Điện trở của vật liệu GMR dạng hạt được chế tạo bằng phương pháp
nguội nhanh, được tính toán theo công thức quen thuộc R = l/S, trong đó là điện trở suất của mẫu, l là chiều dài của mẫu tính đến hai điện cực đo, S là tiết
diện của mẫu. Điện trở của mẫu được đo dựa trên nguyên tắc đo 4 mũi dò
(hình 2.8). Dòng điện một chiều ổn định I đi qua 2 mũi dò phía ngoài, trên hai mũi dò phía trong ta thu được điện áp U. Điện trở của mẫu R (giữa 2 mũi dò phía trong): R = U/I.
Mẫu được cắt ở dạng thanh với chiều rộng từ 1 m đến 3 m, chiều dày theo chiều dày của băng chế tạo, chiều dài của mẫu được cắt sao cho điện trở của mẫu lớn hơn 0,5 () để đảm bảo tín hiệu đo không bị tín hiệu ồn của máy làm nhiễu.
Thực nghiệm khảo sát đo hiệu ứng GMR được tiến hành tại Viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội. Mẫu được gắn trên cần mẫu (hình 2.9), thay cho các mũi dò, các điện cực được sử dụng là các dây dẫn mạ bạc hoặc vàng và được gắn trên mẫu bằng thiếc với các điểm nhỏ. Nguồn tạo từ trường
từ trường có thể đặt chế độ quét tự động trên máy tính với các bước quét khác nhau. Nguồn dòng ổn đỉnh được sử dụng trong hệ đo này là nguồn UCS6-2F có độ ổn định cao với sai số khoảng 0,1 A, dòng điện ổn định này được nối với máy đo Keithley để kiểm tra dòng điện qua mẫu. Các tín hiệu thay đổi của từ trường quét ở nam châm điện trên máy đo từ kế mẫu rung, tín hiệu điện áp thay đổi trên hai điện mũi dò gắn với mẫu được nối với máy đo HP 4156. Thiết bị này có độ nhạy với sự thay đổi điện áp (đến nano vôn) hay dòng điện qua mẫu (đến nano ampe), máy này thu thập số liệu ra về sự biến thiên trên hai điện cực mũi dò gắn trên mẫu theo sự thay đổi của của từ trường đang quét. Các tín hiệu này được hiển thị trên màn hình theo dạng đồ thị sự thay đổi
của điện áp theo từ trường. Tỷ số GMR của mẫu được tính trực tiếp từ số liệu
tín hiệu của điện áp, bởi vì như chúng ta biết R/R(0) = U/U(0); với R là sự biến thiên điện trở của mẫu khi có từ trường ngoài và khi không có từ trường ngoài,
R(0) là điện trở của mẫu khi từ trường ngoài bằng 0 còn U là sự biến thiên điện áp
ra trên hai điên cực mũi dò gắn trên mẫu khi có từ trường ngoài và khi không có từ
trường ngoài, U(0) là điện áp ra trên hai điện cực mũi dò khi trừ trường ngoài bằng
0. Do cấu hình của mẫu (chiều dài, tiết diện) luôn cố định trong suốt quá trình đo,
mV DC S N Mẫu Nguồn một chiều ổn định
Nam châm điện Máy đo điện áp
mV DC S N Mẫu Nguồn một chiều ổn định
Nam châm điện Máy đo điện áp
Đế mạch in với mạch dẫn bằng Cu Dây dẫn Cu mạ Au hoặc Ag
được gắn với các điện cực mạch in và mẫu bằng thiếc Mẫu đo
Hình 2.9: Thực nghiệm cách bố trí mẫu đo điện trở dạng thanh trên cần đo[4]
Chương 3
Kết quả nghiên cứu
3.1 Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt
Từ kết quả khảo sát cấu trúc và tính chất từ của một số mẫu sau khi chế tạo cho thấy với các mẫu đều thể hiện tính chất từ của vật liệu siêu thuận từ khá điển hình, về cấu trúc vi mô các mẫu thể hiện cấu trúc của vật liệu từ nanô, gồm các hạt từ Co có kích thước khá nhỏ phân bố hỗn độn trong nền của vật liệu phi từ Cu. Mẫu Co10Cu90 được chọn khảo sát hiệu ứng GMR bằng cách đo sự thay đổi điện trở của mẫu theo phương pháp đo điện cực 4 mũi dò, trong từ trường thay đổi từ 0 đến 1,3 T. Giá trị điện trở của mẫu được tính từ
tín hiệu điện áp thay đổi trên hai điện cực U = I.R; U là giá trị điện áp, I là cường độ dòng điện một chiều DC không đổi qua mẫu, R là giá trị điện trở của mẫu. Từ đó ta có giá trị điện trở R của mẫu R = U/I. Khi từ trường ngoài tác
động vào mẫu làm cho mô men từ của các hạt sắt từ xoay theo chiều của từ trường ngoài, theo cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn, điện trở của mẫu thay đổi, kết quả là giá trị điện áp ra thay đổi theo từ truờng ngoài. Để đánh giá sự thay đổi điện trở của mẫu theo từ trường ngoài ta dùng công thức
tỷ số GMR(%): 100% ) 0 ( ) 0 ( ) ( ) 0 ( ) 0 ( ) ( (%) R R H R U U H U GMR ( 3.1)
Với U(0) là điện áp đo được trên hai điện cực khi từ trường ngoài tác dụng lên mẫu bằng không, U(H) là điện áp đo khi từ trường ngoài tác dụng lên mẫu đạt giá trị lớn nhất (1,3 T), và tương ứng R(0) là điện trở của mẫu đo khi từ trường ngoài tác dụng lên mẫu bằng không, R(H) là điện trở đo khi từ
trường ngoài tác dụng lên mẫu đạt giá trị lớn nhất 1,3 T.
Hình 3.1 là đồ thị ghi điện áp ra trên điện cực của 2 mũi dò nối với mẫu thay đổi khi từ trường ngoài thay đổi; ở đây đo ban đầu ở từ trường ngoài từ -
1,3 T (dấu trừ để phân biệt với từ trường ngược lại), từ trường này giảm dần về 0, rồi sau đó tăng lên 1,3 T, và tiến hành đo theo chiều ngược lại từ 1,3 T về 0, rồi -1,3 T.
Từ kết quả đo sự thay đổi điện áp theo từ trường ngoài, sau đó áp dụng
công thức trên ta tính được tỷ số GMR (xem hình 3.2) với hai đường đo đi và
đo về từ -1,3 T qua 0 về 1,3 T và ngược lại (đường đo đầy đủ), kết quả cho thấy đường đo đi và đường đo về gần như trùng khít nhau đối với đường tỷ số
GMR phụ thuộc vào từ trường cũng như đường điện áp phụ thuộc vào từ
trường (xem hình 3.1 và 3.2), hai đỉnh đường đo đi và đường đo về gần như trùng nhau, điều này phù hợp với kết quả của phép đo đường cong từ trễ với lực kháng từ nhỏ, giá trị -HC và HC gần nhau (xem hình 3.3). Điều đó cho thấy mẫu thể hiện tính đẳng hướng của hiệu ứng GMR trong cấu trúc hệ hạt. Nguyên nhân cho tính đẳng hướng của hiệu ứng GMR trong vật liệu cấu trúc hệ hạt là do các hạt từ có kích thước cỡ nanô mét, nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hình học của mẫu, các hạt từ có xu thế co lại thành hình cầu, khác với mẫu màng mỏng, các hạt dẹt theo phương mặt màng mỏng, tạo nên tính dị hướng cho hạt và cho cả hệ.
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 0,097 0,098 0,099 0,100 0,101 0,102 0,103 U ( m V ) Từ trường ngoài, H (T) Co 10Cu 90
Hình 3.1: Điện áp đo trên 2 điện cực ra của 4 mũi dò thay đổi theo từ trường ngoài
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 G M R ( % ) Từ trường ngoài, H (T)
Hình 3.3 Đường cong từ trễ của mẫu Co10Cu90 a. ủ bằng dòng điện I = 2,0A, 30 giây
b. sau khi ủ ở 450oC, 60 phút
Hình 3.2: Tỷ số GMR phụ thuộc vào từ trường ngoài của mẫu Co10Cu90 sau khi ủ ở 450oC, 60 phút