Luận án tiến sĩ về vật liệu tổ hợp từ điện - Phạm Anh Đức, Đại học Quốc gia Hà Nội

PHẠM ANH ĐỨC CHE TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAT LIEU TO HỢP TỪ - ĐIỆN VỚI LỚP TỪ GIÁO CÓ CẤU TRÚC NANO VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH DUNG CHO CẢM BIEN TỪ TRUONG MICRO - TESLA LUAN AN TIEN Si VAT LIEU VA LINH KIEN NANO HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM ANH ĐỨC CHE TẠO VÀ NGHIÊN CUU VAT LIEU TO HỢP TU - ĐIỆN VỚI LỚP TỪ GIÁO CÓ CÁU TRÚC NANO VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH DUNG CHO CAM BIEN TỪ TRƯỜNG MICRO - TESLA Mã sô : Chuyên ngành đảo tạo thí điểm LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LIEU VÀ LINH KIEN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Đỗ Thị Hương Giang 2. Nguyễn Hữu Đức HÀ NỘI - 2017 LOI CAM ON Đầu tiên, em xin tỏ lòng biết on sâu sắc tới PGS. Đỗ Thi Hương Giang.

Cô là người trực tiếp hướng dan, chỉ bảo, động viên và giúp đỡ dé 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 tam gương hoc tập và làm việc của bản thân. Em cũng xin chân thành cảm on GS. Nguyễn Hữu Đức.

Với kinh nghiệm của một Giáo sư dau ngành, Thay đã đưa ra những lời khuyên và định hướng can thiết trong lúc em gặp khó khăn trong nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn tập thể các thây cô, can 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 dé con có thể hoàn thành luận án một cách tốt nhất.

Luận án này được hoàn thành với sự hỗ trợ một phan của Đề tài thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ vũ trụ mã số VT/CN-03/13-15 và dé tài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG. 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 kêt quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bô 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 VIET TẮTT.-- 2-2 s£©s©ss£ssesse©ssesssessee V DANH MỤC CAC BANG .--2- 2< s©s£©ss©EsseEzseErAseExzeErsetrserxsetrssersserssee vii DANH MỤC CÁC HINH VE, DO 'THỊ,.--- 2-2 s2 ss se sseessesssessevsse viii MỞ DAU iscssssssssssssssssessssssssssssssssssesssssesssssssssssscsssssessssssssssssesssnsssssnssessssesssssosesssessssseeeses 1 Churong 88//9)i049)00/90577.

Vật liệu sắt từ, sắt điện và multïfeFTOÏC. Vật liệu sắt điện và hiệu Ứng áp điỆn.- --- - Sc St erirerrrrrerrrke 4 1. Vật liệu sắt điện.---ccc-ccvtc treo 4 L. Hidu ting ap 0.

Vật liệu sắt từ và hiệu ứng từ giảo. Vật liệu sắt từ. Hiv Ung tl 2180. Vat liệu mutiferroic.

Hiệu ứng fừ-điỆn. Tổng quan về hiệu ứng từ-điện.----- ¿+ + s+SE+E++EE+E£EerEerkerxerxeree 19 1. Hệ số từ-điện.---2cccctntht th reg 20 1. Liên kết ứng suất bề mặt trong hiệu ứng tù-điện thuận.

Vật liệu fừ-điỆnn. Vật liệu ttr-dién đơn pha.- - 2c 111121 v 1H HH HH ng Hiện 26 1. Vật liệu tổ hợp da pha. Vật liệu tổ hợp đa pha có cấu trúc NANO .--- 2-2 + +++sz+xe+zx+rxzes 29 1.

Tổng quan cảm biến từ trường. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall. Cảm biến từ trường giao thoa lượng tử siêu dẫn. Cảm biến từ trường Flux — ga€.-¿-2¿©2222+22St2Ex2ExtEEerkrsrkerrrsree 33 1.

Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ trỞ. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Đối tượng nghiên CỨU.-- 2 252 SE2E2EE2EESEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEExerkrrer 37 1.

Mucc (00) nn aansNNẦN. Nội dung nghién CỨU.-- << 111991118911 930 911191 ngư 39 Chương 2 _ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. Chế tạo vật liệu dang màng TbFeCo/PZT bằng phương pháp phún xa. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dang tắm.

Khảo sát tính chất từ bang hệ từ kế mẫu rung. HỆ đo tiv gÏảoO. HH HH HH HC HH 0000000000900 44 2. Do hệ số thé từ-điện.

Hệ đo thực nghiỆm.-- - --- Sc 32c 323193 191 9 911111111 1 HH ng rệt 47 2. Phương pháp tính hệ số thế từ-điện thuận. Khao sát hình thái bề mặt bằng hién vi điện tử. Khao sát hình thái bề mặt bang hién vi lực nguyên tử.

51 Chương3 VẬT LIỆU TỎ HỢP TÙ-ĐIỆN Terfecohan/PZT DẠNG MÀNG VỚI LỚP VAT LIEU TỪ GIÁO CÓ CÁU TRÚC NANO .---5--s-cssccse©sse5se 52 3. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ở trạng thái vô định hình. Cau trúc tinh thé của lớp từ giảo. Tinh chất từ và từ giao của mang Terfecohan.

Tính chat từ-điện của vat liệu tổ HOP we. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ở trạng thái nano tỉnh thễ. Cấu trúc tinh thé của màng Terfecohan.---- 2 25 s+cs+zs+cs+¿ 62 il 3. Tính chat từ và từ giảo của màng Terfecohan.

Tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp .-------¿c¿©cz+cs+cxezsce- 66 3. Cấu trúc tinh thé của màng Terfecohan. Tính chat từ của màng Terfecohan. Kết luận chương 3 .---- <2 se ©sssseEseEseEssExsersersersstsserserssrsssse 71 Chương4 VẬT LIỆU TỎ HỢP TÙ-ĐIỆN Metglas/PZT DẠNG TÁM VỚI LỚP TỪ GIÁO CÓ CÁU TRÚC VÔ ĐỊNH HINH.

Tính chat từ của băng từ Metglas. Tính chất từ siêu mm.-- ¿2 + +£+S£+E£+EE£EEt£EEEEEEEEtEErrErrkerkerkrres 74 4. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chat từ mềm. Tính chat từ giảo của băng từ Metglas.

Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chat từ giảo. Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào tần số kích thích. Mẫu hình vuông .---- ¿+ ¿SE SE SE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEE 11111111 xe.

Mau hình chữ nhật. Tính toán lý thuyết quy luật phụ thuộc tần số. Mô hình dao động một chiÊu.-- 2-2 2+ 22 £2EE+EE+zE£+E+rxerxezes 84 4. Mô hình dao động hai chiỀu.

¿2-2-5 2S£2SE+EE+£EtZEEzEEerxerxezes 89 4. Ảnh hưởng của cấu hình (bilayer và SANAWICH) .o-os seo sses sssssee 94 4. Anh hướng của chiều dầy lớp từ giảo Metglas. Anh hưởng của kích thước (mẫu Vuông).

Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu ứng từ-điện. Lý thuyết hiệu ứng “Shear laB””. Anh hướng của tỷ lệ kích thước dài/rộng. Kết quả đo thực nghiệm khảo sát hệ số thế từ-điện.

Lý thuyết trường khử từ giải thích qui luật phụ thuộc kích thước. Kết luận chương 4 .---° se se ©ss©ssEsseEseEssExserserserssssserserssrssesse 111 ®0i. Cảm biến từ trường dựa trên mang mỏng Terfecohan có cấu trúc nano112 5. Cảm biến từ trường dựa trên băng từ Metglas có cấu trúc vô định hình116 5.

Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trường. Khao sát các thông số làm việc của cảm biến. Tần số cộng hưởng .----- ¿- ¿ %©x+EE+EE+EE2E£EEEEEEEEEEEEEEEEErrerrrred 119 5. Tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào cường độ từ trường.

Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vao góc định hướng. Tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục. Cảm biến đo góc dựa trên cảm biến do từ trường 2D. Cảm biến đo từ trường trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện.

Kết luận chương 5 .cscesessssssssssssessescessessesssssssssssceccessesssssssassussecsecsesseeseenes 134 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,. 2° 5£ ©se©se©sseEsserssersetsserssersserssersee 135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIÁ LIÊN QUAN ĐÉN LUAN AN07. 138 TÀI LIEU THAM KHẢO. 2-2 5° s£©S<©Se£EseE+seEssEEssExsetssersserserssersee 139 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIET TAT AFE Phản sắt điện AFM Phản sắt từ B Véc tơ cam ứng từ dik Hệ số ap điện theo phương tac dụng lực (C/N) Es Điện trường bão hòa E Cường độ điện trường Ec Luc khang dién f Tan số cộng hưởng FE Sắt điện FIM Feri từ FM Sat tir H Cường độ từ trường họ Biên độ từ trường xoay chiều hạc Cường độ từ trường xoay chiều Hae Cường độ từ trường một chiều L Chiéu dai MEMS Hệ vi cơ điện tử Metglas Fe7sgNii 2B13,251s,s M Véc to từ độ của vật liệu M¿ Từ độ tự phát M, Độ từ du Ms Từ độ bão hòa Pe Véc to phan cuc nguyén tu Pi Véc to phan cuc ion P; Độ lớn véc tơ phan cực điện Pi Véc to phân cực ion tự phát Đo Véc tơ phân cực phân tử P, Độ phân cực du Ps D6 phan cuc bao hoa PZT Vật liệu ap điện Pb(TiZr)O3 V PVDF Pôlime áp điện (PolyVinylidenne DiFlorua) PT Vật liệu áp điện PbTiO3 Q Hệ số phẩm chat r Tỷ số kích thước dài/rộng RAM Bộ nhớ đệm RF Siéu cao tan T Nhiét d6 Tc Nhiét d6 Curie Terfecohan Tbo,4(Feo,s5C00,45)0,6 Vực Thế từ-điện WFM Sắt từ yếu W Chiều rộng Ge Hệ số từ-điện max Hệ số từ-điện cực đại ŒÌnn Tensơ độ cảm từ-điện nn Hệ số từ-điện thuận £0 Hang số điện Ek D6 bién dang ty déi Ø Ứng suất tác dụng A(uạ.

H) Từ giảo khi có tác dụng của từ trường H Amax Từ giao cực đại As Tu giao bao hoa LB Magnton Bohr p Điện trở suất Ym Độ cam từ (mức độ từ hóa của vật liệu) ue Độ cam từ giao Vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Lịch sử nghiên cứu về hiệu ứng từ-điện.-- ¿5-5 s2 s+ss+czc: 20 Bang 1.2: Y nghĩa của các số hạng trong biểu thức năng lượng tự do.3: So sánh nhiệt độ chuyên pha điện và từ của các vật liệu multiferroic don pha 806h 5ó 0m .1: Tông hợp các tính chât của màng Terfecohan với các câu trúc vật liệu Bảng 4.1: Tinh chat tir va tir giao cua mot số vật liệu từ giao khác nhau [1 1] .1: Tổng hợp tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất của các cảm biến ID Bang 5.2: Liệt kê các công thức xác định góc phương vi trong toan bộ dải do. 130 Vil DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Hình 1.1: Các dang phân cực khác nhau: phân cực nguyên tử (a), phân cực ion (b) va phan cuc phan ttt (C) oo.2: Vật liệu đa đômen (a), sự dich chuyên vách đômen (b), vật liệu đơn đômen (c) và sự quay đômein ((|).- --- -- <6 + 13k 2 1191119111 119 1 vn rệt 6 Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể BaTiO3 khi nhiệt độ cao (T > Tc) (a) và khi nhiệt độ thấp (T < Tc) (Ð). - -2-5£S2+SE92E£2EE2EE9E1E21121122127171211211111171121111 111.4: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện. - - ccs+x+cvrsvsrererxee 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 KEO (€).6: Hỗn hop PZT — polymer được phân loại theo các kiểu liên kết khác nhau: (a) 0 — 3, (b) 2 — 2, (C) Í - Ổ.

LH HH HH HH HH HH HH kh 10 Hình 1.7: Cấu trúc tinh thé của vật liệu Perovskite.--¿-sc scs+x+zszszxez 11 Hinh 1.