Từ hiệu ứng ‘Từ trở khổng lồ’ đến nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) Peter Gründberg Albert Fert Giải Nobel vật lý năm vừa trao tặng cho hai nhà khoa học Albert Fert Peter Grünberg qua công trình nghiên cứu Từ Trở Khổng Lồ Albert Fert, 69 tuổi, sinh Carcassonne (miền nam nước Pháp), giám đốc trung tâm nghiên cứu vật lý - liên kết CNRS THALES - Orsay (Pháp) từ năm 1995 Peter Grünberg, 68 tuổi, sinh Pilsen, nghỉ hưu Đầu năm nay, Albert Fert Peter Grünberg trao tặng Japan Prize, giải thưởng khoa học uy tín Nhật Bản Hơn mười năm trở lại đây, ngành vật lý vật liệu tiến bước vượt bực với hai khám phá khoa học quan trọng : Tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductivity) Từ trở khổng lồ (giant magnetoresistance, GMR) Cả hai đem lại cho công kỹ nghệ ứng dụng phi thường Đặc biệt nghiên cứu từ trở khổng lồ đưa đến tiến khó tưởng khả dự trữ thông tin máy vi tính ngày Điện tử spin - Từ trở khổng lồ Nhiều tính chất vật lý vật liệu thay đổi vật đặt từ trường Một số điện trở vật liệu biến đổi theo chiều cường độ từ trường áp dụng vật liệu Dòng điện tạo chuyển động electron mang điện tích Trong kim loại, chuyển động thường bị pha tạp hay khuyết điểm hệ thống cấu trúc, kích thích đồng loạt (phonon, magnon) ngăn cản Điện trở vật liệu khả chống lại vận chuyển Các điện tích electron quay quanh chúng tạo nên moment tên gọi spin Moment góc spin vectơ hướng theo chiều lên (↑ ) hay xuống ( ↓ ) (up down, bắc hay nam) Theo ước lược, electron bị đụng chạm dòng điện qua khả khuếch tán với quay chiều spin không đáng kể Trong số vật liệu chứa chất manganese (manganite), electron vận chuyển ion manganese (Mn) Những ion nguyên tử vốn bị thiếu hay nhiều electron Mỗi ion có số electron không lưu động, chúng tạo thành moment từ nội (hay nam châm) cho ion Sự di chuyển electron di động tùy thuộc vào chiều moment từ nội lên hay xuống ion bên cạnh mà electron va chạm Hình phân biệt trường hợp khả thể : Hình : Trạng thái dòng điện tùy theo chiều spin di động từ độ ion • • • spin electron di động chiều với moment ion Mn gặp, dòng điện nảy sinh Vật liệu chất dẫn điện spin ngược chiều với moment từ nội ion Mn tiếp đón nó, electron chẳng thể nhảy qua, dòng điện bị cắt Đây trạng thái cản điện trường hợp thứ ba xảy : Khi áp dụng vào chất manganite từ trường bên đủ mạnh, tất moment từ ion bị xoay để quay hướng với spin electron khiến cho chuyển động dòng điện không gặp chướng ngại Đây nguyên nhân tượng ‘‘từ trở khổng lồ’’ Hiện tượng từ trường làm cho điện trở thay đổi ghi nhận thí nghiệm thực cấu trúc chế tạo cách luân phiên chồng lớp kim loại có từ tính với kim loại phi từ (Hình 2) Khi người ta áp dụng từ trường lên vật liệu đa lớp (multilayer) từ độ lớp có từ tính trạng thái song song đối chiều ( ↑↓ ) ngả sang trạng thái song song chiều ( ↑↑) Biên độ tượng lớn gấp hai biên độ thấy trước kim loại bình thường Một thí dụ cụ thể, tiếng : Năm 1988, Albert Fert, khoa học gia vật lý, huy chương vàng C.N.R.S (Trung Tâm Nghiên Cứu Khoa Học Quốc Gia) Pháp khám phá từ trở khổng lồ vật liệu đa lớp sắt chromium, ông nhận : Lúc đầu, với độ dầy lớp chromium, từ độ lớp sắt hướng theo chiều đối nghịch ; bị từ trường bên tác động lên, chúng quay chiều khiến cho điện trở vật liệu đa lớp sút giảm mạnh Từ đấy, nhiều cấu trúc phức tạp khác gọi van spin (spin valve) sáng chế hãng IBM tâm khai thác mục đích tăng gia hữu hiệu phần tử từ trở, ngỏ hầu ứng dụng vào kỹ nghệ vi tính Nếu trước đây, spin electron không đuợc giới vật lý lưu ý nghiên cứu tượng chuyển tải dòng điện, sau quan tâm tới spin mở phạm trù cho vật lý đại, nhánh cho ngành vi điện tử, ‘‘Điện tử spin’’ (spintronic) Biểu spintronic hiệu ứng từ trở khổng lồ phát lớp vật liệu mang từ tính Nói đến spintronic, Albert Fert giải thích sau : ‘‘Điện tử spin khai thác tính chất lượng tử electron : Chúng ta tưởng tượng spin kim la bàn nhỏ xíu electron Khi mà điện tử thông thường vận hành hướng dẫn electron cách áp dụng lực điện tích chúng, spintronic tác động spin electron’’ Hình : Vật liệu đa lớp ; điện trở đo thẳng góc xuyên qua chồng lớp lệ thuộc vào chiều spin hai vỏ kim loại sắt từ bọc lớp kim loại phi từ Trường hợp 1: điện trở yếu phân tán ; trường hợp : spin đối chiều, điện trở lớn Hình : Cấu trúc perovskite lý tưởng : chuỗi khối tám mặt MnO6 liên kết với đỉnh theo ba chiều không gian Spintronic dựa số điểm sau : Số lượng spin ↑ spin ↓ vật liệu mang từ tính khác Chính khác biệt tạo nên từ hoá (moment từ vĩ mô) cho vật liệu Có hai loại điện tử : dòng electron với spin ↑ dòng electron với spin ↓ , chúng song song dẫn điện Khả khuếch tán electron lưu động lệ thuộc vào chiều spin so với từ độ vật liệu Chiều dài chuyển tiếp: dòng điện truyền từ môi trường có từ tính sang môi trường phi từ, xảy không đồng thuận biên giới hai môi trường số spin ↑ số spin ↓ khác kim loại từ chất phi từ Như tạo vùng biên giới chuyển tiếp, tính bất đối xứng spin giảm dần Khả khuếch tán electron đôi với quay chiều spin nhỏ sinh chiều dài chuyển tiếp, gọi chiều dài khuếch tán spin Đi vào lý thuyết chút, định nghĩa từ trở thể theo công thức : MR = [Δρ/ρ(0)] = [ρ(H) - ρ(0)] / ρ(0) với ρ(H) điện trở hay điện trở suất nhiệt độ ấn định, có từ trường H ; ρ(0) điện trở H (H = 0) Từ trở MR âm hay dương Từ trở đa số kim loại thường nhỏ, chừng vài phần trăm Trong kim loại phi từ nguyên chất hay hợp kim, MR thường mang trị số dương Với vật liệu mang từ tính, MR âm từ trường áp dụng làm biến tính cách vô trật tự hệ thống xếp đặt spin Ngoài số vật liệu MR đa lớp gồm hai kim loại mang tính sắt từ (ferromagnetic) đối sắt từ (antiferromagnetic) hay phi từ, sắt chromium khám phá vào năm 1988 Abert Fert nêu trên, từ trở khổng lồ xuất nơi hạt sắt từ (ferromagnetic granules) phân tán màng kim loại thuận từ (paramagnetic metal films), chẳng hạn đồng sắt Tiếp theo đó, vào năm 1993-1995, qua cộng tác chung hóa học vật lý gia, tính chất từ trở khổng lồ âm tìm ốc-xít chứa chất manganese kim loại đất (rare-earth), chúng có công thức hóa học Ln 1xAxMnO3 [Ln = đất ; A = ion dương, hóa trị đôi đất kiềm (alkaline earth)] Vật liệu có cấu trúc mạng perovskite (Hình 3) : khối tám mặt (octahedron), khối có ion Mn sáu ion oxy đỉnh, liên kết với thành chuỗi theo ba chiều không gian Những ion dương Ln A ngụ khoảng trống tạo chuỗi khối tám mặt Biên độ từ trở khổng lồ chúng lớn, MR phương trình lên đến gần 100% Do nhiều khoa học gia chọn tên ‘‘Colossal magnetoresistance’’ (CMR) để phân biệt với ‘‘Giant magnetoresistance’’ (GMR) hữu vật liệu kim loại hạt hay đa lớp Trong hai vật liệu hạt đa lớp, chế vật lý đưa đến tượng vận chuyển spin phân cực (polarized spins) Đối với perovskite chứa manganese thế, spin phân cực nguồn gốc từ trở khổng lồ âm, khác biệt hẳn với xảy kim loại đa lớp Một nguồn gốc vật lý đưa đến từ trở khổng lồ ốc-xít manganese Ln 1-xAxMnO3 tượng ‘‘trao đổi kép’’ Zener (double- exchange) hai ion manganese hóa trị ba (Mn 3+) bốn (Mn4+) hữu vật liệu, qua trung gian ion oxy (O2-) Cơ chế trao đổi đưa đến dời đổi electron từ vị trí ion Mn 3+(với orbital d có electron) sang ion oxy trung tâm, đồng thời electon từ oxy trung tâm nhảy qua ion Mn 4+ (orbital d có electron) bên cạnh, xem hai ion Mn hoán vị : Mn3+ - O2- - Mn4+ ==> Mn4+ - O2- - Mn3+ Năng lượng hệ thống hạ thấp spin hai ion Mn3+ Mn4+ song song đồng chiều Phản ứng trao đổi đưa tới tình trạng vật lý mới, xếp đặt spin cho hướng với spin thuộc orbital d ion Mn kế bên kèm với tăng gia tỷ suất dời đổi electron, làm tính chất dẫn điện mạnh Kết luận muốn làm tăng khả dẫn điện cần có tương tác sắt từ (giữa spin song song chiều) Cũng nên lưu ý trao đổi bên nguyên tử mạnh hoán chuyển hai ion Mn Tính cách ‘‘trao đổi kép’’ lệ thuộc nhiều vào tham số cấu trúc chất ốc-xít, tỉ dụ : góc đo Mn-O-Mn hay tích phân dời chuyển (transfert integral) Mn-Mn Bên cạnh gia đình chất ốc-xít manganese có cấu trúc perovskite Ln 1-xAxMnO3, người ta tìm thấy từ trở khổng lồ gia đình ốc-xít khác với công thức hoá học Tl2Mn2O7 Các chất có cấu trúc tên pyrochlore phức tạp cấu trúc perovskite, nguyên tử manganese khối tám mặt nối liền với qua nguyên tử oxy, góc đo MnO-Mn perovskite gần 180° pyrochlore góc nhỏ hơn, khoảng 134° Nguyên tử thallium (Tl) nằm vòng sáu cạnh hợp oxy Vì Tl2Mn2O73+ chứa chất từ manganese, nên ban đầu người ta tin có ‘‘trao đổi kép’’ Mn/Mn 4+ đưa đến tính sắt từ trường hợp perovskite Tuy nhiên, phân giải cấu trúc phương pháp nhiễu xạ neutron chất pyrochlore có từ trở khổng lồ cho thấy có ion Mn4+ hữu vật liệu, ion Mn3+ hoàn toàn vắng bóng Như thế, nguồn gốc từ trở khổng lồ pyrochlore không ‘‘trao đổi kép’’ mà dựa chế điều khiển tương tác từ kiểu ‘‘siêu trao đổi’’ mạng Mn oxy (Mn-O), với tương tác có tác dụng tính dẫn điện phát xuất từ hoà trộn trạng thái hoá trị ion thallium Đương nhiên, yếu tố nêu nhiều định luật tham số vật lý khác đưa đến tượng từ trở khổng lồ Từ trở hiệu ứng đường hầm Đến năm 1995, vai trò điện tử spin củng cố nhờ tượng vật lý tương tự phát hiện, ‘‘từ trở hiệu ứng đường hầm’’ (tunneling magnetoresistance TMR) Jean Moodera người lần tìm hiệu ứng đường hầm lệ thuộc vào spin, nhiệt độ bình thường Trong hình thức đơn giản nhất, cầu nối đường hầm có từ tính (magnetic tunnel junction MTJ) vật liệu ba lớp gồm có màng mỏng cấu tạo chất cách điện hay chất bán dẫn (độ dầy chừng nm = 2.10-9 m) ép hai lớp sắt từ Khi hiệu áp dụng hai lớp sắt từ (xem điện cực), phát sinh dòng điện chạy qua lớp cách điện nằm giữa, lớp mang tên hàng rào đường hầm Sự hữu dòng điện hậu kỳ lạ thuyết lượng tử Điện trở MTJ tùy theo chiều moment từ hai điện cực; lớn moment song song chiều nhỏ chúng trái chiều Như thế, từ trở hiệu ứng đường hầm lệ thuộc vào bất đối xứng spin hai lớp sắt từ mà thay đổi theo cấu trúc điện tử màng cách nhiệt, theo chất giao tiếp điện tử vùng giao thoa cách điện - kim loại Ứng Dụng Công Kỹ Nghệ - Bộ nhớ MRAM Lâu phương pháp dùng để đo dò từ trường, từ trường cường độ yếu có nhiều đa dạng Với điện tử spin, cách thức hiệu nghiệm phát minh, máy có khả dò bắt từ trường cách thật nhạy bén ‘‘Hiệu ứng từ-trở’’ dùng để chế tạo đầu đọc/ghi đĩa cứng máy vi tính thời Để nhanh chóng đạt tới thông tin chứa đĩa cứng, máy vi tính phải có nhiều đầu đọc Mỗi lần thông tin (bit) qua, đầu đọc ‘‘nhìn thấy’’ cực bắc hay cực nam, cực tạo thành từ trường Tùy theo chất nam hay bắc cực, bit thông tin nhị phân hay Mỗi bit xem nam châm đĩa cứng; đĩa 40 GigaOctet đựng 8*40*10 9, tức khoảng vài trăm tỉ, nam châm Khi mở máy vi tính, máy đọc số nhu liệu đĩa đem chúng vào nhớ RAM (Random Access Memory), thời gian đạt tới nhớ RAM làm chất bán dẫn nhanh (cỡ phần trăm triệu giây đồng hồ) Tuy vậy, nhớ RAM dễ tiêu tan, tất thông tin dự trữ biến tắt máy Ngày nay, nhờ từ trở khổng lồ cung cấp khả dò nhạy từ trường thật nhỏ, phát sinh máy vi tính ghi ký hiệu vào đĩa, kích thước ký hiệu giảm thiểu mật độ thông tin chứa đựng đĩa cứng tăng lên khoảng 100 lần Tuy thế, Albert Fert cho khả từ trở khổng lồ có giới hạn, đưa đến mật độ tối đa 20 giga-bit cho cm vuông đĩa Và ông có niềm tin ‘‘từ trở hiệu ứng đường hầm’’ đem lại ứng dụng có tiềm cho ngành vi điện tử Bằng phương thức giữ y nguyên moment hai màng sắt từ thay đổi chiều màng thứ nhì, hiệu ứng MTJ đưa tới hai loại điện trở, với mô hình spin đồng chiều khác chiều, điều cho phép máy vi tính ghi vào đĩa trạng thái trạng thái 1, mà không bị lượng Hiện tượng đường hầm làm cho từ trở vật liệu biến thiên mạnh nhiệt độ bình thường, trường hợp từ trở khổng lồ độ biến thiên ba lần lớn Điều áp dụng để chế tạo nhớ điện tử MRAM (Magnetic Random Access Memory) Ưu điểm nhớ MRAM, so với RAM, tích trữ thông tin cách thường trực Nhờ đó, không cần phải lưu trữ số chương trình đĩa máy tắt nạp lại lúc mở ; máy khởi động mau chóng tránh nhiều việc bị liệu Các nhớ MRAM tiêu thụ điện hơn, dùng MRAM tăng tuổi thọ ắc-quy máy vi tính điện thoại di động Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (tiếng Anh: Giant magnetoresistance, viết tắt GMR) thay đổi lớn điện trở vật liệu từ tác dụng từ trường Tên gọi gốc tiếng Anh GMR "Giant magnetoresistance", dịch sang tiếng Việt chưa thống (giữa từ "lớn" hay "khổng lồ") việc so sánh với tên gọi hiệu ứng từ điện trở khác có tên tiếng Anh "Colossal magnetoresistance" (Từ "Colossal" có nghĩa lớn với "Giant") Vì thế, nhà nghiên cứu khoa học vật liệu, vật lý chất rắn Việt Nam gọi tắt chung hiệu ứng GMR Lịch sử GMR GMR hiệu ứng từ điện trở hiệu ứng lượng tử khác với hiệu ứng từ điện trở thông thường nghiên cứu từ cuối kỷ 19 Hiệu ứng lần phát vào năm 1988 Nhóm nghiên cứu Albert Fert Đại học Paris-11 siêu mạng Fe(001)/Cr(001) cho tỉ số từ trở tới vài chục % Nhóm nghiên cứu Peter Grünberg Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) phát ứng màng mỏng kiểu "bánh kẹp" (sandwich) lớp Fe(12 nm/Cr(1 nm)/Fe(12 nm) chế tạo phương pháp epitaxy chùm phân tử đế GaAs Hai tác giả nhận giải thưởng Nobel Vật lý năm 2007 cho phát minh Đây hai nhóm độc lập nghiên cứu phát hiệu ứng GMR màng đa lớp có lớp sắt từ bị phân cách lớp phản sắt từ phi từ, đồng thời đưa giả thiết để giải thích hiệu ứng Năm 1992, nhóm A E Berkowitz (Đại học California, San Diego, Mỹ) phát hiệu ứng GMR màng hợp kim dị thể Co-Cu với cấu trúc hạt Cosiêu thuận từ Cu có tỉ số từ trở đạt tới 20% Các nghiên cứu sau tiếp tục phát triển lý giải hiệu ứng này, tính từ "khổng lồ" không hiểu theo nghĩa độ lớn hiệu ứng từ điện trở nữa, mà hiểu theo chế tạo nên hiệu ứng: chế tán xạ phụ thuộc spin điện tử Điện trở chất rắn tạo tán xạ điện tử, có đóng góp cho tán xạ gồm: • Tán xạ mạng tinh thể dao động mạng tinh thể gọi tán xạ phonon • Tán xạ spin phần tử mang từ tính, gọi tán xạ magnon • Tán xạ sai hỏng mạng tinh thể (defect) • Gần có nghiên cứu tán xạ điện tử polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR Như vậy, hiệu ứng GMR có tán xạ điện tử magnon Khi có phần tử mang từ tính (ví dụ lớp sắt từ màng đa lớp hay hạt siêu thuận từ màng hợp kim dị thể) có định hướng khác mômen từ (do tác động từ trường ngoài), dẫn đến thay đổi tính chất tán xạ điện tử làm thay đổi điện trở chất rắn Một cách xác hơn, hiệu ứng GMR màng đa lớp giải thích mô hình hai dòng điện Mott (đề từ năm 1936) • Mô hình hai dòng Là khái niệm đề xuất năm 1935 Mott để giải thích tính chất bất thường điện trở kim loại sắt từ Mott cho nhiệt độ đủ thấp cho tán xạ magnon đủ nhỏ dòng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) thiểu số (có spin đối song song với từ độ) không bị pha trộn trình tán xạ Sự dẫn điện coi tổng hợp hai dòng độc lập không cân hai loại spin có chiều khác Các lớp phản sắt từ (ví dụ Cr) hay phi từ (ví dụ Cu) đóng vai trò ngăn cách lớp sắt từ, khiến cho mômen từ lớp sắt từ phải có định hướng khác cho có cân từ độ Sự tác động từ trường dẫn đến việc thay đổi định hướng mômen từ lớp, dẫn đến thay đổi dòng dẫn spin phân cực, dẫn đến thay đổi điện trở suất Ứng dụng hiệu ứng GMR Kể từ năm 1992, hiệu ứng GMR bắt đầu ứng dụng đầu đọc liệu ổ đĩa cứng máy tính thay cho đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng cũ, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin Người ta sử dụng màng mỏng spin valve ứng dụng Một ưu điểm khiến chúng dễ dàng thay khả chống nhiễu chống ồn cao • • Ứng dụng việc chế tạo cảm biến từ trường nhạy, cảm biến đo gia tốc Một ứng dụng lớn mở từ hiệu ứng việc phát triển linh kiện spintronics, linh kiện điện tử hệ hoạt động dựa việc điều khiển dòng spin điện tử Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ điện trở chui hầm hai trụ cột spintronics