Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

MỤC LỤC
NỘI DUNG

Trang

Lời cảm ơn
Mở đầu

3

Chương 1 - Tổng quan về hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
1.1. Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI)

5
5

1.1.1 Giới thiệu về hiệu ứng GMI

5

1.1.2 Cấu trúc đômen của vật dẫn từ

7

1.1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ- GMI

11

1.1.4 Hiện tượng tách đỉnh – mô hình giải thích hiện tượng

16

tách đỉnh
1.2 Vật liệu từ vô định hình có hiệu ứng GMI cao

19

1.2.1 Vật liệu từ vô định hình

19

1.2.2 Băng vô định hình nền Co

21

1.2.3 Hợp kim từ photpho chế tạo bằng công nghệ điện kết tủa

22

Chương 2 - Thực nghiệm

24

2.1 Công nghệ nguội nhanh chế tạo mẫu

24


2.1.1 Giới thiệu công nghệ nguội nhanh

24

2.1.2 Quy trình chế tạo mẩu

25

2.2 Công nghệ điện kết tủa

26

2.2.1 Lý thuyết chung về điện kết tủa

26

2.2.2 Quy trình chế tạo mẩu

30

Chương 3 - Ứng dụng

31

3.1 Ứng dụng c ủa v ật liệu có hiệu ứng GMI

31

3.2 Cảm biến đo dòng GMI sử dụng hiệu ứng GMI


32

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến đo dòng GMI

1

33


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến đo dòng GMI

34

KẾT LUẬN

35

TÀI LIỆU THAM KHẢO

36

2


Khãa luËn tèt nghiÖp


NguyÔn §øc Thµnh

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. Để đặc
trưng cho hiệu ứng GMI, người ta đưa ra tỷ số GMIr được định nghĩa như
sau:
GMIr 

Z ( H )  Z ( H max )
Z
100% 
100%
Z ( H max )
Z ( H max )

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

3


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

dựa trên hiệu ứng GMI cần nghiên cứu bản chất, cơ chế của hiệu ứng cũng
như khả năng ứng dụng.
Ở Việt Nam, hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI được bắt đầu nghiên
cứu từ năm 2001 đến nay tại Phòng thí nghiệm Vật liệu từ vô định hình và
Nano tinh thể, Viện Vật lý kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả
nghiên cứu tập trung trên hệ vật liệu từ siêu mềm hiện đại: Vô định hình nền
Co và nano tinh thể nền Fe (finemet) được chế tạo bằng công nghệ nguội
nhanh và công nghệ điện kết tủa với tỷ số GMIr trên 200%.
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

4


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh
Chương 1

Tổng quan về hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI)
1.1.1 Giới thiệu về hiệu ứng GMI
Khi cho dòng điện xoay chiều có tần số ω chạy qua dây dẫn có từ tính,
dòng điện này sẽ sinh một từ trường biến thiên Ht vuông góc với dây dẫn
(hình 1.1). Từ thông sinh ra do sự biến thiên của Ht làm xuất hiện trong dây
dẫn dòng điện cảm ứng i’ có tác dụng chống
lại sự biến thiên của từ trường Ht. Mặt khác Ht

i=Ioe
>>

it


i'

Ht

từ hóa dây theo phương ngang làm xuất hiện
độ từ thẩm theo phương ngang t. Khi ta đưa
từ trường ngoài Hext một chiều song song với

Hình 1.1 Tổng trở của
dây dẫn có từ tính

trục của dây dẫn 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 Hext đặt dọc theo trục của dây dẫn được
xác định theo biểu thức sau:
Z ( , H ext )

(1.1)

t ( , H 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.
Công thức (1.1) cho thấy hiệu ứng GMI (Giant Magneto - impedance
effect) 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


5


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

ứng GMI, người ta đưa ra tỷ số GMIr được định nghĩa như sau:
GMIr 

Z ( H )  Z ( H max )
Z
100% 
100%
Z ( H max )
Z ( H max )

(1.2)

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 (  eff) của dây dẫn vào từ trường [7]. 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.
Như đã biết độ từ thẩm hiệu dụng t theo phương ngang là hàm của tần
số ω và từ trường ngoài Hext. Đối với các vật dẫn phi từ   1, từ trường tác
động lên độ thẩm từ gần như không đáng kể, có thể bỏ qua. Do đó tổng trở

của chúng chỉ thay đổi theo tần số. Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ
từ thẩm rất lớn (  104), độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ trường và tần số,
kéo theo sự thay đổi mạnh tổng trở Z khi từ trường và tần số thay đổi. Như
vậy, 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.
Mặt khác hiệu ứng GMI còn liên hệ đến hiệu ứng bề mặt (đại lượng đặc
trưng cho hiệu ứng bề mặt là độ thấm sâu - ). Ở tần số cao, độ thấm sâu 
nhỏ, dòng điện chỉ phân bố trên một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn có nghĩa
là dòng điện bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) và ngược lại. Lý thuyết và thực
nghiệm cho thấy  phụ thuộc vào tần số dòng điện chạy qua dây dẫn, tính chất
từ của vật liệu và từ trưòng ngoài đặt vào vật dẫn theo biểu thức sau:
 

2

(1.3)



6


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

Mối liên hệ giữa độ thấm sâu bề mặt , độ từ thẩm  và từ trường
ngoài Hext được thể hiện trên hình 1.2. Khi từ trường ngoài Hext tăng thì độ từ
thẩm  giảm dẫn tới độ thấm sâu bề mặt tăng và ngược lại.


rr

m
(m)

m
rrr

0

Hext (kOe)

m

m

a

Hext = 0

Hexto o
O
Hình 1.2 Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ trường ngoài

Ngoài ra, sự có mặt của từ trường ngoài Hext và từ trường ngang Ht do
dòng cao tần sinh ra, làm thay đổi quá trình từ hoá (quá trình dịch vách và quá
trình quay vectơ từ độ) trong vật dẫn từ mềm, dẫn tới sự thay đổi độ dầy thấm
sâu bề mặt . Do đó độ lớn sự thay đổi tổng trở (Z) thay đổi, dẫn tới ảnh
hưởng tới hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI. Các kết quả nghiên cứu cho
thấy đối với dây dẫn đồng nhất có bán kính a thì hiệu ứng GMI đạt giá trị lớn

nhất khi độ thấm sâu   a, đối với những dây dẫn gồm một lớp màng từ tính
có chiều dày r bao xung quanh một lõi phi từ có bán kính r thì hiệu ứng
GMI đạt giá trị lớn nhất khi   r [19].
1.1.2 Cấu trúc đômen của vật dẫn từ
1.1.2.1 Cấu trúc đômen của vật dẫn từ khi chưa đặt từ trường ngoài

7


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

Như đã đề cập ở trên, hiệu ứng GMI liên hệ mật thiết đến quá trình từ
hoá của vật dẫn trong từ trường, tức là liên quan tới cấu trúc vi mô của các vật
dẫn từ. Theo các kết quả nghiên cứu, cấu trúc vi mô của vật dẫn từ tổng trở
phụ thuộc vào độ từ giảo, các ứng suất nội và ngoại tác động lên vật liệu.
Hình 1.3 thể hiện sơ đồ cấu trúc đômen trong lõi và vỏ của dây dẫn vô định
hình khi chưa có từ trường ngoài đặt vào. Với vật liệu có hằng số từ giảo
dương, đômen lớp vỏ ngoài của dây có dạng xuyến tròn được gọi là đômen
vòng (hình 1.3 a).

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc đômen trong lõi và vỏ của dây vô định hình
a, Dây có hằng số từ giảo dương (vật liệu VĐH nền Fe)
b, Dây có hằng số từ giảo âm (vật liệu VĐH nền Co)

Đômen vòng làm xuất hiện năng lượng khử từ, năng lượng này giảm
dần theo chiều từ bề mặt đi vào trong lõi. Do sự tồn tại các đômen vòng trên
bề mặt và trong lõi của dây nên các trục dễ từ hoá nằm dọc theo trục của dây
hoặc vuông góc với trục của dây. Vì vậy, các momen từ sẽ tạo với trục của

dây một góc 0O hoặc 90O. Hiện tượng từ giảo âm là nguyên nhân sinh ra cấu
trúc đômen với trục dễ từ hoá dạng vòng (hình 1.3b) [11, 12].
1.1.2.2 Quá trình từ hóa của vật dẫn từ

8


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

Hình 1.4 Quá trình từ hoá xảy ra trong vật liệu sắt từ

Khi từ trường ngoài bằng không, mặc dù từ độ trong từng đômen đạt
giá trị bão hòa, song do chúng định hướng ngẫu nhiên nên mômen từ tổng
cộng của toàn bộ vật sắt từ bằng không: MS.Vi = 0. Dưới tác động của từ
trường ngoài các mômen từ của mỗi đômen sẽ sắp xếp lại và hướng theo từ
trường ngoài làm cho mômen từ tổng cộng của vật tăng. Khi tất cả các
mômen từ của các đômen song song với từ trường ngoài, mẫu đạt bão hòa từ.
(hình 1.4). Quá trình trên được gọi là quá trình từ hoá, bao gồm hai quá trình
là quá trình dịch vách và quá trình quay vectơ từ độ.
*Quá trình dịch vách đômen
Xét hai đômen A và B (gọi là đômen 180 độ vì các véctơ M đối song và
hướng theo phương dễ từ hóa). Vách đômen vuông góc với trục x và dịch
chuyển theo trục x. Mật độ năng lượng vách là hàm của x và khá phức tạp,
được biểu diễn bằng một đường cong có cực trị  =  (x). Tốc độ biến thiên
của năng lượng vách cũng có dạng đường cong phức tạp và phụ thuộc vào x.

9



Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

Hình 1.5 Quá trình dịch vách đômen

Nếu đặt từ trường ngoài H song song với trục Z thì đômen A sẽ phát
triển, vách dịch sang phải lấn chiếm đômen B. Khi dịch sang phải, thể tích
của đomen A sẽ tăng:
VA = y.z.x

(với x: độ dịch chuyển)

(1.4)

Năng lượng từ giảm
(1.5)

EM = O.H.MS. y.z.x

Năng lượng vách tăng
E =


.y.z.x
x

(1.6)



Điều kiện cân bằng mới sẽ là: EM = E hay O.H.MS = x

(1.7)

Điều đó có nghĩa là dưới tác động của từ trường ngoài H, vách chuyển
dời một đại lượng x sao cho năng lượng từ (H.MS) bằng biến thiên năng
lượng


. Nếu x < xC, khi loại bỏ H, vách trở về vị trí ban đầu (có quá trình
x

thuận nghịch). Nếu x > xC, vách sẽ dịch chuyển sang phải cho tới điểm xD

10


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

mà không cần tăng từ trường ngoài vì x tăng dẫn đến


giảm. Điều đó làm
x

cho độ từ hóa tăng đột biến, đây chính là hiệu ứng Barkhausen. Khi bỏ từ
trường ngoài, vách đômen sẽ lui về điểm E với năng lượng cực tiểu, tức là tạo

nên một từ dư nhất định BR và quá trình dịch vách này là không thuận nghịch.
*Quá trình quay vectơ từ độ
Khi quá trình dịch vách kết thúc thì vectơ từ độ bão hòa MS sẽ nằm
song song với phương dễ từ hóa nào gần phương từ trường ngoài nhất. Nếu từ
trường ngoài tiếp tục tăng, vectơ MS sẽ xoay theo H và khi MS // H, đạt bão
hoà từ.

a

b
Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc đômen trong lõi và vỏ của dây vô định hình khi có dòng
điện xoay chiều chạy qua và từ trường ngoài đặt vào dây dẫn.
a, Dây có hằng số từ giảo dương (vật liệu VĐH nền Fe)
b, Dây có hằng số từ giảo âm (vật liệu VĐH nền Co)

1.1.3 Mô hình giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI
Mối quan hệ giữa tổng trở của vật có dẫn từ tính và độ từ thẩm của vật
dẫn được giải thích dựa trên cơ sở lý thuyết về điện động lực học cổ điển và
được mô tả thông qua hiệu ứng bề mặt. Tổng trở phức của vật dẫn từ tính
hình trụ được tính theo công thức:
Z= RdckaJo (k  )/2J1 (k  )

(1.8)

11


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh


Ở đây, Rdc là điện trở của dây dẫn,  là bán kính của dây, J0 và J1 là các
hàm Bessel, và k= (1+j)/  , với  là độ dày thấm sâu và được tính theo công
thức:
 

2

(1.9)



Với  là điện trở suất và  là tần số góc.
Mặt khác

 t = t + 1

(1.10)

Khi tính được độ từ cảm ngang t sẽ tính được độ từ thẩm ngang  t sau
đó thay vào biểu thức (1.9, 1.8) tính được Z nên tính được ∆Z. Từ đó biết
được mối liên hệ giữa hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ và các yếu tố khác. Như
vậy, với vật liệu sắt từ, sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào từ trường ngoài và
tần số quyết định bản chất từ tổng trở của vật dẫn từ.
Hiệu ứng từ tổng trở có thể được hiểu khi biểu diễn độ từ thẩm theo
một trục thích hợp là hàm của tần số và từ trường ngoài. Với vật dẫn hình trụ,
độ từ thẩm có hướng xoay tròn theo trục của dòng điện, và với vật dẫn phẳng
(băng hoặc màng mỏng), độ từ thẩm có phương nằm ngang so với trục của
dòng điện. Độ từ thẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như cấu trúc
đômen, tính dị hướng, ứng suất, và quá trình từ hoá. Do đó việc tạo ra một mô

hình hoàn chỉnh để giải thích hiệu ứng từ tổng trở là rất khó khăn. Ngay sau
khi được tìm thấy vào năm 1994, có rất nhiều mô hình lý thuyết được đưa ra
nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng. Một số mô hình đã rất thành công, tuy
nhiên, mỗi mô hình chỉ phù hợp với một dải tần số nhất định. Ví dụ: mô hình
dòng xoay chiều dành cho dải tần f ~ 100kHz  30MHz; mô hình domain cho
dải tần f ~ 100kHz  100MHz; mô hình điện từ cho dải tần f~ 10MHz 
10GHz; mô hình trao đổi độ dẫn cho dải tần f ~ 10MHz  10GHz. Trong đó
có mô hình chỉ giải thích được nguồn gốc của hiệu ứng GMI mà chưa nói lên
được mối liên hệ giữa cấu trúc đômen, dị hướng từ và tỷ số GMIr. Trong

12


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

phạm vi nghiên cứu của luận văn, một số mô hình toán học đã được tìm thấy
có dải tần phù hợp với dải tần nghiên cứu (dải MHz) và dạng hình học của vật
liệu. Trong đó, mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và quá trình từ hóa của chất
sắt từ với độ từ thẩm và tỷ số GMIr được thể hiện. Đây là mô hình của Squire
[7, 8] dành cho quá trình từ hóa và hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ mềm.

Hình 1.7 Mô hình giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ-GMI

Mô hình này có thể được sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ
và vật dẫn có cấu trúc phẳng (hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của
năng lượng khử từ ngang). Với cấu trúc hình trụ, sự có mặt của vectơ từ độ
theo dạng vòng khép kín, trường khử từ tròn rất nhỏ. Với cấu trúc phẳng,
trường khử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu. Mô hình này bao gồm

cả quá trình dịch vách đômen và qúa trình quay của vectơ từ độ dưới tác dụng
của từ trường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra. Hình 1.7 thể
hiện cấu trúc đômen và các góc được sử dụng trong mô hình.
Xét mô hình dây bao gồm các đômen vách 180 độ như hình vẽ trong đó

 là góc tạo bởi vách đômen và trường ngoài Hax, 1 ,  2 là góc giữa mô men từ
của hai đômen với phương dễ từ hóa dưới tác dụng tổng hợp của từ trường
ngoài Hax và từ trường ngang Ht do dòng điện sinh ra, vuông góc với vật dẫn,
d là kích thước đômen khi không có từ trường ngoài và x là độ dịch chuyển
của vách đômen dưới tác dụng của từ trường ngoài và từ trường ngang.

13


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

Dựa vào mô hình này, cấu trúc đômen được xác định trên quá trình cực
tiểu hoá mật độ năng lượng tự do. Năng lượng này được xác định theo công
thức:

U tot  U k  U Hax  U Ht  U W

(1.11)

với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo công thức:

U K  K [ sin 2 1  (1   ) sin 2 2 ]


(1.11a)

với K là hằng số dị hướng. Thừa số  chỉ phần vật liệu được chiếm giữ bởi
các đômen từ hóa dọc theo trục của từ trường ngoài đặt vào (hình 1.7).

U Hax là năng lượng Zeeman, phụ thuộc vào trục của từ trường ngoài Hax:
U Hax   0 M S H ax [(1   ) cos(   2 )   cos(  1 )]
U Ht

(1.11b)

là năng lượng Zeeman, phụ thuộc vào từ trường ngang Ht:
U Ht   0 M S H t [(1   ) sin(   2 )   sin(  1 )]

(1.11c)

và UW là năng lượng tĩnh từ phụ thuộc vào vị trí cấu trúc vách đômen. Năng
lượng tĩnh từ được thể hiện dưới dạng hàm bậc hai:
UW =  u2

(1.11d)

với u=x/d và  là đơn vị đo “độ cứng” của vách đômen, đại lượng này có
mối liên hệ mật thiết với sự định hướng của mômen từ của các đômen hay các
giá trị góc 1 ,  2 , và vị trí của vách đômen tại vị trí có năng lượng cực tiểu
tương ứng với từ trường Hax đặt vào và từ trường ngang Ht. Sự khác biệt
M giữa các quá trình từ hóa ngang khi có mặt và không có mặt của từ trường

ngang cho phép tính được độ từ cảm theo phương ngang.


t 

M
Ht

(1.12)

Ở đây, trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh chính
trong mối quan hệ giữa từ tổng trở và cấu trúc đômen. Khía cạnh thứ nhất
được nhắc đến là mối quan hệ giữa quá trình từ hóa và hiệu ứng từ tổng trở.

14


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

Những nghiên cứu về độ từ thẩm cho thấy quá trình dịch vách đômen
cũng bị ghim khá mạnh phụ thuộc vào dòng xoay chiều tần số cao. Do đó, mô
hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm ngang cho các vật liệu mà tại
đó có sự dịch chuyển vách đômen do từ trường ngang gây ra. Khía cạnh thứ
hai được nhắc đến trong mô hình này là mối quan hệ giữa sự định hướng trục
dễ từ hoá với hiệu ứng GMI, các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng dạng của
đường cong GMI(H) phụ thuộc vào sự định hướng của trục dễ từ hoá. Khía
cạnh cuối cùng là nghiên cứu sự phân bố dị hướng lên hiệu ứng GMI, một số
kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng GMIr là hàm của M (t).

Hình 1.8 Sự phụ thuộc của t vào H/ Hs


Hình 1.8 thể hiện mối quan hệ giữa độ từ cảm ngang và từ trường ngoài
đặt vào dây dẫn có dòng điện xoay chiều chạy qua khi thay đổi độ cứng β của
vách đômen. Khi β nhỏ vách đômen dịch chuyển dễ dàng dưới tác dụng của
từ trường ngoài. Trong trường hợp này độ từ cảm ngang giảm dần khi tăng từ
trường do quá trình từ hoá ngang trong mỗi đômen bị giảm dần khi các
momen quay hướng theo trục từ trường. Hiện tượng này được giải thích như
sau: Tại tần số thấp, trong quá trình từ hoá chỉ tồn tại quá trình dịch vách
đômen, quá trình quay của véctơ từ độ được bỏ qua. Khi tăng dần β, ảnh

15


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

hưởng của dịch vách đômen đến χ giảm dần. Khi β đạt tới giá trị cao, sự dịch
chuyển vách đômen có thể được bỏ qua, khi đó χ chỉ phụ thuộc duy nhất vào
quá trình quay của vectơ từ độ. Trong trường hợp này khi từ trường ngoài đặt
vào Hex = 0 thì χt = 0 và giá trị χt tăng dần khi từ trường ngoài H → Hk, χt
giảm khi tiếp tục tăng từ trường ngoài H > Hk. Từ đó có thể khẳng định rằng
hiệu ứng GMI thu được ở dải tần f > 1 MHz trong các dây VĐH và băng ủ
trong từ trường được gây ra chủ yếu bởi quá trình quay véctơ từ độ. Hình 1.8
cũng chỉ ra rằng khi H > Hk cả ba đường cong đều hội tụ lại. Điều này được
giải thích do khi H > Hk các mômen từ đều định hướng theo phương từ trường
ngoài, χt chỉ phụ thuộc vào sự đóng góp của các mômen theo phương này.
1.1.4 Hiện tượng tách đỉnh – mô hình giải thích hiện tượng tách đỉnh
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 tách làm hai đỉnh (có hai giá trị
cực đại) trong khoảng từ

trường nhỏ (-50 đến 50
Oe). Điều này mở ra một
tiềm năng to lớn cho
việc ứng dụng chế tạo
sensơr dòng dải đo nhỏ,
cảm biến nhạy từ trường
do

trong

khoảng

từ

trường tách đỉnh tỷ số

Hình 1.9 Hình dạng đường cong GMI khi có hiện
tượng tách đỉnh

GMIr thay đổi rất lớn và
rất nhạy với từ trường.

Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GMI liên quan đến tính dị
hướng của mẫu nghiên cứu và được X.P.Li và các cộng sự giải thích theo mô

16


Khãa luËn tèt nghiÖp


NguyÔn §øc Thµnh

hình cấu trúc đômen chuẩn [10]. Mô hình này có thể giải thích đối với vật dẫn
có hình dạng hình trụ và băng mỏng.
Xét một vật dẫn sắt từ, từ trường ngoài Hext có phương dọc theo trục
của dây, dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn sinh ra từ trường ngang Ht,
Phương của từ trưòng ngang Ht hợp với phương dễ từ hóa một góc K, và  là
góc giữa phương dễ từ hoá và phương vectơ từ độ M của vật liệu.

Easy axis

Ht

Ms

k

I

Hext
(b)
(a)
Hình 1.10 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh
a/ Dạng trụ

b/ Dạng băng mỏng

Năng lượng tổng cộng của dây dẫn từ tính đặt trong từ trường Hext là:
E = K sin2 -MsHextsin (+K)-MsHtcos (K+)


(1.13)

Trong đó:
E năng lượng tổng cộng của hệ
K hằng số dị hướng của vật liệu làm dây dẫn

K là góc hợp bởi phương dễ từ hoá và phương của từ trường ngang Ht
 là góc giữa phương dễ từ hoá và phương từ độ M của vật liệu.
Điều kiện cân bằng của hệ:

17


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

E
= k sin (2) – Ms Hext sin (+K) – Ms Ht cos (+K) = 0


(1.14)

Mặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:

t 

M s
2E


H t
H t 2

(1.15)

Kết hợp các biểu thức (1.13), (1.14) và (1.15) ta xác định được:
M s sin 2 (   K )
t 
H K h sin 2 (   K )  cos(2 )

(1.16)

Trong đó HK = 2K/Ms ; h = Hext/HK
Từ biểu thức (1.16) dựng đồ thị t theo từ trường ngoài ứng với các giá
trị K khác nhau (K thay đổi từ 5O đến 90O). Do t=t + 1 nên t và t có cùng
dạng đồ thị. Do vậy từ đồ thị của t có thể suy ra được hình dạng của đường
cong GMI (hình 1. 11).

Hình 1.11 Đồ thị t theo h ứng với các giá trị K khác nhau.

Theo các tài liệu nghiên cứu và đồ thị được thể hiện trên hình 1.11 cho
thấy:khi K nhỏ hơn 5o thì đường cong t sẽ xuất hiện hai đỉnh với độ nhạy

18


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh


lớn tại h= 1 hay Hext= HK= 2K/MS  HC.; khi K = (5O ÷ 50O) thì đường
cong vẫn xuất hiện tượng tách đỉnh với độ nhạy khác nhau. Khi K = (60O ÷
90O) hiện tượng tách đỉnh trong đường cong không còn nữa. Đây cũng chính
là nguyên nhân gây ra sự tách đỉnh của đường cong GMI [17].
1.2 Vật liệu từ vô định hình (VĐH) có hiệu ứng GMI cao
1.2.1 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. Vì vây 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. Đó là:
-Khi từ hóa, từ độ tiệm cận dần và đạt giá trị bão hòa.
-Có thể quan sát được cấu trúc đômen và tồn tại hiện tượng từ trễ.
-Có hiện tượng từ giảo và các hiện tượng dị hướng từ (trừ dị hướng từ
tinh thể).
-Có tồn tại nhiệt độ Curie.
Sau đây chúng ta sẽ xem xét một số đặc trưng từ tính nổi bật của vật liệu
từ VĐH.
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:
*Mômen từ
Trong hợp kim VĐH trên các nguyên tử kim loại chuyển tiếp chính là
các nguyên tủ có momen từ nguyên tử lớn. Các nguyên tử á kim có nhiệm vụ
ổn định cấu trúc và là nguyên tử có từ tính thấp. Vì vậy momen từ của vật liệu
vô định hình phụ thuộc vào momen từ trung bình 

19



Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

M f của các nguyên tử kim loại và nồng độ C của chúng trong hợp kim.

M=CM f + (1-C)Mn

(1.17)

Trong đó Mf là giá trị độ lớn mômen từ của các nguyên tử từ (Co, Ni,
Fe...), Mn là giá trị độ lớn mômen từ của các nguyên tử á kim (B, P, Si, C…).
Vì vậy những hợp kim này là các sắt từ bị pha loãng, trong các hợp kim trên
cơ sở Fe và Co, M f giảm khi hàm lượng á kim tăng lên. Trong hợp kim Co,
M

f

thay đổi khá trơn tru theo nồng độ á kim và phụ thuộc vào cấu hình

nguyên tử.
*Nhiệt độ Curie.
Mặc dù mômen từ hay từ độ bão hòa ở 0oK của hợp kim VĐH không
nhỏ hơn nhiều so với các hợp kim từ tinh thể nhưng nhiệt độ Curie Tc của hợp
kim VĐH lại thấp hơn rất nhiều so với Tc của hợp kim có cấu trúc tinh thể, đó
là do sự thăng giáng mạnh của tích phân trao đổi, đặc biệt là ở nhiệt độ cao.
Tuy nhiên một số hợp kim VĐH cũng có Tc khá cao ví dụ như hợp kim VĐH
nền Co và Fe có Tc nằm trong khoảng từ 2500C đến 5500C. Nhiệt độ Tc của
hợp kim VĐH có những đặc điểm: Tc thay đổi mạnh theo thành phần, Tc giảm

đơn điệu khi hàm lượng á kim trong hợp kim tăng. Hợp kim trên cơ sở Fe, Co
có nhiệt độ Tc cao. Nhiệt độ Tc khá cao biểu hiện tương tác trao đổi mạnh giữa
các nguyên tử Fe, Co. Hợp kim VĐH chứa hai kim loại Fe, Co vừa có thể đạt
Bs đồng thời có Tc cao vì vừa có mômen từ trung bình lớn, vừa có tương tác
trao đổi giữa Fe và Co rất mạnh.
*Tính từ mềm
Các hợp kim VĐH trên cơ sở nguyên tử kim loại chuyển tiếp (Fe, Co,
Ni) và các á kim (P, B, Si, C, Ge) là những vật liệu có tính chất từ mềm rất
tốt. Lực kháng từ nhỏ nhất cho đến nay thuộc về hợp kim vô định hình giầu
Co với Hc cỡ vài A/m. Độ từ thẩm cực đại m của hệ vật liệu này lớn hơn 104
Cơ chế tạo Hc thấp và  cao liên quan đến quá trình từ hóa trong từ trường.

20


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

Đó là sự dịch chuyển vách đômen và quá trình quay của các véctơ từ độ. Nếu
coi vật liệu VĐH có cấu trúc ngẫu nhiên xếp chặt của các nguyên tử thì sự sắp
xếp hỗn loạn của các nguyên tử sẽ không tạo nên tính dị hướng của các
mômen từ. Do đó các mômen từ spin có thể quay dần dần trên toàn mẫu bằng
các năng lượng khử từ và năng lượng trao đổi tối thiểu (cấu trúc đômen
vòng). Như vậy cơ sở của tính chất từ mềm tốt trong hợp kim VĐH là sự vắng
mặt của dị hướng từ. Muốn tăng cường tính từ mềm của hợp kim vô VĐH
thường chọn các thành phần hợp kim sao cho có từ giảo bù trừ để s của cả hệ
bằng 0 và chọn chế độ xử lý nhiệt tối ưu để khử ứng suất.
1.2.2 Băng vô định hình nền Co
Như đã trình bày ở trên, hiệu ứng GMI đạt tỷ số cao đối với những 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 [3].
Băng VĐH nền Co được chế tạo có bề rộng từ 2 mm đến 5 mm, bề dày
từ 20 đến 35 m. Tính chất cơ học (độ dẻo, độ giòn, độ bền kéo) phụ thuộc
vào độ dày của, băng tức là phụ thuộc vào tốc độ nguội (tốc độ nguội phụ
thuộc vào chiều dày băng theo tỷ lệ nghịch). Tuy nhiên tính chất từ, trước hết
là lực kháng từ Hc và mật độ sắp xếp tốt hơn khi băng dầy trên 30 m. Mặt
khác băng VĐH nền Co được chế tạo trong điều kiện nguội rất nhanh và vì
vậy luôn tồn tại ứng suất dư trong vật liệu này, ứng suất dư làm tăng lực
kháng từ HC và tăng tổn hao công suất lõi dẫn từ. Do các tính chất từ liên

21


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

quan tới cấu trúc VĐH mà quá trình ủ nhiệt có thể kích thích quá trình kết
tinh và làm mất các tính chất từ mềm. Vì vậy điều kiện xử lý nhiệt (nhiệt độ,
thời gian) là rất quan trọng sao cho có thể loại bỏ được ứng suất dư mà vẫn
bảo toàn được cấu trúc VĐH. Ngoài ra, trong một số trường hợp tính chất từ
tốt nhất quan sát thấy khi vật liệu VĐH được kết tinh một phần và pha tinh
thể có thành phần, cấu trúc và kích thước nhất định. Trong những trường hợp
đó, điều kiện xử lý nhiệt càng khe khắt hơn. Trong nhiều trường hợp việc xử

lý nhiệt được tiến hành đồng thời hoặc liên hoàn với xử lý trong từ trường.
Pha sắt từ, các đômen từ được hình thành trong từ trường sẽ có các định
hướng (dị hướng) làm tăng các tính chất từ mềm. Điều quan trọng trong
trường hợp này là phải điều chỉnh thành phần hợp kim sao cho nhiệt độ kết
tinh TK cao hơn nhiệt độ Curie TC.
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. Với các
lớp kết tủa chứa hàm lượng P nhỏ hơn 2% có bề mặt rất mịn, với các lớp kết
tủa chứa hàm lượng P khoảng 5% có bề mặt khá sáng và khi hàm lượng P đạt
tới hơn 10 % thì bề mặt sáng bóng. Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên
họ hợp kim photpho cho thấy hầu hết chúng có cấu trúc vô định hình. Khi xử
lý nhiệt hợp kim vô định hình có thể xảy ra quá trình tái kết tinh hình thành
nên pha tinh thể mới. Độ cứng của hợp kim photpho thường cao hơn kim loại
sạch. Độ cứng của hợp kim photpho nằm trong khoảng 350-700 VHN trong
khi đó đối với Ni và Co kết tủa bằng phương pháp truyền thống là khoảng
200-300 VHN. Độ cứng của hợp kim phốt pho ở nhiệt độ cao là rất kém và
hoàn toàn không có mối liên hệ nào giữa việc cứng hoá của hợp kim bởi quá
trình ủ. Hợp kim Co với 1% P và Ni với 2% P là bền và hơi dẻo. Khi tăng

22


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

hàm lượng P chúng trở nên yếu đi và giòn. Khi xử lí nhiệt hợp kim chứa hàm
lượng P cao tại 800oC càng làm kém đi độ bền và tăng tính giòn so với hợp

kim ban đầu.
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. Ví dụ, với hợp kim điện kết tủa chứa khoảng 1-2% P thì độ bền kéo
lớn hơn nhiều so với kim loại sạch Co – khoảng 2500kg/cm2. Tuy nhiên độ
bền kéo này dễ dàng nhận được với các hợp kim chế tạo với độ dày dưới
1mm và khi tăng độ dày lên thì sẽ dễ xảy ra hiện tượng đứt gãy tự phát. Độ
bền kéo của hợp kim điện kết tủa có thể bị giảm mạnh do một số nguyên nhân
như là sự có mặt của các thành phần hữu cơ trong quá trình chế tạo. Hợp kim
phốtpho là một chất có độ bền ăn mòn cao, đặc biệt là trong môi trường axit.
Hợp kim CoP có Hc thấp, có μ cao. Các tính chất điện từ của hợp kim CoP
đều tốt so với Co nguyên chất. Đồng thời tính chất từ của lớp màng CoP phụ
thuộc mạnh vào hàm lượng P.

23


Khóa luận tốt nghiệp

Nguyễn Đức Thành

Chng 2

Phng phỏp ch to
2.1 Cụng ngh ngui nhanh
2.1.1 Gii thiu cụng ngh ngui nhanh
Cụng ngh ngui nhanh l phng phỏp ch to hp kim vụ nh hỡnh
quan trng vỡ phng phỏp ny cú nng sut cao (vi chc một bng trong
mt giõy), sn phm to ra cú kớch thc ln (cho phộp ch to bng VH

rng ti 150 200 mm), cú ý ngha trong vic ng dng vo thc t.
áp suất

Vòng cảm ứng

VAN

Hợp kim lỏng
Vòi phun
Ar

Băng VĐH

Hỡnh 2.1 S thit b ngui nhanh n trc

Hỡnh 2.1 mụ t s thit b cụng ngh ngui nhanh: Kim loi c
nung chy trong ni nung bng dũng in cm ng cao tn, sau ú ỏp sut khớ
Ar s y kim loi núng chy qua vũi phun (gn lin vi ni nung) lờn mt
mụi trng lm lnh. Mụi trng lm lnh thng l mt hoc hai trng ng
lm bng ng quay nhanh. Khi tia kim loi lng ra khi vũi phun, gp b
mt trng ng, b dn mng, mt nhit nhanh chúng, ụng cng tc thi

24


Khãa luËn tèt nghiÖp

NguyÔn §øc Thµnh

(trong thời gian 1/1000 giây) và văng ra dưới dạng băng mỏng (25-30μm) liên

tục. Vì quá trình đông cứng xảy ra trước quá trình kết tinh nên các băng mỏng
đó chính là các băng hợp kim vô định hình hay còn gọi là thủy tinh kim loại
[10].
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:

Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo mẫu bằng công nghệ nguội nhanh

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 (hình 2.3). 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 Hình 2.3 Băng vô định hình CoFeBSi chế
lý nhiệt cũng được tiến hành để khảo

25

tạo bằng công nghệ nguội nhanh