LUẬN văn sư PHẠM vật lý HIỆU ỨNG từ điện TRỞ và ỨNG DỤNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ
--------------o0o--------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ VÀ ỨNG DỤNG
Ngành: Sƣ Phạm Vật Lý_Tin học

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS. Dƣơng Quốc Chánh Tín

Thạch Thị Thu Hƣơng
MSSV: 1090256
Lớp: SP Vật lý_tin học K35

Cần Thơ - 2013

Luận văn


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nổ
lực cố gắng của bản thân còn có sự hƣớng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô,cũng nhƣ sự

động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực
hiện luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Dƣơng Quốc Chánh Tín, ngƣời đã
hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này. Em cũng
xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Hữu Hậu và Thầy Phạm Văn Tuấn, hai giáo viên phản
biện cho em. Đây là lần đầu tiên em thực hiện một bài báo cáo khoa học, chƣa có nhiều
kinh nghiệm để thực hiện đề tài, nên ít nhiều cũng có sai sót, em mong Thầy góp ý nhiệt
tình cho em.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn Sƣ Phạm Vật
Lý đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng nhƣ tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất cho em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận
văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những ngƣời đã không ngừng động
viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian học tập và thực hiện
luận văn.
Cuối cùng, em xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và bạn bè đã hỗ trợ
cho em rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn tốt
nghiệp một cách hoàn chỉnh.

Luận văn tốt nghiệp đại học

1

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AMR

Ansitropic Magneto Resistance – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng

CIP

Current In Plane – Cấu trình từ điện trở spin value song song

CPP

Current Perpendi cular to Plane – Cấu hình từ điện trở spin value vuông góc

EEPROM Electronically Erasable Read-Only Memory – Bộ nhớ không tự xóa
EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory – Bộ nhớ xóa bằng tia cực tím
FC

Field Cooled – Làm lạnh có từ trƣờng

GMR

Giant Magnetoresistance Effect – Hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ

HDD

Hybrid hard Disk Drive - Ổ cứng

MCE

Magnetocaloric - Hiệu ứng từ nhiệt

MOKE

Magneto-Optic Kerr Effect – Hiệu ứng từ quang

MRAM Magnetoresistive Random Access Memory – Bộ nhớ RAM từ điện trở
MTJ

Magnetic Tunnel Junction – Tiếp xúc xuyên hầm từ tính

OMR

Ordinary Magnet Resistance – Hiệu ứng từ điện trở thƣờng

RAM

Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

SRAM

Static Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không tự xóa

TMR

Tunneling Magnrtoresistance – Hiệu ứng từ điện trở chui hầm

ZFC

Zero-Field Cooled – Làm lạnh không có từ trƣờng

Luận văn tốt nghiệp đại học

2

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................................. 2
MỤC LỤC ....................................................................................................................................... 3
PHẦN A. MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 5
PHẦN B. NỘI DUNG ..................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ........................................................................... 8
1.1 LỊCH SỬ TỪ HỌC ................................................................................................................... 8
1.2 CÁC KHÁI NIỆM .................................................................................................................... 9
1.2.1 Mômen lƣỡng cực từ .............................................................................................................. 9
1.2.2 Độ cảm từ ............................................................................................................................... 9
1.2.3 Độ cảm từ và từ thẩm ........................................................................................................... 10
1.2.4 Độ từ hóa .............................................................................................................................. 10
1.2.5 Độ từ thẩm ............................................................................................................................ 10
1.2.6 Từ hóa. Quá trình từ hóa. Đƣờng cong từ hóa ..................................................................... 10
1.2.7 Từ Trễ ................................................................................................................................... 12
1.2.8 Lực kháng từ, từ dƣ, từ độ bão hòa ...................................................................................... 13
1.2.9 Các dạng năng lƣợng vi từ ................................................................................................... 13
1.3 VẬT LIỆU TỪ ........................................................................................................................ 16

1.3.1 Nguồn gốc từ tính trong vật liệu .......................................................................................... 16
1.3.2 Phân loại vật liệu từ .............................................................................................................. 16
1.3.2.1 Phân loại theo hệ số từ hóa................................................................................................ 16
1.3.2.2 Phân loại theo lực kháng từ Hc ......................................................................................... 22
CHƢƠNG II. CÁC HIỆU ỨNG TRONG VẬT LIỆU TỪ ........................................................... 29
2.1 HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT .......................................................................................................... 29
2.1.1 Phát hiện hiệu ứng từ nhiệt.................................................................................................. 29
2.1.2 Sơ lƣợc về hiệu ứng từ nhiệt ................................................................................................ 29
2.1.3. Các phƣơng pháp đo hiệu ứng từ nhiệt trong vật lý chất rắn .............................................. 30
2.1.3.1 Nguyên tắc đo chung: ....................................................................................................... 30
2.1.3.2 Phép đo đƣờng cong từ nhiệt FC và ZFC.......................................................................... 31
2.1.4. Hiệu ứng từ nhiệt trong Perovskite ..................................................................................... 32
2.1.4.1. Sơ lƣợc về cấu trúc perovskite ......................................................................................... 32
2.1.4.2 Hiệu ứng từ nhiệt trong Perovskite ................................................................................... 33
2.1.5 Hiệu ứng từ nhiệt trong một số vật liệu khác ...................................................................... 34
2.1.5.1 Hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp kim liên kim loại. ......................................................... 34
3
Luận văn tốt nghiệp đại học
Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

2.1.5.2 Hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp kim vô định hình ........................................................... 36
2.1.6 Ứng dụng của hiệu ứng từ nhiệt ........................................................................................... 38
2.2 HIỆU ỨNG TỪ QUANG KERR ............................................................................................ 39
2.3 HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ ................................................................................................... 40
2.3.1 Sơ lƣợc về hiệu ứng từ điện trở ............................................................................................ 40

2.3.1.1 Nguồn gốc điện trở của kim loại ....................................................................................... 40
2.3.1.2 Sơ lƣợc về hiệu ứng từ điện trở ........................................................................................ 41
2.3.2 Hiệu ứng từ điện trở thƣờng và hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ............................................ 41
2.3.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thƣờng OMR (Ordinary Magnet Resistance) .................................. 41
2.3.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng AMR (Ansitropic Magneto Resistance) ........................... 42
2.3.3 Từ điện trở khổng lồ GMR ( Giant Magnetoresistance Effect) ........................................... 43
2.3.3.1 Đôi nét về lịch sử hiệu ứng từ trở khổng lồ...................................................................... 43
2.3.3.2 Giải thích hiệu ứng GMR .................................................................................................. 45
2.3.3.3 Giải thích hiện tƣợng tán xạ phụ thuộc spin của mẫu hạt ................................................. 49
2.3.3.4 Phƣơng pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR ......................................................... 51
2.3.3.5 Kết quả đo từ trở khổng lồ từ thực nghiệm ....................................................................... 52
2.3.4 Hiệu ứng từ điện trở chui hầm ............................................................................................. 59
2.3.4.1 Tiếp xúc xuyên hầm từ tính (MTJ) ................................................................................... 59
2.3.4.2 Hiệu ứng từ điện trở chui hầmTMR (TunnelingMagnrtoresistance) ............................... 60
CHƢƠNG III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ ................................................. 62
3.1 ĐIỆN TỬ HỌC SPIN .............................................................................................................. 62
3.1.1 Điện tử học spin (spintronics) .............................................................................................. 62
3.1.2 Sự ra đời của spintronics ...................................................................................................... 62
3.1.3 Các khái niệm và thao tác trên linh kiện spintronics............................................................ 63
3.1.4 Một số linh kiện spintronics ................................................................................................. 65
3.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ ................................ 66
3.2.1 Cảm biến GMR .................................................................................................................... 66
3.2.2 Các bộ nhớ ứng dụng trong công nghệ thông tin ................................................................. 71
3.2.3 Spin valve ............................................................................................................................. 74
3.2.3.1 Hiệu ứng từ điện trở và spin valve ban đầu....................................................................... 74
3.2.3.2 Spin valve với liên kết phản sắt từ .................................................................................... 75
3.2.3.3 Spin valve CPP và CIP ...................................................................................................... 76
PHẦN C. KẾT LUẬN .................................................................................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 79

Luận văn tốt nghiệp đại học

4

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

PHẦN A. MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1.1 Lịch sử vấn đề nghiên cứu
Vật liệu từ đã đƣợc phát hiện cách đây hàng nghìn năm và đƣợc ứng dụng trong cuộc
sống con ngƣời từ rất sớm mà đầu tiên là ở Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại. Ở Hy Lạp, lịch
sử ghi nhận những đối thoại về từ học giữa Aristotle và Thales từ những năm 625 đến
545 trƣớc công nguyên song song với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu (là những đá
thiên nhiên) cho một số mục đích khác nhau. Ở Phƣơng Đông, Trung Hoa là nơi sớm
nhất sử dụng các đá nam châm làm kim chỉ nam để chỉ phƣơng Nam-Bắc từ thời đại của
Chu Công (thời đại nhà Chu, 1122-256 trƣớc Công nguyên), và cuốn sách chính thức ghi
lại việc sử dụng các đá nam châm là cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tôn Tẫn) vào thế kỷ
thứ 4 trƣớc công nguyên. Alexander Neckham là ngƣời Châu Âu đầu tiên mô tả về la bàn
và việc sử dụng la bàn cho việc định hƣớng vào năm 1187. Vào năm 1269, Peter
Peregrinus de Maricourt viết cuốn Epistola de magnete, đƣợc coi là một trong những luận
thuyết đầu tiên về nam châm và la bàn.
Tƣơng tác giữa dòng điện và từ trƣờng lần đầu tiên đƣợc phát hiện và mô tả bởi Hans
Christian Oersted, một giáo sƣ Đại học Copenhagen (Đan Mạch). Ông đã phát hiện ra
việc kim la bàn bị lệch hƣớng khi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện. Thí nghiệm này
đƣợc coi là một bƣớc ngoặt trong lịch sử ngành từ học, và đƣợc đặt tên là Thí nghiệm

Oersted. Sau Oersted, hàng loạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các
công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa điện và từ trƣờng nhƣ Andre-Marie Ampere,
Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản
về từ học cũng nhƣ từ trƣờng.
Có thể dễ dàng nhận thấy các linh kiện từ tính đƣợc sử dụng trong các thiết bị, dụng
cụ quanh ta nhƣ: máy ghi âm, ti vi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô- xe máy, các bộ phận nhớ
trong máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ em.
Vật liệu từ không thể thiếu đƣợc trong các ngành công nghiệp điện ( tạo điện năng,
chuyển tải điện, điều khiển tự động), công nghệ thông tin liên lạc, công nghệ chế tạo ô tô,
tàu thủy.

Luận văn tốt nghiệp đại học

5

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

Cho đến nay các nhà khoa học đã lý giải đƣợc nhiều hiện tƣợng từ trên cơ sở lý thuyết
cơ học lƣợng tử, các nhà công nghệ đã chế tạo đƣợc nhiều loại vật liệu từ, kể cả vật liệu
từ có kích thƣớc nanomet với tính năng cao hơn, kích thƣớc nhỏ gọn hơn, thân thiện với
môi trƣờng hơn so với các thế hệ vật liệu từ trƣớc để đáp ứng đòi hỏi của phát triển kĩ
thuật.
Với những tính chất lý thú và kỳ lạ của nó, hiện nay vật liệu từ vẫn là đối tƣợng đƣợc
con ngƣời quan tâm tìm hiểu, nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng.Với công nghệ ngày càng
phát triển, các tính năng của vật liệu từ cũng dần dần đƣợc phát hiện. Con ngƣời không

ngừng nghiên cứu để tìm ra những vật liệu từ mới dựa trên các đặc tính, bản chất của
chúng. Tuy nhiên kiến thức khoa học là mênh mông nên vẫn còn những khía cạnh nhỏ
của vật liệu từ chƣa đƣợc đào sâu, chƣa đƣợc làm rõ và còn rời rạc. Với mong muốn cung
cấp cho ngƣời đọc một cái nhìn tổng quát những kiến thức khoa học cơ bản về bản chất
của các hiệu ứng trong vật liệu từ nói chung và hiệu ứng từ điện trở trong vật liệu từ nói
riêng và đƣa ra một vài ứng dụng của nó trong thực tế, nên em quyết định thực hiện đề tài
“HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ VÀ ỨNG DỤNG”
1.2 Mục đích của đề tài
- Khám phá thêm những đều bí ẩn của thiên nhiên, nắm vững kiến thức khoa học kỹ
thuật để ứng dụng ngày càng có hiệu quả hơn phục vụ lợi ích con ngƣời, đặc biệt trong
lĩnh vực từ học.
- Nghiên cứu, khai thác và biên soạn tài liệu mang tính chất giới thiệu các hiệu ứng
trong vật liệu từ đặc biệt là hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng của nó.
- Tổng hợp một cách hệ thống các kiến thức có liên quan đến hiệu ứng từ điện trở và
một số hiệu ứng khác trong vật liệu từ.
- Làm tài liệu cho sinh viên vật lý và những ai đam mê nghiên cứu trong lĩnh vực từ
học và vật liệu từ.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Tập trung nghiên cứu ba phần :
- Tổng quan về vật liệu từ.
- Các hiệu ứng trong vật liệu từ.
- Ứng dụng thực tế của hiệu ứng từ điện trở.

Luận văn tốt nghiệp đại học

6

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
- Vật liệu từ là gì ?
- Chúng có những tính chất nhƣ thế nào ?
- Trong vật liệu từ có những hiệu ứng gì ?
- Thế nào là hiệu ứng từ điện trở ?
- Có những hiệu ứng từ điện trở nào ?
- Có những phƣơng pháp nào để khảo sát hiệu ứng từ điện trở ?
- Các hiệu ứng từ điện trở đƣợc giải thích theo giả thuyết hay mô hình nào ?
- Hiệu ứng từ điện trở đƣợc ứng dụng trên thực tế ở lĩnh vực nào ?

3. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
3.1 Phƣơng pháp thực hiện đề tài
- Thu thập thông tin, tài liệu.
- Phân tích tài liệu, thông tin thu nhận đƣợc.
- Tổng hợp và hoàn thiện các tài liệu một cách có hệ thống.
3.2 Phƣơng tiện thực hiện đề tài
- Máy vi tính.
- Các loại sách và tài liệu liên quan đến đề tài.
- Internet.
4. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Thu thập tài liệu từ thƣ viện, trung tâm học liệu, internet.
- Tiếp thu và ghi nhận ý kiến đóng góp từ GVHD, thầy cô và bạn bè.
- Nghiên cứu, phân tích, chọn lọc tài liệu và thông tin đã thu nhận.
- Tổng hợp các dữ liệu để hoàn chỉnh nội dung.

Luận văn tốt nghiệp đại học

7

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

PHẦN B. NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ
1.1 LỊCH SỬ TỪ HỌC
Từ học là một ngành đƣợc ứng dụng trong cuộc sống con ngƣời từ rất sớm mà đầu
tiên là ở Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại. Ở Hy Lạp, lịch sử ghi nhận những đối thoại về từ
học giữa Aristotle và Thales từ những năm 625 đến 545 trƣớc công nguyên song song
với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu (là những đá thiên nhiên) cho một số mục đích khác
nhau. Ở Phƣơng Đông, Trung Hoa là nơi sớm nhất sử dụng các đá nam châm làm kim chỉ
nam để chỉ phƣơng Nam-Bắc từ thời đại của Chu Công (thời đại nhà Chu, 1122-256
trƣớc Công nguyên), và cuốn sách chính thức ghi lại việc sử dụng các đá nam châm là
cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tôn Tẫn) vào thế kỷ thứ 4 trƣớc công nguyên.
Alexander Neckham là ngƣời Châu Âu đầu tiên mô tả về la bàn và việc sử dụng la
bàn cho việc định hƣớng vào năm 1187. Vào năm 1269, Peter Peregrinus de Maricourt
viết cuốn Epistola de magnete, đƣợc coi là một trong những luận thuyết đầu tiên về nam
châm và la bàn.
Tƣơng tác giữa dòng điện và từ trƣờng lần đầu tiên đƣợc phát hiện và mô tả bởi Hans
Christian Oersted, một giáo sƣ Đại học Copenhagen (Đan Mạch). Ông đã phát hiện ra
việc kim la bàn bị lệch hƣớng khi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện. Thí nghiệm này
đƣợc coi là một bƣớc ngoặt trong lịch sử ngành từ học, và đƣợc đặt tên là Thí nghiệm
Oersted. Sau Oersted, hàng loạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các

công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa điện và từ trƣờng nhƣ Andre-Marie Ampere,
Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản
về từ học cũng nhƣ từ trƣờng.
James Clerk Maxwell đã tổng hợp các lý thuyết về từ trƣờng, điện trƣờng, và quang
học để phát triển thành lý thuyết tổng quát về trƣờng điện từ. vào năm 1905 Albert
Einstein đã sử dụng những định luật này để xây dựng lý thuyết tƣơng đối hẹp.
Thế kỷ 20 cũng là thế kỷ mà từ học đƣợc phát triển mạnh mẽ từ việc tạo ra các vật
liệu từ đa chức năng, xây dựng các lý thuyết vi mô về hiện tƣợng từ dựa trên các lý
thuyết của cơ
Luận văn tốt nghiệp đại học

8

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

học lƣợng tử và vật lý chất rắn nhƣ lý thuyết vi từ học, lý thuyết về đômen từ, vách
đômen, vật liệu sắt từ, tƣơng tác trao đổi, phản sắt từ,…Đi kèm với nó là sự phát triển của
nhiều kỹ thuật chụp ảnh cấu trúc từ và đo đạc các tính chất từ của vật liệu. Cuối thế kỷ
20, đầu thế kỷ 21, ngành mới spintronics ra đời dựa trên thành tựu của từ học và điện tử
học.

1.2 CÁC KHÁI NIỆM
1.2.1 Mômen lƣỡng cực từ
Mômen từ, hay mômen lƣỡng cực từ (magneticdipole moment) là đại lƣợng vật lý đặc
trƣng cho độ mạnh yếu của nguồn từ. Trong trƣờng hợp đơn giản là một dòng điện kín,

mômen lƣỡng cực từ đƣợc định nghĩa bởi:






m  I  d a . Với a là vectơ diện tích (có độ lớn là diện tích, chiều là vectơ pháp tuyến của

mặt đó, xác định từ quy tắc bàn tay phải, I là cƣờng độ dòng điện. Trong trƣờng hợp một


điện tích chuyển động quay, momen từ sẽ đƣợc cho bởi biểu thức: m 

1  
r  J d . Với
2



J là mật độ dòng điện, d  r 2 sin  dr d d .

Hình 1.1 Momen từ
1.2.2 Độ cảm từ
Độ cảm từ (hệ số từ hóa) là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho khả năng từ hóa của vật
liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của chất dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Độ cảm
Luận văn tốt nghiệp đại học

9

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

từ thƣờng đƣợc ký hiệu là  hoặc  m , và đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa độ từ hóa và độ
lớn của từ trƣờng:  

M
, với M là độ từ hóa, H là cƣờng độ từ trƣờng, do M và H có
H

cùng thứ nguyên nên  là đại lƣợng không có thứ nguyên.
1.2.3 Độ cảm từ và từ thẩm
Cảm ứng từ B với từ độ M và cƣờng độ từ trƣờng H có mối liên hệ với nhau qua biểu
thức: B   0 ( H  M )
Với  0 là hằng số từ, hay độ từ thẩm của chân không, có độ lớn  0 = 4 10 7 T .m / A . Nhƣ
vậy: B   0 (1   ) H . Đại lƣợng    0 (1   ) đƣợc gọi là độ từ thẩm. Độ từ thẩm có
cùng ý nghĩa với độ cảm từ, đều nói lên khả năng phản ứng của các vật liệu dƣới tác dụng
của từ trƣờng ngoài.
1.2.4 Độ từ hóa
Độ từ hóa hay từ độ là một đại lƣợng sử dụng trong từ học đƣợc xác định bằng tổng
mômen từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ. Đôi khi từ độ còn đƣợc định
nghĩa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lƣợng.
Từ độ là một đơn vị véctơ, và có biểu thức M  lim

V 0

m
V

Với m là mômen từ nguyên tử, V là thể tích. Do từ độ có cùng thứ nguyên với
cƣờng độ từ trƣờng nên từ độ mang đơn vị của từ trƣờng, đơn vị trong SI là A/m.
1.2.5 Độ từ thẩm
Độ từ thẩm (  ) là một đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho tính thấm của từ trƣờng vào
một vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dƣới tác dụng của từ trƣờng
ngoài.
1.2.6 Từ hóa. Quá trình từ hóa. Đƣờng cong từ hóa
Từ hóa là quá trình thay đổi các tính chất từ (cấu trúc từ, momen từ…) của vật chất
dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài.
Quá trình từ hóa: Xét về mặt hiện tƣợng, từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật chất
theo từ trƣờng ngoài, xét về mặt bản chất, đây là sự thay đổi các momen từ nguyên tử.
Khi đặt vào từ trƣờng ngoài, các momen từ nguyên tử có xu hƣớng bị quay đi theo từ
trƣờng ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ. Tùy theo sự hƣởng ứng này mà có thể
phân ra nhiều loại vật liệu từ khác nhau:

Luận văn tốt nghiệp đại học

10

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

- Nghịch từ là bản chất cố hữu của mọi loại vật chất, ở đó, chất không có momen từ

nguyên tử, và tạo ra một từ trƣờng phụ ngƣợc với chiều từ trƣờng ngoài theo xu hƣớng
của cảm ứng từ (quy tắc Lenz). Vì thế, chất nghịch từ có momen từ âm và ngƣợc với
chiều từ theo trƣờng ngoài.
- Thuận từ: Quá trình từ hóa ở chất thuận từ, chất có momen từ nguyên tử nhỏ và
không liên kết, xảy ra đơn giản, các momen từ nguyên tử sẽ quay theo từ trƣờng ngoài và
tạo ra một từ trƣờng phụ dƣơng (thắng thế hiệu ứng nghịch từ cố hữu). Vì thế, quá trình
từ hóa chỉ đơn giản là sự tăng tuyến tính của từ độ theo từ trƣờng ngoài và đạt bão hòa
khi từ trƣờng rất lớn và nhiệt độ rất thấp.
- Sắt từ và các vật liệu có trật tự từ khác (phản sắt từ, feri từ): Trong các vật liệu này,
momen từ nguyên tử lớn và có liên kết với nhau thông qua tƣơng tác trao đổi nên quá
trình từ hóa trở nên phức tạp. Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ cấu trúc từ,
cấu trúc tinh thể cũng nhƣ sự đồng nhất của vật liệu. Các quá trình từ hóa lúc này là sự
thay đổi cấu trúc đômen của chất, và dẫn đến nhiều loại chất khác nhau, ví dụ nhƣ vật
liệu sắt từ mềm, vật liệu sắt từ cứng…
Đƣờng cong từ hóa: Là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chƣa
nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất từ (thông
qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ…) theo giá trị của từ trƣờng ngoài. Ở phạm vi cấu trúc
vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ (cấu trúc đômen) thông qua các
cơ chế khác nhau.
Đối với các chất thuận từ và nghịch từ, đƣờng cong từ hóa có dạng là đƣờng thẳng (từ
độ phụ thuộc tuyến tính vào từ trƣờng), từ độ của chất thuận từ mang giá trị dƣơng trong
khi chất nghịch từ có từ độ nhận giá trị âm.

Hình 1.2 Hình dạng đường cong từ hóa
Luận văn tốt nghiệp đại học

11

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

Đối với các chất có trật tự từ (sắt từ, phản sắt từ, feri từ), đƣờng cong từ hóa là các
đƣờng phi tuyến. Đối với sắt từ và feri từ, khi từ hóa với từ trƣờng đủ lớn sẽ có hiện
tƣợng bão hòa từ (đƣờng cong từ hóa nằm ngang, đạt từ độ bão hòa). Hiện tƣợng bão hòa
từ cũng xảy ra đối với các chất thuận từ và phản sắt từ, nhƣng phải trong từ trƣờng rất lớn
và ở nhiệt độ thấp.

Hình 1.3 Đường cong từ hóa phụ thuộc vào từ trường
1.2.7 Từ Trễ
Từ trễ là hiện tƣợng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt
từ, hiện tƣợng từ trễ là một hiện tƣợng đặc trƣng quan trọng và dễ thấy nhất ở chất sắt từ.
Hiện tƣợng từ trễ đƣợc mô tả nhƣ sau: sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trƣờng bất
kỳ, nếu ta giảm dần từ trƣờng và quay lại theo chiều ngƣợc, thì nó không quay trở về
đƣờng cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đƣờng khác.
Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một
đƣờng cong kín gọi là đƣờng cong từ trễ hay chu trình từ trễ.
Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trƣng của các vật liệu sắt từ, và hiện tƣợng từ
trễ biểu hiện khả năng từ tính của các chất sắt từ.

Luận văn tốt nghiệp đại học

12

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

Hình 1.4 Đường cong từ trễ của vật liệu
từ cứngvà vật liệu từ mềm

1.2.8 Lực kháng từ, từ dƣ, từ độ bão hòa
Lực kháng từ là giá trị từ trƣờng cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M=0). Lực
kháng từ thƣờng đƣợc ký hiệu là Hc (Coercivity).
Từ dƣ là giá trị từ độ còn giữ đƣợc khi ngắt từ trƣờng (H=0), thƣờng đƣợc ký hiệu là
Mr hoặc Ir, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các phƣơng trình từ hóa, hình dạng vật từ…
Từ độ bão hòa là giá trị từ độ đạt đƣợc khi đƣợc từ hóa đến từ trƣờng đủ lớn (vƣợt quá giá
trị trƣờng dị hƣớng) sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các momen từ hoàn toàn
song song với nhau. Từ độ bão hòa thƣờng đƣợc ký hiệu là Ms hay Is.

1.2.9 Các dạng năng lƣợng vi từ
Năng lƣợng vi từ: (tiếng Anh: Micromagnetic energy) là tổng hợp các dạng năng
lƣợng thể hiện các tƣơng tác vi mô giữa các mômen từ với nhau và với trƣờng tƣơng tác
bên ngoài trong một vật sắt từ. Năng lƣợng vi từ có thể quy gọn thành năm số hạng: năng
lƣợng trao đổi, năng lƣợng dị hƣớng, năng lƣợng tĩnh từ, năng lƣợng Zeeman, và năng
lƣợng từ giảo. Sự cực tiểu hóa năng lƣợng tổng hợp sẽ quy định cấu trúc đômen của vật
từ.

Luận văn tốt nghiệp đại học

13

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

Năng lƣợng trao đổi: (Exchange energy) là dạng năng lƣợng có đƣợc do tƣơng tác
trao đổi giữa các spin cạnh nhau khi hàm sóng của điện tử phủ nhau, làm cho các spin
song song với nhau. Năng lƣợng này đƣợc cho bởi: Eex  2 JS 2  cos ij với J, S lần lƣợt
ij

là tích phân trao đổi và độ lớn của spin, ψij là góc giữa hai spin i và j.
Năng lƣợng dị hƣớng: (Anisotropy energy) là dạng năng lƣợng liên quan đến các
tính chất dị hƣớng của vật từ, trong đó quá trình từ hóa bị phụ thuộc vào phƣơng từ hóa
do sự định hƣớng ƣu tiên của các mômen từ và do cấu trúc tinh thể của vật từ quy định.
Có thể chia dạng năng lƣợng này thành hai số hạng: năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể và
năng lƣợng dị hƣớng hình dạng.
Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể: (Magnetocrystalline anistropy energy) năng
lƣợng này liên quan đến sự dị hƣớng tạo ra do tính chất bất đẳng hƣớng của cấu trúc tinh
thể. Mômen từ sẽ ƣu tiên định hƣớng theo một trục (gọi là trục dễ từ hóa), và một trục
khác (vuông góc với trục dễ) đƣợc gọi là trục khó hầu nhƣ không có mômen từ định
hƣớng. Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể là năng lƣợng cần thiết để quay mômen từ từ
trục dễ sang trục khó. Năng lƣợng này phụ thuộc vào sự định hƣớng tƣơng đối của
mômen từ với các trục tinh thể và đối xứng tinh thể. Ví dụ nhƣ trong cấu trúc lập phƣơng
thì năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể cho bởi:

 





E K   K1  2  2   2 2   2 2  K 2 2  2 2 dV
V

với K1, K2 lần lƣợt là hằng số dị hƣớng từ tinh thể bậc 1, bậc 2; α, β, γ là các côsin chỉ
phƣơng giữa mômen từ với các trục tinh thể, V là thể tích vật từ.
Năng lƣợng dị hƣớng hình dạng: (Shape anistropy energy) là năng lƣợng có
đƣợc do sự bất đối xứng trong quá trình từ hóa do hình dạng hình học của vật từ quy
định. Do tƣơng tác giữa các từ cực, sẽ xuất hiện một trƣờng khử từ ngƣợc với chiều từ
hóa, chống lại sự từ hóa. Do đó, mômen từ sẽ có xu hƣớng định hƣớng theo trục dài của
vật. Và số hạng năng lƣợng này đƣợc xác định bởi: E K  

K eff sin 2 dV

V

Với K eff 

Nb  Na 2
M
2

Ở đây, Keff ,M là dị hƣớng từ hiệu dụng và từ độ của vật từ; θ là góc giữa trục dài và
phƣơng từ hóa; Na , Nb là thừa số khử từ theo 2 trục vuông góc.
Luận văn tốt nghiệp đại học

14

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng

GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

Năng lƣợng tĩnh từ : (Magnetostatic energy) là dạng năng lƣợng có đƣợc do sự phân
bố các mômen từ trong vật từ. Sự phân bố bất đồng nhất các mômen từ sẽ dẫn đến việc
xuất hiện các từ tích bề mặt và tạo ra hai dạng trƣờng: nội trƣờng (trƣờng khử từ) và
ngoại trƣờng (trƣờng phân tán bên ngoài vật). Năng lƣợng này đƣợc xác định bởi:
Ed 

 0  
MH d dV
2 V

với  0 là độ từ thẩm của chân không, Hd là trƣờng tĩnh từ, đƣợc xác định bởi:


 1 M
1
Hd 
dV 
2

4 V r
4


Mn
S r 2 dS

Năng lƣợng Zeeman: là năng lƣợng có đƣợc do tƣơng tác giữa mômen từ và từ


trƣờng ngoài và đƣợc cho bởi công thức: E z    0  MHdV
V

Năng lƣợng từ giảo: (Magnetostrictive energy) là dạng năng lƣợng liên quan do hiệu
ứng từ giảo, có đƣợc do sự biến đổi về hình dạng hình học của vật từ do từ trƣờng ngoài
(từ giảo thuận) hoặc sự thay đổi tính chất từ khi có sự thay đổi về thể tích hay hình dạng.
Bản chất của hiện tƣợng từ giảo là do tƣơng tác spin-quỹ đạo trong các điện tử trong vật
liệu sắt từ. Hiện tƣợng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối
xứng cầu và có tƣơng tác spin-quỹ đạo mạnh. Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, sự phân
bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo sự quay của mômen từ
(mômen spin) từ hƣớng này sang hƣớng khác và từ giảo đƣợc tạo ra do sự thay đổi tƣơng
ứng của tƣơng tác tĩnh điện giữa điện tử từ và điện tích của môi trƣờng. Năng lƣợng này
3
2

đƣợc cho bởi: E   s sin 2 dV với λs là từ giảo bão hòa của vật từ, σ là ứng suất cơ
V

học trong vật, α là góc giữa véctơ từ độ và ứng suất cơ học.
Năng lƣợng tổng cộng: Là tổng cộng của 5 số hạng năng lƣợng nói trên, cho bởi:
Etotal  Eex  Ek  Ed  E z  E

Cực tiểu hóa năng lƣợng tổng cộng sẽ quy định cấu trúc đômen của vật từ. Tùy vào
hình dạng vật từ và cấu hình mômen từ mà có thể xuất hiện từng dạng năng lƣợng tuy
nhiên sự cực tiểu hóa năng lƣợng tổng cộng luôn là điều kiện cần cho việc xác định trạng
thái cân bằng của hệ spin. Ngoài ra, áp dụng phƣơng trình Landau-Liftshitz-Gilbert có

thể bổ sung đầy đủ hơn cho việc xác định các trạng thái của hệ từ. Xác định năng lƣợng
tổng cộng là một trong những nội dung cơ bản của phƣơng pháp vi từ học. Đôi khi, các
Luận văn tốt nghiệp đại học

15

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

số hạng có thể đƣợc viết dƣới các dạng toán học khác trong các giáo trình khác nhau,
nhƣng cũng có cùng bản chất và đều có thể quy về một cách biểu diễn toán học.

1.3 VẬT LIỆU TỪ
1.3.1 Nguồn gốc từ tính trong vật liệu
Ngay giữa thế kỷ XIX, Faraday đã chứng tỏ rằng tất cả các vật liệu đều có tính chất
từ. Cụ thể là tất cả các chất khi đặt vào trong một từ trƣờng ngoài (H) thì bên trong
chúng đều xuất hiện một cảm ứng từ (B), gây ra bởi chính các chất đó, nghĩa là đã có một
quá trình từ hóa xảy ra ở trong chúng.
Những vật liệu có tính chất từ đƣợc gọi là vật liệu từ. Trong vật liệu từ tính chất từ
đƣợc quyết định bởi momen và cấu trúc điện tử của các nguyên tử. Xét một nguyên tử
không chịu tác dụng của từ trƣờng ngoài. Nhƣ đã biết nguyên tử gồm hạt nhân và các
electron chuyển động xung quanh. Electron chuyển động tƣơng đƣơng nhƣ một dòng
điện tròn có chiều ngƣợc với chiều quay của electron. Ứng với dòng điện này là một
vecto momen từ, gọi là momen từ quỹ đạo của electron.
Ngoài chuyển động trên quỹ đạo electron còn tham gia một chuyển động “quay” riêng
nữa. Ứng với chuyển động “quay” riêng đó, electron có một vectơ momen từ riêng đƣợc

gọi là momen từ spin.
Momen từ nguyên tử bằng tổng các momen từ của tất cả các electron trong nguyên tử.








Pm   ( Pmqđ  Pms ) . Trong đó P m là momen từ nguyên tử, P mqđ là momen từ quỹ đạo,




P ms là momen từ spin. Nhƣ vậy nguồn gốc từ tính của momen từ của nguyên tử là ở chỗ

các điện tử thực hiện các chuyển động quỹ đạo và spin.
1.3.2 Phân loại vật liệu từ
Có nhiều cách phân loại vật liệu từ, hiện nay phân loại vật liệu từ có hai cách thông
dụng đó là: phân loại theo hệ số từ hóa  và phân loại theo lực kháng từ H .
C

1.3.2.1 Phân loại theo hệ số từ hóa
a. Vật liệu nghịch từ
Vật liệu nghịch từ đƣợc cấu tạo từ một loại phân tử không có từ tính. Khi đặt vào từ
trƣờng ngoài trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trƣờng phụ ngƣợc
chiều với từ trƣờng ngoài.
"Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ trƣờng. Đó là thuộc tính cố hữu của mọi
vật chất. Ta biết rằng, khi đặt một vật vào từ trƣờng, theo quy tắc cảm ứng điện từ, trong

Luận văn tốt nghiệp đại học

16

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng theo quy tắc Lenz, tức là dòng sinh ra sẽ
có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trƣờng), và tạo ra một mômen từ phụ ngƣợc với
chiều của từ trƣờng ngoài. Đó là tính nghịch từ. Chất nghịch từ là chất không có mômen
từ nguyên tử (tức là mômen từ sinh ra do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một
từ trƣờng ngoài vào, nó sẽ tạo ra các mômen từ ngƣợc với từ trƣờng ngoài (quy tắc
nghịch từ nói ở trên).
Theo nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ trƣờng. Nhƣng thông thƣờng, ta
khó mà quan sát đƣợc hiệu ứng này bởi tính nghịch từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất
nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10-6). Các chất nghịch từ
điển hình là H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au...
b.Vật liệu thuận từ
Thuận từ là chất có từ tính yếu (trong ngành từ học sắp vào nhóm phi từ, có nghĩa là
chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở khả năng hƣởng ứng thuận theo từ
trƣờng ngoài, có nghĩa là chất này có momen từ nguyên tử (nhƣng giá trị nhỏ), khi có tác
dụng của từ trƣờng ngoài, các momen từ này sẽ bị quay theo từ trƣờng ngoài, làm cho
cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. Vì thế mômen từ của chất thuận từ là dƣơng.
Có thể xem một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ nhƣ các nam châm
nhỏ, nhƣng không liên kết đƣợc với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và mômen từ
yếu). Hơn nữa, do các nam châm này không hề có tƣơng tác với nhau nên chúng không

giữ đƣợc từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trƣờng ngoài.

Hình 1.5 Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ
Luận văn tốt nghiệp đại học

17

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

Chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trƣờng (một hình ảnh ví dụ là Ôxy
lỏng bị hút vào cực của nam châm điện nhƣng thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy
trong từ trƣờng mạnh.

Hình 1.6 Oxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam châm
điện.
Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2, Pt..., và độ cảm từ μ của 1 số chất thuận từ nhƣ
sau: Al: μ = 2,10.10-5, Pt: μ = 2,90.10-5, Ôxy lỏng: μ = 3,50.10-5.
c.Vật liệu sắt từ và tính sắt từ (Ferromagnetic materials -Ferromagnetism)
Chất sắt từ đƣợc biết đến là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dƣới từ
trƣờng ngoài mạnh. Fe, Co, Ni, Gd...là những ví dụ điển hình về loại chất này. Chất sắt từ
là các chất có mômen từ nguyên tử. Nhƣng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ
các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tƣơng tác với nhau (tƣơng tác trao đổi sắt từ),
ta tƣởng tƣợng tƣơng tác này nhƣ là các nam châm đứng gần nhau, chúng hút nhau và giữ
cho nhau song song. Tất nhiên, bản chất vật lý của tƣơng tác trao đổi không nhƣ thế, bản
chất của tƣơng tác trao đổi là tƣơng tác tĩnh điện đặc biệt. Tƣơng tác này dẫn đến việc

hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đômen từ - Magnetic domain) mà
trong mỗi đômen

Luận văn tốt nghiệp đại học

18

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau (do tƣơng tác trao đổi), tạo thành
từ độ tự phát – spontaneous magnetization của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay
cả khi không có từ trƣờng).

Hình 1.7 Ảnh các đômen từ (các vùng có màu sắc khác nhau)
trên một mẫu hợp kim Ni80Fe20 có chiều dày 20 nm, cạnh
500 nm.Vật được chia thành 4 đômen.
Nếu không có từ trƣờng, do năng lƣợng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong
toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0.
Nếu ta đặt từ trƣờng ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tƣợng xảy ra:
- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phƣơng từ trƣờng.
- Sự quay của các mômen từ theo hƣớng từ trƣờng.
Khi tăng dần từ trƣờng đến mức đủ lớn, ta có hiện tƣợng bão hòa từ, lúc đó tất cả các
mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duy nhất. Nếu ta
ngắt từ trƣờng, các mômen từ sẽ lại có xu hƣớng hỗn độn và lại tạo thành các đômen, tuy
nhiên, các đômen này vẫn còn tƣơng tác với nhau (ta tƣởng tƣợng hình ảnh các nam

châm hút nhau làm chúng không hỗn độn đƣợc) do vậy tổng mômen từ trong toàn khối
không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dƣ (remanent magnetization),
điều này tạo thành hiện tƣợng trễ của vật liệu . Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của
vật liệu, ta cần đặt một từ trƣờng ngƣợc sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực
Luận văn tốt nghiệp đại học

19

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

kháng từ (coercivity, hay coercive field). Đƣờng cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào
từ trƣờng ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó là đƣờng cong phi tuyến
(của thuận từ là tuyến tính) và đạt tới bão hòa khi từ trƣờng đủ lớn.
Hai đặc trƣng cơ bản của chất sắt từ là:
- Đƣờng cong từ trễ (hysteresis loop).
- Nhiệt độ Curie TC.
Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T > TC, chất trở
thành thuận từ và khi T < TC, chất là sắt từ. Nhiệt độ TC đƣợc gọi là nhiệt độ chuyển pha
sắt từ-thuận từ. TC là một thông số đặc trƣng cho chất (thông số nội tại).
Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie nhƣ : Fe: 1043K, Co: 1388K, Gd: 292.5K, Ni:
627K.

Hình 1.8 Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ curie (b) của chất sắt từ.

Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dƣới tác động của

từ trƣờng ngoài) và khử từ (sự mất từ tính dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài ngƣợc với
nội trƣờng) khác nhau.

Luận văn tốt nghiệp đại học

20

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

c. Siêu thuận từ (Superparamagnetic materials)
Siêu thuận từ là một hiện tƣợng, một trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở
đó chất biểu hiện các tính chất giống nhƣ các chất thuận từ, ngay ở dƣới nhiệt độ
Curie.Đây là một hiệu ứng kích thƣớc, về mặt bản chất là sự thắng thế của năng lƣợng
nhiệt so với năng lƣợng định hƣớng khi kích thƣớc hạt quá nhỏ.
Một khái niệm cần biết trong sắt từ là "dị hƣớng từ tinh thể" K, đó là năng lƣợng
định hƣớng liên quan đến sự định hƣớng của các mômen từ so với từ trƣờng. Mỗi chất sắt
từ có 1 trục dễ từ hóa và khó từ hóa. Năng lƣợng để quay các mômen từ từ trục khó đến
trục dễ gọi là năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể, liên quan đến sự bất đối xứng về tinh thể.
Một vật sắt từ đƣợc cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tƣơng tác và liên
kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm dần kích thƣớc các hạt thì năng lƣợng dị hƣớng KV
giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng lƣợng nhiệt sẽ
thắng năng lƣợng định hƣớng và vật sẽ có những tính chất của một chất thuận từ. Đó là
siêu thuận từ.
Các chất siêu thuận từ đang đƣợc quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo
các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu

thuận từ, từ dƣ và lực kháng từ bằng không, và có những tính chất nhƣ chất thuận từ,
nhƣng chúng lại nhạy với từ trƣờng hơn, có từ độ lớn nhƣ của chất sắt từ. Điều đó có
nghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dƣới tác động của từ trƣờng ngoài nhƣng khi ngừng tác
động của từ trƣờng ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan
trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học.
Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính
đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tƣơng hợp sinh học
(không có độc tính). Tính đồng nhất về kích thƣớc và tính chất liên quan nhiều đến
phƣơng pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tƣơng hợp sinh học liên quan đến bản
chất của vật liệu, trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ
phòng, sắt không độc đối với cơ thể ngƣời và tính ổn định khi làm việc trong môi trƣờng
không khí nên các vật liệu nhƣ ô-xít sắt đƣợc nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ
tính.
d. Phản sắt từ - Antiferromagnetic Materials
Ở phần sắt từ, ta đã biết rằng các chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử và
các mômen này tƣơng tác với nhau thông qua tƣơng tác trao đổi làm cho các mômen từ
Luận văn tốt nghiệp đại học

21

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

định hƣớng song song với nhau. Đó là tƣơng tác trao đổi dƣơng.Chất phản sắt từ thì
ngƣợc lại, chúng cũng có mômen từ nguyên tử nhƣng tƣơng tác giữa các mômen từ là
tƣơng tác trao đổi âm và làm cho các mômen từ định hƣớng phản song song với nhau

(song song, cùng độ lớn nhƣng ngƣợc chiều).
Sự định hƣớng phản song song này
tạo ra 2 phân mạng từ. Mn và Cr là 2
kim loại phản sắt từ điển hình. Phản sắt
từ là chất thuộc loại có trật tự từ. Nghiên
cứu về phản sắt từ thƣờng đƣợc tiến
hành ở các màng mỏng (ví dụ các lớp
kiểu bánh kẹp sắt từ-phản sắt từ) tạo
thành hiệu ứng đƣờng trễ dịch, hay
exchange bias, ứng dụng trong các đầu

Hình 1.9 Cấu trúc từ của vật liệu sắt từ

đọc valse-spin trong đầu đọc của ổ đĩa
cứng.

Để nghiên cứu cấu trúc từ, ngƣời ta dùng kỹ thuật nhiễu xạ neutron, hạt không mang
điện nhƣng có mômen từ, các thông tin thu đƣợc qua sự phân tích về tƣơng tác giữa
mômen từ của neutron với các phân mạng từ. Nếu nhƣ chất phản sắt từ có 2 phân mạng
từ đối song song và bù trừ nhau thì feri từ có cấu trúc gần giống nhƣ vậy. Feri từ cũng có
2 phân mạng từ đối song song, nhƣng không có độ lớn nhƣ nhau nên không bù trừ hoàn
toàn. Do vậy feri từ còn đƣợc gọi là các phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Ferrite là các
feri từ điển hình. Chúng có những tính chất giống với các chất sắt từ.
1.3.2.2 Phân loại theo lực kháng từ Hc
a.Vật liệu sắt từ cứng
Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa.Nghĩa của tính từ
"cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát từ cơ
tính của vật liệu từ.
Các đặc trƣng
- Đƣờng cong từ trễ và các đặc trƣng của vật liệu từ cứng.Vật liệu từ cứng có nhiều

đặc trƣng từ học, sự phụ thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn...
dƣới đây liệt kê một số đặc trƣng quan trọng.

Luận văn tốt nghiệp đại học

22

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

- Lực kháng từ, kí hiệu là HC đại lƣợng quan trọng đặc trƣng cho tính từ cứng của
vật liệu từ cứng. Vì vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên ngƣợc lại với vật
liệu từ mềm, nó có lực kháng từ cao. Điều kiện tối thiểu là trên 100 Oe, nhƣng vật liệu từ
cứng phổ biến thƣờng có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn gốc của lực kháng
từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hƣớng từ tinh thể lớn trong
vật liệu. Các vật liệu từ cứng thƣờng có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với
các vật liệu từ mềm và chúng có dị hƣớng từ tinh thể rất lớn.
Lực kháng từ của vật liệu từ cứng thông thƣờng đƣợc biết đến qua công thức:
Hc  a


K1
 b ( N1  N 2 ) I S  c s Trong đó:
Is
Is

• Thành phần thứ nhất có đóng góp lớn nhất với K1 là hằng số dị hƣớng từ tinh thể
bậc 1, là từ độ bão hòa.
• Thành phần thứ 2, đóng góp nhỏ hơn một bậc với N1, N2 là thừa số khử từ đo theo
hai phƣơng khác nhau.
• Thành phần thứ 3 có đóng góp nhỏ nhất với  s là từ giảo bão hòa,  là ứng suất nội,
a, b, c lần lƣợt là các hệ số.
- Tích năng lƣợng cực đại là đại lƣợng đặc trƣng cho độ mạnh yếu của vật từ, đƣợc
đặc trƣng bởi năng lƣợng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ. Đại
lƣợng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lƣợng

J
. Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc
m3

xác định trên đƣờng cong khử từ thuộc về góc phần tƣ thứ 2 trên đƣờng cong từ trễ, là
một điểm sao cho giá trị của tích cảm ứng từ B và từ trƣờng H là cực đại. Vì thế, tích
năng lƣợng từ cực đại thƣờng đƣợc kí hiệu là BHmax. Vì là tích của B (đơn vị trong CGS
là Gauss - G), và H (đơn vị trong CGS là Oersted - Oe), nên tích năng lƣợng từ còn có
một đơn vị khác là GOe (đơn vị này thƣờng dùng hơn đơn vị chuẩn SI trong khoa học và
công nghệ vật liệu từ) 1GOe 

8 J
.
1000 m 3

Để có tích năng lƣợng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dƣ cao.

Luận văn tốt nghiệp đại học

23

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng


GVHD: ThS Dương Quốc Chánh Tín

SVTH: Thạch Thị Thu Hương

Hình 1.10. Đường cong từ trễ và các đặc trưng
của vật liệu từ cứng
- Cảm ứng từ dƣ, thƣờng kí hiệu là Br hay Jr, là cảm ứng từ còn dƣ sau khi ngắt từ
trƣờng.
- Nhiệt độ Curie đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trở thành chất
thuận từ. Một số vật liệu từ cứng đƣợc ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt
độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao. Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao
nhất hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ Curie từ 500°C đến trên
1000°C.
- Mật độ từ tích hiệu dụng: Các phƣơng trình Maxwell (trong hệ đo lƣờng SI) áp
dụng cho vật liệu từ cứng, khi không có dòng điện tự do chạy bên trong vật liệu này:
 H  0
  B   0 ( H  M )  0

Ở đây, B là cảm ứng từ, H là cƣờng độ từ trƣờng, M là độ từ hóa. Vậy tồn tại trƣờng
vô hƣớng Vm, gọi là thế vô hƣớng từ (đóng vai trò tƣơng tự điện thế trong tĩnh điện học),
thỏa mãn:

H  Vm
 2Vm   m

Luận văn tốt nghiệp đại học

24

Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng