Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo 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 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.

Đ I H C QU C GIA HÀ N I Ạ Ọ Ố Ộ

TR ƯỜ NG Đ I H C KHOA H C T  NHIÊN Ạ Ọ Ọ Ự

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

Nguy n Th  Ki u Vân ễ ị ề

LU N VĂN TH C SĨ KHOA H C Ậ Ạ Ọ

Hà N i –  ộ 2015

Đ I H C QU C GIA HÀ N I Ạ Ọ Ố Ộ

TR ƯỜ NG Đ I H C KHOA H C T  NHIÊN Ạ Ọ Ọ Ự

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

Nguy n Th  Ki u Vân ễ ị ề

NGHIÊN C U CH  T O MÀNG M NG ĐA L P  Ứ Ế Ạ Ỏ Ớ

Hà N i – Năm 2015 ộ

L I C M  N!Ờ Ả Ơ  

L i đ u tiên, em xin g i l i c m  n sâu s c t i TS. Lê Tu n Tú – ngờ ầ ử ờ ả ơ ắ ớ ấ ườ  i

th y đã t n tình giúp đ  em trong su t th i gian làm lu n văn. C m  n th y đãầ ậ ỡ ố ờ ậ ả ơ ầ  giúp em l a ch n đ  tài, cung c p cho em nh ng thông tin, tài li u c n thi t vàự ọ ề ấ ữ ệ ầ ế  nhi t tình gi i đáp các vệ ả ướng m c trong su t quá trình nghiên c u đ  tài…ắ ố ứ ề

Em xin chân thành bi t  n s  d y d  c a t t c  các quý th y cô Khoa V tế ơ ự ạ ỗ ủ ấ ả ầ ậ  

lý – Trường Đ i h c Khoa h c t  nhiên – Đ i h c Qu c gia Hà N i. Các th y,ạ ọ ọ ự ạ ọ ố ộ ầ  các cô đã h t mình truy n đ t l i cho em nh ng ki n th c c n thi t và b  ích choế ề ạ ạ ữ ế ứ ầ ế ổ  

tương lai sau này

Cu i cùng, l i c m  n chân thành và sâu s c nh t em xin g i t i gia đìnhố ờ ả ơ ắ ấ ử ớ  thân yêu – nh ng ngữ ười đã luôn sát cánh và đ ng viên em trong su t ch ng độ ố ặ ườ  ngqua

Hà N i, ngày 06 tháng 07 năm 2015.ộ

Sinh viênNguy n Th  Ki u Vânễ ị ề

M C L CỤ Ụ

MỞ ĐẦU 13

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH 14

1.1 Màng mỏng 14

1.2 Dị hướng từ 15

1.2.1 Dị hướng hình dạng 15

1.2.2 Dị hướng từ tinh thể 16

1.2.3 Dị hướng ứng suất 17

1.2.4 Dị hướng từ trong màng mỏng 17

1.3 Các vật liệu sắt từ 18

1.4 Các chất phản sắt từ (AFM) 21

1.4.1 Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ 21

1.4.2 Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ 22

1.5 Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch 22

1.5.1 Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch 23

1.5.2 Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM 24

1.5.3 Mô hình lý thuyết 25

1.5.4 Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch 27

1.5.5 Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch 28

1.6 Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van 29

1.7 Mục tiêu của luận văn 30

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 1

2.1 Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ 1

2.2.1 Cơ chế phún xạ 1

2.1.2 Các hệ phún xạ 2

2.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) 7

2.3 Từ kế mẫu rung (VSM) 9

2.4 Phân tích nhiễu xạ tia X 12

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 15

3.1 Màng mỏng NiFe 15

3.1.1 Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM) 15

3.1.2 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) 16

3.1.3 Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) 17

3.2 Hệ vật liệu NiFe/IrMn 18

3.2.1 Kết quả đo tính chất từ 18

3.2.2 Kết quả đo XRD 21

3.3 Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn 22

3.3.1 Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) 23

3.3.2 Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ 25

3.3.3 Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ 27

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH M C CÁC HÌNH VỤ Ẽ

Hình   1.1:   Ả nh   ch p   c t   ngang   màng   m ng   đa   l p ụ ắ ỏ ớ   Si/SiO 2 /Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au

2

Hình   1.2:   C u   trúc   đômen   trong   v t   li u   s t   t ấ ậ ệ ắ ừ 6

Hình   1.3:   Đ ườ ng   cong   t ừ   tr ễ   c a   ch t   s t   t ủ ấ ắ ừ 7

Hình 1.4: C u trúc t  c a v t li u ph n s t t  g m 2 phân m ng đ i song nhau ấ ừ ủ ậ ệ ả ắ ừ ồ ạ ố 8

Hình 1.5: Đ ườ ng cong t  tr  c a CoO đ ừ ễ ủ ượ c ph  các h t Co t i 77 K sau khi ủ ạ ạ  

đ ượ ủ c   trong tr ườ ng h p không có t  tr ợ ừ ườ ng đ t vào (1) và d ặ ướ ừ ườ i t  tr ng bão  

10

Hình   1.6:   C   ch   trao   đ i   d ch   trong   màng   hai   l p   FM/AFM ơ ế ổ ị ớ 11

Hình   1.7:   Bi u   đ   các   góc   tham   gia   vào   h   trao   đ i   d ch ể ồ ệ ổ ị 13

Hình 1.8: S  ph  thu c c a tr ự ụ ộ ủ ườ ng trao đ i d ch H ổ ị ex  và l c kháng t  H ự ừ c  vào độ  dày   l p   FM   cho   h ớ ệ   Fe 80 Ni 20 /FeMn   t i   t ạ AFM   =   50   nm 14

Hình 1.9: S  ph  thu c c a trao đ i d ch H ự ụ ộ ủ ổ ị ex  và l c kháng t  H ự ừ c   vào đ  dày l p ộ ớ   AFM   cho   h ệ   Fe 80 Ni 20 /FeMn   t i   t ạ FM   =   7   nm 15

Hình 1.10: Mô hình hi u  ng t  đi n tr  kh ng l  trong các c u trúc spin  van ệ ứ ừ ệ ở ổ ồ ấ 16

Hình 1.11: M t c t ngang c a màng đa l p spin   van v i liên k t ph n s t t ặ ắ ủ ớ ớ ế ả ắ ừ 17

Hình   2.1:   Nguyên   lý   c ơ   b n   c a   quá   trình   phún   x ả ủ ạ 19

Hình 2.2:   S   đ   nguyên   lý   c a   h   phún   x   catot   m t   chi u ơ ồ ủ ệ ạ ộ ề 21

Hình 2.3 : S  đ  nguyên lý h  phún x  cat t xoay chi u ơ ồ ệ ạ ố ề 22

Hình 2.4:   S ơ   đ ồ   nguyên   lý   h ệ   th ng   phún   x ố ạ   magnetron 23

Hình 2.5 : H  phún x  magnetron s  d ng c  ngu n m t chi u và ngu n xoay  ệ ạ ử ụ ả ồ ộ ề ồ chi u t i khoa V t lý Kĩ thu t và Công ngh  Nano – Tr ề ạ ậ ậ ệ ườ ng Đ i h c Công ngh   ạ ọ ệ

­ Đ i h c Qu c gia Hà N i ạ ọ ố ộ

24

Hình 2.6:  (a) Kính hi n vi đi n t  quét; (b) S  đ  kh i kính hi n vi đi n t  quét ể ệ ử ơ ồ ố ể ệ ử 25

Hình 2.7: (a)  Máy đo t  k  m u rung ( ừ ế ẫ   VSM); (b) Mô hình t  k  m u rung ừ ế ẫ

26

Hình 2.8: S  đ  c u trúc c  khí c a h  VSM ơ ồ ấ ơ ủ ệ

27

Hình 2.9:  Hi n t ng nhi u x  trên tinh th ệ ượ ễ ạ ể 30 Hình 2.10:   (a) H  đo nhi u x  tia X (XRD);(b) Mô hình h  đo nhi u x  tia   ệ ễ ạ ệ ễ ạ X 31

Hình   3.1:   Ả nh   SEM   c a ủ   màng   NiFe 32

Hình   3.2:   Hình   ả nh   nhi u   x ễ ạ   tia   X   c a   màng   NiFe ủ 33

Hình 3.3: Đ ườ ng cong t  tr  c a màng NiFe v i t  tr ừ ễ ủ ớ ừ ườ ng đ t vào song song v i ặ ớ  

34

Hình 3.4: Hình  nh VSM c a h  NiFe/IrMn v i t ả ủ ệ ớ NiFe   =  5 nm, 7 nm và 9 nm 35

Hình 3.5: S  ph  thu c c a H ự ụ ộ ủ ex   vào chi u dày l p NiFe c a màng NiFe/IrMn ề ớ ủ 37

Hình 3.6: S  ph  thu c c a H ự ụ ộ ủ c     vào chi u dày l p NiFe c a h  NiFe/IrMn ề ớ ủ ệ 37

Hình   3.7:   Nhi u   x ễ ạ   tia   X   c a   các   l p   NiFe/IrMn ủ ớ 38

Hình   3.8:   C u   trúc   h ấ ệ   v t   li u   NiFe/Cu/NiFe/IrMn ậ ệ 39

Hình 3.9:  Đ ườ ng cong t  tr  c a c u trúc spin  van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe ừ ễ ủ ấ  

40

Hình 3.10:  nh h Ả ưở ng c a l p NiFe lên mômen t  c a h  NiFe/Cu/NiFe/IrMn  ủ ớ ừ ủ ệ khi chi u dày l p NiFe thay đ i ề ớ ổ

41

Hình   3.11  :   Đ   th   s   ph   thu c   c a   H ồ ị ự ụ ộ ủ ex     vào   chi u   dày   l p   NiFe ề ớ 42

Hình 3.12 : S  ph  thu c c a H ự ụ ộ ủ c   vào chi u dày l p NiFe c a h  NiFe (5 nm)/Cu ề ớ ủ ệ   (3   nm)/NiF   (t NiFe   nm)/IrMn   (10   nm) 43

Hình 3.13:  nh h Ả ưở ng c a l p ph n s t t  lên tính ch t t  c a h  có c u trúc ủ ớ ả ắ ừ ấ ừ ủ ệ ấ   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: S  ph  thu c c a l c kháng t  H ự ụ ộ ủ ự ừ c   và t  tr ừ ườ ng trao đ i d ch H ổ ị ex  vào  chi u dày l p IrMn c a h  Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn ề ớ ủ ệ  

45

DANH M C CÁC KÍ HI U VI T T TỤ Ệ Ế Ắ

M  Đ UỞ Ầ

Trong th i đ i khoa h c k  thu t hi n đ i, các máy móc và thi t b  có xuờ ạ ọ ỹ ậ ệ ạ ế ị  

hướng thu nh  kích thỏ ước nh ng các tính ch t và kh  năng ho t đ ng không bư ấ ả ạ ộ ị 

h n ch  nh  vi c s  d ng các tính năng  u vi t, đ c bi t là   d ng màng m ng.ạ ế ờ ệ ử ụ ư ệ ặ ệ ở ạ ỏ

L ch s  phát tri n màng m ng đã có r t lâu đ i nh ng khi đó ngị ử ể ỏ ấ ờ ư ười ta chỉ 

bi t s  d ng nó vào m c đích dân d ng và trang trí. Sang đ u th  k  XX, màngế ử ụ ụ ụ ầ ế ỉ  

m ng b t đ u đỏ ắ ầ ược quan tâm nh  các tính ch t đ c bi t và kích thờ ấ ặ ệ ước nh  bé đỏ ể 

ch  t o các thi t b  máy móc. Không ch  có màng bán d n đế ạ ế ị ỉ ẫ ược quan tâm đ cặ  

bi t, mà màng m ng t  tính cũng đang r t đệ ỏ ừ ấ ược quan tâm. Trong nh ng năm cu iữ ố  

th  k  XX, màng m ng t  tính đã tr  thành m c tiêu nghiên c u c a nhi u phòngế ỉ ỏ ừ ở ụ ứ ủ ề  thí nghi m trên th  gi i, đ c bi t là màng m ng đa l p có c u trúc spin van…v iệ ế ớ ặ ệ ỏ ớ ấ ớ  nhi u  ng d ng khác nhau trong tề ứ ụ ương lai. M t trong nh ng  ng d ng đi n hìnhộ ữ ứ ụ ể  

đó là ch  t o thi t b  ghi t  và l u tr  thông tin. ế ạ ế ị ừ ư ữ

 Vi t Nam vào năm cu i nh ng th p niên 90 th  k  XX, màng m ng đã

tr  thành lĩnh v c r t đở ự ấ ược quan tâm chú ý. V i nhi u trung tâm nghiên c u,ớ ề ứ  nhi u thi t b  máy móc hi n đ i ph c v  cho vi c nghiên c u màng m ng đề ế ị ệ ạ ụ ụ ệ ứ ỏ ượ  ctrang b  và cũng đã thu đị ược nh ng k t qu  đáng k , đ c bi t là màng m ng đaữ ế ả ể ặ ệ ỏ  

l p có c u trúc spin  van.ớ ấ

Trên c  s  nh ng đi u nói trên, lu n văn này ch n đ i tơ ở ữ ề ậ ọ ố ượng nghiên c uứ  

là màng m ng đa l p có c u trúc spin – van ỏ ớ ấ Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta được chế 

t o b ng phạ ằ ương pháp phún x  catạ ốt

Lu n văn c a em g m 3 ph n chính:ậ ủ ồ ầ

Chương 1: T ng quan v  màng m ng t  tính.ổ ề ỏ ừ

Chương 2: Các phương pháp th c nghi m.ự ệ

Chương 3: K t qu  và th o lu n.ế ả ả ậ

Chương 1: T NG QUAN V  MÀNG M NG T  TÍNHỔ Ề Ỏ Ừ

1.1. Màng m ng.ỏ

Màng m ng (thin film) là m t hay nhi u l p v t li u đỏ ộ ề ớ ậ ệ ược ch  t o sao choế ạ  chi u dày nh  h n r t nhi u so v i các chi u còn l i (chi u r ng và chi u dài).ề ỏ ơ ấ ề ớ ề ạ ề ộ ề  Chi u dày c a m t màng m ng thay đ i t  vài nm đ n m t vài ề ủ ộ ỏ ổ ừ ế ộ μm thông thườ  ng

là nh  h n 1ỏ ơ μm. Có hai lo i màng m ng:ạ ỏ

Màng đ n l p: đơ ớ ược c u t o b i m t l p v t li u m ng ch  t o trên m tấ ạ ở ộ ớ ậ ệ ỏ ế ạ ộ  

đ  Tính ch t c a màng đế ấ ủ ượ ạc t o ra t  l p v t li u đó (và có th   nh hừ ớ ậ ệ ể ả ưởng b iở  tác đ ng c a l p đ ).ộ ủ ớ ế

Màng đa l p: là màng m ng đớ ỏ ượ ấ ạ ừc c u t o t  nhi u l p v t li u khác nhau,ề ớ ậ ệ  

x p ch ng lên nhau, đế ồ ượ ạc t o ra nh m thay đ i các tính ch t c a màng m ng.ằ ổ ấ ủ ỏ  Hình 1.1 cho ta th y  nh ch p c t ngang c a m t màng m ng đa l p.ấ ả ụ ắ ủ ộ ỏ ớ

Hình 1.1:  nh ch p c t ngang màng m ng đa l p Ả ụ ắ ỏ ớ  

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

Hi n nay, màng m ng đang là m t lĩnh v c nghiên c u m nh m  c a khoaệ ỏ ộ ự ứ ạ ẽ ủ  

h c và công ngh  v t li u, v t lý ch t r n…v i nhi u kh  năng  ng d ng to l nọ ệ ậ ệ ậ ấ ắ ớ ề ả ứ ụ ớ  trong đ i s ng hàng ngày, trong s n xu t… [7,16, 20].ờ ố ả ấ

1.2. D  hị ướng t ừ

Trong tinh th , mômen t  (hay t  đ ) luôn có m t đ nh hể ừ ừ ộ ộ ị ướng  u tiên d cư ọ  theo m t hộ ướng nào đó c a tinh th  Ta g i đó là hi n tủ ể ọ ệ ượng d  hị ướng t  Nóiừ  cách khác, d  hị ướng t  là s  ph  thu c có hừ ự ụ ộ ướng c a các tính ch t t  c a v tủ ấ ừ ủ ậ  

li u. Khi t  hóa theo hệ ừ ướng  u tiên đó r t d  đ t đư ấ ễ ạ ược tr ng thái bão hòa nênạ  

hướng đó được g i là tr c d  t  hóa. Ngọ ụ ễ ừ ượ ạc l i, khi t  hóa theo hừ ướng khác, 

tr ng thái bão hòa r t khó mà đ t đạ ấ ạ ược. Các hướng này là các tr c t  hóa khó [1].ụ ừ  

1.2.1. D  h ị ướ ng hình d ng ạ

1.2.1.1. D  h ị ướ ng hình d ng c a m u elip tròn xoay ạ ủ ẫ

D  hị ướng này ph  thu c vào kích thụ ộ ước và hình d ng c a m u. D  hạ ủ ẫ ị ướ  nghình d ng có th  đạ ể ược đ nh nghĩa m t cách đ n gi n là s  khác nhau v  năngị ộ ơ ả ự ề  

lượng khi t  hóa theo chi u dài nh t và chi u ng n nh t c a m u s t t  Ví d ,ừ ề ấ ề ắ ấ ủ ẫ ắ ừ ụ  

m t m u hình tr  có năng lộ ẫ ụ ượng tĩnh t  theo phừ ương vuông góc v i tr c hình trớ ụ ụ 

l n h n so v i năng lớ ơ ớ ượng tĩnh t  d c theo tr c hình tr  Đó là vì khi t  hóa theoừ ọ ụ ụ ừ  

phương vuông góc, trường kh  t  r t l n; còn khi t  hóa theo phử ừ ấ ớ ừ ương song song 

trường kh  t  nh  h n r t nhi u. Do đó, t  đ  có xu hử ừ ỏ ơ ấ ề ừ ộ ướng d c theo tr c hìnhọ ụ  

tr  đ  gi m năng lụ ề ả ượng tĩnh t  [1].ừ

Đ i v i m t m u s t t  hình elip tròn xoay v i các bán tr c là a ố ớ ộ ẫ ắ ừ ớ ụ và b, hệ 

s  trố ường kh  t  tử ừ ương  ng s  là ứ ẽ Na và Nb (v i 2Nớ a + Nb = 1) N u véc t  t  đế ơ ừ ộ 

M h p v i tr c d  m t góc ợ ớ ụ ễ ộ θ thì năng lượng d  hị ướng hình d ng Eạ hd nh n đậ ượ  c

Trong trường h p c a m t màng m ng s t t  có đ  dày r t nh , các h  sợ ủ ộ ỏ ắ ừ ộ ấ ỏ ệ ố 

trường kh  t  nh n giá trử ừ ậ ị : Nz = 1 ; Nx = Ny = 0. Áp d ng bi u th c (1.1) v i Nụ ể ứ ớ a 

mà còn b i liên k t c a các qu  đ o đi n t  đang xét v i đ i x ng c a s  s pở ế ủ ỹ ạ ệ ử ớ ố ứ ủ ự ắ  

x p các nguyên t   trong m ng tinh th  (trế ử ạ ể ường tinh th ) [1].ể

N u trế ường tinh th  có đ i x ng th p và n u s  phân b  đi n tích c aể ố ứ ấ ế ự ố ệ ủ  nguyên t  đang xét là b t đ i x ng, khi đó, các qu  đ o c a nguyên t  s  tử ấ ố ứ ỹ ạ ủ ử ẽ ươ  ngtác m t cách d  hộ ị ướng v i trớ ường tinh th  Nói m t cách khác, khi trể ộ ường tinh 

th  có đ i x ng th p, h p th  năng tể ố ứ ấ ộ ế ương tác c a đi n t  v i trủ ệ ử ớ ường tinh thể 

cũng có đ i x ng th p. Do đó, ch  m t vài qu  đ o nguyên t  có đ nh hố ứ ấ ỉ ộ ỹ ạ ử ị ướ  ng

nh t đ nh s  có l i v  m t năng lấ ị ẽ ợ ề ặ ượng [1]

1.2.3. D  h ị ướ ng  ng su t ứ ấ

D  hị ướng  ng su t gây nên b i  ng su t trong các v t li u t  gi o. D  ứ ấ ở ứ ấ ậ ệ ừ ả ị

hướng  ng su t có đóng góp đáng k  vào d  hứ ấ ể ị ướng t  t ng c ng, đ c bi t trong ừ ổ ộ ặ ệcác trường h p c a màng m ng t  Năng lợ ủ ỏ ừ ượng d  hị ướng  ng su t đứ ấ ược vi t:ế

       E u s = −32λ σs sin2θ   [J/m3]    (1.5)

trong đó:

+ λs: h  s  t  gi o bão hòa.ệ ố ừ ả

+ σ:  ng su t (N/mứ ấ 2)

+ θ: góc gi a véc t  M và tr c d  t  hóa.ữ ơ ụ ễ ừ

Tùy thu c vào d u c a  ộ ấ ủ λs  và  σ  ( ng su t kéo ho c nén), đi u ki n c cứ ấ ặ ề ệ ự  

ti u c a ể ủ E u ss  cho phép xác đ nh phẽ ị ương c a tr c t  hóa d  do  ng su t gây nênủ ụ ừ ễ ứ ấ  [1]

1.2.4. D  h ị ướ ng t  trong màng m n ừ ỏ g.

D  hị ướng t  c a các màng m ng có ý nghĩa r t quan tr ng, nh t là cácừ ủ ỏ ấ ọ ấ  

trường h p d  hợ ị ướng t  vuông góc v i m t ph ng màng, đ   ng d ng trong kừ ớ ặ ẳ ể ứ ụ ỹ ngh  ghi thông tin m t đ  cao [1].ệ ậ ộ

Đ i v i trố ớ ường h p màng m ng, d  hợ ỏ ị ướng t  hình d ng thừ ạ ường có xu 

hướng đ nh hị ướng các mômen t  theo phừ ương m t ph ng đ  năng lặ ẳ ể ượng tĩnh từ 

t i  u.ố ư

Năng lượng d  hị ướng t  c a các màng m ng thừ ủ ỏ ường được vi t dế ướ  i

d ng:ạ

      E a = −K cos2θ     (1.6)

trong đó, θ là góc gi a t  đ  và phữ ừ ộ ương pháp tuy n c a màng. Theo đ nh nghĩaế ủ ị  này, giá tr  dị ương c a K có nghĩa là t  đ  hủ ừ ộ ướng theo phương vuông góc v i m tớ ặ  

ph ng màng. Nói chung, trong r t nhi u trẳ ấ ề ường h p, d  hợ ị ướng t  b  m t đừ ề ặ ượ  cquan sát ph  bi n h n [1].ổ ế ơ

Có hai ngu n đóng góp chính vào d  hồ ị ướng t  c a các màng m ng, đó là dừ ủ ỏ ị 

hướng t  th  tích (Kừ ể v) và d  hị ướng t  b  m t (Kừ ề ặ s) . Hai lo i d  hạ ị ướng này có thể tách ra kh i hi u  ng t  hi u d ng đo đỏ ệ ứ ừ ệ ụ ượ ừ ực t  th c nghi m Kệ eff d a vào bi uự ể  

th c sau:ứ

      K e ff =K v+2K t s/       (1.7)

trong đó, t là chi u dày c a màng, th a s  2 xu t hi n trong bi u th c này là doề ủ ừ ố ấ ệ ể ứ  

m i l p s t t  có hai l p b  m t. B ng cách v  đ  th  t.Kỗ ớ ắ ừ ớ ề ặ ằ ẽ ồ ị eff  ph  thu c vào t, Kụ ộ v 

s  đẽ ược xác đ nh t  h  s  góc c a đị ừ ệ ố ủ ường th ng và 2Kẳ s là giao đi m c a để ủ ườ  ng

th ng v i tr c tung [1].ẳ ớ ụ

1.3. Các v t li u s t t ậ ệ ắ ừ

T  ngày x a, s t t  đừ ư ắ ừ ược bi t đ n nh  là m t kim lo i (Fe) và lodstonế ế ư ộ ạ  (Fe3O4). D a vào đ  t  d  c a s t t  mà chúng đự ộ ừ ư ủ ắ ừ ượ ử ục s  d ng đ  làm la bàn hayể  kim la bàn. Ngày nay, có r t nhi u lo i s t t  đấ ề ạ ắ ừ ược bi t đ n nh  trong kim lo i,ế ế ư ạ  

h p kim và oxit. Tuy nhiên, ch  có ba lo i kim lo i có phân l p 3d là v t li u s tợ ỉ ạ ạ ớ ậ ệ ắ  

t    nhi t đ  phòng (Fe, Co, Ni) [2].ừ ở ệ ộ

V t li u s t t  đậ ệ ắ ừ ược bi t đ n là m t ch t có t  tính r t m nh, có đ  tế ế ộ ấ ừ ấ ạ ộ ừ 

th m r t l n và đ  t  hóa l n h n đ  t  hóa c a ch t thu n t  Ch t s t t  cóẩ ấ ớ ộ ừ ớ ơ ộ ừ ủ ấ ậ ừ ấ ắ ừ  

nh ng mômen t  nguyên t  có kh  năng tữ ừ ử ả ương tác v i nhau. Tớ ương tác này d nẫ  

đ n vi c hình thành trong lòng v t li u các vùng đômen mà trong m i vùngế ệ ậ ệ ỗ  đômen này, các mômen t  s p x p hoàn toàn song song nhau t o thành t  đ  từ ắ ế ạ ừ ộ ự phát (có nghĩa là t n t i đ  t  hóa ngay c  khi không có t  trồ ạ ộ ừ ả ừ ường ngoài). Và khi không có t  trừ ường ngoài, do năng lượng nhi t làm cho các mômen t  trong cácệ ừ  

đômen trong toàn kh i s p x p h n đ n, do v y, t ng đ  t  hóa c a toàn kh iố ắ ế ỗ ộ ậ ổ ộ ừ ủ ố  

v n b ng 0. ẫ ằ

Hình 1.2: C u trúc đômen trong v t li u s t t ấ ậ ệ ắ ừ

Vi c hình thành đômen là đ  gi m thi u năng lệ ể ả ể ượng t  do trừ ường kh  tử ừ gây ra. T c là, năng lứ ượng s  l n h n khi các đẽ ớ ơ ường s c t  c a m i m t đômenứ ừ ủ ỗ ộ  

v n còn n m bên ngoài ch t s t t  Tuy nhiên, n u các đẫ ằ ấ ắ ừ ế ường s c này đứ ược đóng kín do s  s p x p h p lý c a các đômen nh  trên hình 1.2 thì s  có l i v  m tự ắ ế ợ ủ ư ẽ ợ ề ặ  năng lượng. M t lý do khác là do s  c nh tranh c a d  hộ ự ạ ủ ị ướng t  tinh th  (làm choừ ể  mômen t  đ nh hừ ị ướng theo tr c d  tinh th ) và tụ ễ ể ương tác trao đ i (làm choổ  mômen t  đ nh hừ ị ướng song song v i nhau)ớ  d n đ n t  đ  c a toàn b  kh i s tẫ ế ừ ộ ủ ộ ố ắ  

t  b  phân chia thành nh ng đômen (vùng) t  hóa t  phát đ  có l i v  m t năngừ ị ữ ừ ự ể ợ ề ặ  

lượng

Quá trình t  hóa đừ ược th  hi n thông qua s  d ch vách thu n ngh ch và b tể ệ ự ị ậ ị ấ  thu n ngh ch (  t  trậ ị ở ừ ường nh ) và quá trình quay thu n ngh ch và b t thu nỏ ậ ị ấ ậ  ngh ch c a đômen (trong t  trị ủ ừ ường l n) nh  sau: N u ta đ t t  trớ ư ế ặ ừ ường ngoài vào 

v t li u s  có hai hi n tậ ệ ẽ ệ ượng x y ra: ả

  + S  l n d n c a các đômen t  theo phự ớ ầ ủ ừ ương c a t  trủ ừ ường và gi m d nả ầ  đômen ngược chi u theo phề ương c a t  trủ ừ ường (d ch vách đômen).ị

+ S  quay c a các đômen t  theo hự ủ ừ ướng c a t  trủ ừ ường

Hình 1.3: Đ ườ ng cong t  tr  c a ch t s t t ừ ễ ủ ấ ắ ừ

Khi tăng d n t  trầ ừ ường đ n m c đ  l n, ta s  có hi n tế ứ ủ ớ ẽ ệ ượng bão hòa t ,ừ  lúc đó, t t c  các đômen t  s p x p song song v i nhau và trong v t li u, v  m tấ ả ừ ắ ế ớ ậ ệ ề ặ  

lý tưởng ch  có m t đômen duy nh t. N u ta ng t t  trỉ ộ ấ ế ắ ừ ường, các mômen t  s  l iừ ẽ ạ  

có xu hướng h n đ n do thăng giáng nhi t và l i t o thành các đômen. Tuy nhiên,ỗ ộ ệ ạ ạ  các đômen này v n còn tẫ ương tác v i nhau. Khi ta gi m t  trớ ả ừ ường v  0, t ngề ổ  mômen t  trong toàn kh i gi m d n nh ng không b ng 0   t  trừ ố ả ầ ư ằ ở ừ ường b ng 0.ằ  Khi t  đ  b ng 0, ta g i đó là tr ng thái kh  t , giá tr  t  trừ ộ ằ ọ ạ ử ừ ị ừ ường t i đó đạ ược g iọ  

là l c kháng t  N u t  trự ừ ế ừ ường càng âm thì t  đ  ti p t c gi m t  giá tr  0 v  giáừ ộ ế ụ ả ừ ị ề  

tr  bão hòa âm. Giá tr  ti p t c nh  trên n u ta ti p t c tăng giá tr  t  trị ị ế ụ ư ế ế ụ ị ừ ường v  0ề  

và đ i chi u r i tăng giá tr  dổ ề ồ ị ương c a nó. Đi u này t o thành hi n tủ ề ạ ệ ượng trễ 

c a v t li u s t t  nh  hình 1.3.ủ ậ ệ ắ ừ ư

Hai đ c tr ng c  b n quan tr ng nh t c a ch t s t t  là:ặ ư ơ ả ọ ấ ủ ấ ắ ừ

+ Đường cong t  tr ừ ễ

+ Nhi t đ  Curie Tệ ộ c

 Nhi t đ  Curie Tệ ộ c trong các ch t s t t  là nhi t đ  chuy n pha s t t  ­ấ ắ ừ ệ ộ ể ắ ừ  thu n t  (chuy n pha lo i 2 – chuy n pha không có s  thay đ i v  c u trúc). T iậ ừ ể ạ ể ự ổ ề ấ ạ  nhi t đ  này, ch t s t t  b  m t tr t t  s t t  song song.   dệ ộ ấ ắ ừ ị ấ ậ ự ắ ừ Ở ưới nhi t đ  Tệ ộ c, v tậ  

li u mang tính ch t s t t ;   trên nhi t đ  Tệ ấ ắ ừ ở ệ ộ c v t li u s  b  m t tính s t t  và trậ ệ ẽ ị ấ ắ ừ ở thành ch t thu n t  [1, 2].ấ ậ ừ

1.4. Các ch t ph n s t t  (AFM).ấ ả ắ ừ

1.4.1. Đ c đi m c a v t li u ph n s t t ặ ể ủ ậ ệ ả ắ ừ

V t li u ph n s t t  có mômen t   nguyên t  c nh tranh nhau s p x p đ iậ ệ ả ắ ừ ừ ử ạ ắ ế ố  song (song song và ngược chi u) t ng đôi m t (hình 1.4). T c là, trong v t li uề ừ ộ ứ ậ ệ  

ph n s t t , t n t i hai phân m ng có c u trúc t  xem k  nhau. Mômen t  trongả ắ ừ ồ ạ ạ ấ ừ ẽ ừ  

m i phân m ng s p x p song song v i nhau nh ng ngỗ ạ ắ ế ớ ư ược chi u v i mômen tề ớ ừ 

c a phân m ng kia.T  đ  c a m i phân m ng có giá tr  tuy t đ i b ng nhauủ ạ ừ ộ ủ ỗ ạ ị ệ ố ằ  

nh ng tri t tiêu nhau. Do đó,   tr ng thái c  b n,   không đ  tuy t đ i (0 K) vàư ệ ở ạ ơ ả ở ộ ệ ố  trong trường h p t  trợ ừ ường ngoài b ng 0, đ  t  hóa t ng c ng c a ch t ph n s tằ ộ ừ ổ ộ ủ ấ ả ắ  

t  b ng 0 (hình 1.4). ừ ằ

Hình 1.4: C u trúc t  c a v t li u ph n s t t  g m 2 phân m ng đ i song nhau ấ ừ ủ ậ ệ ả ắ ừ ồ ạ ố

Thông thường, tr ng thái ph n s t t  t n t i   nhi t đ  th p và b  tri tạ ả ắ ừ ồ ạ ở ệ ộ ấ ị ệ  tiêu   nhi t đ  b ng ho c l n h n m t nhi t đ  xác đ nh g i là nhi t đ  Néel –ở ệ ộ ằ ặ ớ ơ ộ ệ ộ ị ọ ệ ộ  nhi t đ  chuy n pha t  ph n s t t  sang thu n t  (Tệ ộ ể ừ ả ắ ừ ậ ừ N  – được đ t tên theo Louisặ  Néel). Khi T T> N thì s  s p x p mômen t  tr  nên h n lo n, v t li u tr  thànhự ắ ế ừ ở ỗ ạ ậ ệ ở  

thu n t , nh  trậ ừ ư ường h p c a tr t t  thu n t  c a ch t s t t ợ ủ ậ ự ậ ừ ủ ấ ắ ừ

V t li u ph n s t t  thậ ệ ả ắ ừ ường xu t hi n gi a các h p ch t c a kim lo iấ ệ ữ ợ ấ ủ ạ  chuy n ti p, đ c bi t là ôxit. Ví d  nh : hematit, kim lo i Cr, h p kim FeMg,ể ế ặ ệ ụ ư ạ ợ  ôxit NiO [1,2].

1.4.2. Lý thuy t tr ế ườ ng phân t  c a l p ph n s t t ử ủ ớ ả ắ ừ

S  ph  thu c đ  c m t  ự ụ ộ ộ ả ừ χ vào nhi t đ  T trong v t li u ph n s t t  đệ ộ ậ ệ ả ắ ừ ượ  c

đ c tr ng b i:ặ ư ở

+ S  t n t i c a nhi t đ  Néel (ự ồ ạ ủ ệ ộ T N)  ng v i m t đ nh trên đứ ớ ộ ỉ ường χ(T).+ S  d  hự ị ướng c a ủ χ khi T T< N: χ có giá tr  khác nhau tùy theo t  trị ừ ường H song song hay vuông góc v i tr c spin c a m t đ n tinh th  v t li u ph n s t t ớ ụ ủ ộ ơ ể ậ ệ ả ắ ừ  Giá tr  ị  cho v t li u đa tinh th  là giá tr  trung gian gi a các giá tr  trên [2].ậ ệ ể ị ữ ị

Khi T T> N, s  ph  thu c vào nhi t đ  c a ự ụ ộ ệ ộ ủ χ tương t  nh  đ nh lu t Curieự ư ị ậ  – Weiss cho vùng thu n t  c a v t li u s t t :ậ ừ ủ ậ ệ ắ ừ

1.5. Gi i thi u v  hi n tớ ệ ề ệ ượng trao đ i d chổ ị

Hi n tệ ượng trao đ i d ch (hay trao đ i b t đ ng hổ ị ổ ấ ẳ ướng) là hi n tệ ượng v  sề ự 

d ch đị ường cong t  tr  d c theo tr c t  trừ ễ ọ ụ ừ ường, thường xu t hi n trong các v tấ ệ ậ  

li u t  đa l p. ệ ừ ớ

Hi n tệ ượng này được phát hi n vào năm 1956 b i Meiklejohn và Bean khi hệ ở ọ 

đo đường cong t  tr  c a h  các h t m n trên b  m t Co (10 – 100 nm) đã b  ôxyừ ễ ủ ệ ạ ị ề ặ ị  hóa m t ph n và độ ầ ược làm l nh trong t  trạ ừ ường xu ng dố ưới nhi t đ  Tệ ộ N ( nhi tệ  

đ  Néel) đ  t o thành CoO. K t qu  là tâm độ ể ạ ế ả ường cong t  tr  b  d ch v  phía từ ễ ị ị ề ừ 

trường âm. Thông thường, đường cong t  tr  c a l p Co s  đ i x ng, nh ng doừ ễ ủ ớ ẽ ố ứ ư  

có s  tự ương tác v i CoO nên đớ ường cong t  tr  b  d ch chuy n theo hừ ễ ị ị ể ướng c aủ  

t  trừ ường đ t vào h  đó.ặ ệ

Hi n nay, hi n tệ ệ ượng này được quan sát trong nhi u h  khác nhau có ch aề ệ ứ  

m t ph ng phân cách s t t /ph n s t t  (FM/AFM). Hi u  ng này là k t quặ ẳ ắ ừ ả ắ ừ ệ ứ ế ả 

tương tác b  m t trong h  FM/AFM nh  màng hai l p ho c h t s t t  kim lo iề ặ ệ ư ớ ặ ạ ắ ừ ạ  

có l p v  ôxit AFM [14].ớ ỏ

1.5.1. Ngu n g c c a hi u  ng trao đ i d ch ồ ố ủ ệ ứ ổ ị

S  xu t hi n c a tính d  hự ấ ệ ủ ị ướng đ n tr c nên sau khi m u đơ ụ ẫ ược làm l nhạ  trong m t t  trộ ừ ường, m t độ ường cong t  tr  đã b  d ch chuy n. Đ u tiên, l pừ ễ ị ị ể ầ ớ  CoO ph  các h t Co đủ ạ ược làm l nh t  nhi t đ  phòng đ n 77 K mà không có sạ ừ ệ ộ ế ự 

xu t hi n c a t  trấ ệ ủ ừ ường ngoài. Khi m u đ c làm l nh t i 77 K trong m t tẫ ượ ạ ớ ộ ừ 

trường m nh (t  trạ ừ ường l nh), đạ ường cong t  tr  (2)   hình 1.5 b  d ch chuy nừ ễ ở ị ị ể  sang trái d c theo tr c t  trọ ụ ừ ường hi u d ng [15].ệ ụ

Hình 1.5: Đ ườ ng cong t  tr  c a Co đ ừ ễ ủ ượ c ph  các h t CoO t i 77 K sau khi ủ ạ ạ  

đ ượ ủ c   trong tr ườ ng h p không có t  tr ợ ừ ườ ng đ t vào (1) và d ặ ướ ừ ườ i t  tr ng bão  

hòa (2).

Giá tr  c a đ  d ch chuy n này đị ủ ộ ị ể ược tính b ng kho ng cách t  g c t a đằ ả ừ ố ọ ộ 

đ n trung tâm c a vòng, thế ủ ường được g i là t  trọ ừ ường trao đ i d ch (Hổ ị ex). Cùng 

v i s  d ch chuy n c a đớ ự ị ể ủ ường cong t  tr  là s  tăng giá tr  c a l c kháng t  Hừ ễ ự ị ủ ự ừ c. 

Ta có th  th y đ  r ng c a để ấ ộ ộ ủ ường cong t  tr  (2) l n h n so v i đừ ễ ớ ơ ớ ường (1) (hình 1.5). Đó là h  qu  c a tệ ả ủ ương tác gi a v t li u FM và AFM [9,14].ữ ậ ệ

1.5.2. Hi n t ệ ượ ng d ch đ ị ườ ng t  tr  trong h  FM/AFM.  ừ ễ ệ

 D  hị ướng đ n tr c và hi n tơ ụ ệ ượng trao đ i d ch có th  đổ ị ể ược hi u m t cáchể ộ  

đ nh tính b ng cách đánh giá m t tị ằ ộ ương tác trao đ i t i m t ph ng phân cáchổ ạ ặ ẳ  FM/AFM. Chúng ta có th  xem hình 1.6 – m t mô hình đ n gi n c a hi u  ngể ộ ơ ả ủ ệ ứ  trao đ i d ch đ  gi i thích hi n tổ ị ể ả ệ ượng này. Nhìn vào hình, chúng ta có th  th y,ể ấ  các đi m 2, 3, 4 trên để ường cong tương  ng v i 3 tr ng thái tứ ớ ạ ương tác b  m tề ặ  

c a FM/AFM.ủ

Khi m t t  trộ ừ ường được đ t vào trong vùng nhi t đ  ặ ệ ộ T N < <T T c, các spin 

FM s p x p cùng hắ ế ướng v i t  trớ ừ ường trong khi các spin AFM s p x p m t cáchắ ế ộ  

h n lo n ( Hình 1.6 a). ỗ ạ

Hình 1.6: C  ch  trao đ i d ch trong màng hai l p FM/AFM ơ ế ổ ị ớ

Khi làm l nh h  trong t  trạ ệ ừ ường H xu ng dố ưới nhi t đ  ệ ộ T N, nhi t đệ ộ chuy n pha t  thu n t  sang ph n s t t  (nh  h n r t nhi u so v i nhi t đ  ể ừ ậ ừ ả ắ ừ ỏ ơ ấ ề ớ ệ ộ T c 

c a FM) thì c  hai ph n FM và AFM đ u có spin s p x p theo tr t t : FM cóủ ả ầ ề ắ ế ậ ự  spin s p x p song song còn spin c a AFM s p x p ph n song song đ  t o ra sắ ế ủ ắ ế ả ể ạ ự không t  (hình 1.6 b) (do s  từ ự ương tác t i m t ph ng phân cách FM/AFM)ạ ặ ẳ  [5,13,14].

Khi t  trừ ường b  đ o chi u, các spin trong m t ph ng FM b t đ u quay.ị ả ề ặ ẳ ắ ầ  Tuy nhiên, do tính d  hị ướng c a AFM l n, các spin trong m t ph ng AFM v nủ ớ ặ ẳ ẫ  không thay đ i (hình 1.6 c). Do đó, s  tổ ự ương tác b  m t gi a các spin FM/AFMề ặ ữ  

t i m t ph ng phân cách đã c  ghim các spin trong m t ph ng FM đ nh hạ ặ ẳ ố ặ ẳ ị ướ  ngtheo các spin trong m t ph ng AFM t i m t ph ng phân cách. Nh  v y, tặ ẳ ạ ặ ẳ ư ậ ừ 

trường c n thi t đ  đ o chi u hoàn toàn m t l p FM s  l n h n n u nó ti p xúcầ ế ể ả ề ộ ớ ẽ ớ ơ ế ế  

v i l p AFM. Tuy nhiên, m t khi t  trớ ớ ộ ừ ường b  quay tr  l i hị ở ạ ướng ban đ u c a nóầ ủ  thì các spin FM s  b t đ u quay t i m t t  trẽ ắ ầ ạ ộ ừ ường nh  h n, do s  tỏ ơ ự ương tác v iớ  các spin AFM (hình 1.6 e). K t qu , đế ả ường cong b  d ch chuy n v  bên trái c aị ị ể ề ủ  

tr c t  tụ ừ rường hi u d ng H m t kho ng Hệ ụ ộ ả ex. Đây chính là c  ch  c a hi u  ngơ ế ủ ệ ứ  trao đ i d ch. [6,11,14,17,21].ổ ị

1.5.3. Mô hình lý thuy t ế

T  vi c phân tích tính ch t c a từ ệ ấ ủ ương tác b  m t FM/AFM, năng lề ặ ượ  ng

tương tác trên m t đ n v  b  m t độ ơ ị ề ặ ược vi t nh  sau:ế ư

      E= −HM t FM FM cos(θ β− ) K+ FM FM t sin ( ) K2 β + AFM AFM t sin ( )2 α −Jcos(β α− ) (1.10)

 đây:

ở

 H là t  trừ ường hi u d ng.ệ ụ

 MFM là đ  t  hóa bão hòa.ộ ừ

 tFM là đ  dày c a l p FM, tộ ủ ớ AFM là đ  dày c a l p AFM.ộ ủ ớ

 KFM là h ng s  d  hằ ố ị ướng t  hi u d ng c a l p FM, Kừ ệ ụ ủ ớ AFM là h ng s  dằ ố ị 

hướng t  hi u d ng c a l p AFM.ừ ệ ụ ủ ớ

 J là h  s  tệ ố ương tác trao đ i b  m t.ổ ề ặ

 β, α là góc tương  ng gi a đ  t  hóa Mứ ữ ộ ừ FM, MAFM và tr c d  hụ ị ướng FM, AFM; θ là góc gi a t  trữ ừ ường đ t vào và tr c d  hặ ụ ị ướng FM (Hình 1.7).

Đ  đ n gi n hóa, ta coi tr c d  hể ơ ả ụ ị ướng c a màng FM và AFM là gi ngủ ố  nhau và là tr c duy nh t. ụ ấ

Hình 1.7: Bi u đ  các góc tham gia vào h  trao đ i d ch ể ồ ệ ổ ị

S  h ng th  nh t trong phố ạ ứ ấ ương trình năng lượng là do tác d ng c a tụ ủ ừ 

trường hi u d ng trên l p FM, s  h ng th  hai là do tác d ng c a s  d  hệ ụ ớ ố ạ ứ ụ ủ ự ị ướ  ng

c a l p FM, s  h ng th  ba liên quan đ n tính d  hủ ớ ố ạ ứ ế ị ướng AFM và s  h ng cu iố ạ ố  cùng liên quan đ n tính d  hế ị ướng b  m t [14].ề ặ

Trong   trường   h p   đ n   gi n,   các   d   hợ ơ ả ị ướng   FM   là   không   đáng   k   (ể

K t = K t ), khi đó năng lượng được bi u di n nh  sau:ể ễ ư

      E= −HM t FM FMcos(θ β− ) K+ AFM AFM t sin ( )2 α −Jcos(β α− )  (1.11)

T  trừ ường trao đ i d ch có th  đổ ị ể ược tính theo công th c sau:ứ

        ex

FM FM

J H

M t

1.5.4. S  ph  thu c vào đ  dày c a t  tr ự ụ ộ ộ ủ ừ ườ ng trao đ i d ch ổ ị  

1.5.4.1. S  ph  thu c vào đ  dày l p FM ự ụ ộ ộ ớ

Hình 1.8: S  ph  thu c c a tr ự ụ ộ ủ ườ ng trao đ i d ch H ổ ị ex  và l c kháng t  H ự ừ c  vào độ 

dày l p FM cho h  Fe ớ ệ 80 Ni 20 /FeMn t i t ạ AFM  = 50 nm.

Đ i v i các h  đố ớ ệ ược nghiên c u, ngứ ười ta quan sát th y r ng t  trấ ằ ừ ườ  ngtrao đ i d ch t  l  ngh ch v i đ  dày các l p FM (hình 1.8)ổ ị ỷ ệ ị ớ ộ ớ  [14]

        ex

1

FM

H t

1.5.4.2. S  ph  thu c vào đ  dày l p AFM ự ụ ộ ộ ớ

S  ph  thu c c a Hự ụ ộ ủ ex vào đ  dày c a l p AFM ph c t p h n nhi u. Xuộ ủ ớ ứ ạ ơ ề  

hướng chung cho chi u dày các l p AFM, ví d  chi u dày l n h n 10 nm, Hề ớ ụ ề ớ ơ ex 

không ph  thu c vào đ  dày c a l p AFM. Khi đ  dày c a l p AFM gi m, Hụ ộ ộ ủ ớ ộ ủ ớ ả ex 

gi m đ t ng t và đ i v i các l p AFM đ  m ng (thông thả ộ ộ ố ớ ớ ủ ỏ ường là vài nm), Hex = 

0, nh  ta th y trong hình 1.9 [14].ư ấ

Hình 1.9: S  ph  thu c c a trao đ i d ch H ự ụ ộ ủ ổ ị ex  và l c kháng t  H ự ừ c   vào đ  dày l p ộ ớ  

AFM cho h  Fe ệ 80 Ni 20 /FeMn t i t ạ FM  = 7 nm.

1.5.5. Các  ng d ng c a hi n t ứ ụ ủ ệ ượ ng trao đ i d ch ổ ị

Các v t li u th  hi n tính ch t trao đ i d ch và các hi u  ng có liên quanậ ệ ể ệ ấ ổ ị ệ ứ  

đã đượ ử ục s  d ng trong m t s  các  ng d ng khác nhau. Vi c tăng l c kháng tộ ố ứ ụ ệ ự ừ 

c a các h t nh  b  oxi hóa có th  s  d ng trong nam châm vĩnh c u và phủ ạ ỏ ị ể ử ụ ử ươ  ng

ti n ghi t  m t đ  cao. M t  ng d ng khác đ i v i hi u  ng trao đ i d ch đó làệ ừ ậ ộ ộ ứ ụ ố ớ ệ ứ ổ ị  

ch  t o đ u đ c, ghi máy vi tính d a trên hi u  ng t  tr  kh ng l  G n đây,ế ạ ầ ọ ự ệ ứ ừ ở ổ ồ ầ  

Chi u dày l p IrMn (Aề ớ o )

hi n tệ ượng trao đ i d ch còn có th  s  d ng trong các thi t b  nh  đ ng (MRAM)ổ ị ể ử ụ ế ị ớ ộ  [12,14].

1.6. Gi i thi u v  h  có c u trúc spin  van.ớ ệ ề ệ ấ

Spin van là m t linh ki n t  tính có c u t o t  m t màng đa l p g m cácộ ệ ừ ấ ạ ừ ộ ớ ồ  

l p s t t  (Fớ ắ ừ 1 và  F2) ngăn cách b i các l p phi t  (NM) mà   đó đi n tr  c a hở ớ ừ ở ệ ở ủ ệ thay đ i ph  thu c vào s  đ nh hổ ụ ộ ự ị ướng c a t  đ  trong các l p s t t  [1].ủ ừ ộ ớ ắ ừ

Hình 1.10: Mô hình hi u  ng t  đi n tr  kh ng l  trong các c u trúc spin van ệ ứ ừ ệ ở ổ ồ ấ

Tính ch tấ  c a c u trúc spinủ ấ   van d a trên hi u  ng t  tr  kh ng lự ệ ứ ừ ở ổ ồ. C  chơ ế 

c a hi u  ng đủ ệ ứ ược lý gi i qua c  ch  “tán x  ph  thu c spin” c a đi n t  (hìnhả ơ ế ạ ụ ộ ủ ệ ử  1.10). Có th  th y r ng, tr ng thái c a h  (đi n tr  cao, đi n tr  th p) ph  thu cể ấ ằ ạ ủ ệ ệ ở ệ ở ấ ụ ộ  vào s  đ nh hự ị ướng tương đ i c a mômen t  c a các l p s t t  Có nghĩa là vi cố ủ ừ ủ ớ ắ ừ ệ  mômen t  các l p đ nh hừ ớ ị ướng tương đ i v i nhau ra sao (song song, ph n songố ớ ả  song) có th  cho phép dòng đi n t  (dòng spin) để ệ ử ược truy n qua ho c không thề ặ ể truy n qua, hay nói cách khác, t  đ  c a các l p s t t  ho t đ ng nh  m t chi cề ừ ộ ủ ớ ắ ừ ạ ộ ư ộ ế  van đóng m  spin. Đây chính là ý tở ưởng v  c u trúc spin  van [11].ề ấ

Mô hình màng m ng đa l p v i các l p s t t  (FM) xen k  b i các l pỏ ớ ớ ớ ắ ừ ẽ ở ớ  

m ng phi t  (NM) t o ra hi u  ng t  đi n tr  kh ng l  là mô hình s  khai đ uỏ ừ ạ ệ ứ ừ ệ ở ổ ồ ơ ầ  tiên. Tuy nhiên, đây là c u trúc đ n gi n v i s  quay c a các l p FM theo tấ ơ ả ớ ự ủ ớ ừ 

trường khá t  do và vi c đi u khi n tín hi u tr  nên khó khăn. Nhóm c a Peterự ệ ề ể ệ ở ủ  

Grunberg đã c i ti n mô hình này thành c u trúc spin  van nh  hi n nay v i vi cả ế ấ ư ệ ớ ệ  

s  d ng m t l p ph n s t t  (AFM). ử ụ ộ ớ ả ắ ừ

M t c t ngang c a c u trúc g m 4 l p chính: bên trên là l p màng m ngặ ắ ủ ấ ồ ớ ớ ỏ  

v t li u ph n s t t  (hi n nay s  d ng ph  bi n là IrMn,…), bên dậ ệ ả ắ ừ ệ ử ụ ổ ế ướ ới l p này là 

l p s t t  đ u tiên có t  đ  b  ghim b i l p ph n s t t  nên có t  đ  b  gi  theoớ ắ ừ ầ ừ ộ ị ở ớ ả ắ ừ ừ ộ ị ữ  

m t hộ ướng (g i là l p ghim), phía dọ ớ ướ ới l p ghim là l p phi t  và dớ ừ ưới cùng là 

l p s t t  v i t  đ  quay t  do (l p t  do).ớ ắ ừ ớ ừ ộ ự ớ ự

Hình 1.11: M t c t ngang c a màng đa l p spin  van v i liên k t ph n s t t ặ ắ ủ ớ ớ ế ả ắ ừ

Quan sát hình 1.11 ta có th  th y s  tể ấ ự ương tác c a hai l p FM đủ ớ ược ngăn cách b i m t l p phi t  trung gian. M t trong hai l p FM (đở ộ ớ ừ ộ ớ ược g i là l p “ghim”ọ ớ  trong hình) có hướng t  đ  “đóng băng” b i s  liên k t v i m t l p  AFMừ ộ ở ự ế ớ ộ ớ  [10,15,18,19]

1.7. M c tiêu c a lu n vănụ ủ ậ

Đ  nghiên c u tính ch t t  c a c u trúc spin van, 3 lo i màng m ng sauể ứ ấ ừ ủ ấ ạ ỏ  đây đã được ch  t o:ế ạ

Trong quá trình ch  t o, m t t  trế ạ ộ ừ ường có đ  l n 150 Oe và song song v iộ ớ ớ  

m t ph ng màng đã đặ ẳ ược đ t vào.ặ

Đ  ch  t o các màng này ta có th  s  d ng phể ế ạ ể ử ụ ương pháp b c bay nhi t,ố ệ  phún x  cat t,… Tuy nhiên, do phạ ố ương pháp phún x  cat t có nh ng  u đi mạ ố ữ ư ể  

h n h n so v i phơ ẳ ớ ương pháp b c bay nhi t nh  đ  dày c a màng ch  t o đố ệ ư ộ ủ ế ạ ượ  c

đi u khi n chính xác h n và kh  năng bám dính c a màng trên đ  t t h n. Do đó,ề ể ơ ả ủ ế ố ơ  

em đã s  d ng phử ụ ương pháp phún x  cat t đ  ch  t o các v t li u nêu trên. M uạ ố ể ế ạ ậ ệ ẫ  sau khi ch  t o đế ạ ược ti n hành đo hi n vi đi n t  quét (SEM), nhi u x  tia Xế ể ệ ử ễ ạ  (XRD) và t  k  m u rung (VSM) đ  bi t đừ ế ẫ ể ế ược tính ch t  và c u trúc c a chúng.ấ ấ ủ

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TH C NGHI MỰ Ệ

2.1. Ch  t o màng m ng b ng phế ạ ỏ ằ ương pháp phún x ạ

2.2.1. C  ch  phún x ơ ế ạ

Theo quan đi m v t lý, phún x  là m t quá trình hoàn toàn khác v i s  b cể ậ ạ ộ ớ ự ố  bay. Quá trình phún x  thạ ường được so sánh v i quá trình x y ra trong trò ch i biớ ả ơ  a: khi đ y m t qu  bi ch  v  phía các qu  bi a đang x p g n v i nhau, các qu  biẩ ộ ả ủ ề ả ế ầ ớ ả  

a này s  b  tán x  theo t t c  các hẽ ị ạ ấ ả ướng, k  c  hể ả ướng tr  l i phía ngở ạ ười ch i.ơ  Hình 2.1 bi u di n các quá trình c  b n c a c a c  ch  phún x  [1].ể ễ ơ ả ủ ủ ơ ế ạ

Hình 2.1: Nguyên lý c  b n c a quá trình phún x ơ ả ủ ạ

Trong trường h p này, qu  bi ch  chính là các ion khí tr  (nh  Argon,ợ ả ủ ơ ư  Xenon, Heli,…) được gia t c v  phí bia (target) ch a v t li u c n l ng đ ng. Cácố ề ứ ậ ệ ầ ắ ọ  ion khí va ch m v i các nguyên t  c a bia d n đ n h  qu  là các nguyên tạ ớ ử ủ ẫ ế ệ ả ử (ho c các đám vài nguyên t ) c a bia b  b t ra và chuy n đ ng v  phía đ  m uặ ử ủ ị ứ ể ộ ề ế ẫ  

1