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

1 Đinh Thị Bắc Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học sư phạm hà nội ***&*** INH TH BC Nghiên cứu Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (gmr) hợp kim hệ hạt Co - Cu Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số:604407 Luận văn thạc sĩ vật lý Cố vấn khoa học: GS.TS Nguyễn Hoàng Nghị Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Xuân Chiến hà nội 2011 Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc Lời cảm ơn Luận văn hoàn thành Phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể, Viện Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trước hết xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến Gs.Ts Nguyễn Hoàng Nghị người cố vấn khoa học, Ts Bùi Xuân Chiến ngưòi hướng dẫn khoa học trực tiếp tập thể cán bộ, giáo viên Bộ môn Phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập nghiên cứu phòng thí nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, đồng nghiệp nơi công tác Trường THPT Nho Quan B Ninh Bình tạo điều kiện, động viên giúp đỡ trình thực luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố, mẹ, chồng tất người thân yêu gia đình bạn bè cổ vũ, động viên nhiều vật chất tinh thần thời gian thực luận Luận văn hoàn thành với hợp tác khoa hoc đề tài nghiên cứu Khoa học ( Khoa học tự nhiên) năm 2010, mã số 103.022010.19 (11 Vật Lý) Tác giả luận văn Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn riêng Các kết nêu luận văn trung thực Tác giả luận văn Đinh Thị Bắc Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Mở đầu Nội dung Chương 1: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR 1.1 Cấu trúc trạng thái từ vật liệu từ điện trở dạng hạt 1.1.1 Thành phần cấu tạo vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR 1.1.2 Cấu trúc nanô vật liệu từ điện trở dạng hạt 10 1.1.3 Cấu trúc đơn đômen. 12 1.1.4 Trạng thái siêu thuận từ 14 1.2 Hiệu ứng từ điện trở 14 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) 14 1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance) 15 1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance) 17 1.1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ dạng màng đa lớp 17 Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc 1.1.3.2 Sự phát hiệu ứng GMR hệ hạt 18 1.2.4 Mật độ trạng thái 21 1.3 Cơ chế hiệu ứng GMR 24 1.3.1 Mô hình hai dòng Mott 25 1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin 27 1.4 Giải thích hiệu ứng GMR hệ màng đa lớp 28 1.4.1 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình tán xạ phụ thuộc spin 28 1.4.2 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình cấu trúc dải 30 1.5 Hiệu ứng từ điện trở cấu hình đo 33 1.6 ứng dụng hiệu ứng GMR 34 Chương 2: Thực nghiệm 36 2.1 Công nghệ chế tạo 36 2.1.1 Công nghệ nguội nhanh 36 2.1.2 Phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dạng băng mỏng 37 2.1.3 Chiều dày tới hạn băng hợp kim vô định hình 38 2.1.4 Tốc độ nguội tới hạn hợp kim nóng chảy 39 2.2 Công nghệ chế tạo mẫu 43 2.2.1 Công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng thiết bị nguội nhanh đơn 43 Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc trục 2.2.2 Nấu phối, phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu dạng băng mỏng 44 2.2.3 Kỹ thuật gia công mẫu 46 2.2.4 Xử lý nhiệt kết tinh 46 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 48 2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử 48 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction) 49 2.3.3 Phương pháp đo từ điện trở mũi dò 49 Chương 3: Kết nghiên cứu 52 3.1 Khảo sát hiệu ứng GMR vật liệu hệ hạt 52 3.2 ảnh hưởng hàm lượng Co lên cấu trúc, tính chất từ tỷ số GMR 55 hệ mẫu Co Cu 3.3 Khảo sát ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR hệ Co-Cu 60 3.4 ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đo với mẫu Co10Cu90 65 Kết luận chung 69 Tài liệu tham khảo 70 Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc Danh mục chữ viết tắt ký hiệu sử dụng luận văn Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng việt AES Auger Electron Spectroscopy Phổ điện tử Auger AF Antiferromagnetic Phản sắt từ BEI Bede scattered Electron Image Điện tử tán xạ ngược DOS Density of States Mật độ trạng thái FM Ferromagnetic Sắt từ GMR Giant Magnetoresistance Từ điện trở khổng lồ HREM High resolution electron microscopy Hiển vi điện tử phân giải cao MR Magnetoresistance Từ điện trở NM Non Magnetic Phi từ OMR Ordinary Magnetoresistance Từ điện trở thường RKKY Ruderman-Kittel-KasuyaYosida Tên riêng nhà khoa học SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét Spin Spin up Điện tử Spin hướng lên Spin Spin down Điện tử Spin hướng xuống TEM VĐH VSM XRD Transmission Electron Microscope Amorphous Vibrating Sample Magnetometer X-ray Diffraction Luận văn thạc sĩ Vật lí Hiển vi điện tử truyền qua Vô định hình Từ kế mẫu rung Nhiễu xạ tia X Đinh Thị Bắc M U Lý chn ti T nhng nm cui ca thp k 80 tr li õy nhiu hin tng, tớnh cht vt lý mi c khỏm phỏ v nghiờn cu mnh m cỏc h t cú cỏc c trng kớch thc gii hn Mt nhng hiu ng c phỏt hin l hiu ng t in tr khng l Hiu ng ny hai nh vt lý hc Albert Fert ngi Phỏp v Peter Grunberg ngi c cựng phỏt hin Hiu ng khụng ch s thay i ln v giỏ tr m c ch, ú l c ch tỏn x ph thuc spin ca in t in tr ca vt liu thay i l s úng gúp ca cỏc yu t: tỏn x trờn mng tinh th; tỏn x trờn spin v tỏn x trờn sai hng Cỏc in t cú spin nh hng khỏc (up va down) s tỏn x khỏc trờn cỏc lp st t dn n vic thay i v in tr ca mu Phỏt hin ny ó m mt nghnh mi l spintronics (in t hc spin), cho phộp ch to cỏc linh kin hot ng bng cỏch iu khin s phõn cc ca spin in t (ging nh vic dựng in trng iu khin ht dn l in t cỏc linh kin in t truyn thng) Cỏc nh khoa hc tin tng rng õy s l th h linh kin in t cho tng lai vi tc truyn thụng tin cc nhanh v kh nng lu tr thụng tin ln Phỏt hin ny lp tc c ng dng cỏc u c ghi ca cng, lm tng tc c ghi thụng tin v tng mt lu tr cho a cng ng dng ca hin tng vt lý ny ó cỏch mng hoỏ cỏc k thut tỡm li c cỏc d liu trờn cng mỏy tớnh Khỏm phỏ ny úng mt vai trũ then cht cỏc b cm bin t cng nh s phỏt trin ca mt th h in t mi Khỏm phỏ ca h ó bin vic thu nh ti a kớch thc cng tr thnh hin thc ng thi cho phộp ngi dựng cú th lu tr d liu trờn cng mt cỏch nhanh chúng v d dng Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc Nhng ng dng ca hiu ng t in tr khng l (GMR) m nú ó tr thnh ch ni bt vt lý cng nh cỏc nghnh khoa hc v k thut vt liu Ngi ta ó tỡm nhiu phng phỏp khỏc ch to vt liu GMR dng ht nh bc bay nhit, phỳn x cao tn, in hoỏ, ngui nhanh hp kim t th lng K thut ngui nhanh trc tip t th lng cú th cho phộp to mt trng thỏi mi ca kim loi: trng thỏi vụ nh hỡnh vi c im cu trỳc vi mụ Vỡ vy hp kim vụ nh hỡnh ó tr thnh nguyờn liu lý tng ch to cỏc vt liu cu trỳc nanụ bng cỏch phõn hu cht rn siờu quỏ bóo ho c hỡnh thnh quỏ trỡnh ngui nhanh Bi nhng lý nờu trờn tụi ó chn ti: Hiu ng t in tr khng l h ht Co-Cu Mc ớch nghiờn cu - Ch to hp kim CoxCu100-x (x=8,10,12) bng phng phỏp ngui nhanh - Kho sỏt hiu ng GMR vt liu h ht - Kho sỏt s nh hng ca hm lng Co lờn cu trỳc, tớnh cht t v t s GMR ca h mu Co-Cu - Kho sỏt nh hng ca ch nhit lờn t s GMR ca h Co-Cu - Kho sỏt nh hng ca nhit mụi trng o vi mu Co10C90 Nhim v nghiờn cu - Nghiờn cu ti liu, tin hnh thớ nghim, phõn tớch kt qu v a kt lun i tng v phm vi nghiờn cu - Mu bng dng ht Co-Cu Phm vi nghiờn cu ca ti: Nghiờn cu hiu ng t in tr h ht Co-Cu Phng phỏp nghiờn cu - Ch to mu bng phng phỏp ngui nhanh Nghiờn cu cu trỳc bng phng phỏp hin vi in t, nhiu x tia X o t in tr bng mi dũ Luận văn thạc sĩ Vật lí 10 Đinh Thị Bắc CHNG HIU NG T IN TR KHNG L GMR 1.1 Cu trỳc v trng thỏi t ca vt liu t in tr dng ht 1.1.1 Thnh phn cu to ca vt liu t in tr khng l GMR Thnh phn cu to ca vt liu t in tr khng l GMR gm hai thnh phn chớnh l vt liu phi t (nh Cu, Ag, Au, ) v vt liu t (nh Fe, Co, ) Nh ta ó bit dũng in l dũng cỏc in t Gm hai loi in t: in t hng lờn (spin up - ) v in t hng xung (spin down - ) Trong vt dn phi t, chng hn Cu mi nguyờn t cú 29 in t lp y cỏc mc nng lng t ngoi: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 Lp 3d lp y 10 in t mi chuyn sang lp 4s nờn Cu khụng cú momen t, s in t hng lờn bng s in t hng xung Trong vt liu t, chng hn nh Ni mi nguyờn t cú 28 in t cu hỡnh in t: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2( ớt hn Cu mt in t) Cỏc in t cha lp y lp 3d ó chuyn sang lp y lp 4s, lm cho Ni cú s trao i qua li gia lp 3d v lp 4s to s lai hoỏ, s in t cú spin hng lờn nhiu hn s in t cú spin hng xung Kt qu l nguyờn t Ni cú momen t riờng [2] Hạt sắt từ; Co, Fe, Ni, NiCo, FeCo, Nền kim loại phi từ: Cu, Au, Ag, Đế (Si/SiO2, Si, thủy tinh, sa-phia, Hỡnh 1.1: S minh ho cu trỳc dng ht ca mng mng n lp[8] Luận văn thạc sĩ Vật lí 58 Đinh Thị Bắc U bang phuong phap thuong U bang dong dien 130 120 HC(Oe) 110 100 90 a/ 80 70 10 11 12 Ham luong Co(% nguyen tu) 2.0 Hình 3.6[4] 1.8 U bang phuong phap thuong U bang dong dien 1.6 Mr(emg) 1.4 a/ Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào hàm lượng % nguyên tử Co 1.2 1.0 b/ Sự phụ thuộc từ dư Mr vào hàm lượng % nguyên tử Co 0.8 b/ 0.6 0.4 0.2 10 11 12 Ham luong co(% nguyen tu) 12 U bang phuong phap thong thuong U bang dong dien 11 10 MS(emu/g) C/ 10 11 Ham luong Co (% nguyen tu) Luận văn thạc sĩ Vật lí 12 c/ Sự phụ thuộc từ độ bão hoà Ms vào hàm lượng % nguyên tử Co 59 Đinh Thị Bắc GMR (%) -1 -2 -3 10 12 -4 -5 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H (T) Hình 3.7 Tỷ số GMR mẫu có hàm lượng % nguyên tử Co khác CoXCu100 X với x = 8, 10, 12 ủ chân không 4500C, 60 phút GMR (%) -1 12 10 -2 -3 -4 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H (T) Hình 3.8 Tỷ số GMR mẫu có hàm lượng % nguyên tử Co khác CoXCu100 X với x = 8, 10, 12 ủ dòng điện I = 2,0A, 30 giây Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc 60 Sau nghiên cứu cấu trúc tính chất từ mẫu phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tử Co, tiến hành khảo sát phụ thuộc tỷ số GMR vào hàm lượng % nguyên tử Co có mẫu Để đánh giá tỷ số GMR cho mẫu nghiên cứu, sử dụng công thức sau (3.1) Với R(0) điện trở đo từ trường ngoài, R(H) điện trở đo từ trường tác dụng lên mẫu thay đổi từ đến 1,3 T Tỷ số GMR mẫu chứa hàm lượng nguyên tử Co khác (với x = 8, 10, 12), đo trình bày hình 3.7 - 3.8 (các mẫu xử lý nhiệt chế độ, dòng điện thời gian) Có thể dễ ràng nhận thấy rằng, tỷ số GMR với mẫu Co (8%, 10%, 12%) ủ chân không 4500C, 60 phút lớn tỷ số GMR với mẫu Co (8%, 10%, 12%) ủ dòng điện I = 2,0 A, 30 giây ta nhận thấy tỷ số GMR mẫu Co (10%) lớn hai phương pháp xử lý mẫu Ta giải thích phụ tỷ số GMR vào hàm lượng % nguyên tử Co mẫu, sau: hiệu ứng GMR có chế tán xạ spin điện tử dẫn, mà chế lại phụ thuộc vào kích thước trung bình hạt pha sắt từ (Co), khoảng cách hạt sắt từ, tỷ số SM/VM (tỷ số diện tích bề mặt tán xạ/thể tích hạt từ) tính chất siêu thuận từ mẫu Nếu khoảng cách hạt từ lớn quãng đường tự trung bình điện tử, điện tử bị lật spin miền phi từ trước tán xạ hạt từ Nói cách khác, spin bị trạng thái cấu hình spin ban đầu nó, làm giảm không xuất hiệu ứng GMR Do đó, tỷ lệ thành phần Co mẫu nhỏ (8 % nguyên tử), tỷ số SM/VM lớn mẫu thể tính siêu thuận từ mạnh (xem hình 3.4, 3.6 ), mật độ hạt Co thấp dẫn đến khoảng cách trung bình hạt lớn quãng đường tự trung bình, tỷ số GMR có giá trị nhỏ Luận văn thạc sĩ Vật lí 61 Đinh Thị Bắc Bảng 3.1: Tính chất từ tỷ số GMR mẫu (CoXCu100 X)ủ phương pháp thông thường chân không ủ dòng điện (Jun Lenxo) chân không HC(Oe) x MR(emu/g) MS(emu/g) GMR pp Jun- pp Jun- pp Jun- pp Jun- thường Lenxo thường Lenxo thường Lenxo thường Lenxo 91,231 76,567 0,272 0,192 5,980 3,986 1,921 0,837 10 121,210 124,560 0,907 0,623 9,217 8,521 4,202 3,383 12 128,510 125,960 1,762 1,937 11,275 9,889 3,263 1,792 Khi hàm lượng Co 10 %, lúc kích thước hạt Co đạt tối ưu khoảng cách trung bình hạt Co không lớn (do mật độ hạt Co tăng, tỷ số GMR đạt giá trị (~4,2.%) Nếu tiếp tục tăng hàm lượng Co tỷ số GMR giảm Điều giải thích hàm lượng Co tăng làm cho kích thước hạt Co tăng, dẫn tới tính sắt từ tăng tỷ số SM/VM giảm, đó, tỷ số GMR giảm Như vậy, nhận xét rằng, tỷ số GMR đạt giá trị lớn (~4,2 %) với mẫu chứa Co (10 % nguyên tử) Trong trường hợp mẫu thể tính siêu thuận từ mạnh 3.3 Khảo sát ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR hệ Co-Cu ảnh điện tử Auger theo nguyên tố Co (hình 3.9) cho thấy: Khi ủ, pha Co tạo cấp hạt khác rõ Với cấu trúc đa pha (sắt từ Co phân bố không từ Cu), kích thước nano met, tỷ số GMR thay đổi Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc 62 Tính chất vật liệu từ nói chung tính chất vật liệu từ điện trở nói riêng phụ thuộc vào trình ủ nhiệt kết tinh Trong trình ủ nhiệt làm thay đổi kích thước hình học hạt từ (xem hình 3.9) Đặc biệt với vật liệu từ có cấu trúc dạng hạt có tính siêu thuận từ, trình ủ nhiệt thích hợp làm tăng trình tách pha, Các nguyên tử từ (Co) tụ lại thành hạt từ vật liệu phi từ, dẫn đến số hạt từ khoảng cách chúng đạt kích thước tối ưu, tỷ số GMR tăng (xem hình 3.10 3.11) Tuy nhiên nhiệt độ ủ tiếp tục tăng, tác dụng nhiệt độ làm khuếch tán nguyên tử hạt từ (Co) phi từ (Cu) làm cho kích thước hạt từ tăng lớn kích thước tới hạn hạt đơn đô men, đồng thời làm giảm khoảng cách chúng dẫn tới tỷ số GMR giảm thể hình 3.11 200 nm Hình 3.9: ảnh điện tử Auger (AES) mẫu Cu-Co Hạt Co có kích thước mẫu chưa ủ (trái), hạt Co phát triển mạnh ủ nhiệt tạo kích thước hạt (phải) Luận văn thạc sĩ Vật lí 63 Đinh Thị Bắc As-spun o 450 C, 60 -1 -1 -2 -2 GMR(%) GMR (%) -3 -4 -3 -4 -5 o 450 C, 30 o 500 C, 30 o 550 C, 30 -5 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -1.5 H (T) -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H(T) Hình3.10: Tỷ số GMR mẫu Co10Cu90 trước sau ủ nhiệt 450 oC 60 phút Hình 3.11: Tỷ số GMR mẫu Co10Cu90 ủ nhiệt độ khác thời gian 30 phút Việc thay đổi nhiệt độ thời gian ủ làm cho tính chất từ mẫu thay đổi, ta quan sát đồ thị hình 3.12 Khi nhiệt độ tăng làm kích thước hạt từ tăng, đồng thời làm tăng tính chất sắt từ mẫu Trên đồ thị hình 3.13 3.14 cho thấy tăng thời gian ủ tính chất từ vật liệu thay đổi tỷ số GMR thay đổi, điều giải thích tương tự việc thay đổi nhiệt độ ủ 15 c b Co10Cu90 10 a M(emu/g) -5 a/ As-spun o b/Annealed at 450 C, 60 mins o c/Annealed at 550 C, 45 mins -10 -15 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H(T) Hình 3.12: Đường cong từ trễ mẫu Co10Cu90 trước sau ủ nhiệt độ thời gian khác nhau[1] Luận văn thạc sĩ Vật lí 64 Đinh Thị Bắc GMR (%) -1.0 0.0 30 phút 45 phút 60 phút chưa ủ o 450 C, 30 phút o 450 C, 45 phút -0.3 GMR (%) 0.0 -2.0 -3.0 -0.6 -0.9 -1.2 -4.0 -1.5 -5.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -1.5 1.5 -1.0 -0.5 0.0 H (T) 1.0 1.5 H (T) Hình 3.14: Tỷ số GMR mẫu Co20Cu80 trước sau ủ 450 oC 30 45 phút Hình 3.13: Tỷ số GMR mẫu Co8 Cu92 trước sau ủ 450oC với thời gian khác 6 5 Co10Cu90 Co8Cu92 4 GMR (%) GMR (%) 0.5 3 2 1 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 o Ta( C) -10As spun 10 20 30 40 50 60 70 80 Ta (mins) Hình 3.15: Sự phụ thuộc tỷ số GMR Hình 3.16: Sự phụ thuộc tỷ số GMR vào thời gian ủ mẫu vào nhiệt độ ủ mẫu Co10Cu90 Co10Cu90 mẫu Co8Cu92 Nghiên cứu vật liệu với nhiệt độ thời gian ủ thay đổi tỷ số GMR biến thiên Tuy nhiên tỷ số GMR đạt giá trị tối ưu giá trị điều kiện nhiệt độ thời gian, với điều kiện đủ kích thước khoảng cách hạt từ phát triển đạt giá trị tối ưu thoả mãn tương tác trao đổi RKKY , ta tiếp tục tăng giảm Luận văn thạc sĩ Vật lí 65 Đinh Thị Bắc giá trị điều kiện tỷ số GMR giảm, với điều kiện nhiệt độ chưa đủ để kích thước hạt phát triển đạt giá trị tối ưu lớn giá trị tối ưu, điều kiện kích thước ảnh hưởng đến tỷ số GMR, thấy hình 3.15, 3.16 bảng 3.2 Bảng 3.2: Sự phụ thuộc tỷ số GMR vào nhiệt độ thời gian ủ hệ mẫu Co-Cu Mẫu T.gian ủ Co8Cu92 Co10Cu90 Co12Cu88 GRM(%) 30 phút 45 phút 60 phút 75 phút 4500C 2,0 5,0 4,5 5000C 4,3 3,7 3,2 - 4000C 3,0 2,4 3,3 - 4500C 5,0 5,1 5,2 4,6 5000C 3,1 4,2 3,1 - 5500C 1,4 0,9 1,2 - 4500C 3,2 4,0 3,2 - 5000C 3,7 3,9 - - Chưa ủ 1,1 2,0 1,2 Trên đồ thị hình 3.15 cho thấy với mẫu Co10Cu90 ủ 400 oC 0.0 thời gian 60 phút tỷ số GMR -0.2 tăng nhiệt độ ủ lên đến 450oC o Ta=550 C ta=45 mins GMR (%) tăng từ 2% lên đến 3,3 %, tiếp tục -0.4 -0.6 60 phút tỷ số GMR đạt giá trị -0.8 5,2 % Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt -1.0 độ lên đến 500oC 60 phút tỷ số GMR lại giảm xuống 3,1% Co10Cu90 -1.5 -1.0 -0.5 0.5 1.0 1.5 Hình 3.17: Tỷ số GMR mẫu Co10Cu90 ủ 550 OC, 45 phút mẫu Co10Cu90 ủ 550oC 60 phút tỷ số GMR giảm xuống 1,2 % Luận văn thạc sĩ Vật lí 0.0 H (T) 66 Đinh Thị Bắc Nghiên cứu phụ thuộc vào thời gian ủ, đồ thị hình 3.12 ta thấy hai mẫu Co10Cu90 Co8Cu92 tỷ số GMR tăng so với trước ủ, tỷ số GMR đạt cực đại giá trị điều kiện ủ, sau tỷ số GMR lại giảm thời gian ủ tăng với điều kiện nhiệt độ 450oC (xem bảng 3.2) Đặc biệt nhiệt độ ủ tăng 550oC tỷ số GMR giảm, lại bão hoà từ trường thấp, đồ thị sắc, nhọn quan sát hình 3.17 Điều thuận lợi cho việc chế tạo sen sơ nhạy từ trường thấp sen sơ từ đóng mở mạch ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đo với mẫu Co10Cu90 12 12 cb Co10Cu90 a M (emu/g) M (emu/g) a: Chưa ủ b: 450 C, 60 phút -6 -3 -6 -9 -9 -12 -1,5 Cu90Co10 450 C, 60 phút -3 ủ Cu90Co10 chưa As-spun o -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 H (T) Hình 3.18: Đường cong từ trễ mẫu Co10Cu90 trước sau ủ nhiệt đo nhiệt độ phòng (300K) -12 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H (T) Hình 3.19: Đường cong từ trễ mẫu Co10Cu90 trước sau ủ nhiệt đo nhiệt độ thấp (123K) Hình 3.18 3.19 cho thấy thay đổi tính chất từ mẫu nhiệt độ đo thay đổi Nguyên nhân dẫn đến thay đổi tính chất từ nhiệt độ thấp, lượng dị hướng giảm dẫn đến lực kháng từ HC tăng Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đo tới tỷ số GMR cho thấy nhiệt độ môi trường giảm tỷ số GMR tăng, kết hình 3.20 3.21 cho thấy tỷ số GMR lớn 5,2 % đo nhiệt độ phòng (300 K) mẫu Co10Cu90 tăng lên đến 12 % nhiệt độ môi trường đo giảm xuống 123 K, với dòng qua mẫu 100 mA Luận văn thạc sĩ Vật lí 67 Đinh Thị Bắc o T = 123 K t = 45 mins t = 60 mins t = 75 mins -2 -4 -6 -8 o Ta = 450 C t = 45 mins t = 60 mins t = 75 mins T = 300 K -1 GMR ( % ) GMR (%) Ta = 450 C -2 -3 -4 -10 -5 -12 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H (T) -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H (T) Hình 3.20: Tỷ số GMR phụ thuộc vào Hình 3.21: Tỷ số GMR phụ thuộc vào từ trường mẫu Co10Cu90 ủ từ trường mẫu Co10Cu90 ủ 450 o 450 oC, thời gian 45, 60, 75 C, thời gian 45, 60, phút đo nhiệt độ phòng 75 phút đo 123K Hình 3.22 bảng 3.3 cho thấy phụ thuộc tỷ số GMR theo nhiệt độ mẫu, giá trị tỷ số GMR1,3 T = [(0) (1,3 T)]/(1,3 T); Với (0) giá trị điện trở mẫu từ trường ngoài, (1,3 T) điện trở mẫu từ trường tác động lên mẫu đạt 1,3 T Để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đo đến tỷ số GMR, người ta quan tâm đến đại lượng điện trở suất toàn phần (T, H) thể công thức sau : (T, H) = + ph(T) + m(T)[1 (M/MS)2] (3.2) ph thành phần điện trở suất tán xạ phonon, m thành phần điện trở suất tán xạ từ tính, thành phần điện trở suất gây nguyên nhân khác Khi từ trường H = 0, ta có M = điện trở suất toàn phần mẫu là: (T, 0) = + ph(T) + m(T) (3.3) Khi Từ trường H = Hmax = 1,3 T, ta coi gần M MS, điện trở suất toàn phần bằng: (T, 1,3 T) + ph(T) Luận văn thạc sĩ Vật lí (3.4) 68 Đinh Thị Bắc Trên hình 3.22 cho thấy vùng nhiệt độ 123K đến 300K tỷ số GMR gần tuyến tính theo nhiệt độ đo Như biết phụ thuộc tỷ số GMR vật liệu dạng hạt vào nhiệt độ môi trường đo biểu diễn dạng : T , H m T M (T , H ) M (T , H ) A(T ) ph T m T M S2 MS (3.5) có hai thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ điện trở suất mômen từ, phụ thuộc nhiệt độ M (T, H) có dạng hyperbolic, phụ thuộc nhiệt độ chủ yếu ph m Như phụ thuộc vào nhiệt độ tỷ số GMR tổng hợp phụ thuộc điện trở suất từ độ mẫu 13 12 11 GMR(%) 10 100 150 200 T(K) 250 300 Hình 3.22: Tỷ số GMR (%) phụ thuộc vào nhiệt độ đo Khi từ trường đủ mạnh, lẽ véctơ từ độ phải xếp trật tự với Nhưng thăng giáng nhiệt độ phá vỡ tính trật tự Nhiệt độ giảm, làm giảm thăng giáng nhiệt mômen từ hạt từ Co, mức độ xếp song song mômen từ tăng lên điện trở suất giảm Do tỷ số GMR có xu tăng nhiệt độ giảm Sự phụ thuộc Luận văn thạc sĩ Vật lí 69 Đinh Thị Bắc nhiệt độ điện trở suất thành phần tán xạ phônon ph(T), nghĩa thành phần dao động mạng gây Bảng 3.3 cho thấy số kết tỷ số GMR phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường đo Bảng 3.3: Tỷ số GMR (%) mẫu Co10Cu90 ủ nhiệt độ, thời gian khác đo môi trường nhiệt độ khác Co10Cu90 ủở nhiệt độ 450oC Thời gian ủ nhiệt (phút) 123K 153K 193K 233K 273K 300 K 45 10,4 9,7 7,4 7,2 5,9 4,9 60 12,0 11,0 8,3 7,0 6,0 5,5 75 11,0 9,0 8,0 6,5 5,5 4,6 GMR ( % ) đo môi trường nhiệt độ khác Ngoài phụ thuộc tỷ số GMR vào nhiệt độ số nguyên nhân khác: Khi nhiệt độ T tăng làm xuất thêm thành phần tán xạ khác tán xạ không đàn hồi phonons, magnons, làm giảm quãng đường tự trung bình điện tử, dẫn đến làm giảm hiệu ứng GMR Hệ số bất đối xứng spin trình tán xạ nhiệt độ cao khác trình tán xạ đàn hồi bề mặt, sai hỏng, tạp chất nhiệt độ thấp Sự xuất thành phần tán xạ phụ thuộc spin tán xạ không đàn hồi làm tăng , đồng thời xuất thành phần không phụ thuộc spin tán xạ không đàn hồi làm tăng Nhiệt độ tăng làm tăng tán xạ lật spin điện tử - magnon nguyên nhân gây tượng trộn hai kênh dẫn tăng lên, làm giảm tỉ số GMR Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc 70 Kết luận Bằng công nghệ nguội nhanh, ã chế tạo mẫu hợp kim CoXCu100 X (với x = 8, 10, 12) Các mẫu chế tạo dạng băng mỏng với độ dày từ 20 30 m tính tốt Các mẫu xử lý nhiệt theo chế độ thích hợp để có cấu trúc vi mô nano-đa pha hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR Các kết phân tích ph in t Auger, SEM v nhiu x tia X cho thy mu có cấu trúc nano, đa pha S phân b ca hạt sắt từ mu l ng nht Khảo sát hiệu ứng GMR vật liệu hệ hạt từ trường thay đổi từ -1,3T đến 1,3T Đã khảo sát ảnh hưởng hàm lượng từ Co lên tính chất từ hiệu ứng từ điện trở mẫu Khi hàm lượng Co tăng tính siêu thuận từ mẫu giảm, đồng thời tính chất sắt từ tăng Tỷ số GMR đạt giá trị 4.2 % với mẫu Co10Cu90, tăng hàm lượng Co lớn 10 % nguyên tử ta thấy tỷ số GMR giảm Đã nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đo tới tỷ số GMR dải nhiệt độ từ 123K tới nhiệt độ phòng cho mẫu Co10Cu90 ủ nhiệt 450oC, thời gian 60 phút Kết cho thấy nhiệt độ môi trường đo 123K tỷ số GMR cỡ 12 % tỷ số giảm cách gần tuyến tính xuống 5,2 % nhiệt độ 300K Đã khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đo với mẫu Co10Cu90: Khi nhiệt độ môi trường đo giảm tỷ số GMR tăng, tỷ số GMR lớn mhất 5,2% đo nhiệt độ phòng 300k tăng lên đến 12% nhiệt độ môi trường đo giảm 123k, với dòng qua mẫu 100mA Luận văn thạc sĩ Vật lí 71 Đinh Thị Bắc Tài liệu tham Khảo Bùi Xuân Chiến (2008), Nghiên cứu vật liệu từ cấu trúc nanô dạng hạt có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) chế tạo công nghệ nguội nhanh Luận án Tiến sỹ vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Vũ Đình Cự (1996), Từ học, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội Mai Xuân Dương (2000), Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ số vật liệu từ vô định hình nanômét, Luận án Tiến sĩ vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Xuân Nam (2008), Nghiên cứu Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ hệ hạt Me-3d Nano Cu-Co chế tạo phương pháp nguội nhanh Luận văn thạc sỹ Vật Lý, Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2, Vĩnh Phúc Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Lý thuyết nhiễu xạ tia X, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Phạm Ngọc Nguyên (2004), Kỹ thuật phân tích vật lý, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Anh Tuấn (2001), Từ điện trở khổng lồ (GMR) màng mỏng (dạng hạt dạng lớp) Luận án Tiến sỹ vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Http://vi.wikipedia.org/wiki 10 Bekowitz A.E., Mitchell J.R , Caray M.J., Young A.P., Zhang S., F.E Spada, Parker F T., Hutten A., and Thomas G (1992), Giant Magnetoesistance in Heterogeneous Cu- Co Alloys, Phys Rev Lett., 68, pp 3745-3748 Luận văn thạc sĩ Vật lí Đinh Thị Bắc 72 11 Campbell I A and Fert A (1982) Ferromagnetic material, ed E.P Wohlfarth (North Holland, Amsterdam) pp 769 12 Chien C L (1995), Magnetism and giant magneto-transport properties in granular solids, Annual Reviews Material Sciant, 25, pp 129-160 13 Chien C L., Xiao J.Q., and Jiang J.S (1993), Giant Magnetoresistance in granular Ferromagnetic Systems, J Appl Phys., 73, pp 5309-5314 14 Fert A et al., (1988), Phys Rev Lett., Vol 61, pp 2472-2475 Luận văn thạc sĩ Vật lí