Lê Thị Liệu -1- K31D Vật LýLời cảm ơn
Lời cảm ơnLời cảm ơn
Lời cảm ơn Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy Th.s. Nguyễn
Hữu Tình giảng viên khoa Vật lý trờng ĐH s phạm Hà Nội 2 đ tận tình
hớng dẫn và giúp đỡ tôi trong khoảng thời gian học tập và hoàn thành khóa
luận.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tổ chất rắn khoa Vật
lý trờng ĐH s phạm Hà Nội II đ giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện hết sức
cho tôi trong thời gian hoàn thành khóa luận.
Cuối cùng tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn tới các bạn và ngời thân đ giúp
đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận.

Hà Nội, tháng 4 năm 2009

Lê Thị Liệu

Lê Thị Liệu -2- K31D Vật LýLê Thị Liệu -3- K31D Vật Lý

Mục lục

Mở đầu 4
Nội dung 7
Chơng 1: Tổng quan 7
1.1. Đôi nét lịch sử về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) 7
1.2. Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR 8
1.2.1. Mô hình hai dòng Mott 8
1.2.2. Một số mô hình đơn giản giải thích hiệu ứng GMR 10
1.2.3.Giải thích hiện tợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt 14
1.3. Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng hạt 15
Chơng 2: Thực nghiệm 19
2.1. Công nghệ chế tạo mẫu bằng công nghệ bốc bay nổ 19
2.2. Phơng pháp nhiễu xạ tia X-XRD 21
2.3. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung 23
2.4. Phơng pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR 24
Chơng 3: Kết quả 26
3.1. Kết quả nhiễm xạ tia X 26
3.2. Kết quả nghiên cứu tính chất từ 27
3.3. Kết quả đo từ trở khổng lồ 28
3.4. Kết quả xác định hàm phân bố tỷ phần kích thớc hạt Co 30
Kết luận 33
Tài liệu tham khảo 34 Lª ThÞ LiÖu -4- K31D VËt Lý

Cú nhiu phng phỏp khỏc nhau ủ to ra vt liu GMR cú cu trỳc
dng ht nh ủó núi trờn ủõy: Vớ d nh phng phỏp ngui nhanh t th
lng, phỳn x RF, bc bay trong chõn khụng, bay hi bng Laze, ủin hoỏ,
lng ủng hoỏ hc v nhiu phng phỏp khỏc na Cũn ủi vi phng
phỏp bc bay trong chõn khụng ủõy l phng phỏp ch to mng dng ht rt
tt v khỏ ủn gin tuy nhiờn ủi vi phng phỏp ny vic khng ch thnh
phn pha trờn mng bc bay so vi thnh phn pha ca ngun bc bay l rt
khú khn, vỡ vy ủ cú th gii quyt phn no ủú v vn ủ ny lun vn
cng ủó nghiờn cu ủn phng phỏp bc bay n trong chõn khụng. õy l
phng phỏp cú th coi l mi ủi vi nc ta vỡ cho ủn nay vn cha cú
mt cụng trỡnh nghiờn cu no trong nc cụng b v vic ch to mng dng
ht bng phng phỏp ny c.
Trờn c s ủú, ủ ti khoa luận tốt nghiệp ủc chn l:
Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng (GMR) trong hợp chất CoAg
bằng công nghệ bốc bay nổ
Lª ThÞ LiÖu -6- K31D VËt Lý

II. MỤC TIÊU CỦA khoa luËn tèt nghiÖp
- Trong ñiều kiện thiết bị hiện có chế tạo ñược màng dạng hạt có hiệu
ứng GMR, qua ñó tìm hiểu sâu và cụ thể thêm về cơ chế vật lý của hiệu ứng.
- Nghiên cứu một số tính chất từ của các mẫu chế tạo bằng công nghệ
bốc bay nổ nhằm làm sáng tỏ mối liên hệ với hiệu ứng GMR của vật liệu chế
tạo. Xem xét ñánh giá mức ñộ khác nhau về hàm lượng các hạt sắt từ có trong
mẫu ảnh hưởng ñến hiệu ứng GMR bằng công nghệ này.
- Trên cơ sở những hiểu biết trên, nghiên cứu ñể có thể ứng dụng hiệu
ứng GMR của hệ hạt trong lĩnh vực ño lường và ñiều khiển.


)]
40
nghĩa là các lớp Fe,
Cr dày tương ứng là 30A
0
và 9A
0
và hệ gồm 40 lớp kép, ñây là một sự thay
ñổi lớn chưa từng ñược quan sát thấy từ trước ñến nay. Vì vậy mà hiệu ứng
này ñược gọi là hiệu ứng từ ñiện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance-
GMR). Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự “khổng lồ” của sự thay ñổi ñiện trở
mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, “Cơ chế tán xạ phụ
thuộc spin của các ñiện tử dÉn”. Lª ThÞ LiÖu -8- K31D VËt Lý
(a) (b)
Hình 1.1: (a) Từ ñiện trở của ba siêu mạng Fe/Cr ño ở nhiệt ñộ 4.2K.
Dòng ñiện và từ trường cùng ñược ñặt dọc theo phương tinh thể [110]
trong mặt phẳng của các lớp
(b) Cấu trúc của một siêu mạng từ.
Sau ñó không lâu vào ñầu những năm 90, hiệu ứng từ trở khổng lồ
(GMR) ñược quan sát thấy trong các hệ ñơn lớp còn ñược gọi là hệ dạng hạt,
do một nhóm của A.E. Berkowitz, J. R Mitchell, M. J. Carey và A.P. Young

là khối lượng hiệu dụng ,τ là thời gian hồi phục của ñiện
tử, V
tx
là thế tán xạ của tâm tán xạ ñối với ñiện tử. : mật ñộ trạng thái
tại mức fermi.
Khi nhiệt ñộ gần hoặc vượt quá nhiệt ñộ Cuire T
c
, quá trình trộn hai kênh
spin là không thể bỏ qua và ñược ñặc trưng bởi số hạng ñiện trở suất ↑↓ρ. Khi
ñó, ñiện trở suất của mẫu ñược cho bởi:
(1.4)
Quá trình trộn hai kênh spin ñược giải thích như sau. ðiện tử có spin up
(down) “tán xạ” vào trạng thái spin down (up) bằng việc sinh ra hoặc hủy một
magnon. Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là tương tác spin-
quĩ ñạo SOI (Spin-Orbital Interaction) và có bản chất lượng tử.
Lª ThÞ LiÖu -10- K31D VËt Lý

Như vậy ở nhiệt ñộ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do ñó quá trình
trộn lẫn hai kênh spin ñược bỏ qua.
Khi nhiệt ñộ lớn hơn Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là ñáng kể và số
hạng ñiện trở suất ρ ↑↓ ñược ñưa vào. Chú ý rằng khi nhiệt ñộ thấp, ρ ↑↓ <<
ρ↑, ρ↓. Biểu thức (1.4) trở thành (1.1).
Khi nhiệt ñộ ñủ cao, ρ
↑↓
>> ρ↑, ρ↓ thì biểu thức (1.4) trở thành
(1.5)
Biểu thức này thể hiện, khi nhiệt ñộ ñủ cao, hiện tượng trộn hai kênh dẫn
xảy ra mạnh (tức là khi thời gian sống của spin nhỏ hơn thời gian hồi phục
không lật spin), tất cả ñiện tử, spin up cũng như spin down, có cùng tốc ñộ hồi
phục trung bình.

tăng lên vì từ ñộ các lớp sắp xếp dần dần theo từ trường. Khi ñó sự tán xạ ở
một kênh ñiện tử có spin ngược với từ ñộ cũng giảm dần vì từ ñộ ñã chuyển
hướng sang cùng chiều với spin. ðiện trở ứng với kênh ñó sẽ giảm dần cho
Lª ThÞ LiÖu -12- K31D VËt Lý

ñến khi từ trường tăng lên ñến H > Hs làm cho từ ñộ trong các lớp hoàn toàn
song song với nhau và với phương spin.
Giải thích dựa trên cơ sở cấu trúc dải năng lượng và quá trình tán xạ giữa
các dải s – d. Tán xạ s – d này không phải xảy ra ở trong cấu trúc dải của bản
thân mỗi lớp từ mà xảy ra giữa các ñiện tử 4s của lớp kim loại phi từ với các
ñiện tử 3d của các lớp sắt từ lân cận.
Ta hãy xét các ñiện tử dẫn 4s (spin up và spin down) gi¶ sử ñược xuất
phát từ một lớp kim loại phi từ (ví dụ lớp ñầu tiên bên trái trong hình vẽ) khi
chuyển ñộng ñến lớp sắt từ tiếp theo, sẽ có hai trường hợp xảy ra ứng với hai
cấu hình sắp xếp từ ñộ của các lớp sắt từ.
Trường hợp ñầu khi từ ñộ của các lớp sắp xếp phản song với nhau, các
ñiện tử có spin down bị bắt ngay vào các trạng thái 3d còn trống (do có cùng
trạng thái) của lớp sắt từ bên cạnh, nghĩa là bị tán xạ và không tham gia tiếp
tục vào quá trình dẫn ñiện (biểu thị bằng ñường cung chấm chấm ñậm, ngắn).
Trong khi ñó các ñiện tử spin up (cùng chiều với từ ñộ) không bị bắt ở lớp từ
ñầu tiên vì không có trạng thái 3d spin up nào trống cả. Các ñiện tử này
truyền sang ñược lớp sắt từ tiếp theo và bị bắt ở ñây vì có các trạng thái 3d
(spin up) còn trống (biểu thị bằng ñường cung gạch gạch dài). Vì ñây là sơ ñồ
có cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin up và spin down còn
trống ñều ñược phân bố lần lượt nhau, cho nên có thể thấy rằng cả hai kênh
ñiện tử spin up và spin down ñều tương ñương nhau trong quá trình truyền
qua hệ và ñều bị tán xạ như nhau, kết quả là ñiện trở suất của cả hệ ở trạng
thái cao.
Trường hợp thứ hai khi có mômen từ của các lớp sắp xếp song song
nhau, có thể thấy rằng chỉ có các trạng thái 3d spin down là còn trống, nên chỉ

nền phi từ giữa hai hạt sắt từ coi như lớp kim loại phi từ Ag nằm giữa hai
lớp sắt từ Co ñó, như minh hoạ trong hình vẽ.
Hình 1.5: Sơ ñồ minh hoạ cấu tạo của màng mỏng từ ñơn lớp có
cấu trúc dạng hạt
Xét trong toàn hệ, khi không có từ trường ngoài momen từ của các hạt
sắt từ Co ñịnh hướng ngẫu nhiên, do ñó cả hai kênh ñiện tử sẽ bị tán xạ mạnh
trên ñường chuyển ñộng qua các hạt Co, hệ ở trạng thái ñiện trở cao. Từ
trường ngoài tăng dần sẽ làm tăng dần số các hạt có momen từ song song với
nhau (do cùng song song với từ trường ngoài).
Một kênh spin (kênh có spin song song với hướng của từ trường ngoài)
sẽ bị tán xạ ít dần trong khi kênh còn lại bị tán xạ mạnh dần, ñiện trở của hệ
Lª ThÞ LiÖu -15- K31D VËt Lý

giảm dần. Khi từ trường ngoài ñủ mạnh làm quay toàn bộ số momen từ trong
hệ, kênh spin có hướng song song với từ trường ngoài sẽ gần như truyền qua
hoàn toàn, kênh còn lại gần như bị tán xạ hoàn toàn, ñiện trở của hệ ñạt giá trị
thấp nhất.
1.3. Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng
hạt
Hiện nay các hiệu ứng GMR ñã ñược sử dụng nhiều trong các lĩnh vực
như công nghệ thông tin làm ñầu ñọc từ GMR, bộ nhớ từ không tự xoá kiểu
MRAM, v.v…Tuy nhiên, các lĩnh vực ñó ñòi hỏi một nền công nghệ cao mà
trong ñiều kiện kỹ thuật của nước ta hiện nay chưa ñáp ứng ñược. Nhằm
hướng ñến một số ứng dụng ñơn giản và phù hợp hơn, những khảo sát ở ñây
tập trung cho mục ñích như làm cảm biến từ trường và phần tử chuyển mạch
trong kỹ thuật ño lường và kỹ thuật ñiện tử.
Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu trong luận văn có thể ñịnh hướng

bốc bay nổ mà luận văn này ñã chế tạo ñược. Ta thấy ở từ trường cao 10kOe
ñiện trở suất của mẫu vẫn chưa ñạt bảo hoà, rất thích hợp cho việc ứng dụng
ñể làm sensor ño từ trường cao. Một ứng dụng của hiệu ứng GMR của màng
dạng hạt Co
28
Ag
72
làm sensor cho ñộng cơ một chiều loại không chổi quét.
Lª ThÞ LiÖu -17- K31D VËt LýHình 1.8: Tỷ số GMR(%) của màng mỏng dạng hạt Co
30
Ag
70
chế
tạo bằng công nghệ bốc bay nổ
Motors ñược sử dụng rộng r·i trong lĩnh vực của ñiện học và từ học bởi
vì hiệu suất cao của chúng. Motor ®−îc bao gồm một rotor là một châm ñiện
và một stator là các cuộn dây, rotor quay ñược là nhờ dòng ñiện bên ngoài
cung cấp cho cuôn dây. Dòng ñiện này ñược ñiều khiển bởi sự tiếp xúc giữa
chổi quét và các ñiện cực của rotor, ñó là sự tương ứng giữa góc quay của trục
quay rotor. Chổi quét có hai vai trò ñó là nhận ra góc quay của rotor và cắt
dòng ñiện trong cuộn dây ñể ñiều khiển tốc ñộ quay của rotor. Có những vấn
ñề trong việc sử dụng chổi quét của Motor, chổi quét làm mòn do ma sát và
gây ra tiếng ồn khi chổi quét thay ñổi vị trí tiếp xúc giữa các ñiện cực. Do ñó
các Motor không chổi quét ñược sử dụng rộng rãi ñể ñạt hiệu suất cao trong
việc duy trì ñộ bền.
Trong các Motor không chổi quét, vai trò của chổi quét ñược thay thế
bằng việc sử dụng hiệu ứng Hall sensors trong mạch bán dẫn. Những Hall

nh 1.9

Lª ThÞ LiÖu -19- K31D VËt Lý

Chương 2 . THỰC NGHIỆM

Có nhiều phương pháp khác nhau ñể tạo ra vật liệu Co_Ag có hiệu ứng
GMR như công nghệ nguội nhanh, phún xạ, bốc bay trong chân không, bay
hơi bằng Laze, ñiện hoá, lắng ñọng hoá học và một số phương pháp khác
nữa…Tuy nhiên ñối với các vật liệu GMR có cấu trúc dạng hạt chủ yếu ñều
ñược chế tạo bằng phương pháp bốc bay trong chân không. ðây cũng là
phương pháp mà luận văn ñã chọn ñể chế tạo mẫu và cũng là phương pháp
thích hợp trong ñiều kiện kỹ thuật của nước ta hiện nay. Sau ñây là phần trình
bày của công nghệ này.
2.1. Công nghệ chế tạo mẫu bằngcông nghệ bốc bay nổ
Bốc bay trong chân không: Phương pháp này dựa trên nguyên tắc làm
nóng chảy và bay hơi các nguyên tử chất rắn và lắng ñọng các nguyên tử hoá
hơi lên một ñế rắn. Ở ñây sử dụng nhiệt (Joule) sinh ra khi có dòng ñiện chạy
qua một vật dẫn, các vật dẫn ñiện dùng làm nguồn nhiệt thường là các kim
loại có ñiện trở suất lớn chịu ñược nhiệt ñộ cao (lớn hơn 1000
0
C), như
Wonfram, Molipden, Tantan Ở dạng dây hoặc lá mỏng hoặc các hợp chất
như Nitơrit, cácbít. Nguồn nhiệt thường ñược tạo dưới dạng những cái giỏ,
nồi hay thuyền ñể dựng vật liệu bay hơi. ðể tránh phản ứng giữa vật liệu bay
hơi với các kim loại làm nguồn nhiệt người ta thường phủ các vật liệu như
Al
2
O
3

Hình 2.1: Sơ ñồ cấu tạo buồng bốc bay chân không
Lª ThÞ LiÖu -21- K31D VËt Lý

Thành phần bột ñược sử dụng ñể bốc bay nghiên cứu trong luận văn
gồm: Bột Co với Ag trộn với nhau theo một tỷ lệ xác ñịnh trước với các thành
phần từ 20 ñến 70 phần trăm nguyên tử Co.
Bột Co, Ag có ñường kính hạt dưới 1µm, ñộ sạch là 99,98% của hãng
Aldrich Chemical Co.,USA sản xuất.
2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X-XRD (X ray diffraction)
Phương pháp nhiễu xạ tia X ñược sử dụng hữu hiệu ñể nghiên cứu cấu
trúc vi mô của các mẫu nghiên cứu.
Cơ sở của phương pháp này là khi chiếu chùm tia X vào một khối chất
(dạng rắn, lỏng hoặc khí), chùm tia sẽ tương tác với các ñiện tử (trong các
nguyên tử của chất nghiên cứu) hoặc ngay cả với hạt nhân nguyên tử nếu
chùm tia có năng lượng ñủ lớn. Một phần năng lượng tia X sẽ bị mất ñi do
hiệu ứng tán xạ, trong khi ñó phương truyền của chùm tia sẽ thay ñổi khi
tương tác. Khi ñó tán xạ có thể làm thay ñổi bước sóng hoặc không thay ñổi
bước sóng của bức xạ tới.
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể cấu tạo từ những nguyên
tử hay ion phân bố một cách ñều ñặn trong không gian theo một qui luật xác
ñịnh. Khoảng cách giữa các nguyên tử hay ion trong tinh thể khoảng bước

mẫu 2 sẽ tách thành phổ, nghĩa là phân bố theo ñộ dài sóng nhờ tinh thể phân
tích 4. Tia phản xạ từ tinh thể phân tích qua hệ chuẩn trục 5 sẽ ñược thu bằng
detecter 6, sau ñó ñược khuyếch ñại, chuẩn hoá rồi ghi lại bằng các máy chỉ
Lª ThÞ LiÖu -23- K31D VËt Lý

thị khác nhau. Góc phản xạ θ của tia trên mặt tinh thể phân tích bằng góc
trượt.
2.3. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM (Vibrating
Sample Magnetometer-VSM)
ðể xác ñịnh tính chất từ của các mẫu, từ kế mẫu rung (VSM) ñã ñược sử
dụng. Các thành phần cơ bản của VSM ñược thể hiện trên
hình 2.7.
Nam châm ñiện cung cấp từ trường tới 1.3 T. Từ trường có thể thay ñổi
và ñược ñiều khiển theo chương trình từ giá trị -1.3T ñến 1.3 T. Mẫu ñược
gắn với cần mẫu và ñược dao ñộng với tần số 10Hz tạo bởi một màng rung
gắn với cần mẫu. Mẫu vật liệu có từ tính dao ñộng trong không gian từ trường
tạo bởi nam châm ñiện làm thay ñổi từ trường quanh nó, sự thay ñổi của từ
trường ñược thu nhận bởi các cặp cuộn dây thu tín hiệu mắc xung ñối.
Sự biến thiên của từ thông qua các cuộn thu tín hiệu làm phát sinh một
suất ñiện ñộng cảm ứng trong cuộn dây. Mối liên hệ giữa biến ñổi của từ
thông và ñiện áp cảm ứng là:
V
ind
= - N.dΦ/dt.
Trong ñó: V
ind
: là ñiện áp cảm ứng.
N : là số vòng dây.
Φ: là từ thông(G/cm
2

trực tiếp từ ñiện áp ño ñược vì
. Các mẫu ñược ño ở nhiệt ñộ
phòng trong từ trường lên tới 1.3T.