Luận Văn Vật Lý Nhiệt, Chế Tạo Màng Mỏng, Màng Mỏng Từ Tính.pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Thị Kiều Vân NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 Header Page 1 of 107 Foote[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Kiều Vân

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP

CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Kiều Vân

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP

CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN

Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt

Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ TUẤN TÚ

LỜI CẢM ƠN!

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Lê Tuấn Tú – người thầy

đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn Cảm ơn thầy đã giúp em lựa chọn đề tài, cung cấp cho em những thông tin, tài liệu cần thiết và nhiệt tình giải

đáp các vướng mắc trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài…

Em xin chân thành biết ơn sự dạy dỗ của tất cả các quý thầy cô Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Các thầy, các cô

đã hết mình truyền đạt lại cho em những kiến thức cần thiết và bổ ích cho tương lai sau này

Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất em xin gửi tới gia đình thân yêu – những người đã luôn sát cánh và động viên em trong suốt chặng đường qua

Hà Nội, ngày 06 tháng 07 năm 2015

Sinh viên Nguyễn Thị Kiều Vân

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH 2

1.1 Màng mỏng 2

1.2 Dị hướng từ 3

1.2.1 Dị hướng hình dạng 3

1.2.2 Dị hướng từ tinh thể 4

1.2.3 Dị hướng ứng suất 4

1.2.4 Dị hướng từ trong màng mỏng 5

1.3 Các vật liệu sắt từ 6

1.4 Các chất phản sắt từ (AFM) 8

1.4.1 Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ 8

1.4.2 Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ 9

1.5 Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch 9

1.5.1 Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch 10

1.5.2 Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM 11

1.5.3 Mô hình lý thuyết 12

1.5.4 Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch 14

1.5.5 Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch 15

1.6 Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van 16

1.7 Mục tiêu của luận văn 17

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 19

2.1 Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ 19

2.2.1 Cơ chế phún xạ 19

2.1.2 Các hệ phún xạ 20

2.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) 24

2.3 Từ kế mẫu rung (VSM) 26

2.4 Phân tích nhiễu xạ tia X 29

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Màng mỏng NiFe 32

3.1.1 Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) 32

3.1.2 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) 33

3.1.3 Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) 34

3.2 Hệ vật liệu NiFe/IrMn 35

3.2.1 Kết quả đo tính chất từ 35

3.2.2 Kết quả đo XRD 38

3.3 Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn 39

3.3.1 Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) 39

3.3.2 Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ 41

3.3.3 Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ 43

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp

Si/SiO 2 /Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au 2

Hình 1.2: Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ 6

Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ 7

Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau 8

Hình 1.5: Đường cong từ trễ của CoO được phủ các hạt Co tại 77 K sau khi được ủ trong trường hợp không có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường bão hòa (2) 10

Hình 1.6: Cơ chế trao đổi dịch trong màng hai lớp FM/AFM 11

Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch 13

Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trường trao đổi dịch H ex và lực kháng từ H c vào độ dày lớp FM cho hệ Fe 80 Ni 20 /FeMn tại t AFM = 50 nm 14

Hình 1.9: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch H ex và lực kháng từ H c vào độ dày lớp AFM cho hệ Fe 80 Ni 20 /FeMn tại t FM = 7 nm 15

Hình 1.10: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin van 16

Hình 1.11: Mặt cắt ngang của màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ 17

Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ 19

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catot một chiều 21

Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều 22

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phún xạ magnetron 23

Hình 2.5 : Hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và nguồn xoay chiều tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội 24

Hình 2.6: (a) Kính hiển vi điện tử quét; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 25

Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung ( VSM); (b) Mô hình từ kế mẫu rung 26

Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc cơ khí của hệ VSM 27

Hình 2.9: Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể 30

Hình 2.10: (a) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD);(b) Mô hình hệ đo nhiễu xạ tia X 31

Hình 3.1: Ảnh SEM của màng NiFe 32

Hình 3.2: Hình ảnh nhiễu xạ tia X của màng NiFe 33

Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề mặt của màng 34

Hình 3.4: Hình ảnh VSM của hệ NiFe/IrMn với t NiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm 35

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của H ex vào chiều dày lớp NiFe của màng NiFe/IrMn 37

Hình 3.6: Sự phụ thuộc của H c vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe/IrMn 37

Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X của các lớp NiFe/IrMn 38

Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn 39

Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (t NiFe nm)/IrMn (10 nm) với (a) t NiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) t NiFe = 9 nm, 12 nm… 40

Hình 3.10: Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn khi chiều dày lớp NiFe thay đổi 41

Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của H ex vào chiều dày lớp NiFe 42

Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của H c vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiF (t NiFe nm)/IrMn (10 nm) 43

Hình 3.13: Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ của hệ có cấu trúc spin van Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (t IrMn nm)/Ta (5 nm) 44

Hình 3.14: Sự phụ thuộc của lực kháng từ H c và từ trường trao đổi dịch H ex vào chiều dày lớp IrMn của hệ Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (t IrMn nm)/Ta (5 nm) 45

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

AFM Antiferromagnetic material Vật liệu phản sắt từ

FM Ferromagnetic material Vật liệu sắt từ

GMR Giant Magnetoresistive effect Hiệu ứng từ trở khổng lồ

NM Non – magnetic material Vật liệu phi từ

SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét

VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung

XRD X – ray diffraction Nhiễu xạ tia X

MỞ ĐẦU

Trong thời đại khoa học kỹ thuật hiện đại, các máy móc và thiết bị có xu hướng thu nhỏ kích thước nhưng các tính chất và khả năng hoạt động không bị hạn chế nhờ việc sử dụng các tính năng ưu việt, đặc biệt là ở dạng màng mỏng

Lịch sử phát triển màng mỏng đã có rất lâu đời nhưng khi đó người ta chỉ biết sử dụng nó vào mục đích dân dụng và trang trí Sang đầu thế kỉ XX, màng mỏng bắt đầu được quan tâm nhờ các tính chất đặc biệt và kích thước nhỏ bé để chế tạo các thiết bị máy móc Không chỉ có màng bán dẫn được quan tâm đặc biệt, mà màng mỏng từ tính cũng đang rất được quan tâm Trong những năm cuối thế kỉ XX, màng mỏng từ tính đã trở thành mục tiêu nghiên cứu của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới, đặc biệt là màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van…với nhiều ứng dụng khác nhau trong tương lai Một trong những ứng dụng điển hình đó là chế tạo thiết bị ghi từ và lưu trữ thông tin

Ở Việt Nam vào năm cuối những thập niên 90 thế kỷ XX, màng mỏng đã trở thành lĩnh vực rất được quan tâm chú ý Với nhiều trung tâm nghiên cứu, nhiều thiết

bị máy móc hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu màng mỏng được trang bị và cũng đã thu được những kết quả đáng kể, đặc biệt là màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van

Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên cứu là màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin – van Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catốt

Luận văn của em gồm 3 phần chính:

Chương 1: Tổng quan về màng mỏng từ tính

Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH 1.1 Màng mỏng

Màng mỏng (thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài) Chiều dày của một màng mỏng thay đổi từ vài nm đến một vài μm thông thường là nhỏ hơn 1μm Có hai loại màng mỏng:

 Màng đơn lớp: được cấu tạo bởi một lớp vật liệu mỏng chế tạo trên một đế Tính chất của màng được tạo ra từ lớp vật liệu đó (và có thể ảnh hưởng bởi tác động của lớp đế)

 Màng đa lớp: là màng mỏng được cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, được tạo ra nhằm thay đổi các tính chất của màng mỏng Hình 1.1 cho ta thấy ảnh chụp cắt ngang của một màng mỏng đa lớp

Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp

Si/SiO 2 /Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au

Hiện nay, màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn…với nhiều khả năng ứng dụng to lớn trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất… [7,16, 20]

1.2 Dị hướng từ

Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có một định hướng ưu tiên dọc theo một hướng nào đó của tinh thể Ta gọi đó là hiện tượng dị hướng từ Nói cách khác, dị hướng từ là sự phụ thuộc có hướng của các tính chất từ của vật liệu Khi từ hóa theo hướng ưu tiên đó rất dễ đạt được trạng thái bão hòa nên hướng đó được gọi

là trục dễ từ hóa Ngược lại, khi từ hóa theo hướng khác, trạng thái bão hòa rất khó

mà đạt được Các hướng này là các trục từ hóa khó [1]

1.2.1 Dị hướng hình dạng

1.2.1.1 Dị hướng hình dạng của mẫu elip tròn xoay

Dị hướng này phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu Dị hướng hình dạng có thể được định nghĩa một cách đơn giản là sự khác nhau về năng lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắt từ Ví dụ, một mẫu hình trụ có năng lượng tĩnh từ theo phương vuông góc với trục hình trụ lớn hơn so với năng lượng tĩnh từ dọc theo trục hình trụ Đó là vì khi từ hóa theo phương vuông góc, trường khử từ rất lớn; còn khi từ hóa theo phương song song trường khử

từ nhỏ hơn rất nhiều Do đó, từ độ có xu hướng dọc theo trục hình trụ đề giảm năng lượng tĩnh từ [1]

Đối với một mẫu sắt từ hình elip tròn xoay với các bán trục là a và b, hệ số trường khử từ tương ứng sẽ là Na và Nb (với 2Na + Nb = 1) Nếu véc tơ từ độ M hợp với trục dễ một góc θ thì năng lượng dị hướng hình dạng Ehd nhận được là :

hd o

E   M  [J/m3] (1.3) Với hệ số dị hướng hình dạng là [1]:

2

1 2

Nếu trường tinh thể có đối xứng thấp và nếu sự phân bố điện tích của nguyên

tử đang xét là bất đối xứng, khi đó, các quỹ đạo của nguyên tử sẽ tương tác một cách dị hướng với trường tinh thể Nói một cách khác, khi trường tinh thể có đối xứng thấp, hộp thế năng tương tác của điện tử với trường tinh thể cũng có đối xứng thấp Do đó, chỉ một vài quỹ đạo nguyên tử có định hướng nhất định sẽ có lợi về mặt năng lượng [1]

u s s

E      [J/m3] (1.5)

trong đó:

+ λs: hệ số từ giảo bão hòa

+ σ: ứng suất (N/m2)

+ θ: góc giữa véc tơ M và trục dễ từ hóa

Tùy thuộc vào dấu của λs và σ (ứng suất kéo hoặc nén), điều kiện cực tiểu của E u s sẽ cho phép xác định phương của trục từ hóa dễ do ứng suất gây nên [1]

1.2.4 Dị hướng từ trong màng mỏng

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 nghệ ghi thông tin mật độ cao [1]

Đối với trường hợp màng mỏng, dị hướng từ hình dạng thường có xu hướng định hướng các mômen từ theo phương mặt phẳng để năng lượng tĩnh từ tối ưu

Năng lượng dị hướng từ của các màng mỏng thường được viết dưới dạng:

Có hai 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 hiệu ứng từ hiệu dụng đo được từ thực nghiệm Keff dựa vào biểu thức sau:

K e ff K v2K s /t (1.7) trong đó, t là chiều dày của màng, thừa số 2 xuất hiện trong biểu thức này là do mỗi lớp sắt từ có hai lớp bề mặt Bằng cách vẽ đồ thị t.Keff phụ thuộc vào t, Kv sẽ được

xác định từ hệ số góc của đường thẳng và 2Ks là giao điểm của đường thẳng với trục tung [1]

1.3 Các vật liệu sắt từ

Từ ngày xưa, sắt từ được biết đến như là một kim loại (Fe) và lodston (Fe3O4) Dựa vào độ từ dư của sắt từ mà chúng được sử dụng để làm la bàn hay kim

la bàn Ngày nay, có rất nhiều loại sắt từ được biết đến như trong kim loại, hợp kim

và oxit Tuy nhiên, chỉ có ba loại kim loại có phân lớp 3d là vật liệu sắt từ ở nhiệt

độ phòng (Fe, Co, Ni) [2]

Vật liệu sắt từ được biết đến là một chất có từ tính rất mạnh, có độ từ thẩm rất lớn và độ từ hóa lớn hơn độ từ hóa của chất thuận từ Chất sắt từ có những mômen từ nguyên tử có khả năng tương tác với nhau Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng đômen mà trong mỗi vùng đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát (có nghĩa là tồn tại độ từ hóa ngay cả khi không có từ trường ngoài) Và khi không có từ trường ngoài, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ trong các đômen trong toàn khối sắp xếp hỗn độn, do vậy, tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0

Hình 1.2: Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ

Việc hình thành đômen là để giảm thiểu năng lượng từ do trường khử từ gây

ra Tức là, năng lượng sẽ lớn hơn khi các đường sức từ của mỗi một đômen vẫn còn nằm bên ngoài chất sắt từ Tuy nhiên, nếu các đường sức này được đóng kín do sự sắp xếp hợp lý của các đômen như trên hình 1.2 thì sẽ có lợi về mặt năng lượng

Một lý do khác là do sự cạnh tranh của dị hướng từ tinh thể (làm cho mômen từ định hướng theo trục dễ tinh thể) và tương tác trao đổi (làm cho mômen từ định

hướng song song với nhau) dẫn đến từ độ của toàn bộ khối sắt từ bị phân chia thành

những đômen (vùng) từ hóa tự phát để có lợi về mặt năng lượng

Quá trình từ hóa được thể hiện thông qua sự dịch vách thuận nghịch và bất thuận nghịch (ở từ trường nhỏ) và quá trình quay thuận nghịch và bất thuận nghịch của đômen (trong từ trường lớn) như sau: Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ

có hai hiện tượng xảy ra:

+ Sự lớn dần của các đômen từ theo phương của từ trường và giảm dần đômen ngược chiều theo phương của từ trường (dịch vách đômen)

+ Sự quay của các đômen từ theo hướng của từ trường

Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ

Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta sẽ có hiện tượng bão hòa từ, lúc

đó, tất cả các đômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu, về mặt lý tưởng chỉ có một đômen duy nhất Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn do thăng giáng nhiệt và lại tạo thành các đômen Tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau Khi ta giảm từ trường về 0, tổng mômen từ trong toàn khối giảm dần nhưng không bằng 0 ở từ trường bằng 0 Khi từ độ bằng 0,

ta gọi đó là trạng thái khử từ, giá trị từ trường tại đó được gọi là lực kháng từ Nếu

từ trường càng âm thì từ độ tiếp tục giảm từ giá trị 0 về giá trị bão hòa âm Giá trị tiếp tục như trên nếu ta tiếp tục tăng giá trị từ trường về 0 và đổi chiều rồi tăng giá trị dương của nó Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu sắt từ như hình 1.3

Hai đặc trưng cơ bản quan trọng nhất của chất sắt từ là:

+ Đường cong từ trễ

+ Nhiệt độ Curie Tc Nhiệt độ Curie Tc trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận

từ (chuyển pha loại 2 – chuyển pha không có sự thay đổi về cấu trúc) Tại nhiệt độ này, chất sắt từ bị mất trật tự sắt từ song song Ở dưới nhiệt độ Tc, vật liệu mang tính chất sắt từ; ở trên nhiệt độ Tc vật liệu sẽ bị mất tính sắt từ và trở thành chất thuận từ [1, 2]

1.4 Các chất phản sắt từ (AFM)

1.4.1 Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ

Vật liệu phản sắt từ có mômen từ nguyên tử cạnh tranh nhau sắp xếp đối song (song song và ngược chiều) từng đôi một (hình 1.4) Tức là, trong vật liệu phản sắt từ, tồn tại hai phân mạng có cấu trúc từ xem kẽ nhau Mômen từ trong mỗi phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều với mômen từ của phân mạng kia.Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng triệt tiêu nhau Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở không độ tuyệt đối (0 K) và trong trường hợp từ trường ngoài bằng 0, độ từ hóa tổng cộng của chất phản sắt từ bằng 0 (hình 1.4)

Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau

Thông thường, trạng thái phản sắt từ tồn tại ở nhiệt độ thấp và bị triệt tiêu ở nhiệt độ bằng hoặc lớn hơn một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ Néel – nhiệt độ chuyển pha từ phản sắt từ sang thuận từ (TN – được đặt tên theo Louis Néel) Khi

1.4.2 Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ

Sự phụ thuộc độ cảm từ χ vào nhiệt độ T trong vật liệu phản sắt từ được đặc trưng bởi:

+ Sự tồn tại của nhiệt độ Néel (T N) ứng với một đỉnh trên đường χ(T)

+ Sự dị hướng của χ khi T T N: χ có giá trị khác nhau tùy theo từ trường H song song hay vuông góc với trục spin của một đơn tinh thể vật liệu phản sắt từ Giá trị cho vật liệu đa tinh thể là giá trị trung gian giữa các giá trị trên [2]

Khi T T N, sự phụ thuộc vào nhiệt độ của χ tương tự như định luật Curie – Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ:

là 2 phân mạng từ) [2]

1.5 Giới thiệu về hiện tƣợng trao đổi dịch

Hiện tượng trao đổi dịch (hay trao đổi bất đẳng hướng) là hiện tượng về sự dịch đường cong từ trễ dọc theo trục từ trường, thường xuất hiện trong các vật liệu từ đa lớp

Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1956 bởi Meiklejohn và Bean khi họ đo đường cong từ trễ của hệ các hạt mịn trên bề mặt Co (10 – 100 nm) đã bị ôxy hóa một phần và được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ TN ( nhiệt độ Néel)

để tạo thành CoO Kết quả là tâm đường cong từ trễ bị dịch về phía từ trường âm Thông thường, đường cong từ trễ của lớp Co sẽ đối xứng, nhưng do có sự tương tác với CoO nên đường cong từ trễ bị dịch chuyển theo hướng của từ trường đặt vào hệ

1.5.1 Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch

Sự xuất hiện của tính dị hướng đơn trục nên sau khi mẫu được làm lạnh trong một từ trường, một đường cong từ trễ đã bị dịch chuyển Đầu tiên, lớp CoO phủ các hạt Co được làm lạnh từ nhiệt độ phòng đến 77 K mà không có sự xuất hiện

của từ trường ngoài Khi mẫu được làm lạnh tới 77 K trong một từ trường mạnh (từ

trường lạnh), đường cong từ trễ (2) ở hình 1.5 bị dịch chuyển sang trái dọc theo trục

từ trường hiệu dụng [15]

Hình 1.5: Đường cong từ trễ của Co được phủ các hạt CoO tại 77 K sau khi được ủ trong trường hợp không có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường bão hòa (2)

Giá trị của độ dịch chuyển này được tính bằng khoảng cách từ gốc tọa độ đến trung tâm của vòng, thường được gọi là từ trường trao đổi dịch (Hex) Cùng với sự dịch chuyển của đường cong từ trễ là sự tăng giá trị của lực kháng từ Hc Ta có thể thấy độ rộng của đường cong từ trễ (2) lớn hơn so với đường (1) (hình 1.5) Đó là

hệ quả của tương tác giữa vật liệu FM và AFM [9,14]

1.5.2 Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM

Dị hướng đơn trục và hiện tượng trao đổi dịch có thể được hiểu một cách định tính bằng cách đánh giá một tương tác trao đổi tại mặt phẳng phân cách FM/AFM Chúng ta có thể xem hình 1.6 – một mô hình đơn giản của hiệu ứng trao đổi dịch để giải thích hiện tượng này Nhìn vào hình, chúng ta có thể thấy, các điểm

2, 3, 4 trên đường cong tương ứng với 3 trạng thái tương tác bề mặt của FM/AFM

Khi một từ trường được đặt vào trong vùng nhiệt độ T N  T T c, các spin FM sắp xếp cùng hướng với từ trường trong khi các spin AFM sắp xếp một cách hỗn loạn ( Hình 1.6 a)

Hình 1.6: Cơ chế trao đổi dịch trong màng hai lớp FM/AFM

Khi làm lạnh hệ trong từ trường H xuống dưới nhiệt độ T N, nhiệt độ chuyển pha từ thuận từ sang phản sắt từ (nhỏ hơn rất nhiều so với nhiệt độ T c của FM) thì

cả hai phần FM và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự: FM có spin sắp xếp song song còn spin của AFM sắp xếp phản song song để tạo ra sự không từ (hình 1.6 b) (do sự tương tác tại mặt phẳng phân cách FM/AFM) [5,13,14]

Khi từ trường bị đảo chiều, các spin trong mặt phẳng FM bắt đầu quay Tuy nhiên, do tính dị hướng của AFM lớn, các spin trong mặt phẳng AFM vẫn không thay đổi (hình 1.6 c) Do đó, sự tương tác bề mặt giữa các spin FM/AFM tại mặt phẳng phân cách đã cố ghim các spin trong mặt phẳng FM định hướng theo các spin trong mặt phẳng AFM tại mặt phẳng phân cách Như vậy, từ trường cần thiết để đảo chiều hoàn toàn một lớp FM sẽ lớn hơn nếu nó tiếp xúc với lớp AFM Tuy nhiên, một khi từ trường bị quay trở lại hướng ban đầu của nó thì các spin FM sẽ bắt đầu quay tại một từ trường nhỏ hơn, do sự tương tác với các spin AFM (hình 1.6 e) Kết quả, đường cong bị dịch chuyển về bên trái của trục từ trường hiệu dụng H một khoảng Hex Đây chính là cơ chế của hiệu ứng trao đổi dịch [6,11,14,17,21]

MFM là độ từ hóa bão hòa

tFM là độ dày của lớp FM, tAFM là độ dày của lớp AFM

KFM là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của lớp FM, KAFM là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của lớp AFM

J là hệ số tương tác trao đổi bề mặt

β, α là góc tương ứng giữa độ từ hóa MFM, MAFM và trục dị hướng FM, AFM; θ là góc giữa từ trường đặt vào và trục dị hướng FM (Hình 1.7)

Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng của màng FM và AFM là giống nhau

và là trục duy nhất

Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch

Số hạng thứ nhất trong phương trình năng lượng là do tác dụng của từ trường hiệu dụng trên lớp FM, số hạng thứ hai là do tác dụng của sự dị hướng của lớp FM,

số hạng thứ ba liên quan đến tính dị hướng AFM và số hạng cuối cùng liên quan đến tính dị hướng bề mặt [14]

Trong trường hợp đơn giản, các dị hướng FM là không đáng kể (K FM FM t = K AFM AFM t ), khi đó năng lượng được biểu diễn như sau:

ex

FM FM

J H

1.5.4 Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch

1.5.4.1 Sự phụ thuộc vào độ dày lớp FM

Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trường trao đổi dịch H ex và lực kháng từ H c vào độ dày

lớp FM cho hệ Fe 80 Ni 20 /FeMn tại t AFM = 50 nm

Đối với các hệ được nghiên cứu, người ta quan sát thấy rằng từ trường trao đổi dịch tỷ lệ nghịch với độ dày các lớp FM (hình 1.8) [14]

1.5.4.2 Sự phụ thuộc vào độ dày lớp AFM

Sự phụ thuộc của Hex vào độ dày của lớp AFM phức tạp hơn nhiều Xu hướng chung cho chiều dày các lớp AFM, ví dụ chiều dày lớn hơn 10 nm, Hexkhông phụ thuộc vào độ dày của lớp AFM Khi độ dày của lớp AFM giảm, Hexgiảm đột ngột và đối với các lớp AFM đủ mỏng (thông thường là vài nm), Hex = 0, như ta thấy trong hình 1.9 [14]

Hình 1.9: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch H ex và lực kháng từ H c vào độ dày lớp

AFM cho hệ Fe 80 Ni 20 /FeMn tại t FM = 7 nm

1.5.5 Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch

Các vật liệu thể hiện tính chất trao đổi dịch và các hiệu ứng có liên quan đã được sử dụng trong một số các ứng dụng khác nhau Việc tăng lực kháng từ của các hạt nhỏ bị oxi hóa có thể sử dụng trong nam châm vĩnh cửu và phương tiện ghi từ mật độ cao Một ứng dụng khác đối với hiệu ứng trao đổi dịch đó là chế tạo đầu

Chiều dày lớp IrMn (A o )

đọc, ghi máy vi tính dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ Gần đây, hiện tượng trao đổi dịch còn có thể sử dụng trong các thiết bị nhớ động (MRAM) [12,14]

1.6 Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van

Spin van là một linh kiện từ tính có cấu tạo từ một màng đa lớp gồm các lớp sắt từ (F1 và F2) ngăn cách bởi các lớp phi từ (NM) mà ở đó điện trở của hệ thay đổi phụ thuộc vào sự định hướng của từ độ trong các lớp sắt từ [1]

Hình 1.10: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin van

Tính chất của cấu trúc spin van dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ Cơ chế của hiệu ứng được lý giải qua cơ chế ―tán xạ phụ thuộc spin‖ của điện tử (hình 1.10)

Có thể thấy rằng, trạng thái của hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của mômen từ của các lớp sắt từ Có nghĩa là việc mômen từ các lớp định hướng tương đối với nhau ra sao (song song, phản song song) có thể cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua hoặc không thể truyền qua, hay nói cách khác, từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như một chiếc van đóng mở spin Đây chính là ý tưởng về cấu trúc spin van [11]

Mô hình màng mỏng đa lớp với các lớp sắt từ (FM) xen kẽ bởi các lớp mỏng phi từ (NM) tạo ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là mô hình sơ khai đầu tiên Tuy nhiên, đây là cấu trúc đơn giản với sự quay của các lớp FM theo từ trường khá tự do

và việc điều khiển tín hiệu trở nên khó khăn Nhóm của Peter Grunberg đã cải tiến

mô hình này thành cấu trúc spin van như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản sắt từ (AFM)

Mặt cắt ngang của cấu trúc gồm 4 lớp chính: bên trên là lớp màng mỏng vật liệu phản sắt từ (hiện nay sử dụng phổ biến là IrMn,…), bên dưới lớp này là lớp sắt

từ đầu tiên có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên có từ độ bị giữ theo một hướng (gọi là lớp ghim), phía dưới lớp ghim là lớp phi từ và dưới cùng là lớp sắt từ với từ

độ quay tự do (lớp tự do)

Hình 1.11: Mặt cắt ngang của màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ

Quan sát hình 1.11 ta có thể thấy sự tương tác của hai lớp FM được ngăn cách bởi một lớp phi từ trung gian Một trong hai lớp FM (được gọi là lớp ―ghim‖ trong hình) có hướng từ độ ―đóng băng‖ bởi sự liên kết với một lớp AFM [10,15,18,19]

1.7 Mục tiêu của luận văn

Để nghiên cứu tính chất từ của cấu trúc spin van, 3 loại màng mỏng sau đây

đã được chế tạo:

- Màng đơn lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/Ta

- Màng 2 lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/IrMn/Ta

- Màng đa lớp: Si/ SiO2/Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta

Trong quá trình chế tạo, một từ trường có độ lớn 150 Oe và song song với mặt phẳng màng đã được đặt vào

AFM

FM bị ghim

NM

FM tự do

Để chế tạo các màng này ta có thể sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt, phún

xạ catốt,… Tuy nhiên, do phương pháp phún xạ catốt có những ưu điểm hơn hẳn so với phương pháp bốc bay nhiệt như độ dày của màng chế tạo được điều khiển chính xác hơn và khả năng bám dính của màng trên đế tốt hơn Do đó, em đã sử dụng phương pháp phún xạ catốt để chế tạo các vật liệu nêu trên Mẫu sau khi chế tạo được tiến hành đo hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và từ kế mẫu rung (VSM) để biết được tính chất và cấu trúc của chúng

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ

2.2.1 Cơ chế phún xạ

Theo quan điểm vật lý, phún xạ là một quá trình hoàn toàn khác với sự bốc bay Quá trình phún xạ thường được so sánh với quá trình xảy ra trong trò chơi bi a: khi đẩy một quả bi chủ về phía các quả bi a đang xếp gần với nhau, các quả bi a này

sẽ bị tán xạ theo tất cả các hướng, kể cả hướng trở lại phía người chơi Hình 2.1 biểu diễn các quá trình cơ bản của của cơ chế phún xạ [1]

Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ

Trong trường hợp này, quả bi chủ chính là các ion khí trơ (như Argon, Xenon, Heli,…) được gia tốc về phí bia (target) chứa vật liệu cần lắng đọng Các ion khí va chạm với các nguyên tử của bia dẫn đến hệ quả là các nguyên tử (hoặc các đám vài nguyên tử) của bia bị bứt ra và chuyển động về phía đế mẫu (substrate) Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún xạ Khi đến được đế mẫu, chúng lắng đọng lại trên đế mẫu và tạo thành màng

Quá trình phún xạ thực chất là một quá trình chuyển hóa xung lượng Khi các ion bắn phá bề mặt bia, tương tác giữa các ion khí và nguyên tử của bia xảy ra như quá trình va chạm Sự va chạm có thể xảy ra đến độ sâu 5÷10 nm, nhưng sự trao đổi xung lượng chỉ xảy ra trong khoảng cách 1 nm từ bề mặt bia

Thông thường, các nguyên tử phún xạ rời khỏi bia với động năng 3 ÷ 10 eV Một phần năng lượng này sẽ bị tiêu hao do quá trình tán xạ với các nguyên tử khí trên đường đến đế mẫu Khi đến đế mẫu, năng lượng chỉ còn lại khoảng 1÷2 eV (cao hơn năng lượng của quá trình bốc bay khoảng 2 bậc) Năng lượng này làm tăng nhiệt độ đế mẫu và giúp cho các nguyên tử lắng đọng sẽ bám chặt hơn vào đế mẫu [1]

+ Phún xạ ion : chùm ion được sinh ra từ một súng ion riêng biệt và trực tiếp bắn phá vào bia [1]

2.1.2.1 Phún xạ phóng điện phát sáng một chiều

Hệ phún xạ phóng điện phát sáng một chiều gồm một cặp điện cực, một cực

là anot, một cực là catot Bề mặt catốt được gắn vào bia vật liệu, mặt bên kia được làm lạnh bằng nước, các đế được đặt trên anốt, tất cả được đặt trong buồng chân không (hình 2.2) Nguyên lý của hệ như sau :

Sau khi hút chân không đạt tới áp suất p < 10-6 mbar, đưa khí trơ Ar vào tới

áp suất cỡ 10-2

mbar và đặt hiệu điện thế một chiều vào đế mẫu (+) và bia (-) Các ion khí được gia tốc bởi điện trường giữa hai điện cực tới bề mặt bia, làm bứt ra các nguyên tử của bia Các nguyên tử chuyển động về phía đế, va chạm với đế, làm mất

năng lượng, lắng đọng lại thành màng Quá trình này được gọi là quá trình phóng điện phát sáng Do đặc điểm phát sáng khi ion hóa và kết hợp, sự phóng điện phát sáng được duy trì khi thế một chiều được duy trì cao hơn thế ngưỡng (breakdown voltage), vì các điện cực phải dẫn điện để duy trì dòng điện một chiều nên sự phún

xạ một chiều chỉ để phún xạ cho các vật liệu dẫn điện như kim loại, hợp kim…[1]

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catot một chiều

Ở vùng phát sáng chứa ion tích điện dương, các điện tử và các ion trung hòa chưa bị ion hóa là vùng plasma, còn vùng không phát sáng gần Catốt được gọi là vùng tối

Để sự phún xạ của Catốt đồng nhất , khoảng cách Catốt và Anốt chỉ nên lớn hơn độ dày vùng tối từ 2 đến 4 lần Khoảng cách này tỉ lệ với áp suất khí Nếu tăng

áp suất khí để giảm vùng tối, tốc độ lắng đọng và động năng của nguyên tử sẽ giảm

do nguyên tử bị tán xạ nhiều lần trước khi đến được đế mẫu Bia và giá đỡ bia được chắn bởi miếng chắn là một vòng kim loại bao quanh bia và giá đỡ bia chỉ để hở bề mặt bia, miếng chắn này được nối đất Với cấu trúc này, chỉ có bề mặt bia được bắn

Nguồn phát một chiều