Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng (GMR) trong hợp chất CoAg bằng công nghệ bốc bay nổ

Lê Thị Liệu -1- K31D Vật Lý


Lời cảm ơn
Lời cảm ơnLời cảm ơn
Lời cảm ơn





Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy Th.s. Nguyễn
Hữu Tình giảng viên khoa Vật lý trờng ĐH s phạm Hà Nội 2 đ tận tình
hớng dẫn và giúp đỡ tôi trong khoảng thời gian học tập và hoàn thành khóa
luận.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tổ chất rắn khoa Vật
lý trờng ĐH s phạm Hà Nội II đ giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện hết sức
cho tôi trong thời gian hoàn thành khóa luận.
Cuối cùng tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn tới các bạn và ngời thân đ giúp
đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận.

Hà Nội, tháng 4 năm 2009

Lê Thị Liệu




Lê Thị Liệu -2- K31D Vật Lý

Lời cam đoan
Lời cam đoanLời cam đoan
Lời cam đoan





Tên tôi là: Lê Thị Liệu
Sinh viên lớp K31D khoa Vật lý - Trờng Đại học S phạm Hà Nội 2
Xin cam kết đề tài Tìm hiểu công nghệ bốc bay nổ để ứng dụng chế tạo
hợp chất CoAg có tính chất từ điện trở khổng lồ.
1. Là đề tài do bản thân tôi nghiên cứu với sự hớng dẫn của Th.s
Nguyễn Hữu Tình giảng viên khoa vật lý- Trờng đại học s phạm
Hà Nội 2.
2. Đề tài không sao chép ở bất cứ một tài liệu sẵn có nào.
3. Kết quả nghiên cứu không trùng hợp với tác giả khác.
Nếu những gì tôi viết ở trên không đúng sự thật tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 5 năm 2009
Ngời cam đoan
Lê Thị Liệu
Lê Thị LiệuLê Thị Liệu
Lê Thị Liệu

Lê Thị Liệu -3- K31D Vật Lý

Mục lục

Mở đầu 4
Nội dung 7
Chơng 1: Tổng quan 7
1.1. Đôi nét lịch sử về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) 7
1.2. Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR 8
1.2.1. Mô hình hai dòng Mott 8
1.2.2. Một số mô hình đơn giản giải thích hiệu ứng GMR 10
1.2.3.Giải thích hiện tợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt 14
1.3. Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng hạt 15
Chơng 2: Thực nghiệm 19
2.1. Công nghệ chế tạo mẫu bằng công nghệ bốc bay nổ 19
2.2. Phơng pháp nhiễu xạ tia X-XRD 21
2.3. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung 23
2.4. Phơng pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR 24
Chơng 3: Kết quả 26
3.1. Kết quả nhiễm xạ tia X 26
3.2. Kết quả nghiên cứu tính chất từ 27
3.3. Kết quả đo từ trở khổng lồ 28
3.4. Kết quả xác định hàm phân bố tỷ phần kích thớc hạt Co 30
Kết luận 33
Tài liệu tham khảo 34


Lª ThÞ LiÖu -4- K31D VËt Lý

MỞ ðẦU

I. LÝ DO CHỌN ðỀ TÀI
Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại ñây, nhiều hiện tượng và tính
chất vật lý mới ñã ñược khám phá và ñược nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các hệ
từ có các ñặc trưng kích thước giới hạn.
Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là: Hiệu ứng từ
ñiện trở khổng lồ (GMR) trong các màng mỏng từ ña lớp hay trong các siêu
mạng từ gồm các lớp kim loại sắt từ xen kẽ các lớp kim loại phi từ và hiệu
ứng GMR trong các hệ từ dạng hạt bao gồm các hạt kim loại sắt từ nằm trên
nền kim loại phi từ.
Hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (GMR) là hiệu ứng gây ra sự thay ñổi
mạnh ñiện trở suất của vật liệu do ảnh hưởng của từ trường ngoài (khoảng vài
chục phần trăm), lớn hơn nhiều so với hiệu ứng từ ñiện trở thông thường
(khoảng vài phần ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới, dựa trên hiện tượng sự
tán xạ phụ thuộc spin của ñiện tử dẫn. Chính vì vậy mà nó trở thành một chủ
ñề nổi bật trong vật lý cũng như trong khoa học và kỹ thuật vật liệu.
Từ các công trình nghiên cứu liên quan ñến hiệu ứng GMR ở trong nước
và nước ngoài cho thấy các màng mỏng từ ña lớp (từ hàng chục lớp trở lên)
có hiệu ứng GMR lớn, có thể ñến hơn trăm phần trăm, nhưng phải ở từ trường
khá cao (vài chục kilo Osted) và ở nhiệt ñộ thấp (thường ở 4,2K), ñiều này
gây khó khăn cho việc ứng dụng. Trong khi ñó ñối với các hệ từ dạng hạt,
hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng ñạt bão hoà ở từ trường khá cao, rất thích hợp
ñể làm sensor ño từ trường cao. Mặt khác, công nghệ chế tạo hệ từ dạng hạt
lại tương ñối ñơn giản, có khả năng chế tạo ñược trong ñiều kiện kỹ thuật hiện
nay ở nước ta.
Lê Thị Liệu -5- K31D Vật Lý

Cú nhiu phng phỏp khỏc nhau ủ to ra vt liu GMR cú cu trỳc
dng ht nh ủó núi trờn ủõy: Vớ d nh phng phỏp ngui nhanh t th
lng, phỳn x RF, bc bay trong chõn khụng, bay hi bng Laze, ủin hoỏ,
lng ủng hoỏ hc v nhiu phng phỏp khỏc na Cũn ủi vi phng
phỏp bc bay trong chõn khụng ủõy l phng phỏp ch to mng dng ht rt
tt v khỏ ủn gin tuy nhiờn ủi vi phng phỏp ny vic khng ch thnh
phn pha trờn mng bc bay so vi thnh phn pha ca ngun bc bay l rt
khú khn, vỡ vy ủ cú th gii quyt phn no ủú v vn ủ ny lun vn
cng ủó nghiờn cu ủn phng phỏp bc bay n trong chõn khụng. õy l
phng phỏp cú th coi l mi ủi vi nc ta vỡ cho ủn nay vn cha cú
mt cụng trỡnh nghiờn cu no trong nc cụng b v vic ch to mng dng
ht bng phng phỏp ny c.
Trờn c s ủú, ủ ti khoa luận tốt nghiệp ủc chn l:
Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng (GMR) trong hợp chất CoAg
bằng công nghệ bốc bay nổ
Lª ThÞ LiÖu -6- K31D VËt Lý

II. MỤC TIÊU CỦA khoa luËn tèt nghiÖp
- Trong ñiều kiện thiết bị hiện có chế tạo ñược màng dạng hạt có hiệu
ứng GMR, qua ñó tìm hiểu sâu và cụ thể thêm về cơ chế vật lý của hiệu ứng.
- Nghiên cứu một số tính chất từ của các mẫu chế tạo bằng công nghệ
bốc bay nổ nhằm làm sáng tỏ mối liên hệ với hiệu ứng GMR của vật liệu chế
tạo. Xem xét ñánh giá mức ñộ khác nhau về hàm lượng các hạt sắt từ có trong
mẫu ảnh hưởng ñến hiệu ứng GMR bằng công nghệ này.
- Trên cơ sở những hiểu biết trên, nghiên cứu ñể có thể ứng dụng hiệu
ứng GMR của hệ hạt trong lĩnh vực ño lường và ñiều khiển.

Lª ThÞ LiÖu -7- K31D VËt Lý

Néi dung
Chương 1. TỔNG QUAN

1.1. ðôi nét lịch sử về hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (GMR)
Hiện tượng MR là hiện tượng thay ñổi ñiện trở của vật dẫn hoặc bán dẫn
dưới tác dụng của từ trường ngoài. Sự thay ñổi này thường vào khoảng vài
phần nghìn và ñược giải thích là do tác dụng của từ trường ngoài làm ñiện
tích thay ñổi hướng chuyển ñộng.
Hiện tượng từ ñiện trở (Magneto Resistance-MR) lần ñầu tiên tìm thấy
vào giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XIX bởi Lord Kelvin. Vào năm 1988 một
nhóm của Albert Fert của trường ðại học tổng hợp Nam Paris ñã quan sát
ñược sự thay ñổi 50% của ñiện trở suất của màng ña lớp dưới tác dụng của từ
trường ngoài (hình 1.1), với cấu trúc [Fe(30A
0
)/Cr(9A
0

)]
40
nghĩa là các lớp Fe,
Cr dày tương ứng là 30A
0
và 9A
0
và hệ gồm 40 lớp kép, ñây là một sự thay
ñổi lớn chưa từng ñược quan sát thấy từ trước ñến nay. Vì vậy mà hiệu ứng
này ñược gọi là hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance-
GMR). Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự “khổng lồ” của sự thay ñổi ñiện trở
mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, “Cơ chế tán xạ phụ
thuộc spin của các ñiện tử dÉn”.





Lª ThÞ LiÖu -8- K31D VËt Lý



(a) (b)
Hình 1.1: (a) Từ ñiện trở của ba siêu mạng Fe/Cr ño ở nhiệt ñộ 4.2K.
Dòng ñiện và từ trường cùng ñược ñặt dọc theo phương tinh thể [110]
trong mặt phẳng của các lớp
(b) Cấu trúc của một siêu mạng từ.
Sau ñó không lâu vào ñầu những năm 90, hiệu ứng từ trở khổng lồ
(GMR) ñược quan sát thấy trong các hệ ñơn lớp còn ñược gọi là hệ dạng hạt,
do một nhóm của A.E. Berkowitz, J. R Mitchell, M. J. Carey và A.P. Young

của trường ñại học California.
Sau những khám phá này nhiều công trình nghiên cứu ñã ñược tiến hành
ñối với cả hai hệ màng ña lớp và màng dạng hạt và cũng ñã thu ñược hiệu ứng
GMR rất lớn.
1.2. Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR
1.2.1 M« h×nh hai dßng Mott
Mott nhận thấy rằng khi nhiệt ñộ T<Tc, spin của hạt dẫn (ñiện tử) ñược
bảo toàn trong hầu hết các tán xạ. Nguyên nhân của hiện tượng này là, dưới
Lª ThÞ LiÖu -9- K31D VËt Lý

nhiệt ñộ Cuire Tc số magnon, nguyên nhân gây nên quá trình “trộn” 2 trạng
thái spin up và down, sinh ra ít. Vì vậy các hạt dẫn có spin up và spin down
tạo nên hai kênh tương ứng song song với nhau. Mô hình hai dòng này có thể
ñược biểu diễn bằng mạch song song, trong ñó ñiện trở suất của hai loại hạt
dẫn ñược ký hiệu là ρ↑ và ρ↓ (Hình 1.2).
Vì vậy ñiện trở suất của mẫu là:

(1.1)
Với ρ↑ và ρ↓ ñược tính theo biểu thức
sau:

(1.2)

(1.3)

Hình 1.2: Mô hình
hai kênh dẫn
Trong ñó:
n là nồng ñộ, m
*

là khối lượng hiệu dụng ,τ là thời gian hồi phục của ñiện
tử, V
tx
là thế tán xạ của tâm tán xạ ñối với ñiện tử. : mật ñộ trạng thái
tại mức fermi.
Khi nhiệt ñộ gần hoặc vượt quá nhiệt ñộ Cuire T
c
, quá trình trộn hai kênh
spin là không thể bỏ qua và ñược ñặc trưng bởi số hạng ñiện trở suất ↑↓ρ. Khi
ñó, ñiện trở suất của mẫu ñược cho bởi:
(1.4)
Quá trình trộn hai kênh spin ñược giải thích như sau. ðiện tử có spin up
(down) “tán xạ” vào trạng thái spin down (up) bằng việc sinh ra hoặc hủy một
magnon. Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là tương tác spin-
quĩ ñạo SOI (Spin-Orbital Interaction) và có bản chất lượng tử.
Lª ThÞ LiÖu -10- K31D VËt Lý

Như vậy ở nhiệt ñộ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do ñó quá trình
trộn lẫn hai kênh spin ñược bỏ qua.
Khi nhiệt ñộ lớn hơn Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là ñáng kể và số
hạng ñiện trở suất ρ ↑↓ ñược ñưa vào. Chú ý rằng khi nhiệt ñộ thấp, ρ ↑↓ <<
ρ↑, ρ↓. Biểu thức (1.4) trở thành (1.1).
Khi nhiệt ñộ ñủ cao, ρ
↑↓
>> ρ↑, ρ↓ thì biểu thức (1.4) trở thành
(1.5)
Biểu thức này thể hiện, khi nhiệt ñộ ñủ cao, hiện tượng trộn hai kênh dẫn
xảy ra mạnh (tức là khi thời gian sống của spin nhỏ hơn thời gian hồi phục
không lật spin), tất cả ñiện tử, spin up cũng như spin down, có cùng tốc ñộ hồi
phục trung bình.

1.2.2 Một số mô hình ñơn giản giải thích hiệu ứng GMR
Cách giải thích ñầu tiên dựa trên cơ sở mô hình hai dòng của Mott ñược
ñề cập ñến trước ñây. Hình vẽ (1.3) là mô hình ñơn giản và trực quan mô tả
quá trình chuyển dời của các ñiện tử có spin up và spin down qua các lớp từ
khi từ ñộ của các lớp sắp xếp khác nhau. Mỗi ñiện tử khi ñi từ một lớp từ này
ñến một lớp từ tiếp theo sẽ mang một cấu hình spin nào ñó (up hay down) và
vẫn giữ nguyên cấu hình cho ñến khi bị tán xạ (tính bảo toàn spin). Các spin
có chiều song song với từ ñộ bị tán xạ ít hơn các spin có chiều phản song với
từ ñộ. Có thể thấy rằng trong trường hợp a) khi từ trường H = 0 làm cho từ ñộ
trong các lớp từ sắp xếp theo kiểu phản song với nhau (giống như liên kết
kiểu AF (Antiferromagnetic)), mỗi kênh ñiện tử với spin up và spin down ñều
lần lượt bị tán xạ và không bị tán xạ (hoặc là ñều lần lượt bị tán xạ mạnh hoặc
tán xạ ít) khi ñi qua lớp từ.
Lª ThÞ LiÖu -11- K31D VËt Lý


Hình 1.3: Sơ ñồ minh hoạ cơ chế tán xạ ñiện tử với các spin khác nhau
Kết quả là toàn bộ ñiện tử dẫn ñều bị tán xạ như nhau, ñiều này làm cho
hệ ña lớp giống như một cái van (ñối với các spin) hạn chế dòng “chảy” của
cả hai kênh ñiện tử và ñiện trở suất ứng với hai kênh cao như nhau.
Trong trường hợp b) khi từ trường ngoài H > H
s
làm cho từ ñộ trong các
lớp từ sắp xếp song song với nhau (liên kết kiểu FM (Ferromagnetic)), khi ñó
chỉ có một kênh ñiện tử có spin luôn ngược chiều với từ ñộ mới bị tán xạ
mạnh, còn kênh kia luôn cùng chiều nên tỷ lệ truyền qua cao. Trong tình
huèng này, hệ ña lớp giống như một cái van mở thông cho một kênh spin
truyền qua. Như vậy ở trường hợp sau, ñiện trở suất của toàn hệ nhỏ hơn
trường hợp trước do có sự ñoản mạch ñối với một kênh spin. Sự biến ñổi của
ñiện trở suất ở trường hợp trung giang 0 < H < Hs là giảm dần khi từ trường

tăng lên vì từ ñộ các lớp sắp xếp dần dần theo từ trường. Khi ñó sự tán xạ ở
một kênh ñiện tử có spin ngược với từ ñộ cũng giảm dần vì từ ñộ ñã chuyển
hướng sang cùng chiều với spin. ðiện trở ứng với kênh ñó sẽ giảm dần cho
Lª ThÞ LiÖu -12- K31D VËt Lý

ñến khi từ trường tăng lên ñến H > Hs làm cho từ ñộ trong các lớp hoàn toàn
song song với nhau và với phương spin.
Giải thích dựa trên cơ sở cấu trúc dải năng lượng và quá trình tán xạ giữa
các dải s – d. Tán xạ s – d này không phải xảy ra ở trong cấu trúc dải của bản
thân mỗi lớp từ mà xảy ra giữa các ñiện tử 4s của lớp kim loại phi từ với các
ñiện tử 3d của các lớp sắt từ lân cận.
Ta hãy xét các ñiện tử dẫn 4s (spin up và spin down) gi¶ sử ñược xuất
phát từ một lớp kim loại phi từ (ví dụ lớp ñầu tiên bên trái trong hình vẽ) khi
chuyển ñộng ñến lớp sắt từ tiếp theo, sẽ có hai trường hợp xảy ra ứng với hai
cấu hình sắp xếp từ ñộ của các lớp sắt từ.
Trường hợp ñầu khi từ ñộ của các lớp sắp xếp phản song với nhau, các
ñiện tử có spin down bị bắt ngay vào các trạng thái 3d còn trống (do có cùng
trạng thái) của lớp sắt từ bên cạnh, nghĩa là bị tán xạ và không tham gia tiếp
tục vào quá trình dẫn ñiện (biểu thị bằng ñường cung chấm chấm ñậm, ngắn).
Trong khi ñó các ñiện tử spin up (cùng chiều với từ ñộ) không bị bắt ở lớp từ
ñầu tiên vì không có trạng thái 3d spin up nào trống cả. Các ñiện tử này
truyền sang ñược lớp sắt từ tiếp theo và bị bắt ở ñây vì có các trạng thái 3d
(spin up) còn trống (biểu thị bằng ñường cung gạch gạch dài). Vì ñây là sơ ñồ
có cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin up và spin down còn
trống ñều ñược phân bố lần lượt nhau, cho nên có thể thấy rằng cả hai kênh
ñiện tử spin up và spin down ñều tương ñương nhau trong quá trình truyền
qua hệ và ñều bị tán xạ như nhau, kết quả là ñiện trở suất của cả hệ ở trạng
thái cao.
Trường hợp thứ hai khi có mômen từ của các lớp sắp xếp song song
nhau, có thể thấy rằng chỉ có các trạng thái 3d spin down là còn trống, nên chỉ

có kênh ñiện tử spin down bị tán xạ (các cung chấm chấm) còn kênh spin up
ñược thông qua hoàn toàn vì các trạng thái 3d với spin tương ñương ñã ñược
Lª ThÞ LiÖu -13- K31D VËt Lý

ñiền ñầy (biểu thị bằng ñường cong liền nét). ðó là trường hợp ñoản mạch
một kênh ñiện tử, dẫn ñến ñiện trở suất của cả hệ giảm xuống.
Quá trình này ñược cho là yếu hơn nhiều so với quá trình ñã ñược ñề
cập ñến ở trên.

Hình1.4: Sơ ñồ mật ñộ trạng thái ñiện tử trong cấu trúc lớp và quá trình
chuyển dời ñiện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc lớp
Trong ñó:
MN: Lớp kim loại phi từ
FN: Lớp kim loại sắt từ
M: vectơ từ ñộ
E
F
: Mức fermin
Sự thay ñổi ñiện trở suất của cấu trúc lớp liên quan ñến tương quan của
phương từ ñộ giữa các lớp. Biên ñộ của GMR có liên quan tới tỷ lệ tán xạ
giữa hai kênh spin khi chuyển dời qua các lớp.
Lª ThÞ LiÖu -14- K31D VËt Lý

1.2.3.Giải thích hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt.
Hiện tượng từ trở khổng lồ tìm thấy trong mẫu hạt lần ñầu tiên vào năm
1992. Bản chất của hiện tượng GMR trong mẫu hạt cũng là sự tán xạ phụ
thuộc spin của các ñiện tử dẫn và có thể giải thích dựa trên kết quả trong mô
hình tán xạ phụ thuộc spin của các ñiện tử dẫn trong mẫu ña lớp.
Xét mẫu gồm các hạt sắt từ Co nằm trong nền kim loại không từ Ag. Ta
coi hai hạt sắt từ Co nằm cạnh nhau giống như hai lớp sắt từ trong hệ ña lớp,

nền phi từ giữa hai hạt sắt từ coi như lớp kim loại phi từ Ag nằm giữa hai
lớp sắt từ Co ñó, như minh hoạ trong hình vẽ.



Hình 1.5: Sơ ñồ minh hoạ cấu tạo của màng mỏng từ ñơn lớp có
cấu trúc dạng hạt
Xét trong toàn hệ, khi không có từ trường ngoài momen từ của các hạt
sắt từ Co ñịnh hướng ngẫu nhiên, do ñó cả hai kênh ñiện tử sẽ bị tán xạ mạnh
trên ñường chuyển ñộng qua các hạt Co, hệ ở trạng thái ñiện trở cao. Từ
trường ngoài tăng dần sẽ làm tăng dần số các hạt có momen từ song song với
nhau (do cùng song song với từ trường ngoài).
Một kênh spin (kênh có spin song song với hướng của từ trường ngoài)
sẽ bị tán xạ ít dần trong khi kênh còn lại bị tán xạ mạnh dần, ñiện trở của hệ
Lª ThÞ LiÖu -15- K31D VËt Lý

giảm dần. Khi từ trường ngoài ñủ mạnh làm quay toàn bộ số momen từ trong
hệ, kênh spin có hướng song song với từ trường ngoài sẽ gần như truyền qua
hoàn toàn, kênh còn lại gần như bị tán xạ hoàn toàn, ñiện trở của hệ ñạt giá trị
thấp nhất.
1.3. Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng
hạt
Hiện nay các hiệu ứng GMR ñã ñược sử dụng nhiều trong các lĩnh vực
như công nghệ thông tin làm ñầu ñọc từ GMR, bộ nhớ từ không tự xoá kiểu
MRAM, v.v…Tuy nhiên, các lĩnh vực ñó ñòi hỏi một nền công nghệ cao mà
trong ñiều kiện kỹ thuật của nước ta hiện nay chưa ñáp ứng ñược. Nhằm
hướng ñến một số ứng dụng ñơn giản và phù hợp hơn, những khảo sát ở ñây
tập trung cho mục ñích như làm cảm biến từ trường và phần tử chuyển mạch
trong kỹ thuật ño lường và kỹ thuật ñiện tử.
Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu trong luận văn có thể ñịnh hướng

ứng dụng hiệu ứng GMR trong một số trường hợp sau:
+ Cảm biến GMR xác ñịnh theo vị trí

- Cảm biến gần, nguyên lý như hình vẽ (1.6(a)). Khi vật có từ trường tiến
lại gần cảm biến (hoặc ngược lại), từ trường làm thay ñổi giá trị GMR của
cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến ñược ñưa ñến các mạch ñiều khiển ở bên
H×nh 1.6

Lª ThÞ LiÖu -16- K31D VËt Lý

ngoài. Ví dụ, kiểu cảm biến này ñược ứng dụng trong bộ ñiều khiển ñánh lửa
của ñộng cơ ñốt trong (hình 1.6 (b)), bàn phím không tiếp xúc, cảm biến xác
ñịnh vị trí thẳng, cảm biến ñiều khiển sự thích ứng của bộ giảm xóc ôtô, cân
ñiện tử, cảm biến áp suất cơ…
- Cảm biến vị trí góc như: vận tốc kế, bộ biến ñổi góc, ño ñộ nghiên,
ñộng cơ ñiện DC không chổi quét.
+ Kiểm tra không phá huỷ mẫu: Ví dụ kiểm tra vết nứt ở ống thép như
(hình1.7), từ trường H do cuộn dây sinh ra ở ống thép, nếu có vết nứt sẽ phân
tán ra ngoài như thấy ở hình vẽ. Cảm biến GMR ñược ñưa lại gần và rà khắp
bề mặt ống thép. Ở những chổ có vết nứt, cảm biến GMR sẽ ño và phát hiện
từ trường thoát ra.

Hình 1.7: Kiểm tra vật liệu không phá huỷ mẫu(ống thép) bằng
cảm biến GMR.
Hình 1.8 là kết quả ño ñiện trở suất phụ thuộc vào từ trường của một
màng mỏng dạng hạt Co
30
Ag
70
ño ở nhiệt ñộ phòng, chế tạo bằng công nghệ

bốc bay nổ mà luận văn này ñã chế tạo ñược. Ta thấy ở từ trường cao 10kOe
ñiện trở suất của mẫu vẫn chưa ñạt bảo hoà, rất thích hợp cho việc ứng dụng
ñể làm sensor ño từ trường cao. Một ứng dụng của hiệu ứng GMR của màng
dạng hạt Co
28
Ag
72
làm sensor cho ñộng cơ một chiều loại không chổi quét.
Lª ThÞ LiÖu -17- K31D VËt Lý


Hình 1.8: Tỷ số GMR(%) của màng mỏng dạng hạt Co
30
Ag
70
chế
tạo bằng công nghệ bốc bay nổ
Motors ñược sử dụng rộng r·i trong lĩnh vực của ñiện học và từ học bởi
vì hiệu suất cao của chúng. Motor ®−îc bao gồm một rotor là một châm ñiện
và một stator là các cuộn dây, rotor quay ñược là nhờ dòng ñiện bên ngoài
cung cấp cho cuôn dây. Dòng ñiện này ñược ñiều khiển bởi sự tiếp xúc giữa
chổi quét và các ñiện cực của rotor, ñó là sự tương ứng giữa góc quay của trục
quay rotor. Chổi quét có hai vai trò ñó là nhận ra góc quay của rotor và cắt
dòng ñiện trong cuộn dây ñể ñiều khiển tốc ñộ quay của rotor. Có những vấn
ñề trong việc sử dụng chổi quét của Motor, chổi quét làm mòn do ma sát và
gây ra tiếng ồn khi chổi quét thay ñổi vị trí tiếp xúc giữa các ñiện cực. Do ñó
các Motor không chổi quét ñược sử dụng rộng rãi ñể ñạt hiệu suất cao trong
việc duy trì ñộ bền.
Trong các Motor không chổi quét, vai trò của chổi quét ñược thay thế
bằng việc sử dụng hiệu ứng Hall sensors trong mạch bán dẫn. Những Hall

sensor này tìm ra góc quay của rotor ñể cắt dòng ñiện trong cuộn dây, trong
một Motor không chổi quét có 2 nam châm vĩnh cöu trong rotor và 4 cuộn
dây trong stator, góc quay của rotor ñược xác ñịnh bởi tính có cực của 2
Hallsensor, nguyên lý hoạt ñộng như (hình vẽ 1.9).
Lª ThÞ LiÖu -18- K31D VËt Lý


Màng mỏng dạng hạt Co
28
Ag
72
làm sensor trong ñộng cơ không chổi
quét ñược lắng ñọng trên ñế thuỷ tinh có kích thước 1x5mm
2
, hiệu ứng GMR
là ñẳng hướng không phân biệt ñược hai cực từ, vì vậy sensor ñược gắn thêm
một nam châm vĩnh cữu và làm việc trong khoảng tuyến tính. Những sensor
hầu hết ñược bố trí trong Motor ñể nhận biết góc quay của rotor. Motor một
chiều không chổi quét ñang thử nghiệm là FLB575 (Oriental Motor Co.), ñiện
áp không thay ñổi ñược áp dụng trong sensor và tín hiệu ñược khuếch ñại lên
1000-10000 lần.







H
×

nh 1.9

Lª ThÞ LiÖu -19- K31D VËt Lý

Chương 2 . THỰC NGHIỆM

Có nhiều phương pháp khác nhau ñể tạo ra vật liệu Co_Ag có hiệu ứng
GMR như công nghệ nguội nhanh, phún xạ, bốc bay trong chân không, bay
hơi bằng Laze, ñiện hoá, lắng ñọng hoá học và một số phương pháp khác
nữa…Tuy nhiên ñối với các vật liệu GMR có cấu trúc dạng hạt chủ yếu ñều
ñược chế tạo bằng phương pháp bốc bay trong chân không. ðây cũng là
phương pháp mà luận văn ñã chọn ñể chế tạo mẫu và cũng là phương pháp
thích hợp trong ñiều kiện kỹ thuật của nước ta hiện nay. Sau ñây là phần trình
bày của công nghệ này.
2.1. Công nghệ chế tạo mẫu bằngcông nghệ bốc bay nổ
Bốc bay trong chân không: Phương pháp này dựa trên nguyên tắc làm
nóng chảy và bay hơi các nguyên tử chất rắn và lắng ñọng các nguyên tử hoá
hơi lên một ñế rắn. Ở ñây sử dụng nhiệt (Joule) sinh ra khi có dòng ñiện chạy
qua một vật dẫn, các vật dẫn ñiện dùng làm nguồn nhiệt thường là các kim
loại có ñiện trở suất lớn chịu ñược nhiệt ñộ cao (lớn hơn 1000
0
C), như
Wonfram, Molipden, Tantan Ở dạng dây hoặc lá mỏng hoặc các hợp chất
như Nitơrit, cácbít. Nguồn nhiệt thường ñược tạo dưới dạng những cái giỏ,
nồi hay thuyền ñể dựng vật liệu bay hơi. ðể tránh phản ứng giữa vật liệu bay
hơi với các kim loại làm nguồn nhiệt người ta thường phủ các vật liệu như
Al
2
O
3

, B
2
O
3
…lên dây kim loại.
Có thể ñiều khiển nhiệt ñộ bay hơi bằng cách ñiều khiển dòng ñiện cung
cấp. ðộ chân không tối thiểu chế tạo mẫu tốt khoảng 10-5 torr, khoảng cách
từ nguồn nhiệt ñến ñế từ 10cm ñến 15cm.
Màng Co_Ag dạng hạt nghiên cứu trong luận văn ñã ñược chế tạo từ hệ
chân không BALZERS 500 ở viện ITIMS trường ðHBK Hà Nội, Phương
Lª ThÞ LiÖu -20- K31D VËt Lý

pháp bốc bay nhiệt với hợp kim dạng khối ñã ñược nghiên cứu từ lâu, tuy
nhiên việc khống chế thành phần hợp kim trên màng là rất khó khăn, bởi vì
các kim loại dùng bốc bay ñể tạo thành hợp kim dị thể có các tính chất hoá lý
rất khác nhau (như nhiệt ñộ nóng chảy, nhiệt ñộ bay hơi, năng lượng liên kết
nguyên tử, áp suất hơi bão hoà…) do ñó chúng bị kích thích ở mức ñộ khác
nhau dưới tác dụng của cùng một yếu tố vật lý, cụ thể là nhiệt.
Vì vậy tôi ñã áp dụng phương pháp bốc bay nổ, phương pháp này có thể
khắc phục những nhược ñiểm ñã nói ở trên. Với phương pháp này tôi ñã thiết
kế thêm một số chi tiết như (hình vẽ 2.1) gồm: Một hệ thống máng ñể chứa
bột bốc bay, hệ thống này chỉ cho phép các kim loại bốc bay rơi xuống máng
với một lượng rất ít ñảm bảo cho vật liệu có thể ñược bốc hơi tức thời và hoàn
toàn và một hệ thống tạo ñộ rung. Bột bốc bay ñược ñựng trong máng dưới
tác dụng của hệ thống rung các hạt kim loại rơi vào thuyền ñang có nhiệt ñộ
rất cao (hơn 1000
0
C) trong một thời gian rất ngắn nó lập tức bay hơi hoàn
toàn và ngưng tụ trên ñế.

Hình 2.1: Sơ ñồ cấu tạo buồng bốc bay chân không
Lª ThÞ LiÖu -21- K31D VËt Lý

Thành phần bột ñược sử dụng ñể bốc bay nghiên cứu trong luận văn
gồm: Bột Co với Ag trộn với nhau theo một tỷ lệ xác ñịnh trước với các thành
phần từ 20 ñến 70 phần trăm nguyên tử Co.
Bột Co, Ag có ñường kính hạt dưới 1µm, ñộ sạch là 99,98% của hãng
Aldrich Chemical Co.,USA sản xuất.
2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X-XRD (X ray diffraction)
Phương pháp nhiễu xạ tia X ñược sử dụng hữu hiệu ñể nghiên cứu cấu
trúc vi mô của các mẫu nghiên cứu.
Cơ sở của phương pháp này là khi chiếu chùm tia X vào một khối chất
(dạng rắn, lỏng hoặc khí), chùm tia sẽ tương tác với các ñiện tử (trong các
nguyên tử của chất nghiên cứu) hoặc ngay cả với hạt nhân nguyên tử nếu
chùm tia có năng lượng ñủ lớn. Một phần năng lượng tia X sẽ bị mất ñi do
hiệu ứng tán xạ, trong khi ñó phương truyền của chùm tia sẽ thay ñổi khi
tương tác. Khi ñó tán xạ có thể làm thay ñổi bước sóng hoặc không thay ñổi
bước sóng của bức xạ tới.
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể cấu tạo từ những nguyên
tử hay ion phân bố một cách ñều ñặn trong không gian theo một qui luật xác
ñịnh. Khoảng cách giữa các nguyên tử hay ion trong tinh thể khoảng bước

sóng tia X. Do ñó, khi chùm tia X tới ñập vào mặt tinh thể và ñi vào bên trong
nó, thì mạng tinh thể có thể ñóng vai trò của một cách tử nhiễu xạ ñặc
biệt.Theo phương trình Vulf – Bragg:


Trong ñó:
d: là khoảng cách giữa 2 mặt phẳng nguyên tử thuộc mạng lưới tinh
thể phân tích.
θ: là góc giữa chùm tia X với mặt phẳng phản xạ.
Lª ThÞ LiÖu -22- K31D VËt Lý

Khi biết d, θ ta sẽ tính ñược λ là bước sóng của tia phản xạ. Khi chiếu
chùm tia X lên mẫu với các góc khác nhau ta thu ñược giản ñồ nhiễu xạ
Rơnghen mà mỗi cấu trúc tinh thể có một bộ vạch phổ ứng với các giá trị d và
cường ñộ I ñặc trưng. Việc tìm ra trên giản ñồ ñó sự giống nhau cả về vị trí
lẫn tỷ lệ cường ñộ của một chất nghiên cứu và chất chuẩn ñã biết là cơ sở của
phép phân tích pha ñịnh tính.
Trên hình 2.2 trình bµy sơ ñồ nguyên lý của một máy phân tích
Rơnghen.
1: Nguồn tia Rơnghen; 4: Tinh thể phân tích;
2: Mẫu nghiên cứu; 6: Detector.
3, 5: Bộ chuẩn trực;


Hình 2.2 : Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo máy ño nhiễu xạ tia X (XRD)
Chùm tia Rơnghen phát ra từ anot của ống phát 1 ñến chiếu vào mẫu
nghiên cứu 2. Các nguyên tử của nguyên tố có trong thành phần mẫu sẽ bị
kích thích và phát ra các tia ñặc trưng. Các tia Rơnghen với các ñộ dài sóng
khác nhau phản xạ trên mặt mẫu ñi qua hệ chuẩn trùc 3. Các tia phân kì theo
các phương khác sẽ hấp phụ ở mặt bên trong của ống. Các tia xuất phát từ

mẫu 2 sẽ tách thành phổ, nghĩa là phân bố theo ñộ dài sóng nhờ tinh thể phân
tích 4. Tia phản xạ từ tinh thể phân tích qua hệ chuẩn trục 5 sẽ ñược thu bằng
detecter 6, sau ñó ñược khuyếch ñại, chuẩn hoá rồi ghi lại bằng các máy chỉ
Lª ThÞ LiÖu -23- K31D VËt Lý

thị khác nhau. Góc phản xạ θ của tia trên mặt tinh thể phân tích bằng góc
trượt.
2.3. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM (Vibrating
Sample Magnetometer-VSM)
ðể xác ñịnh tính chất từ của các mẫu, từ kế mẫu rung (VSM) ñã ñược sử
dụng. Các thành phần cơ bản của VSM ñược thể hiện trên
hình 2.7.
Nam châm ñiện cung cấp từ trường tới 1.3 T. Từ trường có thể thay ñổi
và ñược ñiều khiển theo chương trình từ giá trị -1.3T ñến 1.3 T. Mẫu ñược
gắn với cần mẫu và ñược dao ñộng với tần số 10Hz tạo bởi một màng rung
gắn với cần mẫu. Mẫu vật liệu có từ tính dao ñộng trong không gian từ trường
tạo bởi nam châm ñiện làm thay ñổi từ trường quanh nó, sự thay ñổi của từ
trường ñược thu nhận bởi các cặp cuộn dây thu tín hiệu mắc xung ñối.
Sự biến thiên của từ thông qua các cuộn thu tín hiệu làm phát sinh một
suất ñiện ñộng cảm ứng trong cuộn dây. Mối liên hệ giữa biến ñổi của từ
thông và ñiện áp cảm ứng là:
V
ind
= - N.dΦ/dt.
Trong ñó: V
ind
: là ñiện áp cảm ứng.
N : là số vòng dây.
Φ: là từ thông(G/cm
2

) và t là thời gian.
ðiện áp cảm ứng khi mẫu rung là ñiện áp xoay chiều tỉ lệ thuận với từ ñộ
của mẫu. Tín hiệu này ñược xử lý trên máy tính cho kết quả ñường cong từ trễ
của mÉu.
Lª ThÞ LiÖu -24- K31D VËt Lý


Hình 2.3: Sơ ñồ cấu tạo hệ ño VSM
2.4. Phương pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR
Phương pháp thực nghiệm ñể khảo sát hiệu ứng GMR là phương pháp
ño ñiện trở ở trong từ trường tĩnh. Hình 2.4 minh hoạ sơ ñồ hệ ño GMR .

Hình 2.4: Minh hoạ sơ ñồ hệ ño GMR
Nam châm từ kế mẫu rung DMS ñược sử dụng làm nguồn từ trường có
thể thực hiện sự thay ñổi từ trường theo chế ñộ quét.
Lª ThÞ LiÖu -25- K31D VËt Lý

Nguồn dòng sử dụng trong hệ ño là nguồn UCS6-2F có ñộ ổn ñịnh cao
với sai số khoảng ±1µA. ðiện áp ra ñược ño bằng máy ño ñiện vạn năng
Keithley 199 với sai số ñiện áp là ±1µV hoặc ñược thay thế bằngmột máy ño
ñặc trưng I-V của các linh kiện bán dẫn kiểu HP 4156A.
Mẫu Co_Ag ñể ño GMR trong luận án này ñược cắt thành dải với chiều
dài khoảng 5cm, rộng 1mm và ñược ño bằng phương pháp 4 ñiện cực (một
dạng biến thể của phương pháp 4 mũi dò). Các ñiện cực trong kỹ thuật 4 ñiện
cực thẳng hàng ñược tạo bằng keo bạc dẫn ñiện, tiếp xúc với bề mặt bằng vật
liệu.

Hình 2.5: Minh hoạ cách gắn mẫu lên gá.
Sau khi chuẩn bị mẫu ño, toàn bộ thanh gắn mẫu ñược ñưa vào vùng từ
trường giữa hai cực từ như minh hoạ trên (hình 2.8). Tỉ số GMR ñược tính

trực tiếp từ ñiện áp ño ñược vì
. Các mẫu ñược ño ở nhiệt ñộ
phòng trong từ trường lên tới 1.3T.