Nghiên cứu từ trở của hệ hợp chất La2 3Pb1 3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp

Hiệu ứng từ điện trở MR là một dạng của hiện tượng từ điện, thể hiện sự thay đổi của điện trở suất hay độ dẫn điện trong các vật dẫn kim loại hay bán dẫn dưới tác dụng của từ trường ngoà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: KHÁI NIỆM TỪ TRỞ, MỘT SỐ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ VÀ NHỮNG MÔ HÌNH GIẢI THÍCH CƠ CHẾ CÁC HIỆU ỨNG TỪ TRỞ 3

1.1 Vài nét về quá trình phát triển của việc nghiên cứu từ trở 3

1.2 Điện trở và từ điện trở trong kim loại 5

1.3 Một số loại hiệu ứng từ trở 9

1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở thường (OMR – Ordinary Magnetoresistance Effect) 9

1.3.2 Hiệu ứng từ trở dị thường AMR (Anisotropic Magnetoresistance Effect) 10

1.3.3 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magnetoresistance' - TMR) 11

1.3.4 Từ điện trở dị hướng xung kích (Ballistic Anisotropy Magnetoresistance BAMR) 11

1.3.5 Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance Effect - GMR) 12

1.3.6 Từ điện trở siêu khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR) 13

1.4 Một số mô hình giải thích cơ chế hiệu ứng từ trở 14

1.4.1 Giải thích theo mô hình hai dòng 15

1.4.2 Giải thích theo mô hình cấu trúc dải 16

1.4.3 Giải thích theo mô hình chuỗi rào thế 18

1.4.4 Giải thích bằng mô hình mạng điện trở (mô hình đơn giản) 19

1.5 Một số đặc trưng cơ bản của GMR 19

1.5.1 Ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc và tạp chất 19

1.5.2 Sự phụ thuộc của GMR vào chiều dày các lớp 20

1.6 Hiệu ứng từ trở khổng lồ trong các vật liệu perovskite manganite 22

Chương 2: THỰC NGHIỆM 23

2.1 Chế tạo mẫu 23

2.2 Đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ 27

2.3 Đo từ trở 29

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XPD) 33

3.2 Từ độ phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 35

3.3 Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00 0.30) trong vùng từ trường thấp H = 0.00 – 0.40T 40

3.4 Từ trở trong vùng từ trường thấp (H=0.00.4T) của hệ

La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00  0.30) 46

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

MFC : Từ độ của mẫu sau khi được làm lạnh trong từ trường

MZFC : Từ độ của mẫu sau khi được làm lạnh không từ trường

TC : Nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (nhiệt độ Curie)

TP : Nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các tham số mạng, thể tích ô cơ sở, và các thừa số dung hạn (τ) của các mẫu

La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3

Bảng 3.2: Giá trị nhiệt độ TC của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3

Bảng 3.3 : Nhiệt độ chuyển pha kim loại – bán dẫn/điện môi của các mẫu nghiên cứu dưới tác dụng của từ trường

Bảng 3.4 : Giá trị của hằng số Ro và năng lượng kích hoạt Eg

Bảng 3.5 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3MnO3

Bảng 3.6 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.95Co0.05O3Bảng 3.7 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.9Co0.1O3Bảng 3.8 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.8Co0.2O3Bảng 3.9 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.7Co0.3O3

Bảng 3.10 : Tỷ số CMR(%) cực đại của các mẫu

Hình 1.6: sự tương đương của một hệ màng mỏng đa lớp với một chuỗi rào thế khác nhau đối với các điện tử có spin khác nhau khi các lớp từ có cấu hình từ độ phản song song a) và song song b)

Hình 1.7: Sự phụ thuộc của cường độ tương tác trao đổi vào chiều dày lớp phi từ Hình 2.1: Quá trình khuyếch tán giữa hai kim loại A và B

Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết hệ đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò

Hình 2.3: Sơ đồ hệ đo từ trở bằng phương pháp bốn mũi dò

Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x =0.00-0.30) Hình 3.2: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3(x=0.00)

Hình 3.3: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3(x=0.05)

Hình 3.4: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3(x=0.10)

Hình 3.5: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3(x=0.20)

Hình 3.6: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3(x=0.30)

Hình 3.7: Đường cong TC phụ thuộc nồng độ pha tạp x

Hình 3.8: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.00 trong trường hợp từ trường

Hình 3.12 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3MnO3

Hình 3.13 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.95Co0.05O3

Hình 3.14 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.9Co0.1O3

Hình 3.15: Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.8Co0.2O3

Hình 3.16: Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.7Co0.3O3

Hình 3.17: Đường cong CMRmax phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu

La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00 – 0.30)

Hình 3.18:Sự phụ thuộc của tỷ số CMR max(%) vào nồng độ pha tạp Co

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, việc nghiên cứu từ trở đã trở thành đề tài nóng bỏng đối với các nhà vật lý và vật liệu học Với những phát minh về các vật liệu có từ trở khổng lồ (Giant magnetoresistance, GMR) và từ trở lớn (Colossal magnetoresistance, CMR) đang hứa hẹn những ứng dụng vô cùng to lớn trong các lĩnh vực điện tử học, tự động hóa, công nghệ thông tin và cả trong lĩnh vực công nghệ nanô

Sự khám phá ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) vào năm 1988 của các vật liệu từ có cấu trúc không liên tục (như các màng mỏng đa lớp) đã góp phần làm cho nghành điện tử học có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ lưu trữ thông tin, đo lường từ và điều khiển bằng từ trường

Nếu trước đây, spin của electron không đuợc giới vật lý lưu ý trong các nghiên cứu về hiện tượng chuyển tải dòng điện, thì ngày nay sự quan tâm tới spin

đã mở ra một lĩnh vực mới cho vật lý học hiện đại, đó là „„Điện tử spin‟‟ (spintronics) Phát hiện đầu tiên của spintronics là hiệu ứng từ trở khổng lồ trong những màng mỏng từ đa lớp

Từ những năm 1970, người ta đã nhận thấy rằng có thể lợi dụng thuộc tính

có spin của điện tử để điều khiển lại các hành vi của chúng Do các điện tử có spin xác định (spin ↑ hoặc spin ↓) có xác suất tán xạ khác nhau đối với phương xác định của các mômen từ định xứ, nên có thể dùng từ trường ngoài để định hướng lại các mômen từ, trên cơ sở đó điều khiển spin của điện tử, từ đó dẫn đến sự thay đổi điện trở của vật liệu Điều này tương tự như việc dùng điện trường để điều khiển điện tử hay lỗ trống trong các vật liệu bán dẫn Sự khác nhau cơ bản là ở chỗ, cơ chế điều khiển bằng điện trường không phân biệt được thuộc tính có spin của điện tử, trong khi đó cơ chế điều khiển bằng từ trường phân biệt được chiều spin của điện tử Như vậy cơ chế điều khiển bằng từ trường tinh vi hơn so với cơ chế điều khiển bằng điện trường Đó chính là cơ sở của những ứng dụng trong lĩnh vực từ điện tử học

Nhiều tính chất vật lý của vật liệu có thể thay đổi khi một vật được đặt trong

từ trường Một trong số đó là điện trở của một vật liệu biến đổi theo sự thay đổi của

từ trường ngoài Hiện tượng từ trường đặt vào có thể làm cho điện trở của các vật liệu thay đổi đã được ghi nhận trong các thí nghiệm thực hiện trên những vật liệu có cấu trúc đa lớp được chế tạo bằng cách luân phiên chồng lớp một kim loại có từ tính với một kim loại phi từ Khi đặt một từ trường ngoài lên vật liệu đa lớp thì từ độ của

những lớp có từ tính đang ở trạng thái đối song (↑↓ ) sẽ chuyển sang trạng thái song song (↑↑ ) Từ đó dẫn đến sự thay đổi điện trở suất (hay độ dẫn điện) của vật liệu

Trên cơ sở đó, đề tài của luận văn được chọn là: “Nghiên cứu từ trở của hệ

hợp chất La 2/3 Pb 1/3 Mn 1-x Co x O 3 trong vùng từ trường thấp” Mục đích của luận

văn là tìm hiểu về cơ chế của hiệu ứng từ trở, một số mô hình giải thích hiệu ứng này và tiến hành phép đo sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ, điện trở và từ trở của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp từ 0.0 – 0.4T

Kết cấu của luận văn gồm những chương sau:

 Chương 1: Khái niệm từ trở, một số hiệu ứng từ trở và những mô hình giải thích cơ chế các hiệu ứng từ trở

Chương 1 KHÁI NIỆM TỪ TRỞ, MỘT SỐ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ VÀ NHỮNG MÔ

HÌNH GIẢI THÍCH CƠ CHẾ CÁC HIỆU ỨNG TỪ TRỞ

1.1 Vài nét về quá trình phát triển của việc nghiên cứu từ trở

Hiệu ứng từ điện trở (MR) là một dạng của hiện tượng từ điện, thể hiện sự thay đổi của điện trở suất (hay độ dẫn điện) trong các vật dẫn (kim loại hay bán dẫn) dưới tác dụng của từ trường ngoài

- Năm 1851, Lord Kelvin lần đầu tiên đã quan sát thấy sự thay đổi điện trở suất của Fe và Ni khi có từ trường ngoài tác dụng, sau này được biết hiện tượng đó chính là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) [19]

- Năm 1856, William Thomson cũng đã quan sát thấy hiện tượng thay đổi điện trở tương tự [26]

- Năm 1853, H.Tomlinson đã quan sát thấy hiệu ứng MR khá lớn của sợi dây Bi khi ở vùng từ trường dọc (từ trường song song với dòng điện) và năm 1890, P.Lenard lặp lại thí nghiệm này với từ trường ngang (từ trường vuông góc vói dòng điện) [16]

- Kể từ đó, sợi dây Bi đã được sử dụng để làm cảm biến đo từ trường (Đó chính là Hiệu ứng Hall đã được E.H Hall phát hiện ra vào năm 1879) [13]

- Năm 1929, P.Kapitza đã tiến hành nghiên cứu hiệu ứng MR tương đối có hệ thống cuả một loạt các kim loại khác nhau và của cả Si và Ge [23]

- Đầu những năm 1950, nhóm của L.Pearson đã tiến hành nghiên cứu sâu hơn về hiệu ứng MR trong các chất bán dẫn [15]

- Hiệu ứng MR trong các màng mỏng kim loai và hợp kim sắt từ được quan tâm

và nghiên cứu khá nhiều từ cuối những năm 1950 cho đến đầu những năm 1970 [25], [26] và khi đó hiệu ứng MR được ứng dụng để làm cảm biến từ trường [12]

- Vào những năm 80, hiệu ứng AMR trong các màng mỏng sắt từ, tiêu biểu là trong các hợp kim pecmalôi, NiFe, và một số hợp kim khác trên cơ sở của

pecmalôi đã được đưa vào sử dụng trong các đầu từ máy tính [17]

- Để đánh giá độ lớn của hiệu ứng MR, thể hiện mức độ thay đổi điện trở suất khi

có từ trường so với khi không có từ trường tác dụng, gọi là tỉ số MR, người ta thường tính theo công thức:

Từ trở MR có thể âm hay dương Từ trở của đa số các kim loại thường nhỏ, chỉ chừng vài phần trăm Trong những kim loại phi từ nguyên chất hay trong các hợp kim, MR thường mang trị số dương và phụ thuộc bậc hai vào từ trường (H) Ngược lại, MR có thể âm khi đặt một vật liệu từ vào trong từ trường bởi vì sự sắp xếp bất trật tự của các spin khi đó sẽ bị phá vỡ và các spin trở nên đồng nhất

Ngoài một số vật liệu MR đa lớp gồm hai kim loại lần lượt mang tính sắt từ (ferromagnetic) và đối sắt từ (antiferromagnetic) hay phi từ, như sắt và chromium

Từ trở khổng lồ đã xuất hiện nơi các hạt sắt từ (ferromagnetic granules) phân tán trong những màng kim loại thuận từ (paramagnetic metal films), chẳng hạn như đồng và sắt

Cơ chế vật lý của hiệu ứng MR trong các kim loại không từ tính (kim loại phi từ) sau này gọi là hiệu ứng từ điện trở thường (OMR) và hiệu ứng từ trở dị thường (AMR) trong các kim loại và hợp kim sắt từ về cơ bản dựa trên cơ sở của lý thuyết lượng tử

Ứng dụng của hiệu ứng từ trở:

+ Ứng dụng trong các đầu đọc, ghi dữ liệu trong các ổ cứng máy tính: Kể từ năm 1992, hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) bắt đầu được ứng dụng trong các đầu đọc dữ liệu của ổ đĩa cứng máy tính thay cho các đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng trước đó Các đầu đọc, ghi ứng dụng hiệu ứng GMR có tốc độ

đọc, ghi thông tin cao hơn so với các đầu đọc, ghi ứng dụng hiệu ứng AMR Người

ta sử dụng các màng mỏng valse-spin cho các ứng dụng này do khả năng chống nhiễu và chống ồn của chúng rất cao

+ Chế tạo cảm biến đo từ trường, cảm biến đo dòng điện, cảm biến đo gia tốc + Chế tạo các linh kiện spintronics: đây là các linh kiện điện tử thế hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin của điện tử Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ,

từ điện trở chui hầm là hai hiệu ứng quan trọng trong chế tạo các linh kiện spintronics

1.2 Điện trở và từ điện trở trong kim loại

Điện trở của kim loại sinh ra do sự tán xạ của các điện tử dẫn với các nguyên

tử tạp chất hay dao động mạng tinh thể (phonon) Trong trường hợp chung, có thể biễu diễn điện trở suất của kim loại dưới dạng định luật Matthiesen [19]:

ρ = ρf + ρi + ρs

ρs : tán xạ với các bề mặt ngoài của màng mỏng

ρf + ρi: hai thành phần có thể gộp làm một (≡ ρi) Trong kim loại từ tính (ví dụ đối với kim loại sắt từ (FM)):

Ở nhiệt độ cao: Mạng spin dao động gây 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 thường cao hơn so với các kim loại thường Ở vùng nhiệt độ cao ρm bằng [1]:

ρm =

0

2 0

Io: đặc trưng tương tác trao đổi giữa mạng spin và e dẫn

s: Spin ở mỗi nút mạng

F: năng lượng Fermi

Mo, M: độ từ hóa vật liệu ở nhiệt độ 0K và T (K)

Như vậy: Nếu T > Tc thì M = 0 và ρm = const

Nếu T < Tc thì M ‡ 0 và ρm ~ T2

 Giải thích:

Điện trở của kim loại sắt từ được giải thích dựa trên mô hình 2 dòng của Mott Đây là khái niệm được đề xuất năm 1935 bởi Mott để giải thích các tính chất bất thường của điện trở trong các kim loại sắt từ

Mott cho rằng ở nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân bằng của hai loại spin

có chiều khác nhau

Các lớp phản sắt từ (ví dụ Cr) hay phi từ (ví dụ Cu) đóng vai trò ngăn cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho mômen từ của các lớp sắt từ phải có sự định hướng khác nhau sao cho có sự cân bằng về từ độ Sự tác động của từ trường ngoài dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của mômen từ ở mỗi lớp, dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin phân cực, và dẫn đến sự thay đổi về điện trở suất

Trong kim loại sắt từ cấu trúc điện tử có lớp vỏ 3d nằm phía trong vỏ 4s và không lấp đầy Thêm vào đó các dải con 3d chính và phụ bị tách nhau do tương tác

trao đổi mạnh dẫn đến tồn tại mômen từ nguyên tử Hình 1.1 mô tả một vài đặc điểm cấu trúc vùng và mật độ trạng thái (DOS) của các kim loại sắt từ

Theo sơ đồ này:

Từ hình 1.1 ta có thể nhận thấy rằng:

+ Dải 4s có mật độ phân bố điện tử rộng, độ linh động cao, m* thấp nên đây

là các điện tử dẫn đóng góp chính cho dòng điện (các điện tử 4s là các điện tử dẫn)

+ Trong khi đó dải 3d phân bố hẹp nên mật độ trạng thái điện tử (DOS) rất cao, m* lớn, độ linh động thấp Chúng được coi là các điện tử từ định xứ ở nút mạng tinh thể vì vậy spin của chúng cũng định xứ ở nút mạng tinh thể

+ Theo mô hình 2 dải của Mott đã nêu ở trên thì s và d là những dải quan trọng nhất đóng góp vào tính chất điện và từ của kim loại FM, các điện tử 4s có thể thực hiện các chuyển dời s - s hoặc s - d Trong quá trình chuyển dời, spin điện tử giả thiết được bảo toàn và bỏ qua sự trao đổi spin giữa các điện tử s Nên đóng góp chính vào ρ chính là sự chuyển dời s - d do đó xác suất chuyển dời càng lớn thì ρ càng lớn vì các điện tử có spin ↑ và ↓ đóng góp độc lập vào độ dẫn Vậy theo mô hình 2 dòng của Mott:

Độ dẫn tổng cộng = tổng độ dẫn của điện tử spin ↑ + điện tử spin ↓

3d

3d

EF4s 4s



Hình 1.1- Sơ đồ một số đặc điểm trong cấu trúc vùng và mật độ trạng

thái (DOS) của các kim loại sắt từ

 = 

S

σs (s=,) Với σs =nse2τs/m*s (ns, m* và τs lần lượt là nồng độ, khối lượng hiệu dụng và thời gian hồi phục của điện tử có spin s tương ứng)

Vì dải d bị tách ra do tương tác trao đổi nên xác suất chuyển dời s - d là khác nhau đối với các điện tử có spin up và down dẫn đến mô hình của Mott có điện trở tương đương:

ρss : điện trở do sự chuyển dời s - s

ρs,d: điện trở suất do sự chuyển dời s - d với kí hiệu mũi tên chỉ phương tương ứng

Vậy trong kim loại FM các điện tử tán xạ phụ thuộc spin của chúng và hình thành 2 kênh dẫn có điện trở suất khác nhau Mô hình này tương đương với mạch điện mắc song song với 2 kênh tương ứng là spin ↑ và spin ↓ được minh họa trong hình 1.2 dưới đây:

Như vậy có thể thấy rằng, hai thành phần điện trở suất ρs↓,d↓ và ρs↑,d↑ chỉ xuất hiện trong các kim loại sắt từ và do quá trình tán xạ giữa các dải s và d gây ra Đó chính là nguyên nhân dẫn đến điện trở suất của các kim loại sắt từ cao hơn điện trở suất của các kim loại thường Do các điện trở suất ρs↓,d↓ và ρs↑,d↑ là đóng góp chính vào thành phần từ của điện trở suất tổng cộng, nên để cho đơn giản, từ nay về sau

các ký hiệu tương ứng ρ↓ và ρ↑ để chỉ thị cho điện trở suất tương ứng với 2 kênh spin ↑ và spin ↓

Do tán xạ bất đối xứng nên ρ↓ và ρ↑ không bằng nhau Từ đó người ta đưa ra định nghĩa về Hệ số bất đối xứng như sau:

α = ρ↓ / ρ↑Hoặc β = (ρ↓- ρ↑)/ (ρ↓+ ρ↑) = (α – 1)/(α +1)

Tuy nhiên, Hiệu ứng MR chỉ xuất hiện khi vận tốc của các điện tử phân bố không đồng nhất Điều này xảy ra khi vận tốc của các điện tử không chỉ phụ thuộc vào E mà còn phụ thuộc vào cả vị trí của nó ở trên mặt Fermi Do đó với các mặt fermi không cầu và từ trường tác dụng theo một phương tinh thể xác định nào đó để các điện tử chuyển động trên những quỹ đạo hở thì cũng sẽ dẫn đến sự xuất hiện hiệu ứng MR trong kim loại

Trong các kim loại phi từ điển hình tỉ số MR là rất nhỏ (<1% thậm chí chỉ vài phần nghìn) vì nồng độ hạt tải và độ linh động của chúng là rất cao so với các chất không phải kim loại Ví dụ như đối với kim loại Cu, / o ~ 10-4 trong từ trường 20 kG (2T) Riêng đối với Bi, tỷ số này cao một cách dị thường: ~2 trong từ trường 30kG (Còn trong chất bán dẫn, để so sánh, có thể thấy tỷ số MR nằm trong khoảng 10-1 – 10-2 ) Vì vậy cho đến nay vẫn chưa thấy có ứng dụng thực tế nào của hiệu ứng MR trong các kim loại thường ngoài việc dùng để xác định mặt Fermi của kim loại

1.3.2 Hiệu ứng từ trở dị thường AMR (Anisotropic Magnetoresistance Effect)

Đối với các kim loại hay hợp kim sắt từ, tỷ số MR cao hơn nhiều so với hiệu ứng OMR, lên đến vài phần trăm Ví dụ, ở màng mỏng Fe, tỷ số MR ~ 2%, hay ở màng Ni là ~2% và pecmaloi (hợp kim Ni - Fe) là một trong số những vật liệu từ có

tỷ số MR lớn nhất, ~ 4-5% Màng pecmaloi đã từng được sử dụng rộng rãi làm cảm biến từ trường, đặc biệt là đầu từ MR [11]

Khác với kim loại thường, kim loại FM có cấu trúc đômen vì vậy dưới tác dụng của từ trường ngoài H, ngay cả khi có cường độ nhỏ,cũng dẫn đến nội trường của mạng tinh thể tăng mạnh do các đomen từ sắp xếp lại theo hướng song song với

từ trường ngoài Ngoài ra còn do tương tác của điện tử với nội trường

Hiệu ứng MR gây ra do sự tương tác của điện tử với nội trường (trường tinh thể) ngay cả khi từ trường H = 0 và gây ra sự phụ thuộc nhiệt độ và dị hướng của ρ

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của  vào H trong từ trường song song và từ trường vuông góc với dòng điện Với ρ s// và ρ s┴ là các giá trị bão hòa.

Hình 1.3 minh họa hiệu ứng dị hướng của điện trở suất đối với phương từ trường tác dụng của các kim loại sắt từ, gọi là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) Hiệu ứng này là phổ biến cho tất cả các kim loại sắt từ mà bản chất vật lý của nó được giải thích dựa trên ba lý thuyết vi mô của Mott, Smit và Potter [22], [25] và được A.Fert và I.A.Campbell [17] cũng như một số tác giả khác phát triển

s// // ( J // H)

o

H

* Nguồn gốc tán xạ phụ thuộc spin trong các kim loại sắt từ (FM) có thể do một số nguyên nhân bên trong và bên ngoài như sau [9]:

- Nguồn gốc bên trong: liên quan đến sự phụ thuộc của nồng độ và khối lượng hiệu dụng (hay mật độ trạng thái DOS) ở mức fermi EF của điện tử dẫn

- Nguồn gốc bên ngoài: tán xạ do tạp chất hoặc do sai hỏng mạng ở trong kim loại sắt từ

 Gần đây AMR lại hồi sinh trở lại với việc xây dựng các linh kiện vách đômen và

sử dụng từ điện trở vách đômen Hiệu ứng AMR đặc biệt hữu ích cho việc đo đạc vận chuyển các vách đômen trong các dây nano (xác định sự xuất hiện, đo hiệu ứng từ điện trở vách đômen, đo tốc độ chuyển động của vách đômen)

1.3.3 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magnetoresistance' - TMR)

Là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên ngầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn

Hiệu ứng TMR lần đầu tiên được phát hiện trên các màng đa lớp sắt kẹp giữa

là lớp germanium (Ge) đóng vai trò lớp cách điện Hiệu ứng TMR ở nhiệt độ phòng được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1995 trên các màng mỏng CoFe/Al2O3/Co với

Al2O3 đóng vai trò lớp cách điện, cho hiệu ứng MR tới 11,8% ở nhiệt độ phòng Cùng với phát minh về hiệu ứng GMR, hiệu ứng TMR cũng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các nghiên cứu về linh kiện spintronic

1.3.4 Từ điện trở dị hướng xung kích (Ballistic Anisotropy Magnetoresistance BAMR)

BAMR là hiệu ứng từ điện trở xảy ra khi các điện tử chuyển động trong một dây rất mỏng, giống như một viên đạn đi trong nòng súng - chúng đều bị cưỡng ép chuyển động trên một chiều nhất định và hầu như ít bị va chạm hay nói cách khác là không có sự cản trở dọc theo đường truyền Nếu dây có chiều dày chỉ vài lớp nguyên tử, khả năng dẫn điện tử - độ dẫn điện - sẽ bị lượng tử hóa, là một số nguyên lần (N) của độ dẫn của một điện tử bởi vì năng lượng của điện tử bị cầm tù trong dây là các dải hẹp và N sẽ tương ứng với số dải năng lượng trên mức Fermi,

mà ở đó xảy ra tính dẫn điện

Năm 2005, Evgeny Tsymbal và các đồng nghiệp ở Đại học Nebraska giả thiết rằng số N có thể thay đổi bằng cách đặt một từ trường vào một dây rất mảnh làm bằng các kim loại từ tính Trong các vật liệu đó, các điện tử dẫn dưới tác dụng của từ trường sẽ phải dịch chuyển mức năng lượng so với mức Fermi và do đó dẫn đến việc thay đổi N Do độ dẫn của dây tỉ lệ với N, nên các nhà nghiên cứu giả định rằng có thể quan sát thấy sự thay đổi kiểu nhảy bậc của độ dẫn (hay nói cách khác là điện trở) Họ gọi hiệu ứng này là "hiệu ứng từ điện trở dị hướng xung kích"

(ballistic anisotropy magnetoresistance) - từ "dị hướng" ở đây là do hiệu ứng này

phụ thuộc vào góc tương đối giữa từ trường và chiều của dòng điện dẫn Mới đây, Bernard Doudin ở Viện Vật lý và Hóa học Vật liệu (Strasbourg) và các đồng nghiệp

ở Đại học Nebraska đã quan sát thấy hiệu ứng BAMR trong một loạt các dây khác nhau ở kích cỡ nguyên tử chế tạo bằng Co Trong một mẫu, các nhà nghiên cứu đã

đo được sự thay đổi của độ dẫn tương ứng với N = 6, 7 khi mà chiều của từ trường thay đổi Các nhà nghiên cứu cho hay sự phản ứng này có liên quan đến sự chênh lệch ở thang nguyên tử trong cấu trúc của các dây nano và có thể giải thích bằng lý thuyết của Tsymbal về BAMR

1.3.5 Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance Effect - GMR)

Một số nhà nghiên cứu ở Việt Nam còn dịch hiệu ứng GMR là "từ điện trở lớn" do không thống nhất việc dịch "Giant" là "khổng lồ" hay "lớn" nhưng tên gọi quen thuộc thường dùng là GMR Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát

thấy trong một số màng mỏng từ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị

điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài

Tên gọi Giant (lớn, khổng lồ) của hiệu ứng này không phải là do giá trị lớn

của tỉ số MR mà do cơ chế tạo nên hiệu ứng, đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử khi truyền qua các lớp sắt từ được kẹp giữa bởi các lớp phi từ Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988 đồng thời bởi 2 nhóm nghiên cứu,

là nhóm của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) trên màng mỏng kiểu bánh kẹp Fe/Cr/Fe; và bởi nhóm của Albert Fert ở Đại học Paris-Sud trên các màng đa lớp Fe/Cr Phát hiện này đã mở ra một ngành mới gọi là điện tử học

spin(spintronics) nghiên cứu các linh kiện điện tử mới hoạt động dựa trên điều

khiển tính chất spin của điện tử

Ngoài ra hiệu ứng GMR còn phát hiện thấy trên một số màng mỏng dạng hạt (ví dụ màng hợp kim dị thể CoCu, CoAg )

Vào ngày 9-10-2007, Uỷ Ban Trao Giải Nobel đã công bố giải thưởng Nobel Vật Lý 2007 được trao cho hai nhà vật lý Albert Fert (Pháp) và Peter Grünberg (Đức) về sự khám phá ra Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance)

1.3.6 Từ điện trở siêu khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR)

Hiệu ứng CMR cũng được các nhà nghiên cứu ở Việt Nam gọi là "Hiệu ứng

từ điện trở khổng lồ" (khi gọi hiệu ứng GMR là "Từ điện trở lớn") nhưng thường gọi tắt là hiệu ứng CMR Hiệu ứng này xảy ra với các vật liệu từ có cấu trúc perovskite (ví dụ manganese, cobaltite, ) có điện trở thay đổi cực lớn có thể tới hàng ngàn %

Hiệu ứng CMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1993, nhưng đến giờ vẫn chưa được lý giải một cách chính xác, và vẫn đang là một vấn đề lý thú cho nghiên cứu cơ bản Một lý thuyết đang được sử dụng rộng rãi để giải thích là mô

hình tương tác kép (double-exchange interaction)

Hiệu ứng CMR cũng được ứng dụng trong các đầu đọc/ghi của ổ cứng, phát triển các linh kiện spintronic…

Tóm tắt

 MR xuất hiện khi một vật dẫn được đặt trong từ trường ngoài và biểu thị bằng việc thay đổi điện trở suất của nó

 Trong trường hợp các kim loại phi từ thông thường, hiệu ứng từ điện trở thường, OMR, có nguồn gốc từ tương tác của điện tử dẫn với từ trường ngoài Tỷ số MR trong các kim loại thường là rất nhỏ, chỉ cỡ vài phần nghìn

 Đối với các kim loại và hợp kim sắt từ, hiệu ứng từ điện trở có nguồn gốc từ tương tác của điện tử dẫn với từ trường nội tại do từ độ tự phát tạo ra Sự tác dụng làm tăng rất mạnh trường trong nên tỷ số MR của các kim loại và hợp kim sắt từ khá lớn, đến vài phần trăm Nguyên nhân gây từ điện trở dị hướng (AMR)

là do quá trình tán xạ phụ thuộc spin và liên kết quỹ đạo của chuyển động điện

tử

 Trong các màng mỏng từ đa lớp, màng mỏng từ dạng hạt, các van spin hoặc các cấu trúc dị thể lai giữa các dạng này, tỷ số MR nói chung lớn hơn cỡ một bậc so với các kim loại và hợp kim sắt từ, vì vậy dược gọi là từ điện trở khổng lồ, GMR Sự khác nhau giữa hiệu ứng GMR với hiệu ứng MR thông thường ở cơ chế tán xạ

1.4 Một số mô hình giải thích cơ chế hiệu ứng từ trở

Từ những năm cuối thập kỷ 1980 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính chất vật lý mới đã được khám phá và được 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 sắt từ xen kẽ với các lớp kim loại phi từ” Ngay sau khi hiện tượng GMR ở các màng đa lớp được khám phá, nó đã trở thành một vấn đề nóng hổi trong lĩnh vực vật lý Những khám phá và nghiên cứu tiếp theo về GMR

đã góp phần đem lại những thay đổi to lớn trong cuộc sống hiện đại của chúng ta ngày nay

Về phương diện hiểu biết về Vật lý nói chung và từ học nói riêng, hiệu ứng GMR là một hiện tượng hoàn toàn mới mà cho đến nay cơ chế vật lý của nó còn

nhiều điều vẫn đang được làm sáng tỏ Trong khi đó ứng dụng của hiệu ứng vẫn đang được khai thác ráo riết vì đáp ứng được những yêu cầu của công nghệ thông tin và điện tử học hiện đại Trong một báo cáo nhan đề “Khoa học và Công nghệ tạo nên hình dáng thế kỷ 21” của Tổng thống B.Clinton trình bày trước Quốc hội Mỹ vào năm 1997 về chiến lược phát triển Khoa học và Công nghệ của Mỹ trong thế kỷ

21, đã chọn một số hướng phát triển công nghệ mũi nhọn, trong đó có công nghệ vật liệu GMR Điều này cho thấy tầm quan trọng và tiềm năng to lớn mà các vật liệu GMR đã và sẽ đem lại trong tương lai

Dưới đây là một số mô hình để giải thích cơ chế của hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) :

1.4.1 Giải thích theo mô hình hai dòng

Cách giải thích đầu tiên về cơ chế gây ra hiệu ứng MR trong các cấu trúc từ

đa lớp dựa trên cơ sở mô hình hai dòng của Mott

Hình 1.4: Sơ đồ đơn giản minh họa cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong các màng mỏng từ đa lớp khi có từ trường ngoài (a) và khi không có từ

trường ngoài (b)

Do các điện tử với chiều spin xác định (spin ↑ và spin ↓) có xác suất tán xạ khác nhau đối với phương xác định của mômen từ định xứ, nên có thể dùng từ trường ngoài để định hướng lại mômen từ trên cơ sở đó để điều khiển spin của điện

tử Giả thiết là:

 Khi quãng đường tự do trung bình của điện tử lớn hơn chiều dày của lớp phi từ

thì electron có thể vượt qua lớp phi từ này để chuyển từ mặt có từ tính này sang

mặt có từ tính khác

 Khi chuyển động trong vùng có từ tính hay vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính

thì sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào hướng spin của chúng

 Mômen từ có thể thay đổi khi có từ trường

- Khi không có từ trường ngoài hoặc khi từ trường ngoài quá nhỏ, không đủ

lớn để cho từ độ của các mặt phẳng từ quay theo phương của từ trường ngoài, thì

mỗi kênh điện tử với spin ↑ và spin ↓ đều bị tán xạ với xác suất tán xạ là như nhau,

điện trở suất đối với mỗi kênh là như nhau làm cho điện trở của mẫu là lớn (minh

họa trong hình 1.4b)

- Khi tăng dần từ trường ngoài thì các mômen từ của các spin định xứ quay

từ từ theo phương của từ trường ngoài Khi từ trường ngoài đủ lớn để các mômen từ

quay theo một phương thì khi đó chỉ có kênh điện tử có spin ngược chiều với từ độ

mới bị tán xạ mạnh, kênh kia cùng chiều nên tỉ lệ truyền điện tử là cao, do vậy điện

trở suất của mẫu giảm (minh họa trong hình 1.4a)

1.4.2 Giải thích theo mô hình cấu trúc dải

NM FM NM FM

(b)

Hình 1.5: Sơ đồ mật độ trạng thái (DOS) của điện tử trong cấu trúc lớp và quá trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc lớp đó với các cấu hình sắp

xếp phản song song a) và song song b) của từ độ trong các lớp

Trong hình 1.5 ở trên thì các đường cung liền nét là quỹ đạo không bị tán xạ, còn các đường cung đứt nét là các quỹ đạo bị tán xạ (các cung chấm chấm biểu thị tán xạ mạnh hơn các cung gạch gạch) Các ký hiệu EF làmức Fermi, NM là kim loại phi từ, và FM là các kim loại sắt từ

(Giả thiết là chiều dày các lớp (d) nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của các điện tử ( ))

Lý thuyết:

- Chỉ có các điện tử 3d ở gần EF mới tham gia quá trình tán xạ do mật độ trạng thái (DOS) chưa lấp đầy

- Chỉ có các điện tử 4s mới tham gia quá trình dẫn điện

- Chỉ có tán xạ giữa s - d mới gây ra dị thường ở ρ khi H ≠ 0

Vậy: xét các điện tử dẫn 4s có spin ↑ và ↓ Giả thiết các điện tử 4s xuất phát từ lớp phi từ (NM) chuyển đến các lớp sắt từ (FM) tiếp theo Tồn tại 2 trường hợp:

a) Khi từ độ của các lớp xắp xếp phản song với nhau, các điện tử spin ↓ bị

“bắt” ngay vào các trạng thái 3d còn trống với spin ↓ Trong khi đó các điện tử có spin ↑ (cùng chiều với M không bị bắt ở lớp đầu tiên vì không có trạng thái 3d spin

↑ nào trống cả Các điện tử này bị truyền sang lớp FM tiếp theo và bị bắt ở đây vì có các trạng thái 3d spin ↑ còn trống

Hình vẽ 1.5a là sơ đồ cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin ↑ và spin ↓ đều phân bố kế tiếp nhau cho nên cả 2 kênh điện tử spin ↑ và ↓ đều tương đương nhau trong quá trình truyền điện tử trong hệ và đều bị tán xạ như nhau làm cho ρtổng của hệ sẽ lớn

b) Khi từ độ của các lớp FM sắp xếp song song với nhau (hình vẽ 1.5b) ta nhận thấy: Chỉ có các trạng thái điện tử 3d spin ↓ là còn trống nên chỉ có kênh điện

tử này bị tán xạ, còn kênh điện tử spin ↑ được thông hoàn toàn vì các trạng thái điện

tử 3d có spin ↑ tương ứng bị lấp đầy gây nên đoản mạch một kênh điện tử dẫn đến

ρtổng của hệ giảm xuống

Ngoài ra còn nhận thấy: Các dải 4s của lớp FM cũng có thể tham gia quá trình tán xạ tương tự các điện tử 4s của các lớp kim loại phi từ (NM) nhưng là nhỏ nên có thể bỏ qua trong mô hình này

1.4.3 Giải thích theo mô hình chuỗi rào thế

Coi hệ đa lớp như một chuỗi rào thế dạng chữ nhật tuần hoàn đối với sự chuyển động của các điện tử dẫn

Hình 1.6: sự tương đương của một hệ màng mỏng đa lớp với một chuỗi rào thế khác nhau đối với các điện tử có spin khác nhau khi các lớp từ có cấu hình từ độ

phản song song a) và song song b)

Hình a) Từ độ có cấu hình phản song song, khi các điện tử dẫn chuyển động

cả hai kênh spin ↑ và ↓ đều bị cản trở bởi hàng rào thế có cùng hình dạng và độ cao

Hình b) Từ độ có cấu hình song song nhau khi điện tử dẫn chuyển động chỉ

có kênh spin ↓ bị chuỗi rào thế cản trở

1.4.4 Giải thích bằng mô hình mạng điện trở (mô hình đơn giản)

Mô hình mạng điện trở đơn giản do Mathon đưa ra Giả thiết rằng sự tán xạ của các điện tử dẫn phụ thuộc spin có nguồn gốc trong bản thân lớp FM

Mỗi lớp kim loại sắt từ (FM) và phi từ (NM) đều gồm 2 điện trở ứng với 2 kênh dẫn của các điện tử có spin ↑ và spin ↓

Mô hình này cho thấy tỉ số MR liên quan đến tỷ số tán xạ bất đối xứng giữa 2 kênh dẫn

Vì xác suất tán xạ của 2 kênh ứng với spin ↑ và spin ↑ khác nhau dẫn đến ρ↑ ≠ ρ↓

1.5.1 Ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc và tạp chất

Cấu trúc bề mặt phân cách trong các màng đa lớp có vai trò quan trọng đối với GMR, do quá trình tán xạ phụ thuộc spin diễn ra chủ yếu ở đó Yếu tố này rất nhạy với điều kiện công nghệ chế tạo màng mỏng Những nghiên cứu khác nhau đã

từ làm tăng sự liên kết từ theo kiểu sắt từ Do đó mức độ liên kết phản sắt từ giữa các lớp từ giảm đi làm cho tỷ số GMR giảm đi

 Nghiên cứu khác còn nhận thấy: một số chất có vai trò hoạt tính bề mặt lại ảnh hưởng tốt đến GMR, như các kết quả nghiên cứu của nhóm W.F.Egelhoff

 Nhóm nghiên cứu quá trình tán xạ ở bề mặt phân cách bằng cách xen thêm các lớp kim loại phi từ của hệ đa lớp, người ta nhận thấy một số nguyên tố có tác

dụng làm tăng hiệu ứng GMR trong khi một số khác lại không ảnh hưởng tới GMR Những nghiên cứu về vai trò của tạp chất trong bản thân các lớp từ cho thấy sự tán xạ phụ thuộc spin trong khối cũng tham gia đóng góp vào GMR

 Ngoài ra khi pha tạp có chọn lọc ở trong lớp từ hoặc xen giữa các bề mặt từ - không từ có thể làm đảo ngược trạng thái của GMR Đó là hiệu ứng GMR ngược (IMR) Trong khi hiệu ứng GMR là một hiệu ứng làm giảm điện trở khi từ trường làm cho từ độ ở các lớp sắp xếp song song với nhau thì với hiệu ứng IMR điện trở lại tăng theo từ trường Hiện tượng này xảy ra khi có sự thay đổi tính bất đối xứng spin trong các lớp từ do pha tạp chọn lọc

1.5.2 Sự phụ thuộc của GMR vào chiều dày các lớp

Năm 1990, nhóm Parkin khi khảo sát GMR ở hệ đa lớp Co/Cu trong một khoảng rộng về chiều dày của các lớp đã phát hiện ra rằng biên độ của GMR giảm dần theo chiều tăng độ dày của lớp Cu Tính chất này đã được khẳng định trong rất nhiều hệ màng đa lớp khác khi thay đổi chiều dày lớp phi từ Sự thay đổi này của GMR đã phản ánh một hiện tượng xảy ra giữa các lớp từ tương tự như tương tác trao đổi gián tiếp RKKY giữa các nguyên tử từ tạp chất trong đám các nguyên tử kim loại phi từ: Khi 2 nguyên tử tạp chất có từ tính nằm trong một đám các nguyên

tử kim loại phi từ, giữa chúng có tương tác trao đổi spin với nhau thông qua môi trường phân cực spin điện tử của các nguyên tử phi từ bao quanh Đây là tương tác gián tiếp và có dấu dương hay âm tùy theo khoảng cách giữa chúng và 2 mômen từ tương ứng sẽ sắp xếp song song (kiểu FM) hay phản song (kiểu AF) với nhau

Sự phụ thuộc vào khoảng cách này của tương tác là do spin của các điện tử dẫn của kim loại phi từ dao động giữa trạng thái spin ↑ và trạng thái spin ↓ trong quá trình lan truyền cảm ứng từ mômen từ thứ nhất đến mômen từ thứ hai Do đó mômen từ thứ hai sẽ dao động ↑ hay ↓ so với mômen từ thứ nhất tùy theo khoảng cách mà nó nằm ở trong chu kỳ nào Cường độ của tương tác giảm theo hàm 1/ r3 với r là khoảng cách giữa 2 mômen từ đang xét

Ứng dụng tương tác kiểu RKKY trên đây vào trường hợp 2 lớp nguyên tử từ cách nhau trong mạng tinh thể kim loại phi từ cho thấy sự liên kết giữa các lớp

nguyên tử sắt từ cũng có đặc trưng dao động Tuy nhiên, trong trường hợp này cường độ tương tác (J) giảm theo hàm của 1/r2

chứ không phải theo hàm 1/r3 như trong trường hợp 2 nguyên tử từ ở trên

Từ công thức: GMR =

AF

FM AF

Do đó khi thay đổi liên tục chiều dày các lớp phi từ, sự liên kết giữa các lớp

từ lần lượt chuyển từ kiểu AF sang kiểu FM, nghĩa là có tính dao động, dẫn đến giá trị của GMR cũng dao động theo

Hơn nữa do khoảng cách giữa 2 lớp từ tăng lên, cường độ liên kết AF ở các chu kỳ sau giảm dần theo hàm mũ Do đó độ lớn của tỷ số GMR ứng với các chu kỳ dao động này cũng giảm (hình 1.7):

g độ tương tác trao đổi)

d (chiều dày lớp phi

Vật liệu Perovskite có cấu trúc lý tưởng ABO3 thể hiện nhiều tính chất vật lý

đa dạng Đặc biệt, xuất hiện các chuyển pha từ, chuyển pha trật tự - điện tích cùng một số hiệu ứng như: hiệu ứng từ nhiệt, hiệu ứng từ trở khổng lồ… Trong các vật liệu perovskite manganite, hiệu ứng từ trở khổng lồ được quan sát thấy gần nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ đồng thời với sự biến đổi tính dẫn của vật liệu từ kim loại thành điện môi hoặc bán dẫn Ngoài ra từ trở khổng lồ còn được quan sát thấy

trong pha trật tự - điện tích

Để hiểu rõ hơn về vật liệu Perovskite manganite với các đặc tính về cấu trúc, tính chất điện, tính chất từ của loại vật liệu này trong hai chương tiếp theo của luận văn tôi sẽ trình bày quy trình chế tạo mẫu và các kết quả đo mà chúng tôi thu được cho hệ hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 Ở đây, chúng tôi lựa chọn nguyên tố kim loại chuyển tiếp Co thay thế cho Mn trong hợp chất La2/3Pb1/3MnO3 làm các mẫu nghiên cứu

Về mặt ứng dụng có ba tính chất điển hình cho việc nghiên cứu các hợp chất pha tạp Cobalt:

1 Từ trở: từ trở trong các hợp chất chứa Cobalt thường lớn nó giúp phát triển kho lưu trữ dữ liệu từ

2 Dẫn suất ion cao: Các kim loại thuộc họ Cobalt ba chiều có độ dẫn ion cao (phát hiện đầu tiên từ vật liệu perovskite Ln1-xMxCoO3 với Ln là các nguyên

tố đất hiếm và M là các kim loại kiềm, kiềm thổ như La, Ca, Sr) Nó có vai trò to lớn trong việc chế tạo chất xúc tác ôxy hóa, các sensơ khí và các vật liệu điện cực cho các tế bào nhiên liệu

3 Siêu dẫn: Tính siêu dẫn được phát hiện gần đây trên Na0.35CoO2.1.3H2O và

nó tương tự như các tính chất siêu dẫn giữa vật liệu này và các hợp chất đồng

ở nhiệt độ cao đã được nghiên cứu

Trong các hợp chất perovskite manganite có pha tạp Cobalt, nguyên tử Cobalt có thể có ba hóa trị khác nhau: Co2+

, Co3+ và Co4+ Điều này ảnh hưởng mạnh đến các tính chất từ, tính chất chuyển và cũng là nguồn gốc của độ dẫn ion, là tính chất xuất

hiện chính trong các vật liệu perovskite

Chương 2 THỰC NGHIỆM

Do độ đồng nhất về thành phần, sự hình thành và ổn định của cấu trúc tinh thể ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất vật lý của vật liệu nên việc chế tạo mẫu có một vai trò quyết định trong quá trình nghiên cứu tính chất của mẫu

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu perovskite như là: phương pháp phản ứng pha rắn dùng để chế tạo những mẫu dạng khối; phương pháp phún xạ catốt dùng để chế tạo những mẫu dạng màng Cho đến nay, phương pháp phản ứng pha rắn vẫn là phương pháp thông dụng nhất được sử dụng để chế tạo vật liệu perovskite Đây là phương pháp đơn giản, ít tốn kém, không đòi hỏi nhiều thiết bị quá đắt tiền, dễ thực hiện và phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm Các mẫu được chế tạo tại Bộ môn Vật Lý Nhiệt Độ Thấp Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc gia Hà Nội Để khắc phục nhược điểm kém đồng nhất của mẫu cần chọn các chế độ nghiền, trộn, ép, nung và ủ với những thời gian thích hợp Sau khi trải qua nhiều thí nghiệm đã chọn được chế độ thích hợp để chế tạo được các mẫu perovskite đơn pha phục vụ cho quá trình nghiên cứu

Theo phương pháp này, người ta dùng phối liệu ban đầu là các oxit hoặc các muối cacbonat của các kim loại hợp phần, các phối liệu ban đầu được cân theo hợp thức, sau đó nghiền, trộn, ép, nung nhiều lần để tạo ra vật liệu có thành phần mong muốn

Cơ sở của phương pháp này chính là quá trình xâm nhập của các nguyên tử chất rắn khác loại vào lẫn nhau, quá trình này được gọi là quá trình khuyếch tán Quá trình khuyếch tán này xảy ra mạnh trong vật rắn khi nung chúng ở nhiệt độ cao

cỡ bằng 2/3 so với nhiệt độ nóng chảy Nếu trạng thái ban đầu của hỗn hợp vật rắn bất đồng về mặt thành phần hóa học thì quá trình khuyếch tán sẽ làm cho chúng trở nên đồng nhất hơn Trong quá trình khuyếch tán các nguyên tử tương tác với nhau

và giữa chúng hình thành những liên kết hóa học mới, điều này có nghĩa là có thể có