Luận án tiến sĩ vật liệu và linh kiện nano chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp từđiện với lớp từ giảo có cấu trúc nano và vô định hình dùng cho cảm biến từ trường microtesla

Luận án tiến sĩ nghiên cứu vật liệu và linh kiện nano chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp từđiện với lớp từ giảo có cấu trúc, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Phạm Anh Đức
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thị Hương Giang
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Tổ Hợp Từ Điện Nano Cho Cảm Biến Từ Trường Microtesla
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU SẮT TỪ, SẮT ĐIỆN VÀ MULTIFERROIC
• 1.1. Vật liệu sắt điện
• 1.2. Vật liệu sắt từ và hiệu ứng từ giảo
• 1.3. Vật liệu multiferroic
• 1.4. Tổng quan về hiệu ứng từ-điện
• 1.5. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện
• 1.6. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT bằng phương pháp phún xạ
• 2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm
• 2.3. Khảo sát tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung
• 2.4. Hệ đo từ giảo
• 2.5. Phương pháp tính hệ số thế từ-điện thuận
• 2.6. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi điện tử và hiển vi lực nguyên tử
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN TbFeCo/PZT DẠNG MÀNG VỚI LỚP VẬT LIỆU TỪ GIÁO CÓ CẤU TRÚC NANO
• 3.1. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ở trạng thái vô định hình
• 3.2. Cấu trúc tinh thể của lớp từ giảo
• 3.3. Tính chất từ và từ giảo của màng TbFeCo
• 3.4. Tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Metglas/PZT DẠNG TẤM VỚI LỚP TỪ GIÁO CÓ CẤU TRÚC VÔ ĐỊNH HÌNH
• 4.1. Tính chất từ của băng từ Metglas
• 4.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm
• 4.3. Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh
• 4.4. Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào tần số kích thích
• 4.5. Mô hình dao động một chiều và hai chiều
• 4.6. Ảnh hưởng của cấu hình (bilayer và sandwich)
• 4.7. Ảnh hưởng của chiều dày lớp từ giảo Metglas
• 4.8. Kết luận chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN
• 5.1. Cảm biến từ trường dựa trên màng mỏng TbFeCo có cấu trúc nano
• 5.2. Cảm biến từ trường dựa trên băng từ Metglas có cấu trúc vô định hình
• 5.3. Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trường
• 5.4. Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến
• 5.5. Kết luận chương 5
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu tổ hợp từ điện nano

Nghiên cứu về vật liệu tổ hợp từ điện nano đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Các vật liệu nano này không chỉ có tính chất điện từ đặc biệt mà còn có khả năng ứng dụng cao trong các thiết bị cảm biến. Đặc biệt, cảm biến từ trường microtesla sử dụng các vật liệu này có thể phát hiện các từ trường yếu, mở ra nhiều cơ hội trong các ứng dụng công nghệ cao. Theo nghiên cứu, vật liệu tổ hợp từ điện nano có thể cải thiện đáng kể độ nhạy và độ chính xác của cảm biến, nhờ vào cấu trúc nano và các hiệu ứng từ-điện đặc trưng. Việc chế tạo và tối ưu hóa các vật liệu nano này là một thách thức lớn, nhưng cũng là cơ hội để phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực cảm biến.

II. Tính chất của vật liệu tổ hợp từ điện nano

Các vật liệu tổ hợp từ điện nano thường có tính chất từ và điện đặc biệt, cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng cảm biến. Tính chất từ của các vật liệu nano này được xác định bởi cấu trúc tinh thể và các tương tác giữa các thành phần trong vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi kết hợp các vật liệu như PZT và Metglas, có thể tạo ra các cảm biến từ trường với độ nhạy cao hơn. Các cảm biến từ trường này có thể hoạt động trong dải từ trường microtesla, cho phép phát hiện các tín hiệu từ trường yếu mà các cảm biến truyền thống không thể nhận diện. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến công nghiệp.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện nano

Chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện nano thường sử dụng các phương pháp như phún xạ, tắm và các kỹ thuật chế tạo tiên tiến khác. Phương pháp phún xạ catốt được sử dụng để tạo ra các lớp mỏng của vật liệu từ điện, trong khi phương pháp tắm giúp tạo ra các lớp từ giảo có cấu trúc vô định hình. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh các thông số chế tạo như nhiệt độ, áp suất và thời gian có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu nano. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được các cảm biến từ trường có hiệu suất cao. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, các cảm biến từ trường được chế tạo từ các vật liệu tổ hợp này có thể đạt được độ nhạy và độ chính xác cao hơn so với các thiết bị truyền thống.

IV. Ứng dụng của cảm biến từ trường microtesla

Các cảm biến từ trường microtesla có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến công nghiệp. Trong y tế, chúng có thể được sử dụng để phát hiện các tín hiệu từ trường yếu phát sinh từ cơ thể con người, hỗ trợ trong chẩn đoán và điều trị. Trong công nghiệp, các cảm biến từ trường này có thể được sử dụng để giám sát các thiết bị điện tử, phát hiện các lỗi và đảm bảo an toàn trong quá trình sản xuất. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ, các cảm biến từ trường microtesla có thể được tích hợp vào các thiết bị di động, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi hơn trong cuộc sống hàng ngày. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu tổ hợp từ điện nano sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của các cảm biến này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TÔNG QUAN 1. Vật liệu sắt từ, sắt điện và multiferroic Khái niệm vật liệu multiferroic lần đầu tiên được sử dụng bởi H. Vật liệu multiferroic là vật liệu có hai hoặc nhiều hơn các tính chất sắt cơ bản trong cùng một pha vật liệu. Các tính chất sắt cơ bản bao gom: * Tinh chat sắt điện: là tính chất của vật liệu sắt điện có độ phân cực tự phát ngay cả khi không có điện trường ngoài.

Độ phân cực điện này 6n định theo thời gian và có thê có hiện tượng tré dưới tác động của điện trường ngoài. * Tính chất sắt từ: là tính chất của vật liệu sắt từ có từ độ tự phát ngay cả khi không có từ trường ngoài. Từ độ này ôn định theo thời gian và có thé có hiện tượng trễ dưới tác động của từ trường ngoài. * Tính chất sắt đàn hồi: là tính chất của vật liệu sắt đàn hồi có độ biến dang tự phát ngay cả khi không có ứng suất ngoài.

Độ biến dang này ổn định theo thời gian và có thê có hiện tượng trễ dưới tác động của ứng suất ngoại. Theo định nghĩa trên thì có rất nhiều loại vật liệu multiferroic khác nhau. Vật liệu multiferroic mà có tồn tại đồng thời cả hai tính chat sắt điện và sắt từ có rất nhiều tính chất lý thú đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và triên khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Vật liệu sắt điện và hiệu ứng ap điện 1.

Vật liệu sắt điện Hiện tượng sắt điện lần đầu tiên được phát hiện bởi J. Valasek vào năm 1921 trên muối Rochelle (muối xenhet) [54]. Sắt điện được định nghĩa là vật liệu có câu trúc tinh thê với độ phân cực điện tự phát. Hướng của véc tơ phân cực điện tự phát này có thể thay đôi theo điện trường ngoài.

Độ phân cực điện được định nghĩa là tổng các mômen phân cực điện trong một đơn vị thể tích. Cần phân biệt rõ ràng về sự khác nhau giữa các khái niệm: phân cực nguyên tử, phân cực ion và phân cực phân tử. Phân cực nguyên tử xuất hiện do sự thay đối khoảng cách giữa tâm điện tích âm va tâm điện tích dương trong nguyên tử trung hòa khi có tác dụng của điện trường ngoài (hình 1. Véc tơ phân cực nguyên tử được ký hiệu 1a Pe.

Đối với các vật liệu có tồn tại các ion, véc tơ phân cực điện hình thành từ các ion dương va ion âm lân cận nhau (hình 1. Véc tơ phân cực điện trong trường hợp này có phương năm trên đường thăng nối hai ion và có chiều từ ion âm sang ion dương. Véc tơ phân cực ion được ký hiệu là P;. Dang thứ ba của hiện tượng phân cực là phân cực phân tử và được ký hiệu là P„.

Phân cực phân tử xuất hiện trong các phân tử có các mômen phân cực tự phát (hình 1. Trong các phân tử này luôn luôn tồn tại một sự tách biệt giữa các phần điện tích âm (ở) và điện tích dương (6*). Các véc tơ phân cực này có thê sắp xếp theo hướng của điện trường ngoài.1: Các dang phân cực khác nhau: phân cực nguyên tử (a), phân cực ion (b) và phân cực phân tử (c) Đối với một số vật liệu, dạng thứ tư của hiện tượng phân cực điện cũng được biết đến và được gọi là phân cực điện tích không gian. Dạng phân cực điện này có nguồn gốc từ các hạt tải điện tự do có trong vật liệu.

Khi chuyên động của các hạt tải điện này bị cản trở bởi sự tán xạ với các sai hỏng mạng và bê mặt vật liệu làm xuất hiện điện tích không gian và hình thành ra các véc tơ phân cực điện tích không gian [31]. Vật liệu sắt điện có rất nhiều ứng dụng khác nhau như: bộ nhớ đệm (RAM), cảm biến hỏa điện, cảm biến siêu âm và thiết bị truyền động. - Phân loại theo số các phương có thể có của độ phân cực tự phát: đơn trục (KHzPO¿, muối xenhet) va đa trục (BaTiO3 và Cd2Nb207). - Phân loại theo sự có hoặc không có tâm đối xứng.

- Phân loại theo sự biến đổi ở nhiệt độ chuyên pha Curie. Dé giải thích cho độ phân cực tự phát của vật liệu sat điện, khái niệm vê đômen được đưa ra. Đômen được hiêu là một vùng không gian mà tại đó các véc tơ phân cực điện đông nhât cả vê phương và chiêu. Các vách đômen là ranh giới giữa các đômen khác nhau.2: Vật liệu da đômen (a), sự dich chuyển vách đômen (b), vật liệu đơn đômen (c) và sự quay đômen (đ) Thông thường các vật liệu sắt điện có tồn tại nhiều đômen và các đômen này không sắp xếp song song với nhau trong toàn bộ vật liệu (hình 1.

Khi có điện trường ngoài, các đômen có véc tơ phân cực điện cùng hướng với điện trường ngoài sẽ mở rộng ra và các đômen ngược hướng điện trường sẽ thu hẹp lại. Trạng thái đơn đômen thường chỉ xuất hiện bằng các biện pháp kỹ thuật chăng hạn như phương pháp ép cơ khí. Bên cạnh đó thì các yếu tố như điện trường phân cực, nhiệt độ và thời gian gia công cũng ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình. Vật liệu sắt điện có một đặc trưng quan trọng đó là nhiệt độ chuyền pha Curie 7c.

Các tính chất sắt điện chỉ tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie. Ví dụ với vật liệu BaTiO; có nhiệt độ Curie Tc = 393 K. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie thì cau trúc tinh thé là dạng lập phương với ion Ba? ở các góc, ion O2 ở tâm các mặt và ion Ti* ở vị trí tâm hình lập phương (hình 1.3a), khi đó không tồn tại véc tơ phân cực điện. Khi nhiệt độ vật liệu thấp hơn nhiệt độ Curie, cầu trúc tinh thé thay đổi, các ion O2 và Ti** có sự chuyền động tương đối với nhau và sinh ra một mômen lưỡng cực điện doc theo cạnh của tinh thể (hình 1.3: Cấu trúc tinh thể BaTiO3 khi nhiệt độ cao (T > Tc) (a) và khi nhiệt độ thấp (T < Tc) (b) Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện thường có dạng như hình 1.

Đường cong điện trễ mô tả sự phụ thuộc của độ phân cực của vật liệu theo điện trường ngoài. Khi có một điện trường tác dụng vào mẫu thì mẫu sẽ bị phân cực điện theo phương của điện trường ngoài. Tuy nhiên khi giảm điện trường ngoài về giá trị không thì mẫu vẫn còn tồn tai một độ phân cực. Độ phân cực này được gọi là độ phân cực dư và ký hiệu là P;.

Giá trị của độ phân cực dư phụ thuộc vào các trạng thái đômen tồn tại trong tinh thể. Độ phân cực của mẫu sẽ bị triệt tiêu 7 nếu tiếp tục tác dụng một điện trường ngược chiều với điện trường ban đầu đến giá tri Ec. Giá tri Ec được gọi là lực kháng điện. Khi tất cả các đômen trong tinh thé có cùng hướng với điện trường ngoài thì ta gọi vật liệu ở trạng thái phân cực bão hòa.

Giá trị độ phân cực bão hòa được ký hiệu là Ps. Cường độ điện trường của điện trường ngoài cần thiết để vật liệu đạt trạng thái phân cực bão hòa được gọi là điện trường bão hòa Es. Đối với vật liệu da tinh thé thì vật liệu chỉ có thé phân cực một phần và do đó độ phân cực bào hòa của chúng là nhỏ hơn so với của các vật liệu đơn tinh thé [20].4: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện 1. Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi hai nhà vật lý người Pháp là Jacques Curie va Pierre Curie [59].

Hiệu ứng này được hiểu là có sự thay đổi độ phân cực điện của vật liệu áp điện khi vật liệu bị biến dang cơ học hoặc vật liệu sẽ bị biến dạng cơ học nếu chịu tác dụng của điện trường ngoài (làm thay đôi độ phân cực điện) (hình 1. Mối liên hệ giữa ứng suất tác dụng của ngoại lực với vec tơ phân cực điện thứ cấp được thé hiện thông qua công thức [68]: 6 (1.1) R=) djx- Ox k=1 Trong đó: P; là độ lớn véc tơ phân cực điện (C/m”), ox là ứng suất tác dụng (N/m?) và djx là hệ số áp điện theo phương tac dụng luc (C/N). Ngược lại, nếu đặt vào vật liệu áp điện một điện trường có cường độ điện trường là E thì vật liệu áp điện sẽ bi biến dạng theo công thức: 6 (1.2) Trong đó: ex là độ biến dang tỷ đối của vật liệu, E; là cường độ điện trường tác dụng vào vật liệu (V/m) và đ” là hệ số áp điện theo phương tác dụng lực (m/V).5: Mô tả hiệu ứng áp điện: phân cực tự phát (a), phân cực khi chịu ứng suất nén (b), phân cực khi chịu ứng suát kéo (c) Các vật liệu áp điện đã và đang được nghiên cứu rất đa dạng về chủng loại và số lượng như: vật liệu dang đơn tinh thé (thạch anh, 1/TaO›, LiNbO3, PZN — PT .), vật liệu dạng gốm (Pb(ZrTi)O3 — PZT, PbTiO› — PT .), vật liệu polymer (PVDF va copolymer, nylon .), vật liệu mang mong (PZT, PT, ZnO va màng AIN), vật liệu hỗn hợp — composite (hỗn hợp PZT — polymer 0 — 3, 2 — 2, 1 — 3) (Hinh 1. Với lich sử phat trién của mình, vật liệu áp điện đã được ứng dung vào rat nhiều lĩnh vực trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn cuộc sống.

Điển hình phải kê đên các ứng dụng vê màng rung, vi cảm biên (gia toc, sóng siêu âm .), máy phát điện, MEMS, vi bom, máy in .[69,86] Với các ưu điểm của minh thì vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 (PZT) đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Các ưu điểm nỗi trội của vật liệu ap điện PZT bao gồm: hệ số áp điện lớn, điện dung cao (vi vậy ít chịu ảnh hưởng của điện dung ký sinh), độ bền cơ học cao và dễ gia công. Trong thời gian gần đây, vật liệu áp điện PZT đã và đang được thương mại hóa với nhiều chủng loại khác nhau và giá thành ngày cảng hợp lý.6: Hỗn hop PZT — polymer được phân loại theo các kiểu liên kết khác nhau: (a) 0 — 3, (b)2—2,(c)T- 3 Vật liệu áp điện về co bản là vật liệu dang gốm va có cấu trúc dang Perovskite. Các vật liệu có cấu trúc dạng Perovskite là vật liệu có cả tính chất sắt điện và áp điện.

Các vật liệu này có số lượng rất lớn nên chúng đang được quan tâm nghiên cứu nhiều. Theo định nghĩa, vật liệu có cau trúc Perovskite là các vật liệu có cấu trúc tinh thể tương tự với cấu trúc của CaTiO;.