bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc của tơi tới các thầy cơ giáo, những người đã dìu dắt, dạy dỗ tơi trong suốt thời gian qua
Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Xuân Chiến đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo tơi trong suốt quá trình làm thực nghiệm và hồn thành luận văn này
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn đến thầy Nguyễn Huy Dân cùng các anh chị
phịng thí nghiêm Khoa Học Trọng Điểm tại Viện Khoa Học Vật Liệu - Viện
Hàn Lâm Khoa Học Cơng Nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ tơi thực hiện một số phép đo và cĩ những đĩng gĩp quý giá cho luận văn của mình
Cuối cùng tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện cho tơi học tập
nghiên cứu, giúp đỡ đĩng gĩp ý kiến để luận văn của tơi được hồn thiện hơn Tơi xin trân trọng cảm ơn!
Học viên
Trang 2nghiên cứu Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bồ trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tác giả luận văn
Trang 3Chữ viết tắt AF AMK DOS FM GMR MR MRAM RKKY Spin ‡ Spin SPM VDH VSM XRD AES SEM RKKY Chữ tiếng Anh đầy đủ Antiferromagnetic Anisotropic Magne to Resistance Density of States Ferro magnetic Giant Magnetoresistance Magnetoresistance Magnetic Random Access Memory Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Spin up Spin down Super Para Magnetism Amorphous Vibrating Sample Magnetometer X-ray Diffraction
Auger Electron Spectroscopy Scanning Electron Microscope Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Nghĩa tiếng việt Phản sắt từ Từ điện trở dị hướng Mật độ trạng thái Sắt từ Từ điện trở khơng lồ Từ điện trở
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ Tên riêng các nhà khoa học Điện tử Spin hướng lên Điện tử Spin hướng xuống
Siêu thuận từ
Vơ định hình Từ kế mẫu rung
Nhiễu xạ tia X
Quang phổ điện tử Auger
hiển vi điện tử quét
Trang 4CHƯƠNG 1 TNG QUAN 555cc 2° se” 4
1.1 Một số phương pháp xác định kích thước hạt - ¿5+ 4
1.1.1 Phương pháp hiễn vi điện tử - SEM 2 -¿-ccccccecrecrrscee 4
1.1.2 Phương pháp hiến vi điện tử truyền qua TEM 5
1.1.3 Phương pháp hiển vi đầu đị quét 2- 2-2 e+cxe+zxrrscee 7
1.1.4 Phương pháp quang phổ điện tử Auger — AES 8 1.1.5 Phương pháp lanB€VIT - 5 5 kg ngư I1
1.2 Vật liệu thuận từ và vật liệu siêu thuận từ -+ «<+<<++s 14
1.2.1 Vật liệu thuận tỪ - - «+ ks HnT nHnTHnn gngrun 14 I8 0n 15
1.2.3 Thành phần cấu trúc của vật liệu GMR s- sccs+xecrerxvrs 21
1.2.4 Cấu trúc nanơ của vật liệu từ điện trở dạng hạt - 23 1.2.5 Cấu trúc đơn đơmen cc2ccccccccrritrtrtrtttiirirrrree 25 1.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR - 27
CHƯƠNG 2 THỰC NGHỆ . 5-5-5 5<< se ssesesersererssssrsee 29 2.1 Chế tạo mẫu . 222++vct HE nHHHHHrrrrrrre 29
2.1.1 Nấu phối trộn - 2+2 E22 S2 2211271127112711271111E 11x 29 2.1.2 Ché tao mau bang hop Kim sccccsesssseessssesssssessesessesesseeessecsseceeseeesses 32
PP Pin ỘỪỪDỪDỪD 34
Trang 5CHƯƠNG 3 KÉT QUÁ VÀ THẢO LUẬN . s°sccssecee 39 _3.1 Kiểm tra cấu trúc vật liỆu -2-©22++e+Ek£+EEEEEEEEetEEerrkrrrkrrrkerree 39 3.1.1 Kiểm tra cầu trúc vật liệu bằng nhiễu xạ tia X - - 39 3.1.2 Kiểm tra cấu trúc vật liệu bằng ảnh chụp Auger 40
3.2 Xác định kích thước hạt từ D bằng cách so sánh đường cong từ hố thực nghiệm và các đường cong lý thuyết ứng với các giá trị D khác nhau sử dung lý thuyết Langevin về thuận từ -¿-©+ec+cxse+crxeerrrrx 43
3.3 Kết quả đo tỉ số GMR của hệ mẫu Cu-CO 2+ cz+c+e+c5c+e 53
3.4 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt sắt từ tới hiệu ứng GMR của các
Trang 6các hệ từ là hiệu ứng từ điện trở khống lồ GMR Hiệu ứng GMR trong các màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các lớp khơng từ và
trong hệ hạt bao gồm các hạt từ nằm trên nền vật liệu phi từ Ngay sau khi ra đời, hiệu ứng GMR đã trở thành một vấn đề nĩng hồi trong lĩnh vực vật lý đã
và đang được phát triển mạnh bởi vì tiềm năng ứng dụng to lớn của nĩ trong nghành cơng nghệ thơng tin và điện tử hiện đại
Từ các cơng trình nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng GMR ở nước ngồi cho thấy các màng mỏng đa lớp (cỡ hàng chục lớp) cĩ hiệu ứng GMR
lớn, cĩ thê đến hơn 100% nhưng ở từ trường khoảng trên IT và nhiệt độ thấp
(thường ở 4.2K) Đối với các băng dạng hạt, hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng cơng nghệ chế tạo lại đơn giản, cĩ khả năng chế tạo được trong điều kiện kỹ thuật hiện nay ở trong nước Bằng lý thuyết và thực nghiệm cho thấy hiệu ứng
GMR phụ thuộc vào tán xạ spin Trong cấu trúc dạng hạt hiệu ứng GMR phụ thuộc 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 sắt từ khi nghiên cứu hiệu ứng GMR Cĩ nhiều phương
pháp cĩ thê 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 hố thực nghiệm với các đường cong từ hố lý thuyết M = M(H) voi cac kích thước hạt D khác nhau dựa trên lý thuyết Langevin về thuận từ
Trên cơ sở đĩ tơi chọn đề tài “KHẢO SÁT ẢNH HƯỚNG KÍCH
THƯỚC HẠT SẮT TỪ TỚI HIỆU ỨNG GMR TRONG HỆ MẪU DẠNG
Trang 7Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt siêu thuận từ tới hiệu ứng GMR trong hệ mẫu dạng hạt bằng đường cong từ hố thực nghiệm
3 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xác định kích thước hạt sắt từ của hệ mẫu bằng đường cong từ hố thực nghiệm trên cơ sở lý thuyét Langevin về thuận từ
- Kết luận
4 Đối tượng, phạm vỉ nghiên cứu - Hợp kim Cu — Co — Fe
- Lý thuyết Langevin về thuận từ 5 Phương pháp nghiên cứu
- Thực nghiệm
- Ðo đường cong từ hĩa
- Xác định kích thước hạt sắt từ của hệ mẫu GMR dạng hạt bằng đường
cong từ hố thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết Langevin về thuận từ 6 Đĩng gĩp mới
Xác định kích thước hạt sắt từ của hệ mẫu bằng đường cong từ hố thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết Langevin về thuận từ
NOI DUNG
Chương 1 Tổng quan về một số phương pháp xác định kích thước hạt sắt từ
Trang 91.1 Một số phương pháp xác định kích thước hạt
1.1.1 Phương pháp hiến vi điện tử - SEM
Để tránh sự tích lũy cộng hưởng trên bề mặt, mẫu quét phải dẫn điện Đối với các mẫu quét khơng dẫn điện, trước khi tiến hành chụp cĩ thể được
trắng một lớp kim loại siêu mỏng Đối với phương pháp SEM cổ điển, việc
quét mẫu phải được tiến hành trong điều kiện chân khơng, tuy nhiên với sự cải tiến, SEM hiện đại cho phép chụp cả các mẫu vi sinh vật
Cơ sở của phương pháp hiển vi điện tử quét [3] như sau: sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Nếu mẫu đủ dày thì sau khi tương tác với bề mặt mẫu, các điện tử thứ cấp sẽ đi theo một
hướng khác ra khỏi bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện
thơng qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của
chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Các tín hiệu sản sinh từ SEM bao gồm các
electron thứ cấp, electron tan xa phản hồi, các tia X đặc trưng, ánh sáng tia âm cực, mẫu hiện tại va electron dich chuyén Dau dé (detectors) electron thứ cấp thường được dùng trong các phân tích SEM, hiếm cĩ một máy SEM don nao cĩ đủ các detectors cho tất cả các loại tín hiệu Những tín hiệu là kết quả từ sự cộng hưởng của các tia electron với nguyên tử ở trên hoặc sát bề mặt mẫu quét Trong hầu hết các máy quét SEM thơng thường, kiểu detector phat hién hình ảnh bằng electron thứ cấp cho phép tạo ra các hình ảnh độ phân giải cao bề mặt mẫu quét ở kích thước nhỏ hơn lnm Do tia electron quét rất hẹp nên
hình ảnh SEM cĩ thể quét sâu và cho ra hình ảnh 3 chiều hữu ích cho việc
Trang 10vật lý sử đụng tia electron xuyên thấu qua bề mặt mỏng của mẫu thử và thu lại hình ảnh của các electron xuyên thấu trên thiết bị thu nhận hình ảnh (detector) như màn huỳnh quang, film ánh hoặc CCD camera sensor Kính hiển vi điện
tử quét là hệ thống gồm cĩ các thấu kính làm tiêu tụ chùm tia điện tử thành
một điểm trên bề mặt mẫu Mẫu được quét bởi tia điện tử và các điện tử phát xạ từ bề mặt mẫu được nhận và khuếch đại để tạo thành tín hiệu video TEM cung cấp những hình ảnh phân giải cao hơn kính hiển vi quang học, TEM cho phép người sử dụng thấy được những thơng tin rõ nét về mẫu thử ngay cả khi mẫu chỉ nhỏ như một hàng các nguyên tử, nhỏ hơn 10 ngàn lần so với khả năng phân giải của kính hiển vi quang học
TEM đã hình thành một phương pháp phân tích liên quan đến nhiều
lĩnh vực khoa học trong đĩ cĩ sinh học, vật lý và cả hĩa học Nhiều nghiên
cứu trong lĩnh vực ung thư, virus, khoa học vật liệu cũng như nghiên cứu ơ nhiễm, cơng nghệ nano hoặc cơng nghệ bán dẫn Hình 1.1 [3] là Sơ đồ mặt cắt của cột kính hiển vi điện tử truyền qua thơng thường Sau khi xuyên qua
màng mỏng các điện tử đi vào vật kính, các tia nhiễu xạ bragg kết hợp sau khi
qua mẫu tạo ảnh trung gian với độ phĩng đại ảnh thấp I¡ (hình 1.1) Thấu kính trung gian tạo ảnh trung gian thứ hai lạ và được phĩng đại trên màn quan sát bởi kính phĩng cuối cùng Ảnh được tiêu tụ trên màn quan sát bằng cách thay đổi tiêu cự của kính vật và độ phĩng đại được điều chỉnh nhờ sự thay đổi
dịng của hai kính phĩng Một số thiết bị cĩ thêm kính phĩng để mở rộng
thang phĩng đại Ảnh được ghi nhận bằng máy ảnh hoặc hệ ghi số đặt đưới buơng quan sát Khả năng phĩng đại của hình ảnh TEM phụ thuộc vào sự
Trang 12định hướng của tinh thể, cấu trúc electron, electron cảm ứng kích thích như
việc chụp các hình ảnh thơng thường
1.1.3 Phương pháp hiễn vi đầu đị quét
Binnig và Rohrer đã chế tạo được kính hiển vi tunnel (Scanning
Tunneling Microscope — STM) là thiết bị quan sat vi cấu trúc bề mặt thuộc về nhĩm thiết bị kính hiển vi quét đầu dị, tức là việc ghi ảnh dựa trên nguyên tắc
quét đầu đị trên bề mặt STM sử dụng một mũi đị nhọn mà đầu của mũi đị cĩ kích thước là một nguyên tử, quét rất gần bề mặt mẫu Khi đầu dị được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các điện tử di chuyên từ bề mặt mẫu sang mũi dị do hiệu ứng chui hầm lượng tử và việc ghi lại dịng chui hầm (do một hiệu điện thế đặt giữa mũi dị và mẫu) sẽ cho các thơng tin về cầu trúc bề
mặt
Kính hiển vi tunnel dựa trên nguyên lý của hiện tượng xuyên hầm
(tunnel) lượng tử của các điện tử giữa hai cực điện cĩ điện trường đặt vào
Một trong hai cực điện là mẫu đứng yên cịn cực kia là mũi đị (tip) được quét
trên mẫu (hoặc ngược lại) Tip được gắn trên gốm áp điện và cĩ thể dịch
chuyển theo 3 phương x, y và z khi cĩ điện trường đặt trên gốm (hình 1.2) Đường quét nét đứt của tip phía trên mẫu cĩ thé tạo lên đường viền bề mặt ở mức độ nguyên tử Cịn ảnh STM ba chiều cho thấy rõ từng nguyên tử cacbon trên bề mặt graphit hỏa phân định hướng cao
Mũi dị được đặt sát bề mặt mẫu dẫn điện tới mức xuất hiện dịng điện
Trang 13dịng tunnel sẽ liên quan đến sự thay đổi cấu trúc điện tử, mật độ trạng thái
Hình 1.2 (a) so dé STM (b) anh STM ba chiéu[3]
của mẫu nĩi cách khác dịng tunnel là một hàng của vị trí phản ánh cấu trúc điện tử và cấu trúc nguyên tử bề mặt STM cĩ độ phân giải ngang là 0,1 nm, độ phân giải đứng là 0,01 nm và vì vậy cĩ thể thấy rõ từng nguyên tử riêng biệt
1.1.4 Phương pháp quang phố điện tử Auger - AES
Quang phé dién tir Auger (Auger Electron Spectroscopy — AES) là một kỹ thuật phân tích các bề mặt vật liệu Dựa trên phân tích năng lượng phát ra
từ một nguyên tử bị kích thích Hiệu quả của Auger được phát hiện ra một
cách độc lập của cả hai nhà khoa học Lise Meitner và Pierre Auger trong thap
Trang 14AES hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Auger: Đĩ là chiếu một chùm điện tử tới bề mặt mẫu, electron ở lớp sâu bên trong nguyên tử (1)
sẽ bị bật ra làm xuất hiện lỗ trống (2) và điện tử ở lớp ngồi (3) sẽ nhảy về lap
vào lỗ trống đĩ và phát ra một năng lượng dưới dạng tia X (4a) Tuy nhiên khơng phải điện tử nào khi nhảy từ lớp ngồi vào trong đều phát ra tia X ma nĩ phát ra một năng lượng để kích thích các electron ở lớp ngồi, nếu năng lượng kích thích lớn hơn cơng thốt của electron này thì nĩ sẽ bị bứt ra ngồi và đĩ chính là điện tử Auger (4b) (Hình 1.3) Tia X Điện tử (4b) (1) Chùm điện tử (1) Chum dién kich thich tử kích
Hình 1.3 Sự tạo thành điện tử Auger
Sơ đồ mức (Hình 1.4) giúp chúng ta dễ hình dung hơn sự tạo thành phố
AES Trên hình đã mơ hình hĩa sự tạo thành phổ điện tử AES ở lớp L do sự
Trang 15khác nhau sẽ cĩ cơng thốt khác nhau, các nguyên tử khác nhau sẽ cĩ cơng thốt ở cùng một mức là khác nhau Các thơng tin này sẽ giúp ta biết được thành phần cấu tạo của mẫu thơng qua phốAES được tạo ra khi bắn chùm
điện tử vào mẫu vì vậy thiết bị cấu tạo của AES cũng cĩ nhiều đặc điểm giống kính hiện vi TEM và SEM Điện tử được tạo ra sẽ được gia tốc và được
điều khiển thơng qua hệ thống thấu kính từ, chùm điển tử sẽ bắn vào mẫu
Khi chùm điện tử vào mẫu sẽ sinh ra các hiện tượng như sinh ra chùm điện tử thứ cấp, chùm điện tử truyền qua, chùm điện tử phản xạ ngược lại, hoặc sinh Điện tử Auger A 3p M, 3s M (4b) (3) 2pl; © © (3) 2pL; Ì Tiax „“a | (1) 1 Chùmđiện SỐ (1) 1sK `7 (2) (2) Hình 1.4 So do mic
Dién tir kich thich
Trang 16ra tia X và xuất hiện chùm điện tử Auger Tia X va dién tt Auger cho tuong phản hình dạng và tương phản thành phần (Hình I.5)
1.1.5 Phương pháp langevin
Ta thấy vật liệu từ được chia làm 3 loại [2]: Vật liệu nghịch từ, vật liệu
thuận từ, vật liệu sắt từ dựa trên cấu trúc vi mơ vật liệu nghịch từ là loại vật liệu khơng cĩ mơ men từ nguyên tử (mơ men từ nguyên tử bằng 0) Hai loại
vật liệu từ cịn lại cĩ mơ men tử nguyên tử khác khơng, nhưng trong vật liệu
thuận từ khơng cĩ trật tự từ, tức là các mơ men từ nguyên tử xắp xếp hỗn
loạn; cịn trong vật liệu sắt từ cĩ tồn tại trật tự từ Trong vật liệu thuận từ, các
nguyên tử cĩ mơ men tử khác khơng nhưng do khơng cĩ tương tác trao đối giữa các mơ men từ này nên chúng định hướng hỗn loạn dưới tác động của
năng lượng nhiệt Như vậy thuận từ cĩ bán chất vi mơ cĩ nhiều lý thuyết về
thuận từ trong đĩ lý thuyết Langevin khác với vật liệu thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đối (coupling interaction) giữa các mơ 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 di hướng tử (yếu tố 'ghim' mơ men từ của hạt theo 1
phương - phương dễ từ hố) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm mơ men từ
của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hố), tức là
K(V)< K,T (1)
thì các véc to từ độ của các hạt sắt từ khơng bị “ghimˆnữa mà cĩ thé quay tự do, định hướng một cách ngẫu nhiên Lúc đĩ hệ tương đương với một hệ
thuận từ và được gọi là hệ siéu thuan tt (superparamagnetic system) Nhu vay
siêu thuận từ là một hiện tượng vĩ mơ, đây điểm khác biệt quan trọng giữa
hiện tượng thuận từ và siêu thuận từ
Tính chất siêu thuận từ đã được quan sát thấy trong các hệ vật liệu Cu-
Trang 17Trước hết ta phải nhìn lại lý thuyết cỗ điển Langervin về thuận từ Langervin (1905) đã xét một hệ gồm N nguyên tử, mỗi nguyên tử cĩ moment từ ụ đặt đủ xa nhau để khơng tương tác với nhau Ta đã biết, độ từ hĩa M của
hệ và năng lượng tự do E cĩ mối liên hệ với nhau bởi cơng thức: OF =F 1.2 M=—— (1.2) Với F= - Nhẹ TlnZ (3) x EL
Với thơng kê Z cĩ giá tri: z=ze “i (1.4)
Thế năng U của mỗi nguyên tử trong từ trường H được xác định bởi
cơng thức: U =-¿uH = —uH cos9 (1.5)
Với 9 là gĩc giữa phương L và H
Muốn sử dụng cơng thức (1.4) dé tính Z thi ngồi việc thay U từ cơng thức (1.5) ta thay dấu Ð bằng dấu ƒ vì trong mơ hình cổ điển, momen từ cĩ
định hướng bất kỳ và 6,0 cĩ thé biến đổi liên tục Ta được:
Trang 18oH ~ tư (1.10) Nén: M=NuL@_ (1.11) Voi L&> cha~ (1.12)
L(a được gọi là ham Langevin) va dugc biéu dién
Khi a—› œ, ctha— 1, va 1/a— 0, nén L(a)— 1 Nhu vay khi a rất lớn, ham langevin tién can gid tri L(a) = 1
Khi a « 1, ctha ~ I/a + a/3 va L(a) = a/3 Nhu vay khi a rất nhỏ, hàm langervin là một đường thẳng tạo một gĩc y với trục hồnh
dL 1
¬" 1.13
HR "3 03)
Do thí nhiệm được làm tại nhiệt độ phịng tại từ trường thơng thường
Trang 19Và do đĩ độ cảm từ là:
M_ Nu?
yas
H 3k,T (1.15)
Khi nghiên cứu hiệu ứng GMR trong các hợp kim dị thể về mặt từ dang
hạt người ta nhận 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 sắt từ khi nghiên
cứu hiệu ứng GMR Cĩ nhiều phương pháp cĩ 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 hố thực nghiệm với các đường cong từ hố lý thuyết M = M(H) với các kích thước hạt D khác nhau dựa trên lý thuyết Langevin về thuận từ 1.2 Vật liệu thuận từ và vật liệu siêu thuận từ
1.2.1 Vật liệu thuận từ
Chất thuận từ là những chất mà nguyên tử của chúng cĩ các điện tử khơng tạo cặp, tức là cĩ những momen từ (spin) khơng triệt tiêu nhau Nĩi cách khác, trong chất thuận từ tồn tại các phân lớp mà ở đĩ điện tử khơng
điền đầy (phân lớp 3d, 4f),cac số lượng tử L S và J cĩ thể khác khơng làm
cho momen tử nguyên tử khác khơng: /, =8 (20 + Khi khơng cĩ từ
m
trường ngồi, H=0, các momen từ nguyên tử của chất thuận từ khơng song song nhau, vì vậy mặc dù z„ z0, nhưng tổng của chúng bằng khơng Su, =0 Vậy người ta nĩi khơng cĩ trật tự từ trong chat thuận từ
Trang 20momen từ của chất thuận từ và từ trường H làm cho chúng sắp xếp lại song
song nhau tạo ra bão hịa từ (Hình 1.12b)
Curie đã đưa ra biểu thức thể hiện sự phụ thuộc của từ cảm chất thuận từ vào nhiệt độ: Le Cc T (1.16) Với C là hằng số Curier ị Momen từ của ị - l nguyên tử (b)H# 0 (~10°°A/m)
Hình 1.12 Cách sắp xếp momen từ nguyên tử trong chất thuận từ khi khơng cĩ từ trường ngồi (a) và khi cĩ từ trường ngồi (b)
Định luật Curie do Pierre Curie phát hiện bằng thực nghiệm Nhưng
cho đến mười năm sau, Langevin mới đưa ra lý thuyết thống kê giải thích định luật Curie Cơ sở lý thuyết thuận từ Langevin là giả thiết cho rằng trong chất thuận từ các nguyên tử mang momen từ khơng tương tác với nhau và chỉ tương tác với từ trường ngồi H Vì vậy, khi H = 0, các momen từ của các hạt (nguyên tử hay phân tử) định hướng ngẫu nhiên và triệt tiêu nhau, khơng tồn tại trật tự từ (năng lượng phá vỡ trật tự từ)
Trang 21Đối với các hạt sắt từ (ferit và feri từ) cĩ kích thước đủ nhỏ để tạo thành cấu trúc đơn đomen và tại một nhiệt độ đủ lớn nào đĩ (thấp hơn đáng kế
nhiệt độ Curie) thì trong quá trình từ hĩa, các hạt sắt từ đơn đomen đĩ thể hiện các đặc điểm giống chất thuận từ thơng thường như khĩ bão hịa từ, khơng thấy hiện tượng trễ (lực kháng từ bằng khơng) và chuyên pha sắt từ thành thuận từ tại nhiệt độ Curie khi mà năng lượng nhiệt lớn hơn năng lượng tương tác trao đơi giữa các spin Hiện tượng đĩ gọi là siêu thuận từ - SPM (Super Para Magnetism) Trong chất thuận từ mỗi momen từ nguyên tử cĩ giá trị cỡ vài magneton Bohr và ta coi đĩ là một spin nguyên tử, trong quá trình từ hĩa các “đơn spin” đĩ xoay và dần song song nhau Các hạt sắt từ, giả sử cĩ đường kính 5nm chứa khoảng 5 nghìn nguyên tử và vì vậy cĩ momen từ khoảng 10 nghìn magneton Bolr (đối với sắt: 5000x2,2/„) Do tương tác trao đối giữa các spin trong hạt (vì đây là hạt sắt từ), các spin của 5 nghìn nguyên tử đĩ song song nhau và tạo ra momen từ của hạt Tuy nhiên, momen từ của mỗi hạt lại ít tương tác nhau và vì vậy chúng khơng song song nhau Khi đĩ mỗi hạt đĩng vai trị như một nguyên tử trong chất thuận từ thơng
thường, vì vậy siêu thuận từ là thuận từ của các spin siêu lớn (mơ hình siêu
spin)
Để giải thích tại sao các siêu spin lại khơng tương tác với nhau và khơng song song nhau ta gọi K là năng lượng dị hướng từ và thê tích của hạt sắt từ nano thì V là năng lượng dị hướng của mỗi hat 1A Ex = KV Do V nhỏ nên E cũng nhỏ Năng lượng dị hướng bắt các spin phải hướng theo trục dễ, vì khi đĩ Eg=Ksin?9 nhỏ (Ø: gĩc giữa phương dễ - trục dài của hạt và vecto momen từ) Do cĩ thăng giáng nhiệt, năng lượng nhiệt Er cĩ thể lớn hơn năng lượng dị hướng: Er > Ex vì vậy năng lượng nhiệt cĩ thể phá vỡ định hướng theo phương dễ của các siêu spin, tức là các siêu spin cĩ thể hướng theo
Trang 22vì vậy chúng từ hĩa theo cùng một cơ chế Hiện tượng từ trễ khơng tồn tại do khơng cĩ quá trình dịch vách (hạt đơn đomen) và khơng cĩ quá trình xoay vectơ từ độ liên quan đến phương tỉnh thê (hai yếu tơ này tạo ra hiện tượng từ trễ trong chat sat tir) va hé qua 1a Hc = 0
Mơ hình hạt sắt từ nano, thé tích V:
Sự cạnh tranh về mặt năng lượng đị hướng KV (dị hướng tỉnh thể, dị hướng hình dạng ) và năng lượng nhiệt kT làm cho vectơ mơmen từ M của
các hạt sắt từ khơng nhất thiết phải theo hướng phương dễ (trục đài)
Khi H =0 và tại nhiệt độ đủ thấp, KV > kT, M hướng theo phương dễ với một giá trị V nhất định (bảo đảm cấu trúc đơn đomen, thường dưới 50 nm), nhiệt độ mà ở đĩ KV = kT gọi là nhiệt độ blocking, tức nhiệt độ tới hạn
mà thấp hơn nhiệt độ đĩ tính siêu thuận từ mất đi do năng lượng dị hướng lớn hơn năng lượng nhiệt (hoặc tính sắt từ xuất hiện):
Tp = KV/k (1.17)
Khi nhiệt độ cao hơn Tp, kT > KV, momen từ lệch khỏi phương dễ và
phân bồ theo các phương ngẫu nhiên Tuy nhiên quá trình đĩ cần cĩ thời gian để các spin cĩ thé thay déi chiều, khoảng thời gian giữa hai lần đổi chiều của
spin gọi là thời gian hồi phục Neel z„ Giả sử rằng mẫu được từ hĩa bởi từ trường H đến giá trị giáng nhiệt và kết quả là từ độ giảm
Tốc độ suy giảm từ độ đM/dt bằng từ độ ban đầu nhân với xác suất tồn
tại các hạt cĩ năng lượng nhiệt đủ lớn để vượt qua rào thế KV (chuyển sang
trạng thái siêu thuận từ) Theo lý thuyết thống kê xác suất đĩ bằng tác nhân
Boltzmann exp(-KV/kT) Vi vay c6 thé viét: dM/dT = -M.fyexp(-KV/kT),
Trang 23loại vật liệu
Thời gian giữa 2 lần đảo spin tức là thời gian hồi phục Neel z„ được
xác định bằng phương trình Neel — Arrhenius:
ry =ryew( 2)- 1 (1.18)
—KV fo ©xpC
Thời gian hồi phục Neel z„ phụ thuộc đồng thời vào thể tích V và nhiệt
độ T, cả hai đều nằm trong mũ của e, vì vậy z„ thay đơi rất mạnh khi V và T thay đổi r„ cĩ thể cĩ giá trị từ cỡ ns (107 s) đến Gs (10” s — vài chục năm)
Thay đổi thể tích hạt sắt từ V và nhiệt độ T, thời gian hồi phục sẽ thay đổi rat mạnh Tốc độ suy giảm từ độ đM/dt = - M/fgexp (-KV/KT) = - M/z„ Từ đĩ ta cĩ: dM/M = -dU/z„ M t Va: (at dt M, M of inv £5 u,-me" M, + (1.19)
Khi t=r„ thì Mạ = M/e Vậy thời gian hồi phục Neel chính là thời gian đủ để các spin thay đối chiều (đo thăng giáng nhiệt) và làm cho từ dư (Mặạ tại
t=z) giảm e lần (~37% so với giá trị đã được từ hĩa tại thời điểm ban đầu
(=0)
Trang 24Khi năng lượng dị hướng KV gấp 25 lần năng lượng nhiệt kT thì trạng thái sắt từ sẽ được giữ nguyên vẹn trong thời gian 100s (tại nhiệt độ T) Cần
chú ý rằng cơng thức (1.19) chứa cả V và T, vì vậy nếu cho một đại lượng cố định, thí dụ T = 293K, cĩ thể tính được thể tích V mà với thê tích đĩ xảy ra hiện tượng siêu thuận từ (trong 100s và tại nhiệt độ T) và từ đĩ tính được đường kính của hạt sắt từ D: V= 25kT/K (V~ DẺ = f(T)) Biết T (293K, 20°C)
và hằng số dị hướng tinh thể K(của Cobalt), tính được D = 76 A° (7.6 nm)
Nếu chọn thời gian hồi phục là 100s và đối với hạt sắt từ cĩ kích thước cố
định D, cĩ thé tính được nhiệt độ blocking Tp = KV/25k [2]
Hình 1.16 [2] là sơ đồ cho thấy sự phụ thuộc kích thước hạt vào nhiệt độ T (A) T(s) 76 | N oe T= (T) 1 | (khi D=76 0 100 200 300 400 500 600K
Hình 1.16 Sơ đồ xác định điều kiện tốn tại trạng thái siêu thuận từ Đường I: D(T) là kích thước hạt tới hạn (sắt từ-> siêu thuận từ) phụ
thuộc vào nhiệt độ T tính cho trường hợp z = 100s, khi giảm (hoặc tăng) nhiệt
Trang 25Đường 2: Thời gian hồi phục phụ thuộc vào nhiệt độ T đối với hạt Co (cĩ hằng số dị hướng K xác định) cĩ kích thước 76 A° Với một kích thước hạt siêu thuận từ hạt D nhất định, nhiệt độ càng cao, thời gian hồi phục càng
nhỏ
Xét ảnh hưởng của từ trường H lên hệ siêu thuận từ Trước tiên, hạt từ được từ hĩa theo phương dễ (trục +Z) Sau đĩ đặt một từ trường H vào hệ các
hạt siêu thuận từ theo phương —Z (Hình 1.17) [2] Khi đĩ vecto Ms lệch khỏi
phương ban đầu và chiếm một vị trí trung gian được xác định bởi các gĩc #
và Ø Năng lượng tương tác giữa các hạt từ và từ trường H gồm năng lượng dị hướng và năng lượng từ:
E =V(K sin’ 0— HM, cos(180° —@) = V(K sin*@+ HM, cosO@) (1.20)
+2
Ms
HY Z
Hình 1.17 Hạt sắt từ trong từ trường H, Z-Z phương dễ, Ms — vecto từ độ
Từ biểu thức (1.20) cĩ thể tính độ chênh lệch giữa năng lượng cực đại và cực tiêu của hạt cĩ thê tích V khi đặt một từ trường H lên hệ:
AE=KV{1—HM,/2K}? (1.21)
Năng lượng AE nay được quan niệm là hàng rào năng lượng cần vượt qua để vecto từ độ Ms cĩ thể rời phương đễ +Z quay theo từ trường H vào phương dễ -Z Như trên đã nĩi, theo (Hình 1.16), khi khơng cĩ từ trường
Trang 26Dey, tồn tại trạng thái sắt tir (Ferro Magnetism — FM) vi nang luong nhiét
khơng đủ đề làm thay đổi phương của Mẹ (tức Mẹ hướng theo phương để) (vì khi D > Dc¿, AE= KV >25 KT) Tuy nhiên khi cĩ từ trường, giả sử H = Hịz
0, theo biểu thức (1.22), AE giam va cé thé bang AE = 25 kT ngay ca voi D>
Dc¿, khi đĩ xảy ra sự thay déi phương của Ms khỏi phương dễ và hướng theo một phương ngẫu nhiên, tức là xác lập trạng thái thuan tr (Para Magnetism — PM) Từ trường H; là từ trường làm Ms thốt khỏi phương dễ, vượt qua hàng rào năng lượng đề hướng theo phương H, vì vậy Hị được coi là lực kháng từ Hc (Hc cũng gọi là trường dị hướng, từ trường đề đảo phương Mạ)
AE= KV{1 —HMs/2K}? = KV{1 — HcMg/2K}? = 25kT (1.22)
(hệ số 25 trong biểu thức 1.22 xuất hiện liên quan đến điều kiện để trạng thái FM tổn tại trong 100s, khi mà năng lượng dị hướng E„ > 25kT)
Từ phương trình (1.22) tìm được:
2K 25kT.,
He = 8 (1.23)
Trong biểu thức trên cĩ thể thấy rằng khi V lớn, số hạng thứ hai trong ngoặc bằng khơng, khi đĩ Hẹ = 2K/M; (chính là trường dị hướng, từ trường cần để xoay Ms từ phương dễ về phương khĩ và vai trị thăng giáng nhiệt
khơng cịn, trạng thái EM) Khi V rất nhỏ và tại nhiệt độ phịng, SỐ hạng thứ hai cĩ thể sắp xỉ 1 và Hẹ 0, tính siêu thuận từ của hệ hạt nano trở nên rõ
rang (đặc điểm của siêu thuận từ là khơng cĩ từ tré vi vay Hc = 0)
Tại nhiệt độ gần 0K, các hạt cĩ kích thước V bất kỳ đều tồn tại tính sắt từ Hc(0) z 0 Tại nhiệt độ nhất định T, cĩ một kích thước tới hạn Vạ„¡, mà V >
Vou; FM (He z 0) và V< Vẹ„; PM
Trang 27Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Tiếng anh: Giant Magneto Resistance
viết tắt là GMR) Hiệu ứng GMR cĩ được là do sự tán xạ trên spin của các
phần tử mang từ tính (như các lớp sắt từ trong màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) cĩ sự định hướng khác nhau về mơmen từ (do tác động của từ trường ngồi) sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đĩ làm thay đơi điện trở của vật rắn làm xuất
hiện hiệu ứng GMR
Cụ thể khi một vật dẫn điện được đặt trong điện trường, các điện từ ở gần mức Fermi cĩ thể thay đổi momen động lượng, thay đổi phương chuyển
động là cĩ thể tham gia quá trình dẫn điện Vì vậy, độ dẫn điện ư phụ thuộc vào mật độ trạng thái tại mức Fermi D(F) (Số lượng điện tử tại mức Fermi):
õ~ DŒ) các điện tử lại cĩ Spin và chúng cĩ hai định hướng để tuân theo
nguyên lý loại trừ Do vậy Mott đã đề xuất mơ hình hai kênh dẫn điện do hai
loại spin (spin va spin’ ) tạo ra Gọi độ dẫn điện tổng cộng là ø;, khi đĩ cĩ: ø; =ơy +ơ,, trong đĩ ơ; và ơ, là độ dẫn do spin† và spink tạo ra Đối với các kim loại phi từ như Cu, Ag số lượng các spin† và spinl là như nhau, hai kênh dẫn điện như nhau hay nĩi cách khác điện trở của hai kênh dẫn bằng nhau &; =,+R, Đối với các kim loại từ tính, tương tác trao đối làm cho năng lượng của các điện tử cĩ spin† và spinj thay đổi, số lượng các spin khác chiều khơng bằng nhau, spinl z spin†, hay nĩi cách khác trong kim loại từ hình thành hai dải spin khơng cân bằng Sự mất cân bằng spin tạo ra
momen từ, đồng thời tạo ra mat can bang hạt tải điện Do độ dẫn điện ơ tỉ lệ với mật độ trạng thái tại mức Fermi cho nên độ dẫn điện của hai kênh dẫn cĩ
thể khác nhau: ø †~ p(1)#ø Ì~ pựŒ })
Trang 281.19) Trước hết ta khơng đơn giản xem dịng điện chỉ là dịng các điện tử mà cần phân biệt thêm cĩ hai loại điện tử: Điện tử spin hướng lên (spin up - spin†) và spin hướng xuống (spin down - spin|) Vật dẫn phi từ Cu chẳng hạn, các nguyên tử Cu cĩ điện tử lấp đầy đủ các mức năng lượng từ trong ra
ngồi: 1s”2s”2p” 3s” 3p” 3d'” 4s! Rõ ràng là lớp 3d lấp đầy đủ 10 điện tử rồi
mới chuyên sang 4s Nguyên tử Cu khơng cĩ momen từ, Cu là vật liệu phi từ, số điện tử spin hướng lên bằng số điện tử spin hướng xuống Nhưng ở vật liệu từ như Ni chẳng hạn, ít hơn Cu một điện tử, nhưng điện tử chưa lap day 3d da chuyén sang lap day 4s, cau hinh điện tử là Is' 2s” 2p” 3s” 3p” 3dŸ 4s”
e eo e e-— | Hat sat tir; Co, Fe, Ni,
e e®@ e (Fes - eo TÊN NiCo, FeCo oe * ee si 2 e Nền kim loại phi từ: Cu, ÂU¿.Äg; Hình 1.18 Sơ đơ mình họa cầu trúc dang hạt của màng mỏng đơn lớp[ 1] seo e ° @ ° @ | Hạt sắt tir, Co, Fe, Ni, ® @ NiCo, FeCo, ® 8 oe ot 2 we Nền kim loại phi từ: Cu, ® e ,9 99 @G ® mm
Hình 1.19 Sơ đỗ minh họa cấu trúc dang hat của vật liệu khối [1]
Kết qủa là nguyên tử Ni cĩ mơmen từ riêng, cĩ sự trao đổi qua lại giữa 3d và 4s tạo ra sự lai hĩa, số điện tử cĩ spin hướng lên nhiều hơn số điện tử
cĩ spin hướng xuống [1]
Trang 29Khi nghiên cứu vật liệu nano dạng hạt, gồm các hạt kim loại trong nền
kim loại khác khơng hịa tan, chẳng hạn Co trong nền Cu Ở đây thuật ngữ hạt
liên quan các hạt kim loại nhỏ rắn cỡ nano mét (10° - 10° nguyên tử) Trong vật liệu nano dạng hạt, các vấn đề then chốt quyết định đến các tính chất vật
lý của vật liệu thơng qua các yếu tố như tý phần thể tích của các hạt x, (ty sé
thể tích của các hạt và thế tích tồn khối vật liệu) và kích thước của các hạt (2n)
Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia thành 2 loại: loại thứ nhất gồm các hạt kim loại trong nề vật liệu điện mơi như S¡O; và Al;Os, vật liệu này đã
được biết đến từ năm 1970; loại thứ hai gồm các hạt kim loại từ kích thước
nano mét trong nền kim loại phi từ, đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây, đĩ là vật liệu GMR, ví dụ như hệ Co - Cu
Vật liệu nano dạng hạt nĩi chung và trong vật liệu từ dạng hạt nĩi
riêng, hai yếu tố x, và 2r thường được cho là những nhân tổ gây ảnh hưởng
đến tính chất vật lý của vật liệu, giá trị của x, thay đổi từ 0 đến 1 [13] Hình
1.19 cho thấy sự thay đổi cấu trúc của vật liệu rắn dạng hạt với sự thay đổi x,
Với các vật liệu rắn kim loại dạng hạt, người ta cĩn đưa ra khái niệm tỷ phần thể tích của phần vật liệu xen kẽ giữa các hạt từ Các hạt cĩ hình dạng hạt cầu,
Trang 30Sx - (1.25) Khoảng cách trung bình giữa các hạt d (tính từ tâm hạt này đến tâm hạt Ys 16 kia): d “[#] r (1.26) Xx, v
Nếu vậy ta giải thich cho x, = 0,25 thì ở = 4z; khoảng khơng gian
trung bình giữa các hạt bằng kích thước của một hạt
Các đại lượng này liên quan đến tính chất từ và tỷ số GMR Nếu mà
các hạt phân bố một cách ngẫu nhiên thì tỷ phần diện tích bề mặt kim loại (x„
) coi tương tự như tỷ phần thể tích (x,) Nĩ cũng cho thấy:
Xqg=X, (1.27)
Đây là các thơng số mà các tính chat vật lý, tỷ số GMR của vật liệu từ
đều liên quan, sự thay đối của các thơng số này dẫn đến sự thay đổi tỷ số GMR
1.2.5 Cấu trúc đơn đơmen
Vật liệu từ dạng hạt với các hạt từ cĩ thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt từ cĩ một
trục từ Khi khơng cĩ từ trường ngồi các hạt từ được sắp xếp một cách ngẫu nhiên và cĩ 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 cĩ từ trường ngồi khác khơng các trục từ quay theo chiều của từ trường ngồi Như vậy từ độ của mẫu (M) bằng tổng từ độ của các hạt đơn đơmen:
(M.H)
Trang 31Với 9 là gĩc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngồi, Mla tir độ bão hịa, là từ trường ngồi, (cosØ) là giá trị trung bình lấy trên
tồn bộ các hạt sắt từ Khi đĩ đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể hiện
quá trình quay trục từ của các hạt đơn đơmen Trong đĩ các kích thước và sự
điều khiển của cá đơmen đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường ngồi Đường cong từ trễ của vật liệu dạng hạt ở nhiệt độ thấp 5K (hình 1.20) Khi
mẫu bắt đầu từ hĩa voi M = 0 6 ti trường ngồi #7 = 0, trục từ của các hạt từ định hướng ngẫu nhiên, giá trị này bằng tơng dị hướng từ của các hạt từ
Hình 1.20 Đường cong từ trễ đo ở 5K của vật liệu cĩ cấu trúc dang hat [9]
Hướng của các mơmen từ định hướng ngẫu nhiên và ở trạng thái tĩnh
khi nhiệt độ thấp Khi từ độ đạt đến giá trị bão hịa (M = M,) với từ trường
ngồi đủ lớn, lúc đĩ tất cả các momen từ được định hướng theo chiều của từ trường ngồi Nếu từ trường ngồi ! giảm tới H = 0, khi đĩ giá trị của từ dư M, = M,/2 6 nhiét d6 thấp 5K, bởi vì các trục từ chỉ quay trong phạm vi một
nửa bán cầu theo trục dị hướng của hạt đơn đơmen
Trong vật liệu từ điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ trong hệ
Trang 32dầy các lớp sắt từ phải đủ nhỏ, kích thước các hạt sắt từ phải nhỏ hơn giá trị
tới hạn nào đĩ) Nguyên nhân của điều này là :
- Thứ nhất, bề dày các lớp từ hoặc kích thước các hạt từ phải nhỏ hơn
quãng đường tự do trung bình của điện tử để quá trình chuyên động của điện tử dẫn qua các lớp từ hoặc qua các hạt từ cĩ thể coi là bảo tồn spin
- Thứ hai, khi các hạt sắt từ hoặc các lớp từ khơng cịn đơn đơmen, tương tác của điện tử dẫn với các mơmen từ phân bố khác nhau trong hạt từ
hoặc lớp từ sẽ tạo điều kiện cho hai kênh điện tử dẫn trộn lẫn 1.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR
Hiệu ứng GMR phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt, quãng đường tự do
trung bình của điện tử, do đĩ phụ thuộc mạnh vào chế độ xử lý nhiệt Người ta chỉ ra rằng, nĩi chung, 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 chỉ 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 đĩ giảm mạnh khi tăng nhiệt độ ủ [10], [11]
T¡ số GMR giảm khi tăng nhiệt độ đo:
Nhiệt độ T tăng làm xuất hiện thêm thành phần tán xạ khác như tán xạ
khơng đàn hồi trên phonons, magnons, làm giảm quãng đường tự đo trung bình của điện tử, dẫn đến làm giảm hiệu ứng GMR
Hệ số bất đối xứng spin œ trong các quá trình tán xạ khi nhiệt độ cao khác œ trong các quá trình tán xạ đàn hồi trên bề mặt, sai hỏng, tạp chất ở
Trang 33xạ khơng đàn hồi làm tăng Aø và p đồng thời, trong khi sự xuất hiện của
thành phần khơng phụ thuộc spin của các tán xạ khơng đàn hồi chỉ làm tăng
p
Nhiệt độ làm tăng tán xạ lật spin điện tử - magnon nguyên nhân gây ra
hiện tượng trộn hai kênh dẫn tăng lên, do đĩ làm giảm tỉ số GMR
Ngồi ra tỉ số GMR phụ thuộc vào cáu hình đo: cấu hình dịng vuơng
gĩc với mặt phẳng (CPP - Curent Perpendicular to the Planes) và cấu hình
dịng 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, nĩi chung, tỉ số GMR cao hơn trong cấu hình CPP Chỉ tiết về ảnh hưởng của cấu hình đo và tính tốn tỉ số GMR cho từng trường hợp cĩ thé tìm thấy trong [12]
Đặc điểm của hiện tượng GMR trong hệ hạt là tính đẳng hướng trong
các cấu hình đo Hệ đa lớp thể hiện tinh dị hướng của hiện tượng GMR: tỉ số
khác nhau trong các cấu hình đo khác nhau Nguyên nhân cho tính đăng hướng của hiện tượng GMR trong hệ hạt được giải thích như sau: các hạt từ cĩ kích thước cỡ nano, nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hình học của mẫu (chiều dày màng mỏng); các hạt từ cĩ 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 Cĩ thể giải thích rằng vì chiều dày màng mỏng rất
nhỏ so với hai chiều kia nên khi tạo thành, các hạt từ cĩ xu hướng dẹt theo
Trang 34CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.1 Chế tạo mẫu
2.1.1 Nấu phối trộn
Trong quá trình làm thực nghiệm, chúng tơi dùng các nguyên tố Fe, Cu, Co cĩ độ sạch cao (trên 99,9%) để chế tạo nên hợp kim Các nguyên tố này sau khi được cân đúng hợp phần theo nồng độ phần trăm nguyên tử sẽ được nấu bằng lị hồ quang trong mơi trường khí Ar Trong quá trình nấu các nguyên tố nĩng chảy hồn tồn và hịa trộn với nhau thành hợp kim đồng nhất Các nguyên tổ trong khi nấu sẽ bốc hơi với tốc độ khác nhau nên tùy theo sự bay hơi của mỗi chất mà ta sẽ bù thêm một lượng thích hợp vào phần
Trang 35
Hình 2.2 a, Hệ nắu hồ quang: I Bơm hút chân khơng, 2 Buơng nắu
mẫu,3 Bình khí Ar, 4 Tủ điều khiển, 5 Nguơn điện;b, Ảnh bên trong bung nấu: 6 Điện cực, 7 Nồi nấu, 8 Cần lật mẫu
Tồn bộ quá trình nấu hợp kim được thực hiện trong mơi trường khí trơ
Ar để tránh sự oxy hĩa Qui trình chế tạo các mẫu hợp kim tuân theo các bước như sơ đồ hình 2.3 Làm sạch lị, sắp xếp kim loại vào lị
Hình 2.3 Sơ đồ các bước nấu hợp kim
Cách tiến hành đối với mỗi bước cụ thể như sau: Tạo mơi trường khí
Trang 36Trước và sau mỗi lần nấu, lị hồ quang được làm sạch Việc làm sạch
đám bảo trong lị khơng cịn các mảnh kim loại hoặc hợp kim trong mẻ nấu
trước tồn lại Khơng cịn bụi, muội của hơi kim loại bám trên lị Sau mỗi mẻ nấu, tháo đầu của điện cực hồ quang để làm sạch và mài nhọn, điều đĩ giúp
cho việc tập trung tia hồ quang
Sau khi làm sạch lị, đặt viên Titan vào một nồi trong lị, xếp kim loại
của hợp kim cần nấu vào các nồi khác Khơng nấu các hợp kim khác nhau trong cùng một mẻ nấu
Sau khi xếp kim loại vào lị, đậy nắp lị và siết chặt đai ốc cla nap lị b Tạo mơi trường khí trơ cho lị nấu
Quá trình này được chia làm hai bước:
Bước 1: Mo hé théng nước làm mát, bật nguồn điện cho hệ bơm chân khơng
Hệ bơm chân khơng gồm bơm sơ cấp (bơm cơ học) và bơm thứ cấp
(bơm dầu) Nguyên tắc hoạt động của bơm dầu dựa trên cơ sở sự bay hơi của
dầu cuốn theo các phân tử khí vì vậy trong khi hoạt động bơm thứ cấp toả nhiệt mạnh Để làm mát cho bơm người ta cho một dịng nước chảy qua vỏ bơm trong quá trình bơm hoạt động Vì bơm hoạt động cần sự làm nĩng dầu, nên thơng thường cần bật bơm khoảng 15 phút trước khi hút khí
Bước 2: Hút chân khơng buồng tạo mẫu Kiểm tra các van của hệ thống
Bật bơm cơ học, hút chân khơng sơ cấp cho lị nấu, khi áp suất trong lị ~10° Torr, chuyển cần gạt để bơm thứ cấp tiếp tục hút chân khơng cho lị,
Trang 37Đĩng van hút, mở van xả khí Ar vào buồng tạo mẫu, khi áp suất ~ 0,7- 0,8 at thì đĩng van xả khí Ar, sau đĩ lặp lại quá trình hút khí ở trên Thực hiện
hút và xả khí Ar vài lần để tạo mơi trường khí trơ tốt Trong quá trình hút khí
cần siết chặt các đai ốc giữ nắp của lị nấu
Xã khí Ar vào buồng tạo mẫu để chuẩn bị nấu mẫu, để áp suất trong lị nau ~ 1,2 at để tránh sự thâm thấu khơng khí từ bên ngồi trở lại buồng tạo mẫu trong quá trình nấu mẫu
c Nấu hợp kim
Bật nguồn và hệ thống nước làm mát cho hệ nấu hồ quang
Nấu chảy viên Titan Việc nấu viên Tỉ cĩ tác dụng thu và khử các chất khí cĩ thể gây ra quá trình oxi hố Độ sáng của viên Titan phản ánh mơi trường khí trơ trong lị Nếu viên Titan sáng mơi trường khí là tốt, viên Titan
xám mơi trường khí khơng tốt Khi đĩ cần dừng việc nấu hợp kim và hút xả
lại khí trong lị nấu để mơi trường khí tro đạt yêu cầu
Tiến hành nấu mẫu nhiều lần (thường khoảng 5 lần, mỗi lần nấu ~ 1 phút), sau mỗi lần nấu thì lật mẫu đề tạo sự đồng đều cho hợp kim Quá trình nấu khơng thực hiện liên tục mà sau mỗi lần nấu cần cĩ thời gian nghỉ để cho lị nấu khơng quá nĩng
d Lấy hợp kim và bảo quản
Sau khi nấu xong hợp kim, để cho mẫu và lị nguội, hút khí trong lị để mở chốt nắp lị, sau đĩ xả khí để mở lị và lấy mẫu Mẫu được lấy ra và bảo quan cần thận
2.1.2 Chế tạo mẫu băng hợp kim
Trang 38một mơi trường lạnh thu nhanh nhiệt của hợp kim nĩng chảy, do bị làm nguội nhanh hợp kim vẫn giữ nguyên trạng thái cấu trúc như chất lỏng (VĐH)
Phương pháp phơ biến hiện nay là phun hợp kim nĩng chảy lên tang của một trơng đồng quay nhanh, sơ đồ khối được mơ tả trên hình 2.3 Theo đĩ, hợp kim ban đầu được đựng trong ống thạch anh cĩ vịi phun và được nấu chảy bằng dịng cảm ứng cao tần Hợp kim lỏng được nén bởi áp lực của dịng khí trơ (Ar) và chảy qua khe vịi, phun lên mặt trống đồng đang quay Bơm chân khơng ống thạch anh 000 000 Buồng tao mau
Hình 2.3 Sơ đị khĩi hệ phun bang hop kim
Giọt hợp kim lỏng được giàn mỏng và bám trên mặt trống đồng trong khoảng thời gian At, trong khoảng thời gian này nhiệt độ hợp kim giảm từ
nhiệt độ nĩng chảy (~ 1500 K) xuống nhiệt độ phịng tức là AT ~ 10° K Tốc độ nguội được tính bằng cơng thức R = AT/At Tốc độ làm nguội hợp kim
Trang 39Hợp kim cĩ thể được tiếp tục làm nguội bởi khí trong buồng phun và thành
buơng Bằng cách này cĩ thể làm nguội hợp kim nĩng cháy với tốc độ từ 10° K/s dén 10° K/s Néu tốc độ làm nguội lớn, tức là tốc độ quay của trống đồng đủ lớn, các mẫu băng cĩ cấu trúc vơ định hình hồn tồn Nếu tốc độ quay của
trống đồng khơng đủ lớn thì mẫu băng sẽ bị kết tinh một phần hoặc hồn tồn
2.1.3 Xử lý nhiệt
Các mẫu sau khi phun băng thì được lẫy ra, một phần ủ trong I1 giờ với
nhiệt độ ủ 450°C để xem xét ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ nhiệt của hợp kim
Quá trình ủ nhiệt được thực hiện ở lị Tube Furnace 21100 (hình 2.4) với quá trình điều khiển nhiệt độ tự động, tốc độ gia nhiệt tối đa đạt
50°C/phút Sự ủ nhiệt được thực hiện trong mơi trường khí Ar để tránh sự oxi
hố
AKO
Tube Furnace
Hinh 2.4 Lo Tube Furnace 21100
Trong các thí nghiệm, chúng tơi đã sử dụng phương pháp ủ ngắt Mẫu được đưa ngay vào vùng nhiệt độ đã được khảo sát theo yêu cầu và được ủ trong thời gian xác định, sau đĩ được lấy ra và làm nguội nhanh để tránh sự
Trang 40Thực tế, chúng tơi đã thiết kế một ống kim loại cĩ thể hút chân khơng,
các mẫu cần ủ nhiệt được đưa vào ống sau đĩ hút chân khơng và bơm khí Ar
nhiều lần Đưa ống vào lị sao cho vị trí của mẫu ứng với tâm lị, đặt giá trị nhiệt độ cần ủ 450°C Sau một thời gian cần thiết đã xác định thì lấy ống ra và làm nguội bằng khơng khí
2.2 Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ
2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tỉa X
Để phân tích cấu trúc của mẫu chúng tơi dùng phương pháp nhiễu xạ tia X (X ray diffraction - XRD) Nguyên lý của phương pháp như sau:
Xét sự phản xạ của một chùm tia X trên hai mặt phẳng mạng song song và gần nhau nhất với khoảng cách d Tia X cĩ năng lượng cao nên cĩ khả
Hình 2.5 Mơ hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X
năng xuyên sâu vào vật liệu và gây ra phản xạ trên nhiều mặt phẳng mạng
tỉnh thể ở sâu phía dưới Từ hình 2.5 ta thấy hiệu quang trình giữa hai tia phản