Tài liệu Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt sắt từ tới hiệu ứng gmr trong hệ mẫu dạng hạt bằng đường cong từ hóa

LỜI CẢM ƠN Tôi xin dành những lời đầu tiên trong bài luận văn nhỏ của mình để được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của tôi tới các thầy cô giáo, những người đã dìu dắt, dạy dỗ tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Xuân Chiến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm và hoàn thành luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy Nguyễn Huy Dân cùng các anh chị phòng thí nghiêm Khoa Học Trọng Điểm tại Viện Khoa Học Vật Liệu - Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi thực hiện một số phép đo và có những đóng góp quý giá cho luận văn của mình. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện cho tôi học tập nghiên cứu, giúp đỡ đóng góp ý kiến để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Học viên Nguyễn Thị Thiết LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi cùng nhóm nghiên cứu. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thiết DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Chữ Chữ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng việt viết tắt AF Antiferromagnetic Phản sắt từ AMK Anisotropic Magne to Resistance Từ điện trở dị hướng DOS Density of States Mật độ trạng thái FM Ferro magnetic Sắt từ Giant Magnetoresistance Từ điện trở khổng lồ Magnetoresistance Từ điện trở GMR MR MRAM Magnetic Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ RKKY Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Tên riêng các nhà khoa học Spin Spin up Điện tử Spin hướng lên Spin Spin down Điện tử Spin hướng xuống SPM Super Para Magnetism Siêu thuận từ VĐH Amorphous Vô định hình VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X AES Auger Electron Spectroscopy Quang phổ điện tử Auger SEM Scanning Electron Microscope hiển vi điện tử quét RKKY Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Tên riêng các nhà khoa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 T ỔNG QUAN………………………………………………...4 1.1. Một số phương pháp xác định kích thước hạt ........................................ 4 1.1.1. Phương pháp hiển vi điện tử - SEM ................................................. 4 1.1.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua –TEM ............................... 5 1.1.3. Phương pháp hiển vi đầu dò quét ..................................................... 7 1.1.4. Phương pháp quang phổ điện tử Auger – AES ................................ 8 1.1.5. Phương pháp langevin .................................................................... 11 1.2. Vật liệu thuận từ và vật liệu siêu thuận từ ............................................ 14 1.2.1. Vật liệu thuận từ.............................................................................. 14 1.2.2. Vật liệu siêu thuận từ ...................................................................... 15 1.2.3. Thành phần cấu trúc của vật liệu GMR .......................................... 21 1.2.4. Cấu trúc nanô của vật liệu từ điện trở dạng hạt .............................. 23 1.2.5. Cấu trúc đơn đômen ........................................................................ 25 1.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng GMR ..................................... 27 CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM .................................................................... 29 2.1. Chế tạo mẫu .......................................................................................... 29 2.1.1. Nấu phối trộn .................................................................................. 29 2.1.2. Chế tạo mẫu băng hợp kim ............................................................. 32 2.1.3. Xử lý nhiệt ...................................................................................... 34 2.2. Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ .................................. 35 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X............................................................ 35 2.2.2. Hệ từ kế mẫu rung - VSM .............................................................. 36 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 39 3.1. Kiểm tra cấu trúc vật liệu ........................................................................ 39 3.1.1. Kiểm tra cấu trúc vật liệu bằng nhiễu xạ tia X ............................... 39 3.1.2. Kiểm tra cấu trúc vật liệu bằng ảnh chụp Auger ............................ 40 3.2. Xác định kích thước hạt từ D bằng cách so sánh đường cong từ hoá thực nghiệm và các đường cong lý thuyết ứng với các giá trị D khác nhau sử dụng lý thuyết Langevin về thuận từ....................................................... 43 3.3. Kết quả đo tỉ số GMR của hệ mẫu Cu-Co ............................................ 53 3.4. Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt sắt từ tới hiệu ứng GMR của các mẫu Cu-Co ................................................................................................... 54 KẾT LUẬN .................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 58 1 MỞ ĐẦU Một trong những khám phá tiêu biểu về hiện tượng và tính chất vật lý ở các hệ từ là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR. Hiệu ứng GMR trong các màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các lớp không từ và trong hệ hạt bao gồm các hạt từ nằm trên nền vật liệu phi từ. Ngay sau khi ra đời, hiệu ứng GMR đã trở thành một vấn đề nóng hổi trong lĩnh vực vật lý đã và đang được phát triển mạnh bởi vì tiềm năng ứng dụng to lớn của nó trong nghành công nghệ thông tin và điện tử hiện đại. 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 hơn 100% nhưng ở từ trường khoảng trên 1T và nhiệt độ thấp (thường ở 4.2K). 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 kỹ thuật hiện nay ở trong nước. Bằng lý thuyết và thực nghiệm cho thấy hiệu ứng GMR phụ thuộc vào tán xạ spin. Trong cấu trúc dạng hạt hiệu ứng GMR phụ thuộc nhiều yếu tố như nhiệt độ đo, cấu hình đo, thành phần hợp thức của mẫu,... và đặc biệt là chế độ xử lí nhiệt. Như vậy một yêu cầu đặt ra là xác định kích thước hạt sắt từ khi nghiên cứu hiệu ứng GMR. Có nhiều phương pháp có thể sử dụng để xác định kích thước hạt như dùng phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử truyền qua TEM,...và phương pháp xác định kích thước hạt bằng cách so sánh đường cong từ hoá thực nghiệm với các đường cong từ hoá lý thuyết M = M(H) với các kích thước hạt D khác nhau dựa trên lý thuyết Langevin về thuận từ. Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài “KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC HẠT SẮT TỪ TỚI HIỆU ỨNG GMR TRONG HỆ MẪU DẠNG HẠT BẰNG ĐƯỜNG CONG TỪ HÓA”. 2 Luận án tốt nghiệp bao gồm các phần chính sau: 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt siêu thuận từ tới hiệu ứng GMR trong hệ mẫu dạng hạt bằng đường cong từ hoá thực nghiệm. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Xác định kích thước hạt sắt từ của hệ mẫu bằng đường cong từ hoá thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết Langevin về thuận từ. - Kết luận. 4. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu - Hợp kim Cu – Co – Fe. - Lý thuyết Langevin về thuận từ. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Thực nghiệm. - Đo đường cong từ hóa. - Xác định kích thước hạt sắt từ của hệ mẫu GMR dạng hạt bằng đường cong từ hoá thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết Langevin về thuận từ. 6. Đóng góp mới Xác định kích thước hạt sắt từ của hệ mẫu bằng đường cong từ hoá thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết Langevin về thuận từ. NỘI DUNG Chƣơng 1. Tổng quan về một số phương pháp xác định kích thước hạt sắt từ trong vật liệu cấu trúc dạng hạt và hiệu ứng GMR. Chƣơng 2. Thực nghiệm 3 Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận Kết luận 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Một số phƣơng pháp xác định kích thƣớc hạt 1.1.1. Phƣơng pháp hiển vi điện tử - SEM Để tránh sự tích lũy cộng hưởng trên bề mặt, mẫu quét phải dẫn điện. Đối với các mẫu quét không dẫn điện, trước khi tiến hành chụp có thể được tráng một lớp kim loại siêu mỏng. Đối với phương pháp SEM cổ điển, việc quét mẫu phải được tiến hành trong điều kiện chân không, tuy nhiên với sự cải tiến, SEM hiện đại cho phép chụp cả các mẫu vi sinh vật. Cơ sở của phương pháp hiển vi điện tử quét [3] như sau: sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Nếu mẫu đủ dày thì sau khi tương tác với bề mặt mẫu, các điện tử thứ cấp sẽ đi theo một hướng khác ra khỏi bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Các tín hiệu sản sinh từ SEM bao gồm các electron thứ cấp, electron tán xạ phản hồi, các tia X đặc trưng, ánh sáng tia âm cực, mẫu hiện tại và electron dịch chuyển. Đầu dò (detectors) electron thứ cấp thường được dùng trong các phân tích SEM, hiếm có một máy SEM đơn nào có đủ các detectors cho tất cả các loại tín hiệu. Những tín hiệu là kết quả từ sự cộng hưởng của các tia electron với nguyên tử ở trên hoặc sát bề mặt mẫu quét. Trong hầu hết các máy quét SEM thông thường, kiểu detector phát hiện hình ảnh bằng electron thứ cấp cho phép tạo ra các hình ảnh độ phân giải cao bề mặt mẫu quét ở kích thước nhỏ hơn 1nm. Do tia electron quét rất hẹp nên hình ảnh SEM có thể quét sâu và cho ra hình ảnh 3 chiều hữu ích cho việc nghiên cứu bề mặt vật chất. 5 1.1.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua –TEM Transmission Electron Microscopy (TEM) là phương pháp phân tích vật lý sử dụng tia electron xuyên thấu qua bề mặt mỏng của mẫu thử và thu lại hình ảnh của các electron xuyên thấu trên thiết bị thu nhận hình ảnh (detector) như màn huỳnh quang, film ảnh hoặc CCD camera sensor. Kính hiển vi điện tử quét là hệ thống gồm có các thấu kính làm tiêu tụ chùm tia điện tử thành một điểm trên bề mặt mẫu. Mẫu được quét bởi tia điện tử và các điện tử phát xạ từ bề mặt mẫu được nhận và khuếch đại để tạo thành tín hiệu video. TEM cung cấp những hình ảnh phân giải cao hơn kính hiển vi quang học, TEM cho phép người sử dụng thấy được những thông tin rõ nét về mẫu thử ngay cả khi mẫu chỉ nhỏ như một hàng các nguyên tử, nhỏ hơn 10 ngàn lần so với khả năng phân giải của kính hiển vi quang học. TEM đã hình thành một phương pháp phân tích liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học trong đó có sinh học, vật lý và cả hóa học. Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực ung thư, virus, khoa học vật liệu cũng như nghiên cứu ô nhiễm, công nghệ nano hoặc công nghệ bán dẫn... Hình 1.1 [3] là Sơ đồ mặt cắt của cột kính hiển vi điện tử truyền qua thông thường. Sau khi xuyên qua màng mỏng các điện tử đi vào vật kính, các tia nhiễu xạ bragg kết hợp sau khi qua mẫu tạo ảnh trung gian với độ phóng đại ảnh thấp I1 (hình 1.1). Thấu kính trung gian tạo ảnh trung gian thứ hai I2 và được phóng đại trên màn quan sát bởi kính phóng cuối cùng. Ảnh được tiêu tụ trên màn quan sát bằng cách thay đổi tiêu cự của kính vật và độ phóng đại được điều chỉnh nhờ sự thay đổi dòng của hai kính phóng. Một số thiết bị có thêm kính phóng để mở rộng thang phóng đại. Ảnh được ghi nhận bằng máy ảnh hoặc hệ ghi số đặt dưới buồng quan sát. Khả năng phóng đại của hình ảnh TEM phụ thuộc vào sự tương tác của electron với vật liệu, độ dày và cấu trúc cuả vật liệu. Theo yêu 6 cầu của các phép phân tích chuyên sâu, ở mức phóng đại lớn, cường độ phóng đại hình Hình 1.1. Sơ đồ mặt cắt của cột kính hiển vi điện tử truyền qua thông thường 7 ảnh được quy định bởi sự tương tác sóng phức hợp. Sử dụng các chế độ xen kẽ cho phép TEM quan sát được sự biến điệu trong hóa chất đồng nhất, sự định hướng của tinh thể, cấu trúc electron, electron cảm ứng kích thích như việc chụp các hình ảnh thông thường. 1.1.3. Phƣơng pháp hiển vi đầu dò quét Binnig và Rohrer đã chế tạo được kính hiển vi tunnel (Scanning Tunneling Microscope – STM) là thiết bị quan sát vi cấu trúc bề mặt thuộc về nhóm thiết bị kính hiển vi quét đầu dò, tức là việc ghi ảnh dựa trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt. STM sử dụng một mũi dò nhọn mà đầu của mũi dò có kích thước là một nguyên tử, quét rất gần bề mặt mẫu. Khi đầu dò được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang mũi dò do hiệu ứng chui hầm lượng tử và việc ghi lại dòng chui hầm (do một hiệu điện thế đặt giữa mũi dò và mẫu) sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt. Kính hiển vi tunnel dựa trên nguyên lý của hiện tượng xuyên hầm (tunnel) lượng tử của các điện tử giữa hai cực điện có điện trường đặt vào. Một trong hai cực điện là mẫu đứng yên còn cực kia là mũi dò (tip) được quét trên mẫu (hoặc ngược lại). Tip được gắn trên gốm áp điện và có thể dịch chuyển theo 3 phương x, y và z khi có điện trường đặt trên gốm (hình 1.2). Đường quét nét đứt của tip phía trên mẫu có thể tạo lên đường viền bề mặt ở mức độ nguyên tử. Còn ảnh STM ba chiều cho thấy rõ từng nguyên tử cacbon trên bề mặt graphit hỏa phân định hướng cao. Mũi dò được đặt sát bề mặt mẫu dẫn điện tới mức xuất hiện dòng điện tử tunnel giữa mũi dò và mẫu. Dòng tunnel phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách tip - mẫu và thu được ảnh địa hình bề mặt, nơi nhô cao tương ứng với dòng tunnel lớn điểm ảnh có cường độ sóng mạnh. Ngược lại chỗ lõm xuống 8 thì dòng tunnel nhỏ điểm ảnh có cường độ yếu. Trong trường hợp mẫu rất phẳng, có thể xem như khoảng cách tip-mẫu không đổi trong khi quét thì dòng tunnel sẽ liên quan đến sự thay đổi cấu trúc điện tử, mật độ trạng thái Hình 1.2. (a) sơ đồ STM. (b) ảnh STM ba chiều[3] của mẫu nói cách khác dòng tunnel là một hàng của vị trí phản ánh cấu trúc điện tử và cấu trúc nguyên tử bề mặt. STM có độ phân giải ngang là 0,1 nm, độ phân giải đứng là 0,01 nm và vì vậy có thể thấy rõ từng nguyên tử riêng biệt. 1.1.4. Phƣơng pháp quang phổ điện tử Auger – AES Quang phổ điện tử Auger (Auger Electron Spectroscopy – AES) là một kỹ thuật phân tích các bề mặt vật liệu. Dựa trên phân tích năng lượng phát ra từ một nguyên tử bị kích thích. Hiệu quả của Auger được phát hiện ra một cách độc lập của cả hai nhà khoa học Lise Meitner và Pierre Auger trong thập niên 1920. Từ năm 1953, AES đã trở thành một kỹ thuật đặc biệt quan trọng 9 và đơn giản cho việc thăm dò chất hóa học và được ứng dụng trong ngành luyện kim, trong cả ngành công nghiệp vi điện tử, đặc biệt là công nghệ nano. AES hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Auger: Đó là chiếu một chùm điện tử tới bề mặt mẫu, electron ở lớp sâu bên trong nguyên tử (1) sẽ bị bật ra làm xuất hiện lỗ trống (2) và điện tử ở lớp ngoài (3) sẽ nhảy về lấp vào lỗ trống đó và phát ra một năng lượng dưới dạng tia X (4a). Tuy nhiên không phải điện tử nào khi nhảy từ lớp ngoài vào trong đều phát ra tia X mà nó phát ra một năng lượng để kích thích các electron ở lớp ngoài, nếu năng lượng kích thích lớn hơn công thoát của electron này thì nó sẽ bị bứt ra ngoài và đó chính là điện tử Auger (4b) (Hình 1.3). Điện tử (4b) Auger Tia X (4a) (2) (2) (3) (3) (1) Chùm điện tử kích thích (1) Chùm điện tử kích thích Hình 1.3. Sự tạo thành điện tử Auger Sơ đồ mức (Hình 1.4) giúp chúng ta dễ hình dung hơn sự tạo thành phổ AES. Trên hình đã mô hình hóa sự tạo thành phổ điện tử AES ở lớp L do sự tương tác của năng lượng khi điện tử chuyển từ L xuống K gọi tắt là E KLL. Tuy nhiên trong thực tế điện tử Auger có thể sinh ra ở bất kỳ lớp nào trong mô hình nguyên tử khi năng lượng kích thích lớn hơn công thoát. Các mức 10 khác nhau sẽ có công thoát khác nhau, các nguyên tử khác nhau sẽ có công thoát ở cùng một mức là khác nhau. Các thông tin này sẽ giúp ta biết được thành phần cấu tạo của mẫu thông qua phổAES được tạo ra khi bắn chùm điện tử vào mẫu vì vậy thiết bị cấu tạo của AES cũng có nhiều đặc điểm giống kính hiện vi TEM và SEM. Điện tử được tạo ra sẽ được gia tốc và được điều khiển thông qua hệ thống thấu kính từ, chùm điển tử sẽ bắn vào mẫu. Khi chùm điện tử vào mẫu sẽ sinh ra các hiện tượng như sinh ra chùm điện tử thứ cấp, chùm điện tử truyền qua, chùm điện tử phản xạ ngược lại, hoặc sinh Điện tử Auger 3p M2 3s M1 (4b) (3) 2p L3 (3) 2p L2 (4a) Tia x (1) (1) Chùmđiện tử 2s L1 1s K (2) (2) Hình 1.4. Sơ đồ mức Điện tử kích thích Tia X Điện tử tán xạ ngược Điện tử Auger Điện tử thứ cấp Mẫu Hình 1.5. Sơ đồ tương tác chùm điện tử - mẫu 11 ra tia X và xuất hiện chùm điện tử Auger. Tia X và điện tử Auger cho tương phản hình dạng và tương phản thành phần (Hình 1.5). 1.1.5. Phƣơng pháp langevin Ta thấy vật liệu từ được chia làm 3 loại [2]: Vật liệu nghịch từ, vật liệu thuận từ, vật liệu sắt từ dựa trên cấu trúc vi mô... 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, nhưng trong vật liệu thuận từ không có trật tự từ, tức là các mô men từ nguyên tử xắp 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 do không có tương tác trao đổi giữa các mô men từ này nên chúng định hướng hỗn loạn dưới tác động của năng lượng nhiệt. Như vậy thuận từ có bản chất vi mô. có nhiều lý thuyết về thuận từ trong đó lý thuyết Langevin... khác với vật liệu thuận từ, trong chất sắt từ tương tác trao đổi (coupling interaction) giữa các mô men từ nguyên tử tạo nên trật tự từ. Nhưng nếu trong một hệ sắt từ, kích thước các hạt sắt từ rất nhỏ, sao cho năng lượng dị hướng từ (yếu tố „ghim‟ mô men từ của hạt theo 1 phương - phương dễ từ hoá) nhỏ hơn năng lượng nhiệt (yếu tố làm mô men từ của hạt dao động xung quanh phương dễ từ hoá), tức là KV K BT (1.1) thì các véc tơ từ độ của các hạt sắt từ không bị „ghim‟nữa mà có thể quay tự do, định hướng một cách ngẫu nhiên. Lúc đó hệ tương đương với một hệ thuận từ và được gọi là hệ siêu thuận từ (superparamagnetic system). Như vậy siêu thuận từ là một hiện tượng vĩ mô, đây điểm khác biệt quan trọng giữa hiện tượng thuận từ và siêu thuận từ. Tính chất siêu thuận từ đã được quan sát thấy trong các hệ vật liệu CuCo có hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR effect). 12 Trước hết ta phải nhìn lại lý thuyết cổ điển Langervin về thuận từ. Langervin (1905) đã xét một hệ gồm N nguyên tử, mỗi nguyên tử có moment từ μ đặt đủ xa nhau để không tương tác với nhau. Ta đã biết, độ từ hóa M của hệ và năng lượng tự do F có mối liên hệ với nhau bởi công thức: F H M Với (1.2) F = - NkB TlnZ Với thống kê Z có giá trị: z e (1.3) Ei k BT (1.4) Thế năng U của mỗi nguyên tử trong từ trường H được xác định bởi công thức: U H (1.5) H cos Với θ là góc giữa phương μ và H. Muốn sử dụng công thức (1.4) để tính Z thì ngoài việc thay U từ công thức (1.5) ta thay dấu ∑ bằng dấu ∫ vì trong mô hình cổ điển, momen từ có định hướng bất kỳ và θ,φ có thể biến đổi liên tục. Ta được: Đưa vào đây các ký hiệu: a và x=cos , k BT Ta có (1.6) 4 sha a Z (1.7) Từ đó ta sử dụng công thức (1.2)÷(1.4), Ta có F M Nk BT Vì: a sha 1 sha a2 1 cha a Nk B T ln a 4 sha a Nk BT ctha (1.8) 1 a a (1.9) 13 a H (1.10) k BT Nên: (1.11) La Với La cha 1 a (1.12) L(a được gọi là hàm Langevin) và được biểu diễn Khi a→ ∞, ctha→ 1, và 1/a→ 0, nên L(a)→ 1. Như vậy khi a rất lớn, hầm langevin tiện cận giá trị L(a) = 1 Khi a ≪ 1, ctha ≈ 1/a + a/3 và L(a) ≈ a/3. Như vậy khi a rất nhỏ, hàm langervin là một đường thẳng tạo một góc γ với trục hoành. dL da 1 3 tg a 1 (1.13) Do thí nhiệm được làm tại nhiệt độ phòng tại từ trường thông thường của phòng thí nhiệm. Nếu lấy μ ~1 B, H =106 A/m = 12600 Οe thì ta có: μH = μBH = 1,17x10-29 Wbm x 106 A/m = 1,17 x 10-23 J. Tại nhiệt độ phòng tương ứng với kBT = 1,38 x 10-23 J/K x 300K = 4,1 x 10-21J. Như vậy: a B H k BT 1,17 10 23 4,1 10 21 2,8 10 3 1 Khi đó ta có thể thay thế L(a) bằng a/3. Từ (1.11) và (1.12) ta được: M N 2 H 3k B T (1.14) 14 Và do đó độ cảm từ là: M H N 2 3k BT (1.15) Khi nghiên cứu hiệu ứng GMR trong các hợp kim dị thể về mặt từ dạng hạt người ta nhận thấy hiệu ứng GMR phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ đo, cấu hình đo, thành phần hợp thức của mẫu,... và đặc biệt là chế độ xử lí nhiệt. Như vậy một yêu cầu đặt ra là xác định kích thước hạt sắt từ khi nghiên cứu hiệu ứng GMR. Có nhiều phương pháp có thể sử dụng để xác định kích thước hạt như dùng phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử truyền qua TEM,... và phương pháp xác định kích thước hạt bằng cách so sánh đường cong từ hoá thực nghiệm với các đường cong từ hoá lý thuyết M = M(H) với các kích thước hạt D khác nhau dựa trên lý thuyết Langevin về thuận từ. 1.2. Vật liệu thuận từ và vật liệu siêu thuận từ 1.2.1. Vật liệu thuận từ Chất thuận từ là những chất mà nguyên tử của chúng có các điện tử không tạo cặp, tức là có những momen từ (spin) không triệt tiêu nhau. Nói cách khác, trong chất thuận từ tồn tại các phân lớp mà ở đó điện tử không điền đầy (phân lớp 3d, 4f),các số lượng tử L, S và J có thể khác không làm cho momen từ nguyên tử khác không: j =g e J ( J 1) . Khi không có từ 2m trường ngoài, H=0, các momen từ nguyên tử của chất thuận từ không song song nhau, vì vậy mặc dù a 0 , nhưng tổng của chúng bằng không a =0. Vậy người ta nói không có trật tự từ trong chất thuận từ. Hình 1.12a cho thấy cấu trúc vi mô của chất thuận từ khi không có từ trường ngoài. Khi đặt trong từ trường ngoài, chất thuận từ bị từ hóa và đạt bão hòa tại từ trường rất lớn cỡ ~ 1011 A/m (nhiệt độ phòng). Tương tác giữa 15 momen từ của chất thuận từ và từ trường H làm cho chúng sắp xếp lại song song nhau tạo ra bão hòa từ (Hình 1.12b). Curie đã đưa ra biểu thức thể hiện sự phụ thuộc của từ cảm chất thuận từ vào nhiệt độ: C T (1.16) Với C là hằng số Curier Momen từ của 1 nguyên tử H=0 (a) (b)H 0 (~1011A/m) (b) Hình 1.12. Cách sắp xếp momen từ nguyên tử trong chất thuận từ khi không có từ trường ngoài (a) và khi có từ trường ngoài (b) Định luật Curie do Pierre Curie phát hiện bằng thực nghiệm. Nhưng cho đến mười năm sau, Langevin mới đưa ra lý thuyết thống kê giải thích định luật Curie. Cơ sở lý thuyết thuận từ Langevin là giả thiết cho rằng trong chất thuận từ các nguyên tử mang momen từ không tương tác với nhau và chỉ tương tác với từ trường ngoài H. Vì vậy, khi H = 0, các momen từ của các hạt (nguyên tử hay phân tử) định hướng ngẫu nhiên và triệt tiêu nhau, không tồn tại trật tự từ (năng lượng phá vỡ trật tự từ). 1.2.2. Vật liệu siêu thuận từ