Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
----------------------------------------

Nguyễn hữu tình

NGHIấN CU TNH CHT T V HIU NG
GMI TRONG VT LIU T Vễ NH HèNH V
NANO TINH TH NG DNG LM CM BIN
DềNG IN

Luận án tiến sĩ Vật lý

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 62.44.07.01

hà nội - 2012


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
----------------------------------

Nguyễn hữu tình

NGHIấN CU TNH CHT T V HIU NG
GMI TRONG VT LIU T Vễ NH HèNH V
NANO TINH TH
NG DNG LM CM BIN DềNG IN
Luận án tiến sĩ Vật lý

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 62.44.07.01
Ngi hng dn: GS. TS. Nguyn Hong Ngh

hà nội 2012


Lêi c¶m ¬n
Luận án này được hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Vật liệu từ Vô định hình và
Nanô tinh thể, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn
khoa học và giúp đỡ tận tình cả về tinh thần và vật chất của GS. TS. Nguyễn Hoàng
Nghị. Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Giáo sư và tập thể
các cán bộ, giáo viên của Bộ môn Quang học và Quang phổ đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.
Xin cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Huy Dân, viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học
và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá nghiên cứu,
đo đạc mẫu tại Viện và cho tôi những góp ý và thảo luận quý báu.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các đồng nghiệp trong nhóm nghiên cứu:
Th. S. Nguyễn Văn Dũng, Lê Cao Cường.
Tôi xin chân thành cảm ơn KS. Nguyễn Ngọc Phách, Nguyễn Văn Sang, Trịnh
Thị Thanh Nga, Nguyễn Hữu Hoàng và ThS. Nguyễn Thị Hồng Tâm đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Vật liệu
từ Vô định hình và Nano tinh thể.
Luận án được thực hiện với sự hỗ trợ của Đề tài nghiên cứu khoa học
Nafosted: ”Nghiên cứu tính chất từ và khả năng ứng dụng của các vật liệu cấu trúc
nano/ Dưới nano và cấu trúc bất đẳng hướng”, mã số 103. 02-2010. 19. (2010-2012)
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2,
Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ tôi trong
quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tới bố, mẹ, vợ và tất cả những người

thân yêu trong gia đình cùng bạn bè đã cổ vũ, động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều cả về
tinh thần lẫn vật chất trong thời gian thực hiện luận án.
Tác giả luận án

0


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận án là của tôi cùng nhóm nghiên cứu
và từ một số bài báo của tôi cùng các đồng tác
giả. Các kết quả trong hợp tác nghiên cứu cùng
các đồng tác giả đã được sự đồng ý của các
đồng tác giả. Các kết quả nêu trong luận án là
hoàn toàn trung thực.
Tác giả luận án

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
I. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
λs

: Từ giảo bão hòa

µ0

: Độ từ thẩm của chân không


Ek

: Năng lượng dị hướng từ tinh thể

Hc

: Lực kháng từ

Hext

: Từ trường ngoài

Ir, Jr, Mr

: Từ độ dư

MS

: Từ độ bão hòa

N

: Hệ số khử từ

RC

: Tốc độ nguội tới hạn

Ta


: Nhiệt độ ủ

TC

: Nhiệt độ Curie

Tm

: Nhiệt độ nóng chảy

Tg

: Nhiệt độ thủy tinh hóa

ta

: Thời gian ủ nhiệt

II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GMI

: Giant Magneto Impedance

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

GMIr

: Giant Magneto Impedance ratio


Tỷ số từ tổng trở khổng lồ

L

: Lỏng

LQN

: Lỏng quá nguội

SEM

: Hiển vi điện tử quét

TM

: Kim loại chuyển tiếp

T-T-T

: Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha

VĐH

: Vô định hình

VSM

: Hệ từ kế mẫu rung


XRD

: Nhiễu xạ tia X
2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Từ trường quanh một vật dẫn có dòng xoay chiều chạy qua.
Hình 1.2 Sự phụ thuộc của tổng trở tương đối (Z/Rdc) vào tần số và từ trường.
Hình 1.3 Mô hình đômen của Squire.
Hình 1.4 Mô hình dị hướng giải thích hiện tượng tách đỉnh của đường cong tỷ số GMI.
Hình 1.5 Hình dạng đường cong tỷ số GMI có hiện tượng tách đỉnh.
Hình 1.6 Đồ thị χt ứng với các giá trị θK khác nhau.
Hình 1.7 Cấu trúc đômen của dây vô định hình.
Hình 1.8 Cấu trúc đômen của màng, băng.
Hình 1.9. Cấu trúc đômen của màng mỏng đa lớp.
Hình 1.10 Tỷ số GMIr của băng vô định hình nền Co thay đổi theo cường độ dòng
điện.
Hình 1.11 Tỷ số GMIr của băng nano tinh thể Fe71Al2Si14B8, 5Cu1Nb3, 5 phụ thuộc tần
số.
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc vi mô của chất rắn. .
Hình 2.2 Hàm phân bố xuyên tâm của Natri lỏng.
Hình 2.3 Các đa diện Bernal.
Hình 2.4 Sự sắp xếp của các mômen từ trong hợp kim VĐH a) trật tự và b) phân tán.
Hình 2.5 (a) Dị hướng từ (phương dễ) tồn tại trong một khoảng cách ngắn. Liên kết từ
do tương tác trao đổi A làm cho các spin song song. (b) Nếu dị hướng tinh thể
địa phương mạnh (KL lớn, từ cứng) các spin song song với nhau trong khoảng
cách nhỏ L ̴ l. (c) Nếu KL nhỏ (từ mềm), khoảng cách mà các spin song song
với nhau lớn L >> l. L0 là khoảng cách tương tác trao đổi sắt từ. d) Mô hình
dị hướng từ ngẫu nhiên trong vật liệu từ mềm nano tinh thể. (e) Dị hướng từ

tinh thể giảm mạnh trong vùng kích thước nm. (f) Lực kháng từ HC của vật
3


liệu finemet tuân theo qui luật mũ 6, đối với các vật liệu từ mềm kinh điển qui
luật đó là 1/D.
Hình 2.6 (a) Hợp kim đa nguyên tố và siêu quá bão hòa được đông cứng nhanh từ thể
lỏng tạo trạng thái VĐH. (b) Khi ủ, trạng thái siêu qua bão hòa bị phá vỡ:
Cu, Nb, và B với nồng độ quá bão hòa tách ra khỏi Fe. Thành phần hợp kim
bị phân ly thành vùng giàu Fe và vùng giàu Cu, Nb, B, các vùng này có nhiệt
độ kết tinh khác nhau Tc1(Fe) < Tc2. Nếu mẫu được ủ tại nhiệt độ: Tc1(Fe) < T <
Tc2, pha α – Fe(Si) kết tinh, pha VĐH giàu Cu, Nb, B không kết tinh và bao
lấy hạt tinh thể α – Fe, hạn chế hạt này trong phạm vi vài chục nano mét. (c)
Cấu trúc vật liệu từ mềm nano tinh thể FeCuNbSiB sau khi ủ nhiệt tại Tc1(Fe)
< T < Tc2.
Hình 2.7 Ảnh TEM chụp cấu trúc hạt nano tinh thể của finemet, a) ảnh trường sáng, b)
ảnh trường tối.
Hình 2.8 Sơ đồ năng lượng tự do phụ thuộc vào thành phần hợp kim.
Hình 2.9 Đường cong động học kết tinh, τ là vùng thời gian tạo mầm.
Hình 2.10 Một số phương pháp chế tạo vật liệu VĐH dạng băng mỏng từ thể lỏng.
Hình 2.11 Sơ đồ mô tả các cơ chế truyền nhiệt trong kỹ thuật nguội nhanh.
Hình 2.12 Giản đồ TTT: đường cong chữ C cho biết nhiệt độ và thời gian bắt đầu kết
tinh. Điểm N của đường C tương ứng nhiệt độ và thời gian TN và tN.
Hình 3.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không.
Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ nấu hồ quang và đúc mẫu.
Hình 3.3 Băng hợp kim VĐH, chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh.
Hình 3.4 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không.
Hình 3.5 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của phương pháp đo nhiễu xạ tia X.
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét SEM.
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phân tích nhiệt vi sai DSC.

Hình 3.8 Sơ đồ hệ đo từ kế mẫu rung (VSM).
4


Hình 3.9 Hệ đo từ trễ tĩnh
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lí hệ đo từ trễ tĩnh.
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ đo GMI.
Hình 3.12 Hình ảnh hệ đo GMI.
Hình 4.1 Giản đồ EDX của mẫu N2.
Hình 4.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9 vừa chế tạo xong.
Khẳng định trạng thái vô định hình của tất cả các mẫu.
Hình 4.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9 sau khi ủ 15 phút
trong nhiệt độ 5400C cho thấy đã xuất hiện các vạch nhiễu xạ của pha tinh
thể ở một số mẫu.
Hình 4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu N0 ủ 15 phút ở nhiệt độ 5400C.
Hình 4.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe73,5Cu1 Nb3Si13,5B9 ủ ở nhiệt độ 5400C với
thời gian ủ khác nhau.
Hình 4.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe73,5Cu1 Nb3Si13,5B9 ủ trong 15 phút ở các
nhiệt độ ủ khác nhau.
Hình 4.7 Giản đồ quét nhiệt vi sai (DSC) của mẫu N1.
Hình 4.8 Đường cong từ hóa của mẫu chưa ủ đo bằng hệ VSM để xác định Ms
Hình 4.9 Đường cong từ trễ của mẫu N3 chưa ủ đo bằng hệ đo từ mềm để xác định Hc.
Hình 4.10 Sự phụ thuộc của Hc vào hàm lượng Nb, mẫu chưa ủ.
Hình 4.11 Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms vào hàm lượng Nb mẫu chưa ủ.
Hình 4.12 Sự phụ thuộc của Hc vào hàm lượng Nb, mẫu ủ ở nhiệt độ 5400C, 15 phút.
Hình 4.13 Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms vào hàm lượng Nb, mẫu ủ ở nhiệt độ
5400C, 15 phút.
Hình 4.14 Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms vào nhiệt độ ủ mẫu.
Hình 4.15 Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ mẫu. .
5



Hình 4.16 Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms vào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.17 Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào thời gian ủ mẫu.
Hình 4.18 Giản đồ phổ EDX của băng vô định hình Co75-xFexSi15B10.
Hình 4.19 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Co75-xFexSi15B10 (x = 1, 3, 5, 7 và 9) sau
khi chế tạo.
Hình 4.20 Giản đồ DSC của các mẫu Co75-xFexSi15B10 (x = 1, 3, 5, 7 và 9).
Hình 4.21 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Co75-xFexSi15B10 xử lý nhiệt ở 360oC
trong 1h.
Hình 4.22 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Co75-xFexSi15B10 xử lý nhiệt ở 440oC
trong 1h.
Hình 4.23 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lượng Fe mẫu chưa ủ
Hình 4.24 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lượng Fe mẫu chưa ủ.
Hình 4.25 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lượng Fe mẫu ủ ở 3800C trong 1h.
Hình 4.26 Từ độ bão hòa Ms của phụ thuộc vào hàm lượng Fe mẫu ủ ở 3800C trong 1h.
Hình 4.27 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào nhiệt độ trong 1h.
Hình 4.28 Từ độ bão hòa Ms của phụ thuộc vào nhiệt độ ủ trong 1h.
Hình 4.29 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào thời gian ủ, ở nhiệt độ 3800C.
Hình 4.30 Từ độ bão hòa Ms của phụ thuộc vào thời gian ủ, ở nhiệt độ 3800C.
Hình 5.1 Ảnh SEM chụp bề mặt mẫu băng Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 ủ ở nhiệt độ 5000C
trong 20 phút. .
Hình 5.2 Ảnh chụp SEM bề dày các mẫu sau khi chế tạo.
Hình 5.3 Đồ thị GMI (tần số 6 MHz) theo chiều dài mẫu đo.
Hình 5.4 Tỷ số GMI cực đại theo chiều dài mẫu đo (bề rộng mẫu là 2 mm).
Hình 5.5 Đồ thị GMI (tần số 4 MHz) theo chiều rộng mẫu đo.
Hình 5.6 Tỷ số GMI cực đại theo chiều rộng mẫu đo.
6



Hình 5.7 Đồ thị GMI mẫu N3 ủ 5400C trong 15 phút.
Hình 5.8 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI vào tần số dòng điện.
Hình 5.9 Đồ thị GMI (tần số 4 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 5.10 Đồ thị GMI (tần số 6 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 5.11 Đồ thị GMI (tần số 10 MHz) của các mẫu chưa ủ.
Hình 5.12 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI theo hàm lượng Nb với các mẫu chưa ủ.
Hình 5.13 Đồ thị GMI (tần số 6 MHz) của mẫu N3 ủ 5400C.
Hình 5.14 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI theo hàm lượng Nb với các mẫu ủ 5400C.
Hình 5.15 Đồ thị GMI (tần số 6 MHz, 15 phút) theo nhiệt độ ủ mẫu N3
Hình 5.16 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI vào nhiệt độ ủ mẫu (15 phút).
Hình 5.17 Đồ thị GMI (tần số 6 MHz) của mẫu N3 ủ 5400C theo thời gian ủ.
Hình 5.18 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI vào thời gian ủ mẫu (5400C).
Hình 5.19 Đồ thị GMI theo hàm lượng Fe, mẫu chưa ủ.
Hình 5.20 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI vào hàm lượng Fe, mẫu chưa ủ
Hình 5.21 Đồ thị GMI theo hàm lượng Fe, mẫu ủ ở 3600C/1h.
Hình 5.22 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI vào hàm lượng Fe, mẫu ủ ở 3600C/1h.
Hình 5.23 Đồ thị GMI của mẫu Co70Fe5Si15B10 thời gian ủ, 6MHz.
Hình 5.24 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI vào thời gian ủ của mẫu Co70Fe5Si15B10, 6MH.
Hình 5.25 Đồ thị GMI của mẫu Co70Fe5Si15B10 theo nhiệt độ ủ, 6MHz.
Hình 5.26 Sự phụ thuộc của tỷ số GMI cực đại vào nhiệt độ ủ (mẫu I3, 6MHz).
Hình 6.1 Sơ đồ phép đo dòng điện không tiếp xúc theo nguyên lý cảm ứng điện từ
(trái) và nguyên lý sử dụng sensơ GMI (phải).
Hình 6.2 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến dòng GMI.
Hình 6.3 Sơ đồ xuyến dẫn từ.
7


Hình 6.4 So sánh tín hiệu ra theo vị trí đặt dây a) Vị trí đặt dây; b) Đặc tuyến U-I theo
từng vị trí.
Hình 6.5 Ảnh hưởng của vật liệu làm xuyến đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy (b) (cùng

đường kính 40 mm và số lớp 20).
Hình 6.6 Ảnh hưởng của số lớp quấn xuyến (VĐH) đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy
(b) với đường kính xuyến là 20 mm.
Hình 6.7 Ảnh hưởng của số lớp quấn xuyến (VĐH) đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy
(b) với đường kính xuyến là 40 mm.
Hình 6.8 Ảnh hưởng của số lớp quấn xuyến (VĐH) đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy
(b) với đường kính xuyến là 60 mm.
Hình 6.9 Ảnh hưởng của đường kính xuyến (VĐH) đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy
(b) với số lớp quấn xuyến là 10.
Hình 6.10 Ảnh hưởng của đường kính xuyến (VĐH) đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy
(b) với số lớp quấn xuyến là 20.
Hình 6.11 Ảnh hưởng của đường kính xuyến (VĐH) đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy
(b) với số lớp quấn xuyến là 30.
Hình 6.12 Sự phụ thuộc từ trường H trong khe vào dòng điện I, đối với bề rộng khe
khác nhau.
Hình 6.13 Ảnh hưởng của chiều dài sensơ đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy (b).
Hình 6.14 Ảnh hưởng của chiều rộng sensơ đến đặc tuyến U-I (a) và độ nhạy (b).
Hình 6.15 Đặc tuyến U-I đối với dòng điện xoay chiều (a). So sánh với đặc tuyến của
dòng một chiều (b).
Hình 6.16 Đặc tuyến U-I của dải đo 0÷1A.
Hình 6.17 Đặc tuyến U-I của dải đo 1÷10A.
Hình 6.18 Đặc tuyến U-I của dải đo 10÷60A.
Hình 6.19 Đặc tuyến U-I của dải đo 40 ÷ 100A (a) và dải đo 100 ÷ 300A (b).
8


Hình 6.20 Đặc tuyến U-I, khẳng định tính lặp lại của sensơ.
Hình 6.21 Mạch tạo dao động.
Hình 6.22 Mạch phát tín hiệu.
Hình 6.23 Mạch thu và chỉnh lưu tín hiệu.

Hình 6.24 Khối chuẩn hóa tín hiệu.
Hình 6.25 Khối vi điều khiển và hiển thị.
Hình 6.26 Khối kết nối máy tính.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số từ của một số loại vật liệu.
Bảng 2.2 Vận tốc nguội tới hạn RC trong quá trình vô định hình hóa hợp kim.
Bảng 3.1 Hệ hợp kim vô định hình nền côban.
Bảng 3.2 Hệ hợp kim nền sắt (Finemet).
Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả đo EDX của các mẫu Finemet.
Bảng 4.2 Sự thay đổi kích thước hạt theo nhiệt độ và thời gian ủ với mẫu N3.
Bảng 4.3 Nhiệt độ chuyển pha của các mẫu theo hàm lượng Nb.
Bảng 4.4 Kết quả khảo sát từ với các mẫu theo sự thay đổi của hàm lượng Nb
Bảng 4.5 Kết quả khảo sát từ của mẫu N3 theo nhiệt độ ủ và thời gian ủ.
Bảng 4.6 Nhiệt độ kết tinh pha α-Co của các mẫu băng vô định hình Co75-xFexSi15B10.
Bảng 4.7 Nhiệt độ ủ và cấu trúc của băng Co75-xFexSi15B10 với thời gian ủ được cố định
60 phút.
Bảng 4.8 Tính chất từ của các mẫu băng vô định hình Co75-xFexSi15B10 (x=1, 3, 5, 7, 9).
Bảng 4.9 Kết quả khảo sát tính chất từ của mẫu I3 (Co70Fe5Si15B10) theo nhiệt độ ủ và
thời gian ủ.
Bảng 6.1 Sự phụ thuộc của H1 vào D, N.
9


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ, DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU
Chương 1: HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI)


Trang
17

1.1. Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI
1.2. Lý thuyết giải thích hiệu ứng GMI
1.2.1. Vùng tần số thấp, cỡ vài kHz
1.2.2. Vùng tần số trung bình, cỡ vài MHz
1.2.3. Vùng tần số cao từ hàng trăm MHz đến GHz)
1.3. Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ
1.3.1. Cấu trúc đômen và tính dị hướng từ
1.3.2. Hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GMI
1.3.3. Cấu trúc đômen và hiệu ứng GMI trong vật liệu
1.4. Ảnh hưởng của thông số đo đến tỷ số GMI
1.4.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện
1.4.2. Ảnh hưởng của tần số dòng điện
1.4.3. Hiệu ứng GMI trong dải nhiệt độ thấp
Tóm tắt chương 1
Chương 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM CÓ CẤU TRÚC VĐH VÀ NANO TINH
THỂ CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ NGUỘI NHANH

17
18
19
20
20
20
20
22
24

26
26
27
27
28

2.1. Vật liệu từ mềm có cấu trúc vô định hình
2.1.1. Cấu trúc vô định hình của hợp kim
2.1.2. Các tính chất từ của vật liệu từ vô định hình
2.1.3. Ảnh hưởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt lên
tính chất từ của hệ vật liệu Co – Fe – Si – B
2.2. Vật liệu từ mềm nano tinh thể
2.2.1. Cấu trúc nano tinh thể
2.2.2. Các tính chất từ của vật liệu từ nano tinh thể
2.2.3. Ảnh hưởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt lên
tính chất từ của hệ vật liệu Fe – Cu – Nb – Si – B
2.2.4. Động học kết tinh trong vật liệu từ Finemet
2.3. Công nghệ nguội nhanh

29
29
31

29

37
38
38
39
42

43
54
10


2.3.1. Các phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dưới dạng băng mỏng
2.3.2. Tốc độ nguội của hợp kim lỏng
2.3.3. Tốc độ nguội tới hạn
Tóm tắt chương 2
Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

54
55
56
58
59

3.1. Đối tượng nghiên cứu
3.2. Chế tạo, xử lý mẫu và các phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu trúc vô định hình bằng thiết bị
nguội nhanh đơn trục
3.2.2. Kỹ thuật gia công mẫu
3.2.3. Xử lý nhiệt
3.3 Các phương pháp nghiên cứu
3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
3.3.2. Phương pháp phân tích hiển vi điện tử quét và phương pháp tán sắc
năng lượng tia X (EDX)
3.3.3. Phương pháp quét nhiệt vi sai (DSC)
3.3.4. Phương pháp đo từ độ bão hòa bằng từ kế mẫu rung
3.3.5. Xác định lực kháng từ Hc bằng hệ đo từ hóa tĩnh

3.3.6. Phương pháp đo tổng trở GMI
Tóm tắt chương 3
Chương 4: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ CỦA BĂNG HỢP
KIM

59
60
60
62
63
64
64
65
66
67
68
69
71
72

4.1. Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của hợp kim nano tinh thể Fe76. 572
xCu1NbxSi13,5B9
4.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Nb và chế độ xử lý nhiệt đến cấu
73
trúc của hợp kim nano tinh thể Fe76,5-xCu1NbxSi13,5B9
4.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Nb đến tính chất từ của hệ hợp
kim Fe76. 5-xCu1NbxSi13,5B9
77
4.1.3. Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến tính chất từ hợp kim Fe76. 580
xCu1NbxSi13,5B9

4.2. Kết quả nghiên cứu hợp kim vô định hình nền Co - Co75-xFexSi15B10
82
4.2.1. Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt và hàm lượng Fe lên cấu trúc vật liệu
82
4.2.2. Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt và hàm lượng Fe đến tính chất từ của
băng vô định hình Co75-xFexSi15B10
85
Kết luận chương 4
88
Chương 5: NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG GMI CỦA BĂNG HỢP KIM
89
11


5.1. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến hiệu ứng GMI
89
5.2. Khảo sát ảnh hưởng của tần số dòng điện cao tần đến hiệu ứng GMI
91
5.3. Nghiên cứu hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim nano tinh thể Fe76. 592
xCu1NbxSi13,5B9
5.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Nb trong hợp kim đến tỷ số
GMIr của hợp kim nano tinh thể Fe76.5-xCu1NbxSi13.5B9
92
5.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến đến tỷ số GMIr của hợp
kim nano tinh thể Fe76.5-xCu1NbxSi13.5B9
94
95
5.4. Nghiên cứu hiệu ứng GMI trên hệ hợp kim vô định hình Co75-xFexSi15B10
5.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Fe trong hợp kim đến tỷ số GMIr
của hợp kim vô định hình Co75-xFexSi15B10

95
5.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến đến tỷ số GMIr của hợp
kim vô định hình Co75-xFexSi15B10
96
Kết luận chương 5
97
Chương 6: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN GMI, ĐO
DÒNG ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG TIẾP XÚC
98
6.1. Ứng dụng hiệu ứng GMI để chế tạo cảm biến đo dòng điện bằng phương
pháp không tiếp xúc
6.2. Khảo sát ảnh hưởng của vị trí đo đến đặc tuyến U-I và độ nhạy của cảm
biến GMI
6.3. Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu làm xuyến đến đặc tuyến U-I và độ nhạy
của cảm biến GMI
6.4. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số xuyến dẫn từ đến đặc tuyến U-I và độ
nhạy của cảm biến GMI
6.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của số lớp quấn xuyến dẫn từ đến đặc tuyến U-I
và độ nhạy của cảm biến GMI
6.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của đường kính xuyến dẫn từ đến đặc tuyến U-I
và độ nhạy của cảm biến GMI
6.4.3. Khảo sát cảm ứng từ B theo độ rộng khe từ
6.5. Khảo sát cảm biến theo kích thước sensơ GMI
6.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sensơ đến đặc tuyến U-I và độ
nhạy của cảm biến GMI
6.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của chiều rộng sensơ đến đặc tuyến U-I và độ
nhạy của cảm biến GMI
6.6. Khảo sát phép đo dòng một chiều và xoay chiều trên cùng một sensơ GMI
6.7. Khảo sát đặc tuyến U-I và độ nhạy theo các dải dòng điện đo dòng điện khác
nhau, trên cùng một cảm biến GMI

6.7.1. Dải đo 0÷1A

98
101
101
102
102
105
106
106
107
107
108
109
109
12


6.7.2. Dải đo 0÷10A
6.7.3. Dải đo 10÷60A
6.7.4. Dải đo 40÷100A
6.7.5. Dải đo 100÷300A
6.8. Khảo sát khả năng lặp lại của cảm biến GMI
6.9. Thiết kế sơ đồ nguyên lý cảm biến dòng GMI
6.9.1. Khối phát tín hiệu
6.9.2. Khối thu và chỉnh lưu tín hiệu
6.9.3. Khối chuẩn hóa tín hiệu
6.9.4. Khối vi điều khiển và hiển thị
6.9.5. Khối kết nối máy tính
Kết luận chương 6

KẾT LUẬN CHUNG

109
110
110
110
111
112
112
114
114
115
115
116
117

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

119

Tài liệu tham khảo

120

13


MỞ ĐẦU
1- Tổng trở cao tần Z là sự cản trở dòng điện cao tần trong dây dẫn. Hiệu ứng
này dựa trên hai hiện tượng vật lý cổ điển là: hiện tượng cảm ứng điện từ và hiệu ứng

bề mặt. Hiện tượng cảm ứng điện từ cho thấy dòng điện biến thiên trong dây dẫn sinh
ra từ trường biến thiên, đến lượt mình từ trường biến thiên lại sinh ra trong dây dẫn
dòng điện hướng ngược chiều với dòng điện ban đầu và cản trở dòng điện này. Trong
hiệu ứng bề mặt, dòng điện cao tần chỉ phân bố trên bề mặt dây dẫn (đặc trưng bởi độ
thấm bề mặt δ), điều đó tương tự như thiết diện dây dẫn bị thu nhỏ lại đối với dòng cao
tần và vì vậy cản trở dòng điện này. Điều quan trọng là “độ mỏng” của lớp bề mặt δ tỷ
lệ nghịch với căn số của tần số f của dòng điện, đồng thời tỷ lệ nghịch với căn số của
độ thấm từ µ của dây dẫn từ tính. Đến đây vai trò của dây dẫn, nhất là dây dẫn từ tính
đã hé lộ.
Vật liệu từ vô định hình (VĐH) dưới dạng băng mỏng hoặc sợi mảnh kích thước
cỡ một vài cho tới chục micro met là kích thước so sánh được với độ thấm cao tần δ.
Điện trở suất cao và đặc biệt từ thẩm cao của vật liệu từ vô định hình và nano tinh thể
là các yếu tố quan trọng có thể khai thác và điều khiển hiệu ứng tổng trở cao tần trong
dây dẫn từ tính.
Khi dây dẫn từ tính đặt gần một từ trường ngoài H, từ trường này làm thay đổi
độ từ thẩm µ của dây dẫn và điều này dẫn đến thay đổi độ lớn của lớp thấm bề mặt δ và
thay đổi tổng trở Z. Sự thay đổi tổng trở được đặc trưng bởi tỷ số giữa hiệu tổng trở khi
có và không có từ trường ∆Z = Z(H) - Z(0) trên tổng trở ban đầu Z(0). Tỷ số đó gọi là
tỷ số tổng trở từ (Magneto-Impedance Ratio MIR).
Dây dẫn từ tính làm bằng băng hoặc sợi vô định hình (VĐH) vốn có từ thẩm µ
rất cao. Dưới tác động của từ trường ngoài H, µ thay đổi mạnh làm cho độ thấm bề mặt
δ thay đổi mạnh dẫn đến sự thay đổi mạnh của tổng trở Z của dây dẫn. Trong trường
hợp đó người ta dùng thuật ngữ tổng trở khổng lồ Giant Magneto - Impedance (GMI)
và đặc trưng bởi tỷ số GMI (hoặc GMIr).
Như vậy, để nhận được tỷ số tổng trở GMIr cao, dây dẫn từ tính phải có từ thẩm
µ cao hay nói cách khác dây dẫn phải là vật liệu có tính từ mềm tốt.
Xuất phát từ lập luận trên, việc nghiên cứu hiệu ứng tổng trở khổng lồ GMI phải
gắn liền với nghiên cứu các loại vật liệu từ mềm tốt nhất: độ từ thẩm cao µ, điện trở
suất ρ cao và độ mỏng nhỏ. Băng từ mềm vô định hình và nano tinh thể có các tính
chất đó. Vì vậy đối tượng và mục tiêu nghiên cứu của luận án là:

2- Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu từ mềm vô định hình nền Co và vật liệu từ mềm
nano tinh thể nền Fe đa thành phần, chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng,
cụ thể như sau:
Hệ vật liệu thứ nhất: Co75-xFexSi15B10 trong đó thành phần Fe thay đổi với x = 1,
3, 5, 7 và 9.
14


Hệ vật liệu thứ hai Fe76.5-xCu1NbxSi13.5B9 trong đó thành phần Nb thay đổi với x
= 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 7.
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần các hợp kim, chế
độ xử lý nhiệt để nhận được cấu trúc vi mô cho tính chất từ mềm tốt nhất. Quan hệ
giữa 3 yếu tố đó phải sao cho một mặt tạo ra tính chất từ tốt, mặt khác, cũng rất quan
trong là, các mẫu nghiên cứu phải có tính “công nghệ”: dễ chế tạo, dễ xử lý nhiệt và
giá thành không quá cao.
Các mẫu có thành phần và được xử lý nhiệt tối ưu được chế tạo thành các sensơ
tổng trở (dây dẫn từ tính có hình dạng hợp lý) và được khảo sát tỷ số GMI. Ở đây, yếu
tố hình học của sensơ (yếu tố nội tại của sensơ: độ mỏng, chiều rộng và chiều dài) và
các yếu tố bên ngoài (tần số dòng điện cao tần f) được nghiên cứu kỹ. Mục đích của
nghiên cứu này là tạo ra các sensơ cho tỷ số GMI lớn nhất trong dải từ trường đủ nhỏ.
Các sensơ GMI cùng mạch điện tử tạo ra các cảm biến dòng điện (current
sensơr) và được dùng trong các thiết bị đo dòng không tiếp xúc. Vấn đề được đặt ra để
khảo sát là dải đo dòng điện: nhỏ, trong vòng vài chục ampe và lớn – vài trăm ampe và
khả năng đồng thời đo dòng xoay chiều AC và một chiều DC trên cùng một sensơ đo.
Sensơ dòng GMI tạo ra một kiểu đo dòng điện không tiếp xúc hoàn toàn mới: không
cần sự biến thiên dòng điện để tạo ra suất điện động cảm ứng (dòng điện đo không nhất
thiết phải là dòng xoay chiều AC), tín hiệu ra trên hai đầu sensơ đồng dạng với dòng
điện đo (so với phương pháp kinh điển dựa trên nguyên lý điện động, dòng điện đo
phải biến thiên, tính hiệu lấy trên cuộn dây có dạng xung nhọn). Tạo ra được một loại

sensơ dòng điện mới và có nhiều tiềm năng ứng dụng thực tế (tín hiệu ra đủ mạnh, độ
nhạy đủ cao) là mục đích của việc nghiên cứu này. Vấn đề sai số của phép đo sẽ thuộc
về phần điện tử - tin học và không là vấn đề khó giải quyết.
3- Phương pháp nghiên cứu
Xuất phát từ đối tượng và mục tiêu nghiên cứu là làm rõ mối quan hệ giữa công
nghệ chế tạo và xử lý mẫu - cấu trúc vi mô và tính chất từ và tổng trở của mẫu, một
loạt các phương pháp thực nghiệm đã được áp dụng. (i) Mẫu được chế tạo bằng công
nghệ nguội nhanh từ thể lỏng, một công nghệ tiên tiên kết hợp được cả 3 công nghệ
nấu chảy, đúc và cán mỏng vào một công đoạn. (ii) Nhờ tốc độ nguội rất nhanh (105 106 K/s), hợp kim lỏng đa thành phần đông cứng dưới dạng phi tinh thể, nhờ đó có thể
điều khiển được quá trình tái kết tinh tạo ra cấu trúc nano bằng cách xử lý nhiệt. (iii)
Phương pháp DSC và XRD được áp dụng để xác định nhiệt độ kết tinh, nhiệt độ ủ mẫu
và các pha hình thành trong quá trình đó. Tính chất từ được đo bằng thiết bị VSM và
các thiết bị đo đường cong từ trễ khác. (iv) Các phương pháp hiện đại khác như EDX,
SEM… cũng được dùng để xác định thành phần và hình thể của mẫu. (v) Hiệu ứng
GMI được đo trên một bàn đo chuyên dụng được tin học hóa với dòng điện 3 tần số dải
Mega Hertz, từ trường tới 400 Oe.
4- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
Vật liệu từ VĐH và nano tinh thể là các vật liệu mới và tiên tiến do có cấu trúc
vi mô rất đặc biệt. Hiệu ứng GMI trong các vật liệu có lịch sử dưới 20 năm và đang
còn được tiếp tục nghiên cứu. Luận án này như tên gọi của nó bao gồm các vật liệu và
15


hiệu ứng trên, vì vậy mang tính mới, tính khoa học cao. Luận văn hướng rất rõ vào
mục tiêu chế tạo các sensơ GMI và cảm biến dòng GMI để đo dòng điện theo phương
pháp không tiếp xúc. Đây là một phương pháp đo dòng không tiếp xúc hoàn toàn mới
và có khả năng ứng dụng cao: dải đo rộng, đo đồng thời dòng xoay chiều và một chiều
trên cùng một sensơ. Điều này phản ảnh tính thực tiễn và tính ứng dụng của đề tài luận
án.
5- Bố cục của luận án:

Luận án gồm 122 trang bao gồm 121 hình vẽ, đồ thị và 16 bảng được trình bày
trong 6 chương nội dung. Cụ thể như sau:
Mở đầu. Chương 1: Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ. Chương 2: Vật liệu từ có cấu
trúc vô định hình và nano tinh thể chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh. Chương 3: Các
phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Chương 4: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của
băng hợp kim nano tinh thể nền Fe và vô định hình nền Co. Chương 5: Nghiên cứu
hiệu ứng GMI của băng hợp kim nano tinh thể nền Fe và vô định hình nền Co. Chương
6: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cảm biến đo dòng điện GMI. Kết luận.
6- Các vấn đề đặt ra trong luận văn này là bước nối tiếp trong việc nghiên cứu
hiệu ứng tổng trở khổng lồ GMI được bắt đầu từ những năm 90 của thế kỷ 20. Có thể
nhắc tới các công bố của L. V. Panina trong đó tỷ số GMI đạt ~300% trong vật liệu từ
VĐH nền Co (Appl. Phys. Lett. 1994). Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu thuộc Viện
Vật lý kỹ thuật, ĐHBK HN cũng đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng hiệu ứng GMI
trong vật liệu từ VĐH từ đầu thế kỷ này, tỷ số GMI cũng đạt trên dưới 300% (N. H.
Nghi et al (Physica B, V. 327 (2003), N. H, Nghi et al, Proc. of The 9th APPC (2004)).
Nhóm nghiên cứu của GS N. Chau, ĐH KHTN, ĐHQG HN cũng công bố các kết quả
nghiên cứu theo hướng này. Ngoài vật liệu từ nguội nhanh, các sợi hai lớp (lõi phi từ
bọc bởi vỏ sắt từ) cũng cho tỷ số GMI rất lớn (M. T. Tung, N. V. Dung. N. H Nghi, P.
M. Huong…Physica D: App. Physics 41 (2008)). Làm việc ở nước ngoài, GS P. M.
Huong cùng đồng nghiệp đã công bố nhiều tổng quan và kết quả nghiên cứu về hiệu
ứng GMI (J. Appl Phys 2003; 42: 5571–4, Progress in Materials Science 53 (2008),
323–420). Các công bố 10 - 15 năm trước đây kể trên cho phép chọn đúng hướng
nghiên cứu cho đề tài luận án. Luận án này là bước tiếp nối và phát triển hướng nghiên
cứu trên, đặc biệt trên họ vật liệu từ nano tinh thể và triển khai ứng dụng trong cảm
biến dòng điện.

16


Chương 1: HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI)

1.1. Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI
Tương tự như điện trở thuần R, tổng trở Z là tác nhân cản trở dòng điện trong
dây dẫn, vì vậy có thể viết I=U/Z (dòng điện I, điện áp U và tổng trở Z). Nguyên nhân
xuất hiện của tổng trở được giải thích dựa trên hai hiện tượng vật lý cổ điển là: hiện
tượng cảm ứng điện từ và hiệu ứng bề mặt.
i’
i =Ioeiωt

δ
Ht
Hext

Hình 1.1 Từ trường quanh một vật dẫn có dòng
xoay chiều chạy qua.

Khi cho dòng điện xoay chiều i= Ioeiωt chạy qua một vật dẫn (hình 1.1). Dòng
điện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trường Ht biến thiên xung quanh dây dẫn. Điều
này dẫn đến xuất hiện một suất điện động cảm ứng biến thiên và tạo ra dòng điện cảm
ứng i' có chiều ngược với chiều của dòng điện chính i. Dòng điện cảm ứng này có tác
dụng chống lại dòng điện chính, đây chính là nguyên nhân gây ra tổng trở của dây dẫn
giải thích theo hiện tượng cảm ứng điện từ.
Còn theo hiệu ứng bề mặt, đối với dây dẫn điện thông thường, khi có dòng cao
tần chạy qua, dòng điện này chỉ xuất hiện ở một lớp trên bề mặt có độ dày δ được gọi
là độ thấm sâu bề mặt (độ thấm dòng điện). Độ thấm δ được định nghĩa là chiều sâu
tính từ bề mặt dây dẫn điện đến vị trí mà ở đó mật độ dòng điện giảm e lần (J=JS e-d/δ)
~ 37% so với ở bề mặt theo hướng xuyên tâm [61, 67]. Trong hiệu ứng bề mặt, dòng
điện chỉ phân bố trên bề mặt, điều đó tương tự như thiết diện dây dẫn bị thu nhỏ lại, do
đó nó cản trở dòng điện cao tần. Tổng trở phụ thuộc vào tần số thông qua độ thấm
dòng điện δ (hiệu ứng bề mặt).
Đối với dây dẫn điện từ tính, độ thấm phụ thuộc vào tần số góc ω=2πf, độ dẫn

điện và điện trở suất σ=1/ρ cũng như độ từ thẩm tương đối µr= µ/µ0 (µ: độ từ thẩm của
vật dẫn, µ0: hằng số từ).
1
1
(1.1)
δ~
µ t 2πωσ
EA

E

A

A

A

17


Hiệu ứng tổng trở khổng lồ (giant magnetoimpedance-GMI) là sự thay đổi mạnh
của tổng trở Z của vật dẫn từ tính khi có dòng điện cao tần đi qua, dưới tác động của từ
trường ngoài Hext (hình 1. 1). Hiệu ứng này được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm
1994 [83]. Hiệu ứng quan sát tốt nhất trong các vật liệu từ siêu mềm (độ từ thẩm cao).
Bản chất của hiệu ứng là sự phụ thuộc của tổng trở cao tần Z vào sự thay đổi độ từ
thẩm hiệu dụng của vật liệu trong trường ngoài, tần số và hiệu ứng bề mặt [1,2].
Z(ω, H)~ ωµ t (ω , H )

(1.2)


Độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường Ht do chính dòng điện cao tần chạy qua dây
dẫn và vào từ trường ngoài Hext tác động lên dây dẫn. Như vậy kết hợp (1. 1) và (1. 2)
có thể thấy Z tổng trở Z trong dây dẫn phi từ tính do hiệu ứng bề mặt quyết định và
trong dây dẫn từ tính do hai yếu tố là hiệu ứng bề mặt và sự thay đổi mạnh của từ thẩm
dưới tác động của hai từ trường H’ và H ngoài.
Để đặc trưng cho hiệu ứng người ta đưa ra một đại lượng, đó là tỷ số tổng trở
khổng lồ GMIr được xác định theo biểu thức sau:
 GMIr ( % ) =100

Z ( H ) − Z ( H =0)
Z ( H =0)

(1.3)

- Z(H): giá trị tổng trở được đo ở từ trường H.
- Z(H=0): giá trị tổng trở đo ở từ trường bằng không.
Trong các hệ vật liệu, thì vật liệu VĐH và nano tinh thể là vật liệu từ mềm có từ
thẩm cao (µ~ 105), điều này cho phép hy vọng có hiệu ứng GMI tốt. Trong khi đó các
hệ vật liệu này lại có khả năng dẫn điện (ρ~150 µΩ. cm), các tính chất này thích hợp
để quan sát và chế tạo sensơ đo dòng điện dựa trên hiệu ứng GMI. Các sensơ GMI có
thể sử dụng để chế tạo thiết bị đo dòng điện không tiếp xúc (ampe kìm). Tín hiệu ra
của thiết bị đo dòng theo nguyên lý cảm ứng điện từ là các xung nhọn và bị méo so với
dòng điện cần đo. Ngược lại sensơ GMI phản ảnh đúng sự thay đổi dòng điện cần đo vì
vậy thích hợp cho việc số hóa tín hiệu. Điều quan trọng nữa khi dùng sensơ GMI là với
một thiết bị đo có thể đo cả dòng xoay chiều và một chiều (AC và DC).

1.2. Lý thuyết giải thích hiệu ứng GMI trên hệ vật liệu từ
Giản đồ biểu diễn sự phụ thuộc của tổng trở vào tần số và từ trường theo (hình
1.2) [33]. Ở vùng tần số thấp, từ trường nhỏ, hiệu ứng thể hiện yếu, còn ở vùng tần số
cao, từ trường mạnh, đã cho thấy sự thay đổi rất lớn giá trị của tổng trở. Hiệu ứng GMI

trên hệ vật liệu từ được cơ bản giải thích theo 3 vùng tần số khác nhau, theo các hiệu
ứng khác nhau:
1. Tần số thấp (hiệu ứng tự cảm)
2. Tần số trung bình (hiệu ứng từ tổng trở)
3. Tần số cao (hiệu ứng cộng hưởng sắt từ)

18


Hình 1.2 Sự phụ thuộc của tổng trở tương đối (Z/Rdc) vào tần số và từ trường [33].

1.2.1. Vùng tần số thấp, cỡ vài kHz
Ở dải tần số thấp, hiệu ứng bề mặt yếu (nếu xét mẫu băng mỏng, tính theo công
thức 1.1, cho thấy độ thấm sâu bề mặt còn có giá trị tương đương, thậm chí còn lớn
hơn kích thước mẫu), tổng trở của vật dẫn thay đổi hầu như chỉ do sự thay đổi của từ
thẩm µ của vật dẫn bởi từ trường ngoài gây nên [75]. Xét trường hợp khi cho dòng điện
xoay chiều i = Ioeiωt chạy qua một vật dẫn, dòng điện này sẽ sinh ra một từ trường biến
thiên xung quanh dây dẫn. Điều này dẫn đến xuất hiện một suất điện động cảm ứng
biến thiên và tạo ra dòng điện cảm ứng i' có chiều ngược với chiều của dòng điện chính
i. Dòng điện cảm ứng này có tác dụng chống lại dòng điện chính và được gọi tổng trở
của dây dẫn.
Trong trường hợp dây dẫn có từ tính, khi dây dẫn chịu tác động của từ trường
ngoài Hext một chiều, thì từ trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hoá theo phương
dây dẫn tức là thay đổi độ từ thẩm µ, là nguyên nhân làm giảm tổng trở. Tuy nhiên sự
thay đổi tổng trở này là nhỏ, dẫn đến hiệu ứng GMI ở vùng tần số này thể hiện tương
đối yếu so với vùng tần số cao hơn.
19


1.2.2. Vùng tần số trung bình, cỡ vài MHz

Với dải tần số này, độ thấm sâu bề mặt theo công thức 1.1 có giá trị nhỏ hơn bán
kính của dây dẫn từ, do đó hiệu ứng bề mặt bắt đầu chiếm ưu thế. Người ta đã quan sát
thấy sự thay đổi lớn tổng trở của các mẫu ở các dải tần số này. Lúc này sự thay đổi
tổng trở phụ thuộc vào độ thấm sâu bề mặt và từ thẩm của vật liệu được xác định theo
biểu thức1.2.
Từ đó ta giải thích sự thay đổi tổng trở dưới tác dụng của từ trường ngoài như
sau: Từ trường ngoài làm thay đổi từ thẩm µ của vật liệu, dẫn đến độ thấm sâu bề mặt δ
thay đổi, và theo (1.2) kéo theo tổng trở Z thay đổi. Sự thay đổi từ thẩm được giải thích
là do hai quá trình khác nhau, sự dịch vách đômen và sự quay véctơ từ độ, trong đó sự
quay véctơ từ độ chiếm ưu thế so với sự dịch vách đômen [74].

1.2.3. Vùng tần số cao, từ hàng trăm MHz đến GHz
Hiện tượng cộng hưởng sắt từ được quan sát thấy ở các dải tần số cỡ vài trăm
MHz. Lúc này, độ thấm sâu bề mặt nhỏ hơn nhiều so với bề dày của băng hay đường
kính của dây (theo công thức 1.1). Các nghiên cứu cho thấy, có một giá trị của tần số
mà ứng với nó, độ thấm sâu bề mặt thay đổi một lượng rất lớn. Điều này dẫn đến sự
thay đổi rất lớn tổng trở của mẫu [33, 67, 74]. Giá trị đó được gọi là tần số cộng hưởng
sắt từ, và hiện tượng gắn với nó được gọi là hiện tượng cộng hưởng sắt từ. Tần số cộng
hưởng được xác định bởi phương trình:
ω = υ. Heff
(1.4)
Với ω là tần số góc cộng hưởng; υ là hằng số hồi chuyển từ; Heff là từ trường
hiệu dụng, là tổng véctơ của từ trường ngoài và từ trường gây bởi dòng điện quanh vật
dẫn.
Tóm lại, nếu ta xét riêng sự phụ thuộc của δ vào tính chất từ của vật liệu, đối với
vật liệu phi từ, độ từ thẩm µ ∼1, do đó δ chỉ phụ thuộc vào điện trở suất ρ của vật liệu
và từ trường ngoài ở đây có ảnh hưởng rất ít. Như vậy tổng trở luôn tăng khi tăng tần
số dòng điện, lúc này người ta quan niệm chưa xuất hiện hiệu ứng GMI. Ngược lại đối
với dây dẫn là vật liệu từ mềm tốt (vô định hình nền Co và nano tinh thể nền Fe) thì
xuất hiện hiệu ứng GMI do có độ từ thẩm rất lớn (µ ∼105) và thay đổi rất mạnh theo từ

trường và tần số, đây chính là điều kiện để có hiệu ứng GMI. Bởi vì, sự có mặt của từ
trường ngoài và từ trường sinh ra do dòng cao tần, làm từ hoá vật dẫn từ mềm, dẫn đến
sự thay đổi mạnh, và thậm chí độ từ thẩm µ có thể giảm tiến dần đến 1, kéo theo sự
giảm của tổng trở. Đây chính là nguồn gốc của hiệu ứng tổng trở khổng lồ.

1.3. Mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và hiệu ứng từ tổng trở
khổng lồ
1.3.1 Cấu trúc đômen và tính dị hướng từ
20


Ngay sau khi được phát hiện vào năm 1994, có rất nhiều mô hình lý thuyết được
đưa ra nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng GMI. Tuy nhiên, mỗi mô hình chỉ phù hợp
với mỗi dải tần số nhất định, tùy thuộc vào mối quan hệ giữa cấu trúc đômen và quá
trình từ hóa của chất sắt từ. Trong đó mô hình lý giải thỏa đáng nhất được nhiều nhà
khoa học chấp nhận là mô hình của Squire [82] dành cho quá trình từ hóa và hiệu ứng
GMI trong vật liệu từ mềm. 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 dạng hình trụ, trường khử từ là rất nhỏ, với dạng phẳng,
trường khử từ phụ thuộc vào bề rộng của mẫu. Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch
vách đômen và quá trình quay của véctơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng
như từ trường do dòng cao tần gây ra.
Xét mô hình bao gồm
các đômen phản song song
định hướng theo trục từ dễ.
Hình 1.3 chỉ ra cấu trúc
đômen được sử dụng trong
mô hình. Ở đây, θ là góc tạo
bởi phương dễ từ hóa và
trường ngoài, φ1 và φ2 là góc

giữa mô men từ của hai
đômen với phương dễ từ hóa
Hình 1.3 Mô hình đômen của Squire.
dưới tác dụng tổng hợp của từ
trường ngoài Hext và từ trường vuông góc Ht, d là bề rộng vách đômen khi không có từ
trường ngoài và x là độ dịch chuyển của vách đômen dưới tác dụng của trường cảm
ứng từ. Thông qua mô hình này có thể tính được độ tự cảm ngang χt. Mặt khác độ tự
cảm ngang χt liên hệ với độ từ thẩm ngang theo biểu thức sau:
µ t = χt +1
(1.5)
Trong mô hình này, mật độ năng lượng tự do được cực tiểu hóa nhằm xác định
cấu trúc đômen (bao gồm vị trí của vách đômen và góc quay từ hóa). Mật độ năng
lượng tự do được xác định theo công thức sau:
(1.6)
U tot =U k + U Hext + U Ht + UW
Với UK là mật độ năng lượng dị hướng từ tinh thể và được tính theo công thức
sau:
U K = K [α sin 2 φ1 + (1 − α ) sin 2 φ 2 ]

(1.7)

Với K là hằng số dị hướng từ tinh thể, hệ số α chỉ lượng các đômen từ hóa dọc theo
trục của từ trường ngoài đặt vào. U Hext là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào trục của từ
trường ngoài đặt vào Hext:
(1.8)
=
U Hext µ0 M S H ext [(1 − α ) cos(θ + ϕ 2 ) − α cos(θ − ϕ1 )]
U Ht là năng lượng Zeeman phụ thuộc vào từ trường ngang H :
t


21


=
U Ht µ0 M S H t [(1 − α ) sin(θ + ϕ 2 ) − α sin(θ − ϕ1 )]

(1. 9)

Và UW là năng lượng tĩnh từ, nó phụ thuộc vào cấu trúc của các đômen. Năng
lượng tĩnh từ được thể hiện dưới dạng hàm bậc hai:
U W = β u2
(1.10)
Với u = x/d và β đặc trưng cho “độ cứng” của vách đômen. Đại lượng này
được sử dụng để chọn giá trị của mômen góc φ1 , φ 2 , và vị trí của vách đômen tại vị trí
có năng lượng cực tiểu tương ứng với từ trường Hext đặt vào và từ trường ngang Ht = 0.
Sự khác biệt ∆M giữa các quá trình từ hóa ngang với sự có mặt hay không có mặt của
từ trường ngang cho phép tính được độ từ cảm theo phương ngang χ t =

∆M
và từ đó
∂Ht

tính được độ thẩm từ. Mô hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm ngang của
các vật liệu.
Các nghiên cứu về mối quan hệ giữa sự định hướng trục dễ của các đômen từ
với hiệu ứng GMI, chỉ ra rằng dạng của đường cong GMI phụ thuộc vào sự định hướng
trục dễ. Nghiên cứu về sự phân bố dị hướng lên hiệu ứng GMI, cũng chỉ ra rằng GMIr
là hàm của M(χt).

1.3.2. Hiện tượng tách đỉnh ở đường cong GMI

Theo các nghiên cứu và kết quả thực
Ht
Trục dễ
nghiệm của chúng tôi thì thấy có hiện tượng
Ms
tách đỉnh trên đường cong GMI ở một số mẫu.
θK θ
Hext
Đây là hiện tượng, trên đường cong biểu diễn
sự phụ thuộc của tỷ số GMI vào từ trường
I
ngoài H xuất hiện hai cực đại, ứng với hai đỉnh.
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
Hình 1.4 Mô hình dị hướng giải
[72] giải thích theo mô hình sau đây: xét một
thích hiện tượng tách đỉnh của
đơn đômen quay quanh một trục chuẩn. Do
đường cong tỷ số GMI.
mẫu có tính dị hướng nên năng lượng tương
tác của dây dẫn từ tính đặt trong từ trường H và có phương dễ từ hoá hợp với phương
từ trường một góc θ trong từ trường H (hình 1. 4) được xác định bằng:
E = K sin2θK - MsHextsin(θ + θK) - MsHtcos(θK + θ)
(1.11)
Trong đó E là năng lượng toàn phần của hệ, K là hằng số dị hướng từ tinh thể
của vật liệu làm dây dẫn, θK là góc hợp bởi phương dễ từ hoá và phương của từ trường
ngang Ht và θ là góc giữa phương dễ từ hoá và phương từ độ MS của vật liệu. Ta có
∂E
=0

(1.12)
điều kiện cân bằng của hệ trên là:
∂θ
Mặt khác ta có độ từ cảm theo phương ngang được xác định như sau:
A

A

E

22