Hiệu ứng từ điện trở của vật liệu từ

Tr-ờng Đại học Vinh
khoa vật lý
====***====

Hiệu ứng từ điện trở
của vật liệu từ

Khóa luận tốt nghiệp đại học
ChuyÊn ngàNH: vật lý chất rắn

Cán bộ h-ớng dẫn: TS. L-u tiến h-ng
Sinh viên thực hiện: võ thị hải yến
Lớp:

47B - Vật lý

Vinh – 2010

1


MỞ ĐẦU
Vật liệu từ và ứng dụng của chúng trong khoa học công nghệ và trong
cuộc sống thường ngày đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu và đã thu được
nhiều kết quả thú vị. Tuy nhiên kể từ khi phát hiện ra hiệu ứng từ điện trở trên
các vật liệu từ đã mở ra một bước ngoặt lớn trong nghiên cứu cơ bản cũng
như nghiên cứu ứng dụng của các nhà khoa học vật liệu và khoa học công
nghệ. Hiệu ứng từ trở đã được nhiều nhà khoa học ở trên thế giới và trong
nước quan tâm nghiên cứu vì chúng đã có nhiều ứng dụng thiết thực, mang lại
hiệu quả cao trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau như: điện
tử, y sinh học, đo lường, điều khiển tự động,…

Hiệu ứng từ điện trở bao gồm các hiệu ứng từ điện trở khổng lồ
(GMR), từ điện trở dị hướng (AMR) và từ điện trở xuyên hầm (TMR) xuất
hiện trên các đối tượng vật liệu và có cơ chế từ điện trở khác nhau. Các hiệu
ứng GMR, AMR, TMR trên các dạng vật liệu khác nhau như màng mỏng đa
lớp, vật liệu dạng khối, dạng hạt là đối tượng vật liệu dùng để sản xuất các
linh kiện điện tử spin với những tính năng vượt trội góp phần quan trọng
trong sự phát triển của cơng nghệ điện tử - tin học - viễn thông như: linh kiện
spin khơng gây ồn hay nhiễu như điện tích, thao tác nhanh và không mất thời
gian, năng lượng vận chuyển điện tích,… Các thế hệ điện tử mới này có tính
tổ hợp cao (cả điện tử học, từ học và quang tử học), đa chức năng, nhỏ gọn,
tiêu thụ ít năng lượng nhưng hiệu suất cao, xử lý và khả năng thiết lập trạng
thái thông tin mới với tốc độ cao,…
Tuy nhiên, trong chương trình được học tập ở giảng đường và các hoạt
động ngoại khóa khác, chúng tơi chưa có cơ hội và điều kiện để tìm hiểu sâu
về các hiệu ứng từ trở nói trên và các ứng dụng của chúng. Vì vậy, để tìm
hiểu một các đầy đủ hơn, cụ thể hơn về vật lý và hiện tượng từ, nhất là hiệu

2


ứng từ trở trên các vật liệu từ, chúng tôi chọn đề tài cho khóa luận tốt nghiệp
là: “Hiệu ứng từ điện trở của vật liệu từ”.
Về bố cục khóa luận ngoài phần mở đầu và kết luận, phần nội dung
gồm các chương sau:
Chương I: “Một số khái niệm về hiện tượng từ của vật rắn”. Trong
chương này, chúng tôi trình bày nguồn gốc từ tính của vật rắn, một số đại
lượng vật lí đặc trưng cho vật liệu từ, phân loại vật liệu từ, đường cong từ hóa
và đường từ trễ của vật liệu từ,…
Chương II: “Hiệu ứng từ điện trở của vật liệu từ”. Trong chương này
các khái niệm về hiệu ứng từ điện trở, các hiệu ứng từ điện trở điển hình như:

từ điện trở khổng lồ (GMR), từ điên trở dị hướng (AMR, từ điện trở xuyên
hầm (TMR) và một số ứng dụng của chúng được chúng tơi lần lượt trình bày
trong các phần khác nhau của khóa luận
Chương III: “Hiệu ứng từ điện trở trong một số vật liệu điển hình”.
Trong chương này, chúng tơi trình bày hai kết quả nghiên cứu hiệu ứng GMR
trên hai nhóm vật liệu dạng ơxít và hợp kim được hai nhóm tác giả trong nước
nghiên cứu mà họ đã thu được nhiều kết quả lý thú.

3


CHƢƠNG I
MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HIỆN TƢỢNG TỪ CỦA VẬT RẮN
1.1. Nguồn gốc từ tính của vật rắn
Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là do các hạt mang
điện (hay điện tích) ln ln chuyển động theo quỹ đạo kín tạo nên. Vì
chuyển động quay được mơ tả bởi moment quay nên có thể nói rằng từ tính
gắn liền với moment. Khi hạt chuyển động quay là điện tích thì ngồi moment
quay thơng thường cịn có thêm moment từ.
Như vậy, từ tính được sinh ra từ hai loại chuyển động quay của hạt
mang điện bất kì nói chung và điện tích nói riêng, đó là:
- Quanh quanh một hạt khác, hiện tượng này thường được gọi là
chuyển động quỹ đạo.
- Tự quay quanh trục của mình, hiện tượng này thường được gọi là
chuyển động spin.
Nếu chỉ xét riêng về từ tính của vật liệu thì ta có thêm các nhận định
sau[3]:
- Từ tính của các vật liệu nói chung được quyết định chủ yếu bởi
chuyển động quay của các điện tử nằm trong vật liệu. Nguyên nhân của điều
này là do, tuy các vật liệu nói chung bao giờ cũng được cấu tạo từ các ngun

tử (hoặc phân tử), mà theo mơ hình ngun tử của Bohr, nguyên tử bao gồm
các điện tích quay xung quanh hạt nhân và các hạt nhân này cũng có chuyển
động quay nên cũng có từ tính, nhưng từ tính của chúng quá nhỏ so với từ
tính của điện tử.
- Nếu các nguyên tử hoặc phân tử cấu tạo nên vật liệu tương đối độc lập
với nhau thì các tính chất từ của các vật liệu chủ yếu được quyết định bởi từ
tính của nguyên tử hoặc phân tử cấu tạo nên chúng. Trong phần lớn các
trường hợp khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo nên vật liệu và nhất là

4


trong các chất rắn (khi tương tác giữa các nguyên tử là mạnh) các điện tử hầu
như khơng cịn chuyển động quỹ đạo, do đó phần lớn từ tính các vật liệu chủ
yếu được quyết định bởi chuyển động spin của điện tử.

Hình 1.1. Mơ hình ngun tử.

- Như ta đã biết, điện tử có thể được coi là hạt cơ bản chịu trách nhiệm
về các tính chất điện của các vật liệu. Vậy nếu bây giờ đặt ra câu hỏi: Có hạt
từ cơ bản, tức là có một hạt nào đó, có thể tạm gọi là “từ tử” chịu trách nhiệm
về các tính chất của các vật liệu khơng? – Câu trả lời là: có, và trong phần lớn
các trường hợp đó vẫn chính là điện tử nhưng nhấn mạnh vào tính chất spin
của nó.
- Khái niệm spin chỉ có cơ học lượng tử mới có, nên có thể nói rằng từ
tính là một tính chất hồn tồn lượng tử, khơng thể giải thích từ tính bằng vật
lý cổ điển. Hoặc nói cách khác, khi hằng số Planck   0 thì từ tính biến mất.
Chính vì vậy mà tuy từ rất xa xưa con người đã biết đến các hiện tượng từ
(điển hình là nam châm, kim la bàn) nhưng phải đến khi vật lí lượng tử ra đời
người ta mới giải thích được các hiện tượng này.

5


Để hiểu một cách thấu đáo về tính chất từ và tương tác từ của vật liệu
với từ trường ngoài, chúng ta nhắc lại khái niệm từ trường.
Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích
chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các
mơment lưỡng cực từ. Xét về bản chất, từ trường và điện trường là các biểu
hiện riêng rẽ của một trường thống nhất là điện từ trường. Biểu thức xác định
từ trường của một số dịng điện có dạng đơn giản như: từ trường tạo bởi
lưỡng cực từ có cường độ m và cách nhau một khoảng r là:
H

m
r2

(hệ CGS)

(1.1)


hay từ trường tạo bởi phần tử dòng điện idl tại một điểm A cách dây
dẫn một khoảng r có dạng:

 idl  r
dH 
r3

(1.2)

cịn đối với dây dẫn thẳng dài vơ hạn, có dịng điện i chạy qua, từ
trường có cường độ:
H

i

(1.3)

2r

Trong cuộn dây solenoit có độ dài lớn hơn nhiều lần đường kính, từ
trường ở tâm là:
H = ni

(1.4)

Với n là số vòng dây trên một đơn vị độ dài; i là cường độ dòng điện
trong cuộn dây.
Đơn vị của từ trường là A/m (hệ SI) hoặc Oesterd (hệ CGS).
1A/m = 4 .10 3 Oe = 0,0126 Oe
1 Oe = 7,96 A/m
1.2. Một số đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho vật liệu từ
Các vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vật
liệu từ. Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc và thành

6


phần của chúng. Mô tả các vật liệu từ, người ta thường dùng các đại lượng vật

lý đặc trưng sau [1 - 5]:


1.2.1. Từ độ hay độ từ hóa ( M )
Xét về mặt hiện tượng, từ hóa là sự thay đổi các tính chất từ của vật
liệu theo từ trường ngồi, về mặt bản chất đó chính là sự thay đổi các moment
từ nguyên tử, khi đặt vào từ trường ngồi, các moment từ ngun tử có xu
hướng quay theo hướng từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ.
Đại lượng vật lí đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu từ là độ từ
hóa hay từ độ, được xác định bằng tổng moment từ nguyên tử trên một đơn vị
thể tích hoặc một đơn vị khối lượng của vật liệu từ, được ký hiệu là M. Đó là
một véctơ hướng từ cực nam (S) đến cực bắc (N) của một thanh nam châm.
Về mặt tốn học, nó được cho bởi cơng thức [1]:
M  lim

V  0

m

(1.5)

V

với m là mômen từ nguyên tử, ΔV là thể tích.
Từ độ có cùng thứ ngun với cường độ từ trường, nên từ độ mang đơn
vị của từ trường, đơn vị trong hệ SI là A/m. Trong từ học, người ta còn sử
dụng đơn vị khác cho từ độ được ký hiệu là emu/cm3 = 1000 A/m. Đơn vị này
được dùng phổ biến trong nghiên cứu từ học, xuất phát từ hệ đơn vị CGS.


1.2.2. Cảm ứng từ ( B )
Cảm ứng từ là một đại lượng vector, thường được ký hiệu bằng chữ B,
đặc trưng cho khả năng tương tác lực của từ trường lên hạt mang điện chuyển




động. Cảm ứng từ B gồm có đóng góp của từ trường ( H ) tạo bởi cuộn dây và


từ độ ( M ) của vật liệu từ bị từ hóa có biểu thức tổng quát là[4]:



B  aH  bM

(1.6)

trong đó a, b là các hằng số phụ thuộc vào hệ đơn vị sử dụng.
Ví dụ trong hệ CGS (centimet, gam, giây), B được đo bằng Gauss (G):
 

B  H  4M

(1.7)

7


còn trong hệ SI (met, kilogam, giây) B được đo bằng Tesla (T):


 
B  0 ( H  M )

(1.8)

Với 0  4 107 T .m / A , là độ từ thẩm của chân không.
1.2.3. Hệ số từ hóa (  ) và độ từ thẩm (  )
Để đặc trưng cho khả năng từ hóa nhiều hay ít của các vật liệu từ khác
nhau thì người ta dựa vào hệ số từ hóa, hay là độ cảm từ  , cho phép ta xác
định độ “nhạy cảm” về khả năng từ hóa của vật liệu dưới tác dụng của từ
trường ngồi,  là thơng số quan trọng để phân biệt các vật liệu từ. Hệ số từ


hóa thể hiện mối quan hệ giữa từ độ M và từ trường ngồi, nó mang nhiều ý
nghĩa vật lý nội tại của vật liệu từ.


Hệ số từ hóa được định nghĩa bằng tỷ số gữa từ độ ( M ) và cường độ từ


trường ( H ):

M
 
H

(1.9)




Trong hệ SI, vì M và H có cùng thứ ngun nên  là đại lượng khơng
có thứ ngun, trong hệ CGS thứ nguyên của  là emu/m3.Oe.
Độ từ thẩm thường được kí hiệu là  là một đại lượng vật lí đặc trưng
cho tính thấm của từ trường ngồi vào vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng
của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Khái niệm từ thẩm thường


mang tính chất kĩ thuật của vật liệu, nói lên quan hệ giữa cảm ứng từ B và từ


trường ngoài H . Độ từ thẩm thực chất chỉ đáng kể đối với vật liệu có trật tự
từ.






Quan hệ giữa từ độ ( M ), cảm ứng từ ( B ) và cường độ từ trường ( H )
được biểu diễn:

 
B  0 ( H  M )

(1.10)

với μ0 là hằng số từ, hay được gọi là độ từ thẩm của chân khơng, có độ
lớn:

8


μ0 = 4.π10 − 7T.m / A
Như vậy:


B  0 (1   ) H

(1.11)

Đại lượng độ từ thẩm và hệ số từ hóa quan hệ với nhau qua biểu thức:
  0 (1   )

(1.12)

Độ từ thẩm có cùng ý nghĩa với hệ số từ hóa, đều nói lên khả năng
phản ứng của các vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Trong kỹ thuật,
người ta thường quan tâm đến giá trị độ từ thẩm tương đối được định nghĩa
bởi:
r 


1 
0

(1.13)

Khi nói độ từ thẩm thì người ta thường ngầm hiểu là độ từ thẩm tương

đối, và đại lượng này là đại lượng khơng có thứ nguyên.
*) Mối quan hệ của các hệ đơn vị đo từ:
Có hai hệ đơn vị là SI (hệ đơn vị đo lường quốc tế) và hệ CGS được sử
dụng rộng rãi. Hiện nay hệ SI được dùng nhiều trong kỹ thuật, hệ CGS
thường được dùng trong các tài liệu có tính chất cơ bản.
Với hệ SI :

 
B  0 ( H  I )

trong đó: [B] = Tesla (T) hay (V.s/ m2 ),
[H, I] = Ampe/m (A/m),
 0 = 4 .107 Henry/m (H/m)

Hệ CGS:
Trong hệ CGS 0  1 , khơng có đơn vị.
[B] = Gauss (G),
[H] = Oersted (Oe),
[M] = emu/ cm 3 (đơn vị đo điện từ / cm 3 ).

9


Sau đây ta có bảng tóm tắt cơng thức chuyển đổi một số đơn vị của hai
hệ CGS và SI (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Công thức chuyển đổi một số đơn vị của hệ SI và CGS.

Đại lượng vật lý

Hệ CGS

Hệ SI

F (lực)

1 din

105 N

H (cường độ từ trường)

1 Oe

79,58A/m

B (cảm ứng từ)

1G

104 T

E (năng lượng)

1 erg

107 J

M (từ độ)

1emu/ cm 3

12,57.104 Wb/ m2

1+4 

 (độ từ thẩm)

0 (1   ) H / m

1.3. Phân loại vật liệu từ
Dựa vào dấu, độ lớn của hệ số từ hóa (  ) và sự phụ thuộc của từ


trường ( H ) vào nhiệt độ (T) của vật liệu từ, người ta phân chia các vật liệu từ
thành các loại sau đây:
1.3.1. Các chất nghịch từ
Khi khơng có từ trường ngồi tác dụng, chất nghịch từ khơng có
moment từ. Khi có từ trường ngoài tác dụng, moment từ của chất nghịch từ
định hướng ngược với hướng từ trường ngồi. Do đó độ cảm từ (  ) có giá trị
âm và có độ lớn của (  ) nhỏ.
Ví dụ : Đồng kim loại :  = - 0,94.105 (hệ CGS),
Chì kim loại :  = - 1,7.105 (hệ CGS),
Nước nguyên chất :  = - 0,88.105 (hệ CGS).
Các giá trị trên đều đo ở nhiệt độ phịng và ít (hoặc khơng) thay đổi
theo nhiệt độ. Chất siêu dẫn được gọi là chất nghịch từ lý tưởng (hay chất
nghịch từ mạnh) vì  là âm và giá trị lớn gấp nhiều bậc so với các chất nghịch

10

từ kể trên (  = 

1
). Tất cả các ngun tố trong bảng tuần hồn các ngun
4

tố hóa học đều có tính chất nghịch từ. Do hiệu ứng nghịch từ của các nguyên
tố quá nhỏ và bị các hiệu ứng khác chiếm ưu thế hơn nên khó phát hiện.

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của nghịch đảo hệ số từ hóa của
chất ngịch từ vào nhiệt độ.

1.3.2. Các chất thuận từ
Các chất thuận từ thường chứa các nguyên tử (phân tử) có moment từ
nhất định. Tuy nhiên các moment từ này lại tồn tại độc lập, định hướng hỗn
loạn nên từ độ tổng cộng bằng khơng. Khi có tác động của từ trường ngoài,
các moment từ định hướng theo hướng từ trường ngoài nên tổng moment từ
tăng lên và tỷ lệ với cường độ từ trường ngoài. Hệ số từ hóa của chất thuận từ
là dương nhưng có giá trị nhỏ.
Ví dụ : Kim loại bạch kim :  = + 2,9.105 ( hệ CGS),
Nhôm kim loại :  = + 2,1. 105 (hệ CGS),
Oxy lỏng:  = + 3,5.105 (hệ CGS).
Nhiều nguyên tố thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp trong bảng tuần
hồn các ngun tố có tính chất thuận từ.

11


Hình 1.3. a) Sự sắp xếp moment từ trong vật liệu thuận từ; b)đường từ hóa
của chất thuận từ.

1.3.3. Các chất sắt từ
Là các chất có moment từ tự phát ở dưới một nhiệt độ đặc trưng cho
từng chất, gọi là nhiệt độ Curie (TC). Sở dĩ có trật tự từ là do tương tác nội tại
giữa các moment từ của các ngun tử có moment từ khác khơng. Trong bảng
tuần hồn các ngun tố, có 3 ngun tố là Fe, Co, Ni thuộc nhóm kim loại
chuyển tiếp 3d và nguyên tố Gd thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp 4f là có trật
từ tự phát ở trên nhiệt độ phịng và ở nhiệt độ phòng. Nhiều nguyên tố chuyển
tiếp khác của nhóm 4f có nhiệt độ trật tự từ ở dưới nhiệt độ phịng.

Hình 1.4. a) Sự sắp xếp momen từ trong vật liệu sắt từ khi T < TC khi khơng
có từ trường ngồi; b) đường cong từ nhiệt của vật liệu sắt từ.

Cho đến nay người ta đã phát hiện hằng trăm kim loại, hợp kim và hợp
chất có tính chất sắt từ. Do có tính chất từ tự phát, nên  của các chất này có
giá trị dương và rất lớn.

12


1.3.4. Chất phản sắt từ
Đó là các chất mà các moment từ định hướng đối song song và bù trừ
nhau ở dưới một nhiệt độ nhất định gọi là nhiệt độ Neel (TN). Hệ số từ hóa
của các chất phản sắt từ khơng lớn và có giá trị dương.

Hình 1.5.a) Sự sắp xếp các momen từ trong vật liệu phản sắt từ khi T < TN khi
khơng có từ trường ngoài; b) sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo
hệ số từ hóa  của vật liệu phản sắt từ.

1.3.5. Các chất Ferit từ

Các Ferit từ có trật tự từ tự phát ở dưới nhiệt độ Curie. Thơng thường,
đó là hợp chất của kim loại chuyển tiếp và các nguyên tử oxy. Các moment từ
của chất phản sắt từ sắp đối song song, nhưng không bù trừ nhau, như các
chất: FeO.FeO3, Gd3Fe5O12,... Hệ số từ hóa của các chất này tương đối lớn và
có giá trị dương.

Hình 1.6. a) Sự sắp xếp các momen từ trong vật liệu ferit từ khi T < TC khi khơng
có từ trường ngồi; b) sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ và ngịch đảo hệ số từ
hóa của các chất ferit từ.

13


1.4. Đƣờng cong từ hóa và đƣờng từ trễ của vật liệu từ
1.4.1 Đường cong từ hóa
Như ta đã biết từ hóa là q trình thay đổi các tham số từ (cấu trúc từ,
moment từ,…) của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngồi. Đồ thị mơ tả
q trình từ hóa của vật liệu từ, từ trạng thái ban đầu chưa bị nhiễm từ (khử
từ) đến trạng thái bão hịa từ, người ta gọi là đường cong từ hóa, mà thể hiện
trên đó là sự thay đổi các tính chất từ thông qua các giá trị từ độ, cảm ứng
từ,…theo giá trị của từ trường ngồi. Hình dạng đường cong từ hóa đối với
các vật liệu từ là khác nhau:
- Đối với các chất có từ tính yếu (chất nghịch từ và thuận từ), đường
cong từ hóa có dạng là đường thẳng, từ độ của chất thuận từ mang giá trị
dương trong khi các chất nghịch từ có từ độ nhận giá trị âm.

Hình 1.7. Đường cong từ hóa của chất nghịch từ và thuận từ [5].

- Đối với các chất có từ tính mạnh (sắt từ, phản sắt từ, feri từ), đường
cong từ hóa là các đường phi tuyến. Đối với sắt từ và ferit từ, khi từ hóa với

từ trường đủ lớn sẽ có hiện tượng bão hịa từ (đường cong từ hóa nằm ngang,
đạt từ độ bão hòa). Hiện tượng bão hòa từ cũng xảy ra với các chất thuận từ
và phản sắt từ, nhưng phải trong từ trường rất lớn và ở nhiệt độ thấp thậm chí
rất thấp.

14


Trên đường cong từ hóa (hình 1.8) biểu diễn các giai đoạn của q trình
từ hóa vật liệu:
- Tại O: ở trạng thái ban đầu, khi chưa có từ trường ngoài tác dụng (H =
0), các moment từ trong vật liệu được phân bố đều theo các phương từ hóa dễ,
các mạch từ giữa các domain được khép kín. Nghĩa là, năng lượng của vật
mẫu ở trạng thái cực tiểu và tổng moment từ vật liệu bằng không.
- Đoạn OA: từ trường rất nhỏ, có sự dịch chuyển vách domain thuận
nghịch và không thuận nghich.
- Đoạn A – B – C: các domain từ xoay theo hướng từ trường ngoài,
những vùng nào gần từ trường ngồi hơn thì xoay dễ hơn, khi này độ cong
của đường từ hóa là lớn nhất.
- Đoạn C – E: tất cả các moment từ xoay theo hướng của từ trường
ngoài, đây là trạng thái bão hịa từ.

Hình 1.8. Đường cong từ hóa của chất sắt từ [5].

1.4.2. Đường từ trễ
Từ trễ là hiện tượng bất thuận nghịch giữa q trình từ hóa và đảo từ
của các vật liệu có từ tính mạnh, do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu
này. Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ, từ độ - từ

15

trường M (H ) , hay cảm ứng từ - từ trường B(H), được mô tả như sau: sau khi
từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và
quay lại theo chiều ngược, thì nó khơng quay trở về đường cong từ hóa ban
đầu nữa, mà đi theo đường khác. Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ
chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong
từ trễ hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng
của các vật liệu có từ tính mạnh nói chung và sắt từ nói riêng, và hiện tượng
trễ biểu hiện khả năng tích trữ năng lượng từ của các chất sắt từ.
Biên độ dao động của từ trường ngoài khác nhau sẽ tạo ra các đường
cong từ trễ khác nhau.

Hình 1.9. a) Đường từ trễ tồn phần; b)c) Các đường từ trễ riêng phần[4] .

Từ đường cong từ trễ sẽ thu được các thông số đặc trưng cho tính chất
từ của vật liệu như sau:
+) Từ độ bão hòa (Ms): là giá trị từ độ đạt được khi vật liệu từ được từ
hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị hướng) sao cho vật ở
trạng thái bão hịa từ, có nghĩa là các moment từ hồn tồn song song với
nhau. Khi đó đường cong từ trễ M(H) có dạng nằm ngang. Từ độ bão hòa là
tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở khơng độ tuyệt đối (0K) thì nó là
giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. Từ độ bão hòa thường được ký hiệu là Ms.

16


+) Từ độ dư (Mr): là giá trị từ độ cịn giữ được khi ngắt từ trường ngồi
(H = 0). Từ độ dư khơng phải là thơng số mang tính chất nội tại của vật liệu
mà chỉ là thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế từ trễ, các phương từ

hố, hình dạng vật liệu từ,...
Tỉ số giữa từ độ dư và từ độ bão hòa Mr/Ms được gọi là từ độ rút gọn
hoặc hệ số chữ nhật của đường cong từ trễ (giá trị Mr/Ms càng gần 1 thì đường
cong từ trễ càng tiến tới dạng hình chữ nhật).
+) Lực kháng từ (HC): là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt
tiêu độ từ hóa (M = 0). Lực kháng từ thường được ký hiệu là HC. Lực kháng
từ cũng không phải là tham số nội tại của vật liệu mà là tham số ngoại giống
như từ độ dư.
+) Tổn hao năng lượng trễ: là diện tích đường cong từ trễ, biểu diễn
năng lượng tiêu tốn cần thiết cho một chu trình từ trễ, có đơn vị của mật độ
năng lượng (J/m3).
+) Tích năng lượng từ cực đại (BH)max: là năng lượng từ lớn nhất có thể
tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật liệu từ, liên quan đến khả năng sản sinh
từ trường của vật liệu từ. Tích năng lượng từ cực đại được xác định trên
đường cong khử từ B(H) trong góc phần IV thứ II, là một điểm sao cho giá trị




của tích cảm ứng từ B và từ trường H là cực đại. Vì thế, tích năng lượng từ
cực đại thường được ký hiệu là (BH)max. Tích năng lượng từ cực đại (BH)max
cịn có một đơn vị đo là GOe.
1.5. Vật liệu từ ứng dụng
Về mặt ứng dụng, trong công nghiệp và trong đời sống hằng ngày
người ta chia vật liệu từ thành 2 loại chính: vật liệu từ cứng và vật liệu từ
mềm.
1.5.1. Vật liệu từ mềm
Vật liệu từ mềm hay là vật liệu sắt từ mềm là vật liệu sắt từ, “mềm” về
phương diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ. Các vật liệu

17


từ mềm rất đa dạng, khối lượng sử dụng lớn, được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau. Các vật liệu từ mềm được sử dụng làm các vật liệu dẫn từ
trong đường dây tải điện, các biến thế, các máy điện, các rơle, các máy đo, lõi
các cuộn cảm, các màn chắn từ,…
Thông số quan trọng đầu tiên để nói đến tính chất từ mềm của vật liệu
từ mềm đó chính là lực kháng từ, kí hiệu là HC. Lực kháng từ là từ trường
ngoài ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu, lực kháng từ của vật liệu từ
mềm phải nhở hơn cỡ 100 Oe. Những vật liệu từ mềm tốt có lực kháng từ rất
nhỏ thậm chí cỡ 0,01 Oe. Ngồi lực kháng từ thì độ từ thẩm ban đầu cũng là
một thông số quan trọng nói lên tính từ mềm của vật liệu từ mềm. Độ từ thẩm
ban đầu được định nghĩa bởi công thức[5]:

dB
H  0 dH

i  lim

(1.12)

Vật liệu từ mềm có độ thẩm từ ban đầu từ vài trăm, đến vài ngàn, các
vật liệu có tính từ mềm tốt có thể lên tới vài chục ngàn.
Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và các thông số của vật liệu từ
mềm trên đường cong từ trễ.

Hình 1.10. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm[6].

18

Có rất nhiều loại vật liệu từ mềm đã được nghiên cứu, chế tạo và ứng
dụng với các mục đích khác nhau như: kim loại, hợp kim từ mềm; điện môi
từ, Ferit từ mềm, vật liệu từ mềm vô định hình và có kích thước nanomet,…
1.5.2. Vật liệu từ cứng
Vật liệu từ cứng là vật liệu có từ tính mạnh khó từ hóa và khó khử từ.
Vật liệu từ cứng là loại vật liệu từ được phát hiện và sử dụng sớm nhất trong
lịch sử loài người. Các vật liệu từ cứng được sử dụng làm nam châm vĩnh
cửu, ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và kỹ thuật.
Nam châm vĩnh cửu được sử dụng ở dạng đơn giản trong các thiết bị như các
động cơ, máy phát, khởi động điện từ, loa điện động…và trong các linh kiện
công nghệ cao như các cảm biến, đĩa ghi từ mật độ cao, vi khởi động điện
từ,…
Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, sự phụ thuộc của tính chất
từ vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn,... Các vật liệu từ cứng phải có lực
kháng từ HC lớn, cảm ứng từ dư Br lớn và tích năng lương cực đại (BH)max
lớn. Ngồi ra để ứng dụng được trong thực tế vật liệu làm nam châm vĩnh cửu
phải là vật liệu sắt từ có dị hướng đơn trục và có nhiệt độ Cuirie cao hơn
nhiều so với nhiệt độ phịng. Vật liệu phải có độ bền cơ học, hóa học (bền
trong mơi trường sử dụng) và giá thành sản phẩm rẻ hoặc có thể chấp nhận
được.
Đã có rất nhiều loại vật liệu từ cứng được phát hiện, nghiên cứu và ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực với nhiều mục đích khác nhau. Các loại vật liệu từ
cứng có thể kể đến là: các loại thép nam châm, các nam châm trên cơ sở hợp
kim sắt từ mà điển hình là các nam châm hợp kim AlNiCo, các nam châm
ferit, các nam châm đất hiếm trên cơ sở coban, các nam châm NdFeB,…

19

Hình 1.11. Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng[7].

1.6. Kết luận chƣơng
Tìm hiểu về một số khái niệm về hiện tượng từ của vật rắn, chúng tơi
đã trình bày được: nguồn gốc từ tính của vật rắn, từ trường, nhắc lại một số
công thức tính từ trường đối với các dịng điện có dạng đơn giản, các thông số
vật lý đặc trưng cho vật liệu từ như: từ độ, cảm ứng từ, hệ số từ hóa và độ
thẩm từ,… phân loại vật liệu từ theo quan điểm nghiên cứu cơ bản và theo
quan điểm ứng dụng,…Tuy nhiên, vật lý các hiện tượng từ là một lĩnh vực rất
rộng vì thế trong chương này chúng tôi chỉ dừng lại ở việc tổng kết lại các
khái niệm cơ bản nhất làm cơ sở để tìm hiểu hai chương tiếp theo.

20


CHƢƠNG II

HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ
2.1. Các khái niệm về hiệu ứng từ điện trở
Hiệu ứng từ điện trở (Magnetoresistance - MR), hay cịn gọi tắt là từ
trở, là tính chất của một số vật liệu mà ở đó có thể thay đổi điện trở suất dưới
tác dụng của từ trường ngoài [6,7]. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện
bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở
không quá 5% và được gọi là hiệu ứng từ trở thường. Gần đây, các nhà khoa
học đã phát hiện ra nhiều loại hiệu ứng từ trở trong nhiều loại vật liệu khác
nhau đem lại khả năng ứng dụng hết sức to lớn.
Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên độ lớn của hiệu
ứng từ trở, cho bởi công thức[9]:
MR(%) 







 (0)   ( H ) R( H )  R(0)

 (0)
R(0)

(2.1)

Đôi khi trong một số vật liệu, tỉ số này còn được định nghĩa:
MR(%) 

 ( H )   ( H max ) R( H )  R( H max )

 ( H max )
R( H max )

(2.2)

Trong đó  (0),  ( H ),  ( H max ) , R(0), R(H), R(Hmax) tương ứng là điện trở
suất và điện trở của vật dẫn khi khơng có từ trường ngồi, khi có từ trường
ngồi và khi từ trường ngoài cực đại. Dấu của hiệu ứng từ trở là dấu của tỉ số
MR này.
Trong các vật dẫn không có từ tính ví dụ như các kim loại Au hoặc Cu,
hiệu ứng từ trở xẩy 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. Đó là hiệu ứng từ trở
thơng thường (Ordinary Manetoresistance - OMR).
Đối với hợp kim có từ tính, xuất hiện hiệu ứng từ trở dị hướng
(Anisotropic Magnetoresistance - AMR. Đó là hiện tượng tăng điện trở dưới

21


tác dụng của từ trường (hay nói chính xác hơn là tác dụng của cảm ứng từ B)
do lực Lorentz tác dụng lên hạt tải điện.
Hiệu ứng từ trở trong các chất sắt từ liên quan đến tán xạ bởi các spin
bất trật tự. Trạng thái bất trật tự của spin ln làm tăng điện trở. Khi đặt từ
trường ngồi vào mức độ trật tự của spin giảm, ta sẽ nhận được hiệu ứng từ
trở dương đẳng hướng, hiệu ứng này rất nhỏ trong các kim loại chuyển tiếp
sắt từ nhưng lại rất lớn (đạt đến 70%) trong các vật liệu đất hiếm – kim loại
chuyển tiếp có chuyển pha từ giả bền như các gốm perovskites,…
Vào năm 1988, hai nhà vật lý Albert Fert (người pháp) và Perter
Grunberg (người Đức) đã phát hiện ra hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant
Magnetoresistance Effect - GMR) trong các vật liệu có cấu trúc nano dạng
lớp. Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát thấy trong một số
màng mỏng từ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị điện trở
suất dưới tác dụng của từ trường ngồi. Tên gọi Giant của hiệu ứng này
khơng phải là do giá trị lớn của tỉ số MR mà do cơ chế tạo nên hiệu ứng, đó là
cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử khi truyền qua các lớp sắt từ được
kẹp giữa bởi các lớp không từ (phi từ). Phát hiện này đã mở ra một ngành mới
gọi là điện tử học spin (spintronics) nghiên cứu các linh kiện điện tử mới hoạt
động dựa trên điều khiển tính chất spin của điện tử.
Từ trở xuyên hầm (Tunneling Magnetoresistance - TMR), là hiệu ứng
từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho
phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt

từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn. Hiệu ứng TMR lần đầu tiên được phát hiện trên
các màng đa lớp sắt kẹp giữa là lớp germanium (Ge) đóng vai trị lớp cách
điện. Hiệu ứng TMR ở nhiệt độ phòng lần đầu tiên được phát hiện vào năm
1995 trên các màng mỏng CoFe/Al2O3/Co với Al2O3 đóng vai trò lớp cách
điện, cho hiệu ứng TMR tới 11,8% ở nhiệt độ phòng. Cùng với phát minh về

22


hiệu ứng GMR, hiệu ứng TMR cũng đóng vai trị cực kỳ quan trọng trong các
nghiên cứu về linh kiện spintronics.
2.2. Hiệu ứng từ trở dị hƣớng
2.2.1. Mô tả hiệu ứng từ trở dị hướng – AMR
Vào năm 1856, giáo sư William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi điện trở
của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Niken và Sắt dưới tác dụng của từ
trường ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3 – 5% ở nhiệt độ phòng.
Sự thay đổi này còn phụ thuộc vào phương đo, góc tương đối giữa cường độ
dịng điện và từ trường ngoài, hay là chiều của độ từ hóa của mẫu. Đây là phát
hiện đầu tiên về hiệu ứng từ trở và tên gọi hiệu ứng từ trở dị hướng (AMR)
sau này được nhà bác học J. Smith đặt tên vào năm 1951[9].
Hiệu ứng AMR chỉ xẩy ra trong mẫu kim loại sắt từ, chất bán dẫn hay
các hợp kim có từ tính. Ở nhiệt độ phịng, tỉ số AMR lớn nhất (khoảng 6%) đã
được tìm thấy cho hợp kim khối Ni1-xCox với x = 0,2. Đối với hợp kim
Ni80Fe20 (pecmalloy) tỉ số AMR bằng khoảng 4% [6]. Dưới dạng màng mỏng
(dạng vật liệu hiện nay đang được sử dụng trong các đầu đọc, senso…) tỉ số
AMR thậm chí cịn nhỏ hơn. Tỉ số này giảm theo sự giảm độ dày của màng và
đặc biệt phụ thuộc rất mạnh vào điều kiện chế tạo mẫu vật liệu. Đối với màng
pecmalloy dày khoản 30 nm, tỉ số AMR thường vào khoảng 2,5% [6]. Trong
điện tử học spin người ta đặc trưng cho tính chất từ điện trở dị hướng bởi độ
biến thiên điện trở suất theo hai phương song song và vng góc với từ

trường[6]:
 AMR   //   

(2.3)

Và hiệu ứng AMR được đánh giá bằng tỷ số:
AMR(%) 



 av

với

1
3

 av   // 

23

2

3


Trong đó  // ,   lần lượt là điện trở suất của mẫu theo hai phương song
song và vng góc với từ trường.
2.2.2. Cơ chế của hiệu ứng AMR
Tương tác của các điện tử dẫn cùng với thế năng tuần hồn tinh thể và

các tạp chất có thể được mơ tả bởi các sự đóng góp sau: lực tương tác
Coulomb của các lõi ion, spin – quỹ đạo và tương tác trao đổi [8]:

Vscat  Vcoul  Vso  Vexch  ...

(2.4)

trong đó, Vcoul, Vso, Vexch, lần lượt là thế năng tương tác coulomb, thế năng
tương tác spin quỹ đạo và thế năng tương tác trao đổi của điện tử.
Trong ba điều kiện trên thì đóng góp của lực tương tác Coulomb là
mạnh nhất. Tuy nhiên tương tác spin – quỹ đạo là cơ chế tán xạ ảnh hưởng
trực tiếp đến hiệu ứng từ trở dị hướng, vì nó điều khiển sự tự phát của hiệu
ứng Hall. Ở đây ta bỏ qua sự đóng góp của tương tác trao đổi.
Thế năng tương tác Coulomb và thế năng tương tác tán xạ spin – quỹ
đạo (L, S) được mô tả ở hình vẽ sau:

Hình 2.1. Mơ hình đơn giản hóa của tán xạ Culomb trái và spin – quỹ đạo cộng
với tán xạ coulomb phải. Tương tác spin – quỹ đạo làm thay đổi thế năng tán xạ
coulomb trung tâm của từ tính và dịng điện khi L – S = 0 [8].

24


Vai trò của tán xạ spin – quỹ đạo trong hiệu ứng từ trở dị hướng về sự
pha loảng tạp chất của kim loại đất hiếm được công bố trong tài liệu (Fert et
al 1977). Sự bất đối xứng của moment xung lượng nhóm 4f có nhiệm vụ phân
bố các tạp chất khác nhau qua các tán xạ điện tử dẫn, tùy theo sự định hướng
tương đối của moment từ nguyên tử ( g B M J ) trong nhóm 4f, mà phần lớn là
L và S (moment xung lượng quỹ đạo và moment xung lượng spin). Do đó,
hiện nay ta công nhận một cách tương đối hiệu ứng từ trở dị hướng trên các

mẫu có phương từ trở song song lớn hơn phương vng góc:  //   .
Đối với kim loại chuyển tiếp 3d, mơ hình tính toán lý thuyết tỷ số
AMR, được xây dựng dựa trên mơ hình hai dịng của Mott. Theo mơ hình hai
dịng thì các điện tử tạo thành hai kênh dẫn riêng biệt: kênh dẫn tạo thành do
sự chuyển động của các điện tử spin thuận (cùng chiều với từ độ tự phát) và
kênh dẫn tạo thành do sự chuyển động của các điện tử có spin ngịch (ngược
chiều với từ độ tự phát). Thế tán xạ spin – quỹ đạo trong kim loại 3d là rất yếu
bởi vì ở trạng thái d chịu sự ảnh hưởng mạnh mẽ của trường tinh thể làm thay
đổi quỹ đạo của các moment động lượng nên hiệu ứng AMR đối với kim loại
3d có những sai khác nhất định. Hiệu ứng AMR cho kết quả tốt trên các hợp
kim sắt từ như Ni. Trong trường hợp này, thế tán xạ của trạng thái s – d là
khơng đáng kể trong dịng hạt tải đa số và tỷ số  


là rất lớn. Trong hợp


kim có giá trị  lớn thì thường thể hiện tỷ số MR một cách tích cực.
Vào năm 1951 nhà bác học J. Smith đã chỉ ra rằng trong trường hợp khi
hiệu ứng tán xạ s - d trong dòng hạt tải đa số là khơng đáng kể thì chỉ cần một
sự gia tăng nhỏ tán xạ của các điện tử s lên trạng thái 3d tương ứng:  sd cũng
làm thay đổi đáng kể điện trở suất. Tương tác spin - quỹ đạo kết hợp các vùng
có spin nghịch và spin thuận để có thể cung cấp các điện tử s cho các phân

25