BÁO CÁO TIỂU LUẬN NGHIÊN CỨU MÀNG TỪ

MỤC LỤC
Phần 1: TỪ HỌC (Trình bày: Bùi Nhật Nam - 0619047)
1
I-GIỚI THIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ
1
1. Nguồn gốc từ
1
1.1. Mômen từ quỹ đạo của điện tử
2
1.2. Mômen từ spin
3
1.3. Mômen từ của hạt nhân
3
1.4. Mômen từ tổng cộng của nguyên tử
3
II-CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ
3
1. Mômen (lưỡng cực) từ:
3
2. Từ độ (độ nhiễm từ hay độ từ hóa)
4
3. Từ trường
4
4. Độ cảm từ (hệ số từ hóa)
4
5. Cảm ứng từ (mật độ từ thông)
4
6. Dị hướng từ
5
1
7. Tính từ trễ - đường cong từ hóa

5
8. Đường sức từ
6
9.Domen và vách Domen từ
6
III-PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ
8
1. Chất nghịch từ
8
2. Chất thuận từ:
9
3. Chất sắt từ:
10
4. Chất phản sắt từ:
12
5. Chất feri từ (ferit):
12
6. Vật liệu từ cứng và từ mềm:
13
Phần 2: MÀNG TỪ (Trình bày: Hồ Như Thủy - 0619078)
16
I-TỪ TÍNH VÀ DỊ HƯỚNG TỪ BỀ MẶT
16
1. Từ tính bề mặt
16
a Sự tăng cường của mômen từ ở bề mặt các kim loại chuyển tiếp.
16
2
b Sự xuất hiện của mômen từ trên bề mặt của các nguyên tố kim loại
chuyển tiếp không có từ tính ở trạng thái thể tích.

18
2. Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ.
18
3. Dị hướng từ bề mặt
19
4. Dị hướng từ bề mặt trong các màng mỏng đa lớp
20
II-TRAO ĐỔI DỊCH (EXCHANGE BIAS) HAY TRAO ĐỔI DỊ HƯỚNG
(EXCHANGE ANISOTROPY)
23
1 Hiện tượng
23
1. Giải thích
24
3. Một số tương tác khác:
27
Phần 3: HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR), TỪ ĐIỆN TRỞ
XUYÊN HẦM (TMR) TRONG MÀNG MỎNG ĐA LỚP. ỨNG DỤNG.
(Trình bày: Trịnh Dũng Chinh - 0619004)
29
I-TỪ ĐIỆN TRỞ:
29
II.HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ
30
1 Khái niệm
30
3
2. Cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR trên màng mỏng đa lớp
32
3. Nguyên nhân của từ trở khổng lồ ở màng mỏng

33
III. TỪ TRỞ DO HIỆU ỨNG ĐƯỜNG NGẦM (TMR)
34
IV. ỨNG DỤNG CỦA TỪ TRỞ KHỔNG LỒ VÀ TỪ TRỞ CHUI HẦM
36
1 SPINTRONICS (SPINTRONIC)-Một thế hệ linh kiện điện tử mới trong
tương lai.
36
2. Bộ nhớ MRAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính )
41
4
Màng Từ
Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ
Trình bày: Bùi Nhật Nam _ MSSV: 0619047
I.GIỚI THIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ
1. Nguồn gốc từ tính:
Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử, là các phần tử vật chất bé nhỏ
nhất gồm có hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm,
quay quanh hạt nhân và tự quay quanh nó.
Khi các điện tích chuyển động thì sinh ra quanh nó một từ trường. Chính sự
chuyển động của các điện tử gây ra từ tính của vật liệu, được đặc trưng bởi các
mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin (quay).
1.1Mômen từ quỹ đạo của điện tử:
5
• Để đơn giản ta coi quỹ đạo chuyển động của điện tử quanh hạt nhân là một
đường tròn có bán kính r, khi đó mômen từ quỹ đạo của điện tử này xác
định theo biểu thức sau:

(1)
• Ở đây e = điện tích của điện tử, m = khối lượng điện tử, w = vận tốc góc

quay,
T = Chu kỳ quay, = mômen động lượng. S = diện tích mặt phẳng quỹ
đạo.
Quan hệ giữa mômen từ của điện tử quỹ đạo và mômen động lượng được xác
định bởi tỷ số từ quay hay tỷ số hồi chuyển:
(2)
• Véctơ mômen từ và véctơ mômen động lượng của điện tử hướng ngược
chiều nhau vì mômen từ xác định theo chiều dòng điện còn mômen động
lượng xác định theo chiều chuyển động của điện tử. Trong cơ học lượng tử
mối quan hệ của hai véctơ này được biểu thị dưới dạng toán tử:
(3)
1.2 Mômen từ spin
• điện tử cũng tự quay xung quanh mình nó (chuyển động nội tại) nên có
mômen từ spin (spin có nghĩa là tự quay) có giá trị lớn gấp 2 lần mômen từ
quỹ đạo:
6
l
2m
e
rwm
2m
e
rπ
T
e
T
Se
Siμ
22
o








=====
l

2m
e
l
μ
γ
o
==


∧
∧
= l
2m
e
μ
o


(4)
1.3.Mômen từ của hạt nhân

• Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương, dịch chuyển tại chỗ (do dao
động nhiệt) có spin và tương tác với nhau bằng các mômen từ.
• Về độ lớn, spin hạt nhân bằng spin điện tử (do điện tích bằng nhau), nhưng
khối lượng hạt nhân thường lớn gấp 103 lần khối lượng của điện tử, do đó
theo biểu thức mômen từ hạt nhân phải nhỏ hơn mômen từ điện tử tới 3
bậc, vì vậy nó ảnh hưởng rất ít đến tính chất từ của vật liệu, có thể bỏ qua.
• Tuy nhiên trong một số trường hợp, ví dụ như hiện tượng cộng hưởng từ
hạt nhân…, vai trò của mômen từ hạt nhân là rất quan trọng.
1.4.Mômen từ tổng cộng của nguyên tử
Mômen từ của nguyên tử hợp thành là tổng của các mômen từ của các điện tử
• Tổng các mômen từ quỹ đạo của điện tử:
(5)
Với L = là mômen động lượng tổng cộng của điện tử.
• Tổng các mômen từ spin của điện tử:
(6)
Ở đây S = là tổng số lượng tử trạng thái (mômen động lượng spin
tổng cộng)
II-CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ
7
( )
1LL
2m
e
μM
i
oiL
+==
∑

∑

i
i
l
( )
1SS
m
e
μM
i
SiS
+==
∑

∑
i
i
s
s
m
e
μ
S


=
1. Mômen (lưỡng cực) từ:
Một thanh vật liệu từ dài l (đo bằng mét [m],theo hệ SI) và có cường độ cực
từ là m (đo bằng Weber [Wb]) thì tích ml gọi là mômen từ, đặc trưng cho khả
năng chịu tác dụng bởi từ trường ngoài của thanh, ký hiệu là M và là một đại
lượng véctơ

2. Từ độ (độ nhiễm từ hay độ từ hóa)
Tổng các mômen từ trong một đơn vị thể tích vật liệu gọi là từ độ hay độ từ hóa,
đặc trưng cho từ tính của vật liệu, ký hiệu là I, cũng là một véctơ
3. Từ trường
Khoảng không gian xung quanh các cực từ có một từ trường , đặc trưng cho tác
dụng từ tính của một cực từ này lên một cực từ khác. Véctơ cường độ từ trường
đều có thể được xác định tương ứng với từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây
thẳng, dài (cuộn solenoid) có dòng điện chạy
4. Độ cảm từ (hệ số từ hóa)
5. Cảm ứng từ (mật độ từ thông)
HχμI
o

=
8
Mối quan hệ giữa từ độ và từ trường được xác định qua biểu thức:
(7)

χ là đại lượng không thứ nguyên,gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa, đặc trưng mức độ
hấp thụ từ tính trong một đơn vị thể tích vật liệu, còn µ
o
là độ từ thẩm của chân không
, có giá trị:
µ
o
= 4.10
-7
[H/m]
Độ cảm từ tương đối:

(8)
6. Dị hướng từ
- Dị hướng từ tinh thể
Dị hướng từ tinh thể biểu thị qua sự phụ thuộc của năng lượng từ hóa
vào phương của từ trường ngoài đối với các trục tinh thể
Để quay mômen từ M theo phương của từ trường từ hóa ta phải
thắng được năng lượng liện kết của M với trục tinh thể, gọi là năng
lượng dị hướng từ tinh thể:
- Di hướng từ theo hình dạng
Dị hướng hình dạng không phát sinh ở thuộc tính của vật liệu mà nó
liên quan đến cấu trúc hình học của vật thể từ, có ảnh hưởng mạnh mẽ
đến lực kháng từ.
- Dị hướng từ theo ứng suất
Mạng tinh thể của các chất sắt từ và feri từ không hoàn toàn cứng. Khi
từ hóa nó bị biến dạng, gây nên hiện tượng từ giảo.
7. Tính từ trễ - đường cong từ hóa
HμIB
0

+=
( )
1χμ +=
( )
HμμHμ1χB
oo

=+=
Đại lượng cảm ứng từ hay mật độ từ thông (đo bằng Tesla [T]), đặc trưng cho
mức độ hấp thu từ tính của vật liệu:
[T]

(9)
Thay vào ta được


(10)
Hình 6.1: đường cong từ hóa theo các phương tinh thể khác nhau
9
• Các vật liệu từ sau khi được từ hóa, đưa ra khỏi từ trường ngoài vẫn còn
giữ một giá trị cảm ứng từ dư. Đó là hiện tượng từ trễ.
• Đặc trưng tính từ trễ bởi đường cong từ hóa.
8. Đường sức từ
Đặc trưng bằng hình ảnh phương, chiều và độ lớn của từ trường
Hình 3. Đường sức từ
9.Domen và vách Domen từ
a.Domen từ
10
Trong trạng thái khử từ (H = 0) mômen từ tổng cộng của sắt từ bằng không
là do vật chia thành những vùng vi mô riêng lẻ, gọi là các đômen.Bên trong
mỗi vùng mômen từ của các nguyên tử hướng song song với nhau nhưng
mômen từ của các vùng khác nhau hướng khác nhau nên tổng các mômen từ
của cả vật bằng không.
Trong quá trình từ hóa vật, từ trường ngoài chỉ có tác dụng định hướng
mômen từ của các đômen.
b.Vách Domen
Vách đômen (domain wall) là vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 đômen từ
liền kề nhau. Giữa hai đômen từ, mômen từ không thể đột ngột biến đổi về
chiều vì sẽ dẫn đến trạng thái kém bền do đó hình thành nên vùng chuyển tiếp
là các vách đômen. Trong các vách đômen, mômen từ biến đổi về chiều dần

dần từ chiều của đômen này tới đômen kia. Tùy theo sự định hướng mà sẽ có
thể có 2 kiểu vách đômen từ chính:
Hình 4. Vách Bloch: vách 180
o
và vách 90
o
 Vách Bloch hay Vách 180
o
: Thường tồn tại trong các vật liệu dạng khối khi
mà chiều của mômen từ trong các đômen từ có thể định hướng theo cả ba
chiều, là vách đômen giữa 2 mômen từ có chiều phản song song với nhau (góc
giữa véctơ từ độ giữa 2 đômen là 180
o
).
 Vách 90
o
: Là vách đômen giữa 2 mômen từ có chiều vuông góc với nhau
(góc giữa véctơ từ độ giữa 2 đômen là 90
o
).
11
 Vách Néel: Là loại vách đômen hình thành trong các màng mỏng từ (khi
kích thước một chiều bị hạn chế), các mômen từ sắp xếp trong một mặt phẳng
và có xu thế sắp xếp quanh trục vuông góc với bề mặt màng mỏng. Loại vách
Néel đang được quan tâm nhất hiện nay là vách đômen dạng xoáy (vortex
domain wall) với các mômen từ xoắn quanh 1 điểm có mômen từ vuông góc
mới màng. Vách dạng vortex hiện nay đang là một hướng đầy triển vọng cho
các linh kiện spintronics.
III PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ
1. Chất nghịch từ

Khái niệm:
Chất nghịch từ là chất có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ hơn 1, chỉ vào
khoảng 10-5. Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động của điện tử trên quỹ
đạo quanh hạt nhân, tạo ra từ thông có chiều ngược với từ trường ngoài

Hình 5: a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài.
b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ
Các chất nghịch từ hay gặp bao gồm các khí trơ He, Ne, Ar, Kr, Xe; nhóm
halogen Cl, F, Br…, một số kim loại kiềm, đất hiếm và muối của chúng, đa số các
hợp chất hữu cơ, thủy tinh Bảng dưới đây cho giá trị độ từ cảm của một số chất
nghịch từ:
12
Bảng1: Giá trị độ từ cảm của một số chất nghịch từ
2.Chất thuận từ:
khái niệm:
Chất thuận từ là chất có độ cảm từ χ > 0, nhưng cũng rất nhỏ, cỡ 10-4 và
tỷ lệ với 1/T. Khi chưa có từ trường ngoài các mômen từ của các nguyên tử hoặc
ion thuận từ định hướng hỗn loạn còn khi có từ trường ngoài chúng sắp xếp cùng
hướng với từ trường
13
χ
χ
χ
Hình 6. a) Sự sắp xếp của các mômen từ nguyên tử chất thuận từ khi không có
từ trường ngoài
b) Đường cong từ hòa của vật liệu thuận từ
c) Sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/ ở vật liệu thuận từ.
Các chất thuận từ thường gặp là chất mà nguyên tử có một số lẻ điện tử
(như Na tự do, NO, C(C6H5)3…) hoặc các chất thuộc nhóm các nguyên tố chuyển
tiếp với một lớp điện tử bên trong chưa được lấp đầy hoàn toàn (nhóm kim loại 3d

- nhóm sắt - như Fe, Co, Ni, Cu, Ti…và nhóm kim loại 4f – nhóm Lantan, đất
hiếm – như La, Ce, Pr, Nd, Sm, Tb…).
Bảng 2: Độ cảm từ của một số chất thuận từ
3. Chất sắt từ:
14
Khái niệm
Sắt từ có độ cảm từ χ có giá trị rất lớn, cỡ 106. Ở T < TC (nhiệt độ Curie) từ độ
I giảm dần, không tuyến tính khi nhiệt độ tăng lên. Tại T = TC từ độ biến mất. Ở
vùng nhiệt độ T > TC giá trị 1/χ phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Sắt từ là vật
liệu từ mạnh, trong chúng luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách
có trật tự ngay cả khi không có từ trường ngoài.


Hình 7. a) Sự sắp xếp của các mômen từ trong vật liệu sắt từ khi T < TC
b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hòa và 1/ χ ở chất sắt từ.
Nhiệt độ Curie TC là điểm mà ở dưới nó (T < TC) thì vật liệu là sắt từ còn khi
nhiệt độ cao hơn nó (T > TC) thì sắt từ trở thành thuận từ. Khi nhiệt độ tăng lên thì
chẳng hạn từ độ của vật liệu giảm đi. Chính tại T = TC, từ độ sẽ bằng 0. Sự phụ
thuộc nhiệt độ của độ cảm từ ở sắt từ cũng tuân theo định luật Curie-Weiss như ở
chất thuận từ:

15
θT
C
χ
−
=
Hình 8:Mô tả sự phụ thuộc của từ độ bão hòa kỹ thuật IS và tỷ số 1/χ vào nhiệt độ.
4. Chất phản sắt từ:
Khái niệm: Phản sắt từ có χ ~ 10-4 nhỏ, nhưng sự phụ thuộc của 1/χ vào nhiệt

độ không hoàn toàn tuyến tính như chất thuận từ và có một hõm tại nhiệt độ TN
(gọi là nhiệt độ Nell). Khi T < TN trong phản sắt từ cũng tồn tại các mômen từ tự
phát như sắt từ nhưng chúng sắp xếp đối song song từng đôi một. Khi T > TN sự
sắp xếp của các mômen từ spin trở nên hỗn loạn và lại tăng tuyến tính theo T như
chất thuận từ
Hình 9. a) Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu phản sắt từ ở T < TN
b) Sự phụ thuộc của 1/ χ ở chất phản sắt từ
16
Ở phản sắt từ các mômen từ nguyên tử có giá trị bằng nhau nhưng định
hướng đối song song với nhau từng đôi một nên mômen từ tổng cộng của vật luôn
luôn bằng không khi không có từ trường ngoài.
5.Chất feri từ:
Khái niệm:
Ferit là các vật liệu từ ôxit. Thành phần của chúng gồm ôxit sắt hóa trị 3 kết
hợp với một hoặc nhiều ôxit kim loại hóa trị 2 khác. Ferit được xem như là chất
phản sắt từ mà các mômen từ không bù trừ nhau. Ferit cũng có cấu trúc từ gồm hai
phân mạng nhưng không tương đương nhau, mômen từ của mỗi phân mạng khác
nhau nên độ từ hóa toàn phần khác không
Ferit có độ cảm từ có giá trị khá lớn, gần bằng của sắt từ (~ 104) và cũng
tồn tại các mômen từ tự phát. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng gồm hai phân
mạng mà ở đó các mômen từ spin (do sự tự quay của điện tử tạo ra) có giá trị khác
nhau và sắp xếp phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng khác không ngay
cả khi không có từ trường ngoài tác dụng, trong vùng nhiệt độ T < TC
Vì vậy ferit còn được gọi là phản sắt từ không bù trừ. Khi T > TC trật tự từ
bị phá vỡ, vật liệu trở thành thuận từ

Hình 10: a) Sắp xếp của các mômen từ trong feri từ khi T < TC
b) Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa IS và 1/χ của vật liệu feri từ.
6. Vật liệu từ cứng và từ mềm:
Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ ra thành vật

liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. Đó chủ yếu là các chất sắt từ và ferit mà chúng
17
khác biệt nhau ở khả năng tồn giữ từ tính sau khi được từ hóa. Để đặc trưng tính
chất của hai loại vật liệu này ngừơi ta thường dùng đường cong từ trễ
a)Vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu):
Vật liệu K1
[MJ/m3]
BHC
[kA/m]
Br
[T]
(BH)max
[kJ/m3]
Ferit Ba, Sr dị hg
Thép martensit
AlNiCo dị hướng
SmCo5 dị hướng
Sm2Co17dị hướng
NdFeB thiêu kết
NdFeB nung sơ bộ
N/c dẻo ferit
N/c dẻo NdFeB
0,3-0,36
0,046
0,04
17
3,9
4,3
-
-

-
300-400
10-20
50-130
1000-2400
650-2100
800-3300
1040-1800
180-210
1000-1600
0,38-0,42
0,75-1,0
0,8-1,35
0,85-1,01
0,98-1,08
1,05-1,42
1,15-1,3
0,08-1,15
0,85-1,05
24-34
3,3-8,2
29-43
140-200
170-240
170-390
240-300
8-15
130-180
Bảng 3: Từ tính của vài loại nam châm vĩnh cửu
b)Vật liệu từ mềm:

Đặc tính chủ yếu của loại vật liệu này là có cường độ trường khử từ rất nhỏ,
cảm ứng từ dư lớn, độ từ thẩm ban đầu rất cao, có thể lên tới hàng trăm đơn vị
(xem hình ), độ tổn hao từ trễ thấp, thích hợp để làm lõi các cuộn dây cảm ứng,
lõi biến thế, lõi nam châm điện…
18
Hình 11: Độ từ thẩm phụ thuộc tần số của vài vật liệu từ mềm: Permaloy,
Vitroper, Co vô định hình, ferit Mn-Zn.
19
PHẦN 2: MÀNG TỪ
Trình bày: Hồ Như Thủy. MSSV: 0619078
Công nghệ thông tin dựa trên các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ. Quá trình
thu nhận và xử lý được thực hiện nhờ việc sử dụng thuộc tính điện tích của điện tử
trong các transitor hoặc các mạch tích hợp của bán dẫn. Trong khi đó việc lưu giữ
(ghi) thông tin lại được thực hiện nhờ thuộc tính spin của điện tử trong các đĩa
(cứng, mềm) có mật độ cao. Điều đó có nghĩa là điện tích và spin của điện tử đã
được sử dụng riêng rẽ trong các vật liệu khác nhau tùy mục đích.
Màng từ hay các vật liệu dạng màng mỏng có từ tính sẽ được trình bày
trong seminar do các cấu trúc nano có từ tính biểu hiện nhiều hiện tượng vật lý thú
vị đã được ứng dụng hoặc có khả năng ứng dụng rất lớn. Một trong những nguyên
nhân quan trọng gây nên tính chất vật lý mới là tương quan giới hạn giữa kích
thước của màng mỏng với kích thước đặc trưng trong từ học: độ dài tương tác trao
đổi, độ rộng vách đô men, quãng đường tự do trung bình của điện tử…
Từ tính của vật liệu rất nhạy với môi trường của các nguyên tử địa phương.
Nếu làm thay đổi được môi trường bằng cách điều khiển một số yếu tố (như kích
thước hạt, trật tự sắp xếp nguyên tử, khoảng cách tương tác ) sẽ quan sát được
những hiện tượng vật lí đặc biệt, không tồn tại trong vật liệu khối, ví dụ khả năng
làm ổn định pha cấu trúc, sự xuất hiện của dị hướng từ bề mặt, hiệu ứng từ trở
khổng lồ, liên kết trao đổi RKKY giữa các lớp từ tính qua sự thay đổi độ dầy của
lớp không từ tính kẹp giữa chúng
I. TỪ TÍNH VÀ DỊ HƯỚNG TỪ BỀ MẶT

1. Từ tính bề mặt
a. Sự tăng cường của mômen từ ở bề mặt các kim loại chuyển tiếp.
Thông thường, từ tính không chỉ phụ thuộc vào bản chất nội tại của nguyên
tử (như các mômen từ định xứ) mà còn phụ thuộc vào mật độ trạng thái địa
phương mà nó chiếm giữ. Mật độ trạng thái này phụ thuộc rất nhiều vào số lượng
các nguyên tử lân cận gần nhất và bản chất của các nguyên tử lân cận đó.
20
Trong cấu trúc lập phương tâm khối, Fe-bcc là một chất sắt từ. Khi được
chế tạo dưới dạng màng mỏng với một cấu trúc khác là cấu trúc lập phương tâm
mặt – Fe-fcc lại trở thành vật liệu không có từ tính.
Nếu xem xét một màng mỏng Fe có từ tính, môi trường xung quanh của
một nguyên tử trên bề mặt sẽ không giống với mội trường của một nguyên tử ở
trong màng. Khi đó các mômen từ ở các vị trí khác nhau cũng sẽ khác nhau.
Hình 1. Sự biến đổi của trường siêu tinh tế B
hf
theo vị trí của nguyên tử
57
Fe trong
màng mỏng Fe(100) có độ dày vào khoảng 30 lớp nguyên tử được lắng đọng trên
đế Ag(111).
Thông thường Fe-bcc có trường siêu tinh tế B
hf
= 33T. Đối với màng lắng
đọng trên đế Ag, trường siêu tinh tế B
hf
có giá trị lớn hơn và thay đổi theo từng lớp
nguyên tử Fe ( tức là thay đổi theo độ dày màng). So sánh với từ độ trong các vật
liệu khối, người ta còn đánh giá thấy rằng, mômen tăng từ 32-38% trên bề mặt
màng Fe(100) và 19-26% trên bề mặt màng Fe(110).
Các tính toán khác cho thấy, mômen từ của các kim loại Fe, Co, Ni ở bề

mặt tăng lên so với mômen từ của chúng trong trạng thái khối. Đó là do môi
trường địa phương của các kim loại này ở bề mặt có số nguyên tử lân cận ít hơn,
dẫn đến tăng mật độ trạng thái và do đó tăng cường tiêu chuẩn Stoner (ở trường
hợp mật độ trạng thái ở mức Fermi đủ lớn, khi đó, chính tương tác trao đổi sẽ gây
nên sự tách vùng tự phát và mômen từ nguyên tử được thiết lập).
21
b Sự xuất hiện của mômen từ trên bề mặt của các nguyên tố kim loại
chuyển tiếp không có từ tính ở trạng thái thể tích.
Một kim loại không có từ tính như Vanadium có thể trở nên có từ tính ở
trên bề mặt vì mật độ trạng thái ở đó tăng lên rất mạnh. Một cách định tính, có thể
đoán nhận được rằng độ lớn của mật độ trạng thái tỉ lệ nghịch với số nguyên tử lân
cận. Ở bề mặt, số nguyên tử lân cận bị bớt đi nên mật độ trạng thái sẽ tăng lên.
Tiêu chuẩn Stoner vì vậy có thể thỏa mãn trong một số trường hợp.
Thực nghiệm chỉ ra rằng, đối với một số nguyên tố kim loại không có từ
tính ở trong trạng thái thể tích sẽ trở nên có từ tính ở trạng thái bề mặt. Tuy nhiên
hiện tượng này không thể giải thích bằng sự tăng lên của trạng thái bề mặt mà là
do hiệu ứng lai hóa. Trường hợp kim loại V là một ví dụ: Mômen từ của V có thể
xuất hiện trên bề mặt một số đế mẫu kim loại sắt từ. Trên các bề mặt chuyển tiếp
với các kim loại sắt từ, mômen từ của V có phân cực âm và có thể đạt tới giá trị
1,9 µ
B
/at. Cơ chế của sự xuất hiện mômen từ này của V là do mức độ lai hóa khác
nhau giữa trạng thái 3d(Fe) và 3d(V) trong các phân vùng spin thuận và spin
nghịch. Khi khảo sát một cách chi tiết, trong một vùng chuyển tiếp của các màng
mỏng đa lớp Fe/V(110) người ta còn phát hiện thấy mômen từ của Fe và V thay
đổi theo từng lớp nguyên tử trong vùng chuyển tiếp. Đó cũng có thể là kết quả của
sự thay đổi nồng độ theo khoảng cách, dẫn đến sự thay đổi mức độ lai hóa 3d(Fe)-
3d(V) theo vị trí nguyên tử.
2. Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ.
Ở một nhiệt độ đủ cao, trật tự từ bị phá vỡ do sự tăng cường của các kích

thích (hoặc thăng giáng) từ ngang (tức là bất trật tự về định hướngcủa các mômen
từ). Theo mô hình trường phân tử, nhiệt độ Curie của các chất sắt từ được xác định
bởi công thức:
T
C
= 2Z.A
.
S(S+1)/3k
B
Theo hệ thức này, T
C
tỉ lệ với số phối vị Z. Do vậy, có thể đoán nhận được
rằng T
C
sẽ giảm đối với các lớp vật liệu ở bề mặt ( so với vật liệu khối). Theo cách
22
như vậy, nếu xem xét các màng kim loại là siêu mỏng, được lắng đọng trên các đế
kim loại, ta sẽ quan sát được sự giảm của T
C
khi chiều dày màng nhỏ hơn một vài
lớp nguyên tử.
Trong một số trường hợp nhất định, hiệu ứng bề mặt không làm giảm nhiệt
độ Curie mà còn làm tăng. Đối với các kim loại chuyển tiếp, điều này được giải
thích là do sự tăng cường của tính chất sắt từ khi mật độ trạng thái ở mức Fermi
tăng lên dẫn đến làm tăng sự tách vùng và do đó tăng mômen từ. Sự tăng của nhiệt
độ Curie cũng có thể quan sát trong một số màng mỏng đất hiếm.
3. Dị hướng từ bề mặt
Khác với nguyên tử ở trạng thái thể tích, các nguyên tử ở trạng thái bề mặt
làm thành một pha mới với nhiều tính chất đặc biệt: Bậc đối xứng thấp, số phối vị
giảm…và sẽ gây nên nhiều tính chất vật lý khác thường.

Nhưng ngay cả khi xét nguyên tử ở trong bề mặt thì trạng thái của chúng
cũng phụ thuộc rất mạnh vào quỹ đạo của điện tử. Thật vậy, mặc dù cùng trong
trạng thái bề mặt nhưng các điện tử có quỹ đạo nằm trong mặt phẳng (IPO=in-
plane orbital) có mômen từ định hướng vuông góc với mặt phẳng màng không
khác gì so với tính chất của các điện tử trong trạng thái thể tích: sự chuyển dời
điện tử từ quỹ đạo của nguyên tử này sang nguyên tử khác xảy ra dễ dàng.
23
H2.
Các trạng thái có quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng (OPO = out-of-plane
orbital) có mômen nằm trong mặt phảng màng thì hoàn toàn khác hẳn: chuyển dời
của các điện tử từ quỹ đạo của nguyên tử từ bề mặt này sang nguyên tử bề mặt
khác rất khó khăn.
Dấu của hằng số dị hướng từ được đánh giá bằng cách so sánh xem kiểu
đối xứng nào có đóng góp chủ yếu ở gần mứa Fermi. Giả thiết rằng chúng ta đang
xét chất sắt từ mạnh. Khi đó, vùng spin thuận (↑) đã hoàn toàn lấp đầy nên chỉ cần
xem xét các trạng thái trong phân vùng spin nghịch (↓). Như đã nói ở trên, sự
chuyển dời của các điện tử giữa các trạng thái IPO dễ dàng hơn nhiều so với trạng
thái OPO, tức là độ linh động của các điện tử ở trạng thái IPO cao hơn. Hệ quả là
độ rộng của phân vùng IPO sẽ lớn hơn độ rộng phân vùng của OPO. Nói theo cách
khác, các trạng thái OPO không thể liên kết trực tiếp với bề mặt nên tính định xứ
cao hơn. Do đó độ rộng vùng năng lượng sẽ hẹp hơn so với khi ỏ trong trạng thái
thể tích. Ngược lại, cấu trúc phân vùng IPO hầu như không bị ảnh hưởng. Thêm
vào đó, phân vùng OPO còn bị dịch về phía năng lượng cao do sự tăng cường lực
đẩy giữa các trang thái có tính định xứ cao hơn. Các trạng thái ở đỉnh và đáy của
phân vùng spin nghịch có đặc trưng của IPO, tức là biểu thị dị hướng từ vuông góc
với mặt phẳng. Đối với trường hợp mức độ lấp đầy vùng thấp, ví dụ như Fe (so
với Co và Ni), dị hướng từ bề mặt là dị hướng từ vuông góc vì trạng thái IPO là
chủ yếu. Khi mức độ lấp đầy vùng tăng lên, đóng góp của các trạng thái OPO tăng
lên và dị hướng bề mặt trở thành dị hướng từ mặt phẳng. Tiếp tục tăng số điện tử
3d, dị hướng từ giảm và triệt tiêu khi vùng hoàn toàn lấp đầy. Cách lý giải này rất

phù hợp với các kết quả tính toán lý thuyết cũng như các quan sát thực nghiệm đối
với Fe; dị hướng từ bề mặt vuông góc nhưng yếu; Co: dị hướng từ bề mặt song
song với mặt phẳng và Ni: dị hướng từ vuông góc rất yếu.
4. Dị hướng từ bề mặt trong các màng mỏng đa lớp
Dị hướng từ của các màng mỏng có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là các
trường hợp dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng màng, để ứng dụng trong kỹ
24
thuật ghi thông tin mật độ cao. Đối với màng mỏng, dị hướng từ hình dạng thường
có xu hướng định hướng các mômen từ theo phương mặt phẳng để năng lượng
tĩnh từ là tối ưu.
Năng lượng dị hướng từ của màng mỏng có dạng:
E
a
= -Kcos
2
ɵ
Trong đó, ɵ là góc giữa từ độ và phương pháp tuyến của màng. Theo định
nghĩa này, giá trị dương của K có nghĩa là từ độ hướng theo phương vuông góc
mặt phẳng màng. Nói chung, trong rất nhiều trường hợp, dị hướng mặt phẳng
được quan sát phổ biến hơn.
Có hai nguồn đóng góp chính vào dị hướng từ của các màng mỏng, đó là dị
hướng từ thể tích (K
v
) và dị hướng từ bề mặt (K
s
). Hai loại dị hướng này có thể
tách ra khỏi dị hướng từ hiệu dụng đo được từ thực nghiệm dựa vào biểu thức sau:
K
eff
= K

v
+ 2K
s
/t
Với t là chiều dày màng. Thừa số 2 xuất hiện là do mỗi lớp sắt từ có 2 lớp bề mặt.
Về mặt thực nghiệm, K
s
và K
v
có thể được xác định từ mối quan hệ:
t.K
eff
= t. K
v
+ 2K
s
Bằng cách vẽ đồ thị t.K
eff
phụ thuộc vào t, K
v
sẽ được xác định bằng hệ số góc của
đường thẳng và 2K
s
là giao điểm của đường thẳng với trục tung. Theo hình sau, ta
nhận thấy rằng, các mẫu có t
Co
<1,2 nm dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng. Khi
t
Co
> 1,2 nm vector từ độ nằm trong mặt phẳng màng. Đó là do tỉ lệ đóng góp của

K
s
và K
v
vào dị hướng từ tổng cộng
25