MỞ ĐẦU. Lí do chọn đề tài. Mục tiêu của khóa luận. Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu.
Nhiệm vụ nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Đóng góp của khóa luận. Nội dung của khóa luận.
2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. Tổng quan về tính chất từ của vật rắn. Tính thuận từ. Tính nghịch từ.
Tính sắt từ. Tính phản sắt từ. Tính Feri từ. Tính chất từ của băng từ mềm.
Hiện tƣợng từ giảo. Hiện tƣợng áp điện. Hiệu ứng từ - điện. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện.
Một số cảm biến từ dựa trên hiệu ứng vật lí khác. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng từ điện trở. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng AMR.
Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn. Cảm biến từ trường Flux - gate. So sánh cảm biến từ trong các hiệu ứng khác nhau. Kết luận chƣơng 1.
31 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện. Khảo sát hiệu ứng từ điện. Kết luận chƣơng 2.
35 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện E vào tần số f của từ trƣờng xoay chiều 36 3. Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trƣờng một chiều trên các mẫu có kích thƣớc khác nhau (n =L/W) đo tại tần số cộng hƣởng của các mẫu. Kết luận chƣơng 3.
40 KẾT LUẬN CHUNG. 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 42 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Sự sắp xếp các moomen từ nguyên tử: Khi chƣa có từ trƣờng ngoài tác dụng (a); khi có từ trƣờng ngoài tác dụng (b).
(a) Mô hình sắp xếp mômen từ nguyên tử,. Đƣờng cong từ trễ của vật liệu sắt từ. Biến đổi của momen từ tại nhiệt độ Curie sắt từ. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối song và bằng nhau.
Sự phụ thuộc của 1 vào nhiệt độ. (a) Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của 1 vào nhiệt độ. Sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu: (a) từ giảo thể tích và (b) từ giảo tuyến tính Joule.
Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng mỏng. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c). Cấu trúc tinh thể của vật liệu Perovskite. Sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể Perovskite khi có điện trƣờng ngoài.
Mô tả hiệu ứng từ điện. Sơ đồ thí nghiệm cảm biến từ trƣờng trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện của Zhai và đồng nghiệp. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng.
Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khi không có từ trƣờng ngoài (a) và có từ trƣờng ngoài (b). Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy qua và hƣớng của vectơ từ hoá. Cảm biến từ giao thao lƣợng tử siêu dẫn (a) và.
Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux – gate. Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi và ảnh chụp sau khi chế tạo. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện.
Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều đo theo phƣơng song song của vật liệu băng từ FeNiBSi. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trƣờng một chiều đối với các mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 1 đến 15 mm. Từ trƣờng đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo đƣợc thực hiện tại tần số cộng hƣởng tƣơng ứng.
Hệ số từ - điện tại từ trƣờng 2.5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích thƣớc khác nhau. Lí do chọn đề tài Sự phát hiện ra hiệu ứng từ - điện của một số vật liệu cùng với khả năng ứng dụng rộng rãi hiệu ứng này trong nhiều lĩnh vực là một bƣớc đánh dấu đặc biệt sự phát triển của khoa hoc công nghệ, đã mở ra một hƣớng nghiên cứu mới thu hút nhiều sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nƣớc trong những năm gần đây. Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài (H) hay ngƣợc lại, vật liệu bị từ hóa dƣới tác dụng của điện trƣờng ngoài. Hiệu ứng từ - điện thƣờng đƣợc quan sát thấy trên các vật liệu đa pha (multiferroic), trong đó có sự tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện trên cùng một vật liệu.
Trong số các vật liệu từ - điện đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng phải kể đến vật liệu tổ hợp gồm hai pha từ giảo và áp điện. Nếu đặt vật liệu trong từ trƣờng, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cƣỡng bức, sinh ra một ứng suất cơ học tác động lên pha áp điện làm pha áp điện bị phân cực điện cảm ứng và làm xuất hiện trên bề mặt của pha áp điện những điện tích trái dấu. Nếu nối với mạch ngoài, ở lối ra ta sẽ thu đƣợc một hiệu điện thế VME. Sự chuyển hoá qua lại giữa năng lƣợng từ và năng lƣợng điện hay ngƣợc lại đã mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ chế tạo các bộ chuyển đổi năng lƣợng, bộ truyền chuyển động, máy phát điện, đầu dò, sensơ đo từ trƣờng ứng dụng trong trong y - sinh học, quân sự,… Tuỳ theo từng mục đích ứng dụng mà yêu cầu đặt ra đối với vật liệu tổ hợp từ - điện rất khác nhau.
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ đòi hỏi các thiết bị và linh kiện điện tử ngày càng đƣợc chế tạo thu nhỏ và tinh vi hơn. Các nghiên cứu trong những năm gần đây chủ yếu tập trung vào việc tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ - điện lớn, rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của từ trƣờng ngoài. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu tổ hợp chủ yếu hiện nay là 1 phƣơng pháp kết dính, dạng tấm bằng cách kẹp giữa theo kiểu Sandwich tấm áp điện PZT và các băng mỏng từ giảo. Với các lý do trên, khóa luận đã lựa chọn vật liệu multiferroic dạng tấm có hiệu ứng từ - điện cho độ nhạy cảm biến cao trong vùng từ trƣờng yếu.
Khóa luận có tên là: Khảo sát hiệu ứng từ điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện. Mục tiêu của khóa luận - Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện. Trong đó vật liệu từ giảo là băng từ FeNiBSi. Áp điện là vật liệu PZT.
- Đề xuất một số ứng dụng. Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu - Vật liệu tổ hợp có hiệu ứng từ giảo/áp điện. Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện. - Khảo sát hiệu ứng từ - điện.
Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc tài liệu và tra cứu. Đóng góp của khóa luận - Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ - điện vào từ trƣờng một chiều. - Tài liệu tham khảo cho các sinh viên và ngƣời nghiên cứu. Nội dung của khóa luận: 3 chƣơng Chƣơng 1.
Tổng quan Chƣơng 2. Các phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận Kết luận 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về tính chất từ của vật rắn Trong hệ SI thì véc tơ cảm ứng từ của vật liệu ( ) khi chịu tác dụng của từ trƣờng ngoài ( ) đƣợc biểu diễn bằng công thức [1]: (1.1) Trong đó: là vec tơ cảm ứng từ μ0 là độ từ thẩm của chân không (= 4π.10-7 H/m) là vec tơ cƣờng độ từ trƣờng ngoài là vec tơ từ độ của vật liệu Để đặc trƣng cho mức độ từ hóa của vật liệu, ngƣời ta dựa vào dấu và độ lớn của độ cảm từ (χ) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó.
Đại lƣợng độ cảm từ χ đƣợc định nghĩa là [1]: (1.2) Về cơ bản thì độ cảm từ phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài và nhiệt độ χ = χ(T, H). Tính thuận từ Là vật từ có 0 , giá trị nhỏ (cỡ 10-5- 10-3). phụ thuộc vào nhiệt độ, sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie: C , (Trong đó: C là hằng số T Curie, T là nhiệt độ tuyệt đối) Hình 1. Sự phụ thuộc của χ-1 vào nhiệt độ 3 Thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính).
Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hƣởng ứng thuận theo từ trƣờng ngoài, có nghĩa là các chất này có mômen từ nguyên tử (nhƣng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trƣờng ngoài, các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trƣờng ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. Khi chƣa có từ trƣờng ngoài, do chuyển động nhiệt, các mômen nguyên tử sắp xếp hỗn loạn, không có phƣơng ƣu tiên (hình 1. Vì vậy, mômen từ tổng hợp của toàn vật thuận từ bằng không và vật không có từ tính. Khi có từ trƣờng ngoài, các mômen từ nguyên tử có xu hƣớng sắp xếp theo hƣớng từ trƣờng đó là chiều ƣu tiên (hình 1.
Do đó toàn bộ vật thuận từ có mômen từ khác không, mômen từ tổng hợp sẽ cùng chiều với từ trƣờng ngoài. Đây là hiệu ứng thuận từ. Sự sắp xếp các moomen từ nguyên tử: Khi chưa có từ trường ngoài tác dụng (a); khi có từ trường ngoài tác dụng (b). Thuận từ đƣợc xếp vào nhóm các chất phi từ, hoặc nhóm không có trật tự từ.
Độ từ thẩm của các chất thuận từ là lớn hơn 1 nhƣng xấp xỉ 1 (chỉ chênh lệch cỡ 10−6). Từ tính yếu của thuận từ do hai yếu tố đem lại: - Mômen từ nguyên tử. 4 - Các mômen từ nguyên tử này nhỏ và hoàn toàn không tƣơng tác với nhau.