Hiệu ứng từ điện trở của vật liệu từ

Tr-ờng Đại học Vinh khoa vật lý ====***==== Hiệu ứng tõ ®iƯn trë cđa vËt liƯu tõ Khãa ln tèt nghiệp đại học ChuyÊn ngàNH: vật lý chất rắn Cán bé h-íng dÉn: TS L-u tiÕn h-ng Sinh viªn thùc hiện: võ thị hải yến Lớp: 47B - Vật lý Vinh – 2010 MỞ ĐẦU Vật liệu từ ứng dụng chúng khoa học công nghệ sống thường ngày quan tâm nghiên cứu từ lâu thu nhiều kết thú vị Tuy nhiên kể từ phát hiệu ứng từ điện trở vật liệu từ mở bước ngoặt lớn nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng nhà khoa học vật liệu khoa học công nghệ Hiệu ứng từ trở nhiều nhà khoa học giới nước quan tâm nghiên cứu chúng có nhiều ứng dụng thiết thực, mang lại hiệu cao nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác như: điện tử, y sinh học, đo lường, điều khiển tự động,… Hiệu ứng từ điện trở bao gồm hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR), từ điện trở dị hướng (AMR) từ điện trở xuyên hầm (TMR) xuất đối tượng vật liệu có chế từ điện trở khác Các hiệu ứng GMR, AMR, TMR dạng vật liệu khác màng mỏng đa lớp, vật liệu dạng khối, dạng hạt đối tượng vật liệu dùng để sản xuất linh kiện điện tử spin với tính vượt trội góp phần quan trọng phát triển công nghệ điện tử - tin học - viễn thông như: linh kiện spin khơng gây ồn hay nhiễu điện tích, thao tác nhanh không thời gian, lượng vận chuyển điện tích,… Các hệ điện tử có tính tổ hợp cao (cả điện tử học, từ học quang tử học), đa chức năng, nhỏ gọn, tiêu thụ lượng hiệu suất cao, xử lý khả thiết lập trạng thái thông tin với tốc độ cao,… Tuy nhiên, chương trình học tập giảng đường hoạt động ngoại khóa khác, chúng tơi chưa có hội điều kiện để tìm hiểu sâu hiệu ứng từ trở nói ứng dụng chúng Vì vậy, để tìm hiểu đầy đủ hơn, cụ thể vật lý tượng từ, hiệu ứng từ trở vật liệu từ, chúng tơi chọn đề tài cho khóa luận tốt nghiệp là: “Hiệu ứng từ điện trở vật liệu từ” Về bố cục khóa luận ngồi phần mở đầu kết luận, phần nội dung gồm chương sau: Chương I: “Một số khái niệm tượng từ vật rắn” Trong chương này, trình bày nguồn gốc từ tính vật rắn, số đại lượng vật lí đặc trưng cho vật liệu từ, phân loại vật liệu từ, đường cong từ hóa đường từ trễ vật liệu từ,… Chương II: “Hiệu ứng từ điện trở vật liệu từ” Trong chương khái niệm hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng từ điện trở điển hình như: từ điện trở khổng lồ (GMR), từ điên trở dị hướng (AMR, từ điện trở xuyên hầm (TMR) số ứng dụng chúng trình bày phần khác khóa luận Chương III: “Hiệu ứng từ điện trở số vật liệu điển hình” Trong chương này, chúng tơi trình bày hai kết nghiên cứu hiệu ứng GMR hai nhóm vật liệu dạng ơxít hợp kim hai nhóm tác giả nước nghiên cứu mà họ thu nhiều kết lý thú CHƢƠNG I MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HIỆN TƢỢNG TỪ CỦA VẬT RẮN 1.1 Nguồn gốc từ tính vật rắn Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính vật liệu hạt mang điện (hay điện tích) ln ln chuyển động theo quỹ đạo kín tạo nên Vì chuyển động quay mơ tả moment quay nên nói từ tính gắn liền với moment Khi hạt chuyển động quay điện tích ngồi moment quay thơng thường cịn có thêm moment từ Như vậy, từ tính sinh từ hai loại chuyển động quay hạt mang điện nói chung điện tích nói riêng, là: - Quanh quanh hạt khác, tượng thường gọi chuyển động quỹ đạo - Tự quay quanh trục mình, tượng thường gọi chuyển động spin Nếu xét riêng từ tính vật liệu ta có thêm nhận định sau[3]: - Từ tính vật liệu nói chung định chủ yếu chuyển động quay điện tử nằm vật liệu Nguyên nhân điều do, vật liệu nói chung cấu tạo từ nguyên tử (hoặc phân tử), mà theo mơ hình ngun tử Bohr, nguyên tử bao gồm điện tích quay xung quanh hạt nhân hạt nhân có chuyển động quay nên có từ tính, từ tính chúng nhỏ so với từ tính điện tử - Nếu nguyên tử phân tử cấu tạo nên vật liệu tương đối độc lập với tính chất từ vật liệu chủ yếu định từ tính nguyên tử phân tử cấu tạo nên chúng Trong phần lớn trường hợp nguyên tử liên kết với để tạo nên vật liệu chất rắn (khi tương tác nguyên tử mạnh) điện tử khơng cịn chuyển động quỹ đạo, phần lớn từ tính vật liệu chủ yếu định chuyển động spin điện tử Hình 1.1 Mơ hình ngun tử - Như ta biết, điện tử coi hạt chịu trách nhiệm tính chất điện vật liệu Vậy đặt câu hỏi: Có hạt từ bản, tức có hạt đó, tạm gọi “từ tử” chịu trách nhiệm tính chất vật liệu khơng? – Câu trả lời là: có, phần lớn trường hợp điện tử nhấn mạnh vào tính chất spin - Khái niệm spin có học lượng tử có, nên nói từ tính tính chất hồn tồn lượng tử, khơng thể giải thích từ tính vật lý cổ điển Hoặc nói cách khác, số Planck   từ tính biến Chính mà từ xa xưa người biết đến tượng từ (điển hình nam châm, kim la bàn) phải đến vật lí lượng tử đời người ta giải thích tượng Để hiểu cách thấu đáo tính chất từ tương tác từ vật liệu với từ trường ngoài, nhắc lại khái niệm từ trường Từ trường môi trường vật chất đặc biệt sinh quanh điện tích chuyển động biến thiên điện trường có nguồn gốc từ mơment lưỡng cực từ Xét chất, từ trường điện trường biểu riêng rẽ trường thống điện từ trường Biểu thức xác định từ trường số dịng điện có dạng đơn giản như: từ trường tạo lưỡng cực từ có cường độ m cách khoảng r là: H m r2 (hệ CGS) (1.1)  hay từ trường tạo phần tử dòng điện idl điểm A cách dây dẫn khoảng r có dạng:   idl  r dH  r3 (1.2) dây dẫn thẳng dài vơ hạn, có dịng điện i chạy qua, từ trường có cường độ: H i (1.3) 2r Trong cuộn dây solenoit có độ dài lớn nhiều lần đường kính, từ trường tâm là: H = ni (1.4) Với n số vòng dây đơn vị độ dài; i cường độ dòng điện cuộn dây Đơn vị từ trường A/m (hệ SI) Oesterd (hệ CGS) 1A/m = 4 10 3 Oe = 0,0126 Oe Oe = 7,96 A/m 1.2 Một số đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho vật liệu từ Các vật liệu bị từ hóa nhiều hay từ trường gọi vật liệu từ Từ tính vật liệu từ khác tùy thuộc vào cấu trúc thành phần chúng Mô tả vật liệu từ, người ta thường dùng đại lượng vật lý đặc trưng sau [1 - 5]:  1.2.1 Từ độ hay độ từ hóa ( M ) Xét mặt tượng, từ hóa thay đổi tính chất từ vật liệu theo từ trường ngoài, mặt chất thay đổi moment từ ngun tử, đặt vào từ trường ngoài, moment từ nguyên tử có xu hướng quay theo hướng từ trường ngồi dẫn đến thay đổi tính chất từ Đại lượng vật lí đặc trưng cho khả từ hóa vật liệu từ độ từ hóa hay từ độ, xác định tổng moment từ nguyên tử đơn vị thể tích đơn vị khối lượng vật liệu từ, ký hiệu M Đó véctơ hướng từ cực nam (S) đến cực bắc (N) nam châm Về mặt tốn học, cho cơng thức [1]: M  lim V  m (1.5) V với m mômen từ nguyên tử, ΔV thể tích Từ độ có thứ ngun với cường độ từ trường, nên từ độ mang đơn vị từ trường, đơn vị hệ SI A/m Trong từ học, người ta sử dụng đơn vị khác cho từ độ ký hiệu emu/cm3 = 1000 A/m Đơn vị dùng phổ biến nghiên cứu từ học, xuất phát từ hệ đơn vị CGS  1.2.2 Cảm ứng từ ( B ) Cảm ứng từ đại lượng vector, thường ký hiệu chữ B, đặc trưng cho khả tương tác lực từ trường lên hạt mang điện chuyển   động Cảm ứng từ B gồm có đóng góp từ trường ( H ) tạo cuộn dây  từ độ ( M ) vật liệu từ bị từ hóa có biểu thức tổng quát là[4]:    B  aH  bM (1.6) a, b số phụ thuộc vào hệ đơn vị sử dụng Ví dụ hệ CGS (centimet, gam, giây), B đo Gauss (G):    B  H  4M (1.7) hệ SI (met, kilogam, giây) B đo Tesla (T):    B  0 ( H  M ) (1.8) Với 0  4 107 T m / A , độ từ thẩm chân không 1.2.3 Hệ số từ hóa (  ) độ từ thẩm (  ) Để đặc trưng cho khả từ hóa nhiều hay vật liệu từ khác người ta dựa vào hệ số từ hóa, độ cảm từ  , cho phép ta xác định độ “nhạy cảm” khả từ hóa vật liệu tác dụng từ trường ngồi,  thơng số quan trọng để phân biệt vật liệu từ Hệ số từ  hóa thể mối quan hệ từ độ M từ trường ngồi, mang nhiều ý nghĩa vật lý nội vật liệu từ  Hệ số từ hóa định nghĩa tỷ số gữa từ độ ( M ) cường độ từ  trường ( H ):  M   H (1.9)   Trong hệ SI, M H có thứ ngun nên  đại lượng khơng có thứ ngun, hệ CGS thứ nguyên  emu/m3.Oe Độ từ thẩm thường kí hiệu  đại lượng vật lí đặc trưng cho tính thấm từ trường ngồi vào vật liệu, hay nói lên khả phản ứng vật liệu tác dụng từ trường Khái niệm từ thẩm thường  mang tính chất kĩ thuật vật liệu, nói lên quan hệ cảm ứng từ B từ  trường H Độ từ thẩm thực chất đáng kể vật liệu có trật tự từ    Quan hệ từ độ ( M ), cảm ứng từ ( B ) cường độ từ trường ( H ) biểu diễn:    B  0 ( H  M ) (1.10) với μ0 số từ, hay gọi độ từ thẩm chân khơng, có độ lớn: μ0 = 4.π10 − 7T.m / A Như vậy:   B  0 (1   ) H (1.11) Đại lượng độ từ thẩm hệ số từ hóa quan hệ với qua biểu thức:   0 (1   ) (1.12) Độ từ thẩm có ý nghĩa với hệ số từ hóa, nói lên khả phản ứng vật liệu tác dụng từ trường Trong kỹ thuật, người ta thường quan tâm đến giá trị độ từ thẩm tương đối định nghĩa bởi: r   1  0 (1.13) Khi nói độ từ thẩm người ta thường ngầm hiểu độ từ thẩm tương đối, đại lượng đại lượng khơng có thứ ngun *) Mối quan hệ hệ đơn vị đo từ: Có hai hệ đơn vị SI (hệ đơn vị đo lường quốc tế) hệ CGS sử dụng rộng rãi Hiện hệ SI dùng nhiều kỹ thuật, hệ CGS thường dùng tài liệu có tính chất Với hệ SI :    B  0 ( H  I ) đó: [B] = Tesla (T) hay (V.s/ m2 ), [H, I] = Ampe/m (A/m),  = 4 107 Henry/m (H/m) Hệ CGS: Trong hệ CGS 0  , khơng có đơn vị [B] = Gauss (G), [H] = Oersted (Oe), [M] = emu/ cm (đơn vị đo điện từ / cm ) Sau ta có bảng tóm tắt cơng thức chuyển đổi số đơn vị hai hệ CGS SI (bảng 1.1) Bảng 1.1 Công thức chuyển đổi số đơn vị hệ SI CGS Đại lượng vật lý Hệ CGS Hệ SI F (lực) din 105 N H (cường độ từ trường) Oe 79,58A/m B (cảm ứng từ) 1G 104 T E (năng lượng) erg 107 J M (từ độ) 1emu/ cm 12,57.104 Wb/ m2 1+4   (độ từ thẩm) 0 (1   ) H / m 1.3 Phân loại vật liệu từ Dựa vào dấu, độ lớn hệ số từ hóa (  ) phụ thuộc từ  trường ( H ) vào nhiệt độ (T) vật liệu từ, người ta phân chia vật liệu từ thành loại sau đây: 1.3.1 Các chất nghịch từ Khi khơng có từ trường ngồi tác dụng, chất nghịch từ khơng có moment từ Khi có từ trường tác dụng, moment từ chất nghịch từ định hướng ngược với hướng từ trường ngồi Do độ cảm từ (  ) có giá trị âm có độ lớn (  ) nhỏ Ví dụ : Đồng kim loại :  = - 0,94.105 (hệ CGS), Chì kim loại :  = - 1,7.105 (hệ CGS), Nước nguyên chất :  = - 0,88.105 (hệ CGS) Các giá trị đo nhiệt độ phịng (hoặc khơng) thay đổi theo nhiệt độ Chất siêu dẫn gọi chất nghịch từ lý tưởng (hay chất nghịch từ mạnh)  âm giá trị lớn gấp nhiều bậc so với chất nghịch 10 CHƢƠNG III HIỆU ỨNG TỪ TRỞ TRONG CÁC VẬT LIỆU TỪ ĐIỂN HÌNH 3.1 Hiệu ứng GMR hợp chất La2/3Ca1/3MnO3 pha tạp Cu Hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) vật liệu từ khác thu hút quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ phịng thí nghiệm giới nước ta Trong vật liệu đó, hiệu ứng GMR thường quan sát thấy gần nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (TC), kèm với biến đổi tính chất dẫn từ kim loại sang điện môi Cơ chế trao đổi kép (DE)[11] Zener đưa coi mô hình lý thuyết để giải thích tượng từ mối quan hệ tính chất dẫn tính chất từ vật liệu từ Tuy nhiên, kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy ngồi mơ hình DE cịn có đóng góp hiệu ứng palaron, có nghĩa hiệu ứng liên kết mạnh điện tử phonon liên quan đến méo mạng tinh thể Jahn – Teller Song song với việc nghiên cứu tượng từ trở vật liệu từ dạng khối, vật liệu dạng màng mỏng thu hút quan tâm nghiên cứu đặc biệt triển vọng ứng dụng vô to lớn chúng ngành điện tử học spin [11] Năm 1993, Von Helmot cộng thu giá trị từ trở GMR lớn 60% nhiệt độ phòng từ trường 7T màng mỏng La2/3Ca1/3MnO3 coi mốc khám phá hiệu ứng từ trở màng mỏng từ, nhiên khả ứng dụng khơng cao hiệu ứng GMR xẩy từ trường cao nhiệt độ thấp Đối với vật liệu dạng màng mỏng đa lớp cấu trúc tinh thể tính chất điện – từ bị ảnh hưởng quy trình xử lý nhiệt, hiệu ứng biến dạng gây sai khác số mạng màng đế Tác giả Nguyễn Huy Sinh cộng [11] vào tìm hiểu hiệu ứng từ trở perovskite magannite (RMnO3) với R nguyên tố đất 43 hóa trị khơng pha tạp chúng phản sắt từ (AF) điện môi tuân theo chế tương tác siêu trao đổi (SE) ion Mn3+ Theo dãn đồ pha minh họa tính chất cho tồn dãy La1-xCaxMnO3 Schiffer đồng nghiệp x = 1/3, hợp chất có nhiều đặc tính ưu điểm Ở nồng độ hợp chất có nhiệt độ TC cao (vào cỡ 265K ÷ 270K), độ méo mạng Jahn – Teller (J - T) mạnh hiệu ứng từ trở lớn Khi thay phần Mn cho kim loại hóa trị hai Co, Sr, Ba, Cu,…Một phần Mn3+ chuyển thành Mn4+ làm thay đổi tính chất mẫu, đặc biệt Cu2+ có cấu hình điện tử 3d9, có điện tử nằm mức lượng eg hiệu ứng méo mạng J-T Cu2+ gây mạnh, nên thay trực tiếp Mn Cu2+ hợp chất La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3 (x = 0,0 ÷ 0,2) chế tạo từ thành phần MnCO3, CaCO3, La2O3 CuO theo phương pháp gốm Đồng thời sử dụng phép đo EDS, XPD, xác định momen từ theo nhiệt độ, đo từ trở điện trở, vùng nhiệt độ 77K ÷ 300K từ trường từ 0T ÷ 4T, tác giả thu số kết thực nghiệm, qua để tìm hiểu tính chất từ trở mẫu Các tác giả phân tích phổ tán xạ lượng điện tử (EDS) mẫu La2/3Ca1/3MnO3 (x = 0,0 ÷ 0,2) cho thấy khơng có tạp chất mẫu thành phần xác định xấp xỉ với thành phần định Phổ đặc trưng Cu thu mức lượng 0,9; 8,9 KeV có cường độ lớn dần phổ đặc trưng Mn giảm dần theo x Phổ nhiễu xạ tia X (XPD) mẫu nghiên cứu trình bày hình 3.1 cho thấy mẫu có nồng độ Cu khác có cấu trúc tinh thể có khác số mạng thể qua dịch chuyển vị trí vạch nhiễu xạ 44 Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3 [11] Từ giản đồ này, giá trị số mạng mẫu xác định đưa bảng 3.1 Bảng 3.1 Giá trị số mạng mẫu La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3 X a( A ) b( A ) c( A ) 5,459 7,756 5,520 0,02 5,461 7,758 5,518 0,05 5,467 7,762 5,527 0,15 5,465 7,764 5,527 0,20 5,467 7,766 5,520 Từ bảng 3.1 ta nhận thấy số mạng mẫu thay đổi khơng vượt q 2% Ngun nhân có nguyên từ Cu đưa vào hợp chất có nhiêu ion Mn3+ chuyển thành Mn4+để cân điện tích Mặt khác ion Cu2+ làm tăng kích thước mạng ion Mn4+ lại làm giảm kích thước mạng kích thước sở thay đổi chút Khảo sát phụ thuộc từ độ M vào nhiệt độ T, tác giả thu nhiều kết lý thú Hình 3.2 trình bày đường cong từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ mẫu đo từ trường H = 500 Oe Từ đường cong ta tính nhiệt độ chuyển pha TC thống kê bảng 3.2 45 Hình 3.2 Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ mẫu La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3[11] Bảng 3.2 Nhiệt độ TC mẫu La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3 x 0,00 0,02 0,05 0,15 0,20 TC (K ) 223 218 203 198 178 Bảng 3.3 Các giá trị nhiệt độ chuyển pha từ trở mẫu Mẫu TM-I(K) TM-I(K) (H=0) (H=0,4T) TMR(K) MR(%) T=TMR; H=0,4T x=0,00 190 195 190 16,7 x=0,02 199 204 187 17,7 x=0,05 187 192 179 19,8 x=0,15 164 168 144 21,0 x=0,20 150 155 132 23,4 Từ bảng 3.2 ta nhận thấy rằng: nhiệt độ chuyển pha sắt từ (FM) – thuận từ (PM) giảm nhẹ theo chiều tăng x Điều phù hợp với kết XPD: kích thước mạng ổn định đồng thời đảm bảo cho bán kính trung bình ion vị trí B (trong mạng ABO3) khơng thay đổi để trì thừa số 46 dung hạn hợp chất Như vậy, hiệu ứng tương quan bán kính ion khơng quan sát thấy hệ mẫu Đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ mẫu có dạng parabol với điểm cực đại ứng với nhiệt độ chuyển pha kim loại – điện môi/ bán dẫn ( TM  I ) Nếu đặt từ trường H = 0,4T vào mẫu, nhiệt độ dịch chuyển phía nhiệt độ cao Các giá trị TM  I thống kê bảng 3.3 Từ đường cong điện trở đo với H = 0T H = 0,4T ta vẽ đường cong từ trở xác định nhiệt độ TMR cho mẫu Đây nhiệt độ mà tỷ số MR đạt giá trị cực đại H = 0,4T TMR  TM  I , điều chứng tỏ tác dụng từ trường TM  I dịch chuyển phía nhiệt độ cao Hình 3.3 Kết đo MR-H(T) mẫu x= 0,00 (a) x= 0,20 (b) Kết đo từ trở vùng từ trường thấp H = 0T đến H = 0,4T trình bày hình 3.3a 3.3b cho mẫu x=0,00 x=0,20 (các mẫu khác có dạng đường cong tương tự) Ta quan sát đường cong từ trở có dạng chữ V độ cong chúng phụ thuộc vào nhiệt độ - T  TM  I nhánh đường cong MR lồi lên phía - T  TM  I nhánh đường cong MR lõm xuống phía - T  TM  I đường cong MR có dạng chữ V tuyến tính 47 Tại nhiệt độ chuyển pha TC bắt đầu hình thành trạng thái sắt từ vậy: - Trạng thái sắt từ - kim loại đường cong từ trở có dạng lõm xuống phía - Trạng thái trung gian sắt từ - kim loại sắt từ yếu – điện mơi đường cong từ trở có dạng chữ V tuyến tính - Trạng thái thuận từ khơng có từ trở Như hợp chất La2/3Ca1/3MnO3 thay Cu cho Mn làm loảng phân mạng từ Mn, làm giảm tỷ số Mn3+/Mn4+ cường độ tương tác trao đổi kép, dẫn đến suy giảm nhiệt độ TC tăng tỷ số MR cực đại theo nồng độ x Quy luật thể mối quan hệ trạng thái trật tự từ, tính dẫn điện đường cong từ trở dạng chữ V theo nhiệt độ với độ cong khác Trong trạng thái trung gian sắt từ - kim loại sắt từ yếu – điện môi đường cong từ trở có dạng chữ V tuyến tính 3.2 Hiệu ứng từ điện trở vật liệu bán Heusler CoMnSb Vật liệu Heusler vật liệu sắt từ bán kim loại loại vật liệu từ sử dụng điện tử học spin (spintronics), đặc điểm loại vật liệu điện tử tham gia vào trình dẫn theo phương Gần tượng từ điện trở MR vật liệu bán kim loại thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học nghiên cứu bản, chúng có nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực điện tử học spin Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu tượng từ trở loại vật liệu bán kim loại dạng khối, dạng bột dạng màng mỏng họ vật liệu khác nhằm giải thích đầy đủ tính chất vật lý hiệu ứng Trong hệ hợp kim bán Heusler XMnZ (X = Co, Ni, Cu,…Z= Sb, Al, Si…) có moment từ bảo hịa 0K số ngun lần Manheton Borh, theo tính tốn lý thuyết hệ vật liệu có độ phân cực 100% [12] Với tính chất đặc biệt hệ hợp kim bán Heusler hệ vật liệu tập trung nghiên cứu mạnh 48 lĩnh vực điện tử học spin, nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến van spin có độ nhạy cao linh kiện điện tử có tính ưu việt cơng nghiệp điện tử Tác giả Lê Thanh Hùng cộng [12] nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở hợp kim CoMnSb dạng khối, chế tạo phương pháp nóng chảy hồ quang mơi trường khí trơ Ar, với độ kim loại Co 99,99%, Mn 99,9% Sb 99,9% Để đạt hợp phần hợp kim CoMnSb, Mn Sb bù 5% khối lượng Mẫu sau chế tạo xử lý nhiệt mơi trường khí Ar khoảng nhiệt độ từ 700C  850C thời gian 100 Cấu trúc tinh thể mẫu kiểm tra phép đo nhiễu xạ tia X Tính chất từ khảo sát máy từ kế mẫu rung VSM SQUID Từ điện trở đo phương pháp mũi dị với mẫu có dạng trụ vng (10x3x3mm3) dịng điện đặt vào mẫu dịng chiều phương với chiều dài mẫu, giá trị từ trường quét dải từ - 13 kOe ÷ 13 kOe Hình thái bề mặt mẫu quan sát kính hiển vi điện tử quét (SEM) Một số kết thực nghiệm thu giúp tiếp tục nghiêm cứu ứng dụng hiệu ứng từ trở loại vật liệu Hình 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X CoMnSb [12] 49 Tiến hành nghiên cứu nhiễu xạ tia X nhiệt độ phòng mẫu chế tạo cho thấy mẫu sau ủ nhiệt 800ºC 10h trở thành hồn tồn đơn pha CoMnSb (Hình 3.4) Khảo sát tính chất từ mẫu thể cấu trúc mẫu tồn đơn pha hợp kim CoMnSb Các kết đo từ nhiệt hợp kim sau ủ nhiệt độ TC = 480K hợp kim phù hợp với kết công bố trước Đường cong từ trễ 300K 5K cho thấy lực kháng từ HC ≈ 0, điều thể dị hướng từ hợp kim chế tạo nhỏ Moment từ bảo hòa nhiệt độ thấp Ms (5K)  4 B (hình 3.5) Hình 3.5 Đường cong từ trễ CoMnSb 5K 300K [12] Kết cho thấy moment từ bảo hòa số ngun lần Manheton Borh, kết luận vật liệu CoMnSb chế tạo mang tính sắt từ bán kim loại nhiệt độ thấp Từ hình 3.5 ta thấy vật liệu CoMnSb hiệu ứng từ điện trở âm Tỷ số MR lớn đạt vào khoảng cỡ 30% trường hợp từ trường ngồi đặt song song với dịng điện chạy qua mẫu cỡ 5% đặt vng góc Tỷ số thay đổi điện trở cấu trúc tinh thể CoMnSb cao nhiều so với từ điện trở mẫu bột, ví dụ Cr2O4, Fe3O4 oxit có đặc tính bán 50 kim loại, nhiệt độ phòng điện trở thay đổi 1% đến 4% tương ứng Nguyên nhân tượng xun hầm hạt có kích thước từ vài trăm nanomet đến vài chục micromet tồn mẫu khối (hình 3.7) Hình 3.6 Sự thay đổi điện trở theo từ trường đặt vào (MR) a) Phương từ trường đặt song song với chiều dòng điện b) Khi từ trường đo đặt vng góc với chiều dịng điện[12] Hình 3.7 Hình thái bên hợp kim CoMnsb qua ảnh SEM (mặt bẻ gẫy) a) phóng đại 100m ; b) phóng đại 10m điểm đánh dấu hình a[12] Có thể giả thiết hạt cầu có định hướng moment từ bất trật tự có tổng moment từ ban đầu Khi khả xuyên hầm qua biên hạt nhỏ tương ứng với từ trở lớn Trong trình tăng từ trường ngồi, moment từ hạt bắt đầu quay, từ trường đủ mạnh 51 moment từ xếp song song với nhau, trạng thái điện tử có chiều spin có nhiều khả xuyên hầm qua biên hạt, điện trở có giá trị nhỏ (hình 3.5a) Giá trị thay đổi điện trở theo hai phương song song vng góc khác lớn tồn biên hạt khối theo phương khác nhau, dẫn tới thay đổi trình tán xạ điện tử xuyên hầm qua biên hạt Tóm lại hiệu ứng GMR hợp kim dạng khối CoMnsb lên tới 30% quan sát nhiệt độ phòng với từ trường nhỏ khoảng 100 Oe 3.3 Kết luận chƣơng Trong chương chúng tơi tìm hiểu trình bày hai kết nghiên cứu chế tạo hiệu ứng GMR hai nhóm vật liệu dạng oxít hợp kim hai nhóm tác giả nước Hợp chất dạng ơxít La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3 (x =0  0,2) chế tạo phương pháp gốm thu tỷ số MR mẫu có độ dày khác dao động từ 14,7 – 23,8% từ trường từ - 4T tác giả Nguyễn Huy Sinh cộng Tác giả Lê Thanh Hùng cộng nghiên cứu hệ mẫu vật liệu Heusler CoMnSb dạng khối chế tạo phương pháp đúc thu tỷ số MR quan sát nhiệt độ phòng, từ trường H = 100 Oe lên tới 30% Căn vào điều kiện ứng dụng hiệu ứng từ trở thực tế mà cơng trình nghiên cứu dành nhiều quan tâm hiệu ứng GMR hứa hẹn ứng dụng vượt trội nghiên cứu thực nghiệm 52 KẾT LUẬN Trên sở mục đích đề tài đặt ra, vốn kiến thức tích luỹ giảng đường qua thời gian nghiên cứu, tìm hiểu sách, tài liệu tham khảo hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn, khóa luận hoàn thành với số kết sau: Đã trình bày khái niệm, đặc trưng tính chất vật liệu từ dạng rắn như: nguồn gốc từ tính vật liệu, tham số từ bản, q trình từ hóa đường cong từ trễ,…Cách phân loại vật liệu từ theo hệ số từ hóa trình bày khóa luận Đã trình bày cách tóm lược hiệu ứng từ điện trở phân tích cách tương đối chi tiết đặc điểm, chế loại hiệu ứng từ trở điển hình như: Từ trở khổng lồ (GMR), Từ trở dị hướng (ARM) từ trở xuyên hầm (TMR) đồng thời nêu lên số ứng dụng ứng dụng chúng thực tiễn Đã tìm hiểu trình bày hiệu ứng từ trở hai nhóm vật liệu điển hình La2/3Ca1/3Mn1-xCuxO3 (x =0  0,2) có tỷ số MR mẫu có độ dày khác dao động từ 14,7 – 23,8% từ trường từ 0T - 4T vật liệu Heusler CoMnSb dạng khối với tỷ số MR quan sát nhiệt độ phòng từ trường H = 100 Oe lên tới 30% Do tầm hiểu biết điều kiện thực đề tài có hạn, khóa luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả kính mong nhận góp ý chân thành, thẳng thắn Thầy, Cơ giáo bạn để khóa luận hồn thiện 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].http://vi.wikipedia.org/wiki/C490E1BB99_tE1BBAB_hC3B3a [2].Nguyễn Phú Thùy, “Vật lý tượng từ”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [3].Đào Trần Cao, “Cơ sở vật lý chất rắn”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [4].Thân Đức Hiền, “Từ học vật liệu từ”, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2008 [5].Nguyễn Hữu Đức, “Vật liệu từ liên kim loại”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [6].http://vi.wikipedia.org/wiki/TE1BBAB_trE1BB85 [7].http://vi.wikipedia.org/wiki/HiE1BB87u_E1BBA9ng_tE1BBAB_C491iE1 BB87n_trE1BB9F_dE1BB8B_hC6B0E1BB9Bng [8].Robert C O’ Handley, “Magnetic annealing and directional order”, chapter 15, tr.557 – 516 [9].Nguyễn Hửu Đức, “Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [10].http://vi.wikipedia.org/wiki/TE1BBAB_C491iE1BB87n_trE1BB9F_khE1 BB95ng_lE1BB93 [11].N H Sinh*, N A Tuấn, V V Khải, P Q Long, Đ V Thắng, “Tính chất từ điện trở hợp chất La2/3Ca1/3MnO3 pha tạp Cu”, tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, Tập III, Nhà xuất KH&KT Hà Nội 2006, tr.1170 – 1173 [12].L T Hùng*, N P Dương, N A Tuấn, T Đ Hiền, “Hiệu ứng từ điện trở vật liệu bán Heusler CoMnSb”, tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, Tập III, Nhà xuất KH&KT Hà Nội 2006, tr.1135 – 1138 54 MỤC LỤC Trang Mở đầu Chƣơng I: Một số khái niệm tƣợng từ vật rắn 1.1 Nguồn gốc từ tính vật chất 1.2 Một số đại lượng vật lý đặc trưng cho vật liệu từ  1.2.1 Từ độ hay độ từ hóa ( M )  1.2.2 Cảm ứng từ ( B ) 1.2.3 Hệ số từ hóa độ thẩm từ 1.3 Phân loại vật liệu từ 1.3.1 Các chất nghịch từ 1.3.2 Các chất thuận từ 10 1.3.3 Các chất sắt từ 11 1.3.4 Các chất phản sắt từ 12 1.3.5 Các chất ferit từ 12 1.4 Đường cong từ hóa đường từ trễ vật liệu từ 12 1.4.1 Đường cong từ hóa 12 1.4.2 Đường từ trễ 14 1.5 Vật liệu từ ứng dụng 16 1.5.1 Vật liệu từ mềm 16 1.5.2 Vật liệu từ cứng 18 1.6 Kết luận chương 19 Chƣơng II: Hiệu ứng từ điện trở 20 2.1 Các khái niệm hiệu ứng từ điện trở 20 2.2 Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR 22 2.2.1 Mô tả hiệu ứng từ trở dị hướng AMR 22 55 2.2.2 Cơ chế hiệu ứng AMR 23 2.3 Hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR 28 2.3.1 Mô tả hiệu ứng GMR 28 2.3.2 Cơ chế hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR 31 2.3.3 Hiện tượng lực kháng từ âm 36 2.4 Hiệu ứng từ trở xuyên hầm TMR 38 2.5 Kết luận chương 40 Chƣơng III: Hiệu ứng từ trở số vật liệu điển hình 42 3.1 Hiệu ứng GMR hợp chất La2/3Ca1/3MnO3 pha tạp Cu 42 3.2 Hiệu ứng từ điện trở vật liệu bán Heusler CoMnSb 47 3.3 Kết luận chương 51 Kết luận 52 Tài liệu tham khảo 53 56 LỜI CẢM ƠN Khóa luận thực trường Đại Học Vinh, hướng dẫn thầy giáo –TS Lưu Tiến Hưng Qua tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy nhiệt tình, hướng dẫn, giúp đỡ, động viên tác giả suốt thời gian hồn thành khóa luận Nhân đây, tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Chủ Nhiệm khoa Vật lý, thầy, giáo khoa Vật lý, gia đình bạn bè tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hồn thành khóa luận Trong q trình hồn thành khóa luận có nhiều cố gắng, tầm hiểu biết điều kiện thực đề tài có hạn Do khóa luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả kính mong nhận đóng góp chân thành, thẳng thắn từ phía thầy, giáo bạn để khóa luận hồn thiện Vinh, tháng năm 2010 Tác giả 57 ... nanomet,… 1.5.2 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng vật liệu có từ tính mạnh khó từ hóa khó khử từ Vật liệu từ cứng loại vật liệu từ phát sử dụng sớm lịch sử loài người Các vật liệu từ cứng sử dụng... liệu từ cứng vật liệu từ mềm 1.5.1 Vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm vật liệu sắt từ mềm vật liệu sắt từ, “mềm” phương diện từ hóa khử từ, có nghĩa dễ từ hóa dễ khử từ Các vật liệu 17 từ mềm đa dạng,... gốc từ tính vật rắn, số đại lượng vật lí đặc trưng cho vật liệu từ, phân loại vật liệu từ, đường cong từ hóa đường từ trễ vật liệu từ, … Chương II: ? ?Hiệu ứng từ điện trở vật liệu từ? ?? Trong chương