Xây dựng hệ đo và nghiên cứu từ tính của các màng mỏng bằng từ kế hiệu ứng hall dị thường đề tài NCKH QT 05 10 pdf

N hư vậy cả hai trường hợp này đều được gây ra bởi sự không đối xứng của bó sóng trong quá trình tán xạ, sự khổng đối xứng này phụ thuộc vào trạng thái spin của diện tử hay tương tác của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỤ NHIÊN• • • •

H ọc viên cao học N guyễn A nh Tuân

H ọc viên cao học: Trần Q uang Hưng

H ọ c viên cao học: N g u y ễn Thị Vân Anh

Đ A I HOC QUỐC GIA HÀ N o TRUNG TẨM THÒNG TIN THƯ VIỆN

DT / ã ĩ

IIẢ N Ộ I - 2 0 0 5

1 Báo cáo tóm tát (từ 1-3 trang) bàng tiếng Việt.

Xây dựng hệ đo và nghiên cứu từ tính của các m àng m ỏng bằng từ kẻ hiện ứng

H all dì th ường -m ã s ố Q T05-10

b Chủ n ì đề tài (hoặc dự án): TS Phạm H ổng Q uang

c Các cán bộ tham gia:

PGS.TS N guyễn Hụy Sinh

H ọc viên cao học: N guyễn Anh Tuấn Học viên cao học: T rần Q uang Hưng

H ọc viên cao học: N guyễn Thị V ân Anh

d M ục tiêu và nội dung nghiên cứu

❖ Tìm hiểu về hiệu ứng Hall dị thường và các cơ c h ế liên quan

♦> Xây dựng hệ đo hiệu ứng Hall dị thường

*1* Thực hiện một sô phép đo đổ chuẩn hệ do

❖ Xây dựng thành bài giảng thực tập cho sinh viên chuyên ngành

e Các kết quả đạl dược

Trong vật liệu từ, điện trở Hall ngoài phần đóng góp của điện trở Hall thòng thường (O HE) tỉ lệ với từ trường ngoài, còn do đóng góp của diện trở H all dị thường (AHE) tỉ lệ với từ độ của m ẫu theo công thức sau:

p „ = R n H + R s M ( 1 )

Với R() là hệ số H all thường, Rs là hệ số H all dị thường, H là từ trường ngoài, M là từ

đọ của mẫu N gày nay, người ta cho rằng hiệu ứng Hall dị thường được gây nên bởi hai cơ chế: cơ ch ế tán xạ lệch góc (skew scatering) tại các lâm tán xạ và cơ ch ế nháy vị trí (side jum p) của các h ạt tải

T ừ k ế hiệu ứng H all từ làu đã được biết đến là m ột thiết bị hiệu quả để đo đưừng cong từ trễ của các m àng m ỏng từ T ín hiệu th ế lối ra (T hế H all dị Ihường) tỉ lệ

° , , '■« ' J y {M í , nghịch với chiểu dày của m ẫu theo công thức: * với t là độ dày củamẫu N goài ra lừ k ế hiệu ứng H all là thiết bị có khả năng phân tách từ lính của các màng m ỏng hai lớp (từ cứng-từ mềm ) Công việc này không thể thực hiện được bởi các

lừ kế khác vì giá trị íừ độ chúng đo được là tổ n g c ộ n g sự đ ó n g g ó p c ủ a h ai lớp

Hệ đo được xây dựng tại bộ môn V ật lý N hiệt độ lliấp có thể làm việc tụi vùng nhiệl

độ từ N hiệt độ phòng (300 K) xuống đến nhiệt độ N itơ lỏng (77 K) Các mũi dò ả m buồng mẫu dirực bố trí theo cấu hình van-tlc-Pauw , kích Ihưức m àu là 8 mill X 8 min

M ầu được đặt trong buồng chân không, sau đó cả buồng chân không dưực nhúng vào nitơ lỏng N hiệt độ của buồng m ẫu có thể dược điều chỉnh nhờ lò dốt Hệ

đo được thiết k ế thêm m ột hệ thống trao đổi khí dể làm môi trường trao dổi nhiệt cho

mẫu, khí được dùng cho hệ đo là khí trơ Ar hoặc khí Heli có độ sạch cao I oàn bộ hệ được đặt trong một lừ trường của một nam châm điện, lừ trường có độ lớn cực đại 1 Tesla Cần mau được thiết kế có thể quay quanh trục thẳng đứng, như vậy gỏc giữa mặt phảng mẫu và từ trường có thể thay đổi Các đại lượng: từ trường, nhiệt độ cua buồng mẫu, điện trở Hall được ghép nối với máy tính qua máy đo vụn năng Keithley Thông qua phần mồm xử lý sô liệu ta có thể lính đưực diện Irở Ilall dị thường của màu

từ tính cần đo

Chúng tôi đã tiến hành chuẩn hệ đo bằng các phép đo trên màng mỏng từ giảo TefecoHan ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ Lhấp Các kết quả cho thấy rằng hệ đo có thể do được các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau và cho kết quả phù hợp với các kết quả

đã công bố

Hệ đo đã được xây dựng thành bài thực tập chuyên đề

f Tình hình kinh phí của đề tài (hoặc dự án)

(ilồng)

3 Thuê khoán chuyên môn (đo đạc mâu và xử lý sô liệu) 1.600.000

4 Mua sách, tài liệu dùng cho chuyên môn 1.000.000

Tống 10.000.000

K H O A QUẢN LÝ (Ký và ghi rõ họ tên)

2 Báo cáo tóm tắt (từ 1-3 trang) bằng tiếng Anh

a Title:

B uilding-up an anom alous H all m agnetom eter and using it to investigate the

m agnetic properties o f thin film s.

Code: Q T - 05-10

b Coordinator Dr Pham Hong Q uang

c College

1 Prof N guyen Huy Sinh

2 M s.Sludent N guyen Anh Tuan

3 M s.Student Tran Q uang H ung

4 M s.Student N guyen Thi V an Anh

d T he aim and the content o f projcct

♦♦♦ Im proving the understanding on the anom alous Hall effects and its relative

m echanism s

❖ Building-up an anom alous Hall m agnetom eter

♦> C arrying-out som e m easurem ents on m agnetic thin film s lor calibration and demo

♦> Establishing a practicum for students

a Van d er Pauw configuration Some m easurem ents have been can ietl-o u l

on m agnetic thin film s for calibration and dem o A practicum based on this m agnetom eter has been established

PHẨN CHÍNH BÁO CÁO:

M Ụ C L Ụ C

Trang

1 H iệu ứng I ía ll dị th ư ờ n g 8

1.1 Các cơ c h ế của hiệu ứng Hall dị th ư ờ n g 8

1.2 M ô tả hiện lượng luận hiệu ứng Hall dị thường trong các vật liệu lừ lín h 9

2 X ảy dựng từ k ế hiệu ứng H a ll 11

2.1 Bộ phận thu tín hiệu H a ll 12

2.2 Bộ phận xử lý tín hiệu của hệ d o 15

2.2.1 Phương pháp thu tín hiệu của hệ đ o 16

2.2.2 Phương pháp xử lý số liệu thực n g h iệ m 16

3 M ột so kết quả 19

3.1 Kết quả chuẩn hô đo trên mãu màng T efecoH an (Tb(Fe,Co)| 0 19

3.2 M ột số kết quả thu được của hệ đ o 20

4.3.2.1 Kết quả đo th ế H all trên mẫu T a /F e P t 20

3.2.2 Kêì quả thu được trên mẫu F eP t 21

3.3 Hiộu ứng Mali dị ilìirờng Irong màng mỏng hai lớp 22

LỜI M Ở Đ Ầ U

H iệu ứng H all dị thường được gây bởi tán xạ spin - quĩ đạo của các điện tứ lại các vùng bất trật tự của m ạng tinh thể trong các hệ vật liệu khác Iihau Trong nhiều thập kỉ qua, các nghiên cứu về hiệu ứng Hall và ứng dụng của hiệu ứng này đã được các nhà khoa học và công nghỏ quan tâm và tạp trung nghicn cứu Các kốt qua (hu dưực ngày càng phong phú và trử thành hệ thống cho các loại vậl liệu

H ệ đo dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Hall dã dược các nhà lliực nghiệm nghiên cứu và ch ế tạo thành công, trở thành m ột công cụ vô cùng hữu ích trong việc phân tích từ tính của các vật liệu từ Hiện nay, các nhà khoa học tập trung di sâu tìm hiểu các hiệu ứng trong vật liệu có kích thước nanô, các quá trình vật lý xảy ra trong các vật liệu có kích thước nanô hoàn toàn khác so với các tương tác trong chất rắn, việc tìm hiểu các cơ ch ế trong vât liệu này đang là m ột hướng đi đầy mới mẻ nên dã thu hút được sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học trên th ế giới Trong công nghệ lưu trữ thông tin, các màng m ỏng ghi từ hai lớp là loại m àng m ỏng có mật độ lưu trữ thông tin cao và có tính bảo mật tốt, m ở ra hướng mới trong lĩnh vực 1 LIU trữ thõng tin với tnậl độ cao Việc kiểm Ira chất lượng của các màng m ỏng này là I11ỘI hài toán

vỏ cùng khó khăn cho các phép do lừ của các hộ do lừ tính thông iliưừng Đổ đáp úng những nhu cầu thực lế dó, hệ đo dựa trên hiệu ứng Mali ra dời đã giải quyết hiệu quả bài loán nghiên cứu từ lính của các m àng m ỏng ghi lừ hai lớp này

Kết quả thực nghiệm cùng với những lý thuyết được các nhà khoa học nghiên cứu để giải thích hiệu ứng Hall trong các loại vật liệu, việc tìm hiểu các cấu trúc vi mô của vật liệu thu được kết quả chính xác cao và có ý nghĩa khoa học

Hệ đo dựa trên hiệu ứng H all có thể đo được từ tính của các m àng m ỏng có kíclì thước nanô m ét, các m àng m ỏng ghi từ hai lớp, các m àng m ỏng bán dẫn từ pha loãng , đã cho thấy sự vượt trội vé ưu điểm so với các từ k ế thông thường Hơn nữa

hệ do dựa UC11 hiệu ứng Mali còn 1Ì1 một thiết bị tlưn gian, có Ihể tự xây dựng với clìi phí Ihấp, phù hợp với điều kiện kinh tế tại V iệt nam và các nước đang phát triển khác

Do dó chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng hệ đo này phục vụ cho công viêc nghiên cứu và đào tạo ở bộ môn, đáp ứng cho dòi hỏi ngày càng cao cua khoa hoc hiên dại

N Ộ I D U N G C H ÍN H

1 H iệu ứng H all dị thường

1.1 Các cơ chê của hiệu ứng H all đị thường

M ô hình lý thuyết giải Ihích cho hiệu ứng Hall dị thường 11 ong vật liệu có từ tính đã được đề xuất từ những năm 50 của thế kỷ trước [1-3] Các tác giả đã cho Lăng’,

có hai cơ ch ế đóng góp vào hiệu ứng H all dị thường, đó là cơ ch ế tán xạ lệch goc (skew scattering) và cơ chế nhẩy vị trí, hình vẽ mô tả cho hai cơ chê nay dược chi ra tienhình 1

H ình 1: Cơ chế tán xạ lệch góc (a) và cơ chẻ nhảy vị trí (b)

® ứng với điện íửcó spill nghịch

Cơ ch ế tán xạ lệch góc dược mô tả như sau: nếu mặt phảng sóng tới của các diện tử lán xạ bởi các tâm tạp, được đặc trưng bởi vcclơ sóng k Do tương lác của spill

- quỹ dạo làm cho biên độ của bó sóng không đồng nhất theo các phương khác nhau, biên độ của bó sóng theo các phương khác nhau này phụ thuộc vào hướng của các sóng tới, các tâm tán xạ và hướng của spin Sau quá trình tán xạ tại tâm tạp, làm cho các electron bị lệch khỏi hướng đi ban đầu của nó, độ lệch Iiày thông thường có độ lớn khoảng 10'2 radian Cơ c h ế tán xạ lệch góc này dược chỉ ra trên hình I a. T rên hình 1 b

là hình vẽ mô tả cho cơ ch ế nhảy vị trí (side jum p), cơ chế này được gáy ra bởi sự dịch chuyển của tâm bó sóng tại các tâm tạp trong quá trình tán xạ, dộ dịch cluiyên này có

độ lớn cỡ 5 « 1 0 '“ m, cơ ch ế nháy vị trí này luôn luôn phụ thuộc vào spin cua các điện

tử N hư vậy cả hai trường hợp này đều được gây ra bởi sự không đối xứng của bó sóng trong quá trình tán xạ, sự khổng đối xứng này phụ thuộc vào trạng thái spin của diện tử hay tương tác của cặp spin - quỹ đạo của diện tử, kết quả của quá trình này làm cho dòng spill Ihuận và spin nghịch có giá Irị khác nhau, làm xuất IŨỘI1 dòng spill và lliành phần dòng điện ngang trong các vật liệu từ, díly là nguycn nhân chính gây nôn hiệu ứng Hall dị thường trong các vật liệu từ

Đ iện trở do cơ ch ế tán xạ lệch góc và cơ ch ế nhảy vị trí đóng góp vào diện trở

H all dị thường cũng khác nhau, đóng góp của điện trở do cơ ch ế tán xạ lệch góc tỉ 1C' tuyến tính VỚI điện trở Hall còn đóng góp của điện trở do cơ chế nhảy vị trí tỉ lệ với bình phương điện trở H all này

Đ iện trở H all dị thường của một chất từ tính thông thường được viêt dưới dạng:

M ối liên hệ quan trọng của hai thành phần này là đều phụ thuộc cá vào nhiệt dọ

và mật độ tâm tán xạ của vật liệu từ tính

Các m ô hình lý thuyết để giải thích cho hai cơ ch ế trên đã lán lượt được đề cập đến trong các công trình sau này

K arplus và L utlinger [4,5] là những người tiên phong đưa ra lý thuyết của hiệu ứng Hall dị thường bằng cách đề xuất rằng tương tác spin-quỹ đạo trong dải Bloch là nguyôn nliAĩi làm lăng độ dãn Ilall dị lliưừng Kết luẠn này dặt ra cAu hỏi cho Smith[6], người dã biện luân rằng R s (Rs = R0A, là hằng số Hall dị thường) bị triệt tiêu trong các m ạng tuần hoàn Ồ ng đã đưa ra ý tưởng sự tán xạ phản đối xứng hay tán xạ lệch góc của các electron là do nồng độ pha tạp Sự tồn tại của tương tác spin-quỹ đạo giữa spin của các điện tử từ và m ôm en góc quỹ đạo của electron dẫn bị tán xạ trong vật liệu sắt từ là nguyên nhân gây ra sự phân cực điện tử, đó là phản đối xứng trái - phải trong tán xạ chênh lệch truyền qua mặt phảng được xác định bởi J và M, trong đó J là mật độ dòng, M là lừ độ của mẫu Kết quả là các electron có xu hướng chuyên động vể mọt phía, làm tăng th ế theo chiều ngang Sự phân cực m ạng là do cơ ch ế sắt từ, ví dụ như

m ật độ trạng thái khác nhau của vùng spin-up và spin-dow n tại mức Ferm i là do khe năng lượng trao đổi Cơ ch ế tán xạ dự đoán điện trở Hall dị thường tỉ lệ tuyến tính với diện trở dọc Sau đó, Bcrger đưa ra một cơ ch ế hoàn toàn khác, cơ ch ế nhảy vị Irí mà quỹ đạo của điện tử bị lán xạ dịch chuyển sang một bên tại các vị trí pha tạp do tương tác spin-quỹ đạo Berger thừa nhận rằng các electron dẫn bị tán xạ bởi điện th ế lai hoá lại tâm và chuyển động trên các đường đẳng th ế trước và sau tán xạ T rong tương lác spin-quỹ đạo, sự đối xứng là thấp và hai đường đẳng th ế có thể trùng nhau Cư chế nhảy bậc dự đoán điện trở Hall dị thường tỉ lệ với bình phương điện trở dọc Tuy nhiên, vì các khó khăn thường gặp trong mổ hình tán xạ pha tạp trong các vật liệu thực

tế nên nó vẫn không thể so sánh định lượng với thực nghiệm Câu hỏi đặt ra là điện trở

dị thường nói chung được coi như hiệu ứng bên ngoài phụ thuộc duy nhất vào tán xạ pha tạp hay không? thậm ch í chú ý này không có giới hạn kiểm tra, và do đó sự đóng góp nội tại bắt nguồn từ giả thiết của Karplus và L uttinger không còn sức thuyết phục

1.2 Mò lá hiện tượng luận liiệu ứng llali dị thường troiiỊ* các vật liệu tù lính

T rong các vậl liệu không từ tính, hiỌu ứng Mali có nguồn gốc lừ lực Lorcniz

T rong các vật liệu có từ tính, hiệu ứng Hall xuất hiện còn có thêm dóng góp của tưưng tác spin - quỹ đạo, chính đóng góp này gây nên hiệu ứng H all dị thường M ột cách đơn

giản, hiệu ứng Hall dị thường có thể được mô tả dựa trên khái niệm từ trường phân tử

Hm =XM, trong đó M là từ độ của mẫu và X ỉà hệ số trường phân tử Trong trường hợp

đó, từ trường tổng cộng tác dụng lên mẫu là [6-9]:

H = H0+ H m

Do đó, biểu thức thế Hall dị thường có ihể viết như sau:

ƯH= H„R0I(H0 + H J = Ho R0I(H„ + XM) = n J ( R 0H0 + R 0ẢM)

p0 là điện trở Hall thường

Ps =/i0RsMj_ là điện trở Hall đị thường

Theo m ột cách khác, hiệu ứng Hall dị thường cũng có the lUrực 1Ì1Ô ta háng bien thức sau đây:

Do có từ độ M và hệ số trường phân tử X lớn, nên hiệu ứng Hall dị thường 11011» vật liệu từ lớn hơn hiệu ứng Hall thông thường rất nhiều (Rs » R0 và ps » p( ) cho nên trong quá trình tính toán người ta thường bỏ qua sự đóng góp của thành phần Mali thông thường Thêm vào đó, đường cong diện trở Hall dị thường phụ thuộc từ trườn®

có liên quan chặt chẽ với đưừng cong từ hoá Có nhiều công trình cả về lý thuyết lẫn llụrc nghiệm ilã làm sáng tỏ vấn dò này, dưừng cong diộn trử Ilall (Jị ihường và dưừng cong từ trỗ có hình dạng giống nhau khi sự đóng góp vào điện trở Hall dị thường trongvật liệu từ theo cơ chế tán xạ lệch góc, vì lúc này thế Hall dị thường tỉ lệ tuyển lính ven

từ độ của mẫu

2 X ây dựng từ k ế hiệu ứng H all

Từ k ế hiệu ứng H all là m ột công cụ hữu hiệu trong việc nghiên cứu lừ tính cua các m àng m ỏng, đặc biột là các m àng m ỏng có độ dày nhỏ cỡ nano mét và các màng

m ỏng ghi từ hai lớp Các màng m ỏng cỡ nano mét có lừ độ rất nhỏ nên không thê clơ được từ độ của chúng trên các từ k ế thông thường khác nhơ từ kế màu rung (VSM ), từ

k ế m ẫu giật T ừ độ của các màng m ỏng ghi từ hai lớp là từ độ tổng cộng của cá hai lớp từ cứng và từ m ềm , nên việc phân tích từ tính của từng lớp riêng biệt không thể thực hiện trên các từ k ế thông thường kể trên Còn lất nhiều ưu điểm khác của từ kê hiệu ứng H all trong việc phân tích từ tính của các vật liệu từ, khi đo mẫu ở các nhiệt độ khác nhau với m ột số thao tác tính toán đơn giản, có thể xác định dược nhiệt độchuyển pha của vật liệu_[9 -12J Trong việc xác định nồng độ hạt tải ciia chất bán dẫn

và dấu của hạl tải thì từ k ế hiệu ứng Hall giải quyết m ột cách chính xác Mặt khác, trên th ế giới từ k ế hiệu ứng Hall đã xuất hiện từ rất lâu, cho đến ngày nay từ k ế hiệu ứng H all rất hoàn thiện, lừ trường của các hệ đo này lên đến hàng chục Tesla, để khắc phụ hiện tượng điện trở nội của mẫu ảnh hưởng đến đường cong điện trở Hall của mẫu cán đo, các hệ đo từ k ế Hall xoay chiều cũng ra đời và đã trở thành hệ đo có độ chính xác cao Các kết quả do trCn từ kế hiệu ứng Ilall tlưựe iliínli giá là rãi lin cậy có liiií Irị khoa học Dựa trên điều kiện thực tế tại Việt nam nói chung cũng như lại Bộ môn Vạt

lý N hiệt độ thấp nói riêng, việc trang bị m ột hệ đo từ k ế H all thương phẩm dã vưựt quá khả năng về tài chính N hư vạy, bài toán tự xây dựng hệ đo từ k ế hiệu ứng Hall một chiều tại bộ m ôn Vật lý N hiệt độ thấp đã được đưa ra để giải quyết góp phần hiện đại hoá các hệ do tại bộ môn Việc xây dựng thành công hệ đo này là m ột thành công lớn

về m ặt thực nghiệm của nhóm nghiên cứu chúng tôi Trong phần này của ban luận vãn

sẽ trình bày chi tiết việc xây dựng hệ đo từ k ế hiệu ứng Hall m ột chiều dã xây dựng

Sơ đồ khối của hệ đo bao gồm hai phần chính: phần thu tín hiệu thế Hall và phần xử ]ý tín hiệu th ế H all thu dược Trên cơ sở đó từ k ế hiệu ứng Hall m ột chiều có

sơ khối như hình 2 sau đây:

Bộ phận thu tín hiệu Hall của m ẫu cần đo bao gồm: (1) buồng m ẫu, (2) cặp nhiệt điện, (3) lò đốt, (4) nam châm tạo từ trường, (6) bình chứa N itơ lỏng, (7) Nitơ lỏng, (8) H ệ thống trao đoi khí.

Buồng mẫu bao gồm cần mẫu được dặt trong một buổng chân kliong hai lớp Các mũi dò của cần m ẫu được bố trí Iheo cấu hình Van - de Pauvv Cấu hình Van - de Pauw được trình bày sau đây:

K hi bố trí 4 mũi dò như hình 3 ta nhận thấy rằng: tổn tại hai điện trở đặc trung

R a và Ru tương ứng với cách bố trí như hình 3.Ơ và hìn/t 3.1).

2.1 Bộ phận thu tín hiệu Hall

R a và Ra liên hệ với điện trở m ặt Rs theo phương trình Van de Pau\v sau:

Hình 3: Sơ đồ các khả năng b ố trí mũi dò của hệ đo Hall:

(a) dòng điện Ị đi vào mũi dò 2, đi ra mũi dò J, th ế lôi ra được lấy trên hai dầu mũi dò 3 và 4

ílần mũi dồ I và 4

Khi đó diện trở khối (điện trở H all dị thường) p của mẫu dược xúc định theo công thức:

Đổ do được điện trở RA, cho dòng điện một chiều qua mũi dò I và 2, do lliè \ 'i4

trên hai dầu mũi dò 3 và 4 RB đo được khi đặt dòng điện vào hai mũi dò 2 và 3, th ế \ 'N

đo trên hai m ũi dò 1 và 4 Đ iện n ở R A và R B được tính từ cóng thức:

~ I 43 / ^ 1 2 ’ R / t - V \ 4 ì ^ 2 3 - (2.3)

Nếu các mũi dò của buồng mẫu được bố trí như lùnh 2.3. Khi cấp dòng diện không dổi vào mũi dò 1, mũi dò 3 là dầu ra của dòng diện và m ẫu được dặt trong lừ trường B, thì th ế Hall VH của m ẫu sẽ thu được trên hai mũi dò 2 và 4 (\72v) Khi thế

H all VH xác định được từ phép đo thì m ật độ hạt tải dược tính theo công thức:

n ' = ỉ „

(2.4)

với I, D, q lù các dại lượng đã biết trước.

Các mũi dò của cần mẫu được sắp xếp theo cấu hình Van - de Pauw [10] Kích thước của cần mẫu được tính toán một cách hợp lý sao cho phù hợp với các linh kiện

và các thiết bị khác Với mục tiêu thiết kế buồng mẫu sao cho hệ đo có thể đo được các mẫu có kích thước tôi đa, buồng chân không phía trong có đường kính là 27 111111 nên buồng mẫu có thể đo được các mẫu có kích thước là: 8mm X 8111111

Khi mẫu được đo theo cấu hình như hình 4, khi cấp dòng vào mũi dò 1 và di ra

ở mũi dò 3 hay ngược lại thì thế lối ra của mẫu là thế Hall, thế này bao gồm cả thế do diện trở nội tại của mẫu, thế do điện trở tiếp xúc giữa mặt phảng màng và các mũi dò, dóng góp của phần hiệu ứng Hall thông thường tỉ lệ với từ trường ngoài và đóng góp của thành phần Hall đị thường được gây nên bởi các hạt tải từ của mẫu

Hình 5 là ảnh chụp cần mẫu của hệ đo từ k ế hiệu ứng Hall dã xây dựng

Buồng chủn không bao gồm hai lớp, lớp trong và lớp ngoài dược bỏ trí sao cho chân không của hai lớp này là độc lập với nhau thông qua hệ thống báng van Khi cần

khí trao đổi vào lớp trong của buồng m ẫu để đồng nhất nhiệt độ hay dể bẫy chân không ban đầu, thì toàn bộ hệ vẫn được cách chân không với môi trường ngoài Sơ dồ

nguyên lý của buồng m ẫu chân không hai lớp cùng hệ Ihống báng vun dược chỉ ra liên hình ố

Ban đầu, khi hút chân không của cả lớp trong và lớp ngoài của buồng chân không hai lớp, van sô' 1, 2, 3 được đặt ở trạng thái mở còn van số 4 dặt ở trạng thái dóng, lúc này cả hai lớp của buồng chân không đều dưực hút chân không Đổ dạt được chân không cao, thông thường buồng chân không phải được bẫy khí m ột vài lấn Khi

m uốn bẫy khí, trước tiên đóng van số 2 trong khi dó van số 3 vẫn để ở trạng thái 1T1Ở và van số 4 được mở ra để cho hệ thống khí cung cấp khí vào lớp trong của buồng chân không hai lớp Tuy hệ thống cung cốp khí đã có van giảm áp, nhưng hệ ilo vẫn được hổ xung Ihèm mội ihiốl bị giảm áp nữa đổ dồ phòng áp suâì dô khí trao dổi tăng đol nguí trong buồng chân không, làm hỏng buồng chân không của hệ do Q uá trình thào líic

cũng dược Ihực hiện lưưng tự khi m uốn cung cấp khí vào dẻ làm dồng nhát nliiêl tron«

buồng m ẫu

Van số 1 luôn luôn đặt ở trạng thái mở để lớp ngoài của buồng chân không luôn được hút chân không, làm cho toàn bộ buồng mẫu luôn cách nhiệt với môi trường ngoài N hư vậy van số 1 trong hệ đo này chỉ có vai trò trong quá trình hút khí trao dổi

ở lớp trong của buồng chân không Khi cần hút khí irao đổi ở lớp im ng ciia buồn» chân không ra ngoài, van số 4 đóng lại để ngừng việc cung cấp khí vào trong buông mẫu, van số 2 dược đặt ử trạng thái m ở dể lấl ca khí Irao dổi ở lớp trong cùa buỏng mẫu được bơm chân không hút ra ngoài Van số 1 lúc này được dỏng lại dể lớp ngoài của buồng chân khổng vẫn giữ được chân không, không bị khí trao đổi tràn vào

T oàn bộ buồng chân không hai lớp có sơ đồ khôi như liên, sau khi đã hút chân không dược nhúng trong một bình chứa nitơ lỏng dể hạ nhiệt ctộ củíi mẫu màng cần do Đặt toàn bộ cả khối gồm cả bình chứa nilơ lỏng vào giữa hai cực của mội nam chàm điện M ẫu cần đo được đặt trong từ trường, đại mà nam châm của hộ do có thè dạt dược cực đại lên tới 1 Tesla

Cặp nhiệt điện sử dụng để chỉ nhiệt độ của buồng mẫu trong hệ đo này là cặp nhiệt điện Cu-Congstantan Buồng mẫu khi đã nhúng trong môi trường nhiệt độ nitơ lỏng hoàn loàn cú lliổ lăng dược nhiệt dô bằng cách cap dòng cho lò clot [liỏng qua bộ nguồn dòng N hiệl độ cấp cho buồng mẫu có thổ thay dổi dược hằng cách thay ilổi dòng cấp cho lò đốt Việc quấn lò đốt phải đảm báo sao cho Ihoá mãn việc đồn li nliiil nhiệt cho toàn bộ m ẫu màng Đổ tăng độ đổng nhất nhiệt cho mẫu, buóng mẫu dược cung cấp m ột lượng khí vào lớp trong của buồng mẫu, khí trong buồng mẫu dỏng vai trò làm đổng nhất nhiệt phải là khí sạch và hoàn toàn trơ với các tác động bên ngoài, khí được sử dụng cho hệ đo là khí A r với độ sạch cao 99,999%

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu từ trong buồng mầu ra ngoài được nối bằng cácdây điện chịu được nhiệt độ thấp và dẫn diện tốt, các dây dẫn nối ra ngoài phái dámbáo giữ được chân không cho buồng mẫu

Các lín hiệu ihu ilưực, dưa vào

máy tính để xử lý tín hiệu lliồng qua hệ

thống hệ thống ghép nối (m áy đo da

chức năng K eithley và card ghép nối)

Các tín hiệu được đưa vào m áy tính bao

gồm: nhiệt độ của m ẫu, th ế Hall thu

dược từ m ẫu và từ trường cung cấp cho

mẫu cần đo

H ình 7 là ảnh chụp hệ do từ k ế

hiệu ứng Hall dã xây dựng tại bộ mồn

VẠI lý N hiệt độ Ihấp

1»A 1A ' 1' Í í I •- > 1 - 1 Hình 7 ÀiiIi chụp lừkc ¡liệu ứnv Ịlall

2.2 lỉộ p h ậ n x ứ lý till hiệu CII11 hệ đo

N hư đã irình bầy ở trên, bộ phận xử lý

tín hiệu bao gồm hệ thống ghép nối và m áy tính M áy tính chịu trách nhiệm thu nhận

và phân tích tín hiệu thông qua m ột phần m ềm xử lý bằng ngôn ngữ lộp trinh Pascal

Hệ ihống ghép nối bao gồm card ghép nối và máy đo da chức năng Keithley Bàn luận văn này không trình bày thuật toán của phần mềm xử lý, vì nó không mang ban chat Vật lý, nhưng nguyên lý xử lý số liệu của phần m ềm này dược trình bày một cách chi licl dưới đây

2.2.1 Phương pháp thu tín hiệu của hệ đo

Các m àng m ỏng cần do thường có điện trở lớn nên nhiệt lượng loá ra trcn mail

là rất lớn Để đảm bảo an loàn cho m ẫu trong quá trình do đạc, hệ do dược mác llièin một điện trở chuẩn nối tiếp với mẫu để hạn c h ế dòng điện qua mẫu đo, làm giảm nhiệt lượng toả ra trên m ẫu Đ iện trở chuẩn này có gí trị thay đổi tuỳ theo giá trị diện trở của mẫu m àng, điện Irở của m ẫu đo càng lớn thì điện trở chuẩn càng lớn

Các tín hiệu lối ra của sơ đồ trên được đưa vào máy tính Do mỏi mẫu cần có diện Irử chuẩn khác nhau, nên Irong phần mềm xử lý líu hiệu pliai chấp nhận được việc lliay dổi diộn Irử này lliỏng qua viỌc khai báo diỌii trỏ chuẩn Cliii ý ràng lliè lỏi ra cua mẫu m àng là thố liên các mũi dò 1 và 3, nên Ihê lối ra của mẫu là thế Hall Khi dòng điện không đổi cấp cho mẫu đảm bảo đủ điều kiện an toàn, thì th ế Hall của mẫu sẽ thay đổi khi từ trường ngoài tác dụng vào m ẫu thay dổi Phấn mém xử lý tín hiệu của

hệ đo làm nhiệm vụ vẽ đổ thị sự thay đổi thế Hall vào lừ trường và ghi nhận sỏ liệu thay đổi này vào file số liệu để lưu lại N hiệt độ của mẫu cũng được máy tính ghi lại ớ mỗi điểm lấy số liệu để làm bằng chứng cho sự ổn định nhiệt độ cua b lú) Il g mẫu

2.2.2. Phương pháp xử lý sô liệu thực nghiệm

Số liệu thu được từ thực nghiệm thông thường bao gồm ba thành phần: thành phần thứ nhất là th ế do dóng góp điện trở nội của mẫu và diện trử tiếp xúc lại các mũi

dò và mẫu làm cho dường cong th ế Hall bị dịch lên trên hay dịch xuống dưới so với diểm không, ihành phần ihứ hai do dỏng góp của ihế Mali ihông thường, cuối cùng là thành phần dóng góp của ihành phần thế Hall dị thường của mẫu Đường cong thè ỉ lall thay dổi theo lừ Irường của m ẫu thông thường thu dược như hình 8 a và hình 8 b

Các đường cong th ế Hall như trên hình 8 a và 8 b tương ứng với trường hợp cho dòng đ iện đi q u a m ẫu ngược nhau, hình 2.8 c là kết qua trung bình từ hai đường cong thế Hall phụ thuộc vào từ trường ở trường hợp a và b Kết quả này cho thấy: đường cong th ế H all phụ thuộc từ trường đối xứng qua gốc toạ độ, do dó đóng góp của thành phần điện trở nội tại của mẫu và điện trở tiếp xúc giữa mẫu và các mũi dò dã dược loại

bỏ trôn dường cong này Như vậy đường cong llic Hall Iren liình 8 c chi còn dóng L>t)|) của hai thành phần là lliìmh phấn điện Irở Ilall lliông Ihường và diện n ơ llall dị iliườn«’ của m ẫu [10J

Mình 8 Đường cong Ilie Hall thn dược ¡ừ thực nghiệm

(a) đường cong íliế Hall khi dòng điện di vào lừ mũi dò I , di ra ở mũi (lô 3

Ở đây: 1 là dòng điện cấp cho mẫu, d là bề dày của mẫu màng

Thành phần thứ nhất trong công thức trên là thành phần điện trở Hall thông thường, còn thành phàn thứ hai là diện trở Hall dị thường Như vậy ta thấy rằng thành phần điện trở Hall thông thường tỉ lệ tuyến tính với lừ trường ngoài, còn thành phần điện trở Hall dị thường tỉ lệ với từ độ của mẫu theo các cơ chế khác nhau Do dó ihành phẩn th ế H all Ihông thường trong hình 8 c tỉ lệ luyến tính với từ irường ngoài, nên thố Hall thông thường này sẽ tỉ lệ với từ trường ngoài theo công thức:

ĐA' HOC QUỐC GIA HÀ NÔI rr?UNG TẨM THÒNG TIN THƯ VIÊN