Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là chế tạo và nghiên cứu thành công vật liệu tổ hợp từ-điện hai pha từ giảo và áp điện có vật liệu được lựa chọn với cấu hình, hình dạng và kích thước tối ưu, cho hiệu ứng từ điện cao trong từ trường thấp ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến nhạy từ trường thấp cỡ từ trường trái đất với độ nhạy, độ phân giải cao và có giá thành rẻ, phù hợp với điều kiện chế tạo trong nước.
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 VƠ ĐỊNH HÌNH DÙNG CHO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG MICRO-TESLA Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano Mã số: Chun ngành đào tạo thí điểm TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trư ng Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội Ngư i hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Thị Hương Giang GS TS Nguyễn Hữu Đức Phản biện: GS.TS Lưu Tuấn Tài Phản biện: PGS.TS Nguyễn Huy Dân Hà NộiPhản biện: PGS.TS Lê Anh Tuấn Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp Trư ng Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội vào hồi gi 00 ngày 03 tháng 10 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Hiệu ứng từ-điện đoán lần vào năm 1894, gọi tên thức vào năm 1926 Các nghiên cứu cho thấy hiệu ứng từ-điện có khả ứng dụng thực tiễn vào nhiều lĩnh vực như: thiết bị chuyển đổi tín hiệu (tranducer), thiết bị lọc tín hiệu (filter), thiết bị lưu trữ thông tin hệ (MeRAM) đặc biệt cảm biến từ trường có độ nhạy độ phân giải cao Về hiệu ứng từ-điện xuất vật liệu multiferroic Các vật liệu multiferroic có q trình phát triển từ vật liệu đơn pha đến vật liệu đa pha dạng khối đến vật liệu đa lớp Vật liệu đa lớp cho thấy nhiều ưu điểm so với dạng vật liệu khác hiệu ứng từ-điện đủ lớn cho ứng dụng thực tiễn cảm biến từ trường Các nghiên cứu ứng dụng cảm biến từ trường luận án hướng đến mục tiêu chế tạo cảm biến từ trường yếu Với lý trên, luận án lựa chọn vật liệu multiferroic với hiệu ứng từ-điện cảm biến từ trường yếu đối tượng nghiên cứu Hiệu ứng từ-điện tăng cường thông qua q trình tối ưu hóa vật liệu để đạt hiệu ứng từ-điện đủ lớn cho ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường có độ nhạy cao độ phân giải cao Luận án có tên gọi là: Chế tạo nghiên cứu vật liệu tổ hợp từđiện với lớp từ giảo có cấu trúc nano vơ định hình dùng cho cảm biến từ trường micro – tesla Mục tiêu nghiên cứu luận án chế tạo nghiên cứu thành công vật liệu tổ hợp từ-điện hai pha từ giảo áp điện có vật liệu lựa chọn với cấu hình, hình dạng kích thước tối ưu, cho hiệu ứng từ điện cao từ trường thấp ứng dụng lĩnh vực cảm biến nhạy từ trường thấp cỡ từ trường trái đất với độ nhạy, độ phân giải cao có giá thành rẻ, phù hợp với điều kiện chế tạo nước Nội dung nghiên cứu luận án tập trung vào nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng dạng với pha từ giảo hợp kim dạng màng Tb0,4(Fe0,55Co0,45)0,6 (TerfecoHan) băng từ mềm Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 (Metglas) với pha áp điện PZT dạng theo cấu hình, hình dạng, kích thước khác Các đo đạc tính chất từ, từ giảo, từ-điện đặc trưng cấu trúc vi cấu trúc thực cách hệ thống lập luận có khoa học để tối ưu cho ứng dụng chế tạo cảm biến nhạy từ trường theo mục tiêu luận án Phương pháp nghiên cứu chủ yếu thực luận án phương pháp chế tạo, nghiên cứu thực nghiệm thiết bị đại, đồng bộ, tin cậy có kết hợp mơ phỏng, tính tốn lý thuyết dựa phương trình truyền sóng, hiệu ứng shear lag, hiệu ứng trường khử từ sử dụng để giải thích cho kết thu từ thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án: Đề tài đặt nội dung nghiên cứu vật liệu tổ hợp hiệu ứng từ điện kết hợp nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến nhạy từ trường độ phân giải cao hướng đến ứng dụng thực tiễn Đóng góp luận án: Đã chế tạo khảo sát tính chất từ, từ giảo, từ-điện hệ vật liệu tổ hợp dạng màng dạng Xác định cấu hình phù hợp để ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường yếu có độ nhạy độ phân giải cao Đã thiết kế chế tạo thành công cảm biến từ trường 1D, 2D, 3D sở sử dụng vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng với cấu trúc kiểu xen kẽ có độ nhạy cao (từ 200 đến 653 mV/Oe) độ phân giải tốt (310-4 Oe) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu sắt từ, sắt điện multiferroic Vật liệu multiferroic vật liệu có hai nhiều tính chất sắt pha vật liệu Các tính chất sắt bao gồm: tính chất sắt điện, tính chất sắt từ, tính chất đàn hồi 1.1.1 Vật liệu sắt điện hiệu ứng áp điện Sắt điện định nghĩa vật liệu có cấu trúc tinh thể với độ phân cực điện tự phát Hiệu ứng áp điện định nghĩa tượng vật liệu áp điện chịu tác dụng ứng vật liệu xuất phân cực điện cảm ứng ngược lại vật liệu áp điện chịu tác dụng điện trường vật liệu bị biến dạng 1.1.2 Vật liệu sắt từ hiệu ứng từ giảo Vật liệu sắt từ định nghĩa vật liệu có từ độ tự phát, từ độ ổn định theo thời gian có tượng trễ tác động từ trường Từ giảo tượng hình dạng kích thước vật liệu từ thay đổi chịu tác dụng từ trường ngồi (từ giảo thuận) ngược lại, tính chất từ vật liệu bị thay đổi có thay đổi hình dạng kích thước (từ giảo nghịch) 1.1.3 Vật liệu multiferroic Các tính chất sắt bao gồm: tính chất sắt điện, tính chất sắt từ tính chất sắt đàn hồi Từ ba tính chất sắt dẫn đến sáu tính chất sắt thứ cấp bao gồm: ferrobielectrics, ferrobimagnetics, ferrobielastics, điện–đàn hồi, từ-đàn hồi từ-điện Tương ứng với tính chất sắt điện thứ cấp thông số đặc trưng bao gồm: độ cảm điện, độ cảm từ, hệ số đàn hồi, hệ số áp điện, hệ số từ đàn hồi hệ số từ-điện 1.2 Hiệu ứng từ-điện 1.2.1 Tổng quan hiệu ứng từ-điện Các nghiên cứu mối tương quan tính chất điện, tính chất học tính chất từ vật liệu từ điện chủ yếu sử dụng lý thuyết nhiệt động lực học Các tính chất học thể thông qua ứng suất độ biến dạng tỷ đối Các tính chất điện thể thông qua độ phân cực cường độ điện trường Các tính chất từ thể thơng qua từ độ cường độ từ trường 1.2.2 Hệ số từ-điện Một tham số đặc trưng quan trọng hiệu ứng từ-điện hệ số từ-điện ký hiệu α Về hệ số từđiện phân thành hai loại hệ số từ-điện thuận hệ số từ-điện ngược Có hai phương pháp thực nghiệm để xác định hệ số từ-điện thuận đo độ phân cực vật liệu tác dụng từ trường đo hiệu điện vật liệu tác dụng từ trường từ trường xoay chiều kích thích 1.2.3 Liên kết ứng suất bề mặt hiệu ứng từ-điện thuận Cơ chế quan trọng hiệu ứng từ-điện liên kết ứng suất thành phần vật liệu tổ hợp Đối với trường hợp hiệu ứng từ-điện thuận, vật liệu tổ hợp từ-điện chịu tác dụng từ trường ngồi vật liệu sinh ứng suất tuân theo tượng từ giảo tính chất sắt từ Nếu thành phần sắt điện sắt từ liên kết trực tiếp với ứng suất truyền phần sang thành phần sắt điện Thành phần sắt điện sinh độ phân cực điện tuân theo tượng áp điện 1.3 Vật liệu từ-điện 1.3.1 Vật liệu từ-điện đơn pha Các vật liệu từ-điện đơn pha khác tìm thấy với số lượng nhỏ hiệu ứng từ-điện thấp Các nhược điểm chế hoạt động sắt điện sắt từ khác 1.3.2 Vật liệu tổ hợp đa pha Vật liệu tổ hợp từ-điện đa pha kết hợp hai pha gồm pha sắt điện pha sắt từ Vật liệu tổ hợp đa pha đa dạng số lượng phương pháp chế tạo 1.3.3 Vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc nano Bên cạnh phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu truyền thống, phát triển khoa học công nghệ cho phép chế tạo vật liệu với cấu trúc mong muốn với độ xác đến nanomet 1.4 Tổng quan cảm biến từ trường 1.4.1 Cảm biến từ trường dựa hiệu ứng Hall Cảm biến Hall cảm biến từ trường phổ biến thị trường dùng để đo từ trường lớn mT hoạt động tốt dải nhiệt độ từ -100 đến 100°C Tuy nhiên, nhược điểm cảm biến Hall bị giới hạn theo khoảng cách có mặt tín (offset) 1.4.2 Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn Các cảm biến SQUID xác định từ trường nhỏ tới aT (5.10-18 T) thời gian lên tới vài ngày độ nhiễu fT.Hz-1/2 Tuy nhiên số nhược điểm giá thành cao, cơng nghệ chế tạo phức tạp nhiệt độ làm việc thấp (nhiệt độ siêu dẫn) 1.4.3 Cảm biến từ trường Flux-gate Cảm biến flux-gate có hạn chế cồng kềnh, khơng bền có thời gian đáp ứng chậm (khoảng 2-3 giây) 1.4.4 Cảm biến từ trường dựa hiệu ứng từ trở Cảm biến loại hoạt động dựa hiệu ứng từ-điện trở Chúng có giá thành cao, cơng nghệ chế tạo phức tạp hạn chế nhiều đến khả ứng dụng điều kiện công nghệ Việt Nam 1.4.5 Cảm biến từ trường dựa hiệu ứng từ-điện Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường dựa hiệu ứng từ-điện với sở vật liệu tổ hợp từđiện Terfecohan/PZT cho thấy cảm biến từ trường đạt độ nhạy 130 mV/mT độ phân giải 10-3 mT Tuy nhiên nghiên cứu vật liệu từ-điện cịn khả tối ưu hóa mặt vật liệu, cấu hình để nâng cao khả ứng dụng cảm biến từ trường loại Các nghiên cứu luận án tập trung vào ứng dụng vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp Metglas/PZT cho cảm biến từ trường đặc biệt cảm biến từ trường trái đất 1.5 Đối tượng, mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu Với nội dung hiệu ứng từ-điện, vật liệu tổ hợp từ-điện cảm biến từ trường trình bày trên, luận án xác định đối tượng nghiên cứu gồm có: lý thuyết hiệu ứng từ-điện lý thuyết liên quan, vật liệu tổ hợp từ-điện 1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu Hướng đến ứng dụng nghiên cứu cho việc chế tạo cảm biến từ trường có độ nhạy, độ phân giải cao giá thành thấp 1.5.3 Nội dung nghiên cứu Qua việc xác định đối tượng mục tiêu nghiên cứu, luận án đề nội dung nghiên cứu bao gồm: * Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp từ-điện khác * Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng từ-điện * Khảo sát tính chất từ, từ giảo, từ-điện vật liệu chế tạo, kết hợp với nghiên cứu lý thuyết để xác định cấu hình tối ưu * Chế tạo cảm biến từ trường với vật liệu từ-điện chế tạo Khảo sát khả làm việc từ trường yếu cải tiến thiết kế cảm biến Đề xuất số khả ứng dụng CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT phương pháp phún xạ Màng mỏngTerfecohan phún xạ trực tiếp lên bề mặt vật liệu áp điện PZT thông qua thiết bị phún xạ bia PTN micro – nano, Trường Đại học Công Nghệ (ĐHCN) - ĐHQGHN (ATC – 2000F, AJA international, Inc (Mỹ) 2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng Lớp băng từ Metglas kết dính học với lớp áp điện PZT Cấu hình vật liệu chế tạo gồm có: bilayer đơn, bilayer kép sandwich 2.3 Khảo sát tính chất từ hệ từ kế mẫu rung Trong thực nghiệm khảo sát tính chất từ vật liệu tiến hành thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 (Lakeshore, PTN micro – nano, ĐHCN, ĐHQGHN) 2.4 Hệ đo từ giảo Để thực đo từ giảo màng mỏng Terfecohan băng từ Metglas, hệ đo từ giảo phản xạ quang học thiết kế sử dụng PTN micro – nano, ĐHCN 2.5 Đo hệ số từ-điện Hiệu ứng từ-điện đặc trưng hệ số từ-điện αE và xác định thông qua áp điện VME sinh hai mặt áp điện tác dụng từ trường Thế áp điện VME hiệu xoay chiều sinh cảm ứng từ trường xoay chiều hAC = h0.sin(2πft) đặt từ trường chiều HDC Từ trường chiều DC tạo nhờ nam châm điện lên tới T (10 kOe) đo đầu đo Hall Hệ số từ-điện xác định công thức: αE = VME/t/h0 liệu Terfecohan/glass/PZT (H 3.11) suy giảm ứng suất độ nhám hai đế khác 3.2 Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo trạng thái nano tinh thể 3.2.1 Nhiệt độ ủ 3500C Màng mỏng Terfecohan sau ủ nhiệt 3500C xuất cấu trúc nano Tinh thể Fe(Co) tinh thể đồng với kích thước hạt ~ 20 nm (H 3.14) Tính chất từ màng mỏng sau ủ nhiệt 3500C cải thiện đáng kể (tăng cường tính chất dị hướng mặt phẳng, giảm lực kháng từ, tăng độ cảm từ từ trường thấp lên bậc độ lớn) (H 3.15) Tính chất từ giảo mà tăng cường thông qua độ cảm từ giảo tăng lên đáng kể từ trường thấp Nguyên nhân cấu trúc nano tinh thể đồng thời với giải phóng ứng suất nội Tính chất từ-điện vật liệu sau ủ 3500C tương ứng tăng cường thông qua hệ số từ-điện cực đại tăng, từ trường tương ứng giảm so với vật liệu trước ủ nhiệt 3.2.2 Nhiệt độ ủ 4500C 11 Tinh thể Fe(Co) Các tinh thể phát triển kích thước lên giá trị ~ 40 nm (H 3.20) Tính chất từ suy giảm so với ủ 3500C tinh thể phát triển đồng thời tăng dị hướng từ tinh thể (H 3.21) 3.3 Kết luận chương -Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng Terfecohan/PZT Terfecohan/Glass/PZT -Màng Terfecohan/PZT có dị hướng mặt phẳng lại có lực kháng từ lớn Nguyên nhân độ nhám bề mặt đế lớn -Nhiệt độ ủ 3500C tối ưu để tăng cường tính chất từ, từ giảo từ điện Nguyên nhân xuất cấu trúc nano tinh thể kích thước ~ 20 nm CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Metglas/PZT DẠNG TẤM VỚI LỚP TỪ GIẢO CÓ CẤU TRÚC VƠ ĐỊNH HÌNH 4.1 Tính chất từ băng từ Metglas 4.1.1 Tính chất từ siêu mềm Tính chất từ băng từ Metglas có pha Ni nghiên 12 cứu thông qua việc đo đường cong từ hóa cho thấy tính chất từ siêu mềm thể với từ trường bão hòa thấp (HS ~ 70 Oe), từ độ bão hòa cao (MS ~ 1216 emu/cm3) khơng có độ từ dư, lực kháng từ (Mr, HC ~ Oe) (H 4.3) 4.1.2 Ảnh hưởng dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm Băng từ có chiều dày tMetglas = 18 m kích thước L W thay đổi từ 0,25 mm đến 10 mm tương ứng với tỉ số r = L/W từ đến 40 Từ trường ngồi ln hướng dọc theo chiều dài (L) băng Mẫu hình vng, n = 1, từ trường HS ~ 70 Oe n = 40, HS ~ vài Oe Tỉ lệ r dễ bão hịa dọc theo phương chiều dài (H 4.4) 4.2 Tính chất từ giảo băng từ Metglas 4.2.1 Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh Đường cong từ giảo băng từ Metglas khảo sát từ trường chiều DC, đường cong từ giảo đo theo hai phương mặt phẳng băng trùng khít (mẫu hình vng) khẳng định tính đẳng hướng 4.2.2 Ảnh hưởng dị hướng hình dạng đến tính chất từ giảo Với n = 1, HS ~ 100 Oe, n = HS ~ 70 Oe Độ dốc tăng tương ứng r tăng chứng tỏ ảnh hưởng tỉ số kích thước đến tính mềm băng từ 13 4.3 Sự phụ thuộc hiệu ứng từ-điện vào tần số kích thích 4.3.1 Mẫu hình vng Sự phụ thuộc hệ số từđiện vào tần số từ trường xoay chiều thực mẫu hình vng quan sát thấy xuất đỉnh có hệ số từđiện đạt lớn có xu hướng dịch chuyển tần số thấp mẫu có kích thước lớn 4.3.2 Mẫu hình chữ nhật Kết cho thấy tần số cộng hưởng mẫu hình chữ nhật (L > W) có giá trị 105,2 kHz, 105,8 kHz, 104,8 kHz, 105,8 kHz, 97,6 kHz, 102,6 kHz tương ứng với mẫu có chiều rộng 1, 2, 3, 5, 7,5 10 mm Các tần số tương đương 4.3.3 Tính tốn lý thuyết quy luật phụ thuộc tần số Xét giải toán dao động chiều sợi dây đàn hồi với điều kiện biên gắn chặt Kết cho thấy sóng dây chồng chập vơ số sóng hình sin với tần số bội tần số f = v/2L Với mẫu hình chữ nhật ta coi sợi dây với chiều dài L chiều dài hình chữ nhật Khi ta 14 bỏ qua dao động theo phương dọc theo chiều rộng Xét giải toán dao động màng mỏng hình chữ nhật có kích thước L.W, có biên gắn chặt Có thể thấy sóng màng mỏng chồng chập vơ số sóng hình sin với tần số: f mn v m2 / L2 n2 / W2 / Trong trường hợp mẫu hình vng (L = W) tần số ứng với đỉnh cộng hưởng lớn f11 v / 2L gấp mẫu hình chữ nhật 4.4 Ảnh hưởng cấu hình (bilayer sandwich) Kết thực nghiệm cho thấy hệ số từ-điện cực đại cấu hình bilayer kép lớn gấp hai lần so với hệ số từ-điện cực đại cấu hình bilayer đơn Tuy nhiên so sánh hệ số từ-điện cực đại cấu hình bilayer kép với cấu hình sandwich thấy hệ số từ-điện cực đại cấu hình sandwich lại lớn so với cấu hình bilayer kép Các nghiên cứu tiếp theo, cấu hình sandwich sử dụng cấu hình mặc định 4.5 Ảnh hưởng chiều dầy lớp từ giảo Metglas Các nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chiều dầy lớp băng từ (số lớp băng từ) thực để tối ưu hóa số lớp băng từ vật liệu tổ hợp từ-điện Hiệu ứng từ-điện tăng thêm 1,5 lần tăng chiều dày lớp băng từ từ lớp 15 lần lên lớp Tiếp tục tăng chiều dày lên ta thấy hiệu ứng từ-điện không tăng thêm Với mục đích hướng đến ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường vùng từ trường thấp có độ nhạy cao, luận án lựa chọn cấu hình sandwich với số lớp băng từ bên Đây cấu hình cho hệ số từ-điện vùng từ trường thấp lớn 4.6 Ảnh hưởng kích thước (mẫu vuông) 4.6.1 Kết thực nghiệm khảo sát hiệu ứng từ-điện Kết rút từ thực nghiệm cho thấy hệ số từ-điện cực đại tăng dần theo kích thước mẫu từ trường ứng với hệ số từ-điện cực đại giảm dần theo kích thước mẫu Tuy nhiên, số yêu cầu thực tiễn đặt cho thiết bị cảm biến kích thước nhỏ tốt Do để đảm bảo yêu cầu chế tạo cảm biến có độ nhạy cao kích thước nhỏ, chúng tơi lựa chọn kích thước tối ưu khoảng từ 10 đến 20 mm 4.6.2 Lý thuyết hiệu ứng “shear lag” 16 Hiệu ứng “Shear lag” hiệu ứng mô tả phân bố biến dạng bề mặt mẫu có dạng màng mỏng Bề mặt mẫu chia thành hai phần phần lõi phần biên Biến dạng bề mặt mẫu tăng dần từ biên vào lõi đạt giá trị cực đại tâm mẫu Tính giá trị hệ số từ-điện trung bình tồn mẫu thu được: E K 1 tanh(k.L) / k.L 4.7 Ảnh hưởng tỷ lệ kích thước dài/rộng 4.7.1 Kết đo thực nghiệm khảo sát hệ số từ-điện Thực nghiệm cho thấy tỷ lệ L/W cho giá trị hiệu ứng từ-điện cực đại vào khoảng L/W = 3, để có độ nhạy cao từ trường thấp tỷ số cần cao (L/W = 7,5) Trong αE cực đại khơng đổi (và có giá trị khoảng 150 V/cm.Oe) giá trị αE từ trường H = Oe tăng mạnh theo tỷ số L/W Kết thu mong đợi thay đổi điện áp 17 từ-điện cách tuần hoàn theo chu kỳ π 2π tùy thuộc vào cấu hình đo định hướng cho nghiên cứu thiết kế cảm biến đo góc tích hợp nhiều vật liệu có dị hướng đơn trục bố trí theo phương trực giao với 4.7.2 Lý thuyết trường khử từ giải thích quy luật phụ thuộc kích thước Hệ số trường khử từ N thực nghiệm tính tốn theo cơng thức: N 1/ 0 1/ M Sự biến đổi hệ số từđiện tỷ đối tương đối phù hợp so với kết thu tính tồn theo giá trị Nexp Kết hình dạng Metglas đóng vai trị quan trọng việc làm tăng mật độ từ thông bên vật liệu tổ hợp từ-điện Kết thực nghiệm lý thuyết cho thấy kích thước 15x1 mm cho độ nhạy từ trường thấp lớn 4.8 Kết luận chương Các nghiên cứu tính chất vật liệu tổ hợp từ-điện dạng Metglas/PZT thu tối ưu cấu hình, hình dạng, kích thước, thơng số làm việc phục vụ cho mục đích chế tạo cảm biến từ trường yếu có độ nhạy độ phân giải cao Vật liệu tối ưu thu có cấu hình sandwich với lớp băng từ bên PZT, kích thước 1x15 mm Các nghiên cứu mơ phương trình truyền sóng, hiệu ứng Shear lag hệ số trường khử từ giải thích tượng thu nghiên cứu thực nghiệm 18 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG 5.1 Cảm biến từ trường dựa màng mỏng Terfecohan có cấu trúc nano Vật liệu tổ hợp từ-điện Terfecohan/glass/PZT (sau ủ nhiệt 3500C) kích thước 17x1 mm sử dụng để chế tạo cảm biến từ trường Khảo sát thông số làm việc cảm biến cho thấy có dải đo từ trường < 1kOe với độ nhạy 0,49 μV/Oe Cảm biến cho thấy khả xác định góc định hướng từ trường Tuy nhiên cảm biến cần nghiên cứu thêm để tăng cường hiệu ứng từ-điện cho ứng dụng thực tiễn 5.2 Cảm biến từ trường dựa băng từ Metglas có cấu trúc vơ định hình 5.2.1 Thiết kế chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trường 19 5.2.2 Khảo sát thông số làm việc cảm biến 5.2.2.a Tần số cộng hưởng Các cảm biến 1D có hệ số phẩm chất khoảng 67, tần số cộng hưởng 99,55, 100,13 100,18 kHz tương ứng cho cảm biến S1, S2 S3 5.2.2.b Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào cường độ từ trường Kết cho thấy đường cong tín hiệu thay đổi theo quy luật tuyến tính V = k× HDC với độ dốc k = 653,215 mV/Oe Độ phân giải cảm biến từ trường 1D có giá trị 3.10-4 Oe 5.2.2.c Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào góc định hướng Tín hiệu phụ thuộc tuần hồn theo quy luật hàm V = V0.cosφ, V0 = 260,9 mV Sử dụng k = 653,215 mV/Oe, cường độ từ trường Trái đất nằm mặt phẳng nằm ngang có giá trị 0,3994 Oe 5.2.3 Tín hiệu (zero offset) cách khắc phục 20 Đường cong tín hiệu cảm biến cho thấy khơng đối xứng xung quanh trục hồnh mà bị dịch giá trị khoảng 100 mV Thế offset bù trừ cách đảo cực nguồn ni từ trường xoay chiều kích thích 5.2.4 Cảm biến đo góc dựa cảm biến đo từ trường 2D Để xác định hai thành phần từ trường vng góc mặt phẳng, luận án sử dụng hai cảm biến đơn bố trí vng góc với Cấu hình cho phép xác định đồng thời góc định hướng độ lớn từ trường trái đất độ nhạy cao toàn dải đo 5.2.5 Cảm biến đo từ trường trái đất 3D dựa hiệu ứng từ-điện Nếu cảm biến 2D chế tạo phần cho mục đích đo độ lớn định hướng từ trường Trái đất mặt phẳng với ứng dụng khơng gian địi hỏi việc nghiên cứu chế tạo cảm biến 3D Cảm biến loại chế tạo cách tổ hợp ba cảm biến đơn S1, S2 S3 Hệ cảm biến cho phép xác định đồng thời ba thành phần từ trường Trái đất hệ tọa độ từ xác định 21 đồng thời cường độ từ trường Trái đất định hướng khơng gian 5.3 Kết luận chương - Cảm biến 1D chế tạo cho phép xác định cường độ từ trường trái đất với độ nhạy 653,215 mV/Oe, độ phân giải ~ 3.10-4 Oe - Cảm biến 2D chế tạo cho phép xác định cường độ góc định hướng từ trường trái đất với độ phân giải góc ~ 10-2 độ Cảm biến 3D chế tạo cho phép xác định cường độ góc định hướng khơng gian từ trường trái đất KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng Terfecohan/PZT phương pháp phún xạ dạng Meglas/PZT phương pháp kết dính học Vật liệu Terfecohan/PZT có hệ số từ-điện lớn αE = 6,3 mV/cm.Oe từ trường chiều Hdc = kG Vật liệu có hệ số từ-điện nhỏ 27 lần từ trường làm việc giảm lần so với vật liệu Terfecohan/Glass/PZT Nguyên nhân đề xuất khác biệt hình thái bề mặt đế số phương án thay đổi hình thái bề mặt vật liệu áp điện đưa Màng Terfecohan ủ nhiệt chân không nhiệt độ 3500C cho thấy xuất cấu trúc nano tinh thể làm tăng cường tính chất từ-điện vật liệu tổ hợp (hệ số từđiện tăng 1,9 lần, từ trường chiều tương ứng giảm lần) Tuy nhiên vật liệu cần nghiên cứu để ứng dụng thực tiễn 22 Các nghiên cứu cấu hình tối ưu vật liệu tổ hợp từđiện đa lớp dạng Metglas/PZT để ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường trái đất dạng sandwich (Metglas/PZT/Metglas) với kích thước 15x1 mm2 Với cấu hình hệ số từ-điện cực đại đạt αE = 131 V/cm.Oe từ trường Hdc = Oe Các nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mô tượng cộng hưởng tần số, hiệu ứng shear lag hiệu ứng trường khử từ giúp giải thích tượng thực nghiệm, dự đoán trước kết thực nghiệm góp phần q trình tối ưu hóa cấu hình vật liệu Vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng Terfecohan/PZT ứng dụng để chế tạo cảm biến từ trường cho thấy cảm biến khơng có khả xác định cường độ từ trường (độ nhạy k = 0,49 μV/Oe, dải đo từ -1 kOe đến kOe) mà cịn có khả xác định góc định hướng từ trường Vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng Metglas/PZT ứng dụng chế tạo thành công cảm biến 1D, 2D 3D Cảm biến 1D có độ nhạy từ trường đạt tới k = 653,215 mV/Oe độ phân giải lên đến 3.10-4 Oe Cảm biến 1D không cho phép xác định xác cường độ từ trường trái đất mà cịn xác định góc định hướng với độ phân giải góc ~ 10-2 độ Các cảm biến từ trường trái đất 2D 3D chế tạo thành công dựa vào việc kết hợp cảm biến 1D Các cảm biến từ trường trái đất 2D 3D cho phép xác định cường độ từ trường trái đất góc định hướng theo thời gian thực có độ phân giải ổn định tồn dải 23 đo Các cảm biến 2D cho độ nhạy 308,2 310,7 mV/Oe tương ứng với độ nhạy hai cảm biến 1D, độ phân giải từ trường 3.104 Oe độ phân giải góc 10-2 độ Các cảm biến 3D cho độ nhạy 192,6 mV/Oe, 200,8 mV/Oe 205,5 mV/Oe tương ứng với độ nhạy ba cảm biến đơn Các kết thu từ thực nghiệm khảo sát khả làm việc cảm biến từ trường trái đất 1D, 2D 3D cho thấy chúng hồn tồn sử dụng la bàn điện tử hệ với độ xác độ nhạy cao Kiến nghị: Ngồi ứng dụng thực triển khai luận án, số ứng dụng khác sử dụng cảm biến từ trường dựa vật liệu tổ hợp đa lớp dạng Metglas/PZT nhờ ưu điểm bật như: sử dụng thiết bị định vị, thiết bị dị tìm vệ tinh điều khiển trạm thu phát tín hiệu mặt đất di động cố định, cảm biến cường độ dòng điện dạng kìm, thiết bị đo nhịp tim, cảm biến phát hạt nano từ lĩnh vực sinh học hay cảm biến y – sinh khác 24 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN D.T Huong Giang, P.A Duc, N.T Ngoc, N.T Hien and N.H Duc (2012) “Enhancement of the Magnetic Flux in Metglas/PZT – Magnetoelectric Integrated 2D Geomagnetic Device” Journal of Magnetics, 17(4), 308 – 315 D.T Huong Giang, P.A Duc, N.T Ngoc, N.T Hien and N.H Duc (2012) “Spatial angular positioning device with three – dimensional magnetoelectric sensors” Review of scientific instruments, 83, 095006 D.T Huong Giang, P.A Duc, N.T Ngoc and N.H Duc (2012), “Geomagnetic sensors based on Metglas/PZT laminates” Sensors and Actuators A, A179, 78 – 82 Phạm Anh Đức Đỗ Thị Hương Giang Nguyễn Thị Ngọc Nguyễn Hữu Đức (2013) “Nghiên cứu, tối ưu cấu hình mơ lý thuyết hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp Metglas/PZT” Kỷ yếu hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 8, trang 119-123 Phạm Anh Đức Nguyễn Thị Ngọc Lê Khắc Quynh Nguyễn Hữu Đức Đỗ Thị Hương Giang (2015) “Chế tạo nghiên cứu màng mỏng từ - điện Terfercohan/PZT cấu trúc nano” Kỷ yếu hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ trang 1619 Danh mục gồm 05 cơng trình ... giảo có cấu trúc nano vơ định hình dùng cho cảm biến từ trường micro – tesla Mục tiêu nghiên cứu luận án chế tạo nghiên cứu thành công vật liệu tổ hợp t? ?- điện hai pha từ giảo áp điện có vật liệu. .. hóa vật liệu để đạt hiệu ứng t? ?- điện đủ lớn cho ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường có độ nhạy cao độ phân giải cao Luận án có tên gọi là: Chế tạo nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ? ?iện với lớp từ giảo. .. cứu chế tạo vật liệu tổ hợp t? ?- điện khác * Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng t? ?- điện * Khảo sát tính chất từ, từ giảo, t? ?- điện vật liệu chế tạo, kết hợp với nghiên cứu lý thuyết để xác định