seminar ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KÍCH THƯỚC LÊN CÁC TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU

Ở thang đo nanômét, các tính chất trở nên phụ thuộc kích thước !
1.

Hệ thấp chiều là gì ?

Thành tựu của khoa học vật lý cuối những năm 80 của thế kỷ 20
được đặc trưng bởi sự chuyển hướng đối tượng nghiên cứu chính từ các
vật liệu khối (có cấu trúc 3 chiều) sang vật liệu thấp chiều. Đó là, các vật
liệu hai chiều (giếng lượng tử, siêu mạng hợp phần, siêu mạng pha tạp,
màng mỏng, các hệ đa lớp…); vật liệu một chiều (dây lượng tử hình trụ,
dây lượng tử hình chữ nhật,…); vật liệu không chiều (chấm lượng tử
hình lập phương, chấm lượng tử hình hình cầu). Tuỳ thuộc vào cấu trúc
vật liệu cụ thể mà chuyển động tự do của các hạt tải (điện tử, lỗ trống,
…) bị giới hạn mạnh theo một, hai, hoặc cả ba chiều trong không gian
mạng tinh thể. Hạt tải chỉ có thể chuyển động tự do theo hai chiều (hệ


hai chiều, 2D) hoặc một chiều (hệ một chiều, 1D), hoặc bị giới hạn theo
cả 3 chiều (hệ không chiều, 0D).
Việc chuyển từ hệ vật liệu có cấu trúc ba chiều sang hệ vật liệu có
cấu trúc thấp chiều đã làm thay đổi đáng kể cả về mặt định tính cũng
như định lượng các tính chất vật lý của vật liệu như: tính chất quang,
tính chất động (tán xạ điện tử-phonon, tán xạ điện tử-tạp chất, tán xạ bề
mặt, v.v…), tính chất từ. Nghiên cứu cấu trúc cũng như các hiện tượng
vật lý trong hệ thấp chiều cho thấy, cấu trúc thấp chiều đã làm thay đổi
đáng kể nhiều đặc tính của vật liệu.Đồng thời, cấu trúc thấp chiều làm
xuất hiện nhiều đặc tính mới ưu việt hơn mà các hệ điện tử chuẩn ba
chiều không có.Các hệ với cấu trúc thấp chiều đã giúp cho việc tạo ra
các linh kiện, thiết bị điện tử dựa trên nguyên tắc hoàn toàn mới, công
nghệ cao, hiện đại có tính chất cách mạng trong khoa học kỹ thuật.
2.

Vật liệu có cấu trúc nano?

Các cấu trúc nanô có kích thước đặc trưng nằm trong khoảng từ 0,1100nm. Đơn vị chiều dài được sử dụng là nm (1nm=10 -9m), tương
đương với khoảng 4 lần khoảng cách giữa các nguyên tử Fe. Các cấu
trúc nanô từ tính biểu hiện rất nhiều hiện tượng vật lý thú vị đã được ứng
dụng hoặc đang có khả năng ứng dụng rất lớn.
3.

Tại sao vật liệu nano lại khác biệt ?- Hiệu ứng kích thước


-

-

Một trong những nguyên nhân quan trọng gây nên các tính chất vật
lý mới là tương quan giới hạn giữa độ dài của cấu trúc và các độ
dài đặc trưng từ tính. Ví dụ: Trong các hạt nanô từ tính không tồn
tại cấu trúc đômen vì độ dày của vách đômen đã vượt quá kích
thước của hạt.
Ngoài ra khi cấu trúc đã tiệm cận đến giới hạn kích thước
nanô,tính chất của các nguyên tử ở bề mặt cấu trúc sẽ cho đóng
góp quan trọng.

Một số hiệu ứng đáng chú ý trong giới hạn kích thước nanô :
-

-

4.

Các giới hạn kích thước đã buộc véctơ từ độ thay đổi định hướng
theo chiều thấp nhất của cấu trúc. Đó là vai trò của tương tác trao
đổi và thuộc tính đơn đômen.
Giới hạn kích thước đã tạo nên sự cạnh tranh giữa năng lượng tổng
cộng của hạt và năng lượng nhiệt,tạo nên thuộc tính siêu thuận từ.
Hiệu ứng bề mặt.
Trong các vật liệu đa pha, đặc tính của vùng giáp ranh giữa các
pha được qui định bởi tương tác trao đổi, chính tương tác trao đổi
giữa các hạt hoặc các lớp từ tính khác nhau tiếp xúc nhau hoặc
phân cách nhau một khoảng vài nanômets là nhân tố quan trọng tạo
nên một số hiện tượng vật lý mới (ví dụ :hiện tượng từ trở khổng
lồ).
Hiệu ứng bề mặt trong các hệ có kích thước nanô ?

Khác với các nguyên tử ở trạng thái thể tích,các nguyên tử ở trạng
thái bề mặt tạo nên những tính chất khác lạ do tính đối xứng thấp,số
các nguyên tử lân cận giảm …
4.1.

Sự tăng cường mômen từ ở bề mặt của các kim loại có từ tính
(kim loại chuyển tiếp)


Mômen từ của mỗi nguyên tử (đo trong đơn vị µB) được tăng cường
mạnh ở bề mặt, giảm dần theo vị trí các lớp và đạt đến giá trị khối ở lớp
trung tâm. Khuynh hướng tăng cường mômen từ bề mặt khi số các
nguyên tử lân cận gần nhất (n.n) trên bề mặt giảm trở nên rõ ràng hơn
khi chúng ta đưa vào các dây nguyên tử và nguyên tử tự do để so sánh.

Cho ví dụ, đối với Ni, các mômen từ của khối, bề mặt (001), dây tuyến
tính và cuối cùng nguyên tử tự do, lần lượt là 0,56; 0,68; 1,1 và 2,0
mB

mB

[41] và 2,25; 2,96; 3,3 và 4,0
cho Fe [41]. Rõ ràng, các mômen từ đạt
đến giá trị của nguyên tử tự do khi số chiều bị giảm. Một số tác giả đã sử
dụng mô hình vùng Stoner, mô hình mô tả hiện tượng từ các điện tử linh
động [25], để giải thích hiện tượng tăng cường mômen từ ở bề mặt. Tiêu
chuẩn Stoner cho sự tồn tại của sắt từ chứa đựng một đại lượng quan
trọng: mật độ trạng thái ở mức Fermi D(EF), chúng xác định mômen từ
cho mỗi nguyên tử. Tuy nhiên mật độ trạng thái D(EF) phụ thuộc vào sự


phủ của các hàm sóng điện tử thuộc các nguyên tử cạnh nhau trong chất
rắn, và do đó cũng phụ thuộc vào số các nguyên tử lân cận gần nhất.
D(EF) thường khác với giá trị của nó ở mẫu khối hay bên trong màng
mỏng.
4.2.

Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ

Các vật liệu sắt từ, sắt điện, vật liệu của linh kiện điện tử mới đều có các
đặc trưng điện từ phụ thuộc mạnh vào kích thước hệ. Hình 0.1 [81] cho
thấy trong chất perovskite sắt từ La0,7Sr0,3MnO3: nhiệt độ Curie sắt từ
giảm khi độ dày màng giảm. Rõ ràng là điều này có liên quan đến năng
lượng thiết lập loại trật tự xa trong vật liệu và chưa được khảo sát cụ thể
về mặt lý thuyết.

Hình 0.1. Sự phụ thuộc bề dày màng mỏng của hằng số mạng
và nhiệt độ
Curie trong màng mỏng perovskite sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 [81].

Hình 3.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ của thăng giáng nhiệt cho các
màng mỏng với bề dày n khác nhau.

5.

Anh tìm hiểu thêm về hạt nano và siêu thuận từ (em sẽ
gửitheem cho anh)
Hạt nano


6.

Siêu
thuận
(supermagnetism)
từ
( />%ADn_t%E1%BB%AB)
Siêu thuận từ (tiếng Anh: Superparamagnetism) là một
hiện tượng, một trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ,
mà ở đó chất biểu hiện các tính chất giống như các
chất thuận từ, ngay ở dưới nhiệt độ Curie hay nhiệt độ Neél.
Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự
thắng thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng định
hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ.

Aaaaa


Sự phụ
thuộc
kích
thước
hạt

Từ hiệu ứng ‘Từ trở khổng lồ’ đến bộ nhớ
MRAM (Magnetic Random Access Memory)

Peter Gründberg và Albert Fert
Giải Nobel vật lý năm nay vừa được trao tặng cho hai nhà khoa
học Albert Fert và Peter Grünberg qua công trình nghiên cứu
về Từ Trở Khổng Lồ. Albert Fert, 69 tuổi, sinh tại Carcassonne
(miền nam nước Pháp), là giám đốc một trung tâm nghiên cứu vật
lý - liên kết giữa CNRS và THALES - ở Orsay (Pháp) từ năm
1995. Peter Grünberg, 68 tuổi, sinh tại Pilsen, hiện đã nghỉ hưu.
Đầu năm nay, Albert Fert và Peter Grünberg đã cùng được trao
tặng Japan Prize, một giải thưởng khoa học rất uy tín của Nhật
Bản.


Hơn mười năm trở lại đây, ngành vật lý vật liệu đã tiến một bước vượt
bực với hai khám phá khoa học quan trọng : Tính chất siêu dẫn ở nhiệt
độ cao (high-temperature superconductivity) và Từ trở khổng lồ (giant
magnetoresistance, GMR). Cả hai đang và sẽ đem lại cho công kỹ nghệ
những ứng dụng phi thường. Đặc biệt là các nghiên cứu về từ trở khổng

lồ đã đưa đến những tiến bộ khó tưởng trong khả năng dự trữ thông tin
của máy vi tính ngày nay.
Điện tử spin - Từ trở khổng lồ
Nhiều tính chất vật lý của vật liệu có thể thay đổi khi vật ấy được đặt
trong một từ trường. Một trong số đó là điện trở của một vật liệu biến
đổi theo chiều và cường độ của từ trường áp dụng trên vật liệu ấy. Dòng
điện được tạo ra do sự chuyển động của các electron mang điện tích.
Trong kim loại, sự chuyển động này thường bị các pha tạp hay khuyết
điểm trong hệ thống cấu trúc, và sự kích thích đồng loạt (phonon,
magnon) ngăn cản. Điện trở của một vật liệu là khả năng chống lại sự
vận chuyển đó. Các điện tích của electron quay quanh chính chúng và
tạo nên một moment tên gọi spin. Moment góc của spin là một vectơ có
thể hướng theo chiều lên (↑ ) hay xuống ( ↓ ) (up hoặc down, bắc hay
nam). Theo ước lược, tuy electron bị đụng chạm khi dòng điện đi qua
nhưng khả năng khuếch tán cùng với sự quay chiều của spin vẫn không
đáng kể.
Trong một số vật liệu chứa chất manganese (manganite), electron vận
chuyển cơ bản giữa các ion manganese (Mn). Những ion này là nguyên
tử vốn bị thiếu một hay nhiều electron. Mỗi ion đều có một số electron
không lưu động, chúng tạo thành một moment từ nội tại (hay một nam
châm) cho ion ấy. Sự di chuyển của electron di động tùy thuộc vào chiều
moment từ nội tại lên hay xuống của ion bên cạnh mà electron sẽ va
chạm. Hình 1 dưới đây phân biệt các trường hợp khả thể :


Hình 1 : Trạng thái dòng điện tùy theo chiều của spin di động đối với
từ độ của ion.
•

nếu spin của electron di động cùng chiều với moment của ion Mn

nó gặp, dòng điện sẽ nảy sinh. Vật liệu là chất dẫn điện.

•

nếu spin này ngược chiều với moment từ nội tại của ion Mn tiếp
đón nó, thì electron chẳng thể nhảy qua, như vậy dòng điện bị cắt.
Đây là trạng thái cản điện.

•

trường hợp thứ ba có thể xảy ra : Khi áp dụng vào chất manganite
một từ trường bên ngoài đủ mạnh, tất cả moment từ của các ion có
thể bị xoay để quay về cùng một hướng với spin của electron và
như thế khiến cho sự chuyển động dòng điện không còn gặp
chướng ngại. Đây là một trong những nguyên nhân của hiện tượng


‘‘từ trở khổng lồ’’.

Hiện tượng từ trường có thể làm cho điện trở thay đổi đã được ghi
nhận trong các thí nghiệm thực hiện trên những cấu trúc được chế tạo
bằng cách luân phiên chồng lớp một kim loại có từ tính với một kim loại
phi từ (Hình 2). Khi người ta áp dụng một từ trường lên vật liệu đa lớp
(multilayer) ấy thì từ độ của những lớp có từ tính đang ở trạng thái song
song đối chiều ( ↑↓ ) sẽ ngả sang trạng thái song song cùng chiều
( ↑↑) Biên độ hiện tượng này có thể lớn gấp hai biên độ đã thấy trước
đây trong các kim loại bình thường.
Một thí dụ cụ thể, nổi tiếng : Năm 1988, Albert Fert, khoa học gia về
vật lý, huy chương vàng của C.N.R.S. (Trung Tâm Nghiên Cứu Khoa
Học Quốc Gia) Pháp đã khám phá ra từ trở khổng lồ trên vật liệu đa lớp

của sắt và chromium, ông nhận ra : Lúc đầu, với một độ dầy nào đó của
các lớp chromium, từ độ của các lớp sắt lần lượt hướng theo chiều đối
nghịch nhau ; nhưng khi bị một từ trường bên ngoài tác động lên, chúng
đã quay cùng chiều và như thế khiến cho điện trở của vật liệu đa lớp này
sút giảm mạnh. Từ đấy, nhiều cấu trúc phức tạp khác gọi là van spin
(spin valve) được sáng chế và hãng IBM đã chú tâm khai thác trong mục
đích tăng gia sự hữu hiệu của các phần tử từ trở, ngỏ hầu ứng dụng vào
kỹ nghệ vi tính.
Nếu trước đây, spin của electron không đuợc giới vật lý lưu ý trong
các nghiên cứu về hiện tượng chuyển tải dòng điện, thì sau này sự quan
tâm tới spin đã mở ra một phạm trù mới cho vật lý hiện đại, cũng là một
nhánh mới cho ngành vi điện tử, đấy là ‘‘Điện tử spin’’ (spintronic).
Biểu hiện đầu tiên của spintronic là hiệu ứng từ trở khổng lồ phát hiện
trong những lớp vật liệu mang từ tính.
Nói đến spintronic, Albert Fert giải thích như sau : ‘‘Điện tử spin khai
thác tính chất lượng tử của electron : Chúng ta có thể tưởng tượng spin


như một chiếc kim la bàn nhỏ xíu
trong electron. Khi mà điện tử
thông thường vận hành và hướng
dẫn electron bằng cách áp dụng
một lực trên điện tích của chúng,
thì spintronic tác động trên spin
của electron’’.
Spintronic dựa trên một số điểm
chính sau đây :
Hình 2 : Vật liệu đa lớp ; điện trở đo
thẳng góc xuyên qua chồng lớp này lệ
thuộc vào chiều của spin trong hai vỏ

kim loại sắt từ bọc ngoài lớp kim loại
phi từ. Trường hợp 1: điện trở yếu vì
không có sự phân tán ; trường hợp 2 :
các spin đối chiều, điện trở lớn hơn.

Hình 3 : Cấu trúc perovskite lý tưởng :
các chuỗi khối tám mặt MnO6 liên kết
với nhau ở đỉnh theo ba chiều không
gian.

1.

Số
lượng
spin ↑ và
spin ↓ trong vật liệu mang
từ tính khác nhau. Chính sự
khác biệt này tạo nên sự từ
hoá (moment từ vĩ mô) cho
vật liệu.

2.

Có hai loại điện tử : dòng
electron với spin ↑ và dòng
electron với spin ↓ , chúng
cùng song song dẫn điện.

3.

Khả năng khuếch tán của
electron lưu động lệ thuộc
vào chiều spin so với từ độ
của vật liệu.

4.

Chiều dài chuyển tiếp: khi
dòng điện truyền đi từ một
môi trường có từ tính sang
một môi trường phi từ, sẽ
xảy ra sự không đồng thuận
ở biên giới hai môi trường
ấy do số spin ↑ và số


spin ↓ khác nhau trong kim loại từ và bằng nhau trong chất phi từ.
Như thế tạo ra một vùng biên giới chuyển tiếp, trong đó tính bất
đối xứng của spin giảm dần. Khả năng khuếch tán của electron đi
đôi với sự quay chiều spin tuy rất nhỏ nhưng sinh ra một chiều dài
chuyển tiếp, còn được gọi là chiều dài khuếch tán của spin.
Đi vào lý thuyết một chút, định nghĩa của từ trở thể hiện theo công
thức :
MR = [Δρ/ρ(0)] = [ρ(H) - ρ(0)] / ρ(0)
với ρ(H) là điện trở hay điện trở suất ở một nhiệt độ ấn định, khi có từ
trường H ; còn ρ(0) là điện trở khi không có H (H = 0).
Từ trở MR có thể âm hay dương. Từ trở của đa số các kim loại thường
nhỏ, chỉ chừng vài phần trăm. Trong những kim loại phi từ nguyên chất
hay trong các hợp kim, MR thường mang trị số dương. Với vật liệu
mang từ tính, MR có thể âm vì từ trường áp dụng làm biến mất tính cách

vô trật tự trong hệ thống xếp đặt các spin.
Ngoài số vật liệu MR đa lớp gồm hai kim loại lần lượt mang tính sắt
từ (ferromagnetic) và đối sắt từ (antiferromagnetic) hay phi từ, như sắt
và chromium trong khám phá vào năm 1988 của Abert Fert nêu trên, từ
trở khổng lồ đã xuất hiện nơi các hạt sắt từ (ferromagnetic granules)
phân tán trong những màng kim loại thuận từ (paramagnetic metal
films), chẳng hạn như đồng và sắt.
Tiếp theo đó, vào những năm 1993-1995, qua cộng tác chung giữa các
hóa học và vật lý gia, tính chất từ trở khổng lồ âm đã được tìm ra trong
các ốc-xít chứa chất manganese và kim loại đất hiếm (rare-earth), chúng
có công thức hóa học Ln1-xAxMnO3 [Ln = đất hiếm ; A = ion dương, hóa
trị đôi như đất kiềm (alkaline earth)]. Vật liệu này có cấu trúc mạng
perovskite (Hình 3) : các khối tám mặt (octahedron), mỗi khối có một
ion Mn ở giữa và sáu ion oxy ở đỉnh, liên kết với nhau thành chuỗi theo
ba chiều không gian. Những ion dương Ln và A ngụ trong khoảng trống
tạo bởi các chuỗi khối tám mặt.


Biên độ từ trở khổng lồ của chúng có thể rất lớn, MR của phương
trình trên lên đến gần 100%. Do đó nhiều khoa học gia chọn tên
‘‘Colossal magnetoresistance’’ (CMR) để phân biệt với ‘‘Giant
magnetoresistance’’ (GMR) đã hiện hữu trong các vật liệu kim loại hạt
hay đa lớp.
Trong hai vật liệu hạt và đa lớp, cơ chế vật lý đưa đến hiện tượng là sự
vận chuyển của các spin phân cực (polarized spins). Đối với những
perovskite chứa manganese cũng thế, spin phân cực là nguồn gốc của từ
trở khổng lồ âm, nhưng nó khác biệt hẳn với những gì xảy ra trong kim
loại đa lớp.
Một trong các nguồn gốc vật lý cơ bản đưa đến từ trở khổng lồ của các
ốc-xít manganese Ln1-xAxMnO3 là hiện tượng ‘‘trao đổi kép’’ Zener

(double- exchange) giữa hai ion manganese hóa trị ba (Mn3+) và bốn
(Mn4+) cùng hiện hữu trong vật liệu, qua trung gian của ion oxy (O2-). Cơ
chế trao đổi này đưa đến sự dời đổi một electron từ vị trí ion Mn3+(với
orbital d ngoài cùng có 4 electron) sang ion oxy trung tâm, đồng thời
một electon từ oxy trung tâm này nhảy qua ion Mn4+ (orbital d có 3
electron) bên cạnh, xem như hai ion Mn đã hoán vị :
Mn3+ - O2- - Mn4+ ==> Mn4+ - O2- - Mn3+
Năng lượng của hệ thống hạ thấp nhất khi spin của hai ion Mn3+ và
Mn4+ song song đồng chiều. Phản ứng trao đổi này đưa tới một tình
trạng vật lý mới, trong đó sự xếp đặt các spin cho cùng hướng với spin
thuộc orbital d của những ion Mn kế bên đã đi kèm với một tăng gia tỷ
suất dời đổi của các electron, và như vậy cũng làm tính chất dẫn điện
mạnh hơn. Kết luận là muốn làm tăng khả năng dẫn điện cần có những
tương tác sắt từ (giữa các spin song song cùng chiều). Cũng nên lưu ý
ở đây là trao đổi bên trong nguyên tử mạnh hơn sự hoán chuyển giữa hai
ion Mn. Tính cách ‘‘trao đổi kép’’ lệ thuộc rất nhiều vào các tham số
của cấu trúc chất ốc-xít, tỉ dụ : góc đo Mn-O-Mn hay tích phân dời
chuyển (transfert integral) giữa Mn-Mn.


Bên cạnh gia đình các chất ốc-xít manganese có cấu trúc perovskite
Ln1-xAxMnO3, người ta còn tìm thấy từ trở khổng lồ trong một gia đình
ốc-xít khác với công thức hoá học Tl2Mn2O7. Các chất này có cấu trúc
tên pyrochlore phức tạp hơn cấu trúc perovskite, tuy nguyên tử
manganese vẫn ở trong khối tám mặt nối liền với nhau qua các nguyên
tử oxy, nhưng nếu góc đo Mn-O-Mn trong perovskite gần 180° thì ở
pyrochlore góc này nhỏ hơn, khoảng 134°. Nguyên tử thallium (Tl) nằm
trong vòng sáu cạnh hợp bởi các oxy.
Vì Tl2Mn2O73+ cũng chứa chất từ manganese, nên ban đầu người ta tin
rằng nó sẽ có sự ‘‘trao đổi kép’’ Mn/Mn4+ và đưa đến tính sắt từ như

trong trường hợp của perovskite. Tuy nhiên, những phân giải cấu trúc
bằng phương pháp nhiễu xạ neutron trên chất pyrochlore có từ trở khổng
lồ đã cho thấy chỉ có ion Mn4+ hiện hữu trong vật liệu, còn ion
Mn3+ hoàn toàn vắng bóng.
Như thế, nguồn gốc của từ trở khổng lồ trong pyrochlore không do
‘‘trao đổi kép’’ mà dựa trên một cơ chế điều khiển bởi tương tác từ kiểu
‘‘siêu trao đổi’’ trong mạng của Mn và oxy (Mn-O), cùng với tương tác
này còn có tác dụng của tính dẫn điện phát xuất từ sự hoà trộn các trạng
thái hoá trị của ion thallium. Đương nhiên, ngoài những yếu tố nêu trên
còn nhiều định luật và tham số vật lý khác đưa đến hiện tượng từ trở
khổng lồ.
Từ trở do hiệu ứng
đường hầm
Đến năm 1995, vai trò của điện tử spin càng được củng cố hơn nữa
nhờ một hiện tượng vật lý tương tự được phát hiện, đó là ‘‘từ trở do hiệu
ứng đường hầm’’ (tunneling magnetoresistance TMR). Jean Moodera là
người lần đầu tiên tìm ra hiệu ứng đường hầm lệ thuộc vào spin, ở nhiệt
độ bình thường. Trong hình thức đơn giản nhất, cầu nối đường hầm có
từ tính (magnetic tunnel junction MTJ) là một vật liệu ba lớp gồm có
một màng rất mỏng cấu tạo bằng chất cách điện hay chất bán dẫn (độ
dầy chừng 2 nm = 2.10-9 m) ép giữa hai lớp sắt từ. Khi một hiệu thế
được áp dụng giữa hai lớp sắt từ ấy (xem là 2 điện cực), sẽ phát sinh một


dòng điện chạy qua lớp cách điện nằm giữa, lớp này mang tên hàng rào
đường hầm. Sự hiện hữu của dòng điện đó là một trong những hậu quả
kỳ lạ của thuyết lượng tử. Điện trở của một MTJ tùy theo chiều những
moment từ của hai điện cực; nó lớn nhất khi các moment đó song song
cùng chiều và nhỏ nhất khi chúng trái chiều. Như thế, từ trở do hiệu ứng
đường hầm chẳng những lệ thuộc vào sự bất đối xứng của các spin trong

hai lớp sắt từ mà còn thay đổi theo cấu trúc điện tử của màng cách nhiệt,
và theo bản chất của sự giao tiếp điện tử ở vùng giao thoa cách điện kim loại.
Ứng Dụng Công Kỹ Nghệ - Bộ nhớ MRAM
Lâu nay những phương pháp dùng để đo dò các từ trường, nhất là từ
trường cường độ yếu đã có rất nhiều và đa dạng. Với điện tử spin, những
cách thức hiệu nghiệm mới được phát minh, đó là bộ máy có khả năng
dò bắt từ trường một cách thật nhạy bén.
‘‘Hiệu ứng từ-trở’’ đã được dùng để chế tạo các đầu đọc/ghi của đĩa
cứng trong máy vi tính hiện thời. Để nhanh chóng đạt tới những thông
tin chứa trong đĩa cứng, máy vi tính phải có nhiều đầu đọc. Mỗi lần một
thông tin (bit) đi qua, đầu đọc ‘‘nhìn thấy’’ một cực bắc hay một cực
nam, cực này tạo thành từ trường. Tùy theo bản chất nam hay bắc của
cực, bit thông tin nhị phân sẽ là 0 hay 1. Mỗi bit xem như một nam châm
trong đĩa cứng; một đĩa 40 GigaOctet đựng ít nhất 8*40*109, tức là
khoảng vài trăm tỉ, nam châm. Khi chúng ta mở máy vi tính, máy sẽ đọc
một số nhu liệu trên đĩa và đem chúng vào các bộ nhớ RAM (Random
Access Memory), thời gian đạt tới bộ nhớ RAM làm bằng chất bán dẫn
rất nhanh (cỡ 1 phần trăm triệu giây đồng hồ). Tuy vậy, bộ nhớ RAM dễ
tiêu tan, tất cả các thông tin dự trữ trong nó sẽ biến mất ngay khi chúng
ta tắt máy.
Ngày nay, nhờ từ trở khổng lồ cung cấp khả năng dò được rất nhạy
các từ trường thật nhỏ, đã phát sinh khi máy vi tính ghi ký hiệu vào đĩa,
kích thước ký hiệu được giảm thiểu và mật độ thông tin chứa đựng trong
đĩa cứng tăng lên khoảng 100 lần. Tuy thế, Albert Fert cho rằng khả


năng ấy của từ trở khổng lồ có giới hạn, nó chỉ có thể đưa đến mật độ tối
đa là 20 giga-bit cho một cm vuông trên đĩa. Và ông có niềm tin là ‘‘từ
trở do hiệu ứng đường hầm’’ sẽ đem lại những ứng dụng có tiềm thế cho
ngành vi điện tử. Bằng phương thức giữ y nguyên moment của một

trong hai màng sắt từ và thay đổi chiều của màng thứ nhì, hiệu ứng MTJ
có thể đưa tới hai loại điện trở, một với mô hình spin đồng chiều và một
khác chiều, điều ấy cho phép máy vi tính ghi vào đĩa trạng thái 0 và
trạng thái 1, mà không bị mất năng lượng. Hiện tượng đường hầm làm
cho từ trở của vật liệu biến thiên mạnh ở nhiệt độ bình thường, trong
trường hợp từ trở khổng lồ độ biến thiên ấy ba lần lớn hơn. Điều này đã
được áp dụng để chế tạo ra bộ nhớ điện tử mới là MRAM (Magnetic
Random Access Memory). Ưu điểm của bộ nhớ MRAM, so với RAM,
là nó tích trữ các thông tin một cách thường trực. Nhờ đó, không cần
phải lưu trữ một số chương trình trên đĩa khi máy tắt và nạp lại lúc mở
ra ; máy sẽ khởi động mau chóng và tránh được rất nhiều việc bị mất
những dữ liệu. Các bộ nhớ MRAM cũng tiêu thụ ít điện hơn, do đó dùng
MRAM sẽ tăng tuổi thọ các ắc-quy của máy vi tính và điện thoại di
động.
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ
(tiếng Anh: 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. Tên
gọi gốc tiếng Anh của GMR là "Giant magnetoresistance", dịch sang
tiếng Việt còn chưa thống nhất (giữa từ "lớn" hay "khổng lồ") do việc so
sánh với tên gọi một hiệu ứng từ điện trở khác có tên tiếng Anh là
"Colossal magnetoresistance" (Từ "Colossal" có nghĩa còn lớn hơn với
"Giant"). Vì thế, những nhà nghiên cứu khoa học vật liệu, vật lý chất
rắn ở Việt Nam gọi tắt chung hiệu ứng này là GMR.


Lịch sử của GMR
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

mạng Fe(001)/Cr(001) cho tỉ số từ trở tới vài chục %. Nhóm nghiên cứu
của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) phát hiện ứng
này trên màng mỏng kiểu "bánh kẹp" (sandwich) 3 lớp
Fe(12 nm/Cr(1 nm)/Fe(12 nm) chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm
phân tử trên đế GaAs. Hai tác giả này đã nhận giải thưởng Nobel Vật lý
năm 2007 cho phát minh này.
Đây là hai nhóm độc lập nghiên cứu và phát hiện ra hiệu ứng GMR
trên các màng đa lớp có các lớp sắt từ bị phân cách bởi lớp phản sắt
từ hoặc phi từ, đồng thời đưa ra các giả thiết để giải thích hiệu ứng này.
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 Cosiêu 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.
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:
•

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
Là khái niệm được đề xuất năm 1935 bởi Mott để giải thích các tính
chất bất thường của điện trở trong các kim loại sắt từ. Mott cho rằng ở
nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển
dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có
spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ.
Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân
bằng của hai loại spin có chiều khác nhau.
Các lớp phản sắt từ (ví dụ Cr) hay phi từ (ví dụ Cu) đóng vai trò ngăn
cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho mômen từ của các lớp sắt từ phải có
sự định hướng khác nhau sao cho có sự cân bằng về từ độ. Sự tác động
của từ trường ngoài dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của mômen từ
ở mỗi lớp, dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin phân cực, và
dẫn đến sự thay đổi về điện trở suất.

•


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 spin valve 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.