Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu Fe87-xZr7B6Cux

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vật liệu từ mềm, hay vật liệu sắt từ mềm là vật liệu sắt từ,“mềm” về phương diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ. Vật liệu sắt từ mềm thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ... Luận văn nghiên cứu nhằm tìm ra thành phần và chế độ xử lý mẫu cho tính chất từ và hiệu ứng GMI tốt nhất. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu Fe87-xZr7B6Cux

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 NGUYỄN ĐĂNG TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG GMI CỦA VẬT LIỆU Fe87-xZr7B6Cux Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Tình HÀ NỘI, 2016
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Hữu Tình người thầy đã dành cho tôi nhiều công sức, trí tuệ cùng sự động viên khích lệ, giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ ân cần, khích lệ và tạo điều kiện của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân dành cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn tại Viện Khoa học Vật liệu. Cảm ơn sự đồng hành và giúp đỡ của học viên Đỗ Văn Phương người cùng chung giáo viên hướng dẫn, đã cùng tôi hoàn thành nhiều công đoạn trong quá trình thực nghiệm và hoàn thiện luận văn. Tôi xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS. Nguyễn Mẫu Lâm, NCS. Nguyễn Hải Yến, NCS Phạm Thị Thanh và các cán bộ, học viên khác trong Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt của Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trung tâm Nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đối với tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Sau cùng, xin được cảm ơn và thực sự không thể quên được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, bạn bè, anh em gần xa và sự động viên tinh thần, giúp đỡ vật chất, tạo điều kiện về mọi mặt của những người thân trong gia đình trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Hà Nội, tháng 7 năm 2016 Tác giả
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự gi p đ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Nguyễn Đăng Trƣờng
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 NỘI DUNG ................................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) ....................................................................................................................... 3 1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI ............................................................... 3 1.2. Mối quan hệ giữa cấu tr c đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ ............ 5 1.2.1 Cấu tr c đômen và tính dị hƣớng từ ...................................................... 5 1.2.2. Hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong GMI ............................................. 7 1.2.3.Cấu tr c đômen và hiệu ứng GMI trong các dạng vật liệu khác nhau ................................................................................................................. 9 1.3. Vật liệu từ mềm nano tinh thể ..................................................................... 12 1.3.1 Cấu trúc nano tinh thể .......................................................................... 12 1. 3. 2 Các tính chất từ của vật liệu từ nano .................................................. 13 1.3.3 Ảnh hƣởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt lên tính chất từ của hệ vật liệu Fe – Zr – B – Cu. ......................................... 16 1.4 Công nghệ nguội nhanh ............................................................................... 17 1.4.1 Các phƣơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dƣới dạng băng mỏng .............................................................................................................. 17 1.4.2 Tốc độ nguội của hợp kim nóng chảy .................................................. 18 1.5 Tốc độ nguội tới hạn .................................................................................... 20 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................................................... 23 2.1 Chế tạo mẫu hợp kim ................................................................................... 23
2.1.1 Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu tr c vô định hình bằng thiết bị nguội nhanh đơn trục ........................................................................ 23 2.1.2 Kỹ thuật gia công mẫu ......................................................................... 25 2.1.3 Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt ................................................................... 25 2.2 Phƣơng pháp phân tích ................................................................................. 26 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) ...................... 26 2.2.2 Phƣơng pháp đo từ trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) ........................ 27 2.2.3 Phƣơng pháp đo GMI ........................................................................... 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 31 3.1. Nghiên cứu cấu trúc của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ...................................... 31 3.2 Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ................................. 32 3.3. Nghiên cứu hiệu ứng GMI của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ........................... 35 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Cu trong hợp kim đến tỷ số GMIr của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux. ............................................................... 35 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng tần số đến tỷ số GMIr của hợp kim ................ 37 Fe87-xZr7B6Cux. .............................................................................................. 37 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 39 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 39
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU s : Từ giảo bão hòa  : Năng lƣợng của mỗi đơn vị diện tích trên vách đômen  : Độ dày vách đômen 0 : Độ từ thẩm của chân không Ek : Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể Hc : Lực kháng từ Hext : Từ trƣờng ngoài Ir, Jr, Mr : Từ độ dƣ MS : Từ độ bão hòa RC : Tốc độ nguội tới hạn Ta : Nhiệt độ ủ TC : Nhiệt độ Curie Tg : Nhiệt độ thủy tinh hóa ta : Thời gian ủ nhiệt
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT GMI : Giant Magneto Impedan Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMIr : Giant Magneto Impedan ratio Tỷ số từ tổng trở khổng lồ T-T-T : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha VSM : Hệ từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X VĐH : Vô định hình
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Từ trƣờng quanh một vật dẫn có dòng xoay chiều chạy qua. ...................... 3 Hình 1.2 Mô hình đômen của Squire [6]. ................................................................... 5 Hình 1.3 Mô hình dị hƣớng giải thích hiện tƣợng tách đỉnh của đƣờng cong tỷ số GMIr ...................................................................................................... 7 Hình 1.4 Hình dạng đƣờng cong tỷ số GMIr (có hiện tƣợng tách đỉnh) .................... 8 Hình 1.5 Đồ thị t ứng với các giá trị K khác nhau .................................................... 9 Hình 1.7 Cấu tr c đômen của màng, băng. ............................................................... 10 Hình 1.8. Cấu tr c đômen của màng mỏng đa lớp.................................................... 11 Hình 1.9 (a) Hợp kim đa nguyên tố và siêu quá bão hòa đƣợc đông cứng nhanh từ thể lỏng tạo trạng thái VĐH. (b) Khi ủ, trạng thái siêu quá bão hòa bị phá v : Cu, Zr và B với nồng độ quá bão hòa tách ra khỏi Fe. Thành phần hợp kim bị phân ly thành vùng giàu Fe và vùng giàu Cu, Zr, B, các vùng này có nhiệt độ kết tinh khác nhau Tc1 < Tc2. Nếu mẫu đƣợc ủ tại nhiệt độ: Tc1 < T < Tc2, pha α – Fe kết tinh, pha VĐH giàu Cu, Zr, B không kết tinh và bao lấy hạt tinh thể α – Fe, hạn chế hạt này trong phạm vi vài chục nano mét. (c) Cấu trúc vật liệu từ mềm nano tinh thể FeZrBCu sau khi ủ nhiệt tại Tc1 < T < Tc2. [6] ...................................................................................... 13 Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt. ............................................................................. 19 Hình 1.11 Hợp kim một nguyên, đƣờng 1, 2 và 3 ứng với tốc độ nguội khác nhau.......................................................................................................... 20 Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không ........................................... 24 Hình 2.2 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không. ...................................................................... 26 Hình 2.3. Mô hình hình học của hiện tƣợng nhiễu xạ tia X ...................................... 27 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên l và ảnh chụp của hệ từ kế mẫu rung (VSM) ................... 28 Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ đo GMI ................................................................................ 30 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 3 mẫu chƣa ủ nhiệt ................................................ 31 Hình 3. 2 Giản đồ nhiễu xạ tia X 3 mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1h ...................... 31 Hình 3.3 Đƣờng cong từ hóa các mẫu chƣa ủ nhiệt .................................................. 33
Hình 3.4 Đƣờng cong từ hóa các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ..................... 33 Hình 3.5 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu chƣa ủ................ 33 Hình 3.6 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu chƣa ủ ............. 33 Hình 3.7 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ..................................................................................... 33 Hình 3.8 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ..................................................................................... 33 Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 chƣa ủ nhiệt........................................... 35 Hình 3.10 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ............ 35 Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 chƣa ủ nhiệt ........................................ 35 Hình 3.12 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ............ 35 Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 chƣa ủ nhiệt ........................................ 36 Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ............ 36 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn các cực đại tỉ số GMI các mẫu chƣa ủ nhiệt theo hàm lƣợng Cu. ......................................................................................... 36 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn các cực đại tỉ số GMI các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ theo hàm lƣợng Cu. ............................................................... 36 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số các mẫu chƣa ủ nhiệt................ 37 Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ................................................................................................ 37
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Vận tốc nguội tới hạn RC trong quá trình vô định hình hợp kim. ................21 Bảng 2. Hệ hợp kim nền sắt. .....................................................................................25 Bảng 3. Kết quả khảo sát từ với các mẫu theo sự thay đổi của hàm lƣợng Cu ........34
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Vật liệu từ mềm, hay vật liệu sắt từ mềm là vật liệu sắt từ, “mềm” về phƣơng diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ. Vật liệu sắt từ mềm thƣờng đƣợc dùng làm vật liệu hoạt động trong trƣờng ngoài, ví dụ nhƣ lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ... Vật liệu từ mềm nano tinh thể (hay còn gọi là vật liệu từ tổ hợp nano - nanocomposite magnetic materials) có tính từ mềm tuyệt vời: Có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm cao, cảm ứng từ lớn, có khả năng dùng ở tần số cao... Một số vật liệu ở dạng thƣơng phẩm có các tên nhƣ Finemet (FeSiBNbCu), Nanoperm (FeZrBCu), Hitperm (FeCoZrBCu)... đều là các hợp kim trên nền sắt Fe. Ngoài vật liệu Finemet điển hình cho từ thẩm cao, thì các công trình công bố trên thế giới vật liệu Hitperm, Nanoperm cho độ từ thẩm rất cao. Trong đó hợp kim Nanoperm là loại vật liệu từ mềm rất tốt. Ta cũng biết khi có tác động của từ trƣờng ngoài H thì  thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt  thay đổi mạnh dẫn đến sự thay đổi mạnh của tổng trở Z của vật liệu. Trong trƣờng hợp đó ngƣời ta dùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trƣng bởi tỷ số GMI (hoặc GMIr). Muốn nhận đƣợc tỷ số tổng trở GMIr cao, hợp kim phải có từ thẩm  cao hay nói cách khác phải là vật liệu có tính từ mềm tốt. Khi thay đổi hợp phần các nguyên tố trong vật liệu thì cấu trúc, tính chất từ và dẫn đến hiệu ứng GMI cũng thay đổi. Theo tài liệu tham khảo cho thấy với vật liệu nanoperm thì Cu đóng vai trò tạo mầm kết tinh của pha α–Fe. Việc thay đổi hợp phần dẫn đến việc thay đổi tính chất từ và hiệu ứng GMI chính vì thế chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu Fe87-xZr7B6Cux”. 2. Mục đích nghiên cứu Tìm ra thành phần và chế độ xử lý mẫu cho tính chất từ và hiệu ứng GMI tốt nhất.
2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo mẫu vật liệu bằng công nghệ nguội nhanh. - Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của các mẫu đã đƣợc chế tạo. - Khảo sát hiệu ứng GMI trên các mẫu đã đƣợc chế tạo. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Vật liệu từ mềm nanoperm nền Fe chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng, cụ thể là Fe87-xZr7B6Cux trong đó thành phần Cu thay đổi với x = 0,5; 1,0; 1,5. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Từ đối tƣợng và mục đích nghiên cứu là làm rõ mối quan hệ giữa công nghệ chế tạo và xử lý mẫu – cấu trúc vi mô, tính chất từ và tổng trở của mẫu, áp dụng các phƣơng pháp thực nghiệm nhƣ sau. Sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo vật liệu nanoperm, sau đó sử dụng các phƣơng pháp đo thích hợp để xác định các thông số cấu trúc, tính chất của mẫu vật liệu. 6. Giả thuyết khoa học Đề xuất hƣớng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật và đời sống: Khả năng ứng dụng đề tài khả thi, có thể ứng dụng thực tế làm các loại cảm biến.
3 NỘI DUNG CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) 1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI Nhƣ ch ng ta đều thấy tỉ số U/I có giá trị không thay đổi với một vật dẫn nhƣng nó lại thay đổi với các dây dẫn khác nhau, tỉ số U/I=R ngƣời ta gọi là điện trở, đại lƣợng đặc trƣng cho tính cản trở dòng điện vật dẫn. Tƣơng tự tổng trở Z là tác nhân cản trở dòng điện xoay chiều trong dây dẫn, vì vậy có thể viết I=U/Z (dòng điện I, điện áp U và tổng trở Z). Nguyên nhân xuất hiện của tổng trở đƣợc giải thích dựa trên hai hiện tƣợng vật lý cổ điển là: Hiện tƣợng cảm ứng điện từ và hiệu ứng bề mặt. i’ i =Ioeit δ Ht Hext Hình 1.1 Từ trường quanh một vật dẫn có dòng xoay chiều chạy qua [6]. Theo hiện tƣợng cảm ứng điện từ, thì khi có dòng điện xoay chiều i= Ioeit chạy qua một vật dẫn (hình 1.1). Dòng điện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trƣờng Ht biến thiên xung quanh dây dẫn. Điều này dẫn đến xuất hiện một suất điện động cảm ứng biến thiên và tạo ra dòng điện cảm ứng i' có chiều ngƣợc với chiều của dòng điện chính i. Dòng điện cảm ứng này có tác dụng chống lại dòng điện chính, đây chính là nguyên nhân gây ra tổng trở của dây dẫn.
4 Theo hiệu ứng bề mặt với dây dẫn thông thƣờng thì điện tích chủ yếu tập trung bề mặt nên khi có dòng cao tần chạy qua, dòng điện này chỉ xuất hiện ở một lớp trên bề mặt có độ dày  đƣợc gọi là độ thấm sâu bề mặt (độ thấm dòng điện). Độ thấm  đƣợc định nghĩa là chiều sâu tính từ bề mặt dây dẫn điện đến vị trí mà ở đó mật độ dòng điện giảm e lần (J=JS e-d/) ~ 37% so với ở bề mặt theo hƣớng xuyên tâm [22, 24]. Trong hiệu ứng bề mặt, dòng điện chỉ phân bố trên bề mặt, điều đó tƣơng tự nhƣ tiết diện dây dẫn bị thu nhỏ lại, do đó nó cản trở dòng điện cao tần. Trong dây dẫn điện độ thấm từ phụ thuộc vào các yếu tố tần số góc  = 2f, độ dẫn điện và điện trở suất  = 1/ cũng nhƣ độ từ thẩm tƣơng đối r= /0 (: độ từ thẩm của vật dẫn, 0: hằng số từ). 1 1 ~ (1.1) t 2 Sự thay đổi mạnh của tổng trở Z của vật dẫn từ tính khi có dòng điện cao tần đi qua, dƣới tác động của từ trƣờng ngoài Hext (hình 1.1) ngƣời ta gọi đó là: Hiệu ứng tổng trở khổng lồ (giant magnetoimpedance-GMI). Hiệu ứng này đƣợc quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1994 [26]. Hiệu ứng quan sát tốt nhất trong các vật liệu từ siêu mềm (độ từ thẩm cao). Bản chất của hiệu ứng là sự phụ thuộc của tổng trở cao tần Z vào sự thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng của vật liệu trong trƣờng ngoài, tần số và hiệu ứng bề mặt. Z(, H)~  t  , H  (1.2) Dòng điện cao tần chạy qua dây dẫn và từ trƣờng ngoài Hext tác động lên dây dẫn đến độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trƣờng Ht. Nhƣ vậy kết hợp (1.1) và (1.2) có thể thấy tổng trở Z trong dây dẫn phi từ tính do hiệu ứng bề mặt quyết định và trong dây dẫn từ tính do hai yếu tố là hiệu ứng bề mặt và sự thay đổi mạnh của từ thẩm dƣới tác động của hai từ trƣờng H’ và H ngoài. Để đặc trƣng cho hiệu ứng ngƣời ta đƣa ra một đại lƣợng, đó là tỷ số tổng trở khổng lồ GMIr đƣợc xác định theo biểu thức sau:
5 Z ( H )  Z ( H 0) GMIr  %  =100 (1.3) Z ( H 0) - Z(H): giá trị tổng trở đƣợc đo ở từ trƣờng H. - Z(H=0): giá trị tổng trở đo ở từ trƣờng bằng không. Trong các hệ vật liệu, thì vật liệu Nanoperm là vật liệu từ mềm có từ thẩm cao (~ 105), điều này cho phép hy vọng có hiệu ứng GMI tốt. 1.2. Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ 1.2.1 Cấu trúc đômen và tính dị hƣớng từ Cấu tr c đômen và tính dị hƣớng từ đƣợc tìm ra vào năm 1994, với rất nhiều mô hình lý thuyết đƣợc đƣa ra nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng GMI. Trong đó mỗi mô hình chỉ phù hợp với mỗi dải tần số nhất định, tùy thuộc vào mối quan hệ giữa cấu tr c đômen và quá trình từ hóa của chất sắt từ. Với rất nhiều mô hình đƣợc giải thích thì ngƣời ta chú ý nhất là mô hình của Squire [6] dành cho quá trình từ hóa và hiệu ứng GMI trong vật liệu từ mềm. Với mô hình đó có thể đƣợc sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và vật dẫn có cấu trúc phẳng (hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng lƣợng khử từ ngang). Với dạng hình trụ, trƣờng khử từ là rất nhỏ, với dạng phẳng, trƣờng khử từ phụ thuộc vào bề rộng của mẫu. Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách đômen và quá trình quay của véctơ từ độ dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài cũng nhƣ từ trƣờng do dòng cao tần gây ra. Hình 1.2 chỉ ra cấu tr c đômen đƣợc sử dụng là các đômen phản song song định hƣớng theo trục từ dễ. Ở đây,  là góc tạo bởi phƣơng dễ từ hóa và trƣờng ngoài, 1 Hình 1.2 Mô hình đômen của Squire [6]. và 2 là góc giữa mô men từ của hai đômen với phƣơng dễ từ hóa dƣới tác dụng tổng hợp của từ trƣờng ngoài Hext và từ trƣờng vuông góc Ht, d là bề rộng vách đômen khi không có từ trƣờng ngoài và x là độ dịch chuyển của vách đômen dƣới tác dụng của trƣờng cảm ứng từ.
6 Thông qua mô hình này có thể tính đƣợc độ tự cảm ngang t. Mặt khác độ tự cảm ngang t liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:  t = t +1 (1.4) Muốn biết cấu tr c đômen (bao gồm vị trí của vách đômen và góc quay từ hóa) thì trong mô hình này mật độ năng lƣợng tự do đƣợc cực tiểu hóa. Mật độ năng lƣợng tự do do đó đƣợc xác định theo công thức sau: U tot  U k  U Hext  U Ht  UW (1.5) Trong đó UK là mật độ năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể và đƣợc tính theo công thức sau: U K  K[ sin 2 1  (1   ) sin 2 2 ] (1.6) Với K là hằng số dị hƣớng từ tinh thể, hệ số α chỉ lƣợng các đômen từ hóa dọc theo trục của từ trƣờng ngoài đặt vào. U Hext là năng lƣợng Zeeman phụ thuộc vào trục của từ trƣờng ngoài đặt vào Hext: U Hext  0 M S H ext [(1   ) cos(   2 )   cos(  1 )] (1.7) t U Ht là năng lƣợng Zeeman phụ thuộc vào từ trƣờng ngang H : U Ht  0 M S H t [(1   ) sin(  2 )   sin(  1 )] (1. 8) Và UW là năng lƣợng tĩnh từ, nó phụ thuộc vào cấu trúc của các đômen. Năng lƣợng tĩnh từ đƣợc thể hiện dƣới dạng hàm bậc hai: UW =  u2 (1.9) Với u = x/d và  đặc trƣng cho “độ cứng” của vách đômen. Đại lƣợng này đƣợc sử dụng để chọn giá trị của mômen góc 1 ,2 và vị trí của vách đômen tại vị trí có năng lƣợng cực tiểu tƣơng ứng với từ trƣờng Hext đặt vào và từ trƣờng ngang Ht = 0. Sự khác biệt M giữa các quá trình từ hóa ngang với sự có mặt hay không có mặt của từ trƣờng ngang cho phép tính đƣợc độ từ cảm theo phƣơng ngang M t  và từ đó tính đƣợc độ thẩm từ. Mô hình này đƣợc sử dụng để tính toán độ Ht từ thẩm ngang của các vật liệu.
7 Nghiên cứu về sự phân bố dị hƣớng lên hiệu ứng GMI chỉ ra rằng GMIr là hàm của M(t). Các nghiên cứu về mối quan hệ giữa sự định hƣớng trục dễ của các đômen từ với hiệu ứng GMI, chỉ ra rằng dạng của đƣờng cong GMI phụ thuộc vào sự định hƣớng trục dễ. 1.2.2. Hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong GMI Đó chính là hiện tƣợng, trên đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ số GMIr vào từ trƣờng ngoài H xuất hiện hai cực đại, ứng với hai đỉnh. Từ kết quả nghiên cứu và kết quả thực nghiệm của chúng tôi thì thấy có hiện tƣợng tách đỉnh trên đƣờng cong GMI ở một số mẫu. Cơ chế của hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong GMI liên quan đến tính dị hƣớng của mẫu nghiên cứu và đƣợc X. P. Li và các cộng sự [6] giải thích theo mô hình sau: xét một trục chuẩn có một đơn đômen quay quanh. Do mẫu có tính dị hƣớng nên năng lƣợng tƣơng tác của dây dẫn từ tính đặt trong từ trƣờng H và có phƣơng dễ từ hoá hợp với phƣơng từ trƣờng một góc  trong từ trƣờng H (hình 1. 4) đƣợc xác định bằng: E = K sin2K - MsHextsin( + K) - MsHtcos(K + ) (1.10) Trong đó E là năng lƣợng toàn phần của hệ, K là hằng số dị hƣớng từ tinh thể của vật liệu làm dây dẫn, K là góc hợp bởi phƣơng dễ từ hoá và phƣơng của từ trƣờng ngang Ht và  là góc giữa phƣơng dễ từ hoá và phƣơng từ độ MS của vật liệu. Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là: E =0 (1.11)  Ht Ms Hext K  I Hình 1.3 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh của đường cong tỷ số GMI [6].
8 Mặt khác ta có độ từ cảm theo phƣơng ngang đƣợc xác định nhƣ sau: M t 2 E t = t   (1.12) H t H 2 Từ các biểu thức (1.10), (1.11) và (1.12) ta xác định đƣợc: M s sin 2 (   K ) t    H K h sin 2 (   K )  cos( 2 ) (1.13) trong đó trƣờng dị hƣớng HK=2K/MS; h =Hext/HK Hình 1.4 Hình dạng đường cong tỷ số GMIr (có hiện tượng tách đỉnh)[6]. Và do t = t + 1 nên t và t có cùng dạng đồ thị. Dẫn đến, theo phƣơng trình (1.13) khi  và K nhỏ khoảng 5o thì đƣờng cong đƣợc vẽ bởi phƣơng trình (1.13) sẽ xuất hiện hai đỉnh tại h = 1 hay Hext =  HK, nhƣ đƣợc mô tả ở (hình 1.4). Dạng đồ thị của t đƣợc mô tả nhƣ (hình 1.5), mà t lại tỷ lệ với µt, nên dạng đƣờng cong của t cũng tƣơng tự dạng đƣờng cong của GMI. Khi K nằm trong khoảng 50 đến 500 thì đƣờng cong GMI có hiện tƣợng tách đỉnh với độ mạnh yếu khác nhau. Nhƣng khi K có giá trị từ 600 đến 900 thì hiện tƣợng tách đỉnh trên đƣờng cong GMI không còn nữa.
9 Hình 1.5 Đồ thị t ứng với các giá trị K khác nhau [6]. 1.2.3.Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong các dạng vật liệu khác nhau * Vật liệu dạng dây Độ từ thẩm hiệu dụng dùng điều khiển hiệu ứng từ tổng trở. Một trong những nguyên nhân ảnh hƣởng đến độ lớn của độ từ thẩm là dị hƣớng từ, dị hƣớng này thƣờng là do ứng suất dƣ trong quá trình chế tạo mẫu, ứng suất này có Hình 1.6 Cấu trúc đômen của dây vô định thể đƣợc khử thông qua quá trình ủ hình [6]. mẫu. Với mẫu dạng dây chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh, do tốc độ nguội của lớp bề mặt dây và vùng lõi của dây khác nhau, dẫn đến cấu tr c đômen của hai vùng khác nhau, điều này đƣợc biểu diễn trên hình 1.6. Những nghiên cứu về dây FeBSi vô định hình bởi Takemura (1996) cho thấy cấu trúc dạng đômen trên của dây. Trong đó, phần lõi là đơn đômen với phƣơng của véctơ từ độ trùng với chiều dài của dây dẫn. Phần vỏ ngoài có cấu tr c đa đômen với các véctơ từ độ có dạng vòng
10 tròn, nguyên nhân là do ứng suất nén kết hợp với hiệu ứng từ giảo âm, giữ cho các đômen từ là các vòng tròn kín, đảm bảo sự cực tiểu về năng lƣợng [6]. Để khử các ứng suất ta phải chọn việc ủ mẫu ở nhiệt độ thích hợp, việc ủ mẫu đó tạo ra các đômen có véctơ từ độ dạng vòng kín, và có thể làm kết tinh một phần bề mặt. Z R  j. X k .a J 0  k .a  Nếu gọi bán kính dây là a, ta có:   . (1.14) R R 2 J1  ka  J0 và J1 là các hàm Bessel, và k= (1+j)/  Tại tần số cao, ( ka >>1), ta có biểu thức gần đ ng sau:  a  X  R  (1.15)  2  2  là độ thấm sâu:  (1.16)  Từ (1.14), (1.15) và (1.16) ta có: a Z = (1+J)R( )  (1.17) 2 2 Trong biểu thức ta thấy tổng trở Z phụ thuộc vào 2 thành phần µ, ω. * Vật liệu dạng băng hoặc màng mỏng Các mẫu màng mỏng tuy có độ dày nhỏ nhƣng tỷ số GMIr trong các công bố cho thấy chƣa cao, nên các nghiên cứu gần đây đều tập trung tìm cách tăng tỷ số GMIr trong các màng mỏng. Bên cạnh đó thì tỷ số GMIr lớn nhất Hình 1.7 Cấu trúc đômen của màng, băng [6]. trong các công bố là ở các mẫu dây. Trong mẫu cấu trúc dạng đơn lớp, cấu tr c đômen đƣợc mô phỏng nhƣ hình 1.7. Khi dòng xoay chiều tần số cao đi qua các mẫu màng mỏng hoặc mẫu băng, nó cũng tạo ra từ trƣờng xoay chiều cƣờng độ nhỏ vuông góc với chiều dòng điện. Nếu