BÁO CÁO TIỂU LUẬN NGHIÊN CỨU MÀNG TỪ

Cảm ứng từ mật độ từ thông H χμ χ là đại lượng không thứ nguyên,gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa, đặc trưng mức độ hấp thụ từ tính trong một đơn vị thể tích vật liệu, còn µo là độ từ th

7 Tính từ trễ - đường cong từ hóa

b Sự xuất hiện của mômen từ trên bề mặt của các nguyên tố kim loạichuyển tiếp không có từ tính ở trạng thái thể tích.

2 Cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR trên màng mỏng đa lớp

Màng Từ

Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ

Trình bày: Bùi Nhật Nam _ MSSV: 0619047

I.GIỚI THIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ

1 Nguồn gốc từ tính:

Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử, là các phần tử vật chất bé nhỏnhất gồm có hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm,quay quanh hạt nhân và tự quay quanh nó

Khi các điện tích chuyển động thì sinh ra quanh nó một từ trường Chính sựchuyển động của các điện tử gây ra từ tính của vật liệu, được đặc trưng bởi cácmômen từ quỹ đạo và mômen từ spin (quay)

1.1Mômen từ quỹ đạo của điện tử:

• Để đơn giản ta coi quỹ đạo chuyển động của điện tử quanh hạt nhân là mộtđường tròn có bán kính r, khi đó mômen từ quỹ đạo của điện tử này xácđịnh theo biểu thức sau:

(3)

1.2 Mômen từ spin

• điện tử cũng tự quay xung quanh mình nó (chuyển động nội tại) nên có

mômen từ spin (spin có nghĩa là tự quay) có giá trị lớn gấp 2 lần mômen từ

quỹ đạo:

l 2m

e r w m 2m

e r π T

e T

S e S i

μo 

1.3.Mômen từ của hạt nhân

• Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương, dịch chuyển tại chỗ (do daođộng nhiệt) có spin và tương tác với nhau bằng các mômen từ

• Về độ lớn, spin hạt nhân bằng spin điện tử (do điện tích bằng nhau), nhưngkhối lượng hạt nhân thường lớn gấp 103 lần khối lượng của điện tử, do đótheo biểu thức mômen từ hạt nhân phải nhỏ hơn mômen từ điện tử tới 3bậc, vì vậy nó ảnh hưởng rất ít đến tính chất từ của vật liệu, có thể bỏ qua

• Tuy nhiên trong một số trường hợp, ví dụ như hiện tượng cộng hưởng từhạt nhân…, vai trò của mômen từ hạt nhân là rất quan trọng

Mômen từ của nguyên tử hợp thành là tổng của các mômen từ của các điện tử

• Tổng các mômen từ quỹ đạo của điện tử:

(5)

Với L = là mômen động lượng tổng cộng của điện tử

• Tổng các mômen từ spin của điện tử:

e μ M

i oi



i i l

S 1

S m

e μ M

i Si



i i s

s m e

μS  

1 Mômen (lưỡng cực) từ:

Một thanh vật liệu từ dài l (đo bằng mét [m],theo hệ SI) và có cường độ cực

từ là m (đo bằng Weber [Wb]) thì tích ml gọi là mômen từ, đặc trưng cho khảnăng chịu tác dụng bởi từ trường ngoài của thanh, ký hiệu là M và là một đạilượng véctơ

2 Từ độ (độ nhiễm từ hay độ từ hóa)

Tổng các mômen từ trong một đơn vị thể tích vật liệu gọi là từ độ hay độ từ hóa,đặc trưng cho từ tính của vật liệu, ký hiệu là I, cũng là một véctơ

3 Từ trường

Khoảng không gian xung quanh các cực từ có một từ trường , đặc trưng cho tácdụng từ tính của một cực từ này lên một cực từ khác Véctơ cường độ từ trườngđều có thể được xác định tương ứng với từ trường được tạo ra bởi một cuộn dâythẳng, dài (cuộn solenoid) có dòng điện chạy

4 Độ cảm từ (hệ số từ hóa)

5 Cảm ứng từ (mật độ từ thông)

H χμ

χ là đại lượng không thứ nguyên,gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa, đặc trưng mức

độ hấp thụ từ tính trong một đơn vị thể tích vật liệu, còn µo là độ từ thẩm của chân không , có giá trị:

- Di hướng từ theo hình dạng

Dị hướng hình dạng không phát sinh ở thuộc tính của vật liệu mà nóliên quan đến cấu trúc hình học của vật thể từ, có ảnh hưởng mạnh mẽđến lực kháng từ

- Dị hướng từ theo ứng suất

Mạng tinh thể của các chất sắt từ và feri từ không hoàn toàn cứng Khi

từ hóa nó bị biến dạng, gây nên hiện tượng từ giảo

7 Tính từ trễ - đường cong từ hóa

H μ I

Đại lượng cảm ứng từ hay mật độ từ thông (đo bằng Tesla [T]), đặc trưng cho

mức độ hấp thu từ tính của vật liệu:

• Các vật liệu từ sau khi được từ hóa, đưa ra khỏi từ trường ngoài vẫn còn giữmột giá trị cảm ứng từ dư Đó là hiện tượng từ trễ.

• Đặc trưng tính từ trễ bởi đường cong từ hóa

Trong trạng thái khử từ (H = 0) mômen từ tổng cộng của sắt từ bằng không

là do vật chia thành những vùng vi mô riêng lẻ, gọi là các đômen.Bên trongmỗi vùng mômen từ của các nguyên tử hướng song song với nhau nhưngmômen từ của các vùng khác nhau hướng khác nhau nên tổng các mômen từcủa cả vật bằng không

Trong quá trình từ hóa vật, từ trường ngoài chỉ có tác dụng định hướngmômen từ của các đômen

b.Vách Domen

Vách đômen (domain wall) là vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 đômen từliền kề nhau Giữa hai đômen từ, mômen từ không thể đột ngột biến đổi vềchiều vì sẽ dẫn đến trạng thái kém bền do đó hình thành nên vùng chuyển tiếp

là các vách đômen Trong các vách đômen, mômen từ biến đổi về chiều dầndần từ chiều của đômen này tới đômen kia Tùy theo sự định hướng mà sẽ cóthể có 2 kiểu vách đômen từ chính:

Hình 4 Vách Bloch: vách 180o và vách 90o

 Vách Bloch hay Vách 180o: Thường tồn tại trong các vật liệu dạng khối khi

mà chiều của mômen từ trong các đômen từ có thể định hướng theo cả bachiều, là vách đômen giữa 2 mômen từ có chiều phản song song với nhau (gócgiữa véctơ từ độ giữa 2 đômen là 180o)

 Vách 90o: Là vách đômen giữa 2 mômen từ có chiều vuông góc với nhau(góc giữa véctơ từ độ giữa 2 đômen là 90o)

 Vách Néel: Là loại vách đômen hình thành trong các màng mỏng từ (khi

kích thước một chiều bị hạn chế), các mômen từ sắp xếp trong một mặt phẳng

và có xu thế sắp xếp quanh trục vuông góc với bề mặt màng mỏng Loại váchNéel đang được quan tâm nhất hiện nay là vách đômen dạng xoáy (vortexdomain wall) với các mômen từ xoắn quanh 1 điểm có mômen từ vuông gócmới màng Vách dạng vortex hiện nay đang là một hướng đầy triển vọng chocác linh kiện spintronics

III PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ

1 Chất nghịch từ

Khái niệm:

Chất nghịch từ là chất có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ hơn 1, chỉ vàokhoảng 10-5 Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động của điện tử trên quỹđạo quanh hạt nhân, tạo ra từ thông có chiều ngược với từ trường ngoài

Hình 5: a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài

b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ

Các chất nghịch từ hay gặp bao gồm các khí trơ He, Ne, Ar, Kr, Xe; nhómhalogen Cl, F, Br…, một số kim loại kiềm, đất hiếm và muối của chúng, đa số cáchợp chất hữu cơ, thủy tinh Bảng dưới đây cho giá trị độ từ cảm của một số chấtnghịch từ:

Hình 6 a) Sự sắp xếp của các mômen từ nguyên tử chất thuận từ khi không có

từ trường ngoài

b) Đường cong từ hòa của vật liệu thuận từ

c) Sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/ ở vật liệu thuận từ

Các chất thuận từ thường gặp là chất mà nguyên tử có một số lẻ điện tử(như Na tự do, NO, C(C6H5)3…) hoặc các chất thuộc nhóm các nguyên tố chuyểntiếp với một lớp điện tử bên trong chưa được lấp đầy hoàn toàn (nhóm kim loại 3d

- nhóm sắt - như Fe, Co, Ni, Cu, Ti…và nhóm kim loại 4f – nhóm Lantan, đấthiếm – như La, Ce, Pr, Nd, Sm, Tb…)

Bảng 2: Độ cảm từ của một số chất thuận từ

3 Chất sắt từ:

Khái niệm

Sắt từ có độ cảm từ χ có giá trị rất lớn, cỡ 106 Ở T < TC (nhiệt độ Curie) từ độ

I giảm dần, không tuyến tính khi nhiệt độ tăng lên Tại T = TC từ độ biến mất Ởvùng nhiệt độ T > TC giá trị 1/χ phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Sắt từ là vậtliệu từ mạnh, trong chúng luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách

có trật tự ngay cả khi không có từ trường ngoài

Hình 7 a) Sự sắp xếp của các mômen từ trong vật liệu sắt từ khi T < TC

b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hòa và 1/ χ ở chất sắt từ

Nhiệt độ Curie TC là điểm mà ở dưới nó (T < TC) thì vật liệu là sắt từ còn khinhiệt độ cao hơn nó (T > TC) thì sắt từ trở thành thuận từ Khi nhiệt độ tăng lên thìchẳng hạn từ độ của vật liệu giảm đi Chính tại T = TC, từ độ sẽ bằng 0 Sự phụthuộc nhiệt độ của độ cảm từ ở sắt từ cũng tuân theo định luật Curie-Weiss như ở

θ T

C χ





Hình 8:Mô tả sự phụ thuộc của từ độ bão hòa kỹ thuật IS và tỷ số 1/χ vào nhiệt độ.

4 Chất phản sắt từ:

Khái niệm: Phản sắt từ có χ ~ 10-4 nhỏ, nhưng sự phụ thuộc của 1/χ vào nhiệt

độ không hoàn toàn tuyến tính như chất thuận từ và có một hõm tại nhiệt độ TN(gọi là nhiệt độ Nell) Khi T < TN trong phản sắt từ cũng tồn tại các mômen từ tựphát như sắt từ nhưng chúng sắp xếp đối song song từng đôi một Khi T > TN sựsắp xếp của các mômen từ spin trở nên hỗn loạn và lại tăng tuyến tính theo T nhưchất thuận từ

Hình 9 a) Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu phản sắt từ ở T < TN

b) Sự phụ thuộc của 1/ χ ở chất phản sắt từ

Ở phản sắt từ các mômen từ nguyên tử có giá trị bằng nhau nhưng địnhhướng đối song song với nhau từng đôi một nên mômen từ tổng cộng của vật luônluôn bằng không khi không có từ trường ngoài.

5.Chất feri từ:

Khái niệm:

Ferit là các vật liệu từ ôxit Thành phần của chúng gồm ôxit sắt hóa trị 3 kếthợp với một hoặc nhiều ôxit kim loại hóa trị 2 khác Ferit được xem như là chấtphản sắt từ mà các mômen từ không bù trừ nhau Ferit cũng có cấu trúc từ gồm haiphân mạng nhưng không tương đương nhau, mômen từ của mỗi phân mạng khácnhau nên độ từ hóa toàn phần khác không

Ferit có độ cảm từ có giá trị khá lớn, gần bằng của sắt từ (~ 104) và cũngtồn tại các mômen từ tự phát Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng gồm hai phânmạng mà ở đó các mômen từ spin (do sự tự quay của điện tử tạo ra) có giá trị khácnhau và sắp xếp phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng khác không ngay

cả khi không có từ trường ngoài tác dụng, trong vùng nhiệt độ T < TC

Vì vậy ferit còn được gọi là phản sắt từ không bù trừ Khi T > TC trật tự từ

bị phá vỡ, vật liệu trở thành thuận từ

Hình 10: a) Sắp xếp của các mômen từ trong feri từ khi T < TC

b) Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa IS và 1/χ của vật liệu feri từ

6 Vật liệu từ cứng và từ mềm:

Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ ra thành vậtliệu từ cứng và vật liệu từ mềm Đó chủ yếu là các chất sắt từ và ferit mà chúng

khác biệt nhau ở khả năng tồn giữ từ tính sau khi được từ hóa Để đặc trưng tínhchất của hai loại vật liệu này ngừơi ta thường dùng đường cong từ trễ

a)Vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu):

[MJ/m3]

BHC [kA/m]

Br [T]

(BH)max [kJ/m3]

300-400 10-20 50-130 1000-2400 650-2100 800-3300 1040-1800 180-210 1000-1600

0,38-0,42 0,75-1,0 0,8-1,35 0,85-1,01 0,98-1,08 1,05-1,42 1,15-1,3 0,08-1,15 0,85-1,05

24-34 3,3-8,2 29-43 140-200 170-240 170-390 240-300 8-15 130-180

Bảng 3: Từ tính của vài loại nam châm vĩnh cửu

b)Vật liệu từ mềm:

Đặc tính chủ yếu của loại vật liệu này là có cường độ trường khử từ rất nhỏ,cảm ứng từ dư lớn, độ từ thẩm ban đầu rất cao, có thể lên tới hàng trăm đơn vị(xem hình ), độ tổn hao từ trễ thấp, thích hợp để làm lõi các cuộn dây cảm ứng,lõi biến thế, lõi nam châm điện…

Hình 11: Độ từ thẩm phụ thuộc tần số của vài vật liệu từ mềm: Permaloy,Vitroper, Co vô định hình, ferit Mn-Zn.

PHẦN 2: MÀNG TỪ

Trình bày: Hồ Như Thủy MSSV: 0619078Công nghệ thông tin dựa trên các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ Quá trìnhthu nhận và xử lý được thực hiện nhờ việc sử dụng thuộc tính điện tích của điện tửtrong các transitor hoặc các mạch tích hợp của bán dẫn Trong khi đó việc lưu giữ(ghi) thông tin lại được thực hiện nhờ thuộc tính spin của điện tử trong các đĩa(cứng, mềm) có mật độ cao Điều đó có nghĩa là điện tích và spin của điện tử đãđược sử dụng riêng rẽ trong các vật liệu khác nhau tùy mục đích

Màng từ hay các vật liệu dạng màng mỏng có từ tính sẽ được trình bàytrong seminar do các cấu trúc nano có từ tính biểu hiện nhiều hiện tượng vật lý thú

vị đã được ứng dụng hoặc có khả năng ứng dụng rất lớn Một trong những nguyênnhân quan trọng gây nên tính chất vật lý mới là tương quan giới hạn giữa kíchthước của màng mỏng với kích thước đặc trưng trong từ học: độ dài tương tác traođổi, độ rộng vách đô men, quãng đường tự do trung bình của điện tử…

Từ tính của vật liệu rất nhạy với môi trường của các nguyên tử địa phương.Nếu làm thay đổi được môi trường bằng cách điều khiển một số yếu tố (như kíchthước hạt, trật tự sắp xếp nguyên tử, khoảng cách tương tác ) sẽ quan sát đượcnhững hiện tượng vật lí đặc biệt, không tồn tại trong vật liệu khối, ví dụ khả nănglàm ổn định pha cấu trúc, sự xuất hiện của dị hướng từ bề mặt, hiệu ứng từ trởkhổng lồ, liên kết trao đổi RKKY giữa các lớp từ tính qua sự thay đổi độ dầy củalớp không từ tính kẹp giữa chúng

I.

TỪ TÍNH VÀ DỊ HƯỚNG TỪ BỀ MẶT

1 Từ tính bề mặt

a Sự tăng cường của mômen từ ở bề mặt các kim loại chuyển tiếp.

Thông thường, từ tính không chỉ phụ thuộc vào bản chất nội tại của nguyên

tử (như các mômen từ định xứ) mà còn phụ thuộc vào mật độ trạng thái địaphương mà nó chiếm giữ Mật độ trạng thái này phụ thuộc rất nhiều vào số lượngcác nguyên tử lân cận gần nhất và bản chất của các nguyên tử lân cận đó

Trong cấu trúc lập phương tâm khối, Fe-bcc là một chất sắt từ Khi đượcchế tạo dưới dạng màng mỏng với một cấu trúc khác là cấu trúc lập phương tâmmặt – Fe-fcc lại trở thành vật liệu không có từ tính.

Nếu xem xét một màng mỏng Fe có từ tính, môi trường xung quanh củamột nguyên tử trên bề mặt sẽ không giống với mội trường của một nguyên tử ởtrong màng Khi đó các mômen từ ở các vị trí khác nhau cũng sẽ khác nhau

Hình 1 Sự biến đổi của trường siêu tinh tế Bhf theo vị trí của nguyên tử 57Fe trongmàng mỏng Fe(100) có độ dày vào khoảng 30 lớp nguyên tử được lắng đọng trên

đế Ag(111)

Thông thường Fe-bcc có trường siêu tinh tế Bhf = 33T Đối với màng lắngđọng trên đế Ag, trường siêu tinh tế Bhf có giá trị lớn hơn và thay đổi theo từng lớpnguyên tử Fe ( tức là thay đổi theo độ dày màng) So sánh với từ độ trong các vậtliệu khối, người ta còn đánh giá thấy rằng, mômen tăng từ 32-38% trên bề mặtmàng Fe(100) và 19-26% trên bề mặt màng Fe(110)

Các tính toán khác cho thấy, mômen từ của các kim loại Fe, Co, Ni ở bềmặt tăng lên so với mômen từ của chúng trong trạng thái khối Đó là do môitrường địa phương của các kim loại này ở bề mặt có số nguyên tử lân cận ít hơn,dẫn đến tăng mật độ trạng thái và do đó tăng cường tiêu chuẩn Stoner (ở trườnghợp mật độ trạng thái ở mức Fermi đủ lớn, khi đó, chính tương tác trao đổi sẽ gâynên sự tách vùng tự phát và mômen từ nguyên tử được thiết lập)

b Sự xuất hiện của mômen từ trên bề mặt của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp không có từ tính ở trạng thái thể tích.

Một kim loại không có từ tính như Vanadium có thể trở nên có từ tính ởtrên bề mặt vì mật độ trạng thái ở đó tăng lên rất mạnh Một cách định tính, có thểđoán nhận được rằng độ lớn của mật độ trạng thái tỉ lệ nghịch với số nguyên tử lâncận Ở bề mặt, số nguyên tử lân cận bị bớt đi nên mật độ trạng thái sẽ tăng lên.Tiêu chuẩn Stoner vì vậy có thể thỏa mãn trong một số trường hợp

Thực nghiệm chỉ ra rằng, đối với một số nguyên tố kim loại không có từtính ở trong trạng thái thể tích sẽ trở nên có từ tính ở trạng thái bề mặt Tuy nhiênhiện tượng này không thể giải thích bằng sự tăng lên của trạng thái bề mặt mà là

do hiệu ứng lai hóa Trường hợp kim loại V là một ví dụ: Mômen từ của V có thểxuất hiện trên bề mặt một số đế mẫu kim loại sắt từ Trên các bề mặt chuyển tiếpvới các kim loại sắt từ, mômen từ của V có phân cực âm và có thể đạt tới giá trị1,9 µB/at Cơ chế của sự xuất hiện mômen từ này của V là do mức độ lai hóa khácnhau giữa trạng thái 3d(Fe) và 3d(V) trong các phân vùng spin thuận và spinnghịch Khi khảo sát một cách chi tiết, trong một vùng chuyển tiếp của các màngmỏng đa lớp Fe/V(110) người ta còn phát hiện thấy mômen từ của Fe và V thayđổi theo từng lớp nguyên tử trong vùng chuyển tiếp Đó cũng có thể là kết quả của

sự thay đổi nồng độ theo khoảng cách, dẫn đến sự thay đổi mức độ lai hóa 3d(V) theo vị trí nguyên tử

3d(Fe)-2 Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ.

Ở một nhiệt độ đủ cao, trật tự từ bị phá vỡ do sự tăng cường của các kíchthích (hoặc thăng giáng) từ ngang (tức là bất trật tự về định hướngcủa các mômentừ) Theo mô hình trường phân tử, nhiệt độ Curie của các chất sắt từ được xác địnhbởi công thức:

TC = 2Z.A.S(S+1)/3kB

Theo hệ thức này, TC tỉ lệ với số phối vị Z Do vậy, có thể đoán nhận đượcrằng TC sẽ giảm đối với các lớp vật liệu ở bề mặt ( so với vật liệu khối) Theo cách

như vậy, nếu xem xét các màng kim loại là siêu mỏng, được lắng đọng trên các đếkim loại, ta sẽ quan sát được sự giảm của TC khi chiều dày màng nhỏ hơn một vàilớp nguyên tử.

Trong một số trường hợp nhất định, hiệu ứng bề mặt không làm giảm nhiệt

độ Curie mà còn làm tăng Đối với các kim loại chuyển tiếp, điều này được giảithích là do sự tăng cường của tính chất sắt từ khi mật độ trạng thái ở mức Fermităng lên dẫn đến làm tăng sự tách vùng và do đó tăng mômen từ Sự tăng của nhiệt

độ Curie cũng có thể quan sát trong một số màng mỏng đất hiếm

3 Dị hướng từ bề mặt

Khác với nguyên tử ở trạng thái thể tích, các nguyên tử ở trạng thái bề mặtlàm thành một pha mới với nhiều tính chất đặc biệt: Bậc đối xứng thấp, số phối vịgiảm…và sẽ gây nên nhiều tính chất vật lý khác thường

Nhưng ngay cả khi xét nguyên tử ở trong bề mặt thì trạng thái của chúngcũng phụ thuộc rất mạnh vào quỹ đạo của điện tử Thật vậy, mặc dù cùng trongtrạng thái bề mặt nhưng các điện tử có quỹ đạo nằm trong mặt phẳng (IPO=in-plane orbital) có mômen từ định hướng vuông góc với mặt phẳng màng khôngkhác gì so với tính chất của các điện tử trong trạng thái thể tích: sự chuyển dờiđiện tử từ quỹ đạo của nguyên tử này sang nguyên tử khác xảy ra dễ dàng

H2