Tiểu luận hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (gmr) và hướng phát triển

Năm 1988, hai nhóm vật lý người Pháp Albert Fert và người Đức Peter Gruenberg phát hiện hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ Giant MagnetoResistance – GMR effects – là hiệu ứng gây ra sự thay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN 3

I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 3

1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR ) 3

1.1 - Hiệu ứng từ trở thường (Ordinary Magneto Resistance - OMR) 3

1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hướng ( Anisotropic Magnetoresistance - AMR) 3

2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers) 4

3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR ) 5

3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR 5

3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR 8

3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott 9

3.2.3 – Dựa trên cấu trúc vùng năng lượng và quá trình tán xạ s-d 14

II - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong màng mỏng đa lớp dị thể (Granular GMR) 18

1 – Cấu tạo màng đơn lớp dị thể 18

2 – Giải thích hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin trong mẫu hạt 19

3 – Cấu trúc nano dị thể 20

4 – Cấu trúc đơn domain 22

CHƯƠNG II - ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) 23

I – Các hướng nghiên cứu vật liệu mới 24

1.1 - Hợp chất perovskite chứa manganese có pha tạp nguyên tố đất hiếm .25

1.2 - Các vật liệu từ kiểu Heusler và bán Heusler 26

II – Hướng nghiên cứu về cấu trúc 26

2.1 - Màng mỏng van spin (spin valve) : 27

2.2 - Màng mỏng đơn lớp dị thể 32

Tài liệu tham khảo 33

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ thông tin dựa trên các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ Trong

đó, quá trình chuyển tải, thu nhận và xử lý thông tin được thực hiện nhờ việc sử

dụng thuộc tính điện tích của điện tử, đỉnh cao phát triển của điện tử truyền

thống (electronics) là tạo ra các linh kiện bán dẫn transistor, các mạch tích hợp

Trong khi việc lưu trữ thông tin được thực hiện nhờ thuộc tính spin của điện tử

trong các đĩa cứng và đĩa mềm chế tạo bằng vật liệu từ Như vậy, hai thuộc tính

quan trọng của điện tử là điện tích và spin đã được sử dụng một cách riêng lẻ

trong các linh kiện khác nhau

Năm 1988, hai nhóm vật lý người Pháp Albert Fert và người Đức Peter

Gruenberg phát hiện hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance

– GMR effects) – là hiệu ứng gây ra sự thay đổi mạnh của điện trở của vật liệu

theo chiều và cường độ của từ trường tác dụng lên cấu trúc màng mỏng từ đa

lớp sắt từ với lớp kim loại phi từ kẹp giữa; bản chất của hiệu ứng này là sự tán

xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn Việc phát hiện hiệu ứng GMR đã cho phép

con người có thể sử dụng đồng thời cả hai thuộc tính của điện tử dẫn là spin và

điện tích vào việc xử lý và truyền thông tin trên một linh kiện – điều mà những

linh kiện bán dẫn điện tử truyền thống trước đây không thể thực hiện được

Với việc phát hiện hiệu ứng GMR đã mở ra một hướng phát triển mới cho vật

lý và công nghệ nano, mở ra một nhánh mới của điện tử học – điện tử học spin

hay spintronics, và GMR cùng với TMR (hiệu ứng từ trở xuyên ngầm) là hai

trụ cột của spintronics Mục đích chính của spintronics là sử dụng spin của điện

tử để chuyển đổi (mã hóa), mang (truyền tải) và nhận biết (phát hiện) thông

tin/tín hiệu

Nhận thức được tầm quan trọng của GMR trong lĩnh vực spintronics đã

hướng em đến chọn lựa đề tài tiểu luận là :

“Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (GMR) và hướng phát triển ”

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN

I – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

1 - Hiệu ứng từ điện trở ( Magnetoresistance – MR )

Hiệu ứng từ điện trở (MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn khi nó

được đặt trong từ trường ngoài

Hiệu ứng MR lần đầu tiên được tìm thấy vào năm 1857 bởi Lord Kelvin

trên các mẫu hợp kim NiFe với sự thay đổi điện trở suất không quá 5% ở nhiệt

độ phòng Đó là hiệu ứng từ điện trở dị hướng

Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên sự thay đổi của

điện trở dưới tác dụng của từ trường ngoài

AP P P





Trong đó :  P, AP lần lượt là điện trở suất của vật dẫn khi không có từ

trường ngoài và có từ trường ngoài đặt vào

Tỉ số từ trở MR có thể âm hay dương

1.1 - Hiệu ứng từ trở thường (Ordinary Magneto Resistance -

OMR)

Hiệu ứng OMR quan sát thấy ờ các kim loại phi từ, thường là hiệu ứng

dương ( tức điện trở tăng theo từ trường tác dụng lên vật )

Trong những kim loại phi từ thì hiệu ứng MR xảy ra do lực Lorentz tác

dụng lên chuyển động của các điện tử Nói chung, hiệu ứng này rất nhỏ và có

giá trị âm

1.2 – Hiệu ứng từ điện trở dị hướng ( Anisotropic

Magnetoresistance - AMR)

Hiệu ứng AMR là hiệu ứng từ điện trở, mà trong đó sự thay đổi của điện

trở của vật dẫn từ dưới tác dụng của từ trường ngoài phụ thuộc vào góc giữa

vectơ từ độ và dòng điện

Đối với các hợp kim có từ tính, các kim loại sắt từ, ta có thể quan sát

với OMR Hiệu ứng AMR xảy ra do lực Lorentz tác dụng lên điện tử Về bản

chất, hiệu ứng AMR chính là sự phụ thuộc của điện trở suất vào góc  giữa

vectơ từ độ và chiều dòng điện, được thể hiện qua biểu thức sau :

2 cos

o AMR

     (1.2)

Ở nhiệt độ phòng, tỉ số AMR lớn nhất (khoảng 6%) đã được tìm thấy

trong hợp kim khối Ni Co 1 x x (với x = 0,2) Đối với hợp kim permalloy Ni Fe80 20,

tỉ số AMR khoảng 4% Tỉ số AMR giảm theo độ dày của màng và điều kiện

chế tạo, như với màng permalloy dày 30nm, tỉ số này thường vào khoảng 2,5%

[3]

2 – Màng đa lớp từ (Magnetic multilayers)

Cấu trúc cơ bản của màng đa lớp từ gồm lớp kim loại sắt từ A và lớp kim loại phi từ B xếp xen kẽ nhau Bề dày của mỗi lớp khoảng vài nano

mét và số lượng các lớp khoảng từ 3 đến 100 lớp

Hình 1.1 Cấu trúc một màng đa lớp từ với lớp sắt từ A có bề dày d và

lớp phi từ B có bề dày d’

Hai đặc điểm quan trọng của màng đa lớp từ là

- Sự định hướng của từ độ của các lớp từ được kiểm soát một cách dễ dàng bởi từ trường ngoài, bởi vì tương tác (coupling) giữa

từ độ của các lớp từ yếu do có lớp phi từ kẹp giữa chúng

- Bề dày mỗi lớp đủ mỏng để điện tử dẫn cảm nhận được sự thay đổi hướng của độ của các lớp từ

Nếu lớp phi từ là kim loại thì MR được gọi là MR khổng lồ (GMR) Nếu

lớp phi từ trong màng mỏng ba lớp là chất cách điện thì MR được gọi là MR

Có tiêu chí gì khi chọn vật liệu phi từ, sắt từ để tạo màng đa lớp không ?

Hay với những cặp kim loại sắt từ/phi từ nào sẽ thu được giá trị từ trở lớn ?

Câu trả lời là việc lựa chọn dựa trên hai yếu tố quan trọng : phù hợp mạng

(lattice matching) và phù hợp vùng (band matching) giữa kim loại sắt từ và phi

từ Như với màng mỏng Co có cấu trúc fcc với hằng số mạng là 3,56Ao

, chỉ nhỏ hơn 2% so với hằng số mạng 3,61Ao

của mạng fcc Cu Cả với trường hợp Fe/Cr đều có cấu trúc bcc và hằng số mạng lần lượt là 2,87Ao

với Fe, 2,88Aovới Cr Vì thế nên cũng không ngạc nhiên khi với màng đa lớp Co/Cu, Fe/Cr

người ta đã thu được giá trị GMR cao [6]

3 – Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetorisistance –GMR )

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là sự thay đổi lớn của điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài

3.1 –Đôi nét về hiệu ứng GMR

Hiệu ứng GMR được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1986 của nhóm của

nhà vật lý người Đức Peter Grünberg , nhóm này đã quan sát được sự thay đổi

của điện trở R R/ 1.5%của màng gồm ba lớp có cấu trúc

Fe(12nm)/Cr(1nm)/Fe(12nm) chế tạo bằng phương pháp MBE trên đế GaAs

Độc lập với nhóm của Peter Grünberg, vào năm 1988, nhóm của nhà vật lý

người Pháp Albert Fert đã quan sát được sự thay đổi 50% của điện trở của

màng đa lớp Fe30A o  /Cr 9A o 40(nghĩa là các lớp Fe, Cr có độ dày tương

ứng là 3nm, 0,9nm, hệ gồm 40 lớp kép) dưới tác dụng của từ trường ngoài ở

Magnetorisistance – GMR ) Gọi như vậy không phải chỉ bởi sự “khổng lồ” của

thay đổi điện trở mà còn bởi cơ chế hoàn toàn mới của hiện tượng này, cơ chế

tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử

Hình 1.2 Từ trở của siêu mạng ba lớp Fe/Cr ở nhiệt độ 4,2K Dòng điện

và từ trường ngoài có phương dọc theo phương tinh thể [110] trong mặt phẳng

TM t TNM t , với TM là kim loại có từ tính, điển hình như Fe, Co, Ni

và hợp kim của chúng, TNM là kim loại phi từ, như V, Cr, Mo, Ru, …, Ag,

Au, Cu…

A Fert và

.

đa lớp Hạn chế của phương pháp này là phức tạp, có giá thành cao, chỉ phù

hợp tốt với một phòng thí nghiệm nghiên cứu, không phù hợp cho cả một quá

trình công nghệ có quy mô lớn Vì thế để có thể ứng dụng GMR vào trong sản

xuất công nghiệp cần phải tìm ra một quy trình công nghệ đơn giản hơn, giá

thành phải chăng Vào năm 1990, nhóm của S Parkin đã chứng minh được

rằng GMR có thể được quan sát trong các màng đa lớp được lắng đọng bằng hệ

phún xạ dc magnetron – một phương pháp đơn giản và rẻ hơn MBE Họ đã thu

được những giá trị GMR tương tự từ những màng đa lớp Fe/Cr được chế tạo

bằng phương pháp MBE Hơn nữa, nhóm cũng phát hiện ra từ trở trong cấu

trúc siêu mạng Fe/Cr không giảm đơn điệu khi bề dày của lớp Cr tăng (như

được báo cáo trước đây) mà độ lớn từ trở dao động như một hàm của bế dày

lớp Cr Kết quả cũng thu được tương tự như với các màng Co/Cr, Co/Ru [5]

Như vậy, công nghệ chế tạo cũng có ảnh hưởng đến độ lớn của hiệu ứng

GMR Kết quả thực nghiệm cho biết, kỹ thuật phún xạ catot thường cho kết

quả tốt nhất [3]

Hình 1.3 Sự thay đổi của từ trở bão hòa (tại nhiệt độ 4,5K) theo bề dày

Mặc dù những giá trị cao nhất của GMR thu được với màng đa lớp từ -

phi từ, thì những màng này cũng không phải là vật liệu tốt nhất cho những ứng

dụng kỹ thuật Điều này là do cần có từ trường lớn để bão hòa từ độ của màng

đa lớp và để thu được sự thay đổi điện trở lớn

Các nghiên cứu sau này còn chỉ ra rằng, hiệu ứng GMR không chỉ xuất hiện trong các màng đa lớp mà còn xuất hiện trên các màng đơn lớp,

các băng hợp kim dị thể như CoCu, CoAg…Cụ thể, vào năm 1992, nhóm của

A.E Berkowitz phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể

(ganular) Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ

trở có thể đạt tới hơn 20% ở nhiệt độ 10K

mỏng dị thể Co – Cu Đường cong a, b được đo tại nhiệt độ 100K, đường cong

c thu được ở nhiệt độ 10K (Theo Berkowitz et al.) [6]

Sau đó, nhóm của J Q Xiao đã khảo sát hiệu ứng GMR đối với màng

đơn lớp dị thể Co – Cu và nhận thấy rằng giá trị của GMR giả đi khi nhiệt độ

tăng, cụ thể với màng Co Cu38 62 (trong điều kiện ủ nhiệt TA = 480oC) đo tại

nhiệt độ 5K và nhiệt độ phòng 300K thì kết quả thu được lần lượt là 13% và

8% Nhóm cũng nhận thấy rằng giá trị của GMR phụ thuộc vào nồng độ và

kích thước đám hạt từ [10]

Sau những khám phá về hiệu ứng GMR xuất hiện trong các hệ màng

mỏng từ đa lớp và hệ màng mỏng đơn lớp dị thể thì có rất nhiều nghiên cứu về

hiệu ứng này được tiến hành và lý thuyết về GMR cũng dần được hoàn thiện

3.2 – Một số mô hình dùng để giải thích cơ chế vật lý của hiệu ứng

GMR

Như đã đề cập ở trước, GMR có bản chất khác hẳn các hiệu ứng từ điện

trở đã được nghiên cứu trước đây bởi vì GMR là một hiệu ứng lượng tử Cơ

chế của hiệu ứng GMR là tán xạ phụ thuộc spin của điện tử

Hơn nữa để có hiệu ứng GMR thì khi chưa đặt từ trường ngoài vào

màng thì từ độ giữa các lớp từ phải đối song song với nhau và chiều dài quãng

đường tự do trung bình của các electron dẫn phải lớn hơn nhiều so với khoảng

cách giữa các lớp đệm phi từ sao cho electron có thể đi qua các lớp từ và tạo ra

- 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, gọi là tán xạ trên 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 GMR

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 (như các lớp sắt từ trong các màng đa

lớp, các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng

khác nhau về momen 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 vật rắn

Nói một cách chính xác hơn, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải

thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott Hai dòng điện ở đây là dòng của

các điện tử có spin thuận và dòng điện của các điện tử có spin nghịch

3.2.1 - Mô hình hai dòng điện của Mott

Mô hình này được Mott đề xuất vào năm 1935 để giải thích sự tăng đột

ngột điện trở suất của kim loại sắt từ khi nó được nung nóng trên nhiệt độ Curie

TC

Mô hình này có thể được mô tả một cách đơn giản như sau :

 Ở nhiệt độ đủ thấp T<TC , tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng

chuyển dời điện tử chiếm đa số (điện tử 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, nên tạo thành hai kênh dẫn tương ứng song song

 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

 Mô hình hai dòng này có thể được biểu diễn bằng mạch song song,

trong đó điện trở suất của hai loại hạt dẫn được kí hiệu là  và 

Hình 1.5 Mô hình hai kênh dẫn

Theo Mott, độ dẫn điện của kim loại bằng tổng độ dẫn điện tương ứng với điện tử có spin up và spin down :

  

Theo mô hình Drude :

2 2

6

F Drude

k e



Trong đó, Drude là độ dẫn điện Drude trên một spin;

/ 0.387.10

e    là lượng tử dẫn spin (spin conductance quantum);

F

k là momen động lượng Fermi;  là quãng đường tự do trung bình,

được tín bởi công thức v F. , với  là thời gian hồi phục, v F là vận

m là khối lượng hiệu dụng của điện tử, n là mật độ điện tử,

giá trị trung bình của thế tán xạ, mật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi

của spin tương ứng

Như vậy, nguồn gốc nội tại của sự phụ thuộc spin của điện trở suất là do

, ,

n m  đều phụ thuộc spin, trong đó quan trọng nhất là sự phụ thuộc spin của thời gian hồi phục, bởi vì nó ảnh hưởng đến tán xạ điện tử một

cách mạnh mẽ nhất Ngoài ra, thế tán xạ không phải là tính chất nội tại của kim

loại, nó phát sinh là do có các khuyết tật, tạp chất, hoặc dao động mạng Thế

tán xạ có thể phụ thuộc spin hoặc có thể không Đây là nguồn gốc bên ngoài

của sự phụ thuộc spin của điện trở suất

a – Giải thích hiệu ứng GMR

Với cấu trúc màng đa lớp, thì các lớp phản sắt từ hay phi từ đóng vai trò

ngăn cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho momen từ của các lớp sắt từ phải có sự

định hướng khác nhau sao cho có sự cân bằng về từ độ Sự tác động của từ

trường ngoài sẽ dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của momen 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 để từ đó GMR xuất hiện khi từ trường ngoài tăng đến giá trị

 Khi chuyển động trong các 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 định hướng spin của chúng

 Định hướng tương đối của các vectơ từ độ trong các lớp có thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài

Hình 1.6 Mô hình hai dòng điện của Mott dùng để giải thích hiệu ứng

GMR

b - Bản chất vật lý của hiệu ứng GMR

Giả thiết rằng, bề dày các lớp màng tương đương với quãng đường tự do

trung bình của các điện tử và mỗi điện tử khi đi từ lớp từ này đến lớp từ kế tiếp

theo sẽ mang một cấu hình spin nhất định (spin up hoặc spin down) và không

đổi cho đến khi bị tán xạ, tức tính bảo toàn spin được bảo đảm Các spin có

chiều song song với từ độ thì ít bị tán xạ hơn các spin có chiều phản song song

với từ độ

Khi chưa đặt mẫu trong từ trường ngoài (H = 0), ứng với cấu hình phản

song song (hình b), các lớp sắt từ sắp xếp theo kiểu phản song song, tất cả các

điện tử có spin up và down đều tán xạ mạnh trong lớp từ tính này và tán xạ yếu

trong lớp từ tính khác Trong cấu hình phản song song này, toàn bộ các điện tử

dẫn đều bị tán xạ như nhau, điều này làm cho hệ giống như một cái van (đối

với các spin) có tác dụng hạn chế dòng “chảy” của hai kênh điện tử Vì thế điện

trở suất ứng với mỗi kênh đều cao như nhau

Cấu hình này sẽ có điện suất tương đương :

Còn khi đặt mẫu trong từ trường ngoài, 0 H H S, với H Slà từ trường

bão hòa,và từ trường tăng dần thì từ trường ngoài sẽ dần dần sắp xếp từ độ của

các lớp theo chiều từ trường, điều này sẽ làm cho sự tán xạ của điện tử có spin

up trên kênh ứng với spin down giảm dần (do từ độ của kênh này đã chuyển

hướng song song với chiều spin) nên điện trở suất của hệ giảm dần từ giá trị

AP

 Cho đến khi H H S thì từ độ trong các lớp đều song song với nhau và

song song với spin up thì sự tán xạ của điện tử có spin up trong hệ là nhỏ nhất,

điện trở suất của hệ lúc này có giá trị cực tiểu bằng P

Với H H S, hệ sẽ ứng với cấu hình song song (hình a), từ độ của các

lớp sắt từ song song với nhau, các điện tử có spin up có quãng đường tự do

trung bình lớn trong toàn bộ mẫu Điều này có nghĩa là các điện tử này tải điện

dễ dàng do hầu như không bị tán xạ với các momen từ cùng chiều, vì thế có

điện trở suất nhỏ , tức có độ truyền qua cao Ngược lại, các điện tử có spin

down có quãng đường tự do trung bình ngắn hơn do bị tán xạ mạnh với các

momen từ ngược chiều nên điện trở suất lớn hơn Trong trường hợp này thì

hệ như một cái van mở thông cho kênh ứng với spin up truyền qua, hay có sự

đoản mạch đối với kênh spin up Khi đó, điện trở của hệ sẽ nhỏ hơn (nhỏ nhất)

so với trường hợp của cấu hình phản song song

Nếu độ dày của lớp đệm phi từ nhỏ hơn 1nm thì điện trở suất tương

đương với màng mỏng đa lớp có cấu hình song song là :

 là tham số bất đối xứng spin

Từ biểu thức (1.4) ta có thể thấy được giá trị của GMR phụ thuộc vào

sự bất đối xứng về điện trở suất  giữa hai kênh dẫn của lớp sắt từ Với tham

Khi nhiệt độ mẫu lớn hơn nhiệt độ Curie, thì quá trình trộn hai kênh dẫn

không thể bỏ qua và được đặc trưng bởi số hạng điện trở suất trộn-spin (spin –

mixing)  Điện trở suất khi đó được tính bởi công thức :

44

Quá trình trộn hai kênh spin được giải thích như sau : điện tử có spin up

(hoặc down) bị tán xạ vào trạng thái có spin down (hoặc up) bằng việc sinh ra

hoặc hủy một magnon Bản chất vật lý của hiện tượng trộn hai kênh spin là

tương tác spin – quỹ đạo (spin – orbital interaction) và có bản chất lượng tử

Như vậy ở nhiệt độ thấp (dưới nhiệt độ Curie), việc sinh ra magnon sẽ ít,

nên quá trình trộn lẫn hai kênh dẫn được bỏ qua

Ở nhiệt độ thấp,  ,  thì biểu thức (1.5) trở thành biểu thức

Cấu trúc vùng năng lượng của màng đa lớp gần như chắc chắn là đặc tính quan

trọng nhất để làm rõ tính dẫn điện phụ thuộc spin và hệ quả là gây ra GMR

Cấu trúc điện tử của kim loại chuyển tiếp và các kim loại sắt từ 3d được xét

chủ yếu các orbitan d và s Vị trí tương đối của mức Fermi E F với trạng thái

s và d phụ thuộc vào từng vật liệu Nguồn gốc từ tính trong các kim loại này

tương ứng là do các electron thuộc nhóm 3d và 4f Dưới đây, ta chủ yếu xét đến

từ tính của các nguyên tố thuộc nhóm 3d

Trong các nguyên tử tự do, các mức năng lượng nguyên tử 3d và 4s của

các nguyên tố chuyển tiếp 3d là “chỗ ở” (host) của các electron hóa trị Ở trạng

thái kim loại, các mức 3d và 4s này bị mở rộng ra thành vùng năng lượng

Trong đó, các quỹ đạo 4s bị mở rộng khá lớn trong không gian, dẫn đến sự

chồng phủ lên nhau giữa với quỹ đạo 4s của các nguyên tử lận cận, vì thế vùng

4s được trải rộng trong khoảng năng lượng 15 – 20 eV Ngược lại, quỹ đạo 3d

bị mở rộng ít hơn, vùng năng lượng 3d chỉ là một dải hẹp, với bề rộng khoảng

4 – 7 eV Thực tế, không thể phân biệt rõ ràng giữa quỹ đạo 3d và 4s bởi vì

chúng sẽ lai hóa lẫn nhau trong vật liệu rắn Tuy nhiên, để đơn giản, các

electron thuộc lớp 3d sẽ được coi là các electron kim loại – nghĩa là chúng linh

động và có thể mang dòng điện đi qua hệ mặc dù độ linh động của chúng còn

kém hơn nhiều so với các electron thuộc lớp 4s

Hình 1.7 Mô tả mật độ trạng thái của kim loại Cr, Fe, Co, Cu Các kí

hiệu : +, - lần lượt là trạng thái điện tử ứng với spin ,  Đường nét đứt là

mức năng lượng Fermi

Trong kim loại sắt từ 3d, giả sử rằng, các hạt tải điện chủ yếu là các điện

tử s (vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn) nên vùng s không bị tách, do

đó điện tử s có spin – up và spin – down là bằng nhau Với kim loại này thì có

sự tách vùng ở phân vùng d, mà vị trí tương đối của phân vùng ứng với điện tử

có spin – up thấp hơn phân vùng của các điện tử có spin – down Theo nguyên

tắc tối ưu về mặt năng lượng thì phân vùng năng lượng của điện tử có spin – up

bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn Do đó, các điện tử có spin – up gọi là

hạt tải đa số, còn điện tử có spin – down là hạt thiểu số Các điện tử đa số quyết

định chiều của từ độ và hiệu số của số lượng điện tử có spin – up và spin –

down quyết định độ lớn của từ độ

Ta có thể thấy được, với nguyên tố Co, dưới mức Fermi phân vùng 3d

với các spin – up bị lấp đầy hoàn toàn, còn phân vùng 3d với các spin – down

cắt mức Fermi, tức phân vùng này vẫn còn trống Còn đối với Fe, thì mật độ

trạng thái của các spin – up ở trên mức Fermi vẫn tồn tại nhưng nhỏ hơn nhiều

so với trạng thái spin – down

b Cơ chế tán xạ s – d

Cơ chế tán xạ s – d là tán xạ của các điện tử s trên các trạng thái d ở gần

mức Fermi Để hiệu ứng GMR xảy ra thì một điều kiện là chiều dày của các

lớp phải nhỏ hơn hoặc gần bằng với quãng đường tự do trung bình của các điện

tử