MỤC LỤC Phần 1: TỪ HỌC (Trình bày: Bùi Nhật Nam - 0619047) 1 I-GIỚI THIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ 1 1. Nguồn gốc từ 1 1.1. Mômen từ quỹ đạo của điện tử 2 1.2. Mômen từ spin 3 1.3. Mômen từ của hạt nhân 3 1.4. Mômen từ tổng cộng của nguyên tử 3 II-CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ 3 1. Mômen (lưỡng cực) từ: 3 2. Từ độ (độ nhiễm từ hay độ từ hóa) 4 3. Từ trường 4 4. Độ cảm từ (hệ số từ hóa) 4 5. Cảm ứng từ (mật độ từ thông) 4 6. Dị hướng từ 5 1 7. Tính từ trễ - đường cong từ hóa 5 8. Đường sức từ 6 9.Domen và vách Domen từ 6 III-PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ 8 1. Chất nghịch từ 8 2. Chất thuận từ: 9 3. Chất sắt từ: 10 4. Chất phản sắt từ: 12 5. Chất feri từ (ferit): 12 6. Vật liệu từ cứng và từ mềm: 13 Phần 2: MÀNG TỪ (Trình bày: Hồ Như Thủy - 0619078) 16 I-TỪ TÍNH VÀ DỊ HƯỚNG TỪ BỀ MẶT 16 1. Từ tính bề mặt 16 a Sự tăng cường của mômen từ ở bề mặt các kim loại chuyển tiếp. 16 2 b Sự xuất hiện của mômen từ trên bề mặt của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp không có từ tính ở trạng thái thể tích. 18 2. Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ. 18 3. Dị hướng từ bề mặt 19 4. Dị hướng từ bề mặt trong các màng mỏng đa lớp 20 II-TRAO ĐỔI DỊCH (EXCHANGE BIAS) HAY TRAO ĐỔI DỊ HƯỚNG (EXCHANGE ANISOTROPY) 23 1 Hiện tượng 23 1. Giải thích 24 3. Một số tương tác khác: 27 Phần 3: HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR), TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR) TRONG MÀNG MỎNG ĐA LỚP. ỨNG DỤNG. (Trình bày: Trịnh Dũng Chinh - 0619004) 29 I-TỪ ĐIỆN TRỞ: 29 II.HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ 30 1 Khái niệm 30 3 2. Cơ chế vật lý của hiệu ứng GMR trên màng mỏng đa lớp 32 3. Nguyên nhân của từ trở khổng lồ ở màng mỏng 33 III. TỪ TRỞ DO HIỆU ỨNG ĐƯỜNG NGẦM (TMR) 34 IV. ỨNG DỤNG CỦA TỪ TRỞ KHỔNG LỒ VÀ TỪ TRỞ CHUI HẦM 36 1 SPINTRONICS (SPINTRONIC)-Một thế hệ linh kiện điện tử mới trong tương lai. 36 2. Bộ nhớ MRAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính ) 41 4 Màng Từ Phần 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ Trình bày: Bùi Nhật Nam _ MSSV: 0619047 I.GIỚI THIỆU CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ 1. Nguồn gốc từ tính: Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử, là các phần tử vật chất bé nhỏ nhất gồm có hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm, quay quanh hạt nhân và tự quay quanh nó. Khi các điện tích chuyển động thì sinh ra quanh nó một từ trường. Chính sự chuyển động của các điện tử gây ra từ tính của vật liệu, được đặc trưng bởi các mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin (quay). 1.1Mômen từ quỹ đạo của điện tử: 5 • Để đơn giản ta coi quỹ đạo chuyển động của điện tử quanh hạt nhân là một đường tròn có bán kính r, khi đó mômen từ quỹ đạo của điện tử này xác định theo biểu thức sau: (1) • Ở đây e = điện tích của điện tử, m = khối lượng điện tử, w = vận tốc góc quay, T = Chu kỳ quay, = mômen động lượng. S = diện tích mặt phẳng quỹ đạo. Quan hệ giữa mômen từ của điện tử quỹ đạo và mômen động lượng được xác định bởi tỷ số từ quay hay tỷ số hồi chuyển: (2) • Véctơ mômen từ và véctơ mômen động lượng của điện tử hướng ngược chiều nhau vì mômen từ xác định theo chiều dòng điện còn mômen động lượng xác định theo chiều chuyển động của điện tử. Trong cơ học lượng tử mối quan hệ của hai véctơ này được biểu thị dưới dạng toán tử: (3) 1.2 Mômen từ spin • điện tử cũng tự quay xung quanh mình nó (chuyển động nội tại) nên có mômen từ spin (spin có nghĩa là tự quay) có giá trị lớn gấp 2 lần mômen từ quỹ đạo: 6 l 2m e rwm 2m e rπ T e T Se Siμ 22 o        ===== l  2m e l μ γ o ==   ∧ ∧ = l 2m e μ o   (4) 1.3.Mômen từ của hạt nhân • Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương, dịch chuyển tại chỗ (do dao động nhiệt) có spin và tương tác với nhau bằng các mômen từ. • Về độ lớn, spin hạt nhân bằng spin điện tử (do điện tích bằng nhau), nhưng khối lượng hạt nhân thường lớn gấp 103 lần khối lượng của điện tử, do đó theo biểu thức mômen từ hạt nhân phải nhỏ hơn mômen từ điện tử tới 3 bậc, vì vậy nó ảnh hưởng rất ít đến tính chất từ của vật liệu, có thể bỏ qua. • Tuy nhiên trong một số trường hợp, ví dụ như hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân…, vai trò của mômen từ hạt nhân là rất quan trọng. 1.4.Mômen từ tổng cộng của nguyên tử Mômen từ của nguyên tử hợp thành là tổng của các mômen từ của các điện tử • Tổng các mômen từ quỹ đạo của điện tử: (5) Với L = là mômen động lượng tổng cộng của điện tử. • Tổng các mômen từ spin của điện tử: (6) Ở đây S = là tổng số lượng tử trạng thái (mômen động lượng spin tổng cộng) II-CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ 7 ( ) 1LL 2m e μM i oiL +== ∑  ∑ i i l ( ) 1SS m e μM i SiS +== ∑  ∑ i i s s m e μ S   = 1. Mômen (lưỡng cực) từ: Một thanh vật liệu từ dài l (đo bằng mét [m],theo hệ SI) và có cường độ cực từ là m (đo bằng Weber [Wb]) thì tích ml gọi là mômen từ, đặc trưng cho khả năng chịu tác dụng bởi từ trường ngoài của thanh, ký hiệu là M và là một đại lượng véctơ 2. Từ độ (độ nhiễm từ hay độ từ hóa) Tổng các mômen từ trong một đơn vị thể tích vật liệu gọi là từ độ hay độ từ hóa, đặc trưng cho từ tính của vật liệu, ký hiệu là I, cũng là một véctơ 3. Từ trường Khoảng không gian xung quanh các cực từ có một từ trường , đặc trưng cho tác dụng từ tính của một cực từ này lên một cực từ khác. Véctơ cường độ từ trường đều có thể được xác định tương ứng với từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây thẳng, dài (cuộn solenoid) có dòng điện chạy 4. Độ cảm từ (hệ số từ hóa) 5. Cảm ứng từ (mật độ từ thông) HχμI o  = 8 Mối quan hệ giữa từ độ và từ trường được xác định qua biểu thức: (7) χ là đại lượng không thứ nguyên,gọi là độ cảm từ hay hệ số từ hóa, đặc trưng mức độ hấp thụ từ tính trong một đơn vị thể tích vật liệu, còn µ o là độ từ thẩm của chân không , có giá trị: µ o = 4.10 -7 [H/m] Độ cảm từ tương đối: (8) 6. Dị hướng từ - Dị hướng từ tinh thể Dị hướng từ tinh thể biểu thị qua sự phụ thuộc của năng lượng từ hóa vào phương của từ trường ngoài đối với các trục tinh thể Để quay mômen từ M theo phương của từ trường từ hóa ta phải thắng được năng lượng liện kết của M với trục tinh thể, gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể: - Di hướng từ theo hình dạng Dị hướng hình dạng không phát sinh ở thuộc tính của vật liệu mà nó liên quan đến cấu trúc hình học của vật thể từ, có ảnh hưởng mạnh mẽ đến lực kháng từ. - Dị hướng từ theo ứng suất Mạng tinh thể của các chất sắt từ và feri từ không hoàn toàn cứng. Khi từ hóa nó bị biến dạng, gây nên hiện tượng từ giảo. 7. Tính từ trễ - đường cong từ hóa HμIB 0  += ( ) 1χμ += ( ) HμμHμ1χB oo  =+= Đại lượng cảm ứng từ hay mật độ từ thông (đo bằng Tesla [T]), đặc trưng cho mức độ hấp thu từ tính của vật liệu: [T] (9) Thay vào ta được (10) Hình 6.1: đường cong từ hóa theo các phương tinh thể khác nhau 9 • Các vật liệu từ sau khi được từ hóa, đưa ra khỏi từ trường ngoài vẫn còn giữ một giá trị cảm ứng từ dư. Đó là hiện tượng từ trễ. • Đặc trưng tính từ trễ bởi đường cong từ hóa. 8. Đường sức từ Đặc trưng bằng hình ảnh phương, chiều và độ lớn của từ trường Hình 3. Đường sức từ 9.Domen và vách Domen từ a.Domen từ 10 [...]... sắt từ; SAF là spin cùa lớp phản sắt từ; I là từ độ của mẫu sắt từ; t F là các độ dày màng của màng mỏng và H là từ trường ngoài Ở biễu thức này, ta không thấy đóng góp của dị hướng từ phản sắt từ vì nó không ảnh hưởng tới trật tự từ của chất sắt từ Tại từ trường mà các momen từ ở màng sắt từ đảo là có sự cân bằng giữa thành phần thứ nhất (tương tác trao đổi) và thành phần thứ hai (năng lượng từ trường... gọi là phản sắt từ không bù trừ Khi T > TC trật tự từ bị phá vỡ, vật liệu trở thành thuận từ Hình 10: a) Sắp xếp của các mômen từ trong feri từ khi T < TC b) Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa IS và 1/χ của vật liệu feri từ 6 Vật liệu từ cứng và từ mềm: Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ ra thành vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm Đó chủ yếu là các chất sắt từ và ferit mà chúng... đây cho giá trị độ từ cảm của một số chất nghịch từ: 12 χ χ χ Bảng1: Giá trị độ từ cảm của một số chất nghịch từ 2.Chất thuận từ: khái niệm: Chất thuận từ là chất có độ cảm từ χ > 0, nhưng cũng rất nhỏ, cỡ 10-4 và tỷ lệ với 1/T Khi chưa có từ trường ngoài các mômen từ của các nguyên tử hoặc ion thuận từ định hướng hỗn loạn còn khi có từ trường ngoài chúng sắp xếp cùng hướng với từ trường 13 Hình 6... với Fe; dị hướng từ bề mặt vuông góc nhưng yếu; Co: dị hướng từ bề mặt song song với mặt phẳng và Ni: dị hướng từ vuông góc rất yếu 4 Dị hướng từ bề mặt trong các màng mỏng đa lớp Dị hướng từ của các màng mỏng có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là các trường hợp dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng màng, để ứng dụng trong kỹ 24 thuật ghi thông tin mật độ cao Đối với màng mỏng, dị hướng từ hình dạng thường... mômen từ tự phát như sắt từ nhưng chúng sắp xếp đối song song từng đôi một Khi T > TN sự sắp xếp của các mômen từ spin trở nên hỗn loạn và lại tăng tuyến tính theo T như chất thuận từ Hình 9 a) Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu phản sắt từ ở T < TN b) Sự phụ thuộc của 1/ χ ở chất phản sắt từ 16 Ở phản sắt từ các mômen từ nguyên tử có giá trị bằng nhau nhưng định hướng đối song song với nhau từng... Nd, Sm, Tb…) Bảng 2: Độ cảm từ của một số chất thuận từ 3 Chất sắt từ: 14 Khái niệm Sắt từ có độ cảm từ χ có giá trị rất lớn, cỡ 106 Ở T < TC (nhiệt độ Curie) từ độ I giảm dần, không tuyến tính khi nhiệt độ tăng lên Tại T = TC từ độ biến mất Ở vùng nhiệt độ T > TC giá trị 1/χ phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Sắt từ là vật liệu từ mạnh, trong chúng luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách... đổi dịch là: - Có sự tiếp xúc của 2 lớp sắt từ- phản sắt từ để dẫn đến tương tác trao đổi - giữa hai lớp tiếp xúc Làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ Néel của chất phản sắt từ Chất phản sắt từ có dị hướng tinh thể cao Thực tế, cần từ trường mạnh khi làm lạnh mẫu để các momen từ trong chất sắt từ định hướng theo trục từ hóa dễ Nếu làm lạnh không có từ trường, tương tác trao đổi sẽ diễn ra ở... cả khi không có từ trường ngoài Hình 7 a) Sự sắp xếp của các mômen từ trong vật liệu sắt từ khi T < TC b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hòa và 1/ χ ở chất sắt từ Nhiệt độ Curie TC là điểm mà ở dưới nó (T < TC) thì vật liệu là sắt từ còn khi nhiệt độ cao hơn nó (T > TC) thì sắt từ trở thành thuận từ Khi nhiệt độ tăng lên thì chẳng hạn từ độ của vật liệu giảm đi Chính tại T = TC, từ độ sẽ bằng 0... nguồn đóng góp chính vào dị hướng từ của các màng mỏng, đó là dị hướng từ thể tích (Kv) và dị hướng từ bề mặt (Ks) Hai loại dị hướng này có thể tách ra khỏi dị hướng từ hiệu dụng đo được từ thực nghiệm dựa vào biểu thức sau: Keff = Kv + 2Ks/t Với t là chiều dày màng Thừa số 2 xuất hiện là do mỗi lớp sắt từ có 2 lớp bề mặt Về mặt thực nghiệm, Ks và Kv có thể được xác định từ mối quan hệ: t.Keff = t Kv +... HƯỚNG (EXCHANGE ANISOTROPY) 1 Hiện tượng Thông thường, mẫu sắt từ, feri từ không bị ứng suất, cấu trúc lý tưởng thì các đường trễ là cân đối, nghĩa là, momen từ dư dương và âm (+M r và -Mr) bằng nhau, lực kháng từ ờ hai phía của gốc tọa độ (HC và -HC) bằng nhau Các chất phản sắt từ ở vùng từ trường dưới từ trường tới hạn, momen từ phụ thuộc vào từ trướng ngoài không có đường trễ 27 Năm 1956 Meiklejohn và . Mômen từ tổng cộng của nguyên tử 3 II-CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG TỪ TÍNH CỦA VẬT LIỆU TỪ 3 1. Mômen (lưỡng cực) từ: 3 2. Từ độ (độ nhiễm từ hay độ từ hóa) 4 3. Từ trường 4 4. Độ cảm từ (hệ số từ hóa) 4 5 ứng từ (mật độ từ thông) 4 6. Dị hướng từ 5 1 7. Tính từ trễ - đường cong từ hóa 5 8. Đường sức từ 6 9.Domen và vách Domen từ 6 III-PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ 8 1. Chất nghịch từ 8 2. Chất thuận từ: 9 3 sắt từ: 10 4. Chất phản sắt từ: 12 5. Chất feri từ (ferit): 12 6. Vật liệu từ cứng và từ mềm: 13 Phần 2: MÀNG TỪ (Trình bày: Hồ Như Thủy - 0619078) 16 I-TỪ TÍNH VÀ DỊ HƯỚNG TỪ BỀ MẶT 16 1. Từ