nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ (gmr) trong các hệ từ dạng hạt bằng công nghệ nguội nhanh

Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR trong các màng mỏng từ đa lớp hay trong các siêu mạng từ gồm các lớp kim loại sắt từ xen kẽ các l

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy GS TS

Nguyễn Hoàng Nghị - người đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt thời

gian làm luận văn tốt nghiệp Mặc dù bận rất nhiều công việc nhưng thầy vẫndành nhiều thời gian chỉ bảo, hướng dẫn tận tình và cho em những lời khuyên

bổ ích để luận văn của em hoàn thành tốt nhất

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Anh TuấnTrung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS), đã có những thảo

luận đóng góp quí giá cho luận văn của em và đã tạo điều kiện, giúp đỡ em

thực hiện chế tạo mẫu và một số phép đo thực nghiệm

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới anh Nguyễn Văn Dũng, anh Bùi

Xuân Chiến ở phòng thí nghiệm Vật liệu Vô định hình và Nano tinh thể đã

tạo mọi điều kiện và có những thảo luận, đóng góp giá trị cho em hoàn thành

tốt luận văn tốt nghiệp

Em cũng xin cảm ơn Trung tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu(ITIMS) đã giúp đỡ em thực hiện một số phép đo

Em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô trong Viện Vật lý Kỹ thuật

và trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã giảng dậy và giúp đỡ em trong suốt

quá trình học tập

Non MagneticRadio FrequencyGiant MagnetoresistanceMagnetoresistance

Magnetic (or Magnetoresistance) Random Access MemoryOrdinary Magnetoresistance

Ruderman-Kittel-Kasuya-YosidaScanning Electron MicroscopeTransmission Electron MicroscopeVibrating Sample MagnetometerX-ray Diffaction

Energy Dispersion Spectroscopy

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn 1

Danh mục các từ viết tắt 2

Mục lục 3

Mở đầu 5

Nội dung luận văn 8

Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Điện trở của kim loại 8

1.2 Hiệu ứng từ điện trở thường và từ điện trở dị hướng 9

1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) 9

1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR-Ansitropic Magneto Resistance) .10

1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance).… 11

1.3.1 Đôi nét lịch sử về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 11

1.3.2 Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR 14

1.3.3 Giải thích hiện tượng trong mẫu hạt 22

1.3.4 Cấu trúc nano trong hệ dạng hạt 24

1.3.5 Tính chất đơn đômen 26

1.4 Bài toán xác định phân bố kích thước hạt từ D bằng lý thuyết thuận từ Langevin 28

1.4.1 Trạng thái siêu thuận từ 28

1.4.2 Xác định phân bố kích thước từ 29

1.5 Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng hạt 33

Chương II: THỰC NGHIỆM 2.1 Công nghệ chế tạo 38

2.1.1 Công nghệ bốc bay nổ 38

2.1.2 Công nghệ nguội nhanh 40

2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X-XRD (X ray diffraction) 42

2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM 44

2.4 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer-VSM) 47

2.5 Phương pháp thực nghiệm khảo sát hiệu ứng GMR 48

Chương III: KẾT QUẢ 3.1 Kết quả nhiễu xạ tia X 50

3.1.1 Công nghệ nguội nhanh 50

3.1.2 Công nghệ bốc bay nổ 52

3.2 Kết quả SEM 55

3.2.1 Công nghệ nguội nhanh 55

3.2.2 Công nghệ bốc bay nổ 56

3.3 Kết quả nghiên cứu tính chất từ 57

3.3.1 Công nghệ nguội nhanh 57

3.3.2 Công nghệ bốc bay nổ 58

3.4 Kết quả đo từ trở khổng lồ 60

3.4.1 Công nghệ nguội nhanh 60

3.4.2 Công nghệ bốc bay nổ 62

3.5 Kết quả xác định hàm phân bố tỉ phần kích thước hạt Co 66

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

MỞ ĐẦU

tính chất vật lý mớiđãđược khám phá vàđược nghiên cứu rấtmạnh mẽ ở các hệ từ có các đặc trưng kích thước giới hạn

Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) trong các màng mỏng từ đa lớp hay trong các siêu

mạng từ gồm các lớp kim loại sắt từ xen kẽ các lớp kim loại phi từ và hiệuứng GMR trong các hệ từ dạng hạt bao gồm các hạt kim loại sắt từ nằm trên nền kim loại phi từ

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) là hiệu ứng gây ra sự thay đổimạnh điện trở suất của vật liệu do ảnh hưởng của từ trường ngoài (khoảng vài

(khoảng vài phần ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới, dựa trên hiện tượng sựtán xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn Chính vì vậy mà nó trở thành một chủ

đề nổi bậc trong vật lý cũng như trong khoa học và kỹ thuật vật liệu

nước và nước ngoài cho thấy các màng mỏng từ đa lớp (từ hàng chục lớp trởlên) có hiệu ứng GMR lớn, có thể đến hơn trăm phần trăm, nhưng phải ở từtrường khá cao (vài chục kilo Osted) và ở nhiệt độ thấp (thường ở 4,2K), điềunày gây khó khăn cho việc ứng dụng Trong khi đó đối với các hệ từ dạng hạt,hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng đạt bão hoà ở từ trường khá cao, rất thích hợp

để làm sensor đo từ trường cao Mặt khác, công nghệ chế tạo hệ từ dạng hạtlại tương đối đơn giản, có khả năng chế tạo được trong điều kiện kỹ thuật hiệnnay ở nước ta

Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra vật liệu GMR có cấu trúc

dạng hạt như đã nói trên đây: Ví dụ như phương pháp nguội nhanh từ thể

lỏng, phún xạ RF, bốc bay trong chân không, bay hơi bằng Laze, điện hoá,

lắng đọng hoá học và nhiều phương pháp khác nữa… Song có thể khẳng định rằng phương pháp nguội nhanh là phương pháp chế tạo hệ hợp kim dạng hạtquan trọng vì phương pháp này có năng suất cao, sản phẩm tạo ra có kíchthước lớn, có ý nghĩa trong việc ứng dụng vào thực tế Còn đối với phươngpháp bốc bay trong chân không đây là phương pháp chế tạo màng dạng hạt rấttốt và khá đơn giản tuy nhiên đối với phương pháp này việc khống chế thànhphần pha trên màng bốc bay so với thành phần pha của nguồn bốc bay là rất

cũng đã nghiên cứu đến phương pháp bốc bay nổ trong chân không Đây làphương pháp có thể coi là mới đối với nước ta vì cho đến nay vẫn chưa cómột công trình nghiên cứu nào trong nước công bố về việc chế tạo màng dạnghạt bằng phương pháp này cả

Trên cơ sở đó, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là:

“Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ (GMR) trong các hệ từ dạng hạt bằng công nghệ nguội nhanh và bốc bay nổ”.

Mục tiêu của luận văn là:

- Trong điều kiện thiết bị hiện có chế tạo được màng dạng hạt có hiệu ứngGMR, qua đó tìm hiểu sâu và cụ thể thêm về cơ chế vật lý của hiệu ứng

- Nghiên cứu một số tính chất từ của các mẫu chế tạo bằng công nghệ bốc bay

nổ và nguội nhanh nhằm làm sáng tỏ mối liên hệ với hiệu ứng GMR của vậtliệu chế tạo Xem xét đánh giá mức độ khác nhau về hàm lượng các hạt sắt từ

có trong mẫu ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR bằng hai công nghệ này

- Trên cơ sở những hiểu biết trên, nghiên cứu để có thể ứng dụng hiệu ứngGMR của hệ hạt trong lĩnh vực đo lường và điều khiển

Kết cấu của luận văn gồm các chương sau:

Chương II: Thực nghiệm

Công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu

Các phương pháp thực nghiệm sử dụng trong luận văn

Chương III: Kết quả và thảo luận

Kết luận

Chương I TỔNG QUAN

1.1 Điện trở của kim loại

Điện trở của kim loại là do sự tán xạ của điện tử dẫn với các nguyên tử

tạp chất hay dao động mạng tinh thể (phonon) Trong trường hợp chung, có

tán xạ bởi các loại sai hỏng tĩnh (gồm các tạp chất và các sai hỏng cấu trúc)

Trong trường hợp kim loại ở dạng màng mỏng, ngoài các thành phần là

điện trở suất trên đây còn có thêm thành phần ρs do tán xạ với các bề mặt ngoài của màng mỏng Khi đó điện trở suất tổng cộng của màng mỏng có thể

được viết là:

Thực ra cũng có thể coi các bề mặt ngoài là một dạng sai hỏng cấu trúc

Đối với các kim loại từ tính, chẳng hạn như các kim loại sắt từ, còn có

như trong các kim loại này, tồn tại mạng spin của các spin định xứ ở nútmạng và thực hiện tương tác trao đổi với điện tử dẫn Do đó có thể viết điệntrở suất của các kim loại sắt từ dưới dạng:

Ở nhiệt độ 0K, tất cả các spin ở nút mạng đều song song với nhau, tạo

ra trường thế tuần hoàn nên không gây ra tán xạ điện tử Khi đó thành phần

các kim loại sắt từ nói chung thường cao hơn so với các kim loại thường Ở

của điện tử, I 0 là đại lượng đặc trưng cho tương tác trao đổi giữa mạng spin và

điện tử dẫn, S là spin ở mỗi nút mạng và εF là năng lượng Fermi M và M 0 là

độ từ hóa của kim loại sắt từ ở nhiệt độ T và 0K

1.2 Hiệu ứng từ điện trở thường và từ điện trở dị hướng

1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)

Hiệu ứng từ điện trở thường quan sát thấy ở các kim loại và theo nguyên tắc tồn tại ở mọi kim loại và thường là hiệu ứng dương (điện trở tăng

theo từ trường tác dụng lên mẫu) Hiệu ứng này được giải thích như sau:

Dưới tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz làm hạt dẫn có thêm thành phần chuyển động tròn so với phương dòng điện và thành phần này không đóng góp vào dòng điện (vận tốc trung bình bằng không trong một chu trình) cho đến khi bị tán xạ Sau khi bị

tán xạ, hạt dẫn tham gia chuyển động tròn tiếp theo Như vậy, thời gian hồi

phục càng lớn (điện trở càng thấp) thì ảnh hưởng của từ trường ngoài lên điệntrở càng lớn Kohler tìm ra liên hệ giữa sự thay đổi điện trở suất theo từ

trường ngoài sau:

( H / )

(1.5)

Bởi vì điện trở suất đều tăng khi chuyển động của hạt dẫn bị lệch về cảhai hướng so với dòng điện nên sự thay đổi của điện trở suất phải theo hàm

mũ chẵn của từ trường ngoài Bậc thấp nhất của sự thay đổi điện trở suất là:

1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR-Ansitropic Magneto Resistance).

Hiệu ứng AMR là hiệu ứng xảy ra khi điện trở của mẫu thay đổi khác

nhau dưới tác dụng của từ trường ngoài theo các phương khác nhau so với

dòng điện Hiệu ứng AMR xảy ra đối với các kim loại sắt từ, hơn nữa sự thay

đổi của điện trở suất trong hiệu ứng AMR cũng lớn hơn nhiều so với OMR,

lên đến vài phần trăm Ví dụ, ở màng mỏng Fe tỷ số MR 0.2%, hay ở màng ∼

có tỷ số MR lớn nhất đạt được khoảng 4-5% Màng pecmalôi đã từng được sửdụng rộng rãi làm các cảm biến từ trường, đặc biệt là đầu từ MR

Khác với các kim loại thường, do các kim loại sắt từ có cấu trúc domennên dưới tác dụng của từ trường ngoài, ngay cả khi có cường độ nhỏ cũng dẫn

đến làm tăng rất mạnh từ trường nội của mạng tinh thể vì từ độ tự phát ở các

domen từ sắp xếp lại song song với nhau theo phương từ trường ngoài Vì thế

hiệu ứng MR trong các kim loại sắt từ còn do tương tác của điện tử dẫn với

từ trường nội, lớn hơn nhiều so với từ trường ngoài tác dụng Hiệu ứng MR

gây ra bởi sự tương tác này luôn có mặt ngay khi không có từ trường ngoài

(gọi là từ điện trở tự phát)

Bản chất vật lý của AMR được giải thích dựa trên mô hình hai dòng

của Mott và mô hình của J.Smit về liên kết spin-quĩ đạo (liên kết Orbital) và J.Smit cho rằng bản chất của AMR là liên kết SO khi hệ spin

Spin-tương tác với mạng tinh thể Mô hình hai dòng của Mott được trình bày ở

Hình 1.1 minh họa hiệu ứng dị hướng của điện trở suất đối với phương

từ trường tác dụng của các kim loại sắt từ, trường hợp a) từ trường song song

với dòng điện, trường hợp b) từ trường vuông góc với dòng điện, ρ s// và ρ s ⊥ là

các giá trị bảo hoà Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR),hiệu ứng này là phổ biến cho tất cả các kim loại sắt từ

Hình 1.1: Sự thay đổi điện trở suất của kim loại sắt từ theo từ trường ngoài

1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance)

1.3.1 Đôi nét lịch sử về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

Hiện tượng từ điện trở (Magneto Resistance-MR) lần đầu tiên tìm thấyvào giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XIX bởi Lord Kelvin Hiện tượng MR là hiện

tượng thay đổi điện trở của vật dẫn hoặc bán dẫn dưới tác dụng của từ trường

ngoài Sự thay đổi này thường vào khoảng vài phần nghìn và được giải thích

là do tác dụng của từ trường ngoài làm điện tích thay đổi hướng chuyển động Vào năm 1988 một nhóm của Albert Fert của trường Đại học tổng hợp

lớp dưới tác dụng của từ trường ngoài (hình 1.2), với cấu trúc

hệ gồm 40 lớp kép, đây là một sự thay đổi lớn chưa từng được quan sát thấy

từ trước đến nay Vì vậy mà hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở

khổng lồ (Giant Magneto Resistance-GMR) Gọi như vậy không phải chỉ bởi

sự ‘khổng lồ’ của sự thay đổi điện trở mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới củahiện tượng này, ‘Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn’

Hình 1.2 (a)Từ điện trở của ba siêu mạng Fe/Cr đo ở nhiệt độ 4.2K Dòng điện

và từ trường cùng được đặt dọc theo phương tinh thể [110] trong mặt phẳng của

các lớp (b)Cấu trúc của một siêu mạng từ.

(GMR) được quan sát thấy trong các hệ đơn lớp còn được gọi là hệ dạng hạt,

do một nhóm của A.E Berkowitz, J R Mitchell, M J Carey và A.P Young

Hình 1.3 Đường cong GMR của hệ hợp kim dạng hạt Co-Cu

hành đối với cả hai hệ màng đa lớp và màng dạng hạt và cũng đã thu đượchiệu ứng GMR rất lớn, ví dụ như vào năm 1991 nhóm SSP parkin lần đầu

tiên chế tạo hệ màng mỏng đa lớp đa tinh thể Co/Cu bằng phương pháp phún

trường 10(kOe) đạt được 65% ở nhiệt độ phòng và 115% ở 4.2K [20] Năm

1992 nhóm của John Q Xiao, J.Samuel Jiang và C.L Chien chế tạo màng đơn

lớp Co/Cu và hiệu ứng đạt được là 13% ở nhiệt độ 5K và 8% ở nhiệt độ phòng [21] Năm 1994 nhóm của R Schad, C D Potter, P.Belien chế tạo hệ

đa lớp [Fe(4,5)/Cr(12)] 50 với lớp sắt rất mỏng, kết quả tại 1,5K hiệu ứng GMR >220%, ở 300K là 42% [22] Đối với tình hình trong nước cho đến nay

hiệu ứng GMR được nghiên cứu vẫn còn ít chủ yếu là hai nhóm: Một của GS

Nguyễn Hoàng Nghị chế tạo băng Co-Cu bằng phương pháp nguội nhanhngoài không khí, cho kết quả GMR khoảng 5.5% ở nhiệt độ phòng và nhóm thứ hai là của TS Nguyễn Anh Tuấn, nhóm này tiến hành chế tạo vật liệuGMR dạng màng mỏng bằng phương pháp phún xạ RF chủ yếu với hai hệCo-Cu và Co-Ag đơn lớp và ba lớp, kết quả cho hiệu ứng GMR khoảng 3-4%

Cho đến nay hiệu ứng GMR đã được nghiên cứu rất kỹ và hoàn thiện

cả về hiệu ứng lẫn mô hình lý thuyết, sau đây là phần trình bày của một số mô hình lý thuyết giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR

1.3.2 Một số mô hình giải thích hiệu ứng GMR

1.3.2.1 Mô hình hai dòng Mott

bảo toàn trong hầu hết các tán xạ

Nguyên nhân của hiện tượng này là,

nguyên nhân gây nên quá trình “trộn”

2 trạng thái spin up và down, sinh ra

ít Vì vậy các hạt dẫn có spin up và

Hình 1.4: Mô hình hai kênh dẫn

spin down tạo nên hai kênh tương

ứng song song với nhau Mô hình hai dòng này có thể được biểu diễn bằngmạch song song, trong đó điện trở suất của hai loại hạt dẫn được ký hiệu là

n là nồng độ, m * là khối lượng hiệu dụng ,τ là thời gian hồi phục của điện tử,

thuộc spin của ρ liên quan đến sự phụ thuộc spin của n, m * tại mức Fermi của

điện tử dẫn Nguồn gốc bên ngoài liên quan đến sự phụ thuộc spin của thế tạp

chất hoặc thế sai hỏng Trong vật dẫn đơn chất, điện trở suất là tổng các đóng

góp từ các tán xạ của hạt dẫn trên phonon, tạp chất, tán xạ s-d, và các tán xạ

khác Như vậy, điện trở suất của kênh up và kênh down có thể khác nhau do:

m * khác nhau, n khác nhau, τ khác nhau, mật độ trạng thái tại mức Fermi

N (E F) của các điện tử có spin up và spin down khác nhau Nếu bỏ qua tán xạ

s-d trong một kênh dẫn nào đó, điện trở suất của kênh đó sẽ giảm đi Trường

hợp của Ni là một ví dụ Trong Ni, các mức năng lượng có spin up đã điềnđầy, và do đó không bắt điện tử

Người ta định nghĩa hệ số bất đối xứng spin như sau:

= ↓

ρ ↑

Hệ số bất đối xứng spin phụ thuộc vào tính chất từ của hợp kim Trong

Ni, Co cũng như các hợp kim từ tính mạnh, α >> 1 Mật độ trạng thái có spin

up tại mức Fermi (chỉ xuất phát từ các trạng thái liên kết s-p) rõ ràng nhỏ hơn

nhiều mật độ trạng thái có spin down (xuất phát từ các trạng thái s-p + d) Do

vậy α có xu hướng lớn hơn 1 trong các hợp kim của Ni và Co Thực tế α có

Khi nhiệt độ gần hoặc vượt quá nhiệt độ Cuire Tc, quá trình trộn hai

kênh spin là không thể bỏ qua và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất

magnon Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là tương tác

Như vậy ở nhiệt độ thấp, việc sinh ra magnon sẽ ít và do đó quá trình

trộn lẫn hai kênh spin được bỏ qua

hạng điện trở suất ρ ↑↓ được đưa vào Chú ý rằng khi nhiệt độ thấp, ρ ↑↓<<ρ↑, ρ↓

Biểu thức (1.11) trở thành (1.7) Khi nhiệt độ đủ cao, ρ ↑↓>>ρ↑, ρ↓thì biểu thức (1.11) trở thành

ρ = ρ ↑ + ρ ↓

4

(1.12)Biểu thức này thể hiện, khi nhiệt độ đủ cao, hiện tượng trộn hai kênh

dẫn xảy ra mạnh (tức là khi thời gian sống của spin nhỏ hơn thời gian hồi

phục không lật spin), tất cả điện tử, spin up cũng như spin down, có cùng tốc

độ hồi phục trung bình

1.3.2.2 Một số mô hình đơn giản giải thích hiệu ứng GMR

Cách giải thích đầu tiên về cơ chế gây ra hiệu ứng GMR trong các cấutrúc từ đa lớp dưới đây cũng đã dựa trên cơ sở mô hình hai dòng của Mott

được đề cập đến trước đây Hình vẽ (1.5) là mô hình đơn giản và trực quan

mô tả quá trình chuyển dời của các điện tử có spin up và spin down qua cáclớp từ như thế nào khi từ độ của các lớp sắp xếp khác nhau Các lớp ở đây

được giả thuyết là có chiều dày tương đương với quảng đường tự do trung bình của điện tử Mỗi điện tử khi đi từ một lớp từ này đến một lớp từ tiếp theo

sẽ mang một cấu hình spin nào đó (up hay down) và vẫn giữ nguyên cấu hình

cho đến khi bị tán xạ (tính bảo toàn spin) Các spin có chiều song song với từ

độ bị tán xạ ít hơn các spin có chiều phản song với từ độ Có thể thấy rằng

trong trường hợp a) khi từ trường H = 0 làm cho từ độ trong các lớp từ sắp

xếp theo kiểu phản song với nhau (giống như liên kết kiểu AF

(Antiferromagnetic)), mỗi kênh điện tử với spin up và spin down đều lần lượt

bị tán xạ và không bị tán xạ (hoặc là đều lần lượt bị tán xạ mạnh hoặc tán xạít) khi đi qua lớp từ

Hình 1.5: Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau

Kết quả là toàn bộ điện tử dẫn đều bị tán xạ như nhau, điều này làm cho

hệ đa lớp giống như một cái van (đối với các spin) hạn chế dòng “chảy” của

Trong trường hợp b) khi từ trường ngoài H > Hs làm cho từ độ trong

các lớp từ sắp xếp song song với nhau (liên kết kiểu FM(Ferromagnetic)), khi

đó chỉ có một kênh điện tử có spin luôn ngược chiều với từ độ mới bị tán xạ

mạnh, còn kênh kia luôn cùng chiều nên tỷ lệ truyền qua cao Trong tình huấnnày, hệ đa lớp giống như một cái van mở thông cho một kênh spin truyền qua.Như vậy ở trường hợp sau, điện trở suất của toàn hệ nhỏ hơn trường hợp

trước do có sự đoản mạch đối với một kênh spin Sự biến đổi của điện trở suất

ở trường hợp trung giang 0 < H < Hs là giảm dần khi từ trường tăng lên vì từ

độ các lớp sắp xếp dần dần theo từ trường Khi đó sự tán xạ ở một kênh điện

tử có spin ngược với từ độ cũng giảm dần vì từ độ đã chuyển hướng sangcùng chiều với spin Điện trở ứng với kênh đó sẽ giảm dần cho đến khi từ

trường tăng lên đến H > Hs làm cho từ độ trong các lớp hoàn toàn song song

với nhau và với phương spin

Ta chuyển sang sơ đồ giải thích khác đi trên cơ sở cấu trúc dải năng

lượng và quá trình tán xạ giữa các dải s – d Tán xạ s – d này không phải xảy

ra ở trong cấu trúc dải của bản thân mỗi lớp từ mà xảy ra giữa các điện tử 4s

của lớp kim loại phi từ với các điện tử 3d của các lớp sắt từ lân cận Sơ đồ

này cho thấy rỏ hơn ý nghĩa vật lý của hiệu ứng GMR, như trình bày ở hình

vẽ trong đó các lớp kim loại phi từ được kí hiệu là NM, còn các lớp kim loại

phi từ được kí hiệu là FM, E F là kí hiệu mức Fermi Chiều dày các lớp được

giả thuyết là nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của các điện tử 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 và như đã đề cập đến trước đây, chỉ có các 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 Ta hãy xét các điện tử dẫn 4s (spin up và spin down)

giã sử được xuất phát từ một lớp kim loại phi từ (ví dụ lớp đầu tiên bên trái

trong hình vẽ) khi chuyển động đến lớp sắt từ tiếp theo, sẽ có hai trường hợpxảy ra ứng với hai cấu hình sắp xếp từ độ của các lớp sắt từ.

Giả sử trong trường hợp đầu khi từ độ của các lớp sắp xếp phản song

với nhau, các điện tử có spin down bị bắt ngay vào các trạng thái 3d còn trống

(do có cùng trạng thái) của lớp sắt từ bên cạnh, nghĩa là bị tán xạ và không

tham gia tiếp tục vào quá trình dẫn điện (biểu thị bằng đường cung chấm chấm đậm, ngắn) Trong khi đó các điện tử spin up (cùng chiều với từ độ) không bị bắt ở lớp từ đầu tiên vì không có trạng thái 3d spin up nào trống cả.

Các điện tử này truyền sang được lớp sắt từ tiếp theo và bị bắt ở đây vì có các

trạng thái 3d (spin up) còn trống (biểu thị bằng đường cung gạch gạch dài) 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

Trong trường hợp thứ hai khi có mômen từ của các lớp sắp xếp song song nhau, có thể thấy rằng chỉ có các trạng thái 3d spin down là còn trống,nên chỉ có kênh điện tử spin down bị tán xạ (các cung chấm chấm) còn kênhspin up được thông qua hoàn toàn vì các trạng thái 3d với spin tương đương

đã được điền đầy (biểu thị bằng đường cong liền nét) Đó là trường hợp đoảnmạch một kênh điện tử, dẫn đến điện trở suất của cả hệ giảm xuống Ta cũngnhận thấy rằng các dãi 4s của bản thân các lớp từ (không vẽ trong hình) cũng

có thể tham gia vào quá trình tán xạ tương tự các điện tử 4s của lớp kim loạiphi từ Tuy nhiên, quá trình này được cho là yếu hơn nhiều so với quá trình đãđược đề cập đến ở trên

Hình1.6: 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

Hình 1.7 minh hoạ mô hình chuỗi rào thế giải thích cơ chế GMR, coi

hệ đa lớp như một chuỗi rào thế dạng chữ nhật tuần hoàn (lý tưởng hoá) đối

với sự chuyển động của các điện tử dẫn Trong cấu hình từ độ phản song (a)

cả hai kênh spin đều bị cản trở bởi rào thế có cùng hình thái và độ cao Còntrong cấu hình từ độ song song (b), chỉ có kênh spin up bị chuỗi rào thế cảntrở

Ngoài ra, cơ chế GMR cũng có thể giải thích đơn giản dựa trên mô hình mạng điện trở của J Mathon [8] Giả thiết cơ bản của mô hình này là sự

tán xạ phụ thuộc spin, có nguồn gốc ở trong bản thân của lớp sắt từ, nghĩa là

tán xạ khối Mỗi một lớp kim loại sắt từ và kim loại phi từ đều gồm hai điệntrở ứng với hai kênh dẫn của các điện tử spin up và spin down Mô hình này

cho thấy biên độ GMR có liên quan tới tỷ số tán xạ bất đối xứng giữa hai kênh dẫn mà không cần để ý đến sự tán xạ phụ thuộc spin xảy ra ở đâu, vì xác

suất tán xạ của hai kênh điện tử ứng với spin up và spin down khác nhau, dẫn

Hình 1.7: Mô hình chuỗi rào thế

Như vậy, hành vi thay đổi điện trở suất của cấu trúc lớp liên quan đếntương quan của phương từ độ giữa các lớp Biên độ của GMR có liên quan tới

tỷ lệ tán xạ giữa hai kênh spin khi chuyển dời qua các lớp Mặt dù sự tán xạ

phụ thuộc spin bắt nguồn từ các lớp sắt từ nhưng một điều đặc biệt quan trọng

là sự tán xạ giữa các điện tử dẫn với các điện tử từ xảy ra không chỉ ở trong

lòng của mỗi lớp sắt từ mà cả ở bề mặt phân cách giữa lớp sắt từ và lớp kim loại phi từ Sự tán xạ spin ở bên trong của lớp sắt từ gọi là tán xạ khối, còn ởtrên bền mặt phân cách giữa lớp từ và lớp phi từ gọi là tán xạ mặt phân cách.Thực nghiệm đã cho thấy rằng tán xạ phụ thuộc spin ở mặt phân cách là đónggóp chính của GMR, tán xạ càng mạnh thì tỷ số GMR càng lớn Tuy nhiêntrong trường hợp khi chiều dày các lớp sắt từ lớn hơn nhiều so với các lớpkhông từ, đồng thời chiều dày tổng cộng của lớp từ và phi từ đủ lớn, thì phầnđóng góp của tán xạ khối là không thể bỏ qua Ngoài ra các tạp từ trong lớpkim loại phi từ và các khuyết tật từ trong lớp kim loại sắt từ cũng đóng gópvào quá trình tán xạ spin

1.3.3.Giải thích hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt

Hiện tượng từ trở khổng lồ tìm thấy trong mẫu hạt 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

Trước hết giả sử ta có mẫu gồm các hạt sắt từ Co,Ni,Fe… nằm trong

nền kim loại không từ Cu,Ag,Au… Ta coi hai hạt sắt từ nằm cạnh nhau giống

như hai lớp sắt từ trong hệ đa lớp, nền phi từ giữa hai hạt sắt từ coi như lớpkim loại phi từ nằm giữa hai lớp sắt từ đó, như minh hoạ trong hình vẽ

Hình 1.8: Sơ đồ minh hoạ cấu tạo của màng mỏng từ đơn lớp có cấu trúc dạng hạt

Khi chưa có từ trường ngoài, mô men từ của hai hạt sắt từ này định

tử sẽ bị tán xạ như nhau khi đi qua biên giới hai hạt sắt từ này Khi đặt từ

trường ngoài đủ lớn, từ trường này sẽ định hướng mô men từ của hai hạt song

song với hướng của nó, lúc đó sẽ có một kênh dẫn bị tán xạ ít hơn, giống nhưtrường hợp đoãn mạch một kênh trong hệ đa lớp

Xét trong toàn hệ, khi không có từ trường ngoài mô men từ của các hạt sắt từ định hướng ngẫu nhiên, do đó cả hai kênh điện tử sẽ bị tán xạ mạnh trên

đường chuyển động qua các hạt sắt từ, hệ ở trạng thái điện trở cao Từ trường

ngoài tăng dần sẽ làm tăng dần số các hạt có mô men từ song song với nhau

(do cùng song song với từ trường ngoài) Một kênh spin (kênh có spin song

song với hướng của từ trường ngoài) sẽ bị tán xạ ít dần trong khi kênh còn lại

bị tán xạ mạnh dần, điện trở của hệ giảm dần Khi từ trường ngoài đủ mạnh

làm quay toàn bộ số mô men từ trong hệ, kênh spin có hướng song song với

từ trường ngoài sẽ gần như truyền qua hoàn toàn, kênh còn lại gần như bị tán

xạ hoàn toàn, điện trở của hệ đạt giá trị thấp nhất Giả thiết các hạt sắt từ phân

bố một cách ngẫu nhiên trong nền kim loại không từ với bán kính trung bình

ứng của điện tử trong các hạt sắt từ và không từ; ξ là cường độ tán xạ spin

trên bề mặt các hạt sắt từ Ta thấy rằng, tỉ số GMR trong hệ hạt phụ thuộc vào

các yếu tố: kích thước hạt, quãng đường tự do trung bình, tỉ số tán xạ phụthuộc spin trên tán xạ không phụ thuộc spin

1.3.4 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng hạt

Vật liệu rắn có cấu trúc dạng hạt đã được quan tâm nghiên cứu và đưa

vào ứng dụng trong đời sống, kỹ thuật từ lâu Ta có thể gặp cấu trúc vật liệu

rắn dạng hạt ở dạng vật liệu thông thường như vật liệu bê tông, gồm những

hạt đá có kích thước cỡ cm và các hạt cát với kích thước cỡ μm trong nền của vật liệu xi măng Tùy theo yêu cầu về kết cấu trong xây dựng mà người ta đưa

ra các thông số khác nhau về kích thước của các loại hạt đá hay cát Như vậy

có thể nói kích thước của các hạt trong vật liệu dạng hạt là rất quan trọng nóliên quan đến vấn đề cơ tính của vật liệu

Nghiên cứu vật liệu nano dạng hạt, gồm các hạt kim loại trong nền kim loại khác không hòa tan, chẳng hạn như Co trong nền Cu Ở đây thuật ngữ hạt

Trong vật liệu cấu trúc nano dạng hạt, các vấn đề then chốt quyết định đếncác tính chất vật lý của vật liệu thông qua các yếu tố như tỷ phần thể tích của

thước của các hạt (2r)

Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia thành 2 loại; loại thứ nhất gồm

đã được biết đến từ năm 1970; loại thứ hai gồm các hạt kim loại từ trong nềnkim loại phi từ, đã đựợc quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây – vậtliệu từ điện trở khổng lồ (GMR), ví dụ như hệ Co – Cu, Co – Ag

Trong vật liệu nano dạng hạt nói chung và trong vật từ dạng hạt nói

Hình 1.9: Mô tả sự thay đổi cấu trúc của vật liệu từ dạng hạt theo sự thay

Hình 1.9 cho thấy sự thay đổi cấu trúc của vật liệu rắn dạng hạt với sự

niệm tỷ phần thể tích của phần vật liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ (x p ) Các

hạt có hình dạng hình cầu, bán kính r thường được phân bố một cách ngẫu

nhiên và đồng nhất trong vật liệu nền Số lượng các hạt kim loại trong thể tích

thước của một hạt Nó cũng cho thấy:

Đây là các thông số mà các tính chất vật lý, tỷ số GMR của vật liệu đềuliên quan, sự thay đổi của các thông số này dẫn đến sự thay đổi tỷ số GMR

1.3.5 Tính đơn đô men.

Trong hệ vật liệu từ dạng hạt với các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt

từ có một trục từ Khi không có từ trường ngoài các hạt từ được sắp xếp một

cách ngẫu nhiên và có một năng lượng bằng CV, với C tổng dị hướng từ trên

một đơn vị thể tích, và V là thể tích của hạt từ Khi có từ trường ngoài khác

không các trục từ quay theo chiều của từ trường ngoài Như vậy từ độ củamẫu (M) bằng tổng từ độ của các hạt đơn đô men:

H = MScos θ

(1.18)Với θ là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài,

trên toàn bộ các hạt sắt từ Khi đó đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể

hiện quá trình quay trục từ của các hạt đơn đô men Trong đó các kích thước

và sự điều khiển của các đô men đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường

Hình 1.10: (a)Đường cong từ trễ đo ở nhiệt độ 5K, (b,c,d)Sự phụ thuộc

Hình (1.10) là một ví dụ về sự phụ thuộc của đường cong từ trễ của vật

liệu dạng hạt vào từ trường ngoài ở nhiệt độ thấp 5K Khi mẫu bắt đầu từ hóa

với M = 0 ở từ trường ngoài H = 0, trục từ của các hạt từ định hướng ngẫu

nhiên, giá trị này bằng tổng dị hướng từ của các hạt từ Hướng của các

mômen từ định hướng ngẫu nhiên và ở trạng thái tĩnh khi nhiệt độ thấp Khi

từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = M S ) với từ trường ngoài đủ lớn, lúc đó tất

cả các mômen từ được định hướng hướng theo chiều của từ trường ngoài.

Nếu từ trường ngoài H giảm tới H = 0, khi đó giá trị của từ dư M r = M S /2 ở

nhiệt độ thấp 5K, bởi vì các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầutheo trục dị hướng của hạt đơn đô men

Vật liệu từ với cấu trúc đơn đô men, có lực kháng từ (H C ) của các hạt

từ lớn hơn trong vật liệu dạng khối Theo nghiên cứu lý thuyết, các hạt sắt từ

tinh thể), trong khi đó đối với mẫu khối là 10 Oe [18] Một số vật liệu từ dạng hạt, như Co – Ag, Fe – Cu, Fe – Ag có lực kháng từ H C khá lớn cỡ 3000 Oe.

Như vậy đối với các vật liệu có cấu trúc đơn đô men thể hiện lực kháng từ H C

lớn, hằng số dị hướng C lớn, và lực kháng từ H C sự phụ thuộc vào kích thước

của hạt

1.4 Bài toán xác định phân bố kích thước hạt từ D bằng lý thuyết thuận

từ Langevin cho vật liệu dạng hạt

1.4.1.Trạng thái siêu thuận từ

Vật liệu từ được chia làm 3 loại: Vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ,

và vật liệu sắt từ, dựa trên cấu trúc vi mô của vật liệu Vật liệu nghịch từ là

loại vật liệu không có mô men từ nguyên tử (mô men từ nguyên tử bằng 0).

Hai loại vật liệu từ còn lại có mô men từ nguyên tử khác không do các lớp

điện tử chưa điền đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ không có trật tự từ, tức là các mô men từ nguyên tử sắp xếp hỗn loạn; còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại

trật tự từ Trong vật liệu thuận từ, các nguyên tử có mô men từ khác không,

nhưng do không có tương tác trao đổi giữa các mô men từ này nên chúng định

thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đổi giữa các mô men từ nguyên tử

tạo nên trật tự từ

Nhưng nếu trong một hệ sắt từ, kích thước các hạt sắt từ rất nhỏ, sao

cho năng lượng dị hướng từ (yếu tố ‘ghim’ mô men từ của hạt theo 1 phương

- phương dễ từ hoá) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm mô men từ của hạt

dao động xung quanh phương dễ từ hoá ), tức là:

K V < K B T

thì các véc tơ từ độ của các hạt sắt từ không bị ‘ghim’ nữa mà có thể quay tự

do, định hướng một cách ngẫu nhiên Lúc đó hệ tương đương với một hệ thuận từ và được gọi là hệ siêu thuận từ (superparamagnetic system) Tính

chất siêu thuận từ đã được quan sát thấy trong các hệ vật liệu có hiệu ứng từtrở khổng lồ (GMR effect)

1.4.2 Xác định phân bố kích thước từ

Các kết quả nghiên cứu hiệu ứng GMR trong các hợp kim dị thể về mặt

từ dạng hạt Co-Cu, Co-Ag cho thấy hiệu ứng GMR phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như nhiệt độ đo, cấu hình đo, thành phần hợp thức của mẫu, và đặc biệt là chế độ xử lí nhiệt Như vậy một yêu cầu đặt ra là xác định kích thước hạt từ

khi nghiên cứu hiệu ứng GMR Có nhiều phương pháp có thể sử dụng để xác

định kích thước hạt như dùng phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử truyền qua TEM, và phương pháp xác định kích thước hạt bằng cách so

sánh đường cong từ hoá thực nghiệm với các đường cong từ hoá lý thuyết M=M(H) với các kích thước hạt D khác nhau dựa trên lý thuyết Langevin về

thuận từ

Theo lý thuyết thuận từ Langevin, từ độ của hệ thuận từ với các hạt có

kích thước giống nhau là một hàm số của nhiều tham số trong đó có thể tích

Như vậy ứng với kích thước hạt D khác nhau ta có thể tích V khác nhau

dẫn đến hình dạng đường cong từ hoá M=M(H) khác nhau Cho D một dãy

các giá trị tăng dần cách nhau 0.5 nm (hoặc có thể nhỏ hơn nữa) ta có một hệ

các đường cong từ hoá lý thuyết khác nhau So sánh đường cong từ hoá thực

nghiệm với hệ các đường lý thuyết này cho ta kết quả về kích thước hạt từ của

mẫu

Cụ thể đối với hệ mẫu Co-Cu, Co-Ag giá trị M s – mô men từ bão hoà

của Co ở nhiệt độ phòng cho Co fcc (lập phương tâm khối) [11] là 1.42x10 6

Trong hệ mẫu Co-Cu, Co-Ag có hiệu ứng GMR được nghiên cứu, tính

siêu thuận từ có thể quan sát thấy trên các đường cong từ trễ thực nghiệm trên hình (1.11) cho thấy từ độ của mẫu không đạt tới trạng thái bão hoà với từtrường lên đến 1.3T Do đó ta có thể áp dụng lý thuyết thuận từ Langevin chocác mẫu này

0.5 0.0 -0.5 -1.0

(c)

(a) (b)

và trường khử từ H c khác không Điều đó chứng tỏ trong các mẫu này còn tồn

M total = M fm + M spm

Để áp dụng lý thuyết thuận từ Langevin cho các mẫu này, yêu cầu đặt

ra là phải tách phần sắt từ ra khỏi đường cong từ hoá thực nghiệm Có thể

nhận thấy rằng đối với các chất sắt từ, từ độ có thể dễ dàng đạt đến giá trị bão

hoà với từ trường ngoài đạt cỡ 0.4T và theo các tính toán lý thuyết và thực

nghiệm cho hệ hạt Co giá trị từ độ bão hoà đạt giá trị:

Ta có từ độ của phần siêu thuận từ:

M spm = M total - M r /0.866

Như vậy đây là một phương pháp có thể cho phép xác định kích thướchạt sắt từ Co trong các hệ siêu thuận từ Co-Cu, Co-Ag có hiệu ứng GMR

Tuy nhiên do trong hệ thuận từ hoặc siêu thuận từ thực các hạt đóng

ta cần tính đến hàm phân bố tỉ phần số hạt f(m) theo kích thước hạt và công

Để xác định phân bố tỉ phần số hạt f(m) ta làm như sau:

1) Cho D (kích thước hạt từ) một dãy các giá trị tăng dần từ 2nm đến 5.5nm

(Jm/A), với (T = Jm/A)

2) Từ kết qủa thực nghiệm ta có được đường cong từ hoá M(H) theo H

3) Ta lập một ma trận với các biến theo M và H

n (Hn, m1)L(Hn, m2) L(Hn,n) (n)

4) Giải ma trận này ta được kết quả là các phân bố tỉ phần số hạt f(m) Tuynhiên việc giải ma trận này là rất khó khăn, để thực hiện việc này đơn giảnhơn ta sử dụng sự hỗ trợ của phần mềm Matlap.

Từ kết qủa thực nghiệm ta vẽ đường cong từ hoá trong Matlap sau đó

dùng công cụ này để fit sao cho trùng khớp với đường thực nghiệm, phương

trình fit thiết lập có dạng của hàm Langevin như sau:

Y = a(coth(0.75*x/0.41) - 0.41/0.75/x) + b(coth(1.45*x/0.41) - 0.41/1.45/x) + c(coth(2.51*x/0.41) - 0.41/2.51/x) + d(coth(3.9*x/0.41) - 0.41/3.9/x) +

e(coth(5.97*x/0.41) - 0.41/5.97/x) + f(coth(8.5*x/0.41) - 0.41/8.5/x) +

k(coth(11.6*x/0.41) - 0.41/11.6/x) + z(coth(15.5*x/0.41) - 0.41/15.5/x)

Trong đó: y là các giá trị biểu thị cho M, x là các giá trị biểu thị cho H, còn các hệ số a, b, c, d, e, f, k, z là các giá trị biểu thị cho f(m) theo kích thước hạt từ 2nm đến 5.5nm Kết qủa fit cho ta các giá trị của a, b, c, d, e, f, k, z

chính là các giá trị của hàm phân bố tỉ phần số hạt f(m)

Phương pháp tách phần sắt từ ra khỏi từ độ tổng thể của mẫu ở trên có thể được thực hiện chính xác hơn bằng cách phân tích sự khác nhau của

đường cong từ trễ theo hai chiều tăng và giảm từ trường, chi tiết có thể tìm

1.5 Một số ứng dụng của hiệu ứng GMR của hệ màng mỏng dạng hạt

Hiện nay các hiệu ứng GMR đã được sử dụng nhiều trong các lĩnh vựcnhư công nghệ thông tin làm đầu đọc từ GMR, bộ nhớ từ không tự xoá kiểuMRAM, v.v…Tuy nhiên, các lĩnh vực đó đòi hỏi một nền công nghệ cao mà

hướng đến một số ứng dụng đơn giản và phù hợp hơn, những khảo sát ở đâytập trung cho mục đích như làm cảm biến từ trường và phần tử chuyển mạchtrong kỹ thuật đo lường và kỹ thuật điện tử

Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu trong luận văn có thể định hướngứng dụng hiệu ứng GMR trong một số trường hợp sau:

+ Cảm biến GMR xác định theo vị trí:

S N

Phương tiếp cận của vật

Nam châm vĩnh cửu

Pittông

Cảm biến GMR

N S

Phương chuyển động của pittông

Hình 1.12: (a) Nguyên tắc phát hiện một vật khi đến gần cảm biến GMR.

- Cảm biến gần, nguyên lý như hình vẽ (1.12 (a)) Khi vật có từ trường tiến lại

gần cảm biến (hoặc ngược lại), từ trường làm thay đổi giá trị GMR của cảm

biến Tín hiệu từ cảm biến được đưa đến các mạch điều khiển ở bên ngoài Ví

dụ, kiểu cảm biến này được ứng dụng trong bộ điều khiển đánh lửa của động

cơ đốt trong (hình 1.12 (b)), bàn phím không tiếp xúc, cảm biến xác định vị

trí thẳng, cảm biến điều khiển sự thích ứng của bộ giảm xóc ôtô, cân điện tử,

cảm biến áp suất cơ…

- Cảm biến vị trí góc như: vận tốc kế, bộ biến đổi góc, đo độ nghiên, động cơ

điện DC không chổi quét

+ Kiểm tra không phá huỷ mẫu: Ví dụ kiểm tra vết nứt ở ống thép như (hình

1.13), từ trường H do cuộn dây sinh ra ở ống thép, nếu có vết nứt sẽ phân tán

ra ngoài như thấy ở hình vẽ Cảm biến GMR được đưa lại gần và rà khắp bề

mặt ống thép Ở những chổ có vết nứt, cảm biến GMR sẽ đo và phát hiện từtrường thoát ra

Vết nứt Cảm biến GMR

H

Cuộn dây tạo từ trường

Hình 1.13: Kiểm tra vật liệu không phá huỷ mẫu (ống thép) bằng cảm biến GMR

+ Hình 1.14 là kết quả đo điện trở suất phụ thuộc vào từ trường của một màng

mỏng dạng hạt Co 30 Ag 70 đo ở nhiệt độ phòng, chế tạo bằng công nghệ bốc

bay nổ mà luận văn này đã chế tạo được Ta thấy ở từ trường cao 10kOe điện

trở suất của mẫu vẫn chưa đạt bảo hoà, rất thích hợp cho việc ứng dụng để làm sensor đo từ trường cao Trình bày sau đây là một ứng dụng của hiệu ứng GMR của màng dạng hạt Co 28 Ag 72 làm sensor cho động cơ một chiều loại

không chổi quét

4.0 3.5

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

Motors được sử dụng rộng rải trong lĩnh vực của điện học và từ học bởi

vì hiệu suất cao của chúng Motor dc bao gồm một rotor là một nam châm

điện và một stator là các cuộn dây, rotor quay được là nhờ dòng điện bên

ngoài cung cấp cho cuôn dây Dòng điện này được điều khiển bởi sự tiếp xúc

giữa chổi quét và các điện cực của rotor, đó là sự tương ứng giữa góc quay

của trục quay rotor Chổi quét có hai vai trò đó là nhận ra góc quay của rotor

và cắt dòng điện trong cuộn dây để điều khiển tốc độ quay của rotor

Có những vấn đề trong việc sử dụng chổi quét của Motor, chổi quét

làm mòn do ma sát và gây ra tiếng ồn khi chổi quét thay đổi vị trí tiếp xúc

giữa các điện cực Do đó các Motor không chổi quét được sử dụng rộng rãi để

đạt hiệu suất cao trong việc duy trì độ bền

Trong các Motor không chổi quét, vai trò của chổi quét được thay thế

bằng việc sử dụng hiệu ứng Hall sensors trong mạch bán dẫn Những Hall sensor này tìm ra góc quay của rotor để cắt dòng điện trong cuộn dây, trong

một Motor không chổi quét có 2 nam châm vĩnh cữu trong rotor và 4 cuộn

dây trong stator, góc quay của rotor được xác định bởi tính có cực của 2 Hall

Hình 1.15: (a)Nguyên tắc cấu tạo hoạt động của môtơ điện không chổi quét

(b) Thang điện áp điều khiển đặt trưng của các cuộn dây

Tuy nhiên, hạn chế thường gặp khi sử dụng sensor Hall là phụ thuộc

vào nhiệt độ Như trình bày trong (hình vẽ 1.14(a)) sensor Hall chỉ làm việc

được trong khoảng nhiệt độ nhỏ hơn 400K, nếu vượt quá nhiệt độ này thì sẽ

không còn chính xác nữa Trong khi đó, đối với màng mỏng GMR thì nhiệt

độ làm việc mà vẫn di trì được độ chính xác thì cao hơn nhiều so với sensor

Hall

Hình 1.16: (a) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tỷ số GMR của màng Co 28 Ag 72 và

gian

Theo sự phụ thuộc vào nhiệt độ như (hình vẽ 1.16(a)), tỷ số GMR của

màng mỏng dạng hạt Co 28 Ag 72 chế tạo bằng phương pháp phún xạ RF trên đế

thuỷ tinh trong điều kiện 0,4.10 -3 pa và 6,7.10 -3 pa Ar Phún xạ với bia là một

tấm Ag có đường kính 3 ’’ và dày 0,2 ’’ với sự kết hợp của các mảnh Co có kích

thước 5x5x1mm 3 , bề dày của màng khoảng 200nm, thành phần của màng

được điều khiển bởi sự thay đổi số mảnh Co, đo ở từ trường 10kOe là 13% tại nhiệt độ phòng và giảm xuống 4% tại 573 0 K Mặt khác hiệu ứng GMR đạt được 10% và ổ định ở giá trị này trong khoảng thời gian 7,2Ks ở nhiệt độ

773K hay 100Ks với nhiệt độ 673K khi nhiệt độ hạ thấp hơn nữa thì độ bền

và độ định của hiệu ứng GMR có thể đạt đến khoảng 10 năm Màng mỏng dạng hạt Co 28 Ag 72 có 4% hiệu ứng GMR trong động cơ mô tơ có thể dò ra

chính xác góc quay của rotor từ trạng thái tĩnh đến trạng thái chuyển động là

3000rpm (Round Per Minute)[16] Điều này có nghĩa là màng mỏng dạng hạt

Màng mỏng dạng hạt Co 28 Ag 72 làm sensor trong động cơ không chổi quét được lắng đọng trên đế thuỷ tinh có kích thước 1x5mm 2 , hiệu ứng GMR

là đẳng hướng không phân biệt được hai cực từ, vì vậy sensor được gắn thêm một nam châm vĩnh cữu và làm việc trong khoảng tuyến tính Những sensorhầu hết được bố trí trong Motor để nhận biết góc quay của rotor Motor mộtchiều không chổi quét đang thử nghiệm là FLB575 (Oriental Motor Co.), điện

áp không thay đổi được áp dụng trong sensor và tín hiêu được khuếch đại lên1000-10000 lần

Chương II : THỰC NGHIỆM

Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra vật liệu có hiệu ứng GMRnhư công nghệ nguội nhanh, phún xạ, bốc bay trong chân không, bay hơi

bằng Laze, điện hoá, lắng đọng hoá học và một số phương pháp khác

nữa…Tuy nhiên đối với các vật liệu GMR có cấu trúc dạng hạt chủ yếu đều

được chế tạo bằng phương pháp bốc bay trong chân không và nguội nhanh.

Đây cũng là hai phương pháp mà luận văn đã chọn để chế tạo mẫu và cũng là những phương pháp thích hợp trong điều kiện kỹ thuật của nước ta hiện nay.

Sau đay là phần trình bày của hai công nghệ này

2.1 Công nghệ chế tạo mẫu:

2.1.1 Công nghệ bốc bay nổ:

Bốc bay trong chân không: Phương pháp này dựa trên nguyên tắc làm

nóng chảy và bay hơi các nguyên tử chất rắn và lắng đọng các nguyên tử hoá

hơi lên một đế rắn Ở đây sử dụng nhiệt (Joule) sinh ra khi có dòng điện chạy

qua một vật dẫn, các vật dẫn điện dùng làm nguồn nhiệt thường là các kim loại có điện trở suất lớn chịu được nhiệt độ cao (lớn hơn 1000 0 C), như Wonfram, Molipden, Tantan Ở dạng dây hoặc lá mỏng hoặc các hợp chất

như Nitơrit, cácbít Nguồn nhiệt thường được tạo dưới dạng những cái giỏ, nồi hay thuyền để dựng vật liệu bay hơi Để tránh phản ứng giữa vật liệu bay

hơi với các kim loại làm nguồn nhiệt người ta thường phủ các vật liệu như

Có thể dễ dàng điều khiển nhiệt độ bay hơi bằng cách điều khiển dòng

điện cung cấp Độ chân không tối thiểu chế tạo mẫu tốt khoảng 10 -5 torr,

Các màng dạng hạt nghiên cứu trong luận văn đã được chế tạo từ hệ chân không BALZERS 500 ở viện ITIMS trường ĐHBK Hà Nội, Phương

pháp bốc bay nhiệt với hợp kim dạng khối đã được nghiên cứu từ lâu, tuy

nhiên việc khống chế thành phần hợp kim trên màng là rất khó khăn, bởi vì

các kim loại dùng bốc bay để tạo thành hợp kim dị thể có các tính chất hoá lý

rất khác nhau (như nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi, năng lượng liên kết

nguyên tử, áp suất hơi bão hoà…) do đó chúng bị kích thích ở mức độ khácnhau dưới tác dụng của cùng một yếu tố vật lý, cụ thể là nhiệt

Vì vậy chúng tôi đã áp dụng phương pháp bốc bay nổ, phương pháp

này có thể khắc phục những nhược điểm đã nói ở trên Với phương pháp này

chúng tôi đã thiết kế thêm một số chi tiết như (hình vẽ 2.1) gồm: Một hệ

thống máng để chứa bột bốc bay, hệ thống này chỉ cho phép các kim loại bốc

bay rơi xuống máng với một lượng rất ít đảm bảo cho vật liệu có thể được bốc

hơi tức thời và hoàn toàn và một hệ thống tạo độ rung Bột bốc bay được đựng trong máng dưới tác dụng của hệ thống rung các hạt kim loại rơi vào

thuyền đang có nhiệt độ rất cao ( hơn 1000 0 C) trong một thời gian rất ngắn nó

lập tức bay hơi hoàn toàn và ngưng tụ trên đế

Hình:2.1 Sơ đồ cấu tạo buồng bốc bay chân không

Thành phần bột được sử dụng để bốc bay nghiên cứu trong luận văn

gồm: Bột Co với Cu và Co với Ag trộn với nhau theo một tỷ lệ xác định

trước với các thành phần từ 20 đến 70 phần trăm nguyên tử Co