Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C mở đầu lý chọn đề tài Trong năm gần với phát triển khoa học công nghệ có nhiều loại vật liệu mới, với tính chất vật lý đặc biệt khám phá nghiên cứu mạnh mẽ vật liệu nói chung hệ vật liệu từ nói riêng Một hiệu ứng phát gần hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), hiệu ứng lần phát màng mỏng đa lớp, bao gồm lớp sắt từ xen kẽ với lớp không từ hệ hạt bao gồm hạt sắt từ nằm kim loại không từ Ngay sau đời, hiệu ứng GMR trở thành vấn đề nóng hổi lĩnh vực vật lý Đặc biệt gần đây, tác giả tìm hiệu ứng này, Albert Fert Peter Grunberg nhận giải thưởng Nô - Ben Vật lý năm 2007 Hiệu ứng GMR có thay đổi điện trở lớn (khoảng vài chục phần trăm) so với hiệu ứng từ điện trở thông thường (khoảng vài phần ngàn) có chất hoàn toàn mới, chế tán xạ phụ thuộc spin điện tử dẫn Ngay sau hiệu ứng GMR khám phá nhanh chóng đưa vào ứng dụng Chính hiệu ứng GMR trở thành chủ đề bật vật lý khoa học kỹ thuật vật liệu Về phương diện vật lý, hiệu ứng GMR có chế vật lý nhiều điều cần làm sáng tỏ Vật liệu có hiệu ứng GMR phát triển mạnh tiềm ứng dụng ngành công nghệ thông tin nhiều lĩnh vực điện tử đại Bởi lí chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Co lên tính chất từ hiệu ứng từ điện trở khổng lồ vật liệu Cu-Co chế tạo công nghệ nguội nhanh Đại học sư phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu hiệu ứng từ điện trở khổng lổ công nghệ chế tạo vật liệu từ điện trở gmr chế tạo phương pháp nguội nhanh 2.3 nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng nguyên tử Co tới tính chất từ hiệu ứng gmr nhiệm vụ nghiên cứu Tiến hành thí nghiệm, phân tích kết đưa kết luận Đối tượng nghiên cứu 1.1 Mẫu băng dạng hạt Co-Cu phương pháp nghiên cứu Phương pháp đọc sách đọc tài liệu Phương pháp thực nghiệm Đại học sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Chương Tổng quan từ điện trở khổng lồ 1.1 Quá trình nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 1.1.1 Sự phát hiệu ứng từ điện trở khổng lồ dạng màng đa lớp Hiện tượng từ điện trở (Magneto Resistance-MR) khám phá vào thập kỷ 80 kỷ XIX Lord Kelvin Hiện tượng MR tượng thay đổi điện trở vật dẫn bán dẫn tác dụng từ trường Sự thay đổi thường vào khoảng vài phần nghìn giải thích tác dụng từ trường làm điện tích thay đổi hướng chuyển động Vào năm 1988 nhóm nhà khoa học quan sát thay đổi 50% điện trở suất màng đa lớp tác dụng từ trường Do có thay đổi mạnh vậy, nên hiệu ứng gọi hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance-GMR) 1.1.2 Sự phát hiệu ứng từ điện trở khổng lồ hệ hạt Cho đến trước năm 1990 hiệu ứng GMR quan sát thấy hệ từ có cấu trúc đa lớp Trong giai đoạn thực nghiệm lý thuyết dựa cấu trúc kiểu vật liệu để nghiên cứu nhận thấy hiệu ứng GMR xuất màng mỏng đa lớp có liên kết kiểu phản sắt từ Từ nhà nghiên cứu đặt vấn đề làm để định hướng từ độ lớp sắt từ, từ cấu hình xếp theo kiểu phản sắt từ AM sang xếp theo kiểu sắt từ FM Nghiên cứu chế hiệu ứng GMR cho thấy nguyên nhân thay đổi điện trở vật liệu bị tác dụng từ trường trình tán xạ phụ thuộc spin xảy chủ yếu bề mặt phân cách lớp sắt từ lớp kim loại phi từ Đại học sư phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Trên sở nghiên cứu trước đó, vấn đề đặt tạo chế tán xạ phụ thuộc spin gây hiệu ứng GMR hệ từ có cấu trúc không phân lớp Từ người ta tìm cách chế tạo hệ hợp kim dạng hạt, hay gọi hợp kim dị thể, có cấu trúc gồm hạt sắt từ (Co, Fe, Ni) cô lập hợp kim chúng nằm phân tán kim loại phi từ (Cu, Au, Ag) hay hợp kim chúng Do có tách pha hai kim loại không hòa tan tỷ lệ hòa tan thấp nên có kim loại đóng vai trò làm có tỷ lệ lớn kim loại có xu kết tụ thành hạt nhỏ cô lập, phân tán kim loại Vào năm 1992 hiệu ứng GMR tìm thấy mẫu màng dạng hạt Co Cu với hạt sắt từ Co đơn đômen phân tán kim loại Cu, chế tạo phương pháp phún xạ hai nhóm nghiên cứu A E Berkowitz Trường đại học tổng hợp California, San Diego nhóm C.L Chien Trường đại học tổng hợp Johns Hopkins, Baltimor, Maryland Sau vật liệu từ có cấu trúc dạng hạt, có hiệu ứng GMR nghiên cứu chế tạo nhiều phương pháp khác Để đánh giá phụ thuộc điện trở vào từ trường vật liệu người ta sử dụng tỷ số GMR %: GMR% = R/R = {[R(H) R(0)]/R(0)}.100% (1.1) R(H) điện trở vật liệu có từ trường, R(0) điện trở vật liệu từ trường Trong vật liệu có cấu trúc dạng hạt, điện trở vật liệu thay đổi theo từ trường có quan hệ với cấu hình xếp từ độ hạt sắt từ Mỗi hạt sắt từ (đơn đômen) có từ độ Mi (i hạt sắt từ số thứ tự thứ i) nằm theo phương trục dễ hạt định hướng ngẫu nhiên theo phương pha kim loại phi từ Khi từ trường tác dụng, tất hạt từ định hướng ngẫu nhiên nên từ độ tổng cộng hệ M = Mi = Khi có từ trường ngoài, tác dụng từ trường mômen từ hạt sắt từ có xu Đại học sư phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C xoay theo chiều từ trường mẫu có từ độ tổng cộng M Khi tăng từ trường đủ mạnh, làm cho từ độ tất hạt từ xoay theo chiều từ trường ngoài, từ độ mẫu đạt giá trị bão hòa (M = MS) Vì hạt từ cần có kích thước đơn đômen (trình bày mục sau), để cho có trình quay mômen từ theo chiều từ trường Kích thước tới hạn phụ thuộc vào nồng độ chất kim loại từ kim loại phi từ Cơ chế gây hiệu ứng GMR vật liệu cấu trúc dạng hạt giải thích tương tự vật liệu dạng màng đa lớp Ta coi hạt sắt từ cạnh vật liệu cấu trúc dạng hạt hai lớp từ cạnh màng đa lớp kim loại phi từ bao quanh hạt từ vật liệu dạng hạt lớp kim loại phi từ xen kẽ lớp sắt từ màng đa lớp Khi chưa có từ trường ngoài, mômen từ hạt sắt từ cạnh định hướng ngược với nhau, toàn hệ, hai kênh spin bị tán xạ Trường hợp tương đương với trạng thái điện trở cao vật liệu Khi từ tăng dần, số lượng hạt có véc tơ từ độ chiều với từ trường tăng dần lên theo từ trường Một kênh spin bị tán xạ kênh lại bị tán xạ mạnh Khi từ trường đủ mạnh làm quay toàn tất mômen từ hạt sắt từ song song với nhau, kênh spin chiều với từ độ hệ hoàn toàn truyền qua, kênh hoàn toàn bị tán xạ, dẫn đến điện trở hệ giảm xuống thấp đạt tới bão hòa Từ độ tổng cộng hệ dạng hạt biểu diễn: M = Mi H/H = MScosi, H cường độ từ trường tác dụng lên mẫu, i góc trục dễ hạt sắt từ phương từ trường ngoài, ký hiệu phép lấy trung bình qua tất hạt sắt từ Giữa GMR từ độ tổng cộng M hệ dạng hạt có quan hệ sau: H M2 A MS Đại học sư phạm Hà Nội (1.2) Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Trong A biên độ GMR, điện trở suất biểu diễn biểu thức: = + ph(T) + m(T){1 f[(M/MS)2]} (1.3) Trong điện trở suất tạp chất sai hỏng, không phụ thuộc vào nhiệt độ số, ph(T) đóng góp dao động nhiệt (phonon) phụ thuộc vào nhiệt độ, m(T) đóng góp yếu tố từ tính, phụ thuộc vào nhiệt độ Từ (1.2) GMR thấy biên độ GMR là: A m T ph T m T (1.4) Như biên độ A biểu thị tỷ lệ thay đổi điện trở suất thành phần từ gây so với điện trở suất tổng cộng Một đặc điểm hiệu ứng GMR vật liệu cấu trúc dạng hạt khác với hệ đa lớp tính đẳng hướng ba cấu hình đo: cấu hình dọc, ngang, vuông góc Trong hệ đa lớp, đường GMR phụ thuộc vào từ trường gần khác ba cấu hình đo, đặc biệt thể cấu hình vuông góc lớp từ thường có tính dị hướng từ mặt phẳng lớp Trong trường hợp vật liệu có cấu trúc dạng hạt, hạt từ có kích thước nhỏ nhiều so với chiều dày màng mỏng, đồng thời có xu co lại dạng cầu (để giảm sức căng bề mặt) làm cho tính đẳng hướng từ màng mỏng dạng hạt chiếm ưu 1.2 Cấu trúc trạng thái từ vật liệu từ điện trở dạng hạt 1.2.1 Thành phần cấu tạo vật liệu GMR Để có hiệu ứng GMR vật liệu phải tồn hai thành phần chủ yếu: vật liệu phi từ Cu, Ag, Au, vật liệu từ Fe, Co, Trước hết ta không đơn giản xem dòng điện dòng điện tử mà cần phân biệt thêm có hai loại điện tử: điện tử spin hướng lên (spin up - spin) spin hướng xuống (spin down - spin) Vật dẫn phi từ Cu chẳng hạn, nguyên tử Cu có điện tử lấp đầy Đại học sư phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C đủ mức lượng từ ngoài: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 Rõ ràng lớp 3d lấp đầy đủ 10 điện tử chuyển sang 4s Nguyên tử Cu mômen từ, Cu vật liệu phi từ, số điện tử spin hướng lên số điện tử spin hướng xuống Nhưng vật liệu từ Ni chẳng hạn, Cu điện tử, điện tử chưa lấp đầy 3d chuyển sang lấp đầy 4s, cấu hình điện tử 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2 Kết nguyên tử Ni có mô men từ riêng, có trao đổi qua lại 3d 4s tạo lai hoá, số điện tử có spin hướng lên nhiều số điện tử có spin hướng xuống Mặt khác có tương tác đặc biệt hai lớp vật liệu từ (hạt từ) cách lớp phi từ (nền phi từ), gọi tương tác RKKY (Ruderman Kittel Kasuya Yosida) Đây tương tác trao đổi momen từ lớp (hạt) vật liệu thông qua điện tử dẫn lớp phi từ (nền phi từ) Tương tác tính toán có biên độ dao động theo bề dày lớp phi từ Đặc biệt bề dày thích hợp, tương tác làm cho hai lớp vật liệu từ (hạt từ) gần có véc tơ độ từ hoá ngược chiều (AntiFerromagnetic AF) Khi từ trường ngoài, tương tác RKKY vật liệu có kiểu xếp phản sắt từ, có từ trường đủ mạnh, vectơ độ từ hoá tất lớp từ (các hạt từ) vật liệu quay song song theo chiều từ trường ngoài, vật liệu có cách xếp sắt từ (FerroMagnetic FM) 1.2.2 Cấu trúc nanô vật liệu từ điện trở dạng hạt Vật liệu rắn có cấu trúc dạng hạt quan tâm nghiên cứu đưa vào ứng dụng đời sống, kỹ thuật từ lâu Ta gặp cấu trúc vật liệu rắn dạng hạt dạng vật liệu thông thường vật liệu bê tông, gồm hạt đá có kích thước cỡ cm hạt cát với kích thước cỡ m vật liệu xi măng Tùy theo yêu cầu kết cấu xây dựng mà người ta đưa thông số khác kích thước loại hạt đá hay cát Như nói kích thước hạt vật liệu dạng hạt quan trọng liên quan đến vấn đề tính vật liệu Đại học sư phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Nghiên cứu vật liệu nano dạng hạt, gồm hạt kim loại kim loại khác không hòa tan, chẳng hạn Co Cu thuật ngữ hạt liên quan đến hạt kim loại nhỏ rắn cỡ nano mét (103 - 106nguyên tử) Trong vật liệu cấu trúc nano dạng hạt, vấn đề then chốt định đến tính chất vật lý vật liệu thông qua yếu tố tỷ phần thể tích hạt xv (tỷ số thể tích hạt thể tích toàn khối vật liệu) kích thước hạt (2r) Vật liệu rắn kim loại dạng hạt chia thành loại; loại thứ gồm hạt kim loại vật liệu điện môi SiO2 Al2O3, vật liệu biết đến từ năm 1970; loại thứ hai gồm hạt kim loại từ kích thước nanô mét kim loại phi từ, đựợc quan tâm nghiên cứu năm gần đây, vật liệu GMR, ví dụ hệ Co Cu Trong vật liệu nano dạng hạt nói chung vật liệu từ dạng hạt nói riêng, hai yếu tố xv 2r thường cho nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất vật lý vật liệu, giá trị xv thay đổi từ đến Hình 1.6 cho thấy thay đổi cấu trúc vật liệu rắn dạng hạt với thay đổi xv Với vật liệu rắn kim loại dạng hạt, người ta đưa khái niệm tỷ phần thể tích phần vật liệu xen kẽ hạt từ (xp) Các hạt có hình dạng hình cầu, bán kính r thường phân bố cách ngẫu nhiên đồng vật liệu Số lượng hạt kim loại thể tích tính biểu thức sau: n xv 4r (1.5) Tỷ số diện tích bề mặt liên kết hạt thể tích vật liệu S: S xv r (1.6) Khoảng cách trung bình hạt d (tính từ tâm hạt đến tâm hạt kia): Đại học sư phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C 1/ 16 d xv r (1.7) Nếu ta giả thiết cho xv = 0,25 d = 4r; khoảng không gian trung bình hạt kích thước hạt Các đại lượng liên quan đến tính chất từ tỷ số GMR Nếu mà hạt phân bố cách ngẫu nhiên tỷ phần diện tích bề mặt kim loại (xa) coi tương tự tỷ phần thể tích (xv) Nó cho thấy: xa = xv (1.8) Đây thông số mà tính chất vật lý, tỷ số GMR vật liệu liên quan, thay đổi thông số dẫn đến thay đổi tỷ số GMR 1.2.3 Cấu trúc đơn đô men Trong hệ vật liệu từ dạng hạt với hạt từ tích đủ nhỏ, hạt từ có trục từ Khi từ trường hạt từ xếp cách ngẫu nhiên có lượng CV, với C tổng dị hướng từ đơn vị thể tích, V thể tích hạt từ Khi có từ trường khác không trục từ quay theo chiều từ trường Như từ độ mẫu (M) tổng từ độ hạt đơn đô men: M M H M S cos H (1.9) Với góc trục dễ hạt sắt từ phương từ trường ngoài, MS từ độ bão hòa, H từ trường ngoài, cos giá trị trung bình lấy toàn hạt sắt từ Khi đường cong từ trễ mẫu thể trình quay trục từ hạt đơn đô men kích thước điều khiển đô men bị thay đổi tác động từ trường Đại học sư phạm Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Hình 1.1: Đường cong từ trễ đo 5K vật liệu có cấu trúc dạng hạt Đường cong từ trễ vật liệu dạng hạt nhiệt độ thấp 5K (hình 1.1) Khi mẫu hóa với M = từ trường H = 0, trục từ hạt từ định hướng ngẫu nhiên, giá trị tổng dị hướng từ hạt từ Hướng mômen từ định hướng ngẫu nhiên trạng thái tĩnh nhiệt độ thấp Khi từ độ đạt đến giá trị bão hòa (M = MS) với từ trường đủ lớn, lúc tất mômen từ định hướng hướng theo chiều từ trường Nếu từ trường H giảm tới H = 0, giá trị từ dư M r = MS/2 nhiệt độ thấp 5K, trục từ quay phạm vi nửa bán cầu theo trục dị hướng hạt đơn đô men Cấu trúc đơn đô men vật liệu từ, có lực kháng từ (HC) hạt từ lớn vật liệu dạng khối đồng Theo nghiên cứu lý thuyết, hạt sắt từ đơn đô men có lực kháng từ 2K/MS = 600 Oe (K số dị Đại học sư phạm Hà Nội 10 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Chương thực nghiệm chế tạo mẫu 3.1 Công nghệ chế tạo vật liệu có cấu trúc hạt đa pha nanô thiết bị nguội nhanh đơn trục a Công nghệ nguội nhanh từ thể lỏng (hình 3.1) Hợp kim có thành phần thích hợp đặt vòi phun chịu nhiệt nung nóng chảy dòng điện cảm ứng cao tần Khi hợp kim chảy lỏng, áp suất khí thổi vào vòi phun làm cho hợp kim lỏng chảy lên mặt trụ đồng quay nhanh (trống đồng) Khi gặp trụ đồng, hợp kim lỏng dàn mỏng, nhanh chóng nhiệt, đông cứng tức thời văng dạng băng mỏng 20 - 30m Theo tính toán theo kết thực nghiệm, tốc độ nguội đạt 106K/s (1 triệu độ giây), tốc độ thẳng mặt trụ cỡ 30m/s Với tốc độ nguội vậy, trình kết tinh không kịp xảy Hợp kim đông cứng dạng phi tinh thể gọi kim loại thuỷ tinh hay hợp kim vô định hình (pha G) trạng thái kim loại, hợp kim b Công nghệ chế tạo hợp kim có cấu trúc dạng hạt có hiệu ứng từ trở GMR: Hợp kim có thành phần Me-3d (Me kim loại không từ Cu, Ag 3d kim loại sắt từ Fe, Co, Ni ) Hàm lượng nguyên tố 3d thường xung quanh 10% nguyên tử Trước hết hợp kim nấu luyện, sau sử dụng công nghệ nguội nhanh để chế tạo băng Me-3d Các băng hợp kim sau xử lý nhiệt để tạo pha cần thiết 3.2 Nấu phối liệu hợp kim Vật liệu từ điện trở GMR hệ hạt dạng băng mỏng chế tạo phương pháp nguội nhanh thiết bị làm nguội đơn trục Phòng thí nghiệm Vật liệu từ Vô định hình nano tinh thể thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đại học sư phạm Hà Nội 40 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Từ nguyên liệu ban đầu kim loại từ như: Co, Ni, Fe có độ 99,0 % kim loại phi từ như: Cu, có độ 99,9 % Hỗn hợp kim loại nấu nồi thạch anh lò cao tần môi trường không khí 3.3 Phun hợp kim nóng chảy tạo vật liệu dạng băng mỏng Hợp kim sau nấu phối liệu cho vào vòi phun làm nóng chảy cảm ứng dòng cao tần, sau phun mặt trống đồng có bề rộng w với vận tốc trống quay VR Hợp kim làm nguội nhờ trống đồng quay tạo thành băng mỏng Một số yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến chiều dày băng tính chất vật liệu: - Vận tốc quay trống đồng (VR) - áp suất khí Ar (Pe) - Khoảng cách từ miệng vòi phun đến mặt trống đồng (i) - Góc nghiêng vòi phun theo phương thẳng đứng ( ) Các bước chi tiết chế tạo mẫu hợp kim dạng băng mỏng: - Bước 1: Kim loại Cu dạng hạt nhỏ, độ 99,9 %, Co Fe dạng mẩu nhỏ cỡ - mm, độ 99,0 % cân theo khối lượng xác định cân điện tử (độ xác 0,0001gam) - Bước 2: Hỗn hợp kim loại ban đầu trộn nấu phối trộn nồi nấu thạch anh dòng cảm ứng cao tần - Bước 3: Hỗn hợp hợp kim sau nấu phối trộn có dạng khối rắn, cắt thành mẩu nhỏ - Bước 4: Các mẩu hợp kim nhỏ đưa vào vòi phun thạch anh với đường kính vòi phun 20 mm, chiều dài 250 mm, miệng vòi phun (0,5 mm x mm) - Bước 5: Làm trống đồng làm nguội giấy giáp mịn giấy Đại học sư phạm Hà Nội 41 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C - Bước 6: Lắp vòi phun vào gá đỡ, cho vòi phun nghiêng với phương thẳng đứng góc = - 2o, miệng vòi phun cách bề mặt trống làm nguội cỡ 0,3 mm - Bước 7: Nạp khí Ar vào bình khí với áp suất định Điều chỉnh tốc độ quay trống đồng làm nguội, mở hệ thống nước làm mát vòng dây cảm ứng - Bước 8: Mở máy phát cao tần cho dòng cảm ứng cao tần chạy quanh vòi phun, làm nóng chảy hợp kim vòi phun thạch anh Khi hợp kim nóng chảy, tiến hành mở van khí Ar phun hợp kim lên bề mặt trống đồng quay, hợp kim nóng chảy giàn mỏng bề mặt trống đồng văng duới dạng băng mỏng liên tục - Bước 9: Thu gom sản phẩm, đóng gói mẫu (băng vật liệu) Vòi phun Hệ thống khí đẩy Vòng cảm ứng Động Máy phát cao tần Băng vô định hình Bàn Điều khiển Trống thu nhiệt ảnh thiết bị nguội nhanh đơn trục Hình 3.1: ảnh thiết bị nguội nhanh đơn trục 3.4 Kỹ thuật gia công mẫu Các mẫu chế tạo thường dạng băng mỏng có bề rộng từ 5mm đến 10 mm, dầy từ 20 m 35 m với độ dài khác nhau, lên tới vài chục mét tuỳ lượng hợp kim chuẩn bị ban đầu Vì để có mẫu phù hợp với yêu cầu nghiên cứu cấu trúc xác định điện trở, từ băng mỏng phải gia Đại học sư phạm Hà Nội 42 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C công, cắt, làm cẩn thẩn Sau mẫu gia công, đem ủ nhiệt với nhiệt độ thời gian ủ khác 3.5 Xử lý nhiệt kết tinh lò ủ nhiệt Mẫu sau chế tạo xử lý nhiệt kết tinh, làm thay đổi hạt từ phi từ lò ủ Phòng thí nghiệm Vật liệu từ Vô định hình nano tinh thể thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Lò ủ nhiệt chế tạo, có chế độ điều chỉnh nhiệt tự động, sai số không 20C, với dải nhiệt độ từ 100oC 800oC (hình 3.2) VM DT V.P Hình 3.2: Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không Đồng hồ đo nhiệt phận điều khiển Thiết bị kiểm tra độ chân không Cặp nhiệt Thuyền đặt mẫu Thân lò thạch anh Dây may so cấp nhiệt Bơm hút chân không Nhiệt kế thuỷ ngân có dải đo từ 0oC đến 600oC Đại học sư phạm Hà Nội 43 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Lò bật đặt nhiệt độ nhiệt độ ổn định vòng khoảng 60 phút Sau nhiệt độ lò ổn định, mẫu đặt ống thạch anh chân không đưa vào lò Các điều kiện nhiệt độ thời gian xử lý nhiệt mẫu Đại học sư phạm Hà Nội 44 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Chương nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Co lên cấu trúc, tính chất từ hiệu ứng gmr 4.1 ảnh hưởng hàm lượng Co lên cấu trúc, tính chất từ Như ta biết hợp kim hệ hạt, đa pha khác biệt từ học, tỷ số GMR phụ thuộc mạnh vào cấu trúc vi mô chúng, cụ thể phụ thuộc vào số lượng pha sắt từ (trong trường hợp Co), kích thước khoảng cách hạt Co Cu Vì việc thay đổi hàm lượng Co hợp kim Co Cu chắn làm thay đổi cấu trúc vi mô chúng dẫn tới thay đổi tính chất từ tỷ số GMR Ngoài ra, cấu trúc vi mô hợp kim hệ hạt Co Cu chế tạo phương pháp nguội nhanh khác xa với hợp kim thành phần chế tạo phương pháp luyện kim thông thường Vì cấu trúc vi mô hợp kim nguội nhanh phụ thuộc mạnh vào chế độ xử lý nhiệt (nhiệt độ thời gian ủ) Như vậy, tính chất từ tỷ số GMR đồng thời phụ thuộc vào thành phần hợp kim (hàm lượng Co) vào chế độ xử lý nhiệt Trong mục nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hợp kim lên tỷ số GMR Để nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Co lên cấu trúc, tính chất từ tỷ số GMR hệ Co Cu, hệ gồm mẫu CoXCu100 X (x = 6, 8, 10, 14, 20, 25, 30) chế tạo Để loại trừ ảnh hưởng tác nhân khác, mẫu xử lý nhiệt chế độ (450 oC, 60 phút chân không) Sự thay đổi cấu trúc vi mô mẫu thay đổi hàm lượng Co quan sát hệ giản đồ nhiễu xạ tia X (hình 4.1) Đối với mẫu có thành phần Co khác nhau, đỉnh nhiễu xạ Cu xuất rõ tất mẫu nghiên cứu Ngược lại đỉnh nhiễu xạ Co quan sát mẫu có Đại học sư phạm Hà Nội 45 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C hàm lượng Co lớn (Co20Cu80, Co25Cu75 Co30Cu70) Đối với mẫu chứa Co (6 8% nguyên tử) không quan sát thấy đỉnh pha Co Điều giải thích do; số lượng hạt Co hạt Co nhỏ, làm nhoè vạch nhiễu xạ Cu (111) Cường độ (đ.V.t.y) Co6Cu94 Co8Cu92 Co10Cu90 Co14Cu86 Co20Cu80 Co25Cu75 Co 40 Co30Cu70 45 o 2( ) 50 55 Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu CoXCu100 X, x = 6, 8, 10, 14, 20, 25, 30 ủ nhiệt độ 450 oC 60 phút Đại học sư phạm Hà Nội 46 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C b/ E dN(E)/dE a/ 200nm m Co Co C Cu Cu Co Cu Cu 200 400 600 800 1000 1200 Kinetic Energy KE/eV C/ E dN(E)/dE d/ C Co Co Cu Cu Cu Co 500n m Cu 200 400 600 800 Kinetic Energy, KE /eV 1000 Hình 4.2: ảnh SEM (a/, c/) phổ Auger (b/, d/) mẫu Co10Cu90 Co30Cu70 sau ủ 450oC với 60 phút Ngoài phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X, kiểm tra thành phần Co mẫu phổ Auger (xem hình 4.2a), kết cho thấy hai nguyên tố Co, Cu xuất mẫu Tuy nhiên, với mẫu Co30Cu70 hàm lượng Co cao cường độ phổ Co mạnh so với Co10Cu90 (so sánh hình 4.2 b/, d/) Ngoài ta thấy xuất vạch C giản đồ Auger chuẩn bị mẫu bị lẫn tạp từ dụng cụ Các mẫu xử lý nhiệt chế độ nhiệt (450oC thời gian 60 phút) Các phép đo từ thực nhiệt độ phòng với từ trường lên tới 1,3 T (xem hình 4.3) Hình dạng đường cong từ trễ cho thấy: từ độ bão hoà Ms, từ dư Mr lực kháng từ Hc tăng hàm lượng Co tăng (xem hình 4.3 Đại học sư phạm Hà Nội 47 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C bảng 4.3) Đối với mẫu có hàm lượng Co thấp (x = 14) không quan sát thấy tượng bão hoà từ (ngay từ trường lên đến 1,3 T), đồng thời lực kháng từ Hc nhỏ (xem hình 4.3 bảng 4.1) Mặt khác, kết khảo sát cho thấy từ độ bão hoà Ms, từ dư Mr lực kháng từ Hc tăng kích thước hạt từ tăng Điều chứng tỏ hàm lượng Co tăng, tính sắt từ mẫu tăng (dễ quan sát tính bão hoà từ lực kháng từ) a/ Co6Cu94 b/ Co8Cu92 c/ Co10Cu90 d/ Co14Cu96 e/ Co20Cu80 g/ Co25Cu75 h/ Co30Cu70 40 30 20 M (emu/g) 10 h g e d b a c -10 o Ta=450 C, 60 phut -20 -30 -40 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H (T) Hình 4.3: Đường cong từ trễ mẫu có hàm lượng Co khác (CoXCu100 X) Như tính sắt từ tăng hàm lượng pha sắt từ tăng kích thước hạt sắt từ (Co) tăng Trên hình 4.4 bảng 4.1 trình bày phụ thuộc lực kháng từ Hc, độ từ dư Mr, từ độ bão hoà Ms vào hàm lượng % nguyên tử Co Như mặt định tính rút nhận xét sau: Khi hàm lượng Co thấp (6 - 8%) tính thuận từ mẫu thể trội (khó bão hoà từ, Hc nhỏ) Đại học sư phạm Hà Nội 48 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Khi tăng hàm lượng Co (20 30%) tính sắt từ mẫu thể trội (dễ bão hoà từ, Hc tăng) 300 a/ HC(Oe) 250 CoxCu100-x 200 150 100 50 10 15 20 25 30 Hàm lượng Co(% nguyên tử) Hình 4.4: 14 12 b/ a/ Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào hàm lượng % nguyên tử Co 10 Mr(emu/g) CoxCu100-x b/ Sự phụ thuộc từ dư Mr vào hàm lượng % nguyên tử Co c/ Sự phụ thuộc từ độ bão hoà Ms vào hàm lượng % nguyên tử Co 10 15 20 25 30 Hàm lượng Co(%nguyên tử) 40 35 C/ Co xCu100-x 30 Ms(emu/g) 25 20 15 10 5 10 15 20 25 30 Hàm lượng Co (% nguyên tử) Đại học sư phạm Hà Nội 49 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C 4.2 ảnh hưởng hàm lượng Co lên tỷ số gmr GMR (%) -1 -2 10 14 20 25 30 -3 -4 -5 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 H (T) Hình 4.5: Tỷ số GMR mẫu có hàm lượng % nguyên tử Co khác CoXCu100 X với x = 6, 8, 10, 14, 20, 25, 30 ủ chân không 450 oC, 60 phút Sau nghiên cứu cấu trúc tính chất từ mẫu phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tử Co, tiến hành khảo sát phụ thuộc tỷ số GMR vào hàm lượng % nguyên tử Co có mẫu Để đánh giá tỷ số GMR cho mẫu nghiên cứu, sử dụng công thức sau: GMR (%) R ( H ) R(0) 100% R(0) (4.1) Với R(0) điện trở đo từ trường ngoài, R(H) điện trở đo từ trường tác dụng lên mẫu thay đổi từ đến 1,3 T Tỷ số GMR mẫu chứa hàm lượng nguyên tử Co khác (với x = 6, 8, 10, 14, 20, 25 30), đo trình bày hình 4.5 (các mẫu Đại học sư phạm Hà Nội 50 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C xử lý nhiệt chế độ) Có thể dễ ràng nhận thấy rằng, tỷ số GMR nhỏ mẫu giàu Co (20%, 25% 30% nguyên tử) tính sắt từ trội Đối với mẫu Co (8% - 10%), mẫu thể tính siêu thuận từ mạnh, tỷ số GMR lớn (cỡ 5%) Tuy nhiên hàm lượng Co (6%) tỷ số nhỏ Cox Cu(100-x) GMR (%) 10 15 20 25 30 Hàm lượng Co (at.%) Hình 4.6: Sự phụ thuộc tỷ số GMR vào hàm lượng phần trăm nguyên tử Co Ta giải thích phụ tỷ số GMR vào hàm lượng % nguyên tử Co mẫu, sau: hiệu ứng GMR có chế tán xạ spin điện tử dẫn, mà chế lại phụ thuộc vào kích thước trung bình hạt pha sắt từ (Co), khoảng cách hạt sắt từ, tỷ số SM/VM (tỷ số diện tích bề mặt tán xạ/thể tích hạt từ) tính chất siêu thuận từ mẫu Nếu khoảng cách hạt từ lớn quãng đường tự trung bình điện tử, điện tử bị lật spin miền phi từ trước tán xạ hạt từ Nói cách khác, spin bị trạng thái cấu hình spin ban đầu nó, làm giảm không xuất hiệu ứng GMR Đại học sư phạm Hà Nội 51 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Bảng 4.1: Tính chất từ tỷ số GMR mẫu (CoXCu100 X) x Hc (Oe) Mr(emu/g) Ms(emu/g) GMR(%) 90,0010 91,2310 0,0712 0,2720 2,6469 6,0303 1,1425 4,4112 10 121,2121 0,6875 8,2177 5,2602 14 151,5150 2,0227 12,4124 4,4602 20 143,9391 3,6072 21,4148 1,7465 25 159,0903 5,2360 26,5941 1,3521 30 295,4500 12,6801 36,6602 0,6543 Do đó, tỷ lệ thành phần Co mẫu nhỏ (6 % nguyên tử), tỷ số SM/VM lớn mẫu thể tính siêu thuận từ mạnh (xem hình 4.3, 4.4 bảng 4.1), mật độ hạt Co thấp dẫn đến khoảng cách trung bình hạt lớn quãng đường tự trung bình, tỷ số GMR có giá trị nhỏ Khi hàm lượng Co 10 %, lúc kích thước hạt Co đạt tối ưu khoảng cách trung bình hạt Co không lớn (do mật độ hạt Co tăng, cấu trúc vi mô coi tối ưu, tỷ số GMR đạt giá trị lớn (~5,2%) Nhưng tiếp tục tăng hàm lượng Co (14%, 20%, 25% 30%), tỷ số GMR giảm Điều giải thích hàm lượng Co tăng làm cho kích thước hạt Co tăng, dẫn tới tính sắt từ tăng tỷ số SM/VM giảm, đó, tỷ số GMR giảm Như vậy, nhận xét rằng, tỷ số GMR đạt giá trị lớn (~5,2 %) với mẫu chứa Co (10 % nguyên tử) Trong trường hợp mẫu thể tính siêu thuận từ mạnh điều kiện yếu tố ảnh hưởng tới tỷ số GMR trình bày tốt Đại học sư phạm Hà Nội 52 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Kết luận chung Với đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng Co lên tính chất từ hiệu ứng từ điện trở khổng lồ vật liệu Cu Co chế tạo công nghệ nguội nhanh, luận văn em giải vấn đề sau: Bước đầu nghiên cứu cấu trúc, tính chất ứng dụng hiệu ứng GMR Qua trình tìm hiểu em nắm công nghệ chế tạo vật liệu từ công nghệ nguội nhanh, phương pháp đo từ điện trở, cách xử lý mẫu Đã khảo sát ảnh hưởng hàm lượng từ Co lên tính chất từ hiệu ứng từ điện trở mẫu Tính siêu thuận từ mẫu giảm, đồng thời tính chất sắt từ tăng hàm lượng Co tăng Tỷ số GMR đạt giá trị lớn cỡ 5,2 % với mẫu Co10Cu90, hàm lượng Co lớn 10 % nguyên tử, tỷ số GMR giảm Khóa luận em thực mục đích nhiệm vụ đề Tuy nhiên, thời gian có hạn bước đầu làm quen với nghiên cứu khoa học nên khó tránh khỏi thiếu xót Em mong nghận đóng góp quý báu thầy cô bạn để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Đại học sư phạm Hà Nội 53 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C Tài liệu tham khảo Bùi Xuân Chiến (2008), Nghiên cứu vật liệu từ cấu trúc nanô dạng hạt có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) chế tạo công nghệ nguội nhanh Luận án Tiến sỹ vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Vũ Đình Cự (1996), Từ học, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà nội Mai Xuân Dương (2000), Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ số vật liệu từ vô định hình nanômét, Luận án Tiến sĩ vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Anh Tuấn (2001), Từ điện trở khổng lồ (GMR) màng mỏng (dạng hạt dạng lớp) Luận án Tiến sỹ vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Đại học sư phạm Hà Nội 54 [...]... các 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 được đặt trong từ trường ngoài, hiệu ứng từ điện trở MR có thể có giá trị dương hoặc âm, tùy thuộc vào điện trở của vật dẫn tăng hay giảm khi có tác động của từ trường ngoài Với các vật dẫn khác nhau, hiệu ứng MR còn phụ thuộc vào chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn và chiều... hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR effect) 1.1 Hiệu ứng từ điện trở 1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance) Hiệu ứng từ điện trở thường quan sát thấy ở các kim loại và theo nguyên tắc, tồn tại ở mọi kim loại và thường là hiệu ứng dương (điện trở tăng theo từ trường tác dụng lên mẫu) Hiệu ứng này được giải thích như sau: Dưới tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của. .. lớp từ không còn là đơn đô men, tương tác của điện tử dẫn với các mô men 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 1.2.4 Trạng thái siêu thuận từ Vật liệu từ được chia làm 3 loại: Vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ, và vật liệu sắt từ, dựa trên cấu trúc vi mô của vật liệu Vật liệu nghịch từ. .. đổi điện trở suất trên các vật liệu khác nhau cũng khác nhau (hình 1.10) Đối với các kim loại phi từ thông thường thể hiện hiệu ứng từ điện trở, gọi là hiệu ứng từ điện trở thường (OMR), hiệu ứng này xuất hiện là do tương tác của điện tử dẫn với từ trường ngoài, sự thay đổi từ điện trở trong các kim thường là rất nhỏ, cỡ vài phần nghìn Đối với các kim loại và hợp kim sắt từ, sự xuất hiện hiệu ứng từ điện. .. định tính chất lý, hoá của vật liệu, bởi vì tính linh động của chúng cao hơn của các điện tử ở lớp trong Trong phạm vi 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 Sau đây ta sẽ khảo sát sự phân bố mật độ trạng thái của. .. điện trở khổng lồ và các hiệu ứng MR của các hợp kim này được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 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... AMR trong các kim loại sắt từ c/: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồGMR trong màng đa lớp d/: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR trong hợp kim cấu trúc dạng hạt Đại học sư phạm Hà Nội 2 29 Khóa luận tốt nghiệp Lù Đức Hoàng -K32C MR a/ NM FM 0 MR b/ Co Cu Co FeMn Ag c/ Co Cu MR 0 0 d/ H H H MR FeNi Ag e/ Ag FeNi Co 0 MR H 0 Từ trường H Hình 1.11: Các dạng vi cấu trúc (trái) và hiệu ứng GMR (phải) của các vật. .. liệu nghịch từ là loại vật liệu không có mô men từ nguyên tử (mô men từ nguyên tử bằng 0) Hai loại vật liệu từ còn lại có mô men 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 mô men từ nguyên tử sắp xếp hỗn loạn; còn trong vật liệu sắt từ có tồn tại trật tự từ Trong vật liệu thuận từ, các nguyên tử có mô men từ khác không, nhưng... -K32C hướng từ tinh thể), trong khi đó đối với mẫu khối là 10 Oe [26] 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 đô men thể hiện lực kháng từ HC lớn, hằng số dị hướng K lớn, và sự phụ thuộc của 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... các vật liệu hệ màng đa lớp, màng mỏng dạng hạt bao gồm các hạt từ 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 (xem hình 1.11), tỷ số MR của các vật liệu này thường lớn so với MR của các kim loại và hợp kim sắt từ, và vì vậy được gọi là từ điện trở khổng lồ GMR, các vật liệu có cơ chế tán xạ tương tự hợp kim này đều gọi là vật liệu từ điện trở ... đích nghiên cứu Tìm hiểu hiệu ứng từ điện trở khổng lổ công nghệ chế tạo vật liệu từ điện trở gmr chế tạo phương pháp nguội nhanh 2.3 nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng nguyên tử Co tới tính chất từ. .. sắt từ, gọi từ điện trở khổng lồ GMR, vật liệu có chế tán xạ tương tự hợp kim gọi vật liệu từ điện trở khổng lồ hiệu ứng MR hợp kim gọi hiệu ứng từ điện trở khổng lồ Cơ chế thay đổi điện trở (điện. .. khác loại hiệu ứng từ điện trở đo cấu hình đo khác a/: Hiệu ứng từ điện trở thường OMR kim loại từ tính b/: Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR kim loại sắt từ c/: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồGMR