Vật liệu từ liên kim loại

Mục lục 1.6 Dị hớng từ tinh thể Trang Lời nói đầu 11 Chơng I Một số khái niệm từ học 15 1.6.1 Dị hớng từ tinh thể 43 1.6.2 Dị hớng hình dạng 46 1.6.2.a Dị hớng hình dạng mẫu elip 15 1.1.1 Từ trờng mômen từ 15 1.1.2 Từ độ 16 1.1.3 Cảm ứng từ 18 1.1.4 Trờng khử từ 21 1.2 Mômen từ nguyên tử 46 tròn xoay 1.6.2.b Dị hớng hình dạng màng mỏng 1.1 Từ trờng, từ độ cảm ứng từ 43 1.6.3 Dị hớng ứng suất 1.7 Đờng cong từ trễ phân loại vật liệu 47 47 47 sắt từ Chơng II Công nghệ chế tạo vật liệu từ 52 liên kim loại dạng khối màng mỏng 24 1.2.1 Cấu hình điện tử nguyên tử 24 1.2.2 Mômen từ nguyên tử 26 khối 1.2.2.a Mômen từ quĩ đạo điện tử 26 2.1.1 Mở đầu 52 1.2.2.b Mômen từ spin điện tử 28 1.2.2.c Mômen từ nguyên tử 29 2.1.2 Chuẩn bị kim loại ban đầu 54 2.1.3 Phơng pháp nóng chảy hồ quang 55 2.1.4 Phơng pháp lò cao tần tợng treo 60 1.2.3 Nguyên tử tinh thể 2.1 Chế tạo vật liệu từ liên kim loại dạng 32 52 1.3 Tơng tác trao đổi tơng tác tĩnh từ 33 1.3.1 Tơng tác trao đổi trờng phân tử 33 1.3.2 Tơng tác tĩnh từ 35 pháp phún xạ 1.4 Từ tính hệ điện tử định xứ 37 2.2.1 Các kỹ thuật phún xạ 64 1.5 Từ tính hệ điện tử linh động 40 2.2.2 Phún xạ phóng điện phát sáng chiều 66 (levitation) 2.2 Chế tạo màng mỏng từ phơng 64 (DC - glow - discharge - sputtering) 2.2.3 Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều 3.3 ảnh hởng môi trờng xung quanh lên 68 từ tính kim loại chuyển tiếp - từ tính (RF - glow - discharge sputtering) bề mặt 2.2.4 Phún xạ magnetron 70 2.2.5 Hiệu suất phún xạ 72 hệ điện tử linh động - trạng thái 2.2.6 Tạo màng hợp kim 72 liên kết ảo Chơng III Từ tính kim loại chuyển tiếp 3.3.1 Từ tính nguyên tố tạp chất định xứ 3.1.1 Các tham số từ tính đặc trng tính bán cận gần 75 3.3.3 Từ tính bề mặt 116 3.3.4 Dị hớng từ bề mặt 117 76 Chơng IV Từ tính kim loại đất định xứ kim loại 3d 3.1.2 Tiêu chuẩn Stoner từ tính kim 110 3.3.2 Sự phụ thuộc tơng tác Fe-Fe vào số lân 114 75 hợp kim chúng 3.1 Các kim loại chuyển tiếp 110 80 121 4.1 Giới thiệu chung 121 4.2 Tơng tác trao đổi R-R 126 loại 3d 3.1.3 Trật tự từ (dấu tơng tác trao đổi) 84 3.1.4 Tơng tác trao đổi kim loại chuyển 86 tiếp 3d 3.1.5 Trạng thái sắt từ yếu Fe, trạng thái sắt 4.2.1 Phân bố không gian quĩ đạo điện tử 126 4.2.2 Tơng tác trao đổi mômen từ 4f 126 tơng tác trao đổi RKKY 92 4.2.3 Cờng độ tơng tác 4f - 4f từ mạnh Co Ni 3.1.6 Dị hớng trờng tinh thể từ giảo 94 3.2 Từ tính hợp kim kim loại 102 4.3 Hiệu ứng trờng tinh thể dị hớng từ 130 135 nguyên tố kim loại đất chuyển tiếp 4.4 Cấu trúc từ kim loại đất 143 3.2.1 Đờng cong Slater Pauling 102 4.4.1 Cấu trúc từ kim loại đất nặng 143 3.2.2 Mô hình hóa trị từ 104 4.4.2 Cấu trúc từ kim loại đất nhẹ 148 3.2.3 Hiệu ứng lai hóa mômen từ cảm ứng 107 4.4.3 Cấu trúc từ số hợp chất đất 149 với nguyên tố không từ tính 4.5 Hiện tợng từ đàn hồi từ giảo 151 nguyên tố đất Chơng V Các vật liệu liên kim loại đất - 157 kim loại chuyển tiếp 5.1 Cấu trúc từ 158 5.2 Mômen từ 163 5.3 Nhiệt độ trật tự tơng tác trao đổi 167 5.4.2 Hợp chất RCo5 182 5.4.3 Hợp chất R2Co17 185 5.4.4 Các hợp chất hai nguyên R-Fe 186 5.4.5 Các hợp chất ba nguyên 186 5.4.6 Các hợp chất giả hai nguyên điền kẽ 188 5.4.7 Các hợp chất giả hai nguyên loại 1:12 189 5.4.8 Nam châm đất composite 189 5.5 Chuyển pha từ giả bền thiết lập từ tính 191 3d số hợp chất R-Co R-Mn 5.3.1 Nhiệt độ trật tự 167 5.6 Các vật liệu R-T có từ giảo khổng lồ 5.3.2 Mối liên hệ hệ số tơng tác trao đổi 168 5.7 Tính chất từ vật liệu R-T trạng 201 vĩ mô vi mô 5.3.3 Xác định cờng độ tơng tác R-T từ nhiệt độ thái vô định hình 171 Chơng VI Các màng mỏng từ liên kim loại Curie 5.3.4 Sự phụ thuộc ART vào nồng độ đất 174 5.3.5 Sự phụ thuộc ART vào nguyên tố đất 175 6.1 Điều khiển tính chất vật lý vật liệu 6.2 Từ tính bề mặt, từ tính mặt tiếp xúc 177 6.2.1 Sự tăng cờng mômen từ bề mặt 5.3.7 Mômen từ tơng tác trao đổi vật 179 210 211 kim loại chuyển tiếp liệu liên kim loại có pha tạp B, Si, C 6.2.2 Sự xuất mômen từ bề mặt 180 212 nguyên tố kim loại chuyển tiếp chất R-T 5.4.1 Dị hớng từ tinh thể hợp chất R-T 207 màng mỏng đa lớp hợp chất giả hai nguyên R-(Fe,Co) 5.4 Các vật liệu từ cứng điển hình dựa hợp 207 cách thay đổi môi trờng tinh thể 5.3.6 Mômen từ tơng tác trao đổi 197 từ tính trạng thái thể tích 180 6.2.3 Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng 213 nhiệt độ trật tự từ 6.3 Dị hớng từ bề mặt màng mỏng đa lớp 215 6.4 Tơng tác trao đổi màng mỏng đa 220 lớp 6.4.1 Tơng tác trao đổi hai lớp kim loại 258 220 222 hiếm-kim loại chuyển tiếp R/T 224 (sandwich) đất kim loại chuyển tiếp {RT/RT/RT} 229 mỏng đa lớp 6.5.1 Mở đầu 229 6.5.2 Các màng mỏng đa lớp có liên kết phản sắt 230 từ 6.5.3 Các màng mỏng có lực kháng từ kép 234 6.5.4 Van spin 235 6.5.5 Cơ chế vật lý hiệu ứng từ - điện trở 237 khổng lồ 6.6 Các màng mỏng từ giảo 6.6.1 Hiện tợng từ giảo màng mỏng 239 239 244 Phụ lục (interfaces) màng mỏng đa lớp đất 6.5 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ màng 6.6.3 Các màng mỏng từ giảo đa lớp 249 từ tính - Tơng tác trao đổi dạng dao động 6.4.3 Tính chất từ màng mỏng ba lớp 241 Tài liệu tham khảo chuyển tiếp sắt từ thông qua lớp đệm không 6.4.2 Cấu trúc từ mặt phân giới 6.6.2 Các màng mỏng từ giảo đơn lớp R-T 10 dựa chế vật lý hoàn toàn loại linh kiện điện tử dựa vào tham số lợng tử spin điện tử Chính từ phát minh kết nghiên cứu đạt đợc hiệu ứng GMR năm qua, cách mạng công nghiệp lần thứ t dựa thành tựu kỹ thuật điện tử spin đợc dự báo cho năm đầu kỷ 21 Lời nói đầu Công trình từ học đợc nhà văn ngời Trung quốc Guanzhong ghi lại vào năm 640 trớc công nguyên, nhng tợng từ đợc phát trớc lâu Trớc hết đá tình yêu (shao shih tiếng Hoa, loving stone tiếng Anh l'aimant tiếng Pháp) đợc sử dụng để làm la bàn Hầu nh suốt lịch sử loài ngời, vật liệu từ luôn có mặt nhiều lĩnh vực sống, đặc biệt ba lĩnh vực lớn nh lợng, điện tử - viễn thông công nghệ thông tin Trong 20 năm cuối kỷ trớc, vật liệu từ mới, tổ hợp đợc tính chất u việt kim loại chuyển tiếp nguyên tố đất cho phép chế tạo đợc loại nam châm đất cao cấp SmCo5, Nd2Fe14B, vật liệu từ giảo TerfeNol TerfeNol-D nh vật liệu ghi quang-từ TbFeCo, Đặc biệt, nhiều tợng vật lý vật liệu hệ từ tính với kích thớc tới hạn đợc phát minh Đó vật liệu từ vô định hình, vật liệu từ có cấu trúc nanô nhân tạo vật liệu kỹ thuật điện tử spin (spintronics) Trong số phát minh đó, việc tìm hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ (giant magnetoresistance GMR) vào năm 1988 nhà vật lý Pháp hệ màng đa lớp sắt từ với lớp kim loại không từ chèn thật mở khả phát triển linh kiện điện tử 11 Việc biên soạn giáo trình này, lúc đầu đợc chủ trơng tập trung vào việc trình bày kiến thức từ học vật liệu từ dựa hợp kim liên kim loại đất - kim loại chuyển tiếp - hớng nghiên cứu lý thú đạt nhiều kết Khoa Vật lý, Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN) Trong bối cảnh phát triển có tính cách mạng từ học giới, mạnh dạn mở rộng nội dung giáo trình vật liệu từ liên kim loại dạng khối màng mỏng Các vật liệu từ dựa loại ôxít không đợc đề cập Ngoài ra, với mong muốn kích thích ngời học lòng say mê, phong cách t nghiên cứu sáng tạo khoa học, số kinh nghiệm cách tiếp cận ngời viết kiến thức từ học đợc đa vào giáo trình Chơng I giáo trình giới thiệu số kiến thức từ học Một số phơng pháp phổ biến để chế tạo vật liệu từ liên kim loại dạng khối màng mỏng nh: phơng pháp nóng chảy hồ quang, phơng pháp treo chảy cao tần (levitation), phơng pháp phún xạ đợc trình bày chơng II Nội dung chơng III kiến thức từ tính kim loại chuyển tiếp hợp kim chúng Chơng trình bày thuộc tính bán định xứ điện tử 3d Ngoài việc mô tả giải thích qui luật từ tính tổng quát 12 đờng cong Slater-Pauling, đờng cong Slater-Néel, đờng cong hoá trị từ, hợp kim truyền thống, cách vận dụng kiến thức cho vật liệu từ tiên tiến đợc đề cập Hiệu ứng lai hoá - phơng pháp tổng quát để tiếp cận chế vật lý hợp kim - đợc trình bày Đặc biệt, hiệu ứng từ tính bề mặt đợc giới thiệu sơ lợc Chơng mô tả cấu trúc từ, tơng tác trao đổi, dị hớng từ tợng từ giảo kim loại đất Các nội dung tơng tự đợc giới thiệu chơng cho hợp kim liên kim loại đất - kim loại chuyển tiếp Các hợp chất vật liệu có hai phân mạng từ điển hình Đây hội để ngời đọc vận dụng kiến thức từ học để xác định cấu trúc từ, cờng độ tơng tác trao đổi 3d-4f, đoán nhận qui luật trục từ hoá dễ, đánh giá cờng độ dị hớng từ làm quen với loại vật liệu từ cứng cao cấp chứa đất hiếm, kể nam châm đàn hồi từ Chơng đề cập đến tợng từ giả bền thiết lập từ tính 3d số hợp chất R-Co R-Mn Hơn nữa, lần kiểu cấu trúc từ không cộng tuyến nh asperi từ, speri từ vật liệu vô định hình đất - kim loại chuyển tiếp đợc giới thiệu Phần đầu chơng trình bày khả thay đổi điều kiện môi trờng tinh thể khả điều kiển tính chất vật lý màng mỏng từ nói riêng hệ từ tính thấp chiều nói chung Từ tính đặc biệt dị hớng từ bề mặt nội dung trọng tâm chơng Cũng giống nh chơng 3, đây, mô hình lai hoá tỏ hiệu nghiệm việc mô tả hiệu ứng bề mặt Cấu trúc từ tơng tác trao đổi màng mỏng đa lớp vấn đề lý thú Xuất phát từ việc mô tả tơng tác trao đổi kiểu dao động màng mỏng đa lớp sắt từ đệm lớp kim loại không từ, 13 giới thiệu hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ các loại màng mỏng khác Cuối cùng, thảo luận tợng từ giảo màng mỏng Giáo trình sử dụng hệ đơn vị quốc tế MKS/SI cách thống cho tất phần mô tả, biểu thức, bảng biểu hình vẽ Có thể thực chuyển đổi tìm hiểu mối liên hệ với hệ đơn vị CGS phụ lục cuối sách Phần lớn đồ thị hình vẽ sử dụng giáo trình đợc chép tài liệu tham khảo có trích dẫn đợc Đỗ Thị Hơng Giang, Nguyễn Anh Tuấn Vũ Nguyên Thức thực công phu Giáo trình nhận đợc nhiều ý kiến quí báu GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ PGS.TS Lu Tuấn Tài Đó đóng góp quan trọng cho việc hoàn thành giáo trình Giáo trình đợc sử dụng để giảng dạy làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý Nhiệt độ thấp, Vật lý Điện từ Khoa học Vật liệu khoa Vật lý, Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN) nh cho học viên cao học Trung tâm Quốc tế Đào tạo Khoa học Vật liệu (ĐHBKHN) Giáo trình làm tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập nghiên cứu lĩnh vực vật lý chất rắn, công nghệ vật liệu đặc biệt công nghệ nanô Tác giả mong nhận đợc đợc ý kiến đóng góp bạn đọc để tiếp tục hoàn thiện giáo trình Tác giả 14 với uz véc tơ pháp tuyến đơn vị mặt phẳng vòng dây Từ trờng tâm cuộn solenoid với chiều dài l số vòng dây N: H = Chơng I N Iu z [A/m], l (1.3) uz véc tơ đơn vị hớng dọc theo trục cuộn dây Một số khái niệm từ học Lu ý rằng, ba ví dụ trên, đơn vị từ trờng đợc tính A/m Mômen từ m dòng điện tròn I có tiết diện S đợc 1.1 Từ trờng, từ độ cảm ứng từ định nghĩa nh sau: m = ISu z [A.m2] 1.1.1 Từ trờng mômen từ (1.4) Điện tích chuyển động tạo từ trờng Từ trờng đợc tạo hai cách: sử dụng cuộn dây có dòng điện chạy dây dẫn nam châm vĩnh cửu Trong nam châm vĩnh cửu dòng điện theo nghĩa thông thờng mà có chuyển động quĩ đạo chuyển động spin điện tử Đó nguồn gốc tợng từ vật liệu 1.1.2 Từ độ Có thể liệt kê biểu thức xác định từ trờng H số dòng điện có dạng đơn giản nh sau [1.1]: Xét yếu tố thể tích dv vật liệu với mômen từ tổng cộng dm Từ độ (hay độ từ hoá) M đợc xác định nh sau: Từ trờng dòng điện thẳng: I H = u [A/m], 2r M = (1.1) I cờng độ dòng điện, r khoảng cách tính từ dây dẫn u véc tơ đơn vị tiếp tuyến với đờng tròn bán kính r I u z [A/m], 2r dm [A/m] dv đơn vị thể tích Theo cách định nghĩa này, nguyên tử có mômen từ m0 nồng độ nguyên tử n0 từ (1.2) 15 (1.5) Nh vậy, từ độ M đợc định nghĩa tổng mômen từ độ đợc xác định cách trực tiếp: M = n0 m Từ trờng tâm dòng điện tròn có bán kính r: H = Trong trờng hợp dòng điện tròn đợc thay chuyển động quĩ đạo điện tử, ta có mômen từ quĩ đạo Tơng tự, mômen từ spin (hay mômen spin) có nguồn gốc từ chuyển động spin điện tử Nguồn gốc mômen từ nguyên tử đợc trình bày chi tiết sau 16 (1.6) Đơn vị tính từ độ M A/m, tơng tự đơn vị đo từ trờng H Để dễ tởng tợng so sánh tơng đơng từ trờng H mômen từ m, viết lại biểu thức (1.3) cho cờng độ từ trờng tâm cuộn dây solenoid: N IS Nm , I=N H= = V l lS (1.7) V thể tích cuộn solenoid Nh vậy, tơng tự nh từ độ, cờng độ từ trờng H đợc hiểu nh tổng mômen từ đơn vị thể tích Kết biểu thức (1.7) nhận đợc dòng điện vi mô tách khỏi vật liệu xét dãy N dòng điện phân tử (dòng điện Ampe) có chung trục nh mô tả hình 1.1 Khi đó, dòng điện phân tử xem nh cuộn dây solenoid phân tử cách xác định từ trờng nh áp dụng đợc 1.1.3 Cảm ứng từ Cảm ứng từ B từ trờng H thờng đợc sử dụng nh khái niệm đồng nghĩa Tuy nhiên, chúng có ý nghĩa vật lý khác Từ trờng mô tả trờng dòng điện sinh độc lập với không gian vật chất xung quanh Cảm ứng từ biểu diễn trờng dòng điện sinh mà đóng góp từ độ vật liệu có mặt từ trờng Theo lý thuyết trờng điện từ, chân không, cảm ứng từ B hàm tuyến tính từ trờng H: B = H [Tesla] hay [T], (1.8) độ từ thẩm chân không; = 4.10 [H/m] -7 Đối với vật liệu từ B đợc biểu diễn mối liên hệ với H M nh sau: B = (H + M ) [T] (1.9) Nh cảm ứng từ B bao gồm từ trờng H tạo dòng điện vĩ mô hởng ứng vật liệu M tạo dòng điện vi mô Cảm ứng từ B tham số kỹ thuật quan trọng đặc trng cho mật độ từ thông (B = /S [wb/m2]) thay đổi theo thời gian sinh điện trờng (hay suất điện động cảm ứng) Đờng sức cảm ứng từ B đợc biểu diễn hình 1.2 Nhận thấy rằng, chân không, B tỉ lệ với H nhng bên chất sắt từ có thêm đóng góp từ độ M mẫu Một cách minh họa khác mối liên hệ H, B M đợc đa hình 1.3 đây, cuộn dây có dòng điện I chạy qua tạo nên từ trờng H bên cuộn dây Nếu cuộn dây có lõi không khí (hay chân không) biểu thức B = H đợc Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn dòng điện phân tử miền thể tích hình trụ A có chiều dài l tách từ vật liệu từ [1.2] 17 biểu diễn đờng thẳng với hệ số góc Khi cuộn 18 dây có lõi chất sắt từ với từ độ M cảm ứng từ B = (H + M ) đợc biểu diễn đờng thẳng nhng với hệ số góc lớn hơn: B = àH, (1.10) với = (1 + ) độ từ thẩm = M H hệ số từ hoá.Đến đây, để minh họa rõ cho mối liên hệ B M, có lẽ thú vị nhắc lại kết tính toán giá trị cảm ứng từ B cho số vật liệu từ có hình dạng đặc biệt sau Hình 1.2 Các đờng sức cảm ứng từ B chân không (a) bên vật liệu từ (b) Cảm ứng từ khối vật liệu từ hình trụ (dài vô hạn) có từ độ M hớng dọc theo trục hình trụ [1.3]: + tâm (điểm O, hình 1.4): B = M (1.11) + điểm nằm trục hình trụ bên vật liệu (điểm I, hình 1.4): M Bint = (cos + cos ) (1.12) + điểm nằm trục hình trụ bên vật liệu (điểm E, hình 1.4): M Bext = cos cos (1.13) Hình 1.4 Cảm ứng từ từ độ khối vật liệu từ hình trụ gây số vị trí nằm trục Hình 1.3 Sự phụ thuộc cảm ứng từ B vào từ trờng H cuộn dây [1.3] 19 20 Cảm ứng từ tâm khối vật liệu từ hình cầu có từ độ M (điểm O, hình 1.5a) [1.4]: BO = M áp dụng biểu thức (1.9) ta tính đợc: H = M (1.14) (1.15) Biểu thức (1.15) trờng khử từ Hd sinh từ độ M Chính trờng khử từ làm giảm cảm ứng từ B từ giá trị àM đến giá trị biểu thức (1.14) đầu (hình 1.6a) Một cách tơng tự nh tợng phân cực điện môi, ta tởng tợng véc tơ từ độ M (và mômen lỡng cực từ m) đợc sinh từ tích () (+) hai đầu vật liệu Cực từ () ứng với cực nam S nam châm (+) ứng với cực bắc N (hình 1.6b) Vì từ trờng H xuất phát từ cực N kết thúc cực S, nên ta thấy bên đặc biệt bên trong, từ trờng H có chiều ngợc với M Đó trờng khử từ Hd Hình 1.5 (a)-Cảm ứng từ từ độ khối vật liệu từ hình cầu (b)-Từ trờng bên bên khối vật liệu từ hình cầu 1.1.4 Trờng khử từ Trong ví dụ minh họa hình 1.5, khái niệm từ trờng khử từ đợc giới thiệu Từ trờng luôn xuất vật liệu đợc từ hoá (M 0) có xu hớng khử từ vật liệu Một cách chi tiết trình bày nh sau Hãy xét mẩu nam châm vĩnh cửu có từ độ M (hình 1.6) Hình 1.6 (a)- Biểu diễn hình thành mômen lỡng cực vật liệu bị từ hoá (b)- Cảm ứng từ B, từ độ M trờng khử từ Hd mẫu bị từ hoá Trong cấu hình nh vậy, cực từ tự luôn tồn hai 21 22 Hình 6.11 Cấu trúc từ vách đômen hình thành vùng chuyển tiếp màng mỏng ba lớp {YCo2/GdCo2/YCo2} [6.6] 6.5 Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ màng mỏng đa lớp 6.5.1 Mở đầu Hiệu ứng từ - điện trở (MagnetoResistance - MR) thay đổi điện trở vật dẫn gây từ trờng Thông thờng MR đợc định nghĩa tỉ số: (0 ) ( H ) , (6.14) MR = = (0 ) đó, (0) (H) tơng ứng điện trở suất từ trờng có từ trờng đặt vào Trong số trờng hợp, hiệu ứng từ - điện trở đợc biểu diễn theo cách khác, ví dụ R R(0 ) Trong giáo trình này, phải trích dẫn số liệu đó, phải giữ nguyên cách biểu diễn để tôn trọng tài liệu gốc (ví dụ hình 6.12) Trong vật dẫn từ tính, ví dụ nh kim loại Cu Au, hiệu ứng MR xảy lực Lorentz tác dụng lên chuyển động điện tử Nói chung, hiệu ứng nhỏ có giá trị âm Đối với vật dẫn có từ tính, ví dụ nh kim loại sắt từ, phân cực spin điện tử gây nên đóng góp lớn vào MR 229 Kiến thức quan trọng tính chất điện kim loại sắt từ phụ thuộc điện trở vào góc vectơ từ độ dòng điện Khi có từ trờng đặt vào, góc vectơ từ độ chiều dòng điện bị thay đổi, dẫn đến thay đổi điện trở Đó hiệu ứng từ - điện trở dị hớng Hiệu ứng từ-điện trở dị hớng chất sắt từ có giá trị vào cỡ vài phần trăm nhiệt độ phòng Tuy nhiên đợc ứng dụng thực tế véc tơ từ độ chất sắt từ mềm dễ quay từ trờng nhỏ Một dạng khác hiệu ứng từ-điện trở chất sắt từ liên quan đến tán xạ spin bất trật tự (spindisorder scattering) Trạng thái bất trật tự spin làm tăng điện trở Khi đặt từ trờng vào, mức độ bất trật tự spin giảm, ta nhận đợc hiệu ứng từ-điện trở âm nhng đẳng hớng [6.6, 6.17] Hiệu ứng nhỏ kim loại chuyển tiếp sắt từ nhng lại lớn (đạt đến 70%) vật liệu đất - kim loại chuyển tiếp có chuyển pha từ giả bền nh RCo2 [6.18, 6.19], gốm perovskites [6.20], Trong phần này, đề cập đến hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance - GMR) đợc phát gần vật liệu có cấu trúc nanô dạng lớp (màng mỏng đa lớp - multilayers) 6.5.2 Các màng mỏng đa lớp có liên kết phản sắt từ Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ màng mỏng đa lớp lần đợc phát nhóm nhà khoa học ngời Pháp vào năm 1988 cấu hình {Fe(3 nm)/Cr(0,9 nm)}30 Hiệu ứng có liên quan với cấu trúc từ vừa mô tả hai lớp vật liệu sắt từ (Fe) thông qua lớp đệm từ 230 tính (Cr) (xem mục 6.4.1) Trong trờng hợp cụ thể này, từ trờng àH = 0, liên kết hai lớp Fe liên kết phản sắt từ Cấu hình ứng với trạng thái có điện trở lớn mẫu (RAF) Dới tác dụng từ trờng ngoài, từ độ lớp Fe có xu hớng định hớng lại song song với theo phơng từ trờng Đồng thời với trình quay vectơ từ độ, điện trở mẫu (RF) giảm mạnh (xem hình 6.12) Tỉ số thay đổi điện trở R/R(H = 0) đạt đợc đến 79 % T = 4,2 K Sau phát minh nêu trên, hiệu ứng từ-điện trở đợc nghiên cứu cách mạnh mẽ nhiều hệ màng mỏng đa lớp khác kiểu {TM(tm)/TNM(tnm)}n với TM kim loại có từ tính Fe, Co, Ni (đặc biệt hợp chất chúng) TNM = V, Cr, Nb, Mo, Ru, Os, Ir Cu, Ag, Au, Sự dao động hiệu ứng từ - điện trở theo độ dày lớp đệm không từ tính đợc quan sát Điển hình trờng hợp hệ mẫu {Co(1,5 nm)/Cu(tCu)}30 nh minh họa hình 6.13 Nhận thấy qui luật dao động tỉ số MR có giá trị âm; giá trị lớn MR ứng với cấu hình phản sắt từ Một số đặc trng từ - điện trở số hệ màng mỏng đa lớp đợc liệt kê bảng 6.1 Rõ ràng hiệu ứng từ-điện trở hệ khác Hơn nữa, thay đổi công nghệ chế tạo có ảnh hởng đến độ lớn hiệu ứng Chú ý rằng, kỹ thuật phún xạ catốt (sputtering) thờng cho kết tốt Do tính chất cấu hình đặc trng màng mỏng đa lớp, giá trị MR chúng đợc định nghĩa nh sau: MR = R/R = (RAF RF)/RF Hình 6.13 Sự dao động hiệu ứng từ - điện trở hệ mẫu {Co(1,5 nm)/Cu(tCu)}30 [6.17]: AF-phản sắt từ, F-sắt từ Hình 6.12 Hiệu ứng từ-điện trở biểu diễn tỉ số R/R(H = 0) màng mỏng đa lớp {Fe/Cr} [6.17] 231 232 (6.15) 6.5.3 Các màng mỏng có lực kháng từ kép hay: MR = R/R = (RAF - RS)/RS, (6.16) với RAF RF tơng ứng điện trở mẫu trạng thái phản sắt từ sắt từ (hay bão hoà RS) Đối với mục đích triển khai ứng dụng hiệu ứng từ - điện trở, giá trị MR, khoảng từ trờng H cần thiết để quan sát thấy toàn biên độ hiệu ứng từ - điện trở có ý nghĩa quan trọng Do nhiều trờng hợp hiệu ứng từ-điện trở vật liệu đợc đặc trng tham số (R/R)/à0HS Theo tiêu chí này, số vật liệu nêu bảng 6.1, màng mỏng đa lớp {NiFe/Ag} khả quan ứng dụng kỹ nghệ ghi từ Các màng mỏng không cho hiệu ứng MR lớn nhng từ trờng bão hoà thấp nhiệt độ phòng, giá trị MR hệ {NiFe (2,5 nm)/Ag (1,1 nm)}50 đạt đợc 15 % nhng à0HS = 0,1 T Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ thờng xảy cấu hình phản song song từ độ màng mỏng đa lớp đợc chuyển sang cấu hình song song dới tác dụng từ trờng Tuy nhiên, tơng tác phản sắt từ lớp màng mỏng đa lớp cách để tạo cấu hình từ độ phản song song Điều xảy hệ màng mỏng có chứa lớp sắt từ cứng sắt từ mềm có lực kháng từ àHC khác (vật liệu có lực kháng từ kép) Trong hệ nh vậy, trình đảo từ lớp xảy từ trờng khác Bảng 6.1 Hiệu ứng GMR số màng mỏng đa lớp: T - nhiệt độ khảo sát, à0HS - từ trờng bo hoà phơng pháp chế tạo E- êpitaxi, SP phún xạ catốt (sputtering) [6.6] Màng đa lớp MR (%) T (K) àoHS (T) Phơng pháp chế tạo {Fe(3 nm)/Cr(0,9 nm)}30 92 4,2 E Cr(10 nm)/{Fe(1,4 nm)/Cr(0,8 nm)}50 150 4,2 SP Fe(5 nm)/{Co(0,8 nm)/Cu(0,9 nm)}60/Fe 115 4,2 1,3 SP {NiFe/Cu} 25 4,2 1,5 SP {NiFe(2 nm)/ Ag(1 nm)} 50 4,2 0,1 SP 77 K {Co(0,6 nm)/Ag(2,5 nm)} 41 77 E {Co0.7Fe0.3(0,4 nm)/Ag(1,5 nm)} 100 0,3 SP 77 K 233 Hình 6.14 Đờng cong từ trễ (a) đờng cong MR (b) mẫu {Cu(5 nm)/Co(3 nm)/Cu(5 nm)/NiFe(3 nm)}15 [6.17] 234 cấu hình phản sắt từ đợc tạo thành sau trình đảo từ lớp thứ Khi điện trở thay đổi từ trạng thái có điện trở nhỏ (cấu hình từ độ song song àH = 0) sang trạng thái có điện trở lớn (cấu hình phản song song à0HC1) cuối điện trở lại giảm trình đảo từ xảy lớp thứ hai Quá trình thay đổi từ độ hiệu ứng từ - điện trở nh đợc minh họa hình 6.14 cho màng mỏng {Ni20Fe80/Cu/Co/Cu}15 T = 80 K nhiệt độ phòng, T = 300 K, màng mỏng cho MR = 26 % àH = mT Ta FeMn NiFe Cu NiFe Ta Si 6.5.4 Van spin Một cấu trúc điển hình khác tạo cấu hình spin phản song song cho hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ cấu trúc van spin Cấu hình van spin màng mỏng ba lớp chứa hai lớp sắt từ (F1 F2) ngăn cách lớp kim loại không từ tính (NM), lớp F1 thờng đợc gim bằngtơng tác trao đổi với lớp vật liệu phản sắt từ (nh FeMn, Ni1-xCoxO, TbCo, ) Để minh họa, ta xét hệ van spin có cấu trúc {Si/Ta(5 nm)/NiFe(6 nm)/Cu(2,2 nm)/NiFe(4 nm)/FeMn(7 nm)/Ta(5 nm)} (xem hình 6.15) Sự phụ thuộc từ trờng từ độ từ trở van spin nhiệt độ phòng đợc giới thiệu hình 6.16 Đờng cong từ trễ bao gồm hai phần trễ khác Phần trễ thứ có tâm xung quanh từ trờng àH = 0,48 kA/m với giá trị lực kháng từ àHC = 80 A/m tơng ứng với đảo từ lớp F1 tự (không bị gim) Đờng từ trễ thứ hai bị dịch đến từ trờng 32 kA/m với lực kháng từ àHC kA/m tơng ứng với đảo từ lớp F2 (bị gim với lớp phản sắt từ FeMn) Khi thay đổi từ trờng khoảng 80 kA/m, định hớng tơng đối vectơ từ độ 235 Lớp bảo vệ Lớp phản sắt từ (AF) Lớp sắt từ (F1) bị gim Lớp không từ (NM) Lớp sắt từ (F2) tự Lớp đệm Đế Si (hoặc thuỷ tinh) Hình 6.15 Mô hình đơn giản cấu trúc van spin [6.17] Hình 6.16 Đờng cong từ trễ (a) đờng cong MR (b) van spin với cấu hình Si/Ta(5 nm)/NiFe(6 nm)/Cu (2,2 nm)/NiFe(4 nm)/FeMn(7 nm)/Ta(5 nm) [6.6] 236 hai lớp F1 F2 thay đổi: cấu hình song song tồn àH 320 A/m àH 48 kA/m cấu hình phản sắt từ tồn khoảng từ trờng 646 A/m àH 20 kA/m Khoảng xê dịch 480 A/m lớp FeNi tự chứng tỏ tơng tác F1 F2 tơng tác sắt từ yếu thông qua lớp Cu không từ tính Điện trở van spin thay đổi đột ngột lớp từ độ lớp F1 bị đảo Hiện nay, van spin nh đợc ứng dụng để chế tạo đầu đọc thông tin mật độ cao 6.5.5 Cơ chế vật lý hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ song song tơng ứng với trạng thái có điện trở tơng đơng nhỏ Nếu độ dày lớp không từ nhỏ nm gọi điện trở suất gây nên điện tử có spin tơng ứng qua lớp kim loại có từ tính (xem hình 6.17a), điện trở suất tơng đơng màng mỏng đa lớp cấu hình là: F = 2/( + ) Trong đó, cấu hình phản song song, tất điện tử () () tán xạ mạnh lớp từ tính tán xạ yếu lớp từ tính khác (hình 6.17b) Cấu hình có điện trở suất tơng đơng lớn hơn: Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ đợc giải thích với tổ hợp đồng thời ba giả thiết sau đây: (i) Vì độ dày lớp không từ vào cỡ nm, tức nhỏ xấp xỉ quãng đờng tự trung bình điện tử, nên điện tử có khả vợt qua lớp đệm không từ tính để chuyển động từ lớp từ tính sang lớp từ tính khác (ii) Khi chuyển động lớp vật liệu có từ tính vùng chuyển tiếp với lớp từ tính, tán xạ điện tử phụ thuộc vào định hớng spin chúng (iii) Định hớng tơng đối vectơ từ độ lớp thay đổi dới tác dụng từ trờng Hãy xét màng mỏng đa lớp (ví dụ {Ni20Fe80 (3 nm)/Cu (1 nm)}n Khi từ độ lớp NiFe song song với (hình 6.17a), điện tử có spin thuận () có quãng đờng tự trung bình lớn toàn mẫu Điều có nghĩa điện tử tải điện dễ dàng, tức có điện trở nhỏ Ngợc lại điện tử có spin nghịch () có quãng đờng tự trung bình ngắn hơn, nên điện trở lớn Mặc dù vậy, tính chung lại, mạch điện bị ngắn mạch điện tử có spin () Do đó, cấu hình 237 (6.17) AF = ( + )/2 (6.18) Độ lớn hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là: AF 2 ( ) = = , = +1 ( + ) (6.19) với = / Để phân loại, chia thành ba nhóm vật liệu có hiệu ứng có hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (màng mỏng đa lớp có liên kết phản sắt từ, màng mỏng đa lớp có lực kháng từ kép van spin) Tuy nhiên, chế vật lý hiệu ứng GMR áp dụng mô hình đơn giản chung để giải thích thay đổi điện trở suất cấu trúc từ màng mỏng thay đổi Lý thuyết GMR vừa trình bày dựa mô hình hai dòng điện (dòng điện điện tử có spin thuận dòng điện điện tử có spin nghịch) chế tán xạ phụ thuộc spin điện tử Đó chế tán xạ s-d (tức tán xạ điện tử s trạng thái d gần mức Fermi) Một số lý thuyết khác đợc đề xuất dựa chế phụ thuộc 238 cấu trúc vùng cấu hình từ Một cách chi tiết hơn, lý thuyết mô tả riêng biệt cho hiệu ứng GMR cấu hình đo có dòng điện mặt phẳng (current in the plane CIP) có dòng điện vuông góc với mặt phẳng màng (current perpendicular to the plane - CPP) Trong cấu hình CPP-GMR, hiệu ứng bẫy spin xảy vùng chuyển tiếp đợc xem chế quan trọng sử dụng để phát triển hoàn thiện lý thuyết GMR [6.17] silic) nên tợng từ giảo màng mỏng quan sát đợc cách trực tiếp dới dạng biến dạng tuyến tính ( = l/l0) nh vật liệu khối mà thể hiệu ứng uốn cong (hình 6.18) Khi tác dụng từ trờng theo phơng Ox, biến dạng mẫu xảy theo phơng Oy Oz ngợc Nếu mẫu có dạng dài theo trục Ox, tức l = K FeCo tFeCo + K TbFeCob t TbFeCo tFeCo + t TbFeCo < S >= FeCo tFeCo + TbFeCob tTbFeCo tFeCo + t TbFeCo tFeCo, bỏ qua từ giảo dị hớng từ lớp FeCo, từ giảo trung bình màng mỏng đa lớp TbFeCo/2 dị hớng từ giảm nửa KTbFeCo/2 so với màng mỏng đơn lớp tơng ứng Tuy nhiên với thành phần vật liệu chọn, thông thờng MFeCo (= 1700 kA/m) MTbFeCo (= 300 kA/m) Khi đó, MTbFeCo Trong trờng hợp này: à0HS = K/2MS = KTbFeCo/(2ì4ìMTbFeCo) à0HS(TbFeCo)/4 (6.27) Nh vậy, từ trờng bão hoà màng mỏng đa lớp giảm lần, tức tính chất từ giảo từ trờng thấp đợc cải thiện nhiều Điều đợc kiểm nghiệm hệ màng mỏng đa lớp {a-TerfecoHan/Fe}80 Kết đo từ độ từ giảo đợc hình 6.23 6.24 Nhận thấy rằng, so với màng mỏng đơn lớp a-TerfecoHan từ trờng bão hoà màng mỏng đa lớp a-TerfecoHan/Fe giảm rõ rệt Đặc biệt, từ giảo bão hoà màng mỏng a-TerfecoHan/Fe, nh dự đoán trên, giảm nửa nhng hầu nh đợc phát triển từ trờng thấp Để tăng tính từ mềm vật liệu từ giảo, ngời ta (6.24) Lớp FeCo n chu kỳ (6.25) Lớp TbFeCo (6.26) Đế Dựa vào phơng trình (6.24-6.26), ta thấy rằng, màng mỏng đa lớp có chiều dày lớp tTbFeCo = 245 Hình 6.22 Cấu trúc "spring magnets" màng mỏng từ giảo đa lớp {TbFeCo/FeCo} 246 1,0 Tb(FeCo)1,5/Fe thay lớp FeCo có cấu trúc tinh thể lớp vật liệu từ mềm finemet, lớp vô định hình a-YFeCo hay lớp có cấu trúc nanô Từ giảo đặc biệt độ cảm từ giảo (=d/dH) kỷ lục đạt đợc hệ màng mỏng đa lớp {a-Terfecohan/nYFeCo} [6.23,6.26] Tb(FeCo)1,5 M/MS 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -1,0 -0,5 -0,0 0,5 1,0 1,5 àH (T) Hình 6.23 Đờng cong từ trễ màng mỏng từ giảo đơn lớp a-TerfecoHan đa lớp {a-TerfecoHan/Fe} [6.26] 700 600 Tb(FeCo)1,5 //(10-6 ) 500 400 300 200 {Tb(FeCo)1,5/Fe}n 100 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 àoH (T) Hình 6.24 Đờng cong từ giảo màng mỏng từ giảo đơn lớp a-TerfecoHan đa lớp {a-TerfecoHan/Fe} 247 248 [2.6] R Lemaire, Thèse, Université Joseph Fourier, Grenoble, 1966 [2.7] J C Lodder and P.L Kim, Materials for Magnetic Data Storge, Universiteit Twente, 2001 Tài liệu tham khảo Chơng I [1.1] E Amzallag, N Piccioli, Electromagnétisme, Ediscience International, 1996 [1.2] R C OHandley, Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, Wiley John & Sons Inc, 2000 [3.1] M Cyrot, Magnetism of Metals and Alloys, NorthHolland, Amsterdam, 1982 [1.3] J C Lodder, P.L Kim, Materials for Magnetic Data Storge, Universiteit Twente, 2001 [3.2] B Barbara, D Gignoux, C Vettier, Lectures on Modern Magnetism, Science Press, Springer-Verlag, Berlin, 1988 [1.4] J.L Queyrel, J Mesplède, Electromagnétisme, Bréal, 1996 [3.3] R C OHandley, Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, Wiley John & Sons Inc, 2000 [1.5] Nguyễn Phú Thùy, Vật lý tợng từ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [3.4] K.H.J Buschow, in: Materials Science and Technology, R.W Cahn, P Haasen and E.R Kramer, eds., vol 3A, [1.6] N.W Ashcroft, N.D Mermin, Solid State Physics, Saunder College Publishing Company, 1976 [2.2] Weinheim-New York- Basel-Cambridge, 1997 [3.5] E du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, Presses Universitaires de Grenoble, France, 1999 [3.6] A.R Miedema, R Boom and F.R de Boer, J Less Common Met., 41 (1997) 283 J Friedel, The Physics of Metals, Cambrige University Press, 1969 [3.7] W.G Moffatt, The Handbook of Binary Phase Diagrams, Genium Publishing Coorporation, 1976 A.R Williams, V.L Moruzzi, A.P Malozemoff and K Terakura, IEEE Trans Magn MAG 19 (1983)1983 [3.8] M.S.S Brooks and B Johansson, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., NorthHolland, Amsterdam, vol.7, 1993, p 139 [3.9] Nguyễn Hữu Đức, in: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare-Earths, K.A Gschneidner, Jr., eds., North-Holland, Amsterdam, vol 24, 1997, chapter 163, Chơng II [2.1] Chơng III [2.3] L.T Tài, Luận án Phó Tiến sĩ, Trờng Đại học Tổng hợp Hà Nội, 1990 [2.4] F Kayzel, Thesis, Universiteit van Amsterdam, 1997 [2.5] S David, Thèse, Université Joseph Fourier, Grenoble, 1999 249 250 p 338 [4.3] K.H.J Buschow, in: Handbook of Ferromagnetic Materials, E.P Wohlfarth, ed., North-Holland Publishing Company, Amsterdam - New York - Oxford, vol 1, 1980, chapter 4, p 297 [4.4] E Belorizky, M.E Fremy, J.P Gavigan, D Givord and H.S Li, J Appl Phys., 61 (1987) 3971 [3.10] Trần Mậu Danh, Luận án Tiến sĩ, ITIMS, 2002 [3.11] N.W Ashcroft and N.D Mermin, Solid State Physics, Saunder College Publishing Company, 1976 [3.12] J.P Gavigan, D Givord, H.S Li and J Voiron, Physica B 149 (1988) 345 [3.13] V Gradmann, Magnetism in utrathin transition-metal films, in Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., Elsevier Science, North-Holland, Amsterdam, vol 7, 1993, p [4.5] Belorizky, E., J.P Gavigan, D Givord and H.S Li, Europhys Lett 5(4) (1988) 349 [4.6] [3.14] J Tyson, A.H Owens, J.C Walker, G Bayreuther and J Appl Phys 52 (1981) 2487 J.J.M Franse and R.J Radwanski, in: Handbook of Ferromagnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., NorthHolland, Amsterdam, 1993, vol.7, p 307 [4.7] M.T Hutchings, Solid State Phys., 16 (1964) 227 [4.8] R Coehorn, in: Supermagnets, Hard Magnetic Materials, Proceedings of the NATO-ASI, G.J Long and F Grandjean, eds , Kluwer, Dordrecht, 1990 [4.9] E du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, Presses Universitaires de Grenoble, France, 1999 [3.15] D Givord, O.F.K McGrarth, C Meyer, J Rothman, J Magn Magn Mater., 157/158 (1996) 245 [3.16] Nguyễn Hữu Đức, Những vấn đề đại vật lý chất rắn, tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1998; Kỷ yếu Hội thảo khoa học Đào tạo, nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ vật liệu, Huế 2000, trang 373 [4.10] Nguyễn Hữu Đức, Luận án Phó tiến sĩ, Đại học Tổng hợp Hà Nội, 1988 [4.11] T.T Jew, Ph.D Thesis, Iowa State University, 1963 Chơng IV [4.1] [4.2] S Legvold, in: Handbook of Ferromagnetic Materials, E.P Wohlfarth, ed., North-Holland Publishing Company, Amsterdam - New York - Oxford, vol 1, 1980, chapter 3, p 183 K.H.J Buschow, in: Materials Science and Technology, R.W Cahn, P Haasen and E.R Kramer, eds., vol 3A, Weinheim-New York- Basel-Cambridge, 1997 251 [4.12] R.W Green, S Legvold and F.H Spedding, Phys Rev., 122 (1961) 827 [4.13] D Gignoux and D Schmitt, J Magn Magn Mater 100 (1991) 99 [4.14] Nguyễn Hữu Đức and P.E Brommer, Magnetoelasticity in nanoscale heterogeneous magnetic materials, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., North-Holland, Amsterdam, vol 14, 2002, chapter 2, p 89 252 Chơng V K.A Gschneidner, Jr and L Eyring, eds., NorthHolland, Amsterdam, 2001, p 515 [5.1] I.A Campbell, J Phys F.: Met Phys., (1970) L47 [5.2] M.S.S Brooks and B Johansson, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., NorthHolland, Amsterdam, vol.7, 1993, p 139 [5.3] Nguyễn Hữu Đức, in: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare-Earths, K.A Gschneidner, Jr., eds., North-Holland, Amsterdam, vol 24, 1997, chapter 163, p 338 [5.13] S Hirosawa, Met Technol., AGNE Publishing Inc., (24) 1999 [5.14] E.F Kneller and R Hawig, IEEE Trans Magn., 27 (1991) 3588 [5.15] Nguyễn Hữu Đức and T Goto, Itinerant electron metamagnetism of Co-sublattice in the lanthanide cobalt intermetallics, in: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, K.A Gschneidner, Jr and L Eyring, eds., North-Holland, Amsterdam, 1999, vol 26, chapter 171, p 301 [5.4] M Cyrot and M Lavagna, J de Physique (Paris), 40 (1979) 763 [5.5] N.H Duc, Phys Stat Sol (b) 176 (1993) K29 [5.6] N.H Duc, T.D Hien, D Givord, J.J M Franse and F.R de Boer, J Magn Magn Mater., 124 (1993) 305 [5.7] N.H Duc and D Givord, J Magn Magn Mater., 151 (1995) L13 [5.16] Nguyễn Hữu Đức and P.E Brommer, Formation of 3d moment and spin fluctuations in some rare-earth - cobalt compounds, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., North-Holland, Amsterdam, vol 12, 1999, chapter 3, p 259 [5.8] E du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, Presses Universitaires de Grenoble, France, 1999 [5.17] Nguyễn Hữu Đức, Vật lý chuyển pha, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [5.9] K.H.J Buschow, in: Materials Science and Technology, R.W Cahn, P Haasen and E.R Kramer, eds., vol 3A, Weinheim-New York- Basel-Cambridge, 1997 [5.18] N.H Duc, D Givord, C Lacroix and C Pinettes, Europhys Lett., 20 (1992) 47 [5.10] M Sagawa, S Fujimura, N Togawa, H Yamamoto, Y Yamasuura, J Appl Phys., 55 (1984) 2078 [5.11] J.M.D Coey and J Sun Hong, J Magn Magn Mater., 87 (1990) L251 [5.12] K Kobayashi and S Hirosawa, Permanent magnets, in: Handbook on Physics and Chemistry of the Rare Earths, 253 [5.19] N.H Kim Ngan, Thesis, Universiteit van Amsterdam, 1995 [5.20] A.E Clark, in: Handbook of Ferromagnetic Materials, E.P Wohlfarth, ed., Elsevier Science, North-Holland, Amsterdam, vol 1, 1980, p 539 [5.21] N.H Duc, J Magn Magn Mater., 212 (2002) 1411 [5.22] Nguyễn Hữu Đức, Giant magnetostriction in rare-earth 254 transition metal thin films, in: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, K.A Gschneidner, Jr., L Eyring and G.H Lander, eds., North-Holland, Amsterdam, vol 32, 2001, chapter 205, p Universitaires de Grenoble, France, 1999 [6.7] G.H Harp, M.M Schwickert, M.A Tomaz, Tao Lin, L Lederman, E Mayo, W.L O'Brien, IEEE Tractions on Magn., 34 (1998) 864 [5.23] Nguyễn Hữu Đức and P.E Brommer, Magnetoelasticity in nanoscale heterogeneous magnetic materials, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., North-Holland, Amsterdam, vol 14, 2002, chapter 2, p 89 [6.8] V Gradmann, Magnetism in utrathin transition-metal films, in Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., Elsevier Science, North-Holland, Amsterdam, vol 7, 1993, p [5.24] P Hansen, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., Elsevier Science, North-Holland, Amsterdam, vol 6, 1991, p 289 [6.9] Nguyễn Hữu Đức, Vật lý chuyển pha, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 Chơng VI [6.10] F.J.A Den Broeder, W Howing, P.H.J Bloemen, J Magn Magn Mater, 93 (1991) 562 [6.11] C Chappert and P Bruno, J Appl Phys., 64 (1988) 5736 [6.1] L Néel, J Phys Rad., 15 (1954) 225, xem thêm L Néel, Euvres Scientifiques, Edition du CNRS, Paris, 1978 [6.12] D Givord, O.F.K McGrarth, C Meyer and J Rothman, J Magn Magn Mater., 157/158 (1996) 245 [6.2] R.W Erwin, J.J Rhyne, M.B Salamon, J.A Borchers, S Sinha, R Du, J.E Cunningham and C.P Flynn, Phys Rev B35, (1987) 6808 [6.13] C.F Majkrzak, J.W Cable, J Kwo, M Hong, D.B McWhan, Y Yafet, J.W Waszack and C Vettier, Phys Rev Lett., 56 (1986) 2700 [6.3] R.S Beach, J.A Borchers, A Matheny, R.W Erwing, M.B Salamon, B Everitt, K Pettit, J.J Rhyne and C.P Plynn, Phys Rev Lett., 70 (1993) 3502 [6.14] M.B Salamon, S Sinha, J.J Rhyne, J.E Cunningham, R.W Erwin and C.P Flyn, Phys Rev Lett., 56 (1986) 259 [6.4] [6.5] D.A Jehan, D.F McMorrow, R.A Cowley, R.C.C Ward, M.R Wells, N Hagmann and K.N Clausen, Phys Rev B48 (1993) 5594 P.P Swaddling, D.F MacMorrow, J.A Simpson, R.C.C Ward, M.R Wells and K.N Clausen, J Phys.: Condens Matter., (1992) L487 [6.6] E du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, Presses 255 [6.15] Ph Bauer, M Sajiedine, C Dufour, K Cherifi, G Marchal and Ph Mangin, Europhys Lett., 16 (1991) 307 [6.16] Givord, D., A.D Santos, Y Souche, J Voiron and S Wuchner, J Magn Magn Mater., 121 (1993) 216 [6.17] A Bathélémy, A Fert and F Petroff, Giant magnetoresistance in multilayers, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., NorthHolland, Amsterdam, vol 12, 1999, chapter 3, p 256 [6.18] Nguyễn Hữu Đức and P.E Brommer, Formation of 3d moment and spin fluctuations in some rare-earth - cobalt compounds, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., North-Holland, Amsterdam, vol 12, 1999, chapter 3, p 259 [6.19] J.M Fournier and E Gratz, in: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare-Earths, K.A Gschneidner, Jr., eds., North-Holland, Amsterdam, vol 17, 1993, p 409 [6.20] M.R Ibarra, R Mahendiran, C Marquina, B GarciaLanda and J Blasco, Phys Rev., B57 (1998) 3217 [6.21] Nguyễn Hữu Đức, Giant magnetostriction in rare-earth transition metal thin films, in: Handbook on Physics and Chemistry of the Rare Earths, K.A Gschneidner, Jr., L Eyring and G.H Lander, eds., North-Holland, Amsterdam, vol 32, 2001, chapter 205, p [6.22] J Betz, Thèse, Université de Grenoble, 1997 [6.23] N.H Duc, J Magn Magn Mater., 212 (2002) 1411 Phụ lục Các thừa số chuyển đổi đơn vị từ hệ mks/SI sang hệ CGS Đại lợng vật lý Hệ CGS Manhêton Bohr àB 0,927ì10 J/T (= Am2) = 0,927ì10-20 erg/cm (= emu) Cảm ứng từ B (hay àoH) Tesla (Wb/m2) = 104 Gauss Từ trờng H A/m = 4/103 1/80 Oe Từ độ M A/m = 10-3 emu/cm3 Am2/kg = emu/g Am2/mol = emu/mol -23 Mômen từ m Am = 103 emu Năng lợng Jun = 107 erg [6.24] N.H Duc, K Mackay, J Betz and D Givord, J Appl Phys., 87 (2000) 834 [6.25] N.H Duc, K Mackay, J Betz and D Givord, J Appl Phys., 79 (1996) 973 [6.26] Nguyễn Hữu Đức and P.E Brommer, Magnetoelasticity in nanoscale heterogeneous magnetic materials, in: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J Buschow, ed., North-Holland, Amsterdam, vol 14, 2002, chapter 2, p 89 257 Hệ SI 258 [...]... liệu từ cứng có HC lớn nhất hiện nay dựa trên các hợp kim liên kim loại đất hiếm kim loại chuyển tiếp nh SmCo5, Nd2Fe14B Ngoài phơng pháp phân loại các vật liệu từ theo giá trị của nh đã nêu ở trên, việc phân loại các chất sắt từ còn dựa vào giá trị của lực kháng từ HC (hình 1.16) Vật liệu ghi từ có HC vào cỡ 101 ữ 102 kA/m Loại vật liệu này đợc sử dụng để ghi thông tin Ngoài giá trị HC cao, vật liệu. .. tơng ứng là từ độ và cảm ứng từ d và HC là lực kháng từ Các vật liệu từ mềm có HC nằm trong khoảng 10-1 ữ 10-2 A/m Thêm vào đó, chúng có độ từ thẩm và hệ số từ hoá rất cao 49 Hình 1.16 Đờng cong từ hoá của một số loại vật liệu sắt từ Vật liệu từ điện trở (magnetoresistive materials): điện trở phụ thuộc vào trờng 50 Vât liệu từ giảo (magnetostrictive materials): kích thớc mẫu phụ thuộc vào từ độ Các... mẫu phụ thuộc vào từ độ Các tiêu chí khác đặc trng cho nớc từ, từ học phân tử, cũng bắt đầu đợc phổ biến Chơng II Công nghệ chế tạo các vật liệu từ liên kim loại dạng khối và màng mỏng 2.1 chế tạo các vật liệu từ liên kim loại dạng khối 2.1.1 Mở đầu Số lợng các hợp kim từ tính tồn tại trong thực tế rất nhiều, chỉ riêng các hợp kim đất hiếm kim loại chuyển tiếp (R-T) cũng đã lên đến con số hàng nghìn... Đờng cong từ trễ và phân loại các vật liệu sắt từ Việc phân loại các vật liệu sắt từ thờng đợc tiến hành dựa vào hệ số từ hoá Các chất nghịch từ có < 0 ( 10 5 ) Trong các chất nghịch từ không có mômen từ nguyên tử, chỉ có một từ độ cảm ứng nhỏ hớng ngợc với chiều từ trờng ngoài 47 Các chất thuận từ có > 0 ( 10-5 ữ 10-3) Trong các chất thuận từ, các nguyên tử có mômen từ, nhng nằm cách nhau khá xa,... cao, vật liệu ghi từ còn đòi hỏi độ từ d lớn và độ chữ nhật S = Mr/MS cao Ngoài cách phân loại dựa vào giá trị của lực kháng từ, còn có các tiêu chí khác để phân loại các vật liệu từ dựa vào sự phụ thuộc của một trong các tính chất vật lý của chúng vào trạng thái từ hóa Chẳng hạn: Hình 1.15 Các đờng cong từ trễ M(H) (a) và B(H) (b) của chất sắt từ MS và BS tơng ứng là từ độ và cảm ứng từ bão hoà, Mr và... các vật liệu nhớ từ nh đĩa cứng, băng từ, đờng cong từ trễ cung cấp các thông số cần thiết cho kỹ thuật lu trữ thông tin Trong trờng hợp đó các trạng thái từ d + M r và M r đợc sử dụng trong kỹ thuật ghi thông tin số hoá Các vật liệu từ cứng có HC nằm trong khoảng 102 ữ 103 kA/m ứng dụng chủ yếu của các vật liệu từ cứng là chế tạo các nam châm vĩnh cửu dùng trong các loa điện động, mô tơ, Vật liệu. .. góc là à Đờng cong từ trễ cung cấp các thông tin về từ tính của vật liệu nh lực kháng từ (HC), từ độ bão hoà (MS) và độ từ d Mr 48 (hay cảm ứng từ d Br) Lu ý rằng, lực kháng từ HC của đờng cong B(H) khác với đờng cong M(H) Các vật liệu từ mềm thờng đợc sử dụng để làm lõi biến thế, mô tơ, máy phát và đầu ghi từ Đối với các nam châm, thông tin đợc quan tâm nhất khi khảo sát đờng cong từ trễ còn là tích... phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ, hệ số từ hoá và nghịch đảo hệ số từ hoá cho các vật liệu sắt từ MS - từ độ bo hoà; M0 - từ độ ở 0 K với C là hằng số Curie: C= n0 g J2 à B2 J ( J + 1) 3kB 1.5 Từ tính của Hệ các điện tử linh động (1.42) Đối với chất sắt từ, từ trờng ngoài B bây giờ phải đợc thay bằng B + Bm (= B + à0nijHm) Trong trờng hợp này, sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ cũng đợc mô tả bằng hàm... tại Dới tác dụng của từ trờng ngoài, các mômen spin của nguyên tử quay rất chậm theo hớng từ trờng ngoài Trong các chất phản sắt từ, có sự định hớng ngợc chiều của các mômen từ có giá trị bằng nhau Đây là một trạng thái trật tự từ nhng hệ số từ hoá của nó chỉ xấp xỉ các chất thuận từ Các chất sắt từ và feri từ có > 1 ( 102 ữ 104) Trong các vật liệu này, mômen spin của các nguyên tử liên kết với nhau... màng mỏng liên kim loại đất hiếm kim loại chuyển tiếp R-T, màng mỏng đợc tạo ra thờng là các hợp kim chứa từ hai nguyên tố khác nhau trở lên Khi đó, thành phần hợp kim của bia và thành phần của màng thờng sẽ khác nhau 2002.20.04 Hình 2.13 Hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và nguồn xoay chiều tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, ĐHQGHN 71 Có hai loại bia thờng đợc sử dụng: bia hợp kim và bia ... vào từ độ Các tiêu chí khác đặc trng cho nớc từ, từ học phân tử, bắt đầu đợc phổ biến Chơng II Công nghệ chế tạo vật liệu từ liên kim loại dạng khối màng mỏng 2.1 chế tạo vật liệu từ liên kim loại. .. Các vật liệu từ cứng có HC nằm khoảng 102 ữ 103 kA/m ứng dụng chủ yếu vật liệu từ cứng chế tạo nam châm vĩnh cửu dùng loa điện động, mô tơ, Vật liệu từ cứng có HC lớn dựa hợp kim liên kim loại. .. bên trong, từ trờng H có chiều ngợc với M Đó trờng khử từ Hd Hình 1.5 (a)-Cảm ứng từ từ độ khối vật liệu từ hình cầu (b) -Từ trờng bên bên khối vật liệu từ hình cầu 1.1.4 Trờng khử từ Trong ví