Điện trở xuyên hầm TMR: Tiểu luận về Tunnelling magnetoresistance (TMR)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƢỜ

ỌC TỰ NHIÊN

CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC



Đề tài tiểu luận:

Từ điện trở xuyên hầm

Tunnelling magnetoresistance

(TMR)

GVHD: TS.Đinh Sơn Thạch

HV: Lê Phúc Quý

Tunnelling magnetoresistance

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ.

1.1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ ................................................... 4

1.2. Lịch sử của từ học ..................................................................................... 4

1.3. Nguồn gốc của từ tính ............................................................................... 4

1.4. Các đại lƣợng đặc trƣng của từ. . ............................................................ 4

1.5. Phân loại các vật liệu từ. ......................................................................... 5

1.5.1. Chất nghịch từ. ................................................................................. 5

1.5.2. Chất thuận từ. ................................................................................. 6

1.5.3. Chất sắt từ . .................................................................................... 6

1.5.4. Chất phản sắt từ ................................................................................ 6

1.5.5. Chất feri từ ........................................................................................ 7

1.6. Các tính chất nội tại của các vật liệu ........................................................ 7

1.6.1. Độ từ hóa bão hòa (Ms) .................................................................. 7

1.6.2. Sự dị hƣớng từ ............................................................................... 7

1.6.3. Các đômen từ .................................................................................. 8

1.7. Hiện tƣợng từ trễ .............................................................................. 9

1.8. Các thông số từ .................................................................................. 10

1.9. Các vật liệu từ khác ............................................................................... 10

1.9.1. Vật liệu từ giảo. ............................................................................... 10

11 1.9.2. Từ trở. .............................................................................................

CHƢƠNG II. TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR)

2.1. Lịch sử phát triển. .................................................................................... 12

2.2. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm .............................................................. 12

Page 1

HV: Lê Phúc Quý

2.3. Cơ chế của các hiệu ứng TMR ................................................................. 13

Tunnelling magnetoresistance

2.4. Độ dẫn điện của một số tiếp xúc. ...........................................................

2.4.1. Tiếp xúc giữa hai điện cực kim loại kim loại thƣờng. ................ 14

2.4.2. Hiệu ứng tiếp xúc giữa các điện có từ tính. .................................. 14

2.5. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm phụ thuộc spin. .................................. 15

2.6. Mô hình điênh tử trong hiệu ứng xuyên hầm ........................................ 18

2.7 Tiêm spin ................................................................................................... 19

2.8. Các yếu tố ảnh hƣờng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm. ................ 19

2.8.1. Ảnh hƣởng của lớp tiếp xúc xuyên hầm ....................................... 19

2.8.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu ứng TMR .................................... 22

2.8.3. Sự phụ thuộc hiệu điện thế của hiệu ứng TMR ........................... 23

2.84. Chiều cao rào thế và tính chất chuyển cục bộ ............................... 24

2.8.5. Tiếp xúc xuyên hầm kép. .............................................................. CHƢƠNG 3: Ứng Dụng

3.1. Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) .............................. 26

3.1.1. Kiến trúc của MRAM .................................................................. 26

3.1.2. Cách thức hoạt động của MRAM ....................................................

28 3.2. Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm. ..........................................

3.3. Đầu đọc từ ổ DHH .................................................................................... 30

3.4. Cảm biến chất lƣợng cao .......................................................................... 31

Page 2

HV: Lê Phúc Quý

Tài liệu tham khảo

Tunnelling magnetoresistance

Mở đầu

Ngày nay, sự phát triển vượt trội của khoa học công nghệ đã đưa con người vào trong một thế giới hiên đại. Đóng góp vào sự phát triển làm thay đổi diện mạo của thế giới thì người ta phải kể đến vật liệu từ. Có thể dễ dàng nhận thấy các linh kiện từ tính được sử dụng trong các thiết bị, dụng cụ quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô – xe máy, các bộ phận nhớ trong máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ em…Vật liệu từ cũng không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp điện (tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,…), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế tạo ôtô, tầu thủy,…

Và ở trong bài tiểu luận nhỏ này, tôi muốn đề cập một hiệu ứng của vật liệu từ, hiệu ứng này đã góp phần đưa công nghệ linh kiện của con người lên một tầm cao mới, đó là hiệu ứng “từ điện trở xuyên hầm” (Tunnelling magnetoresistance). Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm được Julliere phát hiện và công bố năm 1975.

Nếu trước đây, spin của electron không đuợc giới vật lý lưu ý trong các nghiên cứu về hiện tượng chuyển tải dòng điện, thì sau khi phát hiện ra “Từ điện trở xuyên hầm”, vai trò của điện tử spin càng được củng cố hơn nữa , sự quan tâm tới spin đã mở ra một phạm trù mới cho vật lý hiện đại, cũng là một nhánh mới cho ngành vi điện tử, đấy là „„Điện tử spin‟‟ (spintronic).

Page 3

HV: Lê Phúc Quý

Hiệu ứng „„Từ trở xuyên hầm‟‟ từ khi mới được khám phá đã hứa hẹn một tiềm năng lớn, nhất là những ứng dụng cho ngành vi điện tử. Và sau đó hiệu ứng này đã thành công trong ứng dụng chế tạo ra bộ nhớ điện tử mới là MRAM (Magnetic Random Access Memory). Bộ nhớ MRAM có ưu điểm tiêu thụ ít điện hơn, có khả năng lưu trữ thông tin như một ổ đĩa cứng, thậm chí có thể lưu trữ thông tin ngay cả khi dòng điện đã bị ngắt, có tốc độ đọc và ghi nhanh hơn nhiều và không hề bị suy giảm theo thời gian. Ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác đáng quan tâm, được trình bày trong phần ứng dụng của tiểu luận này.

Tunnelling magnetoresistance

Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ. 1.1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ Từ học là một trong những môn khoa học lâu đời nhất trong vật lý. Các nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các hiện tượng từ bắt đầu ở Châu Âu từ thế kỷ 17, mà mở đầu là công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu của Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell... mở đầu cho việc đem các ứng dụng từ học vào cuộc sống.

Từ tính là một thuộc tính của vật liệu. Tất cả các vật liệu, ở mọi trạng thái, dù ít hay nhiều đều biểu hiện tính chất từ. Việc nghiên cứu tính chất từ của vật liệu giúp chúng ta khám phá thêm những bí ẩn của thiên nhiên, nắm vững kiến thức khoa học kỹ thuật để ứng dụng chúng ngày càng có hiệu quả hơn, phục vụ lợi ích con người, đặc biệt là trong lĩnh vực từ học. Cho đến ngày nay, từ học vẫn là một chủ đề lớn của vật lý học với nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong khoa học, công nghệ, y - sinh học, cũng như trong cuộc sống. 1.2. Lịch sử của từ học

1600. Dr, William Gilbert - những thí nghiệm

Hình 1.1. Hình đường sức của lưỡng cực từ.

đầu tiên về từ học:” De Magnete”. 1819. Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học. 1825. Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện. 1880. Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt. 1895. Định luật Curie đã được đề xuất 1905. Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất của nghịch từ và thuận từ. 1906. Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ. Những năm 1920. Vật lý của từ học đã được phát trỉển với các lý thuyết liên quan đến spin electron và tương tác trao đổi; những sự bắt đầu của cơ học lượng tử. 1.3. Nguồn gốc của từ tính.

Page 4

HV: Lê Phúc Quý

Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người biết một nam châm họat động như thế nào? Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động và các tương tác của các electron, các hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử. Electron dang quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đaợ của riêng nó , được đo bằng magneton Bohr ( B), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó do electron tự quay , giống như trái đất quay trên trục của bản thân nó.( được

Tunnelling magnetoresistance

minh họa trên hình 2). Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra mômen từ bị trượt tiêu bởi lân cận của nó. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn.

Hình 1.2. Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử.

1.4. Các đại lƣợng đặc trƣng của từ. - Độ từ hóa (M) của vật liệu: Mômen từ trên một đơn vị thể tích của vật liệu. - Độ từ hóa riêng ( ): Mômen từ trên một đơn vị khốI lượng. - Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi qua một đơn vị tiết

diện cắt ngang của vật liệu.

B = 0 (H+M) B = H + 4 M

0 là độ từ thẩm của chân không ( 4 x 10 -7 Hm-1), là tỷ số của B/H được đo trong chân không .

- Độ cảm từ của vật liệu:

- Độ từ thẩm:

- Độ phân cực từ: J = 0M

1.5. Phân loại các vật liệu từ. 1.5.1. Chất nghịch từ.

của chất nghich từ.

Page 5

HV: Lê Phúc Quý

Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào. Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra một Hình 1.3. Đường cong từ hóa

Tunnelling magnetoresistance

Hình 1.4. Đường cong từ hóa của

chất thuận từ.

độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ. Chất nghịch từ có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ hơn 1, chỉ vào khoảng 10-5 1.5.2. Chất thuận từ. Chất nghịch từ có độ từ hóa > 0 nhưng cũng rất nhỏ, cỡ 10 - 4 và tỷ lệ với 1/T. Có vài lý thuyết về chất thuận từ , phù hợp cho các loại riêng của vật liệu. Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu với các electron định xứ không tương tác với nhau , ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt. Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường ngoài. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử và vì vậy, độ cảm từ sẽ giảm xuống. Bản chất này được biết như định luật Curie và được cho trong phương trình 7, ở đó C là một hằng số vật liệu

được gọi là hằng số Curie.

Trong phương trình này, có thể dương, âm hoặc bằng không. Rõ ràng là khi

dương thì vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị

= khác không thì có một tương tác 0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie. Khi giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp nào đó. Nếu tương là âm, thì khi đó vật liệu là ứng với nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC). Nếu phản sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá trị của không liên quan tới TN.

lên. Tại T = TC

Hình 1.5. a/ Sự xếp các momen của sắt từ khi nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa và 1/χ

Page 6

HV: Lê Phúc Quý

1.5.3. Chất sắt từ: độ cảm từ c có giá trị rất lớn, cỡ 106. Ở T < TC (nhiệt độ Curie) từ độ J giảm dần, không tuyến tính khi nhiệt độ tăng từ độ biến mất. Ở vùng nhiệt độ T > TC giá trị 1/c phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ. Sắt từ là vật liệu từ mạnh, trong chúng luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách có trật tự ngay cả khi không có từ trường ngoài. Sắt từ còn có nhiều tính chất độc đáo và những ứng dụng quan 1.5.4. Chất phản sắt từ: là chất từ yếu, χ~ 104, nhưng sự phụ thuộc của 1/ χ vào

Tunnelling magnetoresistance

nhiệt độ không hoàn toàn tuyến tính như chất thuận từ và có một hõm tại nhiệt độ TN (gọi là nhiệt độ Nell). Khi T < TN trong phản sắt từ cũng tồn tại các momen từ tự phát như sắt từ nhưng chúng sắp xếp đối song song từng dôi một.

Hình 1.6. a/ Sự xếp các momen sắt từ khi nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa và 1/χ

Khi T > TN sự sắp xếp của các mômen từ spin trở nên hỗn loạn và χ lại tăng tuyến tính theo t như chất thuận từ 1.5.5. Chất feri từ: độ cảm từ có giá trị khá lớn, gần bằng cửa sắt từ χ ~104 và cũng tồn tại các mô men từ tự phát. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng gồn hai phần mạng mag ở đó các momen từ spin có giá trị khác nhau và xắp xếp

Hình 1.7. a/ Sự xếp các momen feri từ khi

nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa JS và 1/χ ở feri từ.

phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi không có từ trường ngoài tác dụng, trong vùng nhiệt độ T < TC .Vì vậy feri từ còn được gọi là phản sắt từ không bù trừ. 1.6. Các tính chất nội tại của các vật liệu 1.6.1. Độ từ hóa bão hòa (Ms)

Độ từ hóa bão hòa (Ms) là một phép đo số lượng cực đại của trường có thể được sinh ra bởi một vật liệu. Nó sẽ phụ thuộc vào cường độ của các mômen dipol trên các nguyên tử cấu tạo vật liệu và chúng xếp chặt như thế nào đó với nhau. Mômen dipol nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng bởi bản chất của nguyên tử và toàn bộ cấu trúc electron bên trong hợp chất. Mật độ xếp của các mômen nguyên tử sẽ được xác định bởi cấu trúc tinh thể ( tức là không gian của các mômen ) và sự có mặt của các nguyên tố không có từ tính bên trong cấu trúc.

Page 7

HV: Lê Phúc Quý

Đối với các vật liệu sắt từ, tại các nhiệt độ nhất định, Ms cũng sẽ phụ thuộc vào việc các mômen từ này sắp xép tốt như thế nào, vì dao động nhiệt của các nguyên tử gây ra sự sai hỏng sắp xếp của các mômen và làm giảm Ms. Độ từ hóa bão hòa cũng được xem như độ từ hóa tự phát, tuy nhiên số hạng này thường được sử dụng để mô tả độ từ hóa bên trong một đơn đômen từ. 1.6.2. Sự dị hƣớng từ

Tunnelling magnetoresistance

Hình 1.8. Sự dị hướng từ của tinh thể cobalt

Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc vào các phương tinh thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp. Hình 4 biểu diễn hiệu ứng này đối với một đơn tinh thể cobalt. Cấu trúc tinh thể hexagonal của cobalt có thể được từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức là dọc theo trục c), nhưng có trục khó của độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm trong mặt phẳng cơ sở ( 90o so với trục dễ).

Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là trường dị hướng, (minh họa trên hình 9 ), là trường đòi hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một đơn tinh thể bão hòa. Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ đạo electron đối với mạng và theo phương dễ từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng lượng thấp nhất. 1.6.3. Các đômen từ

Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát có thể tồn tại ở trạng thái khử từ, Weiss đã đưa ra khái niệm các đômen từ. Weiss đã xây dựng trên cơ sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng. Các kết quả tìm thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong một đômen một số lớn các mômen nguyên tử đã được định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối lượng lớn hơn nhiều so với những dự đoán trước đó. Độ từ hóa bên trong đômen đã được bão hòa và sẽ luôn nằm theo phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt vào. Phương của sự định hướng đômen ngang qua một khối lượng lớn vật liệu là ngẫu nhiên nhiều hay ít và vì vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không.

Hình 1.9. Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) ba

đômen, (c) Các đômen khép kín.

Page 8

HV: Lê Phúc Quý

Tunnelling magnetoresistance

Hình 1.10. đômen sắt từ

Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của hệ, vì vậy việc chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen. Năng lượng liên quan đến một vách đômen tỷ lệ với diện tích của nó. Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra trên hình 1.10, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lương trao đổi cũng tăng lên bên trong vách. Vì vậy, năng lượng vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận. Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến các thông số này, vì một dị hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng. 1.7. Hiện tƣợng từ trễ

Các vật liệu sắt từ và ferit từ có các đường cong từ hóa ban đầu không tuyến tính ( tức là các đường chấm trên hình 1.11), bởi vì độ từ hóa thay đổi với từ trường ngoài là do một sự thay đổi trong cấu trúc đômen từ. Các vật liệu này cũng chỉ ra tính trễ và độ từ hóa không quay về giá trị không sau khi cắt từ trường ngoài.

Hình 1.11. Một chu trình trễ điển hình

của vật liệu sắt từ hay ferít.

Page 9

HV: Lê Phúc Quý

Trên một phần tư thứ nhất của chu trình được minh họa là đường cong từ hóa ban đầu ( đường chấm chấm), chỉ ra sự tăng của độ phân cực và (độ cảm ứng ) lên sự áp đặt của một trường đến mẫu chưa bị từ hóa. Trong một phần tư thứ nhất, độ phân cực và trường ngoài , cả hai đều dương, tứ là chúng trong cùng hướng. Khi độ phân cực có thể tăng lên không thể hơn nửa bởi sự lớn lên của các đômen, thì phương của độ từ hóa của các đômen khi đó sẽ quay từ trục dễ sang định hướng với trường. Khi tất cả các đômen được định hướng hoàn toàn với trường ngoài thì sự bão hòa sẽ đạt được và độ phân cực không thể tăng hơn nữa. Trên hinh 1.12, đường xuất phá từ điểm bão hòa đến trục y là nằm ngang, biểu diễn một vật liệu định hướng tốt, ở đó các đômen được từ hóa theo hướng dễ của tinh thể tại điểm bão hòa. Nếu hướng của trường ngoài là ngược lại ( tức là theo hướng âm ) thì khi đó sự phân cực sẽ đi theo đường đỏ vào trong một phần tư thứ hai. Hiện tượng trễ nghĩa là sự phân cực

Tunnelling magnetoresistance

Hình 1.12. Năng lượng hấp thụ bởi vật liệu trong suốt mỗi vòng của chu trình trễ.

chậm lại phía sau trường ngoài và sẽ ngay lập tức chuyển hướng vào ytong một phần tư thứ ba ( tức là sự phân cực âm). Sự phân cực sẽ chỉ giảm xuống sau khi trường ngoài đủ cao được đặt vào để: 1) tạo mầm và nuôi lớn các đômen được định hướng phù hợp đối với trường ngoài. 2) Quay hướng của độ từ hóa của các đômen về phía từ trường ngoài. Sau khi áp đặt một từ trương đủ cao, sự phân cực bão hòa sẽ đạt được theo hương âm. Nếu từ trường ngoài sau đó giảm xuống và lại được áp đặt theo chiều dương thì chu trình trễ đầy đủ sẽ được vẽ ra. Nếu trường được chuyển lặp lại tù hướng dương sang âm và đủ lớn thì khi đó sự từ hóa và cảm ứng từ sẽ vẽ một chu trình trễ theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Diện tích chứa bên trong chu trình chỉ ra lượng năng lượng hấp thụ bởi vật liệu trong suốt mỗi vòng của chu trình trễ. 1.8. Các thông số từ

Page 10

HV: Lê Phúc Quý

Chu trình trễ là một phương tiện đặc trưng cho các vật liệu từ, và các thông số khác nhau có thể được xác định từ nó. Trong nữa phần tư thứ nhất, độ phân cực bão hòa Js và vì vậy mà độ từ hóa bão hòa , Ms có thể đo được. Song, hầu hết các thông tin hữu ích có thể nhận được trong một phần tư thứ hai của chu trình. Trường được tạo ra bởi nam châm sau khi trường từ hóa được ngắt ra , được gọi là cảm ứng còn dư Br hay Jr. Trường ngược đòi hỏi để đưa cảm ứng từ về không gọi là lực kháng từ cảm ứng, bHc, Trong khi đó, trường ngược đòi hỏi để đưa độ từ hóa về không gọi là lực kháng từ nội tại, jHc.Giá trị cực đại của tích số của B và H được gọi là tích năng lượng cực đại, (BH)max và là số đo lượng cực đại của công hửu ích có thể thực hiện bởi nam châm. (BH)max được dùng như một đặc trưng cho vật liệu nam châm vĩnh cửu. Hình dạng của đường cong từ hóa ban đầu và chu trình từ trễ có thể cung cấp thông tin về bản chất đômen bên trong vật liệu. Hệ số vuông góc là phép đo độ vuông góc của chu trình và là một đại lượng không kích thước giữa 0 và 1, được định nghĩa bằng tỷ số của trường ngược đòi hỏi để giảm J đi 10% khỏi độ cảm còn dư, trên Hcj. Vì vậy hệ số vuông góc là 1 tương ứng với một chu trình vuông góc hoàn hảo. Có vài phương pháp khác để phân loại độ vuông góc của chu trình, như tỷ số của ji trên js . 1.9. Các vật liệu từ khác 1.9.1. Vật liệu từ giảo.

Tunnelling magnetoresistance

Hầu hết các vật liệu từ đều biểu hiện tính từ giảo, đó là sự thay đổi trong kích thước vật lý do kết quả của trật tự từ. Có hai loại từ giảo: từ giảo tự phát, xuất hiện từ trật tự từ của mômen nguyên tử ở dưới nhiệt độ Curie ( thường gây ra sự nở thể tích) và từ giảo cảm ứng từ , xuất hiện từ sự sắp xếp của các đômen từ khi có tác dụng của một từ trường ngoài.

Sự từ giảo cảm ứng trường xảy ra khi sự định hướng các đômen từ và sự thay đổi kích thước được gây ra bởi trật tự của các mômen từ nguyên tử tổ hợp lại để cho một sự thay đổi kích thước khối vật liệu.Vật liệu có độ từ giảo lợi ích lớn là Terfenol, là hợp kim của Tb, Dy, và Fe. Terfenol dùng làm các sensor vị trí và trường, cũng như bộ truyền động cơ học và micro ( speaker). Các sensor vị trí / tải trọng làm việc theo nguyên lý là: khi một vật liệu từ giảo biểu hiện một sức căng thì độ từ hóa của vật liệu sẽ thay đổi.

Hình 1.13. Sơ đồ của một bộ truyền động (actuator) bằng tetfenol.

1.9.2. Từ trở.

Từ trở (MR) là hiệu ứng mà điện trở của một vật liệu từ thay đổi phụ thuộc vào hướng tương đối của dòng điện và độ từ hóa. Trong hầu hết các trường hợp, điện trở là cao nhất khi dòng điện và độ từ hóa là song song và thấp nhất khi chúng vuông góc. Mức độ từ trở của một vật liệu thường được thể hiện theo sự thay đổi phần trăm của điện trở từ điện trở cao nhất đến thấp nhất và thường có giá trị cỡ vài phần trăm. Ứng dụng chính cho các sensor MR là ở trong các đầu đọc của các đĩa cứng.

Page 11

HV: Lê Phúc Quý

Một hiệu ứng tương tự đã được quan sát trong các lớp từ đa lớp , chẳng hạn Fe/Cr, ở đây các lớp sắt từ xen kẽ từng cặp phản song song với nhau. Dưới ảnh hưởng của từ trường , sự định hướng tương đối của độ từ hóa của các lớp sẽ thay đổi và điện trở sẽ giảm xuống đến giá trị cực tiểu khi các phương của độ từ hóa của các lớp song song. Hiệu ứng này cho sự xuất hiện của sự thay đổi điện trở 50-60%, và hiệu ứng được mang tên là từ trở khổng lồ (GMR).

Tunnelling magnetoresistance

Chƣơng II. TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR)

2.1. Lịch sử phát triển.

Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm (Tunnelling magnetoresistance) được Julliere phát hiện và công bố năm 1975 khi nghiên cức hệ vật liệu ba lớp (sandwich) bao gồm một lớp vật liệu oxit vô định hình a-Ge2O3 cách điện nằm giữa hai lớp kim loại(điện cực) sắt từ Fe và Co : Fe/a-Ge2O3/Co tại 4,2 K. Thực chất, hiệu ứng chui hầm phụ thuộc spin đã được phát hiện từ năm 1975 bởi Michel Jullière ở Trung tâm Khoa học Ứng dụng Quốc gia ở Lyon, Pháp nhưng ở nhiệt độ thấp. Và sự đột phá chỉ diễn ra khi Terunobu Miyazaki (Đại học Tohoku, Nhật Bản) và Jagadeesh Moodera (Viện Công nghệ Massachusetts, MIT, Mỹ) độc lập phát hiện ra hiệu ứng TMR xảy ra ở nhiệt độ phòng. Thật không may, sự thay đổi của điện trở suất (tỉ số TMR) trong các linh kiện của Miyazaki và Moodera chỉ là từ 12 đến 18%, có nghĩa là thấp hơn rất nhiều so với yêu cầu thực tế để có thể sử dụng trong các linh kiện nhớ. Tuy nhiên, hàng loạt các nghiên cứu tiếp theo về hiệu ứng TMR đã cải thiện tính chất này, và tạo ra hiệu ứng TMR trong các linh kiện công nghiệp đến 70% ngay từ những năm cuối của thập kỉ 90 của thế kỉ 20

Và gần đây, khả năng chế tạo một cách tự động các lớp chuyển tiếp (interface) mỏng giữa các lớp kim loại và các lớp ôxit (ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu ứng TMR) đã cho phép tạo ra hiệu ứng TMR tới 400% theo như các nghiên cứu của nhóm Stuart Parkin (Trung tâm Nghiên cứu Almaden IBM, California, Mỹ) và Shinji Yuasa ở Viện Nghiên cứu Điện tử học Nano (National Institute of Industrial Science and Technology, AIST) Nhật Bản. Và MRAM thương phẩm đã sẵn sàng trở thành hiện thực và sẽ nhanh tróng xuất hiện trong các máy tính trong một tương lai không xa. 2.2. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm

Hình 2.1. Mô hình tiếp xúc xuyên hầm từ tính

Page 12

HV: Lê Phúc Quý

Từ điện trở chui hầm (TMR) là một hiệu ứng từ điện trở xảy ra tại các tiếp xúc chui hầm từ tính (MTJs). Đây là một cấu hình gồm hai chất sắt từ được ngăn cách bởi một chất cách điện mỏng. Nếu lớp cách điện mỏng là đủ mỏng (thường là một vài nanomet), các điện tử có thể từ một trong những vật liệu sắt từ xuyên qua đường hầm vào chất sắt từ kia. Bởi vì quá trình này không thể xảy ra trong vật lý cổ điển, nên các Từ điện trở xuyên hầm là một hiện tượng trong cơ học lượng tử. Hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn.

Tunnelling magnetoresistance

Từ điện trở chui hầm hiểu đơn giản là sự thay đổi lớn của điện trở suất xảy ra ở các tiếp xúc từ chui hầm, là các màng mỏng với các lớp màng mỏng sắt từ được ngăn cách bởi lớp điện môi, đóng vai trò lớp rào ngăn cách chuyển động của điện tử. Khi chiều dày lớp điện môi đủ mỏng, hiệu ứng chui hầm lượng tử sẽ xảy ra, cho phép điện tử xuyên qua rào thế của lớp điện môi, tạo thành sự dẫn điện, và do sự tán xạ trên các lớp sắt từ, điện trở của màng sẽ bị thay đổi tùy theo sự định hướng của mômen từ của các lớp sắt từ.

Hình 2.2. Tiếp xúc từ chui hầm có 2 lớp sắt từ kẹp giữa bởi một lớp điện môi

2.3. Cơ chế của các hiệu ứng TMR

Trong kim loại sắt từ , dòng điện thường được xem xét với hai dòng hạt tải khác nhau với tên gọi là dòng của các hạt tải đa số và hạt tải thiểu số tương ứng với các điện tử có các spin thuận nghịch. Khái niệm đa số và thiểu số sử dụng ở đây có lý do xuất phát từ số lượng các điện tử có spin thuận và spin nghich trong các phân vùng năng lượng 3d, ở đó do có sự tách vùng và phân vùng năng lượng của các điện tủ có spin thuận có năng lượng thấp hơn phân vùng năng lượng của các điện tử có spin nghịch. Theo nguyên tắc tối ưu về mặt năng lượng, phân vùng spin thuận bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn, Các điện tử đa số quyết định chiều của độ từ hóa và hiệu số của số lượng các điện tử đa số và thiểu số quyết định độ lớn của độ từ hóa. Người ta cũng giả thiết rằng , trong các kim loại sắt từ, các hạt tải điện chủ yếu là các điện tử s ( vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn.). Trong trường hợp này, vùng năng lượng s không bị tách, nên nói chung só điện tử s có spin thuận và spin nghịch giống nhau. Trên cơ sở của model của Jullière, Hiện tượng TMR là do sự phân cực spin tại mức fermi. Julliere giải thích dựa trên hai giả thiết:

Page 13

HV: Lê Phúc Quý

1- Người ta thừa nhận spin của các điện tử được bảo toàn trong quá trình tunel. Sự tunel của các điện tử spin-up và spin-down là hai quá trình độc lập, vì vậy độ dãn xảy ra trong hai channel spin độc lập. Theo như giả thiế này thì các điện tử có nguồn gốc từ trạng thái spin của màng sắt từ thứ nhất được tiếp nhận bởi các trạng thái không đầy của cùng spin của màng thứ hai. Nếu như hai màng sắy từ được từ hoá song song thì các spin thiểu số sẽ tunel đến các trạng thái thiểu số và các spin đa số tunel đến các trạng thái đa số. Song nếu như hai màng được từ hoá phản song song thì tính đồng nhất của các điện tử spin-đa

Tunnelling magnetoresistance

số và spin-thiểu số sẽ thay đổi ngược lại, vì vậy các spin-đa số của màng thứ nhất sẽ tunel đến các trạng thái thiểu số của màng thứ hai và ngược lại. 2- Người tathừa nhận rằng sự dẫn đối với một sự định hướng spin đặc biệt sẽ tỷ lệ với tích của mật độ hiệu dụng của các trạng thái của hai điện cực sắt từ. Theo như hai giả thiết này thì dòng tunel đối với sự sắp xếp song song và phản song song thì TMR có thể được viết theo

Hình 2.3. Mô hình của Julliere

2.4. Độ dẫn điện của một số tiếp xúc. 2.4.1. Tiếp xúc giữa hai điện cực kim loại kim loại thƣờng. Sự dẫn điện giữa hai điện cực kim loại thường có thể chia thành hai loại:

- Khi hai điện cực cách nhau hơn một vài angstrom (A) các điện tử sẽ chuyển qua các điện cực bằng hiệu ứng xuyên hầm. Xác suất xuyên hầm qua hàng rào thế V và độ dài l được biểu diễn bằng công thức sau:

- Nếu hai điện cực tiếp xúc nhau tại một vài điểm , thì độ dẫn điện của mỗi điểm sẽ

được xác định bằng tích số(e2/ħ) và số kênh điện tử qua tiếp xúc. 2.4.2. Hiệu ứng tiếp xúc giữa các điện có từ tính.

Page 14

HV: Lê Phúc Quý

Xét hai điện cực có từ tính với số điện tử của hai loại phân cực spin khác nhau. Khi đó, chúng ta cần phải định nghĩa độ dẫn điện phụ thuộc spin ở mỗi điển mà tại đó các điện tuwr chuyển dời từ điện cực này sang điện cực khác. Tức là, các biểu thức đã định nghĩa trước đây phải được bổ sung thêm vai trò của mật độ trạng thái của từng điện tử. Đối với giá trị thế nền V xác định, tham gia vào độ dẫn điện chỉ bao gồm các điện tử nằm trên các mức năng lượng cạch mức Fermi xa nhất khoảng eV. Do đó, để hiểu được cơ chế dẫn điện trong trường hợp V nhỏ, ta cần biết mật độ trạng thái ở mức Fermi của các điện

Tunnelling magnetoresistance

tử đa số, D↑(EF) và D↓(EF). Xác suất xuyên hầm phụ thuộc vào hàm sóng điện tử, do đó sẽ phụ thuộc vào spin trong các hệ từ tính.

Từ trường tác dụng sẽ làm thay đổi từ độ của các điện cực, dẫn đến sự thay đổi mật độ trạng thái. Nói chung, từ trường quá nhỏ không làm thay đổi hàng rào năng lượng của interface. Do vậy, chúng ta chỉ cần quan tâm đến tính dẫn điện do từ trường sinh ra, tức là chỉ quan tâm đến hiệu ứng từ- điện trở của tiếp xúc xuyên hầm mà không cần xem xét ảnh hưởng của từ trường lên câu trúc chi tiết của hàng rào. Một các tiếp cận khác nữa cho phép ta đơn giản hóa sự phân tích về các tiếp xúc là bỏ qua tương tác từ hai điện cực. Các điện cực chỉ tiếp xúc với nhau ở một vùng rất nhỏ và ngay cả trong trường hợp đó khoảng cách giữa các tiếp xúc cũng vượt quá khoảng cách nguyên tử. Do đó, định hướng của từ độ trong các điện cực được xác định bằng hiệu ứng của vật liệu khối. Hơn thế nữa, một cách trung bình, còn có thể giả thiết rằng định hướng tương đối của từ độ của điện cực có thể nhận giá trị bất kỳ. Giả thiết rằng:

D↑(EF) ~ N↑ D↓(EF) ~ N↓

↓) = N1N2

↓+ N1

↑ N2

↓ , N2= N2

↑ + N2

↓)

Với N↑ và N↓ là số spin up và spin down tương ứng. Khi đó, độ dẫn điện trong trạng thái không phân cực (thuận từ) được viết như sau: ↓+ N1 G0 ~ (N1

↑ N2

Với i=1,2 ký hiệu cho điện cực bên trái và bên phải và N1N2 là số điện tử tổng cộng của ↓ ↑ + N1 từng điện cực: N1= N1 Khi bị từ hóa (dưới tác dụng của từ trường), ta có: ↓+ N1 GH ~ (N1

Hiệu ứng từ điện trở tương ứng với cấu trúc hình từ độ sông song của hai điện cực tiếp xúc xuyên hầm sẽ là:

và

Hiệu ứng này cho thấy hiệu ứng từ- điện trở xuyên hầm tỉ lệ với độ phân cực của các điện cực:

Page 15

HV: Lê Phúc Quý

2.5. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm phụ thuộc spin.

Tunnelling magnetoresistance

Hình 2.4. Sự thay đổi điện trở ở vùng từ trường cao và vùng từ trường thấp

Về hình thức, cơ chế của hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm như vậy giống với cơ chế của hiệu ứng GMR, trong đó quá trình tán xạ phụ thuộc spin đóng vai trò rất quan trọng: luôn luôn bắt buộc phải tạo được cấu trúc phản sắt từ được thiết lập thông qua qui luật tương tác trao đổi dạng dao động (tương tác kiểu RKKY). Trong các cấu hình TMR, do có lớp điện môi ở giữa, tương tác kiểu RKKY không thể thực hiện được. Do đó, không thể thiết lập được cấu trúc phản sắt từ bằng việc điều khiển độ dày của lớp vật liệu không từ. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các lớp điên cực sắt từ có từ trường đảo từ khác nhau. Trong thí nghiệm của Julliere giới thiệu trên đây, vật liệu có lực kháng từ khác nhau đã được áp dụng. Trong đa số trường hợp khác, người ta thường sử dụng hiệu ứng ghim như trong các cấu trúc van spin ( trong đó các lớp vật liệu phản sắt từ như IrMn, MnFe, NiO, TbFeCo, có tác dụng định hướng mô men từ của một lớp theo một phương xác định). Theo cách này, đặc trưng điển hình về sự thay đổi của điện trở ở vùng từ trường cao và từ trường thấp của các cấu trúc xuyên hầm đạt giá trị TMR=66% ở nhiệt độ phòng được minh họa trên hình 2.4

Hình 2.5. Đường cong TMR của mẫu Fe/a-Ge2O3/Co của thí nghiệm Julliere

↓

Các kim loại sắt từ chuyển tiếp có từ tình tự phát do sự tách vùng năng lượng 3d dẫn đến sự khác nhau của mật độ trạng thái d trong các phân vùng spin thận (↑) và spin nghịch (↓). Một phần các điện tử 3d linh động bị phân cực này tham gia vào dòng điện (đường hầm) như các điện tử s và p không phân cực. Hệ quả là dòng điện cũng bị phân cực một phần. Tuy nhiên, trong cơ chế của GMR dòng điện chủ yếu được tải bởi các điện tử s và p, còn trong cơ chế của hiệu ứng TMR dòng điện chủ yếu là dòng của các điện tử 3d. Julliere cũng đã đưa vào mô hình cho các tiếp xúc xuyên hầm sắt từ FM/I/FM. Trong mô hinh Julliere, như đã nói ở trên, dòng điện đường hầm trong mỗi kênh spin tỉ lệ với tích số của “mật độ trạng thái đường hầm hiệu dụng” ở mức Fermi của hai điện cực kim lại. Đới với trạng thái song song(P), độ dẫn điện được viết:

↑ N2

↓+ N1

↑ N2

Page 16

HV: Lê Phúc Quý

Gp ~ N1

Tunnelling magnetoresistance

↓+ N1

↑ N2

Đối với trạng thái phản song song(AP) độ dẫn được viết: ↓ Khi đó tỉ số từ điện trở của tiếp xúc xuyên hầm(TMR) sẽ là:

GA ~ N1

(1)

Với P1 và P2 là độ phân cực spin của hai điện cực sắt từ.

Đối với tiếp xúc xuyên hầm Fe/a-Ge2O3/Co, Julliere đã quan sát được sự thay đổi độ dẫn (G) bằng 14% cho trường hợp khi không đặt thế giữa hai điện cực ở nhiệt độ 4,2 K . Trong khi giá trị được mong đợi từ mô hình của Julliere tính toán theo công thức 1 là 26% dựa vào giá trị của độ phân cực PCo= 34 % và PFe . Hơn thế nữa, hiệu ứng này giảm rất nhanh xuống còn 2% khi có thế một chiều 6 mV đặt vào. Sự suy giảm nhanh của ΔG khi có thế đặt vào được cho là do tán xạ spin ở bề mặt tiếp kim loại sắt từ/bán dẫn.

Các thí nghiệm nghiên cứu hiệu ứng TMR sau này với lớp cách điện là ôxit Ge vô định hình không cho một kết quả nào về độ phân cực spin của các dòng xuyên hầm. Do đó, kết quả quan sát được tỉ số TMR bằng 14% của Julliere vẫn không lập lại được. Tuy nhiên mô hình đơn giản mà mối liên hệ đó đã được thực nghiệm xác nhận.

Sau phát minh của Julliere một vài nhóm thực nghiệm khác trên thế giới đẫ cố

gắng nghiên cứu hiệu ứng xuyên hầm giữa hai điện cực sắt từ. Độ phân cực spin

Theo các biểu thức (1) độ lớn của TMR có thể thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào độ phân cực spin P của chất sắt từ. khi một trong hai điện cực sắt từ không có phân cực spin (P1=P2=0) thì TMR sẽ biến mất, còn nếu như có sự phân cực hoàn toàn ở cả hai điện cực (P1=P2=1) thf giá trị của TMR sẽ trở nên vô cùng lớn. Khi đó, theo biểu thức (4.16)

ΔG = GP - GA=GP Nên có thể suy ra GA = 0

Trong trường hợp này, nên biểu thức (4.16) viết lại như sau:

(2)

Có thể thấy rõ ràng là khi P →1, hiệu ứng từ-điện trở xuyên hầm sẽ có giá trị vô

cùng lớn. Với các tiếp xúc xuyên hầm có độ cao của hàng rào lớn, phụ thuộc của TMR

vào biểu thức 2P1P2(1-P1P2) cho một số điện cực sắt từ khác nhau với P là các kết quả nhận được từ thực nghiệm.

Đối với các chất sắt từ là kim loại chuyển tiếp, vùng năng lượng 3d hẹp. Đặc biệt,

Page 17

HV: Lê Phúc Quý

do có sự tách vùng tự phát nên sự phân cực spin của các điện tử d nói chung là lớn. Trong

Tunnelling magnetoresistance

khi đó, vùng năng lượng của các điện tử s-d gây nên, vì vậy độ phân cực spin của các

điện tử s rất yếu. Độ lớn của P phụ thuộc vào mật độ trạng thái hay là sự mở rộng các

vùng năng lượng ) s và d ở mức năng lượng Fermi. Nếu mức năng lượng Fermi trong

chất sắt từ nằm tại vị trí mà mật độ trạng thái d trội hơn mật dộ trạng thái s thì độ phân

cực spin P có giá trị lớn, còn nếu mức Fermi nằm trong vùng năng lượng của các điện tử

s hoặc là khu vực lai hóa s-d thì giá trị của P cao hay thấp còn phụ thuộc vào cấy trúc chi

tiết của các vùng năng lượng . Thông thường, các kim loại chuyển tiếp có độ phân cực P

≈ 0.5 nên tỉ số TMR được chờ đợi có giá trị vào khoảng 40%

2.6. Mô hình điện tử tự do trong hiệu ứng xuyên hầm.

Công thức Simmon cho mật độ dòng xuyên hầm

Hình 2.6: rào thế trong lớp cách điện (1) và mật độ trạng thái trong các điện cực kim loại (1) và (2)

Chúng ta hãy xét cấu trúc của một hệ tiếp xúc xuyên hầm ddienr hình F1/I/F2 gồm có một lớp màng cách điện I được kẹp giữa hai lớp màng điện cực kim loại F1 và F2 . Khi đặt vào một hiệu điện thế V vào hai điện cực ( dọc theo trục x) từ điện cực F2 đến F1 thì năng lượng của một điện tử trong điện cực F2 sẽ nhỏ hơn năng lượng của điện tử trong điện cực F1 một lượng eV. Dòng điện ( có mặt độ dòng J ) xuất phát từ điện cực F2 tới điện cực F1 tạo thành bởi hiệu ứng xuyên hầm của các điện tử qua rào thế trong lớp cách điện có độ dày W và thế năng V(x). V(x) cắt năng lượng Fermi εF của điện cực F1 ỏ x1 và x2.

Page 18

HV: Lê Phúc Quý

Số điện tử xuyên hầm qua lớp cách điện n1 từ điện cực F1 tới điện cực F2 được xác định là:

Tunnelling magnetoresistance

(3)

Với εx=(mv2 x)/2 , vx là thành phần theo trục x của vận tocosv của các điện tử, n(vx) là số điện tử trên một đơn vị thể tích với vận tốc nằm trong khoảng vx và vx + dvx. T(εx) là xác suất xuyên hầm. Mật độ trạng thái D(εx) của các điện tử có động năng εx được cho bởi công thức:

(4)

, do đó nhận được:

Với f0 là hàm phân bố Fermi. Ở đây ta sử dụng hệ tọa độ với

(5)

Trong các công thức, xác suất xuyên hầm T(εx) được tính toán bằng phương pháp xấp xỉ WKB ( Wentxel – kramers – Brillouin ) như sa:

(6)

Tương tự như vậy, số điện tử xuyên hầm qua lớp cách điện n2 từ màng F2 đến F1 là:

(7)

Tổng số điện tử tổng cộng n xuyên hầm qua màng cách điện là:

Và mật độ dòng xuyên hầm là:

(8)

với

Nếu biểu diễn rào thế dưới dạng V(x) = εx+U(x) và T(εx) được cho xấp xỉ bởi công thức

Page 19

HV: Lê Phúc Quý

Chiều cào rào thế trung bình:

Tunnelling magnetoresistance

Và độ rộng của rào thế:

(9)

Do đó biểu thức của dòng xuyên hầm trở thành:

(10)

và độ rộng

Dòng xuyên hầm J có thể được biểu diễn qua chiều cao rào thế trung bình rào thế W như sau :

(11)

Với

Số hạng thứ nhất trong biểu thức đặc trưng cho dòng xuyên hầm của các điện tử từ

điện cực F1 đến điện cực F2 còn số hạng thứ hai đặc trưng cho các điện tử từ điện cực F2 đến điện cực F1. Công thức được gọi là Simmon. Trong trường hợp eV<< , ta có:

(12)

Đây chính là công thức biểu diễn định luật Ohm. Trường hợp này , độ dẫn điện sẽ là: (13)

)

Biểu thức gần đúng trong trường hợp nhỏ thế này rất quan trọng trong việc phân tích hiệu ứng xuyên hầm. Đối với một hàng rào thế chữ nhật có chiều cao U0 có độ rộng w = t như hình 20 . Trong trường hợp thế đặt vào V~0, =U0, theo biểu thức 29 dòng xuyên hầm qua rào thế đó sẽ là:

Page 20

HV: Lê Phúc Quý

(14)

Tunnelling magnetoresistance

Với một hàng rào thế trung bình >eV, =(U0-eV/2) thì J được biểu diễn dưới dạng:

(15)

2.7. Tiêm spin

Ý tưởng thiết kế các linh kiện điện tử thế hệ mới, nhất là transistor spin,luôn đòi hỏi phải hội đủ bốn yếu tố: (i) tạo nguồn, (ii) vận chuyển, (iii) điều khiển, (iv) nhận biết các điện tử có spin phân cực. Công đoạn tạo nguồn các điện tử có spin phân cực trong các chất bán dẫn thường dđược gọi là quá trình tiêm spin ( spin injection ). Các thí nghiệm đầu tiền đều bắt đầu từ ý nghĩ rất đơn giản là có thể tiêm spin bằng cách sử dụng các điện cực sắt từ để tạo ra các tiếp xúc Ohmic. Lý do đơn giản là vì các điện tử trong chất sắt từ đã được phân cực, nếu được tiêm spin sẽ thành công. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã không đạt được như mong muốn. Sau đó, người ta mới phát hiện ra rằng việc ghép nối độ dẫn tạo ra giữa tiếp xúc Ohmic và chất bán dẫn có thể là trở ngại cơ bản của quá trình tiêm spin. Khái niệm ghép nối độ dẫn có thể giải thích bằng sơ đồ minh họa hình 2.7. Trong các thí nghiệm tiêm spin, điện trở của linh kiện có thể chia thành hai phần: phụ thuộc spin (Rs) và không phụ thuộc spin (Ro). Điện trở của chất bán dẫn thường độc lập với định hướng spin, trong lúc đó điện trở của tiếp xúc sắt từ/ bán dẫn thì phụ thuộc spin. Khi tiếp xúc Ohmic được thiết lập thì hiễn nhiên là Rs < Ro. Vì vậy, sự vận chuyển của điện tự sẽ được quyết định chủ yếu bởi điện trở không phụ thuộc spin của chất bán dẫn. Điều này có nghĩa là dòng điẹn tử chủ yếu là dòng điện tử không phân cực nên không thể thực hiện được quá trình them spin. Để có được dòng điện tử phân cực spin đủ lớn, tức là tiêm được nhiều spin, thì độ dẫn của phần phụ thuộc spin phải nhỏ hơn độ dẫn của phần không phụ thuộc spin hay Rs > Ro.

Hình 2.7. Sơ đồ đơn giản nhất minh họa đóng góp của các phần điện trở tại các ghép nối độ dẫn trong các thí nghiệm tiêm spin

2.8. Các yếu tố ảnh hƣờng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm. 2.8.1. Ảnh hƣởng của lớp tiếp xúc xuyên hầm

Page 21

HV: Lê Phúc Quý

Độ gồ ghề bề mặt của điện cực sắt từ thứ nhất có thể dẫn tới tương tác lưỡng cực hoặc kiên kết kiểu “ orange peel ” giữa hai điện cực sắt từ, làm tăng liên kết giữa các lớp, không cho phép vecto tờ độ của các màng sắt đảo chiều tằng một cách độc lập với nhau. Tiếp đến là việc chế tạo một màng cách điện mỏng làm hàng rào thế xuyên hầm trên một bề mặt ghồ ghề rà rất khó bởi vì mức độ bao phủ của lớp cách điện lên bề mặt sẽ không đồng đều. Lớp vật liệu cách điện phải đủ dày để không tồn tại các chỗ nối thông

Tunnelling magnetoresistance

hai điện cực sắt từ làm đánh thủng lớp cách điện, nhưng cũng phải đủ mỏng để các điện tử thực hiện được quá trình xuyên hầm.

Độ dày độ đồng nhất và thành phần oxi trong oxit ảnh hướng rất nhiều đến hiệu ứng TMR trong tiếp xúc xuyên hầm. Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để đánh giá tính chất của hàng rào thế xuyên hầm là làm khớp đường cong I-V cới công thức ) và độ dày hiệu dụng (w) của rào Simmon để thu được chiều cao rào thế trung bình (

thế. Thông thường nếu một rào thế có chất lượng tốt thì giá trị thu được từ việc khớp đường cong này sẽ có độ lớn cỡ vài eV. Nếu như tồn tại các oxit từ tính trong rào thế thì

giá trị của sẽ nhỏ hơn một eV.

Phần quan trọng nhất trong việc tao ra tiếp xúc xuyên hầm là việc hình thành tào thế xuyên hầm. Tiếp xúc xuyên hầm sắt từ được chế tạo trong phòng thí nghiêm sử dụng các hệ bốc bay chân không cao (< 10-7 torr) hoặc hệ phún xạ catot xoay chiều. Trong một số trường họp phương pháp eepitaxi chum phân tử (MBE) cũng có thể được sử dụng. Kết quả đạt được hầu như là giống nhau đối với các mẫu được làm trên hệ thống nói trên. 28.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu ứng TMR Sự phu thuộc của tỉ số TMR theo nhiệt độ không những được phát hiện trên các tiếp xúc xuyên hầm với các điện cực là kim loại không từ tính. Để giải thích điều này cần phải phát triển mô hình Julliere bằng cách giả thiết rằng bên cạnh độ dẫn xuyên hầm trực tiếp phụ thuộc spin cong có đóng gớp khác gọi là độ dẫn xuyên hầm không phụ thuốc spin GSI (độc lập với định hướng của vecto từ độ M ). Trong trường hợp này độ dẫn xuyên hầm được viết:

G(θ) = GT {1+P1P2sos(θ)} + GSI

với w là độ rộng của hàng rào thế ( tính

( tính theo eV) . Giá trị của GT ở 300 K chỉ lớn

Page 22

HV: Lê Phúc Quý

Trong đó θ là góc định hướng giữa vector độ từ hóa của hai điện cực sắt từ. Có một vài nghuyên nhân có thể dẫn đến việc suy giảm của TMR theo nhiệt độ. Trước hết, sự xuyên hầm qua hàng rào bị thay đỏi chút tí theo nhiệt độ do sự mở rộng phân bố Fermi bên trong các điện cực. Hiệu ứng này đóng góp vào độ dẫn xuyên hầm qua một thông số đặc trưng GT như sau: GT = G0CT/sin(CT) trong đó G0 là hằng số C = 1.387.104 w/ theo A0) và điih cao của hàng rào thế hơn vài phân trăm so với giá trị của nó ở 0 K. Thứ hai do sự thay đỏi phân cực P của các điện cực theo nhiệt độ T. Đối với điện cực là hợp kim có thành phần thay đổi, giá trị của P được xác định tỉ lệ với mômen từ . Suy rộng ra , độ phân cực P sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ T tương tự như sự phụ thuộc vào nhiệt độ. Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ hiện đã được nghiên cứu khá hoàn chỉnh và có thể

Tunnelling magnetoresistance

được mổ tả chính xác bởi sự kích thích nhiệt của sóng spin ở nhiệt độ Currie (TC) theo định luật T3/2 của Bloch. Độ phân cực được mô tả theo biểu thức sau:

P(T) = P0(1-αT3/2) Trong đó α là hằng số phụ thuộc vật liệu. Giá trị của α ở phần khối sẽ khác và nói

chung lớn hơn so với giá trị của của α trên bề mặt.

Từ phương trình 43 chúng ta có thể thu được sự thay đổi độ dẫn (ΔG) khi cho vector từ độ của hai điện cực sắt từ ở trong trạng thái song song (θ = 0) và phản song song ( θ = π):

ΔG = G(0) – G(π) = 2GTP1P2

Do đó:

TMR = 2GTP1P2 / [GT (1- P1P2)+ GSI] Độ dẫn xuyên haamg không phụ thuộc spin là một hàm mũ của nhiệt độ theo biểu với giá trị γ vào khoẳng 1,35. Vì GSI tăng thwo nhiệt độ nhanh hơn độ thức

dẫn xuyên hầm trực tiếp ( phụ thuộc spin ). Điều này giải thích sự suy giảm mạnh của tỉ số TMR theo nhiệt độ dưới nhiệt độ phòng thì cả GT vaP(T) thay đổi rất yếu theo nhiệt độ vì các điện cực có nhiệt độ Curri cao. 2.8.3. Sự phụ thuộc hiệu điện thế của hiệu ứng TMR

Nhìn chung, tỉ số TMR giảm rất mạnh khi tăng hiệu điện thế giưa hai điện cực. Đó là do ảnh hưởng của điện trường lên hình dạng của hàng rào thế. Sự tăng của hiệu điện thế làm tăng tổng độ dẫn và do đó làm giảm tỉ số TMR. Giá trị tính toán lý thuyết của tỉ số TMR theo mô hình điện tử tự do giảm chậm hơn nhiều so với sự suy giảm thu được từ kết quả thực nghiệm, đặc biệt là ở vùng hiệu điện thế thấp. Ngoài ra sự phụ thuộc vào năng lượng của độ phân cực spin so ảnh hưởng của cấu trúc vùng cũng xó thể làm giảm tỉ số TMR ở vùng hiệu điện thế cao.

Trong thực tế sự suy giảm mạnh của tỉ số TMR có thể do ảnh hưởng của các magnon bên trong lớp sắt từ, chúng cung cấp thêm năng lượng cho các điện tử, gây ra sự bất trật tự của các spin của điện tử xuyên hầm và do đó làm tăng tổng độ dẫn. Tuy nhiên, cơ chế này không phải lúc nào cũng có thể giải thich được kết quả thực nghiệm rằng sự phụ thuộc của tỉ số TMR vào hiệu điện thế là do sự phụ của nó cào độ cao và chiều rộng của hàng rào. 2.8.4. Chiều cao rào thế và tính chất chuyển cục bộ

Page 23

HV: Lê Phúc Quý

Để có thêt chế tạo được các tiếp xúc xuyên hầm sử dụng được trong các đầu đọc hoặc các bộ nhơ truy cập ngẫu nhiên( random access memory -RAM) thì điện trở của tiếp xúc xuyên hầm phải được kiểm soát một cách chính xác và sự thăng giáng của điện trở này càng nhỏ càng tốt. Chính vì lý do đó mà các đặc trưng của tính chất chuyển cục bộ cần được nghiên cứu và mô tả kỹ càng. Thông thường, để làm việc này người ta dùng một hệ kính hiển vi quét đầu dò vào gồm một hiển vi lực nguyên tử (AFM)và một hiển vi

Tunnelling magnetoresistance

quét xuyên hầm (STM). Đó thực sự là một trong những công cụ hiệu quả nhất để có thể thu được các đặc trưng về tính chất điện của một hệ kích thước bé ở thang nano mét.

Để có thể thảo luận một cách định lượng chất lượng của rào thế, đặc trưng I-V của những điểm khác nhau được khảo sát. Các đặc trưng này được làm khớp bởi công thức Simmon để thu được chiều cao rào thế và độ dày hiệu dụng w của rào thế. Kết quả cho thấy độ dày hiệu dụng tại các điểm đó gần như là bằng nhau trong khi chiều cao rào thế lại thay đổi theo từng vùng. Mặt khác, sự sai khác này không phải là do sự bất đồng nhất gây nên về mặt hình thái gây nên. Kết quả này chỉ ra rằng độ tương phản trên cao rào thế cục bộ. Sự phân bố cục bộ này có thể là do sự thiếu O2 trong quá trình hình thành lớp oxit ở mức độ nguyên tử so với thành phần danh định gây nên.

Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng, ảnh điện thu được sau quá trình ủ nhiệt cho độ tương phản đồng đều hơn. Điều này giải thích tại sao giá trị TMR thu được lại tăng lên khi mẫu được ủ nhiệt ở một khoảng nhiệt độ thích hợp. 2.8.5. Tiếp xúc xuyên hầm kép.

Lớp phản sắt từ

Lớp từ bị ghim

Lớp từ mềm

Tiếp xúc xuyên hầm thuộc spin kép bao gồm ba lớp sắt từ được ngăn cách bởi hai lớp hàng rào bằng vật liệu cách điện như mô tả trên hình 2.8. Trong đó hai lớp sắt từ bị ghim chặt nhờ tương tác trao đổi với hai lớp phản sắt từ. Lớp sắt từ chính giữa được chế tạo từ vật liệu sắt từ mềm sao cho chỉ cần một từ trường ngoài nhỏ thì từ độ của nó vẫn có thể bị quay theo chiều của từ trường ngoài.

Lớp từ bị ghim

Lớp phản sắt từ

Al2O3

Hình 2.8 : cấu trúc xuyên hầm phụ thuộc spin kép

Page 24

HV: Lê Phúc Quý

Điện tử sẽ thực hiện xuyên hầm ngang qua hai lớp hàng rào. Hiệu ứng TMR trong trường hợp này về cơ bản cũng giống như trong trường hợp một hàng rào nhưng có giá trị cao hơn. Giá trị lớn nhất ở nhiệt độ phòng của TMR đã đạt được ở hệ hàng rào kép này cho đến nay là trên 40% ở hệ màng NiFe/IrMn/CoFe/Al2O3/Co9Fe/Al2O3/CoFe/IrMn/NiFe. Giá trị TMR nhận được ở nhiệt độ phòng lớn hơn giá trị tính toán theo mo hinh Julliere sử dụng độ phân cực spin của CoFe, Co9Fe và có tính đến sự phụ thuộc nhiệt độ của TMR. Giá trị này cũng lớn hơn giá trị nhận được từ hàng rào đơn CoFe/Al2O3/Co9Fe. Nguyên nhân có thể là ngoài sự xuyên hầm liên tiếp giữa hai lớp CoFe xuyên hầm trực tiếp giữa ba lớp CoFe/Al2O3/Co9Fe.

Tunnelling magnetoresistance

Hình 2.9 : TMR và điện trở của hệ rào kép chế tạo bằng kĩ thuật quang khắc và khắc ion

Page 25

HV: Lê Phúc Quý

Tunnelling magnetoresistance

Chƣơng III: Ứng Dụng

Hiệu ứng từ trở xuyên hầm đang được sử dụng trong các linh kiện thế hệ spintronic thứ nhất, điển hình là các bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM) không tự xóa, các transistor sử dụng tiếp xúc spin chui hầm và trong các cảm biến chất lượng cao... 3.1. Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) :

Hình 3.1.: Tín hiệu TMR khi cấp từ trường ngoài, Xuất hiện hai trạng thái bit rõ rệt trong o MRAM.

MRAM là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính. Nó ghi nhớ dữ liệu bằng các thuộc tính từ, có khả năng lưu trữ thông tin như một ổ đĩa cứng, thậm chí có thể lưu trữ thông tin ngay cả khi dòng điện đã bị ngắt. Các bộ nhớ MRAM có tốc độ đọc và ghi nhanh hơn nhiều và không hề bị suy giảm theo thời gian.

Trong MRAM, mỗi bit nhớ chiếm dữ một ô và cũng được gọi là một bit stack nó bao gồm một vài lớp mỏng. Ở đây hiệu ứng từ trở xuyên hầm TMR (Tunneling Magnetoresistive) được sử dụng và hoạt động trong mỗi ô nhớ. Thực vậy bit được đọc một cách chính xác dựa vào sự thay đổi đột ngột điện trở (và kéo theo cả điện thế) có thể dễ dàng nhận biết được: tín hiệu TMR ở mức cao tách biệt khá lớn so với mức thấp về mặt điện trở do vậy nên hình thành trạng thái của hai bit. 3.1.1. Kiến trúc của MRAM

Để thiết kế một linh kiện MRAM, các bit stack đ ược xắp xếp trong một

ma trận hình chữ nhật của bit line và word line. Thể hiện trên hình 7.

Khi một bit cell transistor đóng (turn on), dòng điện được cung cấp cho bit line, xác

định bit, và như vậy bit được đọc. Để viết được thì quan trọng là hai trường điện từ: khi chọn bit transistor tắt (off) và nguồn cung cấp cho bit line, word line và tất cả những bit dọc cả hai line sẽ được „chọn phân nửa‟ („half-selected‟), nhưng tổng từ trường sẽ chỉ đủ ở giao của chúng. Khi chọn bit cell thì chỉ bit nay bị thay đổi. Hình 8 mô tả quá trình viết của một MRAM ma trận.

Page 26

HV: Lê Phúc Quý

Tunnelling magnetoresistance

Hình 3.2. các bit cell sắp xếp theo ma trận.

Bit điện trở chính xác định hằng số thời gian RC và thời gian đọc dữ liệu, ví dụ ô có giá trị điện trở 10 kΩ cho phép thời gian truy xuất cỡ nano giây (ns). Tich điện trở ×diện tích (R × A) được xác định độ cao rào chắn xuyên hầm φ và độ dày t. Giá tri điện trở dao động xung quanh tâm phụ thuộc vào lớp tiếp giáp, điều chỉnh đường kính và độ dày hàng rào ngăn cách không đồng nhất gây ra bởi sự ghồ ghề của điện cực. Có thể giữ tín hiệu TMR cực đại với giá trị R×A trong khoảng 100-106 Ω.μm2, độ dày lớp AlOx trong khoảng 9 Å và 20 Å Rất nhiều nghiên cứu đã thực hiện nhằm giảm giá trị R×A xuống tới 1 Ω.μm2 nhưng vẫn giữ đầy đủ tính chất TMR để cho phép sử dụng chuyển đổi spin để đảo ngược độ từ hóa và ghi các bit trên ô. Bit trên ô cũng được quét giá trị R×A thấp và giữ giá trị bit điện trở xác định, trong khi ô bit thấp hơn 90 nm 3.1.2. Cách thức hoạt động của MRAM 3.1.2. .1. Quá trình đọc Thiết bị được đọc bằng cách đo điện trở tác động của cấu trúc, nó có liên quan tới chức năng trạng thái của lớp không từ. Để làm được điều này lớp không từ được kết nối với một dây dẫn điện, được gọi là bit line, và lớp đáy được kết nối với một transistor có thể đóng (turned on). Sau đó cấp dòng điện cho bit line, dòng điện sẽ chảy qua bit stack và đồng thời cũng qua transistor. Để truy xuất trạng thái bit, điện trở bit được so sánh với giá trị điện trở nằm giữa giá trị bit cao (Rhigh) và bit thấp (Rlow). Giá trị điện trở mằn trong khoảng Rhigh và Rlow phải được giảm khi. Vì vậy tồn tại một giá trị điện thế thuận lợi để đọc l à xấp xỉ 30 mV. Đây là giá trị khá cao so với những mạch tích hợp ngày nay

Page 27

HV: Lê Phúc Quý

Tunnelling magnetoresistance

Hình 3.3. quá trình đọc một bit.

Hình 3.4. quá trình ghi một bit.

3.1.2. 2. Quá trình ghi Một bit được ghi bằng cách cấp từ trường ngoài cho lớp tự do (free layer) để đảo ngược sự từ hóa. để làm được việc này transistor tắt (turned off) và những dây dẫn điện khác được thêm vào phía dưới bit cell, được gọi là digit line hay word line. Khi cấp nguồn cho cả hai dây bit line và digit line, chúng có thể tạo ra hai từ trường, khi chúng kết hợp lại có thể đảo ngược sự từ hóa của lớp tự do (free layer). Dòng điện trong digit line được giữ cố định, nó tạo một từ trường dọc theo trục khó bị từ hóa (hard axis) của lớp tự do. Hướng của dòng điện trong bit line có thể được chọn, do vậy từ trường tạo ra có thể âm hoặc dương. Từ trường này được phân bố dọc theo trục dễ bị từ hóa (easy axis) của lớp tự do

Hình 3.5. Ảnh chụp một MRAM phát triển bởi SPINTEC.

3.2. Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm.

Page 28

HV: Lê Phúc Quý

Transitor từ xuyên hầm cũng là một cấu trúc ba cực trong đó cực đáy là một lớp sắt từ đơn, kèm theo một lớp vật liệu xuyên ngầm. Các điện tử vượt rào năng lượng của tiếp xúc phát xuyên ngầm để tiêm vào lớp đáy sắt từ nhờ có thế hiệu nền (VEB) đặt vào giữa hai cực phát và cực đáy. Tán xạ của các điện tử trong lớp đáy sẽ làm mất năng lượng và làm biến đổi xung lượng. Chỉ có các diện tử còn giữ được đủ năng lượng để vượt hàng rào Schottky ở cực góp mới được truyền tới một mức nằng lượng phù hợp trong vùng dẫn của chất bán dẫn.

Tunnelling magnetoresistance

Hình 3.6. sơ đồ vùng năng lượng của một MTT

Khảo sát một MTT với lớp rào là AlOx theo bài báo: Magnetoelectronic Characteristics of Magnetic Tunnel Transistors with AlOx Tunnel Barrier

Hình 3.7 : Dòng chuyển qua phụ thuộc mặt phân cách FM/Si (100) không có sự kích thích quang. Tính chất mặt ghép Schottky tại CoFe (solid circle) và NiFe (open circle) lớp base. (b) đường cong đặt trưng M-H của màng CoFe trên Si(100) bề mặt sau từ trường phụ thuộc dòng điện trường của MTT với Si(100)/(60 Å)Co80Fe20/(20 Å)Al2O3/(70 Å)Co80Fe20/(100Å)Ir20Mn80/Ta.

Page 29

HV: Lê Phúc Quý

Transitor từ xuyên hầm (MTTs) bờ phân cách đường hầm AlOx để đạt được có được hiệu ứng cao hơn trong sự chuyển dời của các ”hot electrons” phụ thuộc spin. Các rào cản cách nhiệt AlOx được tạo ra bằng phương pháp oxy hóa điều khiển plasma rf để tăng cường tính chất điện và cấu trúc của các MTTs. Hơn nữa, vấn đề quan trọng trong phương pháp này là cải thiện tính chất rào cản Schottky của cực collector bằng phương pháp plasma và hóa học của đế nên Si. Tỷ lệ cao nhất dòng từ và dòng ra của MTTs đã được quan sát thực nghiệm khoảng 6% và 42 μA tại VEB là 0,5 V, tương ứng. Đặc biệt, tỷ lệ chuyển đổi khoảng 10-2 đã thu được bằng cách thay đổi độ cao rào cản của các điện cực phát và thu trong thí nghiệm của chúng tôi.

Tunnelling magnetoresistance

Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết quả thực nghiệm cho MTTs với màng mỏng sắt từ làm cực emitter tại RT. Nhấn mạnh đầu tiên của thí nghiệm này được đặt trên độ cao khác nhau Schottky của cực base và cực collector bởi hai phương pháp tiền xử lý khác nhau. MTTs bao gồm lớp base NiFe, lớp emitter CoFe, lớp xuyên hầm AlOx và lớp collector Si (100). Tính chất điện của MTTs được thảo luận về rào chiều cao Schottky và điện áp giữa cực emitter / base. Ngoài ra, thay đổi góc nghiêng của trục lớp CoFe được phân tích bằng từ kế mẫu rung (VSM). 3.3. Đầu đọc từ ổ HDD.

Hiệu ứng „„từ-trở xuyên hầm‟‟ đã được dùng để chế tạo các đầu đọc/ghi của đĩa cứng trong máy vi tính. Để nhanh chóng đạt tới những thông tin chứa trong đĩa cứng, máy vi tính phải có nhiều đầu đọc. Mỗi lần một thông tin (bit) đi qua, đầu đọc „„nhìn thấy‟‟ một cực bắc hay một cực nam, cực này tạo thành từ trường. Tùy theo bản chất nam hay bắc của cực, bit thông tin nhị phân sẽ là 0 hay 1. Mỗi bit xem như một nam châm trong đĩa cứng; một đĩa 40 GigaOctet đựng ít nhất 8*40*109, tức là khoảng vài trăm tỉ, nam châm. Khi chúng ta mở máy vi tính, máy sẽ đọc một số dữ liệu trên đĩa và đem chúng vào các bộ nhớ RAM (Random Access Memory), thời gian đạt tới bộ nhớ RAM làm bằng chất bán dẫn rất nhanh (cỡ 1 phần trăm triệu giây đồng hồ).

Cấu tạo

Hình 3.8: cấu tạo ổ cứng HDD và đầu đọc ghi trong ổ cứng.

Hoạt động

Page 30

HV: Lê Phúc Quý

Có một vật liệu dẫn hình chữ U có cuộn dây dẫn xung quanh ( man châm hình móng ngựa ) để làm đầu đọc ghi trên ổ cứng . Trong quá trình ghi số liệu lên ổ cứng , một dòng điện được cung cấp vào cuộn dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh đầu đọc ghi. Trường này sẽ từ hoá bề mặt bên dưới đầu đọc ghi , những hạt từ tính được sắp thành

Tunnelling magnetoresistance

hàng , chúng theo chiều trái hoặc phải phụ thuộc vào chiều của dòng điện được cung cấp qua cuộn dây dẫn . Bit được lưu trữ liên tiếp trong các hạt từ tính .

Hình 3.9: Quá trình đọc ghi số liệu trong ổ cứng HDD

Trong năm 2005, các ổ đĩa đầu tiên với đầu đọc sử dụng hiệu ứng điện trở xuyên hầm (TMR) được giới thiệu bởi Seagate cho phép các ổ đĩa chưa dung lượng tới 400 GB với 3 tấm ghi đĩa 3.4. Cảm biến chất lƣợng cao.

Hình 3.9: sensor và cấu tạo của một sensor

Sensor TMR là loại sensor được ứng dụng đo nồng độ khí, đo cường độ điện trường, điện áp hay có thể đo nồng độ của các hạt nano trong dung dịch. Ở dưới đây là một số hình ảnh của một sensor đo nồng độ của hạt nano.