Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
1
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học s phạm hà nội 2
***&*** INH TH BC
Nghiên cứu
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (gmr)
trong hợp kim hệ hạt Co - Cu Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số:604407
Luận văn thạc sĩ vật lý Cố vấn khoa học: GS.TS
Nguyễn Hoàng Nghị
Ngời hớng dẫn khoa học: TS.
Bùi Xuân Chiến
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
3
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn là của riêng tôi. Các kết quả nêu
trong luận văn là trung thực.
Tác giả luận văn Đinh Thị Bắc
1.1.3 Cấu trúc đơn đômen.
12
1.1.4 Trạng thái siêu thuận từ
14
1.2 Hiệu ứng từ điện trở
14
1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thờng OMR (Ordinary Magneto Resistance) 14
1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hớng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)
15
1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance)
17
1.1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong dạng màng đa lớp
17
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
5
30
1.5 Hiệu ứng từ điện trở trong các cấu hình đo
33
1.6 ứng dụng hiệu ứng GMR
34
Chơng 2: Thực nghiệm
36
2.1 Công nghệ chế tạo.
36
2.1.1 Công nghệ nguội nhanh
36
2.1.2 Phơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dới dạng băng mỏng
37
2.1.3 Chiều dày tới hạn của băng hợp kim vô định hình.
38
2.1.4. Tốc độ nguội tới hạn của hợp kim nóng chảy
2.3.2 Phơng pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction).
49
2.3.3 Phơng pháp đo từ điện trở bằng 4 mũi dò.
49
Chơng 3: Kết quả nghiên cứu
52
3.1 Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt
52
3.2 ảnh hởng của hàm lợng Co lên cấu trúc, tính chất từ và tỷ số GMR của
hệ mẫu Co Cu
55
3.3 Khảo sát ảnh hởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Co-Cu 60
3.4 ảnh hởng của nhiệt độ môi trờng đo với mẫu Co
10
Cu
90
65
Kết luận chung
GMR
Giant Magnetoresistance
Từ điện trở khổng lồ
HREM
High resolution electron
microscopy
Hiển vi điện tử phân giải cao
MR
Magnetoresistance
Từ điện trở
NM
Non Magnetic
Phi từ
OMR
Ordinary Magnetoresistance
Từ điện trở thờng
RKKY
Ruderman-Kittel-Kasuya-
Yosida
Tên riêng các nhà khoa học
SEM
Scanning Electron Microscope
Hiển vi điện tử quét
Spin
Spin up Điện tử Spin hớng lên
Spin
lớp sắt từ dẫn đến việc thay đổi về điện trở của mẫu.
Phát hiện này đã mở ra một nghành mới là “spintronics” (điện tử học
spin), cho phép chế tạo các linh kiện hoạt động bằng cách điều khiển sự phân
cực của spin điện tử (giống như việc dùng điện trường để điều khiển hạt dẫn
là điện tử trong các linh kiện điện tử truyền thống). Các nhà khoa học tin
tưởng rằng đây sẽ là thế hệ linh kiện điện tử cho tương lai với tốc độ truyền
thông tin cực nhanh và khả năng lưu trữ thông tin lớn. Phát hiện này ngay lập
tức được ứng dụng trong các đầu đọc ghi của ổ cứng, làm tăng tốc độ đọc ghi
thông tin và tăng mật độ lưu trữ cho ổ đĩa cứng. Ứng dụng của hiện tưọng vật
lý này đã cách mạng hoá các kỹ thuật để tìm lại được các dữ liệu trên ổ cứng
máy tính. Khám phá này đóng một vai trò then chốt trong các bộ cảm biến từ
cũng như sự phát triển của một thế hệ điện tử mới. Khám phá của họ đã biến
việc thu nhỏ tối đa kích thước ổ cứng trở thành hiện thực đồng thời cho phép
người dùng có thể lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng một cách nhanh chóng và dễ
dàng.
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
9
Nhng ng dng ca hiu ng t in tr khng l (GMR) m nú ó
tr thnh ch ni bt trong vt lý cng nh trong cỏc nghnh khoa hc v
k thut vt liu. Ngi ta ó tỡm ra nhiu phng phỏp khỏc nhau ch to
vt liu GMR dng ht nh bc bay nhit, phỳn x cao tn, in hoỏ, ngui
nhanh hp kim t th lng K thut ngui nhanh trc tip t th lng cú th
cho phộp to ra mt trng thỏi mi ca kim loi: trng thỏi vụ nh hỡnh vi
c im cu trỳc vi mụ. Vỡ vy hp kim vụ nh hỡnh ó tr thnh nguyờn
liu lý tng ch to cỏc vt liu cu trỳc nanụ bng cỏch phõn hu cht
rn siờu quỏ bóo ho c hỡnh thnh trong quỏ trỡnh ngui nhanh.
Bi nhng lý do nờu trờn tụi ó chn ti: Hiu ng t in tr
khng l trong h ht Co-Cu
2. Mc ớch nghiờn cu
Thnh phn cu to ca vt liu t in tr khng l GMR gm hai
thnh phn chớnh l vt liu phi t (nh Cu, Ag, Au, ) v vt liu t (nh Fe,
Co, ).
Nh ta ó bit dũng in l dũng cỏc in t. Gm hai loi in t: in
t hng lờn (spin up - ) v in t hng xung (spin down - ). Trong vt
dn phi t, chng hn Cu mi nguyờn t cú 29 in t lp y cỏc mc nng
lng t trong ra ngoi: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
1
. Lp 3d lp y 10 in t
mi chuyn sang lp 4s nờn Cu khụng cú momen t, s in t hng lờn
bng s in t hng xung. Trong vt liu t, chng hn nh Ni mi
nguyờn t cú 28 in t cu hỡnh in t: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
NiCo, FeCo,
Nền kim loại phi từ: Cu,
Au, Ag, 1.1.2 Cu trỳc nanụ ca vt liu t in tr dng ht
Vật liệu rắn kim loại dạng hạt đợc chia thành 2 loại: Loại thứ nhất gồm các hạt
kim loại trong nền vật liệu điện môi nh SiO
2
và Al
2
O
3
, loại thứ hai gồm các hạt kim
loại từ kích thớc nanô mét trong nền kim loại phi từ, đó là vật liệu GMR, đã đựợc các
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây, ví dụ nh hệ Co - Cu.
Vật liệu nano dạng hạt, gồm các hạt kim loại trong nền kim loại khác
không hòa tan, chẳng hạn nh Co trong nền Cu. ở đây thuật ngữ hạt liên quan
đến các hạt kim loại nhỏ rắn cỡ nano mét (10
3
- 10
6
nguyên tử). Trong vật liệu cấu
trúc nano dạng hạt, các vấn đề then chốt quyết định đến các tính chất vật lý
của vật liệu thông qua các yếu tố nh tỷ phần thể tích của các hạt x
v
(tỷ số thể tích
của các hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thớc của các hạt (2r). Hai yếu tố
x
v
(1.2)
Khoảng cách trung bình giữa các hạt d (tính từ tâm hạt này đến tâm hạt
kia):
1/3
16
v
d r
x
(1.3)
Nếu ta giả thiết cho x
v
= 0,25 thì d = 4r tức là khoảng không gian trung
bình giữa các hạt bằng kích thớc của một hạt. Nếu mà các hạt phân bố một cách ngẫu nhiên thì tỷ phần diện tích bề
mặt kim loại (x
a
) coi tơng tự nh tỷ phần thể tích (x
v
). Nên:
x
a
= x
(1.5)
Trong đó:
là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phơng của từ trờng ngoài.
M
S
là từ độ bão hòa. H là từ trờng ngoài.
cos
là giá trị trung bình lấy trên
toàn bộ các hạt sắt từ
Và đờng cong từ trễ của mẫu chính là sự thể hiện quá trình quay trục
từ của các hạt đơn đômen. Trong đó các kích thớc và sự điều khiển của các
đômen đã bị thay đổi dới tác động của từ trờng ngoài. Khi vật liệu bắt đầu bị từ hóa với M = 0 ở từ trờng ngoài H = 0, trục từ
của các hạt từ định hớng ngẫu nhiên, giá trị này bằng tổng dị hớng từ của
Hình 1.4: Đờng cong từ trễ
của vật liệu có cấu trúc dạng hạt [12]
H
M
H
C
M
SĐinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
Trong vật liệu từ điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ trong hệ
hạt phải là đơn đômen thì mới quan sát đợc hiệu ứng GMR. Tức là chiều dày
các lớp sắt từ phải đủ nhỏ, kích thớc các hạt sắt từ phải nhỏ hơn giá trị tới
hạn nào đó. Nguyên nhân của điều này là:
- Thứ nhất, bề dày lớp từ hoặc kích thớc các hạt từ phải nhỏ hơn quãng
đờng tự do trung bình của điện tử để quá trình chuyển động của điện tử dẫn
qua các lớp từ hoặc qua các hạt từ có thể coi là bảo toàn spin.
- Thứ hai, khi các hạt sắt từ hoặc các lớp từ không còn là đơn đômen,
tơng tác của điện tử dẫn với các mômen từ phân bố khác nhau trong hạt từ
hoặc lớp từ sẽ tạo điều kiện cho hai kênh điện tử dẫn trộn lẫn.
Cả hai nguyên nhân đều làm ảnh hởng đến hiệu ứng GMR.
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
15
1.1.4 Trạng thái siêu thuận từ
Dựa trên cấu trúc vi mô vật liệu từ đợc chia làm 3 loại: Vật liệu nghịch
từ, vật liệu thuận từ, và vật liệu sắt từ. Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có
mômen từ nguyên tử bằng không. Hai loại vật liệu từ còn lại có mômen từ
nguyên tử khác không do các lớp điện từ cha điền đầy, nhng trong vật liệu
thuận từ không có trật tự từ, tức là các mômen từ nguyên tử sắp xếp một cách
hỗn loạn, còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại trật tự từ. Trong vật liệu thuận từ,
các nguyên tử có mômen từ khác không, nhng do không có tơng tác trao
đổi giữa các mômen từ này nên chúng định hớng ngẫu nhiên dới tác động
của năng lợng nhiệt. Khác với vật liệu thuận từ, trong chất sắt từ tơng tác
trao đổi giữa các mômen từ nguyên tử tạo nên trật tự từ. Nhng nếu trong một
hệ sắt từ, kích thớc các hạt sắt từ rất nhỏ, sao cho năng lợng dị hớng từ (yếu
tố ghim mômen từ của hạt theo 1 phơng - phơng dễ từ hoá) nhỏ hơn năng lợng
nhiệt (yếu tố làm mômen từ của hạt dao động xung quanh phơng dễ từ hoá), khi
đó các véc tơ từ độ của các hạt sắt từ không bị ghim nữa mà có thể quay tự do,
định hớng một cách ngẫu nhiên. Lúc đó hệ tơng đơng với một hệ thuận từ và
mũ chẵn của từ trờng ngoài. Bậc thấp nhất của sự thay đổi điện trở suất là:
2
H
(1.7)
1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hớng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)
Hiu ng AMR ln u tiên c William Thomson, mt giáo s đại
học Glasgow (Vơng quốc Anh) phát hiện vo nm 1856. Trong bi báo công
b trên tp san ca Hiệp hội hoàng gia Anh, William Thomson ã ch ra s
thay i điện trở ca các mu vt dn kim loại sắt từ l Niken v Sắt di tác
dng ca t trng ngoi ca mt nam châm điện, cụ th t ti 3-5% nhiệt
độ phòng. Ngoi ra, s thay i ny còn ph thuc vo phng o, góc tng
i gia cờng độ dòng điện (ca b o điện trở) v từ trờng ngoi, hay
chiu ca độ từ hoá ca mu. Năm 1951 J.Smit đã đặt hiệu ứng này là hiu
ng t in tr d hng (AMR).
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
17
Lý thuyt v hiu ng AMR ln u tiên c gii thích vo nm 1971
bi mô hình tán x in t trên các in t dn. Hin tng t in tr ây
ch yu b tri phi bi s thay i khối lợng hiệu dụng ca in t khi tán x
Hình 1.5: S thay ổi in tr sut
ca kim loi st t theo từ trng ngoài [8]
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
18
trên các vùng nng lng, v giá tr t s AMR có th ph thuc vo bc hai
ca t trng:
2
21
222
0
)
11
(
mm
eB
(1.11)
Vi , e l thi gian hi phục v in tích ca in t.
m
1
R(0) là điện trở của vật liệu khi không có từ trờng.
Kt qu v hiu ng t in tr khng l trong các siêu mng Fe/Cr
phát hin bởi nhóm ca Albert Fert.
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
19
1.2.3.2 Sự phát hiện hiệu ứng GMR trong hệ hạt
Năm 1992, nhóm của A. E. Berkowitz ở Trờng đại học tổng hợp
California, San Diego [10] và nhóm của C.L. Chien ở Trờng đại học tổng hợp
Johns Hopkins, Baltimor, Maryland [13] phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các
mng hợp kim Co-Cu với cấu trúc l các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ
số từ trở đạt tới hơn 20%, đợc chế tạo bằng phơng pháp phún xạ. Sau đó các
vật liệu từ cấu trúc dạng hạt, có hiệu ứng GMR đã đợc các nhà nghiên cứu về
sau tiếp tục phát triển, lý giải và chế tạo bằng nhiều phơng pháp khác nhau.
Trong các vật liệu có cấu trúc dạng hạt, điện trở của vật liệu thay đổi
theo từ trờng và có quan hệ với cấu hình sắp xếp từ độ của các hạt sắt từ. Mỗi
hạt sắt từ (đơn đômen) có từ độ M
i
(i chỉ hạt sắt từ số thứ tự thứ i) nằm theo
phơng trục dễ của mỗi hạt và định hớng ngẫu nhiên theo phơng bất kỳ
trong pha nền của kim loại phi từ. Khi không có từ trờng ngoài tác dụng, tất
cả các hạt từ định hớng ngẫu nhiên nên từ độ tổng cộng của cả hệ M =
M
i
= 0.
Khi có từ trờng ngoài, dới tác dụng của từ trờng ngoài mômen từ của các
i
.H
/H = M
S
cos
i
Trong đó : H là cờng độ từ trờng ngoài tác dụng lên mẫu.
i
là góc
giữa trục dễ của các hạt sắt từ và phơng của từ trờng ngoài. là ký hiệu
phép lấy trung bình qua tất cả các hạt sắt từ.Giữa GMR và từ độ tổng cộng M
của hệ dạng hạt có quan hệ nh sau[13]:
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
21
2
2
0
0
S
H
M
0
là điện trở suất do các tạp chất và sai hỏng, không phụ
thuộc vào nhiệt độ và là một hằng số,
ph
(T) là đóng góp của dao động nhiệt
(phonon) và phụ thuộc vào nhiệt độ, còn
m
(T) là đóng góp của yếu tố từ tính,
cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Từ (1.13) đối với GMR có thể thấy rằng biên độ
của GMR là [8] :
m
0
ph m
T
A
T T
(1.15)
Nh vậy biên độ A biểu thị tỷ lệ thay đổi của điện trở suất do thành
phần từ gây ra so với điện trở suất tổng cộng.
Các điện tử 3d đợc gọi là các điện tử từ vì nó đóng góp chính vào tính
chất từ của nguyên tố và của vật liệu. Đối với các kim loại mà lớp 3d điền đầy
hoàn toàn mômen từ của nguyên tử bằng không do spin của các điện tử ghép
đôi triệt tiêu lẫn nhau. Trong các nguyên tử từ, lớp điện tử trong cha điền đầy
đã điền sang lớp ngoài tạo nên mômen từ nguyên tử.
Trong các nguyên tử kim loại chuyển tiếp, do tơng tác trao đổi giữa các
nguyên tử, giữa các điện tử trong nguyên tử mà có tính thuận từ và sắt từ.
Theo lý thuyết thuận từ Pauli, tính thuận từ đợc giải thích dựa trên sự
tách vùng khi có từ trờng ngoài nh sau:
Khi không có từ trờng ngoài, lớp 3d tách thành 2 vùng giống nhau,
một vùng chứa các điện tử có spin up (m
s
= 1/2), vùng còn lại chứa các điện tử
có spin down (m
s
= -1/2) (Bởi vì mỗi trạng thái động lợng có thể biểu diễn
bằng tổng của hai trạng thái có spin up và spin down). (Dấu ở đây hoàn toàn là
tơng đối, nhng khi có từ trờng ngoài tác dụng thì dấu + chỉ spin cùng
chiều với từ trờng ngoài, dấu - chỉ spin ngợc chiều với từ trờng ngoài).
Tổng mômen từ của nguyên tử bằng 0, do đó mômen từ của vật liệu bằng 0.
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
23
Khi có từ trờng ngoài H tác dụng, các điện tử có spin cùng chiều với H
giảm năng lợng đi một giá trị bằng
B
HE
đồng thời các điện tử spin
chứa nhiều lên số điện tử bằng:
0
0
)()(
2
1
dfn
k
(1.16)
Trong đó
)(
0
k
f
là hàm phân bố Fermi-Dirac của trạng thái năng
lợng
với véc tơ sóng k và spin up (+).
1
1
)(
/)(
0
H=0
2BH
E
E
E
N(E)
Đinh Thị Bắc
Luận văn thạc sĩ Vật lí
24
Tơng tự cho các điện tử có spin down (-):
0
0
)()(
2
1
dfn
k
(1.18)
Do đó mômen từ của nguyên tử là:
)()(
2
0 FB
HNnnM
k
H
)(
(1.20)
B
Bkk
k
H
)(
(1.21)
Tơng tự nh trong trờng hợp thuận từ Pauli, độ từ hoá của hệ spin là:
0
)()]()([
2
1
.
1.3 Cơ chế của hiệu ứng GMR
Điện trở của vật rắn đợc tạo ra do sự tán xạ của điện tử và có đóng góp
cho tán xạ này gồm:
Tán x trên mạng tinh thể do dao ng mng tinh th gi l tán x trên
phonon.
Tán xạ trên spin của các phân tử mang từ tính, gọi l tán xa trên
magnon.
Tán xạ trên sai hng mng tinh th (defect).
Gn đây các nghiên cứu ch ra s tán x của in tử trên các palaron
t gii thích hiu ng CMR.
Nh vậy, hiệu ứng GMR có đợc là do sự tán xạ của điện tử trên
magnon. Khi có các phần tử mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các màng
đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định
hớng khác nhau về momen từ (do tác động của từ trờng 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 chất rắn. Một cách chính xác hơn, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp
đợc giải thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott đa ra năm 1936.
Copyright: Tài liệu đại học ©