Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR là hiệu ứng gây ra sự thay đổi mạnh điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài từ khoảng vài chục phần trăm trở lên, lớn hơn nhiều so với hiệu ứng
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒNG NHẬT HIẾU NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ, TỪ ĐIỆN TỬ KHỔNG LỒ (GMR) TRONG HỆ TỪ DẠNG HẠT CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ NGUỘI NHANH HAY BỐC BAY NỔ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội, 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131629321000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG NHẬT HIẾU NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ, TỪ ĐIỆN TỬ KHỔNG LỒ (GMR) TRONG HỆ TỪ DẠNG HẠT CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ NGUỘI NHANH HAY BỐC BAY NỔ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HOÀNG NGHỊ Hà Nội, 2006 -1- LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy GS TS Nguyễn Hồng Nghị phịng thí nghiệm Vật liệu Vơ định hình Nano tinh thể - Thầy TS Nguyễn Anh Tuấn Viện (ITIMS) tận tình bảo, giúp đỡ em suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Mặc dù bận nhiều công việc thầy dành nhiều thời gian bảo, hướng dẫn tận tình cho em lời khun bổ ích để luận văn em hồn thành tốt Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới anh Nguyễn Văn Dũng, anh Bùi Xuân Chiến tồn thành viên phịng thí nghiệm Vật liệu Vơ định hình Nano tinh thể tạo điều kiện có thảo luận, đóng góp giá trị cho em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Em xin cảm ơn Viện (ITIMS) giúp đỡ em thực số phép đo Em xin chân thành cảm ơn tồn thể thầy Viện Vật lý Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà nội giảng dạy giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, xin giữ tới Bố, Mẹ gia đình lịng biết ơn sâu sắc Hà Nội, Ngày Tháng Năm Hoàng Nhật Hiếu -2- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AF Antiferromagnetic AMR Anisotropic Magnetoresistance FM Ferromagnetic NM Non Magnetic RF Radio Frequency GMR Giant Magnetoresistance MR Magnetoresistance MRAM Magnetic (or Magnetoresistance) Random Access Memory OMR Ordinary Magnetoresistance RKKY Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida SEM Scanning Electron Microscope TEM Transmission Electron Microscope VSM Vibrating Sample Magnetometer XRD X-ray Diffaction EDS Energy Dispersion Spectroscopy -3- MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Danh mục từ viết tắt Mục lục Mở đầu Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu từ điện trở khổng lồ 1.1.1 Điện trở kim loại 1.1.2 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) 1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR-Ansitropic Magneto Resistance) 10 1.1.4 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance) … 11 1.2 Từ điện trở khổng lồ cấu trúc dạng hạt 1.2.1 Mơ hình giải thích hiệu ứng GMR cấu trúc dạng hạt 20 1.2.2 Các đặc trưng cấu trúc dạng hạt 22 1.3 Các vấn đề ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR 1.3.1 Sự dao động tỷ số GMR theo bề dày lớp không từ 26 1.3.2 Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt lên GMR hệ hạt 29 1.3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đo lên hiệu ứng GMR 30 1.3.4 Ảnh hưởng cấu hình đo 31 1.4 Bài toán xác định phân bố kích thước hạt từ D lý thuyết thuận từ Langevin 32 1.4.1 Trạng thái siêu thuận từ 32 1.4.2 Xác định phân bố kích thước hạt từ 33 -4- 1.5 Một số ứng dụng hiệu ứng GMR hệ màng mỏng dạng hạt 37 Chương II: THỰC NGHIỆM 2.1 chế tạo mẫu 38 2.1.1 Kỹ thuật bốc bay nổ 38 2.1.2 Công nghệ nguội nhanh 40 2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X-XRD (X ray diffraction) 42 2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM 44 2.4 Khảo sát tính chất từ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer-VSM) 47 2.5 Phương pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR 48 Chương III: KẾT QUẢ 3.1 Kết nhiễu xạ tia X 52 3.2 Kết SEM 55 3.3 Kết nghiên cứu tính chất từ 57 3.4 Kết đo từ trở khổng lồ 60 3.5 Kết xác định hàm phân bố tỉ phần kích thước hạt Co 66 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 -5- MỞ ĐẦU T rong năm gần đây, vật liệu có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) nhà nghiên cứu giới nước quan tâm khả ứng dụng điện tử Đó sử dụng spin điện tử làm đối tượng truyền tải, ghi từ đọc thông tin Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) hiệu ứng gây thay đổi mạnh điện trở suất tác dụng từ trường (từ khoảng vài chục phần trăm trở lên), lớn nhiều so với hiệu ứng từ điện trở thơng thường (chỉ khoảng vài phần ngàn) có chất hồn tồn Đó tán xạ phụ thuộc spin điện tử dẫn gây Đây điểm khác hoàn toàn với chế gây điện trở thơng thường Người ta thấy tạo hiệu ứng GMR từ kiểu chất rắn khác cấu trúc vi mô trung mơ (mezoscope) cho miền (vùng) từ tính khơng liên tục hay khơng đồng khơng gian Điển hình với cấu trúc thang vi mô hợp chất perovsikite với hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ (CMR) Trong đó, cấu trúc từ đa lớp hay dạng hạt, chiều dày lớp từ hay đường kính hạt từ vài nanomét cách cỡ khoảng chừng nanomét Từ cơng trình nghiên cứu hiệu ứng GMR nước nước cho thấy màng mỏng từ đa lớp (từ hàng chục lớp trở lên) có hiệu ứng GMR lớn, đến trăm phần trăm, đạt bão hoà nhanh từ trường thấp Trong hệ từ dạng hạt, hiệu ứng GMR thấp đạt bão hồ từ trường cao, thích hợp để làm cảm biến làm việc vùng từ trường cao Mặt khác, công nghệ chế tạo hệ từ dạng -6- hạt lại tương đối đơn giản, có khả chế tạo điều kiện kỹ thuật nước Có nhiều phương pháp khác để tạo vật liệu GMR có cấu trúc dạng hạt Ví dụ phương pháp nguội nhanh từ thể lỏng, phún xạ RF, bốc bay chân không, bay Laze, điện hoá, lắng đọng hoá học nhiều phương pháp khác nữa… Song cho phương pháp nguội nhanh phương pháp chế tạo hệ hợp kim dạng hạt có suất cao, sản phẩm tạo có kích thước lớn, dễ dàng đáp ứng nhu cầu sử dụng với khối lượng lớn vật liệu Còn phương pháp bốc bay chân không, phương pháp chế tạo màng dạng hạt có chất lượng tốt đơn giản Tuy nhiên, phương pháp khó khống chế thành phần pha màng giống với thành phần pha vật liệu nguồn bốc bay, đặc biệt vật liệu nguồn bốc bay ban đầu gồm có nhiều thành phần có nhiệt nóng chảy hay nhiệt thăng hoa khác Trong trường hợp người ta thường sử dụng kỹ thuật bốc bay nổ Đây kỹ thuật làm nhỏ mảnh vật liệu thành phần hỗn hợp vật liệu nguồn bốc bay cho mảnh nhỏ vật liệu thành phần gia nhiệt đồng thời bốc bay đồng thời Ở luận văn đối tượng vật liệu nghiên cứu gồm hai thành phần: Co Cu (hay Ag), hai kim loại có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ hố khác Vì để giải phần vấn đề bay đồng thời Co Cu (Ag), luận văn thử nghiệm phương pháp bốc bay nổ chân không Đây phương pháp tương đối nước chưa thấy có cơng trình cơng bố vấn đề liên quan Những năm trước nước người ta nghiên cứu chế tạo màng mỏng dạng hạt Co-Ag kỹ thuật phún xạ [1,3] băng mỏng từ dạng hạt Co-Cu kỹ thuật nguội nhanh [2,4] Nhằm tìm hiểu thêm kỹ thuật bốc bay nổ việc tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt, đồng thời -7- so sánh số yếu tố cấu trúc, thường có liên quan chặt chẻ tới tính chất từ từ điện trở khổng lồ chúng, luận văn lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tính chất từ, từ điện trở khổng lồ (GMR) hệ từ dạng hạt chế tạo công nghệ nguội nhanh bốc bay nổ” Kết cấu luận văn gồm chương sau: Chương I: Tổng quan Phác hoạ nét khái quát chế vật lý hiệu ứng GMR, số mơ hình giải thích Lý thuyết tính tốn phân bố tỷ phần số hạt việc vận dụng lý thuyết thuận từ Langevin Chương II: Thực nghiệm Công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu Các kỹ thuật phân tích mẫu Chương III: Kết thảo luận Kết luận -8- Chương I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu từ điện trở khổng lồ 1.1.1 Điện trở kim loại Điện trở kim loại tán xạ điện tử dẫn với nguyên tử tạp chất hay dao động mạng tinh thể (phonon) Trong trường hợp chung, hiểu điện trở suất kim loại dạng định luật Mathiesen[1] ρ = ρ ph + ρi (1.1) Trong ρph thành phần tán xạ phonon, ρ i thành phần tán xạ loại sai hỏng tĩnh (gồm tạp chất sai hỏng cấu trúc) Đối với kim loại từ tính, chẳng hạn kim loại sắt từ, cịn có thêm thành phần ρ m tán xạ có nguồn gốc từ tính Chẳng hạn kim loại này, tồn mạng spin spin định xứ nút mạng thực tương tác trao đổi với điện tử dẫn Do viết điện trở suất kim loại sắt từ dạng: ρ = ρ ph + ρi + ρ m (1.2) Ở nhiệt độ 0K, tất spin nút mạng song song với nhau, tạo trường tuần hồn nên khơng gây tán xạ điện tử Khi thành phần ρ m = Ở nhiệt độ cao mạng spin dao động gây nên tán xạ bất thường kim loại sắt từ, dẫn đến thành phần ρm ≠ Vì điện trở suất kim loại sắt từ nói chung thường cao so với kim loại thường Ở vùng nhiệt độ cao, ρm bằng: * 2 3π m I0 S(S + 1) 1 M ρm = −M 2 2neε F (1.3) e, n m* tương ứng điện tích, nồng độ khối lượng hiệu dụng điện tử, I đại lượng đặc trưng cho tương tác trao đổi mạng spin