Chương 1 TỔNG QUAN 1. Hiện tượng từ giảo và khả năng ứng dụng 1. Hiện tượng từ giảo Từ giảo là hiện tượng hình dạng và kích thước của vật liệu từ thay đổi khi trạng thái từ của vật liệu thay đổi. Hiện tượng từ giảo đã được James Prescott Joule (1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [12].
Trạng thái từ của vật liệu có thể bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi hoặc dưới tác dụng của từ trường ngoài (hình 1. Hiện tượng thể tích của vật liệu từ thay đổi do sự thay đổi trạng thái từ khi nhiệt độ thay đổi được gọi là hiện tượng từ giảo tự phát hay từ giảo thể tích (hình 1. Từ giảo xuất hiện khi đặt vật liệu từ trong từ trường ngoài được gọi là từ giảo cưỡng bức hay từ giảo tuyến tính Joule (hình 1. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu: (a) từ giảo thể tích và (b) từ giảo tuyến tính Joule [12].
Từ giảo tuyến tính Joule liên quan đến sự định hướng của mômen từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo tuyến tính của các vật liệu từ được giải thích dựa trên mô hình tương tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ và điện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 tích môi trường xung quanh. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của điện tử (tức là mômen quỹ đạo) sẽ bị biến đổi tuỳ theo mức độ tương tác của chúng với mômen từ (mômen spin). Các vật liệu khác nhau sẽ có từ giảo khác nhau tuỳ thuộc vào hình dạng đám mây điện tử từ của chúng.
Đối với trường hợp các nguyên tố có đám mây điện tử dạng đối xứng cầu (L = 0 và hệ số Steven αJ = 0), tương tác tĩnh điện là đẳng hướng, do đó khoảng cách giữa các nguyên tử vẫn được giữ nguyên khi mômen từ bị đảo dưới tác dụng của từ trường ngoài. Trong trường hợp này, hầu như không quan sát thấy có hiện tượng từ giảo (hình 1. Hiện tượng từ giảo ứng với phân bố đám mây điện tử dạng đối xứng cầu (αJ = 0) [17]. Đối với các kim loại có đám mây điện tử dạng không đối xứng cầu (L ≠ 0 và αJ ≠ 0), tương tác tĩnh điện không còn là đẳng hướng.
Khi chưa có từ trường, tương tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ tích điện âm và các ion dương lân cận (nguyên tử) luôn có xu hướng làm ngắn khoảng cách giữa chúng theo hướng trục phân bố tại đó mật độ điện tích của đám mây điện tử từ lớn nhất. Có hai trường hợp xảy ra: - Trường hợp tương tác spin - quỹ đạo yếu (năng lượng tương tác λLS ~ 0,015 eV/nguyên tử), khi đặt trong từ trường ngoài chỉ có mômen spin dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài, trong khi đó mômen quỹ đạo hầu như không chịu ảnh hưởng gì của từ trường ngoài (hiện tượng đóng băng mômen quỹ đạo). Trong trường hợp này, mặc dù đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu nhưng năng lượng cần thiết để quay mômen spin theo từ trường ngoài yếu và từ giảo nhỏ (hình 1. Đó là trường hợp của các kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni).
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Hiện tượng từ giảo tương ứng với các trường hợp: αJ >0 (a), αJ <0 (b), liên kết spin – quỹ đạo yếu (c) [17]. - Hiện tượng từ giảo chỉ xảy ra khi đám mây của các điện tử từ không có dạng đối xứng cầu và tương tác spin - quỹ đạo (λLS) mạnh, khi đó sự quay của mômen spin gắn liền với sự quay của mômen quỹ đạo. Trong trường hợp này từ giảo thường có giá trị lớn.
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, ta sẽ quan sát được từ giảo âm nếu sự phân bố đám mây điện tử từ có dạng hình chày (αJ > 0, hình 1.b) và từ giảo dương nếu đám mây điện tử từ có dạng đĩa dẹt (αJ < 0, hình 1. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 Từ giảo của các vật liệu được đặc trưng bởi hệ số từ giảo λ được xác định theo công thức sau: Δl ( μ0 H ) l ( μ0 H ) − l0 λ ( μ0 H ) = = (1.1) l0 l0 với lo là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài và l(μoH) là chiều dài của mẫu khi có từ trường ngoài μoH đặt vào. Từ giảo là một đại lượng không có thứ nguyên. Trong các vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng, hiện tượng từ giảo thể hiện bởi biến dạng tuyến tính (Δl/l) phương từ trường ngoài (hình 1.
Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng mỏng. Vật liệu từ giảo và khả năng ứng dụng Để nâng cao khả năng ứng dụng của các vật liệu từ giảo thì yêu cầu đặt ra đối với các vật liệu từ giảo là không những phải có từ giảo (λS) lớn ở nhiệt độ phòng (có nhiệt độ Curie TC cao) mà còn có độ cảm từ giảo (χλ// = ∂λ/∂H) cao. Trong các ứng dụng chế tạo các hệ vi điện - cơ, yêu cầu đặt ra cho các vật liệu phải có từ giảo cao trong vùng từ trường thấp. Điều này cho phép động cơ có thể hoạt động với công suất cao tại từ trường điều khiển thấp.
Đối với các nguyên tố là kim loại chuyển tiếp (nhóm 3d), mặc dù có nhiệt độ Curie rất cao (TC của Fe, Ni và Co tương ứng là 1043 K, 631 K và 1393 K) nhưng dị hướng từ và từ giảo của chúng lại rất nhỏ (λS ~ 10-5). Các hợp kim của nhóm 3d (FeCo, NiCo,.) có từ giảo lớn hơn (λS ~ 10-4) [17, 18, 19]. Các nguyên tố kim loại đất hiếm (nhóm 4f) có từ giảo lớn λS ~ 10-2. Tuy nhiên, do nhiệt độ Curie thấp hơn nhiệt độ phòng (TC của Tb và Dy tương ứng là 219,5 K TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 và 89 K) nên các vật liệu này chỉ có từ giảo lớn trong vùng nhiệt độ thấp, không khả quan trong việc ứng dụng trong các thiết bị sử dụng ở nhiệt độ phòng [18, 19].
Khi tổ hợp các vật liệu có từ giảo lớn (các kim loại đất hiếm 4f) và các vật liệu có nhiệt độ TC cao (các kim loại chuyển tiếp 3d) cho các hợp kim liên kim loại đất hiếm - kim loại chuyển tiếp có từ giảo lớn ngay ở nhiệt độ phòng. Với những liên kim loại giàu đất hiếm, từ giảo lớn và nhiệt độ Curie của chúng đã được cải thiện đáng kể.E Clark đã khám phá ra hợp kim liên kim loại TbFe2 (TerfeNol, ở đây Ter là tên viết tắt của Tb, fe là Fe và Nol là tên phòng thí nghiệm, nơi đã nghiên cứu ra hợp chất này) với giá trị từ giảo bão hòa lên tới λS = 1753×10-6 [1,2]. Tuy nhiên, để đạt đến trạng thái bão hòa từ giảo trên các vật liệu này cần phải có từ trường rất lớn đặt vào. Với ý tưởng thay thế một phần Tb bằng Dy với thành phần tối ưu Tb0.73Fe2 để bù trừ dị hướng, vật liệu từ giảo dạng khối Terfenol-D (D là tên viết tắt của Dy) đang được ứng dụng rất rộng rãi hiện nay.
Vật liệu này có từ giảo bão hòa rất lớn λS = 2400x10-6 nhưng độ cảm từ giảo vẫn còn khá nhỏ so với các yêu cầu ứng dụng trong các hệ vi điện - cơ. Để có thể ứng dụng trong các thiết bị kích thước nhỏ micro và nanô và đặc biệt trong việc chế tạo các đầu đo, sensơ đo từ trường thì tính chất mềm từ giảo đóng vai trò quan trọng hơn cả. Tính chất này được qui định bởi độ cảm từ giảo cao χλ (= dλ/dH) > 10-2 T-1 hoạt động trong vùng từ trường nhỏ cỡ militesla. Do vậy, các vật liệu từ giảo dạng khối đất hiếm - kim loại chuyển tiếp khó có thể đáp ứng được các ứng dụng này.
Để phục vụ mục đích này, trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi chế tạo các băng từ dựa trên các kim loại chuyển tiếp giầu Fe có tính chất từ mềm cao. Ý tưởng xuất phát từ các nghiên cứu đã được thực hiện trên các băng từ vô định hình có tính chất từ giảo siêu mềm nổi tiếng FeBSiC có tên gọi Metglass 2650SC với độ cảm từ giảo đã được công bố lớn nhất hiện nay χλ = 76×10-2 T-1 [9]. Tuy nhiên, vật liệu này có hệ số từ giảo rất thấp λ = 30×10-6. Sự có mặt của các nguyên tố pha tạp B, Si, C tuy có làm giảm từ giảo của vật liệu này so với Fe đơn chất (λFe ∼ 40×10-6) nhưng chúng có tác dụng tạo pha vô định hình của băng và do đó tăng cường đáng kể tính chất mềm của Metglass so với Fe tinh thể.
Với mục đích làm tăng cường hơn nữa từ giảo trên các băng từ này mà vẫn duy trì được tính mềm từ giảo ở trạng thái vô định hình, nguyên tố cũng thuộc họ kim loại chuyển TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 tiếp Co với từ giảo lớn hơn Fe (λCo ∼ 60×10-6) đã được lựa chọn để pha tạp. Dựa trên các kết quả nghiên cứu sự thay đổi từ độ của hợp kim FeCo (hình 1.5), tại thành phần thay thế Co cho Fe nằm trong khoảng 0,2 ≤ x ≤ 0,35 thì hợp kim này lại có từ độ lớn hơn rất nhiều so với các kim loại Fe và Co nguyên chất [4,5,9]. Đường cong thực nghiệm mô tả sự thay đổi từ độ M ∼ Bhf (57Fe) (trường siêu tinh tế) của hợp kim Fe1-xCox với sự thay đổi của nồng độ Co thay thế (x) [4, 5, 9]. Trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi lựa chọn thành phần thay thế Co cho Fe là x = 0,2 để nhằm hai mục đích không những giảm được từ trường bão hòa (Hs ∼ K/Ms) do có sự tăng cường được từ độ Ms mà vẫn cải thiện được cả từ giảo của chúng.
Chính vì lý do này, chúng tôi đã lựa chọn để chế tạo và đưa vào nghiên cứu các băng từ với thành phần (Fe0,8Co0,2)0,78Si0,12B0,1. Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các băng từ ngay sau khi chế tạo và sau khi được ủ nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau từ 150 °C đển 450 °C để tìm ra cấu hình tối ưu đáp ứng yêu cầu ứng dụng chế tạo các senso đo từ trường với độ nhạy siêu cao [4, 5, 9]. Hiện tượng áp điện 1. Lý thuyết áp điện Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie là hiện tượng vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất kéo hoặc nén thì trong lòng vật liệu sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngược lại.