Nghiên cứu tính chất của băng và dây vô định hình từ mềm nền Coban nhằm ứng dụng làm cảm biến từ tổng trở (GMI) đo từ trường yếu của các hạt Nano từ : Luận án TS. Khoa học vật chất: 624401

Năm 2007, Tiến sĩ Lê Anh Tuấn cùng các cộng sự đã cải thiện độ nhạy từ của cảm biến từ tổng trở trên vật liệu dây từ vô định hình nền Co, bằng cách sử dụng dây từ nền Co là thành phần ch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

_

ĐÀO SƠN LÂM

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BĂNG VÀ

DÂY VÔ ĐỊNH HÌNH TỪ MỀM NỀN COBAN NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ (GMI)

ĐO TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA CÁC HẠT NANO TỪ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

_

ĐÀO SƠN LÂM

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BĂNG VÀ

DÂY VÔ ĐỊNH HÌNH TỪ MỀM NỀN COBAN NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ (GMI)

ĐO TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA CÁC HẠT NANO TỪ

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 62440104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Thu Hương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng

tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố

theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân

tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các

kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Nghiên cứu sinh

Đào Sơn Lâm

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới thầy cô hướng dẫn đã ân cần giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi và định hướng tốt nhất để tôi thực hiện Luận án này Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Giáo sư Hariharan Srikanth đã tạo điều kiện và giúp đỡ để tôi thực hiện được phần thực nghiệm quan trọng của luận án tại Khoa Vật lý, trường Đại học Nam Florida, Hoa Kì Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn Giáo sư Nguyễn Châu đã đóng góp ý kiến quý báu và giúp đỡ tận tình để tôi hoàn thành được luận án của mình Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy các cô, các anh các chị là nhân viên đang công tác tại Khoa Vật lý, Trung tâm Khoa học Vật Liệu, Trường ĐHKHTN-ĐHQGHN đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn thành luận án của mình Đặc biệt, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Khoa Hóa học Trường ĐHKHTN-ĐHQGHN, Viện Vật liệu tiên tiến và Công nghệ (AIST) thuộc Trường

ĐH Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Khoa học vật liệu - ĐHKHTN, ĐHQGHN đã giúp tôi thực hiện các phép đo này Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thành viên thuộc Trung tâm nghiên cứu LABVIEW (Jagannath Devkota, C Albrecht, Tatiana Eggers, O Thiabgoh, Kristen Stojak) cùng các cán bộ, nhân viên thuộc Khoa Vật Lý trường Đại học Nam Florida vì sự giúp đỡ nhiệt tình thực hiện các phép đo và sự quan tâm động viên hết sức quý báu với tôi trong quá trình thực hiện Luận án Tôi cũng xin được cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ NAFOTED; Khoa Vật lý, Đại học Nam Florida; Viện Công nghệ Harbin, Trung Quốc đã tạo điều kiện cho tôi về kinh phí và thời gian, cung cấp mẫu băng và dây từ

vô định hình nền Co để tôi thực hiện phần thực nghiệm của luận án này Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Sở Giáo dục và Đào tạo Tỉnh Bắc Giang, các thầy giáo cô giáo Trường THPT Lục Nam đã tạo điều kiện về thời gian và động viên tôi rất nhiều trong khi học tập và thực hiện luận án này Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên tinh thần và là hậu phương vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành luận án

Hà Nội, tháng năm 2018

Tác giả

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 21

1.1 HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỔ (HIỆU ỨNG GMI) 21

1.1.1 Hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) 21

1.1.2 Tổng trở của vật dẫn 22

1.1.3 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo tần số của dòng điện xoay chiều 24

1.1.4 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo cường độ dòng điện xoay chiều 31

1.1.5 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo từ trường một chiều 32

1.1.6 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo nhiệt độ đo 32

1.1.7 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo cấu hình vật liệu dạng băng và dây 33

1.1.8 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo độ từ giảo 34

1.1.9 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo quá trình ủ trong từ trường và ủ nhiệt 35

1.1.10 Ứng dụng của hiệu ứng từ trở khổng lồ 36

1.2 VẬT LIỆU BĂNG VÀ DÂY TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH 42

1.2.1 Tính chất từ 43

1.2.2 Tính chất cơ 52

1.2.3 Tính chất điện 52

1.3 VẬT LIỆU HẠT NANO ÔXIT SẮT TỪ Fe3O4 53

1.3.1 Cấu trúc tinh thể 53

1.3.2 Tính chất từ 55

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ của hạt nano Fe3O4 59

1.3.4 Tương tác giữa các hạt nano Fe3O4 66

1.3.5 Các ứng dụng của hạt nano Fe3O4 67

1.3.6 Các phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 69

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 73

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 74

2.1 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH DẠNG BĂNG VÀ DÂY 74

2.1.1 Phương pháp chế tạo vật liệu dạng băng vô định hình 75

2.1.2 Phương pháp chế tạo vật liệu dạng dây vô định hình 76

2.2 NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU BĂNG VÀ DÂY VÔ ĐỊNH HÌNH NỀN Co 77

2.2.1 Ủ nhiệt thông thường 77

2.2.2 Khảo sát hiệu ứng GMI trên vật liệu dạng băng và dây vô định hình 77 2.3 CHẾ TẠO HẠT NANO ÔXIT SẮT TỪ Fe3O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY TỪ TIỀN CHẤT HỮU CƠ 78

2.4 KHẢO SÁT ĐỘ NHẠY TỪ TRƯỜNG CỦA VẬT LIỆU DẠNG BĂNG (DÂY) NỀN Co XÁC ĐỊNH TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HỆ HẠT NANO Fe3O4 80

2.5 CÁC PHÉP ĐO SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CÁC HỆ MẪU BĂNG, DÂY TỪ VÔ ĐỊNH HÌNH VÀ HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4 83

2.5.1 Nhiễu xạ tia X 83

2.5.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 84

2.5.4 Phép đo phổ EDS 85

2.5.5 Hệ đo các tính chất vật lý 86

2.5.6 Từ kế mẫu rung 87

2.5.7 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 88

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 90

CHƯƠNG 3 CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ CHO VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH DẠNG BĂNG DÂY NỀN Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP Ủ NHIỆT91 3.1 CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ MỀM CỦA VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH DẠNG BĂNG CHỨA COBAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP Ủ

NHIỆT 91

3.1.1 Tính chất cấu trúc, thành phần, hình thái học bề mặt băng vô định hình nền Co 91

3.1.2 Tính chất từ băng vô định hình nền Co 94

3.1.3 Tính chất từ tổng trở của băng vô định hình nền Co 96

3.2 CẢI THIỆN TÍNH CHẤT TỪ MỀM CỦA DÂY TỪ NỀN COBAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP Ủ NHIỆT 103

3.2.1 Tính chất cấu trúc, thành phần và hình thái bề mặt 103

3.2.2 Tính chất từ 105

3.2.3 Tính chất từ tổng trở 107

CHƯƠNG 4 PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG YẾU TẠO RA BỞI HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4 BẰNG CẢM BIẾN TỪ GMI SỬ DỤNG BĂNG VÀ DÂY TỪ NỀN Co LÀM THÀNH PHẦN CHÍNH 119

4.1 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4 120

4.1.1 Tính chất cấu trúc 120

4.1.2 Tính chất từ 121

4.2 PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HẠT NANO Ô XÍT SẮT TỪ BẰNG CẢM BIẾN TỪ TỔNG TRỞ SỬ DỤNG BĂNG TỪ NỀN Co LÀM THÀNH PHẦN CHÍNH 124

4.3 PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HẠT NANO Ô XÍT SẮT TỪ BẰNG CẢM BIẾN TỪ SỬ DỤNG DÂY TỪ NỀN Co LÀM THÀNH PHẦN CHÍNH 129

4.4 XÁC ĐỊNH TỪ TRƯỜNG YẾU CỦA HỆ HẠT NANO TỪ TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỒI QUI TUYẾN TÍNH 133

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 142

KẾT LUẬN CHUNG 143

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 144

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 144

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng giá trị cực đại gần đúng của độ biến thiên ΔR/R (%), ΔX/X (%) ,

ΔZ/Z (%) theo từ trường của dây từ Co69,25Fe4,25Si13B13,5 chưa ủ và đã ủ nhiệt trong

20 phút ở các tần số 20 MHz (a-c), 100 MHz (d-e) và 300 MHz (g-i) 27

Bảng 1.2: Bảng giá trị của độ biến thiên cực đại R (ΔR/R(%)); X (ΔX/X(%)) và Z

(ΔZ/Z(%)) của mẫu băng từ vô định hình nền Fe trong dải tần số cao ở tần số 100,

400, 900 MHz 29

Bảng 1.3 Bảng giá trị độ từ giảo bão hòa (λS) và giá trị tỉ số [Z/Z]max(%) ở tần số

đo f  100KHzvà cường độ dòng điện I 5mA đối với mẫu (Co1-xFex)70Si12B18 35

Bảng 1.4 Bảng so sánh các loại cảm biến 36 Bảng 1.5: Độ lớn khoảng cách giữa các ion kim loại, hằng số mạng a (Å), tham số

ôxi u (u=3/8, đặc trưng cho độ dịch chuyển của ion ôxi khỏi mạng lý tưởng ) 56

Bảng 1.6 Bảng giá trị tham số đặc trưng tính chất từ của MFe2O4 (M= Fe, Co, Ni) 57

Bảng 1.7: Bảng thống kê sự phụ thuộc kích thước hạt nano ôxit săt từ theo lượng

chất hoạt động bề mặt (mmol) và thể tích dung môi Benzyl ether (ml) 72

Bảng 4.1 Xác định độ biến thiên giá trị R (hay R) và giá trị từ trường yếu (H

stray) ứng với các khối lượng hạt nano từ tính khác nhau 139

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ đo từ tổng trở của vật dẫn 21 Hình 1.2 Sự phụ thuộc của độ thấm sâu (δ m ) và độ từ thẩm tròn (ngang)µ T (a) vào từ trường ngoài (H DC ) của mẫu dây từ (b) và băng từ (c) 24

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của độ biến thiên ΔR/R(%), ΔX/X(%) , ΔZ/Z(%) theo từ

trường của dây từ Co 69,25 Fe 4,25 Si 13 B 13,5 chưa ủ và đã ủ nhiệt trong 20 phút ở các

tần số 20 MHz (a-c), 100 MHz (d-e) và 300 MHz (g-i) 26

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của tỉ số ΔR/R (a), ΔX/X (b), và ΔZ/Z (c) theo từ trường

kích thích H DC tại các tần số 100 MHz, 400 MHz, 900 MHz và giá trị cực đại của

tỉ số ΔR/R(d) , ΔX/X (e), và ΔZ/Z (f) trong dải tần số từ 100 - 1000 MHz của mẫu không phủ (không tô đậm) và đã được phủ Co (tô đậm) của vật liệu (Fe 50 Ni 50 ) 81 Nb 7 B 12 được phủ lớp Co 28

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của từ trường dị hướng H k theo tần số đo được xác định dựa vào đỉnh của các đường cong ΔR/R (a), ΔX/X (b), ΔZ/Z (c) theo từ trường một chiều H DC 30

Hình 1.6: Ảnh minh họa ứng dụng cảm biến từ tổng trở trong phát hiện tế bào

ung thư dạ dày thông qua các hạt từ tính 42

Hình 1.7 Mô phỏng cấu trúc đômen ngang của băng từ vô định hình nền Co 44 Hình 1.8 Cấu trúc đômen băng từ Co 69 Fe 4 Ni 1 Mo 2 B 12 Si 12 44

Hình 1.9 Cấu trúc đômen của dây vô định hình nền Co 46 Hình 1.10 Ảnh kính hiển vi điện tử từ lực ba chiều (MFM 3D) hình thái bề mặt

của dây vô định hình nền Co 46

Hình 1.11 Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ nền Fe khi ủ ở các nhiệt độ khác

nhau 49

Hình 1.12 Cấu trúc tinh thể và cấu hình spinel của Fe 3 O 4 53

Hình 1.13: Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano ôxit sắt từ Fe 3 O 4 54

Hình 1.14: Cấu hình sắp xếp ion kim loại trên hai phân mạng A và B tương ứng

với vị trí phân mạng tứ diện và bát diện Vòng tròn lớn là ion ôxi 56

Hình 1.15: Trường khử từ trong mẫu có dạng ellipsoid tròn xoay 59 Hình 1.16: Hệ tọa độ cho quá trình đảo từ trong một hạt đơn đômen 62

Hình 1.17: Sơ đồ hàng rào năng lượng cho một hạt có dị hướng đơn trục khi

không có từ trường ngoài (trái) và khi có từ trường đặt vào (phải) 63

Hình 1.18: Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt 65 Hình 1.19: Mô hình với cấu trúc lõi vỏ của một hạt nano từ 66 Hình 1.20: Sơ đồ khối của phương pháp chế tạo hạt nano Fe 3 O 4 bằng phương pháp phân hủy từ tiền chất hữu cơ 71

Hình 2.1 Phương pháp làm lạnh nhanh (Melt- spinning) chế tạo vật liệu băng

vô định hình và ảnh mẫu băng vô định hình (Co 0,95 Fe 0,05 ) 89 Zr 7 B 4 được chế tạo theo phương pháp làm lạnh nhanh 75

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý (a), ảnh SEM của mẫu dây vô định hình nền Co chế

tạo bằng phương pháp rút nhanh từ thể lỏng (Melt-extraction) (b) 76

Hình 2.3: Quy trình xử lý nhiệt đối với vật liệu băng hoặc dây vô định hình nền

Hình 2.6: Giản đồ xử lý nhiệt chế tạo hạt Fe 3 O 4 79

Hình 2.7: Hệ đo tín hiệu từ trường nhiễu loạn yêu của cảm biến từ trong trạng

thái không tiếp xúc 81

Hình 2.8: Cấu hình đo từ trường của các hạt từ tính bằng cảm biến GMI sử

dụng băng (dây) từ nền Co 82

Hình 2.9: Máy đo phổ nhiễu xạ tia X- Brüker AXS D8 83 Hình 2.10: Máy đo ảnh SEM (JEOL JSM-6390LV SEM) 84 Hình 2.11: Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Morgagni Transmission

Electron Microscope FEI) với độ phân giải 16.7 Mpixel 85

Hình 2.12 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) tích hợp với phổ

kế tán sắc năng lượng tia X (EDS) và đầu dò huỳnh quang catôt (CL): JEOL JSM-7600F (Mỹ) 86

Hình 2.13: Hệ thống đo tính chất vật lý ( PPMS) 87

Hình 2.14: Ảnh (a) và sơ đồ nguyên lý hoạt động (b) của từ kế mẫu rung (VSM).

88

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 89 Hình 2.16: Kính hiển vi lực nguyên tử Veeco Dimension 3100 AFM 89 Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của băng vô định hình (Co 0,95 Fe 0,05 ) 89 Zr 7 B 4 sau khi

ủ ở các nhiệt độ khác nhau 92

Hình 3.2: Phổ EDS của mẫu băng vô định hình (Co 0,95 Fe 0,05 ) 89 Zr 7 B 4 93

Hình 3.3 Ảnh AFM của hệ mẫu băng vô định hình (Co 0,95 Fe 0,05 ) 89 Zr 7 B 4 chưa ủ nhiệt (a) và ủ ở 100 o

C (b), 200 o C (c), 350 o C (d), 400 o C (e), và 500 o C (f) 93

Hình 3.4: Đường cong từ trễ M(H) của hệ mẫu băng vô định hình sau khi ủ

nhiệt; hình nhỏ góc trái và phải tương ứng là hình phóng to đường cong từ trễ trong khoảng từ trường từ -20 20 (Oe) và 0 2500 (Oe) 95

Hình 3.5: Sự thay đổi R theo tần số của hệ mẫu băng từ (Co 0,95 Fe 0,05 ) 89 Zr 7 B 4 ứng với các nhiệt độ ủ khác nhau khi không có từ trường kích thích (H=0) 97

Hình 3.6: Sự phụ thuộc của ΔR/R (%) theo từ trường ngoài của hệ mẫu băng từ

tại các tần số: a)100 MHz; b) 400 MHz; c)500 MHz; d) 600 MHz; e)800 MHz; f)

1000 MHz ứng với các nhiệt độ ủ khác nhau 100

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của giá trị từ trường dị hướng (H k ) theo tần số ứng với nhiệt độ ủ khác nhau 100

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của giá trị [ΔR/R] max (%) theo tần số tại các nhiệt độ ủ khác nhau.tại các nhiệt độ ủ khác nhau……… 101

Hình 3.9: Sự phụ thuộc độ nhạy () theo từ trường ngoài ở các nhiệt độ ủ khác nhau tại tần số f = 500 MHz 103

Hình 3.10: Sự phụ thuộc độ nhạy cực đại max theo tần số tại các nhiệt độ ủ khác nhau 103

Hình 3.11: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu dây vô định hình Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 ủ tại các nhiệt độ khác nhau 104

Hình 3.12: Phổ EDS của mẫu dây vô định hình Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 104

Hình 3.13: Ảnh SEM của mẫu dây vô định hình tại các nhiệt độ ủ khác nhau: a)

chưa ủ, b) 100 o C, c) 200 o C, d) 350 o C, e) 400 o C, f) 450 o C 105

Hình 3.14: Đường cong M(H) của hệ dây vô định hình Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 trước

và sau khi ủ nhiệt; hình nhỏ góc trái là đường cong M(H) ứng với từ trường từ 0 đến 300 Oe 107

Hình 3.15: Sự phụ thuộc của giá trị từ độ cực đại của mẫu dây từ

Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 theo nhiệt độ ủ 107

Hình 3.16: Sự phụ thuộc của R theo tần số của hệ mẫu dây vô định hình

Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 khi không có từ trường ngoài (H=0) tại cácnhiệt độ ủ khác nhau 108

Hình 3.17 Sự phụ thuộc của ΔR/R (%) theo từ trường ngoài tại các tần số:

a)100 MHz; b) 300 MHz; c) 500 MHz; d) 600 MHz; e) 800 MHz; f) 1000 MHz ứng với các nhiệt độ ủ khác nhau của mẫu dây từ Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 110

Hình 3.18: Sự phụ thuộc giá trị [ΔR/R] max theo tần số của mẫu dây từ

Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 tại các nhiệt độ ủ khác nhau 112

Hình 3.19: Sự phụ thuộc của độ nhạy theo từ trường của vật liệu dây từ

Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 trước và sau khi ủ tại các tần số: a) 200 MHz; b) 400 MHz; 113

Hình 3.20: Sự phụ thuộc của độ nhạy từ theo từ trường kích thích đối với vật liệu

dây từ Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 được ủ ở 350 o C tại tần số 200 MHz 114

Hình 3.21 : Sự phụ thuộc độ nhạy cực đại theo tần số của vật liệu dây từ

Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 tại các nhiệt độ ủ khác nhau (H = H k ≈ 4,5 Oe) 115

Hình 3.22: Sự phụ thuộc độ nhạy cực đại theo tần số của vật liệu dây vô định

hình nền Co (Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 ) tại các nhiệt độ ủ khác nhau 116

Hình 4.1: Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano từ tính Fe 3 O 4 120

Hình 4.2: Biểu đồ phân bố phần trăm kích thước hạt theo đường kính hình góc

trái là ảnh TEM của hệ hạt Fe 3 O 4 121

Hình 4.3: Đường cong ZFC - FC và hình nhỏ góc bên phải là đường cong M(H)

của mẫu hạt nano ôxit sắt Fe 3 O 4 123

Hình 4.4: Sự phụ thuộc R theo tần số ứng với khối lượng hệ hạt nano từ tính khác

nhau; hình nhỏ bên trái là hình phóng to của R theo tần số ứng 125

Hình 4.5: Sự phụ thuộc của độ biến thiên của giá trị R theo tần số 126

Hình 4.6: Sự phụ thuộc của giá trị ΔR theo tần số và khối lượng hạt nano từ tính.

127

Hình 4.7: Hình 2D mô tả sự phụ thuộc của giá trị ∆R theo tần số và khối lượng

hạt nano từ tính của băng từ (Co 0,95 Fe 0,05 ) 89 Zr 7 B 4 128

Hình 4.8: Sự phụ thuộc của giá trị R theo tần số các mẫu hạt từ tính có khối

lượng khác nhau (hình nhỏ là phần phóng to trong khoảng tần số từ 300 - 600 MHz) 130

Hình 4.9: Sự phụ thuộc độ biến thiên của giá trị R theo tần số ứng với các khối

lượng hạt nano từ tính khác nhau 131

Hình 4.10: Hình 3D mô tả sự phụ thuộc của giá trị ΔR của dây từ

Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 theo tần số và khối lượng hạt nano từ tính khác nhau 131

Hình 4.11: Hình 2D mô tả sự phụ thuộc của giá trị ∆R theo tần số và khối lượng

hạt nano từ tính khác nhau của dây từ Co 68,2 Fe 4,3 B 15 Si 12,5 132

Hình 4.12: Sự phụ thuộc của giá trị R theo tần số ứng với các hệ mẫu hạt nano từ

tính có khối lượng khác nhau dưới từ trường kích thích tương ứng:(a) 0 Oe; (b) 2 Oe; (c) 3,5 Oe 134

Hình 4.13: Sự phụ thuộc của giá trị R theo từ trường kích thích H

DC tại tần số f

= 300 MHz 135

Hình 4.14: Sự phụ thuộc từ trường kích thích chuẩn của giá trị R của dây vô định

hình nền Co 136

Hình 4.15: Sự phụ thuộc của giá trị R của thành phần cảm biến vào khối lượng

mẫu hạt nano ô xít sắt từ ứng với các từ trường kích thích khác nhau, (a) 0 Oe; (b) 2Oe; (c) 3,5 Oe tại tần số 300 MHz 137

Hình 4.16: Sự phụ thuộc của ΔR (a), giá trị từ trường H stray (b) theo khối lượng hệ hạt nano Fe 3 O 4 của mẫu dây vô định hình 140

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Năng lượng từ giảo

K Nhiệt độ Kenvil

/ /

JA-B Giá trị tích phân trao đổi của phân mạng A-B

JA-A Giá trị tích phân trao đổi của phân mạng A-A

JB-B Giá trị tích phân trao đổi của phân mạng B-B

[ΔR/R]max Giá trị cực đại của tỉ số biến thiên phần thực

R(H) Giá trị phần thực của tổng trở tại từ trường H

ΔX/X Tỉ số biến thiên phần ảo của tổng trở

[ΔX/X]max Giá trị cực đại của tỉ số biến thiên phần ảo

X(H) Giá trị phần ảocủa tổng trở tại từ trường H

[ΔZ/Z]max Giá trị cực đại của tỉ số biến thiên tổng trở

Z(H) Giá trị tổng trở tại từ trường H

MỞ ĐẦU

Hiện nay cảm biến từ được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, công nghiệp và y sinh, như bộ ghi từ mật độ cao, bảo mật, thiệt bị chống trộm, nghiên cứu không gian, đo đạc bản đồ trắc địa, thiết bị đo từ trường trên tầu vũ trụ và thiết bị cảm biến

đo đạc trên cơ thể người [58, 127] Nhiều cảm biến từ đã và đang được nghiên cứu

và ứng dụng mạnh mẽ, như cảm biến cảm ứng từ, cảm biến Hall, cảm biến Fluxgate, cảm biến từ điện trở khổng lồ hoạt động dựa vào hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (hiệu ứng GMR) hoặc cảm biến từ trong thiết bị giao thoa siêu dẫn lượng

tử (SQUID) [83, 87, 103] Cảm biến từ dùng để chuyển đổi từ tín hiệu từ trường sang tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện Độ nhạy của cảm biến từ đóng vai trò quyết định trong việc xác định phạm vi hoạt động và khả năng ứng dụng thực tiễn của nó Ví dụ cảm biến từ trong thiết bị SQUID với độ nhạy rất nhỏ 10-10 Oe đang được sử dụng để đo sự thay đổi của từ trường nhỏ trong các hệ y sinh học [42] Cảm biến FG và cảm biến từ điện trở khổng lồ (cảm biến GMR) với độ nhạy khoảng 10-6

Oe được sử dụng để đo từ trường của trái đất Cảm biến Hall với độ nhạy thấp từ 1 đến 106

Oe được ứng dụng trong bộ nhớ từ không tiếp xúc và đo dòng điện Khi so sánh các loại cảm biến hiện tại, cảm biến GMR có giá thành thấp nhất, tổn hao nhỏ,

độ nhạy của cảm biến này khá nhỏ (cỡ 1-10 %/Oe) [102] Hiện nay việc kết hợp công nghệ cảm biến từ và các vật liệu từ kích thước nano mét đã mở ra một giải pháp mới trong các ứng dụng kỹ thuật, công nghiệp và y sinh nhằm chẩn đoán sớm

tế bào bệnh và phát hiện các phân tử sinh học [118] Trong những vật liệu từ kích thước nano mét ứng dụng nhiều trong y sinh, hạt nano ôxit sắt Fe3O4 đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học Các nghiên cứu cho thấy các hạt nano từ tính Fe3O4 có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực y sinh [36, 111, 118] Một trong những ứng dụng của hạt nano Fe3O4 đó là dẫn truyền thuốc Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định tại vị trí xác định trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuếch tán vào các vị trí mong muốn trong cơ thể Bên cạnh đó, hạt nano Fe3O4có thể làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ, tăng thân nhiệt cục bộ (dưới tác dụng của một nguồn từ trường xoay chiều) để tiêu diệt tế bào ung thư Tuy

nhiên hiện nay do những yêu cầu về an toàn y tế, các nghiên cứu điều trị bệnh bằng phương pháp đưa hạt nano từ tính Fe3O4 vào cơ thể người chưa được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn [36] Chính vì vậy những ứng dụng của hạt nano Fe3O4 ở bên ngoài cơ thể nhằm phát hiện tế bào bệnh hoặc các phân tử sinh học được ưu tiên (thông qua gắn kết đặc trưng giữa các hạt nano từ tính với các tế bào bệnh hoặc phân tử sinh học) Việc phát hiện sự tồn tại của các tế bào bệnh hoặc các phân tử sinh học dựa trên cơ sở phát hiện sự tồn tại của từ trường nhiễu loạn yếu do hệ hạt nano từ tính tạo ra bằng cảm biến từ Do đó cảm biến từ phải có độ nhạy cao và thuận tiện khi nó hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ phòng

Gần đây việc phát triển loại cảm biến từ tổng trở (cảm biến từ GMI) hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magneto-impedance effect: hiệu ứng GMI) đã và đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học Cảm biến từ GMI có độ nhạy rất cao tương đương độ nhạy của thiết bị SQUID và hoạt động ở nhiệt độ phòng [11, 83] Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) có bản chất là sự thay đổi lớn tổng trở Z của vật liệu từ mềm khi có dòng xoay chiều chạy qua, vật liệu được đặt trong một từ trường ngoài một chiều (DC) dọc theo vật dẫn Vật liệu được sử dụng và nghiên cứu là vật liệu từ vô định hình nền Co hoặc vật liệu từ nano tinh thể nền Fe [11] Thông thường, vật liệu từ nano tinh thể nền Fe được tạo thành

từ vật liệu vô định hình nền Fe, sau đó tiến hành ủ nhiệt đến nhiệt độ kết tinh, ở trạng thái kết tinh độ từ thẩm ngang của vật liệu từ mềm nền Fe sẽ được cải thiện,

do đó tỉ số GMI (gồm ΔR/R, ΔX/X, ΔZ/Z) sẽ tăng vọt Tuy nhiên khi ủ đến nhiệt độ kết tinh, tính chất cơ của vật liệu sẽ bị suy giảm mạnh [67] Bên cạnh vật liệu từ mềm nền Fe, vật liệu băng hoặc dây từ mềm nền Co có điểm ưu việt hơn, do đặc trưng thành phần các chất hóa học của vật liệu và quá trình chế tạo mẫu, tạo cấu trúc đômen ngang đặc biệt nên vật liệu từ mềm nền Co ở trạng thái vô định hình có tính chất cơ tốt hơn vật liệu từ nền Fe khi ở trạng thái kết tinh Vật liệu băng hoặc dây từ nền Co có cấu trúc đômen ngang đặc biệt, độ từ thẩm ngang cao nên tỉ số GMI có giá trị lớn [6, 120] Năm 2003, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Nguyễn Hoàng Nghị đã tiến hành nghiên cứu tính chất mẫu băng từ vô định hình nền Co được chế tạo theo phương pháp làm lạnh nhanh, độ nhạy từ trường của vật liệu băng

nền Co này làm thành phần chính của cảm biến đạt khoảng 1,22 mV/Oe với giá trị cực đại của tỉ số GMI đạt khoảng 50% tại tần số khoảng 18 MHz, trong từ trường kích thích một chiều khoảng 56 Oe [99] Năm 2007, Tiến sĩ Lê Anh Tuấn cùng các cộng sự đã cải thiện độ nhạy từ của cảm biến từ tổng trở trên vật liệu dây từ vô định hình nền Co, bằng cách sử dụng dây từ nền Co là thành phần chính của mạch cộng hưởng LC hoạt động trong dải tần số cao từ 100MHz đến 600 MHz Kết quả cải thiện tỉ số GMI trong nghiên cứu này đạt giá trị rất cao, khoảng 400000% tại tần số 518,51 MHz [7] Hiện nay việc kết hợp vật liệu băng (hoặc dây) từ mềm vô định hình nền Co với các hạt nano từ tính (Fe3O4) có thể tạo ra một hệ cảm biến sinh học

lý tưởng Thiết bị cảm biến sinh học đầu tiên dựa trên sự kết hợp hiệu ứng từ tổng trở (GMI) và các hạt nano từ tính được đề xuất và chế tạo bởi Kurlyskaya và các cộng sự vào năm 2003 [41] Ngoài ra, với việc sử dụng các mẫu băng hoặc dây vô định hình nền Co kích thước micro mét, Chiriac cùng các cộng sự cũng đã thiết kế thành công thiết bị cảm biến GMI, cho phép phát hiện các phân tử sinh học (ví dụ: DNA, RNA, kháng thể, …) liên kết với các hạt nano từ tính [50] Cảm biến từ GMI

đã thể hiện khả năng phát hiện các tế bào ung thư và các phân tử sinh học thông qua việc chức năng hóa bề mặt của các hạt nano từ tính với các phân tử hữu cơ, tạo điều kiện cho các tế bào gây bệnh và các phân tử sinh học kết nối với các hạt nano từ (ví dụ: kết hợp các hạt nano Fe3O4 với Alginate (Alg) và Curcumin (Cur)) theo quy tắc bắt cặp kháng nguyên kháng thể [57]) Những nghiên cứu gần đây về cảm biến từ tổng trở (GMI) chủ yếu tập trung trong dải từ trường tần số thấp (khoảng dưới 20 MHz trở xuống), trong dải tần số này tỉ số GMI thường có giá trị cao cỡ vài trăm phần trăm, và có xu hướng bị giảm xuống nếu tần số đo tăng dần Tuy nhiên ở tần

số cao (khoảng trên 100 MHz) do ảnh hưởng của dòng xoáy xuất hiện bên trong vật dẫn nên độ thấm sâu bề mặt bị giảm mạnh, hiệu ứng GMI chủ yếu xảy ra trên bề mặt với giá trị tỉ số GMI khá lớn nên độ nhạy từ của cảm biến có giá trị đáng kể [82] Để cải thiện giá trị tỉ số GMI hoặc độ nhạy từ của vật liệu băng và dây từ mềm

vô định hình trong dải tần số cao, vật liệu có thể được ủ ở nhiệt độ và thời gian thích hợp để giảm ứng suất dư do quá trình chế tạo mẫu hình thành, đồng thời sẽ duy trì trạng thái vô định hình của hệ vật liệu [68, 70, 83, 105] Trong nghiên cứu

này chúng tôi tiến hành cải thiện tính chất từ mềm, nâng cao độ nhạy từ của vật liệu băng và dây từ mềm vô định hình nền Co trong dải tần số cao từ 100 -1000 MHz bằng cách ủ nhiệt vật liệu trong điều kiện nhiệt độ và thời gian thích hợp Độ nhạy của cảm biến từ sử dụng vật liệu băng hoặc dây từ nền Co làm thành phần chính sẽ được minh chứng bởi khả năng phát hiện từ trường do nguồn từ trường nhiễu loạn yếu tạo ra Trong đó, hệ hạt nano từ tính ôxit sắt từ Fe3O4 là mẫu nguồn từ trường

để tạo ra từ trường nhiễu loạn yếu đó Trên cơ sở tính chất từ đặc biệt của vật liệu băng từ và dây từ vô định hình nền Co (đặc tính từ mềm và dị hướng từ) cùng với tính chất siêu thuận từ của các hạt nano từ tính Fe3O4 và tính cấp thiết ứng dụng thực tiễn trong việc chế tạo cảm biến phát hiện từ trường yếu ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật, công nghiệp và y sinh, tôi đã lựa chọn và thực hiện đề tài luận án:

“Nghiên cứu tính chất của băng và dây vô định hình từ mềm nền Coban nhằm ứng dụng làm cảm biến từ tổng trở (GMI) đo từ trường yếu của các hạt nano từ”

 Mục tiêu của luận án

 Nghiên cứu tính chất của hệ vật liệu vô định hình dạng băng và dây nền Fe, Co trong dải tần số cao từ 100 MHz đến 1000 MHz Trên cơ sở đó lựa chọn vật liệu băng từ có thành phần (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 được chế tạo theo phương pháp trống quay làm lạnh nhanh (melt-spinning) và vật liệu dây từ vô định hình nền Co

có công thức thành phần Co68,2Fe4,3B15Si12,5 được chế tạo theo phương pháp rút nhanh từ thể lỏng (Melt-Extraction) Dựa trên cơ sở kết quả nghiên cứu trước đây

về tính chất chung của hệ vật liệu băng và dây từ vô định hình nền Co và nền Fe ở trong dải tần số thấp dưới 13 MHz sẽ tiến hành mở rộng phạm vi nghiên cứu các hệ vật liệu trên trong dải tần số cao từ 100 - 1000 MHz Các hệ vật liệu sẽ được cải thiện tính chất từ mềm, nâng cao tỉ số GMI và tăng độ nhạy từ trường thấp bằng

phương pháp ủ nhiệt trong thời gian ngắn và nhiệt độ không cao

 Xác định điều kiện hoạt động tốt nhất (từ trường một chiều kích thích

và tần số đo) cho cảm biến từ tổng trở (cảm biến GMI) sử dụng băng từ và dây từ nền Colàm thành phần chính để phát hiện từ trường nhiễu loạn yếu do các hạt nano

Fe3O4 tạo ra ở khoảng cách xác định Trên cơ sở đó dùng cảm biến từ GMI trên xác định từ trường nhiễu loạn yếu do hệ hạt nano từ tính Fe3O4 tạo ra bằng phương

pháp hồi qui tuyến tính

 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phương pháp tính toán

 Khảo sát các đặc trưng cấu trúc, tính chất của mẫu băng và dây vô định hình bằng các thiết bị: nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), phổ tán sắc năng lượng (EDS), từ kế mẫu rung (VSM)

 Khảo sát hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI dùng thiết bị: HP 4191A,

sử dụng cuộn Hemholt tạo từ trường trong khoảng từ -120 Oe đến +120 Oe Sử dụng dòng điện xoay chiều có tần số cao biến thiên liên tục từ 100 MHz đến 1000 MHz

 Thực nghiệm chế tạo mẫu hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy từ tiền chất hữu cơ Khảo sát đo đạc các đặc trưng, tính chất cấu trúc, tính chất hình dạng và tính chất từ của hệ hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 đã chế tạo bằng các phép đo : XRD, TEM, VSM, PPMS

 Dùng cảm biến từ GMI với thành phần chính là băng và dây từ vô định hình nền Co, kết hợp phương pháp hồi qui tuyến tính để xác định từ trường yếu của hệ hạt nano từ tính Fe3O4 với các khối lượng khác nhau trong dải tần số cao

từ 100 - 1000 MHz

 Cách tiếp cận trong quá trình nghiên cứu:

Vận dụng hợp lý các kết quả nghiên cứu, các kết quả thực nghiệm đã công bố của các tác giả khác để tiến hành thực nghiệm, phân tích đánh giá kết quả thu được

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa trong việc định hướng cho sự phát triển cảm biến từ trên nền vật liệu băng từ hoặc dây từ vô định hình nền Co để phát hiện từ trường yếu nhằm ứng dụng trong kỹ thuật, công nghiệp và y sinh

 Đóng góp mới của luận án

 Luận án đã tiến hành cải thiện được tính chất từ mềm và tăng độ nhạy cho vật liệu băng (dây) từ mềm vô định hình nềnCo hoạt động trong dải tần số cao

từ 100 MHz  1000 MHz bằng phương pháp ủ nhiệt thông thường

 Xác định được điều kiện kích thích thích hợp (gồm từ trường một chiều và tần số dòng điện xoay chiều) để tăng độ nhạy của cảm biến từ GMI sử dụng băng và dây từ vô định hình nền Co trong dải tần số từ 1001000 MHz

 Sử dụng cảm biến từ GMI dùng dây từ mềm vô định hình nền Co để xác định được từ trường yếu của hạt nano Fe3O4

 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận án được chia thành

04 chương chính với nội dung cụ thể các chương như sau:

Chương 1 Tổng quan

 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (hiệu ứng GMI):

Nghiên cứu về bản chất của hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI), sự phụ thuộc giá trị biến thiên tổng trở (giá trị tỉ số GMI) của vật dẫn từ theo: độ thấm sâu,

từ trường kích thích một chiều, cường độ dòng điện xoay chiều, tần số của dòng điện xoay chiều, nhiệt độ đo, cấu hình vật liệu (chiều dài, độ dày, độ nhám bề mặt)

và quá trình ủ mẫu Đặc biệt nghiên cứu đã xác định được thành phần thực của tổng trở (R) là yếu tố đóng góp chính đến sự thay đổi tổng trở (Z) xảy ra trên lớp bề mặt của vật liệu băng và dây sắt từ mềm trong dải tần số cao từ 1001000 MHz

 Vật liệu băng và dây từ mềm vô định hình:

Nghiên cứu tính chất từ (cấu trúc đômen, tính chất từ trễ, độ từ thẩm), tính chất cơ, tính chất điện, ứng dụng của vật liệu băng và dây sắt từ mềm vô định hình

 Về vật liệu từ Fe3O4:

Nghiên cứu về tính chất cấu trúc, tính chất từ (đômen từ, dị hướng từ), tương tác từ, hiệu ứng kích thước, hiệu ứng bề mặt, ứng dụng và các phương pháp chế tạo của hạt nano từ tính ôxít sắt từ Fe3O4

Chương 2 Thực nghiệm

 Phương pháp chế tạo vật liệu băng từ và dây từ mềm vô định hình

 Nghiên cứu khả năng cải thiện tính chất từ mềm của vật liệu băng từ

và dây từ mềm vô định hình chứa Co

 Chế tạo hạt nano ôxit sắt từ Fe3O4 bằng phương pháp phân hủy từ tiền chất hữu cơ

 Khảo sát độ nhạy từ trường của vật liệu dạng băng (dây) nền Co, xác định từ trường yếu của hệ hạt nano Fe3O4

 Các phép đo sử dụng các hệ mẫu băng từ, dây từ mềm vô định hình và

hệ hạt nano từ tính ôxit sắt từ Fe3O4

Chương 3 Cải thiện tính chất từ mềm của vật liệu vô định hình dạng băng và dây chứa Coban bằng phương pháp ủ nhiệt

Nghiên cứu khảo sát sự phụ thuộc của tính chất cấu trúc, hình thái, tính chất

từ, tính chất từ tổng trở, độ nhạy từ của vật liệu vô định hình dạng băng (hoặc dây) chứa Co theo nhiệt độ ủ và từ trường một chiều trong dải tần số từ 1001000 MHz

Từ đó nghiên cứu xác định được điều kiện nhiệt độ ủ, từ trường một chiều thích hợp

để nâng cao độ nhạy từ của vật liệu băng và dây từ trong dải tần số cao từ 100

1000 MHz và lựa chọn vật liệu làm thành phần chính của cảm biến từ GMI đo từ trường yếu

Chương 4 Nghiên cứu khả năng phát hiện từ trường yếu tạo ra bởi hệ hạt

nano từ tính Fe3O4 bằng cảm biến từ tổng trở sử dụng băng từ và dây từ nền Co làm thành phần chính

 Tiến hành nghiên cứu tính chất cấu trúc, kích thước, hình thái, tính chất từ, của hệ hạt nano từ tính Fe3O4 đã được chế tạo theo phương pháp phân hủy

từ tiến chất hữu cơ

 Sử dụng vật liệu băng từ (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 và dây từ

Co68,2Fe4,3B15Si12,5 đã được ủ nhiệt, có độ nhạy tốt nhất để làm thành phần chính của cảm biến từ phát hiện từ trường yếu của hệ hạt nano từ tính Fe3O4.

 Sử dụng cảm biến GMI dùng dây từ Co68,2Fe4,3B15Si12,5 làm thành phần chính để đo từ trường yếu do hệ hạt nano từ tính Fe3O4 tạo ra Giá trị của từ trường yếu được xác định cụ thể theo khối lượng của hệ hạt nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp hồi qui tuyến tính

Kết luận chung

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến từ tổng trở (cảm biến GMI) để xác định

từ trường nhiễu loạn yếu dựa vào hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) xảy

ra trên các họ vật liệu băng và dây từ nền Fe hoặc Co Trong chương này chúng tôi tìm hiểu hiệu ứng GMI, nghiên cứu các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI Đặc biệt trên cơ sở lý thuyết về sự ảnh hưởng của tần số dòng điện xoay chiều trên vật liệu sắt từ mềm vô định hình nền Fe, Co xác định các yếu tố chính đóng góp đến

sự thay đổi của tổng trở, giá trị của tỉ số GMI, độ nhạy từ của vật liệu trong dải tần

số cao từ 100 - 1000 MHz Kết hợp với nghiên cứu tổng quan về vật liệu ôxit sắt từ, chúng tôi chọn vật liệu phù hợp cho nghiên cứu trong luận án này

1.1 HIỆU ỨNG TỪ TRỞ KHỔNG LỔ (HIỆU ỨNG GMI)

1.1.1 Hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI)

Xét một vật dẫn sắt từ đặt trong từ trường một chiều HDC, khi một dòng điện xoay chiều iac có cường độ nhỏ chạy qua một vật dẫn sắt từ, tổng trở (Z) của vật dẫn

sẽ thay đổi Hình 1.1 là sơ đồ đo tổng trở của vật dẫn từ tính mang dòng điện xoay chiều dưới tác dụng của từ trường một chiều HDC [83]

Hình 1.1 Sơ đồ đo từ tổng trở của vật dẫn

Hiệu ứng từ trở khổng lồ (hiệu ứng GMI) được định nghĩa là sự thay đổi lớn tổng trở của vật dẫn khi có dòng điện xoay chiều cường độ nhỏ chạy qua, trong từ trường một chiều đặt dọc theo vật dẫn

Tổng trở Z (H) của vật dẫn được xác định :

Đối với vật liệu sắt từ có hình dạng các xác định, L là chiều dài và q tiết diện của

vật dẫn:

Đối với vật dẫn hình trụ và vật dẫn phẳng vô hạn tổng trở được tính theo công thức (1.7) và 1.8) tương ứng [71, 75, 101] :

Z  R ktJ ktdc o( ) / 2 ( ) J kt1 (1.9)

Z  Rdc jka coth( jka ) (1.10)

Trong đó: t là bán kính của dây, 2a là độ dày của băng, Rdc là giá trị điện trở một chiều của mẫu; k là hệ số phụ thuộc độ thấm sâu theo công thức:

k  (1 j) /m

(1.11) với j là thành phần phức; δm là giá trị độ thấm sâu của vật liệu trong từ trường,

Jo(kt) và J1(kt) là các giá trị ứng với   0 và   1 của hàm số Bessel:

m

T

c f

dưới tác dụng của từ trường một chiều HDC thể hiện hình 1.2

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của độ thấm sâu (δ m ) và độ từ thẩm tròn (ngang)µ T (a) vào từ trường ngoài (H DC ) của mẫu dây từ (b) và băng từ (c) [83]

Khi HDC tăng dần, độ thấm sâu theo từ trường sẽ tăng dần Các mômen từ trong lõi vật liệu định hướng dọc theo từ trường nên độ từ thẩm hiệu dụng sẽ bị suy

giảm Để nhận được giá trị GMI lớn, cần phải giảm độ sâu (δm) bề mặt của vật dẫn, vật liệu từ có độ từ thẩm tròn  (đối với mẫu dây) hoặc độ từ thẩm ngang µT (đối

với mẫu băng) lớn và RDC phải nhỏ Sự biến thiên của δm theo từ trường ngoài theo

µϕ (hoặc µT) sẽ thay đổi giá trị R và X, dẫn đến sự thay đổi Z Sự thay đổi của thành phần thực R và thành phần phức X của tổng trở Z phụ thuộc từ trường ngoài HDC

L và sự thay đổi của Z Do đó sự thay đổi của R và X sẽ đóng góp vào sự thay đổi

của tổng trở của vật liệu [13]

1.1.3 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo tần số của dòng điện xoay chiều

Đối với vật liệu băng và dây từ vô định hình nền Co và nền Fe, sự ảnh hưởng của giá trị tần số của dòng điện xoay chiều trên cả hai họ vật liệu có tính tương đồng Trong các dải tần số đo khác nhau sự ảnh hưởng của các yếu tố như: sự

di chuyển của vách đômen, sự quay của các mômen từ đóng góp đến sự thay đổi của tổng trở sẽ khác nhau Trong dải tần số thấp từ 1 10 kHz, khi độ thấm sâu bề mặt lớn hơn một nửa độ dày của mẫu, nguồn gốc của hiệu ứng GMI do ảnh hưởng của hiệu ứng cảm ứng điện từ và quá trình từ hóa theo phương ngang xảy ra trên vật liệu nên sự thay đổi của thành phần phức (X) sẽ đóng góp chính vào sự thay đối của tổng trở (Z)

Trong dải tần số 10 100 kHz đến 110 MHz nguồn gốc hiệu ứng GMI chịu ảnh hưởng bởi độ thấm sâu bề mặt δm , sự thay đổi lớn của độ từ thẩm ngang phụ thuộc vào sự dịch chuyển của vách đômen và sự quay của véc tơ từ hóa trong từ trường một chiều DC Do đó đóng góp chính đến sự thay đổi của tổng trở Z trong dải tần số này do sự biến thiên của cả hai thành phần thực (R) và thành phần ảo (X) [11]

Trong dải tần số cao cỡ MHz từ 110 MHz đến 1001000 MHz: hiệu ứng GMI chủ yếu xảy ra trên bề mặt của vật liệu Trong dải tần số này sự dịch chuyển của vách đômen bị dập tắt, do đó sự quay của vec tơ từ hóa sẽ đóng góp chính vào

sự thay đổi của độ từ thẩm theo từ trường ngoài Trong dải tần số cao từ 100-1000 MHz, do ảnh hưởng của dòng xoáy nên hiệu ứng từ trở khổng lồ sẽ xảy ra mạnh trên bề mặt của vật liệu Do đó trong dải tần số này ta cần lựa chọn vật liệu có độ từ thẩm ngang trên bề mặt Để có vật liệu có độ từ thẩm ngang cao, sự có mặt của Co có độ từ giảo âm trong thành phần vật liệu sẽ được ưu tiên để tăng từ trường dị hướng theo phương ngang trên bề mặt của vật liệu Để đánh giá về độ mạnh yếu của hiệu ứng từ trở khổng lồ đối với hệ vật liệu băng hoặc dây từ chứa Co, chúng ta cần xét đến giá trị của tỉ số độ biến thiên của tổng trở (ΔZ/Z(%)), bao gồm giá trị độ biến thiên của tỉ số của phần thực ΔR/R(%) và phần ảo ΔX/X(%) Tuy nhiên khi xét trong dải tần số cao từ 100-1000 MHz, sự đóng góp của độ biến thiên của phần thực ΔR/R(%) hay phần ảo ΔX/X(%) sẽ chiếm ưu thế? Năm 2016 O Thiabgoh cùng các cộng sự đã chỉ ra rằng: với vật liệu dây từ vô định hình Co69,25Fe4,25Si13B13,5 đường kính 49 µm, chiều dài 50 mm tồn tại cấu trúc đômen tròn ngoài lớp vỏ, độ rộng của vách đômen đạt khoảng 1028 nm, khi nghiên cứu ở dải tần số cao từ

1001000 MHz bằng thiết bị HP 4191A, trong từ trường một chiều kích thích đạt

cực đại 110 Oe, độ biến thiên thành phần thực tổng trở (R) sẽ đóng góp chính đến

độ biến thiên của tổng trở (Z) [107] Hình 3.1 biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu ứng

GMI theo từ trường HDC tại các tần số khác nhau mẫu dây vô định hình

Co69,25Fe4,25Si13B13,5 Dựa vào hình 1.3 và bảng số liệu 3.1 ta thấy: Khi tần số thấp

cỡ 20 MHz, độ lớn của giá trị ΔX/X (%) xấp xỉ giá trị ΔZ/Z (%) Khi tần số tăng từ

100 MHz trở lên, giá trị của ΔX/X (%) giảm xuống rõ rệt do tác dụng của dòng xoáy, những đóng góp của sự quay của đômen từ giảm mạnh Tại tần số trên 100 MHz, giá trị tỉ số ΔZ/Z (%) được quy định bởi sự đóng góp đáng kể của độ biến

thiên ΔR/R (%).Như vậy với vật liệu từ mềm vô định hình nền Fe và Co, khi

nghiên cứu hiệu ứng GMI trong dải tần số cao từ 100 - 1000 MHz, sự đóng góp của

độ biến thiên của ΔR/R (%) đến độ biến thiên của tổng trở ΔZ/Z(%)), chiếm ưu thế hơn thành phần ΔX/X (%) Do ảnh hưởng bởi dòng xoáy xuất hiện trong lõi vật liệu nên ở trong dải tần số cao từ 1001000 MHz, hiệu ứng GMI trên bề mặt xảy ra rất mạnh được thể hiện bởi sự thay đổi của giá trị tỉ số ΔR/R (%) [11]

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của độ biến thiên ΔR/R(%), ΔX/X(%) , ΔZ/Z(%) theo từ

trường của dây từ Co 69,25 Fe 4,25 Si 13 B 13,5 chưa ủ và đã ủ nhiệt trong 20 phút ở các tần

số 20 MHz (a-c), 100 MHz (d-e) và 300 MHz (g-i) [110]

Để cải thiện tính chất từ mềm nhằm nâng cao độ nhạy từ của vật liệu băng hoặc dây từ nền Co thì phương pháp xử lý nhiệt thông thường sẽ được ưu tiên sử

dụng bởi đây là phương pháp đơn giản và đem lại hiệu quả cao Điều này có nghĩa khi xử lý nhiệt trong thời gian hợp lý, tỉ số GMI của vật liệu sẽ được cải thiện rõ rệt thể hiện bằng sự biến thiên của thành phần thực (R) trong dải tần số cao từ

1001000 MHz [34] Đối với hệ vật liệu vô định hình nền Co và nano tinh thể nền

Fe, khi tần số tăng lên cao từ 1001000 MHz, do sự quay của đômen từ không theo kịp sự đổi chiều của từ trường ngoài Dưới tác dụng của dòng xoáy xuất hiện trong lõi vật dẫn, sẽ ngăn cản sự dịch chuyển của vách đômen nên các vách đômen coi như bị “ghim chặt” (không quay theo từ trường ngoài) Điều này có nghĩa dưới ảnh hưởng của tần số cao của dòng điện xoay chiều sự quay của các mômen từ lớp vỏ ngoài của vật dẫn đóng góp chính vào sự thay đổi tổng trở Z của vật dẫn

Bảng 1.1: Bảng giá trị cực đại gần đúng của độ biến thiên ΔR/R (%), ΔX/X (%) ,

ΔZ/Z (%) theo từ trường của dây từ Co69,25Fe4,25Si13B13,5 chưa ủ và đã ủ nhiệt trong

20 phút ở các tần số 20 MHz (a-c), 100 MHz (d-e) và 300 MHz (g-i) [110]

ΔR/R(%)

ΔZ/Z(%)

ΔX/X(%)

ΔR/R(%)

ΔZ/Z(%)

ΔX/X(%)

ΔR/R(%)

ΔZ/Z(%)Chưa ủ

C trong thời gian 1 giờ được Hệ mẫu được cung cấp bởi Khoa Vật lý Đại học Nam Florida Điều này đã được đề cập trong tài liệu số 7 phần danh mục các công trình nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành ở dải tần số từ 1001000 MHz Sự phụ thuộc của tỉ số GMI ( gồm tỉ số ΔR/R, ΔX/X,

và ΔZ/Z ) theo từ trường kích thích HDC được thể hiện trên hình 3.2 (a)-(f), ở các tần

số 100, 400, và 900 MHz Vật liệu băng từ vô định hình (Fe50Ni50)81Nb7B12 sau khi được phủ Co và xử lý nhiệt đã bị kết tinh và trở thành băng tinh thể nano, các nguyên tử Co đã vào phân mạng của FeNi tại lớp tiếp xúc với băng từ nền Fe, trên

bề mặt vật liệu hình thành các hạt nhỏ kích thước nano mét Với việc phủ lớp Co lên bề mặt vật liệu băng từ mềm (Fe50Ni50)81Nb7B12 làm xuất hiện cấu trúc đômen theo phương ngang trên bề mặt vật liệu, tỉ số GMI và độ nhạy từ trường của vật liệu được cải thiện đã minh chứng cho điều đó Kết quả nghiên cứu về vai trò của Co trên bề mặt của vật liệu đã được minh chứng cụ thể trong các nghiên cứu trước đây

ở dải tần số thấp dưới 100 MHz [34, 80, 98,138] Trong cả dải tần số từ 100 - 400 MHz, giá trị tỉ số GMI đã tăng nhẹ khi phủ lớp Co lên hai mặt của băng từ nền Fe

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của tỉ số ΔR/R (a), ΔX/X (b), và ΔZ/Z (c) theo từ trường

kích thích H DC tại các tần số 100 MHz, 400 MHz, 900 MHz và giá trị cực đại của tỉ

số ΔR/R(d) , ΔX/X (e), và ΔZ/Z (f) trong dải tần số từ 100 - 1000 MHz của mẫu không phủ (không tô đậm) và đã được phủ Co (tô đậm) của vật liệu (Fe 50 Ni 50 ) 81 Nb 7 B 12 được phủ lớp Co

Trong cả dải tần số khảo sát từ 100 -1000 MHz, giá trị tỉ số phần trăm độ

biến thiên cực đại của phần thực R (hay ΔR/R) đạt giá trị lớn hơn nhiều so với giá

trị của phần ảo (hay ΔX/X) Giá trị [ΔR/R] max và [ΔZ/Z]max của mẫu được phủ Co lớn hơn so với mẫu không phủ lớp Co lên bề mặt Trong dải tần số từ 100 - 400 MHz giá trị của [ΔR/R]max và [ΔZ/Z]max chênh lệch không lớn và cùng có xu hướng giảm dần khi tăng tần số Điều này được thể hiện trong bảng 3.2 Kết quả này cho thấy, trong dải tần số cao từ 1001000 MHz, đối với vật liệu băng từ mềm xuất hiện cấu trúc đômen ngang ở lớp vỏ vật liệu, giá trị tỉ số ΔZ/Z(%) sẽ được qui định bởi tỉ số ΔR/R(%) Tại giá trị từ trường kích thích HDC ≈ HK, giá trị tỉ số GMI theo

từ trường đạt giá trị lớn nhất khi độ từ thẩm ngang µT đạt giá trị cực đại [11, 83, 132]

Bảng 1.2: Bảng giá trị của độ biến thiên cực đại R (ΔR/R(%)); X (ΔX/X(%))

và Z (ΔZ/Z(%)) của mẫu băng từ vô định hình nền Fe trong dải tần số cao ở tần số

ΔR/R(%)

ΔZ/Z(%)

ΔX/X(%)

ΔR/R(%)

ΔZ/Z(%)

ΔX/X(%)

ΔR/R(%)

ΔZ/Z(%)Không phủ

phủ và có phủ Co Việc phủ lớp Co lên bề mặt của băng từ vô định hình nền Fe đã nâng cao dị hướng từ (Hk) tại tần số cao hơn 100 MHz Bên cạnh đó, hình 1.5 (a-c)

đã thể hiện: khi tần số lớn hơn 100 MHz, sự chênh lệch giá trị từ trường dị hướng của mẫu băng từ nền Fe không phủ và đã phủ lớp Co càng rõ nét [129] Trong dải tần số cao từ 100 - 1000 MHz, bằng cách phủ lớp Co lên lớp vỏ ngoài vật liệu băng

từ (Fe50Ni50)81Nb7B12 nghiên cứu đã chỉ rõ: hiệu ứng GMI xảy ra lớp vỏ ngoài vật liệu chiếm ưu thế hơn trong lõi; việc xuất hiện vật liệu Co có trong vật liệu giúp hình thành cấu trúc đômen ngang lớp vỏ ngoài, đóng vai trò quan trọng để nâng cao hiệu ứng GMI

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của từ trường dị hướng H k theo tần số đo được

xác định dựa vào đỉnh của các đường cong ΔR/R (a), ΔX/X (b), ΔZ/Z (c)

theo từ trường một chiều H DC

Như vậy ở trong dải tần số từ 100-1000 MHz, đối với vật liệu từ dạng băng hoặc dây nói chung sự đóng góp của thành phần thực R đến độ biến thiên của tổng trở Z chiếm ưu thế hơn thành phần ảo X Hiệu ứng từ tổng trở chủ yếu xảy ra ở trên

bề mặt của vật liệu Đồng thời sự có mặt của Co có hệ số từ giảo (S < 0) âm trong thành phần sẽ nâng cao giá trị của từ trường dị hướng và giá trị của tỉ số GMI trong

dải tần số này Trong nghiên cứu này chúng tôi sẽ tâp trung nghiên cứu hai hệ vật liệu dạng băng nền Co (Co0,95Fe0,05)89Zr7B4 và dạng dây nền Co (Co68,2Fe4,3B15Si12,5) có cấu trúc đômen sẵn có tính chất từ mềm và giá trị tỉ số GMI

sẽ thay đổi lớn trong dải tần số cao từ 100-1000 MHz khi tiến hành ủ mẫu theo phương pháp ủ nhiệt thông thường ở điều kiện nhiệt độ lên đến khoảng 500oC trong thời gian 15 phút

Khi tần số cao từ vài GHz trở lên: hiệu ứng GMI liên quan đến hiệu ứng từ hồi chuyển và cộng hưởng sắt từ của vật liệu Ở đây sự quay của các véc tơ từ hóa ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hiệu ứng từ hồi chuyển Sự thay đổi mạnh mẽ của thành phần phức (X) của tổng trở được đóng góp bởi hiệu ứng cộng hưởng sắt từ (ferromagnetic resonance: FMR)[123] Giữa hiệu ứng GMI và cộng hưởng sắt từ FMR có liên quan chặt chẽ Thực tế trong dải tần số cao, giá trị của từ độ bão hòa của vật liệu có liên quan đến sự biến thiên của tần số cộng hưởng sắt từ theo từ trường ngoài theo công thức [11]:

2 90.805 10 o s

df M

dH



  (1.17) trong đó:

Ms: Từ độ bão hòa của vật dẫn

H: Từ trường đặt vào

o

f : tần số cộng hưởng sắt từ

Trong dải tần số này, sự chuyển vách đômen bị dập tắt mạnh mẽ Sự quay của véc tơ từ hóa đóng góp đáng kể đến sự thay đổi của cảm kháng và độ từ thẩm của vật liệu trong từ trường ngoài

1.1.4 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo cường độ dòng điện xoay chiều

Khi một dòng điện xoay chiều chạy dọc theo chiều dài của mẫu băng hoặc dây từ, sẽ xảy ra quá trình từ hóa vât liệu theo phương chu vi (đối với dây), và phương ngang (đối với băng) Quá trình từ hóa dưới tác dụng của từ trường dòng điện xoay chiều, sẽ định hướng các mômen từ xoay theo phương ngang vuông góc với chiều dài của vật liệu, cải thiện độ từ thẩm ngang của vật liệu, gây ra sự thay đổi của Z Điều đó có nghĩa sự thay đổi từ tổng trở có liên quan đến quá trình từ hóa bởi

từ trường xoay chiều Hac [27] Trong trường hợp dây từ và băng từ vô định hình nền

Co, với dòng điện có cường độ nhỏ, đường cong GMI có dạng bị tách đỉnh (DP) do

sự di chuyển thuận nghịch của vách đômen Khi cường độ dòng điện cao, sự dịch chuyển thuận nghịch của vách đômen xảy ra dễ dàng hơn dẫn đến sự thay đổi dạng đường cong GMI từ đôi đỉnh sang dạng đơn đỉnh (SP) [27, 83]

1.1.5 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo từ trường một chiều

Tại một tần số xác định, sự thay đổi từ trường một chiều sẽ tạo ra sự thay đổi

độ từ thẩm tròn hoặc độ từ thẩm ngang Để tăng được hiệu ứng GMI thì độ từ thẩm theo phương ngang (ứng với băng từ) hoặc theo phương chu vi ứng với dây phải tăng dần

Khi đặt từ trường một chiều HDC dọc theo vật liệu dây hoặc băng vô định

hình, với HDC ≤ HK (với HK là từ trường dị hướng), từ trường một chiều HDC có tác

dụng giảm từ trường dị hướng HK Khi từ trường xoay chiều HDC tăng dần không

vượt quá HK, dưới tác dụng của từ trường xoay chiều HAC các mômen từ sẽ dịch chuyển hoặc quay theo phương ngang dễ dàng hơn, làm tăng độ từ thẩm theo phương ngang nên giá trị tỉ số GMI có xu hướng tăng dần Do vậy từ trường xoay

chiều HAC chiếm ưu thế và đóng góp lớn nhất vào sự thay đổi của độ từ thẩm ngang

và từ tổng trở của vật liệu Quá trình dịch chuyển của vách đômen và các mômen từ theo từ trường xoay chiều diễn ra mạnh nhất nên độ từ thẩm ngang có giá trị lớn nhất Do đó giá trị tỉ số GMI của vật liệu đạt giá trị lớn nhất khi từ trường một chiều kích thích trong khoảng HK [108]

Khi HDC > HK: HDC vượt quá từ trường dị hướng nên các mômen từ sẽ dần định hướng đồng loạt theo từ trường HDC, sự biến đổi độ từ thẩm ngang xảy ra không mạnh [10]. Điều này có nghĩa sự biến độ từ thẩm ngang của vật liệu bị giảm mạnh, khi đó hiệu ứng GMI có xu hướng giảm dần

1.1.6 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo nhiệt độ đo

Nhiệt độ đo là yếu tố cần thiết và quan trọng ảnh hưởng lớn đến giá trị của tỉ

số GMI Giá trị tỉ số GMI sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và đạt giá trị cực đại gần giá trị

nhiệt độ Curie (TC) của vật liệu, sau đó giảm ở nhiệt độ cao hơn Sự giảm của tỉ số phần trăm trở kháng ở trên nhiệt độ Curie được cho là do sự định hướng hỗn độn

của các mômen từ trong vật liệu, tại khoảng nhiệt độ này vật liệu mất tính chất sắt

từ và chuyển sang trạng thái thuận từ [107] Ở dưới nhiệt độ Curie, năng lượng trao đổi giữa các mômen từ tăng khi nhiệt độ giảm dần Do đó sự dịch chuyển của mômen từ theo phương chu vi sẽ gặp khó khăn ở nhiệt độ thấp (được biết đến như hiện tượng đóng băng đômen), kết quả là độ từ thẩm tròn thấp và giá trị GMI nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên (dưới nhiệt độ Curie) sự đóng băng các đômen bị phá vỡ, các đômen có thể dịch chuyển dễ dàng dưới tác dụng của từ trường xoay chiều Vì thế

hiệu ứng GMI tăng lên theo nhiệt độ khi T < TC Vì các vật liệu dây và băng từ nền

Co có nhiệt độ Curie cao trên nhiệt độ phòng, các cảm biến GMI hoạt động ổn định

ở điều kiện thường và có độ nhạy lớn nhất khi đo ở khoảng nhiệt độ từ 300 K - 400

K [106]

1.1.7 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo cấu hình vật liệu dạng băng và dây

 Sự phụ thuộc chiều dài

Khi chiều dài của dây giảm, lực kháng từ sẽ tăng, độ từ thẩm giảm, do đó giá trị tỉ số GMI cũng giảm xuống, điều này do sự đóng góp của trường khử từ tạo bởi quá trình hình thành cấu trúc đômen từ khép kín tại đầu và cuối của dây từ hoặc băng từ Cấu trúc đômen bị thay đổi đáng kể khi thay đổi chiều dài của mẫu Đồng thời độ nhạy của GMI bị giảm do ảnh hưởng của hiệu ứng chiều dài giới hạn Tuy nhiên gần đây các nghiên cứu về mẫu dây vô định hình nền Co đã chỉ ra rằng: khi

đo tín hiệu GMI tại tần số 10 MHz, tỉ số GMI tăng rất mạnh trên 200% khi chiều dài dây bị thay đổi Kết quả này được giải thích do sự giảm của tổng trở từ 19,7 Ω đến 3,1 Ω khi giảm chiều dài xuống 1 mm [9,83] Do vậy để tỉ số GMI lớn thì việc chọn lựa kích thước vật liệu thích hợp để ứng dụng thực tế có ý nghĩa quan trọng trong việc chế tạo cảm biến từ có độ nhạy cao và kích thước nhỏ

 Sự phụ thuộc độ dày của mẫu

Những nghiên cứu về sự phụ thuộc của tín hiệu GMI đến độ dày của vật liệu dây từ vô định hình, màng đa lớp, băng từ vô định hình thu được kết quả có tính hệ thống [11,83] Giá trị tỉ số phần trăm GMI đạt giá trị cao nhất đối với mẫu có đường kính xác định ứng với từng loại vật liệu Ngoài ra do hiệu ứng bề mặt, giá trị cực đại

GMI bị thay đổi mạnh mẽ ở dải tần số thấp Sự tăng của hiệu ứng GMI chính là sự thay đổi cấu trúc đômen theo chiều dọc bên trong lõi và cấu trúc đômen tròn của lớp

vỏ ngoài Tỉ số GMI tăng khi độ dày của vùng dẫn tăng Mặt khác để giảm công suất tổn hao xoáy phụ thuộc bản chất và hình dạng vật liệu Vật liệu dây từ và băng

từ cần có đường kính nhỏ và độ mỏng thích hợp sao cho lực kháng từ của vật liệu

có giá trị nhỏ [72,73]

 Sự phụ thuộc tính chất bề mặt của mẫu

Trong trường hợp hiệu ứng bề mặt lớn, vai trò của độ nhám của bề mặt trở nên quan trọng Do ảnh hưởng bởi từ trường nhiễu xuất hiện trên bề mặt nhám là nguyên nhân làm giảm đáng kể độ lớn của tỉ số GMI [43] Tỉ số GMI giảm mạnh khi độ nhám của mẫu tăng mạnh Ở trong vùng tần số cao, hình thái bề mặt của băng (hoặc dây) từ vô định hình thường được xử lý trước khi ứng dụng làm cảm biến từ Chất lượng bề mặt của mẫu ảnh hưởng rất lớn đến giá trị GMI cũng như độ nhạy của cảm biến [105]

1.1.8 Hiệu ứng từ trở khổng lồ phụ thuộc theo độ từ giảo

Ảnh hưởng của độ từ giảo đến hiệu ứng GMI đã được nghiên cứu hệ thống trên một vài mẫu dây và mẫu băng vô định hình Gần đây, Barandiaran và Hernando

đã đưa ra sự ảnh hưởng của độ từ giảo đến hiệu ứng GMI, nghiên cứu đã chỉ ra rằng

độ từ giảo là yếu tố quan trọng để xác định cường độ của hiệu ứng GMI Sự ảnh hưởng của độ từ giảo đến hiệu ứng GMI thể hiện ở bảng 1.1 [83] Giá trị lớn nhất của hiệu ứng GMI đạt được đối với mẫu có độ từ giảo gần bằng 0 Giá trị của độ từ giảo của mẫu có thể thay đổi theo thành phần hợp kim khác nhau hoặc bởi quá trình

ủ [69] Bảng số liệu trên chỉ rõ, hằng số từ giảo ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI Khi nồng độ pha tạp Fe tăng cao, hệ số từ giảo âm có độ lớn giảm dần, giá trị tỉ số GMI được cải thiện Điều đó có nghĩa, giá trị tỉ số phần trăm GMI đạt tối ưu khi độ từ giảo âm và gần bằng 0 Cấu trúc đômen tròn đặc biệt của dây từ và cấu trúc đômen ngang của băng từ sẽ được tạo thành do sự ảnh hưởng của hiện tượng từ giảo và ứng suất dư xuất hiện trên bề mặt do quá trình lạnh nhanh khi chế tạo mẫu [19]

Bảng 1.3 Bảng giá trị độ từ giảo bão hòa (λS) và giá trị tỉ số [Z/Z]max(%) ở tần số đo

 Phương pháp ủ trong từ trường

Đối với vật liệu băng (hoặc dây) từ vô định hình nền Co, giá trị tỉ số GMI tăng đáng kể khi tiến hành ủ trong điều kiện từ trường hướng ngang vuông góc với trục của mẫu [11] Bên cạnh đó, khi tiến hành ủ vật liệu dây từ và băng từ vô định hình nền Co trong từ trường hướng dọc song song với chiều dài của mẫu, hiệu ứng GMI bị giảm mạnh [8] Độ rộng của đường cong từ trễ sẽ phụ thuộc vào độ lớn của giá trị từ trường một chiều DC theo từ trường hướng ngang vuông góc với chiều dài của mẫu Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rõ, hiện tượng từ trễ xảy ra ở từ trường HDC

nhỏ hơn từ trường dị hướng (H DC < HK), điều này do sự dịch chuyển bất thuận nghịch của vách đômen xuất hiện trong quá trình từ hóa mẫu [83] Như vậy quá trình ủ từ không những làm tăng giá trị GMI mà còn khử ứng suất giúp cải thiện tính chất từ của vật liệu Điều này có ý nghĩa quan trọng khi xử lý vật liệu trước khi ứng dụng chúng làm cảm biến từ phát hiện từ trường thấp [11]

 Phương pháp ủ nhiệt

Đối với vật liệu băng, dây từ nền Fe để cải thiện độ từ thẩm ngang của vật liệu, nhất thiết phải ủ mẫu đến trạng thái hình thành tinh thể kích thước nano mét Đối với vật liệu băng từ vô định hình nền Co, do tồn tại cấu trúc đômen ngang hoặc

đômen tròn sẵn có, nên để tăng tính chất từ mềm, từ độ cực đại, độ từ thẩm và giá trị tỉ số GMI phương pháp ủ nhiệt thông thường là phương pháp đơn giản và đem lại hiệu quả cao [83] Khi tiến hành ủ nhiệt trong điều kiện thích hợp sẽ dẫn đến sự giảm ứng suất dư trong vật liệu, duy trì hướng các mômen từ theo hướng ngang của vật liệu Quá trình ủ nhiệt có thể cải thiện tính chất từ mềm (tăng độ từ thẩm và từ

độ cực đại) và giảm giá trị R của vật liệu Đối với các mẫu dây và băng từ vô định hình nền Co, nhiệt độ ủ thường là nhỏ (dưới nhiệt độ kết tinh) và thời gian ủ ngắn, vật liệu sẽ duy trì được trạng thái vô định hình đồng thời cải thiện được tính chất từ mềm của vật liệu [37, 84]

1.1.10 Ứng dụng của hiệu ứng từ trở khổng lồ

 Cảm biến phát hiện từ trường

Đây là loại cảm biến điển hình dựa vào hiệu ứng GMI được gọi là cảm biến GMI, được thiết kế và chế tạo bởi Mohri và các cộng sự dựa trên cấu hình chính là dây từ và băng từ vô định hình [87] Nhiều nghiên cứu tập trung vào cải thiện độ nhạy của cảm biến bằng cách tối ưu hóa các thông số của quá trình chế tạo vật liệu hoặc thiết kế các mạch điện hỗ trợ [71, 87] Cảm biến GMI có thể được sử dụng để

đo đạc hoặc theo dõi sự có mặt của từ trường đồng nhất và bất đồng nhất Cảm biến GMI là loại cảm biến tiên tiến, có nhiều ưu điểm hơn các cảm biến thông thường, như tổn hao thấp và kích thước tương đối nhỏ, độ nhạy rất lớn, được thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.4 Bảng so sánh các loại cảm biến [66, 141]

Loại cảm

biến

Kích thước Giá trị bước đo/Giá trị

cực đại của từ trường

Tần số đo Công suất tổn

hao Hall 10~100 μm 0,5 Oe /± 1 kOe 1 MHz 10 mW

GMR 10~100 μm 0,01 Oe /± 20 Oe 1 MHz 10 mW

SI 1~2 mm 0,1 Gal /± 30 Gal 10 kHz 5 mW Khi sử dụng màng mỏng CoNbZr làm cảm biến, Yabukami và các cộng sự

đã tạo được cảm biến phát hiện được từ trường rất nhỏ cỡ 8

1.7 10   Oe ở tần số 500