BÁO CÁO tốt nghiệp môn vật lý 2016

Bản chất của hiệu ứng này là sự thay đổi của tổng trở xoay chiều Z dưới tác dụng của từ trường ngoài.. Tuy nhiên, trong thời kì đầu mới phát hiện, người ta thấy sự thay đổi của tổng trở

Trờng đại học s phạm hà nội 2

Khoa vật lý -oOo -

Hà nội – 2007

Cấu trúc luận văn

 Mở đầu

 Nội dung

 Kết luận

MỞ ĐẦU

Hiệu ứng từ tổng trở - MI (Magneto-Impedance effect) là một dạng của hiện tượng cảm ứng điện từ Bản chất của hiệu ứng này là sự thay đổi của tổng trở xoay

chiều Z dưới tác dụng của từ trường ngoài Tuy nhiên,

trong thời kì đầu mới phát hiện, người ta thấy sự thay đổi của tổng trở Z là không nhiều, nên hiệu ứng này vẫn chưa thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học Đến năm

1994 khi L.V Panina phát hiện ra sự thay đổi rất lớn của tổng trở duới tác dụng của từ trường trong dây dẫn vô

định hình nền Co, được gọi là hiệu ứng từ tổng trở khổng

lồ (Giant magneto-Impedance effect - GMI)

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI là sự thay đổi mạnh tổng trở xoay chiều Z của vật liệu từ mềm dưới tác dụng của từ trường ngoài Hext.



Hiệu ứng GMI mang bản chất điện từ, đó là sự kết hợp giữa hiệu ứng bề mặt (đặc trưng bởi độ thấm sâu - ) và

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

từ trường Hiệu ứng này được quan sát rất mạnh trong các

vật liệu từ siêu mềm vô định hình và nano tinh thể ở dạng

dây, băng, màng mỏng, với tỷ số GMIr vượt quá 100% ở

nhiệt độ phòng Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đạt được những thành tựu lớn trong việc nâng cao tỷ số GMIr vượt quá 100% ở nhiệt độ phòng Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đạt được những thành tựu lớn trong việc nâng cao tỷ số GMIr cũng như đưa các kết quả này ứng dụng vào chế tạo cảm biến đo từ trường, đo dòng điện với độ nhạy cao, ứng dụng trong sinh học và kỹ thuật đo lường điều khiển Tuy nhiên, để tăng hiệu quả sử dụng các vật liệu dựa trên hiệu ứng GMI cần nghiên cứu bản chất, cơ chế của hiệu ứng cũng như khả năng ứng dụng

 Luận văn này được tiến hành với đề tài: “ Hiệu ứng từ tổng trở khổnglồ -GMI, phương pháp chế tạo và ứng dụng”

dựa trên cơ sở các kết quả đã được nghiên cứu và phát triển

-

Mục tiêu của luận văn là:

Nghiên cứu hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ-GMI

Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm nền Co có hiệu ứng GMI cao bằng công nghệ nguội nhanh

và điện kết tủa

Nghiên cứu ứng dụng của vật liệu từ mềm có hiệu ứng GMI vào đời sống và kỹ thuật

Luận văn gồm 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ-GMI

Giới thiệu hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ- GMI

Vật liệu từ mềm cho hiệu ứng GMI cao

Chương 2: Phương pháp chế tạo Công nghệ chế tạo băng vô định hình và dây

Chương 3: Ứng dụng

sinh một từ trường biến

thiên Ht vuông góc với

i'

Mặt khác H t từ hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện độ từ thẩm theo phương ngang t

Khi ta đưa từ trường ngoài H ext một chiều song song với trục của dâydẫn thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hoá theo phương ngang, tức là thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng theo phương ngang t nên tổng trở của dây dẫn thay đổi (tổng trở giảm)

Tổng trở Z của dây dẫn từ tính có dòng điện xoay chiều tần số  chạy

qua dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều H ext đặt dọc theo trục

của dây dẫn được xác định theo biểu thức sau:

( , ext ) t ( , ext )

Trong đó: t là độ từ thẩm hiệu dụng theo phương ngang

của dây dẫn, là hàm của tần số và từ trường ngoài, ω là tần số

dòng điện đặt vào dây dẫn

Z (H): Tổng trở được đo ở từ trường H

Z (Hmax): Tổng trở đo ở điểm từ trường lớn nhất (của

hệ đo)

Cơ chế của hiệu ứng 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 GMI là sự kết hợp giữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng của dây dẫn vào từ trường





Công thức (1.1) cho thấy hiệu ứng GMI là sự thay đổi

mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác dụng của

từ trường ngoài Hext và dòng điện có tần số cao () Để đặc trưng cho hiệu ứng GMI, người ta đưa ra tỷ số GMIr

được định nghĩa như sau:

 Bản chất của hiệu ứng được làm rõ khi phân tích các

thông số ảnh hưởng đến sự thay đổi tổng trở của vật

liệu Cụ thể: hiệu ứng GMI phụ thuộc vào sự thay đổi

của độ từ thẩm theo tần số của dòng điện chạy qua dây dẫn và từ trường ngoài, và lien hệ đến hiệu ứng bề mặt

 Mối liên hệ giữa độ thấm sâu bề mặt , độ từ thẩm

 và từ trường ngoài Hext được thể hiện trên hinh ve

Khi từ trường ngoài Hext tăng thì độ từ thẩm  giảm dẫn tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại

Trong quá trình nghiên cứu hiệu ứng GMI,

đã thu được một số kết

quả đặc biệt, đó là đường

cong GMI có hiện tượng

1.2 Vật liệu từ vô định hình

 Các hợp kim VÐH thường là TM80M20 (tính theo phần

trăm nguyên tử) với TM là các kim loại sắt từ chuyển tiếp

Fe, Co, Ni và M là các á kim B, Si, P, C Các vật liệu trên đều chứa các nguyên tử từ với lớp điện tử 3d chưa được điền đầy và hằng số trao đổi giữa các spin là dương Đây

là điều kiện cần và đủ để tạo ra trạng thái sắt từ trong vật liệu VĐH Với vật liệu VĐH, có thể quan sát thấy những

hiện tượng sắt từ như trong vật liệu sắt từ có cấu trúc tinh thể Hợp kim VĐH có từ tính tốt được đặc trưng bằng từ

độ bão hòa, mômen từ lớn, và nhiệt độ chuyển pha Tc

cao

 1.2.1 Băng vô định hình nền Co

Như trình bày ở trên, hiệu ứng GMI đạt tỷ số cao đối với những đã họ vật liệu có tính từ mềm tốt Hợp kim

CoFeBSi được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh là

một trong những họ hợp kim có tính từ mềm cao Trong

đó các nguyên tử Co, Fe là những nguyên tử từ Sự có mặt của Fe với thành phần từ 4% đến 5% nguyên tử của hợp kim sẽ mang lại tính chất từ mềm tốt nhất cho hợp kim và từ giảo của hợp kim s 0 B, Si có tác dụng làm

ổn định trạng thái VĐH của hợp kim, làm tăng nhiệt độ kết tinh, làm cho tính từ mềm của hợp kim tốt hơn đồng thời làm tăng điện trở suất của hợp kim

Độ cứng của hợp kim photpho thường cao hơn kim loại sạch Trong các vật liệu chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa thì độ bền kéo có vai trò quan trọng Sự có mặt của photpho trong thành phần hợp kim chế tạo

bằng phương pháp điện kết tủa là nguyên nhân chính dẫn đến việc tăng độ bền kéo

1.2.3 Hợp kim từ photpho chế tạo bằng công

nghệ điện kết tủa

Hợp kim photpho hiện nay được quan tâm đến

khá nhiều do những tính chất thú vị của nó Đối với

hợp kim phôt pho chế tạo bằng phương pháp điện

kết tủa, bề mặt của lớp kết tủa phụ thuộc vào hàm

lượng của photpho

Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên họ hợp kim pho tpho cho thấy hầu hết chúng có cấu trúc vô định hình

Chương 2 Phương pháp chế tạo

nhanh

 Công nghệ nguội nhanh là phương pháp chế tạo hợp kim

vô định hình quan trọng vì phương pháp này có năng suất cao (vài chục mét băng trong một giây), sản phẩm tạo ra

có kích thước lớn (cho phép chế tạo băng VĐH rộng tới 150 – 200 mm), có ý nghĩa trong việc ứng dụng vào thực tế

 Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị nguội nhanh đơn trục

B¨ ng V§ H

• 2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu

Băng vô định hình CoFeBSi được chế tạo bằng công

nghệ nguội nhanh theo sơ đồ như sau:

 Nguyên liệu ban đầu CoFeBSi được chuẩn bị với thành phần hợp thức của các nguyên tố tương ứng là 68: 4, 5:

12, 5: 15 Các băng VĐH thu được có độ dày cỡ 20 - 30

μm và chiều rộng cỡ 5 - 7 cm

 Để khảo sát ảnh hưởng của

hình dạng mẫu băng lên hiệu

ứng GMI, các mẫu nghiên cứu

được chế tạo với chiều dài từ 2

cm đến 5 cm, chiều rộng từ 0,1

mm đến 5 mm, chiều dày

khoảng 25 μm đến 40 μm Mẫu

được tạo ra với dạng thẳng

hoặc dạng lò xo Ngoài ra, các

quá trình xử lý nhiệt cũng được

tiến hành để khảo sát ảnh

hưởng của nhiệt độ ủ lên hiệu

ứng GMI trong băng vô định

hình CoFeBSi chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh

2.2 Công nghệ điện kết tủa

 Quá trình điện kết tủa là quá trình phủ lên vật mẫu một lớp kim loại thông qua dung dịch điện ly Mục đích của quá trình này là để tăng thêm tính chất của bề mặt vật liệu ban đầu cũng như để bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trường bên ngoài

2 2 2 Quy trình chế tạo mẩu

Quy trình chế tạo dây Cu-CoP

được thể hiện trên hình Đường kính dây Cu được sử dụng là 50

μm và 100 μm Thành phần của dung dịch và chế độ tạo dây được thể hiện ở bảng 2.1 Sự phụ

thuộc của hiệu ứng GMI vào mật

độ dòng điện được khảo sát trong khoảng mật độ dòng từ 450

mA/cm2 đến 800 mA/cm2 Thời gian thực hiện quá trình điện kết tủa được thay đổi trong khoảng

từ 2 đến 15 phút

H3PO4 50

Bảng 2.1 Thành phần dung dịch và chế độ tạo màng CoP

KẾT LUẬN

 1 Đã tìm hiểu được bản chất hiệu ứng từ tổng trở

khổng lồ - GMI, giải thích về mặt lý thuyết cơ chế của hiệu ứng cũng như hoàn việc giải thích hiện tượng

tách đỉnh

 2 Khoá luận đã hoàn thành tìm hiểu công nghệ chế tạo vật liệu có hiệu ứng GMI: Công nghệ nguội

nhanh và công nghệ điện kết tủa

 3 Nghiên cứu được một số ứng dụng điển hình dựa trên hiệu ứng GMI