Nghiên cứu từ trở của hệ hợp chất La2 3Pb1 3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp

  • Số trang: 63 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 88 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----o0o---- NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC NGHIÊN CỨU TỪ TRỞ CỦA HỆ HỢP CHẤT La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 TRONG VÙNG TỪ TRƢỜNG THẤP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: 60 44 09 Cán bộ hƣớng dẫn: GS.TS Nguyễn Huy Sinh Hà Nội - 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................................1 Chương 1: KHÁI NIỆM TỪ TRỞ, MỘT SỐ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ VÀ NHỮNG MÔ HÌNH GIẢI THÍCH CƠ CHẾ CÁC HIỆU ỨNG TỪ TRỞ ........3 1.1 Vài nét về quá trình phát triển của việc nghiên cứu từ trở ...................................3 1.2 Điện trở và từ điện trở trong kim loại ..................................................................5 1.3 Một số loại hiệu ứng từ trở ...................................................................................9 1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở thường (OMR – Ordinary Magnetoresistance Effect) .......9 1.3.2 Hiệu ứng từ trở dị thường AMR (Anisotropic Magnetoresistance Effect) ......10 1.3.3 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magnetoresistance' - TMR) ......11 1.3.4 Từ điện trở dị hướng xung kích (Ballistic Anisotropy Magnetoresistance BAMR) ......................................................................................11 1.3.5 Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance Effect - GMR) .........12 1.3.6 Từ điện trở siêu khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR) ........13 1.4 Một số mô hình giải thích cơ chế hiệu ứng từ trở ..............................................14 1.4.1 Giải thích theo mô hình hai dòng ........................................................15 1.4.2 Giải thích theo mô hình cấ u trúc dải ...................................................16 1.4.3. Giải thích theo mô hình chuỗi rào thế ................................................18 1.4.4 Giải thích bằng mô hình mạng điện trở (mô hình đơn giản) ...............19 1.5 Một số đặc trưng cơ bản của GMR ....................................................................19 1.5.1 Ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc và tạp chất .........................................19 1.5.2 Sự phụ thuộc của GMR vào chiều dày các lớp ....................................20 1.6 Hiệu ứng từ trở khổng lồ trong các vật liệu perovskite manganite ....................22 Chương 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 23 2.1 Chế tạo mẫu........................................................................................................23 2.2 Đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ...........................................................................27 2.3 Đo từ trở .............................................................................................................29 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................33 3.1 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XPD) .......................................................................33 3.2 Từ độ phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3.............................35 3.3 Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00 0.30) trong vùng từ trường thấp H = 0.00 – 0.40T ..................................................40 3.4 Từ trở trong vùng từ trường thấp (H=0.00.4T) của hệ La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00  0.30) ...................................................................46 KẾT LUẬN .............................................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................53 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 1. Các chữ viết tắt. AFM : Phản sắt từ. CMR : Từ trở khổng lồ. CO : Trật tự điện tích. DE : Trao đổi kép. FC : Làm lạnh trong từ trường. FM : Sắt từ. PM : Thuận từ. SE : Siêu trao đổi. XPD : Nhiễu xạ tia X. ZFC : Làm lạnh không từ trường. 2. Các ký hiệu. MFC : Từ độ của mẫu sau khi được làm lạnh trong từ trường. MZFC : Từ độ của mẫu sau khi được làm lạnh không từ trường. TC : Nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (nhiệt độ Curie). TP : Nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Các tham số mạng, thể tích ô cơ sở, và các thừa số dung hạn (τ) của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3. Bảng 3.2: Giá trị nhiệt độ TC của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3. Bảng 3.3 : Nhiệt độ chuyển pha kim loại – bán dẫn/điện môi của các mẫu nghiên cứu dưới tác dụng của từ trường. Bảng 3.4 : Giá trị của hằng số Ro và năng lượng kích hoạt Eg Bảng 3.5 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3MnO3 Bảng 3.6 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.95Co0.05O3 Bảng 3.7 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.9Co0.1O3 Bảng 3.8 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.8Co0.2O3 Bảng 3.9 : Giá trị CMR cực đại ở các nhiệt độ xác định của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.7Co0.3O3 Bảng 3.10 : Tỷ số CMR(%) cực đại của các mẫu. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Sơ đồ một số đặc điểm trong cấu trúc vùng và mật độ trạng thái (DOS) của các kim loại sắt từ. Hình 1.2: sơ đồ mạch điện tương đương của các điện trở suất trong các kim loại sắt từ. Hình 1.3: Sự phụ thuộc của  vào H trong từ trường song song và từ trường vuông góc với dòng điện. Với ρs// và ρs┴ là các giá trị bão hòa. Hình 1.4: Sơ đồ đơn giản minh họa cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong các màng mỏng từ đa lớp khi có từ trường ngoài (a) và khi không có từ trường ngoài (b) Hình 1.5: Sơ đồ mật độ trạng thái (DOS) của điện tử trong cấu trúc lớp lớp và quá trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc lớp đó với các cấu hình sắp xếp phản song song a) và song song b) của từ độ trong các lớp. Hình 1.6: sự tương đương của một hệ màng mỏng đa lớp với một chuỗi rào thế khác nhau đối với các điện tử có spin khác nhau khi các lớp từ có cấu hình từ độ phản song song a) và song song b). Hình 1.7: Sự phụ thuộc của cường độ tương tác trao đổi vào chiều dày lớp phi từ. Hình 2.1: Quá trình khuyếch tán giữa hai kim loại A và B. Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết hệ đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò. Hình 2.3: Sơ đồ hệ đo từ trở bằng phương pháp bốn mũi dò. Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x =0.00-0.30). Hình 3.2: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x=0.00). Hình 3.3: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x=0.05). Hình 3.4: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x=0.10) Hình 3.5: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x=0.20) Hình 3.6: Đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x=0.30) Hình 3.7: Đường cong TC phụ thuộc nồng độ pha tạp x Hình 3.8: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.00 trong trường hợp từ trường H = 0.0T và 0.4T Hình 3.9: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.05 trong trường hợp từ trường H = 0.0T và 0.4T Hình 3.10: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.10 trong trường hợp từ trường H = 0.0T và 0.4T Hình 3.11: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.20 và x = 0.30 trong trường hợp từ trường H = 0.0T và 0.4T Hình 3.12 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3MnO3 Hình 3.13 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.95Co0.05O3 Hình 3.14 : Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.9Co0.1O3 Hình 3.15: Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.8Co0.2O3 Hình 3.16: Kết quả đo CMR(H)T của mẫu La2/3Pb1/3Mn0.7Co0.3O3 Hình 3.17: Đường cong CMRmax phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00 – 0.30) Hình 3.18:Sự phụ thuộc của tỷ số CMR max(%) vào nồng độ pha tạp Co MỞ ĐẦU Những năm gần đây, việc nghiên cứu từ trở đã trở thành đề tài nóng bỏng đối với các nhà vật lý và vật liệu học. Với những phát minh về các vật liệu có từ trở khổng lồ (Giant magnetoresistance, GMR) và từ trở lớn (Colossal magnetoresistance, CMR) đang hứa hẹn những ứng dụng vô cùng to lớn trong các lĩnh vực điện tử học, tự động hóa, công nghệ thông tin và cả trong lĩnh vực công nghệ nanô. Sự khám phá ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) vào năm 1988 của các vật liệu từ có cấu trúc không liên tục (như các màng mỏng đa lớp) đã góp phần làm cho nghành điện tử học có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ lưu trữ thông tin, đo lường từ và điều khiển bằng từ trường. Nếu trước đây, spin của electron không đuợc giới vật lý lưu ý trong các nghiên cứu về hiện tượng chuyển tải dòng điện, thì ngày nay sự quan tâm tới spin đã mở ra một lĩnh vực mới cho vật lý học hiện đại, đó là „„Điện tử spin‟‟ (spintronics). Phát hiện đầu tiên của spintronics là hiệu ứng từ trở khổng lồ trong những màng mỏng từ đa lớp. Từ những năm 1970, người ta đã nhận thấy rằng có thể lợi dụng thuộc tính có spin của điện tử để điều khiển lại các hành vi của chúng. Do các điện tử có spin xác định (spin ↑ hoặc spin ↓) có xác suất tán xạ khác nhau đối với phương xác định của các mômen từ định xứ, nên có thể dùng từ trường ngoài để định hướng lại các mômen từ, trên cơ sở đó điều khiển spin của điện tử, từ đó dẫn đến sự thay đổi điện trở của vật liệu. Điều này tương tự như việc dùng điện trường để điều khiển điện tử hay lỗ trống trong các vật liệu bán dẫn. Sự khác nhau cơ bản là ở chỗ, cơ chế điều khiển bằng điện trường không phân biệt được thuộc tính có spin của điện tử, trong khi đó cơ chế điều khiển bằng từ trường phân biệt được chiều spin của điện tử. Như vậy cơ chế điều khiển bằng từ trường tinh vi hơn so với cơ chế điều khiển bằng điện trường. Đó chính là cơ sở của những ứng dụng trong lĩnh vực từ điện tử học. Nhiều tính chất vật lý của vật liệu có thể thay đổi khi một vật được đặt trong từ trường. Một trong số đó là điện trở của một vật liệu biến đổi theo sự thay đổi của từ trường ngoài. Hiện tượng từ trường đặt vào có thể làm cho điện trở của các vật liệu thay đổi đã được ghi nhận trong các thí nghiệm thực hiện trên những vật liệu có cấu trúc đa lớp được chế tạo bằng cách luân phiên chồng lớp một kim loại có từ tính với một kim loại phi từ. Khi đặt một từ trường ngoài lên vật liệu đa lớp thì từ độ của những lớp có từ tính đang ở trạng thái đối song (↑↓ ) sẽ chuyển sang trạng thái song song (↑↑ ). Từ đó dẫn đến sự thay đổi điện trở suất (hay độ dẫn điện) của vật liệu. Trên cơ sở đó, đề tài của luận văn được chọn là: “Nghiên cứu từ trở của hệ hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp”. Mục đích của luận văn là tìm hiểu về cơ chế của hiệu ứng từ trở, một số mô hình giải thích hiệu ứng này và tiến hành phép đo sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ, điện trở và từ trở của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp từ 0.0 – 0.4T. Kết cấu của luận văn gồm những chương sau:  Chương 1: Khái niệm từ trở, một số hiệu ứng từ trở và những mô hình giải thích cơ chế các hiệu ứng từ trở.  Chương 2: Thực nghiệm  Chương 3: Kết quả và thảo luận.  Kết luận.  Tài liệu tham khảo. Chương 1 KHÁI NIỆM TỪ TRỞ, MỘT SỐ HIỆU ỨNG TỪ TRỞ VÀ NHỮNG MÔ HÌNH GIẢI THÍCH CƠ CHẾ CÁC HIỆU ỨNG TỪ TRỞ 1.1 Vài nét về quá trình phát triển của việc nghiên cứu từ trở. Hiệu ứng từ điện trở (MR) là một dạng của hiện tượng từ điện, thể hiện sự thay đổi của điện trở suất (hay độ dẫn điện) trong các vật dẫn (kim loại hay bán dẫn) dưới tác dụng của từ trường ngoài. - Năm 1851, Lord Kelvin lần đầu tiên đã quan sát thấy sự thay đổi điện trở suất của Fe và Ni khi có từ trường ngoài tác dụng, sau này được biết hiện tượng đó chính là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) [19]. - Năm 1856, William Thomson cũng đã quan sát thấy hiện tượng thay đổi điện trở tương tự [26]. - Năm 1853, H.Tomlinson đã quan sát thấy hiệu ứng MR khá lớn của sợi dây Bi khi ở vùng từ trường dọc (từ trường song song với dòng điện) và năm 1890, P.Lenard lặp lại thí nghiệm này với từ trường ngang (từ trường vuông góc vói dòng điện) [16]. - Kể từ đó, sợi dây Bi đã được sử dụng để làm cảm biến đo từ trường (Đó chính là Hiệu ứng Hall đã được E.H Hall phát hiện ra vào năm 1879). [13] - Năm 1929, P.Kapitza đã tiến hành nghiên cứu hiệu ứng MR tương đối có hệ thống cuả một loạt các kim loại khác nhau và của cả Si và Ge [23]. - Đầu những năm 1950, nhóm của L.Pearson đã tiến hành nghiên cứu sâu hơn về hiệu ứng MR trong các chất bán dẫn [15]. - Hiệu ứng MR trong các màng mỏng kim loai và hợp kim sắt từ được quan tâm và nghiên cứu khá nhiều từ cuối những năm 1950 cho đến đầu những năm 1970 [25], [26] và khi đó hiệu ứng MR được ứng dụng để làm cảm biến từ trường [12]. - Vào những năm 80, hiệu ứng AMR trong các màng mỏng sắt từ, tiêu biểu là trong các hợp kim pecmalôi, NiFe, và một số hợp kim khác trên cơ sở của pecmalôi đã được đưa vào sử dụng trong các đầu từ máy tính [17]. - Để đánh giá độ lớn của hiệu ứng MR, thể hiện mức độ thay đổi điện trở suất khi có từ trường so với khi không có từ trường tác dụng, gọi là tỉ số MR, người ta thường tính theo công thức: MR=  o =  o   H  (%) o Trong đó ρo và ρ(H) là các điện trở suất khi không có và khi có từ trường ngoài (H) tác dụng. Thường tỷ số MR được tính theo tỷ lệ phần trăm. Trong thực nghiệm có thể chỉ cần đo điện trở của mẫu mà không cần đo điện trở suất để bỏ qua yếu tố hình học của mẫu vì những yếu tố này sẽ bị triệt tiêu trong tỷ số. Từ trở MR có thể âm hay dương. Từ trở của đa số các kim loại thường nhỏ, chỉ chừng vài phần trăm. Trong những kim loại phi từ nguyên chất hay trong các hợp kim, MR thường mang trị số dương và phụ thuộc bậc hai vào từ trường (H). Ngược lại, MR có thể âm khi đặt một vật liệu từ vào trong từ trường bởi vì sự sắp xếp bất trật tự của các spin khi đó sẽ bị phá vỡ và các spin trở nên đồng nhất. Ngoài một số vật liệu MR đa lớp gồm hai kim loại lần lượt mang tính sắt từ (ferromagnetic) và đối sắt từ (antiferromagnetic) hay phi từ, như sắt và chromium. Từ trở khổng lồ đã xuất hiện nơi các hạt sắt từ (ferromagnetic granules) phân tán trong những màng kim loại thuận từ (paramagnetic metal films), chẳng hạn như đồng và sắt. Cơ chế vật lý của hiệu ứng MR trong các kim loại không từ tính (kim loại phi từ) sau này gọi là hiệu ứng từ điện trở thường (OMR) và hiệu ứng từ trở dị thường (AMR) trong các kim loại và hợp kim sắt từ về cơ bản dựa trên cơ sở của lý thuyết lượng tử. Ứng dụng của hiệu ứng từ trở: + Ứng dụng trong các đầu đọc, ghi dữ liệu trong các ổ cứng máy tính: Kể từ năm 1992, hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) bắt đầu được ứng dụng trong các đầu đọc dữ liệu của ổ đĩa cứng máy tính thay cho các đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng trước đó. Các đầu đọc, ghi ứng dụng hiệu ứng GMR có tốc độ đọc, ghi thông tin cao hơn so với các đầu đọc, ghi ứng dụng hiệu ứng AMR. Người ta sử dụng các màng mỏng valse-spin cho các ứng dụng này do khả năng chống nhiễu và chống ồn của chúng rất cao. + Chế tạo cảm biến đo từ trường, cảm biến đo dòng điện, cảm biến đo gia tốc... + Chế tạo các linh kiện spintronics: đây là các linh kiện điện tử thế hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin của điện tử. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ điện trở chui hầm là hai hiệu ứng quan trọng trong chế tạo các linh kiện spintronics. 1.2 Điện trở và từ điện trở trong kim loại. Điện trở của kim loại sinh ra do sự tán xạ của các điện tử dẫn với các nguyên tử tạp chất hay dao động mạng tinh thể (phonon). Trong trường hợp chung, có thể biễu diễn điện trở suất của kim loại dưới dạng định luật Matthiesen [19]: ρ = ρf + ρ i ρf: sinh ra do tán xạ phonon ρi: sinh ra do tán xạ bởi các loại sai hỏng tĩnh (gồm các tạp chất và các sai hỏng cấu trúc) Trong trường hợp kim loại ở dạng màng mỏng, ngoài các thành phần điện trở suất trên đây còn có thêm thành phần ρs do tán xạ với các bề mặt ngoài của màng mỏng. Khi đó điện trở suất tổng cộng của màng mỏng có thể được viết là [18] : ρ = ρ f + ρi + ρs ρs : tán xạ với các bề mặt ngoài của màng mỏng ρf + ρi: hai thành phần có thể gộp làm một (≡ ρi) Trong kim loại từ tính (ví dụ đối với kim loại sắt từ (FM)): ρ = ρ f + ρi + ρm ρm: tán xạ do từ tính (ví dụ mạng spin của các spin định xứ ở nút mạng tương tác trao đổi với các điện tử dẫn). Ở 0 Kelvin: tất cả các spin ở nút mạng đều song song với nhau tạo ra trường thế tuần hoàn nên không gây tán xạ điện tử (ρm = 0) Ở nhiệt độ cao: Mạng spin dao động gây tán xạ bất thường trong các kim loại sắt từ dẫn đến thành phần ρm ≠ 0. Vì thế điện trở suất trong các kim loại sắt từ thường cao hơn so với các kim loại thường. Ở vùng nhiệt độ cao ρm bằng [1]: ρm = 3 m I 0 2 s( s  1)  M 2  1   2ne  F  M 02  Với e, n, m* tương ứng trong phương trình trên là điện tích, nồng độ và khối lượng hiệu dụng của điện tử. Io: đặc trưng tương tác trao đổi giữa mạng spin và e  dẫn. s: Spin ở mỗi nút mạng.  F: năng lượng Fermi. Mo, M: độ từ hóa vật liệu ở nhiệt độ 0K và T (K). Như vậy: Nếu T > Tc thì M = 0 và ρm = const Nếu T < Tc thì M ‡ 0 và ρm ~ T2  Giải thích: Điện trở của kim loại sắt từ được giải thích dựa trên mô hình 2 dòng của Mott. Đây là khái niệm được đề xuất năm 1935 bởi Mott để giải thích các tính chất bất thường của điện trở trong các kim loại sắt từ. Mott cho rằng ở nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ. Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân bằng của hai loại spin có chiều khác nhau. Các lớp phản sắt từ (ví dụ Cr) hay phi từ (ví dụ Cu) đóng vai trò ngăn cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho mômen 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 dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của mômen từ ở mỗi lớp, dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin phân cực, và dẫn đến sự thay đổi về điện trở suất. Trong kim loại sắt từ cấu trúc điện tử có lớp vỏ 3d nằm phía trong vỏ 4s và không lấp đầy. Thêm vào đó các dải con 3d chính và phụ bị tách nhau do tương tác trao đổi mạnh dẫn đến tồn tại mômen từ nguyên tử. Hình 1.1 mô tả một vài đặc điểm cấu trúc vùng và mật độ trạng thái (DOS) của các kim loại sắt từ. 4s 4s EF 3d 3d DOS   DOS  Hình 1.1- Sơ đồ một số đặc điểm trong cấu trúc vùng và mật độ trạng Theo sơ đồ này: thái (DOS) của các kim loại sắt từ. Từ hình 1.1 ta có thể nhận thấy rằng: + Dải 4s có mật độ phân bố điện tử rộng, độ linh động cao, m* thấp nên đây là các điện tử dẫn đóng góp chính cho dòng điện (các điện tử 4s là các điện tử dẫn) + Trong khi đó dải 3d phân bố hẹp nên mật độ trạng thái điện tử (DOS) rất cao, m* lớn, độ linh động thấp. Chúng được coi là các điện tử từ định xứ ở nút mạng tinh thể vì vậy spin của chúng cũng định xứ ở nút mạng tinh thể. + Theo mô hình 2 dải của Mott đã nêu ở trên thì s và d là những dải quan trọng nhất đóng góp vào tính chất điện và từ của kim loại FM, các điện tử 4s có thể thực hiện các chuyển dời s - s hoặc s - d. Trong quá trình chuyển dời, spin điện tử giả thiết được bảo toàn và bỏ qua sự trao đổi spin giữa các điện tử s. Nên đóng góp chính vào ρ chính là sự chuyển dời s - d do đó xác suất chuyển dời càng lớn thì ρ càng lớn vì các điện tử có spin ↑ và ↓ đóng góp độc lập vào độ dẫn. Vậy theo mô hình 2 dòng của Mott: Độ dẫn tổng cộng = tổng độ dẫn của điện tử spin ↑ + điện tử spin ↓ =  σs (s=  ,  ) S Với σs =nse2τs/m*s (ns, m* và τs lần lượt là nồng độ, khối lượng hiệu dụng và thời gian hồi phục của điện tử có spin s tương ứng). Vì dải d bị tách ra do tương tác trao đổi nên xác suất chuyển dời s - d là khác nhau đối với các điện tử có spin up và down dẫn đến mô hình của Mott có điện trở tương đương: 1  = 1 1 +  ss   s,d   ss   s,d  ρss : điện trở do sự chuyển dời s - s ρs,d: điện trở suất do sự chuyển dời s - d với kí hiệu mũi tên chỉ phương tương ứng. Vậy trong kim loại FM các điện tử tán xạ phụ thuộc spin của chúng và hình thành 2 kênh dẫn có điện trở suất khác nhau. Mô hình này tương đương với mạch điện mắc song song với 2 kênh tương ứng là spin ↑ và spin ↓ được minh họa trong hình 1.2 dưới đây: ρss ρss ρs↑,d↑ ρs↓,d↓ ρss ρ↑ ρss ρ↓ Hình 1.2: sơ đồ mạch điện tương đương của các điện trở suất trong các kim loại sắt từ Như vậy có thể thấy rằng, hai thành phần điện trở suất ρs↓,d↓ và ρs↑,d↑ chỉ xuất hiện trong các kim loại sắt từ và do quá trình tán xạ giữa các dải s và d gây ra. Đó chính là nguyên nhân dẫn đến điện trở suất của các kim loại sắt từ cao hơn điện trở suất của các kim loại thường. Do các điện trở suất ρs↓,d↓ và ρs↑,d↑ là đóng góp chính vào thành phần từ của điện trở suất tổng cộng, nên để cho đơn giản, từ nay về sau các ký hiệu tương ứng ρ↓ và ρ↑ để chỉ thị cho điện trở suất tương ứng với 2 kênh spin ↑ và spin ↓ . Do tán xạ bất đối xứng nên ρ↓ và ρ↑ không bằng nhau. Từ đó người ta đưa ra định nghĩa về Hệ số bất đối xứng như sau: α = ρ ↓ / ρ↑ Hoặc β = (ρ↓- ρ↑)/ (ρ↓+ ρ↑) = (α – 1)/(α +1) 1.3 Một số loại hiệu ứng từ trở 1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở thường (OMR – Ordinary Magnetoresistance Effect) - Về nguyên tắc: Hiệu ứng MR tồn tại trong bất kỳ kim loại nào và MR tăng theo H (hiệu ứng dương). Do đó hiệu ứng OMR thường có trong kim loại thường. - Cơ chế: hiệu ứng MR xuất phát từ tương tác trao đổi giữa các điện tích chuyển động trong điện trường E với từ trường ngoài H (lực Lorentz) làm thay đổi phương chuyển động của chúng. Tuy nhiên, Hiệu ứng MR chỉ xuất hiện khi vận tốc của các điện tử phân bố không đồng nhất. Điều này xảy ra khi vận tốc của các điện tử không chỉ phụ thuộc vào E mà còn phụ thuộc vào cả vị trí của nó ở trên mặt Fermi. Do đó với các mặt fermi không cầu và từ trường tác dụng theo một phương tinh thể xác định nào đó để các điện tử chuyển động trên những quỹ đạo hở thì cũng sẽ dẫn đến sự xuất hiện hiệu ứng MR trong kim loại. Trong các kim loại phi từ điển hình tỉ số MR là rất nhỏ (<1% thậm chí chỉ vài phần nghìn) vì nồng độ hạt tải và độ linh động của chúng là rất cao so với các chất không phải kim loại. Ví dụ như đối với kim loại Cu,  /  o ~ 10-4 trong từ trường 20 kG (2T). Riêng đối với Bi, tỷ số này cao một cách dị thường: ~2 trong từ trường 30kG. (Còn trong chất bán dẫn, để so sánh, có thể thấy tỷ số MR nằm trong khoảng 10-1 – 10-2 ). Vì vậy cho đến nay vẫn chưa thấy có ứng dụng thực tế nào của hiệu ứng MR trong các kim loại thường ngoài việc dùng để xác định mặt Fermi của kim loại. 1.3.2 Hiệu ứng từ trở dị thường AMR (Anisotropic Magnetoresistance Effect) Đối với các kim loại hay hợp kim sắt từ, tỷ số MR cao hơn nhiều so với hiệu ứng OMR, lên đến vài phần trăm. Ví dụ, ở màng mỏng Fe, tỷ số MR ~ 2%, hay ở màng Ni là ~2% và pecmaloi (hợp kim Ni - Fe) là một trong số những vật liệu từ có tỷ số MR lớn nhất, ~ 4-5%. Màng pecmaloi đã từng được sử dụng rộng rãi làm cảm biến từ trường, đặc biệt là đầu từ MR [11]. Khác với kim loại thường, kim loại FM có cấu trúc đômen vì vậy dưới tác dụng của từ trường ngoài H , ngay cả khi có cường độ nhỏ,cũng dẫn đến nội trường của mạng tinh thể tăng mạnh do các đomen từ sắp xếp lại theo hướng song song với từ trường ngoài. Ngoài ra còn do tương tác của điện tử với nội trường. Hiệu ứng MR gây ra do sự tương tác của điện tử với nội trường (trường tinh thể) ngay cả khi từ trường H = 0 và gây ra sự phụ thuộc nhiệt độ và dị hướng của ρ. s//  // ( J // H) o s   ( J  H) H Hình 1.3: Sự phụ thuộc của  vào H trong từ trường song song và từ trường vuông góc với dòng điện. Với ρs// và ρs┴ là các giá trị bão hòa. Hình 1.3 minh họa hiệu ứng dị hướng của điện trở suất đối với phương từ trường tác dụng của các kim loại sắt từ, gọi là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR). Hiệu ứng này là phổ biến cho tất cả các kim loại sắt từ mà bản chất vật lý của nó được giải thích dựa trên ba lý thuyết vi mô của Mott, Smit và Potter [22], [25] và được A.Fert và I.A.Campbell [17] cũng như một số tác giả khác phát triển. * Nguồn gốc tán xạ phụ thuộc spin trong các kim loại sắt từ (FM) có thể do một số nguyên nhân bên trong và bên ngoài như sau [9]: - Nguồn gốc bên trong: liên quan đến sự phụ thuộc của nồng độ và khối lượng hiệu dụng (hay mật độ trạng thái DOS) ở mức fermi EF của điện tử dẫn. - Nguồn gốc bên ngoài: tán xạ do tạp chất hoặc do sai hỏng mạng ở trong kim loại sắt từ. Ứng dụng:  AMR được sử dụng trong các sensor đo từ trường, sensor AMR rất hữu ích trong việc đo từ trường Trái Đất.  AMR trước đây sử dụng trong đầu đọc của ổ cứng máy tính, sau đó bị thay thế bởi các đầu đọc sử dụng hiệu ứng GMR.  Gần đây AMR lại hồi sinh trở lại với việc xây dựng các linh kiện vách đômen và sử dụng từ điện trở vách đômen. Hiệu ứng AMR đặc biệt hữu ích cho việc đo đạc vận chuyển các vách đômen trong các dây nano (xác định sự xuất hiện, đo hiệu ứng từ điện trở vách đômen, đo tốc độ chuyển động của vách đômen). 1.3.3 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magnetoresistance' TMR). Là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên ngầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn. Hiệu ứng TMR lần đầu tiên được phát hiện trên các màng đa lớp sắt kẹp giữa là lớp germanium (Ge) đóng vai trò lớp cách điện. Hiệu ứng TMR ở nhiệt độ phòng được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1995 trên các màng mỏng CoFe/Al2O3/Co với Al2O3 đóng vai trò lớp cách điện, cho hiệu ứng MR tới 11,8% ở nhiệt độ phòng. Cùng với phát minh về hiệu ứng GMR, hiệu ứng TMR cũng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các nghiên cứu về linh kiện spintronic. 1.3.4 Từ điện trở Magnetoresistance BAMR). dị hướng xung kích (Ballistic Anisotropy BAMR là hiệu ứng từ điện trở xảy ra khi các điện tử chuyển động trong một dây rất mỏng, giống như một viên đạn đi trong nòng súng - chúng đều bị cưỡng ép chuyển động trên một chiều nhất định và hầu như ít bị va chạm hay nói cách khác là không có sự cản trở dọc theo đường truyền. Nếu dây có chiều dày chỉ vài lớp nguyên tử, khả năng dẫn điện tử - độ dẫn điện - sẽ bị lượng tử hóa, là một số nguyên lần (N) của độ dẫn của một điện tử bởi vì năng lượng của điện tử bị cầm tù trong dây là các dải hẹp và N sẽ tương ứng với số dải năng lượng trên mức Fermi, mà ở đó xảy ra tính dẫn điện. Năm 2005, Evgeny Tsymbal và các đồng nghiệp ở Đại học Nebraska giả thiết rằng số N có thể thay đổi bằng cách đặt một từ trường vào một dây rất mảnh làm bằng các kim loại từ tính. Trong các vật liệu đó, các điện tử dẫn dưới tác dụng của từ trường sẽ phải dịch chuyển mức năng lượng so với mức Fermi và do đó dẫn đến việc thay đổi N. Do độ dẫn của dây tỉ lệ với N, nên các nhà nghiên cứu giả định rằng có thể quan sát thấy sự thay đổi kiểu nhảy bậc của độ dẫn (hay nói cách khác là điện trở). Họ gọi hiệu ứng này là "hiệu ứng từ điện trở dị hướng xung kích" (ballistic anisotropy magnetoresistance) - từ "dị hướng" ở đây là do hiệu ứng này phụ thuộc vào góc tương đối giữa từ trường và chiều của dòng điện dẫn. Mới đây, Bernard Doudin ở Viện Vật lý và Hóa học Vật liệu (Strasbourg) và các đồng nghiệp ở Đại học Nebraska đã quan sát thấy hiệu ứng BAMR trong một loạt các dây khác nhau ở kích cỡ nguyên tử chế tạo bằng Co. Trong một mẫu, các nhà nghiên cứu đã đo được sự thay đổi của độ dẫn tương ứng với N = 6, 7 khi mà chiều của từ trường thay đổi. Các nhà nghiên cứu cho hay sự phản ứng này có liên quan đến sự chênh lệch ở thang nguyên tử trong cấu trúc của các dây nano và có thể giải thích bằng lý thuyết của Tsymbal về BAMR. 1.3.5 Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance Effect - GMR) Một số nhà nghiên cứu ở Việt Nam còn dịch hiệu ứng GMR là "từ điện trở lớn" do không thống nhất việc dịch "Giant" là "khổng lồ" hay "lớn" nhưng tên gọi quen thuộc thường dùng là GMR. Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát thấy trong một số màng mỏng từ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Tên gọi Giant (lớn, khổng lồ) của hiệu ứng này không phải là do giá trị lớn của tỉ số MR mà do cơ chế tạo nên hiệu ứng, đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử khi truyền qua các lớp sắt từ được kẹp giữa bởi các lớp phi từ. Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988 đồng thời bởi 2 nhóm nghiên cứu, là nhóm của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) trên màng mỏng kiểu bánh kẹp Fe/Cr/Fe; và bởi nhóm của Albert Fert ở Đại học Paris-Sud trên các màng đa lớp Fe/Cr. Phát hiện này đã mở ra một ngành mới gọi là điện tử học spin(spintronics) nghiên cứu các linh kiện điện tử mới hoạt động dựa trên điều khiển tính chất spin của điện tử. Ngoài ra hiệu ứng GMR còn phát hiện thấy trên một số màng mỏng dạng hạt (ví dụ màng hợp kim dị thể CoCu, CoAg...). Vào ngày 9-10-2007, Uỷ Ban Trao Giải Nobel đã công bố giải thưởng Nobel Vật Lý 2007 được trao cho hai nhà vật lý Albert Fert (Pháp) và Peter Grünberg (Đức) về sự khám phá ra Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance). 1.3.6 Từ điện trở siêu khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR) Hiệu ứng CMR cũng được các nhà nghiên cứu ở Việt Nam gọi là "Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ" (khi gọi hiệu ứng GMR là "Từ điện trở lớn") nhưng thường gọi tắt là hiệu ứng CMR. Hiệu ứng này xảy ra với các vật liệu từ có cấu trúc perovskite (ví dụ manganese, cobaltite,...) có điện trở thay đổi cực lớn có thể tới hàng ngàn %. Hiệu ứng CMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1993, nhưng đến giờ vẫn chưa được lý giải một cách chính xác, và vẫn đang là một vấn đề lý thú cho nghiên cứu cơ bản. Một lý thuyết đang được sử dụng rộng rãi để giải thích là mô hình tương tác kép (double-exchange interaction). Hiệu ứng CMR cũng được ứng dụng trong các đầu đọc/ghi của ổ cứng, phát triển các linh kiện spintronic… Tóm tắt
- Xem thêm -