Nano từ - Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Địa chỉ bạn đã tải:
/>Địa chỉ bạn đã tải:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Chương 3.
Màng đa lớp
và hiệu ứng từ điện trở
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
TỪ ĐIỆN TRỞ
Nguyên lý cơ bản của hiện tượng tử điện trở ( MR) là sự thay đổi điện trở
của vật liệu hay của một cấu trúc như một hàm của từ trường ngoài:
Định nghĩa trên bao gồm nhiều các cơ chế khác nhau tạo ra hiệu ứng vĩ mô
trên.
Tuy nhiên, trở kháng từ (magnetoimpedance), một hiện tượng bao gồm các
thay đổi của tổng số trở kháng
(trong đó R là một số thực và X là thành phần ảo) của một dây dẫn sắt
từ trong một từ trường ngoài, H
ext
, khi một dòng điện thay đổi tần số cao
:

chảy qua nó [3], nên không được coi là Từ điện trở.
Hiện tượng Từ điện trở có thể được tìm thấy trong các chất bán dẫn cổ
điển, đặc biệt, trong chất bán dẫn từ
Bởi vì các hiệu ứng Hall, nguồn gốc của nó là trong lực lượng Lorentz.
Độ lệch của đường dòng điện do từ trường tạo ra tăng chiều dài của
đường dẫn điện, sau đó, tăng điện trở hiệu dụng, được mô tả bởi
ở đây R
0
là điện trở tại từ trường không.
7
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
3. Từ trở dị hướng ( AMR).
• Điện trở phụ thuộc vào sự định hướng tương
đối của M và dòng điện I.
* Nguồn gốc là:
+ sự tán xạ không đối xứng của các electron theo
spin của chúng trong từ truờng.
+ do liên kết spin-quỹ đạo.
Hiệu ứng này cũng được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi
quan sát thấy điện trở của các vật liệu sắt và niken phụ thuộc vào góc
giữa dòng điện chiều của véctơ từ độ. Hiệu ứng này phát hiện trong
nhiều chất bán dẫn và nhiều màng mỏng từ.
Hiệu ứng AMR được mô tả như là một thay đổi trong sự tán xạ do các quỹ
đạo nguyên tử, gây ra bởi một từ trường.
Bằng cách này, điện trở là cực đại khi cả hai hướng song song và ở mức
cực thiểu là khi cả hai hướng vuông góc. Biểu thức toán học:
Hàm này đạt giá trị cực đại tại góc 45
0,
9
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

4. Từ trở khổng lồ (GMR).
10
Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ
trong các siêu mạng Fe/Cr phát hiện bởi
nhóm của Albert Fert
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
( C ) Schematic of the mechanism of
the GMR. In the parallel magnetic
configuration (bottom), the electrons of
one of the spin directions can go
easily through all the magnetic layers
and the short circuit through this
channel leads to a small resistance. In
the antiparallel configuration (top), the
electrons of each channel are slowed
down every second magnetic layer
and the resistance is high. From
Chappert etal.,2007.
Cấu trúc vùng năng lượng chi tiết và chính xác của các kim loại Fem Co m Ni,
và Cu được trình bày trên hình ….Ta thấy rằng,nói chung phân vùng 3d với
các spin thuận chủ yếu nằm ở dưới mức năng lượng Fermi và hầu như bị lấp
đầy hoàn toàn , còn phân vùng 3d với spin nghịch có cắt mức năng lượng
Fermi. Bức tranh này hoàn toàn áp dụng được cho hai nghuyên tố sắt từ
mạnh Co và Ni. Đối với Fe ( chất sắt từ yếu), mật độ trạng thái của các spin
thuận ở mức Fermi vẫn tồn tại nhung nhỏ hơn nhiều so với trạng thái spin
nghịch.
Dộ dẫn điện tổng cộng σ là tổng của độ dẫn điện của các hạt tải đa số
σ+và các hạt tải thiểu số σ- . Độ dẫn được mô tả bằng biểu thức sau:
σ+,- = nse2τs+,- / m*s,
trong đó ns, τs , m*s là nồng độ, thời gian hồi phục và khối lượng hiệu dụng

của các điện tử dẫn 4s. Dấu + và – chỉ các hạt tải đa số và thiểu số.
Khi các hạt tải thiểu số tán xạ, chúng ta có thể giả thiết rằng quá trình đảo
hướng spin không xảy ra.( hay nói theo cách khác là spin được bảo toàn sau
khi tán xạ) nhưng các chuyển dời tới các mức năng lượng 4s- và 3d- còn
trống hoàn toàn có khả năng xảy ra. Trong trường hợp này, chính các mức
năng lượng còn trông này như là một cái bẫy để lưu giữ các hạt tải thiểu số
lại đó, gây nên điện trở. Về bản chất , ảnh hưởng của các trạng thái d ở gần
mức Fermi đến tính chất chuyển được hiểu theo 3 luận điểm sau đây:
13
Cơ chế của hiệu ứng GMR
Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán
xạ của điện tử, và các đóng góp cho sự tán xạ
này gồm:
Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng
tinh thể gọi là tán xạ trên phonon.
Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính,
gọi là tán xạ trên magnon.
Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể (defect).
Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ
của điện tử trên các polaron từ để giải thích
hiệu ứng CMR.
Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ
của điện tử trên magnon. Khi có các phần tử
mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các
màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong
các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng
khác nhau về mômen từ (do tác động của từ
trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính
chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi
điện trở của chất rắn. Một cách chính xác hơn,

hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải
thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott (đề
ra từ năm 1936).
Mô hình hai dòng của Mott để
giải thích hiệu ứng GMR
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời
của ba giả thiết sau:
1. Vì độ dày của lớp không từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ
bằng quãng đường tự do trung bình của các điện tử, nên điện tử có khả
năng vượt qua lớp đệm không từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này
sang lớp từ tính khác.
2. Khi chuyển động trong các lớp vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển
tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào sự định
hướng spin của chúng.
3. Định hướng tương đối của các véc tơ độ từ hóa trong các lớp có thể thay
đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
Mô hình GMR vừa trình bày dựa trên mô hình hai dòng điện ( dòng điện
của các điện tử có các spin thuận và dòng điện của các điện tử có các spin
nghịch) và cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử. Đó chính là cơ chế
tán xạ s-d ( tức là tán xạ của các điện tử s trên các trạng thái d ở gần mức
Fermi).
Một số lý thuyết khác cũng đã được đề xuất dựa trên cơ chế sự phụ thuộc
cấu trúc vùng của cấu hình từ.
Một cách chi tiết hơn, các lý thuyết còn có thể mô tả một cách riêng biệt cho
hiệu ứng GMR đối với cấu hình có dòng điện trong mặt phẳng (CIP), hoặc
có dòng điện vuông góc với mặt phẳng màng.(CPP)
Trong cấu hình CIP-GMR, sự chuyển động từ lớp này sang lới khác chỉ

có thể xảy ra nhờ chuyển động nhiệt. Trong cấu hình CPP-GMR, các
điện tử bắt buộc phải chuyển qua nhiều lớp interface. Khi đó hiệu ứng
bẫy spin xảy ra tại các vùng chuyển tiếp, được xem là một trong các cơ
chế quan trọng có thể sử dụng để phát triễn và hoàn thiện lý thuyết về
GMR. Hạn chế của cấu hình CPP là điện trở của mẫu trở nên rất nhỏ
theo phương vuông góc với mặt phẳng màng, làm cho việc đo đạc rất
khó khăn.
16
Ứng dụng của hiệu ứng GMR
Kể từ năm 1992, hiệu ứng GMR bắt đầu được ứng dụng trong các đầu đọc dữ
liệu của ổ đĩa cứng máy tính thay cho các đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện
trở dị hướng cũ, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin. Người ta sử dụng các màng
mỏng valse-spin để cho các ứng dụng này. Một ưu điểm khiến chúng dễ dàng
thay thế là khả năng chống nhiễu và chống ồn rất cao.
Ứng dụng trong việc chế tạo các cảm biến từ trường nhạy, các cảm biến đo gia
tốc
Một ứng dụng lớn nhất mở ra từ hiệu ứng này là việc phát triển các linh kiện
spintronics, các linh kiện điện tử thế hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển
dòng spin của điện tử. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ điện trở chui hầm là
hai trụ cột của spintronics.
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
17
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở.
5. Liên kết từ trong vật liệu đa lớp.
Hệ số từ trở dao động theo chu kỳ của độ dày của lớp đồng ( do
tương tác trao đổi dạng dao động)
Ba kiểu liên kết: - Sắt từ
- Phản sắt từ
- Liên kết kiểu 90
0

18
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
6. Các cơ chế liên kết khác trong vật liệu đa lớp.
19
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
7. Từ trỡ tại điểm làm việc.
+ Trước năm 1997
các đầu đọc dựa trên –AMR
+ Từ sau đó,
các đầu đọc dựa trên –GMR
( hình học CIP hay CPP)
20
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
Từ trỡ tại điểm làm việc.
• Trong ghi từ,
21
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
Từ trỡ tại điểm làm việc.
22
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở
8. Từ trở khổng lồ (GMR)
• Trong cấu trúc GMR, sự định hướng của các độ từ hóa phải thay đổi dưới
từ trường ngoài.
+ Vật liệu nhiều lớp với các + Cấu trúc van spin.
trường kháng từ khác nhau.
23
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở.
Từ trở khổng lồ (GMR)
24
Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Từ trở khổng lồ (GMR)
• Vật lý của GMR
Độ dẫn phụ thuộc spin trong các kim loại sắt từ.
Trong kim loại sắt từ , dòng điện thường được xem xét với hai
dòng hạt tải khác nhau với tên gọi là dòng của các hạt tải đa số
và hạt tải thiểu số tương ứng với các điện tử có các spin thuận
nghịch. Khái niệm đa số và thiểu số sử dụng ở đây có lý do xuất
phát từ số lượng các điện tử có spin thuận và spin nghich trong
các phân vùng năng lượng 3d, ở đó do có sự tách vùng và phân
vùng năng lượng của các điện tủ có spin thuận có năng lượng
thấp hơn phân vùng năng lượng của các điện tử có spin nghịch.
Theo nguyên tắc tối ưu về mặt năng lượng, phân vùng spin thuận
bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn, Các điện tử đa số quyết
định chiều của độ từ hóa và hiệu số của số lượng các điện tử đa
số và thiểu số quyết định độ lớn của độ từ hóa. Người ta cũng giả
thiết rằng , trong các kim loại sắt từ, các hạt tải điện chủ yếu là
các điện tử s ( vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn.).
Trong trường hợp này, vùng năng lượng s không bị tách, nên nói
chung só điện tử s có spin thuận và spin nghịch giống nhau.
Cấu trúc của các vùng năng lượng 3d và 4s trong các kim loại sắt từ
được minh họa trên hình