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

Nghiên cứu từ trở của hệ hợp chất La2 3Pb1 3Mn1 xCoXO3 trong vùng từ trường thấp, cung cấp thông tin quan trọng cho ứng dụng vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Bích Ngọc
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Huy Sinh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu từ trở của hệ hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong vùng từ trường thấp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 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
• 1.1. Vài nét về quá trình phát triển của việc nghiên cứu từ trở
• 1.2. Điện trở và từ điện trở trong kim loại
• 1.3. Một số loại hiệu ứng từ trở
• 1.3.1. Hiệu ứng từ điện trở thường (OMR – Ordinary Magnetoresistance Effect)
• 1.3.2. Hiệu ứng từ trở dị thường AMR (Anisotropic Magnetoresistance Effect)
• 1.3.3. Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magnetoresistance - TMR)
• 1.3.4. Từ điện trở dị hướng xung kích (Ballistic Anisotropy Magnetoresistance - BAMR)
• 1.3.5. Từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance Effect - GMR)
• 1.3.6. Từ điện trở siêu khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR)
• 1.4. Một số mô hình giải thích cơ chế hiệu ứng từ trở
• 1.4.1. Giải thích theo mô hình hai dòng
• 1.4.2. Giải thích theo mô hình cấu trúc dải
• 1.4.3. Giải thích theo mô hình chuỗi rào thế
• 1.4.4. Giải thích bằng mô hình mạng điện trở (mô hình đơn giản)
• 1.5. Một số đặc trưng cơ bản của GMR
• 1.5.1. Ảnh hưởng của yếu tố cấu trúc và tạp chất
• 1.5.2. Sự phụ thuộc của GMR vào chiều dày các lớp
• 1.6. Hiệu ứng từ trở khổng lồ trong các vật liệu perovskite manganite
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo mẫu
• 2.2. Đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XPD)
• 3.2. Từ độ phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3
• 3.3. Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.30) trong vùng từ trường thấp
• 3.4. Từ trở trong vùng từ trường thấp (H=0.4T) của hệ La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.52)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu từ trở của hợp chất La2 3Pb1 3Mn1 xCoxO3

Nghiên cứu từ trở của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong từ trường thấp đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Hợp chất này thuộc nhóm vật liệu perovskite, nổi bật với tính chất từ điện và khả năng ứng dụng trong công nghệ spintronics. Việc hiểu rõ cơ chế từ trở của hợp chất này không chỉ giúp mở rộng kiến thức về vật liệu mà còn có thể dẫn đến những ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực điện tử.

1.1. Khái niệm từ trở và ứng dụng trong vật liệu

Từ trở là hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu khi có từ trường tác dụng. Hiện tượng này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến từ trường, ổ cứng máy tính và các linh kiện spintronics. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 có khả năng tạo ra từ trở lớn, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng công nghệ mới.

1.2. Tính chất từ của hợp chất La2 3Pb1 3Mn1 xCoxO3

Hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 có tính chất từ đặc biệt nhờ vào cấu trúc perovskite và sự hiện diện của các ion mangan và cobalt. Sự thay đổi nồng độ cobalt (Co doping) trong hợp chất này ảnh hưởng đến tính chất từ và từ trở, tạo ra những biến đổi đáng kể trong điện trở suất của vật liệu.

II. Thách thức trong nghiên cứu từ trở của hợp chất La2 3Pb1 3Mn1 xCoxO3

Mặc dù nghiên cứu từ trở của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 đã đạt được nhiều thành tựu, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Một trong những thách thức lớn nhất là việc xác định chính xác cơ chế hoạt động của từ trở trong các điều kiện khác nhau. Các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ tạp chất và cấu trúc tinh thể đều có thể ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ trở

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất từ và từ trở của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3. Khi nhiệt độ tăng, sự tán xạ của các điện tử cũng tăng, dẫn đến sự thay đổi trong điện trở suất. Nghiên cứu cho thấy rằng từ trở của hợp chất này có thể thay đổi đáng kể khi nhiệt độ vượt qua một ngưỡng nhất định.

2.2. Vai trò của nồng độ tạp chất trong từ trở

Nồng độ tạp chất, đặc biệt là cobalt, có ảnh hưởng lớn đến tính chất từ của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3. Việc điều chỉnh nồng độ tạp chất có thể tạo ra những biến đổi trong cấu trúc điện tử, từ đó ảnh hưởng đến từ trở. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định nồng độ tối ưu để đạt được từ trở lớn nhất.

III. Phương pháp nghiên cứu từ trở của hợp chất La2 3Pb1 3Mn1 xCoxO3

Để nghiên cứu từ trở của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3, các phương pháp thực nghiệm hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm đo điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường, cũng như phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X. Những phương pháp này giúp xác định rõ hơn về cơ chế từ trở và các yếu tố ảnh hưởng đến nó.

3.1. Phương pháp đo điện trở

Phương pháp đo điện trở là một trong những kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu từ trở. Bằng cách đo điện trở của mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 trong các điều kiện khác nhau, có thể xác định được sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ và từ trường. Kết quả từ các phép đo này cung cấp thông tin quý giá về cơ chế từ trở của hợp chất.

3.2. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ tia X là một phương pháp hiệu quả để phân tích cấu trúc tinh thể của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3. Phương pháp này cho phép xác định các thông số mạng và cấu trúc tinh thể, từ đó giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất từ của hợp chất.

IV. Kết quả nghiên cứu từ trở của hợp chất La2 3Pb1 3Mn1 xCoxO3

Kết quả nghiên cứu cho thấy hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 có từ trở lớn trong vùng từ trường thấp. Các phép đo cho thấy rằng từ trở của hợp chất này có thể đạt giá trị cao khi nồng độ cobalt được điều chỉnh hợp lý. Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu từ tính ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

4.1. Đánh giá từ trở trong vùng từ trường thấp

Kết quả đo từ trở trong vùng từ trường thấp cho thấy rằng hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 có khả năng tạo ra từ trở lớn. Điều này chứng tỏ rằng hợp chất này có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử và cảm biến từ trường.

4.2. So sánh với các hợp chất khác

Khi so sánh với các hợp chất khác trong cùng nhóm vật liệu, La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 cho thấy tính chất từ vượt trội hơn. Điều này cho thấy rằng hợp chất này có thể là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng trong công nghệ spintronics và các thiết bị từ tính khác.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu từ trở của hợp chất La2 3Pb1 3Mn1 xCoxO3

Nghiên cứu từ trở của hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 đã chỉ ra rằng hợp chất này có tiềm năng lớn trong việc phát triển các vật liệu từ tính ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Những kết quả đạt được không chỉ mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu mà còn có thể dẫn đến những ứng dụng thực tiễn trong tương lai.

5.1. Triển vọng ứng dụng trong công nghệ spintronics

Hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 có thể được ứng dụng trong công nghệ spintronics nhờ vào tính chất từ lớn và khả năng điều chỉnh từ trở. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các linh kiện điện tử mới với hiệu suất cao hơn.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa nồng độ tạp chất và điều kiện chế tạo để đạt được từ trở lớn nhất. Đồng thời, việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế từ trở cũng cần được thực hiện để hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ của hợp chất này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực điện tử học spin (Spintronics) và công nghệ lưu trữ dữ liệu mật độ cao bắt nguồn từ các khám phá đột phá về hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR) và từ trở siêu khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR). Trong các vật liệu oxit manganite có cấu trúc perovskite, điện trở suất có thể sụt giảm mạnh mẽ dưới tác dụng của từ trường ngoài, mở ra triển vọng to lớn cho việc chế tạo các cảm biến từ trường độ nhạy cao, đầu đọc đĩa cứng và thiết bị đo lường tự động. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất là phần lớn các vật liệu CMR truyền thống chỉ thể hiện hiệu ứng từ trở lớn ở môi trường từ trường cực cao hàng Tesla hoặc nhiệt độ rất thấp dưới 150 K. Điều này gây cản trở nghiêm trọng cho quá trình ứng dụng thương mại đại trà.

Để giải quyết vấn đề này, đề tài nghiên cứu tập trung khảo sát cấu trúc tinh thể, tính chất từ và hành vi từ trở của hệ hợp chất perovskite manganite La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 với 5 dải nồng độ thay thế x = 0.00, 0.05, 0.10, 0.20 và 0.30. Toàn bộ quá trình thực nghiệm được triển khai trong phạm vi từ trường thấp từ 0 đến 0.4 T tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là làm sáng tỏ cơ chế vi mô của tương tác trao đổi kép và tương tác siêu trao đổi khi thay thế một phần ion Mn bằng ion Co, xác định chính xác sự biến thiên của nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ trong khoảng 355 K đến 305 K, cùng nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi từ 265 K xuống 190 K. Ý nghĩa thực tiễn của công trình là cung cấp luận cứ khoa học để thiết kế các loại vật liệu từ trở hoạt động gần nhiệt độ phòng trong vùng từ trường thấp, giúp giảm tiêu hao năng lượng vận hành thiết bị lên đến hơn 40%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nền tảng lý thuyết của đề tài được xây dựng trên hai trụ cột chính: mô hình hai dòng dẫn của Mott và cơ chế tương tác trao đổi kép (Double Exchange - DE) của Zener. Theo mô hình hai dòng của Mott, dòng điện trong kim loại sắt từ được chia thành hai kênh độc lập tương ứng với các điện tử có spin song song (spin up) và phản song song (spin down) so với phương từ độ tự phát. Khi có từ trường ngoài định hướng lại các mômen từ cục bộ, kênh điện tử có spin cùng chiều với từ độ ít bị tán xạ hơn, làm cho điện trở tổng cộng của vật liệu giảm mạnh.

Trong hệ vật liệu perovskite manganite có công thức tổng quát ABO3, tính chất dẫn điện và từ tính được quyết định bởi tỷ lệ giữa các ion Mn3+ (cấu hình t2g3eg1) và Mn4+ (cấu hình t2g3eg0) thông qua cầu nối oxy O2-. Tương tác trao đổi kép DE cho phép điện tử nhảy từ quỹ đạo eg của Mn3+ sang Mn4+, đồng thời thiết lập trật tự sắt từ và tính dẫn điện kiểu kim loại. Khi đưa nguyên tố Cobalt (Co) vào vị trí của Mangan (Mn), cấu trúc mạng tinh thể chịu ảnh hưởng bởi tương tác siêu trao đổi phản sắt từ (Super Exchange - SE) giữa các cặp ion Co-Co hoặc Co-Mn, cùng với sự biến dạng mạng do hiệu ứng Jahn-Teller. Các khái niệm cốt lõi được sử dụng xuyên suốt bao gồm: nhiệt độ Curie (TC), nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi (TP), trạng thái thủy tinh spin (Spin Glass) và thừa số dung hạn Goldschmidt (τ) nhằm định lượng mức độ ổn định của mạng tinh thể oxit.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng tập mẫu thực nghiệm gồm 5 mẫu gốm oxit La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 với các tỷ lệ pha tạp xác định: x = 0.00 (mẫu chuẩn không pha tạp), x = 0.05, x = 0.10, x = 0.20 và x = 0.30. Phương pháp chọn mẫu theo nồng độ pha tạp tăng dần được áp dụng để theo dõi có hệ thống sự thay đổi cấu trúc và các chuyển pha vật lý theo hàm lượng Co. Toàn bộ mẫu được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống. Quy trình bắt đầu bằng việc cân phối liệu oxit có độ sạch cao gồm La2O3, PbCO3, MnO và CoO theo đúng tỷ lượng hợp thức. Hỗn hợp được nghiền cơ học từ 60 đến 90 phút, sấy khô ở 200°C trong 10 giờ, ép viên dưới áp lực 3 đến 4 tấn/cm2, sau đó nung sơ bộ ở nhiệt độ 1050°C đến 1100°C trong 12 đến 24 giờ. Quá trình thiêu kết cuối cùng được thực hiện tại 1150°C trong 10 đến 20 giờ và ủ ổn định cấu trúc ở 600°C đến 650°C trong 48 giờ trước khi làm nguội chậm theo lò về nhiệt độ phòng.

Về phương pháp phân tích, cấu trúc tinh thể được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ở nhiệt độ phòng nhằm xác định độ đơn pha, các tham số mạng và thể tích ô cơ sở. Tính chất từ được khảo sát qua phép đo đường cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ M(T) theo hai chế độ: làm lạnh không từ trường (ZFC) và làm lạnh trong từ trường (FC) dưới từ trường nhỏ H = 50 Oe. Đặc tính điện trở R(T) và từ trở CMR(H) được khảo sát bằng phương pháp bốn mũi dò mạ vàng kết nối với thiết bị đo đa kênh Keithley và card ghép nối máy tính IEEE-488. Việc lựa chọn phương pháp bốn mũi dò là bắt buộc để loại trừ hoàn toàn sai số do điện trở tiếp xúc giữa mũi dò và bề mặt mẫu gốm, đảm bảo độ chính xác cao khi thu thập dữ liệu trong dải từ trường thấp từ 0 đến 0.4 T và dải nhiệt độ từ 100 K đến 400 K.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy tất cả các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 từ x = 0.00 đến x = 0.30 đều là vật liệu đơn pha, kết tinh hoàn hảo trong cấu trúc Perovskite hệ lục giác (Hexagonal) mà không xuất hiện bất kỳ vạch nhiễu xạ của pha lạ. Tham số mạng và thể tích ô cơ sở biến thiên rõ rệt theo hàm lượng pha tạp: thể tích ô cơ sở V giảm dần từ 356.382 ų ở mẫu x = 0.00 xuống 353.356 ų ở mẫu x = 0.30, tương ứng mức co ngót thể tích khoảng 0.85%. Thừa số dung hạn Goldschmidt tăng nhẹ từ 0.7741 lên 0.7749 do bán kính ion Co3+ (0.63 Å) nhỏ hơn bán kính ion Mn3+ (0.66 Å).

Đo đạc từ độ M(T) ghi nhận sự dịch chuyển mạnh mẽ của nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (TC). Cụ thể, nhiệt độ Curie sụt giảm liên tục từ 355 K (khoảng 82°C) ở mẫu x = 0.00 xuống 350 K (x = 0.05), 345 K (x = 0.10), 325 K (x = 0.20) và đạt 305 K (khoảng 32°C) ở mẫu x = 0.30. Ở vùng nhiệt độ thấp dưới TC, đường cong ZFC và FC phân tách rõ nét; đặc biệt ở mẫu có nồng độ Co cao (x = 0.30), từ độ ZFC giảm sâu, phản ánh sự hình thành trạng thái thủy tinh spin hoặc các cụm spin mất trật tự.

Đặc trưng điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ R(T) thể hiện rõ chuyển pha từ tính dẫn kim loại ở nhiệt độ thấp sang tính dẫn bán dẫn/điện môi ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cực đại điện trở TP khi không có từ trường giảm mạnh từ 265 K ở mẫu x = 0.00 xuống 247 K ở mẫu x = 0.05 và xuống 190 K ở mẫu x = 0.10. Khi đặt mẫu trong từ trường thấp H = 0.4 T, điện trở suất tại đỉnh chuyển pha giảm mạnh và nhiệt độ TP dịch chuyển về phía nhiệt độ cao hơn (đạt 270 K ở mẫu x = 0.00 và 251 K ở mẫu x = 0.05).

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm được biểu diễn trực quan thông qua hệ thống bảng tham số mạng tinh thể và các đồ thị đường cong nhiệt từ M(T), R(T). Trên đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ, việc từ trường ngoài H = 0.4 T làm dịch chuyển đỉnh điện trở cực đại về phía nhiệt độ cao hơn (tăng từ 4 K đến 8 K) chứng minh rằng từ trường đã hỗ trợ định hướng các mômen từ spin, làm cho trạng thái sắt từ và liên kết trao đổi kép DE được thiết lập sớm hơn so với điều kiện không có từ trường ngoài.

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự suy giảm của cả nhiệt độ Curie TC và nhiệt độ chuyển pha kim loại TP khi tăng nồng độ Co là do sự phá vỡ cân bằng tỷ lệ Mn3+/Mn4+. Việc đưa các ion Co3+ và Co4+ vào mạng tinh thể làm suy yếu tương tác trao đổi kép sắt từ Zener, đồng thời kích hoạt các tương tác siêu trao đổi phản sắt từ SE giữa Co4+-Co4+ và Mn4+-Mn4+. Sự phức tạp về trạng thái spin của ion Cobalt cùng với hiệu ứng méo mạng Jahn-Teller làm tăng tán xạ spin và làm hẹp độ rộng dải dẫn điện eg. So sánh với các nghiên cứu perovskite manganite pha tạp kim loại chuyển tiếp khác, hệ hợp chất La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 có ưu điểm nổi bật là duy trì được nhiệt độ chuyển pha TC và TP nằm gần nhiệt độ phòng (khoảng 300 K) ở nồng độ pha tạp thấp (x <= 0.05), tạo tiền đề tối ưu cho các thiết bị cảm ứng từ hoạt động ở điều kiện môi trường tự nhiên mà không cần hệ thống làm lạnh phụ trợ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm của luận văn, bốn giải pháp và khuyến nghị hành động cụ thể được đề xuất nhằm tiếp tục hoàn thiện và ứng dụng hệ vật liệu từ trở:

1. Tối ưu hóa thông số nhiệt luyện và tỷ lệ pha tạp đa thành phần: Nhóm nghiên cứu vật liệu tại các trường đại học và viện chuyên ngành cần tiến hành khảo sát mở rộng dải nhiệt độ thiêu kết từ 1150°C đến 1250°C và kết hợp đồng pha tạp kim loại kiềm thổ ở vị trí A nhằm nâng cao tỷ số từ trở CMR đạt trên 15% trong từ trường thấp dưới 0.2 T, hoàn thành trong vòng 12 tháng.
2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu ở dạng màng mỏng nano: Các phòng thí nghiệm công nghệ nano cần ứng dụng kỹ thuật phún xạ catốt hoặc lắng đọng xung laser (PLD) để chế tạo màng mỏng La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 với độ dày kiểm soát dưới 50 nm, giúp gia tăng đáng kể diện tích bề mặt phân cách và hiệu ứng từ trở bề mặt ở nhiệt độ 300 K, thời gian triển khai trong 18 tháng.
3. Thử nghiệm tích hợp vào cảm biến từ trường thấp: Các doanh nghiệp sản xuất linh kiện vi điện tử phối hợp với nhóm tác giả tiến hành thiết kế mẫu thử cảm biến dòng điện và đầu dò từ trường thấp sử dụng mẫu hợp chất x = 0.05, đạt ngưỡng phát hiện từ trường dưới 0.1 T, lộ trình thử nghiệm trong 6 tháng.
4. Xây dựng mô hình mô phỏng vi mô cấu trúc spin: Đội ngũ chuyên gia vật lý tính toán cần triển khai mô phỏng Monte Carlo và tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để phân tích chi tiết sự cạnh tranh giữa tương tác DE và SE theo từng cấu hình spin của Co, xuất bản báo cáo đối sánh toàn diện trong thời gian 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên sâu và giá trị cho bốn nhóm đối tượng cụ thể sau:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Vật lý nhiệt: Nắm vững quy trình chế tạo vật liệu gốm oxit phức hợp theo phương pháp phản ứng pha rắn, kỹ thuật đo bốn mũi dò tự động hóa và phương pháp phân tích chuyển pha từ tính.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm và hệ thống lý thuyết về mô hình hai dòng Mott, tương tác Zener và hiệu ứng Jahn-Teller làm giáo trình bài giảng chuyên đề Spintronics và vật liệu từ tiên tiến.
• Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp vi điện tử và tự động hóa: Khai thác các số liệu từ trở vùng từ trường thấp (H <= 0.4 T) để phát triển thế hệ cảm biến đo trường, cảm biến vị trí và đầu đọc dữ liệu từ tính có độ nhạy cao.
• Chuyên gia quản lý và hoạch định dự án công nghệ cao: Tham khảo cơ sở dữ liệu về tính chất vật lý của perovskite manganite để xây dựng định hướng đầu tư nghiên cứu vật liệu thông minh và linh kiện nano thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

Hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR) trong hệ vật liệu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 là gì?
Đây là hiện tượng điện trở suất của hợp chất oxit manganite sụt giảm mạnh khi đặt trong từ trường ngoài. Dưới tác dụng của từ trường H = 0.4 T, các mômen từ cục bộ bị định hướng song song, làm tăng xác suất chuyển dời của điện tử qua cầu nối oxy và giảm tán xạ spin, dẫn đến độ dẫn điện của mẫu tăng vọt tại vùng nhiệt độ chuyển pha.

Tại sao việc pha tạp Cobalt (Co) lại làm giảm nhiệt độ Curie TC từ 355 K xuống 305 K?
Nguyên nhân là do ion Co thay thế vào vị trí Mn làm suy giảm tương tác trao đổi kép sắt từ giữa các cặp Mn3+-Mn4+, đồng thời làm xuất hiện các tương tác siêu trao đổi phản sắt từ giữa Co-Co và Mn-Mn. Bán kính ion Co nhỏ hơn Mn cũng gây méo mạng tinh thể, làm giảm góc liên kết kim loại - oxy và hạ thấp nhiệt độ Curie.

Vì sao phương pháp bốn mũi dò được ưu tiên sử dụng thay vì phương pháp hai mũi dò?
Phương pháp bốn mũi dò tách biệt kênh cấp dòng điện (qua hai mũi ngoài 1 và 4) và kênh đo điện áp (qua hai mũi trong 2 và 3). Kỹ thuật này triệt tiêu hoàn toàn sai số gây ra bởi điện trở tiếp xúc giữa mũi đo và mẫu gốm, cho phép đo chính xác các giá trị điện trở mẫu trong dải nhiệt độ rộng từ 100 K đến 400 K.

Ý nghĩa thực tiễn của việc khảo sát từ trở trong vùng từ trường thấp dưới 0.4 T là gì?
Nhiều vật liệu CMR chỉ thể hiện hiệu ứng ở từ trường rất lớn từ vài Tesla, đòi hỏi nam châm điện cồng kềnh và đắt tiền. Việc khảo sát và phát hiện biến thiên từ trở ở mức từ trường thấp 0.4 T mở ra khả năng ứng dụng trực tiếp vật liệu vào các thiết bị vi điện tử cầm tay và cảm biến dân dụng.

Sự phân tách giữa hai đường cong từ độ FC và ZFC ở nhiệt độ thấp phản ánh điều gì?
Hiện tượng tách nhánh giữa đường làm lạnh trong từ trường (FC) và làm lạnh không từ trường (ZFC) minh chứng cho sự tồn tại của trạng thái thủy tinh spin hoặc các cụm spin bị đóng băng bất trật tự. Quá trình làm lạnh không từ trường giữ nguyên sự định hướng ngẫu nhiên ban đầu của các mômen từ, khiến giá trị từ độ thấp hơn so với khi được định hướng trong từ trường.

Kết luận

• Tổng hợp thành công 5 mẫu hợp chất perovskite manganite La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00 đến 0.30) đơn pha hoàn chỉnh thuộc hệ tinh thể lục giác bằng phương pháp phản ứng pha rắn.
• Xác định quy luật co ngót thể tích ô cơ sở từ 356.382 ų xuống 353.356 ų và sự biến thiên thừa số dung hạn Goldschmidt từ 0.7741 lên 0.7749 khi tăng nồng độ pha tạp Co.
• Làm sáng tỏ quy luật sụt giảm tuyến tính của nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ TC từ 355 K xuống 305 K do sự cạnh tranh giữa tương tác trao đổi kép và tương tác siêu trao đổi.
• Khẳng định sự dịch chuyển của nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi TP về phía nhiệt độ cao hơn khi đặt mẫu dưới từ trường thấp H = 0.4 T.
• Xác định nồng độ x = 0.00 và x = 0.05 là cấu tử tối ưu nhất với nhiệt độ hoạt động gần nhiệt độ phòng, mở đường cho việc ứng dụng trong các cảm biến từ trường thế hệ mới.

Lộ trình nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc chế tạo màng mỏng nano và tối ưu hóa tỷ số từ trở trong vòng 12 đến 24 tháng tới. Độc giả, nhà khoa học và các đơn vị phát triển công nghệ quan tâm có thể khai thác chi tiết các số liệu trong toàn văn luận văn để cùng hợp tác mở rộng ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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].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).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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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:   o   H  MR= = (%) o 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.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) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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]: 3 m I 0 2 s( s  1)  M 2  ρm = 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] trao đổi mạnh dẫn đến tồn tại mômen từ nguyên tử.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.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 ↓ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.