Nghiên cứu quá trình đảo từ cảm ứng bởi điện trường trên cấu trúc nanô kiểu từ - điện trở, áp điện cho các bộ nhớ MERAMs tương lai

Đường cong sự thay đổi của điện trở theo từ trường ngoài tác dụng trong mặt phẳng màng, song song với phương từ trường ghim đo trên các màng spin-van Ta/NiFe/CutCu/Co/IrMn/Ta với chiều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Dương Thị Thanh Nhàn

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐẢO TỪ CẢM ỨNG BỞI ĐIỆN TRƯỜNG TRÊN CẤU TRÚC NANÔ KIỂU

TỪ - ĐIỆN TRỞ/ÁP ĐIỆN CHO CÁC BỘ NHỚ

MERAMs TƯƠNG LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Dương Thị Thanh Nhàn

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐẢO TỪ CẢM ỨNG BỞI ĐIỆN TRƯỜNG TRÊN CẤU TRÚC NANÔ KIỂU

TỪ - ĐIỆN TRỞ/ÁP ĐIỆN CHO CÁC BỘ NHỚ

MERAMs TƯƠNG LAI

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đỗ Thị Hương Giang

HÀ NỘI - 2011

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này hoàn thành được là nhờ sự giúp đỡ của tập thể cán bộ của Phòng thí nghiệm Công nghệ micrô và nanô thuộc Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nanô, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Lời đầu tiên tôi xin cảm ơn TS Đỗ Thị Hương Giang, cô giáo hướng dẫn, người luôn nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp Sự nghiêm khắc và yêu cầu cao của cô đã giúp tôi học hỏi được nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu và thực hiện các thí nghiệm

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong Phòng thí nghiệm Công nghệ micrô và nanô và các thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong quá trình học cao học Các thầy, cô, anh, chị đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức khoa học đồng thời giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực nghiệm tại Trường Đại học Công nghệ

Xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian để tôi được học tập nâng cao trình độ kiến thức

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người luôn cổ vũ, động viên, giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong những lúc khó khăn nhất

để tôi hoàn thành được luận văn này

Tôi cam đoan các số liệu, kết quả khoa học trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ nơi nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Dương Thị Thanh Nhàn

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Vật liệu tổ hợp từ-điện trở và áp điện 3

1.1.1 Vật liệu áp điện 4

1.1.2 Vật liệu từ-điện trở 6

1.2 Đối tượng nghiên cứu của luận văn 7

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 9

2.1 Chế tạo màng đa lớp bằng phương pháp phún xạ ca tốt 9

2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ trở/áp điện 12

2.3 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM) 12

2.4 Đo hiệu ứng từ điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò 13

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16

3.1 Quá trình từ hóa của các màng đơn lớp sắt từ tự do và bị ghim 16

3.2 Quá trình từ hóa trong các màng spin-van 18

3.2.1 Quá trình từ hóa của màng spin-van với lớp sắt từ tự do NiFe 18

3.2.2 Quá trình từ hóa của màng spin-van với lớp sắt từ tự do FeCoB 19

3.2.3 Tương tác trao đổi giữa các lớp sắt từ trong cấu trúc spin-van 21

3.2.4 Ảnh hưởng của chiều dày lớp Cu không từ (t Cu ) 22

3.3 Hiệu ứng từ-điện trở của các cấu trúc spin-van 28

3.3.1 Hiệu ứng từ-điện trở của màng spin-van với lớp sắt từ tự do NiFe 28

3.3.2 Hiệu ứng từ-điện trở của màng spin-van với lớp sắt từ tự do FeCoB 31

3.4 Quá trình từ hóa và từ-điện trở cảm ứng bởi điện trường trong các vật liệu tổ hợp spin-van/áp điện 34

3.4.1 Quá trình từ hóa cảm ứng bởi điện trường 34

3.4.2 Hiệu ứng từ-điện trở cảm ứng bởi điện trường 36

Chương 4 MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT 42

4.1 Mô hình lý thuyết 42

4.1.1 Mật độ năng lượng 42

4.1.2 Mối liên hệ với hiệu ứng từ-điện trở 43

4.1.3 Mô hình mật độ năng lượng cực tiểu 44

4.2 Thực hiện tính toán, mô phỏng 46

4.2.1 Các thông số mô phỏng 46

4.2.2 Sơ đồ khối của quá trình mô phỏng 46

4.2.3 Một số kết quả mô phỏng 48

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Hình 1.1 Hình minh họa hiệu ứng từ-điện trên vật liệu tổ hợp từ điện 3

Hình 1.2 Hình minh họa hiệu ứng áp điện nghịch trên vật liệu áp điện 5

Hình 1.3 Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương (trái) và mặt thoi (phải) 5

Hình 1.4 Cơ chế tạo nên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 7

Hình 1.5 Cấu trúc GMR dạng spin-van 7

Hình 1.6 Cấu trúc vật liệu tổ hợp từ điện trở/áp điện 8

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ 9

Hình 2.2 Ảnh chụp hệ giữ mẫu có từ trường sử dụng trong quá trình chế tạo màng mỏng: (a) mặt trước và (b) mặt sau 10

Hình 2.3 Hình minh họa các cấu trúc spin-valve đa lớp trong luận văn 11

Hình 2.4 Hình minh họa cấu trúc vật liệu tổ hợp spin-van/PZT 12

Hình 2.5 Ảnh chụp vật liệu tổ hợp chế tạo hoàn thiện bằng phương pháp kết dính có gắn các điện cực cấp điện áp và điện cực đo điện trở 12

Hình 2.6 Sơ đồ khối từ kế mẫu rung (VSM) 13

Hình 2.7 Mô hình phương pháp đo bằng 4 mũi dò 14

Hình 2.8 Sơ đồ khối mô tả hệ đo từ-điện trở 15

Hình 3.1 Đường cong từ hóa của các màng đơn lớp sắt từ tự do NiFe, FeCoB và màng sắt từ bị ghim Co/IrMn 16

Hình 3.2 Đường cong từ hóa trong mặt phẳng theo 2 phương song song và vuông góc với từ trường ghim của màng đơn lớp tự do 18

Hình 3.3 Đường cong từ hóa của c Ta/NiFe/Cu/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm Phép đo được tiến hành theo ba phương của từ trường ngoài: nằm trong mặt phẳng mẫu theo hai phương song song (H // Heb) và vuông góc (H ┴ Heb) với phương từ trường ghim và vuông góc (H out of plane) mặt phẳng mẫu 19

Hình 3.4 Đường cong từ hóa của Ta/FeCoB/Cu/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm 20

Hình 3.5 Hình minh họa tương tác trao đổi giữa 2 lớp sắt từ trong spin-van 21

trong mặt phẳng mẫu và song song với phương từ trường ghim 23

Hình 3.7 Đường cong từ hóa của Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều

dày lớp Cu không từ thay đổi tCu từ 2.5 đến 4.0 nm được vẽ trong

dải từ trường của miền “bão hòa tạm thời” giữa hai bước đảo từ 24

Hình 3.8 Đường cong từ hóa của Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều

dày lớp Cu khác nhau tCu = 1.0 và 4.0 nm với từ trường ngoài

nằm trong mặt phẳng mẫu và vuông góc với phương từ trường

ghim 25

Hình 3.9 Đường cong từ hóa của Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều

dày lớp Cu thay đổi tCu từ 1.0 đến 4.0 nm với từ trường ngoài

nằm trong mặt phẳng mẫu, song song với phương từ trường ghim 26

Hình 3.10 Đường cong từ hóa của Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều

dày lớp Cu khác nhau tCu = 3.0; 3.5 và 4.0 nm được vẽ trong dải

từ trường của miền “bão hòa tạm thời” giữa hai bước đảo từ 27

Hình 3.11 Đường cong từ hóa của 2 cấu trúc màng spin-van

Ta/NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn/Ta và Ta/FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn/Ta 27

Hình 3.12 Đường cong sự thay đổi của điện trở theo từ trường ngoài tác

dụng trong mặt phẳng màng, song song với phương từ trường

ghim đo trên các màng spin-van Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với

chiều dày lớp Cu nhỏ (tCu = 1.0 và 2.0 nm) 29

Hình 3.13 Đường cong sự thay đổi điện trở theo từ trường ngoài tác dụng

trong mặt phẳng màng, song song với phương của từ trường

ghim đo trên các màng spin-van Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với

chiều dày lớp Cu lớn (tCu > 2.0 nm) 30

Hình 3.14 Đường cong từ-điện trở của Ta/NiFe/Cu/Co/IrMn/Ta với chiều

dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm Phép đo được tiến hành theo

2 phương khác nhau của từ trường ngoài: nằm trong mặt phẳng

màng, vuông góc với phương từ trường ghim (H ┴ Heb) và

phương vuông góc với mặt phẳng mẫu (H out of plane) 31

Hình 3.15 Đường cong sự thay đổi điện trở theo từ trường ngoài tác dụng

trong mặt phẳng màng, song song với phương của từ trường

ghim đo trên các màng spin-van Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta

với chiều dày lớp Cu nhỏ (tCu = 1.0 và 2.0 nm) 32

Hình 3.16 Đường cong sự thay đổi điện trở theo từ trường ngoài tác dụng

trong mặt phẳng màng, song song với phương của từ trường

ghim đo trên các màng spin-van Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta

với chiều dày lớp Cu lớn (tCu > 2.0 nm) 33

Hình 3.17 Sự phụ thuộc của từ trở (MR) vào độ dày lớp Cu đối với mẫu có

lớp từ mềm là Ni20Fe80 và Fe40Co40B20 34

Hình 3.18 Đường cong từ hóa của {NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn}/PZT (a) và

{FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT (b) khi thay đổi điện áp đặt vào

PZT từ 0 đến 300 V Đường cong được thực hiện với từ trường

nằm trong mặt phẳng mẫu, song song với phương từ trường ghim 35

Hình 3.19 Đường cong từ hóa của {NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn}/PZT (a) và

{FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT (b) với từ trường nằm trong mặt

phẳng mẫu, vuông góc với phương từ trường ghim 36

Hình 3.20 Đường cong từ-điện trở của {NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn}/PZT (a) và

{FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT (b) được thực hiện với từ trường

nằm trong mặt phẳng mẫu, song song với phương từ trường ghim 37

Hình 3.21 Đường cong từ-điện trở của {FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT với từ

trường trong mặt phẳng, vuông góc với phương từ trường ghim 37

Hình 3.22 Đường cong từ-điện trở của {NiFe/Cu(3.5)/Co/IrMn}/PZT được

thực hiện với từ trường vuông góc với mặt phẳng màng 38

Hình 3.23 Đường cong từ-điện trở của {FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT được

thực hiện với từ trường vuông góc với mặt phẳng màng 39

Hình 3.24 Đường cong từ-điện trở của {FeCoB/Cu(3.5)/Co/IrMn}/PZT

được thực hiện với từ trường vuông góc với mặt phẳng màng 40

Hình 3.25 Tỉ số GMR phụ thuộc vào điện áp đặt vào tấm áp điện đo trên vật

liệu {FeCoB/Cu(3.5)/Co/IrMn}/PZT với từ trường vuông góc với

mặt phẳng màng 41

Hình 4.1 Hình minh họa cấu trúc spin-van trong tính toán lý thuyết 42 Hình 4.2 Sơ khối minh họa cấu trúc của chương trình mô phỏng 47 Hình 4.3 Kết quả mô phỏng đường cong từ hóa của cấu trúc spin-van

NiFe(5)/Cu(3.5)/Co(5)/IrMn(8) 48

Hình 4.4 Kết quả mô phỏng đường cong từ-điện trở của cấu trúc spin-van

NiFe(5)/Cu(3.5)/Co(5)/IrMn(8) 48

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tốc độ bốc bay của các lớp trong cấu trúc spin-van 10 Bảng 2.2 Các cấu hình màng spin-van được chế tạo được và nghiên cứu 11 Bảng 4.1 Các thông số dùng để mô phỏng 46 Bảng 4.2 Các thông số mô phỏng tính chất từ của cấu trúc spin-van

NiFe(5)/Cu(3.5)/Co(5)/IrMn(8) nghiên cứu trong luận văn 49

BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GMR Giant Magnetoresistance Từ điện trở khổng lồ

PZT Pb Zirconat Titanat zirconat titanat chì

MRAM Magneto Random Access

Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dựa trên hiệu ứng đảo từ bằng từ trường

MERAMs Magneto Electric Random Access

Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dựa trên hiệu ứng đảo từ bằng điện trường

VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung

MỞ ĐẦU

Việc phát hiện ra hiệu ứng từ trở khổng lồ trong các màng mỏng đa lớp đã thực

sự đem lại diện mạo mới cho khoa học công nghệ: thời đại của các linh kiện spintronics - hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin, với những ưu điểm vượt trội so với các linh kiện truyền thống như:

- Tiêu thụ ít năng lượng hơn, việc chuyển trạng thái 0 và 1 trong các linh kiện điện tử truyền thống được thực hiện bằng cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi các kênh của transitor, điều đó đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng vì việc vận chuyển điện tích đòi hỏi phải tạo ra được độ chênh lệch của điện trường và bị tổn hao thành nhiệt năng, không thể bù đắp được, trong khi các linh kiện spintronics đảo trạng thái dựa trên việc đổi định hướng spin

- Không gây ồn/nhiễu như điện tích: spin không liên kết dễ dàng với điện trường phát tán (trừ khi tương tác spin-quỹ đạo trong các vật liệu là rất mạnh) nên tránh được nhiễu và ồn của điện tích

- Thao tác nhanh hơn: vì không phải mất thời gian cho việc vận chuyển điện tích, chỉ mất thời gian đảo phương spin

Một trong các lĩnh vực nghiên cứu của Spintronics là chế tạo và nghiên cứu các vật liệu lưỡng tính từ - điện tổ hợp của các vật liệu có tính chất từ trở khổng lồ Như chúng ta biết, vật liệu đa pha sắt từ - sắt điện đang là đối tượng nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới trong vài năm gần đây Các nghiên cứu trên vật liệu này cho đến nay chủ yếu tập trung vào các vật liệu đơn pha hoặc đa pha tổ hợp giữa các pha từ và điện nhằm khai thác hiệu ứng sự phân cực điện của pha sắt điện dưới tác dụng từ trường ngoài Bên cạnh đó, trên các vật liệu này còn thể hiện một hiệu ứng vật lý khác rất lý thú đó là hiệu ứng đảo từ độ của pha sắt từ khi có mặt của điện trường đặt vào pha sắt điện Trong khuôn khổ cho phép, luận văn tập trung

“Nghiên cứu quá trình đảo từ cảm ứng bởi điện trường trên cấu trúc nanô kiểu

từ - điện trở/áp điện cho các bộ nhớ MERAMs tương lai” theo hướng tìm ra vật

liệu tổ hợp có hiệu ứng cao ở nhiệt độ phòng

Bố cục của luận văn bao gồm 04 chương, thực hiện các nội dung sau:

1 Nghiên cứu công nghệ, ổn định chế tạo các cấu trúc GMR nanô kiểu màng đa lớp có lực kháng từ kép dạng spin-van có hiệu ứng từ trở cao và nhạy với ứng suất Khảo sát các đặc trưng tính chất (cấu trúc, tính chất từ, từ trở, từ đàn hồi…) và tối ưu hóa qui trình công nghệ, vật liệu, cấu hình

2 Nghiên cứu công nghệ chế tạo các vật liệu áp điện PZT dạng màng mỏng Chế tạo và nghiên cứu vật liệu lưỡng tính từ - điện sử dụng các vật liệu từ trở và áp điện chế tạo được dạng màng mỏng Khảo sát các thuộc tính, đặc trưng từ, điện, từ-điện và ảnh hưởng của điện trường ngoài đến quá trình đảo từ và từ trở của các vật liệu lưỡng tính

3 Mô phỏng, tính toán, xây dựng mô hình lý thuyết cho các hiệu ứng vật lý trên vật liệu lưỡng tính từ-điện từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm

4 Nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu: đề xuất ý tưởng, tìm hiểu cơ chế hoạt động của bộ nhớ thông tin dựa trên hiệu ứng từ-điện MERAM sử dụng vật liệu từ trở/áp điện

Nội dung các chương được phân bố như sau:

Chương 1 chủ yếu đưa ra lý thuyết cơ bản về hiệu ứng từ trở, hiện tượng từ điện

và những chủ đề liên quan tới các chương tiếp theo Nghiên cứu hiện tượng từ - điện

và ứng dụng

Chương 2 chủ yếu trình bày các phương pháp và thực nghiệm được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn đặc biệt là tối ưu hóa quá trình tạo các cấu trúc đa lớp Cu/Co/Cu có hiệu ứng từ trở tốt nhất

Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu các tính chất từ và hiệu ứng từ điện trở của các hệ đã được tạo ra trong chương 2 Nghiên cứu khả năng ứng dụng của việc đảo

từ cảm ứng bởi điện trường phục vụ cho việc chế tạo MERAMs trong tương lai

Chương 4 đưa một công cụ mô phỏng mới cho các tính chất của hiệu ứng từ trở khổng lồ

Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Vật liệu tổ hợp từ-điện trở và áp điện

Vật liệu tổ hợp từ-điện là vật liệu kết hợp của hai vật liệu sắt từ và sắt điện Đây

là vật liệu lai có sự tồn tại đồng thời các thuộc tính của cả pha từ và pha điện Hiện nay, nghiên cứu trên các vật liệu lai tổ hợp dạng này đang là mối quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhóm trên thế giới do triển vọng ứng dụng rộng rãi của vật liệu cũng như các hiệu ứng vật lý mới được phát hiện trên hệ này

Như đã đề cập ở trên, hiệu ứng từ điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện Bằng các cơ chế tác động khác nhau vào vật liệu tổ hợp từ điện chúng ta có thể làm thay đổi từ độ hoặc sự phân cực điện của vật liệu

Hình 1.1 Hình minh họa hiệu ứng từ-điện trên vật liệu tổ hợp từ điện

Với vật liệu tổ hợp dạng này, hiệu ứng từ điện có thể được chia thành 2 loại (hình 1.1)

(i) Dùng từ trường để điều khiển véc tơ phân cực điện: Dưới tác dụng của một

từ trường lên pha sắt từ, chúng sẽ bị biến dạng do hiệu ứng từ giảo Do có sự tương tác trao đổi qua lại giữa hai pha sẽ dẫn đến sự biến dạng của pha sắt điện Do hiệu ứng áp điện, ứng suất sinh ra do sự biến dạng này sẽ làm thay đổi vector phân cực điện của pha sắt điện Hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng từ-điện thuận (Magnetoelectric - ME) Một trong những khả năng ứng dụng đang được khai thác trên hiệu ứng ME này

là chế tạo các cảm biến đo từ trường, máy phát…[15]

(ii) Dùng điện trường để tác động lên mômen từ trong pha sắt từ: Khi tác dụng điện trường ngoài vào vật liệu tổ hợp, pha sắt điện sẽ chịu biến dạng cưỡng bức do hiệu ứng áp điện Sự biến dạng này sẽ kéo theo sự biến dạng sắt từ và do đó trong lòng pha sắt từ này sẽ tồn tại một ứng suất nội tại dẫn đến sự thay đổi moment từ của vật liệu Hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng từ-điện nghịch (Converse Magnetoelectric

- CME)

So với hiệu ứng ME, hiệu ứng CME là một hiệu ứng mới, gần đây đang được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ, trong đó phải kể đến một số ứng dụng như lưu trữ thông tin máy tính [3] Một số nghiên cứu mới gần đây nhất được công bố

đã chỉ ra được sự thay đổi định hướng từ độ trong màng mỏng sắt từ Ni dưới tác dụng của ứng suất gây ra bởi tấm áp điện Pb(Mg1/3Nb2/3)O3](1-x)-[PbTiO3] khi có tác dụng của điện trường Bằng cách thay đổi ứng suất khác nhau, ta có thế điều khiển định hướng của mômen từ trong vật liệu

Chúng ta cần để ý rằng với vật liệu từ giảo mà điện trở của nó phụ thuộc chặt chẽ vào moment từ độ của nó thì thông qua việc sử dụng điện trường điều khiển moment từ ta có thể điều khiển được điện trở của vật liệu Ý tưởng này này có thể áp dụng rất tốt cho các vật liệu tổ hợp có chứa vật liệu áp điện PZT và các màng GMR có chứa một lớp từ giảo Như đã trình bày ở trên, điện trở của hệ màng này sẽ bị chi phối mạnh mẽ bởi sự thay đổi từ độ này, do đó điện trở của màng sẽ bị thay đổi khi có điện trường tác dụng vào tấm áp điện Dựa trên ý tưởng này mà ta có thể điều khiển được các tính chất khác là hệ quả của quá trình từ hóa trong các pha vật liệu sắt từ Một trong số đó phải kể đến sự thay đổi của điện trở của màng mỏng do ứng suất nhờ điện trường

Trong luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu vật liệu tổ hợp của vật liệu áp điện

và vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ dạng màng mỏng cấu trúc spin-van

1.1.1 Vật liệu áp điện

Vật liệu áp điện là vật liệu có độ phân cực điện thay đổi khi chịu tác dụng của một ứng suất cơ học (hiệu ứng áp điện thuận) hoặc có thể thay đổi hình dạng khi đặt trong một điện trường ngoài (hiệu ứng áp điện nghịch) Trong các nghiên cứu của luận văn, chúng tôi sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch với mục đích tạo ứng suất cơ học nhờ tác dụng của điện áp cấp vào áp điện Hình 1.2 minh họa cơ chế của hiệu ứng áp điện nghịch

Hình 1.2 Hình minh họa hiệu ứng áp điện nghịch trên vật liệu áp điện

Loại vật liệu áp điện đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu hiện nay là gốm áp

điện có cấu trúc Perovskite như BaTiO3 hoặc Pb(Zr x Ti 1-x )O 3, do có hệ số áp điện và

hằng số điện môi lớn Công thức hóa học chung của vật liệu perovskite là ABX 3, trong

đó A, B là hai cation có hóa trị lần lượt là +2 và +4, X là anion liên kết với hai cation A

và B Trong luận văn này chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện là PZT

Hình 1.3 Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương (trái) và mặt

thoi (phải) [2]

Trên hình 1.3 minh họa cấu trúc ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương và mặt thoi Hiệu ứng áp điện có thể giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trong ô đơn vị này Dưới tác dụng của một điện trường ngoài theo

phương trục Oz, các ion O

sẽ bị hút về điện cực dương, các ion Zn4+/Ti4+ và Pb2+

sẽ bị hút về điện cực còn lại Do có sự dịch chuyển này, liên kết giữa các ion trong tinh thể và do đó khoảng cách giữa các ion này sẽ bị thay đổi Kết quả là tinh thể áp điện sẽ

bị biến dạng và hiện tượng này gọi là hiệu ứng áp điện nghịch

PZT là vật liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Tuỳ vào mục

đích mà người ta sẽ chọn các thành phần gốm PZT với tỷ lệ Zr/Ti phù hợp để ứng

dụng Hiện nay, các vật liệu áp điện PZT có thành phần và tính chất tối ưu tùy vào mục đích sử dụng đã được thương mại hóa và sản xuất hàng loạt theo yêu cầu được cung cấp bởi các công ty với giá thành thấp

1.1.2 Vật liệu từ-điện trở

Từ trở (MR) được hiểu là sự thay đổi điện trở của vật liệu từ dưới tác dụng của

từ trường ngoài và được đặc trưng bởi tỷ số:

đã phát hiện ra hiện tượng dị thường trong các cấu trúc màng mỏng đa lớp của sắt từ

và phản sắt từ [7, 9] Sự phân cực electron trong các màng mỏng từ và các linh kiện có cấu trúc micro sẽ dẫn tới hiệu ứng từ trở trong từ trường thấp Sự nhảy vọt của các nghiên cứu về “Từ điện trở” gắn với sự phát hiện của một hiệu ứng từ điện trở mới đó

là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ Năm 1988, nhóm nghiên cứu của Albert Fert (Pháp) phát hiện ra hiệu ứng từ điện trở có tỉ số MR rất lớn trong các màng mỏng đa lớp Fe/Cr (001) đồng thời với nhóm này, nhóm của Peter Grunberg (Đức) cũng phát hiện

ra hiệu ứng này trên màng mỏng 3 lớp Fe/Cr/Fe (hình 1.4) Hiệu ứng này được đặt tên

là từ điện trở khổng lồ Thực chất của tính từ “khổng lồ” không nằm ở độ lớn của tỉ số

từ trở mà nằm ở cơ chế tạo nên hiệu ứng

Trong luận văn này, hiệu ứng từ điện trở khổng lồ được định nghĩa như sau:

ở đây,R là điện trở của vật liệu khi các lớp sắt từ sắp xếp song song và R

là điện trở ở trật tự phản song song.

Từ năm 2003 đến 2005, dựa vào mô hình electron tự do trong xấp xỉ của Sondheimer, R.E Camlay và J Barnas và nhiều nhà khoa học khác đã phát triển lý thuyết GMR và đưa đưa ra nhiều mô hình lý thuyết mô tả những khía cạnh khác nhau của GMR

Fuchs-Hình 1.4 Cơ chế tạo nên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

1.2 Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn

+ Nghiên cứu công nghệ, ổn định chế tạo các cấu trúc GMR nanô kiểu màng spin-valve có hiệu ứng từ trở cao và nhạy với ứng suất Khảo sát các đặc trưng tính chất (cấu trúc, tính chất từ, từ trở, từ đàn hồi…) và tối ưu hóa qui trình công nghệ, vật liệu, cấu hình Vật liệu NiFe đóng vai trò là lớp từ mềm có lực kháng từ nhỏ và lớp Co

bị ghim từ bởi lớp IrMn Cu được sử dụng để chế tạo lớp không từ theo cấu trúc được đưa ra như trên hình 1.5

Hình 1.5 Cấu trúc GMR dạng spin-van

+ Chế tạo và nghiên cứu vật liệu lưỡng tính từ - điện sử dụng các vật liệu từ trở

và áp điện chế tạo được dạng màng mỏng Khảo sát các thuộc tính, đặc trưng từ, điện,

Thủy tinh Lớp sắt từ tự do Lớp không từ Lớp sắt từ bị ghim

từ-điện và ảnh hưởng của điện trường ngoài đến quá trình đảo từ và từ trở của các vật liệu lưỡng tính, cấu trúc được đưa ra như trên hình 1.6

+ Nghiên cứu tính chất từ điện và quá trình đảo từ cảm ứng bởi điện trường đối với các màng mỏng đã chế tạo được

+ Mô phỏng, tính toán, xây dựng mô hình lý thuyết cho các hiệu ứng vật lý trên vật liệu lưỡng tính từ-điện từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Hình 1.6 Cấu trúc vật liệu tổ hợp từ điện trở/áp điện

PZT

Lớp sắt từ tự do Lớp không từ Lớp sắt từ bị ghim

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 Chế tạo màng đa lớp bằng phương pháp phún xạ ca tốt

Các màng mỏng đa lớp trong luận văn này được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catốt trên thiết bị magneto-sputtering của Phòng thí nghiệm NanoSpintronic Technology, Trường Đại học Paris 11, Pháp Đây là phương pháp dùng các ion năng lượng cao (thường là các ion khí hiếm: Ar, Xe , Kr, nhưng phổ biến hơn cả là Ar) bắn phá bề mặt bia vật liệu rắn để tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion và lắng đọng các phần

tử này lên đế, tạo thành màng Năng lượng của các ion này, không những phụ thuộc vào điện tích, vào mức độ được gia tốc của nó trong điện trường mà còn phụ thuộc vào chính khối lượng của nó Sơ đồ nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ

ca tốt dược mô tả trên hình 2.1 [1]

Hình 2.12.1 Sơ đồ nguyên lý chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ

Năng lượng của các ion tới được chia làm hai phần cơ bản: một phần để phân cắt các liên kết trên bề mặt bia vật liệu, tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion riêng rẽ; phần còn lại được truyền thành động năng cho các phần tử này tán xạ ngược và lắng đọng lên đế Năng lượng của các ion tới phụ thuộc vào điện trường, hay cụ thể hơn là thế đặt vào giữa hai điện cực Năng lượng liên kết của bia vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào bản chất hóa học và trạng thái tồn tại của nó Mối tương quan giữa hai đại lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả của quá trình lắng đọng

Màng nghiên cứu trong luận văn này được chế tạo sử dụng nguồn một chiều

DC với công suất chế tạo P = 50 W trong điều kiện chân không cao, Pbased = 1.6×10-7

mbarr, và áp suất khí Ar được giữ ổn định trong suốt quá trình chế tạo PAr = 5.7×10-4mbarr Tốc độ lắng đọng của các lớp được xác định thông qua chiều dày được đo bằng phương pháp X-Ray Reflectivity (XRR) và thời gian bốc bay của các màng đơn lớp được chế tạo dùng làm mẫu chuẩn (xem bảng 2.1) Căn cứ vào tốc độ phún xạ của mẫu chuẩn được khảo sát, chiều dày của các lớp trong cấu trúc màng đa lớp nghiên cứu được điều khiển thông qua điều khiển thời gian phún xạ Để tạo trạng thái ghim tốt giữa lớp phản sắt từ và lớp sắt từ ghim, trong suốt quá trình chế tạo, mẫu được đặt trong một từ trường một chiều đồng nhất được tạo ra bởi hai thanh nam châm vĩnh cửu

với cường độ từ trường trong vùng không gian đặt mẫu đo được H = 100 mT nằm

song song với mặt phẳng màng (xem hình 2.2)

Bảng 2.12.1 Tốc độ bốc bay của các lớp trong cấu trúc spin-van

Hình 2.2 Ảnh chụp hệ giữ mẫu có từ trường sử dụng trong quá trình chế tạo màng

mỏng: (a) mặt trước và (b) mặt sau

Hình 2.3 Hình minh họa các cấu trúc spin-valve dạng màng đa lớp trong luận văn

Trong luận văn này, các cấu trúc spin-valve với lớp sắt từ ghim có chiều dày tp

= 5 nm được lựa chọn là Co thông qua liên kết với lớp phản sắt từ IrMn Lớp sắt từ tự

do với cùng chiều dày tf = 5 nm gồm hai loại thành phần vật liệu khác nhau Ni20Fe80

và Fe40Co40B20 (Hình) Các cấu hình spin-van với chiều dày lớp không từ Cu (tCu) thay đổi từ 1,0 đến 3,5 nm được chế tạo và nghiên cứu liệt kê trong bảng 2.2 dưới đây

Bảng 2.1 Các cấu hình màng spin-van được chế tạo được và nghiên cứu

2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ trở/áp điện

Vật liệu tổ hợp được chế tạo theo phương pháp kết dính giữa các màng mỏng

đa lớp đã chế tạo ở trên với vật liệu áp điện Trong luận văn này sử dụng PZT dạng tấm, độ dày 250 µm mang số hiệu APCC-854 được cung cấp bởi American Piezo Ceramics Inc., PA, USA Các tấm PZT được phân cực theo phương Oz (001), ở hai mặt của tấm áp điện được phủ lớp Ag làm điện cực Cấu trúc vật liệu tổ hợp chế tạo được minh họa trong hình 2.4 và ảnh chụp mẫu vật liệu tổ hợp được chế tạo hoàn thiện

có gắn các điện cực cấp điện áp và điện cực đo điện trở được đưa ra trên hình 2.5

Hình 2.4 Hình minh họa cấu trúc vật liệu tổ hợp spin-van/PZT được chế tạo bằng

phương pháp kết dính

Hình 2.5 Ảnh chụp mẫu vật liệu tổ hợp được chế tạo hoàn thiện bằng phương pháp

kết dính có gắn các điện cực cấp điện áp và điện cực đo điện trở

2.3 Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM)

Tính chất từ và quá trình từ hóa của các màng spin-van được khảo sát thông qua phép đo đường cong từ trễ sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7403 ở

1 2 3 4

Điện cực dùng để đo điện trở cho màng spin-van

5 6 Điện cực dùng để cấp điện áp cho PZT

1 2 3 4

Điện cực dùng để đo điện trở cho màng spin-van

5 6 Điện cực dùng để cấp điện áp cho PZT

nhiệt độ phòng tại PTN Micrô-Nanô, Trường Đại học Công nghệ Trên hình 2.6 minh họa sơ đồ khối mô tả hệ đo Mẫu được gắn vào cần rung và đặt tại tâm của hệ gồm 4 cuộn dây mắc thành cặp xung đối Trong quá trình thực hiện phép đo, mẫu sắt từ được dao động với một tần số nhất định làm xuất hiện từ thông đi qua cuộn dây thu tín hiệu

biến thiên Khi đó, suất điện động cảm ứng (hay tín hiệu điện áp V) có giá trị tỉ lệ thuận với mômen từ độ M của mẫu Đây là tín hiệu dao động có dạng tuần hoàn hình

sin:

V = - N.S.h.A ω eiωt.m = k ω.A eiωt.m (2.1)

Với h là hệ số tỷ lệ, A là biên độ rung của mẫu, S là thiết diện vòng dây còn N là

số vòng dây của cuộn thu tín hiệu

Hình 2.6 Sơ đồ khối từ kế mẫu rung (VSM)

2.4 Đo hiệu ứng từ điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò

Hiệu ứng từ điện trở được khảo sát bằng cách xác định sự thay đổi điện trở của mẫu dưới tác dụng của từ trường Trong luận văn này, hiệu ứng từ - điện trở của màng

mỏng được nghiên cứu thông qua phép đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Micro và Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Sơ đồ bố trí 4 mũi dò được minh họa trên hình 2.7 và sơ đồ khối bố trí của hệ đo được đưa ra trên hình 2.8

Hình 2.7 Mô hình phương pháp đo bằng 4 mũi dò

Cấu tạo của hệ đo từ điện trở

Sử dụng một nguồn dòng Keithley 236 để cấp vào mũi dò 1 và 4, điện trở được

đo thông qua đo điện áp lối ra trên hai mũi dò 2 và 3 sử dụng đồng hồ đo keithley

2000 Điện trở được xác định thông qua định luật Ôm

Hệ 4 mũi dò này được đặt vào bên trong một hệ nam châm điện để tạo ra từ trường Hệ nam châm điện được nuôi bởi nguồn dòng Sorensen DLM40-75E và nguồn đảo cực GMW Model 5970-80 Cường độ từ trường được đo sử dụng một máy đo từ trường Gaussmeter (Model 2100) Tín hiệu lối ra của keithley và máy đo từ trường được ghép nối máy tính Quá trình ghi số liệu được thực hiện tự động sử dụng chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Delphi Trong đó:

Cấp nguồn dòng là 1 và bộ phận tạo và điều khiển từ trường bao gồm 02 máy kết nối với nhau:

Hình 2.8 Sơ đồ khối mô tả hệ đo từ-điện trở

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Quá trình từ hóa của các màng đơn lớp sắt từ tự do và bị ghim

Trên hình 3.1 là kết quả đo đường cong từ trễ của 2 màng đơn lớp tự do khác nhau Ta(5)/NiFe(5)/Ta(5) (nm), Ta(5)/FeCoB(5)/Ta(5) (nm) so sánh với màng sắt từ

bị ghim Ta(5)/Co(5)/IrMn(8)/Ta(5) Các mẫu này đều được chế tạo trong cùng điều kiện và với cùng độ lớn từ trường ghim 100 mT giống như qui trình chế tạo của các cấu trúc spin-van Phép đo được thực hiện trong từ trường ngoài nằm trong mặt phẳng mẫu, song song với phương ghim của từ trường

Hình 3.1 Đường cong từ hóa của các màng đơn lớp sắt từ tự do NiFe, FeCoB và

màng sắt từ bị ghim Co/IrMn

Nhìn vào đường cong từ hóa của các màng đơn lớp sắt từ tự do ta thấy NiFe thể

hiện tính chất từ siêu mềm hơn cả với đường cong không có độ trễ (lực kháng từ HcNiFe

= 1.1 Oe) và quá trình đảo từ kết thúc trong vùng từ trường rất nhỏ (Hs < 2.5 Oe) Với

màng FeCoB thì đường cong mở rộng hơn với lực kháng từ HcFeCoB = 9 Oe lớn hơn gần một bậc độ lớn so với NiFe Điều này có thể được giải thích là do sự có mặt của

-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2

Co

Heb

Co có dị hướng từ tinh thể lớn hơn so với Fe nên dẫn đến việc làm tăng lực kháng từ trong hợp kim này Tuy nhiên, điều đáng chú ý ở đây là độ dốc của đường cong từ hóa trên cả 2 màng sắt từ tự do này đều rất lớn với quá trình đảo từ bắt đầu và kết thúc

trong vùng từ trường rất nhỏ ΔH < 1.5 Oe xung quanh giá trị lực kháng từ và độ vuông của đường cong với tỉ số Mr/Ms ~ 1 Tính chất này hứa hẹn độ nhạy từ trường cao của hiệu ứng từ-điện trở trong cấu trúc spin-van sử dụng các lớp này làm lớp sắt từ tự do

Trong khi đó, đường cong từ trễ của màng sắt từ bị ghim Co/IrMn thể hiện sự

khó từ hóa hơn với lực kháng từ (độ rộng của đường từ trễ) lớn HcCo = 45 Oe Điều này phù hợp với cách lý giải dị hướng từ của Co lớn so với các hợp kim nền Fe

Đường cong không đối xứng so với trục từ trường H = 0 quan sát được ở đây là do lớp

Co bị ghim từ thông qua tương tác trao đổi với lớp phản sắt từ IrMn Để có thể đảo từ được lớp Co trong màng Co/IrMn, cần phải tác dụng một từ trường ngoài để tạo ra năng lượng Zeeman đủ lớn thắng được năng lượng tương tác trao đổi giữa 2 lớp này

Từ độ dịch của đường cong, ta có thể xác định được độ lớn từ trường ghim Heb = 110

Oe Giá trị từ trường ghim Heb lớn hơn rất nhiều so với từ trường đảo từ của lớp sắt từ

tự do NiFe và FeCoB Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu ứng từ-điện trở trong các cấu trúc spin-van, cho phép quá trình đảo từ đảo từ trong các lớp xảy ra không đồng thời và do đó, hiệu ứng từ-điện trở được mong đợi thu được sẽ lớn

Trên hình 3.2 là đường cong từ hóa được thực hiện với từ trường ngoài tác dụng nằm trong mặt phẳng màng, dọc theo 2 phương song song và vuông góc với từ trường ghim của màng đơn lớp sắt từ tự do NiFe và FeCoB Nhìn vào đường cong này ta thấy quá trình từ hóa khi đo theo phương vuông góc với từ trường ghim cần một từ trường lớn hơn rất nhiều so với quá trình từ hóa dọc theo phương ghim của từ trường Từ trường tạo ra bởi nam châm trong trong quá trình phún xạ tạo màng có vai trò không chỉ tạo phương ghim giữa lớp sắt từ Co và lớp phản sắt từ IrMn mà còn có tác dụng tạo dị hướng từ đơn trục cho các lớp sắt từ tự do So sánh giữa hai loại màng đơn lớp sắt từ ta thấy lớp FeCoB thể hiện dị hướng từ đơn trục mạnh hơn so với màng NiFe Điều này có thể được lý giải là do ảnh hưởng của từ trường ghim đến việc tạo dị hướng trong các màng sắt từ Trong các nguyên tố 3d có từ tính mạnh Fe, Co và Ni thì

Co là nguyên tố sắt từ có năng lượng dị hướng từ tinh thể mạnh hơn cả Ku = 410 (105J/m3) so với giá trị Ku = 48 và 4,5 của Fe và Ni tương ứng [3] Các kết quả này khẳng định rõ ý tưởng sử dụng lớp sắt từ tự do NiFe và FeCoB có tính chất từ mềm cao và sử dụng lớp sắt từ ghim Co có tính chất từ cứng và tương tác trao đổi mạnh với lớp phản sắt từ IrMn trong các vật liệu từ có cấu trúc spin-van với mục đích tạo ra các màng đa lớp có hiệu ứng từ-điện trở cao

Hình 3.2 Đường cong từ hóa đo trong mặt phẳng màng dọc theo 2 phương song song

và vuông góc với từ trường ghim của màng đơn lớp sắt từ tự do

3.2 Quá trình từ hóa trong các màng spin-van

3.2.1 Quá trình từ hóa của màng spin-van với lớp sắt từ tự do NiFe

Đường cong từ trễ đo trên màng spin-van với chiều dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm được đưa ra trên hình 3.3 Phép đo được tiến hành theo ba phương khác nhau

của từ trường ngoài: nằm trong mặt phẳng mẫu theo hai phương song song (H // Heb)

và vuông góc (H ┴ Heb) với phương từ trường ghim và phương vuông góc (H out of

plane) với mặt phẳng mẫu Nhìn vào đường cong từ hóa với từ trường song song với

từ trường ghim ta thấy có dạng “bậc thang” với hai bước nhảy từ độ trong hai vùng từ trường nhỏ và lớn khác nhau Trong đó, bước nhảy thứ nhất bị dịch khỏi trục từ trường một khoảng nhỏ khoảng 4 Oe còn bước nhảy thứ hai dịch xa hơn một khoảng với giá trị 165 Oe Các bước nhảy này tương ứng với quá trình đảo từ của lớp tự do từ mềm NiFe và lớp sắt từ ghim Co Hiện tượng dịch này sẽ được giải thích chi tiết hơn ở phần

sau Từ độ rộng của các bước nhảy này tương ứng cho ta độ lớn của lực kháng từ HC = 4.0 và 18 Oe của các lớp NiFe và Co Giữa hai bước đảo này là một vùng từ độ ít thay đổi theo từ trường được gọi là miền “bão hòa tạm thời” Trong vùng này, từ trường đủ mạnh để từ độ của lớp tự do NiFe bị từ hóa hoàn toàn định hướng theo phương từ trường ngoài nhưng từ trường chưa đủ thắng được năng lượng tương tác trao đổi để làm đảo từ lớp sắt từ bị ghim Co/IrMn Bước nhảy từ độ của các bước đảo từ tương ứng với đóng góp từ độ của các lớp sắt từ vào từ độ tổng cộng của màng spin-van Trên mẫu spin-van này, đóng góp của các lớp NiFe và Co thu được từ đường cong từ

-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2

hóa tương ứng là 38 và 62 % Miền bão hòa tạm thời này có từ độ không đổi trong một dải từ trường lớn chứng tỏ trong vùng này chỉ có lớp NiFe đảo từ và định hướng hoàn toàn theo chiều từ trường ngoài tác dụng trong khi đó, lớp ghim Co vẫn được duy trì theo phương ghim của trường tương tác Với trường hợp này, hiệu ứng từ điện trở được trông đợi sẽ rất lớn do trạng thái phản song song tốt khi đi từ lớp sắt từ tự do sang lớp sắt từ bị ghim

Khi từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với từ trường ghim hoặc vuông góc với mặt phẳng mẫu thì không còn thấy hiện tượng dịch của đường cong khỏi trục từ trường trên mẫu này Điều này chứng tỏ các lớp sắt từ có dị hướng đơn trục tốt dọc theo phương ghim của từ trường Đặc biệt khi từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì quá trình từ hóa vẫn chưa đạt đến bão hòa hoàn toàn ở từ trường lên tới 10 kOe

Hình 3.3 Đường cong từ hóa của các màng spin-van Ta/NiFe/Cu/Co/IrMn/Ta với

chiều dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm Phép đo được tiến hành theo ba phương khác nhau của từ trường ngoài: nằm trong mặt phẳng mẫu theo hai phương song song (H // H eb ) và vuông góc (H ┴ H eb ) với phương từ trường ghim và phương vuông góc

(H out of plane) với mặt phẳng mẫu

3.2.2 Quá trình từ hóa của màng spin-van với lớp sắt từ tự do FeCoB

Phép đo tương tự cũng được thực hiện trên các màng spin-van có lớp sắt từ tự

do là FeCoB với cùng chiều dày lớp không từ tCu = 3.5 nm Trên Hình là đường cong

-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2

từ hóa với từ trường ngoài nằm trong mặt phẳng mẫu theo hai phương song song (H //

Heb) và vuông góc (H ┴ Heb) với phương từ trường ghim Giống như trong trường hợp lớp sắt từ tự do NiFe, ở đây cũng quan sát thấy có dạng bậc thang với hai bước nhảy từ

độ lần lượt ứng với quá trình từ hóa của các lớp tự do FeCoB và lớp ghim Co Độ rộng của mỗi bước đảo cho ta giá trị lực kháng từ tương ứng của các lớp tự do và ghim là

HC = 12 và 35.5 Oe Các giá trị này đều lớn hơn so với giá trị lực kháng từ của các lớp trong hệ spin-van với lớp sắt từ tự do NiFe Trong khi đó, đường cong từ hóa có từ trường vuông góc với từ trường ghim, giống như đối với hệ spin-van NiFe, ta cũng không quan sát thấy hiện tượng nhảy bậc này chứng tỏ dị hướng đơn trục được tạo bởi

từ trường ghim và từ trường ngoài trong quá trình chế tạo rất tốt

Hình 3.4 Đường cong từ hóa của các màng spin-van Ta/FeCoB/Cu/Co/IrMn/Ta với

chiều dày lớp Cu không từ là t Cu = 3.5 nm

Điều đáng chú ý ở đây là quá trình đảo từ ứng với bước đảo từ của lớp tự do ở đây cũng có xu hướng dịch khỏi trục từ trường một khoảng nhỏ cỡ 12 Oe, lớn hơn gấp

3 lần so với hệ spin-van của NiFe Miền “bão hòa tạm thời” giữa hai bước nhảy từ độ này kém ổn định hơn với một sự thay đổi nhỏ liên tục của từ độ trong miền từ trường này so với đường cong trên hình 3.3 của hệ NiFe Điều này có thể được hiểu là trong vùng này, quá trình từ hóa của lớp tự do FeCoB chưa kết thúc hoàn toàn hoặc bắt đầu xảy ra quá trình đảo từ của lớp sắt từ bị ghim (xem thêm phần 3.2.3 dưới đây)