Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) trong hợp kim hệ hạt Co - Cu

Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 1 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học s phạm hà nội 2 ***&*** INH TH BC Nghiên cứu Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (gmr) trong hợp kim hệ hạt Co - Cu Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số:604407 Luận văn thạc sĩ vật lý Cố vấn khoa học: GS.TS Nguyễn Hoàng Nghị Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Bùi Xuân Chiến hà nội 2011 Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 2 Lời cảm ơn Luận văn này đợc hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Vật liệu từ và nanô tinh thể, Viện Vật lý Kỹ thuật, trờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Trớc hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Gs.Ts Nguyễn Hoàng Nghị ngời cố vấn khoa học, Ts Bùi Xuân Chiến ngòi hớng dẫn khoa học trực tiếp và tập thể các cán bộ, giáo viên Bộ môn và Phòng thí nghiệm Vật liệu từ và nanô tinh thể đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp nơi tôi công tác Trờng THPT Nho Quan B Ninh Bình tạo điều kiện, động viên giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố, mẹ, chồng và tất cả những ngời thân yêu trong gia đình cùng bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi rất nhiều cả về vật chất và tinh thần trong thời gian thực hiện luận. Luận văn này đã đợc hoàn thành với sự hợp tác khoa hoc của đề tài nghiên cứu Khoa học cơ bản ( Khoa học tự nhiên) năm 2010, mã số 103.02- 2010.19 (11 Vật Lý). Tác giả luận văn Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 3 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Tác giả luận văn Đinh Thị Bắc Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 4 Mục lục Lời cảm ơn 1 Lời cam đoan 2 Mục lục 3 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6 Mở đầu 7 Nội dung Chơng 1: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR 9 1.1 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt 9 1.1.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR 9 1.1.2 Cấu trúc nanô của vật liệu từ điện trở dạng hạt 10 1.1.3 Cấu trúc đơn đômen. 12 1.1.4 Trạng thái siêu thuận từ 14 1.2 Hiệu ứng từ điện trở 14 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thờng OMR (Ordinary Magneto Resistance) 14 1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hớng AMR (Anisotropic Magneto Resistance) 15 1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance) 17 1.1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong dạng màng đa lớp 17 Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 5 1.1.3.2 Sự phát hiện hiệu ứng GMR trong hệ hạt 18 1.2.4 Mật độ trạng thái 21 1.3 Cơ chế của hiệu ứng GMR 24 1.3.1 Mô hình hai dòng của Mott 25 1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin 27 1.4 Giải thích hiệu ứng GMR trong hệ màng đa lớp 28 1.4.1 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình tán xạ phụ thuộc spin 28 1.4.2 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình cấu trúc dải 30 1.5 Hiệu ứng từ điện trở trong các cấu hình đo 33 1.6 ứng dụng hiệu ứng GMR 34 Chơng 2: Thực nghiệm 36 2.1 Công nghệ chế tạo. 36 2.1.1 Công nghệ nguội nhanh 36 2.1.2 Phơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dới dạng băng mỏng 37 2.1.3 Chiều dày tới hạn của băng hợp kim vô định hình. 38 2.1.4. Tốc độ nguội tới hạn của hợp kim nóng chảy 39 2.2 Công nghệ chế tạo mẫu 43 2.2.1 Công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng bằng thiết bị nguội nhanh đơn 43 Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 6 trục 2.2.2. Nấu phối, phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu ở dạng băng mỏng 44 2.2.3. Kỹ thuật gia công mẫu 46 2.2.4 Xử lý nhiệt kết tinh 46 2.3 Các phơng pháp nghiên cứu 48 2.3.1 Phơng pháp hiển vi điện tử 48 2.3.2 Phơng pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction). 49 2.3.3 Phơng pháp đo từ điện trở bằng 4 mũi dò. 49 Chơng 3: Kết quả nghiên cứu 52 3.1 Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt 52 3.2 ảnh hởng của hàm lợng Co lên cấu trúc, tính chất từ và tỷ số GMR của hệ mẫu Co Cu 55 3.3 Khảo sát ảnh hởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Co-Cu 60 3.4 ảnh hởng của nhiệt độ môi trờng đo với mẫu Co 10 Cu 90 65 Kết luận chung 69 Tài liệu tham khảo 70 Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 7 Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu sử dụng trong luận văn Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng việt AES Auger Electron Spectroscopy Phổ điện tử Auger AF Antiferromagnetic Phản sắt từ BEI Bede scattered Electron Image Điện tử tán xạ ngợc DOS Density of States Mật độ trạng thái FM Ferromagnetic Sắt từ GMR Giant Magnetoresistance Từ điện trở khổng lồ HREM High resolution electron microscopy Hiển vi điện tử phân giải cao MR Magnetoresistance Từ điện trở NM Non Magnetic Phi từ OMR Ordinary Magnetoresistance Từ điện trở thờng RKKY Ruderman-Kittel-Kasuya- Yosida Tên riêng các nhà khoa học SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét Spin Spin up Điện tử Spin hớng lên Spin Spin down Điện tử Spin hớng xuống TEM Transmission Electron Microscope Hiển vi điện tử truyền qua VĐH Amorphous Vô định hình VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X §inh ThÞ B¾c LuËn v¨n th¹c sÜ VËt lÝ 8 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại đây nhiều hiện tượng, tính chất vật lý mới được khám phá và nghiên cứu mạnh mẽ ở các hệ từ có các đặc trưng kích thước giới hạn. Một trong những hiệu ứng được phát hiện là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. Hiệu ứng này do hai nhà vật lý học Albert Fert người Pháp và Peter Grunberg người Đức cùng phát hiện ra. Hiệu ứng không chỉ do sự thay đổi lớn về giá trị mà do cơ chế, đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử. Điện trở của vật liệu thay đổi là do sự đóng góp của các yếu tố: tán xạ trên mạng tinh thể; tán xạ trên spin và tán xạ trên sai hỏng. Các điện tử có spin định hướng khác nhau (up va down) sẽ tán xạ khác nhau trên các lớp sắt từ dẫn đến việc thay đổi về điện trở của mẫu. Phát hiện này đã mở ra một nghành mới là “spintronics” (điện tử học spin), cho phép chế tạo các linh kiện hoạt động bằng cách điều khiển sự phân cực của spin điện tử (giống như việc dùng điện trường để điều khiển hạt dẫn là điện tử trong các linh kiện điện tử truyền thống). Các nhà khoa học tin tưởng rằng đây sẽ là thế hệ linh kiện điện tử cho tương lai với tốc độ truyền thông tin cực nhanh và khả năng lưu trữ thông tin lớn. Phát hiện này ngay lập tức được ứng dụng trong các đầu đọc ghi của ổ cứng, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin và tăng mật độ lưu trữ cho ổ đĩa cứng. Ứng dụng của hiện tưọng vật lý này đã cách mạng hoá các kỹ thuật để tìm lại được các dữ liệu trên ổ cứng máy tính. Khám phá này đóng một vai trò then chốt trong các bộ cảm biến từ cũng như sự phát triển của một thế hệ điện tử mới. Khám phá của họ đã biến việc thu nhỏ tối đa kích thước ổ cứng trở thành hiện thực đồng thời cho phép người dùng có thể lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng một cách nhanh chóng và dễ dàng. Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 9 Nhng ng dng ca hiu ng t in tr khng l (GMR) m nú ó tr thnh ch ni bt trong vt lý cng nh trong cỏc nghnh khoa hc v k thut vt liu. Ngi ta ó tỡm ra nhiu phng phỏp khỏc nhau ch to vt liu GMR dng ht nh bc bay nhit, phỳn x cao tn, in hoỏ, ngui nhanh hp kim t th lng K thut ngui nhanh trc tip t th lng cú th cho phộp to ra mt trng thỏi mi ca kim loi: trng thỏi vụ nh hỡnh vi c im cu trỳc vi mụ. Vỡ vy hp kim vụ nh hỡnh ó tr thnh nguyờn liu lý tng ch to cỏc vt liu cu trỳc nanụ bng cỏch phõn hu cht rn siờu quỏ bóo ho c hỡnh thnh trong quỏ trỡnh ngui nhanh. Bi nhng lý do nờu trờn tụi ó chn ti: Hiu ng t in tr khng l trong h ht Co-Cu 2. Mc ớch nghiờn cu - Ch to hp kim Co x Cu 100-x (x=8,10,12) bng phng phỏp ngui nhanh. - Kho sỏt hiu ng GMR trong vt liu h ht. - Kho sỏt s nh hng ca hm lng Co lờn cu trỳc, tớnh cht t v t s GMR ca h mu Co-Cu. - Kho sỏt nh hng ca ch nhit lờn t s GMR ca h Co-Cu. - Kho sỏt nh hng ca nhit mụi trng o vi mu Co 10 C 90 . 3. Nhim v nghiờn cu - Nghiờn cu ti liu, tin hnh thớ nghim, phõn tớch kt qu v a ra kt lun. 4. i tng v phm vi nghiờn cu - Mu bng dng ht Co-Cu. Phm vi nghiờn cu ca ti: Nghiờn cu hiu ng t in tr trong h ht Co-Cu. 5. Phng phỏp nghiờn cu - Ch to mu bng phng phỏp ngui nhanh . Nghiờn cu cu trỳc bng phng phỏp hin vi in t, nhiu x tia X. o t in tr bng 4 mi dũ. Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí 10 CHNG 1 HIU NG T IN TR KHNG L GMR 1.1 Cu trỳc v trng thỏi t ca vt liu t in tr dng ht 1.1.1 Thnh phn cu to ca vt liu t in tr khng l GMR Thnh phn cu to ca vt liu t in tr khng l GMR gm hai thnh phn chớnh l vt liu phi t (nh Cu, Ag, Au, ) v vt liu t (nh Fe, Co, ). Nh ta ó bit dũng in l dũng cỏc in t. Gm hai loi in t: in t hng lờn (spin up - ) v in t hng xung (spin down - ). Trong vt dn phi t, chng hn Cu mi nguyờn t cú 29 in t lp y cỏc mc nng lng t trong ra ngoi: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 . Lp 3d lp y 10 in t mi chuyn sang lp 4s nờn Cu khụng cú momen t, s in t hng lờn bng s in t hng xung. Trong vt liu t, chng hn nh Ni mi nguyờn t cú 28 in t cu hỡnh in t: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 ( ớt hn Cu mt in t). Cỏc in t cha lp y lp 3d ó chuyn sang lp y lp 4s, lm cho Ni cú s trao i qua li gia lp 3d v lp 4s to ra s lai hoỏ, s in t cú spin hng lờn nhiu hn s in t cú spin hng xung. Kt qu l nguyờn t Ni cú momen t riờng [2]. Đế (Si/SiO 2 , Si, thủy tinh, sa-phia, Hạt sắt từ; Co, Fe, Ni, NiCo, FeCo, Nền kim loại phi từ: Cu, Au, Ag, Hỡnh 1.1: S minh ho cu trỳc dng ht ca mng mng n lp[8] [...]... hướng một cách ngẫu nhiên Lúc đó hệ tương đương với một hệ thuận từ và được gọi là hệ siêu thuận từ (superparamagnetic system) Tính chất siêu thuận từ đã được quan sát thấy trong các hệ vật liệu hệ Co - Cu có hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR effect) 1.2 Hiệu ứng từ điện trở 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) Từ điện trở hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật... ở trong các lớp sắt từ hay hạt từ cũng như bề mặt phân cách giữa các miền từ (các lớp từ hay các hạt từ) Mức độ tán xạ phụ thuộc vào tương quan từ độ giữa các lớp sắt từ hay hạt từ khi các spin chuyển dịch từ lớp từ hay hạt từ này đến lớp sắt từ hay hạt từ khác qua các lớp hoặc các nền phi từ (hoặc xuyên hầm trong trường hợp các lớp cách không dẫn điện) Điện trở của hệ ở trạng thái thấp khi từ độ trong. .. liệu từ dạng hạt, như Co- Ag, Fe -Cu, Fe-Ag có lực kháng từ Hc khá lớn cỡ 3000 Oe Như vậy đối với các vật liệu có cấu trúc đơn đomen thể hiện lực kháng từ Hc lớn, hằng số dị hướng K lớn và sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào kích thước của hạt Trong vật liệu từ điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ trong hệ hạt phải là đơn đômen thì mới quan sát được hiệu ứng GMR Tức là chiều dày các lớp sắt từ. .. hệ màng đa lớp, màng mỏng dạng hạt bao gồm các hạt nằm trong nền kim loại hay hợp kim phi từ và các van spin hoặc các cấu trúc dị thể lai giữa các dạng này, tỷ số MR của các vật liệu đó thường lớn so với MR của các kim loại và hợp kim sắt từ, nên được gọi là từ điện trở khổng lồ GMR Cơ chế thay đổi điện trở (điện trở suất) trong các cấu trúc từ dị thể là do quá trình tán xạ phụ thuộc spin của các điện. .. Thị Bắc Hạt sắt từ; Co, Fe, Ni, NiCo, FeCo, Nền kim loại phi từ: Cu, Au, Ag, Hỡnh 1.2: S minh ho cu trỳc dng ht ca vt liu khi [8] 1.1.2 Cu trỳc nanụ ca vt liu t in tr dng ht Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia thành 2 loại: Loại thứ nhất gồm các hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O3, loại thứ hai gồm các hạt kim loại từ kích thước nanô mét trong nền kim loại phi từ, đó là... phụ thuộc vào từ trường trong màng đa lớp [9] 1.2.3.2 Sự phát hiện hiệu ứng GMR trong hệ hạt Năm 1992, nhóm của A E Berkowitz ở Trường đại học tổng hợp California, San Diego [10] và nhóm của C.L Chien ở Trường đại học tổng hợp Johns Hopkins, Baltimor, Maryland [13] phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các mng hợp kim Co- Cu với cấu trúc l các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ trở đạt tới hơn 20%,... liệu từ cấu trúc dạng hạt, có hiệu ứng GMR đã được các nhà nghiên cứu về sau tiếp tục phát triển, lý giải và chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong các vật liệu có cấu trúc dạng hạt, điện trở của vật liệu thay đổi theo từ trường và có quan hệ với cấu hình sắp xếp từ độ của các hạt sắt từ Mỗi hạt sắt từ (đơn đômen) có từ độ Mi (i chỉ hạt sắt từ số thứ tự thứ i) nằm theo phương trục dễ của mỗi hạt. .. trúc dạng hạt như hai lớp từ cạnh nhau trong màng đa lớp và nền kim loại phi từ bao quanh các hạt từ trong vật liệu dạng hạt như lớp kim loại phi từ xen kẽ giữa các lớp sắt từ trong màng đa lớp Khi chưa có từ trường ngoài, mômen từ của các hạt sắt từ cạnh nhau định hướng ngược với nhau, do đó trên toàn bộ hệ, cả hai kênh spin đều bị tán xạ như nhau Trường hợp này tương đương với trạng thái điện trở cao... (DOS) của điện tử trong cấu hình dải và quá trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc 34 1.5 Hiệu ứng từ điện trở trong các cấu hình đo Từ điện trở (Magneto Resistance MR) là sự thay đổi điện trở của vật dẫn khi nó đặt trong từ trường ngoài, hiệu ứng MR có thể có giá trị âm hoặc dương tuỳ thuộc vào điện trở của vật dẫn tăng hay giảm khi có tác động của từ trường ngoài.Với... liệu thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đổi giữa các mômen từ nguyên tử tạo nên trật tự từ Nhưng nếu trong một hệ sắt từ, kích thước các hạt sắt từ rất nhỏ, sao cho năng lượng dị hướng từ (yếu tố ghim mômen từ của hạt theo 1 phương - phương dễ từ hoá) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm mômen từ của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hoá), khi đó các véc tơ từ độ của các hạt sắt từ không bị . đại học s phạm hà nội 2 ***&*** INH TH BC Nghiên cứu Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (gmr) trong hợp kim hệ hạt Co - Cu Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số:604407 Luận. 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thờng OMR (Ordinary Magneto Resistance) 14 1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hớng AMR (Anisotropic Magneto Resistance) 15 1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR. có hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR effect). 1.2 Hiệu ứng từ điện trở 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thờng OMR (Ordinary Magneto Resistance) Từ điện trở hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của