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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG



BÀI TIỂU LUẬN MÔN VẬT LIỆU QUANG TỪ

HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR)

VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

GVHD : TS Đinh Sơn Thạch

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

Lớp : Cao học quang học – K21

TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2012

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................ 1 LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 2 CHƢƠNG I – TỔNG QUAN .............................................................................. 3 I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ .................................................................... 3 1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR ) ................................. 3 1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance - OMR) .. 3 1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ( Anisotropic Magnetoresistance - AMR) ........................................................................................................ 3 2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers) ................................................ 4 3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR ) ...... 5 3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR ................................................................ 5 3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR ......................................................................................................... 8 3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott .................................................. 9 3.2.3 – Dựa trên cấu trúc vùng năng lƣợng và quá trình tán xạ s-d......14 II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong màng mỏng đa lớp dị thể (Granular GMR) ..............................................................................................................18 1 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể ................................................................18 2 – Giải thích hiện tƣợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt ...............19 3 – Cấu trúc nano dị thể .............................................................................20 4 – Cấu trúc đơn domain ............................................................................22

CHƢƠNG II - ỨNG DỤNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) ................................................................23 I – Các hƣớng nghiên cứu vật liệu mới ..........................................................24 1.1 - Hợp chất perovskite chứa manganese có pha tạp nguyên tố đất hiếm .....................................................................................................................25 1.2 - Các vật liệu từ kiểu Heusler và bán Heusler ......................................26 II – Hƣớng nghiên cứu về cấu trúc ................................................................26 2.1 - Màng mỏng van spin (spin valve) :.....................................................27 2.2 - Màng mỏng đơn lớp dị thể .................................................................32 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................33

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

1

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ thông tin dựa trên các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ. Trong

đó, quá trình chuyển tải, thu nhận và xử lý thông tin được thực hiện nhờ việc sử

dụng thuộc tính điện tích của điện tử, đỉnh cao phát triển của điện tử truyền

thống (electronics) là tạo ra các linh kiện bán dẫn transistor, các mạch tích hợp.

Trong khi việc lưu trữ thông tin được thực hiện nhờ thuộc tính spin của điện tử

trong các đĩa cứng và đĩa mềm chế tạo bằng vật liệu từ. Như vậy, hai thuộc tính

quan trọng của điện tử là điện tích và spin đã được sử dụng một cách riêng lẻ

trong các linh kiện khác nhau.

Năm 1988, hai nhóm vật lý người Pháp Albert Fert và người Đức Peter

Gruenberg phát hiện hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance

– GMR effects) – là hiệu ứng gây ra sự thay đổi mạnh của điện trở của vật liệu

theo chiều và cường độ của từ trường tác dụng lên cấu trúc màng mỏng từ đa

lớp sắt từ với lớp kim loại phi từ kẹp giữa; bản chất của hiệu ứng này là sự tán

xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn. Việc phát hiện hiệu ứng GMR đã cho phép

con người có thể sử dụng đồng thời cả hai thuộc tính của điện tử dẫn là spin và

điện tích vào việc xử lý và truyền thông tin trên một linh kiện – điều mà những

linh kiện bán dẫn điện tử truyền thống trước đây không thể thực hiện được.

Với việc phát hiện hiệu ứng GMR đã mở ra một hướng phát triển mới cho vật

lý và công nghệ nano, mở ra một nhánh mới của điện tử học – điện tử học spin

hay spintronics, và GMR cùng với TMR (hiệu ứng từ trở xuyên ngầm) là hai

trụ cột của spintronics. Mục đích chính của spintronics là sử dụng spin của điện

tử để chuyển đổi (mã hóa), mang (truyền tải) và nhận biết (phát hiện) thông

tin/tín hiệu.

Nhận thức được tầm quan trọng của GMR trong lĩnh vực spintronics đã

hướng em đến chọn lựa đề tài tiểu luận là :

“Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển ”

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

2

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

CHƢƠNG I – TỔNG QUAN

I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR )

Hiệu ứng từ điện trở (MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn khi nó

được đặt trong từ trường ngoài.

Hiệu ứng MR lần đầu tiên được tìm thấy vào năm 1857 bởi Lord Kelvin

trên các mẫu hợp kim NiFe với sự thay đổi điện trở suất không quá 5% ở nhiệt

độ phòng. Đó là hiệu ứng từ điện trở dị hướng.

Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên sự thay đổi của

điện trở dưới tác dụng của từ trường ngoài.

(1.1)

Trong đó : lần lượt là điện trở suất của vật dẫn khi không có từ

trường ngoài và có từ trường ngoài đặt vào.

Tỉ số từ trở MR có thể âm hay dương.

1.1 - Hiệu ứng từ trở thƣờng (Ordinary Magneto Resistance -

OMR)

Hiệu ứng OMR quan sát thấy ờ các kim loại phi từ, thường là hiệu ứng

dương ( tức điện trở tăng theo từ trường tác dụng lên vật ).

Trong những kim loại phi từ thì hiệu ứng MR xảy ra do lực Lorentz tác

dụng lên chuyển động của các điện tử. Nói chung, hiệu ứng này rất nhỏ và có

giá trị âm.

1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ( Anisotropic

Magnetoresistance - AMR)

Hiệu ứng AMR là hiệu ứng từ điện trở, mà trong đó sự thay đổi của điện

trở của vật dẫn từ dưới tác dụng của từ trường ngoài phụ thuộc vào góc giữa

vectơ từ độ và dòng điện.

Đối với các hợp kim có từ tính, các kim loại sắt từ, ta có thể quan sát

thấy được hiệu ứng này. Sự thay đổi điện trở suất trong AMR lớn hơn nhiều so

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

3

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

với OMR. Hiệu ứng AMR xảy ra do lực Lorentz tác dụng lên điện tử. Về bản

chất, hiệu ứng AMR chính là sự phụ thuộc của điện trở suất vào góc giữa

vectơ từ độ và chiều dòng điện, được thể hiện qua biểu thức sau :

(1.2)

Ở nhiệt độ phòng, tỉ số AMR lớn nhất (khoảng 6%) đã được tìm thấy

trong hợp kim khối (với x = 0,2). Đối với hợp kim permalloy ,

tỉ số AMR khoảng 4%. Tỉ số AMR giảm theo độ dày của màng và điều kiện

chế tạo, như với màng permalloy dày 30nm, tỉ số này thường vào khoảng 2,5%.

[3]

2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers)

Cấu trúc cơ bản của màng đa lớp từ gồm lớp kim loại sắt từ A và

lớp kim loại phi từ B xếp xen kẽ nhau. Bề dày của mỗi lớp khoảng vài nano

mét và số lượng các lớp khoảng từ 3 đến 100 lớp.

Hình 1.1 Cấu trúc một màng đa lớp từ với lớp sắt từ A có bề dày d và

lớp phi từ B có bề dày d’.

Hai đặc điểm quan trọng của màng đa lớp từ là

- Sự định hướng của từ độ của các lớp từ được kiểm soát

một cách dễ dàng bởi từ trường ngoài, bởi vì tương tác (coupling) giữa

từ độ của các lớp từ yếu do có lớp phi từ kẹp giữa chúng.

- Bề dày mỗi lớp đủ mỏng để điện tử dẫn cảm nhận được sự

thay đổi hướng của độ của các lớp từ.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

4

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Nếu lớp phi từ là kim loại thì MR được gọi là MR khổng lồ (GMR). Nếu

lớp phi từ trong màng mỏng ba lớp là chất cách điện thì MR được gọi là MR

xuyên ngầm (TMR).

Xét với vật liệu có hiệu ứng GMR thì Fe, Co, Ni và những hợp

kim của chúng thường được chọn để làm lớp sắt từ A, trong khi các kim loại

chuyển tiếp phi từ như Cr, Ru hoặc các kim loại hiếm Cu, Ag, Au được sử

dụng để làm lớp phi từ B.

Có tiêu chí gì khi chọn vật liệu phi từ, sắt từ để tạo màng đa lớp không ?

Hay với những cặp kim loại sắt từ/phi từ nào sẽ thu được giá trị từ trở lớn ?

Câu trả lời là việc lựa chọn dựa trên hai yếu tố quan trọng : phù hợp mạng

(lattice matching) và phù hợp vùng (band matching) giữa kim loại sắt từ và phi từ. Như với màng mỏng Co có cấu trúc fcc với hằng số mạng là 3,56Ao, chỉ nhỏ hơn 2% so với hằng số mạng 3,61Ao của mạng fcc Cu. Cả với trường hợp Fe/Cr đều có cấu trúc bcc và hằng số mạng lần lượt là 2,87Ao với Fe, 2,88Ao

với Cr. Vì thế nên cũng không ngạc nhiên khi với màng đa lớp Co/Cu, Fe/Cr

người ta đã thu được giá trị GMR cao [6].

3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR )

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là sự thay đổi lớn của điện trở suất

dưới tác dụng của từ trường ngoài.

3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR

Hiệu ứng GMR được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1986 của nhóm của

nhà vật lý người Đức Peter Grünberg , nhóm này đã quan sát được sự thay đổi

của điện trở của màng gồm ba lớp có cấu trúc

Fe(12nm)/Cr(1nm)/Fe(12nm) chế tạo bằng phương pháp MBE trên đế GaAs.

Độc lập với nhóm của Peter Grünberg, vào năm 1988, nhóm của nhà vật lý

người Pháp Albert Fert đã quan sát được sự thay đổi 50% của điện trở của

màng đa lớp (nghĩa là các lớp Fe, Cr có độ dày tương

ứng là 3nm, 0,9nm, hệ gồm 40 lớp kép) dưới tác dụng của từ trường ngoài ở

nhiệt độ 4,2K [4]. Đây là một sự thay đổi lớn chưa từng được quan sát trước

đây. Vì vậy mà hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

5

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Magnetorisistance – GMR ). Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự “khổng lồ” của

thay đổi điện trở mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, cơ chế

tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử.

Hình 1.2 Từ trở của siêu mạng ba lớp Fe/Cr ở nhiệt độ 4,2K. Dòng điện

và từ trường ngoài có phương dọc theo phương tinh thể [110] trong mặt phẳng

của các lớp [4].

Sau phát minh này thì hiệu ứng GMR đã được nghiên cứu một

cách mạnh mẽ trên rất nhiều hệ mảng mỏng đa lớp khác nhau kiểu

, với TM là kim loại có từ tính, điển hình như Fe, Co, Ni

và hợp kim của chúng, TNM là kim loại phi từ, như V, Cr, Mo, Ru, …, Ag,

Au, Cu…

A. Fert và đã sử dụng phương pháp MBE để chế tạo màng

đa lớp. Hạn chế của phương pháp này là phức tạp, có giá thành cao, chỉ phù

hợp tốt với một phòng thí nghiệm nghiên cứu, không phù hợp cho cả một quá

trình công nghệ có quy mô lớn. Vì thế để có thể ứng dụng GMR vào trong sản

xuất công nghiệp cần phải tìm ra một quy trình công nghệ đơn giản hơn, giá

thành phải chăng. Vào năm 1990, nhóm của S. Parkin đã chứng minh được

rằng GMR có thể được quan sát trong các màng đa lớp được lắng đọng bằng hệ

phún xạ dc magnetron – một phương pháp đơn giản và rẻ hơn MBE. Họ đã thu

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

6

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

được những giá trị GMR tương tự từ những màng đa lớp Fe/Cr được chế tạo

bằng phương pháp MBE. Hơn nữa, nhóm cũng phát hiện ra từ trở trong cấu

trúc siêu mạng Fe/Cr không giảm đơn điệu khi bề dày của lớp Cr tăng (như

được báo cáo trước đây) mà độ lớn từ trở dao động như một hàm của bế dày

lớp Cr. Kết quả cũng thu được tương tự như với các màng Co/Cr, Co/Ru [5].

Như vậy, công nghệ chế tạo cũng có ảnh hưởng đến độ lớn của hiệu ứng

GMR. Kết quả thực nghiệm cho biết, kỹ thuật phún xạ catot thường cho kết

quả tốt nhất [3].

Hình 1.3 Sự thay đổi của từ trở bão hòa (tại nhiệt độ 4,5K) theo bề dày

lớp Cr của lần lượt của ba cấu trúc

được lắng đọng lần lượt tại

nhiệt độ : 40oC (N=30); o , 125oC (N=20) [5]

Mặc dù những giá trị cao nhất của GMR thu được với màng đa lớp từ -

phi từ, thì những màng này cũng không phải là vật liệu tốt nhất cho những ứng

dụng kỹ thuật. Điều này là do cần có từ trường lớn để bão hòa từ độ của màng

đa lớp và để thu được sự thay đổi điện trở lớn.

Các nghiên cứu sau này còn chỉ ra rằng, hiệu ứng GMR không

chỉ xuất hiện trong các màng đa lớp mà còn xuất hiện trên các màng đơn lớp,

các băng hợp kim dị thể như CoCu, CoAg…Cụ thể, vào năm 1992, nhóm của

A.E. Berkowitz phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

7

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

(ganular) Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ

trở có thể đạt tới hơn 20% ở nhiệt độ 10K.

Hình 1.4 Sự phụ thuộc của

theo từ trường ngoài trong màng

mỏng dị thể Co – Cu. Đường cong a, b được đo tại nhiệt độ 100K, đường cong

c thu được ở nhiệt độ 10K. (Theo Berkowitz et al.) [6]

Sau đó, nhóm của J. Q. Xiao đã khảo sát hiệu ứng GMR đối với màng

tăng, cụ thể với màng đơn lớp dị thể Co – Cu và nhận thấy rằng giá trị của GMR giả đi khi nhiệt độ (trong điều kiện ủ nhiệt TA = 480oC) đo tại

nhiệt độ 5K và nhiệt độ phòng 300K thì kết quả thu được lần lượt là 13% và

8%. Nhóm cũng nhận thấy rằng giá trị của GMR phụ thuộc vào nồng độ và

kích thước đám hạt từ [10] .

Sau những khám phá về hiệu ứng GMR xuất hiện trong các hệ màng

mỏng từ đa lớp và hệ màng mỏng đơn lớp dị thể thì có rất nhiều nghiên cứu về

hiệu ứng này được tiến hành và lý thuyết về GMR cũng dần được hoàn thiện.

3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng

GMR

Như đã đề cập ở trước, GMR có bản chất khác hẳn các hiệu ứng từ điện

trở đã được nghiên cứu trước đây bởi vì GMR là một hiệu ứng lượng tử. Cơ

chế của hiệu ứng GMR là tán xạ phụ thuộc spin của điện tử.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

8

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hơn nữa để có hiệu ứng GMR thì khi chưa đặt từ trường ngoài vào

màng thì từ độ giữa các lớp từ phải đối song song với nhau và chiều dài quãng

đường tự do trung bình của các electron dẫn phải lớn hơn nhiều so với khoảng

cách giữa các lớp đệm phi từ sao cho electron có thể đi qua các lớp từ và tạo ra

hiệu ứng GMR.

Điện trở của vật rắn phụ thuộc vào tán xạ của điện tử dẫn trong vật, bao

gồm :

- Tán xạ trên nút mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể, gọi là tán xạ trên

phonon.

- Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính, gọi là tán xạ trên magnon.

- Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể, gọi là tán xạ trên defect.

- Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các

polaron từ để giải thích hiệu ứng GMR.

Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên

magnon. Khi có các phần tử mang từ tính (như các lớp sắt từ trong các màng đa

lớp, các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng

khác nhau về momen từ (do tác động của từ trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay

đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của vật rắn.

Nói một cách chính xác hơn, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải

thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott. Hai dòng điện ở đây là dòng của

các điện tử có spin thuận và dòng điện của các điện tử có spin nghịch.

3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott

Mô hình này được Mott đề xuất vào năm 1935 để giải thích sự tăng đột

ngột điện trở suất của kim loại sắt từ khi nó được nung nóng trên nhiệt độ Curie

TC.

Mô hình này có thể được mô tả một cách đơn giản như sau :

 Ở nhiệt độ đủ thấp T

chuyển dời điện tử chiếm đa số (điện tử có spin song song với từ độ) và

thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá

trình tán xạ, nên tạo thành hai kênh dẫn tương ứng song song.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

9

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

 Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân

bằng của hai loại spin có chiều khác nhau.

 Mô hình hai dòng này có thể được biểu diễn bằng mạch song song,

trong đó điện trở suất của hai loại hạt dẫn được kí hiệu là và .

Hình 1.5 Mô hình hai kênh dẫn

Theo Mott, độ dẫn điện của kim loại bằng tổng độ dẫn điện tương

ứng với điện tử có spin up và spin down :

Theo mô hình Drude :

Trong đó, là độ dẫn điện Drude trên một spin;

là lượng tử dẫn spin (spin conductance quantum);

là momen động lượng Fermi; là quãng đường tự do trung bình,

được tín bởi công thức , với là thời gian hồi phục, là vận

tốc Fermi [6]

Điện trở suất của mẫu :

Trong đó

Với là khối lượng hiệu dụng của điện tử, n là mật độ điện tử,

là thời gian hồi phục, , và lần lượt là

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

10

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

giá trị trung bình của thế tán xạ, mật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi

của spin tương ứng.

Như vậy, nguồn gốc nội tại của sự phụ thuộc spin của điện trở suất là do

các đại lượng đều phụ thuộc spin, trong đó quan trọng nhất là sự phụ

thuộc spin của thời gian hồi phục, bởi vì nó ảnh hưởng đến tán xạ điện tử một

cách mạnh mẽ nhất. Ngoài ra, thế tán xạ không phải là tính chất nội tại của kim

loại, nó phát sinh là do có các khuyết tật, tạp chất, hoặc dao động mạng. Thế

tán xạ có thể phụ thuộc spin hoặc có thể không. Đây là nguồn gốc bên ngoài

của sự phụ thuộc spin của điện trở suất.

a – Giải thích hiệu ứng GMR

Với cấu trúc màng đa lớp, thì các lớp phản sắt từ hay phi từ đóng vai trò

ngăn cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho momen từ của các lớp sắt từ phải có sự

định hướng khác nhau sao cho có sự cân bằng về từ độ. Sự tác động của từ

trường ngoài sẽ dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của momen từ ở mỗi lớp,

dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin phân cực và dẫn đến sự thay đổi

về điện trở suất để từ đó GMR xuất hiện khi từ trường ngoài tăng đến giá trị

bão hòa.

Hiệu ứng GMR có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của ba giả

thiết sau :

 Vì độ dày của lớp phi từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn

hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của các điện tử,

nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ để chuyển

động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác.

 Khi chuyển động trong các vật liệu có từ tính hoặc trong

vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử

phụ thuộc vào định hướng spin của chúng.

 Định hướng tương đối của các vectơ từ độ trong các lớp có

thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

11

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.6 Mô hình hai dòng điện của Mott dùng để giải thích hiệu ứng

GMR

b - Bản chất vật lý của hiệu ứng GMR

Giả thiết rằng, bề dày các lớp màng tương đương với quãng đường tự do

trung bình của các điện tử và mỗi điện tử khi đi từ lớp từ này đến lớp từ kế tiếp

theo sẽ mang một cấu hình spin nhất định (spin up hoặc spin down) và không

đổi cho đến khi bị tán xạ, tức tính bảo toàn spin được bảo đảm. Các spin có

chiều song song với từ độ thì ít bị tán xạ hơn các spin có chiều phản song song

với từ độ.

Khi chưa đặt mẫu trong từ trường ngoài (H = 0), ứng với cấu hình phản

song song (hình b), các lớp sắt từ sắp xếp theo kiểu phản song song, tất cả các

điện tử có spin up và down đều tán xạ mạnh trong lớp từ tính này và tán xạ yếu

trong lớp từ tính khác. Trong cấu hình phản song song này, toàn bộ các điện tử

dẫn đều bị tán xạ như nhau, điều này làm cho hệ giống như một cái van (đối

với các spin) có tác dụng hạn chế dòng “chảy” của hai kênh điện tử. Vì thế điện

trở suất ứng với mỗi kênh đều cao như nhau.

Cấu hình này sẽ có điện suất tương đương :

(1.2)

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

12

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Còn khi đặt mẫu trong từ trường ngoài, , với là từ trường

bão hòa,và từ trường tăng dần thì từ trường ngoài sẽ dần dần sắp xếp từ độ của

các lớp theo chiều từ trường, điều này sẽ làm cho sự tán xạ của điện tử có spin

up trên kênh ứng với spin down giảm dần (do từ độ của kênh này đã chuyển

hướng song song với chiều spin) nên điện trở suất của hệ giảm dần từ giá trị

. Cho đến khi thì từ độ trong các lớp đều song song với nhau và

song song với spin up thì sự tán xạ của điện tử có spin up trong hệ là nhỏ nhất,

điện trở suất của hệ lúc này có giá trị cực tiểu bằng .

Với , hệ sẽ ứng với cấu hình song song (hình a), từ độ của các

lớp sắt từ song song với nhau, các điện tử có spin up có quãng đường tự do

trung bình lớn trong toàn bộ mẫu. Điều này có nghĩa là các điện tử này tải điện

dễ dàng do hầu như không bị tán xạ với các momen từ cùng chiều, vì thế có

điện trở suất nhỏ , tức có độ truyền qua cao. Ngược lại, các điện tử có spin

down có quãng đường tự do trung bình ngắn hơn do bị tán xạ mạnh với các

momen từ ngược chiều nên điện trở suất lớn hơn. Trong trường hợp này thì

hệ như một cái van mở thông cho kênh ứng với spin up truyền qua, hay có sự

đoản mạch đối với kênh spin up. Khi đó, điện trở của hệ sẽ nhỏ hơn (nhỏ nhất)

so với trường hợp của cấu hình phản song song.

Nếu độ dày của lớp đệm phi từ nhỏ hơn 1nm thì điện trở suất tương

đương với màng mỏng đa lớp có cấu hình song song là :

(1.3)

Độ lớn của hiệu ứng GMR là :

(1.4)

Với là tham số bất đối xứng spin

Từ biểu thức (1.4) ta có thể thấy được giá trị của GMR phụ thuộc vào

sự bất đối xứng về điện trở suất giữa hai kênh dẫn của lớp sắt từ. Với tham

số lớn, tức >>1 hoặc <<1, thì giá trị GMR sẽ lớn.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

13

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Khi nhiệt độ mẫu lớn hơn nhiệt độ Curie, thì quá trình trộn hai kênh dẫn

không thể bỏ qua và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất trộn-spin (spin –

mixing) . Điện trở suất khi đó được tính bởi công thức :

(1.5)

Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau : điện tử có spin up

(hoặc down) bị tán xạ vào trạng thái có spin down (hoặc up) bằng việc sinh ra

hoặc hủy một magnon. Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là

tương tác spin – quỹ đạo (spin – orbital interaction) và có bản chất lượng tử.

Như vậy ở nhiệt độ thấp (dưới nhiệt độ Curie), việc sinh ra magnon sẽ ít,

nên quá trình trộn lẫn hai kênh dẫn được bỏ qua.

Ở nhiệt độ thấp, thì biểu thức (1.5) trở thành biểu thức

(1.3).

Ở nhiệt độ đủ cao để thì biểu thức (1.5) được viết lại là :

(1.6)

3.2.3 – Dựa trên cấu trúc vùng năng lƣợng và quá trình tán xạ s-d

a – Cấu trúc vùng năng lƣợng

Cấu trúc vùng năng lượng của màng đa lớp gần như chắc chắn là đặc tính quan

trọng nhất để làm rõ tính dẫn điện phụ thuộc spin và hệ quả là gây ra GMR.

Cấu trúc điện tử của kim loại chuyển tiếp và các kim loại sắt từ 3d được xét

chủ yếu các orbitan d và s. Vị trí tương đối của mức Fermi với trạng thái

s và d phụ thuộc vào từng vật liệu. Nguồn gốc từ tính trong các kim loại này

tương ứng là do các electron thuộc nhóm 3d và 4f. Dưới đây, ta chủ yếu xét đến

từ tính của các nguyên tố thuộc nhóm 3d.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

14

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Trong các nguyên tử tự do, các mức năng lượng nguyên tử 3d và 4s của

các nguyên tố chuyển tiếp 3d là “chỗ ở” (host) của các electron hóa trị. Ở trạng

thái kim loại, các mức 3d và 4s này bị mở rộng ra thành vùng năng lượng.

Trong đó, các quỹ đạo 4s bị mở rộng khá lớn trong không gian, dẫn đến sự

chồng phủ lên nhau giữa với quỹ đạo 4s của các nguyên tử lận cận, vì thế vùng

4s được trải rộng trong khoảng năng lượng 15 – 20 eV. Ngược lại, quỹ đạo 3d

bị mở rộng ít hơn, vùng năng lượng 3d chỉ là một dải hẹp, với bề rộng khoảng

4 – 7 eV. Thực tế, không thể phân biệt rõ ràng giữa quỹ đạo 3d và 4s bởi vì

chúng sẽ lai hóa lẫn nhau trong vật liệu rắn. Tuy nhiên, để đơn giản, các

electron thuộc lớp 3d sẽ được coi là các electron kim loại – nghĩa là chúng linh

động và có thể mang dòng điện đi qua hệ mặc dù độ linh động của chúng còn

kém hơn nhiều so với các electron thuộc lớp 4s.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

15

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.7 Mô tả mật độ trạng thái của kim loại Cr, Fe, Co, Cu. Các kí

hiệu : +, - lần lượt là trạng thái điện tử ứng với spin , . Đường nét đứt là

mức năng lượng Fermi.

Trong kim loại sắt từ 3d, giả sử rằng, các hạt tải điện chủ yếu là các điện

tử s (vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn) nên vùng s không bị tách, do

đó điện tử s có spin – up và spin – down là bằng nhau. Với kim loại này thì có

sự tách vùng ở phân vùng d, mà vị trí tương đối của phân vùng ứng với điện tử

có spin – up thấp hơn phân vùng của các điện tử có spin – down. Theo nguyên

tắc tối ưu về mặt năng lượng thì phân vùng năng lượng của điện tử có spin – up

bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn. Do đó, các điện tử có spin – up gọi là

hạt tải đa số, còn điện tử có spin – down là hạt thiểu số. Các điện tử đa số quyết

định chiều của từ độ và hiệu số của số lượng điện tử có spin – up và spin –

down quyết định độ lớn của từ độ.

Ta có thể thấy được, với nguyên tố Co, dưới mức Fermi phân vùng 3d

với các spin – up bị lấp đầy hoàn toàn, còn phân vùng 3d với các spin – down

cắt mức Fermi, tức phân vùng này vẫn còn trống. Còn đối với Fe, thì mật độ

trạng thái của các spin – up ở trên mức Fermi vẫn tồn tại nhưng nhỏ hơn nhiều

so với trạng thái spin – down.

b. Cơ chế tán xạ s – d

Cơ chế tán xạ s – d là tán xạ của các điện tử s trên các trạng thái d ở gần

mức Fermi. Để hiệu ứng GMR xảy ra thì một điều kiện là chiều dày của các

lớp phải nhỏ hơn hoặc gần bằng với quãng đường tự do trung bình của các điện

tử.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

16

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Vì chỉ có các điện tử từ 3d ở lân cận mức Fermi mới tham gia vào quá

trình tán xạ do mật độ trạng thái chưa được lấp đầy, chỉ có điện tử 4s mới tham

gia vào quá trình dẫn điện và chỉ có tán xạ s – d mới gây ra sự dị thường của

điện trở suất khi có từ trường ngoài tác dụng, nên các tán xạ khác được bỏ qua.

Hình 1.8 Sơ đồ mật độ trạng thái điện tử trong cấu trúc lớp và quá

trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc lớp. Kí hiệu NM : kim loại

phi từ, FM : kim loại sắt từ, EF : mức năng lượng Fermi, M : chiều của từ độ

của lớp sắt từ.

Xét các điện tử dẫn 4s (up – spin , down – spin ), giả sử, được xuất phát

từ một lớp kim loại phi từ đầu tiên (bên trái hình vẽ) khi chuyển động đến lớp

sắt từ tiếp theo thì sẽ có hai trường hợp xảy ra ứng với cấu hình sắp xếp từ độ

của các lớp sắt từ.

Nếu từ độ của các lớp sắp xếp phản song song với nhau (trường hợp

hình vẽ a - ứng với trường hợp từ trường ngoài H = 0), các điện tử có spin

down bị bắt ngay khi vào các trạng thái 3d ứng với spin down còn trống (do có

cùng trạng thái) của lớp sắt từ bên cạnh, nghĩa là bị tán xạ và sẽ không tiếp tục

tham gia vào quá trình dẫn điện (mô phỏng bằng đường cung chấm màu xanh

lơ ). Trong khi đó, các điện tử có spin up (có cùng chiều với từ độ) không bị bắt

ở lớp sắt từ đầu tiên vì không có trạng thái 3d ứng với spin up nào trống cả.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

17

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Nhưng khi điện tử này đến lớp sắt từ tiếp theo thì bị bắt (vì có trạng thái 3d ứng

với spin up còn trống) (biểu thi bằng cung, nét đứt màu đỏ). Vì đây là sơ đồ có

cấu trúc tuần hoàn, các trạng thái 3d ứng với spin up và spin down còn trống

đều được phân bố lần lượt nhau, cho nên có thể thấy rằng cả hai kênh điện tử

spin up và spin down đều tương đương nhau trong quá trình truyền qua hệ và

đều bị tán xạ như nhau, dẫn đến điện trở suất của cả hệ ở trạng thái cao.

Trường hợp momen từ của các lớp sắt từ sắp xếp song song với nhau

(hình b), có thể thấy rằng chỉ có các trạng thái 3d spin down là còn trống nên

chỉ có điện tử pin down bị tán xạ (cung nét đứt màu xanh), còn kênh ứng với

điện tử có spin up thì do các trạng thái 3d với spin tương đương đều đã điện

đầy nên kênh này được thông hoàn toàn (đường cong liền nét màu đỏ). Đó là

trường hợp đoản mạch một kênh điện tử, dẫn đến điện trở suất của hệ giảm.

II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong màng mỏng đa lớp dị thể

(Granular GMR)

1 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể

Màng mỏng đơn lớp dạng hạt có cấu tạo gồm các hạt kim loại bị từ hóa,

như Fe, Co,..., được phân bố trong một lớp lớp kim loại phi từ, như Cu,

Ag…Kích thước của những hạt này vào cỡ nano mét và momen từ của chúng

gần như là bị cô lập với nhau. Ta coi như hai hạt sắt từ nằm cạnh nhau giống

như hai lớp sắt từ trong hệ màng mỏng đa lớp, nền phi từ ở giữa hai hạt như lớp

kim loại phi từ kẹp giữa hai lớp sắt từ này.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

18

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.9 Sơ đồ minh họa cấu tạo của màng mỏng từ đơn đơn lớp dị thể

2 – Giải thích hiện tƣợng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt

Hiện tượng GMR được tìm thấy trong hệ màng mỏng đơn lớp dị thể lần

đầu tiên vào năm 1992. Bản chất của hiện tượng GMR trong mẫu hạt cũng là

sự tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn và có thể giải thích dựa trên kết

quả trong mô hình tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn trong mẫu đa lớp.

Hình 1.10 Mô tả hiệu ứng GMR ở màng mỏng đơn lớp dị thể

Khi chưa có từ trường ngoài, momen từ của các hạt sắt từ định hướng

một cách ngẫu nhiên, do đó cả hai kênh điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên đường

chuyển động qua các hạt sắt từ, nên hệ ở có điện trở suất cao.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

19

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Khi từ trường ngoài tăng dẩn thì sẽ làm tăng dần số hạt có momen từ

song song với nhau (song song với từ trường ngoài). Lúc đó, một kênh spin có

hướng song song với từ trường ngoài sẽ bị tán xạ ít dần, trong khi đó kênh còn

lại bị tán xạ mạnh dần.

Khi từ trường tăng đến giá trị đủ lớn để quay toàn bộ số momen từ của

hệ thì kênh spin song song với từ trường sẽ gần như truyền qua hoàn toàn, kênh

còn lại gần như bị tán xạ hoàn toàn, do đó điện trở suất của cả hệ có giá trị thấp

nhất.

3 – Cấu trúc nano dị thể

Trong vật liệu cấu trúc nano dị thể – thuật ngữ hạt liên quan đến các hạt kim loại rắn, kích thước chỉ vài nano mét, chứa khoảng 103 – 106 nguyên tử -

vấn đề then chốt quyết định đến các tính chất vật lý của vật liệu thông qua các

yếu tố như phần thể tích của các hạt xv (tỷ phần thể tích của các hạt và thể tích

toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt 2r.

Vật liệu rắn kim loại dị thể được chia thành hai loại, loại thứ nhất gồm

các hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O3 ; loại vật liệu

dạng này đã được biết đến từ những năm 1970. Loại thứ hai gồm các kim loại

từ trong nền kim loại phi từ, loại này đã được quan tâm nghiên cứu trong

những năm gần đây – vật liệu từ trở khổng lồ (GMR), như hệ Co – Ag, Co –

Cu.

Trong vật liệu nano dị thể nói chung và trong vật từ dị thể nói riêng, hai

yếu tố xv và 2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất

vật lý của vật liệu, giá trị của xv thay đổi từ 0 đến 1. Với tất cả vật liệu rắn kim

loại dị thể, người ta còn đưa ra khái niệm là tỉ phần thể tích của phần vật

liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ. Khi : các hạt kim loại bị cô lập trong vật

liệu nền và khi : các hạt tạo thành một mạng lưới liên tục [7].

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

20

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 1.11 Mô tả sự thay đổi cấu trúc của vật liệu rắn dị thể theo tỉ phần

thể tích kim loại [7]

Một cách đơn giản, xét tất cả các đều là những hạt cầu có bán kính r,

được phân bố ngẫu nhiên, đồng nhất trong vật liệu nền. Khi đó, ta có thể dễ

dàng tính được mật độ hạt kim loại [7] :

(2.1)

Tỉ số diện tích bề mặt tương tác của hạt và thể tích của các hạt [7] :

(2.2)

Khoảng cách trung bình giữa hai hạt kế cận (tính từ tâm của mỗi hạt)

(2.3) [7]

Với thì . Điều này có nghĩa là khoảng cách trung bình

giữa các hạt vào khoảng kích thước của một hạt. Gọi là phần diện tích hạt

kim loại tại bề mặt nền thì

(2.4)

Trên đây là các thông số mà sự thay đổi của những thông số này sẽ dẫn

đến thay đổi tỉ số GMR, cũng như tính chất vật lý của vật liệu.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

21

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

4 – Cấu trúc đơn domain

Trong chất sắt từ có cấu trúc domain từ. Dưới nhiệt độ Curie, các chất

sắt từ, feri từ có trật tự tự phát. Nghĩa là, các momen từ định hướng song song

(đối với chất sắt từ) và đối song song nhưng không bù trừ nhau (đối với chất

feri từ). Thực tế cho thấy, các momen từ không hoàn toàn trật tự trong cả thể

tích mẫu mà chỉ tồn tại trật tự trong vùng có kích thước xác định. Các vùng này

được gọi là các domain từ (magnetic domain).

Sở dĩ dưới nhiệt độ Curie, các momen từ tự phát trong vật liệu từ phân

chia thành các domain là để năng lượng của vật liệu, bao gồm năng lượng dị

hướng từ, năng lượng tương tác trao đổi và đặc biệt là năng lượng trường khử

từ, có giá trị cực tiểu.

Khi hạt kim loại từ có , với L là kích thước của hạt kim loại,

là kích thước tới hạn – là ranh giới giữa cấu trúc đơn domain và đa domain

thì hạt kim loại này là một đơn domain. Với vật liệu từ có cấu trúc đơn domain

thì có lực kháng từ tăng mạnh. Kích thước của hạt từ càng tăng thì lực kháng từ

Hc càng giảm như trường hợp của hệ màng mỏng từ dị thể Fe/SiO2 và

thì lực kháng từ đạt Fe/Al2O3, ở nhiệt độ phòng, với kích thước hạt

cực đại Oe và giảm dần khi kích thước hạt lớn hơn [9] nhưng vẫn

lớn hơn giá trị của mẫu Fe dạng khối cũng ở nhiệt độ phòng là Oe

[2].

Với đặc điểm có lực kháng từ mạnh thì các vật liệu từ có cấu trúc đơn

domain này được ứng dụng để ghi thông tin.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

22

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

CHƢƠNG II - ỨNG DỤNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA

HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR)

Ứng dụng phổ biến nhất của hiệu ứng GMR là trong các đầu đọc, cảm

biến từ trường hay cái chuyển mạch trạng thái sử dụng từ trường. Các đầu đọc

GMR có độ nhạy cao hơn rất nhiều so với việc ứng dụng đầu đọc AMR sử

dụng trước đây, và do đó có thể đọc được những thông tin lưu trữ trong những

bit từ rất nhỏ trên đĩa từ - có nghĩa là giúp cho việc tăng mật độ lưu trữ của đĩa

từ. Hơn nữa, khả năng vận chuyển spin giữa hai lớp kim loại cũng là nền móng

cho các bộ nhớ MRAM.

Đưa hiệu ứng GMR vào ứng dụng trong công nghệ dựa trên hai khía

cạnh chính của hiệu ứng, đó là :

- sự thay đổi điện trở rất lớn và nhạy với từ trường ngoài

- dùng từ trường ngoài để điều khiển các kênh dẫn ứng với spin up

và spin down. Việc dùng từ trường để đảo spin theo hai chiều up

và down nên mất ít thời gian, tốn ít năng lượng và có thể rút ngắn

“tầm hoạt động” của điện tử hơn so với việc dùng từ trường để

điều khiển càng điện tử và lỗ trống như trong các linh kiện bán dẫn

truyền thống. Do đó, có thể thu nhỏ kích thước, đẩy nhanh tốc độ

làm việc của linh kiện điện tử spin.

Với xu hướng phát triển hiện nay là tăng dung lượng và giảm kích thước

của ổ cứng máy tính. Muốn vậy thì đối với đĩa ghi từ phải giảm kích thước mỗi

bit để ghi được nhiều dữ liệu hơn, đồng thời đầu đọc ổ cứng phải có kích thước

nhỏ hơn và có độ nhạy cao để đọc được những bit rất nhỏ này. Để thực hiện

được điều này thì phải tiến hành cải tiến song song cả đĩa ghi từ và đầu đọc

cảm biến GMR. Về hướng phát triển đầu đọc cảm biến GMR : xu hướng

nghiên mới hiện nay là việc tìm kiếm các vật liệu từ mới, những cấu trúc từ

mới để có thể khai thác và điều khiển tối đa thuộc tính spin của điện tử, làm

tăng giá trị của GMR, tăng độ nhạy của đầu đọc; để từ đó đáp ứng được yêu

cầu của một đầu đọc nhạy để có thể đọc được những đĩa từ có mật độ dữ liệu

cao là ít bị nhiễu, từ trường HS làm việc càng nhỏ càng tốt.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

23

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

I – Các hƣớng nghiên cứu vật liệu mới

Nhiều vật liệu mới có độ phân cực spin cao (để thu được ti số GMR lớn)

đã được nghiên cứu để làm nguồn spin, chúng sẽ góp phần làm tăng hiệu suất

vận chuyển spin, tăng chiều dài khuếch tán hay tăng thời gian hồi phục spin,

…Điển hình trong đó là các hợp kim/hợp chất có tính sắt từ nửa kim loại (half

– metallic ferromagnets) như oxit , các hợp kim kiểu Heusler X2YZ (như

Co2MnSb), kiểu bán Heusler (như NiMnSb), các hợp chất perovskite X-Mn-O…

Từ trở có liên quan đến độ dẫn điện, rõ ràng, nó là ứng xử của các

electron ở mức Fermi. Với vật liệu từ, mật độ trạng thái electron bị phân cực tại

mức Fermi càng nhiều, tức là tại mức Fermi độ lệch giữa mật độ điện tử có

spin up và điện tử có spin down càng nhiều, thì ta mong đợi

hiệu suất của hiệu ứng GMR càng rõ rệt.

Tên gọi sắt từ nửa kim loại có nguồn gốc từ nét đặc trưng đặc biệt là

vùng spin up như kim loại trong khi vùng spin down là một chất cách điện.Vật

liệu bán kim loại là những vật liệu chỉ dẫn điện bằng một điện tử có phương

spin xác định, hơn nữa chúng có hệ số phân cực spin cao, có thể lên đến 100%,

dùng để thay thế cho các kim loại sắt từ truyền thống (có hệ số phân cực spin

chỉ khoảng 40 – 50%).

Hình 2.2 Sơ đồ mật độ trạng thái minh họa cho kim loại thuận từ, sắt

từ, sắt từ bán kim loại

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

24

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Ta có thể thấy được, với vật liệu sắt từ bán kim loại, tại mức Fermi chỉ

tồn tại một loại phương spin duy nhất, tức độ phân cực spin là 100%. Vật liệu

bán kim loại được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo màng đa lớp như trong

cấu trúc van spin. Một dẫn chứng điển hình cho tính ưu việt khi sử dụng vật

liệu bán kim loại là độ nhạy của cấu trúc van spin đạt được 18%/(kA/m) [16].

1.1 - Hợp chất perovskite chứa manganese có pha tạp nguyên tố đất hiếm

Hợp chất là chất phản sắt từ và không dẫn điện, trong đó Ln là

nguyên tố đất hiếm, như La, Nd, Eu,Y,... Vào những năm 1993 – 1995, các nhà

khoa học đã phát hiện khi thay thế một phần ion (từ 10% đến 50%) bằng

các ion A có hóa trị 2 như thì những hợp chất các oxit chứa

chất manganese có pha tạp nguyên tố kim loại đất hiếm trở thành

chất sắt từ, dẫn điện và thể hiện tính chất từ trở khổng lồ.

Vật liệu này có cấu trúc mạng perovskite : các khối tám mặt

(octahedron), mỗi khối có một ion Mn ở giữa, sáu ion oxi ở đỉnh, liên kết với

nhau thanh chuỗi theo ba chiều không gian, những ion Ln, A ngụ ở khoảng

trống tạo bởi các khối tám mặt. Một trong những đặc điểm nổi bật của vật liệu

perovskite này là siêu dẫn nhiệt độ cao, sự thay đổi điện trở suất của chúng

dưới tác dụng của từ trường ngoài rất lớn, thậm chí còn lớn hơn trong hiệu ứng

GMR; cụ thể đối với màng mỏng La – Ca – Mn – O thu được MR = 127 000%

ở nhiệt độ 77K, HS = 6T, và MR phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, gần nhiệt độ

phòng thì MR khoảng 1300% ở 260K và khoảng 400% ở 280K [8] ; hiện

tượng này gọi là hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ (CMR). Với tính chất từ trở

siêu khổng lồ thì vật liệu perovskite rất hứa hẹn cho các linh kiện spintronics,

các cảm biến từ siêu nhạy.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

25

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 2.1 Cấu trúc perovskite có chứa manganese, pha tạp nguyên tố

đất hiếm La

1.2 - Các vật liệu từ kiểu Heusler và bán Heusler

Năm 2011, một nhóm của Nakatani và các đồng sự đã quan sát được

tương tác trao đổi lớp – lớp phản sắt từ (antiferromagnetic interlayer exchange

coupling AFM - IEC) giữa hai lớp hợp kim sắt từ Heusler có

bề dày 4nm bị ngăn cách bởi một lớp đệm không từ Ag có bề dày 2nm, màng được ủ nhiệt trên 400oC. Tỉ số MR của màng ba lớp được quan sát là 24%

[12].

Thiết bị này sở dĩ được gọi là cảm biến MR loại scissors vì từ độ của hai

lớp sắt từ bị quay như cái kéo (scissors) do tương tác phản sắt từ . Để thu được

tỉ số MR ở đầu ra cao thì hợp kim Heusler dựa trên cobalt có spin bị phân cực

cao được sử dụng để làm lớp sắt từ của thiết bị loại CPP – GMR (current –

perpendicular – to plane GMR) .

Thiết bị từ trở loại scissors sử dụng một AFM – IEC ở giữa hai lớp sắt

từ FM được ngăn cách bởi lớp đệm phi từ được kỳ vọng như một tiềm năng

cho cảm biến đọc hẹp dành cho đĩa ghi có mật độ cực lớn, như trên 1 Tbits/inch2.

II – Hƣớng nghiên cứu về cấu trúc

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

26

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

2.1 - Màng mỏng van spin (spin valve) :

Cấu trúc màng mỏng van spin là hệ màng mỏng đa lớp, gồm một lớp

phản sắt từ liên kết với hệ màng đa lớp sắt từ/phi từ/sắt từ.

Lớp phản từ có tác dụng là ghim từ độ của một lớp sắt từ theo một

chiều, và lớp sắt từ còn lại sẽ có vecto từ độ quay tự do theo từ trường ngoài.

Hình 2.3 Mô hình đơn giản nhất của một cấu trúc van spin

Tính chất từ trở trong cấu trúc van spin được nhóm của B. Dieny quan

sát vào năm 1991, với hệ màng mỏng dạng sandwiches

,

nhóm đã thu được kết quả nghiên cứu ở nhiệt độ phòng tỉ số MR là 4,1% tại 10

Oe, trong khi với cấu trúc Co/Cu/Co là 8,7% tại 20 Oe [15]. Tức sự thay đổi

điện trở của màng van spin này là khá lớn ứng với từ trường thấp hơn so với

màng ba lớp từng được nghiên cứu trước đây. Đây là một ưu điểm của hệ màng

có cấu trúc spin van dùng làm đầu đọc GMR để đọc được những bit thông tin

có kích thước rất nhỏ.

Các cấu trúc van spin, GMR chỉ cỡ vài phần trăm tại nhiệt độ phòng,

nhưng nó rất nhạy với từ trường, với độ nhạy có thể tới vài phần trăm/Oersted.

Độ nhạy của một linh kiện GMR được định nghĩa bởi biểu thức

, là hệ số góc của đường cong điện trở phụ thuộc vào từ

trường tại điểm làm việc. là điện trở của bão hòa đã hệ tại từ trường lớn.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

27

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Với cấu trúc spin van độ nhạy của màng có

thể đạt tới 18%/(kA/m) (=1,43%/Oe) [16] ). Vì thế, cấu trúc van spin đã được

sử dụng để làm cảm biến từ trường yếu và đầu đọc GMR cho các ổ đĩa từ có

dung lượng lớn và mật độ siêu cao.

Chỉ 4 năm sau phát hiện về GMR, người ta ngay lập tức ứng dụng GMR

trong đầu đọc ổ cứng máy tính.

Hình 2.4 Minh họa một cấu trúc một ổ đĩa cứng (HDD)

Hình 2.5 Minh họa đầu đọc ổ cứng máy tính với cảm biến GMR

Các đĩa ghi từ của ổ cứng là các vật liệu từ cứng và mỗi bit thông tin

được lưu trữ trên một vùng rất nhỏ, có thể coi như một “nam châm tí hon”. Đầu

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

28

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

đọc là một cảm biến sử dụng màng mỏng GMR, có điện trở thay đổi dưới tác

dụng của từ trường của “nam châm tí hon” này. Công nghệ hiện nay đòi hỏi

phải tăng dung lượng ổ cứng, các bít ghi từ phải nhỏ - điều này có nghĩa là tín

hiệu về từ trường của “nam châm” càng yếu hơn nên để đọc được tín hiệu này

thì đầu đọc GMR phải nhạy hơn, có tốc độ đọc nhanh hơn.

Như đã tìm hiểu ở chương I, trong hệ màng mỏng đa lớp, sự định hướng

phản song song của từ độ giữa các màng từ là một yếu tố không thể thiếu để có

thể xảy ra hiệu ứng GMR. Tuy nhiên, trong các màng mỏng đa lớp từ, chính

giá trị từ trường bão hòa quá lớn lại là trở ngại để có thể áp dụng các màng

này trong các thiết bị thực tế. Hiện này, đầu đọc GMR trong ổ cứng máy tính

dùng cảm biến van spin (spin valve). Đây là một cấu trúc vật liệu cũng có thể

tạo ra cấu hình phản song song cho hiệu ứng GMR. Ưu điểm của màng van

spin là có độ nhạy cao, từ trường làm việc thấp hơn.

Hình 2.6 Mô hình một cảm biến spin valve GMR

Một đầu đọc spin van GMR gồm có 4 lớp, đó là :

 Lớp tự do (free layer – FL) là lớp sắt từ , được làm từ hợp kim Fe

– Ni, trong đó từ độ dễ dàng bị đảo dưới tác dụng của từ trường ngoài; từ

trường ngoài ở đây chính là từ trường của những “nam châm tí hon” trên đĩa từ.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

29

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

 Lớp đệm (spacer) là lớp phi từ, điển hình như Cu, ngăn cách

giữa lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim.

 Lớp bị ghim (pinned layer – PL) là lớp sắt từ được làm từ vật

liệu cobalt, từ độ của lớp này được giữ cố định.

 Lớp trao đổi (exchange layer) được chế tạo từ vật liệu phản sắt

từ, như FeMn, có tác dụng cố định từ độ của lớp bị ghim.

Hình 2.6 mô tả cấu hình của một đầu đọc MR kiểu bị giới hạn (abutted

structure) sử dụng một cấu trúc van spin. Hai nam châm vĩnh cửu (hard bias)

có tác dụng ổn định cấu trúc đơn domain của lớp FL. Do trục từ hóa dễ của hai

lớp FL và PL vuông góc với nhau nên chỉ có từ độ của lớp FL bị ảnh hưởng

bởi từ trường tác dụng, do đó làm giảm nhiễu Barkhausen. Độ rông của van

spin – tức là khoảng cách giữa hai nam châm - chính bằng độ rộng của vết

thông tin W.

Theo sự phát triển của công nghệ ghi thông tin mật độ cao thì yêu cầu

độ rộng của vết thông tin phải ngày càng ngắn hơn, điều này sẽ làm giảm vùng

hoạt động của lớp FL trong vùng vết thông tin. Để khắc phục điều này, đầu đọc

GMR được cải tiến như sau : kéo dài lớp điện cực (contact) để thu nhỏ W,

nhưng lớp van spin hiệu dụng thì rộng hơn W nên vùng hoạt động của van spin

vẫn đủ rộng. Đầu đọc GMR lúc này là kiểu “bị phủ” (overlaid structure).

Về tình hình phát triển của đầu đọc GMR của hãng điện tử Hitachi.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

30

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

 Một yêu cầu quan trọng đặt ra đối với thiết bị CPP – GMR là thu

được tỉ số MR cao với điện trở thấp. Với thiết bị CPP – GMR van spin sử dụng

hợp kim Heusler để tăng tỉ số MR. Theo Nakatani, khi nhiệt độ mẫu tăng từ 14

K lên 290K thì tỉ số MR giảm từ 80% đến 34% ; đồng thời giá trị cũng

giảm từ đến và sự bất đối xứng spin khối của hợp kim

CFAS ở 14K là khoảng 0.77, điều này cho biết có sự đóng góp lớn của tán xạ

giữa mặt phân cách (interfacial scattering) [11]. (Với là tích diện tích và

sự thay đổi điện trở (resistance change – area product), ý nghĩa vật lý của đại

lượng là ). Giá trị MR cao ở nhiệt độ phòng của mẫu rất thích hợp để làm đầu

đọc đĩa từ.

Với việc sử dụng hợp kim Heusler trong cấu trúc van spin đã làm tỉ số

MR tăng hơn so với trường hợp không sử dụng Heusler.

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

31

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Hình 2.5 Cấu trúc một van spin có sử dụng hợp kim sắt từ Heusler CFAS



Xu thế hiện nay đang tập trung ở việc nâng cao mật độ ghi từ (ARD) đến Tb/in2, (với ARD phổ biến hiện nay là 100Gb/in2). Kể từ khi phát

hiện tỉ số MR trong cấu trúc từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling

Magnetoresistance TMR) lớn hơn khá nhiều so với tỉ số GMR, nên các màng

mỏng TMR có tiềm năng ứng dụng để chế tạo các đầu đọc cho các đĩa ghi từ

có mật độ ARD cao trên 100Gb/in2. Hiện nay, các đầu từ TMR đã và đang

được bắt đầu nghiên cứu ở một số công ty.

2.2 - Màng mỏng đơn lớp dị thể

Vào năm 1999, K. Tonooka và O. Nishimura đã tiến hành khảo sát tính

chất từ-điện trở của màng mỏng hợp kim bề dày khoảng 40nm, có

pha tạp nguyên tố đất hiếm, sử dụng phương pháp phún xạ để chế tạo. Kết quả

thu được sau khi pha tạp vào lớp nền Ag :

 Với nguyên tố Ce, Tb, Sm : làm tăng cường tỉ số MR của màng

so với khi chưa pha tạp, còn với nguyên tố Nd thì lại làm giảm tỉ số MR.

 Nhiệt độ ủ mẫu và nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đến tỉ số MR,

như kết quả thu được từ thí nghiệm thì để có được hiệu ứng MR lớn nhất cho các mẫu có pha tạp RE thì đòi hỏi nhiệt độ ủ khoảng 300oC [13].

Hướng nghiên cứu ở Việt Nam về những màng mỏng cấu trúc dị thể dựa

trên hai thành phần Co/Cu và Co/Ag. Kết quả thu được là màng có hiệu ứng từ

trở khổng lồ có thề đạt tới 6.5% tại nhiệt độ phòng và có khả năng ứng dụng

làm đầu đọc ghi từ mật độ cao [14].

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

32

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Tài liệu tham khảo

[1] Teruya Shinjo, Nanomagnetism and Spintronics, Elsevier B.V ,2009

[2] Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài, Từ học và vật liệu từ, NXB Bách

Khoa - Hà Nội, 2008, page 180.

[3] Nguyễn Hữu Đức, Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin,

NXB ĐHQG Hà Nội, 2008

[4] M.N Baibich, J.M. Brono, A. Bert, F. Nguyen Van Dau, and

F.Petroff, Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic

Superlattices, Physical Review Letters, 1988, Volume 61, Number 21, Pages

2472 – 2275

[5] S. S. P. Parkin, N. More and K. P. Roche, Oscillations in Exchange

Coupling and Magnetorisistance in Metallic Superlattice Structures : Co/Ru,

Co/Cr, and Fe/Cr, Physical Review Letters, 1990, Volume 64, Number 19,

Pages 2304 – 2308

[6] E. Y. Tsymbal and D. G. Pettifor, Perspectives of Giant

Magnetoresistance, Solid State Physics, 2001, Vol. 56, pp. 113 – 237

[7] C. L. Chien , Magnetism and giant magneto – transport properties

in granular solids, Annual Reviews of Materials Science, 1995. 25 : 129 – 160

[8] S Jin, M McCormack, TH Tiefel, Colossal magnetoresistance in La

– Ca – Mn – O ferromagnetic thin films, Journal of Applied Physics, 1994,

Volume 76, Issue 10, Pages 6929 – 6933, Abtract

[9] Chen Chen, Osamu Kitakami, Yutaka Shimada, Particle size effects

and surface anisotropy in Fe – based granular films, Journal of Applied

Physics, 1998, Volume 84, Issue 4, page 71 – 76, Abtract

[10] John Q. Xiao, J. Samuel Jiang, and C. L. Chien, Giant

Magnetoresistance in Nonmultilayer Magnetic Sytems, Physical Review

Letters, 1992, Volume 68, Number 25, Pages 3749 – 3752

[11] T. M. Nakatani, T. Furubayashi, S. Kasai, H. Sukegawa, Y. K.

Takahashi, S. Mitani, and K. Hono, Bulk and interfacial scatterings in current

– perpendicular – to – plane giant magnetorisistance with

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

33

Bài tiểu luận môn Vật liệu quang từ GVHD : TS. Đinh Sơn Thạch

Heusler alloy layers and Ag spacer, Applied Physics Letters , 2010, Volume

96,

[12] T. M. Nakatani, S. Mitani, T. Furubayashi, and K. Hono,

Oscillatory antiferromagnetic interlayer exchange coupling in

films and its application to trilayer

magnetoresistive sensor, Applied Physics Letters, 2011, Volume 99, Issue 18,

pages , Abtract

[13] Kazuhiko Tonooka, Okio Nishimura, Effect of rare – earth doping

on the magnetoresistive properties of sputtered Co – Ag alloy thin films,

Applied Surface Science 169 – 170 (2001) 500 – 503

[14] Tạp chí hoạt động khoa học, Trung tâm khoa học vật liệu – kết quả

nghiên cứu khoa học và bài học thành công, 2008, Số 12

[15] B. Dieny, V. S. Speriosu, S. Metin, S. S. Parkin, B. A. Gurney, P.

Baumgart, and D. R. Wilhoiit, Magnetotransport properties of magnetically

soft spin-valve structure, Applied Physics Letters, 1991, Volume 69, 4474,

Abtract

[16] Th. G. S. M. Rijks and W. J. M. de Jonge, Magnetoresistance in

spin valves with low coercivity and ultrahigh

sensitivily, Applied Physics Letters, 1994, Volume 65, Issue 7, Pages 916 – 918

HVTH : Nguyễn Thị Hà Trang

34