ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Anh Đức CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU MULTIFERROIC CẤU TRÚC NANO CHO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG MICRO- TESLA
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ
Hà Nội – 2015
Công trình được hoàn thành tại: Trư ng Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội
Ngư i hướng dẫn khoa học: PGS. TS Đỗ Thị Hương Giang
GS.TS Nguyễn Hữu Đức
Phản biện: ...........................................................................................................................
.......................................................................................................................
Phản biện: ...........................................................................................................................
.......................................................................................................................
Phản biện: ...........................................................................................................................
.......................................................................................................................
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia
chấm luận án tiến sĩ họp tại ............................................................................................................
vào hồi gi ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội
MỞ ĐẦU
Hiệu ứng từ-điện đã được phỏng đoán lần đầu tiên vào năm
1894, được gọi tên chính thức vào năm 1926. Các nghiên cứu đã cho
thấy hiệu ứng từ-điện có khả năng ứng dụng thực tiễn vào rất nhiều lĩnh
vực như: thiết bị chuyển đổi tín hiệu (tranducer), thiết bị lọc tín hiệu
(filter), thiết bị lưu trữ thông tin thế hệ mới (MeRAM) và đặc biệt là
cảm biến từ trường có độ nhạy và độ phân giải cao.
Về cơ bản thì hiệu ứng từ-điện xuất hiện trên các vật liệu
multiferroic (multifferoics materials). Các vật liệu multiferroic đã có
quá trình phát triển từ vật liệu đơn pha đến vật liệu đa pha dạng khối và
đến vật liệu đa lớp. Vật liệu đa lớp cho thấy nhiều ưu điểm so với các
dạng vật liệu khác bởi: công nghệ chế tạo đơn giản, không xuất hiện
pha thứ ba trong quá trình chế tạo và hiệu ứng từ-điện đủ lớn cho các
ứng dụng thực tiễn.
Trong số các ứng dụng của hiệu ứng từ-điện thì cảm biến từ
trường được luận án xác định là có khả năng ứng dụng cao nhất. Các
nghiên cứu ứng dụng trên cảm biến từ trường trong luận án hướng đến
mục tiêu chế tạo thành công cảm biến từ trường yếu
Với các lý do trên, luận án đã lựa chọn vật liệu multiferroic
cùng với hiệu ứng từ-điện và cảm biến từ trường yếu là đối tượng
nghiên cứu. Hiệu ứng từ-điện được tăng cường thông qua các quá trình
tối ưu hóa vật liệu để đạt được hiệu ứng từ-điện đủ lớn cho các ứng
dụng chế tạo cảm biến từ trường có độ nhạy cao và độ phân giải cao.
1
Luận án có tên là: Chế tạo và nghiên cứu vật liệu multiferroic cấu trúc
nano cho cảm biến từ trường micro – tesla.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Vật liệu sắt từ, sắt điện và multiferroic
Khái niệm vật liệu multiferroic lần đầu tiên được sử dụng bởi H.
Schmid vào năm 1994. Vật liệu multiferroic là vật liệu có hai hoặc
nhiều hơn các tính chất sắt cơ bản (primary ferroic properties) trong
cùng một pha vật liệu. Các tính chất sắt cơ bản bao gồm: tính chất sắt
điện (ferroelectrics), tính chất sắt từ (ferromagnetics), tính chất đàn hồi
(ferroelastics)
1.1.1 Vật liệu sắt điện và hiệu ứng áp điện
1.1.1.a. Vật liệu sắt điện.
Sắt điện được định nghĩa là vật liệu có cấu trúc tinh thể với độ
phân cực điện tự phát.
1.1.1.b. Hiệu ứng áp điện.
Hiệu ứng áp điện (piezoelectricity effect) được phát hiện vào
năm 1880 bởi hai nhà vật lý người Pháp là Jacques Curie và Pierre
Curie. Hiệu ứng áp điện được định nghĩa là hiện tượng vật liệu áp điện
khi chịu tác dụng của ứng suất kéo hoặc nén thì trong lòng vật liệu sẽ
xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngược lại khi vật liệu áp điện
chịu tác dụng của điện trường thì vật liệu sẽ bị biến dạng dài ra hoặc
ngắn lại tùy thuộc vào điện trường ngoài cùng chiều hay ngược chiều
với véc tơ phân cực điện của vật liệu.
2
1.1.2 Vật liệu sắt từ và hiệu ứng từ giảo
1.1.2.a. Vật liệu sắt từ.
Vật liệu sắt từ được định nghĩa là vật liệu có từ độ tự phát, từ độ
này ổn định theo thời gian và có thể có hiện tượng trễ dưới tác động của
từ trường ngoài.
1.1.2.b. Hiệu ứng từ giảo.
Từ giảo (magnetostriction effect) là hiện tượng hình dạng và
kích thước của vật liệu từ thay đổi khi chịu tác dụng của từ trường ngoài
(từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật liệu bị thay đổi khi
có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch). Hiện tượng
từ giảo đã được James Prescott Joule (1818 - 1889) phát hiện lần đầu
tiên vào năm 1842 trên mẫu sắt.
1.1.3. Vật liệu multiferroic
Các tính chất sắt cơ bản (primary ferroic) bao gồm: tính chất sắt
điện, tính chất sắt từ và tính chất sắt đàn hồi. Từ ba tính chất sắt cơ bản
này sẽ dẫn đến sáu tính chất sắt thứ cấp (secondary ferroic) bao gồm:
ferrobielectrics, ferrobimagnetics, ferrobielastics, điện – đàn hồi, từ -
đàn hồi và từ - điện. Tương ứng với các tính chất sắt điện thứ cấp này là
các thông số đặc trưng bao gồm: độ cảm điện, độ cảm từ, hệ số đàn hồi,
hệ số áp điện, hệ số từ đàn hồi và hệ số từ-điện.
1.2 Hiệu ứng từ-điện
1.2.1 Tổng quan về hiệu ứng từ-điện
3
Các nghiên cứu về mối tương quan giữa các tính chất điện, tính
chất cơ học và tính chất từ của vật liệu từ điện chủ yếu sử dụng các lý
thuyết về nhiệt động lực học. Các tính chất cơ học được thể hiện thông
qua ứng suất và độ biến dạng tỷ đối. Các tính chất điện được thể hiện
thông qua độ phân cực và cường độ điện trường. Các tính chất từ được
thể hiện thông qua từ độ và cường độ từ trường.
1.2.2 Hệ số từ-điện
Một tham số đặc trưng rất quan trọng của hiệu ứng từ điện
chính là hệ số từ điện (magnetoelectric coefficient) và được ký hiệu là
α. Về cơ bản thì hệ số từ điện được phân thành hai loại chính là hệ số từ
điện thuận (direct magnetoelectric coefficient) và hệ số từ điện ngược
(converse magnetoelectric coefficient).
Về cơ bản có hai phương pháp thực nghiệm để xác định hệ số
từ điện thuận đó là đo độ phân cực của vật liệu dưới tác dụng của từ
trường ngoài và đo hiệu điện thế của vật liệu dưới tác dụng của từ
trường ngoài và một từ trường xoay chiều kích thích.
1.2.3 Liên kết ứng suất bề mặt trong hiệu ứng từ-điện thuận.
Cơ chế cơ bản và quan trọng nhất của hiệu ứng từ điện đó là sự
liên kết ứng suất giữa các thành phần trong vật liệu tổ hợp. Đối với
trường hợp hiệu ứng từ điện thuận, khi vật liệu tổ hợp từ điện chịu tác
dụng của từ trường ngoài thì vật liệu sẽ sinh ra một ứng suất tuân theo
hiện tượng từ giảo của tính chất sắt từ. Nếu các thành phần sắt điện và
sắt từ liên kết trực tiếp với nhau thì ứng suất này sẽ được truyền một
4
phần sang thành phần sắt điện. Thành phần sắt điện khi đó sẽ sinh ra
một độ phân cực điện tuân theo hiện tượng áp điện.
1.3. Vật liệu từ-điện.
1.3.1 Vật liệu từ-điện đơn pha.
Các vật liệu từ-điện đơn pha khác nhau đã được tìm thấy nhưng
với số lượng nhỏ và hiệu ứng từ điện rất thấp. Các nhược điểm trên có
thể được giải thích bởi cơ chế hoạt động của sắt điện và sắt từ là tương
đối khác biệt và thậm chí là đối nghịch nhau.
1.3.2. Vật liệu tổ hợp đa pha.
Vật liệu tổ hợp từ-điện đa pha về cơ bản là sự kết hợp của hai
pha gồm pha sắt điện và pha sắt từ. Vật liệu tổ hợp đa pha rất đa dạng
về số lượng như: vật liệu composite khối, vật liệu đa lớp dạng tấm, vật
liệu đa lớp dạng màng mỏng ... cũng như phương pháp chế tạo.
1.3.3. Vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc nano.
Bên cạnh các phương pháp nghiên cứu và chế tạo vật liệu
truyền thống, sự phát triển của khoa học công nghệ cho phép chế tạo
các vật liệu với cấu trúc mong muốn với độ chính xác đến nanomet.
Một số ví dụ điển hình cho vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc nano là:
cấu trúc siêu mạng, cấu trúc ống nanô ...
1.4 Tổng quan cảm biến từ trƣờng
1.4.1 Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng Hall.
5
Cảm biến Hall là cảm biến từ trường phổ biến nhất trên thị
trường hiện nay dùng để đo từ trường lớn hơn 1 mT và hoạt động tốt
trong dải nhiệt độ từ -100 đến 100°C. Tuy nhiên, nhược điểm của các
cảm biến Hall là bị giới hạn theo khoảng cách. Với từ trường nhỏ,
chúng chỉ hoạt động tốt với khoảng cách nhỏ hơn 10 cm. Một hạn chế
khác trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao là sự có mặt của tín
hiện nền (offset), tức là có điện áp lối ra ngay cả khi không có từ trường
ngoài.
1.4.2 Cảm biến từ trƣờng SQUID
Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn SQUID
(Superconducting QUantum Interference Device) là một thiết bị đo từ
trường có độ nhạy và độ chính xác cao nhất được biết đến hiện nay. Cấu
tạo của cảm biến SQUID bao gồm một vòng siêu dẫn có chứa lớp tiếp
giáp Josephson. Các cảm biến SQUID có thể xác định được từ trường nhỏ nhất tới 5 aT (5.10-18 T) trong thời gian lên tới vài ngày và độ nhiễu là 3 fT.Hz-1/2. Tuy nhiên một số nhược điểm của nó dẫn đến hạn chế
trong ứng dụng thực tiễn bao gồm: giá thành rất cao, công nghệ chế tạo
phức tạp và nhiệt độ làm việc thấp (nhiệt độ siêu dẫn).
1.4.3. Cảm biến từ trƣờng Flux – gate
Cảm biến flux-gate có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm có hình
xuyến có độ cảm từ lớn được cuốn quanh bởi một cuộn dây solenoid
đóng vai trò là cuộn dây kích thích có dòng điện xoay chiều (AC) chạy
qua. Hạn chế của nó là khá cồng kềnh, không bền và có thời gian đáp
ứng chậm (khoảng 2-3 giây).
6
1.4.4 Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng GMR
Cảm biến loại này hoạt động dựa trên hiệu ứng từ - điện trở
khác nhau như hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ, từ - điện trở dị hướng, từ
- điện trở xuyên ngầm... Tùy theo mỗi hiệu ứng từ - điện trở được sử
dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại cảm biến có đặc trưng riêng.
Cảm biến này có giá thành cao, kích thước lớn và công suất tiêu thụ
cao. Các nhược điểm này là hạn chế rất lớn của cảm biến khi mà nhu
cầu tiểu hình hóa các thiết bị đang ngày càng cấp thiết.
1.4.5 Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ-điện
Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường dựa trên
hiệu ứng từ-điện với cơ sở là vật liệu tổ hợp từ-điện Terfecohan/PZT đã
cho thấy cảm biến từ trường có thể đạt được độ nhạy là 130 mV/mT và độ phân giải là 10-3 mT. Tuy nhiên các nghiên cứu trên vật liệu từ-điện
này vẫn còn khả năng tối ưu hóa về mặt vật liệu, cấu hình để có thể
nâng cao hơn nữa khả năng ứng dụng của cảm biến từ trường loại này.
Các nghiên cứu tiếp theo của luận án tập trung vào các ứng
dụng của vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp Metglas/PZT cho cảm biến từ
trường và đặc biệt là cảm biến từ trường trái đất.
1.5 Đối tƣợng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.5.1 Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu.
Với các nội dung cơ bản về hiệu ứng từ-điện, vật liệu tổ hợp từ-
điện và cảm biến từ trường đã được trình bày ở trên, luận án xác định
7
đối tượng và mục tiêu nghiên cứu gồm có: lý thuyết về hiệu ứng từ-điện
và các lý thuyết liên quan, vật liệu tổ hợp từ-điện, cảm biến từ trường.
1.5.2 Nội dung nghiên cứu.
Qua việc xác định đối tượng và mục tiêu nghiên cứu, luận án đã
đề ra các nội dung nghiên cứu bao gồm:
* Nghiên cứu chế tạo các vật liệu tổ hợp từ-điện khác nhau
* Nghiên cứu đầy đủ các yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu ứng
từ-điện.
* Khảo sát các tính chất từ, từ giảo, từ-điện của các vật liệu đã
được chế tạo và kết hợp với các nghiên cứu lý thuyết để xác định cấu
hình tối ưu cho việc chế tạo cảm biến từ trường yếu.
* Chế tạo cảm biến từ trường dựa trên vật liệu từ-điện đã được
chế tạo với cấu hình tối ưu. Khảo sát khả năng làm việc trong từ trường
yếu của cảm biến và cải tiến thiết kế của cảm biến. Đề xuất một số khả
năng ứng dụng vào các mục đích khác nhau.
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT bằng phƣơng pháp
phún xạ.
Đối với vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng, màng mỏng
Terfecohan được phún xạ trực tiếp lên bề mặt của vật liệu áp điện PZT
thông qua thiết bị phún xạ 6 bia của PTN micro – nano, Trường Đại học
8
Công Nghệ, ĐHQGHN. Thiết bị này có mã số ATC – 2000F được cung
cấp bởi công ty AJA international, Inc. (Mỹ).
2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm
Đối với vật liệu tổ hợp từ-điện dạng đa lớp, lớp băng từ Metglas
được kết dính cơ học với lớp áp điện PZT bởi một lớp keo polymer. Cấu
hình vật liệu được chế tạo khác nhau gồm có: cấu hình bilayer đơn, cấu
hình bilayer kép và cấu hình sandwich.
2.3 Khảo sát tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung VSM
Trong các thực nghiệm khảo sát tính chất từ của vật liệu đã
được tiến hành, luận án sử dụng thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404
được cung cấp bởi hãng Lakeshore tại PTN micro – nano, Trường Đại
học Công Nghệ, ĐHQGHN.
2.4 Hệ đo từ giảo
Để thực hiện các thực nghiệm xác định tính chất từ giảo của
màng mỏng Terfecohan và băng từ Metglas, hệ đo từ giảo phản xạ
quang học được thiết kế và sử dụng tại PTN micro – nano, Trường Đại
Học Công Nghệ.
2.5 Đo hệ số từ-điện
2.5.1 Hệ đo thực nghiệm
Hiệu ứng từ - điện được đặc trưng bởi hệ số từ - điện E và
được xác định thông qua thế áp điện VME được sinh ra trên hai mặt của
tấm áp điện dưới tác dụng của từ trường ngoài. Thế áp điện VME là thế
9
hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac = h
sin(2 f t) được đặt trong từ trường một chiều HDC. Từ trường một chiều
DC được tạo ra nhờ một nam châm điện với cường độ cực đại lên tới
hơn 1 T (10 kOe). Cường độ từ trường DC được đo bằng đầu đo Hall.
2.5.2 Phƣơng pháp tính hệ số từ-điện thuận
Theo phương pháp đo hệ số từ-điện trên thì hệ số từ-điện được
xác định bằng công thức: αE = VME/t/h0.
2.6 Hệ hiển vi điện tử SEM
Các nghiên cứu cấu trúc bề mặt của vật liệu và xác định chiều
dầy của các lớp vật liệu và của lớp kết dính đã được thực hiện trên thiết
bị hiển vị điện tử SEM (S – 3400N được cung cấp bởi hãng Hitachi tại
phòng thí nghiệm micro – nano, Trường Đại Học Công Nghệ,
ĐHQGHN) đã được sử dụng..
2.7 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM
Hình thái học bề mặt của đế (PZT, thủy tinh) và màng mỏng
Terfecohan trong luận án được khảo sát trên kính hiển vi lực nguyên
tử/lực từ AFM/MFM ND-MTD (Nga) đặt tại Phòng thí nghiệm Công
nghệ micro và nano, trường Đại học Công nghệ.
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU MULTIFERROIC Terfecohan/PZT
DẠNG MÀNG
3.1 Tính chất từ và từ giảo của màng mỏng Terfecohan.
10
Đường cong từ hóa của màng mỏng Terfecohan trên PZT và
thủy tinh cho thấy màng mỏng Terfecohan trên PZT có tính dị hướng
mặt phẳng ngay sau khi chế tạo trong khi màng mỏng Terfecohan trên
thủy tinh lại có tính dị hướng vuông góc.
Tuy nhiên màng mỏng Terfecohan trên PZT lại có lực kháng từ
lớn hơn so với màng mỏng Terfecohan trên thủy tinh (HC = 140G so với
30G).
Kết quả thực nghiệm cho thấy màng mỏng Terfecohan vẫn
chưa đạt đến trạng thái bão hòa tại từ trường ngoài là HDC = 7kG.
3.2 Tính chất từ điện của vật liệu tổ hợp màng mỏng
Terfecohan/PZT
Kết quả thực nghiệm cho thấy vật liệu cộng hưởng tại tần số f =
81,9 kHz. Đồ thị cho thấy thế từ điện lối ra tăng tuyến tính theo cường
độ từ trường xoay chiều. Thế từ điện lối ra lớn nhất đạt được giá trị ΔVE
= 592 μV khi từ trường xoay chiều có cường độ h0 = 0,1 Oe.
Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số từ điện trên vật liệu
Terfecohan/PZT đạt được lớn nhất là αE = 63 mV/cm.Oe khi từ trường
ngoài có giá trị HDC = ±1500G. Vùng làm việc của vật liệu là vùng mà
hệ số từ điện biến đổi tuyến tính với từ trường ngoài có giá trị trong
khoảng từ -1kG đến 1kG. Đường cong từ điện cũng cho thấy hiện tượng
trễ với HC = 250G là phù hợp với kết quả khảo sát tính chất từ.
Luận án đã tiến hành ủ nhiệt trong chân không vật liệu tổ hợp Terfecohan/PZT tại nhiệt độ 3500C trong 1h. Tuy nhiên kết quả thu
11
được là vật liệu mất hoàn toàn tính chất từ điện. Kết quả này khác biệt
so với kết quả thu được sau khi ủ nhiệt màng mỏng Terfecohan/thủy
tinh và được giải thích bởi hai lý do: i)quá trình oxy khuếch tán từ PZT
sang màng từ giảo, ii)sự chêch lệch quá lớn giữa hệ số nở nhiệt của hai
pha vật liệu.
Chƣơng 4: VẬT LIỆU TỔ HỢP Metglas/PZT DẠNG TẤM
4.1 Tính chất từ của băng Metglas
4.1.1 Tính chất từ siêu mềm
Tính chất từ của băng từ Metglas có pha Ni đã được nghiên cứu
thông qua việc đo đường cong từ hóa theo cả 3 phương: phương vuông
góc với mặt mặt mẫu (hướng theo phương pháp tuyến với mặt phẳng
băng), phương nằm trong mặt phẳng mẫu dọc theo chiều dài L và chiều
rộng W. Kết quả cho thấy tính chất từ siêu mềm trong mặt phẳng mẫu
được thể hiện quá trình từ hóa quan sát được trong từ trường thấp với từ
trường bão hòa rất thấp (Hs ~ 70 Oe), từ độ bão hòa cao (Ms ~ 1216
emu/cm3) và đặc biệt hầu như không có độ từ dư và lực kháng từ (Mr,
Hc ~ 0 Oe). Ngoài ra băng từ cũng thể hiện tính đẳng hướng trong mặt
phẳng băng do có trạng thái vô định hình.
4.1.2 Ảnh hƣởng của dị hƣớng hình dạng đến tính chất từ mềm.
Trong các phép đo này, các băng từ có chiều dày cố định
tMetglas = 18 m và các kích thước L và W thay đổi từ 0,25 mm đến
10 mm tương ứng với tỉ số giữa 2 kích thước này r = L/W dao động từ 1
đến 140. Từ trường ngoài luôn hướng dọc theo chiều (L) của băng. Kết
12
quả cho ta thấy các mẫu cùng đạt trạng thái bão hòa tại giá trị M = 1950 emu/cm3 và đường cong từ hóa khác biệt nhiều tại giá trị từ trường nhỏ
phụ thuộc vào tỉ lệ kích thước. Nếu như với mẫu có hình vuông, n = 1,
từ trường cần thiết để thiết lập trạng thái từ độ bão hòa vào khoảng Hs ~
70 Oe thì với mẫu có tỉ số n = 140, chỉ cần một từ trường ngoài nhỏ hơn
rất nhiều chỉ khoảng vài Oe cũng đủ để bão hòa. Tỉ lệ r càng lớn đường
cong càng dễ bão hòa dọc theo phương chiều dài của băng và ngược lại.
4.2 Tính chất từ giảo của băng Metglas
4.2.1 Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh
Đường cong từ giảo của băng từ Metglas cũng được khảo sát
trong mặt phẳng mẫu theo hai phương dọc theo chiều dài L và chiều
rộng mẫu W. Trong trường hợp này, từ trường tác dụng vào mẫu là từ
trường một chiều DC. Đường cong từ giảo đo theo hai phương trong
mặt phẳng băng trùng khít nhau (mẫu hình vuông). Điều này thêm một
lần nữa khẳng định tính đẳng hướng trong mặt phẳng của băng từ
nghiên cứu
4.2.2 Ảnh hƣởng của dị hƣớng hình dạng đến tính chất từ giảo.
Đường cong từ giảo đo trên các mẫu với chỉ số n thay đổi từ 0.5
đến 6. Đối với mẫu có chỉ số n = 0.5 từ trường cần tác dụng để làm mẫu
bão hòa là khoảng 200 Oe, với mẫu có n = 1 giá trị này giảm xuống còn
khoảng 100 Oe và khi n = 6 giá trị này chỉ còn là 70 Oe. Mặt khác độ
dốc của đường cong từ giảo cũng tăng tương ứng khi n tăng. Điều này
chứng tỏ sự ảnh hưởng của tỉ số kích thước đến tính mềm của băng từ.
13
4.2.3 Tính chất từ giảo động.
Trong luận án này, chúng tôi tiến hành đo đạc và khảo sát
đường cong từ giảo trong từ trường ngoài bao gồm cả từ trường DC và
AC. Phép đo này hoàn toàn mới và chưa được thực hiện và công bố trên
bất cứ tài liệu nào liên quan đến vật liệu từ-điện nghiên cứu. Kết quả
cho thấy sự phù hợp về hình dáng của đường cong từ giảo tĩnh với
đường cong độ cảm từ giảo.
4.3 Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào tần số kích thích.
4.3.1 Mẫu hình vuông
Sự phụ thuộc của hệ số từ-điện vào tần số của từ trường xoay
chiều được thực hiện đối với mẫu hình vuông có kích thước 25×25,
15×15, 12×12, 10×10 và 8×8 mm. Các đường cong này đều quan sát
thấy xuất hiện một đỉnh tần số rất hẹp tại đó có hệ số từ-điện đạt được
lớn nhất. Đỉnh này có xu hướng dịch chuyển về tần số thấp đối với mẫu
có kích thước càng lớn. Đây được coi là đỉnh cộng hưởng của vật liệu tổ
hợp. Còn có một số đỉnh khác nhưng độ lớn của chúng khá nhỏ so với
đỉnh cộng hưởng. Độ rộng xung đỉnh cộng hưởng ∆f tại 1/2 đỉnh cộng
hưởng rất hẹp (∆f/f ~ 1%)
4.3.2 Mẫu hình chữ nhật
Trong khi đó, khảo sát sự phụ thuộc vào tần số của hệ số từ-
điện trên các mẫu hình chữ nhật có kích thước chiều dài không đổi (L =
15 mm) và chiều rộng thay đổi (W = 1, 2, 5, 10 và 15 mm). Kết quả cho
thấy tần số cộng hưởng của các mẫu hình chữ nhật (L > W) có giá trị là
14
105,2 kHz, 105,8 kHz, 104,8 kHz, 105,8 kHz, 97,6 kHz, 102,6 kHz
tương ứng với các mẫu có chiều rộng là 1, 2, 3, 5, 7.5 và 10 mm. Kết
quả cho thấy tần số cộng hưởng của các mẫu này có giá trị tương đương
nhau trong khi so sánh với mẫu hình vuông (15×15 mm) thì tần số cộng
hưởng là 136,4 kHz gấp 1,4 lần so với tần số cộng hưởng của các mẫu
hình chữ nhật (~ 100 kHz).
4.3.3 Tính toán lý thuyết quy luật phụ thuộc tần số
4.3.3.a Mô hình dao động một chiều
Xét và giải bài toán dao động một chiều trên sợi dây đàn hồi với
điều kiện là các biên gắn chặt.
Kết quả cho thấy sóng trên dây là sự chồng chập của vô số các
sóng hình sin với các tần số là bội của tần số cơ bản ⁄ . Với các
mẫu hình chữ nhật ta có thể coi đó như một sợi dây với chiều dài L là
chiều dài của hình chữ nhật. Khi đó ta có thể bỏ qua dao động theo
phương dọc theo chiều rộng. Do đó, các mẫu hình chữ nhật có chiều dài
như nhau nhưng chiều rộng khác nhau có cùng một tần số cơ bản, vì
vậy chúng cùng cộng hưởng tại những giá trị tần số giống nhau.
4.3.3.b Mô hình dao động hai chiều
Xét và giải bài toán dao động của màng mỏng hình chữ nhật có
kích thước L.W, có biên được gắn chặt.Có thể thấy rằng: sóng trên
màng mỏng là sự chồng chập của vô số các sóng hình sin với các tần số:
√
15
Trong trường hợp mẫu hình vuông (L = W) thì tần số cơ bản
ứng với đỉnh cộng hưởng lớn nhất là √ . Giá trị tần số cộng
hưởng trong trường hợp mẫu vuông gấp √ lần giá trị tần số cộng
hưởng của mẫu hình chữ nhật có cùng chiều dài.
4.4 Ảnh hƣởng của cấu hình (bilayer và sandwich)
Để có được cấu hình vật liệu tối ưu nhất, luận án tiến hành
nghiên cứu tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp với các cấu hình là
bilayer đơn, bilayer kép và cấu hình sandwich. Kết quả thực nghiệm
cho thấy hệ số từ-điện cực đại của cấu hình bilayer kép lớn gấp hai lần
so với hệ số từ-điện cực đại của cấu hình bilayer đơn. Tuy nhiên khi so
sánh hệ số từ-điện cực đại của cấu hình bilayer kép với cấu hình
sandwich thì thấy rằng hệ số từ-điện cực đại của cấu hình sandwich lại
lớn hơn so với của cấu hình bilayer kép.
Kết quả của nghiên cứu này cho phép lựa chọn được cấu hình
tốt nhất là cấu hình sandwich để thu được hệ số từ-điện lớn nhất. Các
nghiên cứu tiếp theo, cấu hình sandwich được sử dụng như là cấu hình
mặc định.
4.5 Ảnh hƣởng của chiều dầy lớp từ giảo Metglas
Các nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của chiều dầy lớp băng
từ (số lớp băng từ) đã được thực hiện để tối ưu hóa số lớp băng từ của
vật liệu tổ hợp từ-điện. Kết quả cho thấy rất rõ hiệu ứng từ - điện được
tăng thêm 1.5 lần khi tăng chiều dày lớp băng từ từ 1 lớp lên 2 lớp. Tiếp
tục tăng chiều dày lên ta thấy hiệu ứng từ - điện không tăng thêm nữa.
16
Với mục đích hướng đến ứng dụng chế tạo các cảm biến từ
trường trong vùng từ trường thấp có độ nhạy cao, luận án đã lựa chọn
cấu hình sandwich với số lớp băng từ mỗi bên là 1. Đây là cấu hình cho
hệ số từ-điện trong vùng từ trường thấp là lớn nhất.
4.6 Ảnh hƣởng của kích thƣớc (mẫu vuông)
4.6.1 Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu ứng từ-điện
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước mẫu vuông đến hệ
số từ-điện và tìm ra được kích thước tối ưu cho các ứng dụng chế tạo
cảm biến từ trường thấp, các nghiên cứu về sự phụ thuộc của hệ số từ-
điện vào từ trường một chiều của các mẫu hình vuông với kích thước
khác nhau được thực hiện. Kết quả rút ra từ thực nghiệm cho thấy rằng
hệ số từ-điện cực đại tăng dần theo kích thước của mẫu và từ trường
ứng với hệ số từ-điện cực đại giảm dần theo kích thước mẫu.
Các kết quả nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp từ-điện hình vuông
cho thấy vật liệu có kích thước càng lớn thì khả năng ứng dụng để chế
tạo cảm biến từ trường thấp với độ nhạy cao càng cao. Tuy nhiên, một
trong số các yêu cầu thực tiễn đặt ra cho các thiết bị cảm biến là kích
thước càng nhỏ càng tốt. Do đó để đảm bảo yêu cầu chế tạo được các
cảm biến có độ nhạy cao và kích thước nhỏ, chúng tôi lựa chọn kích
thước tối ưu trong khoảng từ 10 đến 20 mm.
4.6.2 Lý thuyết hiệu ứng “shear lag”
Hiệu ứng “Shear lag” là hiệu ứng mô tả sự phân bố biến dạng
trên bề mặt của mẫu có dạng màng mỏng. Theo lý thuyết về hiệu ứng
17
Shear lag thì bề mặt mẫu được chia thành hai phần là phần lõi và phần
biên. Biến dạng trên bề mặt mẫu sẽ tăng dần từ biên vào lõi và đạt giá
trị cực đại khi ở tâm mẫu. Tuy nhiên tốc độ thay đổi là khác nhau đối
với phần lõi và phần biên. Tốc độ thay đổi là rất lớn ở phần biên trong
khi phần lõi thì tốc độ thay đổi nhỏ hơn nhiều. Tính giá trị hệ số từ-điện
trung bình trong toàn bộ mẫu thu được:
)
̅̅̅̅ (
( )
Kết quả cho thấy sự phù hợp của lý thuyết và thực nghiệm.
4.7 Ảnh hƣởng của tỷ lệ kích thƣớc dài/rộng
4.7.1 Kết quả đo thực nghiệm khảo sát hệ số từ-điện
Thực nghiệm cho thấy tỷ lệ L/W cho giá trị hiệu ứng từ-điện
cực đại vào khoảng L/W = 3, nhưng để có độ nhạy cao hơn ở từ trường
thấp thì tỷ số này cần cao hơn (L/W = 7,5). Trong khi αE cực đại hầu
như không đổi (và có giá trị khoảng 150 V/cm.Oe) thì giá trị αE ở từ
trường H = 2 Oe tăng mạnh theo tỷ số L/W. Khảo sát sự phụ thuộc điện
áp lối ra của vật liệu từ-điện đáp ứng theo sự thay đổi góc định hướng
của từ trường một chiều (bias) và xoay chiều (kích thích). Kết quả thu
được như mong đợi về sự thay đổi của điện áp từ-điện một cách tuần
hoàn theo chu kỳ π hoặc 2π tùy thuộc vào cấu hình đo.
Nhờ sự thay đổi có quy luật này, định hướng tiếp theo cho các
nghiên cứu thiết kế cảm biến đo góc là tích hợp nhiều vật liệu có dị
hướng đơn trục bố trí theo các phương trực giao với nhau.
18
4.7.2 Lý thuyết trƣờng khử từ giải thích quy luật phụ thuộc kích
thƣớc.
Hệ số trường khử từ N trong các thực nghiệm này được tính
toán theo công thức: ⁄ ⁄
Sự biến đổi của hệ số từ-điện tỷ đối này là tương đối phù hợp so
với các kết quả thu được khi tính toàn theo giá trị NTN. Tuy nhiên, kết
quả thu được từ việc phân tích tĩnh từ và từ thực nghiệm đã chỉ ra rằng
hình dạng của Metglas đóng một vai trò quan trọng trong việc làm tăng
mật độ từ thông bên trong vật liệu tổ hợp từ-điện. Kết quả thực nghiệm
và lý thuyết đều cho thấy đối với vật liệu tổ hợp từ-điện có kích thước
15x1 mm thì cho độ nhạy đối với từ trường thấp lớn nhất. Điều này có
được là do cấu hình này đã tối ưu hóa tất cả các yếu tố ảnh hưởng.
Chƣơng 5: ỨNG DỤNG
5.1 Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trƣờng
Cảm biến từ trường 1D bao gồm vật liệu tổ hợp từ-điện kích
thước 15x1 mm cấu hình sandwich được đặt trong lòng của một cuộn
dây solenoid. Cuộn dây solenoid có tác dụng tạo ra từ trường xoay
chiều kích thích lên vật liệu tổ hợp từ-điện. Cuộn dây solenoid được chế
tạo từ dây đồng đường kính 80 μm bọc cách điện quấn quanh ống nhựa
có đường kính 1,8 mm và chiều dài 17 mm với mật độ dài là 10500
vòng/m.
Cảm biến từ trường 2D và cảm biến từ trường 3D cũng được
chế tạo theo phương pháp tương tự cảm biến từ trường 1D. Hai và ba
19
cảm biến từ trường 1D được chế tạo và đặt vuông góc nhau tạo thành
cảm biến từ trường 2D và 3D tương ứng. Toàn bộ hệ được bảo vệ trong
lớp vỏ mika không từ tính.
5.2 Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến
5.2.1 Tần số cộng hƣởng
Kết quả thực nghiệm cho ta thấy có xuất hiện duy nhất một
đỉnh rất hẹp xung quanh tần số 100 kHz, tại đó tín hiệu của cảm biến
thu được là lớn nhất. Đây chính là tần số cộng hưởng fr và được chọn là
tần số làm việc của cảm biến. Các cảm biến 1D có hệ số phẩm chất
khoảng 1.5%, tần số cộng hưởng là 99.55, 100.13 và 100.18 kHz tương
ứng cho cảm biến S1, S2, S3.
5.2.2 Tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng
Kết quả khảo sát đặc trưng từ-điện của cảm biến 1D trong vùng
từ trường thấp -0.6 Oe đến 0.6 Oe cho thấy đường cong tín hiệu thu
được từ các cảm biến thay đổi theo quy luật tuyến tính V = k× HDC
trong vùng từ trường Trái đất, với k là hệ số chuyển đổi đặc trưng cho
cảm biến. Đường fit số liệu cho độ dốc k = 653,215 mV/Oe.
Để đánh giá độ phân giải của cảm biến từ trường 1D từ các
phép đo thực nghiệm, luận án tiến hành khảo sát độ ổn định của tín hiệu
theo thời gian. Kết quả thực nghiệm được tiến hành trên cảm biến từ
trường 1D đặt theo phương Bắc – Nam trong thời gian 60 phút. Kết quả
cho thấy giá trị từ trường trái đất thu được từ cảm biến có giá trị nằm
trong khoảng từ 389,35 đến 389,65 mOe. Điều này tương đương với độ
20
phân giải của cảm biến từ trường trái đất 1D đã được chế tạo có giá trị là 3.10-4 Oe.
5.2.3 Tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào góc định hƣớng
Nhìn vào kết quả thu được ta thấy, tín hiệu lối ra phụ thuộc tuần
hoàn theo quy luật hàm V= V0. Cosφ. Hiệu điện thế lối ra đạt giá trị lớn nhất V0 = 260.9 mV khi trục cảm biến song song (tức là φ = 00) và biến mất khi trục cảm biến vuông góc (tức là φ = 900, 270°) với cực Bắc từ
của Trái đất. Sử dụng hệ số chuẩn hóa k = 653.215 mV/Oe được xác
định ở trên, cường độ từ trường Trái đất nằm trong mặt phẳng nằm
ngang tại phòng thí nghiệm nơi tiến hành phép đo (Cầu Giấy, Hà Nội)
cho ta giá trị 0.3994 Oe.
5.3 Tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục
Khi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc vào góc định hướng của từ
trường Trái đất, thực tế trên đường cong tín hiệu của cảm biến ta thấy
sự phụ thuộc theo quy luật hàm cosine nhưng không đối xứng xung
quanh trục hoành mà bị dịch đi một giá trị khoảng 30 mV. Đây chính là
phần đóng góp nền (zero offset) vào cảm biến. Trong trường hợp của
cảm biến này, thế nền offset có thể được bù trừ rất đơn giản bằng cách
đảo cực nguồn nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích.
5.4 Cảm biến đo góc dựa trên cảm biến đo từ trƣờng 2D
Dựa trên các kết quả nghiên cứu cảm biến 1D ở trên, luận án
tiếp tục nghiên cứu để phát triển thành cảm biến 2D với mục tiêu xác
định đồng thời độ lớn và góc định hướng của từ trường Trái đất trong
21
một mặt phẳng bất kì. Để xác định hai thành phần từ trường vuông góc
trong mặt phẳng, luận án sử dụng hai cảm biến đơn được bố trí vuông
góc với nhau.
Cấu hình này cho phép xác định đồng thời góc định hướng và
độ lớn của từ trường trái đất trong một mặt phẳng bất kỳ. Ngoài ra cảm
biến 2D còn cho phép xác định góc định hướng với độ nhạy cao trong
toàn dải đo.
5.5 Cảm biến đo từ trƣờng trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện.
Nếu như cảm biến 2D chế tạo được ở phần trên thích hợp cho
các mục đích đo độ lớn và định hướng từ trường Trái đất trong một mặt
phẳng thì với các ứng dụng trong không gian liên quan đến vệ tinh, vũ
trụ, viễn thám ... việc nghiên cứu và chế tạo ra các cảm biến 3D là cần
thiết. Luận án tiếp tục triển khai nghiên cứu và chế tạo cảm biến 3D với
mục đích đo từ trường Trái đất trong không gian. Cảm biến loại này
được chế tạo bằng cách tổ hợp ba cảm biến đơn S1, S2 và S3 được bố trí
trực giao theo một tam diện.
Hệ cảm biến 3D này có khả năng xác định góc phương vị và
góc pitch được phát triển từ ba cảm biến 1D theo cấu hình trực giao có
chi phí thấp và độ nhạy cao. Hệ cảm biến cũng cho phép xác định đồng
thời cả ba thành phần của từ trường Trái đất trong một hệ tọa độ từ đó
xác định được đồng thời cường độ từ trường Trái đất và định hướng của
nó trong không gian.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
22
Sau các nghiên cứu thực nghiệm, mô phỏng lý thuyết và các
nghiên cứu ứng dụng, luận án thu được một số kết quả chính:
1. Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng
Terfecohan/PZT và vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm Meglas/PZT
bằng phương pháp kết dính cơ học.
2. Khảo sát các tính chất từ, tính chất từ giảo và tính chất từ-điện cho
thấy vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng Terfecohan/PZT. Vật liệu
tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng Terfecohan/PZT cho khả năng ứng dụng chế tạo các cảm biến từ trường ở dải đo lớn ~ 102 G. Khả năng
tăng cường tính chất từ-điện của vật liệu này thông qua phương pháp ủ
nhiệt là không khả thi bởi chênh lệch hệ số nở nhiệt giữa hai pha vật
liệu là lớn và không kiểm sát được sự khuếch tán oxy từ pha áp điện
(PZT) sang pha từ giảo (Terfecohan).
3. Khảo sát các tính chất từ, tính chất từ giảo và tính chất từ-điện cho
thấy cấu hình tối ưu của vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm
Metglas/PZT để ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường trái đất là dạng sandwich (Metglas/PZT/Metglas) với kích thước 15x1 mm2. Với cấu
hình tối ưu của vật liệu này thì hệ số từ-điện cực đại đạt được là αE =
131 V/cm.Oe tại từ trường HDC = 7 Oe. Các kết quả thu cho thấy vật
liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm Metglas/PZT với cấu hình tối ưu
cho phép ứng dụng chế tạo các cảm biến từ trường trái đất với độ nhạy
và độ phân giải cao.
4. Các nghiên cứu lý thuyết mô phỏng về hiện tượng cộng hưởng tần số,
hiệu ứng shear lag và hiệu ứng trường khử từ đã giúp giải thích các hiện
23
tượng thực nghiệm, dự đoán trước các kết quả thực nghiệm tiếp theo và
góp phần trong quá trình tối ưu hóa cấu hình vật liệu.
5. Vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm Metglas/PZT với cấu hình tối
ưu được ứng dụng để chế tạo thành công nguyên mẫu cảm biến từ
trường trái đất 1D. Cảm biến 1D có độ nhạy từ trường đạt tới k = 653 mV/Oe và độ phân giải lên đến 2.10-4 Oe.
6. Các cảm biến từ trường trái đất 2D và 3D đã được chế tạo thành công
dựa vào việc kết hợp các cảm biến 1D. Các cảm biến từ trường trái đất
2D và 3D cho phép xác định cường độ từ trường trái đất và các góc
định hướng của nó theo thời gian thực và có độ phân giải ổn định trong
toàn dải đo.
7. Các kết quả thu được từ thực nghiệm khảo sát khả năng làm việc của
cảm biến từ trường trái đất 1D, 2D và 3D cho thấy chúng hoàn toàn có
thể sử dụng như một la bàn điện tử thế hệ mới với độ chính xác và độ
nhạy cao. Ngoài ra chúng còn có thể được sử dụng trong các thiết bị
định vị, thiết bị dò tìm vệ tinh và điều khiển trạm thu phát tín hiệu mặt
đất di động hoặc cố định.
Ngoài các ứng dụng đã được thực hiện và triển khai trong luận
án, một số ứng dụng khác có thể sử dụng cảm biến từ trường dựa vật
liệu tổ hợp đa lớp dạng tấm Metglas/PZT nhờ các ưu điểm nổi bật của
nó như: cảm biến cường độ dòng điện dạng kìm, thiết bị đo nhịp tim,
cảm biến phát hiện hạt nano từ trong lĩnh vực sinh học hay các cảm biến
y – sinh khác.
24
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Đỗ Thị Hương Giang Phạm Anh Đức Nguyễn Anh Phương Nguyễn Thị Ngọc Nguyễn Xuân Toàn Nguyễn Hữu Đức (2010) Hệ thống sensơ đo từ trường trái đất trực giao dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng trong hệ thống tự động kiểm soát và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh, Hội thảo công nghệ vũ trụ và ứng dụng – 2010.
2. Đỗ Thị Hương Giang Nguyễn Xuân Toàn Phạm Anh Đức Nguyễn Hữu Đức (2010), Enhancement of magnetoelectric effect in Metglas/piezoelectric laminate composites, IWAMSN 2010.
3. Đỗ Thị Hương Giang Phạm Anh Đức Nguyễn Thị Ngọc Nguyễn Thế Hiện Nguyễn Hữu Đức (2012) “Enhancement of the Magnetic Flux in Metglas/PZT – Magnetoelectric Integrated 2D Geomagnetic Device” Journal of Magnetics 17(4), pp. 308 – 315.
4. Đỗ Thị Hương Giang Phạm Anh Đức Nguyễn Thị Ngọc Nguyễn Thế Hiện Nguyễn Hữu Đức (2012) “Spatial angular positioning device with three – dimensional magnetoelectric sensors” Review of scientific instruments 83, p. 095006.
5. Đỗ Thị Hương Giang Phạm Anh Đức Nguyễn Thị Ngọc Nguyễn Hữu Đức (2012) “Geomagnetic sensors based on Metglas/PZT laminates” Sensors and Actuators A, A179, pp. 78 – 82.
6. Phạm Anh Đức Đỗ Thị Hương 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, SPMS 2013.
7. Phạm Anh Đức Nguyễn Thị Ngọc Lê Khắc Quynh Nguyễn Hữu Đức Đỗ Thị Hương Giang (2015) Chế tạo và nghiên cứu màng mỏng từ - điện Terfercohan/PZT cấu trúc nano, SPMS2015.
Danh mục này gồm 07 công trình.
