Nghiên ứu tính hất từ, từ điện tử khổng lồ (gmr) trong hệ từ dạng hạt hế tạo bằng ông nghệ nguội nhanh và bố bay nổ

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

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

NGHIÊN C Ứ U TÍNH CHẤT TỪ Ừ Ệ , T ĐI N TỬ KHỔ NG L Ồ (GMR) TRONG H Ệ Ừ Ạ T D NG HẠT CHẾ Ạ T O B Ằ NG CÔNG NGHỆ

NGUỘI NHANH HAY BỐC BAY NỔ

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

NGHIÊN C Ứ U TÍNH CHẤT TỪ Ừ Ệ , T ĐI N TỬ KHỔ NG L Ồ (GMR) TRONG H Ệ Ừ Ạ T D NG HẠT CHẾ Ạ T O B Ằ NG CÔNG NGHỆ NGUỘI

NHANH HAY B C BAY N Ố Ổ

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới Thầy GS TS Nguyễn Hoàng Nghị phòng thí nghiệm Vật liệu Vô định hình và Nano tinh thể - Thầy TS Nguyễn Anh Tuấn Viện (ITIMS) đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ

em trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Mặc dù bận rất nhiều công việc nhưng thầy vẫn dành nhiều thời gian chỉ bảo, hướng dẫn tận tình và cho

em những lời khuyên bổ ích để luận văn của em hoàn thành tốt nhất

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới anh Nguyễn Văn Dũng, anh Bùi Xuân Chiến và toàn bộ thành viên phòng thí nghiệm Vật liệu Vô định hình và Nano tinh thể đã tạo mọi điều kiện và có những thảo luận, đóng góp giá trị cho em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp

Em xin cảm ơn Viện (ITIMS) đã giúp đỡ em thực hiện một số phép đo

Em cũng xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô trong Viện Vật lý Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà nội đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, con xin giữ tới Bố, Mẹ cùng gia đình lòng biết ơn sâu sắc nhất

Hà Nội, N ày g Tháng N m ă

Hoàng Nhật Hiếu

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

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn 1

Danh mục các từ viết tắt 2

Mục lục 3

Mở đầu 5

Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về từ điện trở khổng lồ 1.1.1 Điện trở của kim loại 8

1.1.2 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) 9

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 trong cấu trúc dạng hạt 1.2.1 Mô hình giải thích hiệu ứng GMR trong cấu trúc dạng hạt 20

1.2.2 Các đặc trưng cơ bản về cấu trúc dạng hạt 22

1.3 Các vấn đề ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR 1.3.1 Sự dao động của tỷ số GMR theo bề dày lớp không từ 26

1.3.2 Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt lên GMR trong hệ hạt 29

1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đo lên hiệu ứng GMR 30

1.3.4 Ảnh hưởng của cấu hình đo 31

1.4 Bài toán xác định phân bố kích thước hạt từ D bằng 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 33 từ

1.5 Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của 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 bằng 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 quả nhiễu xạ tia X 52

3.2 Kết quả SEM 55

3.3 Kết quả nghiên cứu tính chất từ 57

3.4 Kết quả đo từ trở khổng lồ 60

3.5 Kết quả xác định hàm phân bố tỉ phần kích thước hạt Co 66

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

MỞ ĐẦU

rong những năm gần đây, các vật liệu có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) rất được các nhà nghiên cứu trên thế giới và trong nước quan tâm vì những khả năng ứng dụng mới của điện tử Đó là sử dụng spin của điện tử làm đối tượng truyền tải, ghi từ và đọc thông tin

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 từ điện trở thông thường (chỉ khoảng vài phần ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới Đó là do sự tán xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn gây ra Đây là điểm khác hoàn toàn với cơ chế gây ra điện trở thông thường

Người ta thấy rằng có thể tạo ra hiệu ứng GMR từ những kiểu chất rắn khác nhau ở cấu trúc vi mô và trung mô (mezoscope) sao cho miền (vùng) từ tính không liên tục hay không đồng nhất trong không gian Điển hình với cấu trúc như vậy ở thang vi mô là các hợp chất perovsikite với hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ (CMR) Trong khi đó, các cấu trúc từ đa lớp hay dạng hạt, ở

đó chiều dày các lớp từ hay đường kính các hạt từ chỉ vài nanomét và cách nhau cũng cỡ khoảng chừng ấy nanomét

Từ các công trình nghiên cứu về hiệu ứng GMR ở trong nước và nước ngoài cho thấy các màng mỏng từ đa lớp (từ hàng chục lớp trở lên) có hiệu ứng GMR lớn, có thể đến hơn trăm phần trăm, nhưng đạt bão hoà nhanh ở từ trường khá thấp Trong khi đó đối với các hệ từ dạng hạt, hiệu ứng GMR tuy thấp hơn nhưng đạt bão hoà ở từ trường khá cao, rất thích hợp để làm cảm biến làm việc ở vùng từ trường cao Mặt khác, công nghệ chế tạo hệ từ dạng

T

hạt lại tương đối đơn giản, có khả năng chế tạo được trong điều kiện kỹ thuật hiện nay ở trong nước

Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra vật liệu GMR có cấu trúc dạng hạt Ví dụ như phương pháp nguội nhanh từ thể lỏng, phún xạ RF, bốc bay trong chân không, bay hơi bằng Laze, điện hoá, lắng đọng hoá học và nhiều phương pháp khác nữa… Song có thể cho rằng phương pháp nguội nhanh là phương pháp chế tạo hệ hợp kim dạng hạt có năng suất cao, sản phẩm tạo ra có kích thước lớn, có thể dễ dàng đáp ứng nhu cầu sử dụng với khối lượng lớn của vật liệu Còn đối với phương pháp bốc bay trong chân không, là phương pháp chế tạo màng dạng hạt có chất lượng tốt và khá đơn giản Tuy nhiên, phương pháp này khó khống chế thành phần pha trên màng giống với thành phần pha của vật liệu nguồn bốc bay, đặc biệt là khi trong vật liệu nguồn bốc bay ban đầu gồm có nhiều thành phần có nhiệt nóng chảy hay nhiệt thăng hoa khác nhau Trong trường hợp đó người ta thường sử dụng kỹ thuật bốc bay nổ Đây là kỹ thuật làm nhỏ các mảnh vật liệu thành phần trong hỗn hợp vật liệu nguồn bốc bay và làm sao cho các mảnh nhỏ của các vật liệu thành phần cùng được gia nhiệt đồng thời và cùng được bốc bay đồng thời

Ở luận văn này đối tượng vật liệu nghiên cứu gồm hai thành phần: Co

và Cu (hay Ag), đây là hai kim loại có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hoá hơi khác nhau Vì vậy để có thể giải quyết phần nào vấn đề bay hơi đồng thời của

Co và Cu (Ag), luận văn đã thử nghiệm phương pháp bốc bay nổ trong chân không Đây có thể là phương pháp tương đối mới ở trong nước vì cho đến nay hầu như chưa thấy có công trình nào công bố về những vấn đề liên quan

Những năm trước đây ở trong nước người ta đã nghiên cứu chế tạo màng mỏng dạng hạt Co Ag bằng kỹ thuật phún xạ - [1,3] và băng mỏng từ dạng hạt Co Cu bằng kỹ thuật nguội nhanh - [2,4] Nhằm tìm hiểu thêm về kỹ thuật bốc bay nổ trong việc tạo ra màng mỏng có cấu trúc dạng hạt, đồng thời

so sánh một số yếu tố cấu trúc, thường có liên quan chặt chẻ tới tính chất từ

và từ điện trở khổng lồ của chúng, trong luận văn này chúng tôi lựa chọn đề tài:“Nghiên cứu tính chất từ , từ điện trở khổng lồ (GMR) trong các hệ từ dạng hạt chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh và bốc bay nổ”

Kết cấu của luận văn gồm các chương sau:

Chương II: Thực nghiệm

Công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu

Các kỹ thuật phân tích mẫu

Chương III: Kết quả và thảo luận

Kết luận

Chương I TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về từ điện trở khổng lồ

1.1.1 Điện trở của kim loại

Điện trở của kim loại là do sự tán xạ của điện tử dẫn với các nguyên tử tạp chất hay dao động mạng tinh thể (phonon) Trong trường hợp chung, có thể hiểu điện trở suất của kim loại dưới dạng định luật Mathiesen[1]

ρ = ρph + ρi (1.1) Trong đó ρph là thành phần do tán xạ bởi phonon, còn ρi là thành phần tán xạ bởi các loại sai hỏng tĩnh (gồm các tạp chất và các sai hỏng cấu trúc)

Đối với các kim loại từ tính, chẳng hạn như các kim loại sắt từ, còn có thêm thành phần của ρm do những tán xạ có nguồn gốc từ tính Chẳng hạn như trong các kim loại này, tồn tại mạng spin của các spin định xứ ở nút mạng và thực hiện tương tác trao đổi với điện tử dẫn Do đó có thể viết điện trở suất của các kim loại sắt từ dưới dạng:

ρ = ρph + ρi + ρm (1.2)

Ở nhiệt độ 0K, tất cả các spin ở nút mạng đều song song với nhau, tạo

ra trường thế tuần hoàn nên không gây ra tán xạ điện tử Khi đó thành phần

ρm = 0 Ở nhiệt độ cao mạng spin dao động gây nên sự tán xạ bất thường trong các kim loại sắt từ, dẫn đến thành phần ρm ≠ 0 Vì thế điện trở suất trong các kim loại sắt từ nói chung thường cao hơn so với các kim loại thường Ở vùng nhiệt độ cao, ρm bằng:

2 2

0

*

1 2

) 1 ( 3

M

M ne

S S I m

và điện tử dẫn, là spin ở mỗi nút mạng và S εF là năng lượng Fermi M và M0

là độ từ hóa của kim loại sắt từ ở nhiệt độ T và 0K

Như vậy, nếu T > TC, M = 0, dẫn đến ρm = const

Còn khi T < TC (trật tự sắt từ), M ≠ 0 thì ρm ∼ T2

1.1.2 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)

Hiệu ứng từ điện trở thường quan sát thấy ở các kim loại và theo nguyên tắc tồn tại ở mọi kim loại và thường là hiệu ứng dương (điện trở tăng theo từ trường tác dụng lên mẫu) Hiệu ứng này được giải thích như sau:

Dưới tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz làm hạt dẫn có thêm thành phần chuyển động tròn so với phương dòng điện và thành phần này không đóng góp vào dòng điện (vận tốc trung bình bằng không trong một chu trình) cho đến khi bị tán xạ Sau khi bị tán xạ, hạt dẫn tham gia chuyển động tròn tiếp theo Như vậy, thời gian hồi phục càng lớn (điện trở càng thấp) thì ảnh hưởng của từ trường ngoài lên điện trở càng lớn

1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR-Ansitropic Magneto Resistance)

Hiệu ứng AMR là hiệu ứng xảy ra khi điện trở của mẫu thay đổi khác nhau dưới tác dụng của từ trường ngoài theo các phương khác nhau so với dòng điện Hiệu ứng AMR xảy ra đối với các kim loại sắt từ, hơn nữa sự thay đổi của điện trở suất trong hiệu ứng AMR cũng lớn hơn nhiều so với OMR, lên đến vài phần trăm Ví dụ, ở màng mỏng Fe tỷ số MR 0.2%, hay ở màng ∼

Ni là ∼ 2% và pecmalôi (hợp kim NiFe) là một trong những loại vật liệu từ

có tỷ số MR lớn nhất đạt được khoảng 4 5% Màng pecmalôi đã từng được sử dụng rộng rãi làm các cảm biến từ trường, đặc biệt là đầu từ MR

-Khác với các kim loại thường, do các kim loại sắt từ có cấu trúc domen nên dưới tác dụng của từ trường ngoài, ngay cả khi có cường độ nhỏ cũng dẫn đến làm tăng rất mạnh từ trường nội của mạng tinh thể vì từ độ tự phát ở các

domen từ sắp xếp lại song song với nhau theo phương từ trường ngoài Vì thế hiệu ứng MR trong các kim loại sắt từ còn do tương tác của điện tử dẫn với

từ trường nội, lớn hơn nhiều so với từ trường ngoài tác dụng Hiệu ứng MR gây ra bởi sự tương tác này luôn có mặt ngay khi không có từ trường ngoài (gọi là từ điện trở tự phát)

Bản chất vật lý của AMR được giải thích dựa trên mô hình hai dòng của Mott và mô hình của J.Smit về liên kết spin quĩ đạo (liên kết Spin- -Orbital) và J.Smit cho rằng bản chất của AMR là liên kết SO khi hệ spin tương tác với mạng tinh thể Mô hình hai dòng của Mott được trình bày ở phần sau, Mô hình của J.Smit có thể tìm thấy trong [7]

Hình 1.1 minh họa hiệu ứng dị hướng của điện trở suất đối với phương

từ trường tác dụng của các kim loại sắt từ, trường hợp a) từ trường song song với dòng điện, trường hợp b) từ trường vuông góc với dòng điện, ρs// và ρs ⊥ là các giá trị bảo hoà Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), hiệu ứng này là phổ biến cho tất cả các kim loại sắt từ

Hình 1.1: Sự thay đổi điện trở suất của kim loại sắt từ theo từ trường ngoài

1.1.4 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance)

1.1.4.1 Đôi nét lịch sử về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

Hiện tượng từ điện trở (Magneto Resistance-MR) lần đầu tiên tìm thấy vào giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XIX bởi Lord Kelvin Hiện tượng MR là hiện tượng thay đổi điện trở của vật dẫn hoặc bán dẫn dưới tác dụng của từ trường ngoài Sự thay đổi này thường vào khoảng vài phần nghìn và được giải thích

là do tác dụng của từ trường ngoài làm điện tích thay đổi hướng chuyển động Vào năm 1988 một nhóm của Albert Fert của trường Đại học tổng hợp Nam Paris[5] đã quan sát được sự thay đổi 50% của điện trở suất của màng đa lớp dưới tác dụng của từ trường ngoài (hình 1.2), với cấu trúc [Fe(30A0)/Cr(9A0)]40 nghĩa là các lớp Fe, Cr dày tương ứng là 30A0 và 9A0

và hệ gồm 40 lớp kép, đây là một sự thay đổi lớn chưa từng được quan sát thấy từ trước đến nay

Hình 1.2: (a)Từ điện trở của ba siêu mạng Fe/Cr đo ở nhiệt độ 4.2K Dòng điện

và từ trường cùng được đặt dọc theo phương tinh thể [110] trong mặt phẳng của

các lớp[5]

(b)Cấu trúc của một siêu mạng từ

Vì vậy mà hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance-GMR) Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự ‘khổng lồ’ của sự thay đổi điện trở mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, ‘Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn’

Sau đó không lâu vào đầu những năm 90, hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) được quan sát thấy trong các hệ đơn lớp còn được gọi là hệ dạng hạt,

do một nhóm của A.E Berkowitz, J R Mitchell, M J Carey và A.P Young của trường đại học California (Hình 1.3) [6,22]

Hình 1.3: Đường cong GMR của hệ hợp kim dạng hạt Co Cu

-Sau những khám phá này nhiều công trình nghiên cứu đã được tiến hành đối với cả hai hệ màng đa lớp và màng dạng hạt và cũng đã thu được hiệu ứng GMR rất lớn, ví dụ như vào năm 1991 nhóm SSP Parkin lần đầu tiên chế tạo hệ màng mỏng đa lớp đa tinh thể Co/Cu bằng phương pháp phún

xạ với các lớp Co và Cu dày khoảng cỡ 8-10A0, hiệu ứng GMR đo ở từ

trường 10(kOe) đạt được 65% ở nhiệt độ phòng và 115% ở 4.2K[23] Năm

1992 nhóm của John Q Xiao, J.Samuel Jiang và C.L Chien chế tạo màng đơn lớp Co/Cu và hiệu ứng đạt được là 13% ở nhiệt độ 5K và 8% ở nhiệt độ phòng[24] Năm 1994 nhóm của R Schad, C D Potter, P.Belien chế tạo hệ

đa lớp [Fe(4,5)/Cr(12)]50 với lớp sắt rất mỏng, kết quả tại 1,5K hiệu ứng GMR >220%, ở 300K là 42%[25] Đối với tình hình trong nước cho đến nay hiệu ứng GMR được nghiên cứu vẫn còn ít chủ yếu là hai nhóm: Một của GS.TS Nguyễn Hoàng Nghị chế tạo băng Co Cu bằng phương pháp nguội -nhanh ngoài không khí, cho kết quả GMR khoảng 5.5% ở nhiệt độ phòng[2,4]

và nhóm thứ hai là của TS Nguyễn Anh Tuấn, nhóm này tiến hành chế tạo vật liệu GMR dạng màng mỏng bằng phương pháp phún xạ RF chủ yếu với hai hệ Co-Cu và Co Ag đơn lớp và ba lớp, kết quả cho hiệu ứng GMR -khoảng 3-4% đối với màng ba lớp và 2,5% với màng đơn lớp[1,3]

Cho đến nay hiệu ứng GMR đã được nghiên cứu rất kỹ và hoàn thiện

cả về hiệu ứng lẫn mô hình lý thuyết, sau đây là phần trình bày của một số mô hình lý thuyết giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR

1.1.4.2 Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR

 Mô hình hai dòng Mott

Mott nhận thấy rằng khi nhiệt độ T<Tc, spin của hạt dẫn (điện tử) được bảo toàn trong hầu hết các tán xạ Nguyên nhân của hiện tượng này là, dưới nhiệt độ Cuire Tc số magnon, nguyên nhân gây nên quá trình “trộn” 2 trạng thái spin up và down, sinh ra ít Vì

vậy các hạt dẫn có spin up và spin

down tạo nên hai kênh tương ứng

song song với nhau Mô hình hai

dòng này có thể được biểu diễn bằng

mạch song song, trong đó điện trở Hình 1.4: Mô hình hai kênh dẫn

suất của hai loại hạt dẫn được ký hiệu là ρ↑ và ρ↓ (Hình 1.4)

Vì vậy điện trở suất của mẫu là:

↓ +

ρ ρ

1

F

tx N E V

m* khác nhau, khác nhau, n τ khác nhau, mật độ trạng thái tại mức Fermi

)

( EF

N của các điện tử có spin up và spin down khác nhau Nếu bỏ qua tán xạ s-d trong một kênh dẫn nào đó, điện trở suất của kênh đó sẽ giảm đi Trường hợp của Ni là một ví dụ Trong Ni, các mức năng lượng có spin up đã điền đầy, và do đó không bắt điện tử

Người ta định nghĩa hệ số bất đối xứng spin như sau:

↑

↓

= ρρ

Hệ số bất đối xứng spin phụ thuộc vào tính chất từ của hợp kim Trong

Ni, Co cũng như các hợp kim từ tính mạnh, α >> 1 Mật độ trạng thái có spin

up tại mức Fermi (chỉ xuất phát từ các trạng thái liên kết s-p) rõ ràng nhỏ hơn

nhiều mật độ trạng thái có spin down (xuất phát từ các trạng thái s-p + d) Do vậy α có xu hướng lớn hơn 1 trong các hợp kim của Ni và Co Thực tế α có thể đạt đến 10 trong một số hợp kim của Ni và Co [8]

Khi nhiệt độ gần hoặc vượt quá nhiệt độ Cuire Tc, quá trình trộn hai kênh spin là không thể bỏ qua và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất

↑

+ +

↓

↑

=

ρ ρ

ρ

ρ ρ ρ ρ ρ ρ

4

) (

Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau Điện tử có spin up (down) “tán xạ” vào trạng thái spin down (up) bằng việc sinh ra hoặc hủy một magnon Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là tương tác spin-quĩ đạo SOI (Spin-Orbital Interaction) và có bản chất lượng tử [9]

Như vậy ở nhiệt độ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do đó quá trình trộn lẫn hai kênh spin được bỏ qua

Khi nhiệt độ lớn hơn Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là đáng kể và số hạng điện trở suất ρ↑↓ được đưa vào Chú ý rằng khi nhiệt độ thấp, ρ↑↓<< ρ↑, ρ↓

4Biểu thức (1.8) trở thành (1 ) Khi nhiệt độ đủ cao, ρ↑↓>> ρ↑, ρ↓ thì biểu thức (1.8) trở thành:

4

↓ +

độ hồi phục trung bình

 Một số mô hình đơn giản giải thích hiệu ứng GMR

Cách giải thích đầu tiên về cơ chế gây ra hiệu ứng GMR trong các cấu trúc từ đa lớp dưới đây cũng đã dựa trên cơ sở mô hình hai dòng của Mott được đề cập đến trước đây Hình vẽ (1.5) là mô hình đơn giản và trực quan

mô tả quá trình chuyển dời của các điện tử có spin up và spin down qua các lớp từ như thế nào khi từ độ của các lớp sắp xếp khác nhau Các lớp ở đây được giả thuyết là có chiều dày tương đương với quảng đường tự do trung bình của điện tử Mỗi điện tử khi đi từ một lớp từ này đến một lớp từ tiếp theo

sẽ mang một cấu hình spin nào đó (up hay down) và vẫn giữ nguyên cấu hình cho đến khi bị tán xạ (tính bảo toàn spin) Các spin có chiều song song với từ

độ bị tán xạ ít hơn các spin có chiều phản song với từ độ Có thể thấy rằng trong trường hợp a) khi từ trường H = 0 làm cho từ độ trong các lớp từ sắp xếp theo kiểu phản song với nhau (giống như liên kết kiểu AF (Antiferromagnetic)), mỗi kênh điện tử với spin up và spin down đều lần lượt

bị tán xạ và không bị tán xạ (hoặc là đều lần lượt bị tán xạ mạnh hoặc tán xạ ít) khi đi qua lớp từ

Hình 1.5: Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau

Kết quả là toàn bộ điện tử dẫn đều bị tán xạ như nhau, điều này làm cho

hệ đa lớp giống như một cái van (đối với các spin) hạn chế dòng “chảy” của

cả hai kênh điện tử và điện trở suất ứng với hai kênh cao như nhau[10]

Trong trường hợp b) khi từ trường ngoài H > Hs làm cho từ độ trong các lớp từ sắp xếp song song với nhau (liên kết kiểu FM(Ferromagnetic)), khi

đó chỉ có một kênh điện tử có spin luôn ngược chiều với từ độ mới bị tán xạ mạnh, còn kênh kia luôn cùng chiều nên tỷ lệ truyền qua cao Trong tình huấn này, hệ đa lớp giống như một cái van mở thông cho một kênh spin truyền qua Như vậy ở trường hợp sau, điện trở suất của toàn hệ nhỏ hơn trường hợp trước do có sự đoản mạch đối với một kênh spin Sự biến đổi của điện trở suất

ở trường hợp trung gian 0 < H < Hs là giảm dần khi từ trường tăng lên vì từ

độ các lớp sắp xếp dần dần theo từ trường Khi đó sự tán xạ ở một kênh điện

tử có spin ngược với từ độ cũng giảm dần vì từ độ đã chuyển hướng sang cùng chiều với spin Điện trở ứng với kênh đó sẽ giảm dần cho đến khi từ trường tăng lên đến H > Hs làm cho từ độ trong các lớp hoàn toàn song song với nhau và với phương spin

Ta chuyển sang sơ đồ giải thích khác đi trên cơ sở cấu trúc dải năng lượng và quá trình tán xạ giữa các dải s – d Tán xạ s – d này không phải xảy

ra ở trong cấu trúc dải của bản thân mỗi lớp từ mà xảy ra giữa các điện tử 4s của lớp kim loại phi từ với các điện tử 3d của các lớp sắt từ lân cận Sơ đồ này cho thấy rỏ hơn ý nghĩa vật lý của hiệu ứng GMR, như trình bày ở (hình

vẽ 1.6) trong đó các lớp kim loại phi từ được kí hiệu là NM, còn các lớp kim loại sắt từ được kí hiệu là FM, EF là kí hiệu mức Fermi Chiều dày các lớp được giả thuyết là nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của các điện tử Vì chỉ có các điện tử từ 3d ở lân cận mức Fermi mới tham gia vào quá trình tán

xạ do mật độ trạng thái chưa được lấp đầy và như đã đề cập đến trước đây, chỉ

có các điện tử 4s mới tham gia vào quá trình dẫn điện và chỉ có tán xạ s-d mới

gây ra sự dị thường của điện trở suất khi có từ trường ngoài tác dụng, nên các tán xạ khác được bỏ qua Ta hãy xét các điện tử dẫn 4s (spin up và spin down) giả sử được xuất phát từ một lớp kim loại phi từ (ví dụ lớp đầu tiên bên trái trong hình vẽ) khi chuyển động đến lớp sắt từ tiếp theo, sẽ có hai trường hợp xảy ra ứng với hai cấu hình sắp xếp từ độ của các lớp sắt từ

Giả sử trong trường hợp đầu khi từ độ của các lớp sắp xếp phản song với nhau, các điện tử có spin down bị bắt ngay vào các trạng thái 3d còn trống (do có cùng trạng thái) của lớp sắt từ bên cạnh, nghĩa là bị tán xạ và không tham gia tiếp tục vào quá trình dẫn điện (biểu thị bằng đường cung chấm chấm đậm, ngắn) Trong khi đó các điện tử spin up (cùng chiều với từ độ) không bị bắt ở lớp từ đầu tiên vì không có trạng thái 3d spin up nào trống cả Các điện tử này truyền sang được lớp sắt từ tiếp theo và bị bắt ở đây vì có các trạng thái 3d (spin up) còn trống (biểu thị bằng đường cung gạch gạch dài) Vì đây là sơ đồ có cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin up và spin down còn trống đều được phân bố lần lượt nhau, cho nên có thể thấy rằng cả hai kênh điện tử spin up và spin down đều tương đương nhau trong quá trình truyền qua hệ và đều bị tán xạ như nhau, dẫn đến điện trở suất của cả hệ ở trạng thái cao

Trong trường hợp thứ hai khi có mômen từ của các lớp sắp xếp song song nhau, có thể thấy rằng chỉ có các trạng thái 3d spin down là còn trống, nên chỉ có kênh điện tử spin down bị tán xạ (các cung chấm chấm) còn kênh spin up được thông qua hoàn toàn vì các trạng thái 3d với spin tương đương

đã được điền đầy (biểu thị bằng đường cong liền nét) Đó là trường hợp đoản mạch một kênh điện tử, dẫn đến điện trở suất của cả hệ giảm xuống Ta cũng nhận thấy rằng các dãi 4s của bản thân các lớp từ (không vẽ trong hình) cũng

có thể tham gia vào quá trình tán xạ tương tự các điện tử 4s của lớp kim loại

phi từ Tuy nhiên, quá trình này được cho là yếu hơn nhiều so với quá trình đã được đề cập đến ở trên

Hình 1.6: Sơ đồ mật độ trạng thái điện tử trong cấu trúc lớp và quá trình chuyển

dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc lớp

1.2 Từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc dạng hạt

1.2.1 Mô hình giải thích hiệu ứng GMR trong cấu trúc dạng hạt

Hiện tượng từ trở khổng lồ tìm thấy trong mẫu hạt lần đầu tiên vào năm

1992 Bản chất của hiện tượng GMR trong mẫu hạt cũng là sự tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn và có thể giải thích dựa trên kết quả trong mô hình tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn trong mẫu đa lớp

Trước hết giả sử ta có mẫu gồm các hạt sắt từ Co,Ni,Fe… nằm trong nền kim loại không từ Cu,Ag,Au… Ta coi hai hạt sắt từ nằm cạnh nhau giống như hai lớp sắt từ trong hệ đa lớp, nền phi từ giữa hai hạt sắt từ coi như lớp kim loại phi từ nằm giữa hai lớp sắt từ đó, như minh hoạ trong (hình vẽ 1.8a)

(a) (b)

Hình 1.8: (a) Sơ đồ minh hoạ cấu tạo của màng từ đơn lớp có cấu trúc dạng hạt

(b) Đường cong GMR tương ứng với sự sắp xếp từ độ của các hạt từ

Khi chưa có từ trường ngoài, mô men từ của hai hạt sắt từ này định hướng ngẫu nhiên nên từ độ tổng cộng sẽ bằng M = ΣMi = 0, cả hai kênh điện

tử sẽ bị tán xạ như nhau khi đi qua biên giới hai hạt sắt từ này Khi đặt từ trường ngoài đủ lớn, từ trường này sẽ định hướng mô men từ của hai hạt song song với hướng của nó, lúc đó sẽ có một kênh dẫn bị tán xạ ít hơn, giống như trường hợp đoản mạch một kênh trong hệ đa lớp

Xét trong toàn hệ, khi không có từ trường ngoài mô men từ của các hạt sắt từ định hướng ngẫu nhiên, do đó cả hai kênh điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên đường chuyển động qua các hạt sắt từ, hệ ở trạng thái điện trở cao Từ trường ngoài tăng dần sẽ làm tăng dần số các hạt có mô men từ song song với nhau (do cùng song song với từ trường ngoài) Một kênh spin (kênh có spin song song với hướng của từ trường ngoài) sẽ bị tán xạ ít dần trong khi kênh còn lại

bị tán xạ mạnh dần, điện trở của hệ giảm dần Khi từ trường ngoài đủ mạnh làm quay toàn bộ số mô men từ trong hệ, kênh spin có hướng song song với

từ trường ngoài sẽ gần như truyền qua hoàn toàn, kênh còn lại gần như bị tán

xạ hoàn toàn, điện trở của hệ đạt giá trị thấp nhất Giả thiết các hạt sắt từ phân

bố một cách ngẫu nhiên trong nền kim loại không từ với bán kính trung bình M

r , Berkowitz [11] đưa ra biểu thức định lượng của GMR trong hệ hạt:

2 2 2

2 2

2

4

M M

s s

s

rr

pp

p

α α

σ

σ

+

−+

α

c

c c

M MN

3

1 +

−

là nồng độ của các hạt từ, λM,λMN là quãng đường tự do trung bình tương ứng của điện tử trong các hạt sắt từ và không từ; là cường độ tán xạ spin ξ trên bề mặt các hạt sắt từ Ta thấy rằng, tỉ số GMR trong hệ hạt phụ thuộc vào các yếu tố: kích thước hạt, quãng đường tự do trung bình, tỉ số tán xạ phụ thuộc spin trên tán xạ không phụ thuộc spin

1.2.2 Các đặc trưng cơ bản về cấu trúc dạng hạt

1.2.2.1 Cấu trúc nano của vật liệu từ dạng hạt

Vật liệu rắn có cấu trúc dạng hạt đã được quan tâm nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong đời sống, kỹ thuật từ lâu Ta có thể gặp cấu trúc vật liệu rắn dạng hạt ở dạng vật liệu thông thường như vật liệu bê tông, gồm những hạt đá có kích thước cỡ cm và các hạt cát với kích thước cỡ µm trong nền của vật liệu xi măng Tùy theo yêu cầu về kết cấu trong xây dựng mà người ta đưa

ra các thông số khác nhau về kích thước của các loại hạt đá hay cát Như vậy

có thể nói kích thước của các hạt trong vật liệu dạng hạt là rất quan trọng nó liên quan đến vấn đề cơ tính của vật liệu

Nghiên cứu vật liệu nano dạng hạt, gồm các hạt kim loại trong nền kim loại khác không hòa tan, chẳng hạn như Co trong nền Cu Ở đây thuật ngữ hạt liên quan đến các hạt kim loại nhỏ rắn cỡ nano mét (103 - 106 nguyên tử) Trong vật liệu cấu trúc nano dạng hạt, các vấn đề then chốt quyết định đến các tính chất vật lý của vật liệu thông qua các yếu tố như tỷ phần thể tích của

các hạt xv (tỷ số thể tích của các hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt (2r)

Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia thành 2 loại; loại thứ nhất gồm các hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O 3, vật liệu này

đã được biết đến từ năm 1970; loại thứ hai gồm các hạt kim loại từ trong nền kim loại phi từ, đã đựợc quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây – vật liệu từ điện trở khổng lồ (GMR), ví dụ như hệ Co – Cu, Co Ag.–

Trong vật liệu nano dạng hạt nói chung và trong vật từ dạng hạt nói riêng, hai yếu tố xv và 2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu, giá trị của xv thay đổi từ 0 đến 1 [21]

Hình 1.9: Mô tả sự thay đổi cấu trúc của vật liệu từ dạng hạt theo sự thay

đổi tỷ phần thể tích (0 ≤ xv ≤ 1)

Hình 1.9 cho thấy sự thay đổi cấu trúc của vật liệu rắn dạng hạt với sự thay đổi xv Với các vật liệu rắn kim loại dạng hạt, người ta còn đưa ra khái niệm tỷ phần thể tích của phần vật liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ (xp) Các hạt có hình dạng hình cầu, bán kính thường được phân bố một cách ngẫu r nhiên và đồng nhất trong vật liệu nền Số lượng các hạt kim loại trong thể tích được tính bằng biểu thức sau [21]:

4

v

x n

r

Tỷ số diện tích bề mặt liên kết của hạt và thể tích của vật liệu:

3 xvS

1.2.2.2 Tính đơn đô men

Trong hệ vật liệu từ dạng hạt với các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt

từ có một trục từ Khi không có từ trường ngoài các hạt từ được sắp xếp một cách ngẫu nhiên và có một năng lượng bằng CV, với C tổng dị hướng từ trên một đơn vị thể tích, và V là thể tích của hạt từ Khi có từ trường ngoài khác không các trục từ quay theo chiều của từ trường ngoài Như vậy từ độ của mẫu ( ) bằng tổng từ độ của các hạt đơn đô men:M

.

cosS

M H

= = (1.15)

Với θ là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài,

MS là từ độ bão hòa, H là từ trường ngoài, cos θ là giá trị trung bình lấy trên toàn bộ các hạt sắt từ Khi đó đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể

hiện quá trình quay trục từ của các hạt đơn đô men Trong đó các kích thước

và sự điều khiển của các đô men đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường ngoài

Hình 1.10: (a)Đường cong từ trễ đo ở nhiệt độ 5K, (b,c,d) Sự phụ thuộc

của Ms, Mr, Hc và χ vào nhiệt độ

Hình (1.10) là một ví dụ về sự phụ thuộc của đường cong từ trễ của vật liệu dạng hạt vào từ trường ngoài ở nhiệt độ thấp 5K Khi mẫu bắt đầu từ hóa với M = 0 ở từ trường ngoài H = 0, trục từ của các hạt từ định hướng ngẫu nhiên, giá trị này bằng tổng dị hướng từ của các hạt từ Hướng của các mômen từ định hướng ngẫu nhiên và ở trạng thái tĩnh khi nhiệt độ thấp Khi

từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = MS) với từ trường ngoài đủ lớn, lúc đó tất

cả các mômen từ được định hướng hướng theo chiều của từ trường ngoài Nếu từ trường ngoài H giảm tới H = 0, khi đó giá trị của từ dư M r = MS/2 ở

nhiệt độ thấp 5K, bởi vì các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầu theo trục dị hướng của hạt đơn đô men

Vật liệu từ với cấu trúc đơn đô men, có lực kháng từ (HC) của các hạt

từ lớn hơn trong vật liệu dạng khối Theo nghiên cứu lý thuyết, các hạt sắt từ đơn đô men có lực kháng từ bằng 2K/MS = 600 (Oe) (K là hằng số dị hướng

từ tinh thể), trong khi đó đối với mẫu khối là 10 (Oe)[21] Một số vật liệu từ dạng hạt, như Co – Ag, Fe Cu, Fe – – Ag có lực kháng từ HC khá lớn cỡ 3000 (Oe) Như vậy đối với các vật liệu có cấu trúc đơn đô men thể hiện lực kháng

từ HC lớn, hằng số dị hướng C lớn, và lực kháng từ HC phụ thuộc vào kích thước của hạt

1.3 Các vấn đề ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR

1.3.1 Sự dao động của tỉ số GMR theo bề dày lớp không từ

Nhiều thí nghiệm cho thấy tỉ số GMR dao động theo bề dày của lớp kim loại không từ[27] (Hình 1.11)

Hình 1.11: Sự dao động của tỷ số GMR theo theo bề dày của lớp Cu trong hệ đa

lớp Co-Cu

Bề dày Cu

Người ta còn quan sát được các dao động nhỏ hơn (hình 1.12) và tìm thấy các chu kỳ dao động khác nhau Nói chung biên độ của dao động giảm dần khi bề dày lớp không từ tăng lên

Hình 1.12: Sự dao động của tỷ số GMR theo theo bề dày của lớp

ô

kim loại kh ng từ

Hiện tượng này được giải thích dựa trên tương tác trao đổi gián tiếp của các lớp từ thông qua lớp không từ, tương tác này được gọi là trao đổi cặp (exchange coupling)

Cơ chế của tương tác trao đổi này là: Lớp sắt từ thứ nhất F1 tương tác với điện tử dẫn của lớp không từ bên cạnh và gây ra sự phân cực spin ở lớp này Sự phân cực này ‘lan truyền’ xuyên qua lớp không từ và cuối cùng tương tác với lớp sắt từ thứ 2, F2 Tương tác này rất giống tương tác trao đổi gián tiếp RKKY Do vậy lý thuyết này thường được áp dụng để giải thích hiện tượng dao động của GMR theo bề dày lớp không từ

Đầu tiên, ta xét tương tác giữa 2 hạt sắt từ trên nền kim loại phi từ Gọi

Ri, Rj là toạ độ của 2 hạt, Si, Sj là spin của hai hạt Tương tác trao đổi của hai hạt này được biểu diễn:

Chiều dày( đơn lớp) GMR

( )ij i j

ij J R S S

Trong đó, J( )Rij là tích phân trao đổi

Tương tác giữa hai lớp từ coi như tổng hợp của mọi cặp spin giữa hai lớp:

∑

∈

=

2 0 2

0

F j

j

R J S

cos sin

cos )

(

) 2 ( 2

4

3 4

2 3

4 2

x x

x x

x x F

R k F mk A

Người ta đã đưa ra nhiều lý thuyết khác để giải thích tốt hơn cho tương tác trao đổi ví dụ như mẫu liên kết chặt (tight-binding), mẫu lai hoá s-d, mẫu

sử dụng các trạng thái giếng lượng tử của Ortega và Himpsel

1.3.2 Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt lên GMR trong hệ hạt

Hiệu ứng GMR phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt, quãng đường tự do trung bình của điện tử, do đó phụ thuộc mạnh vào chế độ xử lý nhiệt (Hình

1.13) Người ta chỉ ra rằng, khi nhiệt độ ủ tăng, kích thước hạt tăng, làm giảm

tỉ số (diện tích bề mặt/ thể tích hạt từ), mà tán xạ phụ thuộc spin của các điện

tử dẫn lại xảy ra chủ yếu tại bề mặt các hạt từ, nên hiệu ứng GMR giảm Tuy nhiên khảo sát chi tiết ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên hiệu ứng, ta phải tính đến nhiều yếu tố khác, ví dụ như quãng đường tự do trung bình của điện tử Tính đến hai yếu tố này, người ta thấy, ban đầu tỉ số GMR tăng lên theo nhiệt độ ủ, sau đó giảm mạnh khi tăng nhiệt độ ủ [29,7]

Hình 1.13: Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt lên tỷ số GMR

Ta thấy, tỉ số GMR tỉ lệ thuận với quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn, tỉ lệ nghịch với kích thước hạt Khi nhiệt độ ủ bắt đầu tăng, kích thước hạt tăng, quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn tăng (hình 1.14) nhưng ảnh hưởng của quãng đường tự do trung bình lên hiệu ứng GMR lấn át hơn, làm cho tỉ số GMR tăng Khi nhiệt độ ủ tăng lên đến một giá trị nhất định, ảnh hưởng của kích thước hạt lấn át ảnh hưởng của quãng đường tự do

trung bình, do vậy tỉ số GMR giảm Tồn tại một giá trị nhiệt độ ủ tối ưu, tại

đó tỉ số GMR là lớn nhất

Hình 1.14: Sự phụ thuộc của kích thước hạt theo nhiệt độ ủ

1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đo lên hiệu ứng GMR

Tỉ số GMR giảm khi tăng nhiệt độ đo Sự thay đổi này có thể nhỏ như trong hệ Co/Cu (khoảng 1.7 lần giữa 4.2K và nhiệt độ phòng đối với Co15

A0/Cu9A0) hoặc khá lớn như trong các hệ của Fe (khoảng 3.1 lần trong hệ Fe16A0/Cr12A0) Sự thay đổi này do một vài yếu tố sau:

i) Nhiệt độ tăng làm xuất hiện thêm thành phần tán xạ khác như tán T

xạ không đàn hồi trên phonons, magnons, làm giảm quãng đường tự do trung bình của điện tử, dẫn đến làm giảm hiệu ứng GMR

ii) Hệ số bất đối xứng spin α trong các quá trình tán xạ khi nhiệt độ cao khác α trong các quá trình tán xạ đàn hồi trên bề mặt, sai hỏng, tạp chất ở nhiệt độ thấp Sự xuất hiện của thành phần tán xạ phụ thuộc spin trong các tán

xạ không đàn hồi làm tăng đồng thời ∆ρ và ρ, trong khi sự xuất hiện của thành phần không phụ thuộc spin của các tán xạ không đàn hồi chỉ làm tăng

ρ

iii) Nhiệt độ làm tăng tán xạ lật spin điện tử- magnon nguyên nhân gây

ra hiện tượng trộn hai kênh dẫn tăng lên, do đó làm giảm tỉ số GMR

1.3.4 Ảnh hưởng của cấu hình đo

Thường có hai cấu hình để đo hiện tượng GMR: Cấu hình dòng vuông góc với mặt phẳng (CPP Curent Perpendicular to the Planes) và cấu hình - dòng song song với mặt phẳng (CIP Current In the Plane) Trong hệ đa lớp - quan sát thấy sự khác nhau giữa hai cấu hình đo, nói chung, tỉ số GMR cao hơn trong cấu hình CPP (Hình 1.15)

Hình 1.15: Ảnh hưởng của cấu hình đo lên hiệu ứng GMR

Chi tiết về ảnh hưởng của cấu hình đo và tính toán tỉ số GMR cho từng trường hợp có thể tìm thấy trong [30]

Đặc điểm của hiện tượng GMR trong hệ hạt là tính đẳng hướng trong các cấu hình đo Hệ đa lớp thể hiện tính dị hướng của hiện tượng GMR: tỉ số khác nhau trong các cấu hình đo khác nhau Nguyên nhân cho tính đẳng hướng của hiện tượng GMR trong hệ hạt được giải thích như sau: các hạt từ

có kích thước cỡ nano, nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hình học của mẫu (chiều dày màng mỏng); các hạt từ có xu hướng co lại thành hình cầu Tuy nhiên trong thực tế người ta vẫn quan sát được sự khác nhau nhỏ của tỉ số

GMR trong các cấu hình Có thể giải thích rằng vì chiều dày màng mỏng rất nhỏ so với hai chiều kia nên khi tạo thành, các hạt từ có xu hướng dẹt theo phương mặt phẳng màng, tạo nên tính dị hướng cho hạt và cho hệ [1] Chiều dày màng càng nhỏ thì dị hướng càng lớn Trong trường hợp hợp kim dị thể dạng khối, hiện tượng dị hướng này hầu như không quan sát thấy

1.4 Bài toán xác định phân bố kích thước hạt từ D bằng lý thuyết thuận

từ Langevin cho vật liệu dạng hạt

1.4.1 Trạng thái siêu thuận từ

Vật liệu từ được chia làm 3 loại: Vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ,

và vật liệu sắt từ, dựa trên cấu trúc vi mô của vật liệu Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu không có mô men từ nguyên tử (mô men từ nguyên tử bằng 0) Hai loại vật liệu từ còn lại có mô men từ nguyên tử khác không do các lớp điện tử chưa điền đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ không có trật tự từ, tức là các mô men từ nguyên tử sắp xếp hỗn loạn; còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại trật tự từ Trong vật liệu thuận từ, các nguyên tử có mô men từ khác không, nhưng do không có tương tác trao đổi giữa các mô men từ này nên chúng định hướng ngẫu nhiên dưới tác động của năng lượng nhiệt Khác với vật liệu thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đổi giữa các mô men từ nguyên tử tạo nên trật tự từ

Nhưng nếu trong một hệ sắt từ, kích thước các hạt sắt từ rất nhỏ, sao cho năng lượng dị hướng từ (yếu tố ‘ghim’ mô men từ của hạt theo 1 phương

- phương dễ từ hoá) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm mô men từ của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hoá ), tức là:

T K V

thì các véc tơ từ độ của các hạt sắt từ không bị ‘ghim’ nữa mà có thể quay tự

do, định hướng một cách ngẫu nhiên Lúc đó hệ tương đương với một hệ thuận từ và được gọi là hệ siêu thuận từ (superparamagnetic system) Tính

chất siêu thuận từ đã được quan sát thấy trong các hệ vật liệu có hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR effect)

1.4.2 Xác định phân bố kích thước ạt h từ

Các kết quả nghiên cứu hiệu ứng GMR trong các hợp kim dị thể về mặt

từ dạng hạt Co-Cu, Co-Ag cho thấy hiệu ứng GMR phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như nhiệt độ đo, cấu hình đo, thành phần hợp thức của mẫu, và đặc biệt là chế độ xử lí nhiệt Như vậy một yêu cầu đặt ra là xác định kích thước hạt từ khi nghiên cứu hiệu ứng GMR Có nhiều phương pháp có thể sử dụng để xác định kích thước hạt như dùng phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử truyền qua TEM, và phương pháp xác định kích thước hạt bằng cách so sánh đường cong từ hoá thực nghiệm với các đường cong từ hoá lý thuyết M=M(H) với các kích thước hạt D khác nhau dựa trên lý thuyết Langevin về thuận từ

Theo lý thuyết thuận từ Langevin, từ độ của hệ thuận từ với các hạt có kích thước giống nhau là một hàm số của nhiều tham số trong đó có thể tích của các hạt từ

)(

))

.(coth(

TK

mHLMspmH

TKTK

mHMs

pM

B

B B

nghiệm với hệ các đường lý thuyết này cho ta kết quả về kích thước hạt từ của mẫu

Cụ thể đối với hệ mẫu Co-Cu, Co-Ag giá trị Ms – mô men từ bão hoà của Co ở nhiệt độ phòng cho Co (fcc) (lập phương tâm khối)[14] là 1.42x106 A/m Giá trị KBT ở nhiệt độ phòng là 4.1x10-21J

Trong hệ mẫu Co-Cu, Co Ag có hi- ệu ứng GMR được nghiên cứu, tính siêu thuận từ có thể quan sát thấy trên các đường cong từ trễ thực nghiệm trên hình (1.16) cho thấy từ độ của mẫu không đạt tới trạng thái bão hoà với từ trường lên đến 1.3T Do đó ta có thể áp dụng lý thuyết thuận từ Langevin cho các mẫu này

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5-1.0

-0.50.00.51.0

Tuy nhiên trên các đường cong từ trễ của các mẫu nghiên cứu, từ dư Mr

và trường khử từ Hc khác không Điều đó chứng tỏ trong các mẫu này còn tồn tại pha sắt từ Từ độ chung của mẫu Mtotal có thể viết thành tổng của phần sắt

từ Mfm và phần siêu thuận từ Mspm

(a) (b) (c)

Mtotal= Mfm+ Mspm

Để áp dụng lý thuyết thuận từ Langevin cho các mẫu này, yêu cầu đặt

ra là phải tách phần sắt từ ra khỏi đường cong từ hoá thực nghiệm Có thể nhận thấy rằng đối với các chất sắt từ, từ độ có thể dễ dàng đạt đến giá trị bão hoà với từ trường ngoài đạt cỡ 0.4T và theo các tính toán lý thuyết và thực nghiệm cho hệ hạt Co giá trị từ độ bão hoà đạt giá trị:

866 0

r FM

S

M

Trong đó Mr là giá trị từ dư lấy từ đường cong từ trễ

Ta có từ độ của phần siêu thuận từ:

Mspm= Mtotal - Mr/0.866 Như vậy đây là một phương pháp có thể cho phép xác định kích thước hạt sắt từ Co trong các hệ siêu thuận từ Co-Cu, Co Ag có hiệu ứng GMR -

Tuy nhiên do trong hệ thuận từ hoặc siêu thuận từ thực các hạt đóng góp cho Mspm có kích thước không giống nhau nên để kết quả chính xác hơn

ta cần tính đến hàm phân bố tỉ phần số hạt f(m) theo kích thước hạt và công thức trên trở thành:

H

M( ) ( ) ( ) [16]

mJ: là momen từ của từng hạt riêng lẻ

f(mJ): hàm phân bố tỉ phần số hạt

Để xác định phân bố tỉ phần số hạt f(m) ta làm như sau:

1) Cho D (kích thước hạt từ) một dãy các giá trị tăng dần từ 2 nm đến 5.5 nm cách nhau 0.5 nm, ta tính được giá trị của mj:

mj = MsV = 1.42.10 6 A/m πD3/6

Cụ thể với D = 4 nm = 4.10-9 m thì m = 1.42.106 A/m x 3.14 (4.10-9m)3/6 = 47.56.10-21 (Am2) = 47.56.10-21(Am2) x 4π.10-7 (Tm/A) = 5.97.10-26

(Jm/A), với (T = Jm/A)

2) Từ kết qủa thực nghiệm ta có được đường cong từ hoá M(H) theo H

3) Ta lập một ma trận với các biến theo M và H

) (

) (

) , ( )

, ( ) , (

) , ( )

, ( ) , (

) , ( )

, ( ) , (

.

.

.

2 1

2 1

2 2

2 1

2

1 2

1 1

1 2

1

n n

n n

n

n n

m f

m f

m H L m

H L m H L

m H L m

H L m H L

m H L m

H L m H L

Từ kết qủa thực nghiệm ta vẽ đường cong từ hoá trong Matlap sau đó dùng công cụ này để fit sao cho trùng khớp với đường thực nghiệm, phương trình fit thiết lập có dạng của hàm Langevin như sau:

Y = a(coth(0.75*x/0.41) 0.41/0.75/x) + b(coth(1.45*x/0.41) - - 0.41/1.45/x) + c(coth(2.51*x/0.41) - 0.41/2.51/x) + d(coth(3.9*x/0.41) - 0.41/3.9/x) + e(coth(5.97*x/0.41) - 0.41/5.97/x) + f(coth(8.5*x/0.41) - 0.41/8.5/x) + k(coth(11.6*x/0.41) - 0.41/11.6/x) + z(coth(15.5*x/0.41) - 0.41/15.5/x)

Trong đó: y là các giá trị biểu thị cho M, x là các giá trị biểu thị cho H, còn các hệ số a, b, c, d, e, f, k, z là các giá trị biểu thị cho f(m) theo kích thước hạt từ 2 nm đến 5.5 nm Kết qủa fit cho ta các giá trị của a, b, c, d, e, f, k, z chính là các giá trị của hàm phân bố tỉ phần số hạt f(m)

Phương pháp tách phần sắt từ ra khỏi từ độ tổng thể của mẫu ở trên có thể được thực hiện chính xác hơn bằng cách phân tích sự khác nhau của

đường cong từ trễ theo hai chiều tăng và giảm từ trường, chi tiết có thể tìm thấy trong [17]

1.5 Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng hạt

Hiện nay các hiệu ứng GMR đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực như công nghệ thông tin làm đầu đọc từ GMR, bộ nhớ từ không tự xoá kiểu MRAM, v.v…Tuy nhiên, các lĩnh vực đó đòi hỏi một nền công nghệ cao mà trong điều kiện kỹ thuật của nước ta hiện nay chưa đáp ứng được Nhằm hướng đến một số ứng dụng đơn giản và phù hợp hơn, những khảo sát ở đây tập trung cho mục đích như làm cảm biến từ trường và phần tử chuyển mạch trong kỹ thuật đo lường và kỹ thuật điện tử

Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu trong luận văn có thể định hướng ứng dụng hiệu ứng GMR trong một số trường hợp sau:

+ Cảm biến GMR xác định theo vị trí:

Hình 1.17: (a)Nguyên tắc phát hiện một vật khi đến gần cảm biến GMR.

(b) Ứng dụng cảm biến GMR làm bộ đánh lửa của động cơ đốt trong

- Cảm biến gần, nguyên lý như hình vẽ (1.17 (a)) Khi vật có từ trường tiến lại gần cảm biến (hoặc ngược lại), từ trường làm thay đổi giá trị GMR của cảm biến Tín hiệu từ cảm biến được đưa đến các mạch điều khiển ở bên ngoài Ví

dụ, kiểu cảm biến này được ứng dụng trong bộ điều khiển đánh lửa của động

cơ đốt trong (hình 1.17 (b)), bàn phím không tiếp xúc, cảm biến xác định vị

Phương chuyển động của pittông

Cảm biến GMR

Pittông

N

S Phương tiếp

cận của vật

Nam châm vĩnh cửu

N

S

trí thẳng, cảm biến điều khiển sự thích ứng của bộ giảm xóc ôtô, cân điện tử, cảm biến áp suất cơ…

- Cảm biến vị trí góc như: vận tốc kế, bộ biến đổi góc, đo độ nghiên, động cơ điện DC không chổi quét

+ Kiểm tra không phá huỷ mẫu: Ví dụ kiểm tra vết nứt ở ống thép như (hình

1.18), từ trường H do cuộn dây sinh ra ở ống thép, nếu có vết nứt sẽ phân tán

ra ngoài như thấy ở hình vẽ Cảm biến GMR được đưa lại gần và rà khắp bề mặt ống thép Ở những chổ có vết nứt, cảm biến GMR sẽ đo và phát hiện từ trường thoát ra

Hình 1.18: Kiểm tra vật liệu không phá huỷ mẫu (ống thép) bằng cảm biến GMR

+ Hình 1.19 là kết quả đo điện trở suất phụ thuộc vào từ trường của một màng mỏng dạng hạt Co30Ag70 đo ở nhiệt độ phòng, chế tạo bằng công nghệ bốc bay nổ mà luận văn này đã chế tạo được Ta thấy ở từ trường cao 10(kOe) điện trở suất của mẫu vẫn chưa đạt bảo hoà, rất thích hợp cho việc ứng dụng

để làm cảm biến làm việc ở vùng từ trường cao Trình bày sau đây là một ứng dụng của hiệu ứng GMR của màng dạng hạt Co28Ag7 2 làm cảm biến cho động cơ một chiều loại không chổi quét

Cuộn dây tạo từ trường

Cảm biến GMR Vết nứt

H

-10 -5 0 5 10 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Motors được sử dụng rộng rải trong lĩnh vực của điện học và từ học bởi

vì hiệu suất cao của chúng Motor dc bao gồm một rotor là một nam châm điện và một stator là các cuộn dây, rotor quay được là nhờ dòng điện bên ngoài cung cấp cho cuôn dây Dòng điện này được điều khiển bởi sự tiếp xúc giữa chổi quét và các điện cực của rotor, đó là sự tương ứng giữa góc quay của trục quay rotor Chổi quét có hai vai trò đó là nhận ra góc quay của rotor

và cắt dòng điện trong cuộn dây để điều khiển tốc độ quay của rotor

Có những vấn đề trong việc sử dụng chổi quét của Motor, chổi quét làm mòn do ma sát và gây ra tiếng ồn khi chổi quét thay đổi vị trí tiếp xúc giữa các điện cực Do đó các Motor không chổi quét được sử dụng rộng rãi để đạt hiệu suất cao trong việc duy trì độ bền

Trong các Motor không chổi quét, vai trò của chổi quét được thay thế bằng việc sử dụng hiệu ứng Hall sensors trong mạch bán dẫn Những Hall sensor này tìm ra góc quay của rotor để cắt dòng điện trong cuộn dây, trong một Motor không chổi quét có 2 nam châm vĩnh cữu trong rotor và 4 cuộn dây trong stator, góc quay của rotor được xác định bởi tính có cực của 2 Hall sensor, nguyên lý hoạt động như (hình vẽ 1.20)[18]