TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

HỎA THỊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU
CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG
TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) DẠNG HẠT

KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI - 2012


2

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

HỎA THỊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU
CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG
TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) DẠNG HẠT

KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. BÙI XUÂN CHIẾN



MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1........................................................................................................... 4
TỔNG QUAN ....................................................................................................... 4
1.1 Hiệu ứng từ điện trở...................................................................................... 4
1.1.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) ..... 4
1.1.2 Hiệu ứng từ dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance) ........... 5
1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance) ........ 6
1.1.4 Mật độ trạng thái .................................................................................... 7
1.1.5 Trạng thái siêu thuận từ........................................................................ 10
1.2 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt. ........................ 11
1.2.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu GMR. ................................................ 11
1.2.2 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng hạt ................................... 12
1.2.3 Cấu trúc đơn domain. ........................................................................... 14
1.3 Cơ chế của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR ........................................ 16
1.3.1 Mô hình hai dòng Mott ........................................................................ 17
1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin giải thích GMR trong hệ đa lớp ......... 19
1.3.3 Giải thích hiện tượng trong mẫu hạt .................................................... 23
1.4 Một số ứng dụng hiệu ứng GMR ................................................................ 25
CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM ......................................................................... 27
2.1 Công nghệ chế tạo mẫu............................................................................... 27
2.1.1 Công nghệ nguội nhanh đơn trục ......................................................... 27
2.1.2 Nấu phối, phun hợp kim nóng chảy để tạo vật liệu ở dạng băng mỏng
....................................................................................................................... 28


2.1.3 Kĩ thuật gia công mẫu .......................................................................... 30
2.1.4 Xử lí nhiệt kết tinh bằng lò ủ nhiệt ...................................................... 30
2.2 Các phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 31


FM

Ferromagnetic

Sắt từ

GMR

Giant Magnetoresistance

Từ điện trở khổng lồ

OMR

Ordinary Magnetoresistance

Từ điện trở thường

RKKY

Ruderman-Kittel-Kasuya-

Tên các nhà khoa học

tắt

-Yosida
SEM



1

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính
chất vật lý mới đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các hệ từ có các
đặc trưng kích thước được giảm nhỏ. Một trong những khám phá tiêu biểu của
thời kỳ này là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magnetoresistance)
trong các màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các không từ và
trong hệ hạt bao gồm các hạt sắt từ nằm trên nền kim loại không từ. Ngay sau
khi ra đời, hiệu ứng GMR đã trở thành một vấn đề nóng hổi trong lĩnh vực vật
lý.
Hiệu ứng từ điện trở đã được khám phá từ rất lâu, khoảng giữa thập kỉ 80
của thế kỉ XIX, và có bản chất là hiệu ứng Hall. Hiệu ứng GMR cũng là
một hiệu ứng từ điện trở nhưng có sự thay đổi điện trở lớn hơn rất nhiều (khoảng
vài chục phần trăm) so với hiệu ứng từ điện trở thông thường (khoảng vài phần
ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới. Chính vì vậy hiệu ứng này đã trở thành một
chủ đề nổi bật trong vật lý học cũng như khoa học kĩ thuật vật liệu.
Hiệu ứng GMR được tìm ra vào năm 1988 thì đến năm 1994 đã có những
sản phẩm GMR đầu tiên được bán ra trên thị trường thế giới do công ty
Nonvolatile Electronics Inc (NVE) của Mỹ chế tạo. Đó là những cảm biến từ
trường dùng cho các mục đích khác nhau từ công nghiệp ô tô cho đến các thiết bị
trợ thính. Do những ưu điểm vượt trội của vật liệu này là khả năng chống nhiễu
và chống ồn rất cao nên chúng được ứng dụng trong các ổ đĩa cứng của máy
tính, làm bộ nhớ từ không tự xóa MRAM… Như vậy ứng dụng lớn nhất mở ra từ
hiệu ứng này là việc phát triển các linh kiện spintronics, các linh kiện điện tử thế
hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin của điện tử. Các đặc trưng



4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu, tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả và đưa ra kết luận.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3
chương chính:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Hiệu ứng từ điện trở
1.1.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)
Từ điện trở, hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có
thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. 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%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện
trở thường.
Hiệu ứng này quan sát thấy ở các kim loại. Khi có tác dụng của từ trường
ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz nên chuyển động
tròn và không đóng góp vào dòng điện (vận tốc trung bình bằng không trong một
chu trình) cho đến khi bị tán xạ. Sau khi tán xạ, hạt dẫn tham gia chuyển động
tròn tiếp theo. Như vậy thời gian hồi phục càng lớn (điện trở càng thấp) thì ảnh
hưởng của từ trường ngoài lên điện trở càng lớn. Kohler tìm ra liên hệ giữa sự

suất dưới tác dụng của từ trường ngoài) phụ thuộc vào hướng của dòng điện
(không đẳng hướng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào
góc tương đối giữa từ độ và dòng điện.
Hiệu ứng AMR lần đầu tiên được William Thomson, một giáo sư Đại học
Glasgow (Scotland, Vương quốc Anh) vào năm 1856. William Thomson đã chỉ
ra

sự

thay

đổi

của 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. Ngoài ra, sự thay đổi này còn phụ thuộc vào
phương đo, góc tương đối giữa cường độ dòng điện (của bộ đo điện trở) và từ

phát hiện bởi nhóm của Albert Fert[8]


7

Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ điện trở:

GMR% 

 ( H )   (0)
R( H )  R(0)
100% 
100%
 (0)
R(0)

(1.1.7)

GMR là một hiệu ứng từ điện trở nhưng là một hiệu ứng lượng tử khác
với hiệu ứng từ điện trở thông thường được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19. Hiệu
ứng này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988. Nhóm nghiên cứu của Albert
Fert ở Đại học Paris-11 trên các siêu mạngFe(001)/Cr(001) cho tỉ số từ trở tới
vài chục %.
Năm 1992, nhóm của A. E. Berkowitz (Đại học California, San Diego, Mỹ)
phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể Co-Cu với cấu trúc là
các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ trở đạt tới hơn 20%. Các nghiên
cứu về sau tiếp tục phát triển và lý giải hiệu ứng này, và tính từ "khổng lồ"
không còn được hiểu theo nghĩa độ lớn của hiệu ứng từ điện trở nữa, mà hiểu
theo cơ chế tạo nên hiệu ứng: đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử, và
từ đó tất cả các hiệu ứng có cơ chế tán xạ phụ thuộc spin, mặc dù từ số GMR

down (ms = - ½) (Bởi vì mỗi trạng thái động lượng có thể biểu diễn bằng tổng
của hai trạng thái có spin up và spin down). Tổng momen từ của nguyên tử bằng
không, do đó momen từ của vật liệu bằng không.
Khi có từ trường ngoài H tác dụng, các điện tử có spin cùng chiều với H
giảm năng lượng đi một giá trị bằng E  H B đồng thời các điện tử spin ngược
chiều nhận thêm một giá trị năng lượng bằng E  H B . Kết quả là sự dịch
chuyển tương đối của hai vùng năng lượng con giảm đi một giá trị 2E  2H B
trạng thái đó ứng với năng lượng không cực tiểu và không bền. Vì vậy một phần


9

spin down chuyển sang spin up và số spin up nhiều hơn số spin down tạo nên
momen từ cho nguyên tử:  B2 HN ( ) .
Ta có thể tính cụ thể như sau:
Giả sử ban đầu (khi chưa có từ trường ngoài) nồng độ điện tử ở mỗi vùng
con là n.
Khi có từ trường ngoài, vùng năng lượng của điện tử spin up chứa nhiều


1
2
0

nên số điện tử bằng: n    ( ) f 0 ( k  )d , trong đó f 0 ( k  ) là hàm phân bố
Fermi – Dirac của trạng thái năng lượng ε với vecto sóng k và spin up (+).
f 0 ( ) 

1
e

độ trung bình tính trên một spin: Eex  

k  

B

. Trong đó, k là hằng số


10

Boltzmann,  là từ độ trung bình của hệ spin, θ’ là hệ số tương tác trao đổi.
Khi đó năng lượng của các spin song song và phản song song với từ trường
ngoài là:
 k    (k )   B H 

 k    (k )   B H 

k  

B

(1.1.10)

k  

(1.1.11)

B



(1.1.12 a)
(1.1.12 b)

1.1.5 Trạng thái siêu thuận từ
Dựa trên cấu trúc vi mô vật liệu từ được chia làm 3 loại: vật liệu nghịch
từ, vật liệu thuận từ, vật liệu sắt từ. Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có momen


11

từ nguyên tử bằng không. Hai loại vật liệu từ còn lại có momen từ nguyên tử
khác không do các lớp điện tử chưa điền đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ
không có trật tự từ, tức là các momen 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 momen từ nguyên tử khác không, nhưng do không có tương tác trao đổi
giữa các momen từ này nên chúng định hướng ngẫu nhiên dưới tác động của
năng lượng nhiệt. Khác với vật liệu thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đổi
giữa các momen từ nguyên tử tạo nên trật tự từ nhưng nếu trong một hệ sắt từ,
kích thước các hạt sắt từ rất nhỏ, sao cho năng lượng dị hướng từ (yếu tố “ghim”
momen từ nguyên tử của hạt theo phương dễ từ hóa) nhỏ hơn năng lượng nhiệt
(yếu tố làm momen từ của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hóa), khi đó
các vecto từ độ của các hạt sắt từ không bị “ghim” nữa mà có thể quay tự do,
định hướng một cách ngẫu nhiên. Lúc đó, hệ tương đương với một hệ thuận từ
và được gọi là hệ siêu thuận từ.
1.2 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt.
1.2.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu GMR.

H¹t s¾t tõ; Co, Fe, Ni,
NiCo, FeCo,...

như hệ Co – Cu.


13

Vật liệu nano dạng hạt,
gồm các hạt kim loại trong nền
kim loại trong nền kim loại
khác không hòa tan, chẳng hạn
như Co trong nền Cu. Ở đây
thuật ngữ hạt liên quan đến các
hạt kim loại nhỏ rắn cỡ
nanomet (103 – 106 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 như tỉ phần thể tích của
các hạt xv (tỉ số thể tích của các

Hình 1.5: Đường cong GMR của
màng mỏng từ đơn lớp hợp kim
dạng hạt và trạng thái tương ứng

hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt (2r). Hai yếu tố xv và
2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật
liệu, giá trị của xv thay đổi từ 0 đến 1[11]

Hình 1.6: Mô tả sự thay đổi sụ thay đổi cấu trúc vật liệu từ điện trở dạng hạt
theo sự thay đổi tỷ phần thể tích (0  xv  1)

r

(1.2.3)

Nếu ta giả thiết cho xv = 0,25 thì d = 4r tức là khoảng không gian trung bình
giữa các hạt bằng kích thước của một hạt.
Nếu các hạt phân bố một cách ngẫu nhiên thì tỉ phần diện tích bề mặt kim
loại (xa) coi tương tự như tỉ phần thể tích (xv). Nên:
x a = xv

(1.2.4)

Đây là các thông số mà các tính chất vật lý, tỉ số GMR của vật liệu đều liên
quan, sự thay đổi của các thông số này dẫn đến sự thay đổi tỉ số GMR.
1.2.3 Cấu trúc đơn domain.
* Đơn domain (Single domain): là một dạng cấu trúc từ của vật từ gồm các
hạt, mà mỗi hạt được cấu tạo bởi một domain từ. Có nghĩa là trong mỗi hạt đó,
các mômen từ sắp xếp đều nhau theo cùng một hướng.
* Sự hình thành cấu trúc đơn domain:
Cấu trúc từ của vật sắt từ được quy định bởi: hình dạng vật từ, cấu trúc hạt
(kích thước, hình dạng, sự định hướng...). Sự thay đổi kích thước hạt dẫn đến sự


15

thay đổi cấu trúc domain. Khi kích thước hạt của vật từ giảm dưới kích thước tới
hạn (ký hiệu là Rc), xuất hiện một cấu hình domain mới mà mỗi hạt sẽ là một
domain, đó là cấu trúc đơn domain. Kích thước giới hạn này phụ thuộc vào từ
tính của vật liệu và tổng quát theo công thức:


Trong đó:
 là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài.

Ms là từ độ bão hòa.
H là từ trường ngoài.
<cosθ> là giá trị trung bình lấy trên toàn bộ các hạt sắt từ


16

Và đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể hiện quá trình quay trục từ
của các hạt đơn domain. Trong đó các kích thước và sự điều khiển của các
domain đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường ngoài.
Khi vật liệu bắt đầu bị từ hóa với M = 0 ở từ trường ngoài H = 0, trục từ
của các hạt từ định hướng ngẫu nhiên, giá trị này bằng tổng dị hướng từ của các
hạt từ. Ở nhiệt độ thấp hướng của các momen từ định hướng ngẫu nhiên và ở
trạng thái tĩnh. Khi từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = Ms) với từ trường ngoài đủ
lớn, lúc đó tất cả các momen từ được định hướng theo chiều của từ trường ngoài.
Nếu từ trường ngoài H giảm tới H = 0, khi đó giá trị của từ dư Mr = Ms/ 2 bởi vì
các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầu theo trục dị hướng của hạt
đơn domain.
Trong vật liệu từ điện trở điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ
trong hệ hạt phải là đơn domain thì mới quan sát được hiệu ứng GMR. Tức là
chiều dày các lớp sắt từ phải đủ nhỏ, kích thước 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 thước các hạt từ phải nhỏ hơn quãng
đường tự do trung bình của điện tử để quá trình chuyển động của điện tử
dẫn qua các lớp từ hoặc 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 đomain,
tương tác của các điện tử dẫn với các momen từ phân bố khác nhau trong

Mott nhận thấy rằng khi nhiệt độ T

số bất đối xứng spin như sau:






(1.3.4)

Hệ số bất đối xứng spin phụ thuộc vào tính chất của hợp kim. Trong Ni, Co cũng
như các hợp kim từ tính mạnh, α>>1. Mật độ trạng thái có spin up tại mức Fermi
(chỉ xuất phát từ các trạng thái liên kết s-p) rõ ràng nhỏ hơn nhiều mật độ trạng