Giáo trình Vật liệu điện-Điện tử

Nội dung text: Giáo trình Vật liệu điện-Điện tử

1. VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ (ELECTRONIC & ELECTRICAL MATERIALS) VẬT LIỆU TỪ (MAGNETIC MATERIALS)
2. VẬT LIỆU TỪ (MAGNETIC MATERIALS)
3. NỘI DUNG : I. NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU II. ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CUẢ VẬT LIỆU III. TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ IV. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ
4. NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU M NT  Ms : Moment do electron chuyển động tự quay (spin) Ms  M : Moment do electron M l L chuyển động quanh quĩ đạo của nó Mnt : Moment từ nguyên tử Mnt = Ms + Ml
5. NGUỒN GỐC TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
6. ĐỘ TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU Độ từ hoá của vật liệu là tổng moment từ có trong 1 đơn vị thể tích khi đặt vật liệu MH . trong từ trường (: Độ cảm từ)  Moment phân cực từ M khi đặt vật liệu trong từ trường JMHM 0  0  Từ cảm B quan hệ tỉ lệ với B = μ0 (H +M) cường độ từ trường B = μ0(1 + χ).H μr = (1 + χ) được gọi là hệ số từ thẩm tương đối μ = 0.r : được gọi là hệ số từ thẩm tuyệt đối
7. HỆ THỐNG ĐƠN VỊ TỪ
8. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ Vật liệu nghịch từ Vật liệu thuận từ Vật liệu sắt từ = - 10-6  10-5  10-1  = 106 (Zn, Au, Hg, Si, P, (Fe, Ni, Co) S )
9. VẬT LIỆU NGHỊCH TỪ Chất nghịch từ (Diamagnetic substances), là chất khơng cĩ mơment từ nguyên tử. Tổng mơment từ của các điện tử trong chất bằng =0, khi khơng cĩ từ trường ngồi. Khi đặt vào từ trường B0, cĩ thể hiểu giống như quy tắc cảm ứng điện từ là sẽ sinh ra một từ trường phụ bù trừ với từ trường ngồi (B'< B0 ngược chiều với B0 ) Các chất như Bi, H_2O, Si, Pb, Cu là các chất nghịch từ điển hình. Bình thường, ta khơng quan sát thấy hiện tượng nghịch từ vì tính nghịch từ là rất yếu trong các từ trường thơng thường. Nhưng nếu ta tiến hành các thí nghiệm ở từ trường cao, sẽ thấy hiện tượng này rõ ràng hơn.
10. VẬT LIỆU THUẬN TỪ Chất thuận từ (Paramagnetic substances), là chất cĩ mơmen từ nguyên tử, nhưng các mơment này khơng cĩ tương tác với nhau nên ở trạng thái thường, tổng mơmen từ bằng =0. Khi đặt vào từ trường ngồi B0, các mơmen từ này cĩ xu hướng xoay theo chiều của từ trường (cũng giống như sinh ra từ trường phụ) nên tính nghich từ của từng nguyên tử khơng cịn ý nghĩa. Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2 Hình ảnh quen thuộc mà các bạn hay thấy là ơxy lỏng bị hút vào nam châm điện cũng chỉ quan sát thấy trong các nam châm mạnh bởi tính thuận từ cũng là tính chất yếu. Hình dưới đây mơ tả cấu trúc từ của chất thuận từ
11. VẬT LIỆU SẮT TỪ Chất sắt từ là các chất cĩ mơmen từ nguyên tử. Nhưng nĩ khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mơmen từ này lớn hơn và cĩ khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction). Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lịng vật liệu các vùng (gọi là các đơmen từ - Magnetic Domain) mà trong mỗi đơmen này, các mơmen từ sắp xếp hồn tồn song song nhau (do tương tác trao đổi), tạo thành từ độ tự phát - spontaneous magnetization của vật liệu (cĩ nghĩa là độ từ hĩa tồn tại ngay cả khi khơng cĩ từ trường). Nếu khơng cĩ từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mơmen từ của các đơmen trong tồn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hĩa của tồn khối vẫn bằng = 0
12. VẬT LIỆU NGHỊCH TỪ; THUẬN TỪ
13. VẬT LIỆU PHẢN SẮT TỪ; FERRIT TỪ VẬT LIỆU PHẢN SẮT TỪ VẬT LIỆU FERRI TỪ
14. VẬT LIỆU PHẢN SẮT TỪ Ở phần Sắt từ, ta đã biết rằng các chất sắt từ là các chất cĩ mơmen từ nguyên tử và các mơmen này tương tác với nhau thơng qua tương tác trao đổi làm cho các mơmen từ định hướng song song với nhau. Đĩ là tương tác trao đổi dương. Chất phản sắt từ thì ngược lại, chúng cũng cĩ mơmen từ nguyên tử nhưng tương tác giữa các mơmen từ là tương tác trao đổi âm và làm cho các mơmen từ định hướng phản song song với nhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược chiều) như hình vẽ dưới đây Sự định hướng phản song song này tạo ra 2 phân mạng từ. Mn và Cr là 2 kim loại phản sắt từ điển hình. Phản sắt từ là chất thuộc loại cĩ trật tự từ. Nghiên cứu về phản sắt từ thường được tiến hành ở các màng mỏng (ví dụ các lớp kiểu bánh kẹp sắt từ-phản sắt từ) tạo thành hiệu ứng đường trễ dịch, hay exchange bias, ứng dụng trong các đầu đọc valse-spin trong đầu đọc của ổ đĩa cứng
15. VẬT LIỆU FERRI TỪ Ferri từ - Ferrimagnetic Materials Nếu như chất phản sắt từ cĩ 2 phân mạng từ đối song song và bù trừ nhau thì feri từ cĩ cấu trúc gần giống như vậy. Feri từ cũng cĩ 2 phân mạng từ đối song song, nhưng khơng cĩ độ lớn như nhau nên khơng bù trừ hồn tồn. Do vậy feri từ cịn được gọi là các phản sắt từ bù trừ khơng hồn tồn Ferrite là các ferri từ điển hình. Chúng cĩ hành vi gần giống với các chất sắt từ.
16. VẬT LIỆU FERRI TỪ Vật liệu gốm Ferite (MeO.Fe2O3) Là dạng hợp chất tạo từ hỗn hợp ơxit Fe (Fe2O3) với ơxit của một kim loại khác mang hĩa trị 2 (MeO). Về mặt bản chất, ferrite là nhĩm vật liệu ferri từ, cĩ nghĩa là trong cấu trúc của nĩ gồm 2 phân mạng cĩ spin đối song song với nhau, nhưng khơng bù trừ hồn tồn. Các ferrite từ mềm điển hình là MnZnFe2O4, ferite Cd, ferrite NiMnFe2O4 Điểm mạnh của ferrite là cĩ điện trở suất rất cao (chúng cĩ tính dẫn bán dẫn và cĩ bản chất gốm) nên được sử dụng trong các ứng dụng sử dụng ở tần số cao
17. ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU
18. ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU DOMEN TỪ (VÙNG TỪ HOÁ) H = 0 H 0 H H H H = 0 VẬT LIỆU TỪ BÃO HOÀ TRỄ TỪ TỪ
19. ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU
20. ĐẶC TÍNH TỪ HOÁ CỦA VẬT LIỆU
21. VẬT LIỆU TỪ MỀM; TỪ CỨNG Vật liệu từ cứng: Là các vật liệu sắt từ khĩ từ hĩa và khĩ khử từ thường dùng cho các ứng dụng lưu trữ từ trường như nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ Các vật liệu từ cứng điển hình là Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt Vật liệu từ mềm: Là các vật liệu sắt từ dễ từ hĩa và dễ bị khử từ, thường dùng cho các ứng dụng hoạt động trong từ trường ngồi như lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường Các vật liệu từ mềm điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe
22. Năng lượng từ trong VẬT LIỆU từ cứng Tích năng lượng từ cực đại Là năng lượng từ lớn nhất cĩ thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ, liên quan đến khả năng sản sinh từ trường của vật từ, thường là tham số kỹ thuật của các nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ cứng. Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong khử từ B(H) trong gĩc 1/4 thứ 2, là điểm cĩ giá trị tích B.H lớn nhất. Tích năng lượng từ là tham số dẫn suất, phụ thuộc vào các tính chất từ nội tại của vật liệu và hình dạng của vật liệu, thường mang ý nghĩa ứng dụng trong các nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ cứng. Tỉ số tích năng lượng từ cực đại chia cho tích lực kháng từ và từ dư được gọi là hệ số lồi của đường cong từ trễ, hay hệ số lồi của vật từ.
23. VẬT LIỆU TỪ MỀM - TỪ CỨNG Hợp kim Permalloy (Ni {100-x} Fex) là hợp kim của Fe và Ni là vật liệu sắt từ mềm cao cấp cĩ độ từ thẩm rất cao, cĩ tính dẻo rất tốt, khả năng chịu mài mịn và chống ăn mịn cao, nhưng từ độ bão hồ khơng cao. Độ từ thẩm ban đầu của Permalloy cĩ thể đạt tới 10.000 lần, độ từ thẩm cực đại cĩ thể đạt tới 600.000 và cĩ lực kháng từ cĩ thể nhỏ tới 0,01 Oe (với permalloy chuẩn Ni {75} Fe {25}. Tuy nhiên,permalloy là cĩ điện trở suất thấp và cảm ứng từ bão hồ khơng cao nên nĩ khơng được sử dụng trong các ứng dụng cao tần. Permalloy được sử dụng nhiều trong các màng mỏng spintronics, và các biến thế cĩ chất lượng cao, hay lõi dẫn từ, stator của các động cơ, máy phát điện. Tính chất của permalloy phụ thuộc mạnh vào tỉ sớ Fe và Ni trong vật liệu
24. VẬT LIỆU TỪ GIẢO Từ giảo - Magntostriction (hiệu ứng từ đàn hồi): Hiệu ứng từ giảo là hiệu ứng thay đổi kích thước vật từ dưới tác dụng của từ trường ngồi. Khi ta đặt một từ trường ngồi, kích thước của vật thay đổi, đĩ là hiệu ứng từ giảo thuận, cịn nếu thay đổi kích thước của vật dẫn đến thay đổi từ tính, đĩ là từ giảo nghịch. Hiệu ứng thay đổi chiều dài, gọi là từ giảo dài, cịn thay đổi thể tích gọi là từ giảo khối. Độ biến dạng được đặc trưng bởi các thơng số như độ từ giảo bão hịa (L) – độ biến dạng cực đại, và độ cảm từ giảo (susceptibility) – độ biến thiên của từ giảo theo từ trường ngồi. Cĩ những loại vật liệu cĩ từ giảo bão hịa gần bằng khơng như hợp kim Invar nhưng cũng cĩ những vật liệu cĩ từ giảo bão hịa rất lớn như liên kim loại đất hiếm – kim loại chuyển tiếp Vật liệu cĩ từ giảo lớn được ứng dụng rất nhiều trong các hệ vi mơ như vi cảm biến chẳng hạn (microsensor) để đo biến dạng cơ học hoặc để điều khiển dịch chuyển của các hệ ở kích thước micromet
25. ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ VÀ NHIỆT ĐỘ NHIỆT ĐỘ CURIE Sắt: 1043 K Cơban: 1388 K Niken: 627 K Gađơli: 292,5 K Dysproxium (Dy): 88 K MnBi: 630 K MnSb: 587 K ẢNH HƯỞNG TẦN SỐ ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ
26. TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ Tổn hao từ trễ: Tổn hao dòng xoáy: Tổn hao năng lượng trễ Là sự tổn hao do dịng điện Foucault Được tính là phần diện tích đường cong từ trễ, là năng 4.B2 . d 2 . k 2 . f 2 lượng tiêu tốn cần thiết cho P S f một chu trình từ trễ, cĩ đơn vị Foucault 3. . của mật độ năng lượng Với: n Bs là cảm ứng từ bão hồ của lõi PHS  f B d: độ dày của lõi k là một hệ số đặc trưng Với: f f: Tần số từ trường xoay chiều B là cảm ứng từ bão hồ của lõi s : Khối lượng riêng vật liệu : Hệ số tuỳ thuộc vật liệu ρ: điện trở suất f: Tần số từ trường xoay chiều n = (1,620):tuỳ theo dạng cong của B=f(H)
27. TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU TỪ MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG TỔN HAO TỪ : U 2 i P=I .L..tgm L M RM U U = I.R R  UL m UR  UL= I. .L Với: 2 f f B  là gĩc tổn hao từ 0 m PHH p M tg m : hệ số tổn hao B0 f0 B 0 R 2 tgm fO f B L. PFF p M B0 f0 B 0
28. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ Cĩ thể nĩi vật liệu sắt từ đang được nghiên cứu và ứng dụng hết sức rộng rãi trong khoa học, cơng nghiệp cũng như trong đời sống, từ các nam châm vĩnh cửu, đến các lõi biến thế, hay cao hơn là các ổ cứng máy tính, các đầu đọc ổ cứng Một hiệu ứng khác của chất sắt từ là hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ đang được nghiên cứu phát triển các thế hệ máy lạnh hoạt động bằng từ trường thay thế cho các máy lạnh truyền thống với ưu điểm khơng ơ nhiễm, tiết kiệm năng lượng và nhỏ gọn. Các hiệu ứng từ điện trở của các chất sắt từ cũng đang được khai thác để ra đời các linh kiện điện tử thế hệ mới gọi là spintronic, tức là các linh kiện hoạt động bằng cách điều khiển spin của điện tử
29. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ
30. XU THẾ MỚI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỪ 1. Các màng mỏng ghi từ mật độ cao Ứng dụng trong các ổ cứng lưu trữ thơng tin. Đĩ là các màng mỏng từ (cĩ tính chất từ cứng) mà tiêu biểu là màng FePt và màng CoPt với tính từ cứng rất cao, độ bền và khả năng chống mài mịn, chống ơxi hĩa tốt. Hiện nay, xu thế đang tập trung là nâng cao mật độ ghi 2. Các vật liệu từ nano tổ hợp cĩ tính chất siêu mềm và siêu cứng Nghiên cứu các vật liệu từ tổ hợp kích thước nano cĩ tính chất từ mềm tuyệt vời, hoặc các nam châm nano cĩ phẩm chất cao, giá thành thấp và độ bền lớn. 3. Các vật liệu từ nhiệt cho máy lạnh từ khơng ơ nhiễm, tiết kiệm năng lượng 4. Vật liệu cĩ hiệu ứng từ trở khổng lồ, cơng nghệ spintronics Nghiên cứu về các vật liệu khối, màng mỏng cĩ hiệu ứng từ trở khổng lồ, ứng dụng trong các đầu đọc tốc độ cao, bộ nhớ RAM từ điện trở Đây đang là cơng nghệ mới của TK 21. 5. Các vật liệu cĩ hiệu ứng từ giảo ứng dụng trong cơng nghệ vi cơ Từ giảo là sự thay đổi kích cỡ, hình dạng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường. 6. Các chất lỏng từ ứng dụng trong cơng nghệ y sinh