ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜ ỌC TỰ NHIÊN CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC Đề tài tiểu luận: Từ điện trở xuyên hầm Tunnelling magnetoresistance (TMR) GVHD: TS.Đinh Sơn Thạch HV: Lê Phúc Quý Tunnelling magnetoresistance MỤC LỤC Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ 1.1 Những khái niệm vật liệu từ 1.2 Lịch sử từ học 1.3 Nguồn gốc từ tính 1.4 Các đại lƣợng đặc trƣng từ 1.5 Phân loại vật liệu từ 1.5.1 Chất nghịch từ 1.5.2 Chất thuận từ 1.5.3 Chất sắt từ 1.5.4 Chất phản sắt từ 1.5.5 Chất feri từ 1.6 Các tính chất nội vật liệu 1.6.1 Độ từ hóa bão hòa (Ms) 1.6.2 Sự dị hƣớng từ 1.6.3 Các đômen từ 1.7 Hiện tƣợng từ trễ 1.8 Các thông số từ 10 1.9 Các vật liệu từ khác 10 1.9.1 Vật liệu từ giảo 10 1.9.2 Từ trở 11 CHƢƠNG II TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR) 2.1 Lịch sử phát triển 12 2.2 Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm 12 2.3 Cơ chế hiệu ứng TMR 13 HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance 2.4 Độ dẫn điện số tiếp xúc 14 2.4.1 Tiếp xúc hai điện cực kim loại kim loại thƣờng 14 2.4.2 Hiệu ứng tiếp xúc điện có từ tính 14 2.5 Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm phụ thuộc spin 15 2.6 Mô hình điênh tử hiệu ứng xuyên hầm 18 2.7 Tiêm spin 19 2.8 Các yếu tố ảnh hƣờng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm 19 2.8.1 Ảnh hƣởng lớp tiếp xúc xuyên hầm 19 2.8.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ hiệu ứng TMR 22 2.8.3 Sự phụ thuộc hiệu điện hiệu ứng TMR 23 2.84 Chiều cao rào tính chất chuyển cục 24 2.8.5 Tiếp xúc xuyên hầm kép 24 CHƢƠNG 3: Ứng Dụng 3.1 Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) 26 3.1.1 Kiến trúc MRAM 26 3.1.2 Cách thức hoạt động MRAM 27 3.2 Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm 28 3.3 Đầu đọc từ ổ DHH 30 3.4 Cảm biến chất lƣợng cao 31 Tài liệu tham khảo HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Mở đầu Ngày nay, phát triển vượt trội khoa học công nghệ đưa người vào giới hiên đại Đóng góp vào phát triển làm thay đổi diện mạo giới người ta phải kể đến vật liệu từ Có thể dễ dàng nhận thấy linh kiện từ tính sử dụng thiết bị, dụng cụ quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô – xe máy, phận nhớ máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ em…Vật liệu từ thiếu ngành công nghiệp điện (tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,…), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế tạo ôtô, tầu thủy,… Và tiểu luận nhỏ này, muốn đề cập hiệu ứng vật liệu từ, hiệu ứng góp phần đưa công nghệ linh kiện người lên tầm cao mới, hiệu ứng “từ điện trở xuyên hầm” (Tunnelling magnetoresistance) Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm Julliere phát công bố năm 1975 Nếu trước đây, spin electron không đuợc giới vật lý lưu ý nghiên cứu tượng chuyển tải dòng điện, sau phát “Từ điện trở xuyên hầm”, vai trò điện tử spin củng cố , quan tâm tới spin mở phạm trù cho vật lý đại, nhánh cho ngành vi điện tử, „„Điện tử spin‟‟ (spintronic) Hiệu ứng „„Từ trở xuyên hầm‟‟ từ khám phá hứa hẹn tiềm lớn, ứng dụng cho ngành vi điện tử Và sau hiệu ứng thành công ứng dụng chế tạo nhớ điện tử MRAM (Magnetic Random Access Memory) Bộ nhớ MRAM có ưu điểm tiêu thụ điện hơn, có khả lưu trữ thông tin ổ đĩa cứng, chí lưu trữ thông tin dòng điện bị ngắt, có tốc độ đọc ghi nhanh nhiều không bị suy giảm theo thời gian Ngoài nhiều ứng dụng khác đáng quan tâm, trình bày phần ứng dụng tiểu luận HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ 1.1 Những khái niệm vật liệu từ Từ học môn khoa học lâu đời vật lý Các nghiên cứu ứng dụng tượng từ lý giải tượng từ bắt đầu Châu Âu từ kỷ 17, mà mở đầu công trình William Gilbert sau nghiên cứu Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell mở đầu cho việc đem ứng dụng từ học vào sống Từ tính thuộc tính vật liệu Tất vật liệu, trạng thái, dù hay nhiều biểu tính chất từ Việc nghiên cứu tính chất từ vật liệu giúp khám phá thêm bí ẩn thiên nhiên, nắm vững kiến thức khoa học kỹ thuật để ứng dụng chúng ngày có hiệu hơn, phục vụ lợi ích người, đặc biệt lĩnh vực từ học Cho đến ngày nay, từ học chủ đề lớn vật lý học với nhiều tượng lý thú nhiều khả ứng dụng khoa học, công nghệ, y - sinh học, sống 1.2 Lịch sử từ học 1600 Dr, William Gilbert - thí nghiệm từ học:” De Magnete” 1819 Oerstead - gắn liền từ học điện học 1825 Sturgeon phát minh nam châm điện 1880 Warburg vẽ chu trình trễ sắt 1895 Định luật Curie đề xuất 1905 Langevin lần giải thích tính chất nghịch từ thuận từ 1906 Weiss đưa lý thuyết sắt từ Những năm 1920 Vật lý từ học phát Hình 1.1 Hình đường sức trỉển với lý thuyết liên quan đến spin electron lưỡng cực từ tương tác trao đổi; bắt đầu học lượng tử 1.3 Nguồn gốc từ tính Hầu hết người biết vật liệu từ gì, người biết nam châm họat động nào? Trường tạo nam châm liên hệ với chuyển động tương tác electron, hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân nguyên tử Electron dang quay tròn tạo mômen từ quỹ đaợ riêng , đo magneton Bohr ( B), có mômen từ spin tương ứng với electron tự quay , giống trái đất quay trục thân nó.( HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance minh họa hình 2) Trong hầu hết vật liệu có mômen từ tổng cộng, nhờ electron tạo thành nhóm cặp, gây mômen từ bị trượt tiêu lân cận Trong vật liệu từ đó, mômen từ với tỷ lệ lớn electron xếp, tạo từ trường đồng Trường tạo vật liệu ( nam chân điện) có hướng chảy nam châm thể lực để cố gắng xếp theo từ trường ngoài, giống kim la bàn Hình 1.2 Quỹ đạo electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử 1.4 Các đại lƣợng đặc trƣng từ - Độ từ hóa (M) vật liệu: Mômen từ đơn vị thể tích vật liệu - Độ từ hóa riêng ( ): Mômen từ đơn vị khốI lượng - Cảm ứng từ (B) vật liệu: Từ thông tổng cộng từ trường qua đơn vị tiết diện cắt ngang vật liệu B = (H+M) B=H+4 M - độ từ thẩm chân không ( x 10 -7 Hm-1), tỷ số B/H đo chân không M - Độ cảm từ vật liệu: H - Độ từ thẩm: B H - Độ phân cực từ: J = 0M 1.5 Phân loại vật liệu từ 1.5.1 Chất nghịch từ Trong vật liệu nghịch từ , nguyên tử mômen từ riêng từ trường đặt vào Dưới ảnh hưởng từ trường (H) electron quay tiến động chuyển động , loại dòng điện, tạo HV: Lê Phúc Quý Hình 1.3 Đường cong từ hóa chất nghich từ Page Tunnelling magnetoresistance độ từ hóa (M) hướng đối diện với phương từ trường Tất vật liệu có hiệu ứng nghịch từ, song thường trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn Giá trị độ cảm từ độc lập với nhiệt độ Chất nghịch từ có độ cảm từ 1.5.2 Chất thuận từ có giá trị âm nhỏ 1, vào khoảng 10-5 Chất nghịch từ có độ từ hóa > nhỏ, cỡ 10 - tỷ lệ với 1/T Có vài lý thuyết chất thuận từ , phù hợp cho loại riêng vật liệu Mô hình Langevin cho vật liệu với electron định xứ không tương tác với , trạng thái mà nguyên tử có mômen từ định hướng hỗn loạn chuyển động nhiệt Việc Hình 1.4 Đường cong từ hóa chất thuận từ áp đặt từ trường tạo xếp mômen mà độ từ hóa thấp theo phương từ trường Khi tăng nhiệt độ, chuyển động nhiệt tăng lên, trở nên khó để xếp mômen từ nguyên tử vậy, độ cảm từ giảm xuống Bản chất biết định luật Curie cho phương trình 7, C số vật liệu C gọi số Curie T Trong phương trình này, dương, âm không Rõ ràng = 0, định luật Curie-Weiss định luật Curie Khi khác không có tương tác mômen từ lân cận vật liệu thuận từ nhiệt độ chuyển tiếp Nếu dương vật liệu sắt từ nhiệt độ chuyển tiếp giá trị tương ứng với nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC) Nếu âm, vật liệu phản sắt từ nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá trị không liên quan tới TN 1.5.3 Chất sắt từ: độ cảm từ c có giá trị lớn, cỡ 106 Ở T < TC (nhiệt độ Curie) từ độ J giảm dần, không tuyến tính nhiệt độ tăng lên Tại T = TC từ độ biến Ở vùng nhiệt độ T > TC giá trị 1/c phụ thuộc Hình 1.5 a/ Sự xếp momen sắt từ nhiệt độ T < TC; b/sự phụ tuyến tính vào nhiệt độ Sắt từ vật liệu từ thuộc nhiệt độ bão hòa 1/χ mạnh, chúng tồn mômen từ tự phát, xếp cách có trật tự từ trường Sắt từ có nhiều tính chất độc đáo ứng dụng quan 1.5.4 Chất phản sắt từ: chất từ yếu, χ~ 104, phụ thuộc 1/ χ vào HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance nhiệt độ không hoàn toàn tuyến tính chất thuận từ có hõm nhiệt độ TN (gọi nhiệt độ Nell) Khi T < T N phản sắt từ tồn momen từ tự phát sắt từ chúng xếp đối song song dôi Khi T > TN xếp mômen từ spin trở nên hỗn loạn χ lại tăng tuyến tính theo t chất thuận từ 1.5.5 Chất feri từ: độ cảm từ có giá trị lớn, gần cửa sắt từ χ ~104 tồn mô men từ tự phát Tuy nhiên cấu trúc tinh thể chúng gồn hai phần mạng mag momen từ spin có giá trị khác xắp xếp Hình 1.6 a/ Sự xếp momen sắt từ nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa 1/χ phản song song với nhau, từ độ tổng cộng khác không từ trường Hình 1.7 a/ Sự xếp momen feri từ nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc tác dụng, vùng nhiệt độ T < TC Vì nhiệt độ bão hòa JS 1/χ feri từ feri từ gọi phản sắt từ không bù trừ 1.6 Các tính chất nội vật liệu 1.6.1 Độ từ hóa bão hòa (Ms) Độ từ hóa bão hòa (Ms) phép đo số lượng cực đại trường sinh vật liệu Nó phụ thuộc vào cường độ mômen dipol nguyên tử cấu tạo vật liệu chúng xếp chặt với Mômen dipol nguyên tử bị ảnh hưởng chất nguyên tử toàn cấu trúc electron bên hợp chất Mật độ xếp mômen nguyên tử xác định cấu trúc tinh thể ( tức không gian mômen ) có mặt nguyên tố từ tính bên cấu trúc Đối với vật liệu sắt từ, nhiệt độ định, Ms phụ thuộc vào việc mômen từ xép tốt nào, dao động nhiệt nguyên tử gây sai hỏng xếp mômen làm giảm Ms Độ từ hóa bão hòa xem độ từ hóa tự phát, nhiên số hạng thường sử dụng để mô tả độ từ hóa bên đơn đômen từ 1.6.2 Sự dị hƣớng từ HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Hình 1.8 Sự dị hướng từ tinh thể cobalt Trong vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ phụ thuộc vào phương tinh thể hóa, mà dipol từ xếp Hình biểu diễn hiệu ứng đơn tinh thể cobalt Cấu trúc tinh thể hexagonal cobalt từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức dọc theo trục c), có trục khó độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm mặt phẳng sở ( 90o so với trục dễ) Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa trường dị hướng, (minh họa hình ), trường đòi hỏi để quay tất mômen 90o, đơn vị đơn tinh thể bão hòa Sự dị hướng gây liên kết quỹ đạo electron mạng theo phương dễ từ hóa liên kết làm cho quỹ đạo trạng thái lượng thấp 1.6.3 Các đômen từ Để giải thích thật vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát tồn trạng thái khử từ, Weiss đưa khái niệm đômen từ Weiss xây dựng sở công trình trước Ampère, Weber Ewing đưa tồn chúng Các kết tìm thấy công trình liên quan đến điều bên đômen số lớn mômen nguyên tử định hướng 10 12 – 10 18, vượt khối lượng lớn nhiều so với dự đoán trước Độ từ hóa bên đômen bão hòa nằm theo phương từ hóa dễ từ trường đặt vào Phương định hướng đômen ngang qua khối lượng lớn vật liệu ngẫu nhiên nhiều hay độ từ hóa mẫu không Hình 1.9 Minh họa chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) ba đômen, (c) Các đômen khép kín HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Việc đưa vào đômen làm tăng lượng tổng cộng hệ, việc chia thành đômen tiếp tục việc giảm lượng tĩnh từ lớn so với lượng đòi hỏi để tạo vách đômen Năng lượng liên quan đến vách đômen tỷ lệ với diện tích Việc biểu diễn sơ đồ vách đômen hình 1.10, mômen dipol nguyên tử bên vách không nằm 180o lương trao đổi tăng lên bên vách Vì vậy, lượng vách đômen tính chất nội vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể cường độ Hình 1.10 đômen sắt từ tương tác trao đổi nguyên tử lân cận Độ dày vách thay đổi tương quan đến thông số này, dị hướng từ tinh thể mạnh phù hợp vách hẹp, mà tương tác trao đổi mạnh thích hợp với vách rộng 1.7 Hiện tƣợng từ trễ Các vật liệu sắt từ ferit từ có đường cong từ hóa ban đầu không tuyến tính ( tức đường chấm hình 1.11), độ từ hóa thay đổi với từ trường thay đổi cấu trúc đômen từ Các vật liệu tính trễ độ từ hóa không quay giá trị không sau cắt từ trường Trên phần tư thứ chu Hình 1.11 Một chu trình trễ điển hình trình minh họa đường cong từ hóa vật liệu sắt từ hay ferít ban đầu ( đường chấm chấm), tăng độ phân cực (độ cảm ứng ) lên áp đặt trường đến mẫu chưa bị từ hóa Trong phần tư thứ nhất, độ phân cực trường , hai dương, tứ chúng hướng Khi độ phân cực tăng lên nửa lớn lên đômen, phương độ từ hóa đômen quay từ trục dễ sang định hướng với trường Khi tất đômen định hướng hoàn toàn với trường bão hòa đạt độ phân cực tăng Trên hinh 1.12, đường xuất phá từ điểm bão hòa đến trục y nằm ngang, biểu diễn vật liệu định hướng tốt, đômen từ hóa theo hướng dễ tinh thể điểm bão hòa Nếu hướng trường ngược lại ( tức theo hướng âm ) phân cực theo đường đỏ vào phần tư thứ hai Hiện tượng trễ nghĩa phân cực HV: Lê Phúc Quý Page