Mẫu Co10Cu90 được chọn khảo sát hiệu ứng GMR bằng cách đo sự thay đổi điện trở của mẫu theo phương pháp đo điện cực bốn mũi dò, trong từ trường thay đổi từ 0 đến 1,3T. Giá trị điện trở của mẩu được tính từ tín hiệu điện áp thay đổi trên hai cực U = I.R; U là giá trị điện áp, I là cường độ dòng điện một chiều DC không đổi qua mẫu, R là giá trị điện trở của mẫu. Từ đó ta có giá trị điện trở R của mẫu R = U/I. Khi từ trường ngoài tác động vào mẫu làm cho momen từ của các hạt sắt từ xoay theo chiều của từ trường ngoài, theo cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử dẫn, điện trở của mẫu thay đổi, kết quả là giá trị điện áp ra thay đổi theo từ trường ngoài. Để đánh giá sự thay đổi điện trở của mẫu theo từ trường ngoài ta dùng công thức tỷ số GMR (%):
% ) 100
0 (
) 0 ( )
% ( ) 100
0 (
) 0 ( ) (%) (
R R H R U
U H
GMR U
(3.2.1)
Với U(0) là điện áp đo được trên hai cực khi từ trường ngoài tác dụng lên mẫu bằng không, U(H) là điện áp đo khi từ trường ngoài tác dụng lên mẫu đạt giá trị lớn nhất (1,3 T), và tương ứng R(0) là điện trở của mẫu đo khi từ trường ngoài tác dụng lên mẫu bằng không, R(H) là điện trở đo khi từ trường ngoài tác dụng lên mẫu đạt giá trị lớn nhất 1,3 T.
Hình 3.2 là đồ thị ghi điện áp ra của điện cực trên hai mũi dò nối với mẫu thay đổi khi từ trường ngoài thay đổi; ở đây ban đầu đo ở từ trường ngoài từ -1,3 T (dấu trừ để phân biệt với từ trường ngược lại), từ trường này giảm dần về 0, rồi sau đó tăng lên 1,3 T, và tiến hành đo theo chiều ngược lại từ 1,3 T về 0, rồi -1,3 T.
Từ kết quả đo sự thay đổi điện áp theo từ trường ngoài, sao đó áp dụng công thức trên ta tính được tỷ số GMR (xem hình 3.2) với hai đường đo đi và đo về từ -1,3T qua 0 và về 1,3 T và ngược lại, kết quả cho thấy đường đo đi và đường đo về gần như trùng khít nhau với đường tỷ số GMR phụ thuộc vào từ
trường cũng như đường điện áp phụ thuộc vào từ trường (xem hình 3.2 và 3.3), hai đỉnh đường đo đi và đường đo về gần như trùng nhau, điều này phù hợp với kết quả phép đo đường cong từ trễ với lực kháng từ nhỏ, giá trị -Hc và Hc gần nhau (xem hình 3.6). Điều đó cho thấy mẫu thể hiện tính đẳng hướng của hiệu ứng GMR trong vật liệu cấu trúc hệ hạt là do các hạt có kích thước cỡ nanomet, nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hình học của mẫu, các hạt có xu thế co lại thành hình cầu, khác với mẫu màng mỏng, các hạt dẹt theo phương mặt màng mỏng tạo nên tính dị hướng cho hạt và cho cả hệ.
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 0,097
0,098 0,099 0,100 0,101 0,102 0,103
U (mV)
Từ tr- ờng ngoài, H (T)
Co10Cu90
Hình 3.2: Điện áp đo trên 2 cực ra của 4 mũi dò thay đổi theo từ trường ngoài
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 -6
-5 -4 -3 -2 -1 0
GMR (%)
Từ tr- ờng ngoài, H (T)
Hình 3.3: tỷ số GMR phụ thuộc vào từ trường ngoài của mẫu Co10Cu90 sau khi ủ ở 4500C, 60 phút.
3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỷ số GMR của hệ Cu – Co Tính chất của vật liệu từ nói chung và tính chất của vật liệu từ điện trở nói riêng phụ thuộc nhiều vào quá trình ủ nhiệt kết tinh. Trong quá trình ủ nhiệt làm thay đổi kích thước hình học của các hạt từ. Đặc biệt với vật liệu từ có cấu trúc dạng hạt có tính siêu thuận từ, nếu quá trình ủ nhiệt thích hợp sẽ làm tăng quá trình tách pha.
Các nguyên tử từ (Co) tụ lại thành các hạt từ trong nền vật liệu phi từ dẫn đến một số hạt từ và khoảng cách giữa chúng đạt được kích thước tối ưu, do đó tỉ số GMR tăng (xem hình 3.4 và 3.5). Tuy nhiên nếu nhiệt độ ủ tiếp tục tăng, dưới tác dụng của nhiệt đô làm khuếch tán các nguyên tử của các hạt từ (Co) trong nền phi từ (Cu) làm cho kích thước của các hạt từ tăng lớn hơn kích thước tới hạn của các hạt đơn domain, đồng thời làm giảm khoảng cách giữa chúng dẫn tới tỉ số GMR giảm.
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -5
-4 -3 -2 -1 0
GMR (%)
H (T) As-spun
450 oC, 60 min
Hình 3.4: Tỷ số GMR của mẫu Co10Cu90 trước và sau khi ử nhiệt ở 4500C, 60 phút
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -5
-4 -3 -2 -1 0
GMR(%)
H(T) 450 oC, 30 min 500 oC, 30 min 550 oC, 30 min
Hình 3.5: Tỷ số GMR của mẫu Co10Cu90 ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 30 phút
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
-15 -10 -5 0 5 10 15
Co10Cu90
c b a
M(emu/g)
H(T)
a/ As-spun
b/Annealed at 450oC, 60 mins c/Annealed at 550oC, 45 mins
Hình 3.6: Đường cong từ trễ của 3 mẫu Co10Cu90 [1]
a. Chưa xử lí nhiệt b. ủ ở 4500C, 60 phút c. ủ ở 5500C, 60 phút
Việc thay đổi nhiệt độ và thời gian ủ làm cho tính chất từ của mẫu cũng thay đổi. Khi nhiệt độ tăng, kích thước của hạt từ cũng tăng, đồng thời làm tăng tính sắt từ của mẫu (xem hình 3.6).
Nghiên cứu trên cùng một vật liệu với nhiệt độ và thời gian ủ thay đổi thì tỷ số GMR cũng biến thiên. Tuy nhiên tỷ số GMR sẽ đạt giá trị tối ưu ở một giá trị nào đó của nhiệt độ hoặc thời gian, với các điều kiện này đủ để kích thước và khoảng cách giữa các hạt từ phát triển đạt giá trị tối ưu thỏa mãn tương tác trao đổi RKKY, và nếu ta tiếp tục thay đổi các giá trị này thì tỷ số GMR sẽ giảm.
Bởi vì với các điều kiện nhiệt độ đó chưa đủ để kích thước các hạt phát triển đạt giá trị tối ưu hoặc lớn hơn giá trị tối ưu, và điều kiện kích thước đó đã ảnh hưởng tới tỷ số GMR.
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 1
2 3 4 5 6
GMR (%)
Ta(oC)
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của tỷ số GMR vào nhiệt độ ủ của mẫu Co10Cu90
Bảng 3.1: Sự phụ thuộc của tỷ số GMR vào nhiệt độ và thời gian ủ của hệ mẫu Co-Cu Mẫu T.gian
ủ
GMR (%)
30 phút 45 phút 60 phút 75 phút Chưa ủ
Co10Cu90
4000C 3,0 2,4 3,3
4500C 5,0 5,1 5,2 4,6 2,0
5000C 3,1 4,2 3,1
5500C 1,4 0,9 1,2
Trên đồ thị hình 3.7 cho thấy với mẫu Co10Cu90 khi ủ ở 4000C trong 60 phút thì tỷ số GMR đã tăng từ 2% - 3,3%. Khi tăng nhiệt độ ủ lên đến 4500C cũng trong 60 phút thì tỷ số GMR đạt 5,2%. Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ lên đến
5000C trong 60 phút thì tỷ số GMR giảm
xuống còn 3,1%, còn nếu ủ ở 5500C cũng trong 60 phút thì tỷ số GMR lại giảm xuống chỉ còn 1,2%.
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -1.0
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2
0.0 Co10Cu90
Ta=550oC ta=45 mins
GMR (%)
H (T)
Hình 3.8: Tỷ số GMR của mẫu Co10Cu90 ủ ở 5500C, 45 phút.
Nghiên cứu sự phụ thuộc vào thời gian ủ trên đồ thị hình 3.6 ta cũng thấy đối với mẫu Co10Cu90 tỷ số GMR tăng so với trước khi ủ, nhưng tỷ số này chỉ đạt cực đại ở một điều kiện ủ nào đó rồi sau đó lại giảm khi thời gian và nhiệt độ ủ tăng. Đặc biệt khi nhiệt độ ủ đạt 5500C tỷ số GMR giảm, nhưng nó lại bão hòa ở từ trường thấp. Đồ thị lúc này sắc, nhọn có thể quan sát trên hình 3.8.
Điều này rất thuận lợi cho việc chế tạo các sen-sơ nhạy ở từ trường thấp và sen- sơ từ đóng mở mạch.
KẾT LUẬN CHUNG
1. Bằng công nghệ nguội nhanh, đã chế tạo được mẫu hợp kim Co-Cu. Các mẫu chế tạo dạng băng mỏng cấu trúc dạng hạt với độ dày 20 - 30μm, cơ tính tốt. Các mẫu được xử lí nhiệt theo các chế độ thích hợp có thể nghiên cứu hiệu ứng GMR.
2. Khảo sát được hiệu ứng GMR trong vật liệu cấu trúc dạng hạt khi từ trường thay đổi từ -1,3T đến 1,3T.
3. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt lên tỉ số GMR trong hệ hạt Co-Cu.
Ta thấy tỷ số GMR chỉ đạt được cỡ 5,2% khi ủ ở nhiệt độ 4500C, thời gian ủ là 60 phút. Tỷ số này giảm khi tăng thời gian và nhiệt độ ủ, và đạt giá trị bão hòa ở từ trường thấp khi ủ ở nhiệt độ 5500C.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Xuân Chiến (2008), Nghiên cứu vật liệu từ cấu trúc nano dạng hạt có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh. Luận án Tiếm sĩ vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội.
2. Vũ Đình Cự (1996), Từ học, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội.
3. Nguyễn Xuân Nam (2008), Nghiên cứu hiện ứng từ - điện trở khổng lồ trong hệ hạt Me-3d Nano Cu-Co chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh. Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2, Vĩnh Phúc.
4. Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Lý thuyết nhiễu xạ tia X, Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội.
5. Nguyễn Hoàng Nghị (2003), Các phương pháp thực nghiệm phân tích cấu trúc, Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội.
6. Phạm Ngọc Nguyên (2004), Kĩ thuật phân tích vật lý, Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật Hà Nội.
7. Nguyễn Anh Tuấn (2001), Từ điện trở khổng lồ (GMR) trong màng mỏng (dạng hạt và dạng 3 lớp). Luận văn tiến sĩ vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội.
8. Http://vi.wikipedia.org/wiki.
9. Bekowitz A.E., Mitchell J.R. , Caray M.J., Young A.P., Zhang S., .E. Spada, Parker F. T., Hutten A., and Thomas G. (1992), “Giant Magnetoesistance in Heterogeneous Cu- Co Alloys”, Phys. Rev. Lett., 68, pp. 3745-3748.
10. Campbell I. A. and Fert A. (1982) “Ferromagnetic material”, ed. E.P.
Wohlfarth (North Holland, Amsterdam) pp. 769.
11. Chien C. L. (1995), “Magnetism and giant magneto-transport properties in granular solids”, Annual Reviews Material Sciant, 25, pp.
129-160.
12. Chien C. L., Xiao J.Q., and Jiang J.S. (1993), “Giant Magnetoresistance in granular Ferromagnetic Systems”, J. Appl. Phys., 73, pp. 5309-5314.
Tóm tắt KL
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
HỎA THỊ THANH BÌNH
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) DẠNG HẠT
Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Tóm tắt khóa luận tốt nghiệp đại học
HÀ NỘI, 2012 Tóm tắt nội dung khóa luận
MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài
lý mới đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các hệ từ có các đặc trưng kích thước được giảm nhỏ. Một trong những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant magnetoresistance) trong các màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các không từ và trong hệ hạt bao gồm các hạt sắt từ nằm trên nền kim loại không từ. Ngay sau khi ra đời, hiệu ứng GMR đã trở thành một vấn đề nóng hổi trong lĩnh vực vật lý. Hiệu ứng GMR cũng là một hiệu ứng từ điện trở nhưng có sự thay đổi điện trở lớn hơn rất nhiều (khoảng vài chục phần trăm) so với hiệu ứng từ điện trở thông thường (khoảng vài phần ngàn) và có bản chất hoàn toàn mới. Chính vì vậy hiệu ứng này đã trở thành một chủ đề nổi bật trong vật lý học cũng như khoa học kĩ thuật vật liệu.
Hiệu ứng GMR được tìm ra vào năm 1988 thì đến năm 1994 đã có những sản phẩm GMR đầu tiên được bán ra trên thị trường thế giới. Đó là những cảm biến từ trường dùng cho các mục đích khác nhau từ công nghiệp ô tô cho đến các thiết bị trợ thính. Do những ưu điểm vượt trội của vật liệu này là khả năng chống nhiễu và chống ồn rất cao nên chúng được ứng dụng trong các ổ đĩa cứng của máy tính, làm bộ nhớ từ không tự xóa MRAM… Như vậy 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. Có thể nói công nghệ spintronics sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển của công nghệ điện tử – tin học – viễn thông trong thế kỷ 21.
Từ các công trình nghiên cứu liên quan đến hiệu ứng GMR ở nước ngoài cho thấy các màng mỏng đa lớp (cỡ hàng chục lớp) có hiệu ứng GMR lớn, có thể đến cỡ 100%
nhưng ở từ trường cao và nhiệt độ thấp. Đối với các băng dạng hạt, hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản, có khả năng chế tạo được trong điều kiện kĩ thuật hiện nay ở nước ta.
Chính vì lẽ đó đề tài em chọn có tên: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) dạng hạt ”.
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.1 Hiệu ứng từ điện trở thường OMR (Ordinary Magneto Resistance)
Từ điện trở, hay còn gọi tắt là từ trở (viết tắt là OMR), là tính chất của một số vật liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5%, và được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường.
1.1.2 Hiệu ứng từ dị hướng AMR (Anisotropic Magneto Resistance)
Từ điện trở dị hướng (viết tắt là AMR) là một hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở phụ thuộc vào hướng của dòng điện, mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tương đối giữa từ độ và dòng điện.
Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một số chất bán dẫn hoặc bán kim (có xảy ra hiệu ứng Hall lớn dị thường) nhưng khá nhỏ. Trong từ học, người ta đặc trưng cho tính chất từ điện trở dị hướng bởi độ biến thiên điện trở suất theo hai phương song song và vuông góc với từ trường:
(1.1.3) và hiệu ứng AMR được đánh giá thông qua tỉ số:
(1.1.4) với:
(1.1.5) 1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR (Giant Magneto Resistance)
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (viết tắt là GMR) là sự thay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ điện trở:
% ) 100
0
% ( ) 100
0 (%) (
GMR R
(1.1.7)
GMR là một hiệu ứng từ điện trở nhưng là một hiệu ứng lượng tử khác với hiệu ứng từ điện trở thông thường được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988. Nhóm nghiên cứu của Albert Fert ở Đại học Paris-11 trên các siêu mạngFe(001)/Cr(001) cho tỉ số từ trở tới vài chục %.
1.1.4 Mật độ trạng thái
Trong nguyên tử, các điện tử sắp xếp theo từng mức năng lượng từ thấp đến cao theo nguyên lý Pauli, tạo thành các lớp (s, p, d, f, …). Trong kim loại nói chung, các điện tử lớp ngoài (s, d và f) là các yếu tố chính quyết định tính chất lý hóa của vật liệu bởi vì tính linh động của chúng cao hơn của các điện tử ở lớp trong.
Các điện tử 4s có độ linh động lớn gần như là điện tử tự do. Các điện tử 4s này đóng góp chính vào quá trình dẫn điện nên chúng được gọi là các điện tử dẫn.
Các điện tử 3d được gọi là các điện tử từ vì chúng đóng góp chính vào tính chất từ của nguyên tố và của vật liệu. Đối với các kim loại mà lớp 3d điền đầy hoàn toàn, momen từ của nguyên tử bằng không do spin của các điện tử ghép đôi triệt tiêu lẫn nhau. Trong các nguyên tử từ, lớp điện tử trong chưa điền đầy đã điền sang lớp ngoài tạo nên momen từ nguyên tử.
Theo nguyên lý thuận từ Pauli, tính thuận từ được giải thích dựa trên sự tách vùng khi có từ trường ngoài như sau:
Khi không có từ trường ngoài, lớp 3d tách thành hai vùng giống nhau, một vùng chứa cỏc điện tử cú spin up (ms = ẵ), vựng cũn lại chứa cỏc điện tử cú spin down (ms = -
ẵ). Tổng momen từ của nguyờn tử bằng khụng, do đú momen từ của vật liệu bằng không.
1.2 Cấu trúc và trạng thái từ của vật liệu từ điện trở dạng hạt.
1.2.1 Thành phần cấu tạo của vật liệu GMR.
chính là vật liệu phi từ (như Cu, Ag, Au,…) và vật liệu từ (như Fe, Co,…) 1.2.2 Cấu trúc nano của vật liệu từ điện trở dạng hạt
Vật liệu nano dạng hạt, gồm các hạt kim loại trong nền kim loại trong nền kim loại khác không hòa tan, chẳng hạn như Co trong nền Cu.
Trong vật liệu cấu trúc nano dạng hạt, các vấn đề then chốt quyết định đến các tính chất vật lý của vật liệu thông qua các yếu tố như tỉ phần thể tích của các hạt xv . Hai yếu tố xv và 2r thường được cho là những nhân tố gây ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu, giá trị của xv thay đổi từ 0 đến 1.
1.2.3 Cấu trúc đơn domain.
Cấu trúc từ của vật sắt từ được quy định bởi: hình dạng vật từ, cấu trúc hạt (kích thước, hình dạng, sự định hướng...). Sự thay đổi kích thước hạt dẫn đến sự thay đổi cấu trúc domain. Khi kích thước hạt của vật từ giảm dưới kích thước tới hạn, xuất hiện một cấu hình domain mới mà mỗi hạt sẽ là một domain, đó là cấu trúc đơn domain.
Vật liệu từ gồm các hạt từ có thể tích đủ nhỏ, mỗi hạt có momen từ riêng. Khi không có từ trường ngoài các momen từ được sắp xếp một cách ngẫu nhiên và triệt tiêu nhau. Khi có từ trường ngoài khác không các momen từ quay theo chiều của từ trường ngoài. Như vậy, từ độ của mẫu (M) bằng tổng từ độ của các hạt đơn domain:
. cos
H Ms H M M
(1.2.6) Trong đó:
là góc giữa trục dễ của hạt sắt từ và phương của từ trường ngoài.
Ms là từ độ bão hòa.
H là từ trường ngoài.
<cosθ> là giá trị trung bình lấy trên toàn bộ các hạt sắt từ.
1.3 Cơ chế của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR 1.3.1 Mô hình hai dòng Mott