CHƯƠNG 1. HIỆN TƯỢNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMR Từ những năm cuối của thập kỉ 80 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính chất vật lý mới đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ trên các hệ từ có kích thước giới hạn, đặc biệt là với những cấu trúc kích thước nanomet. Nổi bật lên trong số đó là hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR trong các màng mỏng từ hay trong các siêu mạng từ. Về phương diện vật lý, hiệu ứng GMR là hiện tượng mới, những hiểu biết về nó chưa có nhiều và cơ chế của hiệu ứng này còn nhiều điều vẫn đang cần được làm sáng tỏ.
Trong khi đó, các linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng GMR hiện đang được khai thác ráo riết và triển khai ứng dụng rộng rãi trong đời sống bởi vì nó đáp ứng được những yêu cầu mới của ngành công nghệ thông tin và điện tử học hiện đại. Những ứng dụng nổi bật có thể thấy rõ trong lĩnh vực lưu trữ thông tin, đo lường từ và điều khiển bằng từ trường. Những sản phẩm thương mại đã được chế tạo ứng dụng hiệu ứng GMR mang tính chất đột phá có thể kể đến như các cảm biến từ trường thấp, đầu đọc từ mật độ cao và bộ nhớ từ không tự xoá trong máy tính… Hiệu ứng từ trở (MR) là một dạng của hiện tượng từ điện, đó là sự thay đổi của điện trở suất (hay độ dẫn điện) trong các vật dẫn dưới tác dụng của từ trường bên ngoài. Về nguyên tắc, hiệu ứng MR có trong bất kì kim loại phi từ nào và thường tăng theo cường độ từ trường ngoài tác dụng.
Cơ chế của nó là do lực Lorentz và gọi là hiệu ứng từ điện trở thường (OMR). Hiệu ứng này rất nhỏ (dưới 1%) nên ít có ứng dụng thực tế. Trong các kim loại hay hợp kim sắt từ, tỷ số MR cao hơn so với hiệu ứng OMR (có thể tới 45 % với hợp kim pecmaloy NiFe). Cơ chế của nó là do tương tác của điện tử dẫn với từ trường nội có tính dị hướng và gọi là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR).
Hiệu ứng đã từng được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các cảm biến từ trường, đầu từ MR [1]. Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm 1988 khi nhóm của Albert Fert của trường Đại học Tổng hợp Nam Pari nghiên cứu hệ siêu mạng từ (001)Fe/(001)Cr chế tạo theo phương pháp epitaxy bằng chùm phân tử (MBE) [4]. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 Tỷ số MR đạt được khoảng 50% ở nhiệt độ 4,2 0K đối với hệ có cấu trúc [Fe(30Å)/Cr(9Å)]40, nghĩa là hệ gồm 40 lớp kép Fe/Cr, chiều dày Fe và Cr trong mỗi lớp kép tương ứng là 30Å và 9Å. Giá trị MR này rất lớn chưa từng quan sát thấy trước đó nên hiệu ứng này được gọi tên là từ điện trở khổng lồ (GMR).
Từ trở của 3 siêu mạng Fe/Cr đo ở nhiệt độ 4,2 0K Sau đó, một loạt các hệ từ đa lớp cũng như không phân lớp khác đã được chế tạo và nghiên cứu, kết quả là chúng đều có hiệu ứng GMR. Điều đó chứng tỏ GMR là hiện tượng phổ biến trong các hệ từ có cấu trúc không liên tục (sắt từ xen giữa các lớp phi từ). Những giải thích đầu tiên về hiệu ứng GMR là do sự truyền phụ thuộc spin của các điện tử dẫn. Do thuộc tính có spin của điện tử, nên các điện tử với chiều spin xác định (spin- hoặc spin-) có xác suất tán xạ khác nhau tại bề mặt phân cách giữa các lớp sắt từ và phi từ, nó phụ thuộc cả vào sự sắp xếp từ độ của các lớp sắt từ.
Khi không có từ trường ngoài, các lớp sắt từ sắp xếp phản song với nhau, cả hai loại điện tử với spin- và spin- đều bị tán xạ như nhau khi đi qua cấu trúc này nên điện trở của cả hệ là lớn. Từ trường ngoài có tác dụng sắp xếp lại vectơ từ độ của các lớp sắt từ theo hướng song song với nhau. Khi đó, xác suất tán xạ của một trong hai loại spin- hoặc spin- sẽ giảm xuống và coi như hệ mở thông kênh spin TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 này, các điện tử dẫn chủ yếu là do điện tử với một trong hai loại spin có xác suất tán xạ thấp [4]. Lí p tõ Lí p phi tõ H=0 H > HS Spin- Spin- Spin- Spin- Spin- Spin- Spin- Spin- a) b) AF FM Hình 1.
Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong cấu hình đo CPP của màng từ đa lớp. a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM.3 là sơ đồ đơn giản minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong màng từ đa lớp. Trạng thái điện trở cao ứng với sự phản song của các vec tơ từ độ (a) và trạng thái điện trở thấp ứng với sự song song của các vec tơ từ độ (b).2, dòng điện được đặt vuông góc với mặt phẳng màng (CPP), do đó nó đi từ lớp từ này sang lớp từ khác thông qua các lớp phi từ.3, dòng điện chạy trong mặt phẳng màng (CIP) và tán xạ với các mô men từ tại bề mặt phân cách là chủ yếu. Mặc dù sự tán xạ phụ thuộc spin bắt nguồn từ các lớp sắt từ, nhưng một điều đặc biệt quan trọng là sự tán xạ không chỉ xảy ra trong lòng mỗi lớp sắt từ mà cả ở bề mặt phân cách giữa lớp sắt từ và lớp phi từ.
Sự tán xạ phụ thuộc spin xảy ra bên trong của lớp sắt từ gọi là tán xạ khối, còn ở trên bề mặt phân cách giữa lớp từ và lớp phi từ gọi là tán xạ a) Trạng thái điện trở cao mặt phân cách. Thực nghiệm cho thấy tán xạ trên mặt phân cách là đóng góp chính của GMR trong b) Trạng thái điện trở thấp Hình 1. Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong cấu hình đo CIP của màng từ đa lớp. a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 cấu hình đo CIP. Tán xạ bề mặt càng mạnh thì tỷ số GMR càng lớn. Các mô hình lý thuyết được xây dựng về sau này để giải thích bản chất của GMR cũng chủ yếu dựa trên sự tán xạ bất đối xứng giữa 2 kênh dẫn spin gây bởi sự sắp xếp song song (FM) hay phản song song (AFM) của các lớp sắt từ. Ngoài ra còn có sự đóng góp một phần của tán xạ phụ thuộc spin ở bên trong các hạt sắt từ.
Như vậy, có thể thấy rằng nguyên nhân gây nên hiệu ứng GMR là do sự sắp xếp lại các vectơ từ độ theo hướng song song với nhau dưới tác dụng của từ trường. Tỷ số GMR sẽ đạt được giá trị cao nhất khi các vectơ từ độ là hoàn toàn phản song với nhau trong trạng thái không có từ trường, còn khi có từ trường, chúng là hoàn toàn song song (Hình 1. ∆R/R0 - HS 0 HS Từ trường Hình 1. Đường cong từ trở của màng từ đa lớp với các cấu hình từ độ tương ứng 1.
Tương tác trao đổi dạng dao động RKKY trong màng từ đa lớp Tương tác trao đổi giữa các lớp sắt từ thông qua lớp đệm bằng kim loại phi từ thường được khảo sát trong các màng từ đa lớp loại {FM(tF))/NM(tnm)}n trong đó FM là kim loại chuyển tiếp sắt từ FM = Fe, Co, Ni và các hợp kim của chúng với độ dày tF, NM là các kim loại phi từ như Cu, Ag, Au, Cr, Mo, Ru, Re, Ir… với độ dày tnm. Trong trường hợp các màng mỏng có chất lượng tốt, sự thay đổi của cường độ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 tương tác trao đổi giữa hai lớp sắt từ J12 theo độ dày lớp đệm tnm có dạng dao động tắt dần như được minh hoạ trên hình 1.5 cho các màng mỏng đa lớp {Ni80Co20/Ru/Ni80/Co20}n. Chu kỳ của các dao động này chỉ vào khoảng vài lớp nguyên tử. Tuỳ theo chiều dày tnm sự định hướng tự phát từ độ trong hai lớp sắt từ hoặc là song song (tương tác FM) hoặc là phản song song (tương tác AFM).
Phản sắt từ (AF) Sắt từ (FM) Chiều dày lớp cách Ru (Å0) Hình 1. Sự dao động của hằng số liên kết trao đổi J12 giữa 2 lớp theo khoảng cách Liên kết từ kiểu như vậy gây nên một sự phân cực của các điện tử trong các kim loại không từ tính (đặc biệt ở gần bề mặt tiếp xúc với lớp từ tính). Trong các vật liệu dạng khối, chúng ta đã thấy rằng một tạp chất từ (ví dụ như Mn) trên nền của kim loại Cu có thể làm phân loại các điện tử dẫn của Cu ở lân cận ion Mn. Lúc đó mật độ trạng thái của các điện tử có spin- và spin- ở xung quanh tạp chất từ sẽ không bằng nhau gây nên sự phân cực spin.
Sự phân cực này dao động với véctơ sóng 2kF (kF là vectơ sóng Fermi). Nếu tính theo khoảng cách r từ tâm tạp chất, sự dao động của cường độ tương tác đó sẽ giảm theo quy luật 1/r3 tương tự như tương tác RKKY. Nếu một tạp chất từ khác định xứ ở trên một khoảng cách nào đó thì tương tác giữa các điện tử dẫn của Cu và tạp chất thứ hai này sẽ quy định định hướng từ độ của hai tạp chất từ. Sự định hướng đó là song song hoặc phản song song tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa chúng.
Trong màng mỏng đa lớp, cơ chế tương tự cũng đã được áp dụng, sự phân cực có tính dao động của các điện tử trong TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 lớp đệm không từ tính được cảm ứng bởi các nguyên tử từ tính nằm gần các lớp giao diện FM/NM [5]. Sự dao động của hiệu ứng từ trở theo độ dày lớp đệm phi từ cũng được quan sát trong trường hợp của hệ mẫu {Co(10 A0)/Cu( tCu)}n như minh hoạ trên hình 1. Nhận thấy rằng trong quy luật dao động này tỷ số MR luôn có giá trị lớn ứng với các cấu hình tương tác phản sắt từ AFM của các lớp từ tính [6]. Sự dao động của GMR theo độ dày lớp Cu trong hệ {Co(10 A0)/Cu(tCu)}n ở nhiệt độ 4,2K và 300K.
Cấu trúc van spin Cấu trúc dạng màng mỏng đa lớp tỏ ra thích hợp nhất với hiệu ứng GMR. Ngoài cấu trúc siêu mạng từ giống như cấu trúc [Fe/Cr]n ở trên, người ta còn nghiên cứu GMR trên một cấu trúc mới gọi là cấu trúc van spin thực hiện lần đầu tiên vào năm 1991 [7]. Cấu trúc van spin cơ bản gồm 2 lớp sắt từ xen giữa là 1 lớp phi từ.