Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, chế tạo được cảm biến đo được từ trường với cấu hình đơn giản nhưng lại cho hiệu quả cao, tác giả đã chọn cảm biến dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu của mình. Mời các bạn cùng ham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ====== TRẦN THỊ CÚC QUỲNH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG DẠNG CHỮ THẬP Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học ThS Lê Khắc Quynh Hà Nội – 2018
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Lê Khắc Quynh người đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý báu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng kiến thức cơ bản đến những kiến thức chuyên ngành chuyên sâu, cũng như khả năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua . Cuối cùng, em xin gửi những lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình bạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vượt qua khó khăn hoàn thành khoá luận một cách tốt đẹp. Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Trần Thị Cúc Quỳnh
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố ở bất kì nơi nào khác. Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Trần Thị Cúc Quỳnh
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2 4. Nhiệm vụ của đề tài ................................................................................................ 2 5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 6. Cấu trúc của đề tài .................................................................................................. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 3 1.1. Phân loại vật liệu từ ............................................................................................. 3 1.1.1. Chất nghịch từ .................................................................................................. 3 1.1.2. Chất thuận từ .................................................................................................... 3 1.1.3. Chất phản sắt từ ............................................................................................... 4 1.1.4. Feri từ ............................................................................................................... 5 1.1.5. Chất sắt từ ........................................................................................................ 6 1.1.5.1. Vật liệu từ mềm .............................................................................................. 8 1.1.5.2. Vật liệu từ cứng ........................................................................................... 10 1.2. Các hiệu ứng từ điện trở .................................................................................... 12 1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở ....................................................................................... 12 1.2.2. Hiệu ứng AMR ................................................................................................ 13 1.2.3. Hiệu ứng Hall thường..................................................................................... 15 1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng ...................................................................................... 17 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .......................................... 19 2.1. Chế tạo cảm biến ............................................................................................... 19 2.2. Máy phún xạ tạo màng ...................................................................................... 20 2.3. Hệ đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM .................................................. 21 2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng ................................................................................ 22 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 24
3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe ........................................................................ 24 3.1.1. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào từ trường ghim ................................... 24 3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến ..................... 24 3.1.3. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào bề dày................................................. 25 3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của các cảm biến............................................................ 26 3.2.1. Tín hiệu Hall phụ thuộc vào hình dạng cảm biến .......................................... 26 3.2.2. Tín hiệu Hall phụ thuộc vào bề dày màng...................................................... 28 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 32
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp mômen từ nguyên tử của chất thuận từ ..... 4 Hình 1.2: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất phản sắt từ ........... 5 Hình 1.3: Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel ............................................ 6 Hình 1.4: Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ trường ngoài tác dụng............................................................................................ 7 Hình 1.5: Đồ thị mô tả đường cong từ hoá và các thông số của vật liệu từ mềm. 9 Hình 1.6: Hình ảnh ứng dụng tem dán lên các sản phẩm của vật liệu từ mềm .. 10 Hình 1.7: Hình ảnh nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng ... 11 Hình 1.8: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các màng đa lớp Fe/Cr .............. 13 Hình 1.9: Nguồn gốc vật lý của AMR ................................................................ 14 Hình 1.10: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài ........ 15 Hình 1.11: Mô hình hiệu ứng Hall thường.......................................................... 16 Hình 1.12: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng ........................................................... 17 Hình 1.13: Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế AMR .... 18 Hình 2.1: (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở, mặt nạ điện cực (b) và cảm biến hoàn thiện (c) .............................................................. 19 Hình 2.2: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC .................................................. 20 Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung ...................................................... 21 Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở ........................................... 22 Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở. ................................................. 22 Hình 3.1: Đường cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến được chế tạo với các từ trường ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe .......................................................... 24 Hình 3.2: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của các cảm biến có cùng chiều rộng 1 mm nhưng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trường ngoài song song với phương từ hóa dễ........................................................................................... 25 Hình 3.3: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phương từ hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15 nm ......................... 26
Hình 3.4: (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của các cảm biến với kích thước khác nhau, bề dày 15 nm, tại dòng cấp 5 mA ..................... 27 Hình 3.5: (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của cảm biến với các bề dày màng NiFe khác t = 5, 10, 15 nm, tại dòng cấp 5 mA ................ 28
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau được sử dụng để đo từ trường, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và từ như cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện – từ, hiệu ứng Hall…. Mặc dù các cảm biến hoạt động dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhưng các cảm biến đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích hiệu điện thế nối ra từ các cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cường độ của từ trường tác dụng lên cảm biến. Mỗi loại cảm biến đều có đặc thù riêng, có các ưu điểm và nhược điểm riêng tuỳ thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng. Ưu điểm của các cảm biến quang là đáp ứng nhanh, độ chính xác cao nhưng công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng và bị ảnh hưởng bởi môi trường thời tiết. Cảm biến từ có nhiều ưu điểm như có độ nhạy cao và độ chính xác cao, điều kiện làm việc ít bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài. Do đó, cảm biến từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Một trong những ứng dụng thủa sơ khai là dò tìm phương hướng đi cho con tàu trong ngành hàng hải. Ngày nay, với kích thước nhỏ, độ nhạy cao, dễ tương thích với các mạch điện tử, cảm biến từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không vũ trụ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo từ trường nhỏ….Phổ biến nhất trong cảm biến từ là các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ và hiệu ứng từ điện trở, trong đó cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng và hiệu ứng từ điện trở là hai hướng đang được triển khai nghiên cứu chế tạo tại phòng thí nghiệm micro – nano, ĐHQGHN. Với mục tiêu chế tạo được cảm biến đo được từ trường với cấu hình đơn giản nhưng lại cho hiệu quả cao tôi đã chọn cảm biến dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu của mình. Tên đề tài khóa luận là 1
“Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập”. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Vật liệu dạng màng mỏng sắt từ Ni80Fe20 có hiệu ứng Hall phẳng. 4. Nhiệm vụ của đề tài Chế tạo và khảo sát hiệu ứng Hall phẳng trên các cảm biến với các cấu trúc dạng chữ thập. 5. Phương pháp nghiên cứu - Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu có liên quan. - Thực nghiệm. 6. Cấu trúc của đề tài - Phần 1: Mở đầu - Phần 2: Nội dung Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận - Phần 3: Kết luận 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Phân loại vật liệu từ Người ta dựa vào dấu vào độ lớn của độ cảm từ (χ) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó mà phân loại vật liệu từ thành: chất nghịch từ, chất thuận từ, chất sắt từ, chất phản sắt từ và chất feri từ. 1.1.1. Chất nghịch từ Chất nghịch từ là các chất không có mômen từ (tổng vectơ từ quỹ đạo và từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0). Hiện tượng xuất hiện một mômen từ cảm ứng ngược chiều với từ trường ngoài khi đặt nguyên tử trong từ trường được gọi là hiện tượng nghịch từ. Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài theo xu hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượng tử). Như vậy, hiện tượng nghịch từ xảy ra trong bất kỳ chất nào đặt trong từ trường. Tuy nhiên, tính nghịch từ sẽ thể hiện rõ chủ yếu ở những chất mà khi chưa đặt trong từ trường 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. Hầu như, tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Các khí trơ, đa số các hợp chất hữu cơ, nhiều kim loại (như Bi, Zn, Au, Ag, Cu), nhựa, nước, thuỷ tinh, các khoáng vật như thạch anh, clorit, apatit, fenspat, plagiolazơ, êpiđôt, thạch anh... thuộc nhóm nghịch từ này. 1.1.2. Chất thuận từ Chất 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 hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng 3
cộng trong chất tăng lên. Nếu mômen từ tổng cộng của các điện từ trong nguyên tử, phân tử hay ion khác không khi chưa đặt trong từ trường thì chúng có mômen từ Pm nào đó, nhưng khi chưa đặt chất thuận từ vào trong từ trường ngoài thì tổng các mômen từ này bằng không vì đặc tính phân bố ngẫu nhiên hỗn loạn của các mômen từ của các nguyên tử riêng biệt. Nếu ta đặt mẫu gồm N nguyên tử như vậy vào từ trường thì các mômen từ nguyên tử sẽ định hướng theo từ trường. Chất có tính như vậy gọi là chất thuận từ. Mômen từ hoặc do các spin không bù trừ của các điện tử trong nguyên tử hoặc do chuyển động quỹ đạo của điện tử xung quanh hạt nhân hoặc do đồng thời cả hai nguyên nhân gây nên. Các chất thuận từ điển hình như: các kim loại kiềm (Na, K,...), oxi nitơ dưới dạng khí (NO), oxi, không khí, Platin (Pt), Al và một số kim loại khác. Hình 1.1: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp mômen từ nguyên tử của chất thuận từ 1.1.3. Chất phản sắt từ Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Vật liệu phản sắt từ được liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Người ta còn gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ vì từ tính của chúng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt đầu từ tương tác trao đổi giữa các spin. Nếu như tương tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là 4
tương tác trao đổi dương, làm cho các spin song song nhau thì tương tác trao đổi trong phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song nhau. Hình 1.2: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất phản sắt từ Nhiệt độ Néel là đại lượng đặc trưng của vật liệu phản sắt từ cũng giống như 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 chất thuận từ. Ở dưới nhiệt độ Néel vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Một số vật liệu có tính phản sắt từ như: MnO, Mn, Cr, Au.... 1.1.4. 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 nhưng có độ lớn khác nhau. Feri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Feri từ thực chất là các vật liệu gốm, bán dẫn từ, có điện trở suất và độ bền rất cao, vì thế các ferrite từ mềm thường được dùng trong các ứng dụng ở tần số cao và siêu cao (làm các lõi dẫn từ sử dụng ở từ trường tần số cao và siêu cao) trong các mạch điện tử. Feri từ là nhóm các vật liệu gốm có công thức hóa học chung là XO.Y2O3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng phổ biến nhất là sắt - Fe). Đây là ví dụ về nhóm ferrite có tên gọi chung là ferrite spinel (ví dụ ZnO.Fe2O3, MnO.Fe2O3...), thường mang cấu trúc lập phương tâm mặt. 5
Feri - từ là trạng thái có trật tự từ của một số chất đặc biệt (chất feri - từ), chúng có mạng tinh thể thường gồm nhiều mạng con mà vectơ độ từ hoá của các mạng con này hợp lại với nhau có giá trị khác không, tạo ra độ từ hoá chung của cả mạng. Chất feri - từ thông dụng là các loại ferit (vd. đá nam châm thiên nhiên) có vai trò quan trọng trong kĩ thuật điện tử ngày nay. Hình 1.3: Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel 1.1.5. Chất sắt từ Các chất có tính từ hoá mạnh gọi là các chất sắt từ như: sắt, niken, coban là ba chất sắt từ điển hình. Ở đây, sắt có tính từ hoá mạnh là do có cấu trúc đặc biệt về phương diện từ: trong sắt có nhiều miền từ hoá tự nhiên, đó là các kim nam châm nhỏ. Ở điều kiện thường, các kim nam châm nhỏ sắp xếp hỗn loạn khi đó trong sắt không có từ tính. Khi thanh sắt đặt trong từ trường ngoài các kim nam châm nhỏ sắp xếp theo từ trường ngoài khi đó trong sắt có từ tính. Tính từ hoá mạnh ở sắt được giải thích là do sắt có cấu trúc đặc biệt về phương diện từ. Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Các mômen từ này lớn hơn các mômen từ của chất thuận từ và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ). Tương tác này bản chất là tương tác tĩnh điện đặc biệt. Tương tác này hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là đômen từ) mà trong mỗi đômen này các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau và tạo 6
thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là độ từ hoá tồn tại ngay cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn và như vậy tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn bằng 0 nhưng nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ xảy ra hiện tượng đó là sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường và sự quay của các đômen từ theo hướng từ trường. Nếu tăng dần từ trường đến mức đủ lớn ta có hiện tượng bão hoà từ và khi đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều của từ trường tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ lại có xu hướng trở về với hướng ban đầu và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà phải bằng một giá trị khác 0 gọi là độ từ dư (remanent magnetiration). Điều này dẫn đến hiện tượng trễ của vật liệu. Để khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ (coercivity hay coercivity field). Đường cong từ hoá (sự phụ thuộc của từ độ vào từ tường ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó có đường cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đường cong tuyến tính) và đạt tới bão hoà khi đường cong đủ lớn. Hình 1.4: Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ trường ngoài tác dụng 7
Chất sắt từ có hai đặc trưng cơ bản là đường cong từ trễ và 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 < Tc chất trở thành chất sắt từ. Nhiệt độ Tc được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. Tc là một thông số đặt trưng cho chất (thông số nội tại). Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ thành vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. 1.1.5.1. Vật liệu từ mềm Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài. Các chất từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt non, ferrite Mn,Zn,... Các chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ ..., có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từ trường ngoài. Do vậy, đặc trưng mà người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy + Tổn hao trễ: sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa, được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xịn" có đường trễ càng hẹp càng tốt. + Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu. Những lõi tôn Si tuy có phẩm chất rất cao nhưng chỉ có thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp. Trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao xoáy). 8
Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục điều này. Chúng là các vật liệu có cấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm rất cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (dù là các băng nền kim loại) do cấu trúc đặc biệt của nó nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao tần cỡ từ KHz-MHz. Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20 và được coi là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay (ultrasoft magnetic materials), và là một chủ đề nghiên cứu mạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu, ĐHKHTN và Viện Vật lý Kỹ thuật (ĐHBKHN). Đặc biệt, một số loại trong số các vật liệu này có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như chịu nhiệt độ cao (ứng dụng làm động cơ của máy bay phản lực do khả năng chịu nhiệt độ cao, ở Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong các môi trường ăn mòn như nước biển, kiềm,... Vật liệu từ mềm là các vật liệu có lực kháng từ thấp và có hệ số từ thẩm cao. Chúng có khả năng từ hoá tới bão hoà ở từ trường yếu, có vòng tổn hao nhỏ và tổn hao trên từ hoá nhỏ. Hình 1.5: Đồ thị mô tả diện tích đường cong từ trễ và các thông số của vật liệu từ mềm và từ cứng 9
Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết của nó và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể. Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật liệu thì các đặc tính của nó càng tốt. Vì vậy, khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ những tạp chất có hại nhất đối với chúng: Cacbon, photpho, lưu huỳnh, oxy, nitơ và các loại oxit khác nhau. Đồng thời cần cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh thể và không gây ra trong đó những ứng suất nội. Vật liệu từ mềm sử dụng làm lõi của cuộn cảm, dây dẫn từ trong máy biến áp, tem từ mềm,… Hình 1.6: Hình ảnh ứng dụng tem dán lên các sản phẩm của vật liệu từ mềm 1.1.5.2. Vật liệu từ cứng Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ "cứng" trong cái tên của vật liệu này không phải do cơ tính cứng của nó. Ngược với sắt từ mềm, sắt từ cứng là vật liệu khó từ hóa và cũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của trường ngoài). Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 102 Oe), nhưng chúng thường có từ độ bão hòa không cao. Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ như tứ giác, hay lục giác.... Do 10
khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dùng làm vật liệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ...). Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lượng J/m3), là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để có (BH)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi càng tốt. Đơn vị thường dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m3. Hình 1.7: Hình ảnh nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrite từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo (khá đắt tiền)…. Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các nam châm đất hiếm, mở đầu là các hợp chất RCo5 (như SmCo5..) và sau đó là R2Fe14B như (Nd2Fe14B, Pr2Fe14B...), R thường ký hiệu để chỉ các nguyên tố đất hiếm. Bảng 1 liệt kê một số nam châm phổ biến. Nếu ta so sánh, có thể thấy nam châm vĩnh cửu R2Fe14B là loại tốt nhất (Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về thị phần nam châm đất hiếm với hơn 50% thị phần), nhưng thành phần nam châm trên thế giới phân bố như sau: - 54% là nam châm ferrite - 32% Nd2Fe14B - 14% là các loại khác Nam châm ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất không cao nhưng có ưu điểm là chế tạo rất đơn giản, giá thành rất thấp. Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩm chất rất tốt, nhưng lại có một số nhược điểm: - Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố đắt tiền). 11
- Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mạnh. Nếu chúng ta bỏ một nam châm đất hiếm ngoài không khí, chỉ một thời gian là chúng bị rã thành các bột. - Nhiệt độ Curie thấp (312oC). Bảng1. Từ dư (Br), lực kháng từ (Hc) và tích năng lượng từ (BH)max của một số nam châm. Vật liệu Br (T) Hc (MA/m) (BH)max (kJ/m3) Ferrite Sr 0,43 0,20 34 AlNiCo5 1,27 0,05 44 AlNiCo9 1,05 0,12 84 SmCo5 0,95 1,3 176 Sm2Co17 1,05 1,3 208 Nd2Fe14B 1,36 1,03 350 1.2. Các hiệu ứng từ điện trở 1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance – MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dưới tác động của một vật dẫn của từ trường, được xác định bằng công thức: ∆ρ ρ(0)− ρ(H) R(0)− R(H) MR =MR = = = (1.1) ρ ρ(0) R(0) Trong đó: ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn. Từ điện trở hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường. Hiệu ứng này quan sát thấy ở các kim loại. 12