Chương 1 chủ yếu đưa ra lý thuyết cơ bản về hiệu ứng từ trở, hiện tượng từ điện và những chủ đề liên quan tới các chương tiếp theo. Nghiên cứu hiện tượng từ - điện và ứng dụng. Chương 2 chủ yếu trình bày các phương pháp và thực nghiệm được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn đặc biệt là tối ưu hóa quá trình tạo các cấu trúc đa lớp Cu/Co/Cu có hiệu ứng từ trở tốt nhất. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu các tính chất từ và hiệu ứng từ điện trở của các hệ đã được tạo ra trong chương 2.
Nghiên cứu khả năng ứng dụng của việc đảo từ cảm ứng bởi điện trường phục vụ cho việc chế tạo MERAMs trong tương lai. Chương 4 đưa một công cụ mô phỏng mới cho các tính chất của hiệu ứng từ trở khổng lồ. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 Chƣơng 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Vật liệu tổ hợp từ-điện trở và áp điện Vật liệu tổ hợp từ-điện là vật liệu kết hợp của hai vật liệu sắt từ và sắt điện.
Đây là vật liệu lai có sự tồn tại đồng thời các thuộc tính của cả pha từ và pha điện. Hiện nay, nghiên cứu trên các vật liệu lai tổ hợp dạng này đang là mối quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhóm trên thế giới do triển vọng ứng dụng rộng rãi của vật liệu cũng như các hiệu ứng vật lý mới được phát hiện trên hệ này. Như đã đề cập ở trên, hiệu ứng từ điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Bằng các cơ chế tác động khác nhau vào vật liệu tổ hợp từ điện chúng ta có thể làm thay đổi từ độ hoặc sự phân cực điện của vật liệu.
Hình minh họa hiệu ứng từ-điện trên vật liệu tổ hợp từ điện Với vật liệu tổ hợp dạng này, hiệu ứng từ điện có thể được chia thành 2 loại (hình 1.1) (i) Dùng từ trường để điều khiển véc tơ phân cực điện: Dưới tác dụng của một từ trường lên pha sắt từ, chúng sẽ bị biến dạng do hiệu ứng từ giảo. Do có sự tương tác trao đổi qua lại giữa hai pha sẽ dẫn đến sự biến dạng của pha sắt điện. Do hiệu ứng áp điện, ứng suất sinh ra do sự biến dạng này sẽ làm thay đổi vector phân cực điện của pha sắt điện. Hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng từ-điện thuận (Magnetoelectric - ME).
Một trong những khả năng ứng dụng đang được khai thác trên hiệu ứng ME này là chế tạo các cảm biến đo từ trường, máy phát…[15] TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 (ii) Dùng điện trường để tác động lên mômen từ trong pha sắt từ: Khi tác dụng điện trường ngoài vào vật liệu tổ hợp, pha sắt điện sẽ chịu biến dạng cưỡng bức do hiệu ứng áp điện. Sự biến dạng này sẽ kéo theo sự biến dạng sắt từ và do đó trong lòng pha sắt từ này sẽ tồn tại một ứng suất nội tại dẫn đến sự thay đổi moment từ của vật liệu. Hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng từ-điện nghịch (Converse Magnetoelectric - CME). So với hiệu ứng ME, hiệu ứng CME là một hiệu ứng mới, gần đây đang được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ, trong đó phải kể đến một số ứng dụng như lưu trữ thông tin máy tính [3].
Một số nghiên cứu mới gần đây nhất được công bố đã chỉ ra được sự thay đổi định hướng từ độ trong màng mỏng sắt từ Ni dưới tác dụng của ứng suất gây ra bởi tấm áp điện Pb(Mg1/3Nb2/3)O3](1-x)-[PbTiO3] khi có tác dụng của điện trường. Bằng cách thay đổi ứng suất khác nhau, ta có thế điều khiển định hướng của mômen từ trong vật liệu. Chúng ta cần để ý rằng với vật liệu từ giảo mà điện trở của nó phụ thuộc chặt chẽ vào moment từ độ của nó thì thông qua việc sử dụng điện trường điều khiển moment từ ta có thể điều khiển được điện trở của vật liệu. Ý tưởng này này có thể áp dụng rất tốt cho các vật liệu tổ hợp có chứa vật liệu áp điện PZT và các màng GMR có chứa một lớp từ giảo.
Như đã trình bày ở trên, điện trở của hệ màng này sẽ bị chi phối mạnh mẽ bởi sự thay đổi từ độ này, do đó điện trở của màng sẽ bị thay đổi khi có điện trường tác dụng vào tấm áp điện. Dựa trên ý tưởng này mà ta có thể điều khiển được các tính chất khác là hệ quả của quá trình từ hóa trong các pha vật liệu sắt từ. Một trong số đó phải kể đến sự thay đổi của điện trở của màng mỏng do ứng suất nhờ điện trường. Trong luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu vật liệu tổ hợp của vật liệu áp điện và vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ dạng màng mỏng cấu trúc spin-van.
Vật liệu áp điện Vật liệu áp điện là vật liệu có độ phân cực điện thay đổi khi chịu tác dụng của một ứng suất cơ học (hiệu ứng áp điện thuận) hoặc có thể thay đổi hình dạng khi đặt trong một điện trường ngoài (hiệu ứng áp điện nghịch). Trong các nghiên cứu của luận văn, chúng tôi sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch với mục đích tạo ứng suất cơ học nhờ tác dụng của điện áp cấp vào áp điện.2 minh họa cơ chế của hiệu ứng áp điện nghịch TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Hình minh họa hiệu ứng áp điện nghịch trên vật liệu áp điện Loại vật liệu áp điện đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu hiện nay là gốm áp điện có cấu trúc Perovskite như BaTiO3 hoặc Pb(ZrxTi1-x)O3, do có hệ số áp điện và hằng số điện môi lớn. Công thức hóa học chung của vật liệu perovskite là ABX3, trong đó A, B là hai cation có hóa trị lần lượt là +2 và +4, X là anion liên kết với hai cation A và B.
Trong luận văn này chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện là PZT. Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương (trái) và mặt thoi (phải) [2] Trên hình 1.3 minh họa cấu trúc ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương và mặt thoi. Hiệu ứng áp điện có thể giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trong ô đơn vị này. Dưới tác dụng của một điện trường ngoài theo phương trục Oz, các ion O2- sẽ bị hút về điện cực dương, các ion Zn4+/Ti4+ và Pb2+ sẽ bị hút về điện cực còn lại.
Do có sự dịch chuyển này, liên kết giữa các ion trong tinh thể và do đó khoảng cách giữa các ion này sẽ bị thay đổi. Kết quả là tinh thể áp điện sẽ bị biến dạng và hiện tượng này gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. PZT là vật liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Tuỳ vào mục đích mà người ta sẽ chọn các thành phần gốm PZT với tỷ lệ Zr/Ti phù hợp để ứng dụng.
Hiện nay, các vật liệu áp điện PZT có thành phần và tính chất tối ưu tùy vào mục đích sử dụng đã được thương mại hóa và sản xuất hàng loạt theo yêu cầu được cung cấp bởi các công ty với giá thành thấp. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Vật liệu từ-điện trở Từ trở (MR) được hiểu là sự thay đổi điện trở của vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài và được đặc trưng bởi tỷ số: ( H ) (0) R( H ) R(0) MR(%) (1.1) (0) R(0) với (0) và R(0) lần lượt là điện trở suất và điện trở của vật liệu khi chưa có từ trường; ( H ) và R( H ) thứ tự là điện trở suất và điện trở của vật liệu khi đặt trong từ trường. Năm 1988 nhóm nghiên cứu của M.N Baibich và nhóm nghiên cứu G.Binasch đã phát hiện ra hiện tượng dị thường trong các cấu trúc màng mỏng đa lớp của sắt từ và phản sắt từ [7, 9].
Sự phân cực electron trong các màng mỏng từ và các linh kiện có cấu trúc micro sẽ dẫn tới hiệu ứng từ trở trong từ trường thấp. Sự nhảy vọt của các nghiên cứu về “Từ điện trở” gắn với sự phát hiện của một hiệu ứng từ điện trở mới đó là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. Năm 1988, nhóm nghiên cứu của Albert Fert (Pháp) phát hiện ra hiệu ứng từ điện trở có tỉ số MR rất lớn trong các màng mỏng đa lớp Fe/Cr (001) đồng thời với nhóm này, nhóm của Peter Grunberg (Đức) cũng phát hiện ra hiệu ứng này trên màng mỏng 3 lớp Fe/Cr/Fe (hình 1. Hiệu ứng này được đặt tên là từ điện trở khổng lồ.
Thực chất của tính từ “khổng lồ” không nằm ở độ lớn của tỉ số từ trở mà nằm ở cơ chế tạo nên hiệu ứng. Trong luận văn này, hiệu ứng từ điện trở khổng lồ được định nghĩa như sau: R R R (1.2) R R ở đây, R là điện trở của vật liệu khi các lớp sắt từ sắp xếp song song và R là điện trở ở trật tự phản song song. Từ năm 2003 đến 2005, dựa vào mô hình electron tự do trong xấp xỉ của Fuchs- Sondheimer, R. Barnas và nhiều nhà khoa học khác đã phát triển lý thuyết GMR và đưa đưa ra nhiều mô hình lý thuyết mô tả những khía cạnh khác nhau của GMR.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Cơ chế tạo nên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 1. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn + Nghiên cứu công nghệ, ổn định chế tạo các cấu trúc GMR nanô kiểu màng spin-valve có hiệu ứng từ trở cao và nhạy với ứng suất. Khảo sát các đặc trưng tính chất (cấu trúc, tính chất từ, từ trở, từ đàn hồi…) và tối ưu hóa qui trình công nghệ, vật liệu, cấu hình.
Vật liệu NiFe đóng vai trò là lớp từ mềm có lực kháng từ nhỏ và lớp Co bị ghim từ bởi lớp IrMn. Cu được sử dụng để chế tạo lớp không từ theo cấu trúc được đưa ra như trên hình 1. Lớp sắt từ bị ghim Lớp không từ Lớp sắt từ tự do Thủy tinh Hình 1. Cấu trúc GMR dạng spin-van + Chế tạo và nghiên cứu vật liệu lưỡng tính từ - điện sử dụng các vật liệu từ trở và áp điện chế tạo được dạng màng mỏng.
Khảo sát các thuộc tính, đặc trưng từ, điện, TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 từ-điện và ảnh hưởng của điện trường ngoài đến quá trình đảo từ và từ trở của các vật liệu lưỡng tính, cấu trúc được đưa ra như trên hình 1. + Nghiên cứu tính chất từ điện và quá trình đảo từ cảm ứng bởi điện trường đối với các màng mỏng đã chế tạo được.