chất nghịch từ khác. Do đó độ thẩm điện môi của môi trƣờng μ < 1,
6
độ từ cảm χ < 0.
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 , 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
7
xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là
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
8
một giá trị từ độ gọi là từ dƣ Mr. Giá trị Mr/MS còn thể hiện thông tin về tính
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>Tc chất trở
thành chất thuận từ, T 9 nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ. Tc là một thông số đặt trƣng cho chất. 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.
, giá trị không lớn lắm (cỡ 10-4 đến 1), có từ tính Là vật liệu từ có 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 10 từ là tƣơng tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song với nhau. 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 vào nhiệt độ. Nhiệt độ Néel (TN): Là đại lƣợng đặc trƣng của vật liệu phản sắt từ (cũng 11 giống nhƣ nhiệt độ Curie trong chất sắt từ) là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản 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 , giá trị tƣơng đối lớn. Khi chƣa có từ trƣờng và T Vì 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 ì các đặc trƣng nhƣ vật liệu sắt từ: từ trễ, nhiệt độ trật tự từ (nhiệt độ Curie), từ n h 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 1 . thế, có một nhiệt độ mà tại đó mômen từ tự phát của 2 phân mạng bị bù trừ 5 12 nhau gọi là "nhiệt độ bù trừ". a 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. Hình 1.8. (a) Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của vào nhiệt độ. Hình 1.9. Sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt độ đặc biệt: 13 Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ. 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 14 tuỳ theo mức độ tƣơng tác của chúng với mômen từ (mômen spin). Các vật 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: (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 15 hoặc dạng băng mỏng. 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: 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 17 cấu trúc tinh thể trực thoi) và PbTiO3 (một chất sắt điện có cấu trúc Perovskite tứ giác). PZT có cấu trúc tinh thể dạng Perovskite với các ion Ti4+ và Zr4+ đóng vai trò là ion B một cách ngẫu nhiên. Hiệu ứng áp điện xuất hiện ở vật liệu Perovskite có đƣợc là do sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể (hình 1.14). Hình 1.14. Sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể Perovskite khi có điện trường ngoài Khi có điện trƣờng ngoài, các ion Zr4+/Ti4+ và Pb2+ dịch chuyển theo
phƣơng điện trƣờng và ngƣợc lại thì ion O2- bị dịch chuyển theo phƣơng ngƣợc với điện trƣờng. Hiện tƣợng này làm thay đổi khoảng cách giữa các ion và dẫn đến sự biến dạng của vật liệu và đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. Ngƣợc lại, khi có tác động cơ học bên ngoài làm biến dạng vật liệu sẽ dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa các ion và làm thay đổi mômen lƣỡng cực và sự phân cực điện trong tinh thể. Tƣơng ứng với điều này là sự xuất hiện một điện trƣờng thứ cấp trong vật liệu và đƣợc gọi là hiện tƣợng áp điện thuận. Từ đầu thế k 21 đến nay, các vật liệu có cấu trúc Perovskite (BaSrO3, PbTiO3, Pb(ZnxTi1-x)O3) đã đƣợc nhiều nhà khoa học hàng đầu thế giới quan tâm nghiên cứu do chúng có hiệu ứng áp điện và độ phân cực tự phát lớn. Không chỉ dừng lại ở các nghiên cứu cơ bản, vật liệu áp điện PZT còn đƣợc tập trung nghiên cứu ứng dụng và đặc biệt là đã đƣợc nhiều công ty phát triển 18 thành các sản phẩm thƣơng mại. Một số ứng dụng rất thành công của vật liệu áp điện phải kể đến nhƣ thiết bị cảm biến và tích hợp chúng trên các vi mạch hoặc các mạch số [12,17]. 1.5. Hiệu ứng từ - điện Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài (H) gọi là hiệu ứng từ - điện hay ngƣợc lại, vật liệu bị từ hóa dƣới tác dụng của điện trƣờng. Đây là một hiệu ứng tích của hai hiệu ứng: hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng điện và đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ - điện E = dE/dH (hình 1.15) Hình 1.15. Mô tả hiệu ứng từ điện Hiệu ứng từ - điện thƣờng đƣợc quan sát thấy trên các vật liệu Multifrroic tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Trong số các vật liệu từ - điện đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng phải kể đến vật liệu gồm hai pha từ giảo và áp điện. Hình 1.16. Vật liệu tổ hợp áp điện/từ giảo Nếu đặt vật liệu trong từ trƣờng, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cƣỡng bức, 19 tạo ra một ứng suất cơ học tác động chặt chẽ lên pha áp điện, làm pha áp điện bị phân cực điện cảm ứng nghĩa là tạo ra trên hai bề mặt của pha áp điện những điện tích trái dấu hay trong lòng vật liệu có một điện trƣờng. Nếu nối ra mạch ngoài ta sẽ đƣợc một thế hiệu một chiều. Vật liệu có hiệu ứng từ - điện đƣợc nghiên cứu trong khóa luận này là vật liệu tổ hợp dạng tấm: dán kết dính tấm sắt điện (PZT) giữa các tấm từ giảo Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 1.6. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện Hình 1.17. Sơ đồ thí nghiệm cảm biến từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện của Zhai và đồng nghiệp Mỗi loại cảm biến đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm và tuỳ theo mục đích sử dụng mà ta nên chọn loại cảm biến nào cho phù hợp. Để xác định từ trƣờng trái đất chúng ta có thể sử dụng cảm biến Hall, cảm biến AMR,... nhƣng các loại cảm biến này công nghệ chế tạo phức tạp, giá thành cao. Chính vì vậy chúng tôi mạnh dạn tìm hiểu và nghiên cứu loại cảm biến chế tạo đơn giản, giá thành thấp, phù hợp với công nghệ ở Việt Nam mà vẫn đảm bảo đƣợc độ nhạy của cảm biến, đặc biệt là trong vùng từ trƣờng thấp đó là cảm biến dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện. Cảm biến dựa trên vật liệu multiferroics. Nó là vật liệu lƣỡng pha sắt từ - sắt điện với sự tồn tại đồng thời 20 của cả tính chất từ, tính chất từ đàn hồi và tính chất áp điện. Với độ nhạy trong khoảng từ trƣờng nanô-tesla (nT), các vật liệu này có khả năng ứng dụng các đầu đọc thông tin, các cảm biến sinh học và cảm biến xác định phƣơng vị bắc trong các thiết bị dẫn đƣờng,... Hơn thế nữa, cảm biến loại này còn có nhiều thế mạnh không thể tìm thấy trên các loại cảm biến thông thƣờng nhƣ có thể phát hiện cả từ trƣờng một chiều và xoay chiều công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng… Đặc biệt, năm 2007, Zhai và đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu cảm biến từ trƣờng trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện (hình 1.17) sử dụng nguồn dòng xoay chiều 10 mA đạt độ nhạy từ trƣờng vùng nT và góc
lệch 10-5 độ. Đây là hƣớng nghiên cứu mà nhóm nghiên cứu ở Trƣờng ĐH Công nghệ cũng đã tiếp cận kịp thời và đã có một số kết quả ban đầu rất khả quan. 1.7. Một số cảm biến từ dựa trên hiệu ứng vật lí khác 1.7.1. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng Hall là thiết bị mang tính phổ biến cao (đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ nhƣ trong các phòng thí nghiệm hiện đại). Cảm biến loại này có dải đo nhiệt
độ hoạt động nằm trong khoảng từ -1000C đến +1000C và từ trƣờng lớn hơn 1mT. Ngoài ra thiết bị này còn có một ƣu điểm nổi bật nữa đó là có thể xác định đƣợc cả từ trƣờng một chiều và xoay chiều. Cũng giống nhƣ các loại cảm biến từ trƣờng khác, cảm biến loại này còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: định vị và đo vận tốc dài, xác định góc định hƣớng và đo vận tốc quay. Cảm biến từ trƣờng này có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall xuất hiện trên các vật liệu bán dẫn (hình 1.18). Hiệu ứng Hall trên vật liệu bán dẫn là hiện tƣợng xuất hiện một điện áp Hall theo phƣơng vuông góc với 21 dòng điện chạy qua vật dẫn dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn và từ trƣờng ngoài, các điện tích tự do chịu tác dụng của lực Loren theo công thức: (1.6) trong đó q, là điện tích và véc tơ vận tốc của hạt tải điện, và là véc tơ điện trƣờng Hall và từ trƣờng tƣơng ứng. Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall Khi đó các hạt tải điện tự do trái dấu sẽ dịch chuyển ngƣợc chiều nhau về phía hai mặt của vật liệu dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Quá trình này tạo ra một điện trƣờng vuông góc với chiều dòng điện và đƣợc gọi là điện trƣờng Hall . Điện trƣờng này có xu hƣớng ngăn cản chuyển động của các hạt tải điện để đạt đến trạng thái cân bằng. Lực tĩnh điện do điện trƣờng Hall cân bằng với lực Lorentz do từ trƣờng ngoài khi ở trạng thái cân bằng. Khi trạng thái cân bằng đƣợc thiết lập, điện thế Hall VH đƣợc xác định bởi công thức: (1.7) : vec tơ cƣờng độ dòng điện, : vec tơ cƣờng độ từ (RH: điện trở Hall, trƣờng, t: chiều dày của vật liệu) Công thức này đƣợc sử dụng để xác định từ trƣờng thông qua giá trị điện 22 áp Hall thu đƣợc đối với cảm biến từ trƣờng Hall. Hiệu ứng Hall xuất hiện ở cả kim loại và bán dẫn, tuy nhiên vật liệu bán dẫn thƣờng đƣợc dùng để chế tạo cảm biến từ trƣờng Hall. Nguyên nhân là do bán dẫn có điện trở lớn hơn rất nhiều so với kim loại nên dẫn đến điện thế Hall trên bán dẫn cũng lớn hơn. Giá trị điện thế Hall lớn giúp cho cảm biến từ trƣờng có độ nhạy và độ phân giải tốt hơn. Ngoài ra thì cảm biến này còn có một số ƣu điểm nổi trội khác nhƣ: ít chịu ảnh hƣởng của tác động môi trƣờng (độ ẩm, độ rung, bụi bẩn ...), ổn định theo thời gian. Bên cạnh các ƣu điểm trên, cảm biến này cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ: bị giới hạn theo khoảng cách, tồn tại tín hiệu nền. Ngoài ra cảm biến này có độ nhạy và độ phân giải chƣa đủ lớn phục vụ cho các ứng dụng đòi hỏi xác định từ trƣờng rất nhỏ với độ chính xác cao. 1.7.2. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng từ điện trở Hiệu ứng từ - điện trở là hiện tƣợng dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài điện trở của vật liệu thay đổi. Hiệu ứng này đƣợc đặc trƣng bởi công thức: (1.8) Hiệu ứng từ - điện trở đƣợc chia thành các loại khác nhau nhƣ: hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ, hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng, hiệu ứng từ - điện trở xuyên ngầm ... Về cơ bản thì nguyên lí hoạt động của các cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện trở là xác định sự biến đổi điện trở của vật liệu để suy ra cƣờng độ từ trƣờng tác dụng. Dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở khác nhau thì các cảm biến có cấu tạo và đặc trƣng riêng biệt tƣơng ứng với hiệu ứng cụ thể. Mặc dù khác nhau về hiệu ứng và cấu tạo nhƣng các cảm biến từ trƣờng này nói chung có độ nhạy cao (< 0,1 mOe), vùng từ trƣờng làm việc
trong khoảng từ 10-2 Oe đến 10 Oe và đặc biệt phải cần đến từ trƣờng kích 23 thích (bias). Với điều kiện công nghệ Việt Nam, một nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Hữu Đức trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã phát triển thành công cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (Anisotropic MagnetoResistance - AMR). Nguyên tắc hoạt động của cảm biến này là dựa trên sự tán xạ của điện tử theo hƣớng mômen từ của vật liệu làm cảm biến. Sự thay đổi điện trở không chỉ phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng mà còn phụ thuộc vào góc định hƣớng giữa véc tơ từ độ và vec tơ dòng điện chạy qua cảm biến. Hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng có thể đƣợc mô tả nhƣ trong hình 1.19. Hình 1.19. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng Vật liệu sắt từ (thông thƣờng có dạng là các màng mỏng) có dị hƣớng từ đơn trục (trục dễ) - Ox đƣợc tạo ra nhờ dị hƣớng hình dạng hoặc nhờ quá trình phún xạ trong từ trƣờng HBias (Hx). Khi có từ trƣờng ngoài hƣớng dọc theo trục Oy (Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hƣớng quay một góc θ với trục Ox. Góc quay θ đƣợc xác định bởi công thức: (1.9) Công thức (1.9) chỉ đúng ứng với trƣờng hợp màng mỏng sắt từ đƣợc coi là lý tƣởng (là màng mỏng có sự từ hóa tự phát thay đổi bởi sự quay đồng bộ). 24 Khi đó góc quay θ đƣợc xác định bằng lý thuyết thông qua nguyên lý cực tiểu năng lƣợng. Sự biến đổi của điện trở vào góc quay θ đƣợc xác định thông qua công thức: (1.10) (1.10) Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng có ƣu điểm là: độ nhạy cao, vùng nhiệt độ làm việc rộng (bao gồm cả nhiệt độ phòng), độ ổn định tín hiệu tốt (cao hơn so với cảm biến từ trƣờng Hall), có thể làm việc với từ trƣờng xoay chiều có tần số lên đến 10 MHz. Tuy nhiên cảm biến loại này vẫn còn một nhƣợc điểm đó là công nghệ chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao và khó có thể chế tạo đại trà với số lƣợng lớn. Mặc dù cảm biến từ trƣờng AMR đã đƣợc nghiên cứu và phát triển ứng dụng, tuy nhiên hiệu ứng từ - điện trở chƣa cao (< 6 ) vẫn là một cản trở không dễ khắc phục. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance - GMR) cho thấy đây là một giải pháp khắc phục tốt (
MR(%) = 101 – 102 ). Nhờ có hiệu ứng lớn nên cảm biến từ trƣờng GMR cho tín hiệu lối ra lớn hơn và đặc biệt là có công suất tiêu thụ thấp, kích thƣớc nhỏ và giá thành rẻ hơn. Vật liệu GMR có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu từ (màng mỏng từ NiFe) xen giữa là các lớp vật liệu không từ (thông thƣờng là màng mỏng Cu). Hình 1.20. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khi không có từ trường ngoài (a) 25 và có từ trường ngoài (b) Khi không có từ trƣờng ngoài, mômen từ của 2 lớp sắt từ liền kề có định hƣớng phản song song với nhau. Ở trạng thái này, các điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua các lớp vật liệu và do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở mạch ngoài là nhỏ (hình 1.20a). Khi có từ trƣờng ngoài tác dụng, mômen từ của 2 lớp sắt từ liền kề có xu hƣớng định hƣớng lại song song với nhau và định hƣớng theo phƣơng của từ trƣờng (hình 1.20b). Ở trạng thái này, các điện tử ít bị tán xạ khi đi qua các lớp vật liệu và do đó điện trở giảm mạnh dẫn đến tín hiệu điện ở mạch ngoài là tăng đáng kể. 1.7.3. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng AMR Từ điện trở dị hƣớng là một hiệu ứng từ điện trở mà tại đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài) phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện (không đẳng hƣớng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tƣơng đối giữa từ độ và dòng điện. Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một số chất bán dẫn hoặc bán kim (có xảy ra hiệu ứng Hall lớn dị thƣờng) nhƣng khá nhỏ. Nguồn gốc vật lý của hiện tƣợng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo. Hình 1.21. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR. Các đám mây điện từ bay quanh mỗi hạt nhân, theo định hƣớng của momen từ thì các đám mây này thay đổi hình dạng và sự biến dạng của các đám mây điện từ làm thay đổi lƣợng tán xạ của điện tủ dẫn khi nó đi qua 26 mạng tinh thể. Ta có thể giải thích sự phụ thuộc của điện trở của của vật dẫn vào định hƣớng của mômen từ với chiều dòng điện nhƣ sau: Quỹ đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện nếu từ trƣờng đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều dòng điện và nhƣ vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện từ dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. Ngƣợc lại, khi từ trƣờng áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ dạo chuyển động của điện tử đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều của dòng điện và cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao. Hình 1.22. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vectơ từ hoá Để giải thích hiệu ứng từ trở dị (AMR) trong các màng mỏng bằng vật liệu từ, giả định rằng véctơ từ hoá trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà Ms khi có sự tác động của từ trƣờng ngoài sẽ làm thay đổi hƣớng của vectơ từ hoá này. Ngoài ra ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh là: mối quan hệ giữa điện trở và hƣớng của véctơ từ độ (véctơ từ hoá) và mối quan hệ giữa hƣớng của véctơ từ độ và từ trƣờng ngoài. Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua góc ϴ - góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ: 27 + P. R() = P.n. .cos = R.P + R.cos2 (1.11) .cos(2) = R.P + cos(2)+1 = R.P + + Với: + Ρ.n và ∆P là hằng số của vật liệu. + l,b,d lần lƣợt là độ dài, độ rộng, độ dày của màng mỏng. + R.Ρ là điện trở khi vectơ từ độ vuông góc với trục trễ từ hoá. + ∆R là độ thay đổi điện trở lớn đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào nhất bở sự tác động của từ trƣờng ngoài. Từ (1.11) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào nhƣ hình 1.22. 1.7.4. Cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn Cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) là một thiết bị đo từ trƣờng có độ nhạy và độ chính xác cao nhất đƣợc biết đến hiện nay (hình 1.23a). Cấu tạo của cảm biến SQUID bao gồm một vòng siêu dẫn có chứa lớp tiếp giáp Josephson (hình 1.23b). Hình 1.23. Cảm biến từ giao thao lượng tử siêu dẫn (a) và 28 cấu tạo của cảm biến (b) Các cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn có thể xác định đƣợc
từ trƣờng nhỏ nhất tới 5.10-18 T trong thời gian lên tới vài ngày [22] và độ
nhiễu là 3 fT.Hz-1/2 [11] . Có hai loại cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn chính là cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn một chiều (DC) và cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn xoay chiều (RF). Cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn xoay chiều chỉ cần làm việc với một lớp tiếp giáp Josephson nên chúng có giá thành rẻ hơn nhƣng ngƣợc lại có độ nhạy kém hơn so với cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn một chiều. Có thể nhận thấy rằng cảm biến từ trƣờng từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn là một thiết bị có độ chính xác và độ nhạy rất cao. Tuy nhiên một số nhƣợc điểm của nó dẫn đến hạn chế trong ứng dụng thực tiễn bao gồm: * Giá thành rất cao * Công nghệ chế tạo phức tạp * Nhiệt độ làm việc thấp (nhiệt độ siêu dẫn). 1.7.5. Cảm biến từ trƣờng Flux - gate Cảm biến flux-gate có cấu tạo từ một cuộn solenoid quấn quanh một lõi sắt từ mềm hình xuyến (có độ cảm từ lớn). Một từ trƣờng xoay chiều khép kín đƣợc tạo ra trong lõi sắt từ hình xuyến bởi dòng điện xoay chiều của cuộn dây solenoid. Cuộn dây tín hiệu có tác dụng cảm nhận các sự biến đổi của từ trƣờng ngoài và thể hiện bằng tín hiệu điện lối ra (hình 1.24). 29 Hình 1.24. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux – gate Cảm biến từ trƣờng flux – gate hoạt động dựa trên hiện tƣợng xuất hiện suất điện động cảm ứng trên cuộn dây tín hiệu khi có từ trƣờng ngoài xuất hiện. Do lõi sắt từ hình xuyến có dạng đối xứng nên khi không có từ trƣờng ngoài thì từ thông trong lòng cuộn dây tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn. Khi có từ trƣờng ngoài, mỗi nửa cuộn solenoid sẽ sinh ra các từ trƣờng cảm ứng ngƣợc chiều nhau (cùng chiều và ngƣợc chiều với từ trƣờng ngoài). Do đó từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu sẽ khác không và sinh ra một tín hiệu lối ra tƣơng ứng. Tín hiệu này có độ lớn t lệ với độ lớn của cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Thông qua độ lớn tín hiệu lối ra cùng với hệ số chuyển đổi của từng thiết bị có thể xác định cƣờng độ từ trƣờng. Cảm biến từ trƣờng flux – gate có ƣu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản và do đó dẫn đến giá thành rất rẻ. Tuy nhiên, cảm biến này cũng có khá nhiều nhƣợc điểm nhƣ: kích thƣớc lớn, độ bền kém và có thời gian đáp ứng chậm (khoảng 2-3 giây). 1.7.6. So sánh cảm biến từ trong các hiệu ứng khác nhau Các loại cảm biến từ trƣờng đƣợc trình bày ở trên đều cho thấy một điểm chung là luôn tồn tại một vài nhƣợc điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi trong đời sống và khoa học công nghệ. Chẳng hạn với cảm biến Hall đó là độ phân giải từ trƣờng thấp (mT), cảm biến từ trƣờng giao thoa siêu dẫn thì công nghệ chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao và không làm việc trong điều kiện nhiệt độ phòng, cảm biến Flux – gate thì thời gian đáp ứng chậm và kích thƣớc lớn, cảm biến từ điện trở thì công nghệ chế tạo phức tạp và cần có từ trƣờng nền hoặc nhiệt độ làm việc thấp. Vật liệu tổ hợp từ - điện với hiệu ứng từ - điện thuận đã cho thấy khả năng ứng dụng để chế tạo các cảm biến từ trƣờng với các nhiều ƣu điểm. Mặc dù các nghiên cứu ứng dụng trên cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện cho thấy chúng không có đƣợc độ nhạy và độ phân giải cao nhƣ cảm 30 biến từ trƣờng giao thoa siêu dẫn tuy nhiên công nghệ chế tạo lại đơn giản (triển vọng phát triển thiết bị giá thành thấp) và hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ phòng. Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ-điện với cơ sở là vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT đã cho thấy cảm
biến từ trƣờng có thể đạt đƣợc độ nhạy là 130 mV/mT và độ phân giải là 10-3 mT (hình 1.25). Hình 1.25. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện Tuy nhiên các nghiên cứu trên vật liệu từ - điện này vẫn còn khả năng tối ƣu hóa về mặt vật liệu, cấu hình để có thể nâng cao hơn nữa khả năng ứng dụng của cảm biến từ trƣờng loại này. Bên cạnh đó, nguyên tắc hoạt động của thiết bị vẫn chƣa đề cập đến hiệu ứng cộng hƣởng dao động của vật liệu. Nếu tận dụng tốt hiệu ứng cộng hƣởng dao động của vật liệu thì hiệu ứng từ - điện trên vật liệu tổ hợp từ - điện còn có thể tăng cƣờng lên rất nhiều để có thể ứng dụng cho các từ trƣờng nhỏ (từ trƣờng trái đất). 1.8. Kết luận chƣơng 1 Các nghiên cứu thực hiện trong chƣơng 1: - Tổng quan về một số tính chất từ 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 để đặc trƣng 31 cho mức độ từ hóa của vật liệu. - Nghiên cứu tính chất từ của băng mềm. - Nghiên cứu hiện tƣợng tƣợng từ giảo, hiện tƣợng áp điện. - Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện và ứng dụng. Vật liệu tổ hợp từ - điện đã đƣợc tối ƣu hóa sẽ đƣợc nghiên cứu ứng dụng để chế tạo cảm biến từ đo từ 32 trƣờng nhỏ có độ nhạy và độ phân giải cao. CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện Vật liệu tổ hợp từ - điện dạng tấm đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp kết dính sử dụng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ FeNiBSi thƣơng mại. Sơ đồ minh họa cấu trúc của mẫu vật liệu tổ hợp đƣợc minh họa trên hình 2.1. Trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện PZT (Pb, Zr, Ti) dạng tấm chiều dày tPZT = 250m mang số hiệu APCC-855 đƣợc cung cấp bởi công ty của Mỹ (American Piezoceramics Inc., PA, USA) [5]. Tấm áp điện sau khi tạo kích thƣớc phù hợp đã đƣợc phủ lớp điện cực mỏng bằng Ag vào hai mặt trên, dƣới và đã đƣợc phân cực với véc tơ phân cực PE hƣớng vuông góc với mặt phẳng mẫu. Thế hiệu lối ra từ vật liệu tổ hợp đƣợc đo qua hai dây điện cực bằng đồng nhỏ gắn trên 2 mặt của tấm áp điện nhờ keo dẫn Ag (Silve paint). Hình 2.1. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi và ảnh chụp sau khi chế tạo 2.2. Khảo sát hiệu ứng từ điện Hiệu ứng từ - điện đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ - điện E và đƣợc xác định thông qua thế áp điện VME đƣợc sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện 33 dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trƣờng xoay chiều hac = h sin(2 f t) đƣợc đặt trong từ trƣờng một chiều HDC. Từ trƣờng một chiều DC đƣợc tạo ra nhờ một nam châm điện với cƣờng độ cực đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Để tạo ra từ trƣờng xoay chiều hac, chúng tôi sử dụng một cuộn Helmholtz đặt vào bên trong vùng không gian của từ trƣờng DC và đƣợc điều khiển bằng một máy phát chức năng (FG-202C Function Generator). Hình 2.2. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện. Biên độ của hac có thể thay đổi từ h = 0 đến 12 Oe với dải tần số từ f = 1 Hz đến 2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và phƣơng các từ trƣờng tác dụng có thể đƣợc thay đổi nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ tấm áp điện đƣợc đƣa vào bộ khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Độ lớn và pha của tín hiệu VME đƣợc hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng. Hệ số thế từ - điện E = dE/dH đƣợc xác định qua thế hiệu từ - điện lối ra VME. Thông thƣờng VME là hàm phụ thuộc vào từ trƣờng: 34 (2.1) Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số từ - điện với từ trƣờng và độ dày của tấm áp điện đƣợc viết tổng quát dƣới dạng: (2.2) Nhƣ vậy hệ số từ - điện E có thể đƣợc xác định thông qua biểu thức mối liên hệ giữa hiệu điện thế VME chia cho độ dày mẫu áp điện (tPZT) và biên độ từ trƣờng xoay chiều ho theo biểu thức (2.2). 2.3. Kết luận chƣơng 2 Các nghiên cứu thực nghiệm trong chƣơng 2: - Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện có kích thƣớc 1x15mm bằng phƣơng pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ FeNiBSi và vật liệu áp điện. - Khảo sát hiệu ứng từ - điện bằng các hệ đo hiệu ứng từ - điện sử dụng 35 từ trƣờng xoay chiều và một chiều. CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện E vào tần số f của từ trƣờng xoay chiều Để khảo sát hiệu ứng từ điện vào từ trƣờng xoay chiều. Ta khảo sát sự ảnh hƣởng của tần số từ trƣờng xoay chiều kích thích đến hiệu ứng từ - điện trên các mẫu có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc khác nhau. Đƣờng cong sự phụ thuộc của hệ số từ - điện αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều hac của một số mẫu điển hình đã đƣợc thực hiện. Hình 3.1 mô tả sự phụ thuộc của αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều đo trên mẫu hình vuông kích thƣớc 15 × 15 mm. Hình 3.1. Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều đo theo phương song song của vật liệu băng từ FeNiBSi. Phép đo đƣợc thực hiện theo phƣơng song song với mặt phẳng băng với biên độ đƣợc lựa chọn hac = 2 Oe và giá trị từ trƣờng một chiều H = 10 Oe tƣơng ứng. Nhìn vào đƣờng cong ta thấy hệ số từ điện phụ thuộc mạnh vào tần số của từ trƣờng xoay chiều. Ở vùng khảo sát tần số thấp, hệ số αE xuất 36 hiện những đỉnh cộng hƣởng mà tại αE đạt giá trị cực đại sau đó lại giảm từ từ khi tần số tiếp tục tăng. Nhƣ vậy có thể kết luận rằng tần số cộng hƣởng cho vật liệu FeNiBSi là f1 = fr1 ~ 90 kHz và f1 = fr2 ~ 136,4 kHz tại đó hiệu ứng từ điện sẽ lớn nhất. Vậy ta chọn tần số cộng hƣởng làm việc cho mẫu này là f1 = fr2 ~ 136,4 kHz, tại đó tín hiệu từ điện là lớn nhất. Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện E vào tần số f của từ trƣờng xoay chiều của các mẫu khác có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc chiều dài không đổi (L = 15 mm) và chiều rộng thay đổi (W = 1-15 mm) đƣợc khảo sát tƣơng tự nhƣ mẫu trên. Thực nghiệm cho thấy tần số cộng hƣởng của các mẫu hình chữ nhật tƣơng đối bằng nhau cỡ 100 kHz. 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 Trên hình 3.2 là kết quả đo hệ số từ - điện phụ thuộc vào từ trƣờng một chiều đo trên các mẫu có tỉ số kích thƣớc khác nhau. Tất cả các phép đo đều đƣợc thực hiện tại tần số cộng hƣởng tƣơng ứng của từng mẫu đã đƣợc nghiên cứu. Hình 3.2. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường 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 trường đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo được thực hiện tại tần số 37 cộng hưởng tương ứng. Nhìn vào đƣờng cong này ta thấy sự phụ thuộc rất mạnh của hệ số từ - điện vào kích thƣớc khác nhau trong đó các mẫu có tỉ số n càng lớn thì độ dốc của đƣờng cong trong vùng từ trƣờng thấp càng lớn và ngƣợc lại. Thêm vào đó, giá trị từ trƣờng, tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại giảm mạnh với sự tăng của tỉ số kích thƣớc. Nếu với mẫu có tỉ số n = 1 thì giá trị từ trƣờng này cần thiết là 12 Oe trong khi với tỉ số n = 15 thì giá trị này giảm xuống 2,5 lần chỉ còn khoảng 5 Oe. Kết quả này đƣợc giải thích là do hệ quả của trƣờng khử từ hay tính dị hƣớng hình dạng. Hình 3.3. Hệ số từ - điện tại từ trường 2,5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích thước khác nhau Với mục tiêu ứng dụng trong từ trƣờng thấp đặc biệt làm việc trong vùng từ trƣờng trái đất thì hiệu ứng từ - điện trong vùng từ trƣờng thấp đƣợc quan tâm hơn cả. Trên hình 3.3 là số liệu hệ số từ - điện đo tại từ trƣờng 2,5 Oe đo trên các mẫu có tỉ lệ kích thƣớc khác nhau. Số liệu này cũng đƣợc tổng kết trên bảng 3.1. Ta thấy hệ số từ - điện thay đổi này không theo một xu hƣớng với tỉ số n. Ban đầu là sự tăng lên rất nhanh của αE từ 14,04 lên 22,83 khi n tăng từ 1 đến 3. Sự tăng lên này phù hợp với qui luật tăng cƣờng tính chất từ 38 mềm và từ giảo mềm do dị hƣớng hình dạng. Tiếp đến khi n tiếp tục tăng thì hệ số từ - điện giảm dần. Sự suy giảm mạnh của hệ số từ điện khi kích thƣớc mẫu giảm có thể giải thích dựa vào hiệu ứng “shear lagging” do sự phân bố ứng suất không đồng nhất trên bề mặt mẫu phụ thuộc vào kích thƣớc mẫu. Theo hiệu ứng Shear lag: ứng suất tác dụng lên bề mặt tấm áp điện đƣợc phân ra thành hai phần đóng góp, phần biên và phần lõi. Trong đó, càng vào sâu trong tâm mẫu, ứng suất càng mạnh và ứng suất lớn nhất nằm ở tâm mẫu. Ngƣợc lại, càng ra xa tâm lại gần biên của mẫu, ứng suất càng giảm và tiến đến 0 tại các biên của mẫu [6]. Bảng 3.1. Bảng tổng hợp hệ số từ - điện đo trên các mẫu hình chữ nhật có kích thƣớc khác nhau (L = 15mm, W thay đổi) đo tại tần số cộng hƣởng của các mẫu αE (max) Tỉ số (V/cmOe) αE TT (V/cmOe) n = L/W tại Hdc = 2.5 Oe 1 15 22,01 17,24 2 7,5 28,04 22,48 3 3 38,40 22,83 4 2 31,80 19,00 5 1,5 35,00 16,74 6 1 36,25 14,04 Nhƣ vậy, bằng việc khai thác dị hƣớng hình dạng của băng từ mềm hệ số từ - điện có thể đƣợc cải thiện mạnh khi chế tạo các mẫu hình chữ nhật có kích thƣớc L > W. Tuy nhiên bên cạnh đó luôn tồn tại sự cạnh tranh với hiệu 39 ứng Shear lag có xu hƣớng ngƣợc lại. Hệ số từ - điện tăng ở tỉ lệ L/W nhỏ từ 1 đến 3 là do sự giảm của trƣờng khử từ dọc theo băng từ mềm, nhƣng ở tỉ lệ L/W lớn (>8) thì hệ số từ điện lại giảm, trong trƣờng hợp này do hiệu ứng “shear lagging” lớn hơn hiệu ứng dị hƣớng hình dạng. Kích thƣớc tối ƣu cho hiệu ứng từ - điện trong các nghiên cứu của chúng tôi cho giá trị cực đại của hệ số từ điện là 38,4 V/cmOe đƣợc tìm thấy trên mẫu có kích thƣớc 15x5 mm (n = L/W = 3), giá trị này lớn hơn mẫu vuông kích thƣớc 15x15 mm (= 36,25 V/cmOe). 3.3. Kết luận chƣơng 3 Các nghiên cứu thảo luận trong chƣơng 3: - Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ - điện αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều trên các mẫu vật liệu có kích thƣớc khác nhau. Ta thu đƣợc hệ số từ điện lớn nhất tại tần số cộng hƣởng f ~ 136,4 kHz (đối với mẫu hình vuông kích thƣớc 15x15 mm). - Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ điện vào từ trƣờng một chiều trên các mẫu có kích thƣớc khác nhau đo tại tần số cộng hƣởng của mẫu. Ta thu đƣợc hệ số từ - điện lớn nhất là 38,4V/ cmOe đƣợc tìm trên mẫu có kích 40 thƣớc 15x5 mm ( n = L/W = 3). KẾT LUẬN CHUNG Đề tài “Khảo sát hiệu ứng từ - điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện” đã đƣợc triển khai nghiên cứu và hoàn thành. Các kết quả chính thu đƣợc: - Đã chế tạo vật liệu tổ hợp từ giảo áp điện có chiều dài không đổi và chiều rộng thay đổi bằng phƣơng pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ FeNiBSi và vật liệu áp điện. - Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ- điện αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều trên các mẫu vật liệu có kích thƣớc khác nhau. Ta thu đƣợc hệ số từ điện lớn nhất tại tần số cộng hƣởng f ~ 136,4 kHz ( đối với mẫu hình vuông kích thƣớc 15x15 mm). - Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số từ điện vào từ trƣờng một chiều trên các mẫu có kích thƣớc khác nhau đo tại tần số cộng hƣởng của mẫu. Ta thu đƣợc hệ số từ- điện lớn nhất là 38,4V/ cmOe đƣợc tìm trên mẫu có kích thƣớc 41 15x5 mm ( n = L/W = 3). TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
[1]. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ tính cấu trúc nanô và điện tử học spin, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, tr. 20-22. [2]. Phạm Anh Đức, Đỗ Thị Hƣơng Giang, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức (2013), Nghiên cứu, tối ưu cấu hình và mô phỏng lý thuyết hiệu ứng từ- điện trên các vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, Hội nghị SPMS Thái Nguyên. [3]. Đỗ Thị Hƣơng Giang, Phạm Văn Thạch, Nguyễn Hữu Đức "Hiệu ứng từ -điện khổng lồ trên vật liệu multiferroics PZT/FeCoBSi dạng tấm và ứng dụng chế tạo sensơ đo từ trường độ nhạy cao”, Báo cáo tại hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5, Vũng tàu. [4]. Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng tấm có cấu trúc nanô, Luận văn thạc sĩ, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN. [5]. Nguyễn Hữu Mình, Nguyễn Thị Thanh Hƣơng, Lý thuyết lƣợng tử chất rắn, NXB ĐHSP (2008). [6]. Nguyễn Thị Bảo Ngọc, Nguyễn Văn Nhó, Vật lý chất rắn, NXB ĐHQG HN (1998). [7]. Lê Khắc Quynh, Đỗ Thị Hƣơng Giang (2014), Tăng cường hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp băng từ Metglas/PZT, Tạp chí Khoa học số 30, 42 ĐHSP HN 2. Tiếng anh [8]. D. Landau and E. Lifshitz (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, p.119. [9]. Do Thi Huong Giang (2005), “Fabrication and study of giant magnetostrictive single layer and multilayer fimls based on TbFeCo alloy”, Physics – Materials Science. [10]. D.T. Huong Giang and N.H. Duc (2009), Sensor and Actuator, A149, 229. [11]. D. Drung, C. Assmann, J. Beyer, A. Kirste, M. Peters, F. Ruede, and Th. Schurig (2007), “Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol 17, Iss 2, pp. 699 – 704. [12]. G. Song, P. Z. Qiao, W. K. Binienda, and G. P. Zou. (2002), “Active vibration damping of composite beam using smart sensors and actuators”. Journal of aerospace enginerring, 15(3), pp. 97–103. [13]. G. Srinivasan et al., Phys. Rev B 64 (2001) 21440. [14]. N. Nersessian et al, IEEE Trans. Magn. 40 (2004) 2646. [15]. Ran, Shannon K’doah (2004), “Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes”, Gravity Probe B. NASA. pp. 26. [16]. Joule, J.P. (1847). "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars", Philosophical Magazine Series 3, Vol 30, Iss 199, pp. 76-87. [17]. Nicola A. Spaldin and Manfred Fiebig (2005), “Materials science: The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics”, Science, 15, pp. 391-392. [18]. Tamara Bratland, Michael J. Caruso, Carl H. Smith, A New Perspective 43 on Magnetic Field Sensing, Sensors (1998). [19]. Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland (2007) , Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters, 123513. [20]. J.P. Joule (1847), Philosophical Magazine, 30, 76 [21]. Joule, J.P. (1847). "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars", Philosophical Magazine Series 3, Vol 30, Iss 199, pp. 76-87. [22]. Ran, Shannon K’doah (2004), “Exploring Einstein's Universe with 44 Gyroscopes”, Gravity Probe B. NASA. pp. 26.(a) (b)
