Nghiên cứu các màng mỏng từ cứng có dị hướng từ lớn được chế tạo bằng phương pháp điện hóa

Vương Văn Hiệp Mục tièu và nội dung nghiên cứu Chế tạo được màng mỏng FePt và CoPt chất lượng cao bằng phương pháp điện hóa Xây dựng được tiềm lực khoa học và công bố được nhiều công trì

DAI HOC QUOC GIA HA N 0I TRUONG DAI HOC KHOA HOC TIT NHIEN

NGHIEN CtTU CAC MANG MONG TiTCiTNG CO DI HUONG rir lOn DlTOC CH£ TAO • • b a n g p h u o n g p h a p d i£* n h o a

MA SO: QG-05-05

CHU TRI DE TAI: GS TSKH NGUY&N CHAU

OAl HOC QUOC GIA HA N pl

tpung tam t h q n g tin thu vigr

D T / 7 T / I

HA NOI - 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN• • * •

«£» »t« tỉ« «t» > 1 » «i» «La « 1 »

»í» »r* *1* »I» »Ị» »ĩ* »ĩ» »Ị>

NGHIÊN CỨU CÁC MÀNG MỎNG TỪ CỨNG CÓ DỊ HƯỚNG

Từ LỚN ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

HÀ NỘI - 2007

B Á O C Á O T Ó M T Ắ T B Ằ N G T IÉ N G V I Ệ T 4

B Ả O C Á O T Ó M T Ắ T B Ằ N G T IẾ N G A N H 4

C H Ư Ơ N G 1 : M Ở Đ Ầ U 6

C H Ư Ơ N G 2: X Â Y D ự N G H Ệ Đ IỆ N H O Á X U N G D Ò N G 8

C H Ư Ơ N G 3: C H É T Ạ O M À N G FePt V À CoP t B Ằ N G P H Ư Ơ N G P H Á P Đ IỆ N H O Á X U N G D Ò N G 9

C H Ư Ơ N G 4: P H Ư Ơ N G P H Á P T H ự C N G H IỆ M 10

C H Ư Ơ N G 5 : T ÍN H C H Á T M À N G FePt V À CoPt C H É T Ạ O B Ằ N G Đ IỆ N H O Á X U N G D Ò N G

K É T L U Ậ N

T À I L IỆ U T H A M K H Ả O

PH Ụ L Ụ C

MỤC LỤC

BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIÊNG VIỆT

Tcn đé tài:

“Nghiên cứu các màng mỏng từ cứng có dị hướng từ lớn được chê

tạo bằng phương pháp điện hóa”

ThS Vương Văn Hiệp

Mục tièu và nội dung nghiên cứu

Chế tạo được màng mỏng FePt và CoPt chất lượng cao bằng phương pháp điện hóa

Xây dựng được tiềm lực khoa học và công bố được nhiều công trình khoa hoc đặc biệt là trên mặt bằng quốc tế

Các kết quả đạt được

Đề tài sử dụng hệ điện phân tự xây dựng để chế tạo thành công màng mỏng FePt

và CoPt có lực kháng từ lớn Màng FePt và CoPt sau khi chế tạo có cấu truc mất trật tự và có tính từ mểm Sau ủ nhiệt thích hợp các màng có cấu trúc trật tư L10 với tính từ cứng tốt

Công bố và gửi đăng 3 tạp chí trong và ngoài nước Đào tạo một cao hoc môt cử nhân

L Chê tạo màng FePt và CoPt bằng hệ điện phân xung dòng

Màng được điện phân trên đế Si pha tạp n với điện trở suất từ 1 - 10 Qcm Dung dịch điện phân gồm 0,1 mol/1 FeS 04, 0,001 mol/1 PtCl4, và 0,525 mol/1 Na2S 04 Mật độ dòng được khảo sát từ 5 - 7 mA/cm2 với điểu kiện xung bật 1 s, xung tắt 0,2 s Số lần lặp lại của xung từ 10 đến 100 lần, độ dày của màng từ 50 đến 265 nm

2 Phán tích tính chất màng FePt và CoPt

Kêt quả phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy sau khi điện phân, màng FePt và CoPt có cấu trúc lập phương tâm mặt fcc với các nguyên tử Fe/Co sắp xếp hỗn độn cùng với các nguyên tử Pt Kết quả đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung cho thấy màng sau khi điện phân có tính chất từ mềm với lực kháng từ rất nhỏ, khoảng 100 Oe Tính chất nói trên của màng được chế tạo giống như nhiều tính chất của các màng tạo bằng phương pháp điện hóa của một số tác giả khác trên thế giới

Sau khi ủ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, pha trật tự có cấu trúc tứ giác tâm mặt fct được hình thành từ pha fcc Cấu trúc mất trật tự được chuyển thành cấu trúc trật tự thông qua chuyển pha trật tự-mất trật tự thường thấy ở hợp chất có cấu trúc L10 Nhiễu xạ tia X cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho pha trật tự (001), (110), (112) Tính chất từ mểm ở pha mất trật tự được chuyển thành tính chất từ cứng với lực kháng từ tăng lên đến hàng chục kOe

đo nhiễu xạ tia X, so sánh cường độ tích phân đỉnh (001) và (002) chúng tôi tính được tỉ phần trật tự của pha fct của mau FePt ở điều kiện ủ nhiẹt tối ưu la0,93 Từ tính của màng sau khi ủ được cho ở hình 2 và hình 3 Lực kháng từ của màng FePt đạt 12 kOe, lực kháng từ của màng CoPt đạt 5,3 kOe Đường cong tư hóa của màng FePt sau khi ủ nhiệt cho thấy tính đơn pha cao trong khi đương cong từ hóa của màng CoPt cho thấy tính đa pha từ cứng/từ mềm Điểu nay cho thấy thành phần màng FePt gần với thành phần mong muốn hơn màng CoPt Bằng cách làm khớp đường từ cong từ hóa khi đo trong từ trường song song và vuông góc với màng, chúng tôi tính được hằng số dị hướng từ tinh thể của FePt

là 3,3 M J/m3 Phân tích đường cong từ hóa cơ bản, cơ chế lực kháng từ của màng móng từ tính cho thấy là cơ chế hãm vách đô men

Kinh phí thực hiện đề tài: 60.000.000 đ (Sáu mươi triệu đổng)

Đã chi theo dự toán kinh phí đề tài

Tình hình kỉnh phí đề tài

K H O A Q U Ả N L Ý C H Ú T R Ì Đ Ể T À I (K ý và ghi rõ họ tên) (K ý và ghi rỗ họ tên)

ế u

GS TSKH Nguyễn Châu

T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C K H O A H O C T ự N H IÊ N

BÄO CAO TOM TAT BANG TIENG ANH

Name of the Project:

“Properties of Hard Magnetic Thin Films with Large Anisotropy

Prepared by Electrodeposition”

Code: QG-05-05

Coordinator: Prof Dr Sc Nguyen chau

Participants:

Assoc Prof Dr Le Van Vu

Assoc Prof Dr Ngo Quoc Quyen

Dr Nguyen Hoang Hai

MSc Pham Trung San

MSc Dang Minh Hong

MSc Vuong Van Hiep

Objectives

Preparation of FePt and CoPt thin films by electroseposition

Enhancement of scientific research and international publications

Results

The main results of the project is using the home-made electrodeposition system

to make FePt and CoPt thin films which showed a large coercivity The as- prepared thin films possess relatively soft magnetic properties while the annealed films showed hard mangetic properties with L10 structure 7 W scientific articles have been published and submitted to Vietnamese and international journals The project supported for 1 master and 1 bachelor theses

1 Preparation o f the FePt and CoPt thin film s by electrodeposition

FePt films have been deposited on n-type Si substrate with technical grade, resistivity of 1-10 cm Electrical contact on the backside of electrode is made through conducting silver paste A conventional threeelectrode cell (Zahner workstation IM6e, Germany) is used for the pulse plating Electrolyte contains 0,1 mol/1 FeS 04, 0,001 mol/1 PtCl4 and 0,525 mol/1 Na2S 0 4 The deposition process occurs when a sequence of ganvanostatic pulses is applied to the

electrodes Composition of the films is controlled by current intensity In this study, current intensity of 5 - 7 mA/cm2 is used to determine the right condition The optimal current intensity to have equiatomic composition is 5.5 - 6.0 mA/cm2 Thickness of the films is determined by number of the pulses.

2 Properties o f the FePt and CoPt film s

EDS results show that the samples are close to the equiatomic FePt composition which is the expected composition for hard film In a typical sample, the composition is Fe55Pt45 XRD patterns reveal that the structure of as-deposited samples is partially crystalline of fee disordered FePt Upon annealing at temperature higher than 550°C for 1 hour, the ordered fct FePt has been formed

with partial in-plane texture The chemical order parameter S of 0.47 is deduced Annealed at higher temperatures of 600°C and 650°C, the S value reaches 0.79

and 0.93, respectively

Value of coercivity increases with annealing temperature Ta and reaches from

5.3 kOe for CoPt film and 12 kOe for FePt film The imperfectness of the equiatomic composition in the samples is not only recognized by the chemical order parameter but also by the magnetic hysteresis loops The loops have a kink

at small negative field due to the fact that there is a small portion of a soft magnetic phase still present in the sample Because of the fact that the portion does not change significantly with Ta, and the fact that the soft phase is slightly coercive (obtained by the recoil loops from negative to zero filed after positively saturated), the soft magnetic phase seems to be the Fe rich compound - Fe3Pt Magnetic properties of samples do not change significantly with thickness in the prepared samples However the coercive field slightly reduces when thickness of samples increases

The in-plane texture of the annealed samples can be concluded when comparing the in-plane (IP) and the perpendicular-to-plane (PP) magnetic hysteresis curves The IP curves show higher magnetization and higher coercivity than those of the

PP ones In a typical sample, remanent magnetization Mr of the IP curve is as twice as the value of the PP curve Fitting the IP and PP curves to a model, we estimate the in-plane texture is about 30° and the first ordered anisotropy

constant K ] of 3.3 M J/m3 Value of the anisotropy constant of 3.3 M J/m3 is

lower than expected value of 6 MJ/m3, so that coercivity of the FePt films prepared by electrodeposition can be explained by pinning mechanism

CH Ư Ơ N G 1: M Ở Đ Ầ U

Mật độ lưu trữ thông tin của ổ cứng trong các máy tính tăng lên theo cấp sô nhân Đê có được mật độ lưu trữ thông tin lớn người ta phải giải quyết hai vấn

đê Vân đê thứ nhất là vật liệu dùng để lưu trữ phải có những tính chất đặc biệl

và có cấu trúc nhỏ bé tương ứng với một đơn vị lưu trữ thông tin Vấn đề thứ hai

là đầu đọc thông tin phải truy nhập và tác động được đến từng phần tử lưu trữ nhỏ bé Giải Nobel năm 2007 được trao cho hai nhà khoa học châu Âu, những người đã có công đóng góp cho các nghiên cứu có liên quan đến hiệu ứng từ trở không lô [1], Hiệu ứng này giúp giải quyết vấn đề thứ hai của lun trữ thông tin mật độ cao Với các đầu đọc hoạt động theo nguyên lí của hiệu ứng từ trở khổng

lồ, người ta có thể truy nhập và ghi lên các phần tử nhớ có kích thước nm Vấn

đê thứ nhất liên quan đến hai quá trình là bản chất vật liệu để lưu trữ và công nghệ tạo ra các cấu trúc nano Vật liệu dùng để lưu trữ thông tin phải thỏa mãn các điêu kiện sau: i) có từ độ bão hòa lớn để mômen từ của một phần tử lưu trữ thông tin lớn, ii) có dị hướng từ tinh thể lớn để kích thước của phần tử ghi nhớ có thế nhỏ mà không bị mất đi trật tự từ dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, iii) có cấu trúc đơn giản và dể hình thành pha Kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni là vật liệu có từ độ bão hòa lớn tại nhiệt độ phòng nhưng dị hướng từ của chúng lại nhỏ nên giới hạn siêu thuận từ lớn nên hạn chế về kích thước của yếu tố ỉiru trữ thông tin Các hợp chất của kim loại chuyển tiếp-đất hiếm như Nd2Fel4B thỏa mãn yêu cầu về từ độ bão hòa và dị hướng từ nhưng những vật liệu này khó hình thành pha và không ổn định khi làm việc [2] Hợp chất liên kim loại FePt và CoPt có từ độ bão hòa cao, dị hướng từ lớn, ổn định trong môi trường làm việc

và dễ tạo pha Chính vì thế các vật liệu này là đối tượng nghiên cứu chủ yếu cua các nhà khoa học để cho các ứng đụng ghi từ mật độ cao [3]

Vật liệu liên kim loại FePt, CoPt là vật liệu từ cứng với từ độ bão hòa Ms đạt đến

của FePt, CoPt là khoảng 5 nm Dị hướng từ này có nguồn gốc tír tương tác spin-

quỹ đạo mạnh của nguyên tử Pt và sự lai hóa của các điện tử d của Co và của Pt

cấu trúc tứ giác tâm mặt (fct) với tỉ số c/a là 0,96 với FePt và 0,978 với CoPt Các lớp nguyên tử Fe/Co và Pt sắp xếp đan xen nhau thành từng lớp dọc theo

trục c (còn gọi là cấu trúc L10) Do trục c bị co lại so với trục a nen phương của trục dễ từ hóa nằm theo phương của trụ c Tuy nhiên, cũng giống như các vật

liệu có cấu trúc L10 khác, FePt, CoPt cũng có thể ở trạng thai mất trật tự với câu trúc lập phương tâm mặt (fcc) ở cấu trúc này, các nguyên tử Fe/Co và Pt phán

bố một cách ngẫu nghiên trong tinh thể có cấu trúc fcc v ề mặt từ tính, pha có cấu trúc fcc không có tính từ cứng tốt như từ tính của pha có cấu trúc fct Fept và CoPt có thế chuyển trạng thái từ fcc sang fct thông qua một quá trình gọi là chuyên pha trật tự-mất trật tự Tùy từng điều kiện chế tạo cụ thể mà nhiệt độ

Co-Pt còn có các thành phần hợp thức là Fe/Co3Pt, Fe/CoPt3 với cấu trúc L I 2 ở Fe/Co3Pt, các nguyên tử Co chiếm các vị trí ở góc, các nguyên tử Pt chiếm vị trí

ớ mặt của hình lập phương tâm mặt Ở Fe/CoPt3 thì ngược lại, nguyên tứ Pt chiếm vị trí góc, nguyên tử Fe/Co chiếm vị trí mặt của lập phương Nếu tỉ phần Fe/Co và Pt không cân bằng thì vật liệu có thể là hỗn hợp các thành phần hợp thức nói trên Cũng giống như Fe/CoPt, các thành phần Fe/Co3Pt và Fe/CoPt3 cũng có thể ở trạng thái không trật tự có cấu trúc fcc Trạng thái không trật tự có thể chuyển sang trạng thái trật tự thông qua chuyển pha tại nhiệt độ cao Tất cả các cấu trúc fcc đều có tính từ mềm với lực kháng từ khoảng vài trăm Oe ở trạng thái trật tự, FeCo3Pt có tính từ mềm trong khi Fe/CoPt3 có tính phản sắt từ

[7].

Có rất nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu có cấu trúc L10 dạng màng mỏng

để ứng dụng trong ghi từ mật độ cao Phổ biến nhất là các phưcmg phap chân không như bốc bay, phún xạ, ăn mòn laser, biến dạng cơ học [8], Các phương pháp trên có đặc điểm chung là đắt tiền Gần đây người ta quan tâm đến các phương pháp rẻ tiền hơn để tạo màng như phương pháp điện phân [9], phương pháp hóa ướt [10] Thông thường, sau khi tạo mẫu vật liệu ở trạng thái không trật

tự fcc Sau quá trình ủ nhiệt, trạng thái trật tự được hình thành khi có sự tái sắp xếp các nguyên tử Co và Pt trong mạng tinh thể

Đề tài này sẽ trình bày việc xây dựng hệ điện hóa xung dòng và sử dụng hệ điện hóa nói trên để chế tạo màng mỏng FePt và CoPt

CHƯƠNG 2: HỆ ĐIỆN HÓA XUNG DÒNG

Hình ì Sơ đồ khối ị trên) và ảnh chụp ị dưới) của hệ

điện phân xung dòng.

Sơ đồ khối của nguồn dòng của hệ điện phân điều khiển bằng máy tính được mô

tả trên hình 1 Hệ điện hóa xung dòng được xây dựng từ đề tài Nghiên cứu Khoa học Cơ bản cấp nhà nước mã số 406506

B ảng 1 Thông s ố k ĩ thuật của nguồn dòng.

CHƯƠNG 3: CH Ế TẠO MÀNG FePt VÀ CoPt BẰNG PHƯƠNG

PH Á P ĐIỆN HÓA XUNG DÒNG

Nguôn dòng được mô tả ở phần trên được dùng là nguồn cho hệ điện hóa Hệ điện hóa gồm hai điện cực, điện cực dương là một tấm Pt, điện cực âm là tấm Si

có pha tạp n với điện trở suất khoảng 1 — 10 Qcm Bề mặt điện phân của điện cực âm được phủ bởi một mặt nạ bằng teflon sao cho diện tích của phần được điện phân là 0,5 cm2 Mặt sau của điện cực âm được dán hồ bạc với một dây dẫn bằng đồng Toàn bộ chỗ tiếp xúc giữa dây dẫn và đế Si được phủ lớp keo dán đê tránh bị thấm ướt trong quá trình điện hóa Trước khi điện hóa, điện cực âm được tẩy rửa bằng HF để loại bỏ lớp ôxít trên bề mặt điện cực

Dung dịch điện hóa gồm có muối PtCl4 với nồng độ 1 mM/1, muối CoS04 và CoCl2 trong trường hợp điện phân CoPt, muối FeS04 FeCl2 trong trường hợp điện phân FePt và với nồng độ 0,1 M/l, muối đệm Na2S 0 4 0,525 MA Nước được đùng trong các thí nghiệm là nước cất hai lần Dung dịch được điều chỉnh ở pH bằng 3 bằng HC1 35% Thế điện hóa của Pt, là +0,816 V (so với thế điện hóa chuẩn Hydro, NHE) khá dương so với thế điện hóa của Co là -0,23 V (NHE) Trong quá trình điện hóa thì Pt sẽ bị điên hóa trước Co nên chúng tôi chọn nồng

độ của Pt thâp hon của Co 100 lần Hơn nữa việc chọn điện hóa xung dòng thay cho điện hóa xung thế như thường thấy làm cho quá trình chọn chế độ điện hóa sao cho thu được Co và Pt với tỉ phần thích hợp được dễ dàng hơn Việc chọn chế độ điện hóa theo từng xung thay cho điện hóa liên tục giúp cho quá trình khuyếch tán của các ion lên bề mặt điện cực Khi điện hóa, các nguyên tử H cũng được hình thành và tạo bọt khí H2 trên bề mặt điện cực Sự hình thành bọt khí cản trở sự khuyếch tán của các ion lên bề mặt đế làm cho việc hình thành màng gặp khó khăn Nếu điện hóa thẹo xung, H2 có thời gian thoát ra khỏi dung dịch và sự hình thành màng trở nên dễ dàng hơn Chế độ phát xung chữ nhật của

các mẫu sau khi được tối ưu hóa như sau: xung tắt /) = 0 mA/cm2 tl = ò 2 s xung bật /2 = 6 mA/cm2, t2 = 1 s Số lần lặp lại của từng cặp xung, n = 30 60 90

100 lần để điểu chỉnh độ dày của màng điện phân Qua trình hình thanh của màng kim loại chế tạo bằng phương pháp điện phân là một quá trình phát triển liên tục nhưng có thể được chia thành ba giai đoạn khác nhau, ở giai đoạn thứ nhất, các ion kim loại chuyển động trong dung dịch về phía điện cực âm để nhan điện tử và trở thành nguyên tử kim loại Các nguyên tử này kết tụ với nhau để tạo

ra các hạt tinh thể nano rất nhỏ có dạng hình cầu [14] ở giai đoạn hai các hat

nhánh mọc theo các phương tinh thể [15] Giai đoạn ba là giai đoạn các nhánh cây tiếp tục phát triển tạo nên màng đồng nhất Với thời gian dài hơn vài giây,

C H Ư Ơ N G 4: PH Ư Ơ N G P H Á P TH Ự C N G H Ệ M

Màng được điện phân sẽ được ủ nhiệt trong chân không hoặc trong khí quyển H2

( Ẳ = 1.54056 Ả) Tính chất từ được khảo sát bằng từ kế mẫu rung DMS-880 tại nhiệt độ phòng Băng được trong chân không cao 10'6 torr Phép phân tích phổ tán xạ năng ỉượng và ảnh hiển vi điện tử quét được thực hiện nhờ kính hiển vi

tự Các đỉnh này trải rộng và không rõ nét, điều đó cho thấy đọ kết tinh trong màng có thể ở trạng thái nano tinh thể Sau khi ủ nhiệt, kết quẩ XRD thay đoi hoàn toàn: cường độ đỉnh (111) mạnh lên, đỉnh (200) bị tách thành hai đỉnh cac đỉnh nhiễu xạ đặc tnmg cho pha fct như (001), (110), (201), và (112) Do trong cấu trúc fct có sự co lại của trục c so với trục a, tỉ số c/a = 0,96 nên xuất hien sư tách đỉnh nhiễu xạ (200) thành hai đỉnh riêng biệt là (200) va (002) Sự tách đỉnh này không xuất hiện ở pha fcc Khi tăng nhiẹt độ ủ nhiệt, cường đọ cua cac đinh

đặc trưng cho pha trật tự tăng lên cho thấy tỉ phần kết tinh gia tăng theo nhiệt độ

ủ nhiệt Các đỉnh phản xạ từ mặt (111), (200) và (002) là các đỉnh xuất hiện trong cả cấu trúc fcc và fct trong khi các đỉnh (001), (110), (201), và (112) chỉ xuất hiện ở pha fct Bằng cách so sánh cường độ tích phân của đỉnh đặc trưng cho cấu trúc fct và đỉnh đặc trưng cho cấu trúc fcc, ta có thê tính được tỉ phần

và (002) được chọn đê tính toán Bằng các so sánh cường độ tích phân của đỉnh (001) As và cúa đỉnh (002) Af, thông qua hằng số K, thứa số nhân m, hằng số phân cực Lorentz (LP), và thừa số cấu trúc F cùng với giao hoán phức F* của nó, cường độ tích phân được xác định như sau:

A = Km(LP)FF*

Với đỉnh (001):

Với đỉnh (001):

e M là bố chính Debye-Waller, / v à A là các phần thực và phần ảo của hệ số tán

xạ nguyên tử

trật tự được cho trong bảng 2

Bảng 2: Các thông s ố được sử dụng đ ể tính thông s ố trật tự S [4 Ị.

ỈPI A Pĩ

Hình 3 là ảnh hiển vi điện tử quét của màng FePt sau khi ủ tại các nhiệt độ khác

thể phân biệt từng hạt đơn lẻ Điểu này có thể được giải thích nhờ vào sự hình thành và phát triển của các hạt gia tăng theo nhiệt độ ủ

5.2 T ính chất từ

Với màng không ủ nhiệt, đường cong từ hóa thể hiện tính từ mềm với lực kháng

từ khoảng 100 Oe Sau khi ủ nhiệt màng trở nên vật liệu từ cứng điển hình sau

khi chuyển từ cấu trúc mất trật tự sang cấu trúc trật tự Hình 4 cho thấy đường cong từ hóa (trong mặt phẳng) của màng FePt có độ dày 117 nm được ủ nhiệt tại

cứng điển hình với lực kháng từ cao Lưu ý là do giới hạn của từ trường ngoài tác dụng là 13,5 kOe nên tất cả các đường cong từ hóa đều là các đường cong phụ Đường từ hóa chính chỉ có thể đạt được nếu từ trường ngoài lớn hơn Lực kháng

từ thự tê sẽ cao hơn lực kháng từ quan sát được Tuy nhiên đường cong thế hiện tính hai pha ở góc phần tư thứ hai có thể là do sự tồn tại của một pha từ mềm Fe3Pt hoặc fcc FePt Sự có mặt của pha từ mềm Fe3Pt ỉà do thành phần của màng không chính xác là Fe50Pt50 Sự tồn tại của pha fcc FePt là do quá trình chuyển

số trật tự, như thấy ở trên tăng dần cùng với nhiệt độ ủ nhiệt Ta Do đó, lực

kháng từ Hc cũng tăng dần theo nhiệt độ ủ nhiệt và đạt 4,6 kOe, 9,0 kOe, và 1,1

Hình 5 là đường cong từ hóa ở nhiệt độ của mẫu CoPt trước khi ủ nhiệt sau khi

đã loại bỏ phần đóng góp nghịch từ của đế Đường cong cho thấy vật liệu có tính sắt từ với lực kháng từ nhỏ Đây là đặc điểm của pha mất trật tự fcc Để xác định lực kháng từ trong trường hợp đa pha như thế này, người ta thường lấy vi phân từ

độ theo từ trường Lực kháng từ thường được định nghĩa là từ trường ngược mà tại đó từ độ bằng không Theo một cách định nghĩa khác, lực kháng từ là từ trường mà tại đó nhiêu mô men từ quay theo từ trường nhất Với vật liệu đưn pha, lực kháng từ xác định theo hai cách trên bằng nhau Với vật liệu đa pha ỉực

690°c trong một giờ, pha mất trật tự fcc chuyển thành pha trật tự fct với lực kháng từ lớn Hình 5 cho thấy đường cong từ hóa của mẫu sau khi ủ nhiệt Đường cong cho thấy tính chất từ của mẫu tạo thành là tổng hợp của một pha từ mểm và một pha từ cứng Điếu này xuất hiện là do tỉ lệ giữa Co và Pt không cân bằng (dư Co) nên có mặt hai pha có trật tự Pha từ cứng CoPt và pha từ mềm Co3Pt Đường vi phân của từ độ theo từ trường trong hình 4 cho thấy có hai cực đại, một ở từ trường 5300 Oe, một ở từ trường 250 Oe tương ứng với lực kháng

từ của hai pha từ cứng và từ mém đã nói ở trên Chú ý là do từ trường cực đại của máy đo không đủ để bão hòa mẫu nên các giá trị lực kháng từ ở trên chưa phải là giá trị lực kháng từ thực sự Giá trị thực sự sẽ lớn hơn các giá trị trên nếu được

đo ở vùng từ trường lớn hơn Số lần lặp lại các xung điện phân quyết định đen chiều dày của màng Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy

thấy tính đa pha trong đường cong từ hóa với một pha từ cứng có lực kháng từ

5150 Oe - 5300 Oe và một pha từ mềm có lực kháng từ 200 Oe - 250 Oe Tính từ cứng phụ thuộc chủ yếu vào tỉ phần Co và Pt Trong tương lai, việc tối ưu hóa

các điều kiện chê tạo mẫu sẽ làm cho tỉ phần nguyên từ giưa Co và Pt cân bằng

để có thể thu được vật liệu có tính từ cứng tốt

Hình 3: ảnh hiển vi điện tử quét của màng mỏng FePt sau khi ủ nhiệt íại nhiệt

độ 550 ‘C (trên), 600 V (giữa), và 650 ‘C (dưới).

H (kOe)

Hình 4: Đường cong từ hóa (từ trường song song với mặt phẳng mẫu) tại nhiệt

độ phòng của màng FePt sau khi ủ tại nhiệt độ 550 V (a), 600 *€ (b), và 650 V

' (c) '

H (Oe)

Hình 5 Đường cong từ trễ của mẫu CoPt sau khi ủ tại nhiệt độ 690 °c trong 1 giờ (hình tròn đen) và vi phân của từ độ theo từ trường (hình vuông trắng) Từ

trường song song với mặt phẳng của mẫu.

Với mẫu FePt, độ dày của màng thay đổi từ 65 nm đến 265 nm Chúng tôi thấy rằng tính chất từ của màng phụ thuộc vào thành phần của màng nhiều hơn phụ thuộc vào độ đày Tuy nhiên chúng tôi vẫn quan sát được sự suy giảm yếu của

Vật liệu FePl có dị hướng trường tinh thể lớn, Kị = 8 M J/m \ Đối với đa tinh thế,

giá trị của dị hướng từ tinh thể thường nhỏ hơn Giá trị của dị hướng từ tinh thể

có thê được xác định từ đường cong từ hóa khi từ trường song song hoặc vuông góc với mặt phẩng của màng Bằng các ỉàm khớp đường cong từ hóa thực nghiệm của góc phần tư thứ nhất, chúng tôi có thê tính được giá trị của dị hướng

từ tinh thể Mô hình tính toán giả thiết rằng màng FePt được tạo thành từ nhiều hạt từ Dưới tác dụng của từ trường H, và nhiệt độ T, năng lượng E của hạt cho bởi công thức sau:

Trong đó ụ/kầ góc giữa trục dễ từ hóa c của hạt từ và từ trường ngoài tì, 6 là góc giữa từ độ bão hòa tự phát M s và trục c Từ độ của màng có được khi lấy tổng theo tất cả các giá trị khả dĩ của ự.

Tích phân được lấy từ 0 đến n/2, m,/ỵ = Ms COS (lị/-6) là từ độ của hạt khi chiếu

gian so với từ trường ngoài H là N{ [ự) có liên hệ với sự phân bố của trục c của

hàm này đặc trưng cho mức độ định hướng ưu tiên của màng, ơ có giá trị nhỏ

nếu màng có tính định hướng tốt, ngược lại nó có giá trị lớn nếu màng là đẳng hướng Khi làm khớp với đường cong từ hóa khi từ trường ngoài song song với mặt phẳng màng (IP) thì các góc có mối liên hệ như sau: cosýí = - siny/sinar; khi

vuông góc với mặt phẳng màng (PP): c o s^ = - COS [ị/

Đường cong từ hóa IP và pp được làm khớp với mô hình nói trên đồng thời với nhau Các thông số làm khớp là dị hướng từ tinh thể ẴTj, độ định hướng tinh thể

ơ Từ độ bão hòa M s là 0,9 MA/m được lấy từ tài liệu [1] Hình 5 cho thấy một

kết quả của quá trình làm khớp Giá trị thực nghiệm và tính toán khi từ trường

M J/m \ Giá trị dị hướng từ tinh thể hơi nhỏ hơn một chút so với giá trị của một

số màng đã từng được công bố cũng được giải thích từ thành phần không phảilực kháng từ vào độ dày

Fe5oPt5o h°ặ c là do pha fcc mất trật tự vẫn tồn tại trong vật liệu Tuy nhiên lực kháng từ Hc vẫn lớn so với nhiều công bố Lực kháng từ là một thông số vật lí không chỉ phụ thuộc vào tính chất nội như dị hướng từ tinh thê mà còn phụ thuộc vào các tính chất ngoại như kích thước hạt tinh thể, sai hỏng mạng, Cac tính chất ngoại trong màng FePt thích hợp cho tính từ cứng cao.

KẾT LUẬN

Chúng tôi đã chế tạo thành công hộ điện phân xung dòng và sử dụng hệ điện phân này chế tạo thành công màng mỏng từ cứng có dị hướng từ lớn Việc xây dựng hệ điện phân đã tiết kiệm cho nhà nước một khoảng ngân sách đáng kể nếu

so với việc mua hệ điện phân ở nước ngoài Màng mỏng được chế tạo từ hệ điện phân nói trên có tính từ cứng tốt và có triển vọng ứng dụng trong ghi từ mật độ cao và chế tạo hệ vi cơ điện từ (MEMS)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] N H Hai, N.M Dempsey, and D Givord, IEEE Trans Magn 39, 2914 (2003)

[2 \ G E Bacon and J Grangle, Proc Roy Soc London 387, A 272 (1963).

[3] o Kubaschewski, Fe-Pt binary phase diagram, in Iron-binary phase diagrams, Springer-Verlag, p 91 (1982)

[4] B E Warren, X-ray diffraction, 1 ed., Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company, p 381 (1969)

[5] T Shima, K Takanashi, Y K Takahashi, and K Hono, Appl Phys Lett 81 1050(2002)

[6] S Sun, C B Murray, D Weller, L Folks, and A Moser, Science 287, 1989

Komalov, V G Pinko, L V Ivaeva, Phys Stat Solidi A 50, K153 (2006)

[11] N H Luong, V V Hiep, D M Hong, N Chau, N D Linh, M Kurisu, D

T K Anh, G Nakamoto, J Magn Magn Mater 290-291, 559 (2005)

[12] C de Julin Femndez, J L Vassent, D Givord, Appl Surf Sei 138-139, 150(1999)7

113] T Itoh, T Kato S Iwata, and S Tsunashima, IEEE Trans Magn 41, 3217 (2005)

[14] S Thongmee, J Ding, J Y Lin, D J Blackwood, J B Yi, and J H Yin, J Appl Phys 101, 09K519 (2007)

[15] F M F Rhen, G Hinds, C O ’Reilly, and J M D Coey, IEEE Trans Magn 39, 2699 (2003)

[16] J -H Gao, Q -F Zhan, W He, D -L Sun, and Z -H Cheng, Appl Phys Leu 86, 232506 (2005)

[17] D Givord, A Linard, R P de la Bthie, P Tenaud, and T Viadieu, J Phys Paris C6, 313 (1985)

[18] D Givord and M F Rossignol, Coercivity, in Rare-earth Iron Permanent Magnets, Editor: J M D Coey, Clarendon Press, Oxford, p 218 (1996)

ưẠI HỌC QUỔC GIA H À NỘ TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN !

Tóm tắt:

Đã sử dụng phương pháp điện phân xung đòng với mật độ dòng là 6 mA/cm2 để tạo ra các màng Fe58Pt42 với chiểu dày 87 nm.' Cấu true và các tinh chat tư cua mâu được nghiên cứu thống qua phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và từ kê mâu rung (VSM) Các mẫu màng mỏng được ủ tại các

phân trên đế Si, kết quả XRD cho thấy sự xuất hiện của các pha trật tự

thích hợp cũng đã xảy ra Giá trị lực kháng từ H ( lớn nhất là 11,2 kOe thu

2 Dang Minh Hong, Nguyen Hoang Hai, Nguyen Chau, and Vuong Van

Hiep, Pham Trung San, Luc Huy Hoang, Harcl Magnetic FePt Films

Prepared by Ganvanostatic Electrocleposition, gửi đăng trên J Korean

Abstract:

This paper reports preparation and magnetic properties of hard magnetic FePt films produced by gavanostatic pulse electrolysis technique FePt films on Si substrate are formed in a single electrolyte containing Fe2+ and Pt4+ The films with different thicknesses are controlled by current pulse plating parameters XRD and SEM reveal nanocrystalline structure of the disordered fee phase in as-deposited samples Upon annealing at temperatures higher than 5 0 0 °c for 1 hr, the ordered fct L10 is formed with partial in-plane texture The chemical order parameter reaches 0 93 when annealed at 6 5 0 °c/lh r The as-deposited films are soft magnetic while the annealed films are hard magnetic and coercivity can get 11 kOe

at room temperature Coercivity slightly reduces with film thickness Analysis of in-plane and perpendicular-to-plane virgin and hysteresis curves suggests the pinning mechanism for coercivity in the hard FePt films Electrodeposition is an inexpensive and simple method to make films with variety of thickness in a short time of preparation

u ư? nê .ẵĩ ,,ệp; Dương HồnỄ Gấm Lê Văn Vũ, Nguyễn Hoàng Hai, Nguyên Hoàng Lương, Nguyễn Châu, Trần Vĩnh Thắng, Nguyên

Ngọc Đỉnh Xây dựng hệ điện hóa xung dồng đ ể c h ế tạo màng từ cứng

Tóm tát:

Trong bài báo này chúng tôi trình bày việc xây dựng hệ điện phân xung dòng và ứng dụng hệ này để chế tạo màng mỏng từ cứng CoPt Cac mang

màng có cấu trúc tinh thê fct Lực kháng từ cùa màng CoPt phụ thuộc vàothanh phân, cấu trúc của màng Lực kháng từ khá cao có giá trị 5 6 kOe

v ß

T H Ô I V Â T L Ÿ V I Ê T N A M h O i v A T L Y V I E T N A M

VÂT LŸ CHAT RÀN

Báo cáo tại Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ Vĩ, Hà Nội, 23-25/11/2005

S ự THAY ĐÓI TÍNH TỪ CỨNG CỦA MÀNG MỎNG ĐIỆN PHẢN XƯNG DÒNG FePt THEO NHIỆT Đ ộ ủ • • »

Đãng Minh Hồng* Nguyền Châu, Vương Văn Hiệp

Truníỉ tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN

334 Đường Nguyễn Trãi, Hà Nội

Tóm tắt: Đã sừ dụng phươns pháp điện phân xune dòng với mật độ dòne

là 6 mA/cm để tạo ra các màno Fej8Pt42, với chiều dàv 87 nm cấu trúc

và các tính chất từ của hệ được nghiên cứu thône qua phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và từ kế mẫu rung (VSM) Những mẫu màng mòng được ủ

được điện phân trên đế Si, kết quả XRD cho thẩy sự xuất hiện cùa pha trật tự Lltí (fct) Sự chuyển từ pha bất trật tự fcc sang pha trật tự fct sau khi ủ thích hợp cũng đã xảy ra Giá trị lực kháng từ Hc lớn nhất là 11,2

TỪ KHÓA: Điện phân; Màng mỏng; Llo; Lực kháng từ

1 MỞ ĐÀUTroniỉ nhĩrna năm gần đây, hợp kim FePt nổi lên như là một vật liệu từ cứng hấp dẫn hơn han các hợp kim hai neuyên và ba nguyên quen thuộc [1] về một sổ tính chất từ quan trọng như lực kháng từ (Hc), hàng sổ dị hướns từ tinh thé (Ku), độ

từ dư(Mr) tích năns lượng (BH)max đặc biệt khi được chế tạo ở dạng màng mỏng

tươns lai hoặc đê chá tạo các micro nam châm vĩnh cửu trên cơ sờ vật liệu tổ hợp nanô cho cône nshệ MEMS Cùng như phần lớn các vật liệu tiên tiến khác, hợp kim thườne được chê tạo bãng phương pháp vật lý, trong chân không cao như phún xạ catốt rf [2, 3j Sons, đẽ đáp ứne sự phát triển nhanh chóng cùa công nghệ thì giá thành vật liệu dù là quý hiẽm nhât như Pt sẽ không đáne kê so với giá thành công nghệ chẽ tạo nên nhiêu phương pháp chê tạo đơn giản và khá hiệu quả ngày càng được chú ý như các phương pháp hóa [4] ơ bài báo này, chúne tôi trình bày một số

Pt*4 bằnsỉ phươne pháp mạ xuns dòn°

2 THựC NGHIỆMDuns dịch mạ có thành phần cơ bản như sau: H2PtCl6 lmM/1; FeS04 + FeCl20,1 M/l; Na2SOj 0,525 M/l và phụ gia ức chế oxi hóa Fe+2 Hóa chất sử dụns có độ tinh khiêt pA hỏa tan trong nước cât hai lân pH được điêu chỉnh ờ 3 - 3 5 bàng HCI Đè n-Si (100) được làm sạch và phù Cư lót trước khi mạ ơ đây chúng tôi chọn che độ mạ xuna đòns vỉ nhận thấy quá trình điều khiển việc đồng kết tủa

khuây Be mạ được nôi với hệ điện hóa đa chức năna IM6e (Zahner Đức), tiến hành ớ chc liộ xuns dòng catỏt hình chừ nhật chọn xuất phát i| = 0 mA/cin2, t| =

" Đủnt: M in h H ổ riíỉ, Phone: 84 - 4 - 5 5 8 2 2 1 6 ; E -m a il: d a n g h o n g v a tM íiy a h o o c o m