Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2

NGUYỄN THỊ NGỌC LOAN

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ
VÀ HIỆU ỦNG GMI TRÊN HỆ HỢP KIM
•••
Fe73j5CuiNb3.xZrxB9Sii3j5

Chuyên ngành: Vật ỉí chất rắn
Mã số: 60 46 01 04

LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngưòi hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Tình

HÀ NỘI, 2015


Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành trên cơ sở những kiến thức tiếp thu
được trong quá trình học tập tại Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 và những kiến
thức mà tôi đã học hỏi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện Khoa học
Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Những kết quả của tôi đạt
được không chỉ có sự nỗ lực của bản thân tôi mà còn có sự giúp đỡ vô cùng to lớn của
những người xung quanh.
Trước hết, tôi xin tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn
Hữu Tình - người thầy đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình và sự quan tâm chu đáo
để giúp tôi hoàn thiện luận văn này. Thầy đã cung cấp tài liệu và truyền thụ cho tôi
những kiến thức mang tính khoa học và hơn nữa là các phương pháp nghiên cứu khoa
học trong suốt quá trình nghiên cứu.


Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến tính chất từ của họp kim

Fe^sCujNbs-xZrxBgSiiss



7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÉT TẮT I.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU


8

Br

Cảm ứng từ dư
Từ giảo bão hòa

Ho
D

Độ từ thẩm của chân không
Hệ số khử từ

Hc
Hext

Lực kháng từ


Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ nóng chảy

ta

Thời gian ủ nhiệt


9
II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

: Giant
GMI Magneto Impedan Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ : Giant Magneto
Impedan ratio Tỷ số từ tổng trở khổng lồ : Kính hiển vi điện tử truyền qua :
GMIr
Kim
loại chuyển tiếp : Vô định hình : Vật liệu từ cứng : Nhiễu xạ tia X
TEM
TM
VĐH
VLT
C


I

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tổng trở của dây dẫn có từ tính
Hình 1.2. Mối liên hệ giữa độ ữ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với ữ trường ngoài Hình

4.7. Sự phụ thuộc của từ độ dư Mrvào hàm lượng Zr mẫu ủ ở 540°c Hình 4.8. Đường
cong từ hóa của mẫu N3 ủ ở 54(fc.
Hình 4.9. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Msvào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.10. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.11. Sự phụ thuộc của Mr vào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.12. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ 4 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 4.13. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ 6 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 4.14. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ 10 MHz) của các mẫu chưa ủ. Hình 4.15.
So sánh tỷ sổ GMI cực đại theo hàm lượng Zr với các mẫu chưa ủ.. Hình 4.16. Khảo
sát hiệu ứng GMI (tần số 6 MHz) của mẫu N3 ủ 540°c.
Hình 4.17. So sánh tỷ số GMI cực đại theo hàm lượng Zr vói các mẫu ủ 54(f c. Hình
4.18. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần số 6MHz) của mẫu N3 ủ 54(fc Hình 4.10. Tỷ số
GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu (Nhiệt độ ủ: 540°C)
Hình 4.20. Khảo sát hiệu ứng GMI (tần sổ 6MHz, 15 phút) theo nhiệt độ ủ mẫu
Hình 4.21. Tỷ số GMI cực đại theo thời gian ủ mẫu với thời gian ủ 15 phút


y

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Hệ hợp kim nền sẳt - Finemet
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe73 CuiNb3-xZrxB Sii3 s) ủ trong 15
5

9

phút theo nhiệt độ ủ.
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 (Fe73 CuiNb3-xZrxB Sii3 5) ủ ở
nhiệt độ 54(f c theo thời gian ủ.

GMIr). Muốn nhận được tỷ số tống trở GMIr cao, dây dẫn từ tính phải có từ thấm p
cao hay nói cách khác dây dẫn phải là vật liệu có tính từ mềm tốt.
Ở Việt Nam, hiệu ứng từ trở khổng lồ - GMI được bắt đầu nghiên cứu từ năm
2001 đến nay tại phòng thí nghiệm vật liệu từ Vô định hình và Nanô tinh thể, Viện vật
lý kĩ thuật - Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các kết quả nghiên cứu tập trung trên hệ vật


1

liệu từ siêu mềm hiện đại: Vô định hình nền Co và nanô tinh thể nền sắt (íínemet) được
chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh và công nghệ điện kết tủa với tỉ số GMIrtrên
200%. Với lý do trên tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu cấu trúc,
tính chất từ và hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim Fe73 5CuiNb3.xZrxB9Sii3 s”.

2. Mục đích nghiên cứu
-

Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay thế Zr cho Nb để tìm ra họp phần có tính chất tốt
nhất, hiệu ứng GMI cao nhất.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
-

Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay thế Zr cho Nb trong họp kim FINEMET đến cấu trúc,
tính chất và hiệu ứng GMI.

-

Khảo sát hiệu ứng GMI trên mẫu khi thay thế thành phần.


t
ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ trường Ht - tương tự như tổng trở của
mạch RLC. Mặt khác Ht từ hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện độ từ thẩm theo
Hình 1.1 Tổng trở của dây
phương ngang |it. Khi ta đưa từ trường ngoài Hext một chiều
song
song với trục của
dẫn có
từ tính
dây dẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hoá theo phương ngang tức là
thay đổi độ từ thẩm ngang |it là nguyên nhân ảnh hưởng đến tổng trở của dây (làm
giảm tổng trở).
Tổng trở của dây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tần số co chạy qua dưới
tác dụng của từ trường ngoài một chiều Hex đặt dọc theo trục của dây được xác định
theo biểu thức sau:
z = RdckaJo(k a )/2Ji(k a)

-

Rdc là điện trở của dây dẫn

-

ct là bán kính tròn của dây

(1.1)

ô là độ dày thấm sâu bề mặt
-Jo và Ji là các hàm Bessel, và k= (l+j)/ ổ
Tại tần số cao, (\ka\»l), biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng cho

z không chỉ cơ bản phụ thuộc tính chất từ của vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào quá
trình từ hóa động của các domain trong dây dẫn (quá trình dịch vách và quay véc tơ từ
độ). Đây là yếu tố liên


1

quan đến hình dạng, kích thước hình học của vật dẫn. Các kết quả được công bố trong
nước và quốc tế cho thấy: Hiệu ứng GMI được quan sát thấy tốt nhất trong các vật liệu
từ mềm vô định hình và nanô tinh thể có hệ số từ giảo gần như bằng 0.
Ngoài ra hiệu ứng GMI còn liên quan mật thiết đến hiệu ứng bề mặt khi tần số
cao. Khi đi sâu vào trong vật liệu một lớp 5 (độ thấm sâu), mật độ dòng điện xoay
chiều giảm đi e lần và có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dày 5 trên bề mặt dây
dẫn. Độ thấm sâu 5 càng nhỏ (tần số cao) thì tức là dòng điện chỉ phân bố trên một lớp
rất mỏng ở bề mặt dây dẫn và dòng điện càng bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) và ngược
lại. Bằng lý thuyết và thực nghiệm thấy 5 phụ thuộc vào tần số dòng điện, tính chất từ
của vật liệu làm dây dẫn và từ trường ngoài đặt vào vật dẫn theo biểu thức sau:
(1.6)
Hình 1.2 và công thức (1.6) thể hiện mối tương quan giữa độ từ thẩm và độ thấm
sâu bề mặt với từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài Hext tăng thì độ từ thẩm (I giảm
dẫn tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại. Như vậy cùng với sự có mặt của từ
trường ngoài Hext và từ trường ngang Ht của dòng cao tần đã làm thay đối quá trình
từ hoá vật dẫn từ mềm (p thay đối và giảm khi tăng từ trường ngoài) và làm thay đổi
độ dầy thấm sâu của bề mặt ô. Như vậy khi có mặt từ trường ngoài Hext độ thấm sâu ô
tăng mạnh tương ứng với tổng trở của vật dẫn giảm và xuất hiện hiệu ứng tổng trở
khổng lồ.


1


1

truờng ngoài của vật liệu từ mềm thể hiện hiệu ứng GMI.
Khi đi sâu vào trong vật liệu một lóp í, mật độ dòng điện giảm đi e lần và
có thể coi dòng điện chỉ tập trung ở chiều dày s trên bề mặt dây dẫn. Khi
từ trường ngoài và X là độ dịch chuyển của vách domain dưối tác dụng của trường
cảm ứng từ. Thông qua mô hình này có thể tính được độ tự cảm ngang Xt. Mặt khác
độ tự cảm ngang Xt liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:
Ht=X
t+l
(1.
Nếu có thể tính được độ tự thẳm ngang \Xị theo mô hình này và từ đó có thể biết
được mối liên hệ giữa hiệu ứng tổng trở khổng lồ và các yếu tố khác. Trong mô hình
này, mật độ năng lượng tự do được cực tiểu hóa nhằm xác định cấu trúc domain (bao
gồm vị trí của vách domain và góc quay từ hóa). Mật độ năng lượng tự do được xác
định theo công thức sau:


2

Ulol=Uk+U-+U‘H+Uw

(1.9)

Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức
s 2M : U K = K [ a s m 2 ệ ì + ( l - a ) s m 2 ệ 2 ]

(1.9 a)

Với K là hằng số dị hướng. Thừa số a chỉ phần vật liệu được chiếm giữ bởi các domain
từ hóa dọc theo trục của từ trường ngoài đặt vào (hình 1.3).
U H là năng lượng Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài đặt vào
Hax:
[/" = ^0M5//"[(l-a)cos(ớ + ^2)-acos(ớ-^1)]


Ở đây, trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh cìánh trong
mối quan hệ giữa từ tổng trở và cấu trúc domain. Khía cạnh thứ nhất được nhắc đến là
mối quan hệ giữa quá trình từ hóa và hiệu ứng từ tổng ưở. Vấn đề này cũng đã được
làm sáng tỏ thông qua kết luận trên dạng của đường cong từ tổng ữở GMI (H) là một
hàm phụ thuộc tần số của dòng điện kích thích. Những nghiên cứu về độ từ thẩm cũng
nhấn mạnh rằng quá trình dịch vách domain cũng bị gỉm lại khá mạnh phụ thuộc vào
dòng xoay chiều tần số cao. Do đó, mô hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm
ngang cho các vật liệu mà tạỉ đó lượng dịch chuyển vách domain do từ trường ngang
gây ra và giảm dần khi tăng tần số. Khía cạnh thứ hai được nhắc đến trong mô hình
này là mối quan hệ giữa sự định hướng dị hướng trục dễ với hiệu ứng GMI, các kết
quả nghiên cứu chỉ ra rằng dạng của đường cong GMI(H) phụ thuộc vào sự định
hướng trục dễ.
Khía cạnh cuối cùng là nghiên cứu sự phân bố dị hướng lên hiệu ứng GMI, một số kết
quả nghiên cứu chỉ ra rằng GMIr là hàm của M(Xt).
-1000 -500
0
500 1000
Applied Field [A/m]
Fig. 2. GMI for a Co-base amorphous wire with indu
ced circular anisotropy. Evolution from TP to SP-]ike
with increasine current i.s observed.
Hình 1,4. Hình dạng đường cong GMI cố hiện tượng
tách đỉnh


2

1.4. Ảnh hưởng thông sế đo đến tỉ số GML

1.4.1.

theo là hiệu ứng GMI sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi tần số của dòng đỉện xoay chiều. Sự
ảnh hưởng này đã được nghiên cứu bằng thực nghiệm và được công bố trong [22]. Các
nghiên cứu chỉ ra rằng vối sự tăng của tần số, quá trình từ hóa qua việc dịch vách
đômen diễn ra ở tần số thấp (100kHz - 1 MHz) đối với


2

băng vô định hình [29]. Với tần số < 100 kHz, giá trị cực đại của GMI (%) tương đối
thấp, do sự chiếm ưu thế của hiện tượng cảm ứng từ vào từ tổng trở [25, 26]. Đối vói
dải tần số từ 100 kHz đến 10 MHz, dải thông thường vói hầu hết các nghiên cứu về
hiệu ứng GMI, với sự tăng của tần số, tỷ số GMIrmax lúc đầu tăng đến giá trị cực đại
rồi sau đó giảm. Như quan sát thấy ở hình 1.6.
Hình 1.6. Tỷ sổ GMIr của băng nanô tinh thể Fe7iAỈ2Sii4Bg SCUỊNÒĨ 5 phụ
thuộc tần sổ.
Khi tần số tăng từ 1 - 5 MHz, GMIrmax tăng, hiệu ứng bề mặt chiếm ưu thế khi
tần số tiếp tục tăng lớn hơn 5 MHz thì GMImax lại giảm theo chiều tăng của tần số.
Ngưòi ta cho rằng ở vùng tần số 5 MHz, sự dịch vách đômen mạnh hơn do sự đóng
góp của dòng điện xoáy vào độ từ thẩm theo phương ngang.
H (Oe)
(Oe)
HìnhH1.7.
Tỷ số GMIrđo ở tần số 4 MHz, nhiệt độ thay dổi ttừ 10K đến 300K
của băng vô định hình Co69Fe4 ỊCUI SSÌỊQBỊS chưa ủ (a) và ủ ở 35(fc (b)

Trích đoạn Vai trò của những nguyên tố kim loại trong việc hình thành cấu trúc hạt nanomet Các phương pháp nghiên cứu

---