ẢNH HƯỞNG của TRƯỜNG TƯƠNG tác lên độ NHẠY của cảm BIẾN HALL PHẲNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Đức Anh ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG TƯƠNG TÁC LÊN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN HALL PHẲNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Đức Anh ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG TƯƠNG TÁC LÊN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN HALL PHẲNG KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán hướng dẫn: TS Trần Mậu Danh Cán đồng hướng dẫn: ThS Bùi Đình Tú HÀ NỘI - 2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời cảm ơn Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Trần Mậu Danh Thầy dìu dắt em đường khoa học, thầy động viên giúp đỡ em lúc khó khăn Em xin cảm ơn kinh nghiệm quí thầy dạy bảo em để em tự hồn thiện để trở thành người có ích Em xin gửi lời cảm ơn đến Thạc sĩ Bùi Đình Tú, người thầy, người anh mực kính trọng Nếu khơng có hướng dẫn tận tình, lời động viên, nhắc nhở giúp đỡ anh em khơng thể hồn thành khóa luận tốt nghiệp Trong suốt năm tháng học tập nghiên cứu khoa Vật lý kỹ thuật công nghệ nano, em tạo điều kiện thuận lợi để thực công việc học tập nghiên cứu mình, đồng thời em nhận quan tâm thầy, cô giáo Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giúp đỡ Em xin chân thành cảm ơn tới thầy cô giáo, anh chị phịng thí nghiệm Vật liệu Linh kiện từ tính nano – trường Đại Học Cơng Nghệ tạo điều kiện giúp đỡ em nhiều thời gian vừa qua Cuối với lòng biết sâu sắc tình yêu chân thành nhất, em xin gửi tới người thân gia đình em, đặc biệt cha mẹ em bên cạnh em học tập sống LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm tắt nội dung Khóa luận đề cập đến loại cảm biến từ điện trở Trong chúng tơi tập trung sâu vào việc mô phỏng, nghiên cứu thông số cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng Bằng cách chế tạo cảm biến có cấu trúc spin-valve với giá trị trường tương tác khác nhau, khảo sát hiệu ứng Hall phẳng để tìm cấu trúc hoạt động tốt Kết từ việc mô độ nhạy theo thay đổi này, cho thấy lượng tương tác nhỏ độ nhạy cao Chúng tơi so sánh với kết qua đo thực nghiệm Để từ tìm chế độ làm việc ổn định cho cảm biến Cảm biến Hall phẳng với độ nhạy cao, ổn định, tỷ số tín hiệu nhiễu lớn đem lại nhiều hứa hẹn ứng dụng y – sinh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục lục Trang Mở đầu Chương I Tổng quan cảm biến sinh học 1.1 Giới thiệu chung .3 1.2 Những kiểu biosensor truyền thống 1.3 Cảm biến sinh học theo công nghệ điện tử học spin 1.3.1 Nguyên lý chung: 1.3.2 Ưu điểm cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin 1.3.3 Những kiểu cảm biến sinh học dựa công nghệ điện tử học spin .7 1.3.3.1 Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR Biosensor) .7 1.3.3.2 Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR Biosensor) .8 1.3.3.3 Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall Biosensor) 1.3.3.4 Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng van-spin (Spin-valve Biosensor) 11 1.3.3.5 Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (TMR Biosensor) .12 1.4 Tổng kết 13 Chương II Tổng quan cảm biến Hall Phẳng .15 2.1 Hiệu ứng Hall phẳng .15 2.2 Năng lượng từ mơ hình Stonner – Wohlfarth 16 2.2.1 Các dạng lượng từ 16 2.2.1.1 Năng lượng trao đổi 16 2.2.1.2 Năng lượng dị hướng từ tinh thể .16 2.2.1.3 Năng lượng từ đàn hồi .19 2.2.1.4 Năng lượng tĩnh từ 22 2.3 Cảm biến Hall phẳng với cấu trúc khác .22 2.3.1 Cảm biến Hall phẳng với cấu trúc spin-vale 22 2.3.2 Cảm biến Hall phẳng với cấu trúc GMR 24 2.4 Tổng kết 25 Chương III Kết mô ảnh hưởng trường tương tác lên độ nhạy cảm biến giải thích 25 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.1 Mô phụ thuộc VPHE vào từ trường thay đổi từ trường dịch HJ .26 3.2 Mô phụ thuộc VPHE vào từ trường thay đổi từ trường dị hướng HK .30 3.3 Sự ảnh hưởng việc thay đổi góc từ trường ngồi H dịng qua cảm biến I 34 3.4 So sánh kết mô kết thực nghiệm .36 Kết luận chung 38 Tài liệu tham khảo .39 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mở đầu Sự nhận biết có tính chọn lọc mơ tả định lượng tất loại phân tử sinh học đóng vai trò quan trọng khoa học sinh học, chuẩn đoán lâm sàng, nghiên cứu y tế, việc kiểm sốt nhiễm mơi trường Cho tới thì, phương pháp phổ biến lấy mẫu trường cần phần tích, sau bảo quản đưa phịng thí nghiệm để phân tích Để thực điều này, yêu cầu phải có phịng thí nghiệm đại, mà phải trang bị thiết bị đại đắt tiền Cùng với phải có phân cán có lực chun mơn cao để thực hiện, đánh giá kết việc phân tích Ví dụ: Để phân tích mẫu máu ta cần phải trải qua nhiều bước sử dụng nhiều loại máy móc đại bao gồm phân tách chuyển đổi dị tìm phân tử hoá học mà ta nghi vấn v.v Gần đây, ý tưởng việc tích hợp tất q trình phân tích thành thiết bị cầm tay dễ sử dụng, cho kết vị trí cần phân tích, nhận nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu công ty công nghệ sinh học Từ hệ thống dạng lab-on-chip có tên “biosensor” đưa để đơn giản hố có hiệu nhiều nhiệm vụ lĩnh vực điều trị y tế nghiên cứu sinh học, chí mở ứng dụng hoàn toàn Biosensor thiết bị phát hiện, nhận dạng, truyền thông tin thay đổi sinh-lý, hay có mặt chất hóa học khác nhau, vật liệu sinh học môi trường Kỹ thuật hơn, biosensor máy dò bao gồm phần tử sinh học (giống enzyme hay kháng thể), phần tử điện để chuyển tín hiệu thành tín hiệu đo biosensor có nhiều hình dạng kích thước khác nhau, thay đổi tùy theo điều kiện mơi trường Chúng phát đo xác nơi tập trung vi khuẩn hay chất hóa học nguy hiểm Biosensor sử dụng nhiều phương pháp dị tìm khác nhau, nhiên tất việc dựa nguyên lý lai hóa, cho phép phân tích song song cao nhiều phân tử sinh học khác vùng sensor có chức cụ thể khác Biosensor chia làm hai kiểu chính: sử dụng phương pháp đánh dấu, thử sử dụng phương pháp phát lai hóa trực tiếp Trước đây, phương pháp sử dụng phương pháp dị tìm huỳnh quang (biosensor huỳnh quang) Tuy nhiên vài năm trở lại đây, với phát triển mạnh mẽ công nghệ mới: spintronic (điện tử học spin) Đã tạo phát triển cho chíp sinh học spintronic với ưu điểm vượt trội độ nhạy cao hưởng ứng nhanh dễ tích hợp, dễ tự động hóa thay việc đánh dấu huỳnh quang truyền thống đắt tiền Bằng cách sử dụng hạt từ điều khiển dịng điện ta phân tích nhiều mẫu sinh học Chúng ta sử dụng hạt từ để phát tương tác sinh học Việc dị tìm hạt từ sử dụng cảm biến từ điện trở dị hướng (AMR), cảm biến từ điện trở khổng lồ (GMR), cảm biến spin-valve, cảm biến điện trở Hall mặt phẳng (PHR), cảm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) Hầu hết cảm biến từ điện trở dựa hiệu ứng từ - điện trở Đặc biệt, dị tìm hạt từ quan tâm đến tỷ số tín hiệu nhiễu (signal-to-noise), cảm biến Hall phẳng chiếm ưu hẳn (S/N=1450) [2] Nên khóa luận, chúng tơi tập trung nghiên cứu cấu trúc nguyên tắc hoạt động, thông số cảm biến Hall phẳng Bài khóa luận gồm chương - Chương Sẽ nói phương pháp dị tìm phân tử sinh học, tập trung vào phương pháp chính: Dị tìm phương pháp huỳnh quang phương pháp dị tìm dựa hiệu ứng spintronic Các loại cảm biến từ điện trở, nguyên tắc hoạt động đặc điểm tín hiệu lối thể chương - Chương Chung sâu vào nghiên cứu hiệu ứng Hall phẳng, thông số cho hiệu ừng này, cơng thức tính nối độ nhạy - Chương Chúng sử dụng công thức chương để vào mô phụ thuộc độ nhạy vào trường tương tác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương I Tổng quan cảm biến sinh học 1.1 Giới thiệu chung Sự nhận dạng phân tử sinh học đóng vai trị quan trọng việc chăm sóc sức khỏe, cơng nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường ứng dụng công nghệ sinh học rộng rãi ứng dụng cho lai hóa DNA-DNA (chuẩn đoán bệnh di truyền, phát đột biến gen) tương tác kháng thể kháng nguyên (phát vi sinh vật, phát tác nhân sinh học gây chiến tranh v.v) Trong trường hợp này, việc phát xác tương tác hai phân tử sinh học với cấu trúc giống thực nhờ sử dụng cảm biến sinh học (biosensor) Các cảm biến sinh học gồm có thành phần thành phần nhận biết tín hiệu sinh học thành phần chuyển đổi Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống phần tử sinh học, nhận dạng tương tác sinh học Ngược lại chuyển đổi biến đổi tín hiệu nhận thành tín hiệu điện đo Và hai thành phần tích hợp vào thành cảm biến ta thấy Hình 1.1., kết hợp cho phép đo mục tiêu cần phân tích mà khơng cần sử dụng thuốc thử Ví dụ: Lượng đường mẫu máu đo trực tiếp biosensor, cần nhúng cảm biến vào mẫu thử Điều trái ngược với phương pháp phân tích thơng thường phải trải qua nhiều bước bước lại cần phải dùng đến thuốc thử để xử lý mẫu Sự đợn giản tốc độ phép đo thuận lợi biosensor Mẫu cần phân tích Phần tử Phần tử điện Tín hiệu Sinh học Hình 1.1 Sơ đồ cảm biến sinh học Trước đây, biosensor thành công với phương pháp đánh dấu huỳnh quang Tuy nhiên nhờ có phát triển điện tử học spin Thay nhận biết phân tử sinh học công cụ đắt tiền hệ quét huỳnh quang quang học hay lade, sử dụng loại cảm biến ứng dụng công nghệ điện tử học spin Dựa hiệu ứng GMR, AMR, TMR, Hall and Planar Hall, v.v LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong chương tơi đưa nhìn tổng quan số kiểu cảm biến sinh học (biosensor)điển hình phát triển cho ứng dụng sinh học 1.2 Những kiểu biosensor truyền thống Trước loại cảm biến phổ biến cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang cấu tạo chung cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang điển hình sau: - Một dãy đầu dò gắn cố định bề mặt cảm biến chấm micro (thường hạt huỳnh quang) - Buồng lai hóa (thường là hệ thống vi rãnh – hay gọi vi kênh chứa chất lỏng có kích thước micro) - Một cấu để xếp DNA đích tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho phân tích phân tử tích điện DNA dãy đường dẫn tạo từ trường cho DNA đích gắn hạt từ) - Các hạt dị tìm Trên Hình 1.2 mơ tả q trình dị tìm phương pháp đánh dấu huỳnh quang, gồm giai đoạn: - Cố định đầu dò bề mặt chip - Nhỏ dung dịch có chứa DNA đích cần dị tìm - Các phân tử sinh học phân bù liên kết với nhau, q trình lai hóa xảy sau rửa phần tử khơng liên kết Hình 1.2 Sự dị tìm q trình lai hóa sử dụng hạt huỳnh quang gắn vào đối tượng sinh học máy qt huỳnh quang laze để dị tìm Phương pháp ta biết số lượng gen xác định so sánh khác mẫu cần phân tích Sự dị tìm khơng biết có mặt phân tử bị bệnh hay khơng mà ta biết thêm số lượng phân tử này.[1] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các cảm biến dự định chế tạo đế Si ơxi hố với SiO2 có độ dày ∼ 500 nm nhằm mục đích cách điện hoàn toàn lớp cảm biến đế Cảm biến dự định chế tạo có cấu trúc sau: Si /SiO2 (500) /Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1.2 )/CoFe(10nm)/IrMn(15)/Ta(5) (nm) Ta mô phụ thuộc tín hiệu, độ nhạy vào thay lớp đổi trường tương tác cấu trúc 3.1 Mô phụ thuộc VPHE vào từ trường thay đổi từ trường dịch HJ Nghiên cứu phụ thuộc Hall phẳng vào thay đổi từ trường cấu trúc van-spin trường tương tác liên phân mạng lớp sắt từ bị ghim lớp sắt từ tự (HJ) thay đổi Ta biết cấu trúc từ điện trở khổng lồ (cấu trúc van-spin cấu trúc GMR), lớp sắt từ có khả tương tác với qua lớp không từ tính (tương tác RKKY) Trường tương tác gọi trường tương tác trao đổi liên phân mạng HJ Trường tương tác trao đổi phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, tính chất từ lớp vật liệu phụ thuộc vào khoảng cách lớp sắt từ (độ dày lớp không từ) Khi sử dụng cấu trúc để nghiên cứu ứng dụng làm cảm biến Hall mặt phẳng nghiên cứu phụ thuộc trường tương tác trao đổi liên phân mạng đường cong Hall Năng lượng E dựa theo mơ hình Stoner-Wohlfarth : E = - Hex Ms cos(β – θp) + Kup sin2θp - Msp H cos(α – θp) + Kuf tf sin2θf - Msf tf H cos (α - θf) – J cos(θf - θp) (3.1) Trong trường hợp lực tương tác lớp sắt từ bị ghim (CoFe) lớp phản sắt từ (IrMn) đủ lớn coi lớp sắt từ bị ghim hồn tồn Khi góc từ độ phương trục từ hóa dễ lớp sắt từ bị ghim giữ cố định vùng từ trường nhỏ: θp=0, β=0, α=900 Năng lượng E viết lại là: E= - Msp H + Kuf tf sin2θf - Msf tf H cos (α - θf) – J cos(θf - θp) (3.2) Dựa theo điều kiện cực tiểu lượng ta có: dE = = 2Kuf tf sin θfcos θf - Msf tf H sin(α - θf) – J sin(θf - θp) dθ Ù H = (2Kuf tf sin θfcos θf - J sin(θf - θp))/ Msf tf sin(α - θf) (3.3) Mặt khác: Vy = Jx w ΔR sinθ cosθ (3.4) Để tiến hành mô ta giả thiết: - Cảm biến cấp dòng chiều cố định I = mA - Từ trường H đặt vng góc với dịng, α=90 - Từ độ M đặt phương với dòng I 26 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Điện trở R0=0.0000900 - MS=0.486675 - Trường dị hướng HK=5 (Oe) Sử dụng hai phương trình (3.3) (3.4) Khi thay đổi giá trị từ trường tương tác trao đổi liên phân mạng HJ, ta cho HJ thay đổi khoảng từ Oe đến 50 Oe ta có thay đổi VPHE vào từ trường sau Hình 3.1 Trường dị hướng HJ=1 (Oe) 27 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.2 Trường dị hướng HJ=10 (Oe) Hình 3.3 Trường dị hướng HJ=20 (Oe) 28 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.4 Trường dị hướng HJ=50 (Oe) Như nói phần trên, Hall phẳng phụ thuộc vào q trình tán xạ dịng spin điện tử theo phương từ độ Nhìn Hình 3.1 trường tương tác trao đổi liên phân mạng HJ = Oe, Hall phẳng dễ dàng đạt giá trị bão hịa, có nghĩa tác dụng từ trường mômen từ mẫu quay theo phương từ trường, từ trường bão hòa vào khoảng 30 Oe, từ trường lớn 30 Oe mơmen từ quay hoàn toàn theo phương từ trường, trạng thái tán xạ dòng theo phương từ độ nhỏ nhất, điện trở Hall không hay Hall không (0) Khi giảm dần từ trường từ 30 Oe xuống đến Oe ta nhận thấy có giá trị cực đại VPHE, điều giải thích sau: giảm dần từ trường từ 30 Oe xuống Oe, tác dụng trường dị hướng, mômen từ mẫu quay trở theo phương trục dễ (theo chiều mũi tên hình vẽ (Hình 3.5.) Dịng điện tán xạ theo phương từ độ tăng dần, tức Hall tăng dần đạt giá trị cực đại từ trường Oe Theo cơng thức tính Hall V = JwΔR sin( 2θ ) giá trị cực đại tương ứng với góc θ = 45 tức phương từ độ hợp với dịng góc 450 Điều cho ta biết dòng điện tán xạ theo phương từ độ lớn từ độ hợp với dịng góc 450 Các mơmen từ quay trở theo phương trục từ hóa dễ từ trường giảm đến Oe, trình tán xạ giảm dần 0, Hall phẳng (vôn) 29 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com M,I M g H g Hình 3.5 Sự quay vecto M theo hướng từ trường H Khi tăng giá trị HJ ta nhận thấy Hall khó đạt giá trị không vùng từ trường thấp (khoảng 30 – 50 Oe) Các đỉnh cực đại Hall bị dịch theo tăng trường tương tác trao đổi liên phân mạng, tăng HJ điểm cực đại Hall đạt vùng từ trường cao Điều giải thích sau: HJ tăng, có nghĩa là, vùng tiếp xúc hai lớp sắt từ xuất cấu trúc xoắn tương tác hai lớp sắt từ (RKKY) thơng qua lớp khơng từ tăng Dịng spin điện tử tán xạ qua lớp xoắn làm cho Hall khó đạt trạng thái bão hịa từ trường thấp Để phá vỡ cấu trúc xoắn ta cần từ trường đủ lớn (H >> HJ) để mômen từ cấu trúc quay theo phương từ trường Với độ nhạy cảm biến tính công thức S = ΔV / ΔH (V/Oe) ta thấy tăng giá trị HJ độ dốc vùng tín hiệu tuyến tính cảm biến giảm dần, tức độ nhạy cảm biến giảm Từ kết ta thấy vùng từ trường nhỏ, tín hiệu đo VPHE thu thay đổi tuyến tính với từ trường Điều đáng nói tín hiệu phản ánh độ lớn dấu từ trường đo Trong vùng tuyến tính, tín hiệu đo ổn định thể qua tính đối xứng tuyệt đối độ lớn so với độ lớn từ trường mà không phụ thuộc vào dấu âm hay dương từ trường Hơn nữa, đường tín hiệu đo khơng có trễ từ đo theo chiều tăng từ trường theo chiều giảm từ trường đo Điều có ý nghĩa quan trọng việc ứng dụng để đảm bảo tính ổn định lặp lại cao kết đo 3.2 Mô phụ thuộc VPHE vào từ trường thay đổi từ trường dị hướng HK Suy luận tương tự phần 3.1 Ta biết cấu trúc từ điện trở khổng lồ (cấu trúc van-spin cấu trúc GMR), ngồi việc lớp sắt từ có khả tương tác với qua lớp khơng từ tính (tương tác RKKY) Hay gọi trường tương tác trao đổi liên phân mạng HJ Bản thân lớp sắt từ tồn lượng khác phần lý thuyết lượng dị hướng từ tinh thể Năng lượng dị hướng tạo trường dị hướng HK lớp sắt từ Trường dị hướng phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, tính chất từ lớp vật liệu phụ thuộc vào độ dày lớp sắt từ Sau ta khảo sát phụ thuộc tín hiệu VPHE vào trường dị hướng 30 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Để tiến hành mô ta giả thiết: - Cảm biến cấp dòng chiều cố định I = mA - Từ trường ngồi H đặt vng góc với dịng, α=90 - Từ độ M đặt phương với dòng I - Điện trở R0=0.0000900 - Ms=0.486675 - Trường dị hướng HJ=5 (Oe) Sử dụng phương trình (3.3) (3.4) Khi thay đổi giá trị từ trường dị hướng HK, ta cho HK thay đổi khoảng từ Oe đến 50 Oe ta có thay đổi VPHE vào từ trường ngồi sau Hình 3.6 Trường dị hướng HK=1 (Oe) 31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.7 Trường dị hướng HK=10 (Oe) Hình 3.8 Trường dị hướng HK=20 (Oe) 32 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.9 Trường dị hướng HK=50 (Oe) Nhìn vào đồ thị ta thấy thay đổi tương tụ phần Nhìn Hình 3.6 trường tương tác trao đổi liên phân mạng HK = Oe, Hall phẳng dễ dàng đạt giá trị bão hịa, có nghĩa tác dụng từ trường ngồi mơmen từ mẫu quay theo phương từ trường, từ trường bão hòa vào khoảng 30 Oe, từ trường lớn 30 Oe mơmen từ quay hồn tồn theo phương từ trường, trạng thái tán xạ dòng theo phương từ độ nhỏ nhất, điện trở Hall không hay Hall không (0) Khi giảm dần từ trường từ 30 Oe xuống đến Oe ta nhận thấy có giá trị cực đại VPHE, điều giải thích sau: giảm dần từ trường từ 30 Oe xuống Oe, tác dụng trường dị hướng, mômen từ mẫu quay trở theo phương trục dễ (theo chiều mũi tên hình vẽ (Hình 3.5.) Dịng điện tán xạ theo phương từ độ tăng dần, tức Hall tăng dần đạt giá trị cực đại từ trường Oe Khi tăng giá trị HK ta nhận thấy giống phần trên, Hall khó đạt giá trị khơng vùng từ trường thấp (khoảng 30 – 50 Oe) Các đỉnh cực đại Hall bị dịch theo tăng trường dị hướng, tăng HK điểm cực đại Hall đạt vùng từ trường cao Điều giải thích sau: Khi HK tăng, có nghĩa lượng dị hướng K tăng, mà ta biết để quay vecto M theo phương H ta phải thắng lượng liên kết M với trục tinh thể Hay nói cách khác thắng lượng dị hướng Năng lượng cao vecto M khó quay theo H Mặt khác ta biết tín hiệu lối phụ thuộc vào góc từ độ dịng I Lên từ độ khó thay đổi góc từ độ dịng I khó thay đổi Lên trạng thái cực đại khó đạt 33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Suy giống với trường hợp thay đổi trường tương tác trao đổi Độ nhạy giảm tăng trường dị hướng HK Kết luận: Từ kết phân tích ta thấy rõ ràng độ nhạy cảm biến thay đổi tuyến tính tỉ lệ nghịch với thay đổi HJ HK vùng từ trường nhỏ Do ta có phụ thuộc độ nhạy theo thay đổi trường tương tác HJ HK sau: S= C HK + HJ Trong C biến số: 3.3 Sự ảnh hưởng việc thay đổi góc từ trường ngồi H dịng qua cảm biến I Sau ta khảo sát việc thay đổi góc đặt từ trường ngồi H dịng chiều I ảnh hưởng tới độ nhạy cảm biến Các thơng số cho q trình mơ sau : - Cảm biến cấp dòng chiều cố định I = mA - Từ độ M đặt phương với dòng I - Điện trở R0=0.0000900 - Ms=0.486675 - Trường dị hướng HK=5 (Oe) - Trường tương tác trao đổi liên phân mạng HJ=10 (Oe) Sử dụng hai phương trình (3.3) (3.4) Sau mơ ta có kết sau: Hình 3.10 Góc ban đầu α=150 34 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.11 Góc ban đầu α=450 \ Hình 3.12 Góc ban đầu α=750 35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.13 Góc ban đầu α=900 Ta thấy thay đổi tăng dần góc α từ 150 đến 900 vùng tuyến tính cảm biến tăng dần Nghĩa với góc 150 vùng tuyến tính cảm biến nhỏ góc 900 vùng tuyến tính cảm biến lớn Hay nói cách khác từ trường ngồi đặt vng góc với dịng ngồi ta có độ nhạy cảm biến thu lớn 3.4 So sánh kết mô kết thực nghiệm Thực việc chế tạo mẫu dự định Sau ta đo phụ thuộc tín hiệu VPHE vào từ trường H lấy kết đo thực nghiệm so sánh với đường mô ta có so sánh đường thực nghiệm đường mô sau: 36 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.14 So sánh đường cong thực nghiệm mơ Trên Hình 3.10 ta thấy đường cong thực nghiệm khơng trùng khít hồn tồn với đường mơ ta, ta thấy thời điểm ban đầu điểm tín hiệu đường thực nghiệm dịch với đường mô (nói cách khác dịch với gốc tọa độ) khoảng ΔH Điều giải thích sau: Ta biết việc xác định xác hướng vecto từ độ M chế tạo khơng hồn tồn Do mà q trình chế tạo khơng phải đặt từ độ M phương với dịng ngồi I Mà có góc lệch θ ban đầu từ độ M dòng I Do mẫu thực tế đo khơng tạo với từ trường ngồi góc xác 900 Tuy nhiên điều ta quan tâm độ nhạy tín hiệu thu Như ta thấy đồ thị tín hiệu độ dốc thu thực nghiệm gần trùng với đường mô Sử dụng cơng thức tính độ nhạy cho thực nghiệm mô ta thấy độ nhạy theo thực nghiệm gần hồn tồn giống với q trình mơ 37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kết luận chung Trong q trình thực khóa luận chúng tơi đạt kết sau: Mô ảnh hưởng trường tương tác lên cảm biến có cấu trúc spin-vale (cấu trúc cụ thể Chương III) Trong chúng tơi mơ ảnh hưởng trường tương tác trao đôi liên phân mạng HJ lên độ nhạy cảm biến, ảnh hưởng trường dị hướng HK lên độ nhạy cảm biến, ảnh hưởng việc thay đổi góc từ trường ngồi H dịng qua cảm biến I lên độ nhạy cảm biến, cuối so sánh với kết thực nghiệm thu từ việc đo mẫu Từ chúng tơi thấy độ nhạy S cảm biến tỷ lệ nghịch với trường tương tác trao đổi liên phân mạng HJ trường dị hướng HK Đồng thời nhận thấy cảm biến làm việc tuyến tính với vùng từ trường nhỏ Với việc thay đổi góc từ trường ngồi H dịng qua cảm biến I chúng tơi thấy cảm biến có độ nhạy S độ tuyến tính cao từ trường ngồi đặt vng góc với dịng qua cảm biến Sau đem so sánh với kết thu từ thực nghiệm thấy gần hoàn toàn giống độ nhạy Do việc chế tạo sử dụng cảm biến Hall phẳng theo kết mô đem lại nhiều ưu điểm như: Độ nhạy cao, độ tuyến tính cao, giảm độ trôi 38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Nguyen Thi Thuy Anh huong cua chieu day lop sat tu CoFe len hieu ung Hall phang cau truc Spin-Vale NiFe/Cu/CoFe/IrMn (2009) [2] Nguyen Huu Duc Vat lieu tu cau truc Nano va dien tu hoc spin NXB DHQG Ha Noi (2008) [3] Nguyen Phu Thuy Vat ly cac hien tuong tu NXB DHQG Ha Noi (2003) Tiếng Anh [4] A Nemoto, Y Otani, S G Kim, K Fukamichi, O Kitakami, and Y Shimada, Appl Phys Lett 74, 4026 (1999) [5] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGiKim, Optimization of spin-valve structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for planar Hall effect based biochips [6] Bui Dinh Tu, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc*, CheolGi Kim Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers J.Applied Physics (2008) [7] Chiristian D Damsgaard, susana C, Feitas, Paulo P, Preitas, and Mikkel F, Hansen, exchange-biased plannar Hall effect sensor optimized for biosensor applications [8] D.R Baselt, G U Lee, M Natesan, S W Metzger, P E Sheehan, and R J Colton, Biosens Bioelect (1998) [9] E H Sondheimer, Adv in Phys 1, (1952) [10] Europhysics News (2003) Vol 34 No.6 [11] G Bayreuther, M Dumm, B Uhl, R Meier, and W Kipferl, J Appl Phys 93, 8230 (2003) [12] G.U Lee, L A Chrisey, and R J Colton, Science, 266, 771–773 (1994) [13] H Fujiwara, K Nishoka, C Hou, M.R Parker, S Gangopadhyay, R Metzger, J Appl Phys 79, 6286 (1996) [14] Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Second Editon, D Jiles, Ames Laboratory, US Department of Energy, Great Britain by St Edumundsbury Press, Suffolk UK, 1998 [15] J Q Lu, G Pan, W Y Lai, D J Mapps, ans W W Clegg, J Magn Magn Mater 242,525 (2002) [16] J Schotter, Development of a magnetoresistive biosensor for the detection of biomolecules in: PhD thesis in Physics, 2004 [17] K Nishioka, S Gangopadhyay, A Fujiwara, M Parker, IEEE Trans 39 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com [18] K Nishioka, C Hou, H Fujiwara, R.D Metzger, J Appl.Phys 80, 4528 (1996) [19] K.T.Y Kung, L.K Louie, J Appl Phys 69, 5634 (1991) [20] L Ejsing, M F Hansen, A K Menon, H A Ferreira, D L Graham, and P P Freitas,Appl.Phys Lett 293, 677 (2005) [21] M Matsumoto, A Morisako, S Takei, S Taijima, J.Magn Soc Japan 21, 509 (1997) [22] N.T Thanh, Ph D Thesis, Chungnam National University, Korea (2007) [23] Nguyen Trung Thanh, Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc*, CheolGi Kim Single magnetic microbead detection using planar Hall resistance sensor with NiFe/IrMn bilayers for biochip application First International Workshop on Nanotechnology and Application IWNA (2007) [24] Nguyen Trung Thanh PhD Thesis Chungnam National University, Korea (2007) [25 ] P.P Freitas, H Ferreira, D Graham, L Clarke, M Amaral, V Martins, L Fonseca, J.S Cabral Magnetoresistive biochips Europhysics News (2003) [26] R Jungblut, R Coehoorn, M.T Johnson, J A Stegge, A Reinders, J Appl Phys 75, 6659 (1994) [27] R L Edelstein, C R Tamanaha, P E Sheehan, M M Miller, D R Baselt, L J Whitman, R J Colton, Biosens Bioelectron 14, 805 (2000) [28] Tamara Bratland, Michael J Caruso, Carl H Smith A New Perspective on Magnetic Field Sensing Sensors (1998) [29] S Allen, M C Davies, C J Roberts, S J B Tendler and P M Williams,Tibtech 15, 101 (1997) [30] Y W Lee, C G Kim, C O Kim, Y.T.Park, 242,1175 (2002) [31] W O Henry, Noise reduction techniques in electronic systems, Second edition, John Wiley & Sons, New York, Inc 1998 [32] U Gradmann, J Magn Magn Mater 54, 733 (1986) [33] http://www.wikipedia.org 40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... ảnh hưởng trường tương tác lên cảm biến có cấu trúc spin-vale (cấu trúc cụ thể Chương III) Trong chúng tơi mơ ảnh hưởng trường tương tác trao đôi liên phân mạng HJ lên độ nhạy cảm biến, ảnh hưởng. .. thực nghiệm Chương III Kết mô ảnh hưởng trường tương tác lên độ nhạy cảm biến giải thích Như trình bày chương trước Loại cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng có đặc điểm độ nhạy cao tới cỡ nano- Tesla... HJ lên độ nhạy cảm biến, ảnh hưởng trường dị hướng HK lên độ nhạy cảm biến, ảnh hưởng việc thay đổi góc từ trường ngồi H dịng qua cảm biến I lên độ nhạy cảm biến, cuối so sánh với kết thực nghiệm