Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) trong hợp kim hệ hạt Co - Cu

Trong bài báo công bố trên tập san của Hiệp hội hoàng gia Anh, William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Niken và Sắt dưới tác dụng của từ trư

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học sư phạm hà nội 2

Cố vấn khoa học: GS.TS Nguyễn Hoàng Nghị

Người hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Xuân Chiến

hà nội – 2011

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp nơi tôi công tác Trường THPT Nho Quan B – Ninh Bình tạo điều kiện, động viên giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố, mẹ, chồng và tất cả những người thân yêu trong gia đình cùng bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi rất nhiều cả về vật chất và tinh thần trong thời gian thực hiện luận

Luận văn này đã được hoàn thành với sự hợp tác khoa hoc của đề tài nghiên cứu “ Khoa học cơ bản ( Khoa học tự nhiên) năm 2010, mã số 103.02- 2010.19 (11 Vật Lý)”

Tác giả luận văn

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c

sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ cña riªng t«i C¸c kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc

T¸c gi¶ luËn v¨n

§inh ThÞ B¾c

Mục lục

Lời cảm ơn 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Mở đầu 7

Nội dung Chương 1: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR 9 1.1 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt …… 9

1.1.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR……… 9

1.1.2 Cấu trúc nanô của vật liệu từ điện trở dạng hạt……… 10

1.1.3 Cấu trúc đơn đômen….……… 12

1.1.4 Trạng thái siêu thuận từ ……… 14

1.2 Hiệu ứng từ điện trở……… 14

1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)… 14

1.2.2 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)… 15

1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance)… 17

1.1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong dạng màng đa lớp 17

1.1.3.2 Sự phát hiện hiệu ứng GMR trong hệ hạt 18

1.2.4 Mật độ trạng thái 21

1.3 Cơ chế của hiệu ứng GMR 24

1.3.1 Mô hình hai dòng của Mott 25

1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin 27

1.4 Giải thích hiệu ứng GMR trong hệ màng đa lớp 28

1.4.1 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình tán xạ phụ thuộc spin 28

1.4.2 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình cấu trúc dải 30

1.5 Hiệu ứng từ điện trở trong các cấu hình đo 33

1.6 ứng dụng hiệu ứng GMR 34

Chương 2: Thực nghiệm 36 2.1 Công nghệ chế tạo……… 36

2.1.1 Công nghệ nguội nhanh……… 36

2.1.2 Phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dưới dạng băng mỏng… 37

2.1.3 Chiều dày tới hạn của băng hợp kim vô định hình ……… 38

2.1.4 Tốc độ nguội tới hạn của hợp kim nóng chảy ……… 39

2.2 Công nghệ chế tạo mẫu……… 43 2.2.1 Công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng bằng thiết bị nguội nhanh đơn 43

trục………

2.2.2 Nấu phối, phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu ở dạng băng mỏng 44 2.2.3 Kỹ thuật gia công mẫu 46

2.2.4 Xử lý nhiệt kết tinh ……… 46

2.3 Các phương pháp nghiên cứu……… 48

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử……… 48

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD (X ray diffraction)……… 49

2.3.3 Phương pháp đo từ điện trở bằng 4 mũi dò……… 49

Chương 3: Kết quả nghiên cứu 52 3.1 Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt …… 52

3.2 ảnh hưởng của hàm lượng Co lên cấu trúc, tính chất từ và tỷ số GMR của hệ mẫu Co – Cu

55 3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Co-Cu 60 3.4 ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đo với mẫu Co10Cu90 ………… 65

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

sử dụng trong luận văn

Chữ viết

AES Auger Electron Spectroscopy Phổ điện tử Auger

BEI Bede scattered Electron Image Điện tử tán xạ ngược

GMR Giant Magnetoresistance Từ điện trở khổng lồ

HREM High resolution electron

OMR Ordinary Magnetoresistance Từ điện trở thường

RKKY

SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét

TEM Transmission Electron

VSM Vibrating Sample

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Từ những năm cuối của thập kỷ 80 trở lại đây nhiều hiện tượng, tính chất vật lý mới được khám phá và nghiên cứu mạnh mẽ ở các hệ từ có các đặc trưng kích thước giới hạn Một trong những hiệu ứng được phát hiện là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ Hiệu ứng này do hai nhà vật lý học Albert Fert người Pháp và Peter Grunberg người Đức cùng phát hiện ra Hiệu ứng không chỉ do sự thay đổi lớn về giá trị mà do cơ chế, đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử Điện trở của vật liệu thay đổi là do sự đóng góp của các yếu tố: tán xạ trên mạng tinh thể; tán xạ trên spin và tán xạ trên sai hỏng Các điện

tử có spin định hướng khác nhau (up va down) sẽ tán xạ khác nhau trên các lớp sắt từ dẫn đến việc thay đổi về điện trở của mẫu

Phát hiện này đã mở ra một nghành mới là “spintronics” (điện tử học spin), cho phép chế tạo các linh kiện hoạt động bằng cách điều khiển sự phân cực của spin điện tử (giống như việc dùng điện trường để điều khiển hạt dẫn

là điện tử trong các linh kiện điện tử truyền thống) Các nhà khoa học tin tưởng rằng đây sẽ là thế hệ linh kiện điện tử cho tương lai với tốc độ truyền thông tin cực nhanh và khả năng lưu trữ thông tin lớn Phát hiện này ngay lập tức được ứng dụng trong các đầu đọc ghi của ổ cứng, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin và tăng mật độ lưu trữ cho ổ đĩa cứng Ứng dụng của hiện tưọng vật

lý này đã cách mạng hoá các kỹ thuật để tìm lại được các dữ liệu trên ổ cứng máy tính Khám phá này đóng một vai trò then chốt trong các bộ cảm biến từ cũng như sự phát triển của một thế hệ điện tử mới Khám phá của họ đã biến việc thu nhỏ tối đa kích thước ổ cứng trở thành hiện thực đồng thời cho phép người dùng có thể lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng một cách nhanh chóng và dễ dàng

Những ứng dụng của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) mà nó đã trở thành chủ đề nổi bật trong vật lý cũng như trong các nghành khoa học và

kỹ thuật vật liệu Người ta đã tìm ra nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu GMR dạng hạt như bốc bay nhiệt, phún xạ cao tần, điện hoá, nguội nhanh hợp kim từ thể lỏng Kỹ thuật nguội nhanh trực tiếp từ thể lỏng có thể cho phép tạo ra một trạng thái mới của kim loại: trạng thái vô định hình với đặc điểm cấu trúc vi mô Vì vậy hợp kim vô định hình đã trở thành nguyên liệu lý tưởng để chế tạo các vật liệu cấu trúc nanô bằng cách phân huỷ chất rắn siêu quá bão hoà được hình thành trong quá trình nguội nhanh

Bởi những lý do nêu trên tôi đã chọn đề tài: “Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong hệ hạt Co-Cu”

2 Mục đích nghiên cứu

- Chế tạo hợp kim CoxCu100-x (x=8,10,12) bằng phương pháp nguội nhanh

- Khảo sát hiệu ứng GMR trong vật liệu hệ hạt

- Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng Co lên cấu trúc, tính chất từ và tỷ số GMR của hệ mẫu Co-Cu

- Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Co-Cu

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đo với mẫu Co10C90

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu, tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả và đưa ra kết luận

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mẫu băng dạng hạt Co-Cu Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở trong hệ hạt Co-Cu

5 Phương pháp nghiên cứu

- Chế tạo mẫu bằng phương pháp nguội nhanh Nghiên cứu cấu trúc bằng phương pháp hiển vi điện tử, nhiễu xạ tia X Đo từ điện trở bằng 4 mũi dò

CHƯƠNG 1 HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ GMR

1.1 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt

1.1.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR

Thành phần cấu tạo của vật liệu từ điện trở khổng lồ GMR gồm hai thành phần chính là vật liệu phi từ (như Cu, Ag, Au, ) và vật liệu từ (như Fe, Co, )

Như ta đã biết dòng điện là dòng các điện tử Gồm hai loại điện tử: điện

tử hướng lên (spin up - ↑) và điện tử hướng xuống (spin down - ↓) Trong vật dẫn phi từ, chẳng hạn Cu mỗi nguyên tử có 29 điện tử lấp đầy các mức năng lượng từ trong ra ngoài: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 Lớp 3d lấp đầy 10 điện tử mới chuyển sang lớp 4s nên Cu không có momen từ, số điện tử hướng lên bằng số điện tử hướng xuống Trong vật liệu từ, chẳng hạn như Ni mỗi nguyên tử có 28 điện tử cấu hình điện tử: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2( ít hơn Cu một điện tử) Các điện tử chưa lấp đầy ở lớp 3d đã chuyển sang lấp đầy lớp 4s, làm cho Ni có sự trao đổi qua lại giữa lớp 3d và lớp 4s tạo ra sự lai hoá, số điện tử có spin hướng lên nhiều hơn số điện tử có spin hướng xuống Kết quả

là nguyên tử Ni có momen từ riêng [2]

§Õ (Si/SiO 2 , Si, thñy tinh, sa-phia,

H¹t s¾t tõ; Co, Fe, Ni, NiCo, FeCo,

NÒn kim lo¹i phi tõ: Cu,

Au, Ag,

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc dạng hạt của màng mỏng đơn lớp[8]

Hạt sắt từ; Co, Fe, Ni, NiCo, FeCo,

Nền kim loại phi từ: Cu,

Au, Ag,

1.1.2 Cấu trỳc nanụ của vật liệu từ điện trở dạng hạt

Vật liệu rắn kim loại dạng hạt được chia thành 2 loại: Loại thứ nhất gồm các hạt kim loại trong nền vật liệu điện môi như SiO2 và Al2O3, loại thứ hai gồm các hạt kim loại từ kích thước nanô mét trong nền kim loại phi từ, đó là vật liệu GMR, đã đựợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây, ví dụ như hệ Co - Cu

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 liên quan

đến các hạt kim loại nhỏ rắn cỡ nano mét (103 - 106 nguyên tử) Trong vật liệu cấu trúc nano dạng hạt, các vấn đề then chốt quyết định đến các tính chất vật lý

của vật liệu thông qua các yếu tố như tỷ phần thể tích của các hạt x v (tỷ số thể tích

của các hạt và thể tích toàn khối vật liệu) và kích thước của các hạt (2r) Hai yếu tố

x v và 2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu, giá trị của x v thay đổi từ 0 đến 1 [12]

Với các vật liệu rắn kim loại dạng hạt, người ta còn đưa ra khái niệm tỷ

phần thể tích của phần vật liệu nền xen kẽ giữa các hạt từ (x p) Các hạt có 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 được tính bằng biểu thức sau:

3

4

vx n r

 (1.1)

Tỷ số diện tích bề mặt liên kết của hạt và thể tích của vật liệu S:

Hỡnh 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trỳc dạng hạt của vật liệu khối [8]

3 xvS

Nếu mà các hạt phân bố một cách ngẫu nhiên thì tỷ phần diện tích bề

mặt kim loại (x a ) coi tương tự như tỷ phần thể tích (x v) Nên:

x a = x v (1.4)

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

Hình 1.3: Mô tả sự thay đổi cấu trúc của vật liệu từ dạng hạt

theo sự thay đổi tỷ phần thể tích (0  x v 1)[12]

1.1.3 Cấu trúc đơn đômen

Vật liệu từ gồm các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt có momen từ riêng Khi không có từ trường ngoài các momen từ được sắp xếp một cách ngẫu nhiên và triệt tiêu nhau Khi có từ trường ngoài khác không các momen

từ quay theo chiều của từ trường ngoài Như vậy từ độ của mẫu (M) bằng tổng

 là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài

M S là từ độ bão hòa H là từ trường ngoài cos là giá trị trung bình lấy trên toàn bộ các hạt sắt từ

Và đường cong từ trễ của mẫu chính là sự thể hiện quá trình quay trục

từ của các hạt đơn đômen Trong đó các kích thước và sự điều khiển của các

đômen đã bị thay đổi dưới tác động của từ trường ngoài

Khi vật liệu bắt đầu bị 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

Hình 1.4: Đường cong từ trễ của vật liệu có cấu trúc dạng hạt [12]

H

M

HC

MS

các hạt từ ở nhiệt độ thấp hướng của các mômen từ định hướng ngẫu nhiên và

ở trạng thái tĩnh 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

bởi vì các trục từ chỉ quay trong phạm vi một nửa bán cầu theo trục dị hướng của hạt đơn đômen

Cấu trức đơn đomen của các vật liệu từ thì lực kháng từ Hc của các hạt từ lớn hơn trong vật liệu dạng khối đồng nhất Theo nghiên cứu lý thuyết, các hạt sắt

từ đơn đômen có lực kháng từ bằng 2K / Ms = 600 Oe (K Là Hằng số dị hướng tinh thể), còn đối với mẫu khối là 10 Oe Một số vật liệu từ dạng hạt, như Co-Ag, Fe-Cu, Fe-Ag có lực kháng từ Hc khá lớn cỡ 3000 Oe Như vậy đối với các vật liệu

có cấu trúc đơn đomen thể hiện lực kháng từ Hc lớn, hằng số dị hướng K lớn và sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào kích thước của hạt

Trong vật liệu từ điện trở các lớp từ trong hệ đa lớp, các hạt từ trong hệ hạt phải là đơn đômen thì mới quan sát được hiệu ứng GMR Tức là chiều dày các lớp sắt từ phải đủ nhỏ, kích thước các hạt sắt từ phải nhỏ hơn giá trị tới hạn nào đó Nguyên nhân của điều này là:

- Thứ nhất, bề dày lớp từ hoặc kích thước các hạt từ phải nhỏ hơn quãng

đường tự do trung bình của điện tử để quá trình chuyển động của điện tử dẫn qua các lớp từ hoặc qua các hạt từ có thể coi là bảo toàn spin

- Thứ hai, khi các hạt sắt từ hoặc các lớp từ không còn là đơn đômen, tương tác của điện tử dẫn với các mômen từ phân bố khác nhau trong hạt từ hoặc lớp từ sẽ tạo điều kiện cho hai kênh điện tử dẫn trộn lẫn

Cả hai nguyên nhân đều làm ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR

1.1.4 Trạng thái siêu thuận từ

Dựa trên cấu trúc vi mô vật liệu từ được chia làm 3 loại: Vật liệu nghịch

từ, vật liệu thuận từ, và vật liệu sắt từ Vật liệu nghịch từ là loại vật liệu có mômen từ nguyên tử bằng không Hai loại vật liệu từ còn lại có mômen từ nguyên tử khác không do các lớp điện từ chưa điền đầy, nhưng trong vật liệu thuận từ không có trật tự từ, tức là các mômen từ nguyên tử sắp xếp một cách hỗn loạn, còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại trật tự từ Trong vật liệu thuận từ, các nguyên tử có mômen từ khác không, nhưng do không có tương tác trao

đổi giữa các mômen từ này nên chúng định hướng ngẫu nhiên dưới tác động của năng lượng nhiệt Khác với vật liệu thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đổi giữa các mômen 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’ mômen từ của hạt theo 1 phương - phương dễ từ hoá) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm mômen từ của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hoá), khi

đó 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 hệ Co - Cu có hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR effect)

1.2 Hiệu ứng từ điện trở

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

Từ điện trở hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có thể thay đổi được điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài Hiệu ứng này được phát hiện lần đầu tiên bởi William Thormon(Lord Kelvin) vào năm

1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5% Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)

Hiệu ứng này quan sát thấy ở các kim loại Khi có tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz làm hạt dẫn tham gia chuyển động tròn, và 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 điện trở càng lớn Kohler tìm ra liên hệ giữa sự thay đổi điện trở suất theo từ trường ngoài:

)/( 





H f

Hiệu ứng AMR lần đầu tiên được William Thomson, một giáo sư đại học Glasgow (Vương quốc Anh) phát hiện vào năm 1856 Trong bài báo công

bố trên tập san của Hiệp hội hoàng gia Anh, William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Niken và Sắt dưới tác dụng của từ trường ngoài của một nam châm điện, cụ thể đạt tới 3-5% ở nhiệt

độ phòng Ngoài ra, sự thay đổi này còn phụ thuộc vào phương đo, góc tương đối giữa cường độ dòng điện (của bộ đo điện trở) và từ trường ngoài, hay

chiều của độ từ hoá của mẫu Năm 1951 J.Smit đã đặt hiệu ứng này là hiệu

ứng từ điện trở dị hướng (AMR)

Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong c¸c mẫu kim loại s¾t tõ hoặc trong một

số chÊt b¸n dÉn hoặc b¸n kim cø xảy ra hiÖu øng Hall lớn dị thường nhưng kh¸ nhỏ Trong tõ häc, người ta đặc trưng cho tÝnh chất từ điện trở dị hướng bởi độ biến thiªn điện trở suất theo hai phương song song và vu«ng gãc với từ trường:

H×nh 1.5: Sự thay đæi điện trở suất của kim loại sắt từ theo tõ trường ngoµi [8]

trên các vùng năng lượng, và giá trị tỉ số AMR có thể phụ thuộc vào bậc hai của từ trường:

2 1

2 2 2 0

) 1 1 (

m m e

Với τ, e là thời gian hồi phục và điện tích của điện tử

m1, m2 là khối lượng hiệu dụng trên các vùng năng lượng

1.2.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magneto resistance) 1.2.3.1 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong dạng màng đa lớp

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR là sự thay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ 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 Năm 1988 một nhóm nhà khoa học đã quan sát được sự thay đổi 50% của điện trở suất trên màng đa lớp dưới tác dụng của từ trường ngoài Do có sự thay đổi mạnh như vậy, nên hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance-GMR)

Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ điện trở:

) 0 (

) ( ) ( )

0 (

) 0 ( ) (

%

R

o R H R H

R(0) là điện trở của vật liệu khi không có từ trường

Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các siêu mạng Fe/Cr phát hiện bởi nhóm của Albert Fert

1.2.3.2 Sự phát hiện hiệu ứng GMR trong hệ hạt

Năm 1992, nhóm của A E Berkowitz ở Trường đại học tổng hợp California, San Diego [10] và nhóm của C.L Chien ở Trường đại học tổng hợp Johns Hopkins, Baltimor, Maryland [13] phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ

số từ trở đạt tới hơn 20%, được chế tạo bằng phương pháp phún xạ Sau đó các vật liệu từ cấu trúc dạng hạt, có hiệu ứng GMR đã được các nhà nghiên cứu về sau tiếp tục phát triển, lý giải và chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau

Trong các vật liệu có cấu trúc dạng hạt, điện trở của vật liệu thay đổi theo từ trường và có quan hệ với cấu hình sắp xếp từ độ của các hạt sắt từ Mỗi hạt sắt từ (đơn đômen) có từ độ Mi (i chỉ hạt sắt từ số thứ tự thứ i) nằm theo phương trục dễ của mỗi hạt và định hướng ngẫu nhiên theo phương bất kỳ trong pha nền của kim loại phi từ Khi không có từ trường ngoài tác dụng, tất

cả các hạt từ định hướng ngẫu nhiên nên từ độ tổng cộng của cả hệ M =  M i = 0 Khi có từ trường ngoài, dưới tác dụng của từ trường ngoài mômen từ của các hạt sắt từ có xu thế xoay theo chiều của từ trường ngoài và khi đó mẫu có

Hình 1.6: Tỉ số GMR phụ thuộc vào từ trường trong màng đa lớp [9]

từ độ tổng cộng M  0 Khi tăng từ trường ngoài đủ mạnh, làm cho từ độ

của tất cả các hạt từ xoay theo chiều của từ trường ngoài, khi đó từ độ

của mẫu đạt giá trị bão hòa (M = M S) Vì vậy các hạt từ cần có kích thước đơn đômen, để sao cho chỉ có quá trình quay mômen từ theo chiều

từ trường ngoài Kích thước tới hạn này phụ thuộc vào nồng độ và bản chất của kim loại từ cũng như kim loại nền phi từ

Ta có thể coi các hạt sắt từ cạnh nhau trong vật liệu cấu trúc dạng hạt như hai lớp từ cạnh nhau trong màng đa lớp và nền kim loại phi từ bao quanh các hạt từ trong vật liệu dạng hạt như lớp kim loại phi từ xen kẽ giữa các lớp sắt từ trong màng đa lớp Khi chưa có từ trường ngoài, mômen từ của các hạt sắt từ cạnh nhau định hướng ngược với nhau, do đó trên toàn bộ hệ, cả hai kênh spin đều bị tán xạ như nhau Trường hợp này tương đương với trạng thái

điện trở cao của vật liệu Khi từ trường ngoài tăng dần, số lượng các hạt có véctơ từ độ cùng chiều với từ trường ngoài tăng dần lên theo từ trường ngoài Một kênh spin bị tán xạ ít hơn trong khi kênh kia lại bị tán xạ mạnh Khi từ trường ngoài đủ mạnh làm quay toàn bộ tất cả mômen từ của các hạt sắt từ song song với nhau, một kênh spin cùng chiều với từ độ của hệ sẽ hoàn toàn truyền qua, còn kênh kia hoàn toàn bị tán xạ, dẫn đến điện trở của hệ giảm xuống thấp nhất và đạt tới bão hòa

Từ độ tổng cộng của hệ dạng hạt có thể biểu diễn:

M = M i H/H = M Scosi

Trong đó : H là cường độ từ trường ngoài tác dụng lên mẫu i là góc giữa trục dễ của các hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài   là ký hiệu phép lấy trung bình qua tất cả các hạt sắt từ.Giữa GMR và từ độ tổng cộng M của hệ dạng hạt có quan hệ như sau[13]:

   

 

2 2

0

A M

(phonon) và phụ thuộc vào nhiệt độ, còn m (T) là đóng góp của yếu tố từ tính,

cũng phụ thuộc vào nhiệt độ Từ (1.13) đối với GMR có thể thấy rằng biên độ của GMR là [8] :

Hình 1.7: Đường cong GMR của vật liệu cấu trúc dạng hạt

và trạng thái từ điện trở với sắp xếp mômen từ của các hạt từ [12]

R/R

HS

- HS

1.2.4 Mật độ trạng thái (Density Of State - DOS)

Khi nghiên cứu tính chất của các vật liệu từ, chúng ta thường gặp các nguyên tố kim loại có lớp điện tử ngoài cùng 4s và lớp điện tử liền kề bên trong 3d không điền đầy, sự không điền đầy của lớp 3d này tạo ra từ tính cho các vật liệu Các điện tử 4s có độ linh động lớn, gần như là điện tử tự do, nên hàm sóng của chúng trải dài trên một dải năng lượng rất rộng và do đó mật độ trạng thái của các điện tử này (tức là số trạng thái/đơn vị năng lượng) không cao Tính toán lý thuyết cho kết quả mật độ trạng thái của các điện tử 4s là: 1 / 2

đôi triệt tiêu lẫn nhau Trong các nguyên tử từ, lớp điện tử trong chưa điền đầy

đã điền sang lớp ngoài tạo nên mômen từ nguyên tử

Trong các nguyên tử kim loại chuyển tiếp, do tương tác trao đổi giữa các nguyên tử, giữa các điện tử trong nguyên tử mà có tính thuận từ và sắt từ

Theo lý thuyết thuận từ Pauli, tính thuận từ được giải thích dựa trên sự tách vùng khi có từ trường ngoài như sau:

Khi không có từ trường ngoài, lớp 3d tách thành 2 vùng giống nhau,

một vùng chứa các điện tử có spin up (m s = 1/2), vùng còn lại chứa các điện tử

có spin down (m s = -1/2) (Bởi vì mỗi trạng thái động lượng có thể biểu diễn bằng tổng của hai trạng thái có spin up và spin down) (Dấu ở đây hoàn toàn là tương đối, nhưng khi có từ trường ngoài tác dụng thì dấu “+” chỉ spin cùng chiều với từ trường ngoài, dấu “-” chỉ spin ngược chiều với từ trường ngoài) Tổng mômen từ của nguyên tử bằng 0, do đó mômen từ của vật liệu bằng 0

Khi có từ trường ngoài H tác dụng, các điện tử có spin cùng chiều với H giảm năng lượng đi một giá trị bằng E HB đồng thời các điện tử spin ngược chiều nhận thêm một giá trị năng lượng bằng E HB Kết quả là sự dịch chuyển tương đối của hai vùng năng lượng có giá trị 2 E 2HB trạng thái đó ứng với năng lượng không cực tiểu và không bền Vì vậy một phần spin down chuyển sang spin up và số spin up nhiều hơn tạo nên mômen từ cho nguyên tử: M=2B HN(  )

Ta có thể tính cụ thể như sau [12]:

Giả sử ban đầu (khi chưa có từ trường ngoài) nồng độ điện tử ở mỗi

vùng con là n Khi có từ trường ngoài, vùng năng lượng của điện tử spin up

chứa nhiều lên số điện tử bằng:

Tương tự cho các điện tử có spin down (-):

( 2

B B

k k

k H

k k

k H

( ) ( [ 2

1

k k k

k

n

I       (1.22) Với tổng số spin là:

( ) ( [ 2

1

k k k

f

n     (1.23)

Từ các phương trình trên có thể giải để tìm  , từ đó tìm được từ độ (là hàm của nhiệt độ) Hệ phương trình trên có nghiệm  khác không, xác định

trong trường hợp không có từ trường ngoài (H = 0) (từ độ tự phát) với một số giá

trị của hệ số tương tác trao đổi  

• Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể (defect)

• Gần đây các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các palaron

1.3.1 Mô hình hai dòng của Mott

Mott nhận thấy rằng khi nhiệt độ T < Tc (Tc là nhiệt độ Curi), spin của

hạt dẫn (điện tử) được bảo toàn trong hầu hết các tán xạ Nguyên nhân của

hiện tượng này là, dưới nhiệt độ Curi Tc số magnon, 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 spin down tạo nên hai kênh tương ứng song song với nhau

Trong đó: n là nồng độ, m * là khối lượng hiệu dụng,  là thời gian hồi

phục của điện tử, V tx là thế tán xạ của tâm tán xạ đối với điện tử Nguồn gốc nội tại của sự phụ thuộc spin của  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,  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 điền đầy, và do đó không bắt điện tử

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

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,  >> 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  có xu hướng lớn hơn 1 trong các hợp kim của Ni và Co Thực tế  có thể đạt đến 10 trong một số hợp kim của Ni và Co

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

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

(1.28)

Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau Điện tử có spin up(down) “tán xạ” vào trạng thái spin down(up) bằng việc sinh ra hoặc hủy một magnon Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là tương tác spin-quĩ

đạo SOI (Spin-Orbital Interaction) và có bản chất lượng tử

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

Khi nhiệt độ lớn hơn Tc, quá trình trộn lẫn hai kênh là đáng kể và số

hạng điện trở suất  được đưa vào Chú ý rằng khi nhiệt độ thấp,



 << 

, Biểu thức (1.28) trở thành (1.24)

Khi nhiệt độ đủ cao,  >> 

1.3.2 Mô hình tán xạ phụ thuộc spin

Giả sử tâm tán xạ có spin up Ta xét hai điện tử có spin khác nhau cùng gặp tâm tán xạ này Rõ ràng điện tử có spin down sẽ dễ dàng bị bắt (“tán xạ”) vào trạng thái trống có spin down còn điện tử có spin up thì khó bị “tán xạ”

Cụ thể hơn ta xét thế tán xạ của tâm tán xạ đối với điện tử:

Trong đó, Vcoul là thế tương tác Coulomb của điện tử với tâm spin,

Vexch là thế tương tác trao đổi giữa spin s của điện tử và spin S của tâm tán

xạ, các thế tán xạ khác được bỏ qua (tương tác SOI- spin orrbit interaction

được bỏ qua vì chỉ liên quan đến một spin và không quan trọng trong GMR, )

Như vậy tuỳ vào hướng của 2 véc tơ, thế tán xạ sẽ lớn hơn hay nhỏ hơn

Vcoul Cụ thể, khi V tx ( = 0) < V tx ( = 180), tức là điện tử sẽ bị tán xạ ít hơn

1.4 Giải thích hiệu ứng GMR trong hệ màng đa lớp

1.4.1 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình tán xạ spin

Một hệ đa lớp gồm các lớp từ (FM) Co xen kẽ bởi các lớp không từ (NM) Cu Tuỳ thuộc vào bề dày lớp Cu ở giữa mà từ độ của hai lớp Co bên cạnh sẽ sắp xếp cùng chiều (song song) hoặc ngược chiều (phản song), hiện tượng này gọi là sự định hướng ghép cặp tự nhiên Bản chất của hiện tượng này

là tương tác trao đổi gián tiếp của hai lớp sắt từ thông qua lớp không từ ở giữa Khi từ trường ngoài bằng không các momen từ của các lớp sắt từ cạnh nhau

định hướng phản song song đôi một với nhau (gọi là trạng thái phản sắt từ) Khi đó, các điện tử dẫn 4s có spin up và spin down của Cu sẽ bị tán xạ như nhau khi đi qua các lớp sắt từ Co, hệ ở trạng thái điện trở cao Khi tác dụng từ

Hình 1.10: Tâm tán xạ có Spin up

trường ngoài H đủ lớn, các momen từ của các lớp Co sẽ định hướng theo chiều

của từ trường ngoài và do đó song song với nhau (gọi là trạng thái sắt từ)

Điện tử dẫn có spin khác nhau khi đi qua lớp sắt từ sẽ bị tán xạ khác nhau Cụ

thể, điện tử có spin ngược chiều với H (tức là ngược chiều với các momen từ của các lớp Co) sẽ bị tán xạ mạnh, còn các điện tử có spin song song với H sẽ

bị tán xạ ít hơn, gây đoản mạch kênh dẫn này, hệ ở trạng thái điện trở thấp

Hình 1.11 là mô hình mạch điện trở tương đương Tỉ số GMR được tính như

0

0 0

H

H H

R

R R

2

R R R R

Khi H = H max, điện trở suất của hệ đa lớp là

1

1 )

Trong giải thích trên chúng ta đã thừa nhận các giả thiết sau:

 Bề dày các lớp từ và không từ là đủ nhỏ để không xảy ra hiện tượng lật spin

khi điện tử chuyển động qua các lớp (tức là bề dày nhỏ hơn quãng đường tự do

trung bình của điện tử, có quan tâm đến cả spin)

 Tán xạ xảy ra chủ yếu ở bề mặt, tức là giữa lớp từ và không từ

Khi tính đến cả tán xạ khối, người ta sử dụng hai ký hiệu:  và  để chỉ hệ

số bất đối xứng tán xạ spin bề mặt và hệ số bất đối xứng tán xạ spin khối Khi

/ 1

2 2

2

b F

F

N N b

F F

b F

F

r t

t r

t

r t

Bảng 1.1: Hệ số bất đối xứng tán xạ spin bề mặt và khối

Từ kết quả thực nghiệm trên ta nhận thấy, tán xạ khối là không thể bỏ

qua mặc dù tán xạ bề mặt vẫn là chủ yếu

1.4.2 Giải thích hiệu ứng GMR theo mô hình cấu trúc dải

Để giải thích hiệu ứng GMR trên cơ sở cấu trúc dải và quá trình tán xạ

giữa các dải s-d Trên hình 1.12 là một cấu trúc đa lớp: lớp sắt từ được kí hiệu

FM, lớp kim loại phi từ được kí hiệu là NM, mức fecmi kí hiệu là EF, lớp

không từ với điện tử dẫn 4s, lớp sắt từ với điện tử 3d và các đường cong mật

độ trạng thái Các điện tử dẫn 4s (spin down -  và spin up - ) được mô tả bằng các vòng tròn và mũi tên lên - xuống Ta hãy xét trong điều kiện tác dụng của điện trường ngoài các điện tử dẫn 4s giả sử được xuất phát từ một lớp kim loại phi từ khi chuyển động đến các lớp sắt từ tiếp theo, sẽ có hai trường hợp xảy ra ứng với hai cấu hình sắp xếp từ độ

Khi từ trường ngoài bằng không (H = 0), mômen từ của các lớp sắt từ

sắp xếp đối song song (hình 1.12a) Các điện tử 3d có phương cùng chiều với mômen từ có năng lượng thấp nên trạng thái này được điền đầy Ngược lại, các điện tử 3d có phương ngược chiều với momen từ có năng lượng cao nên các trạng thái đó không được điền đầy hoàn toàn Các điện tử dẫn có spin down -  và spin up -  đều có thể điền đầy các trạng thái còn trống, tức là

đều bị “hấp thụ” như nhau khi đi qua các lớp sắt từ Khi đó có thể quan niệm

có hai kênh dẫn song song đối với hai loại điện tử dẫn có spin khác nhau, tương ứng hai giá trị điện trở suất  và , hai kênh dẫn này tương đương nhau khi H = 0 và

khi đó điện trở của cả hai kênh là  = 1/2( + ) Nhưng khi từ trường ngoài khác không và đủ lớn , dưới tác dụng của từ ngoài các mômen từ của tất cả các lớp sắt từ đều song song và hướng theo từ trường ngoài (hình 1.12b) Các spin up của các điện tử 3d của các lớp sắt từ năng lượng thấp và điền đầy, không có khả năng “hấp thụ” các điện tử dẫn có spin , vì vậy mà các điện tử

có spin  này đi qua lớp sắt từ mà không bị cản trở Kênh dẫn này tương

đương với giá trị điện trở thấp Ngược lại, các spin  của điện tử dẫn bị “hấp thụ” tại mọi lớp sắt từ và vì vậy kênh dẫn này có giá trị điện trở cao Như vậy khi có từ trường ngoài đủ mạnh, hai kênh dẫn của các điện tử spin  và spin 

sẽ có điện trở suất rất khác nhau ( ≠ ) và điện trở suất tổng cộng là  =

2( + ) Điều này cũng có thể coi là trường hợp đoản mạch một kênh

điện tử, và làm cho điện trở suất của cả hệ giảm xuống Trong quá trình dẫn

điện, ngoài các điện tử 4s của lớp kim loại phi từ, các điện tử 4s của lớp sắt từ cũng tham gia vào quá trình dẫn điện Tuy nhiên, quá trình này yếu hơn nhiều so với quá trình dẫn của điện tử 4s trong lớp phi từ

a.)

b.)

Hình 1.12: Sơ đồ mật độ trạng thái (DOS) của điện tử trong cấu hình dải và

quá trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin

1.5 Hiệu ứng từ điện trở trong các cấu hình đo

Từ điện trở (Magneto Resistance MR) là sự thay đổi điện trở của vật dẫn khi nó đặt trong từ trường ngoài, hiệu ứng MR có thể có giá trị âm hoặc dương tuỳ thuộc vào điện trở của vật dẫn tăng hay giảm khi có tác động của từ trường ngoài.Với các vật dẫn khác nhau, hiêu ứng MR còn phụ thuộc vào chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn và chiều của từ trường ngoài tác dụng

Đo hiệu ứng MR là đo sự thay đổi điện trở hoặc điện suất () khi cho dòng

điện chạy qua vật dẫn theo ba cấu hình đo: song song (//), vuông góc () và ngang () với từ trường

Đối với các cấu hình đo khác nhau, sự thay đổi điện trở suất trên các vật liệu khác nhau cũng khác nhau

Đối với các vật liệu hệ màng đa lớp, màng mỏng dạng hạt bao gồm các hạt nằm trong nền kim loại hay hợp kim phi từ và các van spin hoặc các cấu trúc dị thể lai giữa các dạng này, tỷ số MR của các vật liệu đó thường lớn so với MR của các kim loại và hợp kim sắt từ, nên được gọi là từ điện trở khổng

lồ GMR

Cơ chế thay đổi điện trở (điện trở suất) trong các cấu trúc từ dị thể là do quá trình tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn 4s với các vùng 3d khác nhau ở trong các lớp sắt từ hay hạt từ cũng như bề mặt phân cách giữa các miền từ (các lớp từ hay các hạt từ) Mức độ tán xạ phụ thuộc vào tương quan

từ độ giữa các lớp sắt từ hay hạt từ khi các spin chuyển dịch từ lớp từ hay hạt

từ này đến lớp sắt từ hay hạt từ khác qua các lớp hoặc các nền phi từ (hoặc xuyên hầm trong trường hợp các lớp cách không dẫn điện) Điện trở của hệ ở trạng thái thấp khi từ độ trong các miền từ sắp xếp song song nhau, và điện trở

ở trạng thái cao khi từ độ sắp xếp phản song song nhau hay lộn xộn (trong cấu trúc dạng hạt)

Đặc điểm của hiệu ứng GMR trong hệ hạt là tính đẳng hướng trong cấu hình đo Hệ đa lớp thể hiện tính dị hướng của hiện tượng GMR: tỉ số khác

nhau trong các cấu hình đo khác nhau Nguyên nhân do tính đẳng hướng của hiệu ứng GMR trong hệ hạt được giải thích như sau: các hạt từ có kích thước

cỡ nano, nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hình học của mẫu (chiều dày màng mỏng) các hạt từ có xu hướng co lại thành hình cầu Tuy nhiên trong thực tế người ta vẫn quan sát được sự khác nhau nhỏ của tỷ số GMR trong các cấu hình Có thể giải thích rằng vì chiều dày màng mỏng rất nhỏ so với hai chiều kia nên khi tạo thành, các hạt từ có xu hướng dẹt theo phương mặt phẳng màng, tạo nên tính dị hướng cho hạt và cho hệ Chiều dày màng càng nhỏ thì dị hướng càng lớn Trong trường hợp hợp kim dị thể dạng khối hiện tượng dị hướng này hầu như không quan sát được Tuy nhiên sự thay đổi điện trở của vật dẫn còn tuỳ thuộc vào cấu trúc và các cơ chế thay đổi điện trở khác nhau của từng loại vật liệu

1.6 ứng dụng hiệu ứng GMR

Hiệu ứng GMR được phát hiện vào năm 1988, hiệu ứng này đã nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong một số lĩnh vực cụ thể người ta đã ứng dụng hiệu ứng GMR cho các mục đích khác nhau, chẳng hạn như: Cảm biến

đo từ trường, cảm biến xác định vị trí, thiết bị kiểm tra vật liệu không phá hủy mẫu, đầu từ đọc, bộ nhớ, van spin

Với hiệu ứng GMR dòng điện được điều khiển bằng từ trường ngoài và trên cơ sở đó người ta đã chế tạo ra bộ nhớ lưu trữ thông tin, bộ nhớ từ (MRAM) sử dụng hiệu ứng GMR, với bộ nhớ này có ưu điểm so với bộ nhớ thông thường là thông tin vẫn được lưu trữ khi không còn nguồn nuôi Các linh kiện điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý dùng từ trường ngoài điều khiển quá trình dịch chuyển spin điện tử, nghĩa là điều khiển có chọn lọc điện

tử có spin khác nhau “lên” hay “xuống” được gọi là linh kiện từ - điện tử hay van spin Ví dụ như các tranzito kim loại (không sử dụng chất bán dẫn) hoạt

động bằng hiệu ứng GMR, thường gọi là các linh kiện phun spin, các linh kiện này có nhiều tính năng và ưu điểm so với các linh kiện truyền thống

Các linh kiện chế tạo dựa trên hiệu ứng GMR ngày càng được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, bởi vì linh kiện sử dụng hiệu ứng GMR có nhiều ưu

điểm so với các linh kiện sử dụng hiệu ứng từ - điện thông thường AMR, chẳng hạn như ngoài tỷ số lớn của mức tín hiệu ra trên một đơn vị từ trường

tác dụng tỷ số S/N (tín hiệu/tiếng ồn) còn được cải thiện rất nhiều do hạn chế

được hiện tượng ồn điện tử Việc sử dụng các linh kiện dựa trên hiệu ứng GMR có ưu điểm là giảm rất nhiều phần mạch điện tử hoặc các thiết bị phụ trợ kèm theo như mạch khuyếch đại và ổn định nhiệt Ngoài ra các linh kiện

sử dụng hiệu ứng GMR còn rút ngắn được “tầm hoạt động” của các điện tử bởi hiệu ứng GMR có thể dùng từ trường ngoài điều khiển các spin Như vậy, các linh kiện sử dụng hiệu ứng GMR vừa có thể thu nhỏ kích thước vừa, có thể làm tăng tốc độ làm việc