Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng (GMR) trong hợp chất CoAg bằng công nghệ bốc bay nổ

Lê Thị Liệu -1- K31D Vật Lý Lời cảm ơn Lời cảm ơnLời cảm ơn Lời cảm ơn Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy Th.s. Nguyễn Hữu Tình giảng viên khoa Vật lý trờng ĐH s phạm Hà Nội 2 đ tận tình hớng dẫn và giúp đỡ tôi trong khoảng thời gian học tập và hoàn thành khóa luận. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tổ chất rắn khoa Vật lý trờng ĐH s phạm Hà Nội II đ giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện hết sức cho tôi trong thời gian hoàn thành khóa luận. Cuối cùng tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn tới các bạn và ngời thân đ giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận. Hà Nội, tháng 4 năm 2009 Lê Thị Liệu Lê Thị Liệu -2- K31D Vật Lý Lời cam đoan Lời cam đoanLời cam đoan Lời cam đoan Tên tôi là: Lê Thị Liệu Sinh viên lớp K31D khoa Vật lý - Trờng Đại học S phạm Hà Nội 2 Xin cam kết đề tài Tìm hiểu công nghệ bốc bay nổ để ứng dụng chế tạo hợp chất CoAg có tính chất từ điện trở khổng lồ. 1. Là đề tài do bản thân tôi nghiên cứu với sự hớng dẫn của Th.s Nguyễn Hữu Tình giảng viên khoa vật lý- Trờng đại học s phạm Hà Nội 2. 2. Đề tài không sao chép ở bất cứ một tài liệu sẵn có nào. 3. Kết quả nghiên cứu không trùng hợp với tác giả khác. Nếu những gì tôi viết ở trên không đúng sự thật tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, tháng 5 năm 2009 Ngời cam đoan Lê Thị Liệu Lê Thị LiệuLê Thị Liệu Lê Thị Liệu Lê Thị Liệu -3- K31D Vật Lý Mục lục Mở đầu 4 Nội dung 7 Chơng 1: Tổng quan 7 1.1. Đôi nét lịch sử về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) 7 1.2. Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR 8 1.2.1. Mô hình hai dòng Mott 8 1.2.2. Một số mô hình đơn giản giải thích hiệu ứng GMR 10 1.2.3.Giải thích hiện tợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt 14 1.3. Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng hạt 15 Chơng 2: Thực nghiệm 19 2.1. Công nghệ chế tạo mẫu bằng công nghệ bốc bay nổ 19 2.2. Phơng pháp nhiễu xạ tia X-XRD 21 2.3. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung 23 2.4. Phơng pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR 24 Chơng 3: Kết quả 26 3.1. Kết quả nhiễm xạ tia X 26 3.2. Kết quả nghiên cứu tính chất từ 27 3.3. Kết quả đo từ trở khổng lồ 28 3.4. Kết quả xác định hàm phân bố tỷ phần kích thớc hạt Co 30 Kết luận 33 Tài liệu tham khảo 34 Lª ThÞ LiÖu -4- K31D VËt Lý MỞ ðẦU I. LÝ DO CHỌN ðỀ TÀI Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại ñây, nhiều hiện tượng và tính chất vật lý mới ñã ñược khám phá và ñược nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các hệ từ có các ñặc trưng kích thước giới hạn. Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là: Hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (GMR) trong các màng mỏng từ ña lớp hay trong các siêu mạng từ gồm các lớp kim loại sắt từ xen kẽ các lớp kim loại phi từ và hiệu ứng GMR trong các hệ từ dạng hạt bao gồm các hạt kim loại sắt từ nằm trên nền kim loại phi từ. Hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (GMR) là hiệu ứng gây ra sự thay ñổi mạnh ñiện trở suất của vật liệu do ảnh hưởng của từ trường ngoài (khoảng vài chục phần trăm), lớn hơn nhiều so với hiệu ứng từ ñiện trở thông thường (khoảng vài phần ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới, dựa trên hiện tượng sự tán xạ phụ thuộc spin của ñiện tử dẫn. Chính vì vậy mà nó trở thành một chủ ñề nổi bật trong vật lý cũng như trong khoa học và kỹ thuật vật liệu. Từ các công trình nghiên cứu liên quan ñến hiệu ứng GMR ở trong nước và nước ngoài cho thấy các màng mỏng từ ña lớp (từ hàng chục lớp trở lên) có hiệu ứng GMR lớn, có thể ñến hơn trăm phần trăm, nhưng phải ở từ trường khá cao (vài chục kilo Osted) và ở nhiệt ñộ thấp (thường ở 4,2K), ñiều này gây khó khăn cho việc ứng dụng. Trong khi ñó ñối với các hệ từ dạng hạt, hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng ñạt bão hoà ở từ trường khá cao, rất thích hợp ñể làm sensor ño từ trường cao. Mặt khác, công nghệ chế tạo hệ từ dạng hạt lại tương ñối ñơn giản, có khả năng chế tạo ñược trong ñiều kiện kỹ thuật hiện nay ở nước ta. Lê Thị Liệu -5- K31D Vật Lý Cú nhiu phng phỏp khỏc nhau ủ to ra vt liu GMR cú cu trỳc dng ht nh ủó núi trờn ủõy: Vớ d nh phng phỏp ngui nhanh t th lng, phỳn x RF, bc bay trong chõn khụng, bay hi bng Laze, ủin hoỏ, lng ủng hoỏ hc v nhiu phng phỏp khỏc na Cũn ủi vi phng phỏp bc bay trong chõn khụng ủõy l phng phỏp ch to mng dng ht rt tt v khỏ ủn gin tuy nhiờn ủi vi phng phỏp ny vic khng ch thnh phn pha trờn mng bc bay so vi thnh phn pha ca ngun bc bay l rt khú khn, vỡ vy ủ cú th gii quyt phn no ủú v vn ủ ny lun vn cng ủó nghiờn cu ủn phng phỏp bc bay n trong chõn khụng. õy l phng phỏp cú th coi l mi ủi vi nc ta vỡ cho ủn nay vn cha cú mt cụng trỡnh nghiờn cu no trong nc cụng b v vic ch to mng dng ht bng phng phỏp ny c. Trờn c s ủú, ủ ti khoa luận tốt nghiệp ủc chn l: Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng (GMR) trong hợp chất CoAg bằng công nghệ bốc bay nổ Lª ThÞ LiÖu -6- K31D VËt Lý II. MỤC TIÊU CỦA khoa luËn tèt nghiÖp - Trong ñiều kiện thiết bị hiện có chế tạo ñược màng dạng hạt có hiệu ứng GMR, qua ñó tìm hiểu sâu và cụ thể thêm về cơ chế vật lý của hiệu ứng. - Nghiên cứu một số tính chất từ của các mẫu chế tạo bằng công nghệ bốc bay nổ nhằm làm sáng tỏ mối liên hệ với hiệu ứng GMR của vật liệu chế tạo. Xem xét ñánh giá mức ñộ khác nhau về hàm lượng các hạt sắt từ có trong mẫu ảnh hưởng ñến hiệu ứng GMR bằng công nghệ này. - Trên cơ sở những hiểu biết trên, nghiên cứu ñể có thể ứng dụng hiệu ứng GMR của hệ hạt trong lĩnh vực ño lường và ñiều khiển. Lª ThÞ LiÖu -7- K31D VËt Lý Néi dung Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ðôi nét lịch sử về hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (GMR) Hiện tượng MR là hiện tượng thay ñổi ñiện trở của vật dẫn hoặc bán dẫn dưới tác dụng của từ trường ngoài. Sự thay ñổi này thường vào khoảng vài phần nghìn và ñược giải thích là do tác dụng của từ trường ngoài làm ñiện tích thay ñổi hướng chuyển ñộng. Hiện tượng từ ñiện trở (Magneto Resistance-MR) lần ñầu tiên tìm thấy vào giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XIX bởi Lord Kelvin. Vào năm 1988 một nhóm của Albert Fert của trường ðại học tổng hợp Nam Paris ñã quan sát ñược sự thay ñổi 50% của ñiện trở suất của màng ña lớp dưới tác dụng của từ trường ngoài (hình 1.1), với cấu trúc [Fe(30A 0 )/Cr(9A 0 )] 40 nghĩa là các lớp Fe, Cr dày tương ứng là 30A 0 và 9A 0 và hệ gồm 40 lớp kép, ñây là một sự thay ñổi lớn chưa từng ñược quan sát thấy từ trước ñến nay. Vì vậy mà hiệu ứng này ñược gọi là hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance- GMR). Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự “khổng lồ” của sự thay ñổi ñiện trở mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, “Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của các ñiện tử dÉn”. Lª ThÞ LiÖu -8- K31D VËt Lý (a) (b) Hình 1.1: (a) Từ ñiện trở của ba siêu mạng Fe/Cr ño ở nhiệt ñộ 4.2K. Dòng ñiện và từ trường cùng ñược ñặt dọc theo phương tinh thể [110] trong mặt phẳng của các lớp (b) Cấu trúc của một siêu mạng từ. Sau ñó không lâu vào ñầu những năm 90, hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) ñược quan sát thấy trong các hệ ñơn lớp còn ñược gọi là hệ dạng hạt, do một nhóm của A.E. Berkowitz, J. R Mitchell, M. J. Carey và A.P. Young của trường ñại học California. Sau những khám phá này nhiều công trình nghiên cứu ñã ñược tiến hành ñối với cả hai hệ màng ña lớp và màng dạng hạt và cũng ñã thu ñược hiệu ứng GMR rất lớn. 1.2. Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR 1.2.1 M« h×nh hai dßng Mott Mott nhận thấy rằng khi nhiệt ñộ T<Tc, spin của hạt dẫn (ñiện tử) ñược bảo toàn trong hầu hết các tán xạ. Nguyên nhân của hiện tượng này là, dưới Lª ThÞ LiÖu -9- K31D VËt Lý nhiệt ñộ 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 ñược biểu diễn bằng mạch song song, trong ñó ñiện trở suất của hai loại hạt dẫn ñược ký hiệu là ρ↑ và ρ↓ (Hình 1.2). Vì vậy ñiện trở suất của mẫu là: (1.1) Với ρ↑ và ρ↓ ñược tính theo biểu thức sau: (1.2) (1.3) Hình 1.2: Mô hình hai kênh dẫn Trong ñó: n là nồng ñộ, m * là khối lượng hiệu dụng ,τ là thời gian hồi phục của ñiện tử, V tx là thế tán xạ của tâm tán xạ ñối với ñiện tử. : mật ñộ trạng thái tại mức fermi. Khi nhiệt ñộ gần hoặc vượt quá nhiệt ñộ Cuire T c , quá trình trộn hai kênh spin là không thể bỏ qua và ñược ñặc trưng bởi số hạng ñiện trở suất ↑↓ρ. Khi ñó, ñiện trở suất của mẫu ñược cho bởi: (1.4) Quá trình trộn hai kênh spin ñược giải thích như sau. ðiện 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 ñạo SOI (Spin-Orbital Interaction) và có bản chất lượng tử. Lª ThÞ LiÖu -10- K31D VËt Lý Như vậy ở nhiệt ñộ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do ñó quá trình trộn lẫn hai kênh spin ñược bỏ qua. Khi nhiệt ñộ lớn hơn Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là ñáng kể và số hạng ñiện trở suất ρ ↑↓ ñược ñưa vào. Chú ý rằng khi nhiệt ñộ thấp, ρ ↑↓ << ρ↑, ρ↓. Biểu thức (1.4) trở thành (1.1). Khi nhiệt ñộ ñủ cao, ρ ↑↓ >> ρ↑, ρ↓ thì biểu thức (1.4) trở thành (1.5) Biểu thức này thể hiện, khi nhiệt ñộ ñủ cao, hiện tượng trộn hai kênh dẫn xảy ra mạnh (tức là khi thời gian sống của spin nhỏ hơn thời gian hồi phục không lật spin), tất cả ñiện tử, spin up cũng như spin down, có cùng tốc ñộ hồi phục trung bình. 1.2.2 Một số mô hình ñơn giản giải thích hiệu ứng GMR Cách giải thích ñầu tiên dựa trên cơ sở mô hình hai dòng của Mott ñược ñề cập ñến trước ñây. Hình vẽ (1.3) là mô hình ñơn giản và trực quan mô tả quá trình chuyển dời của các ñiện tử có spin up và spin down qua các lớp từ khi từ ñộ của các lớp sắp xếp khác nhau. Mỗi ñiện tử khi ñi từ một lớp từ này ñến một lớp từ tiếp theo sẽ mang một cấu hình spin nào ñó (up hay down) và vẫn giữ nguyên cấu hình cho ñến khi bị tán xạ (tính bảo toàn spin). Các spin có chiều song song với từ ñộ bị tán xạ ít hơn các spin có chiều phản song với từ ñộ. Có thể thấy rằng trong trường hợp a) khi từ trường H = 0 làm cho từ ñộ trong các lớp từ sắp xếp theo kiểu phản song với nhau (giống như liên kết kiểu AF (Antiferromagnetic)), mỗi kênh ñiện tử với spin up và spin down ñều lần lượt bị tán xạ và không bị tán xạ (hoặc là ñều lần lượt bị tán xạ mạnh hoặc tán xạ ít) khi ñi qua lớp từ. [...]... c nghi m, thu ủ c ph n ủúng gúp c a pha siờu thu n t trong cỏc m u nghiờn c u ó xỏc ủ nh ủ c hm phõn b kớch th c h t t theo lý thuy t thu n t Langevin Theo k t qu phõn tớch thỡ kớch th c h t ủúng gúp ch y u trong cụng ngh b c bay n Lê Thị Liệu Mspm l t 3 nm ủ n 5 nm -33- K31D Vật Lý Tài liệu tham khảo 1 Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ trong các màng mỏng chứa Co (Luận án tiến sĩ Nguyễn Anh... ng Hall sensors trong m ch bỏn d n Nh ng Hall sensor ny tỡm ra gúc quay c a rotor ủ c t dũng ủi n trong cu n dõy, trong m t Motor khụng ch i quột cú 2 nam chõm vnh cửu trong rotor v 4 cu n dõy trong stator, gúc quay c a rotor ủ c xỏc ủ nh b i tớnh cú c c c a 2 Hallsensor, nguyờn lý ho t ủ ng nh (hỡnh v 1.9) Lê Thị Liệu -17- K31D Vật Lý Hình 1.9 Mng m ng d ng h t Co28Ag72 lm sensor trong ủ ng c khụng... Co_Ag cú hi u ng GMR nh cụng ngh ngu i nhanh, phỳn x , b c bay trong chõn khụng, bay hi b ng Laze, ủi n hoỏ, l ng ủ ng hoỏ h c v m t s phng phỏp khỏc n aTuy nhiờn ủ i v i cỏc v t li u GMR cú c u trỳc d ng h t ch y u ủ u ủ c ch t o b ng phng phỏp b c bay trong chõn khụng õy cng l phng phỏp m lu n vn ủó ch n ủ ch t o m u v cng l phng phỏp thớch h p trong ủi u ki n k thu t c a n c ta hi n nay Sau ủõy l ph... ng cụng ngh b c bay n trong chõn khụng 2 ó ti n hnh kh o sỏt c u trỳc vi mụ c a cỏc m u b ng phng phỏp nhi u x tia X M u ch t o b ng cụng ngh b c bay n cú c u trỳc tinh th v quỏ trỡnh x lớ nhi t lm phỏt tri n cỏc h t s t t Co trong cỏc m u ó quan sỏt th y cỏc pha s t t Co v khụng s t t Ag trong cỏc m u ch t o b ng phng phỏp ny, c u trỳc di bi t t h c cho phộp d ủoỏn ủ c hi u ng GMR trong c u trỳc ny... 1.2.3.Gi i thớch hi n t ng tỏn x ph thu c spin trong m u h t Hi n t ng t tr kh ng l tỡm th y trong m u h t l n ủ u tiờn vo nm 1992 B n ch t c a hi n t ng GMR trong m u h t cng l s tỏn x ph thu c spin c a cỏc ủi n t d n v cú th gi i thớch d a trờn k t qu trong mụ hỡnh tỏn x ph thu c spin c a cỏc ủi n t d n trong m u ủa l p Xột m u g m cỏc h t s t t Co n m trong n n kim lo i khụng t Ag Ta coi hai h t s... ỏp d ng phng phỏp b c bay n , phng phỏp ny cú th kh c ph c nh ng nh c ủi m ủó núi trờn V i phng phỏp ny tụi ủó thi t k thờm m t s chi ti t nh (hỡnh v 2.1) g m: M t h th ng mỏng ủ ch a b t b c bay, h th ng ny ch cho phộp cỏc kim lo i b c bay ri xu ng mỏng v i m t l ng r t ớt ủ m b o cho v t li u cú th ủ c b c hi t c th i v hon ton v m t h th ng t o ủ rung B t b c bay ủ c ủ ng trong mỏng d i tỏc d ng... mỏng d i tỏc d ng c a h th ng rung cỏc h t kim lo i ri vo thuy n ủang cú nhi t ủ 0 r t cao (hn 1000 C) trong m t th i gian r t ng n nú l p t c bay hi hon ton v ngng t trờn ủ Hỡnh 2.1: S ủ c u t o bu ng b c bay chõn khụng Lê Thị Liệu -20- K31D Vật Lý Thnh ph n b t ủ c s d ng ủ b c bay nghiờn c u trong lu n vn g m: B t Co v i Ag tr n v i nhau theo m t t l xỏc ủ nh tr c v i cỏc thnh ph n t 20 ủ n 70... lnh v c ủú ủũi h i m t n n cụng ngh cao m trong ủi u ki n k thu t c a n c ta hi n nay cha ủỏp ng ủ c Nh m h ng ủ n m t s ng d ng ủn gi n v phự h p hn, nh ng kh o sỏt ủõy t p trung cho m c ủớch nh lm c m bi n t tr ng v ph n t chuy n m ch trong k thu t ủo l ng v k thu t ủi n t Trờn c s nh ng k t qu nghiờn c u trong lu n vn cú th ủ nh h ng ng d ng hi u ng GMR trong m t s tr ng h p sau: + C m bi n GMR... trũ ủú l nh n ra gúc quay c a rotor v c t dũng ủi n trong cu n dõy ủ ủi u khi n t c ủ quay c a rotor Cú nh ng v n ủ trong vi c s d ng ch i quột c a Motor, ch i quột lm mũn do ma sỏt v gõy ra ti ng n khi ch i quột thay ủ i v trớ ti p xỳc gi a cỏc ủi n c c Do ủú cỏc Motor khụng ch i quột ủ c s d ng r ng rói ủ ủ t hi u su t cao trong vi c duy trỡ ủ b n Trong cỏc Motor khụng ch i quột, vai trũ c a ch i quột... th c u t o t nh ng nguyờn t hay ion phõn b m t cỏch ủ u ủ n trong khụng gian theo m t qui lu t xỏc ủ nh Kho ng cỏch gi a cỏc nguyờn t hay ion trong tinh th kho ng b c súng tia X Do ủú, khi chựm tia X t i ủ p vo m t tinh th v ủi vo bờn trong nú, thỡ m ng tinh th cú th ủúng vai trũ c a m t cỏch t nhi u x ủ c bi t.Theo phng trỡnh Vulf Bragg: Trong ủú: d: l kho ng cỏch gi a 2 m t ph ng nguyờn t thu c m