Nghiên cứu và chế tạo dây cop có hiệu ứng GMI, chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa

Giới thiệu chung về hiệu ứng tổng trở khổng lồ Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI Giant Magneto - impedance effect - GMI là sự thay đổi mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác d

Më §ÇU

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay đất nước đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Đòi hỏi sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật và phát triển vật liệu đã trở thành vấn đề quan trọng trong phát triển kinh tế

Vì vậy việc cung cấp cho sinh viên nói chung và sinh viên nghiên cứu vật

lý nói riêng các kiến thức cơ bản về các loại vật liệu và phương pháp chế tạo

sự thay đổi của tổng trở Z là không nhiều nên chưa thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học

Đến năm 1994, khi Beach và Panina phát hiện sự thay đổi rất lớn của tổng trở dưới tác dụng của từ trường trong dây dẫn vô định hình nền Co Hiệu ứng này được quan tâm trở lại và được gọi là hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI được bắt đầu nghiên cứu từ năm

2001 đến nay tại phòng thí nghiệm vật lý kĩ thuật ĐHBK Hà Nội

Bằng phương pháp điện kết tủa người ta có thể tạo ra những vật liệu có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI cao Mục đích của phương pháp này là

để tăng thêm tính chất bề mặt vật liệu ban đầu cũng như là để bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trường bên ngoài

II Mục đích nghiên cứu

1 Nâng cao hiểu biết, hiểu sâu sắc hơn các vấn đề về vật liệu từ, một trong những vấn đề của vật lý hiện đại có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật

2 Đây cũng là đợt tập dược nghiên cứu khoahọc

III Nhiệm vụ nghiên cứu

1 Nghiên cứu hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI

2 Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm nền Co có hiệu ứng GMI cao bằng công nghệ điện kết tủa

IV Đối tượng nghiên cứu

1 Dây CoP

2 Phương pháp điện kết tủa

V Phương pháp nghiên cứu

1 Đọc tài liệu trong và ngoài nước

2 Tìm hiểu các bài nghiên cứu khoa học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỔNG TRỞ KHỔNG

LỒ - GMI

1 Hiệu ứng tổng trở khổng lồ ( Giant Magneto impedance effect – GMI )

1.1 Giới thiệu chung về hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI ( Giant Magneto - impedance effect

- GMI ) là sự thay đổi mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng

của từ trường ngoài Hc và dòng điện cao tần có tần số  Để đặc trưng cho

hiệu ứng GMI, người ta đưa ra tỷ số GMIr được định nghĩa như sau:

) (

) ( ) (

max

max

H Z

H Z H Z GMIR  x 100% (1.0)

- Z(H): Từ tổng trở được đo ở từ trường H

- Z(Hmax): Từ tổng trở đo ở điểm từ trường lớn nhất ( của hệ đo )

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ mang bản chất điện từ Nó là sự kết hợp

giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng (eff) của

dây dẫn vào từ trường Người ta quan sát thấy hiệu ứng GMI trong các vật

liệu từ siêu mềm như: Dây băng màng mỏng vô định hình và nano tinh thể

Với tỷ số GMIr từ 100% đến 500% ở nhiệt độ phòng Để tạo ra những vật

liệu có hiệu ứng GMI cao người ta sử dụng các phương pháp khác nhau như:

Nguội nhanh, bốc bay, quay phủ, điện kết tủa Hiệu ứng này đã và đang mở

ra một hướng đi đầy triển vọng trong việc phát triển vật liệu từ

1.2 Hiệu ứng tổng trở khổng lồ GMI

Khi cho dòng điện xoay chiều i = Ioeit chạy qua một mạch điện gồm

các thành phần điện trở, cảm kháng và dung kháng Các thành phần này của

mạch điện cản trở chống lại dòng điện chính và được gọi là tổng trở của dây dẫn Để đi đến khái niệm tổng trở của một dây dẫn có từ tính, chúng ta xét các quá trình xảy ra khi cho dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn có từ tính Dòng điện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trường vuông góc với dây dẫn có từ tính ( hình 1.1) Trong dây dẫn có từ tính xuất hiện một suất điện động cảm ứng biến thiên do sự biến thiên của từ trường sinh ra bởi dòng điện chính i, suất điện động cảm ứng này tạo ra dòng điện cảm ứng i' có chiều ngược với chiều của dòng điện chính i Dòng điện cảm ứng này có tác dụng chống lại dòng điện chính cũng tương đương như sự cản trở của mạch điện RLC và được gọi tổng trở của dây dẫn có từ tính

Dòng điện cao tần i = Ioeit chạy trong

dây dẫn sinh ra một từ trường Ht quanh dây

dẫn Từ trường Ht này từ hoá dây theo phương

ngang ( phương vuông góc với trục của dây

dẫn ) như hình (1.1) và có độ từ thẩm theo

phương ngang t Khi ta đưa từ trường ngoài một chiều Hext song song với trục của dây dẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hoá theo phương ngang tức là thay đổi t Và tổng trở của dây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tần số  chạy qua dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều

Hext đặt dọc theo trục của dây được xác định theo biểu thức sau:

tính

i'

Z=R + jX (1.2) Với

r o dc

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ứng tổng trở khổng lồ

1.3.1 Ảnh hưởng của độ từ thẩm lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Độ từ thẩm của vật liệu là một hàm của từ trường H và tần số f, tùy theo mỗi một loại vật liệu mà sự phụ thuộc đó là nhiều hay ít Trong các vật dẫn phi từ   1, từ trường tác động lên độ từ thẩm gần như không đáng kể,

có thể bỏ qua Do do đó tổng trở của chúng chỉ thay đổi theo tần số Nhưng đối với các vật dẫn từ là các vật liệu từ mềm đặc biệt có độ từ thẩm rất lớn 

 105( vô định hình nền Co và nano tinh thể Fe ) Thì độ từ thẩm của nó thay đổi mạnh theo từ trường và tần số (  = (H, f) ), kéo theo sự thay đổi mạnh tổng trở khi từ trường và tần số thay đổi

Do hiệu ứng bề mặt, dòng điện chủ yếu tập trung trên bề mặt của vật dẫn một lớp mỏng  là nguyên nhân dẫn đến cấu trúc domain trong dây vô

định hình nền Co bao gồm 2 miền domain: Domain lớp vỏ và domain lõi (hình 1-2)

Như vậy độ từ thẩm hiệu dụng eff bao gồm hai phần:

o (f, H) = wall (f, H) + rot (f, H)

Trong đó: o (f, H) là độ từ thẩm hiệu dụng

wall (f, H) là độ từ thẩm do quá trình dịch vách domain

rot (f, H) là độ từ thẩm do quá trình quay vec tơ từ độ

f là tần số của dòng xoay chiều

H là từ trường ngoài một chiều

Qua mô hình trên thấy rằng khi từ trường H tăng, wall (f, H) giảm bớt

vì thành phần từ trong mỗi domain giảm khi momen từ hướng theo từ trường ngoài Ngược lại rot(f, H) tăng cùng với từ trường và tiến gần đến dị hướng

HDC

Domain lớp vỏ Domain lõi

Dòng xoay chiều

iac

Hình1.2 Cấu trúc domain của dây vô định hình nền Co khi có dòng xoay chiều và từ trường một chiều

Hk, sau đó giảm nếu từ trường tăng nữa bởi vì momen từ được gim theo

hướng từ trường ngoài

Ở vùng tần số thấp quá trình dịch vách domain ở lớp vỏ chiếm ưu thế

hơn quá trình quay véctơ từ độ ở domain lõi Ở tần số cao quá trình dịch vách

domain bị dập tắt bởi dòng xoáy, khi này đóng góp vào độ từ thẩm hiệu dụng

eff (f, H) chỉ do quá trình quay vectơ từ độ trong domain lõi của dây dẫn

dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều eff (f, H) = rot(f, H)

một vài A/m ), trục domain hướng

theo phương từ dễ và µo sinh ra

chủ yếu từ quá trình quay của

véctơ từ độ Cùng với quá trình

tăng dần của từ trường tĩnh, độ từ

thẩm hiệu dụng µo giảm dần và do

đó kéo theo cả sự giảm dần của

GMIr Tuy nhiên, khi xem xét

trong vùng từ trường thấp, người ta

vẫn tìm thấy sự tồn tại của cấu trúc rất mịn, và trên thực tế, giá trị GMIr cao

nhất thường đạt tới tại giá trị lực kháng từ Hc

Trong trường hợp của dây có cấu trúc domain tròn ( còn được gọi là cấu

trúc bambô ), độ từ thẩm xuất hiện chủ yếu từ quá trình dịch vách domain Khi tăng từ trường tĩnh thì µo tăng lên do quá trình quay của véctơ từ độ theo

phương của từ trường tĩnh Trên thực tế, độ từ thẩm do quá trình quay của véc

Hình 1.3

tơ từ độ µrot tăng cùng với quá trình giảm dần của độ từ thẩm µwall do quá trình dịch vách domain Giá trị độ từ thẩm lớn nhất đạt được tại thời điểm từ trường tĩnh cân bằng với trường dị hướng Hk, đồng thời tại vị trí đó GMIr cũng đạt giá trị lớn nhất

Tương tự với từ trường tĩnh, ứng suất đặt vào cũng làm thay đổi độ từ thẩm và do đó làm thay đổi tổng trở ( hình1.4 ) Hiện tượng từ giảo đóng vai trò quan trọng trong quá trình xác định tỷ số GMI và có thể được tính toán từ đường cong của trường dị hướng thay đổi theo ứng suất

Hình1.4

Nói tóm lại độ từ thẩm phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau như: Bản chất của vật liệu, tần số, cấu trúc domain, tính dị hướng, ứng suất, và kiểu từ hóa ( quá trình dịch vách domain hay quá trình quay véctơ từ độ )…

Do vậy hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũng phụ thuộc vào các yếu tố trên Bằng các kết quả thực nghiệm các nhà khoa học trên thế giới đã khẳng định được: Hiệu ứng GMI đạt kết quả tốt nhất trong các vật liệu từ mềm vô định hình và

nanô tinh thể có hệ số từ giảo gần như bằng 0 ( tính từ mềm tốt  lớn ), đồng thời trên cùng một loại vật liệu từ mềm thì ứng với mỗi một tần số và quy trình công nghệ chế tạo khác nhau thì hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũng khác nhau

1.3.2 Ảnh hưởng của độ dầy thấm sâu của bề mặt lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Như đã biết, đối với dòng điện một chiều thì mật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn Nhưng đối với dòng điện xoay chiều đặc biệt là với dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung nhiều ở lớp mỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi dây dẫn Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt

Mật độ của dòng điện cao tần giảm theo hàm mũ từ bề mặt dây dẫn vào

trong lõi ( j = joe

-of 2

t

, t là chiều dày tính từ mặt ngoài của dây dẫn ) Đặc

trưng cho hiệu ứng bề mặt người ta đưa ra đại lượng  gọi là độ thấm sâu:

Hinh 1.5

Cấu trúc domain và hiệu ứng GMI có thể được thay đổi nhờ quá trình

xử lý nhiệt tạo ra các dị hướng từ đơn trục hoặc dị hướng tròn thông qua quá trình ủ nhiệt có từ trường hoặc có ứng suất Ảnh hưởng của dòng điện lên hiệu ứng GMI được chỉ ra ở hình 2 với mẫu dây vô định hình được ủ trong môi trường ứng suất Tại mật độ dòng thấp, do chỉ xuất hiện chủ yếu là quá trình dịch vách nên ở đường cong GMI có xuất hiện hiện tượng tách đỉnh Khi tăng dần mật độ dòng điện, hiện tượng tách đỉnh dần dần biến mất Hiện tượng trễ trong đường cong GMI có liên quan trực tiếp đến hiện tượng trễ trong quá trình từ hoá, và từ trường bất thuận nghịch có thể được định nghĩa

là từ trường mà tại đó tính bất thuận nghịch của đường cong từ trễ và đường cong GMI bị biến mất Tính trễ bị khử dần do quá trình ủ nhiệt làm đồng nhất tính chất từ của vật liệu Do vậy tính trễ đang dần được loại bỏ trong hiệu ứng GMI

1.4 Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu từ vào khoa học kỹ thuật cũng như đời sống hàng ngày

Nên ngay sau khi được tìm thấy vào năm 1994, có rất nhiều mô hình lý thuyết được đưa ra nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng này Một số mô hình

đã rất thành công với mục đích này, tuy nhiên mỗi mô hình toán học chỉ phù hợp với mỗi dải tần số nhất định Đồng thời có mô hình chỉ giải thích được nguồn gốc của hiệu ứng GMI mà chưa nói lên được mối liên hệ giữa cấu trúc domain, dị hướng từ và tỷ số GMI

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu hiệu ứng tổng trở khổng lồ - GMI trong vật liệu từ mềm giầu Co với giải tần số thấp ( 10 KHz đến 10 MHz ) có một số mô hình toán học đã được tìm thấy có dải tần phù hợp với dải tần nghiên cứu ( lớn hơn 10 KHz ) và dạng hình học của vật liệu Tuy nhiên, các mô hình này do xuất phát từ quá trình dẫn từ và hiệu ứng bề mặt nên chỉ giải thích được nguồn gốc của hiệu ứng GMI và mối liên hệ giữa cấu trúc domain, dị hướng Còn quá trình từ hóa và các cấu trúc domain thành phần trong các mô hình này vẫn chưa được khai thác triệt để Chính vì vậy một mô hình mới đã được đưa ra Trong đó, mối quan hệ giữa cấu trúc domain và quá trình từ hóa của chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ số GMI được thể hiện Mô hình này dựa trên mô hình của Squire dành cho quá trình

từ hóa và hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ mềm Mô hình này có thể được 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 lượng khử từ ngang ) Với dạng hình trụ, trường khử từ tròn là rất nhỏ do từ trường tròn xoay liên tục duy trì Với dạng phẳng, trường khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu

Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách domain và qúa trình quay của véctơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng

cao tần gây ra Hình (1.6) chỉ ra cấu truc domain và các góc được sử dụng trong mô hình :

Hình 1.6 Mô hình giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI

Mô hình này có thể được 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 lượng khử từ ngang ) Với cấu trúc hình trụ, sự có mặt của vécto từ độ theo dạng vòng khép kín, trường khử từ tròn rất nhỏ Với cấu trúc phẳng, trường khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách domain và quá trình quay của vécto từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra

Hình (1.6) thể hiện cấu trúc domain và các góc được sử dụng trong mô hình Xét mô hình dây bao gồm các domain vách 180º như hình vẽ trong đó: θ

là góc tạo bởi vách domain từ trường ngoài Hax và từ trường ngang Ht do dòng điện sinh ra, vuông góc với vật dẫn, d là kích thước domain khi không

có từ trường ngoài và x là độ dịch chuyển của vách domain dưới tác dụng của

từ trường ngoài và từ trường ngang

Trong mô hình này, mật độ năng lượng tự do cũng 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:

U tot U k U H ax U H t U W (1.5) Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức sau:

U K  K[  sin21 ( 1   ) sin22] (1.6a) Với K là hằng số dị hướng Thừa số  chỉ phần vật liệu được chiếm giữ bởi các domain từ hóa dọc theo trục của từ trường đặt vào ax

H

U là năng lượng Zeeman energy phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài đặt vào Hax:

M

 giữa các quá trình từ hóa ngang với sự có mặt và không có mặt của từ trường ngang cho phép tính được độ từ cảm ngang

t H

tot U Ht

M

t

2 2

Ở đây trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh chính 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 trở Vấn đề này cũng đã được làm sáng tỏ thông qua kết luận dạng của đường cong từ tổng trở GMI 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 gim lại khá mạnh phụ thuộc vào dòng xoay chiều tại tần số cao Do đó, mô hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm ngang cho các vật liệu mà tại đó lượng dịch chuyển vách domain do từ trường ngang gây ra được làm cho nhỏ dần đi

Khía cạnh thứ hai được nhắc đến trong mô hình này là mối quan hệ giữa

sự định hướng dị hướng trục dễ với GMI Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng dạng của đường cong GMI phụ thuộc vào định hướng trục dễ

Khía cạnh cuối cùng là sự phân bố về độ lớn của tính dị hướng lên hiệu ứng GMI

1.5 Hiên tượng tách đỉnh - lý thuyết dị hướng từ

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu hiệu ứng GMI, một số kết quả quan sát được cho thấy có sự khác biệt ở đường cong GMI trong khoảng từ trường nhỏ ( -50÷ 50 Oe ) Hiện tượng này làm đường cong tỷ số GMI có hai điểm đạt giá trị lớn nhất - được gọi là hiện tượng tách đỉnh Điều này gây hạn chế trong việc ứng dụng các sensor đo và nhậy từ trường Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GMI liên quan đến tính dị hướng của mẫu nghiên cứu và được giải thích theo mô hình sau:

Hình 1.7 Hình dạng đường cong GMI có hiện tượng tách đỉnh

Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GMI liên quan đến tính

dị hướng của mẫu nghiên cứu và được giải thích theo mô hình sau:

Năng lượng của dây dẫn từ tính đặt

trong từ trường Hdc và có phương dễ từ

hoá hợp với phương từ trường một góc 

trong từ trường H (Hình 1.8):

E = K sin2K - MsHextsin(+K) -

MsHtcos(K+) (1.7)

Trong đó E năng lượng toàn phần

của hệ, K hằng số dị hướng của vật liệu

làm dây dẫn, K là góc hợp bởi phương dễ

từ hoá và phương của từ trường ngang Ht và  là góc giữa phương dễ từ hoá

và phương từ độ M của vật liệu

GMI

GMIR

H

o -HC HC

Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là: E

 = 0 (1.8) Mặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:

t = Mt

Ht = -

2E

Ht2 (1.9) Kết hợp các biểu thức (1.7), (1.8) và (1.9) ta xác định được:

 sin ( ) cos(2 )

)(

sin

2 2

K s

t

h H

M

(1.10)

Trong đó HK = 2K/Ms ; h = Hext/HK

Và do t = t + 1 nên t và t có cùng dạng đồ thị

Theo (1.10) khi  và K nhỏ khoảng 5o thì đường cong được vẽ bởi (1.10)

sẽ xuất hiện hai đỉnh tại h = 1 hay Hext = HK = 2K/MS  HC, HC là lực kháng từ của vật liệu Và theo biểu thức (1.1) tính tổng trở Z của dây dẫn thì

ta cũng có đường cong tỷ số GMIR sẽ tách hai đỉnh ở Hc như được mô tả ở hình (1.8)

1.6 Hợp kim phosphor - chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa

Hợp kim phosphor hiện nay được quan tâm đến khá nhiều do những tính chất thú vị của nó Người ta nhân thấy rằng, tính chất của hợp kim phosphor điện kết tủa khá giống so với tính chất của hợp kim phosphor kết tủa hóa học Nguyên nhân của nó có thể được giải thích do thành phần của hợp kim này bao gồm một phần nhỏ của nguyên tố phi kim loại

Bề mặt của lớp kết tủa thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào hàm lượng của phosphor có trong kết tủa Với các lớp kết tủa chứa hàm lượng P nhiều hơn 2% có bề mặt rất mịn Với các lớp kết tủa chứa hàm lượng P khoảng 5% có

bề mặt khá sáng và khi hàm lượng P đạt tới hơn 10 % thì bề mặt sáng bóng

Để xác định cấu trúc của hợp kim người ta sử dụng phương pháp nhiễu

xạ tia X Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên họ hợp kim phosphor cho