Khóa luận Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu ứng từ điện vào từ trường xoay chiều

m) và cấu trúc từ của vật liệu. Từ dƣ và lực kháng từ trong các vật liệu từ cứng lớn hơn so với vật liệu từ mềm nên năng lƣợng cần thiết để triệt tiêu tính chất từ của vật liệu từ cứng cũng lớn hơn so với vật liệu từ mềm. Do các tính chất khác nhau này thì vật liệu từ cứng thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu. 1.1.2. Các trạng thái từ của vật chất 1.1.2.1. Trạng thái nghịch từ Ở trạng thái nghịch từ, vật liệu từ có độ cảm từ nhỏ hơn 0 ( , độ lớn nhỏ (cỡ 10-5) và phụ thuộc ít vào nhiệt độ. Một cách gần đúng, ta có thể coi rằng trong các chất nghịch từ có nguyên tử mà trong đó mặt phẳng quỹ đạo của các electron song song với nhau và quỹ đạo của chúng giống nhau. Trên các quỹ đạo này, các electron đều chuyển động cùng vận tốc nhƣng ngƣợc chiều nhau nên làm cho mômen từ quỹ đạo của chúng luôn trực đối nhau. Do đó tổng mômen từ quỹ đạo luôn luôn bằng không [9]. Hình 1.2. Mô hình sắp xếp mômen từ nguyên tử. 7 Lý thuyết đã chỉ ra rằng các mômen từ riêng (mômen spin) của electron cũng luôn ngƣợc chiều nhau, nên tổng mômen từ riêng bằng không. Do vậy mômen từ nguyên tử của electron (gồm mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin) bằng không. Nếu đặt vào trong từ trƣờng ngoài, các electron sẽ đều có mômen từ cảm ứng cùng chiều nhau và ngƣợc chiều với từ trƣờng ngoài. Dẫn đến kết quả là mômen từ của mỗi nguyên tử khác không làm toàn bộ chất nghịch từ có mômen từ khác không và ngƣợc chiều từ trƣờng ngoài. Hiện tƣợng nghịch từ trên xuất hiện ở tất cả các vật nhƣng thƣờng bị ẩn đi bởi các hiệu ứng khác biểu hiện mạnh hơn (nhƣ hiện tƣợng thuận từ, sắt từ). Hiện tƣợng nghịch từ thể hiện rõ nhất ở những chất mà mômen từ tổng cộng của chúng bằng không. Ví dụ: khí trơ, hợp chất hữu cơ, một số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag 50,9.10Cu   51,7.10Pb   2 50,88.10H O   Vật liệu nghịch từ lý tƣởng là vật liệu siêu dẫn (là vật mà ở dƣới nhiệt độ cT , điện trở của vật bằng không) vì nó có 0  và 1 4     , lớn gấp nhiều lần so với các chất nghịch từ khác. 1.1.2.2. Trạng thái thuận từ Là vật liệu từ có độ cảm từ 0  , giá trị nhỏ (cỡ 5 310 10  ).  phụ thuộc vào nhiệt độ theo định luật Curie: C T   Trong đó: C - hằng số Curie. T - nhiệt độ tuyệt đối. Khi chƣa xuất hiện từ trƣờng ngoài, các mômen nguyên tử sắp xếp hỗn loạn, không theo một phƣơng nhất định do có sự chuyển động nhiệt. Vì vậy, mômen từ tổng hợp toàn bộ vật thuận từ bằng không và vật không có từ tính. 8 Đến khi xuất hiện từ trƣờng ngoài, các mômen từ nguyên tử có xu hƣớng sắp xếp theo hƣớng từ trƣờng đó là chiều ƣu tiên. Do đó toàn bộ vật thuận từ có mômen từ khác không, mômen từ tổng hợp sẽ cùng chiều với từ trƣờng ngoài nhƣ hình 1.3. Đây là hiệu ứng thuận từ [9]. Hình 1.3. Sự sắp xếp các momen từ nguyên tử  Một số chất thuận từ:  Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do, ôxit nitơ dạng khí (NO)  Các nguyên tử tự do với lớp vỏ không đầy: các nguyên tố chuyển tiếp, các nguyên tố nhóm Uran  Các kim loại: thuộc nhóm 3d (nhóm sắt) : Cr, Mn, Co; nhóm kim loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Sm, Pm, Pr  bạch kim = 52,9.10 52,1.10Al   ôxy lỏng = 53,5.10 1.1.2.3. Trạng thái sắt từ Ở trạng thái sắt từ vật liệu từ có độ cảm từ lớn hơn 0 ( 0  ), có giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ chế tạo đặc biệt có thể lên tới hàng triệu). Khi ở một nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ xác định nào đó, trong vật sắt từ tồn tại độ từ hóa tự phát. Nghĩa là chất sắt từ tồn tại mômen từ tự phát ngay 9 cả khi không có từ trƣờng ngoài. Khi tăng nhiệt độ (giả sử đốt nóng chất sắt từ), tính chất từ của chúng giảm đi. Với mỗi chất sắt từ có một nhiệt độ xác định mà tại đó tính chất từ của nó biến mất [9]. Hình 1.4. Sự sắp xếp các momen từ nguyên tử Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie ( cT ). Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Curie, chất sắt từ trở thành chất thuận từ. Nhiệt độ cT đƣợc gọi là nhiệt độ chuyển pha (trật tự  bất trật tự). Tại T = cT một số tính chất liên quan đến trật tự từ sẽ dị thƣờng theo nhiệt độ nhƣ: hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung của vật liệu, biến dạng từ giảo... Sự phụ thuộc của  vào T đƣợc biểu thị qua định luật Curie - Weiss: c C T T    Một số chất sắt từ: Fe, Ni, Comột số hợp kim, kim loại đất hiếm. 1.1.2.4. Trạng thái phản sắt từ Là vật liệu từ có độ cảm từ 0  , giá trị không lớn lắm (cỡ 410 1  ), có từ tính yếu. Dƣới một nhiệt độ xác định nào đó, tƣơng tác trao đổi giữa các electron ở lớp vỏ chƣa đầy làm cho các spin định hƣớng đối song và bù trừ lẫn nhau. 10 Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Nell ( NT ). Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ NT , sự sắp xếp spin trở nên hỗn loạn, tăng nhƣ vật liệu thuận từ. Sự phụ thuộc của  vào nhiệt độ [9]: , C T     (với: , 1,NN T T T c      ). Một số vật liệu sắt từ: Cr, Mn, MnO, NiO, FeO Hình 1.5. Sự sắp xếp các momen từ nguyên tử 1.1.2.5. Trạng thái ferit từ (hay gọi chất ferit) Là vật liệu có độ cảm từ 0  , giá trị tƣơng đối lớn. Khi chƣa có từ trƣờng và T < cT , trong tinh thể các spin sắp xếp phản song song với nhau. Tuy nhiên, do độ lớn của các spin khác nhau, nên chúng không bù trừ lẫn nhau, vì thế từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi không có từ trƣờng ngoài. Từ độ tổng cộng này gọi là từ độ tự phát [9]. Nhƣ vậy, các ferit từ có trật tự từ tự phát dƣới nhiệt độ cT . Khi T > cT , trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành vật thuận từ, Tc gọi là nhiệt độ chuyển pha. 11 Một số vật liệu ferit từ: CuO, ZnO, 2 3Fe O Hình 1.6. Sự sắp xếp các momen nguyên tử 1.1.3. Tính chất từ của băng từ mềm Tính chất từ mềm của băng từ nền Fe đƣợc thể hiện ở: - Giá trị của lực kháng từ HC cực nhỏ cỡ vài Oe. - Độ từ thẩm ban đầu và độ từ thẩm cực đại lớn: ~ 104 ÷ 105 - Cảm ứng từ bão hoà BS hay từ độ bão hoà MS lớn: khoảng vài Tesla (hợp kim Fe65Co35 đạt đƣợc 2,34T). - Hệ số từ giảo bão hoà λS rất nhỏ: ~ 10 -5 ÷ 10-6. - Tính chất từ giảo mềm cao trong vùng từ trƣờng thấp: Độ cảm từ giảo χλ = dλ/dH ~ 10 -2 T -1 trong vùng từ trƣờng nhỏ ~ mT. 1.1.4. Ứng dụng của băng từ mềm Trong thực tế không khó để bắt gặp các ứng dụng của băng từ mềm. Tính chất từ mềm của băng hợp kim vô định hình đã đƣợc ứng dụng rất đa dạng với số lƣợng rất lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng cụ thể của vật liệu băng từ mềm nhƣ: làm các vật liệu dẫn từ, lõi biến áp, các máy điện, rơle, nam châm điện, sensơ đo từ trƣờng, các cuộn cảm, cuộn chặn hay những màn chắn từ,.... Tại Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật liệu từ Vô 12 định hình và Nanô - Viện Vật lý kĩ thuật - ĐHBKHN và nhà máy M1- Bộ Quốc phòng đã ứng dụng vật liệu từ mềm vô định hình để chế tạo máy biến áp tần số cao góp phần làm giảm trọng lƣợng của máy hàn cá nhân từ 50 kg xuống còn 5 kg, máy sục khí ôzôn. Đặc biệt với công nghệ này, nƣớc ta đã chế tạo và thay thế một số thiết bị khí tài quân sự trong nƣớc không cần nhập khẩu. Hình 1.7. Một số ứng dụng của băng từ mềm a – Hình ảnh băng từ; b – Các thiết bị máy biến áp và cuộn cảm; c – senso đo từ trường dựa trên hiệu ứng GMR của băng từ; d – senso đo ứng suất [1] Các nghiên cứu về băng từ mềm vô định hình vẫn chủ yếu tập trung vào các tính chất từ của chúng. Do từ giảo của các băng từ nền Fe và Co có hệ số từ giảo (λS ~ 10 -6 ) rất nhỏ khi so sánh với các vật liệu từ giảo truyền thống dựa trên hợp kim đất hiếm – kim loại chuyển tiếp có từ giảo khổng lồ (λS ~ 10 -3) nên đặc trƣng này không đƣợc quan tâm nghiên cứu và triển khai ứng dụng. Tuy rằng có hệ số từ giảo nhỏ nhƣng bù lại do các hợp kim này có tính chất siêu mềm nên quá trình từ hóa dễ dàng xảy ra trong từ trƣờng rất thấp, và do đó độ cảm từ giảo của các băng từ này là rất lớn khi so sánh với các vật liệu từ giảo truyền thống. Do tính chất mềm từ giảo của các băng từ này nên chúng cũng rất triển vọng cho các ứng dụng chế tạo các vật liệu “lƣỡng tính” 13 từ - điện trong đó các băng từ sẽ đóng vai trò vật liệu từ giảo để tạo ứng suất lên pha điện khi chịu tác dụng của từ trƣờng ngoài. Cơ chế và nguyên lý hoạt động của hiệu ứng này sẽ đƣợc trình bày nhƣ dƣới đây. 1.2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÁC HIỆU ỨNG TỪ VÀ ĐIỆN 1.2.1. Hiện tƣợng từ giảo Từ giảo là hiện tƣợng hình dạng và kích thƣớc của vật liệu từ thay đổi khi trạng thái từ của vật liệu thay đổi. Hiện tƣợng từ giảo đã đƣợc James Prescott Joule (1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [16]. Trạng thái từ của vật liệu có thể bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi hoặc dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài (hình 1.8). Hiện tƣợng thể tích của vật liệu từ thay đổi do sự thay đổi trạng thái từ khi nhiệt độ thay đổi đƣợc gọi là hiện tƣợng từ giảo tự phát hay từ giảo thể tích (hình 1.8a). Từ giảo xuất hiện khi đặt vật liệu từ trong từ trƣờng ngoài đƣợc gọi là từ giảo cƣỡng bức hay từ giảo tuyến tính Joule (hình 1.8b). Hình 1.8. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu (a) Từ giảo thể tích và (b) Từ giảo tuyến tính Joule. 14 Bản chất của hiện tƣợng từ giảo tuyến tính Joule là do tƣơng tác spin – quỹ đạo trong các điện tử trong vật liệu sắt từ. Hiện tƣợng từ giảo tuyến tính Joule chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu và có tƣơng tác spin – quỹ đạo mạnh Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo sự quay của mômen từ (mômen spin) từ hƣớng này sang hƣớng khác và từ giảo đƣợc tạo ra do sự thay đổi tƣơng ứng của tƣơng tác tĩnh điện giữa điện tử từ và điện tích của môi trƣờng. Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ đạo bằng 0), tất cả các vị trí của các ion lân cận đều tƣơng đƣơng đối với sự phân bố điện tử. Khi có sự tác động của từ trƣờng ngoài, mômen spin tuy có quay đi, nhƣng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên (không dẫn đến sự thay đổi về kích thƣớc cũng nhƣ hình dạng mẫu) (hình 1.9a). Hình 1.9. Hiện tượng từ giảo ứng với phân bố đám mây điện tử dạng đối xứng cầu (J = 0) Đối với các kim loại có đám mây điện tử từ dạng không đối xứng cầu (L  0 và J  0), tƣơng tác tĩnh điện không còn là đẳng hƣớng. Khi chƣa có từ trƣờng, tƣơng tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ tích điện âm và các ion dƣơng lân cận (nguyên tử) luôn có xu hƣớng làm ngắn khoảng cách giữa 15 chúng theo hƣớng trục phân bố tại đó mật độ điện tích của đám mây điện tử từ lớn nhất. Hình 1.10. Hiện tượng từ giảo tương ứng với các trường hợp: liên kết spin – quỹ đạo yếu (a), J 0 (b), J 0 (c). Có hai trƣờng hợp xảy ra : - Trƣờng hợp tƣơng tác spin - quỹ đạo yếu (năng lƣợng tƣơng tác LS ~ 0,015 eV/nguyên tử), khi đặt trong từ trƣờng ngoài chỉ có mômen spin dễ dàng quay theo hƣớng từ trƣờng ngoài, trong khi đó mômen quỹ đạo hầu nhƣ không chịu ảnh hƣởng gì của từ trƣờng ngoài (hiện tƣợng đóng băng mômen quỹ đạo). Trong trƣờng hợp này, mặc dù đám mây điện tử từ có dạng không đối xứng cầu nhƣng năng lƣợng cần thiết để quay mômen spin theo từ trƣờng ngoài yếu và từ giảo nhỏ (hình 1.10a). Đó là trƣờng hợp của các kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni). 16 - Hiện tƣợng từ giảo chỉ xảy ra mạnh khi đám mây của các điện tử từ không có dạng đối xứng cầu và tƣơng tác spin - quỹ đạo (LS) mạnh, khi đó sự quay của mômen spin gắn liền với sự quay của mômen quỹ đạo. Trong trƣờng hợp này từ giảo thƣờng có giá trị lớn. Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, ta sẽ quan sát đƣợc từ giảo âm nếu sự phân bố đám mây điện tử từ có dạng hình chày (J > 0, hình 1.10b) và từ giảo dƣơng nếu đám mây điện tử từ có dạng đĩa dẹt (J < 0, hình 1.10c). Hình 1.11. Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng mỏng. Từ giảo của các vật liệu đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ giảo  đƣợc xác định theo công thức sau:      0 0 0 0 0 0 l H l H l H l l         với lo là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trƣờng ngoài và l(oH) là chiều dài của mẫu khi có từ trƣờng ngoài oH đặt vào. Từ giảo là một đại lƣợng không có thứ nguyên. Trong các vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng, hiện tƣợng từ giảo thể hiện bởi biến dạng tuyến tính (l/l) phƣơng từ trƣờng ngoài (hình 1.11). 1.2.2. Hiện tƣợng áp điện Hiệu ứng áp điện là một hiện tƣợng vật lý đƣợc nhà khoáng vật học ngƣời Pháp phát hiện đầu tiên vào năm 1817, sau đó đƣợc anh em nhà Jacques và Pierre Curie nghiên cứu chi tiết vào năm 1890 [11] là hiện tƣợng (1.3) 17 vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất kéo hoặc nén thì trong lòng vật liệu sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngƣợc lại, khi vật liệu chịu tác dụng của điện trƣờng thì vật liệu sẽ bị biến dạng dài ra hoặc ngắn lại tùy thuộc vào điện trƣờng ngoài cùng chiều hay ngƣợc chiều với véc tơ phân cực điện của vật liệu [13]. Hình 1.12. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gồm áp điện (a) chịu tác dụng của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c). Hình 1.12 mô tả hiệu ứng áp điện dƣới tác dụng của ứng suất bên ngoài. Nếu vật liệu chịu ứng suất nén (hình 1.12a) hoặc kéo theo hƣớng phân cực (hình 1.12b) thì sẽ dẫn đến sự giảm hoặc tăng của độ phân cực điện trong lòng vật liệu và kết quả sẽ làm xuất hiện trong lòng vật liệu một điện trƣờng cùng chiều hay ngƣợc chiều với véc tơ phân cực điện. Kết quả là trên hai mặt đối diện của vật liệu áp điện sẽ xuất hiện thế áp điện có dấu và độ lớn phụ thuộc vào ứng suất tác dụng theo công thức [13] E g    (1.4) với g là hệ số tỉ lệ đặc trƣng cho từng vật liệu và  là độ lớn ứng suất tác dụng (ứng suất nén   0 và ứng suất kéo   0). Hiệu ứng áp điện xảy ở một số điện môi tinh thể nhƣ thạch anh, tuamalin, hoặc dƣới dạng vật liệu đa tinh thể. Cho đến nay, ngƣời ta tạo ra vật 18 liệu áp điện dƣới 2 dạng: gốm áp điện (PbZnxTi1-xO3 - PZT) và Polyme áp điện 1.2.2.1. PZT áp điện PZT là tên viết tắt của vật liệu áp điện có thành phần hóa học PbZnxTi1- xO3, đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nung thiêu kết. Trong thành phần cấu tạo PZT, tỉ lệ Zn:Ti là một nhân tố quan trọng ảnh hƣởng tới hiệu ứng áp điện. Vật liệu PZT ở trạng thái đơn tinh thể có thể tồn tại ở cấu trúc perovskite bốn phƣơng (tetragonal) hoặc thoi (rhombohedral) (hình 1.13). Trong các trạng thái này, ô đơn vị là sắt điện chứa mômen lƣỡng cực đƣợc tạo ra do cấu trúc bất đối xứng của các ion O2- và Zn4+/Ti4+ so với trục tinh thể. Hình 1.13. Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương (trái) và mặt thoi (phải). + Hiệu ứng áp điện nghịch: Tùy thuộc vào hƣớng của điện trƣờng ngoài đặt vào, vị trí của các ion này sẽ xác định tính chất áp điện của tinh thể. Hiệu ứng áp điện có thể giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trong ô đơn vị đƣợc minh họa trên hình. Dƣới tác dụng của một điện trƣờng ngoài theo phƣơng trục Oz, các ion O2- sẽ bị hút về điện cực dƣơng, các ion Zn 4+ /Ti 4+ và Pb2+ sẽ bị hút về điện cực còn lại. Do có sự dịch chuyển này, liên kết giữa các ion trong tinh thể và do đó khoảng cách giữa các ion này sẽ bị thay đổi. Kết quả là tinh thể áp điện sẽ bị biến dạng. 19 + Hiệu ứng áp điện thuận: Ngƣợc lại với hiệu ứng áp điện nghịch là hiệu ứng áp điện thuận, nghĩa là năng lƣợng cơ biến thành năng lƣợng điện khi tinh thể bị biến dạng bởi một tác động cơ học bên ngoài: Khi không có lực tác dụng, ô mạng dạng lập phƣơng, tâm của các ion dƣơng và iôn âm trùng nhau, không bị phân cực điện. Hình 1.14. Mô hình giải thích hiệu ứng áp điện. Khi có lực tác dụng, ô mạng bị biến dạng, co lại theo chiều này và giãn ra theo chiều kia. Hình lập phƣơng trở thành khối chữ nhật. Lúc đó tâm của các iôn dƣơng và iôn âm dịch chuyển đối với nhau. Ô mạng từ trung hòa điện trở nên một lƣỡng cực điện. Ngƣời ta đặc trƣng tác dụng của một lƣỡng cực điện bằng véctơ phân cực điện P, trong đó .p q r , điện tích q nhân với khoảng cách giữa 2 điện tích, còn chiều của p là chiều của véctơ nối từ điện tích âm đến điện tích dƣơng. Có thể có nhiều lƣỡng cực nhỏ nhƣ vậy, có p song song cùng chiều với nhau ứng với một miền gồm nhiều ô mạng. ngƣời ta gọi miền đó là một miền điện Weiss, có P p ( hình 1.14). Nhiều tính chất của vật liệu áp điện đƣợc giải thích theo các tính chất của miền điện Weiss tƣơng tự nhƣ giải thích tính chất từ của vật liệu từ nhờ miền từ. Pb O 2- Ti,Zr 20 Từ khi đƣợc phát hiện ra cho đến nay, các gốm áp điện PZT đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng rất mạnh trong nhiều lĩnh vực nhƣ màng rung, máy phát điện, sensơ, bộ chuyển đổi, làm bộ phận đánh lửa ở bếp ga, bật lửa ga, ứng dụng trong loa - mic áp điện.... Vật liệu PZT có nhiều tính năng nổi trội nhƣ độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hƣởng của điện dung ký sinh, độ bền cơ học cao và dễ gia công. Vật liệu áp điện PZT có thành phần và tính chất tối ƣu tùy vào mục đích sử dụng đã đƣợc thƣơng mại hóa và sản xuất hàng loạt. Trong những năm gần đây, các perovskite nhƣ BaSrO3, PbTiO3, Pb(ZnxTi1-x)O3 (PZT) đặc biệt thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu (do có độ phân cực tự phát và hiệu ứng áp điện lớn). Trên thế giới, đặc biệt là các nƣớc tiên tiến nhƣ Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, các nƣớc Châu Âu vật liệu PZT đã có nhiều ứng dụng triển khai trong thực tế dƣới dạng các sản phẩm thƣơng mại. 1.2.2.2. Polyme áp điện Các vật liệu áp điện nhƣ thạch anh, PZT có nhƣợc điểm là cứng và giòn, khó làm thành tấm to và mỏng, chịu đƣợc biến dạng lớn nên để thỏa mãn nhu cầu, ngƣời ta đã tìm cách chế tạo Polyme áp điện trong nhiều trƣờng hợp dễ dùng hơn. Vật liệu Polyme áp điện điển hình ngày nay có tên gọi tắt là PVDF (Polyvinylidene Fluoride). Cấu tạo phân tử của Polyme này có dạng chuỗi dài nhƣ hình vẽ. Chuỗi phân tử nhƣ vậy gồm nhiều lƣỡng cực điện, bình thƣờng chúng nằm lộn xộn (hình 1.15a) nhƣng nếu có điện trƣờng đủ mạnh tác dụng, các lƣỡng cực điện định hƣớng theo điện trƣờng làm cho các mặt bên xuất hiện các điện tích trái dấu tức là có hiệu điện thế. Cách sắp xếp có trật tự này cũng làm cho tấm Polyme bị co giãn (hình 1.15b). Ngƣợc lại nếu ta tác dụng lực làm cho tấm Polyme bị co giãn, xu hƣớng sắp xếp có trật tự dƣới tác dụng 21 của lực cơ cũng làm cho hai bề mặt của Polyme áp điện xuất hiện các điện tích trái dấu, tức là sinh ra hiệu điện thế. Hình 1.15. Cấu tạo nguyên tử Polyme áp điện a) Khi định hướng lộn xộn b) khi định hướng có trật tự Đây là vật liệu Polyme nên dễ sản xuất ra thành tấm mỏng, to nhỏ dày mỏng tuỳ ý. Để tăng hiệu suất ngƣời ta lại có thể dán các lá mỏng Polyme lại với nhau và ghép các cực theo kiểu song song hay nối tiếp để có lợi về mặt điện tích hoặc điện thế. Ra đời năm 1969, polyme áp điện đã đƣợc sử dụng ở nhiều lĩnh vực nhƣ: làm cảm biến, làm micro và loa, đặc biệt làm bộ phận biến cơ năng thành điện năng một cách rất gọn nhẹ. Ngƣời ta lót Polyme áp điện dƣới các tấm thảm ở vƣờn trẻ, khi trẻ con chạy chơi trên thảm các tấm áp điện bị lõm xuống, phồng lên sinh ra điện qua chỉnh lƣu rồi tích vào acquy, thừa công suất để thắp sáng đèn LED. Tƣơng tự nhƣ vậy, ngƣời ta dán Polyme áp điện vào các cành của một cây, khi gió thổi cành lá rung, đủ sinh ra điện dùng để thắp sáng, sạc pin điện thoại. Ứng dụng này đặc biệt quan trọng ở những nơi không có điện lƣới. Ngày nay hiện tƣợng áp điện đƣợc ứng dụng rất rộng rãi 22 trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày nhƣ: cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gƣơng phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thƣớc nhỏ, hiện nay ngƣời ta đang phát triển nhiều chƣơng trình nghiên cứu nhƣ máy bay bay đập cánh nhƣ côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, các máy in... một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo. 1.2.3. Hiệu ứng từ - điện Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng mà vật liệu bị phân cực điện (PE) dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài (H) gọi là hiệu ứng từ- điện hay ngƣợc lại, vật liệu bị từ hóa dƣới tác dụng của điện trƣờng. Đây là một hiệu ứng tích của hai hiệu ứng: hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng điện và đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ - điện E = dE/dH (hình 1.16). Hình 1.16. Mô tả hiệu ứng từ điện. Hiệu ứng từ điện thƣờng đƣợc quan sát thấy trên các vật liệu Multifrroic tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Trong số các vật liệu từ - điện đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng phải kể đến vật liệu gồm hai pha từ giảo và áp điện. Khi đặt vật liệu trong từ trƣờng, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cƣỡng bức, tạo ra một ứng suất cơ học tác động chặt chẽ lên pha áp điện, VME = E.t Ứng suất PE + - Ứng suất H Vật liệu từ giảo Vật liệu áp điện Vật liệu từ giảo H 23 làm pha áp điện bị phân cực điện cảm ứng nghĩa là tạo ra trên hai bề mặt của pha áp điện những điện tích trái dấu hay trong lòng vật liệu có một điện trƣờng. Khi nối ra mạch ngoài ta sẽ đƣợc một thế hiệu một chiều. Hình 1.17. Các vật liệu tổ hợp từ - điện: (a) dạng hạt, (b) dạng màng đa lớp và (c) dạng tấm. Vật liệu có hiệu ứng từ - điện có thể đƣợc chia thành hai loại dựa trên tính chất: (i) vật liệu đơn pha và (ii) vật liệu tổ hợp. Trong đó, vật liệu dạng đơn pha còn nhiều hạn chế nhƣ hệ số từ - điện thấp E  1 – 10 (mV/cmOe) so với các yêu cầu ứng dụng vì hầu hết các vật liệu đó chỉ làm việc ở nhiệt độ rất thấp, do nhiệt độ Néel và nhiệt độ Curie thấp hơn nhiệt độ phòng. Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này đƣợc chế tạo đều dựa trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn đến sự hình thành một số pha phụ làm giảm tính chất từ - điện của vật liệu. Để khắc phục những điều này, ngƣời ta đã thay đổi công nghệ chế tạo bằng cách tạo ra các vật liệu tổ hợp từ hai pha sắt từ và sắt điện độc lập dƣới ba dạng chính sau (xem hình 1.17): - Dạng hạt: các hạt sắt từ tồn tại trên nền pha sắt điện (hình 1.17a) - Dạng màng đa lớp: các lớp sắt điện đƣợc lắng đọng xen kẽ nhau giữa các lớp sắt từ (hình 1.17b) - Dạng tấm: dán kết dính các tấm sắt điện giữa các tấm sắt từ (hình 1.17c) 24 Vật liệu có hiệu ứng từ - điện đƣợc nghiên cứu trong khóa luận này là vật liệu tổ hợp dạng tấm: dán kết dính các tấm sắt điện (PZT) giữa các tấm từ giảo Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 Hình 1.18. Vật liệu tổ hợp áp điện/ từ giảo. 25 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện Phƣơng pháp kết dính đƣợc sử dụng để làm ra vật liệu tổ hợp từ - điện dạng tấm, chế tạo bằng sử dụng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ FeNiBSi thƣơng mại. Sơ đồ minh họa cấu trúc của mẫu vật liệu tổ hợp đƣợc minh họa ở hình 2.1. Trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện PZT (Pb, Zr, Ti) dạng tấm chiều dày tPZT = 250m mang số hiệu APCC-855 đƣợc cung cấp bởi công ty của Mỹ (American Piezoceramics Inc., PA, USA) [6]. Tấm áp điện sau khi tạo kích thƣớc phù hợp đã đƣợc phủ lớp điện cực mỏng bằng Ag vào hai mặt trên, dƣới và đã đƣợc phân cực với véc tơ phân cực PE hƣớng vuông góc với mặt phẳng mẫu. Thế hiệu lối ra từ vật liệu tổ hợp đƣợc đo qua hai dây điện cực bằng đồng nhỏ gắn trên 2 mặt của tấm áp điện nhờ keo dẫn Ag (Silve paint). Hình 2.1. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBS và ảnh chụp sau khi chế tạo. 2.2. Khảo sát hiệu ứng từ-điện Hệ số từ - điện E đặc trƣng cho hiệu ứng từ - điện và đƣợc xác định thông qua thế áp điện VME đƣợc sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện dƣới tác 26 dụng của từ trƣờng ngoài. Hình 2.2 là sơ đồ minh họa hệ đo hiệu điện thế từ - điện. Hình 2.2. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện. Thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trƣờng xoay chiều hac = h sin(2 f t) đƣợc đặt trong từ trƣờng một chiều HDC. Từ trƣờng một chiều DC đƣợc tạo ra nhờ một nam châm điện với cƣờng độ cực đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Để tạo ra từ trƣờng xoay chiều hac, chúng tôi sử dụng một cuộn Helmholtz đặt vào bên trong vùng không gian của từ trƣờng DC và đƣợc điều khiển bằng một máy phát chức năng (FG-202C Function Generator). Biên độ của hac có thể thay đổi từ h = 0 đến 12 Oe với dải tần số từ f = 1 Hz đến 2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và phƣơng các từ trƣờng tác dụng có thể đƣợc thay đổi nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ tấm áp điện đƣợc đƣa vào bộ khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Độ lớn và pha của tín hiệu VME đƣợc hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng. Hệ số thế từ - điện E = dE/dH đƣợc xác định qua thế hiệu từ - điện lối ra VME. Thông thƣờng VME là hàm phụ thuộc vào từ trƣờng: 27 ME ( )V f H (2.1) Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số từ - điện với từ trƣờng và độ dày của tấm áp điện đƣợc viết tổng quát dƣới dạng: ME ME E ο 1 1dE dV V dH t dH t h     (2.2) Nhƣ vậy hệ số từ - điện E có thể đƣợc xác