nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ (gmr) trong các hệ từ dạng hạt bằng công nghệ nguội nhanh

- 1 - LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy GS. TS . Nguyễn Hoàng Nghị - người 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 đến thầy TS. Nguyễn Anh Tuấn Trung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS), đã có những thảo luận đóng góp quí giá cho luận văn của em và đã tạo điều kiện, giúp đỡ em thực hiện chế tạo mẫu và một số phép đo thực nghiệm. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới anh Nguyễn Văn Dũng, anh Bùi Xuân Chiến ở 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 cũng xin cảm ơn Trung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS) đã giúp đỡ em thực hiện một số phép đo. Em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô trong Viện Vật lý Kỹ thuật và trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã giảng dậy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. AF AMR FM NM RF GMR MR MRAM OMR RKKY SEM TEM VSM XRD EDS - 2 - DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Antiferromagnetic Anisotropic Magnetoresistance Ferromagnetic Non Magnetic Radio Frequency Giant Magnetoresistance Magnetoresistance Magnetic (or Magnetoresistance) Random Access Memory Ordinary Magnetoresistance Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Scanning Electron Microscope Transmission Electron Microscope Vibrating Sample Magnetometer X-ray Diffaction Energy Dispersion Spectroscopy - 3 - MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn. 1 Danh mục các từ viết tắt 2 Mục lục 3 Mở đầu. 5 Nội dung luận văn 8 Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Điện trở của kim loại 8 1.2 Hiệu ứng từ điện trở thường và từ điện trở dị hướng. 9 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance). 9 1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR-Ansitropic Magneto Resistance). 10 1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance).… 11 1.3.1 Đôi nét lịch sử về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. 11 1.3.2 Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR 14 1.3.3 Giải thích hiện tượng trong mẫu hạt. 22 1.3.4 Cấu trúc nano trong hệ dạng hạt. 24 1.3.5 Tính chất đơn đômen. 26 1.4 Bài toán xác định phân bố kích thước hạt từ D bằng lý thuyết thuận từ Langevin 28 1.4.1 Trạng thái siêu thuận từ. 28 1.4.2 Xác định phân bố kích thước từ 29 1.5 Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng hạt. 33 Chương II: THỰC NGHIỆM 2.1 Công nghệ chế tạo 38 - 4 - 2.1.1 Công nghệ 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 50 3.1.1 Công nghệ nguội nhanh. 50 3.1.2 Công nghệ bốc bay nổ. 52 3.2 Kết quả SEM. 55 3.2.1 Công nghệ nguội nhanh. 55 3.2.2 Công nghệ bốc bay nổ 56 3.3 Kết quả nghiên cứu tính chất từ. 57 3.3.1 Công nghệ nguội nhanh. 57 3.3.2 Công nghệ bốc bay nổ. 58 3.4 Kết quả đo từ trở khổng lồ. 60 3.4.1 Công nghệ nguội nhanh. 60 3.4.2 Công nghệ bốc bay nổ 62 3.5 Kết quả xác định hàm phân bố tỉ phần kích thước hạt Co 66 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 - 5 - MỞ ĐẦU T ừ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lạiđây, nhiều hiện tượng và tính chất vật lý mớiđãđược khám phá vàđược nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các hệ từ có các đặc trưng kích thước giới hạn. Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) trong các màng mỏng từ đa 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 điện trở khổng lồ (GMR) là hiệu ứng gây ra sự thay đổi mạnh điện 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 điện 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 điện tử dẫn. Chính vì vậy mà nó trở thành một chủ đề nổi bậc trong vật lý cũng như trong khoa học và kỹ thuật vật liệu. Từ các công trình nghiên cứu liên quan đến 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 phải ở từ trường khá cao (vài chục kilo Osted) và ở nhiệt độ thấp (thường ở 4,2K), điều này gây khó khăn cho việc ứng dụng. Trong khi đó đối với các hệ từ dạng hạt, hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng đạt bão hoà ở từ trường khá cao, rất thích hợp để làm sensor đo từ trường cao. Mặt khác, công nghệ chế tạo hệ từ dạng hạt lại tương đối đơn giản, có khả năng chế tạo được trong điều kiện kỹ thuật hiện nay ở nước ta. - 6 - Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra vật liệu GMR có cấu trúc dạng hạt như đã nói trên đây: 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 khẳng định rằng phương pháp nguội nhanh là phương pháp chế tạo hệ hợp kim dạng hạt quan trọng vì phương pháp này có năng suất cao, sản phẩm tạo ra có kích thước lớn, có ý nghĩa trong việc ứng dụng vào thực tế. Còn đối với phương pháp bốc bay trong chân không đây là phương pháp chế tạo màng dạng hạt rất tốt và khá đơn giản tuy nhiên đối với phương pháp này việc khống chế thành phần pha trên màng bốc bay so với thành phần pha của nguồn bốc bay là rất khó khăn, vì vậy để có thể giải quyết phần nào đó về vấn đề này luận văn cũng đã nghiên cứu đến phương pháp bốc bay nổ trong chân không. Đây là phương pháp có thể coi là mới đối với nước ta vì cho đến nay vẫn chưa có một công trình nghiên cứu nào trong nước công bố về việc chế tạo màng dạng hạt bằng phương pháp này cả. Trên cơ sở đó, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là: “Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ (GMR) trong các hệ từ dạng hạt bằng công nghệ nguội nhanh và bốc bay nổ”. Mục tiêu của luận văn là: - Trong điều kiện thiết bị hiện có chế tạo được màng dạng hạt có hiệu ứng GMR, qua đó 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 và nguội nhanh nhằm làm sáng tỏ mối liên hệ với hiệu ứng GMR của vật liệu chế tạo. Xem xét đánh giá mức độ khác nhau về hàm lượng các hạt sắt từ có trong mẫu ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR bằng hai công nghệ này. - Trên cơ sở những hiểu biết trên, nghiên cứu để có thể ứng dụng hiệu ứng GMR của hệ hạt trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. - 7 - Kết cấu của luận văn gồm các chương sau: Chương I: Tổng quan Phác hoạ những nét khái quát về cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR, một số mô hình giải thích. Lý thuyết tính toán phân bố tỷ phần số hạt bằng việc vận dụng lý thuyết thuận từ Langevin. Chương II: Thực nghiệm Công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu. Các phương pháp thực nghiệm sử dụng trong luận văn. Chương III: Kết quả và thảo luận Kết luận - 8 - Chương I. TỔNG QUAN 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 = ρ ph + ρ i (1.1) Trong đó ρ ph là thành phần do tán xạ bởi phonon, còn ρ i là thành phần tán xạ bởi các loại sai hỏng tĩnh (gồm các tạp chất và các sai hỏng cấu trúc). Trong trường hợp kim loại ở dạng màng mỏng, ngoài các thành phần là điện trở suất trên đây còn có thêm thành phần ρ s do tán xạ với các bề mặt ngoài của màng mỏng. Khi đó điện trở suất tổng cộng của màng mỏng có thể được viết là: ρ = ρ ph + ρ i + ρ s (1.2) Thực ra cũng có thể coi các bề mặt ngoài là một dạng sai hỏng cấu trúc và thành phần ρ s có thể gộp vào với thành phần của ρ i . Đối với các kim loại từ tính, chẳng hạn như các kim loại sắt từ, còn có thêm thành phần của ρ m 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 = ρ ph + ρ i + ρ m (1.3) 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 ρ m = 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 ρ m ≠ 0. Vì thế điện trở suất trong - 9 - các kim loại sắt từ nói chung thường cao hơn so với các kim loại thường. Ở vùng nhiệt độ cao, ρ m bằng: π 2 + ⎛ − 2 ⎞ ρ m = 3 mI 0 S (s 1) 2ne 1 ⎝⎜⎜ M 2 ⎟⎟⎠ (1.4) hε F M 0 trong đó e, n và m * tương ứng là điện tích, nồng độ và khối lượng hiệu dụng của điện tử, I 0 là đại lượng đặc trưng cho tương tác trao đổi giữa mạng spin và điện tử dẫn, S là spin ở mỗi nút mạng và ε F là năng lượng Fermi. M và M 0 là độ từ hóa của kim loại sắt từ ở nhiệt độ T và 0K. Như vậy, nếu T > T C , M = 0, dẫn đến ρ m = const. Còn khi T < T C (trật tự sắt từ), M ≠ 0 thì ρ m T∼ 2 1.2 Hiệu ứng từ điện trở thường và từ điện trở dị hướng 1.2.1 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. Kohler tìm ra liên hệ giữa sự thay đổi điện trở suất theo từ trường ngoài sau: Δρ / ρ = f ρ ( H / ) (1.5) - 10 - Bởi vì điện trở suất đều tăng khi chuyển động của hạt dẫn bị lệch về cả hai hướng so với dòng điện nên sự thay đổi của điện trở suất phải theo hàm mũ chẵn của từ trường ngoài. Bậc thấp nhất của sự thay đổi điện trở suất là: 2 ρ / ρ Δ ⎛ H ⎞ ∝ ⎜⎜ ⎟⎟ (1.6) ⎝ ρ ⎠ 1.2.2 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 [4]. [...]... 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 x và 2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng v đến tính chất vật lý của vật liệu, giá trị của x thay đổi từ. .. (1.17) Đây là các thông số mà các tính chất vật lý, tỷ số GMR của vật liệu đều liên quan, sự thay đổi của các thông số này dẫn đến sự thay đổi tỷ số GMR 1.3.5 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... 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... của các hạt từ, MN = λ 3cξ λM với c λ , λ là quãng đường tự do trung bình tương M MN ứng của điện tử trong các hạt sắt từ và không từ; ξ là cường độ tán xạ spin 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 1.3.4 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng. .. đó giá trị của từ dư M = M /2 ở r S 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 (H ) của các hạt C 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/M = 600 Oe (K là hằng số dị hướng từ S tinh thể), trong khi đó đối... thước của các loại hạt đá hay cát Như vậy - 24 - 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 (10 - 10 nguyên tử) 3 6 Trong vật liệu... thể tích của hạt từ Khi có từ trường ngoài khác - 26 - không các trục từ quay theo chiều của từ trường ngoài Như vậy từ độ của mẫu (M) bằng tổng từ độ của các hạt đơn đô men: M= = M cos θ (1.18) S H Với θ là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài, M là từ độ bão hòa, H là từ trường ngoài, cosθ S là giá trị trung bình lấy trên toàn bộ các hạt sắt từ Khi đó đường cong từ trễ của... 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... tồn tại - 28 - 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... 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 [14] 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 . dạng hạt bằng phương pháp này cả. Trên cơ sở đó, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là: Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ (GMR) trong các hệ từ dạng hạt bằng công nghệ nguội nhanh. 50 3.1.1 Công nghệ nguội nhanh. 50 3.1.2 Công nghệ bốc bay nổ. 52 3.2 Kết quả SEM. 55 3.2.1 Công nghệ nguội nhanh. 55 3.2.2 Công nghệ bốc bay nổ 56 3.3 Kết quả nghiên cứu tính chất từ. 57 3.3.1 Công. 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 điện trở khổng