1.8.1. Quá trình nghiên cứu và phát triển
Hiệu ứng từ trở (MR) là một dạng của hiện tƣợng từ điện, thể hiện sự thay đổi của điện trở suất (hay độ dẫn điện) trong các vật dẫn (kim loại hay bán dẫn) dƣới tác dụng của từ trƣờng ngồi. Q trình nghiên cứu và phát triển nhƣ sau :
- Năm 1851, Load Kelvin lần đầu tiên đã quan sát thấy sự thay đổi của điện trở suất của Fe và Ni khi có từ trƣờng ngồi tác dụng, mà sau này đƣợc biết chính là hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR). [13]
- Năm 1856, William Thomson cũng đã quan sát thấy hiện tƣợng tƣơng tự. [21]
- Năm 1853, H.Tomlinson đã quan sát thấy hiệu ứng MR khá lớn của sợi dây Bi khi ở vùng từ trƣờng dọc (từ trƣờng song song với dòng điện) và năm 1890, P. Lenard lặp lại thí nghiệm này với từ trƣờng ngang (từ trƣờng vng góc với dịng điện). Kể từ đó, sợi dây Bi đã đƣợc sử dụng để làm cảm biến đo từ trƣờng (đó chính là hiệu ứng Hall đã đƣợc E.H.Hall phát hiện vào năm 1879). [7, 18]
- Năm 1929, P. Kapitza đã tiến hành nghiên cứu hiệu ừng MR tƣơng đối có hệ thống của một loạt các kim loại khác nhau và của cả Si và Ge.[17] - Đầu những năm 1950, nhóm của L.Peason đã tiến hành nghiên cứu sâu
hơn về hiệu ứng MR trong các chất bán dẫn. [8]
- Hiệu ứng MR trong các màng mỏng kim loại và hợp kim sắt từ đƣợc quan tâm và nghiên cứu khá nhiều từ cuối những năm 1950 cho đến đầu những năm 1970 và khi đó hiệu ứng MR đƣợc ứng dụng để làm cảm
biến từ trƣờng.[19]
- Vào những năm 1980, hiệu ứng AMR trong các màng mỏng sắt từ. tiêu biểu là trong các hợp kim pecmaloi, NiFe và một số hợp kim khác trên cơ sở của pecmaloi đã đƣợc đƣa vào sử dụng trong các đầu từ máy tính.[9]
Để đánh giá độ lớn của hiệu ứng MR, thể hiện mức độ thay đổi điện trở suất khi có từ trƣờng so với khi khơng có từ trƣờng tác dụng, ngƣời ta sử dụng tỷ số ký hiệu MR tính theo % với biểu thức: [1, 3]
𝑀𝑅 % = ∆𝜌
𝜌0 = 𝜌0−𝜌 𝐻
𝜌0 (%) (1.3)
Trong đó 0 và (H) là các điện trở suất khi khơng có và khi có từ
trƣờng H. Trong thực nghiệm có thể chỉ cần đo điện trở của mẫu không cần đo điện trở suất để bỏ qua yếu tố hình học của mẫu vì những yếu tố này sẽ bị triệt tiêu trong tỷ số.
Từ trở MR có thể âm hay dƣơng. Từ trở của đa số các kim loại thƣờng nhỏ, chỉ chừng vài phần trăm. Trong những kim loại phi từ nguyên chất hay trong các hợp kim, MR thƣờng mang trị số dƣơng. Với vật liệu mang từ tính, MR có thể âm vì từ trƣờng áp dụng làm biến mất tính mất trật tự trong hệ thống xếp đặt các spin.[4]
Ngoài một số vật liệu MR đa lớp gồm hai kim loại lần lƣợt mang tính chất sắt từ (ferromagnetic) và đối với sắt từ (antiferromagnetic) hay phi từ, nhƣ sắt và chromium. Từ trở khổng lồ đã xuất hiện nơi các hạt sắt từ (ferromagnetic granules) phân tán trong những mảng kim loại thuận từ (paramagnetic metaal films), chẳng hạn nhƣ đồng và sắt.
Cơ chế vật lý của hiệu ứng MR trong các kim loại và hợp kim sắt từ về cơ bản đƣợc hiểu rõ trên cơ sở của lý thuyết lƣợng tử.
+ Chế tạo cảm biến đo từ trƣờng, đo dòng điện. + Đầu đọc, ghi trong các ổ đĩa cứng máy tính. + Các linh kiện spintronics.
Trong các hợp chất Perovskite manganite LaMnO3- khi pha tạp lỗ
trống bằng cách thay thế một phần kim loại đất hiếm La bằng kim loại kiềm thổ hóa trị II nhƣ Ba, Ca, Sr… sẽ làm thay đổi mạnh tính chất vật lý của nó. Đặc biệt là tính chất điện và từ của vật liệu này. Hầu hết các hợp chất LaMnO3 đều là các phản sắt từ điện môi. Chỉ cần thay đổi một lƣợng nhỏ nồng độ pha tạp vào các vị trí A hoặc B và ở điều kiện nhiệt độ và từ trƣờng 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 trƣng quan trọng không thể khơng kể đến đó là hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR).
Hiệu ứng CMR có nguồn gốc tƣơng tác trao đổi kép DE. Khi có mặt của từ trƣờng ngoài tƣơng tác trao đổi kép trong hợp chất đƣợc tăng cƣờng, làm cho các điện tử eg của ion Mn3+
trở lên linh động hơn. Do đó, sự tham gia của các điện tử eg vào quá trình dẫn, làm tăng nồng độ hạt tải điện và làm giảm điện trở của vật liệu. Sự giảm điện trở trong quá trình này đƣợc giải thích theo cơ chế tán xạ phụ thuộc spin. [4]
Trong vật liệu Perovskite họ mangan, các ion Mn tạo thành các mặt phẳng có từ tính xen kẽ các mặt phẳng phi từ đƣợc tạo bởi các nguyên tử oxy. Khi khơng có tác dụng của từ trƣờng ngồi, tính trật tự giữa các lớp có từ tính là thấp. Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, trật tự sắt từ giữa các lớp có từ tính đƣợc thiết lập. Do các điện tử có chiều spin xác định ( spin up ↑, spin down ↓) có xác suất tán xạ khác nhau đối với phƣơng xác định của mơmen từ định xứ, nên có thể dùng từ trƣờng ngồi để định hƣớng lại mơmen từ trên cơ sở đó có thể điều khiển spin của các điện tử.
1.8.2. Mơ hình hai dịng của Mott và cơ chế tán xạ phụ thuộc spin
Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin đƣợc mơ hình hóa bằng mơ hình hai dịng của Mott.
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, nhƣ vậy hai loại hạt tải với hai cấu hình spin khác nhau sẽ tƣơng đƣơng 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 không 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. Hình 1.12 mơ tả mơ hình hai dịng của Mott trong trƣờng hợp (a) các spin có hƣớng phản song song trong vật liệu AFM và (b) song song với mô men từ trong vật liệu sắt từ (FM). [1, 2]
(a) (b)
Hình 1.12. Sơ đồ minh họa cơ chế tán xạ điện tử phụ thuộc spin theo mơ hình của Mott trong các màng mỏng từ đa lớp:
a. Khi khơng có từ trường ngồi. b. Khi có từ trường ngoài.
Do các điện tử với chiều spin xác định (spin và spin ) có xác suất
tán xạ khác nhau đối với phƣơng xác định của mô men từ trên cơ sở đó để điều khiển spin của điện từ. Giả thiết là :
- Khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện từ lớn hơn chiều dày của lớp phi từ thì electron có thể vƣợt qua lớp phi từ này để chuyển từ mặt có từ tính này sang mặt có từ tính khác.
- Khi chuyển động trong vùng có từ tính hay vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính thì sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào hƣớng spin của chúng.
- Mơ hình hai dịng của Mott đƣợc mơ tả bằng các mạch điện mắc song song nhƣ hình 1.12a và 1.12.b, mơ men từ có thể thay đổi khi có từ trƣờng.
- Khi khơng có từ trƣờng ngồi hình 1.12a hoặc khi từ trƣờng ngồi q nhỏ, khơng đủ lớn để cho từ độ của các mặt phẳng từ quay theo phƣơng của từ trƣờng ngồi thì mỗi kênh điện tử với spin up và spin down đều bị tán xạ với xác suất tán xạ là nhƣ nhau, điện trở suất đối với mỗi kênh là nhƣ nhau làm cho điện trở của mẫu là lớn.
- Khi tăng dần từ trƣờng ngồi thì các mơmen từ của các spin định xứ quay từ từ theo phƣơng của từ trƣờng ngoài. Khi từ trƣờng ngồi đủ lớn để các mơmen từ quay theo một phƣơng thì khi đó chỉ có kênh điện tử có spin ngƣợc chiều với từ độ mới bị tán xạ mạnh, kênh kia chùng chiều nên tỷ lệ truyền điện tử là cao, do vậy điện trở suất của mẫu giảm (hình 1.12b).