Hiệu ứng từ điện trở (Magnetoresistance - MR) là hiện tượng thay đổi điện trở (hay điện trở suất) của các vật dẫn khi đặt vào trong từ trường (thường được tính là độ thay đổi tương đối R/R của điện trở khi có trường ngồi tác dụng). Tỷ số MR được biểu diễn bằng tỉ số [18]:
(0) (H) MR 100% (0) (1.24)
Trong đó, ρ(0) và ρ(H) tương ứng là điện trở suất khi khơng có từ trường ngồi và khi có từ trường ngồi H đặt vào.
Khi pha tạp lỗ trống bằng cách thay thế một phần kim loại đất hiếm bằng kim loại kiềm thổ hoá trị II như Ba, Ca, Sr... trong hợp chất R1-xAxMnO3 sẽ làm thay đổi mạnh mẽ tính chất vật lý của nó. Đặc biệt là tính chất từ và tính dẫn của vật liệu này. Hầu hết các hợp chất ABO3 chưa pha tạp đều là các phản sắt từ điện môi.
NỀN AFM NỀN FM FM FM AFM AFM AFM FM FM AFM
Chỉ cần thay đổi một lượng nhỏ nồng độ pha tạp và ở điều kiện nhiệt độ và từ trường khác nhau, tính chất điện và từ của hợp chất thay đổi trong một khoảng rất rộng, từ phản sắt từ cho đến sắt từ, từ điện môi cho tới kim loại. Một đặc trưng quan trọng khơng thể khơng kể đến đó là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (kí hiệu là CMR - Colossal mangetoresistance effect). Hiệu ứng GMR có nguồn gốc tương tác trao đổi kép DE. Khi có mặt của từ trường ngồi tương tác trao đổi kép được tăng cường, làm cho các điện tử eg của ion Mn3+
trở nên linh động hơn, sự tham gia của các điện tử eg vào quá trình dẫn làm tăng nồng độ hạt tải điện và do đó làm giảm điện trở của
vật liệu. Mặt khác tương tác DE hình thành trạng thái sắt từ trong vật liệu. Khi trạng thái sắt từ được hình thành, quá trình tán xạ từ của các điện tử dẫn giảm dẫn đến sự giảm điện trở của vật liệu. Sự giảm điện trở trong quá trình này được giải thích theo cơ chế tán xạ phụ thuộc spin. Trong vật liệu perovskite họ mangan, các ion Mn tạo thành các mặt phẳng có từ tính xen kẽ các mặt phẳng phi từ được tạo bởi ơxy. Khi khơng có mặt của từ trường ngồi tính trật tự giữa các lớp có từ tính là thấp (hoặc có thể là phản song song). Khi có mặt từ trường ngồi trật tự sắt từ giữa các lớp có từ tính được thiết lập. Do các điện tử với chiều spin xác định (spin up ; spin down
) có xác suất tán xạ khác nhau đối với phương xác định của các mô men từ định
xứ, nên có thể dùng từ trường ngồi để định hướng lại mơ men từ trên cơ sở đó để điều khiển spin của điện tử.
Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin được mơ hình hố bằng mơ hình hố bằng mơ hình hai dịng [19]. Giả sử trong vật liệu có hai loại hạt tải với spin up và spin down, chúng tham gia độc lập với nhau vào quá trình dẫn điện, như vậy hai loại hạt tải với hai cấu hình spin khác nhau sẽ tương đương với hai kênh dẫn khác nhau cùng đóng góp vào q trình dẫn điện. Mỗi điện tử khi đi từ mặt phẳng từ này qua mặt phẳng khơng từ sẽ mang một cấu hình spin nào đó (up hoặc down) và vẫn sẽ giữ nguyên cấu hình cho đến khi bị tán xạ. Các spin có hướng song song với từ độ của mặt phẳng từ thì bị tán xạ ít hơn các spin có phương phản song song với từ độ (hình 1.15a và 1.15b).
Hình 1.15: a) Cấu trúc phản sắt từ. b) Cấu trúc sắt từ.
Rõ ràng khi điện tử bị tán xạ nhiều hơn sẽ gây ra điện trở lớn hơn. Ký hiệu Ru là điện trở do điện tử có spin thuận gây ra, Rd là điện trở do điện tử có spin nghịch gây ra. Ta dùng mơ hình mạch điện hình 1.16 mơ tả cho các trường hợp sắp xếp kiểu sắt từ (RF) và phản sắt từ (RAF).
a) b)
Hình 1.16: Sơ đồ mạch điện tương đương của nguyên lý hai dòng
a) Sắp xếp sắt từ RF = 2Ru.Rd/(Ru+Rd) b) Sắp xếp phản sắt từ RAF = (Ru+Rd)/ 2 So sánh thấy rằng RF chính là trung bình điều hịa của Ru và Rd cịn RAF là trung bình cộng của chúng. Do vậy RF ≤ RAF, tức là ứng với cấu trúc sắt từ thì vật liệu có điện trở nhỏ hơn cấu trúc phản sắt từ.