1.5.1 Ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc và tạp chất
Cấu trúc bề mặt phân cách trong các màng đa lớp có vai trị quan trọng đối với GMR, do quá trình tán xạ phụ thuộc spin diễn ra chủ yếu ở đó. Yếu tố này rất nhạy với điều kiện công nghệ chế tạo màng mỏng. Những nghiên cứu khác nhau đã dẫn đến những kết luận khác nhau [7]:
Nhiều nghiên cứu cho rằng: “độ nhám” của bề mặt phân cách có vai trị làm tăng cường sự tán xạ phụ thuộc spin ở các bề mặt, do đó làm tăng biên độ của GMR.
Một số nghiên cứu khác lại cho rằng: GMR có liên quan đến cấu trúc hồn hảo của các lớp, những bề mặt “trơn tru” mới làm tăng độ lớn của GMR. Bề mặt phân cách nhẵn sẽ dễ dàng tạo ra sự sắp xếp kiểu AF hơn so với bề mặt “gồ ghề”. Vì nếu bề mặt gồ ghề sẽ tạo ra những chỗ cầu nối ngẫu nhiên giữa các lớp từ làm tăng sự liên kết từ theo kiểu sắt từ. Do đó mức độ liên kết phản sắt từ giữa các lớp từ giảm đi làm cho tỷ số GMR giảm đi.
Nghiên cứu khác cịn nhận thấy: một số chất có vai trị hoạt tính bề mặt lại ảnh hưởng tốt đến GMR, như các kết quả nghiên cứu của nhóm W.F.Egelhoff.
Nhóm nghiên cứu quá trình tán xạ ở bề mặt phân cách bằng cách xen thêm các lớp kim loại phi từ của hệ đa lớp, người ta nhận thấy một số nguyên tố có tác
dụng làm tăng hiệu ứng GMR trong khi một số khác lại không ảnh hưởng tới GMR. Những nghiên cứu về vai trò của tạp chất trong bản thân các lớp từ cho thấy sự tán xạ phụ thuộc spin trong khối cũng tham gia đóng góp vào GMR.
Ngồi ra khi pha tạp có chọn lọc ở trong lớp từ hoặc xen giữa các bề mặt từ - khơng từ có thể làm đảo ngược trạng thái của GMR. Đó là hiệu ứng GMR ngược (IMR). Trong khi hiệu ứng GMR là một hiệu ứng làm giảm điện trở khi từ trường làm cho từ độ ở các lớp sắp xếp song song với nhau thì với hiệu ứng IMR điện trở lại tăng theo từ trường. Hiện tượng này xảy ra khi có sự thay đổi tính bất đối xứng spin trong các lớp từ do pha tạp chọn lọc.
1.5.2 Sự phụ thuộc của GMR vào chiều dày các lớp
Năm 1990, nhóm Parkin khi khảo sát GMR ở hệ đa lớp Co/Cu trong một khoảng rộng về chiều dày của các lớp đã phát hiện ra rằng biên độ của GMR giảm dần theo chiều tăng độ dày của lớp Cu. Tính chất này đã được khẳng định trong rất nhiều hệ màng đa lớp khác khi thay đổi chiều dày lớp phi từ. Sự thay đổi này của GMR đã phản ánh một hiện tượng xảy ra giữa các lớp từ tương tự như tương tác trao đổi gián tiếp RKKY giữa các nguyên tử từ tạp chất trong đám các nguyên tử kim loại phi từ: Khi 2 ngun tử tạp chất có từ tính nằm trong một đám các nguyên tử kim loại phi từ, giữa chúng có tương tác trao đổi spin với nhau thông qua môi trường phân cực spin điện tử của các nguyên tử phi từ bao quanh. Đây là tương tác gián tiếp và có dấu dương hay âm tùy theo khoảng cách giữa chúng và 2 mômen từ tương ứng sẽ sắp xếp song song (kiểu FM) hay phản song (kiểu AF) với nhau.
Sự phụ thuộc vào khoảng cách này của tương tác là do spin của các điện tử dẫn của kim loại phi từ dao động giữa trạng thái spin ↑ và trạng thái spin ↓ trong q trình lan truyền cảm ứng từ mơmen từ thứ nhất đến mơmen từ thứ hai. Do đó mơmen từ thứ hai sẽ dao động ↑ hay ↓ so với mômen từ thứ nhất tùy theo khoảng cách mà nó nằm ở trong chu kỳ nào. Cường độ của tương tác giảm theo hàm 1/ r3 với r là khoảng cách giữa 2 mômen từ đang xét.
Ứng dụng tương tác kiểu RKKY trên đây vào trường hợp 2 lớp nguyên tử từ cách nhau trong mạng tinh thể kim loại phi từ cho thấy sự liên kết giữa các lớp
nguyên tử sắt từ cũng có đặc trưng dao động. Tuy nhiên, trong trường hợp này cường độ tương tác (J) giảm theo hàm của 1/r2
chứ không phải theo hàm 1/r3 như trong trường hợp 2 nguyên tử từ ở trên.
Từ công thức: GMR = AF FM AF
Để có tỷ số GMR lớn nhất thì khi chưa có từ trường ngồi tác dụng, từ độ các lớp phải sắp xếp hoàn toàn phản song với nhau và khi có từ trường ngoài tác dụng đủ lớn các vectơ từ độ quay lại song song hồn tồn với nhau. Trong khi đó, cấu hình sắp xếp từ độ kiểu AF hay FM khi chưa có từ trường ngồi lại tùy thuộc vào khoảng cách giữa các lớp từ - chiều dày các lớp phi từ do tương tác kiểu RKKY.
Do đó khi thay đổi liên tục chiều dày các lớp phi từ, sự liên kết giữa các lớp từ lần lượt chuyển từ kiểu AF sang kiểu FM, nghĩa là có tính dao động, dẫn đến giá trị của GMR cũng dao động theo.
Hơn nữa do khoảng cách giữa 2 lớp từ tăng lên, cường độ liên kết AF ở các chu kỳ sau giảm dần theo hàm mũ. Do đó độ lớn của tỷ số GMR ứng với các chu kỳ dao động này cũng giảm (hình 1.7):
Hình 1.7 - Sự phụ thuộc của cường độ tương tác trao đổi vào chiều dày lớp phi từ: Mỗi đỉnh cực đại ứng với cấu hình từ độ sắp xếp kiểu AF, cực tiểu ứng với cấu hình
từ độ sắp xếp kiểu FM