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 tơi nhiều cơng sức, trí tuệ cùng sự động viên khích lệ, giúp đỡ tận
tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt q trình tơi 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 tơi hồn thành nhiều cơng đoạn trong q
trình thực nghiệm và hồn thiện luận văn.
Tơi 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.

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 đơmen 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 q 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 Cơng nghệ chế tạo các vật liệu có cấu tr c vơ 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


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

VSM

: Hệ từ kế mẫu rung

XRD

: Nhiễu xạ tia X

VĐH

: Vơ định hình


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Từ trƣờng quanh một vật dẫn có dịng xoay chiều chạy qua. ...................... 3
Hình 1.2 Mơ hình đơmen của Squire [6]. ................................................................... 5
Hình 1.3 Mơ 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 đơmen của màng, băng. ............................................................... 10
Hình 1.8. Cấu tr c đơmen của màng mỏng đa lớp.................................................... 11
Hình 1.9 (a) Hợp kim đa nguyên tố và siêu quá bão hịa đƣợc đơng 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)

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 q trình vơ 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 ngồi, 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 cơng trình cơng 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
ngồi H thì  thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt  thay đổi mạnh dẫn đến sự

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 khơng 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 dịng 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 dịng xoay
chiều chạy qua [6].
Theo hiện tƣợng cảm ứng điện từ, thì khi có dịng điện xoay chiều i= Ioeit
chạy qua một vật dẫn (hình 1.1). Dịng 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

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

GMIr  %  =100

Z ( H )  Z ( H 0)
Z ( H 0)

(1.3)

- 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.

Thơng qua mơ 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 đơmen và góc quay từ
hóa) thì trong mơ hình này mật độ năng lƣợng tự do đƣợc cực tiểu hóa. Mật độ năng
lƣợng tự do do đó đƣợc xác định theo cơng 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
cơng 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 đơmen từ hóa dọc
theo trục của từ trƣờng ngồi 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 )]

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 tơi 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 mơ hình sau: xét một trục chuẩn có một đơn đơmen 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 hố 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 hố 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

Ht
Hext

K

(1.11)



Ms

(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 mơ tả ở (hình 1.4).
Dạng đồ thị của t đƣợc mơ 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 khơng cịn 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
thể đƣợc khử thơng qua q trình ủ

Hình 1.6 Cấu trúc đơmen của dây vơ định

Tại tần số cao, ( ka >>1), ta có biểu thức gần đ ng sau:
 a 
X  R

 2 

 là độ thấm sâu:



(1.15)

2

(1.16)



Từ (1.14), (1.15) và (1.16) ta có:
Z = (1+J)R(

a
) 
2 2

(1.17)

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


chạy qua màng có bề dày t thì tổng trở của mẫu là:

Z
kt
 jkt 
 coth 

RDC 2
 2 

(1.18)

Ở đây, RDC là điện trở thuần của màng; δ là độ thấm sâu bề mặt.
Trƣờng hợp 1: Hiệu ứng cảm ứng từ ở tần số thấp (kt /2 > 1);
Z
t
 1  j.

đó là các băng đƣợc chế tạo bằng cơng nghệ nguội nhanh sau đó đƣợc xử lý nhiệt để
tạo cấu trúc nano, là hợp kim của: Fe, Cu, Si, Bo, M, trong đó M là: Nb, Mo, W, …
Nó đƣợc cho là gồm các hạt tinh thể α – Fe(Si) siêu mịn (10 – 15 nm) đƣợc phân bố
trong nền vơ định hình cịn dƣ [6].
Nanoperm FeZrBCu là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay thƣờng đƣợc chế
tạo bằng kỹ thuật nguội nhanh để tạo ra các băng hợp kim có cấu tr c vơ định hình,
sau đó ủ nhiệt ở nhiệt độ kết tinh để hình thành các hạt tinh thể ở kích thƣớc
nanomet. Kết quả là ta thu đƣợc một cấu tr c nano gồm các hạt tinh thể (pha từ giàu
sắt) đƣợc nh ng trong ma trận vơ định hình dƣ.
Tính chất từ mềm đạt được là do 2 yếu tố: Cấu trúc hạt nano tinh thể siêu
mịn (hạt chỉ có kích thƣớc 10 nm) và sự tổ hợp tính chất của 2 pha: hạt tinh thể
nano và các ma trận vơ định hình cịn dƣ. Hợp kim trên nền sắt (Fe), khi ở trạng thái
các băng từ vơ định hình thì ch ng có đặc tính dẻo dai rất tốt là loại vật liệu có tính
từ mềm rất tốt, từ đó quyết định các tính chất vật lý, các hiệu ứng khác của hệ vật


13

liệu này. Xét với hệ vật liệu Fe – Cu – Zr – B, có các đặc trƣng về cấu tr c đƣợc mơ
tả nhƣ trên hình 1.9.
Hệ vật liệu này theo [5, 6] chủ yếu đƣợc cấu tạo bởi hai pha: “hạt” tinh thể α
– Fe và nền vô định hình dƣ với cơng thức hỗn hợp có dạng (Fe1-yZry)2B (hình 1.9).
TC1

TC2

α–

Fe, Cu


Ta đã biết trạng thái từ hố ln bị đổi chiều khi ta đặt một vật liệu từ trong
trƣờng điện từ xoay chiều. Lực kháng từ Hc chính là từ trƣờng cần để xoá đi một
trạng thái từ hoá trƣớc khi thiết lập trạng thái từ hoá mới. Vì vậy tổn hao năng


14

lượng do hiện tượng từ trễ phụ thuộc vào lực kháng từ HC: Khi lực kháng từ HC
càng nhỏ, đƣờng từ trễ càng hẹp, tổn hao năng lƣợng càng nhỏ. Do đó, đối với vật
liệu từ mềm, địi hỏi đầu tiên là vật liệu phải có lực kháng từ Hc nhỏ [4, 6].
Dựa trên lý thuyết dịch vách đômen và xoay véctơ từ độ lực kháng từ Hc
đƣợc viết dƣới dạng:
H

C

 a.

 .
K
1  b S  c N  N .I
1
2 S
 I
 .I
0 S
0 S

(1.21)


Với kích thƣớc D các hạt tinh thể sắt từ (-Fe) nhỏ hơn chiều dài tƣơng tác trao
đổi sắt từ L0 (A/K1)1/2 (Đại lƣợng này cũng chính là bề rộng vách đơmen    L0,
trong đó A 10-11J/m: độ cứng trao đổi, K1  8000 J/m3: dị hƣớng từ tinh thể đối với
pha -Fe ), dƣới ảnh hƣởng của sự cạnh tranh giữa tƣơng tác trao đổi và dị hƣớng,
các mô men từ không nhất thiết phải định hƣớng theo phƣơng dễ từ hoá của từng
hạt tinh thể vốn sắp xếp ngẫu nhiên, mà có thể định hƣớng song song nhau nhờ vào
tƣơng tác trao đổi và liên kết từ với nhau.
Dị hƣớng trung bình <K> của tập thể các hạt sắt từ N có thể viết dƣới dạng:
 K 

K14 6
K14 6
K
D
;
H


D . Nếu D 10 nm, <K> giảm từ 8000 J/m3 xuống
C
3
3
A
JS
JS A

cịn 4 J/m3. Khi đó lực kháng từ Hc và độ từ thẩm ban đầu µi bằng:
i 

jS2