Khóa luận tốt nghiệp

Trương Tuấn Anh K32C Vật Lý

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu rắn có cấu trúc dạng hạt đã được quan tâm nghiên cứu và đưa
vào ứng dụng trong đời sống, kỹ thuật từ lâu. Ta có thể gặp cấu trúc vật liệu
rắn dạng hạt ở dạng vật liệu thông thường như vật liệu bê tông, gồm những
hạt đá có kích thước cỡ cm và các hạt cát với kích thước cỡ m trong nền của
vật liệu xi măng. Tùy theo yêu cầu về kết cấu trong xây dựng mà người ta đưa
ra các thông số khác nhau về kích thước của các loại hạt đá hay cát. Như vậy
có thể nói kích thước của các hạt trong vật liệu dạng hạt là rất quan trọng nó
liên quan đến vấn đề cơ tính của vật liệu.
Nghiên cứu vật liệu dạng hạt, gồm các hạt kim loại trong nền kim loại
khác không hòa tan, chẳng hạn như Co trong nền Cu. Ở đây thuật ngữ hạt liên
3

6

quan đến các hạt kim loại nhỏ rắn cỡ nano mét (10 - 10 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 tỷ phần thể tích của các hạt
xv (tỷ số thể tích của các hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thước của
các hạt (2r).
Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia thành 2 loại; loại thứ nhất gồm
các hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O3, vật liệu này
đã được biết đến từ năm 1970; loại thứ hai gồm các hạt kim loại từ kích thước
nanô mét trong nền kim loại phi từ, đã được quan tâm nghiên cứu trong
những năm gần đây, đó là vật liệu GMR, ví dụ như hệ Co – Cu.


Xây dựng các đường cong từ hóa lý thuyết trên cơ sở lý thuyết
Langevin về thuận từ.



So sánh đường cong từ trễ thực nghiệm (sau khi xử lý tách phần sắt từ
và siêu thuận từ) với các đường cong từ trễ lý thuyết ứng với kích thước hạt
sắt từ khác nhau để tìm ra kích thước hạt Co trong các mẫu nghiên cứu.
4. Đối tượng nghiên cứu
Mẫu băng dạng hạt Co-Cu.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp đọc sách và tài liệu.
Phương pháp thực nghiệm.



PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Cấu trúc và trạng thái từ
1.1.1. Cấu trúc đơn đô men
Trong hệ vật liệu từ dạng hạt với các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt
từ có một trục từ. Khi không có từ trường ngoài các hạt từ được sắp xếp một
cách ngẫu nhiên và có một năng lượng bằng CV, với C tổng dị hướng từ trên
một đơn vị thể tích, và V là thể tích của hạt từ. Khi có từ trường ngoài khác
không các trục từ quay theo chiều của từ trường ngoài. Như vậy từ độ của
mẫu (M) bằng tổng từ độ của các hạt đơn đô men:

M

M .H

lớn cỡ 3000 Oe. Như vậy đối với các vật liệu có cấu trúc đơn đô men thể hiện
lực kháng từ HC lớn, hằng số dị hướng K lớn, và sự phụ thuộc của lực kháng
từ HC vào kích thước của hạt.



Trong vật liệu từ điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ trong hệ
hạt phải là đơn đô men 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:
i) 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 qua các hạt từ có thể coi là bảo toàn spin.
ii) Thứ hai, khi các hạt sắt từ hoặc các lớp từ không còn là đơn đô men, tương
tác của điện tử dẫn với các mô men 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 hưởng đến hiệu ứng GMR
1.1.2. Trạng thái siêu thuận từ
Vật liệu từ được chia làm 3 loại: Vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ,
và vật liệu sắt từ, dựa trên cấu trúc vi mô của vật liệu. Vật liệu nghịch từ là
loại vật liệu không có mô men từ nguyên tử (mô men từ nguyên tử bằng 0).
Hai loại vật liệu từ còn lại có mô men từ nguyên tử khác không do các lớp
điện từ chưa điền đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ không có trật tự từ, tức là
các mô men từ nguyên tử sắp xếp hỗn loạn; còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại
trật tự từ. Trong vật liệu thuận từ, các nguyên tử có mô men từ khác không,
nhưng do không có tương tác trao đổi giữa các mô men 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 mô men 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’ mô men từ của hạt theo 1




Bởi vì điện trở suất đều tăng khi chuyển động của hạt dẫn bị lệch về cả
hai hướng so với dòng điện nên sự thay đổi của điện trở suất phải theo hàm
mũ chẵn của từ trường ngoài. Bậc thấp nhất của sự thay đổi điện trở suất là:
H
 /      


2

(1.2.2)



1.2.2. Vật liệu sắt từ và hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR- Anisotropic
Magneto Resistance)
Từ lâu người ta đã chú ý đến tác dụng của từ trường bên ngoài lên dòng
điện chạy trong vật dẫn. Một là hiệu ứng Hall thông thường, đó là do từ
trường tác dụng lên điện tích chuyển động và kết quả là có hiệu điện thế sinh
ra theo chiều vuông góc với từ trường và dòng điện. Hai là từ điện trở, đó là
sự thay đổi tương đối R/R của điện trở khi có từ trường tác dụng.
Ở các chất bán dẫn, hiệu ứng Hall và từ điện trở rất đáng kể còn ở kim
loại và hợp kim do mật độ điện tử tự do rất lớn nên hai hiệu ứng trên rất nhỏ.
Riêng đối với vật liệu sắt từ như Co, Ni, Fe cũng như hợp kim của chúng, có
những điều rất đặc biệt: có những hiệu ứng Hall dị thường và từ điện trở khá
lớn. Nguyên nhân chủ yếu là ở vật liệu sắt từ có các miền từ hoá tự nhiên, mô
men từ của các nguyên tử trong từng miền nằm song song và cùng chiều, tạo
ra vectơ độ từ hoá của từng miền khá lớn. Tuy nhiên khi không có từ trường

gây ra bởi sự tương tác này luôn có mặt ngay khi không có từ trường ngoài.
Hiện tượng này gọi là từ điện trở tự phát.



Bản chất vật lý của AMR được giải thích dựa trên mô hình 2 dòng của
Mott và mô hình của J.Smit về liên kết spin-quĩ đạo (liên kết Spin Orbital SO) và J.Smit cho rằng bản chất của AMR là liên kết SO khi hệ spin tương
tác với mạng tinh thể.

Hình 1.2: Sự thay đổi điện trở suất của kim loại sắt từ theo từ trường ngoài
Hình 1.2 minh hoạ hiệu ứng dị hướng của điện trở suất đối với phương
từ trường tác dụng của các kim loại sắt từ: a) trường hợp từ trường song song
với dòng điện, b) trường hợp từ trường vuông góc với dòng điện, s// và s là
các giá trị bão hoà. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR),
hiệu ứng này là phổ biến cho tất cả các kim loại sắt từ.
1.2.3. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR
1.2.3.1 Mô hình hai dòng của Mott
Mott nhận thấy rằng khi nhiệt độ T < Tc (Tc là nhiệt độ Curi), spin của
hạt dẫn (điện tử) được bảo toàn trong hầu hết các tán xạ. Nguyên nhân của
hiện tượng này là, dưới nhiệt độ Curi Tc số magnon, nguyên nhân gây nên
quá trình “trộn” 2 trạng thái spin up và down, sinh ra ít. Vì vậy các hạt dẫn có


spin up và spin down tạo nên hai kênh tương ứng song song với nhau. Mô
hình hai dòng này có thể được biểu diễn bằng mạch song song, trong đó điện
trở suất của hai loại hạt dẫn được ký hiệu là  và . (hình 1.3). Vì vậy điện
trở suất của mẫu là:




Trong đó: n là nồng độ, m là khối lượng hiệu dụng, là thời gian hồi
phục của điện tử, Vtx là thế tán xạ của tâm tán xạ đối với điện tử. Nguồn gốc
nội tại của sự phụ thuộc spin của  liên quan đến sự phụ thuộc spin của n, m

*

tại mức Fermi của điện tử dẫn. Nguồn gốc bên ngoài liên quan đến sự phụ
thuộc spin của thế tạp chất hoặc thế sai hỏng. Trong vật dẫn đơn chất, điện trở
suất là tổng các đóng góp từ các tán xạ của hạt dẫn trên phonon, tạp chất, tán
xạ s-d, và các tán xạ khác. Như vậy, điện trở suất của kênh up và kênh down
*

có thể khác nhau do: m khác nhau, n khác nhau,  khác nhau, mật độ trạng


thái tại mức Fermi N (E F của các điện tử có spin up và spin down khác nhau.
)


Nếu bỏ qua tán xạ s-d trong một kênh dẫn nào đó, điện trở suất của kênh đó sẽ
giảm đi. Trường hợp của Ni là một ví dụ. Trong Ni, các mức năng lượng có
spin up đã điền đầy, và do đó không bắt điện tử.
Người ta định nghĩa hệ số bất đối xứng spin như sau:





(1.2.6)


Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau. Điện 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 đạo SOI (Spin-Orbital Interaction) và có bản chất lượng tử.
Như vậy ở nhiệt độ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do đó quá trình
trộn lẫn hai kênh spin được bỏ qua.



Khi nhiệt độ lớn hơn Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là đáng kể và số
hạng điện trở suất





, .

được đưa vào. Chú ý rằng khi nhiệt độ thấp,

Biểu thức (1.2.7 trở thành (1.2.3). Khi nhiệt độ đủ cao,
biểu thức (1.2.7) trở thành:
   
 4





