Tiểu luận hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (gmr) và hướng phát triển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG  BÀI TIỂU LUẬN MÔN VẬT LIỆU QUANG TỪ HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN GVHD : TS Đinh Sơn Thạch HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Lớp : Cao học quang học – K21 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Bài tiểu luận mơn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I – TỔNG QUAN I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR ) 1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance - OMR) 1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ( Anisotropic Magnetoresistance AMR) – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers) – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR ) 3.1 –Đôi nét hiệu ứng GMR 3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích chế vật lý hiệu ứng GMR 3.2.1 - Mơ hình hai dòng điện Mott 3.2.3 – Dựa cấu trúc vùng lƣợng trình tán xạ s-d 14 II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ màng mỏng đa lớp dị thể (Granular GMR) 18 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể 18 – Giải thích tƣợng tán xạ phụ thuộc spin mẫu hạt .19 – Cấu trúc nano dị thể .20 – Cấu trúc đơn domain 22 CHƢƠNG II - ỨNG DỤNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) 23 I – Các hƣớng nghiên cứu vật liệu 24 1.1 - Hợp chất perovskite chứa manganese có pha tạp nguyên tố đất .25 1.2 - Các vật liệu từ kiểu Heusler bán Heusler 26 II – Hƣớng nghiên cứu cấu trúc 26 2.1 - Màng mỏng van spin (spin valve) : 27 2.2 - Màng mỏng đơn lớp dị thể 32 Tài liệu tham khảo 33 HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin dựa vật liệu bán dẫn vật liệu từ Trong đó, q trình chuyển tải, thu nhận xử lý thông tin thực nhờ việc sử dụng thuộc tính điện tích điện tử, đỉnh cao phát triển điện tử truyền thống (electronics) tạo linh kiện bán dẫn transistor, mạch tích hợp Trong việc lưu trữ thơng tin thực nhờ thuộc tính spin điện tử đĩa cứng đĩa mềm chế tạo vật liệu từ Như vậy, hai thuộc tính quan trọng điện tử điện tích spin sử dụng cách riêng lẻ linh kiện khác Năm 1988, hai nhóm vật lý người Pháp Albert Fert người Đức Peter Gruenberg phát hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance – GMR effects) – hiệu ứng gây thay đổi mạnh điện trở vật liệu theo chiều cường độ từ trường tác dụng lên cấu trúc màng mỏng từ đa lớp sắt từ với lớp kim loại phi từ kẹp giữa; chất hiệu ứng tán xạ phụ thuộc spin điện tử dẫn Việc phát hiệu ứng GMR cho phép người sử dụng đồng thời hai thuộc tính điện tử dẫn spin điện tích vào việc xử lý truyền thông tin linh kiện – điều mà linh kiện bán dẫn điện tử truyền thống trước thực Với việc phát hiệu ứng GMR mở hướng phát triển cho vật lý công nghệ nano, mở nhánh điện tử học – điện tử học spin hay spintronics, GMR với TMR (hiệu ứng từ trở xuyên ngầm) hai trụ cột spintronics Mục đích spintronics sử dụng spin điện tử để chuyển đổi (mã hóa), mang (truyền tải) nhận biết (phát hiện) thơng tin/tín hiệu Nhận thức tầm quan trọng GMR lĩnh vực spintronics hướng em đến chọn lựa đề tài tiểu luận : “Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) hướng phát triển ” HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch CHƢƠNG I – TỔNG QUAN I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR ) Hiệu ứng từ điện trở (MR) thay đổi điện trở vật dẫn đặt từ trường ngồi Hiệu ứng MR lần tìm thấy vào năm 1857 Lord Kelvin mẫu hợp kim NiFe với thay đổi điện trở suất không 5% nhiệt độ phòng Đó hiệu ứng từ điện trở dị hướng Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên thay đổi điện trở tác dụng từ trường MR   AP   P P (1.1) Trong :  P ,  AP điện trở suất vật dẫn khơng có từ trường ngồi có từ trường ngồi đặt vào Tỉ số từ trở MR âm hay dương 1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance OMR) Hiệu ứng OMR quan sát thấy kim loại phi từ, thường hiệu ứng dương ( tức điện trở tăng theo từ trường tác dụng lên vật ) Trong kim loại phi từ hiệu ứng MR xảy lực Lorentz tác dụng lên chuyển động điện tử Nói chung, hiệu ứng nhỏ có giá trị âm 1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ( Anisotropic Magnetoresistance - AMR) Hiệu ứng AMR hiệu ứng từ điện trở, mà thay đổi điện trở vật dẫn từ tác dụng từ trường ngồi phụ thuộc vào góc vectơ từ độ dòng điện Đối với hợp kim có từ tính, kim loại sắt từ, ta quan sát thấy hiệu ứng Sự thay đổi điện trở suất AMR lớn nhiều so HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch với OMR Hiệu ứng AMR xảy lực Lorentz tác dụng lên điện tử Về chất, hiệu ứng AMR phụ thuộc điện trở suất vào góc  vectơ từ độ chiều dòng điện, thể qua biểu thức sau :   o   AMR cos  (1.2) Ở nhiệt độ phòng, tỉ số AMR lớn (khoảng 6%) tìm thấy hợp kim khối Ni1 x Cox (với x = 0,2) Đối với hợp kim permalloy Ni80 Fe20 , tỉ số AMR khoảng 4% Tỉ số AMR giảm theo độ dày màng điều kiện chế tạo, với màng permalloy dày 30nm, tỉ số thường vào khoảng 2,5% [3] – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers) Cấu trúc màng đa lớp từ gồm lớp kim loại sắt từ A lớp kim loại phi từ B xếp xen kẽ Bề dày lớp khoảng vài nano mét số lượng lớp khoảng từ đến 100 lớp Hình 1.1 Cấu trúc màng đa lớp từ với lớp sắt từ A có bề dày d lớp phi từ B có bề dày d’ Hai đặc điểm quan trọng màng đa lớp từ - Sự định hướng từ độ lớp từ kiểm soát cách dễ dàng từ trường ngồi, tương tác (coupling) từ độ lớp từ yếu có lớp phi từ kẹp chúng - Bề dày lớp đủ mỏng để điện tử dẫn cảm nhận thay đổi hướng độ lớp từ HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch Nếu lớp phi từ kim loại MR gọi MR khổng lồ (GMR) Nếu lớp phi từ màng mỏng ba lớp chất cách điện MR gọi MR xuyên ngầm (TMR) Xét với vật liệu có hiệu ứng GMR Fe, Co, Ni hợp kim chúng thường chọn để làm lớp sắt từ A, kim loại chuyển tiếp phi từ Cr, Ru kim loại Cu, Ag, Au sử dụng để làm lớp phi từ B Có tiêu chí chọn vật liệu phi từ, sắt từ để tạo màng đa lớp không ? Hay với cặp kim loại sắt từ/phi từ thu giá trị từ trở lớn ? Câu trả lời việc lựa chọn dựa hai yếu tố quan trọng : phù hợp mạng (lattice matching) phù hợp vùng (band matching) kim loại sắt từ phi từ Như với màng mỏng Co có cấu trúc fcc với số mạng 3,56Ao, nhỏ 2% so với số mạng 3,61Ao mạng fcc Cu Cả với trường hợp Fe/Cr có cấu trúc bcc số mạng 2,87Ao với Fe, 2,88Ao với Cr Vì nên không ngạc nhiên với màng đa lớp Co/Cu, Fe/Cr người ta thu giá trị GMR cao [6] – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR ) Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ thay đổi lớn điện trở suất tác dụng từ trường ngồi 3.1 –Đơi nét hiệu ứng GMR Hiệu ứng GMR phát lần vào năm 1986 nhóm nhà vật lý người Đức Peter Grünberg , nhóm quan sát thay đổi điện trở R / R  1.5% màng gồm ba lớp có cấu trúc Fe(12nm)/Cr(1nm)/Fe(12nm) chế tạo phương pháp MBE đế GaAs Độc lập với nhóm Peter Grünberg, vào năm 1988, nhóm nhà vật lý người Pháp Albert Fert quan sát thay đổi 50% điện trở   màng đa lớp Fe  30 Ao  / Cr  Ao  40 (nghĩa lớp Fe, Cr có độ dày tương ứng 3nm, 0,9nm, hệ gồm 40 lớp kép) tác dụng từ trường nhiệt độ 4,2K [4] Đây thay đổi lớn chưa quan sát trước Vì mà hiệu ứng gọi hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch Magnetorisistance – GMR ) Gọi “khổng lồ” thay đổi điện trở mà chế hồn tồn tượng này, chế tán xạ phụ thuộc spin điện tử Hình 1.2 Từ trở siêu mạng ba lớp Fe/Cr nhiệt độ 4,2K Dòng điện từ trường ngồi có phương dọc theo phương tinh thể [110] mặt phẳng lớp [4] Sau phát minh hiệu ứng GMR nghiên cứu cách mạnh mẽ nhiều hệ mảng mỏng đa lớp khác kiểu TM t  / TNM t  , với TM kim loại có từ tính, điển Fe, Co, Ni m nm n hợp kim chúng, TNM kim loại phi từ, V, Cr, Mo, Ru, …, Ag, Au, Cu… A Fert P.Gr u nberg sử dụng phương pháp MBE để chế tạo màng đa lớp Hạn chế phương pháp phức tạp, có giá thành cao, phù hợp tốt với phòng thí nghiệm nghiên cứu, khơng phù hợp cho q trình cơng nghệ có quy mơ lớn Vì để ứng dụng GMR vào sản xuất cơng nghiệp cần phải tìm quy trình công nghệ đơn giản hơn, giá thành phải Vào năm 1990, nhóm S Parkin chứng minh GMR quan sát màng đa lớp lắng đọng hệ phún xạ dc magnetron – phương pháp đơn giản rẻ MBE Họ thu HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch giá trị GMR tương tự từ màng đa lớp Fe/Cr chế tạo phương pháp MBE Hơn nữa, nhóm phát từ trở cấu trúc siêu mạng Fe/Cr không giảm đơn điệu bề dày lớp Cr tăng (như báo cáo trước đây) mà độ lớn từ trở dao động hàm bế dày lớp Cr Kết thu tương tự với màng Co/Cr, Co/Ru [5] Như vậy, công nghệ chế tạo có ảnh hưởng đến độ lớn hiệu ứng GMR Kết thực nghiệm cho biết, kỹ thuật phún xạ catot thường cho kết tốt [3] Hình 1.3 Sự thay đổi từ trở bão hòa (tại nhiệt độ 4,5K) theo bề dày lớp Cr    lần  lượt  ba cấu trúc  Si 111 / 100 Ao Cr /  20 Ao Fe / tCr Cr  / 50 Ao Cr lắng đọng N nhiệt độ : , , 40oC (N=30); o , 125oC (N=20) [5] Mặc dù giá trị cao GMR thu với màng đa lớp từ phi từ, màng vật liệu tốt cho ứng dụng kỹ thuật Điều cần có từ trường lớn để bão hòa từ độ màng đa lớp để thu thay đổi điện trở lớn Các nghiên cứu sau rằng, hiệu ứng GMR khơng xuất màng đa lớp mà xuất màng đơn lớp, băng hợp kim dị thể CoCu, CoAg…Cụ thể, vào năm 1992, nhóm A.E Berkowitz phát hiệu ứng GMR màng hợp kim dị thể HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch (ganular) Co-Cu với cấu trúc hạt Co siêu thuận từ Cu có tỉ số từ trở đạt tới 20% nhiệt độ 10K Hình 1.4 Sự phụ thuộc R / R   R  H   R  H  20kG  / R  H  20kG  theo từ trường màng mỏng dị thể Co – Cu Đường cong a, b đo nhiệt độ 100K, đường cong c thu nhiệt độ 10K (Theo Berkowitz et al.) [6] Sau đó, nhóm J Q Xiao khảo sát hiệu ứng GMR màng đơn lớp dị thể Co – Cu nhận thấy giá trị GMR giả nhiệt độ tăng, cụ thể với màng Co38Cu62 (trong điều kiện ủ nhiệt TA = 480oC) đo nhiệt độ 5K nhiệt độ phòng 300K kết thu 13% 8% Nhóm nhận thấy giá trị GMR phụ thuộc vào nồng độ kích thước đám hạt từ [10] Sau khám phá hiệu ứng GMR xuất hệ màng mỏng từ đa lớp hệ màng mỏng đơn lớp dị thể có nhiều nghiên cứu hiệu ứng tiến hành lý thuyết GMR dần hồn thiện 3.2 – Một số mơ hình dùng để giải thích chế vật lý hiệu ứng GMR Như đề cập trước, GMR có chất khác hẳn hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu trước GMR hiệu ứng lượng tử Cơ chế hiệu ứng GMR tán xạ phụ thuộc spin điện tử HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS Đinh Sơn Thạch Hơn để có hiệu ứng GMR chưa đặt từ trường ngồi vào màng từ độ lớp từ phải đối song song với chiều dài quãng đường tự trung bình electron dẫn phải lớn nhiều so với khoảng cách lớp đệm phi từ cho electron qua lớp từ tạo hiệu ứng GMR Điện trở vật rắn phụ thuộc vào tán xạ điện tử dẫn vật, bao gồm : - Tán xạ nút 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, gọi tán xạ defect - Gần có nghiên cứu tán xạ điện tử polaron từ để giải thích hiệu ứng GMR Như vậy, hiệu ứng GMR có tán xạ điện tử magnon Khi có phần tử mang từ tính (như lớp sắt từ màng đa lớp, hạt siêu thuận từ màng hợp kim dị thể) có định hướng khác momen từ (do tác động từ trường ngoài), dẫn đến thay đổi tính chất tán xạ điện tử làm thay đổi điện trở vật rắn Nói cách xác hơn, hiệu ứng GMR màng đa lớp giải thích mơ hình hai dòng điện Mott Hai dòng điện dòng điện tử có spin thuận dòng điện điện tử có spin nghịch 3.2.1 - Mơ hình hai dòng điện Mott Mơ hình Mott đề xuất vào năm 1935 để giải thích tăng đột ngột điện trở suất kim loại sắt từ nung nóng nhiệt độ Curie TC Mơ hình mơ tả cách đơn giản sau :  Ở nhiệt độ đủ thấp T