Đề tài Từ điện trở xuyên hầm Tunnelling magnetoresistance

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜ ỌC TỰ NHIÊN CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC  Đề tài tiểu luận: Từ điện trở xuyên hầm Tunnelling magnetoresistance (TMR) GVHD: TS.Đinh Sơn Thạch HV: Lê Phúc Quý Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 1 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ. 1.1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ ................................................... 4 1.2. Lịch sử của từ học ..................................................................................... 4 1.3. Nguồn gốc của từ tính ............................................................................... 4 1.4. Các đại lƣợng đặc trƣng của từ. . ............................................................ 4 1.5. Phân loại các vật liệu từ. ......................................................................... 5 1.5.1. Chất nghịch từ. ................................................................................. 5 1.5.2. Chất thuận từ. ................................................................................. 6 1.5.3. Chất sắt từ . .................................................................................... 6 1.5.4. Chất phản sắt từ ................................................................................ 6 1.5.5. Chất feri từ ........................................................................................ 7 1.6. Các tính chất nội tại của các vật liệu ........................................................ 7 1.6.1. Độ từ hóa bão hòa (Ms) .................................................................. 7 1.6.2. Sự dị hƣớng từ ............................................................................... 7 1.6.3. Các đômen từ .................................................................................. 8 1.7. Hiện tƣợng từ trễ .............................................................................. 9 1.8. Các thông số từ .................................................................................. 10 1.9. Các vật liệu từ khác ............................................................................... 10 1.9.1. Vật liệu từ giảo. ............................................................................... 10 1.9.2. Từ trở. ............................................................................................. 11 CHƢƠNG II. TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR) 2.1. Lịch sử phát triển. .................................................................................... 12 2.2. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm .............................................................. 12 2.3. Cơ chế của các hiệu ứng TMR ................................................................. 13 Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 2 2.4. Độ dẫn điện của một số tiếp xúc. ........................................................... 14 2.4.1. Tiếp xúc giữa hai điện cực kim loại kim loại thƣờng. ................ 14 2.4.2. Hiệu ứng tiếp xúc giữa các điện có từ tính. .................................. 14 2.5. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm phụ thuộc spin. .................................. 15 2.6. Mô hình điênh tử trong hiệu ứng xuyên hầm ........................................ 18 2.7 Tiêm spin ................................................................................................... 19 2.8. Các yếu tố ảnh hƣờng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm. ................ 19 2.8.1. Ảnh hƣởng của lớp tiếp xúc xuyên hầm ....................................... 19 2.8.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu ứng TMR .................................... 22 2.8.3. Sự phụ thuộc hiệu điện thế của hiệu ứng TMR ........................... 23 2.84. Chiều cao rào thế và tính chất chuyển cục bộ ............................... 24 2.8.5. Tiếp xúc xuyên hầm kép. .............................................................. 24 CHƢƠNG 3: Ứng Dụng 3.1. Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) .............................. 26 3.1.1. Kiến trúc của MRAM .................................................................. 26 3.1.2. Cách thức hoạt động của MRAM .................................................... 27 3.2. Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm. .......................................... 28 3.3. Đầu đọc từ ổ DHH .................................................................................... 30 3.4. Cảm biến chất lƣợng cao .......................................................................... 31 Tài liệu tham khảo Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 3 Mở đầu Ngày nay, sự phát triển vượt trội của khoa học công nghệ đã đưa con người vào trong một thế giới hiên đại. Đóng góp vào sự phát triển làm thay đổi diện mạo của thế giới thì người ta phải kể đến vật liệu từ. Có thể dễ dàng nhận thấy các linh kiện từ tính được sử dụng trong các thiết bị, dụng cụ quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô – xe máy, các bộ phận nhớ trong máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ emVật liệu từ cũng không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp điện (tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế tạo ôtô, tầu thủy, Và ở trong bài tiểu luận nhỏ này, tôi muốn đề cập một hiệu ứng của vật liệu từ, hiệu ứng này đã góp phần đưa công nghệ linh kiện của con người lên một tầm cao mới, đó là hiệu ứng “từ điện trở xuyên hầm” (Tunnelling magnetoresistance). Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm được Julliere phát hiện và công bố năm 1975. Nếu trước đây, spin của electron không đuợc giới vật lý lưu ý trong các nghiên cứu về hiện tượng chuyển tải dòng điện, thì sau khi phát hiện ra “Từ điện trở xuyên hầm”, vai trò của điện tử spin càng được củng cố hơn nữa , sự quan tâm tới spin đã mở ra một phạm trù mới cho vật lý hiện đại, cũng là một nhánh mới cho ngành vi điện tử, đấy là „„Điện tử spin‟‟ (spintronic). Hiệu ứng „„Từ trở xuyên hầm‟‟ từ khi mới được khám phá đã hứa hẹn một tiềm năng lớn, nhất là những ứng dụng cho ngành vi điện tử. Và sau đó hiệu ứng này đã thành công trong ứng dụng chế tạo ra bộ nhớ điện tử mới là MRAM (Magnetic Random Access Memory). Bộ nhớ MRAM có ưu điểm tiêu thụ ít điện hơn, có khả năng lưu trữ thông tin như một ổ đĩa cứng, thậm chí có thể lưu trữ thông tin ngay cả khi dòng điện đã bị ngắt, có tốc độ đọc và ghi nhanh hơn nhiều và không hề bị suy giảm theo thời gian. Ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác đáng quan tâm, được trình bày trong phần ứng dụng của tiểu luận này. Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 4 Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ. 1.1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ Từ học là một trong những môn khoa học lâu đời nhất trong vật lý. Các nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các hiện tượng từ bắt đầu ở Châu Âu từ thế kỷ 17, mà mở đầu là công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu của Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell... mở đầu cho việc đem các ứng dụng từ học vào cuộc sống. Từ tính là một thuộc tính của vật liệu. Tất cả các vật liệu, ở mọi trạng thái, dù ít hay nhiều đều biểu hiện tính chất từ. Việc nghiên cứu tính chất từ của vật liệu giúp chúng ta khám phá thêm những bí ẩn của thiên nhiên, nắm vững kiến thức khoa học kỹ thuật để ứng dụng chúng ngày càng có hiệu quả hơn, phục vụ lợi ích con người, đặc biệt là trong lĩnh vực từ học. Cho đến ngày nay, từ học vẫn là một chủ đề lớn của vật lý học với nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong khoa học, công nghệ, y - sinh học, cũng như trong cuộc sống. 1.2. Lịch sử của từ học 1600. Dr, William Gilbert - những thí nghiệm đầu tiên về từ học:” De Magnete”. 1819. Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học. 1825. Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện. 1880. Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt. 1895. Định luật Curie đã được đề xuất 1905. Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất của nghịch từ và thuận từ. 1906. Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ. Những năm 1920. Vật lý của từ học đã được phát trỉển với các lý thuyết liên quan đến spin electron và tương tác trao đổi; những sự bắt đầu của cơ học lượng tử. 1.3. Nguồn gốc của từ tính. Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người biết một nam châm họat động như thế nào? Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động và các tương tác của các electron, các hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử. Electron dang quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đaợ của riêng nó , được đo bằng magneton Bohr ( B), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó do electron tự quay , giống như trái đất quay trên trục của bản thân nó.( được Hình 1.1. Hình đường sức của lưỡng cực từ. Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 5 minh họa trên hình 2). Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra mômen từ bị trượt tiêu bởi lân cận của nó. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Hình 1.2. Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử. 1.4. Các đại lƣợng đặc trƣng của từ. - Độ từ hóa (M) của vật liệu: Mômen từ trên một đơn vị thể tích của vật liệu. - Độ từ hóa riêng ( ): Mômen từ trên một đơn vị khốI lượng. - Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi qua một đơn vị tiết diện cắt ngang của vật liệu. B = 0 (H+M) B = H + 4 M - 0 là độ từ thẩm của chân không ( 4 x 10 -7 Hm -1 ), là tỷ số của B/H được đo trong chân không . - Độ cảm từ của vật liệu: M H - Độ từ thẩm: B H - Độ phân cực từ: J = 0M 1.5. Phân loại các vật liệu từ. 1.5.1. Chất nghịch từ. Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào. Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra một Hình 1.3. Đường cong từ hóa của chất nghich từ. Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 6 độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ. Chất nghịch từ có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ hơn 1, chỉ vào khoảng 10-5 1.5.2. Chất thuận từ. Chất nghịch từ có độ từ hóa > 0 nhưng cũng rất nhỏ, cỡ 10 - 4 và tỷ lệ với 1/T. Có vài lý thuyết về chất thuận từ , phù hợp cho các loại riêng của vật liệu. Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu với các electron định xứ không tương tác với nhau , ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt. Việc áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường ngoài. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử và vì vậy, độ cảm từ sẽ giảm xuống. Bản chất này được biết như định luật Curie và được cho trong phương trình 7, ở đó C là một hằng số vật liệu được gọi là hằng số Curie. T C Trong phương trình này, có thể dương, âm hoặc bằng không. Rõ ràng là khi = 0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie. Khi khác không thì có một tương tác giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp nào đó. Nếu dương thì vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị tương ứng với nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC). Nếu là âm, thì khi đó vật liệu là phản sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá trị của không liên quan tới TN. 1.5.3. Chất sắt từ: độ cảm từ c có giá trị rất lớn, cỡ 106. Ở T < TC (nhiệt độ Curie) từ độ J 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/c 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 có trật tự ngay cả khi không có từ trường ngoài. Sắt từ còn có nhiều tính chất độc đáo và những ứng dụng quan 1.5.4. Chất phản sắt từ: là chất từ yếu, χ~ 104, nhưng sự phụ thuộc của 1/ χ vào Hình 1.4. Đường cong từ hóa của chất thuận từ. Hình 1.5. a/ Sự xếp các momen của sắt từ khi nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa và 1/χ Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 7 nhiệt độ không hoàn toàn tuyến tính như chất thuận từ và có một hõm tại nhiệt độ TN (gọi là nhiệt độ Nell). Khi T < TN trong phản sắt từ cũng tồn tại các momen từ tự phát như sắt từ nhưng chúng sắp xếp đối song song từng dôi một. Khi T > TN sự sắp xếp của các mômen từ spin trở nên hỗn loạn và χ lại tăng tuyến tính theo t như chất thuận từ 1.5.5. Chất feri từ: độ cảm từ có giá trị khá lớn, gần bằng cửa sắt từ χ ~104 và cũng tồn tại các mô men từ tự phát. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng gồn hai phần mạng mag ở đó các momen từ spin có giá trị khác nhau và xắp xếp phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi không có từ trường ngoài tác dụng, trong vùng nhiệt độ T < TC .Vì vậy feri từ còn được gọi là phản sắt từ không bù trừ. 1.6. Các tính chất nội tại của các vật liệu 1.6.1. Độ từ hóa bão hòa (Ms) Độ từ hóa bão hòa (Ms) là một phép đo số lượng cực đại của trường có thể được sinh ra bởi một vật liệu. Nó sẽ phụ thuộc vào cường độ của các mômen dipol trên các nguyên tử cấu tạo vật liệu và chúng xếp chặt như thế nào đó với nhau. Mômen dipol nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng bởi bản chất của nguyên tử và toàn bộ cấu trúc electron bên trong hợp chất. Mật độ xếp của các mômen nguyên tử sẽ được xác định bởi cấu trúc tinh thể ( tức là không gian của các mômen ) và sự có mặt của các nguyên tố không có từ tính bên trong cấu trúc. Đối với các vật liệu sắt từ, tại các nhiệt độ nhất định, Ms cũng sẽ phụ thuộc vào việc các mômen từ này sắp xép tốt như thế nào, vì dao động nhiệt của các nguyên tử gây ra sự sai hỏng sắp xếp của các mômen và làm giảm Ms. Độ từ hóa bão hòa cũng được xem như độ từ hóa tự phát, tuy nhiên số hạng này thường được sử dụng để mô tả độ từ hóa bên trong một đơn đômen từ. 1.6.2. Sự dị hƣớng từ Hình 1.6. a/ Sự xếp các momen sắt từ khi nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa và 1/χ Hình 1.7. a/ Sự xếp các momen feri từ khi nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa JS và 1/χ ở feri từ. Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 8 Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc vào các phương tinh thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp. Hình 4 biểu diễn hiệu ứng này đối với một đơn tinh thể cobalt. Cấu trúc tinh thể hexagonal của cobalt có thể được từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức là dọc theo trục c), nhưng có trục khó của độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm trong mặt phẳng cơ sở ( 90o so với trục dễ). Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là trường dị hướng, (minh họa trên hình 9 ), là trường đòi hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một đơn tinh thể bão hòa. Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ đạo electron đối với mạng và theo phương dễ từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng lượng thấp nhất. 1.6.3. Các đômen từ Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát có thể tồn tại ở trạng thái khử từ, Weiss đã đưa ra khái niệm các đômen từ. Weiss đã xây dựng trên cơ sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng. Các kết quả tìm thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong một đômen một số lớn các mômen nguyên tử đã được định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối lượng lớn hơn nhiều so với những dự đoán trước đó. Độ từ hóa bên trong đômen đã được bão hòa và sẽ luôn nằm theo phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt vào. Phương của sự định hướng đômen ngang qua một khối lượng lớn vật liệu là ngẫu nhiên nhiều hay ít và vì vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không. Hình 1.9. Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) ba đômen, (c) Các đômen khép kín. Hình 1.8. Sự dị hướng từ của tinh thể cobalt Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 9 Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của hệ, vì vậy việc chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen. Năng lượng liên quan đến một vách đômen tỷ lệ với diện tích của nó. Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra trên hình 1.10, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lương trao đổi cũng tăng lên bên trong vách. Vì vậy, năng lượng vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận. Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến các thông số này, vì một dị hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng. 1.7. Hiện tƣợng từ trễ Các vật liệu sắt từ và ferit từ có các đường cong từ hóa ban đầu không tuyến tính ( tức là các đường chấm trên hình 1.11), bởi vì độ từ hóa thay đổi với từ trường ngoài là do một sự thay đổi trong cấu trúc đômen từ. Các vật liệu này cũng chỉ ra tính trễ và độ từ hóa không quay về giá trị không sau khi cắt từ trường ngoài. Trên một phần tư thứ nhất của chu trình được minh họa là đường cong từ hóa ban đầu ( đường chấm chấm), chỉ ra sự tăng của độ phân cực và (độ cảm ứng ) lên sự áp đặt của một trường đến mẫu chưa bị từ hóa. Trong một phần tư thứ nhất, độ phân cực và trường ngoài , cả hai đều dương, tứ là chúng trong cùng hướng. Khi độ phân cực có thể tăng lên không thể hơn nửa bởi sự lớn lên của các đômen, thì phương của độ từ hóa của các đômen khi đó sẽ quay từ trục dễ sang định hướng với trường. Khi tất cả các đômen được định hướng hoàn toàn với trường ngoài thì sự bão hòa sẽ đạt được và độ phân cực không thể tăng hơn nữa. Trên hinh 1.12, đường xuất phá từ điểm bão hòa đến trục y là nằm ngang, biểu diễn một vật liệu định hướng tốt, ở đó các đômen được từ hóa theo hướng dễ của tinh thể tại điểm bão hòa. Nếu hướng của trường ngoài là ngược lại ( tức là theo hướng âm ) thì khi đó sự phân cực sẽ đi theo đường đỏ vào trong một phần tư thứ hai. Hiện tượng trễ nghĩa là sự phân cực Hình 1.10. đômen sắt từ Hình 1.11. Một chu trình trễ điển hình của vật liệu sắt từ hay ferít. Tunnelling magnetoresistance HV: Lê Phúc Quý Page 10 chậm lại phía sau trường ngoài và sẽ ngay lập tức chuyển hướng vào ytong một phần tư thứ ba ( tức là sự phân cực âm). Sự phân cực sẽ chỉ giảm xuống sau khi trường ngoài đủ cao được đặt vào để: 1) tạo mầm và nuôi lớn các đômen được định hướng phù hợp đối với trường ngoài. 2) Quay hướng của độ từ hóa của các đômen về phía từ trường ngoài. Sau khi áp đặt một từ trương đủ cao, sự phân cực bão hòa sẽ đạt được theo hương âm. Nếu từ trường ngoài sau đó giảm xuống và lại được áp đặt theo chiều dương thì chu trình trễ đầy đủ sẽ được vẽ ra. Nếu trường được chuyển lặp lại tù hướng dương sang âm và đủ lớn thì khi đó sự từ hóa và cảm ứng từ sẽ vẽ một chu trình trễ theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Diện tích