TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
====== NGUYỄN VĂN THIỀN
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO
TỪ TRƢỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG
DẠNG CẦU WHEATSTONE
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
HÀ NỘI - 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
====== NGUYỄN VĂN THIỀN
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO
TỪ TRƢỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG
DẠNG CẦU WHEATSTONE
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
ThS Lê Khắc Quynh
HÀ NỘI - 2018
LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Lê Khắc Quynh
ngƣời đã giúp đỡ định hƣớng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý
báu, tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn
thành khoá luận tốt nghiệp.
Tiếp theo, em xin cám ơn tất cả các thầy, các cô thuộc Trƣờng Đại học Sƣ
phạm Hà Nội 2 nói chung và các thầy, các cô trong khoa Vật Lý nói riêng đã
giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng khoa học từ kiến thức
cơ bản đến kiến thức chuyên sâu, cũng nhƣ kĩ năng thực hành, thực nghiệm
trong suốt bốn năm học qua.
Cuối cùng, em xin gửi những lời chúc tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình và
bạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ và động viên em vƣợt qua những
khó khăn, hoàn thành khoá luận một cách tốt đẹp.
Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khoá luận của em
không tránh khỏi sự thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận đƣợc những đóng góp
ý kiến của thầy cô và bạn bè để khoá luận đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh Viên
Nguyễn Văn Thiền
LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp của em hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của
thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh. Trong quá trình nghiên cứu hoàn thành bản
khóa luận em có tham khảo một số tài liệu của một số tác giả đã ghi trong phần
tài liệu tham khảo.
Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong khoá luận hoàn toàn là
trung thực và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất kì nơi nào khác, mọi nguồn tài
liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng.
Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh Viên
Nguyễn Văn Thiền
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................1
4. Nhiệm vụ của đề tài .........................................................................................1
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................2
6. Cấu trúc của đề tài ...........................................................................................2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ...............................................................................3
1.1. Phân loại vật liệu từ ......................................................................................3
1.1.1. Chất nghịch từ ...........................................................................................3
1.1.2. Chất thuận từ .............................................................................................5
1.1.3. Chất sắt từ..................................................................................................6
1.1.3.1. Vật liệu từ cứng ..................................................................................... 9
1.1.3.2. Vật liệu từ mềm .................................................................................... 10
1.1.3.3. Vật liệu ghi từ ....................................................................................... 12
1.1.4. Chất phản sắt từ ....................................................................................... 13
1.1.5. Chất feri từ .............................................................................................. 15
1.2. Các hiệu ứng từ điện trở ............................................................................. 17
1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở ................................................................................ 17
1.2.2. Hiệu ứng ARM ........................................................................................ 18
1.2.3. Hiệu ứng Hall thƣờng ............................................................................. 20
1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng ............................................................................... 22
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................. 25
2.1. Chế tạo cảm biến ........................................................................................ 25
2.2. Phún xạ tạo màng ....................................................................................... 26
2.3. Hệ đo tính chất từ VSM ............................................................................. 27
2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng ........................................................................ 28
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 30
3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe ................................................................ 30
3.1.1. Tính chất từ của lớp màng phụ thuộc vào tƣờng ghim ........................... 30
3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hƣớng hình dang cảm biến .............. 31
3.1.3. Tính chất từ của lớp màng phụ thuộc vào bề dày ................................... 32
3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của cảm biến có kích thƣớc tối ƣu ......................... 33
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................ 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 36
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đƣờng cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co13Cu887 trên đế Si đo
bằng từ kế mẫu rung ............................................................................................ 4
Hình 1.2. Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất thuận từ .............. 5
Hình 1.3. Hình ảnh đômen từ khi không có từ trƣờng ngoài tác dụng và có từ
trƣờng ngoài tác dụng ........................................................................................ 7
Hình 1.4. Hình vẽ đƣờng cong từ trễ của vật liệu sắt từ ..................................... 8
Hình 1.5. Hình vẽ mô tả sự biến đổi nhiệt độ Curie của vật liệu sắt từ .............. 8
Hình 1.6. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ cứng: (a) Nam châm vĩnh
cửu, (b) Bệ phóng tàu con thoi tƣơng lai ............................................................ 9
Hình 1.7. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ mềm: (a) Hình ảnh bên
trong của một máy biến thế, (b) Hình ảnh nam châm điện đầu tiên làm từ một
lõi sắt non .......................................................................................................... 11
Hình 1.8. Hình vẽ mô tả diện tích đƣờng cong từ trễ của vật liệu từ cứng và
vật liệu từ mềm .................................................................................................. 12
Hình 1.9. Hình ảnh ứng dụng của vật liệu ghi từ .............................................. 12
Hình 1.10. Hình ảnh mô tả cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân
mạng spin đối song và bằng nhau ..................................................................... 13
Hình 1.11. Hình ảnh mô tả sự liên kết phản sắt từ trong các màng mỏng đa lớp
valse spin trong ổ đĩa cứng ................................................................................ 14
Hình 1.12. Hình ảnh mô tả sắp xếp của các mômen từ nguyên tử trong vật liệu
feri từ ................................................................................................................. 15
Hình 1.13. Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel ...................................... 16
Hình 1.14. Hình vẽ mô tả sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt
độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ...................................................... 17
Hình 1.15. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR ..................................... 19
Hình 1.16. Đồ thị mô tả giá trị của điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa
dòng điện chạy qua và hƣớng của vectơ từ hoá ................................................ 20
Hình 1.17. Hình ảnh mô tả hƣớng và chiều tác dụng của từ trƣờng ngoài trong
hiệu ứng Hall ..................................................................................................... 22
Hình 1.18. Mô hình hiệu ứng Hall phẳng ......................................................... 23
Hình 1.19. Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thƣờng và hiệu
ứng Hall phẳng .................................................................................................. 23
Hình 1.20. Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế ARM .. 24
Hình 2.1. (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở (a), mặt
nạ điện cực (b), cảm biến mô phỏng (c) và cảm biến hoàn thiện (d) ............... 25
Hình 2.2. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC ................................................ 26
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung ...................................................... 27
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở ......................................... 28
Hình 2.5. Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở ................................................ 28
Hình 3.1. Đƣờng cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến đƣợc chế tạo với các từ
trƣờng ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe ........................................................ 30
Hình 3.2. Đƣờng cong từ hóa tỉ đối M/Ms của các cảm biến có cùng chiều rộng
1 mm nhƣng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trƣờng ngoài song song
với phƣơng từ hóa dễ ........................................................................................ 31
Hình 3.3. Đƣờng cong từ hóa tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phƣơng từ
hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15, 20 nm ................. 32
Hình 3.4. (a) Đƣờng cong độ lệch thế và (b) Đƣờng cong độ nhạy của các cảm
biến 1×10 mm, t = 5 nm, tại dòng cấp 1 mA .................................................... 33
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau đƣợc sử dụng để đo từ
trƣờng, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và từ nhƣ
cảm biến giao thoa lƣợng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến
dựa trên hiệu ứng điện – từ, hiệu ứng Hall… Mỗi loại cảm biến đều có đặc
thù riêng, có các ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng tuỳ thuộc vào mục đích và
phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng.
Ngày nay, với kích thƣớc nhỏ, độ nhạy cao, dễ tƣơng thích với các mạch
điện tử, cảm biến từ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ y sinh,
quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không vũ trụ, cảm biến
đo dòng, cảm biến đo từ trƣờng nhỏ…. Phổ biến nhất trong cảm biến từ là
các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ và hiệu ứng từ
điện trở, trong đó cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng đang đƣợc nghiên
cứu trở lại từ năm cỡ 2000 trở lại đây.
Với mục tiêu chế tạo đƣợc cảm biến đo đƣợc từ trƣờng với cấu hình đơn
giản nhƣng lại cho hiệu quả cao tôi đã chọn cảm biến dạng cầu Wheatstone
dựa trên hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu của mình. Tên đề tài
khóa luận là “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng
Hall phẳng dạng cầu Wheatstone”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trƣờng dựa trên hiệu ứng Hall phẳng
dạng cầu Wheatstone.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Vật liệu dạng màng mỏng sắt từ Ni80Fe20 có hiệu ứng Hall phẳng.
4. Nhiệm vụ của đề tài
Chế tạo và khảo sát hiệu ứng Hall phẳng trên các cảm biến với các cấu
1
hình khác nhau.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu có liên quan.
- Thực nghiệm.
6. Cấu trúc của đề tài
Phần 1: Mở đầu
Phần 2: Nội dung
- Chƣơng 1: TỔNG QUAN
- Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
- Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Phân loại vật liệu từ
Ngƣời ta phân loại vật liệu từ thành các chất sau: Chất nghịch từ, chất
thuận từ, chất sắt từ, chất phản sắt từ và chất feri từ.
1.1.1. Chất nghịch từ
Vật liệu từ ở trạng thái nghịch từ là vật liệu từ có độ từ cảm nhỏ hơn 0 (hay χ<0, độ lớn nhỏ cỡ 10-5), ít phụ thuộc vào nhiệt độ.
Chất nghịch từ là các chất không có mômen từ. Gần đúng ta coi rằng
trong các chất nghịch từ có các nguyên tử mà trong đó mặt phẳng quỹ đạo
của các electron song song với nhau và quỹ đạo của chúng giống nhau. Trên
các quỹ đạo ấy, các electron chuyển động cùng vận tốc nhƣng ngƣợc chiều
nhau vậy nên làm mômen từ quỹ đạo của chúng luôn trực đối nhau. Do đó
tổng mômen từ quỹ đạo luôn bằng không. Tính chất thuận từ thể hiện ở khả
năng hƣởng ứng thuận theo từ trƣờng ngoài, tức là các chất này có mômen từ
nguyên tử (nhƣng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trƣờng ngoài các
mômen từ này sẽ bị quay theo từ trƣờng ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng
cộng trong chất tăng lên.
Trên cơ sở lý thuyết các nhà khoa học đã chứng minh đƣợc là các
mômen từ riêng (mômen spin) của electron cũng luôn ngƣợc chiều nhau, nên
tổng mômen từ riêng của nó cũng bằng không. Do đó mômen từ nguyên tử
của electron (mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin) cũng bằng không. Và khi
đặt vào trong từ trƣờng ngoài, các electron đều có mômen từ cảm ứng cùng
chiều nhau và ngƣợc chiều với từ trƣờng ngoài. Kết quả là mômen từ của mỗi
nguyên tử khác không dẫn tới toàn bộ chất nghịch từ có mômen từ khác
không đồng thời ngƣợc chiều với từ trƣờng ngoài.
3
Hiện tƣợng nghịch từ thƣờng xuất hiện ở tất cả các vật nhƣng lại bị che
lấp bởi các hiệu ứng khác chiếm ƣu thế hơn (nhƣ hiện tƣợng thuận từ, hiện
tƣợng sắt từ…). Hiện tƣợng nghịch từ đƣợc thể hiện rõ nhất ở những chất mà
mômen từ tổng cộng của chúng bằng không.
Ví dụ: Khí trơ, hợp chất hữu cơ, một số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag…
Hình 1.1. Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co13Cu887 trên đế Si đo
bằng từ kế mẫu rung [2].
Ngƣời ta còn đƣa ra khái niệm vật liệu nghịch từ lý tƣởng đó là vật liệu
siêu dẫn (vật mà ở dƣới nhiệt độ nhƣng điện trở của vật bằng không) vì nó có
và lớn gấp nhiều lần so với các chất nghịch từ khác. Vì vậy, độ
thẩm điện môi của môi trƣờng μ < 1, độ từ cảm χ < 0. Các chất trong nhóm
này là các khí hiếm nhƣ: I, He, Ne, Ar, Kr,...và các ion có các lớp electron
giống khí hiếm. Các chất kim loại nhƣ: Zn, Ag, Pb, Cu, Bi và chất không kim
loại nhƣ NaCl, S, H2O, C, SiO2. Bình thƣờng, ta không quan sát thấy hiện
tƣợngnghịch từ vì tính nghịch từ là rất yếu trong các từ trƣờng thông thƣờng.
Nhƣng nếu ta tiến hành các thí nghiệm ở từ trƣờng cao, sẽ thấy hiện tƣợng
này rõ ràng hơn.
4
1.1.2. Chất thuận từ
Là vật từ có độ từ cảm , giá trị nhỏ (cỡ 10-5- 10-3). χ phụ thuộc
vào nhiệt độ sự phụ thuộc này tuân theo định luật Curie: (Trong đó:
C là hằng số Curie, T là nhiệt độ tuyệt đối)
Hình 1.2. Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất thuận từ.
Chất thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học ngƣời ta
xếp chúng vào nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất
thuận từ đƣợc thể hiện ở khả năng hƣởng ứng thuận theo từ trƣờng bên ngoài
(từ trƣờng ngoài), có nghĩa là các chất này có các mômen từ nguyên tử
(nhƣng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trƣờng ngoài, các mômen từ này
sẽ bị quay theo hƣớng của từ trƣờng ngoài và sẽ làm cho cảm ứng từ tổng
cộng trong chất tăng lên. Khi chƣa có từ trƣờng ngoài, do sự chuyển động
nhiệt nên các mômen nguyên tử sắp xếp một cách hỗn loạn không có phƣơng
ƣu tiên. Do đó, mômen từ tổng hợp của toàn vật thuận từ bằng không và vật
không có từ tính. Khi có từ trƣờng ngoài thì các mômen từ nguyên tử lại có
xu hƣớng sắp xếp theo hƣớng của từ trƣờng đó là chiều ƣu tiên. Do đó, lúc
này toàn bộ chất thuận từ có mômen từ khác không, mômen từ tổng hợp sẽ
cùng chiều với từ trƣờng ngoài. Đây ngƣời ta gọi là hiệu ứng thuận từ.
5
Dƣới đây là một số chất thuận từ cơ bản thƣờng thấy: + Các nguyên tử, phân tử sai hỏng mạng có số điện tử lẻ: Na tự do, NO dạng khí… + Các nguyên tử tự do với lớp vỏ không đầy: Các nguyên tố chuyển tiếp, các nguyên tố nhóm Uran… + Các kim loại: nhóm kim loại thuộc nhóm 4f (nhóm đất hiếm): Pm, Sm, Pr…; nhóm 3d (nhóm sắt) : Co, Mn, Cr… Chất thuận từ và chất nghịch từ đƣợc xếp vào nhóm các chất phi từ, hoặc
nhóm không có trật tự từ. Độ từ thẩm của các chất thuận từ lớn hơn 1 nhƣng xấp xỉ bằng 1 (chỉ chênh lệch cỡ 10−6). Hai yếu tố chính gây ra từ tính yếu
của thuận từ là:
- Mômen từ nguyên tử
- Các mômen từ nguyên tử này nhỏ và hoàn toàn không tƣơng tác
với nhau.
Các chất thuận từ điển hình là: ôxi, nhôm...
1.1.3. Chất sắt từ Chất sắt từ là chất có từ tính mạnh hay khả năng cảm ứng dƣới từ trƣờng
ngoài mạnh. Những chất đặc trƣng cho chất sắt từ nhƣ Fe, Co, Ni, Gd… Về
mặt lý thuyết vật liệu sắt từ là vật liệu có độ cảm ứng từ , độ cảm ứng
từ có rất giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ chế tạo đặc biệt có thể
lên tới hàng triệu).
Chất sắt từ là các chất có các mômen từ nguyên tử. Nhƣng nó khác biệt
so với các chất thuận từ ở chỗ là các mômen từ này lớn hơn và có khả năng
tƣơng tác với nhau (tƣơng tác trao đổi sắt từ). Bản chất tƣơng tác trao đổi sắt
từ này là tƣơng tác tĩnh điện đặc biệt. Tƣơng tác này dẫn đến việc hình thành
trong lòng vật liệu này các vùng (gọi là các đômen từ) mà trong mỗi đômen
này các mômen từ lại đƣợc sắp xếp một cách hoàn toàn song song với nhau
6
tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (nghĩa là độ từ hoá tồn tại ngay cả khi
không có từ trƣờng).
+ Khi không có từ trƣờng, do năng lƣợng nhiệt làm cho các mômen từ
ở các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn không theo trật tự nhất định
hay không có phƣơng nào ƣu tiên. Vì vậy, tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn
bằng 0.
+ Nếu ta đặt từ trƣờng ngoài vào vật liệu lúc này sẽ xuất hiện 2 hiện
tƣợng xảy ra đó là:
- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phƣơng từ trƣờng.
- Sự quay của các đômen từ theo hƣớng từ trƣờng.
Khi tăng dần từ trƣờng đến mức đủ lớn lúc này xuất hiện hiện tƣợng bão
hoà từ, khi đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều
của từ trƣờng tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất. Nếu khi
ta ngắt từ trƣờng ngoài, các mômen từ lại có xu hƣớng trở về với hƣớng ban
đầu và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên các đômen này vẫn còn tƣơng tác
với nhau do vậy tổng môn men từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng
một giá trị khác 0, ta gọi đó là độ từ dƣ (remanent magnetiration). Điều này
tạo thành hiện tƣợng từ trễ của vật liệu.
Hình 1.3. Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ trường ngoài tác dụng.
7
Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ
trƣờng ngƣợc sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, ngƣời ta gọi đó là lực
kháng từ (coercivity hay coercivity field). Đƣờng cong từ hoá (sự phụ thuộc
của từ độ vào từ tƣờng ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó
có đƣờng cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đƣờng cong tuyến tính) và đạt
tới bão hoà khi đƣờng cong đó đủ lớn.
Hình 1.4. Hình vẽ đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ.
Hình 1.5. Hình vẽ mô tả sự biến đổi nhiệt độ Curie của vật liệu sắt từ.
8
Chất sắt từ luôn có hai đặc trƣng cơ bản là đƣờng cong từ trễ và nhiệt độ
Curie Tc. Trong đó nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà ở tại đó chất bị mất trật tự
và khi T>Tc chất trở thành chất thuận từ, T Nhiệt độ Tc còn đƣợc gọi là nhiệt độ chuyển pha giữa chất sắt từ-chất thuận từ. Tc là một thông số đặt trƣng cho chất (thông số nội tại) nhƣ hình 1.5. Ví dụ một số chất có nhiệt độ Curie nhƣ dƣới đây: Fe:1043K; Co:1388K; Ni: 627K; Gd: 292.5K. Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế ngƣời ta phân biệt vật liệu từ thành vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ. Chúng khác biệt nhau ở khả năng tồn giữ từ tính sau khi đƣợc từ hoá. Để đặc trƣng tính chất của các loại vật liệu này ngƣời ta thƣờng dùng đƣờng cong từ trễ nhƣ hình 1.4. 1.1.3.1 Vật liệu từ cứng (a) (b) Hình 1.6. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ cứng. (a) Nam châm vĩnh cửu. (b) Bệ phóng tàu con thoi tương lai Vật liệu từ cứng là vật liệu khó bị từ hóa và cũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ đƣợc tốt dƣới tác dụng của trƣờng ngoài). Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ cứng có lực 9 kháng từ Hc lớn (Hc >100 Oe), nhƣng chúng thƣờng có từ độ bão hòa Ms không cao và nhiệt độ Curie cao. Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hƣớng từ và liên quan đến năng lƣợng từ có đƣợc do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là, thông thƣờng các vật liệu từ cứng thƣờng có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ nhƣ tứ giác, hay lục giác... Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng đƣợc dùng làm vật liệu giữ năng lƣợng (nam châm vĩnh cửu) và lƣu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ...). Nói đến khả năng tích trữ năng lƣợng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích
năng lƣợng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lƣợng J/m3), là năng lƣợng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để có (BH)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đƣờng trễ càng lồi
càng tốt. Đơn vị thƣờng dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m3. Ngoài ra còn có rất nhiều loại nam châm khác nhau với những tính chất khác nữa. Tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng mà ngƣời ta chết tạo ra các loại nam châm khác nhau. Những lĩnh vực chủ yếu ứng dụng của các nam châm là làm loa điện, môtơ điện, các thiết bị đo điện... 1.1.3.2. Vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phƣơng diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Vật liệu từ mềm có đƣờng cong trễ hẹp (lực kháng từ Hc nhỏ, chỉ cỡ dƣới 100 Oe) nhƣng lại có từ độ bão hòa Ms rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhiệt độ Curie thấp nhƣng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trƣờng ngoài. Các vật liệu từ mềm chủ yếu là sắt tinh khiết, sắt kỹ thuật điện, thép ít carbon, hợp kim FeSi, FeNi, FeCo, FeNiMo, FeBSi..., các loại ferit MnZn, NiZn, MnMg... Đặc trƣng mà ngƣời ta quan tâm đến vật liệu từ mềm là tổn hao trễ và tổn hao xoáy: 10 - Tổn hao trễ: Sinh ra do sự mất mát năng lƣợng trong quá trình từ hóa, đƣợc tính bằng diện tích của đƣờng cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xịn" có đƣờng trễ càng hẹp càng tốt. - Tổn hao xoáy: Do các dòng Foucalt sinh ra trong trƣờng xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lƣợng này tỉ lệ thuận với bình phƣơng tần số từ trƣờng, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu. (a) (b) (a) Hình ảnh bên trong của một máy biến thế. Hình 1.7. Hình ảnh một số ứng dụng của vật liệu từ mềm. (b) Hình ảnh nam châm điện đầu tiên làm từ một lõi sắt non. Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất rất cao, những lõi tôn Si chỉ có thể sử dụng trong từ trƣờng tần số thấp (thƣờng là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng đƣợc trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện
trở suất rất lớn tới 106Ωcm, làm giảm tổn hao xoáy). Nhiều loại vật liệu có tính từ giảo đƣợc sử dụng làm thiết bị siêu âm... Các đƣờng cong từ trễ ở hình 1.8 là một trong nhiều cách phân chia tƣơng đối giữa vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. Từ đây ta có thể thấy rằng 11 diện tích đƣờng cong từ trễ của vật liệu từ cứng lớn hơn diện tích đƣờng cong từ trễ của vật liệu từ mềm. Hình 1.8. Hình vẽ mô tả diện tích đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. 1.1.3.3. Vật liệu ghi từ Các tính chất từ của vật liệu ghi từ nằm trong khoảng trung gian giữa tính chất từ của vật liệu từ cứng và tính chất từ của vật liệu từ mềm. Do đó, vật liệu ghi từ đảm bảo cho việc lƣu giữ các tín hiệu (Hc lớn để lƣu giữ thông tin) đồng thời phải là vật liệu có thể dễ dàng ghi đƣợc các tín hiệu cần ghi (Hc nhỏ, là vật liệu dùng làm đầu ghi từ). Hình 1.9. Hình ảnh ứng dụng của vật liệu ghi từ. 12 1.1.4. Chất phản sắt từ Là vật liệu từ có độ cảm ứng từ , giá trị của độ cảm ứng từ không lớn lắm (cỡ 10-4-1), có khả năng từ tính yếu. Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị và đƣợc sắp xếp trật tự. Thuật ngữ "phản sắt từ" còn đƣợc dùng để mô tả tính chất của các vật liệu phản sắt từ, hoặc dùng để chỉ các liên kết spin trong từ học có spin đối song song với nhau. Ngoài ra, ngƣời ta còn dùng tên "phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn" cho một nhóm vật liệu có trật tự từ khác là nhóm vật liệu feri từ. Hình 1.10. Hình ảnh mô tả cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân
mạng spin đối song và bằng nhau. Cơ chế của tính phản sắt: Vật liệu phản sắt từ đƣợc liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Đôi khi, cũng có ngƣời gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ bởi từ tính của chúng cũng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt nguồn từ tƣơng tác trao đổi giữa các spin. Nếu nhƣ tƣơng tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là tƣơng tác trao đổi dƣơng, làm cho các spin song song nhau thì tƣơng tác trao đổi trong phản sắt từ là tƣơng tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song 13 song với nhau. Để nghiên cứu rõ ràng các tính chất của các phân mạng này, phƣơng pháp nhiễu xạ neutron thƣờng đƣợc dùng để khảo sát do neutron không có điện tích, nhƣng có mômen từ nên gây ra các tán xạ trên các phân mạng từ. Vật liệu phản sắt từ có các tính chất cơ bản nhƣ: Ở không độ tuyệt đối (0 Kelvin), các spin của vật liệu phản sắt từ sắp xếp đối song song nhau nên từ độ. Nhiệt độ tăng dần dẫn đến việc phá vỡ trật tự từ kiểu phản song song làm tăng độ từ hóa (và độ cảm từ χ) của vật liệu phản sắt từ. Từ trƣờng ngoài cũng là nguyên nhân phá vỡ trật tự phản song song của vật liệu. Hình 1.11. Hình ảnh mô tả sự liên kết phản sắt từ trong các màng mỏng đa lớp valse spin trong ổ đĩa cứng. Vật liệu phản sắt từ đƣợc đặc trƣng bởi nhiệt độ Néel (cũng giống nhƣ nhiệt độ Curie trong chất sắt từ) là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ. Ở dƣới nhiệt độ Néel, vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Nếu ta đo sự phụ thuộc của hệ số từ hóa (độ cảm từ χ) vào nhiệt độ của chất phản sắt từ thì tại nhiệt độ Néel sẽ xuất hiện một cực đại, hay nói cách khác có chuyển pha tại nhiệt độ Néel. 14 Một số chất phản sắt từ điển hình: Cr = 310 K, FeO = 198 K, NiO = 523 K, CoO = 291 K. Vật liệu phản sắt từ trong các ứng dụng từ tính thƣờng không đƣợc sử dụng độc lập mà thƣờng dùng làm các chất bổ trợ. Ví dụ: Lớp ngăn cách Cr trong các màng MnO - TN = 122 K đa lớp Fe/Cr có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. Ứng dụng lớn nhất của phản sắt từ là trong các màng van spin (valse-spin) từ điện trở khổng lồ trong các đầu đọc ổ đĩa cứng. Liên kết phản sắt từ đƣợc sử dụng trong các cấu trúc màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ xen kẽ bởi các lớp không từ tính hoặc các lớp phản sắt từ làm cho mômen lớp sắt từ sắp xếp phản song song với nhau và thƣờng sử dụng trong các màng từ điện trở. 1.1.5. Chất feri từ Feri từ (Ferrimagnet) là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhƣng có độ lớn khác nhau. Ferri từ còn đƣợc gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Là vật liệu có độ cảm ứng từ , giá trị của cảm ứng từ tƣơng đối lớn. Khi chƣa có từ trƣờng ngoài và T song với nhau. Hình 1.12. Hình ảnh mô tả sắp xếp của các mômen từ nguyên tử trong vật liệu feri từ. 15 Feri từ có tên gọi xuất phát từ nhóm vật liệu ferrite (tiếng Việt đọc là ferit), là nhóm các vật liệu có cấu trúc gốm có công thức hóa học chung là XO.Y2O3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng phổ biến nhất là sắt - Fe). Ô đơn vị của một ferrite sẽ chứa 32 anion và 24 cation, 8 cation ở vị trí A (tạo thành phân mạng từ A) sẽ bị bao quanh bởi 4 iôn ôxi theo dạng các tứ diện và 16 cation còn lại ở vị trí B (phân mạng từ B) bị bao quanh bởi 6 ion ôxi bởi mạng bát diện. Đây là nhóm ferrite có tên gọi chung là ferrite spinel (ví dụ ZnO.Fe2O3, MnO.Fe2O3...), thƣờng mang cấu trúc lập phƣơng tâm mặt. Một số nhóm ferrite khác có thành phần phức tạp hơn mang cấu trúc lục giác. Ví dụ nhƣ ferrite Bari BaFe12O19, hay các ferri- garnet (Y3Fe5O12, 5Fe2O3.3Y2O3...). Hình 1.13. Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spine.l Do feri từ có 2 phân mạng từ bù trừ không hoàn toàn, nên nó có từ độ tự
phát và từ độ này đƣợc bù trừ từ mômen từ của 2 phân mạng: λ . MA - (1 - λ). MB ( MA, MB lần lƣợt là mômen từ của 2 phân mạng A và B, λ là tỉ phần giữa 2
phân mạng). Nhìn chung, tính chất từ của feri từ cũng gần giống với sắt từ, vật liệu feri từ cũng có các đặc trƣng giống nhƣ vật liệu sắt từ là từ trễ, nhiệt độ trật 16 tự từ (nhiệt độ Curie), từ độ tự phát... Điểm khác biệt cơ bản nhất là do nó có 2 phân mạng ngƣợc chiều nhau, nên thực chất trật tự từ của nó đƣợc cho bởi 2 phân mạng trái dấu. Vì thế, có một nhiệt độ mà tại đó mômen từ tự phát của 2 phân mạng bị bù trừ nhau gọi là "nhiệt độ bù trừ". Nhiệt độ bù trừ thấp hơn nhiệt độ Curie (đôi khi nhiệt độ Curie của feri từ cũng đƣợc gọi là nhiệt độ Néel, ở trên nhiệt độ Curie chất bị mất trật tự từ và trở thành thuận từ). Hình 1.14. Hình vẽ mô tả sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ. 1.2. Các hiệu ứng từ điện trở 1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở Tính chất từ điện trở hay ngƣời ta còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu từ có thể thay đổi điện trở suất dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Cách đây 162 năm (năm 1856) hiệu ứng này đƣợc nhà bác học William Thomson (Lord Kelvin) lần đầu tiên phát hiện sự thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này đƣợc gọi là hiệu ứng từ điện trở thƣờng. Hiệu ứng này đƣợc quan sát thấy rõ nhất ở các kim loại. Khi có từ trƣờng ngoài tác dụng, các 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 17 không trong một chu trình) cho đến khi bị tán xạ. Sau khi tán xạ, hạt dẫn tham gia chuyển động tròn tiếp theo. Nhƣ vậy thời gian hồi phục càng lớn (điện trở càng thấp) thì ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài lên điện trở càng lớn. Và Kohler tìm ra liên hệ giữa sự thay đổi điện trở suất theo từ trƣờng ngoài, đƣợc xác định bằng công thức: (1.1) = MR(%) = Trong đó: ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) lần lƣợt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn khi không có từ trƣờng ngoài và có từ trƣờng ngoài đặt vào. 1.2.2. Hiệu ứng AMR Vào năm 1851 nhà bác học Lord Kelvin lần đầu tiên phát hiện thấy sự thây đổi điện trở suất của Fe và Ni khi có từ trƣờng ngoài tác dụng, từ đó trở về đây hiện tƣợng này đƣợc biết đến chính là hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (ARM). Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (Anisotropic magnetoresistance, viết tắt là AMR) là một hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài) phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện (không đẳng hƣớng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tƣơng đối giữa từ độ và dòng điện. Nhà bác học William Thomson đã chỉ ra đƣợc sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là niken và sắt dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài của một thanh nam châm có thể đạt đến 3-5% ở nhiệt độ phòng. Đồng thời sự thay đổi này còn phụ thuộc vào phƣơng đo, góc tƣơng đối giữa cƣờng độ dòng điện và từ trƣờng ngoài hay chiều của độ từ hoá của mẫu. Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR) chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một số chất bán dẫn hoặc bán kim (có xảy ra hiệu ứng Hall 18 lớn dị thƣờng) nhƣng khá nhỏ. Tuy nhiên nguồn gốc vật lý của hiện tƣợng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo. Các đám mây điện từ bay quanh mỗi hạt nhân, đám mây này thay đổi hình dạng phụ thuộc vào định hƣớng của momen từ và sự biến dạng của các đám mây điện từ làm thây đổi lƣợng tán xạ của điện tủ dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể. Ta có thể giải thích sự phụ thuộc của điện trở của của vật dẫn vào định hƣớng của mômen từ với chiều dòng điện nhƣ sau: Nếu từ trƣờng đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và nhƣ vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện tử dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. Ngƣợc lại, khi từ trƣờng áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ dạo chuyển động của điện tử đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều của dòng điện và mặt cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao. Điện trở nhỏ Điện trở nhỏ Hình 1.15. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR. Để giải thích hiệu ứng từ trở dị hƣớng (AMR) trong các màng mỏng bằng vật liệu từ rất, ngƣời ta giả định rằng vectơ từ hoá trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà Ms khi có sự tác động của từ trƣờng ngoài sẽ làm thay đổi hƣớng của vectơ từ hoá này. Không chỉ vậy, ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh là: mối quan hệ giữa điện trở và hƣớng của vectơ từ độ (vectơ từ hoá) và mối quan hệ giữa hƣớng của vectơ từ độ và từ trƣờng ngoài. 19 Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua góc (trong đó góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ) và đƣợc xác định bởi công thức: (1.2) + P. R() = P.n. .cos = R.P + R.cos2 .cos(2) = R.P + Với: + Ρ.n và ∆P là hằng số của vật liệu + l là độ dài màng mỏng + b là độ rộng của màng mỏng + d là độ dày của màng mỏng + R.Ρ là điện trở khi vectơ từ độ vuông góc với trục trễ từ hoá + ∆R là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trƣờng ngoài. Từ (1.2) ta vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào nhƣ hình 1.16. Hình 1.16. Đồ thị mô tả giá trị của điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vectơ từ hoá. 1.2.3. Hiệu ứng Hall thường Hiệu ứng Hall thƣờng là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi tác dụng một từ trƣờng vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó, 20 ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Khi đó tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall để đặc trƣng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này đƣợc phát hiện bởi nhà bác học Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Hiệu ứng Hall đƣợc giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (giống nhƣ các electron chuyển động trong kim loại). Khi chạy qua từ trƣờng, các điện tích lúc này chịu tác dụng của lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dƣơng. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái đầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall. Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall với dòng điện và từ trƣờng là: (V) (1.3) VH = Trong đó: + VH là hiệu thế Hall, I là cƣờng độ dòng điện + B là cƣờng độ từ trƣờng + d là độ dày của thanh Hall + e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall + n mật độ các hạt này trong thanh Hall. Từ công thức này cho ta thấy một tính chất quan trọng trong hiệu ứng Hall là cho phép phân biệt điện tích âm hay dƣơng chạy trong thanh Hall khi ta dựa vào hiệu thế Hall âm hay dƣơng. Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim loại các electron chứ không phải là proton chuyển động tự do để mang dòng điện. Điểm thú vị nữa là, hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn) dòng điện đƣợc mang đi bởi các lỗ trống (có điện tích tổng cộng là dƣơng) chứ không phải là electron đơn thuần. 21 Và khi từ trƣờng lớn và nhiệt độ hạ thấp, ta có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lƣợng tử, hiệu ứng này thể hiện sự lƣợng tử hoá điện trở của vật dẫn.Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall bị tăng lên một cách dị thƣờng (đƣợc biết đến là hiệu ứng Hall dị thƣờng) nó tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu. Cơ chế vật lý của hiệu ứng này hiện vẫn còn gây tranh cãi. Hình 1.17. Hình ảnh mô tả hướng và chiều tác dụng của từ trường ngoài trong hiệu ứng Hall. 1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng Hiệu ứng Hall phẳng (PHE) cũng tƣơng tự giống nhƣ hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR) đó là tín hiệu lối ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dòng qua cảm biến. Dựa vào sự tán xạ của điện tử theo phƣơng từ độ của lớp sắt từ, khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hƣớng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hƣớng của từ độ M tạo ra điện trƣờng E theo hƣớng của từ độ M. Điện trƣờng E này tạo ra hiệu điện thế V theo hƣớng y vuông góc với dòng điện (hình 1.18). Ở đây ta cần chú ý đến sự khác nhau cơ bản giữa hiệu ứng Hall thƣờng, hiệu ứng Hall dị hƣớng và hiệu ứng Hall phẳng. Nếu trong hiệu ứng Hall 22 thƣờng và dị thƣờng từ trƣờng ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì trong hiệu ứng Hall phẳng từ trƣờng ngoài phải đặt song song với mặt phẳng mẫu (hình 1.19). Hình 1.18. Mô hình hiệu ứng Hall phẳng Hình 1.19. Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thường và hiệu ứng Hall phẳng Sở dĩ có sự khác nhau nhƣ vậy là do trong hiệu ứng Hall thƣờng, thế Hall xuất hiện do có lực Lorentz của từ trƣờng ngoài tác dụng nên các hạt mang điện, còn trong hiệu ứng Hall phẳng nó lại phụ thuộc vào góc giữa từ 23 độ của mẫu và chiều dòng điện. Về bản chất đây chính là đặc thù của hiệu Thế Hall
phẳng Thế AMR ứng từ trở dị hƣớng (AMR). Hình 1.20. Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế ARM. Hiệu ứng Hall phẳng đƣợc tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc giữa phƣơng của dòng điện I và từ độ của mẫu M. Dƣới tác dụng của dòng Ix đặt theo phƣơng x, nếu từ trƣờng ngoài H hợp với dòng điện Ix một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của cảm biến sẽ lệch một góc θ so với phƣơng của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thế ra Vy xuất hiện theo phƣơng vuông góc với dòng điện Ix: (1.4) 𝑉𝑦 = 𝐼ₓ 𝑅𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0,5 𝐼ₓ.∆R. sin 2θ Trong đó: R = (// - )/t và // và lần lƣợt là điện trở suất của mẫu đo theo phƣơng song song và vuông góc với phƣơng từ hóa, t là chiều dày
tổng cộng của màng. Vy lớn nhất khi θ = 450 [8,14]. Nghĩa là góc giữa dòng
điện và mô men từ vật liệu bằng 450 sẽ cho tín hiệu Hall lớn nhất. Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các cảm biến Hall, ngƣời ta thƣờng sử Trong nghiên cứu này chúng tôi nghiên cứu: Hiệu ứng Hall phẳng trong dụng mô hình Stonner Wohlfarth [3]. việc chế tạo cảm biến đo từ trƣờng. 24 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo cảm biến Mỗi cảm biến đƣợc cấu tạo gồm 4 thanh điện trở giống nhau đặt theo cấu trúc của dạng mạch cầu Wheatstone. Các thanh điện trở có kích thƣớc
giống nhau là 1×10 mm2 và với chiều dày lớp màng từ tính Ni80Fe20 là t = 5 nm đƣợc chế tạo bằng thiết bị phún xạ catốt ATC-2000FC. Bốn điện cực của cảm biến đƣợc chế tạo bằng vật liệu Cu. Mặt nạ cảm biến đƣợc chế tạo bằng thiết bị quang khắc MJB4 (tại trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội), sử dụng mặt nạ polymer. Quy trình chế tạo cảm biến đƣợc mô phỏng nhƣ hình 2.1 (a,b,c, d). Hình 2.1. (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b), cảm biến mô phỏng (c) và cảm biến hoàn thiện (d). Trong nghiên cứu của mình, để tạo ra phƣơng từ hóa dễ, màng từ tính đƣợc tạo ra bằng phƣơng pháp phún xạ và đƣợc nuôi bởi từ trƣờng ghim 900 Oe dọc theo phƣơng y của cảm biến trong suốt quá trình chế tạo. Khi khảo sát tín hiệu, từ trƣờng ngoài Happly đƣợc đặt dọc theo trục x của cảm biến. Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, sự thay đổi từ độ theo từ trƣờng dẫn đến sự thay đổi điện trở do hiệu ứng Hall sẽ tạo ra sự thay đổi điện áp lối ra Vy phụ thuộc vào từ trƣờng. Các nghiên cứu đã đƣợc thực hiện theo hƣớng 25 chuẩn hóa qui trình công nghệ chế tạo, tối ƣu chiều dày màng, kích thƣớc thanh điện trở để tăng cƣờng dị hƣớng hình dạng cho ra các sản phẩm cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng thấp. 2.2. Máy phún xạ tạo màng Quá trình phún xạ màng đƣợc thực hiện bằng thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC. Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không. Hình 2.2. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC Hệ thống bơm chân không gồm hai bơm chân không kết nối với nhau là bơm Turbo phân tử và bơm cơ học thông qua các valve. Các valve này có thể đóng mở tự động nhờ vào việc điều khiển các dòng khí nén. Bơm Turbo có
thể tạo chân không cao 10-8 đến 10-9 Torr, tốc độ đạt đƣợc chân không nhanh và không làm nhiễm bẩn buồng chân không do không dùng cơ chế đốt nóng bằng dầu nhƣ bơm khuếch tán. Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không đƣợc kết nối với nhau thông qua một vách ngăn là buồng chính và buồng phụ. Mẫu đƣợc đƣa vào buồng phụ trƣớc, sau đó mới đƣa vào buồng chính. 26 Bia là các tấm vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe…) hình tròn dày 3mm đƣờng kính 2 inch. Mỗi bia đƣợc đặt trên một nguồn phún xạ, các bia vật liệu từ đƣợc đặt trên các nguồn RF, còn các bia vật liệu phi từ đƣợc đặt trên các nguồn DC. 2.3. Hệ đo tính chất từ VSM Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) khảo sát sự phụ thuộc từ độ của mẫu vào từ trƣờng ngoài (M phụ thuộc vào H), xác định đƣờng cong từ trễ, sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ, nhiệt chuyển pha sắt từ - thuận từ TC, nhiệt chuyển pha sắt từ - siêu thuận từ (nhiệt độ Blocking TB)... Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung Nguyên lý hoạt động của từ kế mẫu rung dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ trong đó sự thay đổi từ thông của mẫu chuyển thành tín hiệu điện. Bằng cách thay đổi vị trí tƣơng đối của mẫu có mômen từ M với cuộn dây thu, từ thông qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian làm xuất hiện trong nó một suất điện động cảm ứng. Các tín hiệu đo đƣợc (tỷ lệ với M) sẽ đƣợc chuyển sang giá trị của đại lƣợng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo. Để thực hiện đƣợc phép đo này, mẫu đƣợc rung với tần số xác định trong vùng từ trƣờng đồng nhất của một nam châm điện. Từ trƣờng 27 này sẽ từ hoá mẫu và khi mẫu rung sẽ tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây thu tín hiệu. Tín hiệu đƣợc thu nhận, khuếch đại rồi đƣợc xử lý trên máy tính và cho ta biết giá trị từ độ của mẫu. 2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng Để khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng tôi tiến hành đo hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến. Sơ đồ bố trí hệ đo đƣợc minh họa trên hình 2.4. Dòng điện không đổi đƣợc cấp bởi một nguồn dòng một chiều và thế nối ra đƣợc đo bằng máy đo. Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở Khi từ trƣờng thay đổi lúc này xảy ra hiệu ứng Hall phẳng làm thay đổi tín hiệu nối ra. Hình 2.5. Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở 28 Trong quá trình tiến hành đo, cảm biến đƣợc đặt trong từ trƣờng một chiều đƣợc tạo ra bởi một nam châm hoặc cuộn dây. Cƣờng độ từ trƣờng đƣợc đo bằng máy đo từ trƣờng Gaussmeter. Các thiết bị hiển thị từ trƣờng và thế ra của cảm biến đều đƣợc ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu một cách chính xác và đầy đủ, ảnh chụp hệ đo thực tế nhƣ hình 2.5. 29 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe 3.1.1. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào từ trường ghim Để tạo ra tính dị hƣớng từ đơn trục của cảm biến, chúng tôi đặt một từ trƣờng HBias tạo bởi 2 thanh nam châm vĩnh cửu dọc theo trục cảm biến trong suốt quá trình phún xạ tạo màng. Chúng tôi khảo sát tính chất từ của cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài với 3 giá trị từ trƣờng ghim khác nhau là HBias = 900, 600, 0 Oe. Kết quả nghiên cứu trên các cảm biến ở cùng một điều kiện cho thấy, với giá trị từ trƣờng ghim bằng 900 Oe, cảm biến cho tính dị hƣớng từ mạnh nhất, thể hiện thông qua lực kháng từ nhỏ nhất và đƣờng cong từ trễ dốc nhất so với hai đƣờng còn lại. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với các kết quả đã đƣợc công bố trƣớc đây của Nhóm. Đƣờng cong từ trễ khi đo theo phƣơng từ hóa dễ của các mẫu đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.1. Từ kết quả thu đƣợc, ta sẽ chọn từ trƣờng ghim là 900 Oe cho các nghiên cứu tiếp theo. Hình 3.1. Đường cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến được chế tạo với các từ
trường ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe. 30 3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến Các cảm biến đƣợc khảo sát có cùng một điều kiện từ trƣờng ghim 900 Oe và cùng bề dày t = 5 nm nhƣng có tỉ số dài/rộng khác nhau. Các thanh điện trở của cảm biến có bề rộng W = 1 mm nhƣng chiều dài thay đổi L = 5, 7 và 10 mm. Đƣờng cong từ trễ của các mẫu đƣợc thực hiện với từ trƣờng theo phƣơng song song với trục cảm biến đƣợc mô tả trên hình 3.2. So sánh đƣờng cong từ trễ của 3 mẫu, ta thấy rất rõ vai trò của dị hƣớng hình dạng đóng góp vào việc tăng cƣờng dị hƣớng đơn trục của thanh điện
trở thể hiện ở thiết kế 1×10 mm2 với tỉ số kích thƣớc dài/rộng là L/W = 10 cho tính chất từ mềm với lực kháng từ nhỏ nhất. Với kết quả này, cảm biến đƣợc chế tạo khi kết hợp với ý tƣởng tăng cƣờng dị hƣớng đơn trục theo hƣớng này đƣợc trông đợi sẽ cho tín hiệu cảm biến rất nhạy trong vùng từ trƣờng thấp. Tính từ mềm này đƣợc trông đợi sẽ cho thế lối ra của cảm biến lớn trong vùng từ trƣờng nhỏ. Hình 3.2. Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của các cảm biến có cùng chiều rộng 1 mm nhưng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trường ngoài song song với phương từ hóa dễ 31 3.1.3. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào bề dày Tính chất từ đƣợc nghiên cứu trên loại cảm biến có kích thƣớc 1×10
mm2, các điều kiện công nghệ giống nhau nhƣng bề dày lớp màng NiFe khác nhau là t = 5, 10, 15, 20 nm. Đƣờng cong từ trễ tỉ đối M/MS đo theo phƣơng từ hóa dễ của các mẫu đƣợc thể hiện trên hình 3.3. Hình 3.3. Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phương từ hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15, 20 nm Kết quả cho thấy, các cảm biến đều thể hiện tính chất từ mềm rất tốt thể hiển bởi đƣờng cong từ trễ tỉ đối dốc, từ trƣờng bão hòa nhỏ (HS ~ 5 Oe), lực kháng từ nhỏ (Hc ˂ 5 Oe). Tính chất từ mềm trên các màng có bề dày khác nhau thì khác nhau. Lớp màng NiFe có bề dày thấp nhất t = 5 nm cho tính chất từ tốt nhất thể hiện bởi đƣờng cong từ trễ tỉ đối dốc nhất, mômen từ bão hòa nhỏ nhất và lực kháng từ thấp nhất. Tính chất dị hƣớng từ phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc và chiều dày lớp màng NiFe đã chỉ ra phù hợp với các nghiên cứu trên cùng hệ vật liệu đã đƣợc công bố bởi Nhóm [12,13]. Kết quả này là cơ sở cho việc tối ƣu chiều dày lớp màng NiFe để chế tạo các cảm biến cho độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng nhỏ. Do đó, khi chế tạo cảm biến, 32 chúng tôi cố định chiều dày lớp màng NiFe, t = 5 nm trong các nghiên cứu của mình. 3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của cảm biến có kích thƣớc tối ƣu Từ việc nghiên cứu tính chất từ điện trở trên một thanh điện trở với các chiều dày và kích thƣớc khác nhau chúng tôi chế tạo và nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến tối ƣu với cấu trúc cầu Wheatstone có kích thƣớc
các thanh điện trở 1×10 mm2, bề dày màng NiFe là t = 5 nm. Dòng điện cấp cho các cảm biến đƣợc chọn là 1mA. Phƣơng từ trƣờng ghim dọc theo trục của cảm biến và đặt vuông góc với từ trƣờng ngoài. Hình 3.4. (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của các cảm biến 1×10 mm, t = 5 nm, tại dòng cấp 1 mA Hình vẽ 3.4(a) là đƣờng cong tín hiệu thế lối ra phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài. Ta thấy đƣờng cong tín hiệu rất trơn, mịm chứng tỏ cảm biến có độ ổn định cao, độ lệch tín hiệu thế lối ra khi đo trên cảm biến lớn hơn nhiều so với khi đo trên một thanh điện trở tƣơng ứng. Đây chính là ƣu điểm của mạch cầu điện trở Wheatstone nhƣ đã trình bày trong phần lý thuyết ở trên. Kết quả cho thấy độ lệch thế của cảm biến ∆V = 4,1 mV. Từ giá trị độ lệch thế của cảm biến, ta xác định đƣợc độ nhạy của cảm biến bằng cách đạo hàm độ lệch (mV/ Oe). Đƣờng thế theo từ trƣờng ngoài, xác định bởi công thức = 33 cong độ nhạy của cảm biến theo từ trƣờng đƣợc biểu diễn bởi đồ thị hình 3.4(b). Độ nhạy lớn nhất của các cảm biến xác định đƣợc Smax = 2,25 mV/ Oe. Với mục đích khai thác các khả năng ứng dụng đo từ trƣờng thấp, độ nhạy của cảm biến là quan trọng và đƣợc quan tâm hơn cả. Cảm biến đòi hỏi phải có độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng thấp. Kết quả nghiên cứu cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall với cùng vật liệu và kích thƣớc nhƣng ở dạng chữ thập thì cảm biến này có tín hiệu lớn hơn 20 lần và độ nhạy lớn hơn cỡ 2 bậc. Cảm biến này so với cảm biến AMR cùng kích thƣớc và điều kiện tƣơng tự thì kết quả nhỏ hơn cỡ một nửa. Hạn chế của cảm biến này là kích thƣớc hơi cồng kềnh. Chƣa phù hợp với các hệ vi cơ điện tử. 34 KẾT LUẬN CHUNG Trong quá trình thực hiện khoá luận, chúng tôi đã đạt đƣợc các kết quả sau: 1. Đã trình bày chi tiết tổng quan về các loại vật liệu từ và các hiệu ứng từ điện trở, từ điện trở dị hƣớng và hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu các tính chất đặc trƣng của hiệu ứng từ điện trở và mạch cầu Wheatstone. Từ đó chúng tôi quyết định chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến và chất Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở của mạch cầu. 2. Đã khảo sát tính chất từ của màng vào: từ trƣờng ghim, tính dị hƣớng hình dạng cảm biến, bề dày của màng . Lớp màng NiFe có bề dày thấp nhất t = 5 nm cho tính chất từ tốt nhất giúp cảm biến cho độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng nhỏ. 3. Đã chế tạo cảm biến cầu Wheatstone có lớp màng từ tính là vật
liệu Ni80Fe20 với các thanh điện trở có kích thƣớc giống nhau là 1×10 mm2 với chiều dày lớp màng từ tính NiFe là t = 5 nm. 4. Kết quả cho thấy độ lệch thế của cảm biến ∆V = 4,1 mV, độ nhạy lớn nhất của các cảm biến là Smax = 2,25 mV/ Oe. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall với cùng vật liệu và kích thƣớc nhƣng ở dạng chữ thập thì cảm biến này có tín hiệu lớn hơn 20 lần và độ nhạy lớn hơn cỡ 2 bậc. Cảm biến này so với cảm biến AMR cùng kích thƣớc và điều kiện tƣơng tự thì kết quả nhỏ hơn cỡ một nửa. 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Khắc Quynh, Nguyễn Xuân Toàn, Bùi Đình Tú, Trần Tiến Dũng, Đỗ Thị Hƣơng Giang, Nguyễn Hữu Đức (2017) “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến từ dựa trên hiệu ứng hall phẳng (phe)”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc, Huế. [2]. Vƣơng Văn Hiệp (và các tác giả khác), Báo cáo Hội nghị Vật lý Toàn quốc lần thứ 6, Hà Nội, 2005. [3]. Bùi Đình Tú (2014), Chế tạo và nghiên cứu một số cấu trúc spin-điện tử micrô-nanô ứng dụng trong chíp sinh học, Luận án Tiến sĩ Vật liệu và linh kiện nano, Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [4]. Anders Dahl Henriksen, Giovanni Rizzi, and Mikkel Fougt Hansen, Planar Hall effect bridge sensors with NiFe/Cu/IrMn stack optimized for self-field magnetic bead detection, Jounal of applied physics, 119, 093910 (2016). [5]. A. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Skieller, K. H. Lee, F. Okkels, and M. F. Hansena, “Planar Hall effect bridge magnetic field sensors”, Journal of Applied Physics Letters. 97, pp. 013507-1 – 013507-3 (2012). [6]. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim “Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips”, IEEE Transactions on Magnetics 45, pp. 2378 – 2382 (2009). [7]. Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim “Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers”, J. Appl. Phys. 104, p. 074701, (2008). 36 [8]. Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen, Influence of CoFe and NiFe pinned layers on sensitivity of planar Hall biosensors based on van-spinstructures, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 3, pp. 045019 – 045022 (2012). [9]. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Lee, F. Okkels, and M. F. Hansena, “Planar Hall effect bridge magneticfield sensor”, J. Appl. Phys. Lett (97), p. 013507 (2012). [10]. D. R. Baselt, G. U. Lee, M. Natesan, S. W. Metzger, P. E. Sheehan, R. J. Colton, “A biosensor based on magnetoresistance technology”, Biosensor and bioelectrics 13, pp. 731 – 739 (1998). [11]. M. J. Haji-Sheikh and Y. Yoo, An accurate model of a highly ordered 81/19 Permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring-magnet, IJISTA, 3, No (1/2), 95–105 (2007). [12]. LT Hien, LK Quynh, VT Huyen, BD Tu, NT Hien, DM Phuong, PH Nhung, DTH Giang, NH Duc, DNA-magnetic bead detection using disposable cards and the anisotropic magnetoresistive sensor, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 7, pp.045006 (2016). [13]. L.K. Quynh, B.D. Tu, D.X. Dang, D.Q. Viet, L.T. Hien, D.T. Huong Giang, N.H. Duc, Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1 98-102 (2016). [14]. Ripka, Pavel, Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London: Artech (2001). 37=
+
cos(2)+1 = R.P +
