Nghiên cứu chế tạo vật liệu có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GRM) dạng hạt

Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR Giant magnetoresistance trong các màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các không từ

HỎA THỊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG

TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) DẠNG HẠT

KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI - 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

HỎA THỊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG

Lời cảm ơn

Trước hết em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Xuân Chiến , người đã chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo, các bạn sinh viên khoa Vật

lý, trường đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện, động viên giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, ông bà, và tất cả những người thân yêu trong gia đình đã động viên khích lệ em rất nhiều cả về vật chất lẫn tinh thần trong thời gian em thực hiện khóa luận này

Tác giả khóa luận

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này

là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác

Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong khóa luận đã được chỉ rõ nguồn gốc

Sinh viên thực hiện

Hỏa Thị Thanh Bình

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN 4

1.1 Hiệu ứng từ điện trở 4

1.1.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) 4

1.1.2 Hiệu ứng từ dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance) 5

1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance) 6

1.1.4 Mật độ trạng thái 7

1.1.5 Trạng thái siêu thuận từ 10

1.2 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt 11

1.2.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu GMR 11

1.2.2 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng hạt 12

1.2.3 Cấu trúc đơn domain 14

1.3 Cơ chế của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR 16

1.3.1 Mô hình hai dòng Mott 17

1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin giải thích GMR trong hệ đa lớp 19

1.3.3 Giải thích hiện tượng trong mẫu hạt 23

1.4 Một số ứng dụng hiệu ứng GMR 25

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 27

2.1 Công nghệ chế tạo mẫu 27

2.1.1 Công nghệ nguội nhanh đơn trục 27

2.1.2 Nấu phối, phun hợp kim nóng chảy để tạo vật liệu ở dạng băng mỏng 28

2.2 Các phương pháp nghiên cứu 31

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) 31

2.2.2 Phương pháp đo từ điện trở bằng 4 mũi dò 31

2.2.4 Phương pháp đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung 34

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Phân tích cấu trúc mẫu bằng nhiễu xạ tia X (XRD) 36

3.2 Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt 37

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Cu – Co 39

KẾT LUẬN CHUNG 2

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

Chữ viết Chữ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

Microscope

Spin↓ Spin down Điện tử spin hướng xuống VSM Vibrating Sample Từ kế mẫu rung

Magnetometer XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính chất vật lý mới đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các hệ từ có các đặc trưng kích thước được giảm nhỏ Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magnetoresistance) trong các màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các không từ và trong hệ hạt bao gồm các hạt sắt từ nằm trên nền kim loại không từ Ngay sau khi ra đời, hiệu ứng GMR đã trở thành một vấn đề nóng hổi trong lĩnh vực vật

lý

Hiệu ứng từ điện trở đã được khám phá từ rất lâu, khoảng giữa thập kỉ 80 của thế kỉ XIX, và có bản chất là hiệu ứng Hall Hiệu ứng GMR cũng là một hiệu ứng từ điện trở nhưng có sự thay đổi điện trở lớn hơn rất nhiều (khoảng vài chục phần trăm) so với hiệu ứng từ điện trở thông thường (khoảng vài phần ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới Chính vì vậy hiệu ứng này đã trở thành một chủ đề nổi bật trong vật lý học cũng như khoa học kĩ thuật vật liệu

Hiệu ứng GMR được tìm ra vào năm 1988 thì đến năm 1994 đã có những sản phẩm GMR đầu tiên được bán ra trên thị trường thế giới do công ty Nonvolatile Electronics Inc (NVE) của Mỹ chế tạo Đó là những cảm biến từ trường dùng cho các mục đích khác nhau từ công nghiệp ô tô cho đến các thiết bị trợ thính Do những ưu điểm vượt trội của vật liệu này là khả năng chống nhiễu

và chống ồn rất cao nên chúng được ứng dụng trong các ổ đĩa cứng của máy tính, làm bộ nhớ từ không tự xóa MRAM… Như vậy ứng dụng lớn nhất mở ra từ hiệu ứng này là việc phát triển các linh kiện spintronics, các linh kiện điện tử thế

hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin của điện tử Các đặc trưng

của các thiết bị điện tử thế hệ mới này có tính tổ hợp cao (cả điện tử học, từ học

và quang tử), đa chức năng, thông minh, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng nhưng hiệu suất cao, xử lý và khả làm tươi (refresh) thông tin với tốc độ rất cao…

Có thể nói công nghệ spintronics sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển của công nghệ điện tử – tin học – viễn thông trong thế kỷ 21 Điều này được khẳng định trong báo cáo "Khoa học và công nghệ tạo nên hình dáng thế kỷ 21"

do tổng thống Mỹ B.Clintơn trình bày trước quốc hội Mỹ năm 1997 về chiến lược phát triển khoa học và công nghệ của Mỹ trong thế kỷ XXI

Từ các công trình nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng GMR ở nước ngoài cho thấy các màng mỏng đa lớp (cỡ hàng chục lớp) có hiệu ứng GMR lớn, có thể đến cỡ 100% nhưng ở từ trường cao và nhiệt độ thấp Đối với các băng dạng hạt, hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản, có khả năng chế tạo được trong điều kiện kĩ thuật hiện nay ở nước ta

Chính vì lẽ đó em chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có hiệu ứng từ điện

trở khổng lồ (GMR) dạng hạt ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp của mình

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim bằng phương pháp nguội nhanh

- Khảo sát hiệu ứng GMR trong hệ hạt

- Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỉ số GMR của hệ Co-Cu

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mẫu băng dạng hạt Cu-Co chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở trong hệ hạt Cu-Co

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu tài liệu, tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả và đưa ra kết luận

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Hiệu ứng từ điện trở

1.1.1 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 liệu, có

thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với

sự thay đổi điện trở không quá 5% Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường

Hiệu ứng này quan sát thấy ở các kim loại Khi có tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz nên chuyển động tròn và không đóng góp vào dòng điện (vận tốc trung bình bằng không trong một chu trình) cho đến khi bị tán xạ Sau khi 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:

) /





H f

1.1.2 Hiệu ứng từ dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)

Từ điện trở dị hướng (Anisotropic magnetoresistance, viết tắt là AMR)

là một hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài) phụ thuộc vào hướng của dòng điện (không đẳng hướng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tương đối giữa từ độ và dòng điện

Hiệu ứng AMR lần đầu tiên được William Thomson, một giáo sư Đại học Glasgow (Scotland, Vương quốc Anh) vào năm 1856 William Thomson đã chỉ

ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt

từ là Niken và Sắt dưới tác dụng của từ trường ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng Ngoài ra, sự thay đổi này còn phụ thuộc vào phương đo, góc tương đối giữa cường độ dòng điện (của bộ đo điện trở) và từ trường ngoài, hay chiều của độ từ hóa của mẫu

Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một

số chất bán dẫn hoặc bán kim (có xảy ra hiệu ứng Hall lớn dị thường) nhưng khá nhỏ Trong từ học, người ta đặc trưng cho tính chất từ điện trở dị hướng bởi độ biến thiên điện trở suất theo hai phương song song và vuông góc với từ trường:

Lý thuyết về hiệu ứng AMR lần đầu tiên được giải thích vào năm 1971 bởi mô hình tán xạ điện tử trên các điện tử dẫn của G T Meaden (Dalhousie University, Nova Scotia, Canada): hiện tượng từ điện trở ở đây chủ yếu bị tri phối bởi sự thay đổi khối lượng hiệu dụng của điện tử khi tán xạ trên các vùng năng lượng, và giá trị tỉ số AMR có thể phụ thuộc vào bậc hai của từ trường:

(1.1.6)

với τ, e là thời gian hồi phục và điện tích của điện tử, m 1 , m 2 là khối lượng hiệu dụng trên các vùng năng lượng

1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance)

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant magnetoresistance, viết tắt là GMR)

là sự thay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài

Hình 1.1: Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các siêu mạng Fe/Cr

phát hiện bởi nhóm của Albert Fert[8]

Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ điện trở:

% 100 )

0 (

) 0 ( ) (

% 100 )

0 (

) 0 ( ) (

%

R

R H R H

Năm 1992, nhóm của A E Berkowitz (Đại học California, San Diego, Mỹ) phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ trở đạt tới hơn 20% Các nghiên cứu về sau tiếp tục phát triển và lý giải hiệu ứng này, và tính từ "khổng lồ" không còn được hiểu theo nghĩa độ lớn của hiệu ứng từ điện trở nữa, mà hiểu theo cơ chế tạo nên hiệu ứng: đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử, và

từ đó tất cả các hiệu ứng có cơ chế tán xạ phụ thuộc spin, mặc dù từ số GMR nhỏ nhưng vẫn được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

1.1.4 Mật độ trạng thái

Trong nguyên tử, các điện tử sắp xếp theo từng mức năng lượng từ thấp đến cao theo nguyên lý Pauli, tạo thành các lớp (s, p, d, f,…) Trong kim loại nói chung, các điện tử lớp ngoài (s, d và f) là các yếu tố chính quyết định tính chất lý hóa của vật liệu bởi vì tính linh động của chúng cao hơn của các điện tử ở lớp trong Phạm vi nghiên cứu tính chất của các vật liệu từ, chúng ta thường gặp các nguyên tố kim loại có lớp điện tử ngoài cùng 4s và lớp điện tử liền kề bên trong 3d không điền đầy, sự không điền đầy của lớp 3d này tạo nên từ tính cho các vật

liệu Sau đây ta sẽ khảo sát sự phân bố mật độ trạng thái của các nguyên tử sắt từ

và thuận từ

Các điện tử 4s có độ linh động lớn gần như là điện tử tự do, mật độ trạng thái (tức là số trạng thái / đơn vị năng lượng) của các điện tử này không cao Các điện tử 4s này đóng góp chính vào quá trình dẫn điện nên chúng được gọi là các điện tử dẫn

Các điện tử 3d được gọi là các điện tử từ vì chúng đóng góp chính vào tính chất từ của nguyên tố và của vật liệu Đối với các kim loại mà lớp 3d điền đầy hoàn toàn, momen từ của nguyên tử bằng không do spin của các điện tử ghép đôi triệt tiêu lẫn nhau Trong các nguyên tử từ, lớp điện tử trong chưa điền đầy đã điền sang lớp ngoài tạo nên momen từ nguyên tử

Trong các kim loại chuyển tiếp, do tương tác trao đổi giữa các điện tử trong nguyên tử và giữa các nguyên tử với nhau mà có tính thuận từ và sắt từ

Theo nguyên lý thuận từ Pauli, tính thuận từ được giải thích dựa trên sự tách vùng khi có từ trường ngoài như sau:

Khi không có từ trường ngoài, lớp 3d tách thành hai vùng giống nhau, một vùng chứa các điện tử có spin up (ms = ½), vùng còn lại chứa các điện tử có spin down (ms = - ½) (Bởi vì mỗi trạng thái động lượng có thể biểu diễn bằng tổng của hai trạng thái có spin up và spin down) Tổng momen từ của nguyên tử bằng không, do đó momen từ của vật liệu bằng không

Khi có từ trường ngoài H tác dụng, các điện tử có spin cùng chiều với H giảm năng lượng đi một giá trị bằng E HB đồng thời các điện tử spin ngược chiều nhận thêm một giá trị năng lượng bằng EHB Kết quả là sự dịch chuyển tương đối của hai vùng năng lượng con giảm đi một giá trị 2 E 2HB

trạng thái đó ứng với năng lượng không cực tiểu và không bền Vì vậy một phần

spin down chuyển sang spin up và số spin up nhiều hơn số spin down tạo nên momen từ cho nguyên tử: B2HN(  )

M         (1.1.9) Đối với các nguyên tử sắt từ, các nguyên tử có sẵn momen từ nguyên tử ngay cả khi không có từ trường ngoài, điều này giải thích bằng tương tác trao đổi giữa các điện tử trong bản thân nguyên tử Gây ra sự tách vùng của vùng năng lượng 3d Tương tác giữa các điện tử gây ra hiện tượng tách vùng có thể hiểu theo cách đơn giản nhất như sau Ta đưa thêm thành phần biểu thị tương tác giữa các điện tử, năng lượng này phải tỉ lệ với từ độ của một hệ spin, tức là tỉ lệ với từ

độ trung bình tính trên một spin:

B ex

k E

Boltzmann, 

là từ độ trung bình của hệ spin, θ’ là hệ số tương tác trao đổi Khi đó năng lượng của các spin song song và phản song song với từ trường ngoài là:

B B

k k

k H

k k

k H

( ) ( [ 2

1

k k k

( ) ( [ 2

1

k k k

1.1.5 Trạng thái siêu thuận từ

Dựa trên cấu trúc vi mô vật liệu từ được chia làm 3 loại: vật liệu nghịch

từ, vật liệu thuận từ, vật liệu sắt từ Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có momen

từ nguyên tử bằng không Hai loại vật liệu từ còn lại có momen từ nguyên tử khác không do các lớp điện tử chưa điền đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ không có trật tự từ, tức là các momen từ nguyên tử sắp xếp một cách hỗn loạn, còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại trật tự từ Trong vật liệu thuận từ, các nguyên

tử có momen từ nguyên tử khác không, nhưng do không có tương tác trao đổi giữa các momen 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 momen 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” momen từ nguyên tử của hạt theo phương dễ từ hóa) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm momen từ của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hóa), khi đó các vecto từ độ của các hạt sắt từ không bị “ghim” nữa mà có thể quay tự do, định hướng một cách ngẫu nhiên Lúc đó, hệ tương đương với một hệ thuận từ

và được gọi là hệ siêu thuận từ

1.2 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt

1.2.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu GMR

§ Õ (Si/SiO2, Si, thñy tinh, sa-phia,

H¹t s¾t tõ; Co, Fe, Ni, NiCo, FeCo,

NÒn kim lo¹i phi tõ: Cu,

Au, Ag,

Hình 1.3: Sơ đồ minh họa cấu trúc dạng hạt của màng mỏng đơn lớp[7]

Thành phần cấu tạo của vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR gồm hai thành phần chính là vật liệu phi từ (như Cu, Ag, Au,…) và vật liệu từ (như Fe, Co,…)

H¹t s¾t tõ; Co, Fe, Ni, NiCo, FeCo,

NÒn kim lo¹i phi tõ: Cu,

Au, Ag,

Hình1.4: Sơ đồ minh họa cấu trúc dạng hạt của vật liệu khối[7]

Như ta đã biết dòng điện là dòng các điện tử Gồm hai loại điện tử: điện tử hướng lên (spin up) và điện tử hướng xuống (spin down) Trong vật dẫn phi từ, chẳng hạn Cu, mỗi nguyên tử có 29 điện tử lấp đầy các mức năng lượng từ trong

ra ngoài: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 Lớp 3d lấp đầy 10 điện tử mới chuyển sang lớp 4s nên Cu không có momen từ, số điện tử hướng lên bằng số điện tử hướng xuống Trong vật liệu từ, chẳng hạn như Ni, mỗi nguyên tử có 28 điện tử, cấu hình điện tử: 2s2

2p6 3s2 3p6 3d8 4s2 (ít hơn Cu 1 điện tử) Các điện tử chưa lấp đầy ở lớp 3d đã chuyển sang lấp đầy lớp 4s, làm cho Ni có sự trao đổi qua lại giữa lớp 3d và lớp 4s tạo ra sự lai hóa, số điện tử có spin hướng lên nhiều hơn số điện tử có spin hướng xuống Kết quả là nguyên tử Ni có momen từ riêng[2]

1.2.2 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng hạt

Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia làm 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 kim loại từ kích thước nanomet trong nền kim loại phi từ, đó là vật liệu GMR, đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây, ví dụ như hệ Co – Cu

Vật liệu nano dạng hạt,

gồm các hạt kim loại trong nền

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

lý của vật liệu thông qua các

yếu tố như tỉ phần thể tích của

các hạt xv (tỉ số thể tích của các

hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt (2r) Hai yếu tố xv và 2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu, giá trị của xv thay đổi từ 0 đến 1[11]

Hình 1.6: Mô tả sự thay đổi sụ thay đổi cấu trúc vật liệu từ điện trở dạng hạt

theo sự thay đổi tỷ phần thể tích (0  x v 1)

Hình 1.5: Đường cong GMR của màng mỏng từ đơn lớp hợp kim dạng hạt và trạng thái tương ứng

Với các vật liệu rắn kim loại dạng hạt, người ta còn đưa ra khái niệm tỉ phần thể tích của phần vật liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ (Xp) Các hạt có dạng hình cầu, bán kính r thường được phân bố một cách ngẫu nhiên và đồng nhất trong vật liệu nền Số lượng các hạt kim loại trong thể tích được tính bằng biểu thức sau:

x v

3 / 1

Nếu các hạt phân bố một cách ngẫu nhiên thì tỉ phần diện tích bề mặt kim loại (xa) coi tương tự như tỉ phần thể tích (xv) Nên:

xa = xv (1.2.4) Đây là các thông số mà các tính chất vật lý, tỉ số GMR của vật liệu đều liên quan, sự thay đổi của các thông số này dẫn đến sự thay đổi tỉ số GMR

1.2.3 Cấu trúc đơn domain

* Đơn domain (Single domain): là một dạng cấu trúc từ của vật từ gồm các

hạt, mà mỗi hạt được cấu tạo bởi một domain từ Có nghĩa là trong mỗi hạt đó, các mômen từ sắp xếp đều nhau theo cùng một hướng

* Sự hình thành cấu trúc đơn domain:

Cấu trúc từ của vật sắt từ được quy định bởi: hình dạng vật từ, cấu trúc hạt (kích thước, hình dạng, sự định hướng ) Sự thay đổi kích thước hạt dẫn đến sự

thay đổi cấu trúc domain Khi kích thước hạt của vật từ giảm dưới kích thước tới hạn (ký hiệu là Rc), xuất hiện một cấu hình domain mới mà mỗi hạt sẽ là một domain, đó là cấu trúc đơn domain Kích thước giới hạn này phụ thuộc vào từ tính của vật liệu và tổng quát theo công thức:

232

22

là năng lượng dị hướng từ tinh thể

Công thức có thể thay đổi tùy theo từng loại vật liệu sắt từ

Vật liệu từ gồm các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt có momen từ riêng Khi không có từ trường ngoài các momen từ được sắp xếp một cách ngẫu nhiên

và triệt tiêu nhau Khi có từ trường ngoài khác không các momen từ quay theo chiều của từ trường ngoài Như vậy, từ độ của mẫu (M) bằng tổng từ độ của các hạt đơn domain:

(1.2.6)Trong đó:

 là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài

Ms là từ độ bão hòa

H là từ trường ngoài

<cosθ> là giá trị trung bình lấy trên toàn bộ các hạt sắt từ

Và đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể hiện quá trình quay trục từ của các hạt đơn domain Trong đó các kích thước và sự điều khiển của các domain đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường ngoài

Khi vật liệu bắt đầu bị từ hóa với M = 0 ở từ trường ngoài H = 0, trục từ của các hạt từ định hướng ngẫu nhiên, giá trị này bằng tổng dị hướng từ của các hạt từ Ở nhiệt độ thấp hướng của các momen từ định hướng ngẫu nhiên và ở trạng thái tĩnh Khi từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = Ms) với từ trường ngoài đủ lớn, lúc đó tất cả các momen từ được định hướng theo chiều của từ trường ngoài Nếu từ trường ngoài H giảm tới H = 0, khi đó giá trị của từ dư Mr = Ms/ 2 bởi vì các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầu theo trục dị hướng của hạt đơn domain

Trong vật liệu từ điện trở điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ trong hệ hạt phải là đơn domain thì mới quan sát được hiệu ứng GMR Tức là chiều dày các lớp sắt từ phải đủ nhỏ, kích thước các hạt sắt từ phải nhỏ hơn giá trị tới hạn nào đó Nguyên nhân của điều này là:

- Thứ nhất, bề dày lớp từ hoặc kích thước các hạt từ phải nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử để quá trình chuyển động của điện tử dẫn qua các lớp từ hoặc các hạt từ có thể coi là bảo toàn spin

- Thứ hai, khi các hạt sắt từ hoặc các lớp từ không còn là đơn đomain, tương tác của các điện tử dẫn với các momen từ phân bố khác nhau trong hạt từ hoặc lớp từ sẽ tạo điều kiện cho hai kênh điện tử dẫn trộn lẫn

Cả hai nguyên nhân đều làm ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR

1.3 Cơ chế của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR

Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử, và có các đóng góp cho sự tán xạ này gồm:

 Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể gọi là tán xạ trên phonon

 Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính, gọi là tán xạ trên magnon

 Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể

Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên magnon Khi có các phần tử mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng khác nhau về mômen từ (do tác động của từ trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của chất rắn Một cách chính xác hơn, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải thích bằng

mô hình hai dòng điện của Mott

1.3.1 Mô hình hai dòng Mott

Mott nhận thấy rằng khi nhiệt độ T<

Tc (Tc là nhiệt độ Curie), spin của hạt dẫn

(điện tử) được bảo toàn trong hầu hết các

tán xạ Nguyên nhân của hiện tượng này

là: dưới nhiệt độ Tc có 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 down tạo

nên 2 kênh tương ứng song song với nhau

Mô hình hai dòng này có thể được biểu

diễn bằng mạch song song, trong đó điện trở suất của hai loại hạt dẫn được kí hiệu là ρ↑ và ρ↓ (hình 1.7) Vì vậy điện trở suất của mẫu là:





Hình 1.7: mô hình mạch song song

m* là khối lượng hiệu dụng

 là thời gian hồi phục của điện tử

Vtx là thế tán xạ của tâm tán xạ đối với điện tử n, m* tại mức Fermi của điện tử dẫn

Nguồn gốc bên ngoài liên quan đến sự phụ thuộc spin của thế tạp chất hoặc sai hỏng Trong vật dẫn đơn chất, điện trở suất là là tổng các đóng góp từ các tán xạ của hạt dẫn trên phonon, tạp chất, tán xạ s-d, và các tán xạ khác Như vậy, điện trở suất của kênh up và kênh down có thể khác nhau do: m*

khác nhau,

n khác nhau, mật độ trạng thái tại mức Fermi của các điện tử có spin up và down khác nhau Nếu bỏ qua tán xạ s-d trong một kênh dẫn nào đó, điện trở suất của kênh đó sẽ giảm đi Trường hợp của Ni là một ví dụ Trong Ni, các mức năng lượng có spin up đã điền đầy, và do đó không bắt điện tử Người ta định nghĩa hệ

số bất đối xứng spin như sau:

thái có spin down Do vậy, α có xu hướng lớn hơn 1 trong các hợp kim của Ni và

Co Thực tế α có thể đạt đến 10 trong một số trường hợp của hợp kim của Ni và

Co

Khi nhiệt độ gần hoặc vượt quá Tc, quá trình trộn hai kênh là không thể bỏ qua

và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất  Khi đó, điện trở suất của mẫu được cho bởi:

(1.3.5)Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau: điện tử có spin up (dơn) tán

xạ vào trạng thái có 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-quỹ đạo và có bản chất lượng tử

Như vậy, ở nhiệt độ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do đó quá trình trộn lẫn hai kênh spin được bỏ qua

Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là đáng kể và số hạng điện trở suất được đưa vào Lúc này biểu thức trên sẽ trở thành:

ra mạnh (tức là khi thời gian sống của spin nhỏ hơn thời gian hồi phục không lật spin), tất cả điện tử, spin up cũng như spin down, có cùng tốc độ hồi phục trung bình

1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin giải thích hiệu ứng GMR trong hệ đa lớp

Tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn: điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên các tâm tán xạ có spin ngược chiều với spin của điện tử Ngược lại điện tử sẽ không bị tán xạ hoặc tán xạ yếu trên các tâm spin có spin cùng chiều Tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn có thể do một số nguyên nhân Nguồn gốc nội tại liên quan đến sự phụ thuộc spin của nồng độ và mật độ trạng thái ở mức Fermi của điện tử dẫn Còn nguồn gốc bên ngoài là do các tạp chất hoặc sai hỏng ở trong kim loại sắt từ

Hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử

dẫn được hiểu như sau:

Giả sử tán xạ có spin up Ta xét hai điện tử có

spin khác nhau cùng gặp tâm tán xạ này (hình 1.9) Rõ

ràng hai điện tử có spin down sẽ dễ dàng bị bắt (“tán

xạ”) vào trạng thái trống có spin down còn điện tử có

spin up khó bị “tán xạ”

Xét hệ đa lớp gồm các lớp từ (FM) Co xen kẽ bới các lớp không từ Cu (hình 1.8)

Tùy thuộc vào bề dày lớp Cu ở giữa mà từ

độ của hai lớp Co bên cạnh sẽ sắp xếp cùng chiều

(song song) hoặc ngược chiều (phản song song),

hiện tượng này gọi là sự định hướng ghép cặp tự

nhiên Bản chất của hiện tượng này là tương tác trao

đổi gián tiếp của hai lớp sắt từ thông qua lớp

không từ ở giữa

Với một kích thước nhất định, giả sử khi từ trường ngoài bằng không, các momen

từ của các lớp sắt từ cạnh nhau định hướng phản song song đôi một với nhau (gọi

là trạng thái phản sắt từ) Khi đó, các điện tử dẫn 4s có spin up và spin down của

Cu sẽ bị tán xạ như nhau khi đi qua các lớp sắt từ Co, hệ ở trạng thái điện trở cao Khi tác dụng từ trường ngoài H đủ lớn, các momen từ của các lớp Co sẽ định hướng theo chiều của từ trường ngoài và do đó chúng song song với nhau (gọi là trạng thái sắt từ) Điện tử dẫn có spin khác nhau khi đi qua lớp sắt từ sẽ bị tán xạ khác nhau Cụ thể, điện tử có spin ngược chiều với H (tức là ngược chiều với các momen từ của các lớp Co) sẽ bị tán xạ mạnh, còn các điện tử có spin song song với H sẽ bị tán xạ ít hơn, gây đoản mạnh kênh dẫn này, hệ ở trạng thái điện trở thấp Tỉ số GMR được tính như sau:

2 1

2

R R

R R

(1.3.7) Khi H=0, ta có hai kênh tương đương, mỗi kênh có điện trở suất trung bình là:

1

1 )

Trong giải thích trên chúng ta thừa nhận các giả thiết sau:

 Bề dày các lớp không từ là đủ nhỏ (tức là bề dày nhỏ hơn quãng đường tự

do trung bình của điện tử, có quan tâm đến cả spin) để không xảy ra hiện tượng lật spin khi điện tử chuyển động qua các lớp

 Tán xạ xảy ra chủ yếu ở bề mặt, tức là giữa lớp từ và không từ

Giả thiết thứ hai đã được kiểm chứng bằng cả tính toán lý thuyết và thực nghiệm Nguyên nhân chính của tính vượt trội của tán xạ bề mặt đối với tán xạ khối là việc hình thành các trạng thái bề mặt, các giếng lượng tử tại bề mặt phân cách Tuy nhiên, trong một số trường hợp tán xạ khối là không thể bỏ qua: Bề dày lớp từ lớn hơn nhiều so với lớp không từ, đồng thời chiều dày của lớp từ và lớp không từ đủ lớn

Bảng 1.1: Kết quả thực nghiệm xác định hệ số bất đối xứng tán xạ spin bề

1.3.3 Giải thích hiện tượng trong mẫu hạt

Hiện 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 hiện tượng 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 nằm trong nền kim loại phi từ Cu Ta coi hai hạt sắt từ nằm cạnh nhau giống như hai lớp sắt từ trong hệ

đa lớp, nền phi từ giữa hai hạt Co coi như lớp kim loại phi từ nằm giữa hai lớp sắt từ đó Khi chưa có từ trường ngoài, momen từ của hai hạt sắt từ này định hướng ngẫu nhiên, cả hai kênh điện tử sẽ bị tán xạ khi đi qua hai hạt sắt từ này Khi đặt từ trường ngoài đủ lớn, từ trường này sẽ định hướng momen từ của hai hạt song song với hướng của nó, lúc đó sẽ có một kênh dẫn bị tán xạ ít hơn, giống như trường hợp đoản mạch một kênh trong hệ đa lớp

Hình 1.11: Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong vật liệu từ điện trở dạng hạt

a/ Sắp xếp kiểu phản sắt từ, khi từ trường ngoài H = 0 (1 kênh dẫn);

b/ Sắp xếp kiểu sắt từ, khi có từ trường ngoài H  0 và hai kênh dẫn của các điện

tử có spin ngược nhau.

Xét trong toàn hệ, khi không có từ trường ngoài momen từ của các hạt sắt

từ định hướng ngẫu nhiên, do đó cả hai kênh điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên đường chuyển động qua các hạt sắt từ, hệ ở trạng thái điện trở cao Từ trường

Nền phi từ Hạt từ

R

r

r

H = 0 H  0

ngoài tăng dần sẽ làm tăng dần số các hạt có momen từ song song với nhau (do chúng 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 tán

xạ mạnh dần, điện trở của hệ giảm dần Khi từ trường ngoài đủ mạnh làm quay toàn bộ số momen từ của hệ, kênh spin có hướng song song với từ trường ngoài

sẽ gần như truyền qua hoàn toàn, kênh còn lại gần như bị tán xạ hoàn toàn, điện trở của hệ đạt giá trị thấp nhất

Giả thiết các hạt sắt từ phân bố một cách ngẫu nhiên trong nền kim loại

không từ với bán kính trung bìnhrM , Berkowitz đưa ra biểu thức định lượng của GMR trong hệ hạt:

2 2 2

2 2

2

4

M M

s s

s

r r

p p

p GMR

M MN

3

1 



(1.3.13)với: c là nồng độ của các hạt từ

MN

M 

 , là quãng đường tự do trung bình tương ứng của điện tử trong các hạt sắt từ và không từ

 là cường độ tán xạ spin trên bề mặt các hạt sắt từ

Ta thấy rằng, tỷ số GMR trong hệ hạt phụ thuộc vào các yếu tố: kích thước hạt, quãng đường tự do trung bình, tỷ số tán xạ phụ thuộc spin trên tán xạ không phụ thuộc spin

1.4 Một số ứng dụng hiệu ứng GMR

Hiệu ứng GMR được phát hiện vào năm 1988, hiệu ứng này đã nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong một số lĩnh vực cụ thể, chẳng hạn: Cảm biến đo từ trường, cảm biến xác định vị trí, thiết bị kiểm tra vật liệu không phá hủy mẫu, đầu đọc từ, bộ nhớ…

Với hiệu ứng GMR dòng điện được điều khiển bằng từ trường ngoài, và trên cơ sở đó người ta chế tạo ra bộ nhớ lưu trữ thông tin, bộ nhớ từ (MRAM) sử dụng hiệu ứng GMR Bộ nhớ này có ưu điểm thông thường là thông tin vẫn được lưu trữ khi không còn nguồn nuôi Các linh kiện điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý dùng từ trường ngoài điều khiển quá trình dịch chuyển spin điện tử Chẳng hạn các trazito kim loại (không sử dụng chất bán dẫn) hoạt động bằng hiệu ứng GMR, thường gọi là các linh kiện phun spin, các linh kiện này có nhiều tính năng và ưu điểm so với các linh kiện truyền thống

Các linh kiện chế tạo dựa trên hiệu ứng GMR ngày càng được nghiên cứu

và đưa vào ứng dụng nhiều bởi chúng có nhiều ưu điểm so với các linh kiện sử dụng các hiệu ứng từ-điện truyền thống, nên có thể không cần đến (hoặc chỉ sử dụng ở mức độ rất đơn giản) các bộ tiền khuếch đại và lọc nhiễu đối với những cảm biến GMR Ngoài ra, có thể điều khiển được từ trường làm bão hoà đối với các cảm biến GMR, do đó có thể mở rộng cũng như chủ động làm thay đổi được phạm vi từ trường làm việc của chúng

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Công nghệ chế tạo mẫu

2.1.1 Công nghệ nguội nhanh đơn trục

Phương pháp nguội nhanh lần đầu tiên được xây dựng vào năm 1960 bởi nhóm của Pol Duwez ở Viện Công nghệ California (Caltech), chế tạo thành công một loạt hợp kim Eutectic vô định hình như AuSi, AgCu, AgGe

Nguyên tắc chung: Tốc độ làm lạnh được xác định bằng công thức:

t

Tc Tm Rc







(2.1.1)Với: Tm, Tc lần lượt là nhiệt độ của hợp kim nóng chảy, và nhiệt độ của môi trường làm lạnh

Δt là thời gian thu nhiệt

Nguyên tắc chung của phương pháp nguội nhanh là dùng một môi trường làm lạnh thu nhiệt nhanh của hợp kim nóng chảy, giữ cấu trúc của hợp kim hóa rắn giống như trạng thái của chất lỏng (trạng thái vô định hình)

 Môi trường làm lạnh có thể là các khối kim loại quay nhanh, hoặc các khí hóa lỏng (nitơ lỏng, hêli lỏng )

 Để tạo cho tốc độ thu nhiệt rất nhanh, môi trường thu nhiệt phải vừa có khả năng hấp thụ nhiệt lớn đồng thời phải tạo sao cho hợp kim lỏng chỉ tiếp xúc trong thời gian rất ngắn (tốc độ thu nhiệt ngắn) nhằm tạo ra tốc độ lớn

Nguyên lý của phương pháp này là dùng một trống quay có bề mặt nhẵn bóng với tốc độ cao làm môi trường thu nhiệt của hợp kim nóng chảy Hợp kim được làm nóng chảy trong nồi nấu bằng phương pháp nóng chảy cảm ứng bằng