Tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM ANH ĐỨC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ - ĐIỆN VỚI LỚP TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC NANO VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH DÙNG CHO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG MICRO - TESLA LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM ANH ĐỨC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ - ĐIỆN VỚI LỚP TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC NANO VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH DÙNG CHO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG MICRO - TESLA Chuyên ngành : Vật liệu và linh kiện nanô Mã số : Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang 2. GS.TS. Nguyễn Hữu Đức HÀ NỘI - 2017 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang. Cô là người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và giúp đỡ để em có thể hoàn thành luận án. Cô không chỉ là người hướng dẫn khoa học mà còn là người truyền cho em tình yêu và nhiệt huyết với nghiên cứu thông qua tấm gương học tập và làm việc của bản thân. Em cũng xin chân thành cảm ơn GS. TS. Nguyễn Hữu Đức. Với kinh nghiệm của một Giáo sư đầu ngành, Thầy đã đưa ra những lời khuyên và định hướng cần thiết trong lúc em gặp khó khăn trong nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô, cán bộ trong bộ môn Vật liệu và linh kiện nano, trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano đã giảng dạy và giúp đỡ em trong thời gian nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. Xin chân thành cảm ơn NCS Nguyễn Thị Ngọc, NCS Lê Việt Cường, NCS Nguyễn Xuân Toàn, NCS Lê Khắc Quynh đã giúp đỡ, trao đổi kiến thức và kinh nghiệm với tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghệ. Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đã động viên, giúp đỡ để con có thể hoàn thành luận án một cách tốt nhất. Luận án này được hoàn thành với sự hỗ trợ một phần của Đề tài thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ vũ trụ mã số VT/CN-03/13-15 và đề tài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.15.28. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nghiên cứu trong luận án là do tôi thực hiện, bản luận án do tôi viết và không sao chép từ các tài liệu sẵn có. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố bởi các luận án khác. Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2016 Tác giả Phạm Anh Đức MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... viii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................... 4 1.1. Vật liệu sắt từ, sắt điện và multiferroic .......................................................... 4 1.1.1. Vật liệu sắt điện và hiệu ứng áp điện ........................................................... 4 1.1.1.a. Vật liệu sắt điện ..................................................................................... 4 1.1.1.b. Hiệu ứng áp điện ................................................................................... 8 1.1.2. Vật liệu sắt từ và hiệu ứng từ giảo ............................................................. 12 1.1.2.a. Vật liệu sắt từ ...................................................................................... 12 1.1.2.b. Hiệu ứng từ giảo .................................................................................. 14 1.1.3. Vật liệu mutiferroic .................................................................................... 18 1.2. Hiệu ứng từ-điện ............................................................................................. 19 1.2.1. Tổng quan về hiệu ứng từ-điện .................................................................. 19 1.2.2. Hệ số từ-điện .............................................................................................. 20 1.2.3. Liên kết ứng suất bề mặt trong hiệu ứng từ-điện thuận ............................. 24 1.3. Vật liệu từ-điện ............................................................................................... 25 1.3.1. Vật liệu từ-điện đơn pha ............................................................................ 26 1.3.2. Vật liệu tổ hợp đa pha ................................................................................ 28 1.3.3. Vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc nano .................................................... 29 1.4. Tổng quan cảm biến từ trường ..................................................................... 30 1.4.1. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall ............................................... 30 1.4.2. Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn ....................................... 32 i 1.4.3. Cảm biến từ trường Flux – gate ................................................................. 33 1.4.4. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ trở ............................................. 34 1.4.5. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện .......................................... 36 1.5. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu ............................................... 37 1.5.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................ 37 1.5.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 38 1.5.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 39 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ......................................................... 40 2.1. Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT bằng phương pháp phún xạ ... 41 2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm........................................... 42 2.3. Khảo sát tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung ............................................ 43 2.4. Hệ đo từ giảo ................................................................................................... 44 2.5. Đo hệ số thế từ-điện ........................................................................................ 47 2.5.1. Hệ đo thực nghiệm ..................................................................................... 47 2.5.2. Phương pháp tính hệ số thế từ-điện thuận ................................................. 48 2.6. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi điện tử........................................... 50 2.7. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi lực nguyên tử ............................... 51 2.8. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 51 Chương 3 VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Terfecohan/PZT DẠNG MÀNG VỚI LỚP VẬT LIỆU TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC NANO ................................................ 52 3.1. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ở trạng thái vô định hình ........................... 53 3.1.1. Cấu trúc tinh thể của lớp từ giảo ................................................................ 53 3.1.2. Tính chất từ và từ giảo của màng Terfecohan ........................................... 55 3.1.3. Tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp ......................................................... 58 3.2. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ở trạng thái nano tinh thể .......................... 62 3.2.1. Nhiệt độ ủ 3500C........................................................................................ 62 3.2.1.a. Cấu trúc tinh thể của màng Terfecohan .............................................. 62 ii 3.2.1.b. Tính chất từ và từ giảo của màng Terfecohan ..................................... 64 3.2.1.c. Tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp .................................................. 66 3.2.2. Nhiệt độ ủ 4500C........................................................................................ 67 3.2.2.a. Cấu trúc tinh thể của màng Terfecohan .............................................. 68 3.2.2.b. Tính chất từ của màng Terfecohan ...................................................... 69 3.3. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 71 Chương 4 VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Metglas/PZT DẠNG TẤM VỚI LỚP TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC VÔ ĐỊNH HÌNH ............................................................ 73 4.1. Tính chất từ của băng từ Metglas ................................................................. 74 4.1.1. Tính chất từ siêu mềm................................................................................ 74 4.1.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm ....................... 76 4.2. Tính chất từ giảo của băng từ Metglas ......................................................... 79 4.2.1. Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh .............................................................. 79 4.2.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ giảo ........................ 81 4.3. Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào tần số kích thích........................... 82 4.3.1. Mẫu hình vuông ......................................................................................... 82 4.3.2. Mẫu hình chữ nhật ..................................................................................... 83 4.3.3. Tính toán lý thuyết quy luật phụ thuộc tần số ........................................... 84 4.3.3.a. Mô hình dao động một chiều............................................................... 84 4.3.3.b. Mô hình dao động hai chiều ................................................................ 89 4.4. Ảnh hưởng của cấu hình (bilayer và sandwich) .......................................... 94 4.5. Ảnh hưởng của chiều dầy lớp từ giảo Metglas ............................................ 96 4.6. Ảnh hưởng của kích thước (mẫu vuông)...................................................... 98 4.6.1. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu ứng từ-điện ........................................ 98 4.6.2. Lý thuyết hiệu ứng “Shear lag” ............................................................... 101 4.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ kích thước dài/rộng................................................... 103 iii 4.7.1. Kết quả đo thực nghiệm khảo sát hệ số thế từ-điện ................................. 103 4.7.2. Lý thuyết trường khử từ giải thích qui luật phụ thuộc kích thước........... 108 4.8. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 111 Chương 5 ỨNG DỤNG .............................................................................................. 112 5.1. Cảm biến từ trường dựa trên màng mỏng Terfecohan có cấu trúc nano 112 5.2. Cảm biến từ trường dựa trên băng từ Metglas có cấu trúc vô định hình116 5.2.1. Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trường ............................... 116 5.2.2. Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến ......................................... 119 5.2.2.a. Tần số cộng hưởng ............................................................................ 119 5.2.2.b. Tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào cường độ từ trường ............... 120 5.2.2.c. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào góc định hướng ............................ 122 5.2.3. Tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục .......................................... 125 5.2.4. Cảm biến đo góc dựa trên cảm biến đo từ trường 2D ............................. 127 5.2.5. Cảm biến đo từ trường trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện ................. 131 5.3. Kết luận chương 5 ........................................................................................ 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................................... 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 139 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AFE Phản sắt điện AFM Phản sắt từ ⃗ 𝐵 Véc tơ cảm ứng từ dik Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực (C/N) ES Điện trường bão hòa E Cường độ điện trường EC Lực kháng điện f Tần số cộng hưởng FE Sắt điện FIM Feri từ FM Sắt từ H Cường độ từ trường h0 Biên độ từ trường xoay chiều hac Cường độ từ trường xoay chiều Hdc Cường độ từ trường một chiều L Chiều dài MEMS Hệ vi cơ điện tử Metglas Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 ⃗⃗ 𝑀 Véc tơ từ độ của vật liệu Mi s Từ độ tự phát Mr Độ từ dư Ms Từ độ bão hòa Pe Véc tơ phân cực nguyên tử Pi Véc tơ phân cực ion Pj Độ lớn véc tơ phân cực điện Pi s Véc tơ phân cực ion tự phát P0 Véc tơ phân cực phân tử Pr Độ phân cực dư Ps Độ phân cực bão hòa PZT Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 v PVDF Pôlime áp điện (PolyVinylidenne DiFlorua) PT Vật liệu áp điện PbTiO3 Q Hệ số phẩm chất r Tỷ số kích thước dài/rộng RAM Bộ nhớ đệm RF Siêu cao tần T Nhiệt độ TC Nhiệt độ Curie Terfecohan Tb0,4(Fe0,55Co0,45)0,6 VME Thế từ-điện WFM Sắt từ yếu W Chiều rộng αE Hệ số từ-điện αmax Hệ số từ-điện cực đại α'mn Tensơ độ cảm từ-điện αpmn Hệ số từ-điện thuận ε0 Hằng số điện εk Độ biến dạng tỷ đối σ Ứng suất tác dụng 𝜆(𝜇0 . 𝐻 ) Từ giảo khi có tác dụng của từ trường H λmax Từ giảo cực đại λS Từ giảo bão hòa μB Magnton Bohr ρ Điện trở suất χM Độ cảm từ (mức độ từ hóa của vật liệu) χλ Độ cảm từ giảo vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Lịch sử nghiên cứu về hiệu ứng từ-điện .............................................. 20 Bảng 1.2: Ý nghĩa của các số hạng trong biểu thức năng lượng tự do ................ 24 Bảng 1.3: So sánh nhiệt độ chuyển pha điện và từ của các vật liệu multiferroic đơn pha [35,64-66] ............................................................................................... 27 Bảng 3.1: Tổng hợp các tính chất của màng Terfecohan với các cấu trúc vật liệu khác nhau.............................................................................................................. 72 Bảng 4.1: Tính chất từ và từ giảo của một số vật liệu từ giảo khác nhau [11] .... 80 Bảng 5.1: Tổng hợp tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất của các cảm biến 1D ............................................................................................................................ 120 Bảng 5.2: Liệt kê các công thức xác định góc phương vị trong toàn bộ dải đo. 130 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các dạng phân cực khác nhau: phân cực nguyên tử (a), phân cực ion (b) và phân cực phân tử (c) .................................................................................... 5 Hình 1.2: Vật liệu đa đômen (a), sự dịch chuyển vách đômen (b), vật liệu đơn đômen (c) và sự quay đômen (d) ............................................................................ 6 Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể BaTiO3 khi nhiệt độ cao (T > TC) (a) và khi nhiệt độ thấp (T < TC) (b) ..................................................................................................... 7 Hình 1.4: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện .............................................. 8 Hình 1.5: Mô tả hiệu ứng áp điện: phân cực tự phát (a), phân cực khi chịu ứng suất nén (b), phân cực khi chịu ứng suất kéo (c) ................................................... 9 Hình 1.6: Hỗn hợp PZT – polymer được phân loại theo các kiểu liên kết khác nhau: (a) 0 – 3, (b) 2 – 2, (c) 1 - 3 ........................................................................ 10 Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể của vật liệu Perovskite ............................................. 11 Hình 1.8: Sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể Perovskite khi có điện trường ngoài ......................................................................................................... 11 Hình 1.9: Đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ ................................................. 14 Hình 1.10: Sơ đồ khối về khái niệm vật liệu multiferroic ................................... 18 Hình 1.11: Sơ đồ phân loại các vật liệu multiferroic và vật liệu từ-điện ............. 22 Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận trong vật liệu ....... 24 Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall [11] ........................... 31 Hình 1.14: Cảm biến từ trường SQUID (a) và cấu tạo của cảm biến (b) ............ 32 Hình 1.15: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux – gate.............................................. 33 Hình 1.16: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện trở dị hướng [8] ............................ 35 Hình 1.17: Hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ: khi không có từ trường ngoài (a) và có từ trường ngoài (b) ............................................................................................... 36 viii Hình 1.18: Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện [78]........................... 37 Hình 2.1: Vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng ...................................................... 40 Hình 2.2: Cấu hình vật liệu tổ hợp: bilayer (a) và sandwich (b) .......................... 40 Hình 2.3: Thiết bị phún xạ catốt (AJA – 2000F) ................................................. 41 Hình 2.4: Bia vật liệu để tạo màng Terfecohan ................................................... 42 Hình 2.5: Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang của màng Terfecohan trên đế thủy tinh .............................................................................................................................. 42 Hình 2.6: Cấu hình bilayer đơn (a), bilayer kép (b) và sandwich (c) .................. 43 Hình 2.7: Vật liệu tổ hợp từ-điện được chế tạo với các kích thước khác nhau ... 43 Hình 2.8: Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 ............................................. 44 Hình 2.9: Hệ đo từ giảo phản xạ quang học ......................................................... 45 Hình 2.10: Mô hình băng từ dán trên tấm thủy tinh và quá trình biến dạng của băng từ khi có từ trường tác dụng ........................................................................ 45 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ đo từ giảo bằng phương pháp phản xạ quang học ........................................................................................................ 46 Hình 2.12: Hệ đo từ-điện với dải đo từ trường lớn 10 kOe ............................... 47 Hình 2.13: Hệ đo từ-điện trong dải từ trường thấp (-30 đến 30 Oe) .................... 48 Hình 3.1: Cấu hình vật liệu Terfecohan/thủy tinh/PZT (a) và Terfecohan/PZT (b) .............................................................................................................................. 52 Hình 3.2: Ảnh SEM bề mặt của màng Terfecohan: ngay sau khi chế tạo (a) và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C (b)................................................................... 54 Hình 3.3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt tại 2500C ...................................................................................... 54 Hình 3.4: Đường cong từ trễ của màng Terfecohan chế tạo trên đế PZT (a) và trên đế thủy tinh (b) .............................................................................................. 55 ix Hình 3.5: Sự phụ thuộc độ từ giảo của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo vào từ trường một chiều .............................................................................................. 56 Hình 3.6: Hình thái bề mặt của PZT (a) và bề mặt của thủy tinh (b) được chụp bằng kính hiển vi lực nguyên tử. .......................................................................... 56 Hình 3.7: Đường cong từ trễ của màng Terfecohan trên đế thủy tinh ngay sau khi chế tạo (a) và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C (b) ............................................ 57 Hình 3.8: Độ cảm từ của màng Terfecohan ngay sau khi chế tạo và sau khi ủ nhiệt tại nhiệt độ 2500C ........................................................................................ 58 Hình 3.9: Sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện vào tần số từ trường xoay chiều .. 59 Hình 3.10: Sự phụ thuộc của thế từ-điện lối ra vào cường độ từ trường xoay chiều kích thích .................................................................................................... 59 Hình 3.11: Sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện vào từ trường một chiều của cấu trúc Terfecohan/PZT (a) và cấu trúc Terfecohan/thủy tinh/PZT (b) ................... 60 Hình 3.12: Ứng suất do màng Terfecohan tác dụng lên PZT trên thủy tinh (a) và trên PZT (b) .......................................................................................................... 61 Hình 3.13: Ảnh chụp SEM của màng mỏng Terfecohan ủ nhiệt tại 3500C ........ 62 Hình 3.14: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan sau khi ủ nhiệt tại 3500C .............................................................................................................................. 63 Hình 3.15: Đường cong từ trễ của màng Terfecohan ủ nhiệt tại 3500C .............. 64 Hình 3.16 Sự phụ thuộc của độ cảm từ vào từ trường một chiều của màng Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tại 2500C và 3500C ..................................... 65 Hình 3.17: Đường cong từ giảo của màng Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tại 3500C .................................................................................................................... 66 Hình 3.18: Đường cong từ-điện của vật liệu Terfecohan/glass/PZT (màng Terfecohan dầy 1 µm) trước và sau khi ủ nhiệt tại 3500C ................................... 67 Hình 3.19: Ảnh SEM của màng Terfecohan ủ nhiệt tại 4500C ............................ 68 x Hình 3.20: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Terfecohan sau khi ủ nhiệt tại 4500C .............................................................................................................................. 69 Hình 3.21: Đường cong từ trễ đo theo hai phương song song và vuông góc bề mặt màng của màng Terfecohan ủ tại 4500C ....................................................... 70 Hình 3.22: Sự phụ thuộc của độ cảm từ vào từ trường một chiều của màng Terfecohan trước và sau khi ủ nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau. ......................... 70 Hình 3.23: Sự phụ thuộc của độ cảm từ cực đại vào nhiệt độ ủ .......................... 71 Hình 4.1: Minh họa cấu trúc vật liệu multiferroics từ giảo/áp điện ..................... 73 Hình 4.2: Ảnh chụp SEM của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính được chụp ở độ phóng đại nhỏ (a) và phóng đại lớn (b) ............... 74 Hình 4.3: Đường cong từ trễ của mẫu băng từ Metglas pha Ni hình vuông kích thước 10×10 mm được thực hiện với từ trường một chiều nằm trong mặt phẳng, hướng dọc theo chiều dài (L), chiều rộng (W) và theo phương vuông góc với mặt phẳng băng từ ....................................................................................................... 75 Hình 4.4: Đường cong từ trễ của các băng từ Metglas có tỷ số r = L/W khác nhau với từ trường đặt trong mặt phẳng và dọc theo phương chiều dài mẫu ............... 76 Hình 4.5: Độ cảm từ cực đại của các mẫu băng từ Metglas có tỷ số r = L/W khác nhau ...................................................................................................................... 77 Hình 4.6: (a) Biểu diễn sự hình thành của các mômen lưỡng cực trong vật liệu bị từ hoá (b) Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu bị từ hoá [4] ... 78 Hình 4.7: Trường khử từ bên trong một thanh chữ nhật đã được từ hoá theo phương song song (a) và vuông góc với chiều dài thanh (b) ....................... 78 Hình 4.8: Đường cong từ giảo của băng từ kích thước 10x10 đo theo 2 phương chiều dài và chiều rộng của mẫu .......................................................................... 80 Hình 4.9: Đường cong từ giảo tỉ đối (λ/λmax) của băng từ với các kích thước r = L/W khác nhau đo trong mặt phẳng mẫu ............................................................. 81 xi Hình 4.10: Sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện vào tần số từ trường xoay chiều của các vật liệu tổ hợp từ-điện hình vuông có kích thước khác nhau .................. 82 Hình 4.11: Sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện vào tần số từ trường xoay chiều của các vật liệu tổ hợp từ-điện hình chữ nhật (đo dọc theo chiều dài mẫu) ........ 83 Hình 4.12: Hệ tọa độ cho bài toán truyền sóng một chiều ................................... 85 Hình 4.13: So sánh tần số cộng hưởng thu được từ thực nghiệm với mô phỏng lý thuyết của các mẫu hình chữ nhật có cùng chiều dài ........................................... 88 Hình 4.14: Các đỉnh cộng hưởng của mẫu hình chữ nhật tương ứng với các trạng thái dao động khác nhau ....................................................................................... 88 Hình 4.15: Hệ tọa độ cho bài toán truyền sóng hai chiều .................................... 89 Hình 4.16: Trạng thái dao động hai chiều của màng mỏng với các giá trị (m, n) khác nhau.............................................................................................................. 91 Hình 4.17: Các đỉnh cộng hưởng và sự tương ứng với các trạng thái dao động . 91 Hình 4.18: So sánh tần số cộng hưởng chính của mẫu hình vuông thu được từ lý thuyết và thực nghiệm .......................................................................................... 92 Hình 4.19: Cấu hình bilayer đơn (a), bilayer kép (b) và sandwich (c) ................ 94 Hình 4.20: Tần số cộng hưởng của vật liệu với các cấu hình khác nhau............. 95 Hình 4.21: Sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện vào từ trường một chiều của các vật liệu với cấu hình khác nhau ............................................................................ 95 Hình 4.22: Sự tán xạ từ trường của băng từ khi bị từ hóa (a) và sự ảnh hưởng đến các băng từ lân cận trong cấu hình bilayer kép (b) và sandwich (c) .................... 96 Hình 4.23: So sánh hiệu ứng từ-điện theo chiều dày lớp vật liệu từ giảo trong cấu hình sandwich....................................................................................................... 97 Hình 4.24: Sự biến đổi của hệ số thế từ-điện cực đại (a) và từ trường ứng với hệ số thế từ-điện cực đại (b) theo số lớp băng từ ...................................................... 98 xii Hình 4.25: Sự ảnh hưởng của kích thước mẫu hình vuông đến hệ số thế từ-điện cực đại (a) và từ trường ứng với giá trị hệ số thế từ- điện cực đại (b) ................. 99 Hình 4.26: Sự phân bố ứng suất trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào vị trí tính từ tâm của mẫu (𝑥 = 0) ra đến ngoài biên (𝑥 = 1) [27] ........................................ 100 Hình 4.27: Sự phụ thuộc của từ trường ứng với hệ số thế từ-điện cực đại (a) và sự phụ thuộc của hệ số dị hướng hình dạng (b) vào kích thước mẫu vuông .......... 100 Hình 4.28: Sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện cực đại vào kích thước mẫu theo lý thuyết Shear lag .............................................................................................. 103 Hình 4.29: Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào từ trường một chiều đo dọc theo phương dễ (chiều dài) và phương khó (chiều rộng) của các mẫu với tỷ phần kích thước khác nhau. Mẫu có L >> W nhạy từ trường thấp khi đo dọc theo phương dễ ........................................................................................................... 104 Hình 4.30: Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào từ trường một chiều đo dọc theo phương dễ (chiều dài) của các mẫu với tỷ phần kích thước khác nhau r = 1, 5 và 15 ................................................................................................................ 105 Hình 4.31: Hệ số thế từ-điện αE cực đại và tại từ trường H = 2 Oe của các mẫu có tỷ số L/W khác nhau .......................................................................................... 105 Hình 4.32: Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào góc tạo bởi phương chiều dài của mẫu (trục dễ) với phương định hướng của từ trường một chiều (a), xoay chiều (b) và đồng thời cả hai từ trường (c) ........................................................ 107 Hình 4.33: Sự phụ thuộc của Nexp (a) và Ntheory (d), tỷ số hệ số thế từ-điện thực nghiệm (b,e) và từ lý thuyết (c,f) theo r ............................................................. 110 Hình 5.1: Ảnh chụp vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng (a), cuộn solenoid (b) và cảm biến từ trường (c) ............................................................................. 112 Hình 5.2: Ảnh chụp hệ đo thực nghiệm thông số làm việc của đầu đo cảm biến ............................................................................................................................ 114 xiii Hình 5.3:Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cảm biến vào cường độ từ trường một chiều ............................................................................................................ 115 Hình 5.4: Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cảm biến vào góc định hướng giữa cảm biến với từ trường một chiều ...................................................................... 116 Hình 5.5: Cấu tạo của cảm biến từ trường 1D ................................................... 117 Hình 5.6: Thành phần cấu tạo (a) và đầu đo của cảm biến từ trường 1D hoàn thiện (b) .............................................................................................................. 118 Hình 5.7: Đầu đo của cảm biến từ trường 2D (a) và 3D (b) hoàn thiện ............ 118 Hình 5.8: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một chiều Hdc trong các dải từ trường khác nhau ............................................................... 121 Hình 5.9: Đồ thị đánh giá độ phân giải .............................................................. 122 Hình 5.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục đầu đo cảm biến với từ trường trái đất ...................................................................... 124 Hình 5.11: Đồ thị đánh giá độ phân giải góc của cảm biến ............................... 124 Hình 5.12: Hiện tượng dâng nền (zero offset) của tín hiệu lối ra của cảm biến từ trường 1D ........................................................................................................... 125 Hình 5.13: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế lối ra có offset vào góc phương vị khi được kích thích bởi hai từ trường xoay chiều ngược pha nhau (hAC và –hAC) ... 126 Hình 5.14: Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào cường độ từ trường của cảm biến 2D trong dải từ trường lớn (a) và trong dải từ trường trái đất (b) ...................... 128 Hình 5.15: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center), góc phương vị φ trong phép đo khảo sát góc của đầu đo cảm biến từ trường 2D ....................................................................................... 129 Hình 5.16: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 2 cảm biến đơn vào góc phương vị ..................................................................................................... 130 xiv Hình 5.17 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 3 cảm biến vào góc phương vị trong hệ tọa độ vuông góc ................................................... 133 xv MỞ ĐẦU Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng mà vật liệu từ-điện khi chịu tác dụng của từ trường (hoặc điện trường) ngoài sẽ sinh ra một độ phân cực điện (hoặc từ trường) tương ứng. Khi vật liệu từ-điện chịu tác dụng của từ trường (hoặc điện trường) ngoài thì pha từ giảo (hoặc pha áp điện) sẽ bị biến dạng đồng thời sinh ra một ứng suất truyền sang pha áp điện (hoặc từ giảo) làm chúng biến dạng và kết quả là sinh ra một độ phân cực điện (hoặc từ trường). Hiệu ứng này đã được phỏng đoán lần đầu tiên vào năm 1894 [81] và được gọi tên chính thức vào năm 1926 [82]. Tuy nhiên phải đến đầu thế kỷ 21 thì các nghiên cứu về hiệu ứng từ-điện mới thực sự phát triển mạnh mẽ cả về số lượng và chất lượng. Các nghiên cứu đã cho thấy hiệu ứng từ-điện có khả năng ứng dụng thực tiễn vào rất nhiều lĩnh vực như: thiết bị chuyển đổi tín hiệu (tranducer) [87], thiết bị lọc tín hiệu (filter) [17], thiết bị lưu trữ thông tin thế hệ mới (MeRAM) [73] và đặc biệt là cảm biến từ trường có độ nhạy và độ phân giải cao [62,78,94,101]. Về cơ bản thì hiệu ứng từ-điện xuất hiện trên các vật liệu multiferroic (multifferoics materials). Các vật liệu multiferroic đã có quá trình phát triển từ vật liệu đơn pha [32,47] đến vật liệu đa pha dạng khối [55] và gần nhất là vật liệu đa lớp. Vật liệu đa lớp cho thấy nhiều ưu điểm so với các dạng vật liệu khác bởi: công nghệ chế tạo đơn giản, không xuất hiện pha thứ ba trong quá trình chế tạo và hiệu ứng từ-điện đủ lớn cho các ứng dụng thực tiễn. Các tính chất từ, từ giảo, từ-điện của vật liệu multiferroic có thể được tăng cường thông qua các tối ưu về: vật liệu và công nghệ chế tạo các pha riêng biệt, cấu hình vật liệu, kích thước vật liệu, hình dạng vật liệu, cấu trúc tinh thể của vật liệu. Các tối ưu về tính chất từ-điện của vật liệu multiferroic hướng đến mục đích chế tạo cảm biến từ trường yếu có độ nhạy và độ phân giải cao. Các cảm biến này không chỉ phục vụ mục đích xác định độ lớn và góc định hướng của từ 1