Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim fe73,5cu1nb3 xzrxb9si13,5

Tính chất từ mềm của vật liệu nanô tinh thể cần được nghiên cứu, đánh giá không những trong từ trường hóa một chiều mà còn trong cả trường xoay chiều ở dải tần số thích hợp, về phương di

NGUYỄN THỊ NGỌC LOAN

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ

VÀ HIỆU ỦNG GMI TRÊN HỆ HỢP KIM

• • •

Fe73 j5 CuiNb3 x Zr x B9Sii3 j5

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

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

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Dân cùng toàn thể các anh chị, các thành viên khác trong Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoahọc và Công nghệ Việt Nam Cùng toàn thể các thầy cô giáo tại trường Đại Học

Sư Phạm Hà Nội 2 đã cung cấp kiến thức và đóng góp ý kiến giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn bên cạnh, động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học

Hà nội, ngày 10 tháng 7 năm 2015

Học Viên

Nguyễn Thị Ngọc Loan

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là

kim Fe 73 5 CuiNb 3 x Zr x B 9 Sii 3 5” Được thực hiện bởi sự nỗ lực của bản thân và

dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Hữu Tình Luận văn chưa được công bố ở

bất kỳ nơi nào

Học Viên

Nguyễn Thị Ngọc Loan

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU I II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT II DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

III DANH MỤC CÁC BẢNG V MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Phưoưg pháp nghiên cứu 2

6 Giả thuyết khoa học 2

NỘI DUNG 3

CHUƠNG 1 : TỔNG QUAN HIỆU ÚNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMI 3

1.1 Hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI 3

1.2 Lý thuyết giải thích hiệu ứng 6

1.3

Mô hình giải thích hiệu ứng 7

1.4 Ảnh hưởng thông số đo đến tỉ số GMI 11 1.4.1

Cường độ dòng điện chạy qua mẫu 11

1.4.3 Nhiệt độ đo 13CHUƠNG 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM NANÔ TINH THÊ

14

2.1 Cấu trúc, tính chất, phân loại vật liệu từ mềm nanô tinh thế

14

2.1.1 Cấu trúc vật liệu từ mềm nanô tinh thể

14

2.1.2 Tính chất của vật liệu từ mềm

15

2.1.3 Phân loại vật liệu từ mềm 17

CHƯƠNG 3: THựC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 22

3.1 Đối tượng nghiên cứu 22

3.2 Xử lí mẫu 22

3.2.1 Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu trúc vô định hình bằng thiết bị nguội nhanh đon trục 22

3.2.2 Tạo họp kim ban đầu 23

3.2.3 Phun họp kim nóng chảy tạo vật liệu ở dạng băng mỏng 25

3.2.4 Kỹ thuật gia công mẫu 27

3.2.5 Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt 27

3.3 Các phưong pháp nghiên cứu 28

3.3.1

Phưong pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction) 28

3.3.2 Phưong pháp phân tích hiển vi điện tử quét và phưong pháp tán sắc năng lượng tia X (EDX) 29

3.3.3 Phưong pháp quét phân tích nhiệt vi sai (DSC) 32

3.3.4 Phưong pháp đo từ tổng trở 34

CHƯƠNG 4: NGHIÊN cứu CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ÚNG GMI TRÊN HỆ HỢP KIM Fe73,5Cu1Nb3_xZrxB9Si13,5 36

4.1 Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của hệ họp kim nano tinh thể Fe73 5CuiNb3_ xZrxB9Si13j5 36 4.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr và chế độ xử lí nhiệt đến cấu

nano tinh thể Fe73 5Cu1Nb3_xZrxB9Si13 5 41

4.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Zr trong họp kim đến tỷ số GMIr

của họp kim Fe73 5CuiNb3.xZrx Bặ SỈ13 5 474.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến đến tỷ số GMIr của họp

kim Fe73 5CuiNb 3_xZrx Bặ SỈ13 5 48KẾT LUẬN 49DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

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

Br Cảm ứng từ dư

Từ giảo bão hòa

Ho Độ từ thẩm của chân không

II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

: Giant 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 : Kim loại chuyển tiếp : Vô định hình : Vật liệu từcứng : Nhiễu xạ tia X

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 1.3 Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

Hình 1.4 Hình dạng đường cong GMI có hiện tượng tách đỉnh Hình 1.5 Tỷ sổ

GMIr của băng vô định hình nền Co theo cường độ dòng điện Hình 1.6 Tỷ sổ

GMIr của băng nano tỉnh thể Fe 7 iAl2Sii 4 B8 sCuiNbĩ s phụ thuộc tần sổ.

Hình 1.7 Tỷ sổ GMIr đo ở tần số 4 MHz, nhiệt độ thay đổi từ ỈOK đến 300K

của băng vô định hình Co 6 ỹFe 4 S C UỊ S S ỈỊO B ỊS chưa ủ (a) và ủ ở 35(fc (b) Hình

2.1 Đường cong từ trễ của vật liệu Hình 3.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong

chân không Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ nấu hồ quang và đúc mẫu Hình 3.3

(a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (ỉ) máy chân không, (2) buồng nấu, (3) tủ điều khiển, (4) bình khí trơ (Ar hay Nỉ), (5) nguồn điện, (b) Ảnh bên trong

buồng nấu: (6) cần điện cực, (7) nồi, (8) cần lật mẫu Hình 3.4 Sơ đồ lò ủ

nhiệt chân không

Hình 3.5 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của phương pháp đo

nhiễu xạ tia X

Hình 3.6 Sơ đổ nguyên lý kính hiến vi điện tử quét SEM.

Hình 3.7 a) là sơ đồ cung cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng

nhiệt;

b) là loại bổ chính công suất

Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ đo GMI.

Hình 4.1 Giản đồ EDX của mẫu N2.

Hình 4.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe 7ĩ sCuiNbĩ-ỵ ZrxB9Si ¡ 3 Ịvừa chế tạo xong.

Hình 4.3 Giản đồ nhiễu xạ tiaX của mẫu Fe 7 3 sCujNbî-x ZrxBgSi¡ 3 5

sau khi ủ ở nhiệt độ 54(fc.

Hình 4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe 7 3 S C UỊ NÒ 3 X ZrxBgSi ¡ 3 5

ủ ở nhiệt độ 54(fc với thời gian ủ khác nhau.

Hình 4.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe 7 3 sCu}Nb 3 -x ZrxBỹSi ] 3 5

ủ trong 15 phút ở các nhiệt độ ủ khác nhau

Hình 4.6 Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa M svào hàm lượng Zr mẫu ủ ở 54(f c.

Hình 4.7 Sự phụ thuộc của từ độ dư M rvào hàm lượng Zr mẫu ủ ở 540°c Hình

4.8 Đường cong từ hóa của mẫu N 3 ủ ở 54(fc.

Hình 4.9 Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa M svào 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 M r 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 6 MHz) 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 6 MHz, 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

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Hệ hợp kim nền sẳt - Finemet

Bảng 4.1 Kết quả khảo sát từ của mẫu N 3 (Fe 7 3 5 CuiNb 3 -xZrxB 9 Sii 3 s) ủ trong

15 phút theo nhiệt độ ủ.

Bảng 4.2 Kết quả khảo sát từ của mẫu N 3 (Fe7 3 5 CuiNb3-xZrxB 9 Sii3 5 ) ủ ở

nhiệt độ 54(f c theo thời gian ủ.

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

FINEMET là loại hợp kim từ mềm đầu tiên sử dụng cấu trúc nanô trên nền

vô định hình và nhanh chóng được thương mại hóa nhờ những phẩm chất tuyệt vời Từ sự xuất hiện của FINEMET, người ta đã cải tiến thành phần để tạo ra nhiều loại hợp kim từ mềm có cấu trúc nanô với nhiều tính chất đặc biệt hơn

Để có được các tính chất từ mềm tốt, rất nhiều vấn đề thuộc công nghệ cần đượcnghiên cứu một cách chi tiết Bên cạnh đó ảnh hưởng của các thành phần hợp kim trong đó có thành phần của các nguyên tử từ (Fe, Co), các nguyên tử kim

loại (Cu, Nb, w, Mo, Zr), các nguyên tố á kim (B, Si) , lên cấu trúc vi mô (kích

thước hạt, tỉ phần pha tinh thể và pha VĐH), lên hằng số từ giảo; ảnh hưởng củachế độ xử lí nhiệt (nhiệt độ ủ, thời gian ủ, môi trường ủ, từ trường) lên thành phần pha, tổ chức tế vi và các tính chất từ cũng cần được nghiên cứu một cách sâu sắc Tính chất từ mềm của vật liệu nanô tinh thể cần được nghiên cứu, đánh giá không những trong từ trường hóa một chiều mà còn trong cả trường xoay

chiều (ở dải tần số thích hợp), về phương diện sử dụng việc định lượng các

thông số về tổn hao sắt từ (bao gồm cả tổn hao từ trễ và tổn hao dòng xoáy) là rất quan trọng Các giá trị độ từ thẩm thực, độ từ thẩm ảo, sự phụ thuộc của độ

từ thẩm vào tần số cũng rất có ý nghĩa trong việc thiết kế các mạch từ

Dây dẫn làm bằng finemet vốn có từ thẩm ịi rất cao Dưới tác động của từ trường ngoài H, ịi thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt ô thay đổi mạnh dẫn

đến sự thay đổi mạnh của tổng trở z của dây dẫn Trong trường hợp đó người ta

dùng thuật ngữ tống trở khống lồ Giant Magneto - Impedance (GMI) và đặc trưng bởi tỷ số GMI (hoặc 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 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 Fe 73 5 CuiNb 3 x Zr x B 9 Sii 3 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

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

- Hệ vật liệu Fe73 5CuiNb3_xZrxB9Sii3 5

5 Phương pháp nghiên cứu

Từ đối tượng và mục đích nghiên cứu làm rõ mối quan hệ giữa công nghệ chế tạo và xử lí mẫu cấu trúc vi mô và tính chất tổng trở của mẫu áp dụng các phương pháp thực nghiệm như sau: Sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo hợp kim vô định hình và sau đó ủ bằng phương pháp thông thường trong chân không để tạo ra cấu trúc nanô đa pha rồi sử dụng phương 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 hướng ứng dụng của vật liệu này trong kỹ thuật và đời sống

I =I 0 e ira t

Hình 1.1 Tổng trở của

dây dẫn có từ tính

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMI 1.1 Hiệu ứng từ trở khổng lồ GMI

Khi cho dòng điện xoay chiều

qua dây dẫn có từ tính, dòng điện này

sẽ sinh một từ trường biến thiên Ht

vuông góc với dây dẫn (hình 1.1)

Từ thông sinh ra do sự biến thiên của

Ht làm xuất hiện trong dây dẫn dòng

điện i cảm 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

phương ngang |it Khi ta đưa từ trường ngoài Hext một chiều 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 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:

( 1 2 )

phép ta tính tông trở dưới dạng sau:

Z=R + jx,

và độ thẩm sâu bề mặt với từ trường

Với p là điện trở suất và ty là tần số góc của dòng điện xoay chiều đặt vào

dây dẫn

Từ (1.5) thấy tổng trở của một dây dẫn có

từ tính phụ thuộc vào: Bản chất của vật

liệu làm dây dẫn (p), tần số góc của dòng

điện đặt vào dây dẫn (co), độ dầy thấm

sâu bề mặt ( ổ ), độ từ thẩm

Như vậy đối với các vật dẫn phi từ |

I~ 1, từ trường tác động lên độ thấm từ gần

như không đáng kể, có thể bỏ qua Do do

đó tổng trở của chúng chỉ thay đối theo tần

số

Nhưng đối với các vật liệu từ mềm

có độ từ thẩm rất lớn 106(vô định

hình nền Co và nano tinh thể Fe), thì

độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ trường và tần số (p=|j,(H,a>)), kéo theo sự

thay đối mạnh tống trở khi từ trường và tần số thay đổi Tuy nhiên tổng trở 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

quan đến hình dạng, kích thước hình học của vật dẫn Các kết quả được công bốtrong 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 nhưbằng 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 5trên 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

Nói tóm lại hiệu ứng từ tống trở khống lồ (Giant Magneto - impedance

effect) là sự thay đối mạnh tống trở z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của từ

trường ngoài Hc và dòng điện cao tần có tần số GO Cơ chế của hiệu ứng tổng trở khổng lồ (GMI) có bản chất điện - từ và có thể giải thích bằng lý thuyết điện

động lực học cổ điển Theo L.V.Panina bản chất điện từ của hiệu

ứng tổng trở khổng lồ (GMI) là sự kết họp giữa hiệu ứng bề mặt

và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng ( ỊẨ eff) của dây dẫn vào từtruờng

1.2 Lý thuyết giải thích hiệu ứng

Nhu đã trình bày ở trên tổng trở của dây dẫn từ tính phụ thuộc vào từ truờng, tần số của dòng điện, tính chất từ của vật liệu còn thay đổi theo kích thuớc hình học cũng nhu cấu hình của phép đo

Chúng ta đã biết, đối với dòng điện một chiều, mật độ dòng điện có giá trị nhu nhau đối với tất cả các điểm thuộc tiết diện của dây dẫn Nhung đối với dòng điện xoay chiều, đặc biệt là dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu huớng tập trung ở lớp mỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi dây dẫn Hiện tuợng này đuợc gọi là hiệu ứng bề mặt (Hiệu ứng lớp vỏ -skin efffect)

Mật độ dòng điện cao tần giảm theo hàm mũ theo chiều dày tính từ bề mặt

của dây dẫn Đặc trung cho hiệu ứng bề mặt nguời ta đua ra đại luợng &

gọi là độ thấm sâu, đuợc định nghĩa là khoảng cách bề mặt đến vị trí mà mật độ dòng điện giảm còn ~~ 37% so với ở bề mặt theo huớng xuyên tâm

(1.7)

Trong đó p là điện trở suất của vật

liệu, là tần số góc của dòng điện,

ịi là độ từ thấm của vật liệu Trong vật liệu từ p chịu ảnh huởng của tần số

dòng điện xoay chiều cũng nhu độ lớn từ truờng ngoài Sự phụ thuộc ịí vào từ

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 <5

thay đổi, khả năng cản hở dòng điện (tổng trở) của dây dẫn thay đổi và 8 càng

nhỏ tức là dòng điện chỉ phân bố trên mặt lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn

Do sự ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều đến từ thẩm ụ, dẫn

đến hiệu ứng GMI được cơ bản giải thích theo ba vùng tần số khác nhau:

- Tần số thấp (Hiệu ứng từ cảm)

- Tần số trung bình (Hiệu ứng từ tổng trở)

- Tần số cao (Hiêu ứng cổng hưởng sắt từ)

1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng

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 ranhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng Một số mô hình đã rất thành công Tuy nhiên, mỗi mô hình chỉ phù họp với mỗi dải tần số nhất định Ví dụ mô hình dòng xoay chiều dành cho dải tần f ~ 100kHz - 30MHz; mô hình domain cho dải tần f ~ 100kHz - 100MHz; mô hình điện từ cho dải tần f~ 10MHz - 10GHz;

mô hình trao đổi độ dẫn cho dải tần f ~ 10MHz - 10GHz Trong đó 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, một số mô hình toán học đã đượctìm thấy có dải tần phù họp với dải tần nghiên cứu (lớn hơn 10 KHz) và dạng hình học của vật liệu 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 Đây là

mô hình của Squữe [12] 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 hìnhtrụ 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

X q

( 1 . 8 )

từ tròn là rất nhỏ do từ trường tròn xoay liên tục duy trì Với dạng phẳng, trườngkhử 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 vec tơ từ độ dưứi tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra Hình 1.3 chỉ ra cấu trúc domain và các góc được sử dụng trong mô hình

Hình 1.3 Mô hình tính toán giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng ỉồ Xét

mô hình bao gồm các domain phản song được bão hòa bởi vách đơn 180°, định hướng theo các trục từ dễ, 0 là góc tạo bởi phương dễ từ hóa và trường ngoài

<|>1 và <|>2 là góc giữa mô men từ của hai domain với phương dễ từ hỏa dưới tác dụng tổng hợp của từ trường ngoài Hext và từ trườngvuông góc Ht, d là

bề rộng vách domain khi không có 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:

H t = X t + lNếu 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:

Với U Klà mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức

s 2 M : U K =K [ as 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:

Với u=x/d và p đơn vị đo “độ cứng” của vách domain Đại lượng này

được sử dụng để chọn giá trị của moment góc và vị trí của váchdomain tại vị trí có năng lượng cực tiểu tương ứng với từ trường Hax đặt vào và

từ trường ngang Hl =0 Do vậy phát hiện ra được những thay đối mặc dù rất nhỏcủa các thông số trên dưới tác dụng của từ trường ngang nhỏ Sự khác biệt AM 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 theo phương ngang

AM X t _ổ H t