2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9]
Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trƣờng vng góc với
hƣớng của dịng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trƣờng vng góc với cả hƣớng của dịng điện và hƣớng của từ trƣờng. Đây là một trong những hiệu ứng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor.
Hình 2.9 mơ tả một từ trƣờng vng góc với tấm vật liệu mỏng mang dịng điện. Từ trƣờng tác dụng một lực theo phƣơng ngang FB vào hạt tải chuyển động và đẩy chúng về một phía. Trong khi những hạt tải này đƣợc tích lũy tại một bên thì các hạt tải trái dấu lại tích tụ về phía đối diện. Sự phân tách hạt tải tạo ra một điện trƣờng, điện trƣờng này gây ra lực điện FE. Khi lực điện cân bằng với lực từ thì khơng diễn ra sự phân tách hạt tải nữa. Kết quả là có một điện thế có thể đo đƣợc giữa hai cực của vật liệu, gọi là thế Hall, VHall đƣợc tính theo phƣơng trình:
Hall
IB V
ned
(2.11)
Với I là dòng điện chạy trong vật liệu
B: cảm ứng từ, n: mật độ hạt tải của vật liệu e: điện tích của electron ( 19
1.602 10 C)
d: độ dày của vật liệu
Hình 2.9 Hiệu ứng Hall.
Sensor hiệu ứng Hall đƣợc sử dụng thƣờng xuyên nhất trong các phép đo từ trƣờng. Sensor Hall hai chiều đã đƣợc sử dụng để kiểm soát trƣờng từ trong dải nano-tesla. Do có khả năng phát hiện ra từ trƣờng nhỏ, hiệu ứng Hall có thể là phƣơng tiện trong việc phát triển hệ cảm biến sử dụng chuỗi từ nano (chuỗi phát ra
FB - Lƣ̣c tƣ̀ FE - Lƣ̣c điê ̣n VHall
B I
từ trƣờng rất nhỏ). Một ví dụ về chuỗi từ nano đƣợc cung cấp bởi Ejsing, ngƣời đã cải tiến những sensor chuỗi từ nano này với độ nhạy khoảng 3µV/Oe mA. Những sensor của họ hoạt động với từ trƣờng của hạt từ kích cỡ 250 nm thƣờng đƣợc sử dụng trong những ứng dụng sinh học.
2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall
Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng spin ngang với điện trƣờng đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằng trong hệ. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tƣơng tác spin-quỹ đạo. Đó là lý thuyết đƣợc dự đốn vào năm 1971 bởi Yakonov và Perel. Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện tử.
Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụng trong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano. Ví dụ Gerber chứng minh rằng SHE có thể sử dụng để cảm biến các tinh thể từ không đẳng hƣớng và từ trƣờng tồn tại trong thời gian ngắn của hạt nano Co tách xa sắp xếp trong những dãy đơn lớp với bề dày nhỏ hơn 0.01 nm.
Hình 2.10 Hiệu ứng spin Hall.
2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9]
Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng một điện trƣờng đƣợc tạo ra khi thay đổi một từ trƣờng (hình 2.11). Michael
Dòng điện
âm thanh thời kỳ đầu (nhƣ micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tƣơng tự, và rơle lƣỡi gà sử dụng hiệu ứng này.
Hình 2.11 Hiệu ứng Faraday-Henry
Mối quan hệ giữa điện trƣờng E và mật độ từ thông B đƣợc xác định bởi:
S d ds B dA dt (2.12) Hay B E t (2.13)
Định luật này chi phối anten, các môtơ điện và một số lƣợng lớn thiết bị điện gồm cả rơle và phần cảm điện trong các mạch thông tin viễn thông [1, 12].
2.4.4 Hiệu ứng Barkhausen
Năm 1919 Barkhausen thấy rằng khi đặt một từ trƣờng liên tục tăng chậm vào vật liệu sắt từ thì nó sẽ bị từ hóa khơng liên tục mà theo từng bậc nhỏ. Những thay đổi đột ngột khơng liên tục trong sự từ hóa là kết quả của những thay đổi rời rạc cả trong kích cỡ và hƣớng của vùng sắt từ (hay cụm vi mô của nam châm nguyên tử sắp hàng) xuất hiện trong q trình từ hóa hay khử từ liên tục.
Hiệu ứng này thơng thƣờng làm giảm hoạt động của sensor từ nó xuất hiện nhƣ nhiễu bậc trong phép đo. Hiệu ứng này cũng quan sát đƣợc ở vật liệu sắt từ kích
Nam châm di ̣ch chuyển Dòng điện cảm ứng
thƣớc nano.
2.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen
Nernst và Ettingshausen phát hiện ra một lực điện động đƣợc sinh ra dọc chất dẫn điện hay bán dẫn khi nó chịu tác dụng đồng thời của gradient nhiệt độ và trƣờng từ. Hƣớng của lực này vng góc cả với trƣờng từ và gradient nhiệt độ. Hiệu ứng có thể đƣợc định lƣợng bởi hế số Nernst |N| : / N / Y Z E B dT dx (2.14) Thành phần từ trƣờng trên trục z là BZ, tạo ra thành phần điện trƣờng theo trục y là EY, vật chịu gradient của nhiệt độ dT/dx. Hiệu ứng này có khả năng đo độ lớn của nhiệt độ và độ lớn của từ trƣờng ở hạt nano đơn [9].
2.4.6 Hiệu ứng từ trở
Hiệu ứng từ trở là hiện tƣợng phụ thuộc điện trở của vật chất vào từ trƣờng ngoài. Từ trƣờng ngoài gây ra lực Lorentz tác động vào các hạt tải chuyển động trong vật liệu tùy thuộc hƣớng của trƣờng mà có thể gây ra cản trở đối với sự dịch chuyển của các hạt tải. Hiệu ứng này do Lord Kelvin phát hiện vào năm 1856. Hiệu ứng trở nên nổi bật khi tìm ra từ trở không đẳng hƣớng (AMR-Anisotropic Magnetoresistance) và từ trở khổng lồ (GMR-Giant Magnetoresistance ).
AMR là hiện tƣợng chỉ quan sát đƣợc ở các chất sắt từ, vật mà điện trở tăng
nên khi hƣớng của dòng điện song song với trƣờng từ tác động. Thay đổi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc giữa hƣớng của dịng điện và hƣớng từ hóa của vật liệu sắt từ. Có thể phát triển các sensor giám sát góc quay của trƣờng từ dựa vào hiệu ứng AMR. Tuy nhiên thay đổi điện trở liên quan đến hiệu ứng AMR khá nhỏ
thƣờng thì chỉ 1% hoặc 2%.
GMR có vai trị quan trọng trong cơng nghệ nano ứng dụng cho cảm biến.
Hiệu ứng từ trở khổng lồ đƣợc độc lập tìm ra bởi nhóm nghiên cứu do Peter dẫn đầu và đại học Paris-Sud vào năm 1988. Hiện tại nghiên cứu tập trung vào hƣớng sử
dụng những dây dẫn nano đa lớp (mang đến độ nhạy cao hơn so với film mỏng hiện tại đang sử dụng trong ổ cứng đọc / ghi) thể hiện hiệu ứng GMR.