Tiểu luận: Từ điện trở xuyên hầm Tunnelling magnetoresistance (TMR)

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 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 HV: Lê Phúc Quý Page 1 Tunnelling magnetoresistance 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 HV: Lê Phúc Quý Page 2 Tunnelling magnetoresistance 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 em…Vật 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. HV: Lê Phúc Quý Page 3 Tunnelling magnetoresistance 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. Hình 1.1. Hình đường sức của lưỡng cực từ. 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 HV: Lê Phúc Quý Page 4 ... - tailieumienphi.vn