Nghiên cứu vật liệu từ cấu trúc nano dạng hạt

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Bùi Xuân Chiến 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 sĩ vật lý hà nội - 2008 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Bïi Xu©n Chiến 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 Chuyên ngành: Vật lý kÜ thuËt M· sè: 62.44.17.01 LuËn ¸n tiÕn sÜ VËt lý Ng­êi h­íng dÉn khoa häc: GS TS Ngun Hoàng Nghị hà nội -2007 Lời cám ơn Luận án hoàn thành Phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn khoa học giúp đỡ tận tình tinh thần vật chất GS TS Nguyễn Hoàng Nghị Trước hết xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến Giáo sư tập thể cán bộ, giáo viên Bộ môn Phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể đà tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập nghiên cứu phòng thí nghiệm Tôi xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới đồng nghiệp nhóm nghiên cứu: Th.S Nguyễn Văn Dũng, Th.S Vũ Nguyên Thức, Trần Anh Phong, Hoàng Nhật Hiếu Xin cám ơn Viện Khoa học Vật liệu ITIMS Đại học Bách khoa Hà Nội, GS TSKH Thân Đức HiỊn, GS TSKH Ngun Phó Thïy, PGS TS Ngun §øc Chiến, TS Nguyễn Anh Tuấn đà tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu, đo đạc mẫu viện cho góp ý thảo luận quí báu Tôi xin chân thành cám ơn KS Nguyễn Ngọc Phách, Nguyễn Văn Sang, Nguyên Văn Thuật Nguyễn Thanh Tao, Nguyễn Thị Hồng Tâm, Bùi Thị Khánh Nhung, Trịnh Thị Thanh Nga, Lê Cao Cường đà tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thời gian nghiên cứu phòng thí nghiệm Vật liệu từ nanô tinh thể Tôi xin chân thành cám ơn Thủ trưởng, đồng nghiệp nơi công tác Học viện Phòng Không Không quân đà tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ trình thực luận án Tôi xin cám ơn GS Kozo Ishizaki GS, cán Trường ĐH Nagaoka Nhật Bản đà tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đến tới bố, mẹ, vợ tất người thân yêu gia đình bạn bè đà cổ vũ, động viên nhiều vật chất tinh thần thời gian thực luận án Tác giả luận án Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án riêng từ số báo đồng tác giả Các kết hợp tác nghiên cứu đồng tác giả đà đồng ý đồng tác giả Các kết nêu luận án trung thực Tác giả luận án Bùi Xuân Chiến mục lục Trang Mở đầu Chương 1: Tổng quan từ điện trở khổng lồ 1.1 Quá trình nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 1.1.1 Sù ph¸t hiƯn hiệu ứng từ điện trở khổng lồ dạng màng ®a líp 1.1.2 Sù ph¸t hiƯn hiƯu øng tõ ®iƯn trë khỉng lå hƯ h¹t 1.2 Cấu trúc trạng thái từ vật liệu từ điện trở dạng hạt 1.2.1 Thành phần cấu tạo vật liệu GMR 1.2.2 Cấu trúc nanô vật liệu từ điện trở dạng h¹t 10 1.2.3 CÊu tróc đơn đô men 12 1.2.4 Trạng thái siêu thuận từ 14 1.3 HiƯu øng tõ ®iƯn trë 15 1.3.1 HiƯu øng tõ ®iƯn trë th­êng OMR (Ordinary Magneto Resistance) 15 1.3.2 Vật liệu sắt từ hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR- Anisotropic Magneto Resistance) 16 1.3.3 HiƯu øng tõ ®iƯn trë khỉng lå GMR (Giant magneto resistance) 18 1.3.3.1 M« hình hai dòng Mott 18 1.3.3.2 Mật độ trạng thái (Density Of State - DOS) 21 1.4 C¬ chế tán xạ phụ thuộc spin vật liệu GMR 24 1.4.1 M« hình tán xạ phụ thuộc spin 24 1.4.2 Gi¶i thÝch hiƯu ứng GMR hệ màng đa lớp 26 1.4.2.1 Gi¶i thÝch hiƯu øng GMR theo mô hình tán xạ spin 26 1.4.2.2 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình cấu trúc dải 29 1.4.2.3 Gi¶i thÝch hiƯu øng GMR theo mô hình chuỗi rào 30 1.4.2.4 Giải thích hiệu ứng GMR hệ hạt 32 1.4.2.5 Sự khác hiệu ứng từ điện trở cấu hình đo 34 1.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chÊt cđa vËt liƯu tõ ®iƯn trë khỉng lå 40 1.5.1 Sù dao ®éng cđa tØ sè GMR theo bề dày lớp không từ 40 1.5.2 Vấn đề tạp chất 42 1.6 Mét số yếu tố công nghệ kỹ thuật ảnh hưởng tíi hiƯu øng GMR 44 1.6.1 ¶nh hưởng công nghệ xử lý nhiệt lên tỷ số GMR hệ hạt 44 1.6.2 ảnh hưởng nhiệt độ đo lên hiệu ứng GMR 45 1.7 Mét sè øng dơng cđa hiÖu øng GMR 45 KÕt luËn ch­¬ng 48 Ch­¬ng 2: C«ng nghƯ ngi nhanh 50 2.1 C«ng nghƯ ngi nhanh 50 2.2 Các phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dạng băng mỏng 51 2.3 Tốc độ nguội hợp kim nóng chảy 52 2.4 Tốc độ nguội tới hạn 57 2.5 ChiÒu dày tới hạn băng hợp kim vô định hình 60 KÕt luËn ch­¬ng 63 Chương 3: Đối tượng phương pháp nghiên cứu 65 3.1 Đối tượng nghiên cứu 65 3.2 Chế tạo, xử lý mẫu phương pháp nghiên cứu 65 3.2.1 Công nghệ chế tạo vật liệu có cấu trúc hạt đa pha nano thiết bị nguội nhanh ®¬n trơc 65 3.2.1.1 NÊu phèi liƯu hỵp kim 66 3.2.1.2 Phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu dạng băng mỏng 66 3.2.2 Kỹ thuËt gia c«ng mÉu 69 3.2.3 Xư lý nhiƯt kÕt tinh b»ng lß đ nhiƯt 69 3.2.3 Mét sè yÕu tè c«ng nghệ ảnh hưởng đến trình chế tạo vật liệu 70 3.3 Các phương pháp nghiên cứu 71 3.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử 71 3.3.2 Ph­¬ng pháp nhiễu xạ tia X XRD (X ray diffraction) 71 3.3.3 Phương pháp đo phổ Auger 71 3.3.4 Phương pháp đo từ máy từ kÕ mÉu rung 72 3.3.5 Phương pháp đo điện trở mũi dò 73 3.3.6 Kh¶o sát ảnh hưởng dòng điện đo qua mẫu 75 78 KÕt luËn ch­¬ng Chương 4: Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ, hiệu ứng GMR hợp kim dạng hạt chế tạo công nghệ nguội nhanh ứng dụng 79 4.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu GMR hạt Co, Fe –Cu 79 4.1.1 Nghiªn cøu sù ®ång nhÊt vỊ cÊu tróc vËt liƯu b»ng Auger XRD 79 4.1.2 Phân tích cấu trúc mÉu b»ng XRD, SEM vµ VSM 83 4.2 Xác định kích thước hạt sắt từ Co cđa hƯ mÉu Co - Cu b»ng ®­êng cong từ hoá thực nghiệm sở lý thuyết Langevin vÒ thuËn tõ 85 4.3 Khảo sát hiệu ứng GMR vật liệu hƯ h¹t 92 4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ chế tạo 95 4.5 ¶nh hưởng hàm lượng hạt từ (Co) lên cấu tróc, tÝnh chÊt tõ vµ tû sè GMR 99 4.6 Khảo sát ảnh hưởng chế độ ủ nhiệt lên tû sè GMR cđa hƯ Co - Cu 107 4.7 ảnh hưởng nhiệt độ môi trường ®o víi mÉu Co10Cu90 111 4.8 ¶nh h­ëng chiỊu cđa tõ tr­êng so víi chiỊu dòng điện qua mẫu với hệ mẫu Co-Cu 115 4.9 ảnh hưởng hàm lượng Fe thay Co 116 4.10 Nghiên cứu hiệu ứng GMR ảnh hưởng vào nhiệt độ đ cđa mÉu Fe5Co5Cu90 120 4.11 Nghiªn cøu hiƯu øng GMR cđa hƯ Ni5Co5Cu90 123 4.12 øng dơng hiƯu øng GMR chÕ tạo sen sơ đo từ trường 125 4.13 Định hướng nghiên cứu 129 KÕt luËn ch­¬ng 131 KÕt luËn chung 133 Tài liệu tham khảo 135 Danh mục chữ viết tắt ký hiệu sử dụng luận án Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh đầý đủ Nghĩa tiếng việt AES Auger Electron Spectroscopy Phỉ ®iƯn tư Auger AF Antiferromagnetic Phản sắt từ BEI Bede scattered Electron Image Điện tử tán xạ ngược CIP Current In Plane Dòng điện song song với mặt phẳng CPP Current Perpendicular to plane Dòng điện vuông góc với mặt phẳng DOS Density of States Mật độ trạng thái FM Ferromagnetic Sắt từ GMR Giant Magnetoresistance Tõ ®iƯn trë khỉng lå HREM High resolution electron microscopy Hiển vi điện tử phân giải cao IMR Inverse Magneto Resistance Hiệu ứng từ điện trở ngược MR Magnetoresistance Tõ ®iƯn trë MRAM Magnetic Random Access Memory Bé nhí truy cËp ngÉu nhiªn tõ NM Non Magnetic Phi tõ OMR Ordinary Magnetoresistance Từ điện trở thường RKKY Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida 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 SEI Secondary Electron Image ảnh điện tử thứ cấp TEM Transmission Electron Microscope Hiển vi điện tử truyền qua VĐH Amorphous Vô định hình VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mÉu rung XRD X-ray Diffraction NhiƠu x¹ tia X Coupling interaction Tương tác trao đổi Superparamagnetic system Hệ siêu thuận từ As-spun Trạng thái phun Mở đầu Trong năm gần với phát triển khoa học công nghệ đà có nhiều loại vật liệu mới, với tính chất vật lý đặc biệt đà khám phá nghiên cứu mạnh mẽ vật liệu nói chung hệ vật liệu từ nói riêng Một hiệu ứng phát gần hiệu ứng từ điện trë khỉng lå (Giant Magnetoresistance - GMR), hiƯu øng nµy lần phát màng mỏng đa lớp, bao gồm lớp sắt từ xen kẽ với lớp không từ hệ hạt bao gồm hạt sắt từ nằm kim loại không từ Ngay sau đời, hiệu ứng GMR ®· trë thµnh mét vÊn ®Ị nãng hỉi lÜnh vực vật lý Đặc biệt gần đây, tác giả tìm hiệu ứng này, Albert Fert Peter Grunberg đà nhận giải thưởng Nô - Ben Vật lý năm 2007 Hiệu ứng GMR có thay đổi điện trở lớn (khoảng vài chục phần trăm) so với hiệu ứng từ điện trở thông thường (khoảng vài phần ngàn) có chất hoàn toàn mới, chế tán xạ phụ thuộc spin điện tử dẫn Ngay sau hiệu ứng GMR khám phá đà nhanh chóng đưa vào ứng dụng Chính hiệu ứng GMR đà trở thành chủ đề nỉi bËt vËt lý cịng nh­ khoa häc kỹ thuật vật liệu Về phương diện vật lý, hiệu ứng GMR có chế vật lý nhiều điều cần làm sáng tỏ Vật liệu có hiệu ứng GMR đà phát triển mạnh tiềm ứng dụng ngành công nghệ thông tin nhiều lĩnh vực điện tử đại Từ công trình nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng GMR giới cho thấy màng mỏng ®a líp (cì hµng chơc líp) cã hiƯu øng GMR lớn, đến 100% từ trường cao (khoảng 1T) nhiệt độ thấp (4,2K) [10] Tiếp sau hiệu ứng GMR đà phát màng đa lớp, hiệu ứng GMR vật liệu có cấu trúc dạng hạt, gồm hạt từ nỊn vËt liƯu phi ... tróc nanô vật liệu từ điện trở dạng hạt Vật liệu rắn có cấu trúc dạng hạt đà quan tâm nghiên cứu đưa vào ứng dụng đời sống, kỹ thuật từ lâu Ta gặp cấu trúc vật liệu rắn dạng hạt dạng vật liệu thông... loại: Vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ, vật liệu sắt từ, dựa cấu trúc vi mô vật liệu [1] Vật liệu nghịch từ loại vật liệu mô men từ nguyên tử (mô men từ nguyên tử 0) Hai loại vật liệu từ lại... vật liệu dạng màng đa lớp Ta coi hạt sắt từ cạnh vật liệu cấu trúc dạng hạt hai lớp từ cạnh màng đa lớp kim loại phi từ bao quanh hạt từ vật liệu dạng hạt lớp kim loại phi từ xen kẽ lớp sắt từ