intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Tiểu luận Vật liệu quang từ: Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:35

Thêm vào BST
Báo xấu
238
lượt xem 27
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiểu luận Vật liệu quang từ: Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển nêu lên một vài vấn đề tổng quan; ứng dụng và hướng phát triển của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) (hướng nghiên cứu vật liệu mới, hướng nghiên cứu về cấu trúc).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận Vật liệu quang từ: Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG  BÀI TIỂU LUẬN MÔN VẬT LIỆU QUANG TỪ HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN GVHD : TS Đinh Sơn Thạch HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang Lớp : Cao học quang học – K21 TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2012
  2. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................ 1 LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 2 CHƢƠNG I – TỔNG QUAN .............................................................................. 3 I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ .................................................................... 3 1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR ) ................................. 3 1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance - OMR) .. 3 1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ( Anisotropic Magnetoresistance - AMR) ........................................................................................................ 3 2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers) ................................................ 4 3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR ) ...... 5 3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR ................................................................ 5 3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR ......................................................................................................... 8 3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott .................................................. 9 3.2.3 – Dựa trên cấu trúc vùng năng lƣợng và quá trình tán xạ s-d......14 II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong màng mỏng đa lớp dị thể (Granular GMR) ..............................................................................................................18 1 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể ................................................................18 2 – Giải thích hiện tƣợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt ...............19 3 – Cấu trúc nano dị thể .............................................................................20 4 – Cấu trúc đơn domain ............................................................................22 CHƢƠNG II - ỨNG DỤNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) ................................................................23 I – Các hƣớng nghiên cứu vật liệu mới ..........................................................24 1.1 - Hợp chất perovskite chứa manganese có pha tạp nguyên tố đất hiếm .....................................................................................................................25 1.2 - Các vật liệu từ kiểu Heusler và bán Heusler ......................................26 II – Hƣớng nghiên cứu về cấu trúc ................................................................26 2.1 - Màng mỏng van spin (spin valve) :.....................................................27 2.2 - Màng mỏng đơn lớp dị thể .................................................................32 Tài liệu tham khảo..................................................................................................33 HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 1
  3. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin dựa trên các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ. Trong đó, quá trình chuyển tải, thu nhận và xử lý thông tin được thực hiện nhờ việc sử dụng thuộc tính điện tích của điện tử, đỉnh cao phát triển của điện tử truyền thống (electronics) là tạo ra các linh kiện bán dẫn transistor, các mạch tích hợp. Trong khi việc lưu trữ thông tin được thực hiện nhờ thuộc tính spin của điện tử trong các đĩa cứng và đĩa mềm chế tạo bằng vật liệu từ. Như vậy, hai thuộc tính quan trọng của điện tử là điện tích và spin đã được sử dụng một cách riêng lẻ trong các linh kiện khác nhau. Năm 1988, hai nhóm vật lý người Pháp Albert Fert và người Đức Peter Gruenberg phát hiện hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance – GMR effects) – là hiệu ứng gây ra sự thay đổi mạnh của điện trở của vật liệu theo chiều và cường độ của từ trường tác dụng lên cấu trúc màng mỏng từ đa lớp sắt từ với lớp kim loại phi từ kẹp giữa; bản chất của hiệu ứng này là sự tán xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn. Việc phát hiện hiệu ứng GMR đã cho phép con người có thể sử dụng đồng thời cả hai thuộc tính của điện tử dẫn là spin và điện tích vào việc xử lý và truyền thông tin trên một linh kiện – điều mà những linh kiện bán dẫn điện tử truyền thống trước đây không thể thực hiện được. Với việc phát hiện hiệu ứng GMR đã mở ra một hướng phát triển mới cho vật lý và công nghệ nano, mở ra một nhánh mới của điện tử học – điện tử học spin hay spintronics, và GMR cùng với TMR (hiệu ứng từ trở xuyên ngầm) là hai trụ cột của spintronics. Mục đích chính của spintronics là sử dụng spin của điện tử để chuyển đổi (mã hóa), mang (truyền tải) và nhận biết (phát hiện) thông tin/tín hiệu. Nhận thức được tầm quan trọng của GMR trong lĩnh vực spintronics đã hướng em đến chọn lựa đề tài tiểu luận là : “Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển ” HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 2
  4. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch CHƢƠNG I – TỔNG QUAN I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR ) Hiệu ứng từ điện trở (MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn khi nó được đặt trong từ trường ngoài. Hiệu ứng MR lần đầu tiên được tìm thấy vào năm 1857 bởi Lord Kelvin trên các mẫu hợp kim NiFe với sự thay đổi điện trở suất không quá 5% ở nhiệt độ phòng. Đó là hiệu ứng từ điện trở dị hướng. Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên sự thay đổi của điện trở dưới tác dụng của từ trường ngoài.  AP   P MR  (1.1) P Trong đó :  P ,  AP lần lượt là điện trở suất của vật dẫn khi không có từ trường ngoài và có từ trường ngoài đặt vào. Tỉ số từ trở MR có thể âm hay dương. 1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance - OMR) Hiệu ứng OMR quan sát thấy ờ các kim loại phi từ, thường là hiệu ứng dương ( tức điện trở tăng theo từ trường tác dụng lên vật ). Trong những kim loại phi từ thì hiệu ứng MR xảy 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. 1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ( Anisotropic Magnetoresistance - AMR) Hiệu ứng AMR là hiệu ứng từ điện trở, mà trong đó sự thay đổi của điện trở của vật dẫn từ dưới tác dụng của từ trường ngoài phụ thuộc vào góc giữa vectơ từ độ và dòng điện. Đối với các hợp kim có từ tính, các kim loại sắt từ, ta có thể quan sát thấy được hiệu ứng này. Sự thay đổi điện trở suất trong AMR lớn hơn nhiều so HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 3
  5. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch với OMR. Hiệu ứng AMR xảy ra do lực Lorentz tác dụng lên điện tử. Về bản chất, hiệu ứng AMR chính là sự phụ thuộc của điện trở suất vào góc  giữa vectơ từ độ và chiều dòng điện, được thể hiện qua biểu thức sau :   o   AMR cos 2  (1.2) Ở nhiệt độ phòng, tỉ số AMR lớn nhất (khoảng 6%) đã được tìm thấy trong hợp kim khối Ni1 x Cox (với x = 0,2). Đối với hợp kim permalloy Ni80 Fe20 , tỉ số AMR khoảng 4%. Tỉ số AMR giảm theo độ dày của màng và điều kiện chế tạo, như với màng permalloy dày 30nm, tỉ số này thường vào khoảng 2,5%. [3] 2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers) Cấu trúc cơ bản của màng đa lớp từ gồm lớp kim loại sắt từ A và lớp kim loại phi từ B xếp xen kẽ nhau. Bề dày của mỗi lớp khoảng vài nano mét và số lượng các lớp khoảng từ 3 đến 100 lớp. Hình 1.1 Cấu trúc một màng đa lớp từ với lớp sắt từ A có bề dày d và lớp phi từ B có bề dày d’. Hai đặc điểm quan trọng của màng đa lớp từ là - Sự định hướng của từ độ của các lớp từ được kiểm soát một cách dễ dàng bởi từ trường ngoài, bởi vì tương tác (coupling) giữa từ độ của các lớp từ yếu do có lớp phi từ kẹp giữa chúng. - Bề dày mỗi lớp đủ mỏng để điện tử dẫn cảm nhận được sự thay đổi hướng của độ của các lớp từ. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 4
  6. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Nếu lớp phi từ là kim loại thì MR được gọi là MR khổng lồ (GMR). Nếu lớp phi từ trong màng mỏng ba lớp là chất cách điện thì MR được gọi là MR xuyên ngầm (TMR). Xét với vật liệu có hiệu ứng GMR thì Fe, Co, Ni và những hợp kim của chúng thường được chọn để làm lớp sắt từ A, trong khi các kim loại chuyển tiếp phi từ như Cr, Ru hoặc các kim loại hiếm Cu, Ag, Au được sử dụng để làm lớp phi từ B. Có tiêu chí gì khi chọn vật liệu phi từ, sắt từ để tạo màng đa lớp không ? Hay với những cặp kim loại sắt từ/phi từ nào sẽ thu được giá trị từ trở lớn ? Câu trả lời là việc lựa chọn dựa trên hai yếu tố quan trọng : phù hợp mạng (lattice matching) và phù hợp vùng (band matching) giữa kim loại sắt từ và phi từ. Như với màng mỏng Co có cấu trúc fcc với hằng số mạng là 3,56Ao, chỉ nhỏ hơn 2% so với hằng số mạng 3,61Ao của mạng fcc Cu. Cả với trường hợp Fe/Cr đều có cấu trúc bcc và hằng số mạng lần lượt là 2,87Ao với Fe, 2,88Ao với Cr. Vì thế nên cũng không ngạc nhiên khi với màng đa lớp Co/Cu, Fe/Cr người ta đã thu được giá trị GMR cao [6]. 3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR ) Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là sự thay đổi lớn của điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. 3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR Hiệu ứng GMR được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1986 của nhóm của nhà vật lý người Đức Peter Grünberg , nhóm này đã quan sát được sự thay đổi của điện trở R / R  1.5% của màng gồm ba lớp có cấu trúc Fe(12nm)/Cr(1nm)/Fe(12nm) chế tạo bằng phương pháp MBE trên đế GaAs. Độc lập với nhóm của Peter Grünberg, vào năm 1988, nhóm của nhà vật lý người Pháp Albert Fert đã quan sát được sự thay đổi 50% của điện trở của   màng đa lớp Fe  30 Ao  / Cr  9 Ao  40 (nghĩa là các lớp Fe, Cr có độ dày tương ứng là 3nm, 0,9nm, hệ gồm 40 lớp kép) dưới tác dụng của từ trường ngoài ở nhiệt độ 4,2K [4]. Đây là một sự thay đổi lớn chưa từng được quan sát trước đây. Vì vậy mà hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 5
  7. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Magnetorisistance – GMR ). Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự “khổng lồ” của thay đổi điện trở mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử. Hình 1.2 Từ trở của siêu mạng ba lớp Fe/Cr ở nhiệt độ 4,2K. Dòng điện và từ trường ngoài có phương dọc theo phương tinh thể [110] trong mặt phẳng của các lớp [4]. Sau phát minh này thì hiệu ứng GMR đã được nghiên cứu một cách mạnh mẽ trên rất nhiều hệ mảng mỏng đa lớp khác nhau kiểu TM t  / TNM t  , với TM là kim loại có từ tính, điển hình như Fe, Co, Ni m nm n và hợp kim của chúng, TNM là kim loại phi từ, như V, Cr, Mo, Ru, …, Ag, Au, Cu… .. A. Fert và P.Gr u nberg đã sử dụng phương pháp MBE để chế tạo màng đa lớp. Hạn chế của phương pháp này là phức tạp, có giá thành cao, chỉ phù hợp tốt với một phòng thí nghiệm nghiên cứu, không phù hợp cho cả một quá trình công nghệ có quy mô lớn. Vì thế để có thể ứng dụng GMR vào trong sản xuất công nghiệp cần phải tìm ra một quy trình công nghệ đơn giản hơn, giá thành phải chăng. Vào năm 1990, nhóm của S. Parkin đã chứng minh được rằng GMR có thể được quan sát trong các màng đa lớp được lắng đọng bằng hệ phún xạ dc magnetron – một phương pháp đơn giản và rẻ hơn MBE. Họ đã thu HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 6
  8. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch được những giá trị GMR tương tự từ những màng đa lớp Fe/Cr được chế tạo bằng phương pháp MBE. Hơn nữa, nhóm cũng phát hiện ra từ trở trong cấu trúc siêu mạng Fe/Cr không giảm đơn điệu khi bề dày của lớp Cr tăng (như được báo cáo trước đây) mà độ lớn từ trở dao động như một hàm của bế dày lớp Cr. Kết quả cũng thu được tương tự như với các màng Co/Cr, Co/Ru [5]. Như vậy, công nghệ chế tạo cũng có ảnh hưởng đến độ lớn của hiệu ứng GMR. Kết quả thực nghiệm cho biết, kỹ thuật phún xạ catot thường cho kết quả tốt nhất [3]. Hình 1.3 Sự thay đổi của từ trở bão hòa (tại nhiệt độ 4,5K) theo bề dày lớp Cr của lần lượt của ba cấu trúc       Si 111 / 100 Ao Cr /  20 Ao Fe / tCr Cr  / 50 Ao Cr được lắng đọng lần lượt tại N nhiệt độ : , , 40oC (N=30); o , 125oC (N=20) [5] Mặc dù những giá trị cao nhất của GMR thu được với màng đa lớp từ - phi từ, thì những màng này cũng không phải là vật liệu tốt nhất cho những ứng dụng kỹ thuật. Điều này là do cần có từ trường lớn để bão hòa từ độ của màng đa lớp và để thu được sự thay đổi điện trở lớn. Các nghiên cứu sau này còn chỉ ra rằng, hiệu ứng GMR không chỉ xuất hiện trong các màng đa lớp mà còn xuất hiện trên các màng đơn lớp, các băng hợp kim dị thể như CoCu, CoAg…Cụ thể, vào năm 1992, nhóm của A.E. Berkowitz phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 7
  9. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch (ganular) Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ trở có thể đạt tới hơn 20% ở nhiệt độ 10K. Hình 1.4 Sự phụ thuộc của R / R   R  H   R  H  20kG  / R  H  20kG  theo từ trường ngoài trong màng mỏng dị thể Co – Cu. Đường cong a, b được đo tại nhiệt độ 100K, đường cong c thu được ở nhiệt độ 10K. (Theo Berkowitz et al.) [6] Sau đó, nhóm của J. Q. Xiao đã khảo sát hiệu ứng GMR đối với màng đơn lớp dị thể Co – Cu và nhận thấy rằng giá trị của GMR giả đi khi nhiệt độ tăng, cụ thể với màng Co38Cu62 (trong điều kiện ủ nhiệt TA = 480oC) đo tại nhiệt độ 5K và nhiệt độ phòng 300K thì kết quả thu được lần lượt là 13% và 8%. Nhóm cũng nhận thấy rằng giá trị của GMR phụ thuộc vào nồng độ và kích thước đám hạt từ [10] . Sau những khám phá về hiệu ứng GMR xuất hiện trong các hệ màng mỏng từ đa lớp và hệ màng mỏng đơn lớp dị thể thì có rất nhiều nghiên cứu về hiệu ứng này được tiến hành và lý thuyết về GMR cũng dần được hoàn thiện. 3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR Như đã đề cập ở trước, GMR có bản chất khác hẳn các hiệu ứng từ điện trở đã được nghiên cứu trước đây bởi vì GMR là một hiệu ứng lượng tử. Cơ chế của hiệu ứng GMR là tán xạ phụ thuộc spin của điện tử. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 8
  10. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Hơn nữa để có hiệu ứng GMR thì khi chưa đặt từ trường ngoài vào màng thì từ độ giữa các lớp từ phải đối song song với nhau và chiều dài quãng đường tự do trung bình của các electron dẫn phải lớn hơn nhiều so với khoảng cách giữa các lớp đệm phi từ sao cho electron có thể đi qua các lớp từ và tạo ra hiệu ứng GMR. Điện trở của vật rắn phụ thuộc vào tán xạ của điện tử dẫn trong vật, bao gồm : - Tán xạ trên nút mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể, gọi là tán xạ trên phonon. - Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính, gọi là tán xạ trên magnon. - Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể, gọi là tán xạ trên defect. - Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích hiệu ứng GMR. Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên magnon. Khi có các phần tử mang từ tính (như các lớp sắt từ trong các màng đa lớp, các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng khác nhau về momen từ (do tác động của từ trường 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 vật rắn. Nói một cách chính xác hơn, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott. Hai dòng điện ở đây là dòng của các điện tử có spin thuận và dòng điện của các điện tử có spin nghịch. 3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott Mô hình này được Mott đề xuất vào năm 1935 để giải thích sự tăng đột ngột điện trở suất của kim loại sắt từ khi nó được nung nóng trên nhiệt độ Curie TC. Mô hình này có thể được mô tả một cách đơn giản như sau :  Ở nhiệt độ đủ thấp T
  11. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch  Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân bằng của hai loại spin có chiều khác 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 kí hiệu là   và   . Hình 1.5 Mô hình hai kênh dẫn Theo Mott, độ dẫn điện của kim loại bằng tổng độ dẫn điện tương ứng với điện tử có spin up và spin down :     Theo mô hình Drude : e 2 k F2  Drude     6 Trong đó,  Drude là độ dẫn điện Drude trên một spin; e2 /    0.387.104 1 là lượng tử dẫn spin (spin conductance quantum); k F là momen động lượng Fermi;  là quãng đường tự do trung bình, được tín bởi công thức   vF . , với  là thời gian hồi phục, v F là vận tốc Fermi [6] Điện trở suất của mẫu :       m* Trong đó ,  ne2 , Với m* là khối lượng hiệu dụng của điện tử, n là mật độ điện tử, 2 2  là thời gian hồi phục,  1  Vscat n  EF  , và Vscat 2 , n  EF  lần lượt là  HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 10
  12. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch giá trị trung bình của thế tán xạ, mật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi của spin tương ứng. Như vậy, nguồn gốc nội tại của sự phụ thuộc spin của điện trở suất là do các đại lượng n, m* , đều phụ thuộc spin, trong đó quan trọng nhất là sự phụ thuộc spin của thời gian hồi phục, bởi vì nó ảnh hưởng đến tán xạ điện tử một cách mạnh mẽ nhất. Ngoài ra, thế tán xạ không phải là tính chất nội tại của kim loại, nó phát sinh là do có các khuyết tật, tạp chất, hoặc dao động mạng. Thế tán xạ có thể phụ thuộc spin hoặc có thể không. Đây là nguồn gốc bên ngoài của sự phụ thuộc spin của điện trở suất. a – Giải thích hiệu ứng GMR Với cấu trúc màng đa lớp, thì các lớp phản sắt từ hay phi từ đóng vai trò ngăn cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho momen từ của các lớp sắt từ phải có sự định hướng khác nhau sao cho có sự cân bằng về từ độ. Sự tác động của từ trường ngoài sẽ dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của momen từ ở mỗi lớp, dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin phân cực và dẫn đến sự thay đổi về điện trở suất để từ đó GMR xuất hiện khi từ trường ngoài tăng đến giá trị bão hòa. Hiệu ứng GMR có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của ba giả thiết sau :  Vì độ dày của lớp phi từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của các điện tử, nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác.  Khi chuyển động trong các vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào định hướng spin của chúng.  Định hướng tương đối của các vectơ từ độ trong các lớp có thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 11
  13. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Hình 1.6 Mô hình hai dòng điện của Mott dùng để giải thích hiệu ứng GMR b - Bản chất vật lý của hiệu ứng GMR Giả thiết rằng, bề dày các lớp màng tương đương với quãng đường tự do trung bình của các điện tử và mỗi điện tử khi đi từ lớp từ này đến lớp từ kế tiếp theo sẽ mang một cấu hình spin nhất định (spin up hoặc spin down) và không đổi cho đến khi bị tán xạ, tức tính bảo toàn spin được bảo đảm. Các spin có chiều song song với từ độ thì ít bị tán xạ hơn các spin có chiều phản song song với từ độ. Khi chưa đặt mẫu trong từ trường ngoài (H = 0), ứng với cấu hình phản song song (hình b), các lớp sắt từ sắp xếp theo kiểu phản song song, tất cả các điện tử có spin up và down đều tán xạ mạnh trong lớp từ tính này và tán xạ yếu trong lớp từ tính khác. Trong cấu hình phản song song này, toàn bộ các điện tử dẫn đều bị tán xạ như nhau, điều này làm cho hệ giống như một cái van (đối với các spin) có tác dụng hạn chế dòng “chảy” của hai kênh điện tử. Vì thế điện trở suất ứng với mỗi kênh đều cao như nhau. Cấu hình này sẽ có điện suất tương đương :     AP  (1.2) 4 HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 12
  14. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Còn khi đặt mẫu trong từ trường ngoài, 0  H  H S , với H S là từ trường bão hòa,và từ trường tăng dần thì từ trường ngoài sẽ dần dần sắp xếp từ độ của các lớp theo chiều từ trường, điều này sẽ làm cho sự tán xạ của điện tử có spin up trên kênh ứng với spin down giảm dần (do từ độ của kênh này đã chuyển hướng song song với chiều spin) nên điện trở suất của hệ giảm dần từ giá trị  AP . Cho đến khi H  H S thì từ độ trong các lớp đều song song với nhau và song song với spin up thì sự tán xạ của điện tử có spin up trong hệ là nhỏ nhất, điện trở suất của hệ lúc này có giá trị cực tiểu bằng  P . Với H  H S , hệ sẽ ứng với cấu hình song song (hình a), từ độ của các lớp sắt từ song song với nhau, các điện tử có spin up có quãng đường tự do trung bình lớn trong toàn bộ mẫu. Điều này có nghĩa là các điện tử này tải điện dễ dàng do hầu như không bị tán xạ với các momen từ cùng chiều, vì thế có điện trở suất nhỏ   , tức có độ truyền qua cao. Ngược lại, các điện tử có spin down có quãng đường tự do trung bình ngắn hơn do bị tán xạ mạnh với các momen từ ngược chiều nên điện trở suất   lớn hơn. Trong trường hợp này thì hệ như một cái van mở thông cho kênh ứng với spin up truyền qua, hay có sự đoản mạch đối với kênh spin up. Khi đó, điện trở của hệ sẽ nhỏ hơn (nhỏ nhất) so với trường hợp của cấu hình phản song song. Nếu độ dày của lớp đệm phi từ nhỏ hơn 1nm thì điện trở suất tương đương với màng mỏng đa lớp có cấu hình song song là :   P  (1.3)    Độ lớn của hiệu ứng GMR là : 2   AP   P       1    2 MR       (1.4)  AP  AP       1     Với   là tham số bất đối xứng spin  Từ biểu thức (1.4) ta có thể thấy được giá trị của GMR phụ thuộc vào sự bất đối xứng về điện trở suất  giữa hai kênh dẫn của lớp sắt từ. Với tham số  lớn, tức  >>1 hoặc 
  15. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Khi nhiệt độ mẫu lớn hơn nhiệt độ Curie, thì quá trình trộn hai kênh dẫn không thể bỏ qua và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất trộn-spin (spin – mixing)   . Điện trở suất khi đó được tính bởi công thức :    4        (1.5)     4  Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau : điện tử có spin up (hoặc down) bị tán xạ vào trạng thái có spin down (hoặc up) bằng việc sinh ra hoặc hủy một magnon. Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là tương tác spin – quỹ đạo (spin – orbital interaction) và có bản chất lượng tử. Như vậy ở nhiệt độ thấp (dưới nhiệt độ Curie), việc sinh ra magnon sẽ ít, nên quá trình trộn lẫn hai kênh dẫn được bỏ qua. Ở nhiệt độ thấp,    ,  thì biểu thức (1.5) trở thành biểu thức (1.3). Ở nhiệt độ đủ cao để    ,  thì biểu thức (1.5) được viết lại là :     (1.6) 4 3.2.3 – Dựa trên cấu trúc vùng năng lƣợng và quá trình tán xạ s-d a – Cấu trúc vùng năng lƣợng Cấu trúc vùng năng lượng của màng đa lớp gần như chắc chắn là đặc tính quan trọng nhất để làm rõ tính dẫn điện phụ thuộc spin và hệ quả là gây ra GMR. Cấu trúc điện tử của kim loại chuyển tiếp và các kim loại sắt từ 3d được xét chủ yếu các orbitan d và s. Vị trí tương đối của mức Fermi EF với trạng thái s và d phụ thuộc vào từng vật liệu. Nguồn gốc từ tính trong các kim loại này tương ứng là do các electron thuộc nhóm 3d và 4f. Dưới đây, ta chủ yếu xét đến từ tính của các nguyên tố thuộc nhóm 3d. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 14
  16. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Trong các nguyên tử tự do, các mức năng lượng nguyên tử 3d và 4s của các nguyên tố chuyển tiếp 3d là “chỗ ở” (host) của các electron hóa trị. Ở trạng thái kim loại, các mức 3d và 4s này bị mở rộng ra thành vùng năng lượng. Trong đó, các quỹ đạo 4s bị mở rộng khá lớn trong không gian, dẫn đến sự chồng phủ lên nhau giữa với quỹ đạo 4s của các nguyên tử lận cận, vì thế vùng 4s được trải rộng trong khoảng năng lượng 15 – 20 eV. Ngược lại, quỹ đạo 3d bị mở rộng ít hơn, vùng năng lượng 3d chỉ là một dải hẹp, với bề rộng khoảng 4 – 7 eV. Thực tế, không thể phân biệt rõ ràng giữa quỹ đạo 3d và 4s bởi vì chúng sẽ lai hóa lẫn nhau trong vật liệu rắn. Tuy nhiên, để đơn giản, các electron thuộc lớp 3d sẽ được coi là các electron kim loại – nghĩa là chúng linh động và có thể mang dòng điện đi qua hệ mặc dù độ linh động của chúng còn kém hơn nhiều so với các electron thuộc lớp 4s. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 15
  17. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Hình 1.7 Mô tả mật độ trạng thái của kim loại Cr, Fe, Co, Cu. Các kí hiệu : +, - lần lượt là trạng thái điện tử ứng với spin  ,  . Đường nét đứt là mức năng lượng Fermi. Trong kim loại sắt từ 3d, giả sử rằng, các hạt tải điện chủ yếu là các điện tử s (vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn) nên vùng s không bị tách, do đó điện tử s có spin – up và spin – down là bằng nhau. Với kim loại này thì có sự tách vùng ở phân vùng d, mà vị trí tương đối của phân vùng ứng với điện tử có spin – up thấp hơn phân vùng của các điện tử có spin – down. Theo nguyên tắc tối ưu về mặt năng lượng thì phân vùng năng lượng của điện tử có spin – up bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn. Do đó, các điện tử có spin – up gọi là hạt tải đa số, còn điện tử có spin – down là hạt thiểu số. Các điện tử đa số quyết định chiều của từ độ và hiệu số của số lượng điện tử có spin – up và spin – down quyết định độ lớn của từ độ. Ta có thể thấy được, với nguyên tố Co, dưới mức Fermi phân vùng 3d với các spin – up bị lấp đầy hoàn toàn, còn phân vùng 3d với các spin – down cắt mức Fermi, tức phân vùng này vẫn còn trống. Còn đối với Fe, thì mật độ trạng thái của các spin – up ở trên mức Fermi vẫn tồn tại nhưng nhỏ hơn nhiều so với trạng thái spin – down. b. Cơ chế tán xạ s – d Cơ chế tán xạ s – d là tán xạ của các điện tử s trên các trạng thái d ở gần mức Fermi. Để hiệu ứng GMR xảy ra thì một điều kiện là chiều dày của các lớp phải nhỏ hơn hoặc gần bằng với quãng đường tự do trung bình của các điện tử. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 16
  18. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Vì chỉ có các điện tử từ 3d ở lân cận mức Fermi mới tham gia vào quá trình tán xạ do mật độ trạng thái chưa được lấp đầy, chỉ có điện tử 4s mới tham gia vào quá trình dẫn điện và chỉ có tán xạ s – d mới gây ra sự dị thường của điện trở suất khi có từ trường ngoài tác dụng, nên các tán xạ khác được bỏ qua. Hình 1.8 Sơ đồ mật độ trạng thái điện tử trong cấu trúc lớp và quá trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc lớp. Kí hiệu NM : kim loại phi từ, FM : kim loại sắt từ, EF : mức năng lượng Fermi, M : chiều của từ độ của lớp sắt từ. Xét các điện tử dẫn 4s (up – spin , down – spin ), giả sử, được xuất phát từ một lớp kim loại phi từ đầu tiên (bên trái hình vẽ) khi chuyển động đến lớp sắt từ tiếp theo thì sẽ có hai trường hợp xảy ra ứng với cấu hình sắp xếp từ độ của các lớp sắt từ. Nếu từ độ của các lớp sắp xếp phản song song với nhau (trường hợp hình vẽ a - ứng với trường hợp từ trường ngoài H = 0), các điện tử có spin down bị bắt ngay khi vào các trạng thái 3d ứng với spin down còn trống (do có cùng trạng thái) của lớp sắt từ bên cạnh, nghĩa là bị tán xạ và sẽ không tiếp tục tham gia vào quá trình dẫn điện (mô phỏng bằng đường cung chấm màu xanh lơ ). Trong khi đó, các điện tử có spin up (có cùng chiều với từ độ) không bị bắt ở lớp sắt từ đầu tiên vì không có trạng thái 3d ứng với spin up nào trống cả. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 17
  19. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Nhưng khi điện tử này đến lớp sắt từ tiếp theo thì bị bắt (vì có trạng thái 3d ứng với spin up còn trống) (biểu thi bằng cung, nét đứt màu đỏ). Vì đây là sơ đồ có cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin up và spin down còn trống đều được phân bố lần lượt nhau, cho nên có thể thấy rằng cả hai kênh điện tử spin up và spin down đều tương đương nhau trong quá trình truyền qua hệ và đều bị tán xạ như nhau, dẫn đến điện trở suất của cả hệ ở trạng thái cao. Trường hợp momen từ của các lớp sắt từ sắp xếp song song với nhau (hình b), có thể thấy rằng chỉ có các trạng thái 3d spin down là còn trống nên chỉ có điện tử pin down bị tán xạ (cung nét đứt màu xanh), còn kênh ứng với điện tử có spin up thì do các trạng thái 3d với spin tương đương đều đã điện đầy nên kênh này được thông hoàn toàn (đường cong liền nét màu đỏ). Đó là trường hợp đoản mạch một kênh điện tử, dẫn đến điện trở suất của hệ giảm. II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong màng mỏng đa lớp dị thể (Granular GMR) 1 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể Màng mỏng đơn lớp dạng hạt có cấu tạo gồm các hạt kim loại bị từ hóa, như Fe, Co,..., được phân bố trong một lớp lớp kim loại phi từ, như Cu, Ag…Kích thước của những hạt này vào cỡ nano mét và momen từ của chúng gần như là bị cô lập với nhau. Ta coi như hai hạt sắt từ nằm cạnh nhau giống như hai lớp sắt từ trong hệ màng mỏng đa lớp, nền phi từ ở giữa hai hạt như lớp kim loại phi từ kẹp giữa hai lớp sắt từ này. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 18
  20. Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch Hình 1.9 Sơ đồ minh họa cấu tạo của màng mỏng từ đơn đơn lớp dị thể 2 – Giải thích hiện tƣợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt Hiện tượng GMR được tìm thấy trong hệ màng mỏng đơn lớp dị thể lần đầu tiên vào năm 1992. Bản chất của hiện tượng GMR trong mẫu hạt cũng là sự tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn và có thể giải thích dựa trên kết quả trong mô hình tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn trong mẫu đa lớp. Hình 1.10 Mô tả hiệu ứng GMR ở màng mỏng đơn lớp dị thể Khi chưa có từ trường ngoài, momen từ của các hạt sắt từ định hướng một cách ngẫu nhiên, do đó cả hai kênh điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên đường chuyển động qua các hạt sắt từ, nên hệ ở có điện trở suất cao. HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang 19
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2062 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2