Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng co lên tính chất từ và hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong vật liệu cu co chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh

Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

mở đầu
1. lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của khoa học và công
nghệ đã có nhiều loại vật liệu mới, với các tính chất vật lý đặc biệt đã được khám
phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các vật liệu nói chung và ở hệ vật liệu từ nói
riêng. Một trong những hiệu ứng được phát hiện gần đây đó là hiệu ứng từ điện
trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), hiệu ứng này lần đầu tiên được
phát hiện trong các màng mỏng đa lớp, bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các lớp
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. Đặc biệt gần đây, tác giả tìm ra hiệu ứng này, Albert Fert và Peter
Grunberg đã được nhận giải thưởng Nô - Ben về Vật lý năm 2007. Hiệu ứng
GMR có sự thay đổi điện trở khá lớn (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, cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn. Ngay sau khi hiệu ứng
GMR được khám phá nó đã nhanh chóng được đưa vào ứng dụng. Chính vì vậy
hiệu ứng GMR đã trở thành một chủ đề nổi bật trong vật lý cũng như trong khoa
học và kỹ thuật vật liệu. Về phương diện vật lý, hiệu ứng GMR có cơ chế vật lý
còn nhiều điều cần làm sáng tỏ. Vật liệu có hiệu ứng GMR đã và đang được phát
triển mạnh bởi tiềm năng ứng dụng của nó trong ngành công nghệ thông tin và
nhiều lĩnh vực điện tử hiện đại.
Bởi lí do đó tôi chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Co
lên tính chất từ và hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong vật liệu Cu-Co chế tạo
bằng công nghệ nguội nhanh.

Đại học sư phạm Hà Nội 2

1


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

1. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu hiệu ứng từ điện trở khổng lổ và công nghệ chế tạo vật liệu từ
điện trở gmr chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh.
2.3 nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nguyên tử Co tới tính chất từ và hiệu
ứng gmr.
3. nhiệm vụ nghiên cứu
Tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả và đưa ra kết luận
4. Đối tượng nghiên cứu
1.1.

Mẫu băng dạng hạt Co-Cu
5. phương pháp nghiên cứu
Phương pháp đọc sách và đọc tài liệu
Phương pháp thực nghiệm

Đại học sư phạm Hà Nội 2

2


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Chương 1
Tổng quan về từ điện trở khổng lồ
1.1. Quá trình nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở khổng lồ
1.1.1. Sự phát hiện hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong dạng màng đa lớp

Hiện tượng từ điện trở (Magneto Resistance-MR) đã được khám phá vào
giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XIX bởi Lord Kelvin. Hiện tượng MR là hiện tượng
thay đổi của điện trở của vật dẫn hoặc bán dẫn dưới tác dụng của từ trường. Sự
thay đổi này thường vào khoảng vài phần nghìn và được giải thích là do tác dụng
của từ trường ngoài làm điện tích thay đổi hướng chuyển động. Vào năm 1988
một nhóm nhà khoa học đã quan sát được sự thay đổi 50% của điện trở suất trên
màng đa lớp dưới tác dụng của từ trường ngoài. Do có sự thay đổi mạnh như vậy,
nên hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto
Resistance-GMR).
1.1.2. Sự phát hiện hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong hệ hạt
Cho đến trước những năm 1990 hiệu ứng GMR vẫn chỉ được quan sát thấy
trong các hệ từ có cấu trúc đa lớp. Trong giai đoạn này các thực nghiệm và lý
thuyết đều dựa trên những cấu trúc kiểu này của vật liệu để nghiên cứu và nhận
thấy rằng hiệu ứng GMR xuất hiện trong màng mỏng đa lớp có liên kết kiểu phản
sắt từ. Từ đó các nhà nghiên cứu đã đặt vấn đề là làm thế nào để có thể định
hướng được từ độ trong các lớp sắt từ, từ cấu hình sắp xếp theo kiểu phản sắt từ
AM sang sắp xếp theo kiểu sắt từ FM. Nghiên cứu cơ chế của hiệu ứng GMR cho
thấy nguyên nhân của sự thay đổi điện trở của vật liệu khi bị tác dụng của từ
trường là do quá trình tán xạ phụ thuộc spin xảy ra chủ yếu ở bề mặt phân cách
giữa các lớp sắt từ và lớp kim loại phi từ.

Đại học sư phạm Hà Nội 2

3

Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Trên cơ sở các nghiên cứu trước đó, một vấn đề đặt ra là có thể tạo ra một
cơ chế tán xạ phụ thuộc spin và gây ra hiệu ứng GMR ở hệ từ có cấu trúc không
phân lớp. Từ đó người ta đã tìm cách chế tạo ra các hệ hợp kim dạng hạt, hay còn
gọi là hợp kim dị thể, có cấu trúc gồm các hạt sắt từ (Co, Fe, Ni) cô lập hoặc các
hợp kim của chúng nằm phân tán trong nền kim loại phi từ (Cu, Au, Ag) hay các
hợp kim của chúng. Do có sự tách pha giữa hai kim loại không hòa tan hoặc tỷ lệ
hòa tan thấp nên sẽ có một kim loại đóng vai trò làm nền có tỷ lệ lớn và kim loại
kia có xu thế kết tụ thành các hạt nhỏ cô lập, phân tán trong nền kim loại.
Vào năm 1992 hiệu ứng GMR được tìm thấy trong mẫu màng dạng hạt Co
Cu với các hạt sắt từ Co đơn đômen phân tán trong nền kim loại Cu, được chế
tạo bằng phương pháp phún xạ bởi hai nhóm nghiên cứu A. E. Berkowitz ở
Trường đại học tổng hợp California, San Diego và nhóm của C.L. Chien ở Trường
đại học tổng hợp Johns Hopkins, Baltimor, Maryland. Sau đó các vật liệu từ có
cấu trúc dạng hạt, có hiệu ứng GMR đã được nghiên cứu và chế tạo bằng nhiều
phương pháp khác nhau.
Để đánh giá sự phụ thuộc của điện trở vào từ trường ngoài của vật liệu
người ta sử dụng tỷ số GMR %:
GMR% = R/R = {[R(H) R(0)]/R(0)}.100%

(1.1)

R(H) là điện trở của vật liệu khi có từ trường, R(0) là điện trở của vật liệu
khi không có từ trường.
Trong các vật liệu có cấu trúc dạng hạt, điện trở của vật liệu thay đổi theo

từ trường và có quan hệ với cấu hình sắp xếp từ độ của các hạt sắt từ. Mỗi hạt sắt
từ (đơn đômen) có từ độ Mi (i chỉ hạt sắt từ số thứ tự thứ i) nằm theo phương trục
dễ của mỗi hạt và định hướng ngẫu nhiên theo phương bất kỳ trong pha nền của
kim loại phi từ. Khi không có từ trường ngoài tác dụng, tất cả các hạt từ định
hướng ngẫu nhiên nên từ độ tổng cộng của cả hệ M = Mi = 0. Khi có từ trường
ngoài, dưới tác dụng của từ trường ngoài mômen từ của các hạt sắt từ có xu thế

Đại học sư phạm Hà Nội 2

4


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

xoay theo chiều của từ trường ngoài và khi đó mẫu có từ độ tổng cộng M 0. Khi
tăng từ trường ngoài đủ mạnh, làm cho từ độ của tất cả các hạt từ xoay theo chiều
của từ trường ngoài, khi đó từ độ của mẫu đạt giá trị bão hòa (M = MS). Vì vậy
các hạt từ cần có kích thước đơn đômen (trình bày ở mục sau), để sao cho chỉ có
quá trình quay mômen từ theo chiều từ trường ngoài. Kích thước tới hạn này phụ
thuộc vào nồng độ và bản chất của kim loại từ cũng như kim loại nền phi từ.
Cơ chế gây ra hiệu ứng GMR trong vật liệu cấu trúc dạng hạt cũng có thể
được giải thích tương tự như trong vật liệu dạng màng đa lớp. Ta có thể coi các
hạt sắt từ cạnh nhau trong vật liệu cấu trúc dạng hạt như hai lớp từ cạnh nhau
trong màng đa lớp và nền kim loại phi từ bao quanh các hạt từ trong vật liệu dạng
hạt như lớp kim loại phi từ xen kẽ giữa các lớp sắt từ trong màng đa lớp. Khi
chưa có từ trường ngoài, mômen từ của các hạt sắt từ cạnh nhau định hướng
ngược với nhau, do đó trên toàn bộ hệ, cả hai kênh spin đều bị tán xạ như nhau.
Trường hợp này tương đương với trạng thái điện trở cao của vật liệu. Khi từ ngoài

tăng dần, số lượng các hạt có véc tơ từ độ cùng chiều với từ trường ngoài tăng
dần lên theo từ trường ngoài. Một kênh spin bị tán xạ ít hơn trong khi kênh kia lại
bị tán xạ mạnh. Khi từ trường ngoài đủ mạnh làm quay toàn bộ tất cả mômen từ
của các hạt sắt từ song song với nhau, một kênh spin cùng chiều với từ độ của hệ
sẽ hoàn toàn truyền qua, còn kênh kia hoàn toàn bị tán xạ, dẫn đến điện trở của
hệ giảm xuống thấp nhất và đạt tới bão hòa.
Từ độ tổng cộng của hệ dạng hạt có thể biểu diễn: M = Mi .H/H =
MScosi, trong đó H là cường độ từ trường ngoài tác dụng lên mẫu, i là góc
giữa trục dễ của các hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài, là ký hiệu phép
lấy trung bình qua tất cả các hạt sắt từ. Giữa GMR và từ độ tổng cộng M của hệ
dạng hạt có quan hệ như sau:

H 0
M2

A
2

0
MS



Đại học sư phạm Hà Nội 2

5

(1.2)

Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Trong đó A là biên độ của GMR, điện trở suất được biểu diễn bằng biểu
thức:

= 0 + ph(T) + m(T){1 f[(M/MS)2]}

(1.3)

Trong đó 0 là điện trở suất do các tạp chất và sai hỏng, không phụ thuộc
vào nhiệt độ và là một hằng số, ph(T) là đóng góp của dao động nhiệt (phonon)
và phụ thuộc vào nhiệt độ, còn m(T) là đóng góp của yếu tố từ tính, cũng phụ
thuộc vào nhiệt độ. Từ (1.2) đối với GMR có thể thấy rằng biên độ của GMR là:
A

m T
0 ph T m T

(1.4)

Như vậy biên độ A biểu thị tỷ lệ thay đổi của điện trở suất do thành phần
từ gây ra so với điện trở suất tổng cộng.
Một đặc điểm của hiệu ứng GMR trong vật liệu cấu trúc dạng hạt khác với
các hệ đa lớp là tính đẳng hướng trong cả ba cấu hình đo: cấu hình dọc, ngang, và
vuông góc. Trong khi ở hệ đa lớp, đường GMR phụ thuộc vào từ trường gần như
khác nhau trong cả ba cấu hình đo, đặc biệt thể hiện ở cấu hình vuông góc vì các
lớp từ thường có tính dị hướng từ trong mặt phẳng của các lớp. Trong trường hợp
vật liệu có cấu trúc dạng hạt, do các hạt từ có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với

chiều dày màng mỏng, đồng thời có xu thế co lại dưới dạng cầu (để giảm sức
căng bề mặt) làm cho tính đẳng hướng từ ở các màng mỏng dạng hạt chiếm ưu
thế.
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
Để có hiệu ứng GMR trong vật liệu phải tồn tại hai thành phần chủ yếu:
vật liệu phi từ như Cu, Ag, Au,...và vật liệu từ như Fe, Co,.... Trước hết ta không
đơn giản xem dòng điện chỉ là dòng các điện tử mà cần phân biệt thêm có hai
loại điện tử: điện tử spin hướng lên (spin up - spin) và spin hướng xuống (spin
down - spin). Vật dẫn phi từ Cu chẳng hạn, các nguyên tử Cu có điện tử lấp đầy

Đại học sư phạm Hà Nội 2

6


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

đủ các mức năng lượng từ trong ra ngoài: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Rõ ràng là
lớp 3d lấp đầy đủ 10 điện tử rồi mới chuyển sang 4s. Nguyên tử Cu không có
mômen từ, Cu là vật liệu phi từ, số điện tử spin hướng lên bằng số điện tử spin
hướng xuống. Nhưng ở vật liệu từ như Ni chẳng hạn, ít hơn Cu một điện tử,
nhưng điện tử chưa lấp đầy 3d đã chuyển sang lấp đầy 4s, cấu hình điện tử là 1s2
2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2. Kết quả là nguyên tử Ni có mô men từ riêng, có sự trao
đổi qua lại giữa 3d và 4s tạo ra sự lai hoá, số điện tử có spin hướng lên nhiều hơn
số điện tử có spin hướng xuống.
Mặt khác có sự tương tác đặc biệt giữa hai lớp vật liệu từ (hạt từ) cách bởi
lớp phi từ (nền phi từ), gọi là tương tác RKKY (Ruderman Kittel Kasuya

Yosida). Đây là tương tác trao đổi giữa các momen từ ở các lớp (hạt) của vật liệu
thông qua điện tử dẫn ở lớp phi từ (nền phi từ). Tương tác này tính toán ra thì có
biên độ dao động theo bề dày của lớp phi từ. Đặc biệt là ở những bề dày thích
hợp, tương tác này có thể làm cho hai lớp vật liệu từ (hạt từ) gần nhau có véc tơ
độ từ hoá ngược chiều nhau (AntiFerromagnetic AF). Khi không có từ trường
ngoài, do tương tác RKKY vật liệu có kiểu sắp xếp phản sắt từ, khi có từ trường
ngoài đủ mạnh, vectơ độ từ hoá của tất cả các lớp từ (các hạt từ) của vật liệu đều
quay song song theo chiều từ trường ngoài, vật liệu có cách sắp xếp sắt từ
(FerroMagnetic FM).
1.2.2 Cấu trúc nanô của vật liệu từ điện trở dạng hạt
Vật liệu rắn có cấu trúc dạng hạt đã được quan tâm nghiên cứu và đưa vào
ứng dụng trong đời sống, kỹ thuật từ lâu. Ta có thể gặp cấu trúc vật liệu rắn dạng
hạt ở dạng vật liệu thông thường như vật liệu bê tông, gồm những hạt đá có kích
thước cỡ cm và các hạt cát với kích thước cỡ m trong nền của vật liệu xi măng.
Tùy theo yêu cầu về kết cấu trong xây dựng mà người ta đưa ra các thông số khác
nhau về kích thước của các loại hạt đá hay cát. Như vậy có thể nói kích thước của
các hạt trong vật liệu dạng hạt là rất quan trọng nó liên quan đến vấn đề cơ tính
của vật liệu.

Đại học sư phạm Hà Nội 2

7


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Nghiên cứu vật liệu nano dạng hạt, gồm các hạt 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 nano mét (103 - 106nguyên 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 tỷ phần thể tích của các hạt xv (tỷ số
thể tích của các hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt (2r).
Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia thành 2 loại; loại thứ nhất gồm
các hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O3, vật liệu này đã
được biết đến từ năm 1970; loại thứ hai gồm các hạt kim loại từ kích thước nanô
mét trong nền kim loại phi từ, đã đựợc quan tâm nghiên cứu trong những năm
gần đây, đó là vật liệu GMR, ví dụ như hệ Co Cu.
Trong vật liệu nano dạng hạt nói chung và trong vật liệu từ dạng hạt nói
riêng, 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. Hình 1.6 cho thấy
sự thay đổi cấu trúc của vật liệu rắn dạng hạt với sự thay đổi xv. Với các vật liệu
rắn kim loại dạng hạt, người ta còn đưa ra khái niệm tỷ phần thể tích của phần vật
liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ (xp). Các hạt có hình 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

(1.5)

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

S

3 xv

r

(1.6)

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

Đại học sư phạm Hà Nội 2

8


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C
1/ 3

16
d
xv

r

(1.7)

Nếu ta giả thiết cho xv = 0,25 thì d = 4r; khoảng không gian trung bình
giữa các hạt bằng kích thước của một hạt.
Các đại lượng này liên quan đến tính chất từ và tỷ số GMR. Nếu mà các
hạt phân bố một cách ngẫu nhiên thì tỷ phần diện tích bề mặt kim loại (xa) coi
tương tự như tỷ phần thể tích (xv). Nó cũng cho thấy:

xa = xv

(1.8)

Đây là các thông số mà các tính chất vật lý, tỷ số GMR của vật liệu đều
liên quan, sự thay đổi của các thông số này dẫn đến sự thay đổi tỷ số GMR.
1.2.3 Cấu trúc đơn đô men
Trong hệ vật liệu từ dạng hạt với các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt từ
có một trục từ. Khi không có từ trường ngoài các hạt từ được sắp xếp một cách
ngẫu nhiên và có một năng lượng bằng CV, với C tổng dị hướng từ trên một đơn
vị thể tích, và V là thể tích của hạt từ. Khi có từ trường ngoài khác không các trục
từ quay theo chiều của từ trường ngoài. Như vậy từ độ của mẫu (M) bằng tổng từ
độ của các hạt đơn đô men:

M

M .H
M S cos
H

(1.9)

Với 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, cos là giá trị trung bình lấy trên toàn
bộ các hạt sắt từ. Khi đó đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể hiện quá trình
quay trục từ của các hạt đơn đô men. trong đó các kích thước và sự điều khiển
của các đô men đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường ngoài.

Đại học sư phạm Hà Nội 2

9


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Hình 1.1: Đường cong từ trễ đo ở 5K của vật liệu có cấu
trúc dạng hạt
Đường cong từ trễ của vật liệu dạng hạt ở nhiệt độ thấp 5K (hình 1.1). Khi
mẫu bắt đầu 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. Hướng của
các mômen từ định hướng ngẫu nhiên và ở trạng thái tĩnh khi nhiệt độ thấp. Khi
từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = MS) với từ trường ngoài đủ lớn, lúc đó tất cả
các mômen từ được định hướng hướng theo chiều của từ trường ngoài. Nếu từ
trường ngoài H giảm tới H = 0, khi đó giá trị của từ dư M r = MS/2 ở nhiệt độ thấp
5K, bởi vì các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầu theo trục dị hướng
của hạt đơn đô men.
Cấu trúc đơn đô men của các vật liệu từ, có lực kháng từ (HC) của các hạt
từ thì lớn hơn trong vật liệu dạng khối đồng nhất. Theo nghiên cứu lý thuyết, các
hạt sắt từ đơn đô men có lực kháng từ bằng 2K/MS = 600 Oe (K là hằng số dị

Đại học sư phạm Hà Nội 2

10


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

hướng từ tinh thể), trong khi đó đối với mẫu khối là 10 Oe [26]. Một số vật liệu
từ dạng hạt, như Co Ag, Fe Cu, Fe Ag có lực kháng từ HC khá lớn cỡ 3000
Oe. Như vậy đối với các vật liệu có cấu trúc đơn đô men thể hiện lực kháng từ HC
lớn, hằng số dị hướng K lớn, và sự phụ thuộc của lực kháng từ HC vào kích thước
của hạt.
Trong vật liệu từ điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ trong hệ hạt
phải là đơn đô men 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:
i)

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 qua các hạt từ có thể coi là bảo toàn spin.

ii)

Thứ hai, khi các hạt sắt từ hoặc các lớp từ không còn là đơn đô men,
tương tác của điện tử dẫn với các mô men 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.
1.2.4. Trạng thái siêu thuận từ
Vật liệu từ được chia làm 3 loại: Vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ, và
vật liệu sắt từ, dựa trên cấu trúc vi mô của vật liệu. Vật liệu nghịch từ là loại vật
liệu không có mô men từ nguyên tử (mô men từ nguyên tử bằng 0). Hai loại vật
liệu từ còn lại có mô men từ nguyên tử khác không do các lớp điện từ chưa điền
đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ không có trật tự từ, tức là các mô men từ
nguyên tử sắp xếp hỗn loạn; còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại trật tự từ. Trong

vật liệu thuận từ, các nguyên tử có mô men từ khác không, nhưng do không có
tương tác trao đổi giữa các mô men 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 mô men 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

Đại học sư phạm Hà Nội 2

11


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

hướng từ (yếu tố ghim mô men từ của hạt theo 1 phương - phương dễ từ hoá)
nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm mô men từ của hạt dao động xung quanh
phương dễ từ hoá), khi đó các véc tơ từ độ của các hạt sắt từ không bị ghimnữa
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 (superparamagnetic system).
Tính chất siêu thuận từ đã được quan sát thấy trong các hệ vật liệu hệ Cu-Co có
hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR effect).
1.1 .Hiệu ứng từ điện trở
1.3.1. Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)
Hiệu ứng từ điện trở thường quan sát thấy ở các kim loại và theo nguyên
tắc, tồn tại ở mọi kim loại và thường là hiệu ứng dương (điện trở tăng theo từ
trường tác dụng lên mẫu). Hiệu ứng này được giải thích như sau:
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng
Hall, lực Lorentz làm hạt dẫn tham gia 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 bị 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 như sau:

/ f ( H / )

(1.10)

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

(1.11)

1.3.3. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance)
1.3.3.1. Mô hình hai dòng của Mott

Đại học sư phạm Hà Nội 2

12


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Mott nhận thấy rằng khi nhiệt độ T < Tc (Tc là nhiệt độ Curi), 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 Curi 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 được biểu diễn bằng mạch song song,
trong đó điện trở suất của hai loại hạt dẫn được ký hiệu là và . (hình
1.2). Vì vậy điện trở suất của mẫu là:


Hình 1.2: Mô hình mạch song song






(1.12)

Với và được tính theo biểu thức sau:
m*

ne 2

(1.13)

1 Vtx N ( E F )

(1.14)

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. Nguồn gốc nội tại của
sự phụ thuộc spin của liên quan đến sự phụ thuộc spin của 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 thế sai hỏng. Trong vật dẫn đơn chất, điện trở suất 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*

Đại học sư phạm Hà Nội 2

13


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

khác nhau, n khác nhau, khác nhau, mật độ trạng thái tại mức Fermi N ( E F )
của các điện tử có spin up và spin 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:

(1.15)

Hệ số bất đối xứng spin phụ thuộc vào tính chất từ của hợp kim. Trong Ni,
Co cũng như các hợp kim từ tính mạnh, >> 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 thái có spin down (xuất phát từ các trạng thái s - p - d). Do vậy có
xu hướng lớn hơn 1 trong các hợp kim của Ni và Co. Thực tế có thể đạt đến 10
trong một số hợp kim của Ni và Co.
Khi nhiệt độ gần hoặc vượt quá nhiệt độ Curi Tc, quá trình trộn hai kênh
spin là không thể bỏ qua và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất

. Khi

đó, điện trở suất của mẫu được cho bởi:


( )
4

(1.16)

Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau. Điện 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
đạo SOI (Spin-Orbital Interaction) và có bản chất lượng tử.
Như vậy ở nhiệt độ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do đó quá trình trộn
lẫn hai kênh spin được bỏ qua.
Khi nhiệt độ lớn hơn Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là đáng kể và số hạng
điện trở suất

Đại học sư phạm Hà Nội 2

được đưa vào. Chú ý rằng khi nhiệt độ thấp,
14


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

<< , .
Biểu thức (1.16) trở thành (1.12). Khi nhiệt độ đủ cao,

>> , thì biểu

thức (1.16) trở thành:



4

(1.17)

Biểu thức này thể hiện, khi nhiệt độ đủ 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 điện tử, spin up cũng như spin down, có cùng tốc độ hồi phục
trung bình.
1.3.3.2. Mật độ trạng thái (Density Of State - DOS)

Trong nguyên tử, các điện tử xắp 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,
hoá của vật liệu, bởi vì tính linh động của chúng cao hơn của các điện tử ở lớp
trong. 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 ra từ tính cho
các vật 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, nên hàm sóng
của chúng trải dài trên một dải năng lượng rất rộng và do đó mật độ trạng thái
của các điện tử này (tức là số trạng thái/đơn vị năng lượng) không cao. Tính toán
lý thuyết cho kết quả DOS của các điện tử 4s là: ( ) 1/ 2 . Các điện tử 4s này
được gọi là các điện tử dẫn vì đóng góp chính vào quá trình dẫn điện.
Các điện tử 3d được gọi là các điện tử từ vì nó đóng góp chính vào tính
chất từ của nguyên tố và của vật liệu. Đối với các kim loại mà lớp 3d điền đầy

Đại học sư phạm Hà Nội 2

15


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

hoàn toàn mô men 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 mô men từ nguyên tử.

Ví dụ: Trong nguyên tử Fe, (Z = 26) lớp 3d có khả năng chứa 10 điện tử
nhưng chỉ điền đầy bởi 6 điện tử và lớp 4s ngoài cùng đã điền đầy. Do đó trong
nguyên tử Fe xuất hiện các mô men từ không triệt tiêu.
Trong các nguyên tử kim loại chuyển tiếp, do tương tác trao đổi giữa các
nguyên tử, giữa các điện tử trong nguyên tử mà có tính thuận từ và sắt từ.
Theo lý thuyết 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 2 vùng giống nhau, một
vùng chứa các điện tử có spin up (ms = 1/2), vùng còn lại chứa các điện tử có spin
down (ms = -1/2) (Bởi vì mỗi trạng thái động lượng có thể biểu diễn bằng tổng
của hai trạng thái có spin up và spin down). (Dấu ở đây hoàn toàn là tương đối,
nhưng khi có từ trường ngoài tác dụng thì dấu + chỉ spin cùng chiều với từ trường
ngoài, dấu - chỉ spin ngược chiều với từ trường ngoài). Tổng mô men từ của
nguyên tử bằng 0, do đó mô men từ của vật liệu bằng 0.
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 đi một giá trị 2E 2 H B trạng
thái đó ứng với năng lượng không cực tiểu và không bền. (hình 1.3). Vì vậy một
phần spin down chuyển sang spin up và số spin up nhiều hơn tạo nên mô men từ
cho nguyên tử: B2 HN ( ) .
Ta có thể tính cụ thể như sau (hình 1.3):

Đại học sư phạm Hà Nội 2

16


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

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
lên số điện tử bằng:


n

1

2 ( ) f

0

(1.18)

( k ) d

0

Trong đó f 0 ( k ) là hàm phân bố Fermi-Dirac của trạng thái năng lượng
với véc tơ sóng k và spin up (+).
f 0 ( )

1
e

( E E F ) / kT

(1.19)

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

(1.20)

Do đó mô men từ của nguyên tử là:

M 0 (n n ) B2 HN ( F )

E

H=0 N(E)

E

E

2B
H

(1.21)

H

Hình 1.3: Sơ đồ vùng năng lượng
Đối với các nguyên tử sắt từ, các nguyên tử có sẵn mô men 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 (lý thuyết Collective Electron của
Stoner, coi các điện tử như một hệ, không có liên hệ với lõi ion) gây ra sự tách
vùng của vùng năng lượng 3d. Tương tác giữa các điện tử gây ra hiện tượng tách

Đại học sư phạm Hà Nội 2

17


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

vùng có thể được 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 hệ
spin, tức là tỉ lệ với từ độ trung bình tính trên một spin: Eex

k

B

trong đó k

là hằng số Boltzmann, là từ độ trung bình của hệ spin, 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
k

B

(1.22)
(1.23)

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


1
I n B [ f ( k ) f ( k )]N ( k )d k
2
0

(1.24)



Với tổng số spin là:

1
n [ f ( k ) f ( k )]N ( k )d k
2
0

(1.25)

Từ các phương trình trên có thể giải để tìm , từ đó tìm được từ độ (là
hàm của nhiệt độ). Hệ phương trình trên có nghiệm khác không, xác định
trong trường hợp không có từ trường ngoài (H = 0) (từ độ tự phát) với một số giá
trị của hệ số tương tác trao đổi .
Stoner chỉ ra rằng nếu vùng năng lượng có dạng parabol, từ độ tự phát tồn
tại khi k / 0 2 / 3 trong đó 0 là mức Fermi ở nhiệt độ 0K. Mô hình sắt từ này
giải thích được tại sao các nguyên tử lại có số không nguyên lần magneton Bohr.
1.4. Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của vật liệu GMR
1.4.1. Mô hình tán xạ phụ thuộc spin
Tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn: điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên
các tâm tán xạ có spin ngược chiều với spin của điện tử. Ngược lại điện tử sẽ

Đại học sư phạm Hà Nội 2

18


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

không bị tán xạ hoặc tán xạ yếu trên các tâm spin (tâm tán xạ có chú ý đến spin)
có spin cùng chiều. Tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn có thể do một số

nguyên nhân. Nguồn gốc nội tại liên quan đến sự phụ thuộc spin của nồng độ và
mật độ trạng thái ở mức Fermi của điện tử dẫn. Còn nguồn gốc bên ngoài là do
các tạp chất hoặc sai hỏng ở trong kim loại sắt từ.
Hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn được hiểu như sau:

EF

Hình 1.4:
Tâm1.6.
tán xạ
Hình
: có Spin up

tánspin
xạ cóup.
spin
Giả sử tâm tánTâm
xạ có
TaUp
xét hai điện tử có spin khác nhau cùng
gặp tâm tán xạ này. (hình 1.4). Rõ ràng điện tử có spin down sẽ dễ dàng bị bắt
(tán xạ) vào trạng thái trống có spin down còn điện tử có spin up thì khó bị
tán xạ.
Cụ thể hơn ta xét thế tán xạ của tâm tán xạ đối với điện tử:

Vtx Vcoul Vexch ...

(1.26)

Trong đó, Vcoul là thế tương tác Coulomb của điện tử với tâm spin, Vexch

là thế tương tác trao đổi giữa spin s của điện tử và spin S của tâm tán xạ, các thế
tán xạ khác được bỏ qua (tương tác SOI- spin orrbit interaction được bỏ qua vì
chỉ liên quan đến một spin và không quan trọng trong GMR, ...).

Vtx Vcoul 2 J .s.S . cos

Đại học sư phạm Hà Nội 2

19

(1.27)


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

trong đó, J là tích phân trao đổi, s và S tương ứng là độ lớn của véctơ s và S , là
góc giữa hướng của

s và S

Như vậy tuỳ vào hướng của 2 véc tơ, thế tán xạ sẽ lớn hơn hay nhỏ hơn
Vcoul. Cụ thể, khi, Vtx ( = 0) < Vtx ( = 180), tức là điện tử sẽ bị tán xạ ít hơn
(hình 1.5).

=JsS/Vco
ul

=n(1+

=180

S

e
-

=n(1

=

e

s

-

S

s

Hình 1.5: Tán xạ của điện tử spin
1.4.2. Giải thích hiệu ứng GMR trong hệ màng đa lớp
1.4.2.1. Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình tán xạ spin
Xét hệ đa lớp gồm các lớp từ (FM) Co xen kẽ bởi các lớp không từ (NM)
Cu. Tuỳ thuộc vào bề dày lớp Cu ở giữa mà từ độ của hai lớp Co bên cạnh sẽ sắp
xếp cùng chiều (song song) hoặc ngược chiều (phản song), hiện tượng này gọi là
sự định hướng ghép cặp tự nhiên. Bản chất của hiện tượng này là tương tác trao

đổi gián tiếp của hai lớp sắt từ thông qua lớp không từ ở giữa. Tương tác này sẽ
được đề cập cụ thể hơn trong phần sau, khi xét đến ảnh hưởng của bề dày đến tỉ
số GMR.
Với một kích thước nhất định, giả sử khi từ trường ngoài bằng không các
momen từ của các lớp sắt từ cạnh nhau định hướng phản song song đôi một với
nhau (gọi là trạng thái phản sắt từ). Khi đó, các điện tử dẫn 4s có spin up và spin
down của Cu sẽ bị tán xạ như nhau khi đi qua các lớp sắt từ Co, hệ ở trạng thái
điện trở cao. Khi tác dụng từ trường ngoài H đủ lớn, các momen từ của các lớp
Co sẽ định hướng theo chiều của từ trường ngoài và do đó song song với nhau

Đại học sư phạm Hà Nội 2

20


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

(gọi là trạng thái sắt từ). Điện tử dẫn có spin khác nhau khi đi qua lớp sắt từ sẽ bị
tán xạ khác nhau. Cụ thể, điện tử có spin ngược chiều với H (tức là ngược chiều
với các momen từ của các lớp Co) sẽ bị tán xạ mạnh, còn các điện tử có spin song
song với H sẽ bị tán xạ ít hơn, gây đoản mạch kênh dẫn này, hệ ở trạng thái điện
trở thấp (hình 1.6). Hình 1.5 là mô hình mạch điện trở tương đương. Tỉ số GMR
được tính như sau:
GMR

R H 0 RH

H

.100% H 0
.100%
R H 0
H 0

Cu

Co

Co

(1.28)

Cu

Co

Co

R1

R2

R1

R1

R2

R1

R2

R2

R AF

R1 R2
2

RF

2 R1 R2
R1 R2

Hình1.6: Sơ đồ mạch điện trở tương đương
Khi H = 0, ta có hai kênh tương đương, mỗi kênh có điện trở suất trung
bình là


2

và điện trở suất tổng cộng là AF



Khi H = Hmax, điện trở suất của hệ đa lớp là FM
2 1
GMR (
)

1

Đại học sư phạm Hà Nội 2

21

4

.


và tỉ số


2

(1.29)


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Trong giải thích trên chúng ta đã thừa nhận các giả thiết sau:
Bề dày các lớp từ và không từ là đủ nhỏ để không xảy ra hiện tượng lật
spin khi điện tử chuyển động qua các lớp. (tức là bề dày nhỏ hơn quãng đường tự
do trung bình của điện tử, có quan tâm đến cả spin).
Tán xạ xảy ra chủ yếu ở bề mặt, tức là giữa lớp từ và không từ.

Giả thiết thứ hai đã được kiểm chứng bằng cả tính toán lý thuyết và thực
nghiệm. Nguyên nhân của tính vượt trội của tán xạ bề mặt đối với tán xạ khối là
việc hình thành các trạng thái bề mặt, các giếng lượng tử tại bề mặt phân cách.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp tán xạ khối là không thể bỏ qua: Bề dày lớp
từ lớn hơn nhiều so với lớp không từ, đồng thời chiều dày tổng cộng của lớp từ và
không từ đủ lớn.
Khi tính đến cả tán xạ khối, người ta sử dụng hai ký hiệu: và để chỉ hệ số
bất đối xứng tán xạ spin bề mặt và hệ số bất đối xứng tán xạ spin khối. Khi đó, tỉ
số GMR cho bởi:

GMR

1 / 2

F* t F 2rb*
N* t N


F* t F 2rb* F* t F 2rb*

(1.30)

Bảng sau ghi kết quả thực nghiệm xác định hệ số bất đối xứng tán xạ spin
bề mặt và khối:
Bảng 1.1: Hệ số bất đối xứng tán xạ spin bề mặt và khối
Hệ số
Co/Ag

Co/Cu

NiFe/Cu



0,48

0,50

0,50



0,85

0,76

0,81

Từ kết quả thực nghiệm trên ta nhận thấy, tán xạ khối là không thể bỏ qua
mặc dù tán xạ bề mặt vẫn là chủ yếu.

Đại học sư phạm Hà Nội 2

22


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Giả thiết thứ nhất được thoả mãn trong hầu hết các hệ đa lớp vì quãng
đường tự do trung bình của điện tử là trong khoảng từ 20 - 40 nm, (đối với Cu là
xấp xỉ 40 nm, còn NiFe là xấp xỉ 20 nm).
1.4.2.2. Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình cấu trúc dải
Hình 1.7 là một sơ đồ giải thích hiệu ứng GMR trên cơ sở cấu trúc dải và
quá trình tán xạ giữa các dải s d. Trên hình 1.6 là một cấu trúc đa lớp: lớp sắt từ
được kí hiệu FM, lớp kim loại phi từ được kí hiệu là NM, mức fecmi kí hiệu là E, lớp không từ với điện tử dẫn 4s, lớp sắt từ với điện tử 3d và các đường cong mật

F

độ trạng thái DOS . Các điện tử dẫn 4s (spin down - và spin up - ) được mô tả
bằng các vòng tròn và mũi tên lên xuống. Ta hãy xét trong điều kiện tác dụng
của điện trường ngoài các điện tử dẫn 4s giả sử được xuất phát từ một lớp kim
loại phi từ khi chuyển động đến các lớp sắt từ tiếp theo, sẽ có hai trường hợp xảy
ra ứng với hai cấu hình sắp xếp từ độ.
E

E

E
3d

4s

E
3d

4s

EF

EF

a)

M

M
NM

NM

FM

3d

4s

4s

FM

3d

EF

EF

b)
M

M

Hình 1.7: Sơ đồ mật độ trạng thái (DOS) của điện tử trong cấu hình dải và
quá trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin
23
Đại học sư phạm Hà Nội 2


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

Khi từ trường ngoài bằng không (H = 0), mô men từ của các lớp sắt từ sắp
xếp đối song song (hình 1.7a). Các điện tử 3d có phương cùng chiều với mômen
từ có năng lượng thấp và trạng thái này được điền đầy. Ngược lại, các điện tử 3d
có phương ngược chiều có năng lượng cao và vì vậy các trạng thái đó không được
điền đầy hoàn toàn. Các điện tử dẫn có spin down - và spin up - đều có thể
điền đầy các trạng thái còn trống, tức là đều bị hấp thụ như nhau khi đi qua các
lớp sắt từ. Khi đó có thể quan niệm có hai kênh dẫn song song đối với hai loại
điện tử dẫn có spin khác nhau, tương ứng hai giá trị điện trở suất và , hai
kênh dẫn này tương đương nhau khi H = 0 và khi đó điện trở của cả hai kênh là
= 1/2( + ). Nhưng khi từ trường ngoài khác không và đủ lớn (H 0), dưới
tác dụng của từ ngoài các mômen từ của tất cả các lớp sắt từ đều song song và
hướng theo từ trường ngoài (hình 1.7b). Các spin up của các điện tử 3d của các
lớp sắt từ năng lượng thấp và điền đầy, không có khả năng hấp thụ các điện tử
dẫn có spin , vì vậy mà các điện tử có spin này đi qua lớp sắt từ mà không bị
cản trở. Kênh dẫn này tương đương với giá trị điện trở thấp. Ngược lại, các spin
của điện tử dẫn bị hấp thụ tại mọi lớp sắt từ và vì vậy kênh dẫn này có giá trị
điện trở cao. Như vậy khi có từ trường ngoài đủ mạnh, hai kênh dẫn của các điện

tử spin và spin sẽ có điện trở suất rất khác nhau ( ) và điện trở suất
tổng cộng là = 2( + ). Điều này cũng có thể coi là trường hợp đoản
mạch một kênh điện tử, và làm cho điện trở suất của cả hệ giảm xuống. Trong
quá trình dẫn điện, ngoài các điện tử 4s của lớp kim loại phi từ, các điện tử 4s của
lớp sắt từ cũng tham gia vào quá trình dẫn điện. Tuy nhiên, quá trình này yếu hơn
nhiều so với quá trình dẫn của điện tử 4s trong lớp phi từ.

Đại học sư phạm Hà Nội 2

24


Khóa luận tốt nghiệp

Lù Đức Hoàng -K32C

1.4.2.5 Sự khác nhau giữa các hiệu ứng từ điện trở trong các cấu hình đo
Từ điện trở (Magneto Resistance MR) là sự thay đổi điện trở của vật dẫn
khi nó được đặt trong từ trường ngoài, hiệu ứng từ điện trở MR có thể có giá trị
dương hoặc âm, tùy thuộc vào điện trở của vật dẫn tăng hay giảm khi có tác động
của từ trường ngoài. Với các vật dẫn khác nhau, hiệu ứng MR còn phụ thuộc vào
chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn và chiều của từ trường ngoài tác dụng, và
thông thường đo hiệu ứng MR theo ba cấu hình đo: đo sự thay đổi điện trở hoặc
điện suất () khi cho dòng điện chạy qua vật dẫn song song (//), vuông góc ()
và ngang (T) với từ truờng (xem hình 1.8).
a/
Z

c/

b/

Z

Z
H

H
j

O
X

H
Y

/
/

X

j
O

Y


j

O

X

Y


T


Hình1.8: Các cấu hình đo điện trở suất khác nhau,
đo song song (//), ngang (T) và vuông góc ()

Đối với các cấu hình đo khác nhau, sự thay đổi điện trở suất trên các vật
liệu khác nhau cũng khác nhau (hình 1.10).
Đối với các kim loại phi từ thông thường thể hiện hiệu ứng từ điện trở, gọi
là hiệu ứng từ điện trở thường (OMR), hiệu ứng này xuất hiện là do tương tác của
điện tử dẫn với từ trường ngoài, sự thay đổi từ điện trở trong các kim thường là
rất nhỏ, cỡ vài phần nghìn.
Đối với các kim loại và hợp kim sắt từ, sự xuất hiện hiệu ứng từ điện trở là
do tương tác của điện tử dẫn với từ trường nội tại do từ độ tự phát tạo ra. Tác

Đại học sư phạm Hà Nội 2

25