Nghiên cứu chế tạo vật liệu có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GRM) dạng hạt

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

HỎA THỊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU
CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG
TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) DẠNG HẠT

KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI - 2012


2

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

HỎA THỊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU
CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG
TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) DẠNG HẠT

KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. BÙI XUÂN CHIẾN

HÀ NỘI - 2012


3

Lời cảm ơn
Trước hết em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến TS. Bùi
Xuân Chiến , người đã chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn
thành khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo, các bạn sinh viên khoa Vật
lý, trường đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện, động viên giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện khóa luận.
Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, ông bà, và tất cả những
người thân yêu trong gia đình đã động viên khích lệ em rất nhiều cả về vật chất
lẫn tinh thần trong thời gian em thực hiện khóa luận này.

Tác giả khóa luận


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này
là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác.
Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận
này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong khóa luận đã được chỉ rõ
nguồn gốc.

Sinh viên thực hiện

Hỏa Thị Thanh Bình

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1........................................................................................................... 4
TỔNG QUAN ....................................................................................................... 4
1.1 Hiệu ứng từ điện trở...................................................................................... 4
1.1.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) ..... 4
1.1.2 Hiệu ứng từ dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance) ........... 5
1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance) ........ 6
1.1.4 Mật độ trạng thái .................................................................................... 7
1.1.5 Trạng thái siêu thuận từ........................................................................ 10
1.2 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt. ........................ 11
1.2.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu GMR. ................................................ 11
1.2.2 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng hạt ................................... 12
1.2.3 Cấu trúc đơn domain. ........................................................................... 14
1.3 Cơ chế của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR ........................................ 16
1.3.1 Mô hình hai dòng Mott ........................................................................ 17
1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin giải thích GMR trong hệ đa lớp ......... 19
1.3.3 Giải thích hiện tượng trong mẫu hạt .................................................... 23
1.4 Một số ứng dụng hiệu ứng GMR ................................................................ 25
CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM ......................................................................... 27
2.1 Công nghệ chế tạo mẫu............................................................................... 27
2.1.1 Công nghệ nguội nhanh đơn trục ......................................................... 27
2.1.2 Nấu phối, phun hợp kim nóng chảy để tạo vật liệu ở dạng băng mỏng
....................................................................................................................... 28


2.1.3 Kĩ thuật gia công mẫu .......................................................................... 30
2.1.4 Xử lí nhiệt kết tinh bằng lò ủ nhiệt ...................................................... 30
2.2 Các phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 31

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) ...................... 31
2.2.2 Phương pháp đo từ điện trở bằng 4 mũi dò .......................................... 31
2.2.4 Phương pháp đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung .............................. 34
CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 36
3.1 Phân tích cấu trúc mẫu bằng nhiễu xạ tia X (XRD) ................................... 36
3.2 Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt ............................................ 37
3.2 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Cu – Co ... 39
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................... 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 2


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Chữ viết

Chữ tiếng Anh đầy đủ

Nghĩa tiếng Việt

AF

Antiferromagnetic

Phản sắt từ

DOS

Density of States

Mật độ trạng thái

FM

Ferromagnetic

Sắt từ

GMR

Giant Magnetoresistance

Từ điện trở khổng lồ

OMR

Ordinary Magnetoresistance

Từ điện trở thường

RKKY

Ruderman-Kittel-Kasuya-

Tên các nhà khoa học

tắt

-Yosida
SEM

Scanning Electron

Hiển vi điện tử quét

Microscope
Spin↑

Spin up

Điện tử spin hướng lên

Spin↓

Spin down

Điện tử spin hướng xuống

VSM

Vibrating Sample

Từ kế mẫu rung

Magnetometer
XRD

X-ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

1

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính
chất vật lý mới đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các hệ từ có các
đặc trưng kích thước được giảm nhỏ. Một trong những khám phá tiêu biểu của
thời kỳ này là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magnetoresistance)
trong các màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các không từ và
trong hệ hạt bao gồm các hạt sắt từ nằm trên nền kim loại không từ. Ngay sau
khi ra đời, hiệu ứng GMR đã trở thành một vấn đề nóng hổi trong lĩnh vực vật
lý.
Hiệu ứng từ điện trở đã được khám phá từ rất lâu, khoảng giữa thập kỉ 80
của thế kỉ XIX, và có bản chất là hiệu ứng Hall. Hiệu ứng GMR cũng là
một hiệu ứng từ điện trở nhưng có sự thay đổi điện trở lớn hơn rất nhiều (khoảng
vài chục phần trăm) so với hiệu ứng từ điện trở thông thường (khoảng vài phần
ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới. Chính vì vậy hiệu ứng này đã trở thành một
chủ đề nổi bật trong vật lý học cũng như khoa học kĩ thuật vật liệu.
Hiệu ứng GMR được tìm ra vào năm 1988 thì đến năm 1994 đã có những
sản phẩm GMR đầu tiên được bán ra trên thị trường thế giới do công ty
Nonvolatile Electronics Inc (NVE) của Mỹ chế tạo. Đó là những cảm biến từ
trường dùng cho các mục đích khác nhau từ công nghiệp ô tô cho đến các thiết bị
trợ thính. Do những ưu điểm vượt trội của vật liệu này là khả năng chống nhiễu
và chống ồn rất cao nên chúng được ứng dụng trong các ổ đĩa cứng của máy
tính, làm bộ nhớ từ không tự xóa MRAM… Như vậy 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. Các đặc trưng

2

của các thiết bị điện tử thế hệ mới này có tính tổ hợp cao (cả điện tử học, từ học
và quang tử), đa chức năng, thông minh, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng nhưng
hiệu suất cao, xử lý và khả làm tươi (refresh) thông tin với tốc độ rất cao…
Có thể nói công nghệ spintronics sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển
của công nghệ điện tử – tin học – viễn thông trong thế kỷ 21. Điều này được
khẳng định trong báo cáo "Khoa học và công nghệ tạo nên hình dáng thế kỷ 21"
do tổng thống Mỹ B.Clintơn trình bày trước quốc hội Mỹ năm 1997 về chiến
lược phát triển khoa học và công nghệ của Mỹ trong thế kỷ XXI.
Từ các công trình nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng GMR ở nước ngoài
cho thấy các màng mỏng đa lớp (cỡ hàng chục lớp) có hiệu ứng GMR lớn, có thể
đến cỡ 100% nhưng ở từ trường cao và nhiệt độ thấp. Đối với các băng dạng hạt,
hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản, có khả năng chế
tạo được trong điều kiện kĩ thuật hiện nay ở nước ta.
Chính vì lẽ đó em chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có hiệu ứng từ điện
trở khổng lồ (GMR) dạng hạt ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp của mình.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở.
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim bằng phương pháp nguội nhanh.
- Khảo sát hiệu ứng GMR trong hệ hạt.
- Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỉ số GMR của hệ Co-Cu.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Mẫu băng dạng hạt Cu-Co chế tạo bằng công
nghệ nguội nhanh.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở trong hệ hạt Cu-Co.


3

4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu, tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả và đưa ra kết luận.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3
chương chính:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Hiệu ứng từ điện trở
1.1.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)
Từ điện trở, hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có
thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần
đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với
sự thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện
trở thường.
Hiệu ứng này quan sát thấy ở các kim loại. Khi có tác dụng của từ trường
ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz nên chuyển động
tròn và không đóng góp vào dòng điện (vận tốc trung bình bằng không trong một
chu trình) cho đến khi bị tán xạ. Sau khi tán xạ, hạt dẫn tham gia chuyển động
tròn tiếp theo. Như vậy thời gian hồi phục càng lớn (điện trở càng thấp) thì ảnh
hưởng của từ trường ngoài lên điện trở càng lớn. Kohler tìm ra liên hệ giữa sự

thay đổi điện trở suất theo từ trường ngoài:




 f (H /  )

(1.1.1)

Bởi vì điện trở suất đều tăng khi chuyển động của hạt dẫn bị lệch về cả hai
hướng so với dòng điện nên sự thay đổi của điện trở suất phải theo hàm mũ chẵn
của từ trường ngoài. Bậc thấp nhất của sự thay đổi điện trở suất là:
  H

  





2

(1.1.2)


5

1.1.2. Hiệu ứng từ dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)
Từ điện trở dị hƣớng (Anisotropic magnetoresistance, viết tắt là AMR)
là một hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở

suất dưới tác dụng của từ trường ngoài) phụ thuộc vào hướng của dòng điện
(không đẳng hướng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào
góc tương đối giữa từ độ và dòng điện.
Hiệu ứng AMR lần đầu tiên được William Thomson, một giáo sư Đại học
Glasgow (Scotland, Vương quốc Anh) vào năm 1856. William Thomson đã chỉ
ra

sự

thay

đổi

của điện

trở của

các

mẫu

vật

dẫn kim

loại sắt

từ là Niken và Sắt dưới tác dụng của từ trường ngoài của một nam châm điện có
thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, sự thay đổi này còn phụ thuộc vào
phương đo, góc tương đối giữa cường độ dòng điện (của bộ đo điện trở) và từ

trường ngoài, hay chiều của độ từ hóa của mẫu.
Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một
số chất bán dẫn hoặc bán kim (có xảy ra hiệu ứng Hall lớn dị thường) nhưng khá
nhỏ. Trong từ học, người ta đặc trưng cho tính chất từ điện trở dị hướng bởi độ
biến thiên điện trở suất theo hai phương song song và vuông góc với từ trường:
(1.1.3)
và hiệu ứng AMR được đánh giá thông qua tỉ số:

(1.1.4)
với:

(1.1.5)


6

Lý thuyết về hiệu ứng AMR lần đầu tiên được giải thích vào năm 1971
bởi mô hình tán xạ điện tử trên các điện tử dẫn của G. T. Meaden (Dalhousie
University, Nova Scotia, Canada): hiện tượng từ điện trở ở đây chủ yếu bị tri
phối bởi sự thay đổi khối lượng hiệu dụng của điện tử khi tán xạ trên các vùng
năng lượng, và giá trị tỉ số AMR có thể phụ thuộc vào bậc hai của từ trường:
(1.1.6)
với τ, e là thời gian hồi phục và điện tích của điện tử, m1, m2 là khối lượng
hiệu dụng trên các vùng năng lượng.
1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance)
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant magnetoresistance, viết tắt là GMR)
là sự thay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ
trường ngoài.

Hình 1.1: Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các siêu mạng Fe/Cr

phát hiện bởi nhóm của Albert Fert[8]


7

Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ điện trở:

GMR% 

 ( H )   (0)
R( H )  R(0)
100% 
100%
 (0)
R(0)

(1.1.7)

GMR là một hiệu ứng từ điện trở nhưng là một hiệu ứng lượng tử khác
với hiệu ứng từ điện trở thông thường được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19. Hiệu
ứng này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988. Nhóm nghiên cứu của Albert
Fert ở Đại học Paris-11 trên các siêu mạngFe(001)/Cr(001) cho tỉ số từ trở tới
vài chục %.
Năm 1992, nhóm của A. E. Berkowitz (Đại học California, San Diego, Mỹ)
phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể Co-Cu với cấu trúc là
các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ trở đạt tới hơn 20%. Các nghiên
cứu về sau tiếp tục phát triển và lý giải hiệu ứng này, và tính từ "khổng lồ"
không còn được hiểu theo nghĩa độ lớn của hiệu ứng từ điện trở nữa, mà hiểu
theo cơ chế tạo nên hiệu ứng: đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử, và
từ đó tất cả các hiệu ứng có cơ chế tán xạ phụ thuộc spin, mặc dù từ số GMR

nhỏ nhưng vẫn được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ.
1.1.4. Mật độ trạng thái
Trong nguyên tử, các điện tử sắp xếp theo từng mức năng lượng từ thấp
đến cao theo nguyên lý Pauli, tạo thành các lớp (s, p, d, f,…). Trong kim loại nói
chung, các điện tử lớp ngoài (s, d và f) là các yếu tố chính quyết định tính chất lý
hóa của vật liệu bởi vì tính linh động của chúng cao hơn của các điện tử ở lớp
trong. Phạm vi nghiên cứu tính chất của các vật liệu từ, chúng ta thường gặp các
nguyên tố kim loại có lớp điện tử ngoài cùng 4s và lớp điện tử liền kề bên trong
3d không điền đầy, sự không điền đầy của lớp 3d này tạo nên từ tính cho các vật


8

liệu. Sau đây ta sẽ khảo sát sự phân bố mật độ trạng thái của các nguyên tử sắt từ
và thuận từ.
Các điện tử 4s có độ linh động lớn gần như là điện tử tự do, mật độ trạng
thái (tức là số trạng thái / đơn vị năng lượng) của các điện tử này không cao. Các
điện tử 4s này đóng góp chính vào quá trình dẫn điện nên chúng được gọi là các
điện tử dẫn.
Các điện tử 3d được gọi là các điện tử từ vì chúng đóng góp chính vào
tính chất từ của nguyên tố và của vật liệu. Đối với các kim loại mà lớp 3d điền
đầy hoàn toàn, momen từ của nguyên tử bằng không do spin của các điện tử
ghép đôi triệt tiêu lẫn nhau. Trong các nguyên tử từ, lớp điện tử trong chưa điền
đầy đã điền sang lớp ngoài tạo nên momen từ nguyên tử.
Trong các kim loại chuyển tiếp, do tương tác trao đổi giữa các điện tử
trong nguyên tử và giữa các nguyên tử với nhau mà có tính thuận từ và sắt từ.
Theo nguyên lý thuận từ Pauli, tính thuận từ được giải thích dựa trên sự
tách vùng khi có từ trường ngoài như sau:
Khi không có từ trường ngoài, lớp 3d tách thành hai vùng giống nhau, một
vùng chứa các điện tử có spin up (ms = ½), vùng còn lại chứa các điện tử có spin

down (ms = - ½) (Bởi vì mỗi trạng thái động lượng có thể biểu diễn bằng tổng
của hai trạng thái có spin up và spin down). Tổng momen từ của nguyên tử bằng
không, do đó momen từ của vật liệu bằng không.
Khi có từ trường ngoài H tác dụng, các điện tử có spin cùng chiều với H
giảm năng lượng đi một giá trị bằng E  H B đồng thời các điện tử spin ngược
chiều nhận thêm một giá trị năng lượng bằng E  H B . Kết quả là sự dịch
chuyển tương đối của hai vùng năng lượng con giảm đi một giá trị 2E  2H B
trạng thái đó ứng với năng lượng không cực tiểu và không bền. Vì vậy một phần


9

spin down chuyển sang spin up và số spin up nhiều hơn số spin down tạo nên
momen từ cho nguyên tử:  B2 HN ( ) .
Ta có thể tính cụ thể như sau:
Giả sử ban đầu (khi chưa có từ trường ngoài) nồng độ điện tử ở mỗi vùng
con là n.
Khi có từ trường ngoài, vùng năng lượng của điện tử spin up chứa nhiều


1
2
0

nên số điện tử bằng: n    ( ) f 0 ( k  )d , trong đó f 0 ( k  ) là hàm phân bố
Fermi – Dirac của trạng thái năng lượng ε với vecto sóng k và spin up (+).
f 0 ( ) 

1
e

( E  E F ) / kT

1

. Và  k    ( k )   B H ;  k    ( k )   B H ; ( ) là mật độ trạng thái

có năng lượng .
Tương tự cho các điện tử có spin down (-):


1
n    ( ) f 0 ( k  )d
2
0

(1.1.8)

Do đó, momen từ của nguyên tử là:

M   0 (n  n )   B2 HN ( F )

(1.1.9)

Đối với các nguyên tử sắt từ, các nguyên tử có sẵn momen từ nguyên tử
ngay cả khi không có từ trường ngoài, điều này giải thích bằng tương tác trao đổi
giữa các điện tử trong bản thân nguyên tử. Gây ra sự tách vùng của vùng năng
lượng 3d. Tương tác giữa các điện tử gây ra hiện tượng tách vùng có thể hiểu
theo cách đơn giản nhất như sau. Ta đưa thêm thành phần biểu thị tương tác giữa
các điện tử, năng lượng này phải tỉ lệ với từ độ của một hệ spin, tức là tỉ lệ với từ

độ trung bình tính trên một spin: Eex  

k  

B

. Trong đó, k là hằng số


10

Boltzmann,  là từ độ trung bình của hệ spin, θ’ là hệ số tương tác trao đổi.
Khi đó năng lượng của các spin song song và phản song song với từ trường
ngoài là:
 k    (k )   B H 

 k    (k )   B H 

k  

B

(1.1.10)

k  

(1.1.11)

B

Tương tự như trong trường hợp thuận từ Pauli, độ từ hóa của hệ spin là:

E

E

E

2BH

H=0

H

N(E)

Hình 1.2: Sơ đồ vùng năng lượng


1
I  n    B  [ f ( k  )  f ( k  )]N ( k )d k
2
0


1
2

Với tổng số spin là : n   [ f ( k  )  f ( k  )]N ( k )d k
0

(1.1.12 a)
(1.1.12 b)

1.1.5 Trạng thái siêu thuận từ
Dựa trên cấu trúc vi mô vật liệu từ được chia làm 3 loại: vật liệu nghịch
từ, vật liệu thuận từ, vật liệu sắt từ. Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có momen


11

từ nguyên tử bằng không. Hai loại vật liệu từ còn lại có momen từ nguyên tử
khác không do các lớp điện tử chưa điền đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ
không có trật tự từ, tức là các momen từ nguyên tử sắp xếp một cách hỗn loạn,
còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại trật tự từ. Trong vật liệu thuận từ, các nguyên
tử có momen từ nguyên tử khác không, nhưng do không có tương tác trao đổi
giữa các momen từ này nên chúng định hướng ngẫu nhiên dưới tác động của
năng lượng nhiệt. Khác với vật liệu thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đổi
giữa các momen từ nguyên tử tạo nên trật tự từ nhưng nếu trong một hệ sắt từ,
kích thước các hạt sắt từ rất nhỏ, sao cho năng lượng dị hướng từ (yếu tố “ghim”
momen từ nguyên tử của hạt theo phương dễ từ hóa) nhỏ hơn năng lượng nhiệt
(yếu tố làm momen từ của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hóa), khi đó
các vecto từ độ của các hạt sắt từ không bị “ghim” nữa mà có thể quay tự do,
định hướng một cách ngẫu nhiên. Lúc đó, hệ tương đương với một hệ thuận từ
và được gọi là hệ siêu thuận từ.
1.2 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt.
1.2.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu GMR.

H¹t s¾t tõ; Co, Fe, Ni,
NiCo, FeCo,...

NÒn kim lo¹i phi tõ: Cu,
Au, Ag,.....
§ Õ(Si/SiO2, Si, thñy tinh, sa-phia,...
Hình 1.3: Sơ đồ minh họa cấu trúc dạng hạt của màng mỏng đơn lớp[7].
Thành phần cấu tạo của vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR gồm hai thành
phần chính là vật liệu phi từ (như Cu, Ag, Au,…) và vật liệu từ (như Fe, Co,…)


12

H¹t s¾t tõ; Co, Fe, Ni,
NiCo, FeCo,...
NÒn kim lo¹i phi tõ: Cu,
Au, Ag,.....
Hình1.4: Sơ đồ minh họa cấu trúc dạng hạt của vật liệu khối[7].
Như ta đã biết dòng điện là dòng các điện tử. Gồm hai loại điện tử: điện tử
hướng lên (spin up) và điện tử hướng xuống (spin down). Trong vật dẫn phi từ,
chẳng hạn Cu, mỗi nguyên tử có 29 điện tử lấp đầy các mức năng lượng từ trong
ra ngoài: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Lớp 3d lấp đầy 10 điện tử mới chuyển sang
lớp 4s nên Cu không có momen từ, số điện tử hướng lên bằng số điện tử hướng
xuống. Trong vật liệu từ, chẳng hạn như Ni, mỗi nguyên tử có 28 điện tử, cấu
hình điện tử: 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2 (ít hơn Cu 1 điện tử). Các điện tử chưa lấp
đầy ở lớp 3d đã chuyển sang lấp đầy lớp 4s, làm cho Ni có sự trao đổi qua lại
giữa lớp 3d và lớp 4s tạo ra sự lai hóa, số điện tử có spin hướng lên nhiều hơn số
điện tử có spin hướng xuống. Kết quả là nguyên tử Ni có momen từ riêng[2].
1.2.2 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng hạt
Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia làm 2 loại: Loại thứ nhất gồm các
hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O3, loại thứ hai gồm các
kim loại từ kích thước nanomet trong nền kim loại phi từ, đó là vật liệu GMR, đã
được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây, ví dụ

như hệ Co – Cu.


13

Vật liệu nano dạng hạt,
gồm các hạt kim loại trong nền
kim loại trong nền kim loại
khác không hòa tan, chẳng hạn
như Co trong nền Cu. Ở đây
thuật ngữ hạt liên quan đến các
hạt kim loại nhỏ rắn cỡ
nanomet (103 – 106 nguyên tử).
Trong vật liệu cấu trúc nano
dạng hạt, các vấn đề then chốt
quyết định đến các tính chất vật
lý của vật liệu thông qua các
yếu tố như tỉ phần thể tích của
các hạt xv (tỉ số thể tích của các

Hình 1.5: Đường cong GMR của
màng mỏng từ đơn lớp hợp kim
dạng hạt và trạng thái tương ứng

hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt (2r). Hai yếu tố xv và
2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật
liệu, giá trị của xv thay đổi từ 0 đến 1[11]

Hình 1.6: Mô tả sự thay đổi sụ thay đổi cấu trúc vật liệu từ điện trở dạng hạt
theo sự thay đổi tỷ phần thể tích (0  xv  1)

14

Với các vật liệu rắn kim loại dạng hạt, người ta còn đưa ra khái niệm tỉ phần
thể tích của phần vật liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ (Xp). Các hạt có dạng hình
cầu, bán kính r thường được phân bố một cách ngẫu nhiên và đồng nhất trong vật
liệu nền. Số lượng các hạt kim loại trong thể tích được tính bằng biểu thức sau:
n

xv
4r 3

(1.2.1)

Tỉ số diện tích bề mặt liên kết của hạt và thể tích của vật liệu S:
S

3xv
r

(1.2.2)

Khoảng cách trung bình giữa các hạt d (tính từ tâm hạt này đến tâm hạt kia):
1/ 3

 16 
d   
 xv 

r

(1.2.3)

Nếu ta giả thiết cho xv = 0,25 thì d = 4r tức là khoảng không gian trung bình
giữa các hạt bằng kích thước của một hạt.
Nếu các hạt phân bố một cách ngẫu nhiên thì tỉ phần diện tích bề mặt kim
loại (xa) coi tương tự như tỉ phần thể tích (xv). Nên:
x a = xv

(1.2.4)

Đây là các thông số mà các tính chất vật lý, tỉ số GMR của vật liệu đều liên
quan, sự thay đổi của các thông số này dẫn đến sự thay đổi tỉ số GMR.
1.2.3 Cấu trúc đơn domain.
* Đơn domain (Single domain): là một dạng cấu trúc từ của vật từ gồm các
hạt, mà mỗi hạt được cấu tạo bởi một domain từ. Có nghĩa là trong mỗi hạt đó,
các mômen từ sắp xếp đều nhau theo cùng một hướng.
* Sự hình thành cấu trúc đơn domain:
Cấu trúc từ của vật sắt từ được quy định bởi: hình dạng vật từ, cấu trúc hạt
(kích thước, hình dạng, sự định hướng...). Sự thay đổi kích thước hạt dẫn đến sự


15

thay đổi cấu trúc domain. Khi kích thước hạt của vật từ giảm dưới kích thước tới
hạn (ký hiệu là Rc), xuất hiện một cấu hình domain mới mà mỗi hạt sẽ là một
domain, đó là cấu trúc đơn domain. Kích thước giới hạn này phụ thuộc vào từ
tính của vật liệu và tổng quát theo công thức:

Lc 

Với:

2 2 
2 W

3
2

(1.2.5)

là mật độ năng lượng vách domain
là năng lượng dị hướng từ tinh thể.

Công thức có thể thay đổi tùy theo từng loại vật liệu sắt từ.
Vật liệu từ gồm các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt có momen từ riêng.
Khi không có từ trường ngoài các momen từ được sắp xếp một cách ngẫu nhiên
và triệt tiêu nhau. Khi có từ trường ngoài khác không các momen từ quay theo
chiều của từ trường ngoài. Như vậy, từ độ của mẫu (M) bằng tổng từ độ của các
hạt đơn domain:

M

 M .H 
 Ms  cos  
H

(1.2.6)

Trong đó:
 là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài.

Ms là từ độ bão hòa.
H là từ trường ngoài.
<cosθ> là giá trị trung bình lấy trên toàn bộ các hạt sắt từ


16

Và đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể hiện quá trình quay trục từ
của các hạt đơn domain. Trong đó các kích thước và sự điều khiển của các
domain đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường ngoài.
Khi vật liệu bắt đầu bị từ hóa với M = 0 ở từ trường ngoài H = 0, trục từ
của các hạt từ định hướng ngẫu nhiên, giá trị này bằng tổng dị hướng từ của các
hạt từ. Ở nhiệt độ thấp hướng của các momen từ định hướng ngẫu nhiên và ở
trạng thái tĩnh. Khi từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = Ms) với từ trường ngoài đủ
lớn, lúc đó tất cả các momen từ được định hướng theo chiều của từ trường ngoài.
Nếu từ trường ngoài H giảm tới H = 0, khi đó giá trị của từ dư Mr = Ms/ 2 bởi vì
các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầu theo trục dị hướng của hạt
đơn domain.
Trong vật liệu từ điện trở điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ
trong hệ hạt phải là đơn domain thì mới quan sát được hiệu ứng GMR. Tức là
chiều dày các lớp sắt từ phải đủ nhỏ, kích thước các hạt sắt từ phải nhỏ hơn giá
trị tới hạn nào đó. Nguyên nhân của điều này là:
- Thứ nhất, bề dày lớp từ hoặc kích thước các hạt từ phải nhỏ hơn quãng
đường tự do trung bình của điện tử để quá trình chuyển động của điện tử
dẫn qua các lớp từ hoặc các hạt từ có thể coi là bảo toàn spin.
- Thứ hai, khi các hạt sắt từ hoặc các lớp từ không còn là đơn đomain,
tương tác của các điện tử dẫn với các momen từ phân bố khác nhau trong

hạt từ hoặc lớp từ sẽ tạo điều kiện cho hai kênh điện tử dẫn trộn lẫn.
Cả hai nguyên nhân đều làm ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR.
1.3 Cơ chế của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR
Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử, và có các
đóng góp cho sự tán xạ này gồm:


17



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.

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.
1.3.1. Mô hình hai dòng Mott

Mott nhận thấy rằng khi nhiệt độ T<



Tc (Tc là nhiệt độ Curie), spin của hạt dẫn
(điện tử) được bảo toàn trong hầu hết các
tán xạ. Nguyên nhân của hiện tượng này
là: dưới nhiệt độ Tc có

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 down tạo
nên 2 kênh tương ứng song song với nhau.
Mô hình hai dòng này có thể được biểu

Hình 1.7: mô
hình mạch song
song

diễn bằng mạch song song, trong đó điện trở suất của hai loại hạt dẫn được kí
hiệu là ρ↑ và ρ↓ (hình 1.7). Vì vậy điện trở suất của mẫu là:


18




   

(1.3.1)

Với ρ↑ và ρ↓ được tính theo biểu thức sau:
m*

ne 2

 1  Vtx N ( EF )

(1.3.2)
(1.3.3)

Trong đó, n là nồng độ
m* là khối lượng hiệu dụng

 là thời gian hồi phục của điện tử
Vtx là thế tán xạ của tâm tán xạ đối với điện tử n, m* tại mức Fermi
của điện tử dẫn.
Nguồn gốc bên ngoài liên quan đến sự phụ thuộc spin của thế tạp chất
hoặc sai hỏng. Trong vật dẫn đơn chất, điện trở suất là là tổng các đóng góp từ
các tán xạ của hạt dẫn trên phonon, tạp chất, tán xạ s-d, và các tán xạ khác. Như
vậy, điện trở suất của kênh up và kênh down có thể khác nhau do: m* khác nhau,
n khác nhau, mật độ trạng thái tại mức Fermi của các điện tử có spin up và down
khác nhau. Nếu bỏ qua tán xạ s-d trong một kênh dẫn nào đó, điện trở suất của
kênh đó sẽ giảm đi. Trường hợp của Ni là một ví dụ. Trong Ni, các mức năng
lượng có spin up đã điền đầy, và do đó không bắt điện tử. Người ta định nghĩa hệ

số bất đối xứng spin như sau:






(1.3.4)

Hệ số bất đối xứng spin phụ thuộc vào tính chất của hợp kim. Trong Ni, Co cũng
như các hợp kim từ tính mạnh, α>>1. Mật độ trạng thái có spin up tại mức Fermi
(chỉ xuất phát từ các trạng thái liên kết s-p) rõ ràng nhỏ hơn nhiều mật độ trạng