Tiểu luận Vật liệu quang từ: Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG


BÀI TIỂU LUẬN MÔN VẬT LIỆU QUANG TỪ

HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR)
VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

GVHD : TS Đinh Sơn Thạch
HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang
Lớp

: Cao học quang học – K21

TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2012


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................ 1
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 2
CHƢƠNG I – TỔNG QUAN .............................................................................. 3
I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ .................................................................... 3
1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR ) ................................. 3
1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance - OMR) .. 3
1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ( Anisotropic Magnetoresistance AMR) ........................................................................................................ 3

2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers) ................................................ 4
3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR ) ...... 5
3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR ................................................................ 5
3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng
GMR ......................................................................................................... 8
3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott .................................................. 9
3.2.3 – Dựa trên cấu trúc vùng năng lƣợng và quá trình tán xạ s-d......14
II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong màng mỏng đa lớp dị thể (Granular
GMR) ..............................................................................................................18
1 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể ................................................................18
2 – Giải thích hiện tƣợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt ...............19
3 – Cấu trúc nano dị thể .............................................................................20
4 – Cấu trúc đơn domain ............................................................................22
CHƢƠNG II - ỨNG DỤNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG
TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) ................................................................23
I – Các hƣớng nghiên cứu vật liệu mới ..........................................................24
1.1 - Hợp chất perovskite chứa manganese có pha tạp nguyên tố đất hiếm
.....................................................................................................................25
1.2 - Các vật liệu từ kiểu Heusler và bán Heusler ......................................26
II – Hƣớng nghiên cứu về cấu trúc ................................................................26
2.1 - Màng mỏng van spin (spin valve) :.....................................................27
2.2 - Màng mỏng đơn lớp dị thể .................................................................32
Tài liệu tham khảo..................................................................................................33

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

1


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ thông tin dựa trên các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ. Trong
đó, quá trình chuyển tải, thu nhận và xử lý thông tin được thực hiện nhờ việc sử
dụng thuộc tính điện tích của điện tử, đỉnh cao phát triển của điện tử truyền
thống (electronics) là tạo ra các linh kiện bán dẫn transistor, các mạch tích hợp.
Trong khi việc lưu trữ thông tin được thực hiện nhờ thuộc tính spin của điện tử
trong các đĩa cứng và đĩa mềm chế tạo bằng vật liệu từ. Như vậy, hai thuộc tính
quan trọng của điện tử là điện tích và spin đã được sử dụng một cách riêng lẻ
trong các linh kiện khác nhau.
Năm 1988, hai nhóm vật lý người Pháp Albert Fert và người Đức Peter
Gruenberg phát hiện hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance
– GMR effects) – là hiệu ứng gây ra sự thay đổi mạnh của điện trở của vật liệu
theo chiều và cường độ của từ trường tác dụng lên cấu trúc màng mỏng từ đa
lớp sắt từ với lớp kim loại phi từ kẹp giữa; bản chất của hiệu ứng này là sự tán
xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn. Việc phát hiện hiệu ứng GMR đã cho phép
con người có thể sử dụng đồng thời cả hai thuộc tính của điện tử dẫn là spin và
điện tích vào việc xử lý và truyền thông tin trên một linh kiện – điều mà những
linh kiện bán dẫn điện tử truyền thống trước đây không thể thực hiện được.
Với việc phát hiện hiệu ứng GMR đã mở ra một hướng phát triển mới cho vật
lý và công nghệ nano, mở ra một nhánh mới của điện tử học – điện tử học spin
hay spintronics, và GMR cùng với TMR (hiệu ứng từ trở xuyên ngầm) là hai
trụ cột của spintronics. Mục đích chính của spintronics là sử dụng spin của điện
tử để chuyển đổi (mã hóa), mang (truyền tải) và nhận biết (phát hiện) thông
tin/tín hiệu.
Nhận thức được tầm quan trọng của GMR trong lĩnh vực spintronics đã
hướng em đến chọn lựa đề tài tiểu luận là :
“Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển ”

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

2


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

CHƢƠNG I – TỔNG QUAN

I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ
1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR )
Hiệu ứng từ điện trở (MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn khi nó
được đặt trong từ trường ngoài.
Hiệu ứng MR lần đầu tiên được tìm thấy vào năm 1857 bởi Lord Kelvin
trên các mẫu hợp kim NiFe với sự thay đổi điện trở suất không quá 5% ở nhiệt
độ phòng. Đó là hiệu ứng từ điện trở dị hướng.
Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên sự thay đổi của
điện trở dưới tác dụng của từ trường ngoài.
MR 

 AP   P
P

(1.1)

Trong đó :  P ,  AP lần lượt là điện trở suất của vật dẫn khi không có từ
trường ngoài và có từ trường ngoài đặt vào.

Tỉ số từ trở MR có thể âm hay dương.
1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance OMR)
Hiệu ứng OMR quan sát thấy ờ các kim loại phi từ, thường là hiệu ứng
dương ( tức điện trở tăng theo từ trường tác dụng lên vật ).
Trong những kim loại phi từ thì hiệu ứng MR xảy ra do lực Lorentz tác
dụng lên chuyển động của các điện tử. Nói chung, hiệu ứng này rất nhỏ và có
giá trị âm.
1.2

–

Hiệu

ứng

từ

điện

trở

dị

hƣớng

(

Anisotropic

Magnetoresistance - AMR)

Hiệu ứng AMR là hiệu ứng từ điện trở, mà trong đó sự thay đổi của điện
trở của vật dẫn từ dưới tác dụng của từ trường ngoài phụ thuộc vào góc giữa
vectơ từ độ và dòng điện.
Đối với các hợp kim có từ tính, các kim loại sắt từ, ta có thể quan sát
thấy được hiệu ứng này. Sự thay đổi điện trở suất trong AMR lớn hơn nhiều so

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

3


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

với OMR. Hiệu ứng AMR xảy ra do lực Lorentz tác dụng lên điện tử. Về bản
chất, hiệu ứng AMR chính là sự phụ thuộc của điện trở suất vào góc  giữa
vectơ từ độ và chiều dòng điện, được thể hiện qua biểu thức sau :
  o   AMR cos 2 

(1.2)

Ở nhiệt độ phòng, tỉ số AMR lớn nhất (khoảng 6%) đã được tìm thấy
trong hợp kim khối Ni1 x Cox (với x = 0,2). Đối với hợp kim permalloy Ni80 Fe20 ,
tỉ số AMR khoảng 4%. Tỉ số AMR giảm theo độ dày của màng và điều kiện
chế tạo, như với màng permalloy dày 30nm, tỉ số này thường vào khoảng 2,5%.
[3]
2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers)
Cấu trúc cơ bản của màng đa lớp từ gồm lớp kim loại sắt từ A và
lớp kim loại phi từ B xếp xen kẽ nhau. Bề dày của mỗi lớp khoảng vài nano

mét và số lượng các lớp khoảng từ 3 đến 100 lớp.

Hình 1.1 Cấu trúc một màng đa lớp từ với lớp sắt từ A có bề dày d và
lớp phi từ B có bề dày d’.
Hai đặc điểm quan trọng của màng đa lớp từ là
-

Sự định hướng của từ độ của các lớp từ được kiểm soát

một cách dễ dàng bởi từ trường ngoài, bởi vì tương tác (coupling) giữa
từ độ của các lớp từ yếu do có lớp phi từ kẹp giữa chúng.
-

Bề dày mỗi lớp đủ mỏng để điện tử dẫn cảm nhận được sự

thay đổi hướng của độ của các lớp từ.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

4


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Nếu lớp phi từ là kim loại thì MR được gọi là MR khổng lồ (GMR). Nếu
lớp phi từ trong màng mỏng ba lớp là chất cách điện thì MR được gọi là MR
xuyên ngầm (TMR).
Xét với vật liệu có hiệu ứng GMR thì Fe, Co, Ni và những hợp

kim của chúng thường được chọn để làm lớp sắt từ A, trong khi các kim loại
chuyển tiếp phi từ như Cr, Ru hoặc các kim loại hiếm Cu, Ag, Au được sử
dụng để làm lớp phi từ B.
Có tiêu chí gì khi chọn vật liệu phi từ, sắt từ để tạo màng đa lớp không ?
Hay với những cặp kim loại sắt từ/phi từ nào sẽ thu được giá trị từ trở lớn ?
Câu trả lời là việc lựa chọn dựa trên hai yếu tố quan trọng : phù hợp mạng
(lattice matching) và phù hợp vùng (band matching) giữa kim loại sắt từ và phi
từ. Như với màng mỏng Co có cấu trúc fcc với hằng số mạng là 3,56Ao, chỉ
nhỏ hơn 2% so với hằng số mạng 3,61Ao của mạng fcc Cu. Cả với trường hợp
Fe/Cr đều có cấu trúc bcc và hằng số mạng lần lượt là 2,87Ao với Fe, 2,88Ao
với Cr. Vì thế nên cũng không ngạc nhiên khi với màng đa lớp Co/Cu, Fe/Cr
người ta đã thu được giá trị GMR cao [6].
3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR )
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là sự thay đổi lớn của điện trở suất
dưới tác dụng của từ trường ngoài.
3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR
Hiệu ứng GMR được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1986 của nhóm của
nhà vật lý người Đức Peter Grünberg , nhóm này đã quan sát được sự thay đổi
của

điện

trở

R / R  1.5% của

màng

gồm

ba

lớp

có

cấu

trúc

Fe(12nm)/Cr(1nm)/Fe(12nm) chế tạo bằng phương pháp MBE trên đế GaAs.
Độc lập với nhóm của Peter Grünberg, vào năm 1988, nhóm của nhà vật lý
người Pháp Albert Fert đã quan sát được sự thay đổi 50% của điện trở của





màng đa lớp Fe  30 Ao  / Cr  9 Ao 

40

(nghĩa là các lớp Fe, Cr có độ dày tương

ứng là 3nm, 0,9nm, hệ gồm 40 lớp kép) dưới tác dụng của từ trường ngoài ở
nhiệt độ 4,2K [4]. Đây là một sự thay đổi lớn chưa từng được quan sát trước
đây. Vì vậy mà hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant
HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

5

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Magnetorisistance – GMR ). Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự “khổng lồ” của
thay đổi điện trở mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, cơ chế
tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử.

Hình 1.2 Từ trở của siêu mạng ba lớp Fe/Cr ở nhiệt độ 4,2K. Dòng điện
và từ trường ngoài có phương dọc theo phương tinh thể [110] trong mặt phẳng
của các lớp [4].
Sau phát minh này thì hiệu ứng GMR đã được nghiên cứu một
cách mạnh mẽ trên rất nhiều hệ mảng mỏng đa lớp khác nhau kiểu

TM t  / TNM t  , với TM là kim loại có từ tính, điển hình như Fe, Co, Ni
m

nm

n

và hợp kim của chúng, TNM là kim loại phi từ, như V, Cr, Mo, Ru, …, Ag,
Au, Cu…
..

A. Fert và P.Gr u nberg đã sử dụng phương pháp MBE để chế tạo màng
đa lớp. Hạn chế của phương pháp này là phức tạp, có giá thành cao, chỉ phù
hợp tốt với một phòng thí nghiệm nghiên cứu, không phù hợp cho cả một quá

trình công nghệ có quy mô lớn. Vì thế để có thể ứng dụng GMR vào trong sản
xuất công nghiệp cần phải tìm ra một quy trình công nghệ đơn giản hơn, giá
thành phải chăng. Vào năm 1990, nhóm của S. Parkin đã chứng minh được
rằng GMR có thể được quan sát trong các màng đa lớp được lắng đọng bằng hệ
phún xạ dc magnetron – một phương pháp đơn giản và rẻ hơn MBE. Họ đã thu

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

6


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

được những giá trị GMR tương tự từ những màng đa lớp Fe/Cr được chế tạo
bằng phương pháp MBE. Hơn nữa, nhóm cũng phát hiện ra từ trở trong cấu
trúc siêu mạng Fe/Cr không giảm đơn điệu khi bề dày của lớp Cr tăng (như
được báo cáo trước đây) mà độ lớn từ trở dao động như một hàm của bế dày
lớp Cr. Kết quả cũng thu được tương tự như với các màng Co/Cr, Co/Ru [5].
Như vậy, công nghệ chế tạo cũng có ảnh hưởng đến độ lớn của hiệu ứng
GMR. Kết quả thực nghiệm cho biết, kỹ thuật phún xạ catot thường cho kết
quả tốt nhất [3].

Hình 1.3 Sự thay đổi của từ trở bão hòa (tại nhiệt độ 4,5K) theo bề dày
lớp

Cr



của





lần



lượt



của

ba

cấu

trúc



Si 111 / 100 Ao Cr /  20 Ao Fe / tCr Cr  / 50 Ao Cr được lắng đọng lần lượt tại
N

nhiệt độ : , , 40oC (N=30); o , 125oC (N=20) [5]

Mặc dù những giá trị cao nhất của GMR thu được với màng đa lớp từ phi từ, thì những màng này cũng không phải là vật liệu tốt nhất cho những ứng
dụng kỹ thuật. Điều này là do cần có từ trường lớn để bão hòa từ độ của màng
đa lớp và để thu được sự thay đổi điện trở lớn.
Các nghiên cứu sau này còn chỉ ra rằng, hiệu ứng GMR không
chỉ xuất hiện trong các màng đa lớp mà còn xuất hiện trên các màng đơn lớp,
các băng hợp kim dị thể như CoCu, CoAg…Cụ thể, vào năm 1992, nhóm của
A.E. Berkowitz phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

7


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

(ganular) Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ
trở có thể đạt tới hơn 20% ở nhiệt độ 10K.

Hình

1.4

Sự

phụ

thuộc

của

R / R   R  H   R  H  20kG  / R  H  20kG  theo từ trường ngoài trong màng

mỏng dị thể Co – Cu. Đường cong a, b được đo tại nhiệt độ 100K, đường cong
c thu được ở nhiệt độ 10K. (Theo Berkowitz et al.) [6]
Sau đó, nhóm của J. Q. Xiao đã khảo sát hiệu ứng GMR đối với màng
đơn lớp dị thể Co – Cu và nhận thấy rằng giá trị của GMR giả đi khi nhiệt độ
tăng, cụ thể với màng Co38Cu62 (trong điều kiện ủ nhiệt TA = 480oC) đo tại
nhiệt độ 5K và nhiệt độ phòng 300K thì kết quả thu được lần lượt là 13% và
8%. Nhóm cũng nhận thấy rằng giá trị của GMR phụ thuộc vào nồng độ và
kích thước đám hạt từ [10] .
Sau những khám phá về hiệu ứng GMR xuất hiện trong các hệ màng
mỏng từ đa lớp và hệ màng mỏng đơn lớp dị thể thì có rất nhiều nghiên cứu về
hiệu ứng này được tiến hành và lý thuyết về GMR cũng dần được hoàn thiện.
3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng
GMR
Như đã đề cập ở trước, GMR có bản chất khác hẳn các hiệu ứng từ điện
trở đã được nghiên cứu trước đây bởi vì GMR là một hiệu ứng lượng tử. Cơ
chế của hiệu ứng GMR là tán xạ phụ thuộc spin của điện tử.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

8


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hơn nữa để có hiệu ứng GMR thì khi chưa đặt từ trường ngoài vào
màng thì từ độ giữa các lớp từ phải đối song song với nhau và chiều dài quãng
đường tự do trung bình của các electron dẫn phải lớn hơn nhiều so với khoảng
cách giữa các lớp đệm phi từ sao cho electron có thể đi qua các lớp từ và tạo ra
hiệu ứng GMR.
Điện trở của vật rắn phụ thuộc vào tán xạ của điện tử dẫn trong vật, bao
gồm :
- Tán xạ trên nút mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể, gọi là tán xạ trên
phonon.
- Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính, gọi là tán xạ trên magnon.
- Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể, gọi là tán xạ trên defect.
- Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các
polaron từ để giải thích hiệu ứng GMR.
Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên
magnon. Khi có các phần tử mang từ tính (như các lớp sắt từ trong các màng đa
lớp, các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng
khác nhau về momen từ (do tác động của từ trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay
đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của vật rắn.
Nói một cách chính xác hơn, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải
thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott. Hai dòng điện ở đây là dòng của
các điện tử có spin thuận và dòng điện của các điện tử có spin nghịch.
3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott
Mô hình này được Mott đề xuất vào năm 1935 để giải thích sự tăng đột
ngột điện trở suất của kim loại sắt từ khi nó được nung nóng trên nhiệt độ Curie
TC.
Mô hình này có thể được mô tả một cách đơn giản như sau :
 Ở nhiệt độ đủ thấp Tchuyển dời điện tử chiếm đa số (điện tử có spin song song với từ độ) và
thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá
trình tán xạ, nên tạo thành hai kênh dẫn tương ứng song song.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

9


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

 Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân
bằng của hai loại spin có chiều khác nhau.
 Mô hình hai dòng này có thể được biểu diễn bằng mạch song song,
trong đó điện trở suất của hai loại hạt dẫn được kí hiệu là   và   .

Hình 1.5 Mô hình hai kênh dẫn
Theo Mott, độ dẫn điện của kim loại bằng tổng độ dẫn điện tương
ứng với điện tử có spin up và spin down :
   

Theo mô hình Drude :
 Drude 

e 2 k F2

  6

Trong đó,  Drude là độ dẫn điện Drude trên một spin;
e2 /    0.387.104 1 là lượng tử dẫn spin (spin conductance quantum);
k F là momen động lượng Fermi;  là quãng đường tự do trung bình,

được tín bởi công thức   vF . , với  là thời gian hồi phục, v F là vận
tốc Fermi [6]
Điện trở suất của mẫu :


Trong đó , 

 
  

m*
ne2 ,

Với m* là khối lượng hiệu dụng của điện tử, n là mật độ điện tử,
 là thời gian hồi phục,  1 

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

2 2
2
, n  EF  lần lượt là
Vscat n  EF  , và Vscat


10


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

giá trị trung bình của thế tán xạ, mật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi
của spin tương ứng.
Như vậy, nguồn gốc nội tại của sự phụ thuộc spin của điện trở suất là do
các đại lượng n, m* , đều phụ thuộc spin, trong đó quan trọng nhất là sự phụ
thuộc spin của thời gian hồi phục, bởi vì nó ảnh hưởng đến tán xạ điện tử một
cách mạnh mẽ nhất. Ngoài ra, thế tán xạ không phải là tính chất nội tại của kim
loại, nó phát sinh là do có các khuyết tật, tạp chất, hoặc dao động mạng. Thế
tán xạ có thể phụ thuộc spin hoặc có thể không. Đây là nguồn gốc bên ngoài
của sự phụ thuộc spin của điện trở suất.
a – Giải thích hiệu ứng GMR
Với cấu trúc màng đa lớp, thì các lớp phản sắt từ hay phi từ đóng vai trò
ngăn cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho momen từ của các lớp sắt từ phải có sự
định hướng khác nhau sao cho có sự cân bằng về từ độ. Sự tác động của từ
trường ngoài sẽ dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của momen từ ở mỗi lớp,
dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin phân cực và dẫn đến sự thay đổi
về điện trở suất để từ đó GMR xuất hiện khi từ trường ngoài tăng đến giá trị
bão hòa.
Hiệu ứng GMR có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của ba giả
thiết sau :


Vì độ dày của lớp phi từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn

hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của các điện tử,
nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ để chuyển
động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác.


Khi chuyển động trong các vật liệu có từ tính hoặc trong

vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử
phụ thuộc vào định hướng spin của chúng.


Định hướng tương đối của các vectơ từ độ trong các lớp có

thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

11


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.6 Mô hình hai dòng điện của Mott dùng để giải thích hiệu ứng
GMR
b - Bản chất vật lý của hiệu ứng GMR
Giả thiết rằng, bề dày các lớp màng tương đương với quãng đường tự do
trung bình của các điện tử và mỗi điện tử khi đi từ lớp từ này đến lớp từ kế tiếp
theo sẽ mang một cấu hình spin nhất định (spin up hoặc spin down) và không
đổi cho đến khi bị tán xạ, tức tính bảo toàn spin được bảo đảm. Các spin có
chiều song song với từ độ thì ít bị tán xạ hơn các spin có chiều phản song song
với từ độ.
Khi chưa đặt mẫu trong từ trường ngoài (H = 0), ứng với cấu hình phản
song song (hình b), các lớp sắt từ sắp xếp theo kiểu phản song song, tất cả các

điện tử có spin up và down đều tán xạ mạnh trong lớp từ tính này và tán xạ yếu
trong lớp từ tính khác. Trong cấu hình phản song song này, toàn bộ các điện tử
dẫn đều bị tán xạ như nhau, điều này làm cho hệ giống như một cái van (đối
với các spin) có tác dụng hạn chế dòng “chảy” của hai kênh điện tử. Vì thế điện
trở suất ứng với mỗi kênh đều cao như nhau.
Cấu hình này sẽ có điện suất tương đương :
 AP 

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

  
4

(1.2)

12


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Còn khi đặt mẫu trong từ trường ngoài, 0  H  H S , với H S là từ trường
bão hòa,và từ trường tăng dần thì từ trường ngoài sẽ dần dần sắp xếp từ độ của
các lớp theo chiều từ trường, điều này sẽ làm cho sự tán xạ của điện tử có spin
up trên kênh ứng với spin down giảm dần (do từ độ của kênh này đã chuyển
hướng song song với chiều spin) nên điện trở suất của hệ giảm dần từ giá trị
 AP . Cho đến khi H  H S thì từ độ trong các lớp đều song song với nhau và

song song với spin up thì sự tán xạ của điện tử có spin up trong hệ là nhỏ nhất,

điện trở suất của hệ lúc này có giá trị cực tiểu bằng  P .
Với H  H S , hệ sẽ ứng với cấu hình song song (hình a), từ độ của các
lớp sắt từ song song với nhau, các điện tử có spin up có quãng đường tự do
trung bình lớn trong toàn bộ mẫu. Điều này có nghĩa là các điện tử này tải điện
dễ dàng do hầu như không bị tán xạ với các momen từ cùng chiều, vì thế có
điện trở suất nhỏ   , tức có độ truyền qua cao. Ngược lại, các điện tử có spin
down có quãng đường tự do trung bình ngắn hơn do bị tán xạ mạnh với các
momen từ ngược chiều nên điện trở suất   lớn hơn. Trong trường hợp này thì
hệ như một cái van mở thông cho kênh ứng với spin up truyền qua, hay có sự
đoản mạch đối với kênh spin up. Khi đó, điện trở của hệ sẽ nhỏ hơn (nhỏ nhất)
so với trường hợp của cấu hình phản song song.
Nếu độ dày của lớp đệm phi từ nhỏ hơn 1nm thì điện trở suất tương
đương với màng mỏng đa lớp có cấu hình song song là :
P 

 
  

(1.3)

Độ lớn của hiệu ứng GMR là :
MR 

Với  



 AP

2

2
 AP   P       1   


 
 (1.4)
 AP
      1   


là tham số bất đối xứng spin


Từ biểu thức (1.4) ta có thể thấy được giá trị của GMR phụ thuộc vào
sự bất đối xứng về điện trở suất  giữa hai kênh dẫn của lớp sắt từ. Với tham
số  lớn, tức  >>1 hoặc  <<1, thì giá trị GMR sẽ lớn.
HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

13


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Khi nhiệt độ mẫu lớn hơn nhiệt độ Curie, thì quá trình trộn hai kênh dẫn
không thể bỏ qua và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất trộn-spin (spin –
mixing)   . Điện trở suất khi đó được tính bởi công thức :


   4      
    4 

(1.5)

Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau : điện tử có spin up
(hoặc down) bị tán xạ vào trạng thái có spin down (hoặc up) bằng việc sinh ra
hoặc hủy một magnon. Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là
tương tác spin – quỹ đạo (spin – orbital interaction) và có bản chất lượng tử.
Như vậy ở nhiệt độ thấp (dưới nhiệt độ Curie), việc sinh ra magnon sẽ ít,
nên quá trình trộn lẫn hai kênh dẫn được bỏ qua.
Ở nhiệt độ thấp,    ,  thì biểu thức (1.5) trở thành biểu thức
(1.3).
Ở nhiệt độ đủ cao để    ,  thì biểu thức (1.5) được viết lại là :


  
4

(1.6)

3.2.3 – Dựa trên cấu trúc vùng năng lƣợng và quá trình tán xạ s-d
a – Cấu trúc vùng năng lƣợng
Cấu trúc vùng năng lượng của màng đa lớp gần như chắc chắn là đặc tính quan
trọng nhất để làm rõ tính dẫn điện phụ thuộc spin và hệ quả là gây ra GMR.
Cấu trúc điện tử của kim loại chuyển tiếp và các kim loại sắt từ 3d được xét
chủ yếu các orbitan d và s. Vị trí tương đối của mức Fermi EF với trạng thái
s và d phụ thuộc vào từng vật liệu. Nguồn gốc từ tính trong các kim loại này
tương ứng là do các electron thuộc nhóm 3d và 4f. Dưới đây, ta chủ yếu xét đến

từ tính của các nguyên tố thuộc nhóm 3d.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

14


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Trong các nguyên tử tự do, các mức năng lượng nguyên tử 3d và 4s của
các nguyên tố chuyển tiếp 3d là “chỗ ở” (host) của các electron hóa trị. Ở trạng
thái kim loại, các mức 3d và 4s này bị mở rộng ra thành vùng năng lượng.
Trong đó, các quỹ đạo 4s bị mở rộng khá lớn trong không gian, dẫn đến sự
chồng phủ lên nhau giữa với quỹ đạo 4s của các nguyên tử lận cận, vì thế vùng
4s được trải rộng trong khoảng năng lượng 15 – 20 eV. Ngược lại, quỹ đạo 3d
bị mở rộng ít hơn, vùng năng lượng 3d chỉ là một dải hẹp, với bề rộng khoảng
4 – 7 eV. Thực tế, không thể phân biệt rõ ràng giữa quỹ đạo 3d và 4s bởi vì
chúng sẽ lai hóa lẫn nhau trong vật liệu rắn. Tuy nhiên, để đơn giản, các
electron thuộc lớp 3d sẽ được coi là các electron kim loại – nghĩa là chúng linh
động và có thể mang dòng điện đi qua hệ mặc dù độ linh động của chúng còn
kém hơn nhiều so với các electron thuộc lớp 4s.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

15


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.7 Mô tả mật độ trạng thái của kim loại Cr, Fe, Co, Cu. Các kí
hiệu : +, - lần lượt là trạng thái điện tử ứng với spin  ,  . Đường nét đứt là
mức năng lượng Fermi.
Trong kim loại sắt từ 3d, giả sử rằng, các hạt tải điện chủ yếu là các điện
tử s (vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn) nên vùng s không bị tách, do
đó điện tử s có spin – up và spin – down là bằng nhau. Với kim loại này thì có
sự tách vùng ở phân vùng d, mà vị trí tương đối của phân vùng ứng với điện tử
có spin – up thấp hơn phân vùng của các điện tử có spin – down. Theo nguyên
tắc tối ưu về mặt năng lượng thì phân vùng năng lượng của điện tử có spin – up
bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn. Do đó, các điện tử có spin – up gọi là
hạt tải đa số, còn điện tử có spin – down là hạt thiểu số. Các điện tử đa số quyết
định chiều của từ độ và hiệu số của số lượng điện tử có spin – up và spin –
down quyết định độ lớn của từ độ.
Ta có thể thấy được, với nguyên tố Co, dưới mức Fermi phân vùng 3d
với các spin – up bị lấp đầy hoàn toàn, còn phân vùng 3d với các spin – down
cắt mức Fermi, tức phân vùng này vẫn còn trống. Còn đối với Fe, thì mật độ
trạng thái của các spin – up ở trên mức Fermi vẫn tồn tại nhưng nhỏ hơn nhiều
so với trạng thái spin – down.
b. Cơ chế tán xạ s – d
Cơ chế tán xạ s – d là tán xạ của các điện tử s trên các trạng thái d ở gần
mức Fermi. Để hiệu ứng GMR xảy ra thì một điều kiện là chiều dày của các
lớp phải nhỏ hơn hoặc gần bằng với quãng đường tự do trung bình của các điện
tử.
HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

16

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Vì chỉ có các điện tử từ 3d ở lân cận mức Fermi mới tham gia vào quá
trình tán xạ do mật độ trạng thái chưa được lấp đầy, chỉ có điện tử 4s mới tham
gia vào quá trình dẫn điện và chỉ có tán xạ s – d mới gây ra sự dị thường của
điện trở suất khi có từ trường ngoài tác dụng, nên các tán xạ khác được bỏ qua.

Hình 1.8

Sơ đồ mật độ trạng thái điện tử trong cấu trúc lớp và quá

trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc lớp. Kí hiệu NM : kim loại
phi từ, FM : kim loại sắt từ, EF : mức năng lượng Fermi, M : chiều của từ độ
của lớp sắt từ.
Xét các điện tử dẫn 4s (up – spin , down – spin ), giả sử, được xuất phát
từ một lớp kim loại phi từ đầu tiên (bên trái hình vẽ) khi chuyển động đến lớp
sắt từ tiếp theo thì sẽ có hai trường hợp xảy ra ứng với cấu hình sắp xếp từ độ
của các lớp sắt từ.
Nếu từ độ của các lớp sắp xếp phản song song với nhau (trường hợp
hình vẽ a - ứng với trường hợp từ trường ngoài H = 0), các điện tử có spin
down bị bắt ngay khi vào các trạng thái 3d ứng với spin down còn trống (do có
cùng trạng thái) của lớp sắt từ bên cạnh, nghĩa là bị tán xạ và sẽ không tiếp tục
tham gia vào quá trình dẫn điện (mô phỏng bằng đường cung chấm màu xanh
lơ ). Trong khi đó, các điện tử có spin up (có cùng chiều với từ độ) không bị bắt
ở lớp sắt từ đầu tiên vì không có trạng thái 3d ứng với spin up nào trống cả.
HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

17


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Nhưng khi điện tử này đến lớp sắt từ tiếp theo thì bị bắt (vì có trạng thái 3d ứng
với spin up còn trống) (biểu thi bằng cung, nét đứt màu đỏ). Vì đây là sơ đồ có
cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin up và spin down còn trống
đều được phân bố lần lượt nhau, cho nên có thể thấy rằng cả hai kênh điện tử
spin up và spin down đều tương đương nhau trong quá trình truyền qua hệ và
đều bị tán xạ như nhau, dẫn đến điện trở suất của cả hệ ở trạng thái cao.
Trường hợp momen từ của các lớp sắt từ sắp xếp song song với nhau
(hình b), có thể thấy rằng chỉ có các trạng thái 3d spin down là còn trống nên
chỉ có điện tử pin down bị tán xạ (cung nét đứt màu xanh), còn kênh ứng với
điện tử có spin up thì do các trạng thái 3d với spin tương đương đều đã điện
đầy nên kênh này được thông hoàn toàn (đường cong liền nét màu đỏ). Đó là
trường hợp đoản mạch một kênh điện tử, dẫn đến điện trở suất của hệ giảm.
II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong màng mỏng đa lớp dị thể
(Granular GMR)
1 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể
Màng mỏng đơn lớp dạng hạt có cấu tạo gồm các hạt kim loại bị từ hóa,
như Fe, Co,..., được phân bố trong một lớp lớp kim loại phi từ, như Cu,
Ag…Kích thước của những hạt này vào cỡ nano mét và momen từ của chúng
gần như là bị cô lập với nhau. Ta coi như hai hạt sắt từ nằm cạnh nhau giống
như hai lớp sắt từ trong hệ màng mỏng đa lớp, nền phi từ ở giữa hai hạt như lớp
kim loại phi từ kẹp giữa hai lớp sắt từ này.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

18


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.9 Sơ đồ minh họa cấu tạo của màng mỏng từ đơn đơn lớp dị thể
2 – Giải thích hiện tƣợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt
Hiện tượng GMR được tìm thấy trong hệ màng mỏng đơn lớp dị thể lần
đầu tiên vào năm 1992. Bản chất của hiện tượng GMR trong mẫu hạt cũng là
sự tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn và có thể giải thích dựa trên kết
quả trong mô hình tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn trong mẫu đa lớp.

Hình 1.10 Mô tả hiệu ứng GMR ở màng mỏng đơn lớp dị thể
Khi chưa có từ trường ngoài, momen từ của các hạt sắt từ định hướng
một cách ngẫu nhiên, do đó cả hai kênh điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên đường
chuyển động qua các hạt sắt từ, nên hệ ở có điện trở suất cao.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

19


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Khi từ trường ngoài tăng dẩn thì sẽ làm tăng dần số hạt có momen từ

song song với nhau (song song với từ trường ngoài). Lúc đó, một kênh spin có
hướng song song với từ trường ngoài sẽ bị tán xạ ít dần, trong khi đó kênh còn
lại bị tán xạ mạnh dần.
Khi từ trường tăng đến giá trị đủ lớn để quay toàn bộ số momen từ của
hệ thì kênh spin song song với từ trường sẽ gần như truyền qua hoàn toàn, kênh
còn lại gần như bị tán xạ hoàn toàn, do đó điện trở suất của cả hệ có giá trị thấp
nhất.
3 – Cấu trúc nano dị thể
Trong vật liệu cấu trúc nano dị thể – thuật ngữ hạt liên quan đến các hạt
kim loại rắn, kích thước chỉ vài nano mét, chứa khoảng 10 3 – 106 nguyên tử vấn đề then chốt quyết định đến các tính chất vật lý của vật liệu thông qua các
yếu tố như phần thể tích của các hạt xv (tỷ phần thể tích của các hạt và thể tích
toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt 2r.
Vật liệu rắn kim loại dị thể được chia thành hai loại, loại thứ nhất gồm
các hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O3 ; loại vật liệu
dạng này đã được biết đến từ những năm 1970. Loại thứ hai gồm các kim loại
từ trong nền kim loại phi từ, loại này đã được quan tâm nghiên cứu trong
những năm gần đây – vật liệu từ trở khổng lồ (GMR), như hệ Co – Ag, Co –
Cu.
Trong vật liệu nano dị thể nói chung và trong vật từ dị thể nói riêng, hai
yếu tố xv và 2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất
vật lý của vật liệu, giá trị của xv thay đổi từ 0 đến 1. Với tất cả vật liệu rắn kim
loại dị thể, người ta còn đưa ra khái niệm x p là tỉ phần thể tích của phần vật
liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ. Khi xv  x p : các hạt kim loại bị cô lập trong vật
liệu nền và khi xv  x p : các hạt tạo thành một mạng lưới liên tục [7].

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

20

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.11 Mô tả sự thay đổi cấu trúc của vật liệu rắn dị thể theo tỉ phần
thể tích kim loại  0  xv  1 [7]
Một cách đơn giản, xét tất cả các đều là những hạt cầu có bán kính r,
được phân bố ngẫu nhiên, đồng nhất trong vật liệu nền. Khi đó, ta có thể dễ
dàng tính được mật độ hạt kim loại [7] :
n

1 xv
4 r3

(2.1)

Tỉ số diện tích bề mặt tương tác của hạt và thể tích của các hạt [7] :
S

3xv
r

(2.2)

Khoảng cách trung bình giữa hai hạt kế cận (tính từ tâm của mỗi hạt)
1/3

 16 
d   r
 xv 

(2.3) [7]

Với xv  0.25 thì d  4r . Điều này có nghĩa là khoảng cách trung bình
giữa các hạt vào khoảng kích thước của một hạt. Gọi xa là phần diện tích hạt
kim loại tại bề mặt nền thì
xa  xv

(2.4)

Trên đây là các thông số mà sự thay đổi của những thông số này sẽ dẫn
đến thay đổi tỉ số GMR, cũng như tính chất vật lý của vật liệu.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

21


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

4 – Cấu trúc đơn domain
Trong chất sắt từ có cấu trúc domain từ. Dưới nhiệt độ Curie, các chất
sắt từ, feri từ có trật tự tự phát. Nghĩa là, các momen từ định hướng song song
(đối với chất sắt từ) và đối song song nhưng không bù trừ nhau (đối với chất
feri từ). Thực tế cho thấy, các momen từ không hoàn toàn trật tự trong cả thể
tích mẫu mà chỉ tồn tại trật tự trong vùng có kích thước xác định. Các vùng này
được gọi là các domain từ (magnetic domain).
Sở dĩ dưới nhiệt độ Curie, các momen từ tự phát trong vật liệu từ phân

chia thành các domain là để năng lượng của vật liệu, bao gồm năng lượng dị
hướng từ, năng lượng tương tác trao đổi và đặc biệt là năng lượng trường khử
từ, có giá trị cực tiểu.
Khi hạt kim loại từ có L  LK , với L là kích thước của hạt kim loại,
LK là kích thước tới hạn – là ranh giới giữa cấu trúc đơn domain và đa domain

thì hạt kim loại này là một đơn domain. Với vật liệu từ có cấu trúc đơn domain
thì có lực kháng từ tăng mạnh. Kích thước của hạt từ càng tăng thì lực kháng từ
Hc càng giảm như trường hợp của hệ màng mỏng từ dị thể Fe/SiO2 và
Fe/Al2O3, ở nhiệt độ phòng, với kích thước hạt d  18nm thì lực kháng từ đạt
cực đại H C ( MAX )  600 Oe và giảm dần khi kích thước hạt lớn hơn [9] nhưng vẫn
lớn hơn giá trị của mẫu Fe dạng khối cũng ở nhiệt độ phòng là H C  10, 7 Oe
[2].
Với đặc điểm có lực kháng từ mạnh thì các vật liệu từ có cấu trúc đơn
domain này được ứng dụng để ghi thông tin.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

22


Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

CHƢƠNG II - ỨNG DỤNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA
HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR)
Ứng dụng phổ biến nhất của hiệu ứng GMR là trong các đầu đọc, cảm
biến từ trường hay cái chuyển mạch trạng thái sử dụng từ trường. Các đầu đọc
GMR có độ nhạy cao hơn rất nhiều so với việc ứng dụng đầu đọc AMR sử

dụng trước đây, và do đó có thể đọc được những thông tin lưu trữ trong những
bit từ rất nhỏ trên đĩa từ - có nghĩa là giúp cho việc tăng mật độ lưu trữ của đĩa
từ. Hơn nữa, khả năng vận chuyển spin giữa hai lớp kim loại cũng là nền móng
cho các bộ nhớ MRAM.
Đưa hiệu ứng GMR vào ứng dụng trong công nghệ dựa trên hai khía
cạnh chính của hiệu ứng, đó là :
- sự thay đổi điện trở rất lớn và nhạy với từ trường ngoài
- dùng từ trường ngoài để điều khiển các kênh dẫn ứng với spin up
và spin down. Việc dùng từ trường để đảo spin theo hai chiều up
và down nên mất ít thời gian, tốn ít năng lượng và có thể rút ngắn
“tầm hoạt động” của điện tử hơn so với việc dùng từ trường để
điều khiển càng điện tử và lỗ trống như trong các linh kiện bán dẫn
truyền thống. Do đó, có thể thu nhỏ kích thước, đẩy nhanh tốc độ
làm việc của linh kiện điện tử spin.
Với xu hướng phát triển hiện nay là tăng dung lượng và giảm kích thước
của ổ cứng máy tính. Muốn vậy thì đối với đĩa ghi từ phải giảm kích thước mỗi
bit để ghi được nhiều dữ liệu hơn, đồng thời đầu đọc ổ cứng phải có kích thước
nhỏ hơn và có độ nhạy cao để đọc được những bit rất nhỏ này. Để thực hiện
được điều này thì phải tiến hành cải tiến song song cả đĩa ghi từ và đầu đọc
cảm biến GMR. Về hướng phát triển đầu đọc cảm biến GMR : xu hướng
nghiên mới hiện nay là việc tìm kiếm các vật liệu từ mới, những cấu trúc từ
mới để có thể khai thác và điều khiển tối đa thuộc tính spin của điện tử, làm
tăng giá trị của GMR, tăng độ nhạy của đầu đọc; để từ đó đáp ứng được yêu
cầu của một đầu đọc nhạy để có thể đọc được những đĩa từ có mật độ dữ liệu
cao là ít bị nhiễu, từ trường HS làm việc càng nhỏ càng tốt.
HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

23

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ

GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

I – Các hƣớng nghiên cứu vật liệu mới
Nhiều vật liệu mới có độ phân cực spin cao (để thu được ti số GMR lớn)
đã được nghiên cứu để làm nguồn spin, chúng sẽ góp phần làm tăng hiệu suất
vận chuyển spin, tăng chiều dài khuếch tán hay tăng thời gian hồi phục spin,
…Điển hình trong đó là các hợp kim/hợp chất có tính sắt từ nửa kim loại (half
– metallic ferromagnets) như oxit CrO2 , các hợp kim kiểu Heusler X2YZ (như
Co2MnSb), kiểu bán Heusler (như NiMnSb), các hợp chất perovskite X-Mn-O…
Từ trở có liên quan đến độ dẫn điện, rõ ràng, nó là ứng xử của các
electron ở mức Fermi. Với vật liệu từ, mật độ trạng thái electron bị phân cực tại
mức Fermi càng nhiều, tức là tại mức Fermi độ lệch giữa mật độ điện tử có
spin up N  ( EF ) và điện tử có spin down N  ( EF ) càng nhiều, thì ta mong đợi
hiệu suất của hiệu ứng GMR càng rõ rệt.
Tên gọi sắt từ nửa kim loại có nguồn gốc từ nét đặc trưng đặc biệt là
vùng spin up như kim loại trong khi vùng spin down là một chất cách điện.Vật
liệu bán kim loại là những vật liệu chỉ dẫn điện bằng một điện tử có phương
spin xác định, hơn nữa chúng có hệ số phân cực spin cao, có thể lên đến 100%,
dùng để thay thế cho các kim loại sắt từ truyền thống (có hệ số phân cực spin
chỉ khoảng 40 – 50%).

Hình 2.2 Sơ đồ mật độ trạng thái minh họa cho kim loại thuận từ, sắt
từ, sắt từ bán kim loại

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

24