Nano từ - Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trởtrong đó R là một số thực và X là thành phần ảo của một dây dẫn sắt từ trong một từ trường ngoài, Hext, khi một dòng điện thay đổi tần số cao : chảy qu

Nơi bạn có thể thảo luận:

Màng đa lớp

và hiệu ứng từ điện trở

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

(trong đó R là một số thực và X là thành phần ảo) của một dây dẫn sắt

từ trong một từ trường ngoài, Hext, khi một dòng điện thay đổi tần số cao :

chảy qua nó [3], nên không được coi là Từ điện trở

Độ lệch của đường dòng điện do từ trường tạo ra tăng chiều dài của đường dẫn điện, sau đó, tăng điện trở hiệu dụng, được mô tả bởi

ở đây R0 là điện trở tại từ trường không

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

3 Từ trở dị hướng ( AMR).

• Điện trở phụ thuộc vào sự định hướng tương

đối của M và dòng điện I.

* Nguồn gốc là:

+ sự tán xạ không đối xứng của các electron theo

spin của chúng trong từ truờng

+ do liên kết spin-quỹ đạo

Hiệu ứng này cũng được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi quan sát thấy điện trở của các vật liệu sắt và niken phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chiều của véctơ từ độ Hiệu ứng này phát hiện trong nhiều chất bán dẫn và nhiều màng mỏng từ

Hàm này đạt giá trị cực đại tại góc 450,

9Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

4 Từ trở khổng lồ (GMR).

10 nhóm của Albert Fert

( C ) Schematic of the mechanism of the GMR In the parallel magnetic

configuration (bottom), the electrons of one of the spin directions can go

easily through all the magnetic layers and the short circuit through this

channel leads to a small resistance In the antiparallel configuration (top), the electrons of each channel are slowed down every second magnetic layer and the resistance is high From

Chappert etal.,2007

Fermi Bức tranh này hoàn toàn áp dụng được cho hai nghuyên tố sắt từ

mạnh Co và Ni Đối với Fe ( chất sắt từ yếu), mật độ trạng thái của các spin thuận ở mức Fermi vẫn tồn tại nhung nhỏ hơn nhiều so với trạng thái spin nghịch

Dộ dẫn điện tổng cộng σ là tổng của độ dẫn điện của các hạt tải đa số

σ+và các hạt tải thiểu số σ- Độ dẫn được mô tả bằng biểu thức sau:

trống hoàn toàn có khả năng xảy ra Trong trường hợp này, chính các mức năng lượng còn trông này như là một cái bẫy để lưu giữ các hạt tải thiểu số lại đó, gây nên điện trở Về bản chất , ảnh hưởng của các trạng thái d ở gần mức Fermi đến tính chất chuyển được hiểu theo 3 luận điểm sau đây:

Cơ chế của hiệu ứng GMR

Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán

xạ của điện tử, và các đóng góp cho sự tán xạ

này gồm:

Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng

tinh thể gọi là tán xạ trên phonon

Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính,

gọi là tán xạ trên magnon

Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể (defect)

Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ

của điện tử trên các polaron từ để giải thích

hiệu ứng CMR

Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ

của điện tử trên magnon Khi có các phần tử

mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các

màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong

các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng

khác nhau về mômen từ (do tác động của từ

trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính

chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi

điện trở của chất rắn Một cách chính xác hơn,

hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải

thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott (đề

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của ba giả thiết sau:

1 Vì độ dày của lớp không từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của các điện tử, nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác

2 Khi chuyển động trong các lớp vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào sự định hướng spin của chúng

3 Định hướng tương đối của các véc tơ độ từ hóa trong các lớp có thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Mô hình GMR vừa trình bày dựa trên mô hình hai dòng điện ( dòng điện của các điện tử có các spin thuận và dòng điện của các điện tử có các spin nghịch) và cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử Đó chính là cơ chế tán xạ s-d ( tức là tán xạ của các điện tử s trên các trạng thái d ở gần mức Fermi)

Một số lý thuyết khác cũng đã được đề xuất dựa trên cơ chế sự phụ thuộc cấu trúc vùng của cấu hình từ

Một cách chi tiết hơn, các lý thuyết còn có thể mô tả một cách riêng biệt cho hiệu ứng GMR đối với cấu hình có dòng điện trong mặt phẳng (CIP), hoặc

có dòng điện vuông góc với mặt phẳng màng.(CPP)

Trong cấu hình CIP-GMR, sự chuyển động từ lớp này sang lới khác chỉ

có thể xảy ra nhờ chuyển động nhiệt Trong cấu hình CPP-GMR, các

điện tử bắt buộc phải chuyển qua nhiều lớp interface Khi đó hiệu ứng

bẫy spin xảy ra tại các vùng chuyển tiếp, được xem là một trong các cơ chế quan trọng có thể sử dụng để phát triễn và hoàn thiện lý thuyết về

GMR Hạn chế của cấu hình CPP là điện trở của mẫu trở nên rất nhỏ

theo phương vuông góc với mặt phẳng màng, làm cho việc đo đạc rất

khó khăn

Ứng dụng của hiệu ứng GMR

Kể từ năm 1992, hiệu ứng GMR bắt đầu được ứng dụng trong các đầu đọc dữ liệu của ổ đĩa cứng máy tính thay cho các đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng cũ, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin Người ta sử dụng các màng mỏng valse-spin để cho các ứng dụng này Một ưu điểm khiến chúng dễ dàng thay thế là khả năng chống nhiễu và chống ồn rất cao

Ứng dụng trong việc chế tạo các cảm biến từ trường nhạy, các cảm biến đo gia tốc

Một ứng dụng lớn nhất mở ra từ hiệu ứng này là việc phát triển các linh kiện spintronics, các linh kiện điện tử thế hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin của điện tử Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ điện trở chui hầm là hai trụ cột của spintronics.

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

5 Liên kết từ trong vật liệu đa lớp.

Hệ số từ trở dao động theo chu kỳ của độ dày của lớp đồng ( do

tương tác trao đổi dạng dao động)

Ba kiểu liên kết: - Sắt từ

- Phản sắt từ

- Liên kết kiểu 900

6 Các cơ chế liên kết khác trong vật liệu đa lớp.

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

7 Từ trỡ tại điểm làm việc.

Từ trỡ tại điểm làm việc.

• Trong ghi từ,

21Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Từ trỡ tại điểm làm việc.

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Từ trở khổng lồ (GMR)

Trong kim loại sắt từ , dòng điện thường được xem xét với hai

dòng hạt tải khác nhau với tên gọi là dòng của các hạt tải đa số

và hạt tải thiểu số tương ứng với các điện tử có các spin thuận nghịch Khái niệm đa số và thiểu số sử dụng ở đây có lý do xuất phát từ số lượng các điện tử có spin thuận và spin nghich trong các phân vùng năng lượng 3d, ở đó do có sự tách vùng và phân vùng năng lượng của các điện tủ có spin thuận có năng lượng

thấp hơn phân vùng năng lượng của các điện tử có spin nghịch Theo nguyên tắc tối ưu về mặt năng lượng, phân vùng spin thuận bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn, Các điện tử đa số quyết định chiều của độ từ hóa và hiệu số của số lượng các điện tử đa

số và thiểu số quyết định độ lớn của độ từ hóa Người ta cũng giả thiết rằng , trong các kim loại sắt từ, các hạt tải điện chủ yếu là các điện tử s ( vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn.)

Trong trường hợp này, vùng năng lượng s không bị tách, nên nói

sự cân bằng về từ độ Sự tác động của từ trường ngoài dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của mômen từ ở mỗi lớp, dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin phân cực, và dẫn đến sự thay đổi về điện trở suất.

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

9 Sự tích trữ spin.( accumulation).

Độ dài khuếch tán spin lsf là

khoảng độ dài của CPP –

TIẾP XÚC XUYÊN HẦM TỪ TÍNH ( MTJ)

Một tiếp xúc tunnel từ tính (MTJ) gồm có hai lớp kim loại từ tính,

chẳng hạn cobal- sắt, được cách ly bởi một lớp cực mỏng chất cách điện, như oxit nhôm với độ dày cỡ 1 nm Lớp cách điện mỏng sao cho các điện tử có thể xuyên hầm qua hàng rào nếu thế hiệu dịch được đặt lên giữa hai điện cực kim loại Trong TMJ dòng điện tunnel phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của các độ từ hóa của hai lớp sắt từ.mà có thể thay đổi bằng một điện trường ngoài Hiện tượng này được gọi là Từ điện trở xuyên hầm (TMR)

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

10 Từ trở tunel ( xuyên hầm).

phòng Gần đây các giá trị lớn của TMR đã được quan sát thấy trong tiếp xúc (MTJ) tinh thể với các hàng rào MgO trong sự xuyên hầm phụ thuộc spin Các tiếp xúc xuyên hầm từ tính (TMJ) đang hứa hẹn những ứng dụng trong công nghiệp tích trữ thông tin và sensor.

Các tiếp xúc chui hầm từ tính được chế tạo bằng công nghệ màng mỏng Với quy mô công nghiệp các lắng đọng màng được thực hiện bằng phún xạ

magnetron ở quy mô phòng thí nghiệm việc lắng đọng bằng phương pháp Epitaxy chùm phân tử, lắng đọng xung laser và lắng đọng hơi vật lý tia điện

tử cũng được sử dụng Các tiếp xúc được chuẩn bị bằng phương pháp

Quang khắc

Chương 3 Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

hai chất sắt từ được ngăn cách

bởi một chất cách điện mỏng Nếu

lớp cách điện mỏng là đủ mỏng

(thường là một vài nanomet), các

điện tử có thể từ một trong những

vật liệu sắt từ xuyên qua đường

hầm vào chất sắt từ kia Bởi vì

quá trình này không thể xảy ra

trong vật lý cổ điển, nên các Từ

điện trở xuyên hầm là một hiện

tượng trong cơ học lượng tử

• Các hiệu ứng sự dịch chuyển phụ thuộc spin không chỉ có mặt trong vùng dẫn kim loại , mà còn trong vùng dẫn tunel

• Trong các dụng cụ, điện trở cao nghĩa là sự tiêu thụ công suất thấp cho

cùng tín hiệu lối ra

Hiệu ứng spin = sự dịch chuyển bảo toàn spin

Là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn.

High R for AP configuration

Low R for P configuration

các tiếp xúc từ chui hầm, là các màng mỏng với các lớp màng mỏng sắt từ được ngăn cách bởi lớp điện môi, đóng vai trò lớp rào ngăn cách chuyển động của điện tử Khi chiều dày lớp điện môi

đủ mỏng, hiệu ứng chui hầm lượng tử sẽ xảy ra, cho phép điện tử xuyên qua rào thế của lớp điện môi, tạo thành sự dẫn điện, và do sự tán xạ trên các lớp sắt từ, điện trở của màng sẽ bị thay đổi tùy

theo sự định hướng của mômen từ của các lớp sắt từ.

Hiệu ứng từ điện trở chui hầm thực chất được phát hiện từ năm 1975 bởi nhóm nghiên cứu của Michel Julliere khi phát hiện ra hiệu ứng này xảy ra trong hệ màng đa lớp Fe/Ge/Co, xảy ra ở nhiệt độ thấp tới 4,2 Kelvin với lớp germanium (Ge) đóng vai trò là một lớp điện môi[1]

môi, tỉ số từ điện trở (trong trường

hợp này sử dụng là TMR) phụ thuộc

vào độ phân cực spin của 2 lớp

(P1,P2), và được cho bởi công

thức[4]:

Các sự phụ thuộc của TMR

Các lý thuyết để giải thích

Spin-resolved densities of states (DOS) of the electrodes

Ref.: M Jullière, Phys Lett A 54 (1975) 225.

DOS of a normal

metal (Cu)

DOS of a ferromagnetic metal (Co)

Tunneling probability / densities of states

Spin polarisation of an electrode

Tunnel magneto-resistance

The Jullière Model – Counting Electronic States

Zero bias: E = EF

khác nhau với tên gọi là dòng của các hạt tải đa số và hạt tải thiểu số tương ứng với các điện tử có các spin thuận nghịch Khái niệm đa số và thiểu số sử dụng ở đây có lý do xuất phát từ số lượng các điện tử có spin thuận và spin nghich trong các phân vùng năng lượng 3d, ở đó do có sự tách vùng và phân vùng năng lượng của các điện tủ có spin thuận có năng lượng thấp hơn phân vùng năng lượng của các điện tử có spin nghịch Theo nguyên tắc tối ưu về mặt năng lượng, phân vùng spin thuận bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn, Các điện tử đa số quyết định chiều của độ từ hóa và hiệu số của số lượng các điện tử đa số và thiểu số quyết định độ lớn của độ từ hóa Người

ta cũng giả thiết rằng , trong các kim loại sắt từ, các hạt tải điện chủ yếu là các điện tử s ( vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn.) Trong trường hợp này, vùng năng lượng s không bị tách, nên nói chung só điện tử s có spin thuận và spin nghịch giống nhau

1 - Người ta thừa nhận spin của các điện tử được bảo toàn trong quá trình tunel Sự tunel của các điện tử spin-up và spin-down là hai quá trình độc lập, vì vậy độ dãn xảy

ra trong hai channel spin độc lập Theo như giả thiế này thì các điện tử có nguồn gốc

từ trạng thái spin của màng sắt từ thứ nhất được tiếp nhận bởi các trạng thái không đầy của cùng spin của màng thứ hai Nếu như hai màng sắy từ được từ hoá song song thì các spin thiểu số sẽ tunel đến các trạng thái thiểu số và các spin đa số tunel đến các trạng thái đa số Song nếu như hai màng được từ hoá phản song song thì tính đồng nhất của các điện tử spin-đa số và spin-thiểu số sẽ thay đổi ngược lại, vì vậy các spin-đa số của màng thứ nhất sẽ tunel đến các trạng thái thiểu số của màng thứ hai và ngược lại.

2- Người tathừa nhận rằng sự dẫn đối với một sự định hướng spin đặc biệt sẽ tỷ lệ với tích của mật độ hiệu dụng của các trạng thái của hai điện cực sắt từ.

Theo như hai giả thiết này thì dòng tunel đối với sự sắp xếp song song và phản song song thì TMR có thể được viết theo

Ref.: J.C Slonczewski, Phys Rev B 39 (1989) 6995.

– assume free electrons in a one-dimensional system

Scattering at a step barrier

Determination of the total wavefunction by continuity

Ứng dụng của từ điện trở chui hầm

1 Spintronics

Mô hình một số linh kiện spintronics: a) spin diode, b,c,d) spin transistor

1 Cách nào hiệu quả nhất để phân cực một hệ spin?

2 Một hệ spin có thể nhớ trạng thái định hướng trong bao lâu?

3 Làm thế nào để ghi nhận spin?

Các khái niệm và thao tác trên linh kiện spintronics

Độ phân cực: Hiểu một cách đơn giản là tỉ lệ sai lệch giữa spin định hướng theo 2

chiều lên và xuống, được cho bởi công thức:

với lần lượt là mật độ spin up và spin down

Dòng phân cực spin: Là khái niệm được đề xuất năm 1935 bởi Mott để giải thích

các tính chất bất thường của điện trở trong các kim loại sắt từ Mott cho rằng ở

nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển dời điện

tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có spin đối song song với

từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân bằng của hai loại spin có chiều khác nhau

Đó chính là khái niệm về dòng phân cực spin Và mô hình của Mott được gọi là mô hình hai dòng điện, và sau đó được nhóm của Campel mở rộng vào năm 19367, và sau đó tiếp tục được bổ sung hoàn thiện và là một khái niệm quan trọng để mô tả hiệu ứng từ điện trở cũng như các quá trình trong linh kiện spintronics

Tiêm spin, bơm spin: Trong một số chất ở trạng thái sắt từ, mật độ spin up và

down là cân bằng nhau và không tạo ra dòng phân cực spin và không hữu ích cho các linh kiện spintronics Người ta có thể tạo ra các dòng phân cực spin trong các chất này bằng cách dùng các nguồn để đưa dòng phân cực spin vào từ bên ngoài, gọi là quá trình tiêm spin (spin injection) hay bơm spin (spin pumping)

Truyền dẫn spin

Tích lũy spin