DSpace at VNU: Nghiên cứu từ trở của hệ hợp chất La2 3Pb1 3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Nghiên cứu từ trở của hệ hợp chất
La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong vùng
từ trường thấp
Nguyễn Thị Bích Ngọc
Trường Đại học Khoa học tự nhiên; Khoa Vật lý
Chuyên ngành: Vật Lý nhiệt; Mã số: 60 44 09
Người hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Huy Sinh
Năm bảo vệ: 2011
Abstract. Khái niệm từ trở, một số hiệu ứng từ trở và những mô hình giải
thích cơ chế các hiệu ứng từ trở: vài nét về quá trình phát triển của việc
nghiên cứu từ trở, điện trở và từ điện trở trong kim loại, một số loại hiệu ứng
từ trở, một số mô hình giải thích cơ chế hiệu ứng từ trở, đặc trưng cơ bản của
GMR. Tiến hành thực nghiệm: chế tạo mẫu, đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ,
đo từ trở. Tìm hiểu kết quả: kết quả đo nhiễu xạ tia X (XPD), từ độ phụ
thuộc nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3, ...
Keywords. Vật lý nhiệt; Từ trở; Hệ hợp chất

Content.
Những năm gần đây, việc nghiên cứu từ trở đã trở thành đề tài nóng bỏng đối
với các nhà vật lý và vật liệu học. Với những phát minh về các vật liệu có từ trở
khổng lồ (Giant magnetoresistance, GMR) và từ trở lớn (Colossal magnetoresistance, CMR) đang hứa hẹn những ứng dụng vô cùng to lớn trong các lĩnh vực điện
tử học, tự động hóa, công nghệ thông tin và cả trong lĩnh vực công nghệ nanô.
Sự khám phá ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) vào năm 1988 của các
vật liệu từ có cấu trúc không liên tục (như các màng mỏng đa lớp) đã góp phần làm
cho nghành điện tử học có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là trong lĩnh vực công
nghệ lưu trữ thông tin, đo lường từ và điều khiển bằng từ trường.
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 ngày nay sự quan tâm tới spin

1


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

đã mở ra một lĩnh vực mới cho vật lý học hiện đại, đó là „„Điện tử spin‟‟ (spintronics). Phát hiện đầu tiên của spintronics là hiệu ứng từ trở khổng lồ trong những
màng mỏng từ đa lớp.
Từ những năm 1970, người ta đã nhận thấy rằng có thể lợi dụng thuộc tính
có spin của điện tử để điều khiển lại các hành vi của chúng. Do các điện tử có spin
xác định (spin ↑ hoặc spin ↓) có xác suất tán xạ khác nhau đối với phương xác định
của các mômen từ định xứ, nên có thể dùng từ trường ngoài để định hướng lại các
mômen từ, trên cơ sở đó điều khiển spin của điện tử, từ đó dẫn đến sự thay đổi điện
trở của vật liệu. Điều này tương tự như việc dùng điện trường để điều khiển điện tử
hay lỗ trống trong các vật liệu bán dẫn. Sự khác nhau cơ bản là ở chỗ, cơ chế điều
khiển bằng điện trường không phân biệt được thuộc tính có spin của điện tử, trong
khi đó cơ chế điều khiển bằng từ trường phân biệt được chiều spin của điện tử. Như
vậy cơ chế điều khiển bằng từ trường tinh vi hơn so với cơ chế điều khiển bằng điện
trường. Đó chính là cơ sở của những ứng dụng trong lĩnh vực từ điện tử học.
Nhiều tính chất vật lý của vật liệu có thể thay đổi khi một vật được đặt trong
từ trường. Một trong số đó là điện trở của một vật liệu biến đổi theo sự thay đổi của
từ trường ngoài. Hiện tượng từ trường đặt vào có thể làm cho điện trở của các vật
liệu thay đổi đã được ghi nhận trong các thí nghiệm thực hiện trên những vật liệu có
cấu trúc đa lớp được chế tạo bằng cách luân phiên chồng lớp một kim loại có từ tính
với một kim loại phi từ. Khi đặt một từ trường ngoài lên vật liệu đa lớp thì từ độ của
những lớp có từ tính đang ở trạng thái đối song (↑↓ ) sẽ chuyển sang trạng thái song
song (↑↑ ). Từ đó dẫn đến sự thay đổi điện trở suất (hay độ dẫn điện) của vật liệu.

Trên cơ sở đó, đề tài của luận văn được chọn là: “Nghiên cứu từ trở của hệ
hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp”. Mục đích của luận
văn là tìm hiểu về cơ chế của hiệu ứng từ trở, một số mô hình giải thích hiệu ứng
này và tiến hành phép đo sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ, điện trở và từ trở của
hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp từ 0.0 – 0.4T.

2


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Kết cấu của luận văn gồm những chương sau:


Chương 1: Khái niệm từ trở, một số hiệu ứng từ trở và những mô hình
giải thích cơ chế các hiệu ứng từ trở.



Chương 2: Thực nghiệm



Chương 3: Kết quả và thảo luận.



Kết luận.



Tài liệu tham khảo.

Chương 1
KHÁI NIỆM TỪ TRỞ, MỘT SỐ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ VÀ NHỮNG MÔ
HÌNH GIẢI THÍCH CƠ CHẾ CÁC HIỆU ỨNG TỪ TRỞ
1.1

Vài nét về quá trình phát triển của việc nghiên cứu từ trở.
Hiệu ứng từ điện trở (MR) là một dạng của hiện tượng từ điện, thể hiện sự

thay đổi của điện trở suất (hay độ dẫn điện) trong các vật dẫn (kim loại hay bán dẫn)
dưới tác dụng của từ trường ngoài.
-

Năm 1851, Lord Kelvin lần đầu tiên đã quan sát thấy sự thay đổi điện trở suất
của Fe và Ni khi có từ trường ngoài tác dụng, sau này được biết hiện tượng đó
chính là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) [19].

-

Năm 1856, William Thomson cũng đã quan sát thấy hiện tượng thay đổi điện trở
tương tự [26].

-

Năm 1853, H.Tomlinson đã quan sát thấy hiệu ứng MR khá lớn của sợi dây Bi
khi ở vùng từ trường dọc (từ trường song song với dòng điện) và năm 1890,

P.Lenard lặp lại thí nghiệm này với từ trường ngang (từ trường vuông góc vói
dòng điện) [16].

-

Kể từ đó, sợi dây Bi đã được sử dụng để làm cảm biến đo từ trường (Đó chính là
Hiệu ứng Hall đã được E.H Hall phát hiện ra vào năm 1879). [13]

-

Năm 1929, P.Kapitza đã tiến hành nghiên cứu hiệu ứng MR tương đối có hệ
thống cuả một loạt các kim loại khác nhau và của cả Si và Ge [23].

3


Luận văn thạc sĩ

-

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Đầu những năm 1950, nhóm của L.Pearson đã tiến hành nghiên cứu sâu hơn về
hiệu ứng MR trong các chất bán dẫn [15].

-

Hiệu ứng MR trong các màng mỏng kim loai và hợp kim sắt từ được quan tâm
và nghiên cứu khá nhiều từ cuối những năm 1950 cho đến đầu những năm 1970
[25], [26] và khi đó hiệu ứng MR được ứng dụng để làm cảm biến từ trường

[12].

-

Vào những năm 80, hiệu ứng AMR trong các màng mỏng sắt từ, tiêu biểu là
trong các hợp kim pecmalôi, NiFe, và một số hợp kim khác trên cơ sở của pecmalôi đã được đưa vào sử dụng trong các đầu từ máy tính [17].

-

Để đánh giá độ lớn của hiệu ứng MR, thể hiện mức độ thay đổi điện trở suất khi
có từ trường so với khi không có từ trường tác dụng, gọi là tỉ số MR, người ta
thường tính theo công thức:
MR=



o

=

 o   H 
(%)
o

Trong đó ρo và ρ(H) là các điện trở suất khi không có và khi có từ trường
ngoài (H) tác dụng. Thường tỷ số MR được tính theo tỷ lệ phần trăm. Trong thực
nghiệm có thể chỉ cần đo điện trở của mẫu mà không cần đo điện trở suất để bỏ qua
yếu tố hình học của mẫu vì những yếu tố này sẽ bị triệt tiêu trong tỷ số.
1.2

Điện trở và từ điện trở trong kim loại.
Điện trở của kim loại sinh ra do sự tán xạ của các điện tử dẫn với các nguyên

tử tạp chất hay dao động mạng tinh thể (phonon). Trong trường hợp chung, có thể
biễu diễn điện trở suất của kim loại dưới dạng định luật Matthiesen [19]:
ρ = ρf + ρ i
ρf: sinh ra do tán xạ phonon
ρi: sinh ra do tán xạ bởi các loại sai hỏng tĩnh (gồm các tạp chất và các sai
hỏng cấu trúc)

4


Luận văn thạc sĩ

1.3

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Một số loại hiệu ứng từ trở
1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở thường (OMR – Ordinary Magnetoresistance

Effect)
- Về nguyên tắc: Hiệu ứng MR tồn tại trong bất kỳ kim loại nào và MR tăng
theo H (hiệu ứng dương). Do đó hiệu ứng OMR thường có trong kim loại thường.
- Cơ chế: hiệu ứng MR xuất phát từ tương tác trao đổi giữa các điện tích
chuyển động trong điện trường E với từ trường ngoài H (lực Lorentz) làm thay đổi
phương chuyển động của chúng.
1.3.2 Hiệu ứng từ trở dị thường AMR (Anisotropic Magnetoresistance
Effect)

Đối với các kim loại hay hợp kim sắt từ, tỷ số MR cao hơn nhiều so với hiệu
ứng OMR, lên đến vài phần trăm. Ví dụ, ở màng mỏng Fe, tỷ số MR ~ 2%, hay ở
màng Ni là ~2% và pecmaloi (hợp kim Ni - Fe) là một trong số những vật liệu từ có
tỷ số MR lớn nhất, ~ 4-5%. Màng pecmaloi đã từng được sử dụng rộng rãi làm cảm
biến từ trường, đặc biệt là đầu từ MR [11].
1.3.3 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magnetoresistance' - TMR).
Là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng
cách điện cho phép điện tử xuyên ngầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên
các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn.
1.3.4

Từ

điện

trở

dị

hướng

xung

kích

(Ballistic

Anisotropy

Magnetoresistance BAMR).

BAMR là hiệu ứng từ điện trở xảy ra khi các điện tử chuyển động trong một
dây rất mỏng, giống như một viên đạn đi trong nòng súng - chúng đều bị cưỡng ép
chuyển động trên một chiều nhất định và hầu như ít bị va chạm hay nói cách khác là
không có sự cản trở dọc theo đường truyền. Nếu dây có chiều dày chỉ vài lớp
nguyên tử, khả năng dẫn điện tử - độ dẫn điện - sẽ bị lượng tử hóa, là một số
nguyên lần (N) của độ dẫn của một điện tử bởi vì năng lượng của điện tử bị cầm tù
trong dây là các dải hẹp và N sẽ tương ứng với số dải năng lượng trên mức Fermi,

5


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

mà ở đó xảy ra tính dẫn điện.
1.3.5 Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance Effect - GMR)
Một số nhà nghiên cứu ở Việt Nam còn dịch hiệu ứng GMR là "từ điện trở
lớn" do không thống nhất việc dịch "Giant" là "khổng lồ" hay "lớn" nhưng tên gọi
quen thuộc thường dùng là GMR. Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát
thấy trong một số màng mỏng từ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị
điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài.
1.3.6 Từ điện trở siêu khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR)
Hiệu ứng CMR cũng được các nhà nghiên cứu ở Việt Nam gọi là "Hiệu ứng
từ điện trở khổng lồ" (khi gọi hiệu ứng GMR là "Từ điện trở lớn") nhưng thường
gọi tắt là hiệu ứng CMR. Hiệu ứng này xảy ra với các vật liệu từ có cấu trúc
perovskite (ví dụ manganese, cobaltite,...) có điện trở thay đổi cực lớn có thể tới
hàng ngàn %.
1.4

Một số mô hình giải thích cơ chế hiệu ứng từ trở
1.4.1 Giải thích theo mô hình hai dòng.
Cách giải thích đầu tiên về cơ chế gây ra hiệu ứng MR trong các cấu trúc từ

đa lớp dựa trên cơ sở mô hình hai dòng của Mott.
- Khi không có từ trường ngoài hoặc khi từ trường ngoài quá nhỏ, không đủ lớn để
cho từ độ của các mặt phẳng từ quay theo phương của từ trường ngoài, thì mỗi kênh
điện tử với spin ↑ và spin ↓ đều bị tán xạ với xác suất tán xạ là như nhau, điện trở
suất đối với mỗi kênh là như nhau làm cho điện trở của mẫu là lớn (minh họa trong
hình 1.4b).
- Khi tăng dần từ trường ngoài thì các mômen từ của các spin định xứ quay
từ từ theo phương của từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài đủ lớn để các mômen từ
quay theo một phương thì khi đó chỉ có kênh điện tử có spin ngược chiều với từ độ
mới bị tán xạ mạnh, kênh kia cùng chiều nên tỉ lệ truyền điện tử là cao, do vậy điện
trở suất của mẫu giảm (minh họa trong hình 1.4a).

6


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

1.4.2 Giải thích theo mô hình cấ u trúc dải
Xét các điện tử dẫn 4s có spin ↑ và ↓. Giả thiết các điện tử 4s xuất phát từ lớp
phi từ (NM) chuyển đến các lớp sắt từ (FM) tiếp theo. Tồn tại 2 trường hợp:
a) Khi từ độ của các lớp xắp xếp phản song với nhau, các điện tử spin ↓ bị
“bắt” ngay vào các trạng thái 3d còn trống với spin ↓. Trong khi đó các điện tử có
spin ↑ (cùng chiều với M không bị bắt ở lớp đầu tiên vì không có trạng thái 3d spin
↑ nào trống cả. Các điện tử này bị truyền sang lớp FM tiếp theo và bị bắt ở đây vì có

các trạng thái 3d spin ↑ còn trống.
Hình vẽ 1.5a là sơ đồ cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin ↑ và
spin ↓ đều phân bố kế tiếp nhau cho nên cả 2 kênh điện tử spin ↑ và ↓ đều tương
đương nhau trong quá trình truyền điện tử trong hệ và đều bị tán xạ như nhau làm
cho ρtổng của hệ sẽ lớn.
b) Khi từ độ của các lớp FM sắp xếp song song với nhau (hình vẽ 1.5b) ta
nhận thấy: Chỉ có các trạng thái điện tử 3d spin ↓ là còn trống nên chỉ có kênh điện
tử này bị tán xạ, còn kênh điện tử spin ↑ được thông hoàn toàn vì các trạng thái điện
tử 3d có spin ↑ tương ứng bị lấp đầy gây nên đoản mạch một kênh điện tử dẫn đến
ρtổng của hệ giảm xuống.
1.4.3. Giải thích theo mô hình chuỗi rào thế
Coi hệ đa lớp như một chuỗi rào thế dạng chữ nhật tuần hoàn đối với sự
chuyển động của các điện tử dẫn.
Hình a) Từ độ có cấu hình phản song song, khi các điện tử dẫn chuyển động
cả hai kênh spin ↑ và ↓ đều bị cản trở bởi hàng rào thế có cùng hình dạng và độ cao.
Hình b) Từ độ có cấu hình song song nhau khi điện tử dẫn chuyển động chỉ
có kênh spin ↓ bị chuỗi rào thế cản trở.
1.4.4 Giải thích bằng mô hình mạng điện trở (mô hình đơn giản)
Mô hình mạng điện trở đơn giản do Mathon đưa ra. Giả thiết rằng sự tán xạ
của các điện tử dẫn phụ thuộc spin có nguồn gốc trong bản thân lớp FM.
Mỗi lớp kim loại sắt từ (FM) và phi từ (NM) đều gồm 2 điện trở ứng với 2 kênh
dẫn của các điện tử có spin ↑ và spin ↓

7


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Mô hình này cho thấy tỉ số MR liên quan đến tỷ số tán xạ bất đối xứng giữa 2
kênh dẫn.
Vì xác suất tán xạ của 2 kênh ứng với spin ↑ và spin ↑ khác nhau dẫn đến ρ↑ ≠ ρ↓
1.5

Một số đặc trưng cơ bản của GMR
1.5.1 Ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc và tạp chất
Cấu trúc bề mặt phân cách trong các màng đa lớp có vai trò quan trọng đối

với GMR, do quá trình tán xạ phụ thuộc spin diễn ra chủ yếu ở đó. Yếu tố này rất
nhạy với điều kiện công nghệ chế tạo màng mỏng. Những nghiên cứu khác nhau đã
dẫn đến những kết luận khác nhau [7].
1.5.2 Sự phụ thuộc của GMR vào chiều dày các lớp
Sự phụ thuộc vào khoảng cách này của tương tác là do spin của các điện tử
dẫn của kim loại phi từ dao động giữa trạng thái spin ↑ và trạng thái spin ↓ trong
quá trình lan truyền cảm ứng từ mômen từ thứ nhất đến mômen từ thứ hai. Do đó
mômen từ thứ hai sẽ dao động ↑ hay ↓ so với mômen từ thứ nhất tùy theo khoảng
cách mà nó nằm ở trong chu kỳ nào. Cường độ của tương tác giảm theo hàm 1/ r3
với r là khoảng cách giữa 2 mômen từ đang xét.
Từ công thức:

GMR =

 AF   FM
 AF

Để có tỷ số GMR lớn nhất thì khi chưa có từ trường ngoài tác dụng, từ độ
các lớp phải sắp xếp hoàn toàn phản song với nhau và khi có từ trường ngoài tác
dụng đủ lớn các vectơ từ độ quay lại song song hoàn toàn với nhau. Trong khi đó,
cấu hình sắp xếp từ độ kiểu AF hay FM khi chưa có từ trường ngoài lại tùy thuộc

vào khoảng cách giữa các lớp từ - chiều dày các lớp phi từ do tương tác kiểu
RKKY.
1.6

Hiệu ứng từ trở khổng lồ trong các vật liệu perovskite manganite.
Vật liệu Perovskite có cấu trúc lý tưởng ABO3 thể hiện nhiều tính chất vật lý

đa dạng. Đặc biệt, xuất hiện các chuyển pha từ, chuyển pha trật tự - điện tích cùng
một số hiệu ứng như: hiệu ứng từ nhiệt, hiệu ứng từ trở khổng lồ… Trong các vật
liệu perovskite manganite, hiệu ứng từ trở khổng lồ được quan sát thấy gần nhiệt độ
chuyển pha sắt từ - thuận từ đồng thời với sự biến đổi tính dẫn của vật liệu từ kim

8


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

loại thành điện môi hoặc bán dẫn. Ngoài ra từ trở khổng lồ còn được quan sát thấy
trong pha trật tự - điện tích.

Chương 2
THỰC NGHIỆM
2.1

Chế tạo mẫu
Do độ đồng nhất về thành phần, sự hình thành và ổn định của cấu trúc tinh

thể ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất vật lý của vật liệu nên việc chế tạo mẫu có

một vai trò quyết định trong quá trình nghiên cứu tính chất của mẫu.
Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu perovskite như là:
phương pháp phản ứng pha rắn dùng để chế tạo những mẫu dạng khối; phương
pháp phún xạ catốt dùng để chế tạo những mẫu dạng màng. Cho đến nay, phương
pháp phản ứng pha rắn vẫn là phương pháp thông dụng nhất được sử dụng để chế
tạo vật liệu perovskite. Đây là phương pháp đơn giản, ít tốn kém, không đòi hỏi
nhiều thiết bị quá đắt tiền, dễ thực hiện và phù hợp với điều kiện của phòng thí
nghiệm. Các mẫu được chế tạo tại Bộ môn Vật Lý Nhiệt Độ Thấp Trường Đại Học
Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc gia Hà Nội. Để khắc phục nhược điểm kém
đồng nhất của mẫu cần chọn các chế độ nghiền, trộn, ép, nung và ủ với những thời
gian thích hợp. Sau khi trải qua nhiều thí nghiệm đã chọn được chế độ thích hợp để
chế tạo được các mẫu perovskite đơn pha phục vụ cho quá trình nghiên cứu.
2.2

Đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ

Để đo sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ ở đây ta dung phương pháp bốn
mũi dò. Phép đo này được tiến hành tại Bộ môn Vật Lý Nhiệt Độ Thấp – Đại Học
Khoa Học Tự Nhiên. Đây cũng là phương pháp được sử dụng nhiều ở các phòng thí
nghiệm vật lý trên thế giới.
2.3

Đo từ trở
Đây là phép đo xác định điện trở của mẫu thay đổi theo nhiệt độ ở những từ

trường xác định.

9

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Về nguyên lý hệ đo từ trở có cấu tạo tương tự như hệ đo điện trở. Khi đo
toàn bộ hệ đo được đặt trong từ trường. Đầu đo từ trường sẽ xác định các giá trị của
từ trường trong quá trình đo.
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1

Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XPD)
Các mẫu perovskite La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 được chế tạo theo phương pháp

phản ứng pha rắn đã mô tả trong chương 2. Cấu trúc tinh thể của các mẫu nghiên
cứu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ bột tia X ở nhiệt độ phòng tại trung
tâm khoa học vật liệu – khoa vật lý trường Đại học KHTN- ĐHQG HN.

Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3
(x= 0.00 - 0.30).
Hình 3.1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3
(x=0.00-0.30). Ta nhận thấy: Các đỉnh trên giản đồ rất sắc nét, không có các vạch
ứng với các pha lạ. Điều này cho thấy mẫu kết tinh tốt và đơn pha. Các đỉnh nhiễu
xạ được đồng nhất với cấu trúc Perovskite dạng Hexagonal.
3.2

Từ độ phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3
Để khảo sát tính chất từ của các mẫu chúng tôi đã đo các đường cong từ độ

phụ thuộc nhiệt độ theo chế độ làm lạnh không có từ trường (ZFC) và làm lạnh có

từ có từ trường (FC).

10


FC

18
15

M(emu/g)

Luận văn thạc sĩ

La 2/3 Pb1/3 MnO3

Nguyễn Thị Bích Ngọc

12
9

ZFC

6

TC=355K
3
0
100

150

200

250

T (K)

300

350

400

Hình 3.2: Đường cong từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ của mẫu
La2/3Pb1/3MnO3

La 2/3 Pb1/3 Mn0,95 Co 0,05 O3

18

M(emu/g)

15

FC

12
9

ZFC
FC

6

TC=350K
3
0
100

150

200

250

300

350

400

T (K)

Hình 3.3: Đường cong từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ của mẫu
La2/3Pb1/3Mn0.95Co0.05O3

La2/3 Pb1/3 Mn0,9 Co0,1 O3

18

M(emu/g)

15

FC

12
9
6

ZFC

TC=345K

3

La2/3Pb1/3Mn0,8Co0,2O3

180
150

200

250

300

350

400

T (K)

15

M(emu/g)

Hình 3.4:12Đường
FC cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu
La2/3Pb1/3Mn0.9Co0.1O3
9
6

ZFC

TC = 325 K

3
0
100

150

200

250

300

350

400

T (K)

11phụ thuộc nhiệt độ của mẫu
Hình 3.5: Đường cong từ độ
La2/3Pb1/3Mn0.8Co0.2O3


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

FC

ZFC

TC = 305 K

Hình 3.6: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu
La2/3Pb1/3Mn0.7Co0.3O3
Từ hình 3.2 đến hình 3.6 biểu diễn các đường cong từ độ phụ thuộc theo
nhiệt độ của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (với x = 0.00 – 0.30) đo theo chế độ làm
lạnh có từ trường (FC) và làm lạnh không có từ trường (ZFC) trong từ trường từ hóa
mẫu đo là H = 50 0e. Tất cả các đường cong M(T) của các mẫu đều xuất hiện sự
chuyển pha từ trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ
chuyển pha sắt từ - thuận từ TC (nhiệt độ Curie) của các mẫu được xác định bằng
cách kẻ một đường thẳng đi qua phần dốc của đường cong M(T), điểm cắt của

đường thẳng này với trục nhiệt độ chính là nhiệt độ TC. Các giá trị TC được thống kê
trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Giá trị nhiệt độ TC của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3

12


Luận văn thạc sĩ

3.3

Nguyễn Thị Bích Ngọc

STT

Mẫu nghiên cứu

TC (K)

1

La2/3Pb1/3MnO3

355

2

La2/3Pb1/3Mn0,95Co0,05O3

350

3

La2/3Pb1/3Mn0,9Co0,1O3

345

4

La2/3Pb1/3Mn0,8Co0,2O3

325

5

La2/3Pb1/3Mn0,7Co0,3O3

305

Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3

(x = 0.00  0.30) trong vùng từ trường thấp H = 0.00 – 0.40T

H×nh 3.8: §iÖn trë phô thuéc nhiÖt ®é cña mÉu x = 0 trong tr-êng hîp tõ tr-êng
H = 0.0T vµ H = 0.4T.
Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00
 0.30) được đo trong từ trường H = 0.0T và trong từ trường H = 0.4T. Hình 3.8 là
các đường cong điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của mẫu ứng với x = 0.0 trong
trạng thái không có từ trường (H = 0.0T) (đường nằm phía trên) và trong trạng thái
có từ trường H = 0.4T (đường nằm phía dưới). Dạng đồ thị cho thấy tính dẫn điện

của mẫu chuyển từ tính dẫn kiểu kim loại (trong vùng T<270K) sang tính dẫn kiểu
điện môi/bán dẫn khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ chuyển pha kim loại – điện môi/bán
dẫn (TP) được xác định bằng điểm cực đại trên đường cong R(T). Đối với mẫu
La2/3Pb1/3MnO3 (x = 0.0) chúng tôi xác định được TP = 265K trong trạng thái không
có từ trường (H = 0.0T) và TP = 270K khi mẫu được đặt trong từ trường H = 0.4T.

13


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Có thể giải thích dáng điệu của các đường cong điện trở trong trường hợp
mẫu không chịu tác dụng của từ trường ngoài (H = 0) như sau: Trong vùng nhiệt độ
T > TP, cường độ của tương tác DE chưa đủ lớn đồng thời giảm dần khi nhiệt độ
tăng và hoàn toàn biến mất khi mẫu ở trạng thái thuận từ. Quá trình này làm tăng
hiện tượng tán xạ từ, do đó điện trở của mẫu tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ
của mẫu thỡ nồng độ hạt tải sinh ra do năng lượng nhiệt lớn hơn, quá trình này
chiếm ưu thế, dẫn đến sự giảm điện trở của mẫu.

0.7

T =190K TP=198K

TPP=190K

0.6

TP=198K

H = 0.4 T
H = 0.0 T

0.5

R

0.4
0.3
0.2
0.1

La 2/3 Pb1/3 Mn0,90 Co 0,10 O3

0
100

150

200

250

300

350

T (K)

Hình 3.10: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.10 trong trường hợp từ
trường H = 0.0T và H = 0.4T.
Tương tự như trên, hình 3.9 và hình 3.10 là các đường cong điện trở phụ thuộc
nhiệt độ của các mẫu La2/3Pb1/3Mn0,95Co0,05O3 (mẫu pha tạp x = 0.05) và
La2/3Pb1/3Mn0,9Co0,1O3 (mẫu pha tạp x = 0.10). Nhiệt độ chuyển pha kim loại – bán
dẫn/điện môi đã được xác định. Đối với mẫu pha tạp x = 0.05 nhiệt độ TP = 247 K
trong từ trường H = 0.0 T và TP = 251 K trong từ trường H = 0.4 T. Đối với mẫu
pha tạp x = 0.10 nhiệt độ TP = 190 K trong từ trường H = 0.0 T và
trong từ trường H = 0.4 T.

14

TP = 198 K


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Bảng 3.3 : Nhiệt độ chuyển pha kim loại – bán dẫn/điện môi của các mẫu
nghiên cứu dưới tác dụng của từ trường
STT

Mẫu nghiên cứu

1

TP (K)
TP (H=0.0T)

TP (H=0.4T)

La2/3Pb1/3MnO3

265

270

2

La2/3Pb1/3Mn0,95Co0,05O3

247

251

3

La2/3Pb1/3Mn0,9Co0,1O3

190

198

4

La2/3Pb1/3Mn0,8Co0,2O3

5

La2/3Pb1/3Mn0,7Co0,3O3
Hình 3.11 là các đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu ứng với

(x = 0.2 và x = 0.3) trong trạng thái không có từ trường H = 0.0T (đường nằm phía
trên) và trong từ trường H = 0.4T. Từ đường cong này ta có một số nhận xét sau:
 Không thấy xuất hiện nhiệt độ chuyển pha TP trong dải nhiệt độ khảo sát. Có thể
giải thích hiện tượng này như sau: tại các vị trí Co3+ thay thế cho Mn3+ đã hình
thành nên những vùng bán dẫn (hoặc điện môi) phá vỡ liên kết giữa các vùng
kim loại sắt từ. Khi nồng độ pha tạp đủ lớn, những vùng bán dẫn/điện môi tạo
thành những vùng biên cô lập các đám sắt từ nên nhiệt độ chuyển pha kim loại điện môi (TP) không quan sát thấy.
 Đường cong điện trở trong trường hợp có từ trường (H = 0.4T) và trong trường
hợp không có từ trường tách nhau xa dần khi nhiệt độ giảm. Khi có từ trường
điện trở của mẫu giảm.
 Giá trị điện trở của mẫu ở cùng một nhiệt độ xác định tăng khi nồng độ pha tạp
Co tăng từ 20% lên 30%.
 Tại nhiệt độ T = 195K đối với mẫu pha tạp 30% Co có dấu hiệu cho thấy, có thể
tồn tại trạng thái chuyển pha trật tự điện tích (TCO).
 Trong vùng nhiệt độ khảo sát, các đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của
các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.2 và x = 0.3) có dạng gần giống với dạng
đường cong điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của chất bán dẫn. Chúng tôi đã làm
Eg
k T
khớp các số liệu của R(T) với hàm bán dẫn : R  R Oe B

15

(*)


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Từ số liệu của đường cong R(T) và dùng phương pháp xấp xỉ hàm Linear
trong phần mềm Origin ta thu được giá trị của hằng số R0 và độ rộng vùng cấm Eg.
Các giá trị thu được từ phương trình (*) được đưa ra trong bảng 3.4.
A
x

Ngoài ra dùng phép xấp xỉ hàm y  C.e trong phần mềm Origin cũng cho
các giá trị của R0 và Eg tương tự như bảng 3.4.
Bảng 3.4 : Giá trị của hằng số R0 và năng lượng kích hoạt Eg
Mẫu La2/3Pb1/3Mn0,8Co0,2O3
H=0T
H = 0,4 T

3.4

Mẫu La2/3Pb1/3Mn0,7Co0,3O3
H=0T
H = 0,4 T

Ro

0,163

0,152

0,177

0,166

Eg (eV)

0,091

0,084

0,098

0,095

Từ

trở

trong

vùng

từ

trường

thấp

(H=0.00.4T)

La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x=0.000.30)

Hình 3.12 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3MnO3

16

của

hệ


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Hình 3.13 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.95Co0.05 O3

Hình 3.14 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.90Co0.10 O3

17


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

Hình 3.15: Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.80Co0.20 O3

Hình 3.16: Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.70Co0.30 O3
Từ hình 3.12 đến hình 3.16 là các đường cong từ trở phụ thuộc từ trường ở
những nhiệt độ xác định của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCox O3 (x = 0.00 – 0.30). Nhận
thấy rằng các đường cong về cơ bản đều có dạng hình chữ V đối xứng nhau qua trục

tung và tỉ số từ trở (CMR) tăng theo từ trường ở những nhiệt độ xác định. Đây là
một minh chứng về mặt hiện tượng luận trong quá trình tăng từ trở. Bởi vì khi từ
trường tăng đã làm cho sự định hướng mômen từ của các lớp Mn trở lên tốt hơn,
quá trình tán xạ từ của các điện tử dẫn giảm xuống do đó điện trở của mẫu giảm và

18


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

tỉ số CMR tăng theo từ trường.
Bảng 3.10: Tỷ số CMR(%) cực đại của các mẫu
x

CMRmax(%)

Nhiệt độ (K)

0,00

10,96

126

Hệ mẫu

0,05

11,47

125

La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3

0,10

8,78

130

0,20

6,16

130

0,30

4,4

125

Hình 3.18 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ số từ trở cực đại vào nồng
độ pha tạp Co của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00 - 0.30). Nhận thấy rằng,
giá trị tỷ số từ trở cực đại CMRmax của các mẫu trong hệ đã giảm theo nồng độ pha
tạp. Ở giá trị pha tạp nồng độ Co thấp x = 0.05, chúng tôi thu được giá trị từ trở cực
đại lớn nhất. Tiếp đó giá trị này giảm gần như tuyến tính khi tăng nồng độ pha tạp
Co. Nguyên nhân chính ở đây có thể liên quan đến sự thay thế các nguyên tử Co

cho Mn vào khung cấu trúc MnO6, sự chuyển đổi các ion Mn3+ thành Mn4+ và sự
cạnh tranh các tương tác DE - SE. Sự suy giảm dần tương tác DE dẫn đến sự tăng
của tương tác SE khi nồng độ thay thế các kim loại chuyển tiếp 3d tăng lên trong vị
trí B của cấu trúc perovskite ABO3. Khi đó vật liệu có thể biểu hiện tính phản sắt từ
điện môi.

Hình 3.18: Sự phụ thuộc của tỷ số CMR max(%) vào nồng độ pha tạp Co

19


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

KẾT LUẬN
1.

Chúng tôi đã chế tạo được hệ hợp chất Perovskite La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (với
x=0.0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3) đơn pha với cấu trúc thộc dạng Hexagonal. Giá trị
các hằng số mạng giảm theo nồng độ thay thế của Co cho Mn tăng lên trong
hệ hợp chất này.

2.

Xác định được các nhiệt độ chuyển pha Curie (TC). Các giá trị TC giảm dần
theo sự gia tăng của nồng độ pha tạp Co.

3.

Đường cong điện trở của hệ mẫu chuyển dần từ kim loại sang bán dẫn/điện
môi khi nồng độ Co tăng lên. Các đường cong điện trở vùng bán dẫn điện môi
được làm khớp theo hàm R = R0 eEg/ k BT . Trên cơ sở đó, chúng tôi xác định
được một số giá trị năng lượng kích hoạt Eg trong hệ mẫu nghiên cứu.

4.

Các đường cong từ trở của mẫu trong vùng từ trường 0.0-0.4T , ở những nhiệt
độ xác định đều có dạng chữ V đối xứng. Giá trị lớn nhất của từ trở thu được
là 11,47% tại 125K đối với mẫu x=0.05. Giá trị từ trở của các mẫu trong hệ
giảm gần như tuyến tính theo nồng độ pha tạp Co tăng lên.

5.

Giải thích cho các kết quả thu được dựa trên các mô hình tương tác DE, SE, sự
cạnh tranh tương tác giữa chúng và sự đồng tồn tại các hóa trị với các trạng
thái spin khác nhau của Co khi thay thế cho vị trí của Mn trong hợp chất.

References.

20


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

1.

Vũ Đình Cự, (1998), Vật Lý Chất Rắn, NXB Khoa Học và Kĩ Thuật Hà Nội.

2.

Vũ Thanh Mai, (2007), Nghiên cứu các chuyển pha và hiệu ứng thay thế trong
các chất perovskite manganite, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học
Quốc Gia Hà Nội.

3.

Đỗ Hồng Minh, (2001), Tính chất vật lý trong hệ hợp chất perovskite manganite gốc lantan, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.

4.

Phạm Hồng Quang, (2007), Giáo Trình: Các phép đo từ, NXB Đại Học Quốc
Gia Hà Nội.

5.

Nguyễn Huy Sinh, (2007), Tập bài giảng: Các vấn đề mới của từ học hiện đại,
Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.

6.

Đỗ Việt Thắng, (2008), Tính chất điện và từ trong hệ hợp chất La_Pb_Mn_O
pha tạp kim loại 3 d, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia
Hà Nội.

7.

Nguyễn Anh Tuấn, (2002), Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ trong

các màng mỏng chứa Co, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học
Quốc Gia Hà Nội.

8.

Nguyễn Anh Tuấn, (2005), Nghiên cứu tính chất từ - điện trở của các hợp chất
La0.67Ca0.33Mn1-xCuxO3, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc
Gia Hà Nội.

9.

A.Fert and P. Bruno (1994), “Interlayer Coupling and Magnetoresistance in
Multilayers” in Ultrathin Magnetic Structures II, ed. By J.A.C. Bland and B.
Heinrich, Spinger – Verlag Pub. Berlin – Heidelbarg – New York – London –
Pari – Tokyo – Hong Kong – Barcelona – Budapest, pp.82-117.

10. Billinge S. J. L., DiFrancesco R. G., kwei G. H., Neumeier J. J., and J. D.
Thompson “ Direct Observation of Lattice Polaron Formation in the Local
Structure of La1-xCaxMnO3”, 58 (1996) 724.

21


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

11. C. Kittel (1986), Introduction to Solide state Physics , Sixth edition, John Wiley and Sons, Inc., New York, Chichester, Brisbance, Toronto, Singapore, tab.
1, pp. 55.
12. C.S. Roumenin (1994), “Solid State magnetic sensors”, Vol. 2 in Handbook of

sensors and actuators, ed. By S. Middelhoek, Elsevier, pp.47.
13. E.H. Hall (1879), Am.J.Math. 2, pp. 287; phil. Mag. 1880 [5] 10, pp. 301
(“Magnetoresistance” by G.L. Pearson, Methods of Experimental Physics,
Vol. 6-Part B: Solid State Physics, ed. By K. Lark-Horovitz and V.A. Johnson,
Academic Press, New York –Lodon, 1959, pp.160).
14. E.P. Wohlflarth (1980), “ Iron, Cobalt and Nickel”, Chapter 1 in Feromagnetic
material, ed. By E.P. Wohlfarth, North-Holland P`ublishing Company, pp.52.
15. G.L Pearson and H. Suhl (1951), Phys. Rev. 83, pp. 768 ( “ Magnetoresistance” by G.L. Pearson, Methods of Experimental Physics, Vol. 6-Part B: Solid State Physics, ed. By K. Lark-Horovitz and V.A. Johnson, Academic Press,
New York –Lodon, 1959, pp.160).
16. H. Tomlison, (1883), phil. Trans. Roy. Soc. London, ser. A 174, pp. 1 ( “Magnetoresistance” by G. L. Pearson, Methods of Experimental Physics, Vol. 6Part B: Solid State physics, ed.by K. Lark-Horovitz and V.A.Johnson, Academic Press, New York-London, 1959, pp.160).
17. I.A. Campbell and A. Fert (1982), “Transport properties in ferromagnets” Ferromagnetic Materials, ed. By E.P. Wohlfarth, North Holland, Amsterdam, vol.
3, pp. 769.
18. L. Eckertová (1986), Physics of thin films (second revised edition), Plenum
Press, New York and London – SNTL, Publishers of Technical Literature,
Prague, pp. 78.
19. L. Kelvin (1884), Mathematiccal and Physical papers, Cambridge Univ.
Press, London and New York, Vol. 2, pp. 307 ( “Magnetoresistance” by

22


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Bích Ngọc

G.L.K. Lark-Horovitz and V.A. Johnson, Academic Press, New York-London,
1959, pp.160).
20. N.W. Ashcroft and N.D. Mermin (1976), Solid State Physics, Harcourt Brace
Jovanovich College Publishers, Ford Worth – Philadelphia – San Diego – New
York – Orlando – Austin – San Antonio – Toronto – Montreal – London –

Sydney – Tokyo.
21. P. Ciureanu and H. Gavrila (1990), Magnetic Heads for Digital Recording, Elsevier publisher. Amsterdam – Oxford – New York – Tokyo.
22.

P. Ciureanu (1992), “Magnetoresistive Sensors” Thin film resistive ed. By
P.Ciureanu and S. Middelhoke, Institute of Physics Publishing, Bristol, Philadelphia, New York.

23. P. Kapitza (1929), Proc. Roy. Soc. A123, pp. 292 (“ Magnetoresistance” by
G.L. Pearson, Methods of Experimental Physics, Vol. 6 -Part B: Solid State
Physics, ed. By K. Lark-Horovitz and V.A. Johnson, Academic Press, New
York –London, 1959, pp.160).
24. P. Lenard (1890), Ann. Physik [3] 39, pp. 619 ( “Magnetoresistance” by G.L.
Pearson, Methods of Experimental Physics, Vol. 6-Part B: Solid State Physics,
ed. By K. Lark-Horovitz and V.A. Johnson, Academic Press, New York –
Lodon, 1959, pp.160).
25. R.I. Potter (1974), Phys. Rev., B10, p.4226 ( “Magnetoresistive Sensors” by P.
Ciureanu in Thin film resistive sensors ed. by P.Ciureanu and S. Middelhoke,
Institute of Physics Publishing, Bristol, Philadelphia, New York 1992).
26. W. Thomson (1856), “Magnetoresistive sensors” by P. Ciureanu in Thin film
resistive sensors e.d by P. Cireanu and S. Middelhoek, Institute of Physics
Publishing, Bristol, Philadelphia, New York 1992.

23