Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng hall phẳng dạng cầu wheatstone

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

======

NGUYỄN VĂN THIỀN

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO
TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG
DẠNG CẦU WHEATSTONE
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI - 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

======

NGUYỄN VĂN THIỀN

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO
TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG
DẠNG CẦU WHEATSTONE
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học

ThS Lê Khắc Quynh

HÀ NỘI - 2018


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Lê Khắc Quynh
người đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý
báu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn
thành khoá luận tốt nghiệp.
Tiếp theo, em xin cám ơn tất cả các thầy, các cô thuộc Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2 nói chung và các thầy, các cô trong khoa Vật Lý nói riêng đã
giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng khoa học từ kiến thức
cơ bản đến kiến thức chuyên sâu, cũng như kĩ năng thực hành, thực nghiệm
trong suốt bốn năm học qua.
Cuối cùng, em xin gửi những lời chúc tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình và
bạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ và động viên em vượt qua những
khó khăn, hoàn thành khoá luận một cách tốt đẹp.
Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khoá luận của em
không tránh khỏi sự thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được những đóng góp
ý kiến của thầy cô và bạn bè để khoá luận được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh Viên

Nguyễn Văn Thiền

LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp của em hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của
thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh. Trong quá trình nghiên cứu hoàn thành bản
khóa luận em có tham khảo một số tài liệu của một số tác giả đã ghi trong phần
tài liệu tham khảo.
Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong khoá luận hoàn toàn là
trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kì nơi nào khác, mọi nguồn tài
liệu tham khảo đều được trích dẫn một cách rõ ràng.

Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh Viên

Nguyễn Văn Thiền


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.............................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài.............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu.......................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................1
4. Nhiệm vụ của đề tài.........................................................................................1
5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................2
6. Cấu trúc của đề tài...........................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...............................................................................3
1.1. Phân loại vật liệu từ......................................................................................3
1.1.1. Chất nghịch từ ...........................................................................................3
1.1.2. Chất thuận từ .............................................................................................5
1.1.3. Chất sắt từ..................................................................................................6
1.1.3.1. Vật liệu từ cứng..................................................................................... 9

1.1.3.2. Vật liệu từ mềm.................................................................................... 10
1.1.3.3. Vật liệu ghi từ....................................................................................... 12
1.1.4. Chất phản sắt từ....................................................................................... 13
1.1.5. Chất feri từ .............................................................................................. 15
1.2. Các hiệu ứng từ điện trở............................................................................. 17
1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở ................................................................................ 17
1.2.2. Hiệu ứng ARM........................................................................................ 18
1.2.3. Hiệu ứng Hall thường ............................................................................. 20
1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng ............................................................................... 22


CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.................................. 25
2.1. Chế tạo cảm biến........................................................................................ 25
2.2. Phún xạ tạo màng ....................................................................................... 26
2.3. Hệ đo tính chất từ VSM ............................................................................. 27
2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng ........................................................................ 28
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................... 30
3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe ................................................................ 30
3.1.1. Tính chất từ của lớp màng phụ thuộc vào tường ghim ........................... 30
3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dang cảm biến .............. 31
3.1.3. Tính chất từ của lớp màng phụ thuộc vào bề dày ................................... 32
3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của cảm biến có kích thước tối ưu ......................... 33
KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................ 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. 36


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co13Cu887 trên đế Si đo
bằng từ kế mẫu rung............................................................................................ 4
Hình 1.2. Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất thuận từ.............. 5

Hình 1.3. Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ
trường ngoài tác dụng ........................................................................................ 7
Hình 1.4. Hình vẽ đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ ..................................... 8
Hình 1.5. Hình vẽ mô tả sự biến đổi nhiệt độ Curie của vật liệu sắt từ.............. 8
Hình 1.6. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ cứng: (a) Nam châm vĩnh
cửu, (b) Bệ phóng tàu con thoi tương lai ............................................................ 9
Hình 1.7. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ mềm: (a) Hình ảnh bên
trong của một máy biến thế, (b) Hình ảnh nam châm điện đầu tiên làm từ một
lõi sắt non .......................................................................................................... 11
Hình 1.8. Hình vẽ mô tả diện tích đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng và
vật liệu từ mềm.................................................................................................. 12
Hình 1.9. Hình ảnh ứng dụng của vật liệu ghi từ.............................................. 12
Hình 1.10. Hình ảnh mô tả cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân
mạng spin đối song và bằng nhau ..................................................................... 13
Hình 1.11. Hình ảnh mô tả sự liên kết phản sắt từ trong các màng mỏng đa lớp
valse spin trong ổ đĩa cứng................................................................................ 14
Hình 1.12. Hình ảnh mô tả sắp xếp của các mômen từ nguyên tử trong vật liệu
feri từ ................................................................................................................. 15
Hình 1.13. Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel ......................................
16
Hình 1.14. Hình vẽ mô tả sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt
độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ...................................................... 17


Hình 1.15. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR ..................................... 19
Hình 1.16. Đồ thị mô tả giá trị của điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa
dòng điện chạy qua và hướng của vectơ từ hoá ................................................ 20
Hình 1.17. Hình ảnh mô tả hướng và chiều tác dụng của từ trường ngoài trong
hiệu ứng Hall..................................................................................................... 22
Hình 1.18. Mô hình hiệu ứng Hall phẳng ......................................................... 23

Hình 1.19. Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thường và hiệu
ứng Hall phẳng .................................................................................................. 23
Hình 1.20. Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế ARM .. 24
Hình 2.1. (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở (a), mặt
nạ điện cực (b), cảm biến mô phỏng (c) và cảm biến hoàn thiện (d) ............... 25
Hình 2.2. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC ................................................ 26
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung ...................................................... 27
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở ......................................... 28
Hình 2.5. Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở ................................................ 28
Hình 3.1. Đường cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến được chế tạo với các từ
trường ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe........................................................ 30
Hình 3.2. Đường cong từ hóa tỉ đối M/M s của các cảm biến có cùng chiều rộng
1 mm nhưng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trường ngoài song song
với phương từ hóa dễ ........................................................................................ 31
Hình 3.3. Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phương từ
hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15, 20 nm................. 32
Hình 3.4. (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của các cảm
biến 1×10 mm, t = 5 nm, tại dòng cấp 1 mA .................................................... 33


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau được sử dụng để đo từ
trường, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và từ như
cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến
dựa trên hiệu ứng điện – từ, hiệu ứng Hall… Mỗi loại cảm biến đều có đặc
thù riêng, có các ưu điểm và nhược điểm riêng tuỳ thuộc vào mục đích và
phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng.
Ngày nay, với kích thước nhỏ, độ nhạy cao, dễ tương thích với các mạch
điện tử, cảm biến từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh,

quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không vũ trụ, cảm biến
đo dòng, cảm biến đo từ trường nhỏ…. Phổ biến nhất trong cảm biến từ là
các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ và hiệu ứng từ
điện trở, trong đó cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng đang được nghiên
cứu trở lại từ năm cỡ 2000 trở lại đây.
Với mục tiêu chế tạo được cảm biến đo được từ trường với cấu hình đơn
giản nhưng lại cho hiệu quả cao tôi đã chọn cảm biến dạng cầu Wheatstone
dựa trên hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu của mình. Tên đề tài
khóa luận là “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng
Hall phẳng dạng cầu Wheatstone”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng
dạng cầu Wheatstone.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Vật liệu dạng màng mỏng sắt từ Ni80Fe20 có hiệu ứng Hall phẳng.
4. Nhiệm vụ của đề tài
Chế tạo và khảo sát hiệu ứng Hall phẳng trên các cảm biến với các cấu

1


hình khác nhau.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu có liên quan.
- Thực nghiệm.
6. Cấu trúc của đề tài
Phần 1: Mở đầu
Phần 2: Nội dung
- Chương 1: TỔNG QUAN
- Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

- Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Phân loại vật liệu từ
Người ta phân loại vật liệu từ thành các chất sau: Chất nghịch từ, chất
thuận từ, chất sắt từ, chất phản sắt từ và chất feri từ.
1.1.1. Chất nghịch từ
Vật liệu từ ở trạng thái nghịch từ là vật liệu từ có độ từ cảm nhỏ hơn 0
-5

(hay χ<0, độ lớn nhỏ cỡ 10 ), ít phụ thuộc vào nhiệt độ.
Chất nghịch từ là các chất không có mômen từ. Gần đúng ta coi rằng
trong các chất nghịch từ có các nguyên tử mà trong đó mặt phẳng quỹ đạo
của các electron song song với nhau và quỹ đạo của chúng giống nhau. Trên
các quỹ đạo ấy, các electron chuyển động cùng vận tốc nhưng ngược chiều
nhau vậy nên làm mômen từ quỹ đạo của chúng luôn trực đối nhau. Do đó
tổng mômen từ quỹ đạo luôn bằng không. Tính chất thuận từ thể hiện ở khả
năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, tức là các chất này có mômen từ
nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài các
mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng
cộng trong chất tăng lên.
Trên cơ sở lý thuyết các nhà khoa học đã chứng minh được là các
mômen từ riêng (mômen spin) của electron cũng luôn ngược chiều nhau, nên
tổng mômen từ riêng của nó cũng bằng không. Do đó mômen từ nguyên tử
của electron (mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin) cũng bằng không. Và khi
đặt vào trong từ trường ngoài, các electron đều có mômen từ cảm ứng cùng
chiều nhau và ngược chiều với từ trường ngoài. Kết quả là mômen từ của mỗi
nguyên tử khác không dẫn tới toàn bộ chất nghịch từ có mômen từ khác

không đồng thời ngược chiều với từ trường ngoài.


Hiện tượng nghịch từ thường xuất hiện ở tất cả các vật nhưng lại bị che
lấp bởi các hiệu ứng khác chiếm ưu thế hơn (như hiện tượng thuận từ, hiện
tượng sắt từ…). Hiện tượng nghịch từ được thể hiện rõ nhất ở những chất mà
mômen từ tổng cộng của chúng bằng không.
Ví dụ: Khí trơ, hợp chất hữu cơ, một số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag…

Cu 

0, 9.105

P 
5
b
1, 7.10



 0,88.105

H 2O

Hình 1.1. Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co13Cu887 trên đế Si đo
bằng từ kế mẫu rung [2].
Người ta còn đưa ra khái niệm vật liệu nghịch từ lý tưởng đó là vật liệu
siêu dẫn (vật mà ở dưới nhiệt độ nhưng điện trở của vật bằng không) vì nó có
0
   lớn gấp nhiều lần so với các chất nghịch từ khác. Vì vậy, độ

1
và
4

thẩm điện môi của môi trường μ < 1, độ từ cảm χ < 0. Các chất trong nhóm
này là các khí hiếm như: I, He, Ne, Ar, Kr,...và các ion có các lớp electron
giống khí hiếm. Các chất kim loại như: Zn, Ag, Pb, Cu, Bi và chất không kim
loại như NaCl, S, H2O, C, SiO2. Bình thường, ta không quan sát thấy hiện
tượngnghịch từ vì tính nghịch từ là rất yếu trong các từ trường thông thường.
Nhưng nếu ta tiến hành các thí nghiệm ở từ trường cao, sẽ thấy hiện tượng
này rõ ràng hơn.


1.1.2. Chất thuận từ
Là vật từ có độ từ cảm   , giá trị nhỏ (cỡ 10-5- 10-3). χ phụ thuộc
0
vào nhiệt độ sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie:  C (Trong đó:
C là hằng số Curie, T là nhiệt độ tuyệt đối)

T

Hình 1.2. Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất thuận từ.
Chất thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học người ta
xếp chúng vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất
thuận từ được thể hiện ở khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường bên ngoài
(từ trường ngoài), có nghĩa là các chất này có các mômen từ nguyên tử
(nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ này
sẽ bị quay theo hướng của từ trường ngoài và sẽ làm cho cảm ứng từ tổng
cộng trong chất tăng lên. Khi chưa có từ trường ngoài, do sự chuyển động
nhiệt nên các mômen nguyên tử sắp xếp một cách hỗn loạn không có phương

ưu tiên. Do đó, mômen từ tổng hợp của toàn vật thuận từ bằng không và vật
không có từ tính. Khi có từ trường ngoài thì các mômen từ nguyên tử lại có
xu hướng sắp xếp theo hướng của từ trường đó là chiều ưu tiên. Do đó, lúc
này toàn bộ chất thuận từ có mômen từ khác không, mômen từ tổng hợp sẽ
cùng chiều với từ trường ngoài. Đây người ta gọi là hiệu ứng thuận từ.


Dưới đây là một số chất thuận từ cơ bản thường thấy:
+ Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do,
NO dạng khí…
+ Các nguyên tử tự do với lớp vỏ không đầy: Các nguyên tố chuyển
tiếp, các nguyên tố nhóm Uran…
+ Các kim loại: nhóm kim loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Pm,
Sm, Pr…; nhóm 3d (nhóm sắt) : Co, Mn, Cr…
Chất thuận từ và chất nghịch từ được xếp vào nhóm các chất phi từ, hoặc
nhóm không có trật tự từ. Độ từ thẩm của các chất thuận từ lớn hơn 1 nhưng
−6

xấp xỉ bằng 1 (chỉ chênh lệch cỡ 10 ). Hai yếu tố chính gây ra từ tính yếu
của thuận từ là:
- Mômen từ nguyên tử
- Các mômen từ nguyên tử này nhỏ và hoàn toàn không tương tác
với nhau.
Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm...
1.1.3. Chất sắt từ
Chất sắt từ là chất có từ tính mạnh hay khả năng cảm ứng dưới từ trường
ngoài mạnh. Những chất đặc trưng cho chất sắt từ như Fe, Co, Ni, Gd… Về
mặt lý thuyết vật liệu sắt từ là vật liệu có độ cảm ứng từ   0 , độ cảm
ứng
từ có rất giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ chế tạo đặc biệt có thể

lên tới hàng triệu).
Chất sắt từ là các chất có các mômen từ nguyên tử. Nhưng nó khác biệt
so với các chất thuận từ ở chỗ là các mômen từ này lớn hơn và có khả năng
tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ). Bản chất tương tác trao đổi sắt
từ này là tương tác tĩnh điện đặc biệt. Tương tác này dẫn đến việc hình thành
trong lòng vật liệu này các vùng (gọi là các đômen từ) mà trong mỗi đômen
này các mômen từ lại được sắp xếp một cách hoàn toàn song song với nhau


tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (nghĩa là độ từ hoá tồn tại ngay cả khi
không có từ trường).
+ Khi không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ
ở các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn không theo trật tự nhất định
hay không có phương nào ưu tiên. Vì vậy, tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn
bằng 0.
+ Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu lúc này sẽ xuất hiện 2 hiện
tượng xảy ra đó là:
- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường.
- Sự quay của các đômen từ theo hướng từ trường.
Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn lúc này xuất hiện hiện tượng bão
hoà từ, khi đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều
của từ trường tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất. Nếu khi
ta ngắt từ trường ngoài, các mômen từ lại có xu hướng trở về với hướng ban
đầu và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên các đômen này vẫn còn tương tác
với nhau do vậy tổng môn men từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng
một giá trị khác 0, ta gọi đó là độ từ dư (remanent magnetiration). Điều này
tạo thành hiện tượng từ trễ của vật liệu.

Hình 1.3. Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ
trường ngoài tác dụng.

Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ
trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, người ta gọi đó là lực
kháng từ (coercivity hay coercivity field). Đường cong từ hoá (sự phụ thuộc
của từ độ vào từ tường ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó
có đường cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đường cong tuyến tính) và đạt
tới bão hoà khi đường cong đó đủ lớn.

Hình 1.4. Hình vẽ đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ.

Hình 1.5. Hình vẽ mô tả sự biến đổi nhiệt độ Curie của vật liệu sắt từ.


Chất sắt từ luôn có hai đặc trưng cơ bản là đường cong từ trễ và nhiệt độ
Curie Tc. Trong đó nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà ở tại đó chất bị mất trật tự
và khi T>Tc chất trở thành chất thuận từ, TNhiệt độ Tc còn được gọi là nhiệt độ chuyển pha giữa chất sắt từ-chất thuận
từ. Tc là một thông số đặt trưng cho chất (thông số nội tại) như hình 1.5.
Ví dụ một số chất có nhiệt độ Curie như dưới đây: Fe:1043K; Co:1388K;
Ni: 627K; Gd: 292.5K.
Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ thành vật
liệu từ cứng, vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ. Chúng khác biệt nhau ở khả
năng tồn giữ từ tính sau khi được từ hoá. Để đặc trưng tính chất của các loại
vật liệu này người ta thường dùng đường cong từ trễ như hình 1.4.
1.1.3.1 Vật liệu từ cứng

(a)

(b)

Hình 1.6. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ cứng.
(a) Nam châm vĩnh cửu.
(b) Bệ phóng tàu con thoi tương lai
Vật liệu từ cứng là vật liệu khó bị từ hóa và cũng khó bị khử từ (có nghĩa
là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của trường ngoài). Một ví dụ đơn
giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ cứng có lực


kháng từ Hc lớn (Hc >100 Oe), nhưng chúng thường có từ độ bão hòa Ms
không cao và nhiệt độ Curie cao.
Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ và liên quan
đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là,
thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối
xứng kém (bất đối xứng) ví dụ như tứ giác, hay lục giác... Do khả năng giữ
lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dùng làm vật liệu giữ năng lượng (nam
châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ...). Nói đến khả năng
tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích
3

năng lượng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lượng J/m ), là
năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để
có (BH)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi
3

càng tốt. Đơn vị thường dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m .
Ngoài ra còn có rất nhiều loại nam châm khác nhau với những tính chất
khác nữa. Tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng mà người ta chết tạo ra các loại
nam châm khác nhau. Những lĩnh vực chủ yếu ứng dụng của các nam châm
là làm loa điện, môtơ điện, các thiết bị đo điện...

1.1.3.2. Vật liệu từ mềm
Vật liệu từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm"
về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Vật liệu từ mềm có đường
cong trễ hẹp (lực kháng từ Hc nhỏ, chỉ cỡ dưới 100 Oe) nhưng lại có từ độ
bão hòa Ms rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhiệt độ Curie thấp nhưng từ tính lại
dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài. Các vật liệu từ mềm chủ yếu
là sắt tinh khiết, sắt kỹ thuật điện, thép ít carbon, hợp kim FeSi, FeNi, FeCo,
FeNiMo, FeBSi..., các loại ferit MnZn, NiZn, MnMg...
Đặc trưng mà người ta quan tâm đến vật liệu từ mềm là tổn hao trễ và
tổn hao xoáy:


- Tổn hao trễ: Sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ
hóa, được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ
mềm "xịn" có đường trễ càng hẹp càng tốt.
- Tổn hao xoáy: Do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều
làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ
trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu.

(a)
(b)
Hình 1.7. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ mềm.
(a) Hình ảnh bên trong của một máy biến thế.
(b) Hình ảnh nam châm điện đầu tiên làm từ một lõi sắt
non.
Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất rất cao, những lõi tôn Si chỉ có
thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có
điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao
tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện
6

trở suất rất lớn tới 10 Ωcm, làm giảm tổn hao xoáy). Nhiều loại vật liệu có
tính từ giảo được sử dụng làm thiết bị siêu âm...
Các đường cong từ trễ ở hình 1.8 là một trong nhiều cách phân chia
tương đối giữa vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. Từ đây ta có thể thấy rằng


diện tích đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng lớn hơn diện tích đường cong
từ trễ của vật liệu từ mềm.

Hình 1.8. Hình vẽ mô tả diện tích đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng và
vật liệu từ mềm.
1.1.3.3. Vật liệu ghi từ
Các tính chất từ của vật liệu ghi từ nằm trong khoảng trung gian giữa
tính chất từ của vật liệu từ cứng và tính chất từ của vật liệu từ mềm. Do đó,
vật liệu ghi từ đảm bảo cho việc lưu giữ các tín hiệu (Hc lớn để lưu giữ thông
tin) đồng thời phải là vật liệu có thể dễ dàng ghi được các tín hiệu cần ghi
(Hc nhỏ, là vật liệu dùng làm đầu ghi từ).

Hình 1.9. Hình ảnh ứng dụng của vật liệu ghi từ.


1.1.4. Chất phản sắt từ
Là vật liệu từ có độ cảm ứng từ   0 , giá trị của độ cảm ứng từ
không
-4

lớn lắm (cỡ 10 -1), có khả năng từ tính yếu. Phản sắt từ là nhóm các vật liệu
từ có cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt
giá trị và được sắp xếp trật tự.

Thuật ngữ "phản sắt từ" còn được dùng để mô tả tính chất của các vật
liệu phản sắt từ, hoặc dùng để chỉ các liên kết spin trong từ học có spin đối
song song với nhau. Ngoài ra, người ta còn dùng tên "phản sắt từ bù trừ
không hoàn toàn" cho một nhóm vật liệu có trật tự từ khác là nhóm vật liệu
feri từ.

Hình 1.10. Hình ảnh mô tả cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân
mạng spin đối song và bằng nhau.
Cơ chế của tính phản sắt: Vật liệu phản sắt từ được liệt vào nhóm vật liệu
có trật tự từ. Đôi khi, cũng có người gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ
bởi từ tính của chúng cũng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt nguồn từ tương tác
trao đổi giữa các spin. Nếu như tương tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là
tương tác trao đổi dương, làm cho các spin song song nhau thì tương tác trao
đổi trong phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song


song với nhau. Để nghiên cứu rõ ràng các tính chất của các phân mạng này,
phương pháp nhiễu xạ neutron thường được dùng để khảo sát do neutron
không có điện tích, nhưng có mômen từ nên gây ra các tán xạ trên các phân
mạng từ.
Vật liệu phản sắt từ có các tính chất cơ bản như: Ở không độ tuyệt đối (0
Kelvin), các spin của vật liệu phản sắt từ sắp xếp đối song song nhau nên từ
độ. Nhiệt độ tăng dần dẫn đến việc phá vỡ trật tự từ kiểu phản song song làm
tăng độ từ hóa (và độ cảm từ χ) của vật liệu phản sắt từ. Từ trường ngoài
cũng là nguyên nhân phá vỡ trật tự phản song song của vật liệu.

Hình 1.11. Hình ảnh mô tả sự liên kết phản sắt từ trong các màng mỏng đa
lớp valse spin trong ổ đĩa cứng.
Vật liệu phản sắt từ được đặc trưng bởi nhiệt độ Néel (cũng giống như
nhiệt độ Curie trong chất sắt từ) là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị

phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ. Ở dưới nhiệt độ Néel,
vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Nếu ta đo sự phụ thuộc của hệ số từ
hóa (độ cảm từ χ) vào nhiệt độ của chất phản sắt từ thì tại nhiệt độ Néel sẽ
xuất hiện một cực đại, hay nói cách khác có chuyển pha tại nhiệt độ Néel.


Một số chất phản sắt từ điển hình: Cr = 310 K, FeO = 198 K, NiO = 523
K, CoO = 291 K.
Vật liệu phản sắt từ trong các ứng dụng từ tính thường không được sử
dụng độc lập mà thường dùng làm các chất bổ trợ. Ví dụ: Lớp ngăn cách Cr
trong các màng MnO - TN = 122 K đa lớp Fe/Cr có hiệu ứng từ điện trở
khổng lồ. Ứng dụng lớn nhất của phản sắt từ là trong các màng van spin
(valse-spin) từ điện trở khổng lồ trong các đầu đọc ổ đĩa cứng. Liên kết phản
sắt từ được sử dụng trong các cấu trúc màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ
xen kẽ bởi các lớp không từ tính hoặc các lớp phản sắt từ làm cho mômen lớp
sắt từ sắp xếp phản song song với nhau và thường sử dụng trong các màng từ
điện trở.
1.1.5. Chất feri từ
Feri từ (Ferrimagnet) là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ
mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn
khác nhau. Ferri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Là
vật liệu có độ cảm ứng từ   0 , giá trị của cảm ứng từ tương đối lớn. Khi
chưa có từ trường ngoài và Tsong với nhau.

Hình 1.12. Hình ảnh mô tả sắp xếp của các mômen từ nguyên tử trong vật
liệu feri từ.


Feri từ có tên gọi xuất phát từ nhóm vật liệu ferrite (tiếng Việt đọc là

ferit), là nhóm các vật liệu có cấu trúc gốm có công thức hóa học chung là
XO.Y2O3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng
phổ biến nhất là sắt - Fe). Ô đơn vị của một ferrite sẽ chứa 32 anion và 24
cation, 8 cation ở vị trí A (tạo thành phân mạng từ A) sẽ bị bao quanh bởi 4
iôn ôxi theo dạng các tứ diện và 16 cation còn lại ở vị trí B (phân mạng từ B)
bị bao quanh bởi 6 ion ôxi bởi mạng bát diện. Đây là nhóm ferrite có tên gọi
chung là ferrite spinel (ví dụ ZnO.Fe2O3, MnO.Fe2O3...), thường mang cấu
trúc lập phương tâm mặt. Một số nhóm ferrite khác có thành phần phức tạp
hơn mang cấu trúc lục giác. Ví dụ như ferrite Bari BaFe12O19, hay các ferrigarnet (Y3Fe5O12, 5Fe2O3.3Y2O3...).

Hình 1.13. Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spine.l
Do feri từ có 2 phân mạng từ bù trừ không hoàn toàn, nên nó có từ độ tự
phát và từ độ này được bù trừ từ mômen từ của 2 phân mạng:
λ . MA - (1 - λ). MB
( MA, MB lần lượt là mômen từ của 2 phân mạng A và B, λ là tỉ phần giữa 2
phân mạng).
Nhìn chung, tính chất từ của feri từ cũng gần giống với sắt từ, vật liệu
feri từ cũng có các đặc trưng giống như vật liệu sắt từ là từ trễ, nhiệt độ trật


tự từ (nhiệt độ Curie), từ độ tự phát... Điểm khác biệt cơ bản nhất là do nó có
2 phân mạng ngược chiều nhau, nên thực chất trật tự từ của nó được cho bởi
2 phân mạng trái dấu. Vì thế, có một nhiệt độ mà tại đó mômen từ tự phát của
2 phân mạng bị bù trừ nhau gọi là "nhiệt độ bù trừ". Nhiệt độ bù trừ thấp hơn
nhiệt độ Curie (đôi khi nhiệt độ Curie của feri từ cũng được gọi là nhiệt độ
Néel, ở trên nhiệt độ Curie chất bị mất trật tự từ và trở thành thuận từ).

Hình 1.14. Hình vẽ mô tả sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm
nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ.
1.2. Các hiệu ứng từ điện trở

1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở
Tính chất từ điện trở hay người ta còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của
một số vật liệu từ có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường
ngoài. Cách đây 162 năm (năm 1856) hiệu ứng này được nhà bác học
William Thomson (Lord Kelvin) lần đầu tiên phát hiện sự thay đổi điện trở
không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường.
Hiệu ứng này được quan sát thấy rõ nhất ở các kim loại. Khi có từ trường
ngoài tác dụng, các hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz nên
chuyển động tròn và không đóng góp vào dòng điện (vận tốc trung bình bằng