Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) trong hợp kim hệ hạt Co - Cu

1

Đinh Thị Bắc

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học sư phạm hà nội 2
***&***

INH TH BC

Nghiên cứu
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (gmr)
trong hợp kim hệ hạt Co - Cu

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số:604407

Luận văn thạc sĩ vật lý

Cố vấn khoa học: GS.TS Nguyễn Hoàng Nghị
Người hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Xuân Chiến

hà nội 2011

Luận văn thạc sĩ Vật lí


2

Đinh Thị Bắc

Lời cảm ơn
Luận văn này được hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Vật liệu từ và
nanô tinh thể, Viện Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Gs.Ts
Nguyễn Hoàng Nghị người cố vấn khoa học, Ts Bùi Xuân Chiến ngưòi hướng
dẫn khoa học trực tiếp và tập thể các cán bộ, giáo viên Bộ môn và Phòng thí
nghiệm Vật liệu từ và nanô tinh thể đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp nơi tôi công tác
Trường THPT Nho Quan B Ninh Bình tạo điều kiện, động viên giúp đỡ tôi
trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố, mẹ, chồng và tất cả những
người thân yêu trong gia đình cùng bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi rất nhiều
cả về vật chất và tinh thần trong thời gian thực hiện luận.
Luận văn này đã được hoàn thành với sự hợp tác khoa hoc của đề tài
nghiên cứu Khoa học cơ bản ( Khoa học tự nhiên) năm 2010, mã số 103.022010.19 (11 Vật Lý).

Tác giả luận văn

Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

3

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn là của riêng tôi. Các kết quả nêu

trong luận văn là trung thực.

Tác giả luận văn

Đinh Thị Bắc

Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

4
Mục lục

Lời cảm ơn..................................................................................................

1

Lời cam đoan..............................................................................................

2

Mục lục.......................................................................................................

3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt......................................................

6

Mở đầu........................................................................................................

7

Nội dung
Chương 1: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR

9

1.1 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt ............

9

1.1.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR..

9

1.1.2 Cấu trúc nanô của vật liệu từ điện trở dạng hạt..

10

1.1.3 Cấu trúc đơn đômen...

12

1.1.4 Trạng thái siêu thuận từ

14

1.2 Hiệu ứng từ điện trở..

14

1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)...

14

1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)...

15

1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance)..

17

1.1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong dạng màng đa lớp.........................

17

Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

5

1.1.3.2 Sự phát hiện hiệu ứng GMR trong hệ hạt................................................

18

1.2.4 Mật độ trạng thái................................................................................

21

1.3 Cơ chế của hiệu ứng GMR....................................................................

24

1.3.1 Mô hình hai dòng của Mott................................................................

25

1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin...........................................................

27

1.4 Giải thích hiệu ứng GMR trong hệ màng đa lớp..................................

28

1.4.1 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình tán xạ phụ thuộc spin........

28

1.4.2 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình cấu trúc dải........................

30

1.5 Hiệu ứng từ điện trở trong các cấu hình đo...........................................

33

1.6 ứng dụng hiệu ứng GMR......................................................................

34

Chương 2: Thực nghiệm

36

2.1 Công nghệ chế tạo.

36

2.1.1 Công nghệ nguội nhanh.. 36
2.1.2 Phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dưới dạng băng mỏng.........

37

2.1.3 Chiều dày tới hạn của băng hợp kim vô định hình. ...

38

2.1.4. Tốc độ nguội tới hạn của hợp kim nóng chảy ..

39

2.2 Công nghệ chế tạo mẫu.....

43

2.2.1 Công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng bằng thiết bị nguội nhanh đơn 43

Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

6

trục...............................................................
2.2.2. Nấu phối, phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu ở dạng băng mỏng

44

2.2.3. Kỹ thuật gia công mẫu......................................................................

46

2.2.4 Xử lý nhiệt kết tinh .... 46
2.3 Các phương pháp nghiên cứu....

48

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử...

48

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction).

49

2.3.3 Phương pháp đo từ điện trở bằng 4 mũi dò. 49
Chương 3: Kết quả nghiên cứu

52

3.1 Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt .............................. 52
3.2 ảnh hưởng của hàm lượng Co lên cấu trúc, tính chất từ và tỷ số GMR của 55
hệ mẫu Co Cu.............................................................................................................
3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Co-Cu

60

3.4 ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đo với mẫu Co10Cu90.... 65
Kết luận chung

69

Tài liệu tham khảo

70

Luận văn thạc sĩ Vật lí


7

Đinh Thị Bắc

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
sử dụng trong luận văn
Chữ viết
tắt

Chữ tiếng Anh đầy đủ

Nghĩa tiếng việt

AES

Auger Electron Spectroscopy

Phổ điện tử Auger

AF

Antiferromagnetic

Phản sắt từ

BEI

Bede scattered Electron Image

Điện tử tán xạ ngược

DOS

Density of States

Mật độ trạng thái

FM

Ferromagnetic

Sắt từ

GMR

Giant Magnetoresistance

Từ điện trở khổng lồ

HREM

High resolution electron
microscopy

Hiển vi điện tử phân giải cao

MR

Magnetoresistance

Từ điện trở

NM

Non Magnetic

Phi từ

OMR

Ordinary Magnetoresistance

Từ điện trở thường

RKKY

Ruderman-Kittel-KasuyaYosida

Tên riêng các nhà khoa học

SEM

Scanning Electron Microscope

Hiển vi điện tử quét

Spin

Spin up

Điện tử Spin hướng lên

Spin

Spin down

Điện tử Spin hướng xuống

TEM
VĐH
VSM
XRD

Transmission Electron
Microscope
Amorphous
Vibrating Sample
Magnetometer
X-ray Diffraction

Luận văn thạc sĩ Vật lí

Hiển vi điện tử truyền qua
Vô định hình
Từ kế mẫu rung
Nhiễu xạ tia X


§inh ThÞ B¾c

8

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại đây nhiều hiện tượng, tính
chất vật lý mới được khám phá và nghiên cứu mạnh mẽ ở các hệ từ có các đặc
trưng kích thước giới hạn. Một trong những hiệu ứng được phát hiện là hiệu
ứng từ điện trở khổng lồ. Hiệu ứng này do hai nhà vật lý học Albert Fert
người Pháp và Peter Grunberg người Đức cùng phát hiện ra. Hiệu ứng không
chỉ do sự thay đổi lớn về giá trị mà do cơ chế, đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc
spin của điện tử. Điện trở của vật liệu thay đổi là do sự đóng góp của các yếu
tố: tán xạ trên mạng tinh thể; tán xạ trên spin và tán xạ trên sai hỏng. Các điện
tử có spin định hướng khác nhau (up va down) sẽ tán xạ khác nhau trên các
lớp sắt từ dẫn đến việc thay đổi về điện trở của mẫu.
Phát hiện này đã mở ra một nghành mới là “spintronics” (điện tử học
spin), cho phép chế tạo các linh kiện hoạt động bằng cách điều khiển sự phân
cực của spin điện tử (giống như việc dùng điện trường để điều khiển hạt dẫn
là điện tử trong các linh kiện điện tử truyền thống). Các nhà khoa học tin
tưởng rằng đây sẽ là thế hệ linh kiện điện tử cho tương lai với tốc độ truyền
thông tin cực nhanh và khả năng lưu trữ thông tin lớn. Phát hiện này ngay lập
tức được ứng dụng trong các đầu đọc ghi của ổ cứng, làm tăng tốc độ đọc ghi
thông tin và tăng mật độ lưu trữ cho ổ đĩa cứng. Ứng dụng của hiện tưọng vật
lý này đã cách mạng hoá các kỹ thuật để tìm lại được các dữ liệu trên ổ cứng
máy tính. Khám phá này đóng một vai trò then chốt trong các bộ cảm biến từ
cũng như sự phát triển của một thế hệ điện tử mới. Khám phá của họ đã biến
việc thu nhỏ tối đa kích thước ổ cứng trở thành hiện thực đồng thời cho phép
người dùng có thể lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng một cách nhanh chóng và dễ
dàng.

LuËn v¨n th¹c sÜ VËt lÝ


Đinh Thị Bắc

9

Nhng ng dng ca hiu ng t in tr khng l (GMR) m nú ó
tr thnh ch ni bt trong vt lý cng nh trong cỏc nghnh khoa hc v
k thut vt liu. Ngi ta ó tỡm ra nhiu phng phỏp khỏc nhau ch to
vt liu GMR dng ht nh bc bay nhit, phỳn x cao tn, in hoỏ, ngui
nhanh hp kim t th lng ... K thut ngui nhanh trc tip t th lng cú th
cho phộp to ra mt trng thỏi mi ca kim loi: trng thỏi vụ nh hỡnh vi
c im cu trỳc vi mụ. Vỡ vy hp kim vụ nh hỡnh ó tr thnh nguyờn
liu lý tng ch to cỏc vt liu cu trỳc nanụ bng cỏch phõn hu cht
rn siờu quỏ bóo ho c hỡnh thnh trong quỏ trỡnh ngui nhanh.
Bi nhng lý do nờu trờn tụi ó chn ti: Hiu ng t in tr
khng l trong h ht Co-Cu
2. Mc ớch nghiờn cu
- Ch to hp kim CoxCu100-x (x=8,10,12) bng phng phỏp ngui nhanh.
- Kho sỏt hiu ng GMR trong vt liu h ht.
- Kho sỏt s nh hng ca hm lng Co lờn cu trỳc, tớnh cht t v t s
GMR ca h mu Co-Cu.
- Kho sỏt nh hng ca ch nhit lờn t s GMR ca h Co-Cu.
- Kho sỏt nh hng ca nhit mụi trng o vi mu Co10C90.
3. Nhim v nghiờn cu
- Nghiờn cu ti liu, tin hnh thớ nghim, phõn tớch kt qu v a ra kt
lun.
4. i tng v phm vi nghiờn cu
- Mu bng dng ht Co-Cu. Phm vi nghiờn cu ca ti: Nghiờn cu hiu
ng t in tr trong h ht Co-Cu.
5. Phng phỏp nghiờn cu
- Ch to mu bng phng phỏp ngui nhanh . Nghiờn cu cu trỳc bng
phng phỏp hin vi in t, nhiu x tia X. o t in tr bng 4 mi dũ.
Luận văn thạc sĩ Vật lí

10

Đinh Thị Bắc

CHNG 1
HIU NG T IN TR KHNG L GMR
1.1 Cu trỳc v trng thỏi t ca vt liu t in tr dng ht
1.1.1 Thnh phn cu to ca vt liu t in tr khng l GMR
Thnh phn cu to ca vt liu t in tr khng l GMR gm hai
thnh phn chớnh l vt liu phi t (nh Cu, Ag, Au,...) v vt liu t (nh Fe,
Co,...).
Nh ta ó bit dũng in l dũng cỏc in t. Gm hai loi in t: in
t hng lờn (spin up - ) v in t hng xung (spin down - ). Trong vt
dn phi t, chng hn Cu mi nguyờn t cú 29 in t lp y cỏc mc nng
lng t trong ra ngoi: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Lp 3d lp y 10 in t
mi chuyn sang lp 4s nờn Cu khụng cú momen t, s in t hng lờn
bng s in t hng xung. Trong vt liu t, chng hn nh Ni mi
nguyờn t cú 28 in t cu hỡnh in t: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2( ớt hn Cu
mt in t). Cỏc in t cha lp y lp 3d ó chuyn sang lp y lp
4s, lm cho Ni cú s trao i qua li gia lp 3d v lp 4s to ra s lai hoỏ, s
in t cú spin hng lờn nhiu hn s in t cú spin hng xung. Kt qu
l nguyờn t Ni cú momen t riờng [2].
Hạt sắt từ; Co, Fe, Ni,
NiCo, FeCo,...
Nền kim loại phi từ: Cu,
Au, Ag,.....
Đế (Si/SiO2, Si, thủy tinh, sa-phia,...

Hỡnh 1.1: S minh ho cu trỳc dng ht ca mng mng n lp[8]

Luận văn thạc sĩ Vật lí


11

Đinh Thị Bắc

Hạt sắt từ; Co, Fe, Ni,
NiCo, FeCo,...
Nền kim loại phi từ: Cu,
Au, Ag,.....

Hỡnh 1.2: S minh ho cu trỳc dng ht ca vt liu khi [8]
1.1.2 Cu trỳc nanụ ca vt liu t in tr dng ht
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, loại thứ hai gồm các hạt kim
loại từ kích thước nanô mét trong nền kim loại phi từ, đó là vật liệu GMR, đã đựợc các
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây, ví dụ như hệ Co - Cu.
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 - 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 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). 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. [12]
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 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

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

Luận văn thạc sĩ Vật lí

(1.1)


12

Đinh Thị Bắc

S

3 xv
r

(1.2)

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

16
d
xv

r

(1.3)

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.

Hình 1.3: Mô tả sự thay đổi cấu trúc của vật liệu từ dạng hạt
theo sự thay đổi tỷ phần thể tích (0 xv 1)[12]

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). Nên:
xa = xv

(1.4)

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.

Luận văn thạc sĩ Vật lí


13

Đinh Thị Bắc
1.1.3 Cấu trúc đơn đômen

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 đômen:

M

M .H
M S cos
H

(1.5)

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

HC

H

Hình 1.4: Đường cong từ trễ

của vật liệu có cấu trúc dạng hạt [12]
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
Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

14

các hạt từ. ở nhiệt độ thấp hướng của các mômen 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 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
bởi vì các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầu theo trục dị hướng của
hạt đơn đômen.
Cấu trức đơn đomen của các vật liệu từ thì lực kháng từ Hc của các hạt từ
lớn hơn trong vật liệu dạng khối đồng nhất. Theo nghiên cứu lý thuyết, các hạt sắt
từ đơn đômen có lực kháng từ bằng 2K / Ms = 600 Oe (K Là Hằng số dị hướng
tinh thể), còn đối với mẫu khối là 10 Oe. 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 đomen thể hiện lực kháng từ Hc lớn, hằng số dị hướng K lớn và sự
phụ thuộc 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 đômen 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 qua 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 đômen,
tương tác của điện tử dẫn với các mômen 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.

Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

15

1.1.4 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, và vật liệu sắt từ. Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có
mômen từ nguyên tử bằng không. Hai loại vật liệu từ còn lại có mômen 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 mômen 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 mômen từ khác không, nhưng do không có tương tác trao
đổi giữa các mômen 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 mômen 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 mômen từ của hạt theo 1 phương - phương dễ từ hoá) nhỏ hơn năng lượng
nhiệt (yếu tố làm mômen 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 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 (superparamagnetic system). Tính chất siêu thuận từ
đã được quan sát thấy trong các hệ vật liệu hệ Co - Cu có hiệu ứng từ trở khổng lồ

(GMR effect).
1.2 Hiệu ứng từ điện trở
1.2.1 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 được điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng
này được phát hiện lần đầu tiên bởi William Thormon(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 OMR (Ordinary Magneto Resistance).

Luận văn thạc sĩ Vật lí


16

Đinh Thị Bắc

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 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:





f (H / )

(1.6)

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

(1.7)

1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)
Hiu ng AMR ln u tiên c William Thomson, mt giáo sư đại
học Glasgow (Vương quốc Anh) phát hiện vo nm 1856. Trong bi báo công
b trên tp san ca Hiệp hội hoàng gia Anh, William Thomson ã ch ra s
thay i điện trở ca các mu vt dn kim loại sắt từ l Niken v Sắt di tác
dng ca t trng ngoi ca mt nam châm điện, cụ th t ti 3-5% nhiệt
độ phòng. Ngoi ra, s thay i ny còn ph thuc vo phng o, góc tng
i gia cường độ dòng điện (ca b o điện trở) v từ trường ngoi, hay
chiu ca độ từ hoá ca mu. Năm 1951 J.Smit đã đặt hiệu ứng này là hiu

ng t in tr d hng (AMR).

Luận văn thạc sĩ Vật lí


17

Đinh Thị Bắc

Hiu ng AMR ch xy ra trong các mu kim loi sắt từ hoc trong mt
s chất bán dẫn hoc bán kim cứ xy ra hiệu ứng Hall ln d thng nhng
khá nh. Trong từ học, ngi ta c trng cho tính cht t in tr d hng
bi bin thiên in tr sut theo hai phng song song v vuông góc vi t
trng:
//

(1.8)

V hiu ng AMR c ánh giá thông qua t s:
AMR

1
3



(1.9)

av
2

3

Vi: av //

(1.10)

Hình 1.5: S thay ổi in tr sut
ca kim loi st t theo từ trng ngoài [8]

Lý thuyt v hiu ng AMR ln u tiên c gii thích vo nm 1971
bi mô hình tán x in t trên các in t dn. Hin tng t in tr ây
ch yu b tri phi bi s thay i khối lượng hiệu dụng ca in t khi tán x
Luận văn thạc sĩ Vật lí


18

Đinh Thị Bắc

trên các vùng nng lng, v giá tr t s AMR có th ph thuc vo bc hai
ca t trng:


0

B 2 2 e 2 (

1
1
)2

m1 m2

(1.11)

Vi , e l thi gian hi phục v in tích ca in t.
m1, m2 l khối lượng hiệu dụng trên các vùng năng lượng.
1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance)
1.2.3.1 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong dạng màng đa lớp
Hiu ng t in tr khng l GMR l s thay i ln ca điện trở
các vật liệu từ di tác dng ca từ trường ngoi. 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. 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).
ln ca GMR c th hin qua t s t in tr:
MR%

( H ) (0) R( H ) R(o)

(0)
R(0)

(1.12)

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.
Kt qu v hiu ng t in tr khng l trong các siêu mng Fe/Cr
phát hin bởi nhóm ca Albert Fert.

Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

19

Hình 1.6: Tỉ số GMR phụ thuộc vào từ trường trong màng đa lớp [9]
1.2.3.2 Sự phát hiện hiệu ứng GMR trong hệ hạt
Năm 1992, nhóm của A. E. Berkowitz ở Trường đại học tổng hợp
California, San Diego [10] và nhóm của C.L. Chien ở Trường đại học tổng hợp
Johns Hopkins, Baltimor, Maryland [13] phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các
mng hợp kim Co-Cu với cấu trúc l các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ
số từ trở đạt tới hơn 20%, được chế tạo bằng phương pháp phún xạ. Sau đó các
vật liệu từ cấu trúc dạng hạt, có hiệu ứng GMR đã được các nhà nghiên cứu về
sau tiếp tục phát triển, lý giải và chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau.
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 xoay theo chiều của từ trường ngoài và khi đó mẫu có
Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

20

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, 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.
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 trường ngoài tăng dần, số lượng các hạt có
véctơ 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[13]:

Luận văn thạc sĩ Vật lí

21

Đinh Thị Bắc







H 0
M2
A
2
0
MS

(1.13)

Trong đó A là biên độ của GMR, điện trở suất được biểu diễn bằng biểu
thức[1]: = 0 + ph(T) + m(T){1 f[(M/MS)2]}

(1.14)

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 (1.13) đối với GMR có thể thấy rằng biên độ
của GMR là [8] :
A

m T

(1.15)

0 ph T m T

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.

R/R

- HS

HS

Hình 1.7: Đường cong GMR của vật liệu cấu trúc dạng hạt
và trạng thái từ điện trở với sắp xếp mômen từ của các hạt từ [12]

Luận văn thạc sĩ Vật lí


Đinh Thị Bắc

22

1.2.4 Mật độ trạng thái (Density Of State - DOS)
Khi 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. 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 mật độ trạng thái 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
hoàn toàn mômen 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 mômen từ nguyên tử.
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 mômen từ của nguyên tử bằng 0, do đó mômen từ của vật liệu bằng 0.

Luận văn thạc sĩ Vật lí


23

Đinh Thị Bắc

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 có giá trị 2E 2 H B trạng
thái đó ứng với năng lượng không cực tiểu và không bền. Vì vậy một phần
spin down chuyển sang spin up và số spin up nhiều hơn tạo nên mômen từ cho
nguyên tử: M= B2 HN ( ) .
Ta có thể tính cụ thể như sau [12]:

E

E

E

2BH
H=0

H

N(E)

Hình 1.8: Sơ đồ vùng năng lượng
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

( k ) d

(1.16)

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

Và k ( k ) B H ; k ( k ) B H
( ) là mật độ trạng thái có năng lượng .

Luận văn thạc sĩ Vật lí

(1.17)

24

Đinh Thị Bắc

Tương tự cho các điện tử có spin down (-):


1
n ( ) f 0 ( k )d
2
0

(1.18)

Do đó mômen từ của nguyên tử là:

M 0 (n n ) B2 HN ( F )

(1.19)

Đối với các nguyên tử sắt từ, các nguyên tử có sẵn mômen 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 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

(1.20)

(1.21)

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

Với tổng số spin là:

Luận văn thạc sĩ Vật lí

(1.22)


Đinh Thị Bắc

25



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

(1.23)

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 .
1.3 Cơ chế của hiệu ứng GMR
Điện trở của vật rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử và có đóng góp
cho tán xạ này gồm:
Tán x trên mạng tinh thể do dao ng mng tinh th gi l tán x trên

phonon.
Tán xạ trên spin của các phân tử mang từ tính, gọi l tán xa trên
magnon.
Tán xạ trên sai hng mng tinh th (defect).
Gn đây các nghiên cứu ch ra s tán x của in tử trên các palaron
t gii thích hiu ng 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 momen 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 đưa ra năm 1936.

Luận văn thạc sĩ Vật lí