Nghiên cứu vật liệu cho cảm biến van spin kiểu điều biến dùng trong đo đạc địa từ trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ HOÀI DUNG

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHO CẢM BIẾN
VAN SPIN KIỂU ĐIỀU BIẾN DÙNG TRONG
ĐO ĐẠC ĐỊA TỪ TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

HÀ NỘI- NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ HOÀI DUNG

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHO CẢM BIẾN
VAN SPIN KIỂU ĐIỀU BIẾN DÙNG TRONG
ĐO ĐẠC ĐỊA TỪ TRƯỜNG

Chuyên ngành: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN ANH TUẤN

HÀ NỘI- NĂM 2019


Trần Thị Hồi Dung-2019

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan luận văn này là của tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn. Tất cả các số liệu trong luận văn là trung thực và chưa
từng được công bố trong bất kỳ đồ án, luận văn hay luận án nào khác. Tôi xin chịu
mọi trách nhiệm về bản luận văn này.

Tác Giả

Trần Thị Hoài Dung

iii


Trần Thị Hoài Dung-2019

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ .............................................................. vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VAN SPIN VÀ TỪ TRƯỜNG
YẾU ............................................................................................................................7
Hiệu ứng GMR .................................................................................................8
1.1.1 Khái quát về hiệu ứng GMR ......................................................................8
1.1.2 Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin. ....................................................................9
Van spin..........................................................................................................13
1.2.1 Cấu trúc van spin .....................................................................................13
1.2.2 Hiện tượng liên kết trao đổi dịch và ghim từ độ......................................16
1.2.3 Van spin kiểu điều biến và hệ cảm biến SV ............................................17
Hiệu ứng từ điện trở ngược ............................................................................19
Một số ứng dụng của cảm biến van spin ........................................................22
1.4.1 Những ứng dụng phổ biến của van spin ..................................................22
1.4.2 Một số ứng dụng tiêu biểu của van spin trên cơ sở địa từ trường ...........25
Từ trường yếu và từ trường trái đất ................................................................27
1.5.1 Từ trường yếu. .........................................................................................27
1.5.2 Từ trường trái đất và một số đặc điểm của địa từ trường ........................29
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...............................................33
Chế tạo mẫu ....................................................................................................34
2.1.1 Phương pháp phún xạ cathode .................................................................34
2.1.2 Chế tạo các màng mỏng đa lớp NiMn/Co/Cu/NiFe ................................36
2.1.3 Chế tạo các màng mỏng đa lớp Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta .............37
Khảo sát cấu trúc các màng mỏng đa lớp.......................................................39
2.2.1 Xác định thành phần hóa học của hệ màng mỏng ...................................39
2.2.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) .....................................................................40


Trần Thị Hồi Dung-2019
Khảo sát tính chất từ.......................................................................................41
Khảo sát tính chất từ điện trở. ........................................................................42
Thiết kế cảm biến van spin.............................................................................43

2.5.1 Chế tạo phần tử cảm biến van spin ..........................................................43
2.5.2 Mạch cầu Wheatstone và hệ cảm biến van spin ......................................45
2.5.3 Khảo sát các đặc trưng độ nhạy và độ ồn/nhiễu của cảm biến van spin..47
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU HỆ MẪU NiMn/Co/Cu/NiFe ...............................50
Tính chất từ ....................................................................................................50
Đặc trưng của từ điện trở MR ........................................................................54
Kết luận ..........................................................................................................57
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU HỆ MẪU Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta ..........59
Quan sát hình thái cấu trúc lớp bằng SEM.....................................................60
Tính chất từ ....................................................................................................60
Đặc trưng từ điện trở MR ...............................................................................61
Cảm biến trên cơ sở van spin .........................................................................63
4.4.1 Kết quả khảo sát độ nhạy và độ ồn/nhiễu của cảm biến SV....................63
4.4.2 Kết quả khảo sát các từ trường yếu .........................................................65
Kết luận ..........................................................................................................67
KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................69
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................72
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ................76
LỜI CẢM ƠN

ii


Trần Thị Hoài Dung-2019

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh đầy đủ

Tiếng Việt

AAF

Artificial Antiferromagnetic

Giả phản sắt từ

AC

Alternating Current

Dịng xoay chiều

AFM

Antiferromagnetic

Phản sắt từ

AI

Artifical Intelligence

Trí tuệ nhân tạo

AP

Antiparallel

Phản song

BVS

Bottom Spin Valve

Van spin ghim đáy

CIP

Current In Plane

Cấu hình trong mặt phẳng

CMOS

Complementary Metal-Oxide-

Cơng nghệ chế tạo mạch tích

Semiconductor

hợp

DC

Direct Current

Dịng một chiều

DOS

Density of states

Mật độ trạng thái điện tử

EB

Exchange Bias

Liên kết trao đổi dịch

FE-SEM

Field Emission Scanning

Hiển vi điện tử quét phát xạ

Electron Microscopes

trường

FM

Ferromagnetic

Sắt từ

GMR

Giant Magnetoresistance

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

GPS

Global Positioning System

Định vị toàn cầu

IMR

Inverse MR

Hiệu ứng MR ngược

MEMS

Microelectromechanical systems

Hệ thống vi cơ điện tử

MFC

Magnetic Flux Concentrator

Bộ tập trung thông lượng từ

MR

Magnetoresistance

Hiệu ứng từ điện trở

NEB

Negative Exchange Bias

Tương tác trao đổi dịch âm

NM

Non Ferromagnetic

Phi từ

NMR

Normal MR

Hiệu ứng GMR thông thường

P

Parallel

Song song

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân
iv


Trần Thị Hoài Dung-2019
PEB

Possitive Exchange Bias

Liên kết trao đổi dịch dương

PSV

Pin Spin Valve

SV ghim

Py

Permalloy

Hợp kim của Niken và Sắt

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SDT

Spin-Dependent Transport

Vận chuyển điện tử phụ thuộc
spin

SEI

Secondary Electron Iamge

Chế độ ảnh điện tử thứ cấp

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

SSD

Spin State Density

Mật độ trạng thái spin

SV

Spin Valve

Van spin

SVE

Spin Valve Effect

Hiệu ứng van spin

SVS

Spin Valve Sensor

Cảm biến SV

TMR

Tunnelling magnetoresistance

Từ điện trở xuyên ngầm

TVS

Top Spin Valve

Van Spin ghim đỉnh

VSM

vibrating sample magnetometer

Từ kế mẫu rung

WD

Working Distance

Khoảng làm việc

v


Trần Thị Hoài Dung-2019

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Một số đơn vị từ học thông dụng và hệ số chuyển đổi giữa các hệ đơn vị SI
và CGS [3].................................................................................................................28
Bảng 1.2 Mật độ thơng lượng từ trung bình của một số thiết bị/dụng cụ gia dụng (μT)
[39]. ...........................................................................................................................29
Bảng 2.1 Thành phần các nguyên tố trong bia hợp chất ..........................................39
Bảng 4.1 Một số thơng số cơ bản về các tính chất từ và GMR của phần tử SV đơn
Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta. ................................................................................62
Bảng 4.2 Các thông số về độ nhạy và độ phi tuyến của SV. ...................................64

vi


Trần Thị Hồi Dung-2019

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sự thay đổi điện trở theo từ trường ngoài. ..................................................7
Hình 1.2 a) Hiệu ứng GMR được quan sát thấy trong các màng mỏng từ có cấu trúc
đa lớp kiểu FM/NM: [Fe/Cr]n, với n là số các cặp lớp Fe/Cr (n = 30, 35, 40). b) Điện
trở sẽ thấp nhất nhất khi từ độ của các lớp FM sắp xếp song song với nhau, và cao
nhất khi sắp xếp đó là phản song. ...............................................................................8
Hình 1.3 Sơ đồ mơ tả cấu trúc DOS của các điện tử dải 4s và 3d trong các kim loại
thường (a), và các kim loại sắt từ (b). .........................................................................9
Hình 1.4. Sơ đồ đơn giản minh họa cho mơ hình hai dịng Mott thể hiện cơ chế tán
xạ điện tử với các spin khác nhau trong màng mỏng từ đa lớp. a) Hai lớp sắt từ FM
liên kết phản song với nhau. b) Hai lớp sắt từ FM liên kết song song với nhau. .....10
Hình 1.5 Mật độ trạng thái (DOS) của điện tử trong cấu trúc từ đa lớp và quá trình
chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc đó với các cấu hình sắp xếp phản song
(a) và song song (b) của từ độ các lớp. .....................................................................12
Hình 1.6 (a) Mô tả hiệu úng van spin của một cấu trúc cơ sở gồm 3 lớp đơn giản nhất:
FM/NM/FM, tiền thân của cấu trúc. (b) Sơ đồ minh họa một cấu trúc van spin ghim
gồm bốn lớp: FM2/NM/FM1/AFM. ...........................................................................14
Hình 1.7 a) SV ghim đáy (Bottom spin valve - BSV). c) SV ghim đỉnh (Top spin
valve - TSV). b) Sự kết hợp giữa hai loại BVS và TSV. ..........................................14
Hình 1.8 Đường cong từ trễ của các hạt CoO/Co đo tại T = 77 K. Đường đứt nét là
đường cong từ trễ khi vật liệu không được làm nguội trong từ trường. Đường liền nét
là đường con từ trễ của vật liệu khi được làm nguội trong từ trường [6]. ................17
Hình 1.9 Sơ đồ của một hệ cảm biến SV với các thành phần cấu tạo cơ bản được chỉ
ra (dựa theo [3]).........................................................................................................18
Hình 1.10 Cảm biến SV được chế tạo ứng dụng tổ hợp với một bộ dẫn từ thông (FC)
dày 200 nm và cần rung MEMS ở trên đỉnh (tần số dao động: 400 kHz) [9]. .........19
Hình 1.11 (a) Cấu trúc SV ghim AFM/FM2/NM/FM1 và biểu đồ cho hành vi MR âm
ở vùng từ trường thấp. Biểu đồ này cho thấy một SV có thể đóng vai trị là cảm biến
từ trong vùng tuyến tính, hoặc là một phần tử logic khi làm việc ở từ trường |H| > |HS|.
vii

Trần Thị Hồi Dung-2019
(b) Hiệu ứng GMR bình thường thể hiện hành vi điện trở âm (gọi là MR dương). (c)
Hiệu ứng GMR ngược, hay hiệu ứng IMR, biểu thị hành vi điện trở dương. ..........20
Hình 1.12 Sơ đồ thiết kế cảm biến SV mạch cầu Wheastone kết hợp sử dụng các
phần tử cảm biến SV có hiệu ứng GMR và IMR [10]. .............................................21
Hình 1.13 Cơ chế minh họa a) hiệu ứng MR cho van spin điển hình. b) IMR cho van
spin nghịch đảo [10]. .................................................................................................21
Hình 1.14 Các lĩnh vực ứng dụng chính của các kiểu cảm biến từ được chế tạo bằng
các cơng nghệ khác nhau với các tính chất từ và vùng từ trường có thể hoạt động
tương ứng [5].............................................................................................................23
Hình 1.15 (a) Sự biến dạng từ thông của từ trường Trái đất khi một ô-tô đi qua và
cách bố trí cảm biến SV để ghi nhận (theo [8]). (b), (c) Các dạng tín hiệu đáp tứng sự
thay đổi từ trường của cảm biến SV đối với các phương tiện vận tải khác nhau (theo
[11]). ..........................................................................................................................26
Hình 1.16 Mơ hình thiết lập để xác định tốc độ và thời lượng tín hiệu khi một ơ-tơ đi
qua hai cảm biến S1 và S2 nhằm giám sát, phân loại và điều khiển giao thông (theo
[7]). ............................................................................................................................26
Hình 1.17 Cơ chế dynamo tạo ra từ trường Trái Đất: các dòng đối lưu được điều
khiển bằng dòng nhiệt từ lõi trong tạo ra từ trường [2]. ...........................................30
Hình 1.18 Bản đồ địa từ cho thấy vị trí của Bắc cực từ đã bị dịch chuyển và độ giảm
của từ trường vào đầu năm 2019 (Theo NOAA NCEI/CIRES) [4]. .........................31
Hình 1.19 Bản đồ cường độ từ trường Trái đất năm 2015 [1]. (a) Theo phương ngang
x. (b) Theo phương dọc y. (c) Tổng cường độ từ trường trái đất (phương xy). .......32
Hình 2.1 (a) Nguyên lý cơ bản của quá trình hình thành màng bằng phương pháp
phún xạ. (b) Nguyên lý làm việc của hệ thống phún xạ magneton DC. ...................34
Hình 2.2 (a) Hệ phún xạ SCM400 tại ITIMS. ..........................................................35
Hình 2.3 (a) Sơ đồ mặt cắt ngang của cấu trúc mẫu đa lớp MnNi/Co/Cu/ Py, với độ
dày tương ứng của mỗi lớp được chỉ ra. (b) Mặt nạ Si có các khe với chiều rộng 1
mm và chiều dài 10 mm. ...........................................................................................36

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc thiết kế của mẫu màng mỏng SV có ghim
Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta, với độ dày tương ứng của mỗi lớp. ........................38
viii


Trần Thị Hồi Dung-2019
Hình 2.5 Hình ảnh của một số bia đã được sử dụng trong thực nghiệm chế tạo hệ SV
(T)..............................................................................................................................38
Hình 2.6. Sơ đồ khối thể hiện nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử quét
SEM. ..........................................................................................................................40
Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét JEOL. JSM-7600F ...........................................41
Hình 2.8. Hình ảnh hệ đo tính chất từ VSM (a) DMS 880 đối với hệ mẫu (I). (b)
VSM-EZ17 đối với hệ mẫu (T).................................................................................42
Hình 2.9 (a) Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo MR, đối với hệ SV (I) theo phương pháp
kiểu bốn mũi dị thẳng hàng, trong cấu hình dịng DC trong mặt phẳng (CIP) với
tương quan song song giữa từ trường H và dịng j. (b) Hình ảnh bố trí hệ đo hiệu ứng
GMR/SV được thiết lập tại NTU. .............................................................................43
Hình 2.10 Lược đồ mơ tả quy trình chế tác cảm biến SV từ trường thấp trên cơ sở
màng mỏng cấu trúc van spin có ghim Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta. ..................44
Hình 2.11 Mạch cầu wheastone................................................................................46
Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc của mạch cầu Wheatstone với các phần tử SV cell là R1 và
R4 để sử dụng cho các hệ cảm biến SV từ trường thấp. ............................................46
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý của hệ đo/khảo sát độ nhạy của cảm biến SV, và bảng liệt
kê các thiết bị/module sử dụng trong sơ đồ nguyên lý của hệ. .................................48
Hình 2.14 Hình ảnh của hệ đo/khảo sát độ nhạy của cảm biến SV. ........................48
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của hệ đo/khảo sát độ ồn/nhiễu của cảm biến SV, và Bảng
liệt kê các thiết bị/module sử dụng trong sơ đồ nguyên lý của hệ. ...........................49
Hình 2.16 Hình ảnh của hệ đo/khảo sát độ ồn/nhiễu của cảm biến SV. ..................49
Hình 3.1 Đường cong từ trễ M(H) của các mẫu I1 (tCu = 6 nm), I2 (tCu = 9 nm), và I3
(tCu = 12nm) ngay sau khi được phún xạ và sau khi được ủ trong 30 phút ở các nhiệt

độ Ta = 100°C đến 400°C. .........................................................................................51
Hình 3.2 Hiện tượng dịch dương của đường từ trễ ở các mẫu I1 và I3, được nêu điển
hình cho các trường hợp mẫu ngay sau khi phún xạ (As) và sau khi được ủ ở các nhiệt
độ cao 300°C và 400°C. ............................................................................................52
Hình 3.3 Hiệu ứng GMR của các mẫu I1 (tCu = 6 nm) ngay sau khi được phún xạ (As)
và sau khi được ủ trong 30 phút ở các nhiệt độ từ Ta = 100°C đến 400°C. ..............54
ix


Trần Thị Hồi Dung-2019
Hình 4.1 Hình học của phần tử SV đơn Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta, dạng thanh
dài với các phương của trục dễ và hướng ghim được chỉ ra, đã được dùng để khảo sát
cấu trúc hình ảnh SEM và các tính chất từ và GMR.................................................59
Hình 4.2 Hình ảnh SEM của một phần tử SV đơn Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta.
Với chiều dày tổng cộng của các lớp trong cấu trúc SV này là 55 nm trên đế Si đã
được phủ một lớp SiO2 dày ~ 400 nm. ......................................................................60
Hình 4.3 Đường cong từ trễ M(H) toàn thang (major loop) của mẫu phần tử SV đơn
Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta dạng thanh. Các đặc trưng về lực kháng từ, HC1 và
HC2, của từng lớp FM, độ lớn của trường ghim, Eex, và tương quan sắp xếp từ độ giữa
các lớp FM đã được chỉ ra trong hình. ......................................................................61
Hình 4.4 (a) Đường cong đáp ứng từ điện trở MR(H) – hay hiệu ứng GMR – của
phần tử SV đơn Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta ,toàn thang (major curve). (b) Đường
đặc trưng MR(H) đo trong vùng từ trường nhỏ (minor curve) của phần tử SV đơn.
...................................................................................................................................62
Hình 4.5 Máy hiện sóng GDS 1062A và kết quả hiển thị xung từ trường tham chiếu
phát ra từ cuộn Helmholtz đồng thời với tín hiệu đáp ứng từ trường của hệ cảm biến
SV. .............................................................................................................................63
Hình 4.6 (a) Đường cong đáp ứng giữa từ trường tác dụng lên hệ cảm biến SV và
điện áp đầu ra của hệ cảm biến SV được sử dụng để đánh giá độ nhạy. (b) Độ phi
tuyến của cảm biến SV. .............................................................................................64

Hình 4.7 Kết quả đo độ ồn/nhiễu của hệ cảm biến SV. ...........................................65
Hình 4.8 (a) Bộ module đo tín hiệu từ trường của đồng hồ đeo tay. (b) Kết quả quan
sát và đo được tín hiệu ra của hệ cảm biến SV đáp ứng với từ trường của đồng hồ đeo
tay. .............................................................................................................................66
Hình 4.9 Các xung điều khiển có dạng vng, hình sin và răng cưa được phát ra từ
cuộn Helmholtz với biên độ ~ 0,33 Oe − đường vàng − được hệ cảm biến SV ghi
nhận và chuyển thành tín hiệu điện áp ra có dạng xung tương tự, với điện áp đầu ra
ngược pha với xung tín hiệu đầu vào, và được khuếch đại − đường xanh. ..............67

x


Trần Thị Hoài Dung-2019

MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu chung
Với sự phát triển mạnh mẽ và những thành tựu đạt được gần đây trong khoa học
và công nghệ vật liệu nano, cũng như trong công nghệ chế tạo các loại linh kiện điện
tử thế hệ mới, như spintronics, trong đó cho phép khai thác thuộc tính (bậc tự do) spin
của điện tử, đã dẫn đến có những ứng dụng hết sức độc đáo, mới lạ và khác biệt cho
các trang thiết bị điện tử hiện đại, như có thể dễ dàng nhận thấy ngày nay ở trên thế
giới. Điều đó có được là do những tính năng vượt trội và khác biệt của các linh kiện
spintronics so với các linh kiện và thiết bị điện tử truyền thống. Đáng chú ý là trong
số những linh kiện và thiết bị điện tử thế hệ mới đó, các cảm biến từ trường kiểu mới,
ở đó sử dụng vật liệu từ với cơng nghệ nano và công nghệ spintronics, đã đạt được
những ưu điểm vượt trội về độ nhạy, khả năng đo và xử lý hiệu quả các tín hiệu nhỏ
hay những trường có cường độ yếu, có kích thước nhỏ và tiêu thụ năng lượng thấp.
Một số kiểu cấu trúc đặc biệt của vật liệu từ, như cấu trúc đa lớp tiếp xúc dị thể
có kích thước nano mét, trong đó xuất hiện hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) do
cơ chế tán xạ phụ thuộc spin gây ra, đã cho phép chủ động thực hiện việc điều khiển

dòng spin điện tử tương tự như một van điện tử nano. Một biến thể xuất phát từ các
cấu trúc đa lớp như thế, trong đó một cấu trúc 3 lớp là cấu trúc tối giản, gồm 2 lớp sắt
từ (FM) cách nhau một lớp kim loại phi từ (NM), được gọi là van spin (SV), và hiệu
ứng GMR tương ứng của cấu trúc SV như vậy được gọi là hiệu ứng van spin (SVE).
Liên quan đến việc phát hiện và đo lường các tín hiệu nhỏ hay những từ trường
có cường độ yếu, những cảm biến từ dựa trên cơ sở của phần tử SV thường có độ
nhạy rất cao, phù hợp với những ứng dụng thực tế trong việc phát hiện, dị tìm và đo
lường những từ trường yếu (< 1 Oe). Vì vậy những cảm biến SV (SVS) thường được
dùng để khảo sát, dị tìm, đo lường, hoặc định vị dựa vào từ trường của trái đất trong
các thiết bị di động, hoặc các la bàn điện tử điều hướng trong không gian 3D dùng
trong các hệ định vị vệ tinh, kiểm sốt giao thơng (giao thơng thơng minh), các hệ
thống lưới điện quốc gia, y-sinh và bệnh học, an ninh quốc phòng, khảo sát địa từ...


Trần Thị Hoài Dung-2019
Mặc dù hiện nay ở trong nước vẫn cịn nhiều hạn chế về cơng nghệ và nền tảng
kỹ thuật, nhằm tiếp cận với sự phát triển chung của thế giới về công nghệ cao, công
nghệ nano và công nghệ spintronics, việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ
spintronics và những ứng dụng của chúng ở trong nước là hết sức cần thiết. Trong
bối cảnh đó, luận văn đã được thực hiện, một phần triển khai tại Viện ITIMS, trường
ĐH Bách khoa Hà Nội, một phần được thực hiện dựa trên sự giúp đỡ về vật tư nguyên
vật liệu và các trang thiết bị cần thiết, do quan hệ giữa Nhóm nghiên cứu về
Spintronics của Viện và PTN Spintronics, thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Quốc
Gia Đài loan (NTU - National Taiwan University).
2. Lý do chọn đề tài
Các thầy trong Nhóm nghiên cứu về Spintronics của Viện ITIMS đã có q trình
nghiên cứu về vật liệu và công nghệ chế tạo các linh kiện SVS từ nhiều năm nay, đặc
biệt là những nghiên cứu về ứng dụng của các cảm biến SV [56-67]. Tuy nhiên những
nghiên cứu chế tạo và ứng dụng của các SVS đối với từ trường yếu như từ trường trái
đất vẫn chưa từng được thực hiện. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu vật liệu cho cảm biến

van spin kiểu điều biến dùng trong đo đạc địa từ trường” thực hiện tại Viện ITIMS
trường ĐH Bách khoa Hà Nội, nhằm góp phần phát triển tiếp hướng nghiên cứu về
vật liệu điện tử và cảm biến từ trường thấp có khả năng ứng dụng thực tế ở trong
nước.
Nhằm đáp ứng cho nhu cầu chế tạo SVS có mục đích sử dụng cho từ trường
thấp – cơ sở cho cảm biến từ trường thấp, loại cấu trúc SV ghim đã được lựa chọn.
SV ghim (PSV) là loại cấu trúc SV ngoài ba lớp cơ bản như đã đề cập ở trên, cịn có
thêm một lớp phản sắt từ (AFM) được cho tiếp xúc với một trong hai lớp FM nhằm
ghim từ độ của lớp này, sao cho từ độ của nó – gọi là lớp bị ghim – khó hoặc khơng
thể đảo được từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài khi cường độ khơng q lớn,
trong khi lớp FM cịn lại – gọi là lớp tự do – có thể dễ dàng bị đảo/quay dưới tác dụng
của từ trường này (chi tiết về SV ghim sẽ được trình bày ở Chương 1).
Mặt khác, nhằm tăng cường độ nhạy, giảm thiểu độ ồn nhiễu và tăng độ phân
giải theo từ trường cho cảm biến SV, loại cảm biến van spin kiểu điều biến đã được
2


Trần Thị Hoài Dung-2019
đưa vào sử dụng ở trong luận văn này nhằm thích hợp với vùng từ trường yếu cho
mục đích khảo sát địa từ trường.
3. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu chung: Bước đầu góp phần tạo cơ sở để phát triển về sau đối với công
nghệ và ứng dụng các cảm biến van spin trong phát hiện, đo lường và điều khiển bằng
các từ trường yếu, trong đó có từ trường trái đất, đang được nhen nhóm triển khai tại
Viện ITIMS.
- Mục tiêu cụ thể và kết quả cần đạt được như sau:
+ Nắm được những nét cơ bản trong quy trình cơng nghệ chế tạo cảm biến van
spin thông qua việc chế tạo thành công một số kiểu màng mỏng đa lớp van spin.
+ Lựa chọn trong số những cấu trúc màng mỏng van spin thích hợp để chế tạo
thành cơng cảm biến mẫu (prototype) có khả năng phát hiện, dị tìm và đo được từ

trường yếu dưới 1Oe với độ nhạy cao, > 1 mV/V/Oe, trong đó có từ trường của trái
đất (0,3 - 0,5 Oe), với độ trễ và độ phi tuyến thấp.
+ Trên cơ sở cảm biến van spin chế tạo được, bước đầu thử nghiệm để nhận ra
những khả năng ứng dụng cụ thể đối với từ trường thấp.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Như đã đề cập ở trên trong lý do chọn đề tài, và được thể hiện trong tiêu đề của
luận văn, đối tượng nghiên cứu chung ở đây là những vật liệu có khả năng đáp ứng
được cho nhu cầu chế tạo cảm biến van spin kiểu điều biến dùng trong từ trường yếu,
như từ trường của trái đất. Để đáp ứng được mục tiêu đề ra trên đây, những màng
mỏng từ đa lớp có cấu trúc kiểu SV ghim, PSV, sẽ được quan tâm bao gồm hai hệ
màng mỏng cụ thể như sau:
- NiMn/Co/Cu/NiFe

(I)

- Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta

(T)

Các hiệu ứng cơ bản liên quan tới các cấu trúc van spin này được tập trung khảo
sát bao gồm:
- Hiệu ứng GMR, hay SVE (liên quan đến cơ chế tán xạ phụ thuộc spin);

3


Trần Thị Hoài Dung-2019
- Hiệu ứng liên kết trao đổi dịch giữa lớp AFM (như NiMn, IrMn) và FM (như Co,
CoFe) (liên quan đến cơ chế ghim bởi tương tác trao đổi spin ở các bề mặt tiếp xúc
giữa hai lớp AFM/FM: NiMn/Co và IrMn/CoFe).

- Đặc trưng liên kết tĩnh từ giữa các lớp FM (phụ thuộc chiều dày của lớp NM (Cu).
Ngồi ra, về phạm vi cơng nghệ chế tạo cảm biến SV và ứng dụng trong phạm vi từ
trường trái đất, một số vấn đề liên quan khác cũng sẽ được quan tâm, như:
- Kỹ thuật lắng đọng bằng phương pháp phún xạ cathode và xử lý màng mỏng từ.
- Các kỹ thuật chế tác linh kiện cảm biến như kỹ thuật quang khắc và các kỹ thuật
xử lý linh kiện điện tử trong phòng sạch, kỹ thuật hàn dây.
- Một số khái niệm và các thông số kỹ thuật của cảm biến, như độ nhạy, mức độ
nhiễu/ồn điện tử và ồn nhiệt trong các cảm biến van spin, sử dụng mạch cầu làm tăng
cường độ nhạy để cảm biến có thể hoạt động tốt hơn trong vùng từ trường yếu < 1 Oe.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp thực nghiệm chính sau đây được sử dụng:
- Kỹ thuật phún xạ magnetron để chế tạo các màng mỏng cấu trúc van spin.
- Sử dụng các phép đo và phân tích các đặc trưng cơ bản của vật liệu như tính chất
từ, tính chất từ-điện trở như VSM, SEM, và đo MR, v.v…
- Kỹ thuật quang khắc kết hợp với lift-off để chế tác phần tử cảm biến SV và kỹ
thuật hàn dây để hoàn thiện phần tử cảm biến SV.
- Kỹ thuật điều biến, trong đó sử dụng mạch lock-in hoặc mixer, được áp dụng cho
việc giảm nhiễu ở tần số thấp đối với cảm biến SV.
6. Nội dung nghiên cứu
6.1. Chế tạo các màng mỏng SV
Lắng động bằng kỹ thuật phún xạ cathode các lớp màng mỏng sử dụng làm
cấu trúc SV cơ bản (các phần tử SV) lên đế Si (đã được ơxy hóa trước để tạo lớp
SiO2 cách điện bề mặt), gồm hai hệ có cấu trúc cụ thể như sau:
(I)

Si-SiO2/NiMn/Co/Cu/NiFe

(T) Si-SiO2/Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta
với chiều dày của mỗi lớp thay đổi từ vài tới vài chục nano mét.
4

Trần Thị Hoài Dung-2019
Trong các màng mỏng đa lớp này, các lớp FM là Co, CoFe và NiFe, lớp dẫn
điện phi từ NM là Cu, lớp phản sắt từ AMF là NiMn, IrMn, và lớp kim loại Ta vừa
có chức năng làm tăng độ mềm từ cho lớp FM "tự do" là NiFe, vừa có chức năng bảo
vệ các SV.
6.2. Khảo sát các đặc trưng cấu trúc, tính chất từ và từ-điện trở màng mỏng SV
Một số đặc trưng của các hệ màng mỏng SV chế tạo được trên đây sẽ được khảo
sát và phân tích, như quan sát cấu trúc lớp bằng hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích
các tính chất từ và liên kết trao đổi giữa các lớp bằng các thiết bị từ kế, đo các tính
chất vận chuyển – hiệu ứng từ điện trở (GMR) – bằng kỹ thuật 4 mũi dò (four-probe).
6.3. Thử nghiệm chế tạo phần tử SVS
Từ các vật liệu màng mỏng từ đa lớp đã chế tạo được ở trên, căn cứ vào các tính
chất từ và đặc trưng van spin đã được khảo sát, hệ màng mỏng từ đa lớp (T) với cấu
trúc Si-SiO2/Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta đã được lựa chọn để chế tác thành các
phần tử SV hoạt động bằng hiệu ứng GMR, có kích thước thu nhỏ với các điện cực
được tạo ra. Có nhiều phương pháp để tạo ra các phần tử cảm biến van spin, như mài
ion (ion-milling), quang khắc và lift-off. Trong luận văn này, vì điều kiện cịn khó
khăn ở trong nước, các phương pháp quang khắc và lift-off đã được sử dụng vì có giá
thành thấp, để dễ dàng thực hiện được trong điều kiện tận dụng sự hỗ trợ từ bên ngoài.
Các phần tử cảm biến SVS đơn sẽ được tiến hành gắn trên một đế mạch in theo
mạch cầu Wheastone, với các đầu lấy tín hiệu ra được hàn với các điện cực dẫn của
đế mạch in. Với kết cấu này, các phần tử cảm biến SVS sẽ dễ dàng kết nối với các
mạch điện tử thu thập và xử lý tín hiệu ghép từ bên ngoài, như các mạch tiền khuếch
đại, off-set điểm làm việc, điều biến tín hiệu và mạch ghép nối máy tính để có thể dễ
dàng điều khiển sự đo lường các tín hiệu từ trường yếu.
6.4. Khảo sát đặc trưng từ và từ-điện trở của các phần tử SVS
Các nội dung chính ở đây gồm:
- Kiểm tra các tính chất từ và liên kết trao đổi dịch − đo các đường từ trễ − đối với

các phần tử cảm biến SVS đơn sau khi chế tác và trước khi kết nối thành mạch cầu
Wheastone với các dây dẫn từ các điện cực để nối với các mạch điện tử bên ngoài.
5


Trần Thị Hoài Dung-2019
- Tương tự như vậy đối với các phần tử cảm biến SVS đơn, kiểm tra các tính chất
từ-điện trở – đo các đặc trưng GMR.
- Tiến hành kiểm tra, đánh giá các tính chất/đặc trưng của hệ cảm biến SVS dưới
dạng mạch cầu Wheastone bằng các thiết bị bên ngoài, như Lock-in và tiền khuếch
đại (Pre-amplifier).
6.5. Thử nghiệm thiết lập hệ đo dùng cảm biến SV
Sử dụng các mạch điện chức năng do nhóm nghiên cứu Spintronics thiết kế và
chế tạo để lắp đặt hệ đo hay điều khiển, dưới dạng module SVS có tính năng như một
hệ đo độc lập.
Khảo sát các đặc trưng tín hiệu từ trường yếu của hệ cảm biến SVS.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm có 3 phần, trong đó phần Mở đầu giới thiệu về vấn đề được thực
hiện nghiên cứu trong luận văn; phần nội dung nghiên cứu chính gồm bốn chương:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về cảm biến van spin và một số kiến thức về từ trường
yếu; Chương 2 trình bày một số phương pháp thực nghiệm đã được sử dụng trong
luận văn; Chương 3 trình bày những kết quả nghiên cứu chính đối với các hệ màng
mỏng SV kiểu (I): NiMn/Co/Cu/NiFe; Chương 4 trình bày những kết quả nghiên cứu
chính đối với các hệ màng mỏng SV kiểu (T): Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta. Phần
Kết luận tóm tắt lại những nội dung và kết quả chủ yếu đạt được của luận văn, và
tổng kết những nhận định quan trọng nhất rút ra được từ nghiên cứu này. Cuối cùng
là một số kiến nghị nhằm mở rộng hướng phát triển tiếp theo sau luận văn.
8. Tài trợ của luận văn
Đề tài đã được thực hiện với sự tài trợ chủ yếu từ đề tài cấp Bộ mã số B2017BKA-48 [58]. Ngoài ra tác giả luận văn cũng được sự hỗ trợ một phần từ các đề tài
cấp CS (Phân cấp) của Trường ĐHBKHN với mã số T2017-TT-005 [66] và các đề

tài của Quỹ Nafosted mã số 103.02.2015.04 [62] và 103.02.2016.03 [63].

6


Trần Thị Hoài Dung-2019
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VAN SPIN VÀ TỪ

TRƯỜNG YẾU
Khái quát về hiệu ứng từ điện trở (MR): Năm 1857, William Thomson (cịn có
tên khác là Lord Kelvin, thường được dùng trong thang đo nhiệt độ Kelvin) phát hiện
ra rằng điện trở của một sợi dây bằng sắt bị thay đổi khi bị từ hóa theo hướng lệch
khỏi trục sợi dây, và cũng là phương của dịng điện DC chạy trong dây [12]. Tính
chất điện trở của một vật dẫn thay đổi khi từ trường tác dụng được gọi là từ điện trở
(magnetoresistance, MR) (ví dụ Hình 1.1). Hiện tượng MR đã được tìm thấy ở trong
nhiều vật liệu khác nữa [13, 14], đặc biệt là hiệu ứng MR trong các dây dẫn sắt từ
như Ni, NiFe,… mà sau này hiệu ứng MR đã được biết đến chính là hiệu ứng từ điện
trở dị hướng (AMR) có nguồn gốc từ dị hướng hình dạng đã dẫn đến sự liên kết mạnh
của spin-quỹ đạo [15]. Những phát triển gần đây trong công nghệ màng mỏng từ và
công nghệ nano đã dẫn đến điện trở của các màng mỏng này thay đổi rất lớn đối với
từ trường tác dụng. Điển hình trong số đó là hiệu ứng được gọi là từ điện trở khổng
lồ (GMR) − để phân biệt với AMR thông thường − được phát hiện vào năm 1988
(đoạt giải Nobel vật lý năm 2007) [16-18]. Từ đó trở đi đã dẫn đến sự phát triển vượt
bậc trong lĩnh vực công nghệ lưu trữ thông tin trên thế giới, cũng như thúc đẩy hết
sức mạnh mẽ công nghệ linh kiện điện tử thế hệ mới, trong đó gồm có các cảm biến
MR. Điện trở AMR cho thấy sự thay đổi điện trở thường dưới 3%, trong khi các vật
liệu GMR khác nhau có thể đạt được sự thay đổi điện trở lớn hơn nhiều, từ hàng chục
cho đến gần như 100% hoặc cao hơn nữa.
Điện trở (R)

Tỉ số Từ-điện trở
(tỉ số MR)
Từ trường H cần thiết
để thay đổi MR
Từ trường (H)

Hình 1.1 Sự thay đổi điện trở theo từ
trường ngoài.

7


Trần Thị Hoài Dung-2019
Hiệu ứng GMR
1.1.1 Khái quát về hiệu ứng GMR
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR, diễn ra trong các màng mỏng sắt từ có cấu
trúc đa lớp trong đó các lớp FM lần lượt được ngăn cách bởi các lớp kim loại phi từ
NM (FM/NM) (Hình 1.2 (a)). Lớp FM trong các cảm biến GMR đóng vai trò như là
bộ lọc spin để phân cực spin của các điện tử dẫn. Do đó, sự tán xạ phụ thuộc spin
mạnh hơn khi dòng spin chạy qua lớp đệm NM đến bề mặt phân cách của lớp FM
tiếp theo. Sự thay đổi điện trở của cấu trúc đa lớp dưới tác dụng của từ trường ngoài
H (hiệu ứng GMR) phụ thuộc vào định hướng tương đối của từ độ giữa các lớp FM.
Từ độ của lớp FM được xác định là mô-men từ nguyên tử tổng cộng trong một đơn
vị thể tích FM, dưới tác dụng của từ trường ngoài H làm tăng từ trường nội bên trong
vật liệu FM lên bởi một hệ số χm đặc trưng cho độ cảm từ của FM: M = χmH. Khi từ
trường ngồi bằng khơng (H = 0), cấu trúc đa lớp thể hiện một điện trở (RAP) cao nhất
do từ độ của các lớp FM sắp xếp phản song với nhau (antiparallel, AP), thông qua
liên kết/tương tác trao đổi giữa các lớp FM. Khi các lớp FM đang liên kết AP dần
chuyển sang cấu hình từ độ sắp xếp song song với nhau (parallel, P) hướng theo
phương tác dụng của từ trường bên ngoài (H ≠ 0), điện trở của hệ sẽ giảm từ giá trị

a
Fe/Cr/Fe/Cr/Fe/Cr/..... R / R
b
(H=0)

1

Fe 3nm / Cr 1,8 nm
0,8

Fe 3nm / Cr 1,2 nm

Hs

~ +80%

0,7
0,6

Fe 3nm / Cr 0,9 nm

Hs

0,5
-40

-30 -20

-10

0

Hs
10

20

30

40

H (kOe)

Đa lớp kết hợp lớp phản sắt từ
Hình 1.2 a) Hiệu ứng GMR được quan sát thấy trong các màng mỏng từ có cấu trúc đa
lớp kiểu FM/NM: [Fe/Cr]n, với n là số các cặp lớp Fe/Cr (n = 30, 35, 40). b) Điện trở sẽ
thấp nhất nhất khi từ độ của các lớp FM sắp xếp song song với nhau, và cao nhất khi sắp
xếp đó là phản song.

8


Trần Thị Hoài Dung-2019
cao nhất (RAP) xuống giá trị thấp nhất (RP) (Hình 1.2 (b)). Có thể thấy rằng cần phải
có một từ trường đủ lớn để vượt qua sự liên kết trao đổi mạnh giữa các lớp FM, dẫn
đến từ trường bão hịa HS có thể lên đến hàng trăm mT (~ hàng chục kOe) (Hình 1.2
(a)).
Tỷ số GMR, xác định độ lớn của hiệu ứng GMR, được cho bởi:
𝐺𝑀𝑅 =

∆𝑅 𝑅𝐴𝑃 − 𝑅𝑃
=
𝑅𝑃
𝑅𝑃

(1.1)

1.1.2 Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin
Nguồn gốc của vận chuyển (tán xạ) phụ thuộc spin liên quan đến cấu trúc điện
tử trong các kim loại FM và NM. Hình 1.3 là sơ đồ minh họa sự phân bố mật độ trạng
thái điện tử (DOS) của các cấu trúc dải 4s và 3d trong các kim loại thường (Hình 1.3
(a)) và các kim loại sắt từ (Hình 1.3 (b)). Đối với các kim loại thường (NM), như Cu,
Ag,…, mật độ điện tử spin chính (majority), ứng với spin-up (↑), gồm mật độ điện tử
4s và 3d: n↑ = n↑4s + n↑3d cũng bằng với mật độ điện tử spin phụ (minority), ứng với
spin-down (↓), n↓ = n↓4s + n↓3d. Tại mức năng lượng Fermi, n↑(EF) = n↓(EF). Chính vì
thế các kim loại thường khơng có tính chất từ (NM). Trong khi đó ở các kim loại sắt
từ (FM), như Co, Ni, Fe,…, mặc dù cấu trúc điện tử ở dải 4s cũng tương tự như ở các
kim loại NM (n↑4s = n↓4s), tuy nhiên do tương tác trao đổi giữa các dải 3d khá mạnh
dẫn đến sự bất đối xứng giữa các điện tử spin-up và spin-down. Điều đó làm cho DOS
của chúng mang tính bất đối xứng: n↑ ≠ n↓ và n↑(EF) ≠ n↓(EF), nên các ngun tử FM
có từ tính. Sự bất đối xứng spin là nguyên nhân dẫn đến các hiện tượng vận chuyển/tán
xạ phụ thuộc spin.

Hình 1.3 Sơ đồ mô tả cấu trúc DOS của các điện tử dải 4s và 3d trong các kim loại
thường (a), và các kim loại sắt từ (b).

9


Trần Thị Hồi Dung-2019

Các giải thích cho cơ chế vận chuyển spin GMR ở trên, hay cơ chế van spin
trình bày sau đây, đều được dựa trên mơ hình hai dịng điện tử của Mott. Mơ hình này
giả thiết bỏ qua hiện tượng tán xạ lật spin (spin flip scattering), và trong các vật dẫn
ln có hai kênh điện tử ứng với các phương spin: spin-up (↑) và spin-down (↓) (Hình
1.3). Hình 1.4 thể hiện cho mơ hình Mott đơn giản để giải thích cho sự tán xạ điện tử
với các spin khác nhau (spin-up (↑) và spin-down (↓)), cho thấy quá trình chuyển dời
của điện tử qua các spin-up (↑) và spin-down (↓) có sự khác nhau. Mơ hình này đưa
ra cho chiều dày của các lớp chính là quảng đường tự do trung bình của điện tử. Mỗi
điện tử sẽ có một spin nhất định và khơng đổi đến khi bị tán xạ (tính bảo tồn spin),
spin nào có phương song song với từ độ nơi nó đi qua thì sẽ bị tán xạ ít hơn là spin
có hướng đối song với từ độ đó. Ở Hình 1.4 (a) ta thấy do chưa có từ trường ngồi
tác dụng nên các momen từ sắp xếp phản song, điện tử có spin-up (↑) và spin-down
(↓) lần lượt bị tán xạ tại mỗi lớp FM tùy vào spin đó khơng cùng hướng với từ độ ở
lớp FM còn spin còn lại sẽ qua mà khơng bị tán xạ. Qua mơ hình này ta thấy mỗi lớp
sắt từ giống như một van hạn chế dịng chảy của kênh spin và đích ta có được điện
trở suất của hai kênh cao như nhau. Ở Hình 1.4 (b) là mơ hình của mẫu vật liệu khi
có từ trường ngồi tác dụng, các lớp sắt từ sắp xếp song song với nhau, ở mơ hình
này chỉ có spin nào ngược hướng với hướng từ độ thì bị tán xạ cịn spin cịn lại cùng
hướng với từ độ thì đi qua dễ dàng. Trong trường hợp này hệ đa lớp được xem như
van mở thông cho một kênh đi thông qua. Vậy điện trở suất ở trường hợp này nhỏ

Hình 1.4. Sơ đồ đơn giản minh họa cho mơ hình hai dịng Mott thể hiện cơ chế tán xạ điện
tử với các spin khác nhau trong màng mỏng từ đa lớp. a) Hai lớp sắt từ FM liên kết phản
song với nhau. b) Hai lớp sắt từ FM liên kết song song với nhau.

10


Trần Thị Hoài Dung-2019
hơn nhiều so với trường hợp trên dù có một kênh bị đóng hồn tồn. Từ hai mơ hình

trên ta có thể nhận thấy rằng ở vùng từ trường trung gian trong khoảng 0 < H < Hs thì
từ độ bắt đầu sắp xếp dần theo hướng của của từ trường ngoài khi từ trường này tăng
lên lúc này điện trở suất giảm dần theo chiều tăng của điện trường.
Đối với các vật liệu FM, do có tính bất đối xứng spin, n↑(EF) ≠ n↓(EF), do đó có
tính bất đối xứng về độ dài đặc trưng λ (quãng đường tự do trung bình của điện tử)
và độ dẫn σ giữa hai kênh này: λ↑(EF) ≠ λ↓(EF), σ↑(EF) ≠ σ↓(EF). Do đó điện trở của
một vật dẫn sẽ là: ρ = 1/ σ = 1/(σ↓ + σ↑) = (ρ↓.ρ↑)/(ρ↓+ ρ↑), và một hệ số bất đối xứng
spin được định nghĩa:
𝛼=

𝜌↓
𝜌↑

(1.2)

Khi đó tỷ số GMR (1.1) có thể được biểu diễn thông qua hệ số bất đối xứng spin
α như sau:
∆𝜌 𝜌𝐴𝑃 − 𝜌𝑃
𝛼−1 2
)
𝐺𝑀𝑅 =
=
= (
𝜌
𝜌𝐴𝑃
𝛼+1

(1.3)

trong đó các điện trở RAP và RP tương ứng như mô tả trong Hình 1.5. Có thể dễ dàng

nhận thấy RP < RAP, và cấu trúc đa lớp dường như được đoản mạch dẫn (nối tắt) qua
kênh spin-up (↑) (Hình 1.4 (b)). Trong trường hợp đảo ngược từ trường H theo chiều
ngược lại, kênh spin được nối tắt sẽ là kênh spin-down (↓). Với nguyên lý vận chuyển
phụ thuộc spin như vậy, các cấu trúc đa lớp FM thao tác như một cái “van” hay “bộ
lọc” đối với dòng điện tử phân cực spin. Vì vậy bản chất của hiệu ứng GMR cũng
chính là hiệu ứng van spin và các cấu trúc đa lớp cũng tương tự như một cái van spin.
Trên cơ sở đó, Hình 1.5 minh họa cơ chế của hiệu ứng GMR một cách vật lý hơn khi
nhìn từ quá trình vận chuyển spin giữa các cấu trúc dải điện tử.
Trong Hình 1.5 các lớp phi từ NM nằm xen kẽ với các lớp sắt từ FM, EF là mức
Fermi và chiều dày của mỗi lớp được cho là nhỏ hơn so với quảng đường tự do trung
bình của điện tử. Tại sao trong mơ hình này lại là 4s và 3d? Như ta đã biết ở những
vật liệu sắt từ thì chỉ có các điện tử từ 3d ở lân cận mức Fermi mới tham gia vào quá
trình tán xạ phụ thuộc spin do mật độ trạng thái chưa được lắp đầy và chỉ có điện tử
4s ở các lớp MN mới tham gia vào quá trình dẫn điện, do đó chỉ có q trình chuyển
11


Trần Thị Hồi Dung-2019
dời giữa các dải s-d mới có sự dị thường của điện trở suất khi có sự thay đổi từ trường.
Để thấy rõ ý nghĩa vật lý ta đi vào xem xét mơ hình dải cấu trúc này. Ta xét điện tử
4s của lớp NM có hai dải nhánh ứng với trạng thái spin là spin-up (↑) và spin-down(↓),
và ở điện tử 3d của các lớp FM cũng có hai trạng thái mật độ chưa đầy ứng với spinup (↑) và spin-down (↓). Đây là một quá trình diễn ra trong một cấu trúc tuần hồn
giữa các lớp NM và FM, nên hiện tại ta chỉ xét hai lớp phi từ nằm xen kẽ với hai lớp
sắt từ và theo thứ tự từ trái sang ta có NM1/FM1/NM2/FM2.
Ở trường hợp Hình 1.5 (a) các lớp sắt từ sắp xếp phản song với nhau, đầu tiên
điện tử 4s ở NM1 mang spin-down (↓) khi di chuyển đến lớp FM1 lân cận có từ độ
ngược hướng với spin này hay điện tử 3d ở lớp này còn trống chỗ cho điện tử có spindown (↓) vì thế nó sẽ bắt điện tử này lại, đối với điện tử mang spin-up (↑) ở NM1 này
đi qua FM1 một cách dễ dàng do điện tử 3d đã đầy điện tử có spin-up (↑) đi qua NM2
đến với FM2 tại đây điện tử này lại có spin phản song với từ độ của lớp này chính vì
thế phân lớp 3d vẫn cịn thiếu điện tử spin-up (↑) nên có sẽ bắt điện tử này lại. Tương

tự điện tử ở NM2 sẽ gặp cơ chế như của điện tử 4s ở NM1 đã nói ở trên do ở đây có
sự tuần hồn nên các điện tử sẽ phân bố vào các vùng còn trống hay sự tán xạ sẽ xảy
ra đồng đều dẫn đến việc điện trở suất của hệ sẽ cao.

Hình 1.5 Mật độ trạng thái (DOS) của điện tử trong cấu trúc từ đa lớp và quá trình
chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc đó với các cấu hình sắp xếp phản song
(a) và song song (b) của từ độ các lớp.

12


Trần Thị Hồi Dung-2019
Tiếp theo ở trường hợp Hình 1.5 (b) khi các lớp FM sắp xếp song song với nhau.
Ta xem các lớp sắp xếp tương tự như ở trường hợp Hình 1.5 (a), ở đây các điện tử
lớp 4s mang spin-up (↑) sẽ không bị bắt tại bất cứ lớp nào hay chúng không bị tán xạ
mà đi thẳng tạo thành dòng, đối với điện tử mang spin-down (↓) thì tại lớp nào nó
cũng sẽ bị bắt lại để đắp vào phần 3d còn trống trạng thái spin-down (↓) và trong
trường hợp này lớp NM cũng tham gia vào quá trình bắt giam spin-down (↓) nhưng
so với FM là tương đối nhỏ do đó mà điện trở suất của trường hợp này thấp hơn
trường hợp (a) dù có một dịng bị khóa lại khơng cho điện tử đi qua.
Qua mơ hình trên đây, cũng có thể nhận thấy hiện tượng vận chuyển chọn lọc
spin, tùy thuộc vào hướng của spin, do từ trường ngoài quyết định, mà ta có thể cho
lượng điện tử có hướng spin nhất định nào đó đi qua hay có thể điều tiết dịng điện tử
đi qua vật dẫn (cấu trúc từ đa lớp) thông qua sự khác biệt về phương của từ độ M giữa
các lớp, mà đó chính là hiệu ứng van spin đã mô tả đơn giản hơn ở trên.
Van spin
1.2.1 Cấu trúc van spin
Từ hiệu ứng GMR có cơ chế tán xạ phụ thuộc spin được trình bày ở Mục 1.1.2
ta thấy sự thay đổi điện trở theo từ trường của cấu trúc từ đa lớp là “khổng lồ”, nhưng
khi đi vào ứng dụng thực tế thì hệ cấu trúc này có một nhược điểm đáng chú ý là

trường bão hòa HS còn khá lớn (tới hàng trăm mT, hay hàng nghìn Oe), đặc biệt đối
với phạm vi từ trường tuyến tính, ở cấu trúc từ đa lớp có độ nhạy tương ứng của cấu
trúc lại tương đối thấp. Vì vậy sự cải tiến các cấu trúc từ đa lớp thành cấu trúc tối
giản nhất chỉ gồm hai lớp FM cách nhau bởi một lớp NM, như Hình 1.6 (a), để trên
cơ sở đó phát triển thành những cấu trúc van spin đơn giản nhất với cùng một bản
chất như cơ chế tán xạ phụ thuộc spin đã mô tả. Lần đầu tiên đã dẫn đến khái niệm
hiệu ứng van spin và xuất hiện cấu trúc van spin (SV) [19, 20]. Hệ thống van spin
đầu tiên được báo cáo bởi Dieny vào năm 1991 [20], với cấu trúc là sự kết hợp của
các lớp FM/NM/FM với một lớp AFM là lớp được tiếp xúc liền kề với một trong hai
lớp FM, như được minh họa trong Hình 1.6 (b). Độ từ hóa của lớp FM tiếp giáp với
AFM được ghim theo một hướng xác định thông qua hiện tượng trao đổi dịch EB [6],
13