II. TRAO ĐỔI DỊCH (EXCHANGE BIAS) HAY TRAO ĐỔI DỊ HƯỚNG (EXCHANGE ANISOTROPY)
2. Giải thích
Trong các hạt sắt từ- phản sắt từ (và các trường hợp tương tự) các momen từ không có định hướng nhất định (hỗn loạn) thay vì dị hướng đơn trục từ. Do đó, năng lượng dị hướng tỷ lệ với bậc nhất cosin chỉ phương của momen từ với trục từ hóa dễ, không phải bình phương cosin chỉ phương như trường hợp đơn trục từ Ea = -Kcosɵ
K là hằng số dị hướng từ, ɵ là góc hợp bởi momen từ Ms và hướng từ trường khi làm lạnh mẫu. Sự phụ thuộc của Ea vàogóc ɵ tương tự như năng lượng từ trường gây nên do tác dụng lên momen từ (EH = -MH cosɵ).
Các tính chất dị thường của các hạt Co-CoO được làm lạnh trong từ trường là do liên kết trao đổi dịch giữa các spin từ trong Co và spin trong phản sắt từ CoO ở lớp tiếp xúc Co-CoO. Nhiệt độ Néel của CoO là 293K, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trật tự sắt từ của Co (1400K). Tại nhiệt độ phòng, dưới tác dụng của từ trường ngoài có cường độ cao (10kOe), các hạt Co được từ hóa bão hòa, trong khi đó, lớp phản sắt từ CoO ít chịu ảnh hưởng của từ trường. Tuy nhiên, các spin nguyên tử của lõi Co và spin Co của CoO ở lớp tiếp xúc là có xu hướng sắp xếp song song với nhau do tuong tác trao đổi dương của chúng giống như trong kim loại Co. Khi các hạt được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ Néel trong từ trường, trật tự phản sắt từ ở lớp tiếp xúc của CoO được như mô tả như sau:
H5. Sự lệch đường trễ của hạt Co phủ CoO.
Trật tự từ vẫn được giữ nguyên khi lấy từ trường ngoài đi. Momen từ của hệ hạt ở vị trí (a) trên. Bây giờ đặt từ trường theo hướng ngược lại, momen từ của lõi Co sẽ đảo theo hướng từ trường ngoài. Do có tương tác trao đổi ở mặt tiếp xúc Co-CoO, các spin ở lớp CoO có xu hướng quay theo momen từ của Co. Song việc này bị cản lại do trường dị hướng mạnh của lớp phản sắt từ, chỉ có phần spin trong CoO ở gần lớp tiếp xúc thay đổi hướng.
(a,c)
Tiếp theo, từ trường ngoài đổi hướng lại về phía trên, các momen của Co lại quay theo và do tương tác trao đổi, spin ở lớp tiếp xúc trong CoO quay trở lại vị trí cũ, momen từ trở về vị trí ban đầu (c).
Như vậy, điều kiện để có trao đổi dịch là:
- Có sự tiếp xúc của 2 lớp sắt từ- phản sắt từ để dẫn đến tương tác trao đổi giữa hai lớp tiếp xúc.
- Làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ Néel của chất phản sắt từ. - Chất phản sắt từ có dị hướng tinh thể cao.
Thực tế, cần từ trường mạnh khi làm lạnh mẫu để các momen từ trong chất sắt từ định hướng theo trục từ hóa dễ. Nếu làm lạnh không có từ trường, tương tác trao đổi sẽ diễn ra ở tất cả các mặt tiếp xúc (không định hướng), các hướng từ hóa dễ là không trật tự, do đó, đường trễ là cân đối.
Như vậy, sở dĩ có hiện tượng trao đổi dịch là do có đóng góp của 2 hiệu ứng: tương tác trao đổi giữa 2 lớp sắt từ- phản sắt từ, dị hướng tinh thể của lớp phản sắt từ là lớn. Theo các tính toán gần đúng, năng lượng tính trên một đơn vị diện tích của lớp tiếp xúc sắt từ- phản sắt từ gồm 2 thành phần: tương tác trao đổi và năng lượng trong H:
E = n JexSFSAF+IFtFH
Trong đó, n là số spin tham gia vào tương tác trong một đơn vị diện tích; Jex
là hằng số tương tác trao đổi trên bề mặt tiếp xúc AF-F; SF là spin của lớp sắt từ; SAF là spin cùa lớp phản sắt từ; I là từ độ của mẫu sắt từ; tF là các độ dày màng của màng mỏng và H là từ trường ngoài. Ở biễu thức này, ta không thấy đóng góp của dị hướng từ phản sắt từ vì nó không ảnh hưởng tới trật tự từ của chất sắt từ.
Tại từ trường mà các momen từ ở màng sắt từ đảo là có sự cân bằng giữa thành phần thứ nhất (tương tác trao đổi) và thành phần thứ hai (năng lượng từ trường ngoài) ở biểu thức trên. Đó là từ trường dịch HE:nJexSFSAF
HE =
Các thực nghiệm cho thấy giá trị HE đo được nhỏ hơn các giá trị tính toán theo biểu thức trên.
Bảng: Từ trường trao đổi dịch. (Số liệu năm 2006, đại học Virginia-USA) Mẫu tF (nm) HE(Oe) tại T=5K I(emu/cm3) tại T=5K Co/FeF2 Fe/FeF2 Ni/FeF2 10,5 7,9 8,5 -824 -955 -2171 1446 1740 510 3.Ngoài ra ở màng mỏng từ còn một số tương tác khác: Tương tác trao đổi sắt từ - sắt từ
Xảy ra trong vùng tiếp xúc giữa 2 vật liệu sắt từ. Các mômen từ dần dần lệch khỏi trục từ hóa dễ khi đi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Được chia làm 2 loại:
1.Không tồn tại thành phần từ độ vuông góc:
Ở lớp bề mặt, các momen từ ghim theo phương khác vớí phương trục từ hóa dễ nhưng nằm trong mặt tiếp xúc. Càng xa bề mặt tiếp xúc, các spin càng dễ bị ghim trong các mặt phẳng song song với mặt tiếp xúc. =>Xuất hiện cấu trúc từ xoắn
2.Tồn tại thành phần từ độ vuông góc
Momen từ bị ghim vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc. Xa dần bề mặt tiếp xúc, các spin quay khỏi trục từ hóa dễ theo cách tồn tại thành phần từ độ vuông góc