Tóm tắt những kết quả chính của đề tài:Quá trình từ hóa và sự hình thành vách đômen tại vùng chuyên tiêp giữa các lớp từ mềm và từ giảo trong các màng đa lớp có cấu trúc đàn hôi từ đâ đ
Trang 1BÁO CÁO TỎNG HỢP CÁC NỘI DƯNG NGHIÊN c ứ u
ĐÈ TÀI NGHIÊN c ứ u KHOA HỌC CẤP ĐHQGHN
DO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ QUẢN LÝ
- Đơn vị công tác: Khoa Vật lý Kỳ thuật và Công nghệ Nanô, Trường Đại
học Công nghệ, Đại học Ọuốc eia Hà Nội
Nhà E3, 144 Xuân Thuy, c ầ u Giấy, Há Nội
- Điện thoại: 04-7549332; Fax: 04-7547460; Di động: 0983234605
- E-mail: gianadth@vnu.edu.vn
3 Cơ quan phối họp thực hiện:
1 Khoa Vật iý Kỹ thuật và Công nghệ Nanô, Trườne Đại học Côns nehệ,
Đại học Quôc gia Hà Nội.
2 Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà Nội.
3 Trung tâm Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu ITIMS, Đại học Bách
khoa Hà Nội.
4 Groupe đe Physique des Materiaux, Université de Rouen, CH Pháp
4 Cộng tác viên chính của đề tài:
1 GS.TS Nguyễn Hữu Đức Trường ĐH Công nghệ, ĐHQGHN
Trang 25 Tóm tắt những kết quả chính của đề tài:
Quá trình từ hóa và sự hình thành vách đômen tại vùng chuyên tiêp giữa các
lớp từ mềm và từ giảo trong các màng đa lớp có cấu trúc đàn hôi từ đâ được nghiên
cứu và mô tả một cách hiện tượng luận trên hệ màng từ eiao
{Tb(Feo 55 Coo 45)1 5 /YFeCo} 50 Trong các kết qua nghiên cứu của mình, chúng tôi
đã đê xuât được các mô hình quá trình từ hóa khác nhau phụ thuộc nhiệt độ, thành
phần, độ dày các lớp do tính chât từ nội tại cua từng lớp như từ độ, dị hướng từ,
lực kháng từ, năng lượng tương tác trao đôi quyết định Chứng tôi đã đề xuất
được mô hình tính toán lý thuyêt được dựa vào sự cạnh tranh cua các loại năng
lượng trong đê mô tả quá trình từ hóa theo các mô hình Trong đó, sự xuât hiện cua
các chuyên pha cảm ứng từ trường như đã quan sát thây trên các đường cong từ
hóa là do sự khác nhau giữa dị hướng từ và từ độ cua các lớp từ mêm (dị hướng
nhỏ, từ độ lớn) và lớp từ giao (dị hướng lớn, từ độ nho) dẫn đên quá trình từ hóa
xảy ra không đồng thời tại cùng một từ trường ngoài Với sự phù hợp đó, có thê
khăng định răng quá trình từ hóa với sự xuât hiện của các chuyên pha cam từ trên
các đường cong từ hóa khác nhau phụ thuộc vào khôna chi nhiệt độ mà còn độ dày
của lớp từ giảo Xuât phát từ môi liên hệ giữa từ giao và từ độ (từ RÌao tỉ lệ bình
phương với từ độ), các chuyên pha cảm trường còn được hiẻu một cách rõ ràng
hơn trên các đường cong từ giảo Từ đây, các đặc trưng từ ^iao với từ giao cao
trong vùng từ trường thấp và từ giảo giảm trong vùng từ trường cao đã được giai
thích theo các mô hình từ hóa được đề xuất Đặc biệt, đóne góp âm cua các vách
đômen hình thành ở vùng giáp ranh của các lớp vật liệu từ giáo và từ mềm lần đầu
tiên đã được chỉ ra Các tính toán trên các mỏ hình lý thuyêt cho kêt qua phù hợp
khá tốt với các quan sát thực nghiệm.
Các kết quả chính thu được của đề tài đã được báo cáo công bố trên 02 công
trình khoa học tham dự hội nghị quốc tế và sẽ được đăng tải trên 0 2 tạp chí chuyên nghành quốc tê có uy tín (xem phụ lục 1 và 2 ).
Trang 3II NỘI DƯNG C H ÍN H CỦA ĐÈ TÀI
2.1 Muc tiêu:
Màng mỏng từ giảo đang thu hút sự quan tâm đặc biệt đo kha năng ứng dụng của chúng để chế tạo các bộ phận cảm biến, bộ phận chuyên động, bộ phận dịch chuyên trong các thiêt bị vi điện-cơ Nhiệm vụ hàng đâu đặt ra cho các nhà
nghiên cứu vật liệu là phải tìm cách tăng cường thông sô từ giao (Ả - A ỉ / I ) và độ
cảm từ giảo X), - d/ưd(ụữH) trong vùng từ trường thấp Điều này có ý nghĩa đặc
biệt quan trọng trong ứng dụng cho phép các hệ vi cơ hoạt động với công suât cao trong từ trường điều khiên thấp [1,2] Một sự kết họp tuyệt vời giữa các hợp kim đât hiêm-kim loại chuyên tiêp và các kim loại chuyên tiếp đã tạo ra được các màng
từ giảo đa lớp TbFeCo/FeCo có tính chât từ mêm tuyệt vời đáp ứng yêu câu ứng
dụng [3], Gần đây, tính chất từ giáo tuyệt vời với từ giao bào hoà cao (Ả - 10"') và
độ cảm từ giao lớn (ỵ, ~ 10 "1 T 1) đã được công bố trên màng đa lớp Tb(Feo 55 CO(, 45 )i 5/YFeCo (tên gọi Terfecohan/YFeCo) với lớp từ mềm có cấu trúc nanô (không liên tục) [4,5].
Hầu hết các nghiên cứu trong và níìoài nước cho đến nay vẫn chu yếu tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng, tính chât từ và từ giao trong vùng từ trường thấp đê tối ưu hóa vê mặt công nehệ chê tạo, thành phân vật liệu và cảu hỉnh cho các mục đích úng dụng Tuy nhiên, có nhiêu tính chât vô cùng lý thú quan sát được trong vùng từ trường cao và đặc biệt tại nhiệt độ thâp trên các hệ màng từ 2 ,iao đa lớp này vẫn chưa được khai thác và nẹhiên cứu một cách triệt đẻ Tron^ đó phai kê đến các đặc trưng như: (i) đường cong từ giao có xu hướng eiam do đóng £Óp cua
từ giảo âm, (ii) đường cong từ hoá có sự xuât hiện các bước chuyên pha cam ứng
từ trường, (iii) đường cong từ hoá lực khánạ từ dương (exchange bias) như thườna quan sát thấy trên các vật liệu có câu trúc từ đàn hôi “spring-magnet” Sự phụ thuộc cúa các đặc trung này vào câu trúc các lớp vật liệu, thành phân lớp từ mẻm
độ dày lớp từ giảo và nhiệt độ đo vẫn chưa thực sự được nghiên cứu về mặt ban
chất và tìm cách lý giải một cách thoả đáng [6-10], Vì vậy mục tiêu cua đề tài là tập trung vào nghiên cứu cơ chê từ hoá và từ giao và vai trò tươne quan cua tươnc tác trao đôi và dị hướng từ đôi với quá trình từ hoá trên các mànu từ giao đa lớp có cấu trúc từ đàn hồi dựa trên hợp kim Terfecohan Điều đó có thê giúp ta hiêu được
Trang 4một cách chính xác nguyên lý và từ đó có thế tối ưu hoá hơn nữa các câu hình đê thu được các đặc trưng mong muốn nhằm thoả mãn từng mục đích ứng dụng.
2.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu:
Nghiên cứu cơ chế từ hoá, từ giảo và vai trò tương quan của tương tác trao
đối và dị hướng từ đối với quá trình từ hoá trên các màng từ giảo đa lớp có câu trúc
từ đàn hồi dựa trên hợp kim Terfecohan Nội dung nghiên cứu bao gôm:
- Nghiên cứu quá trình từ hoá và cơ chê lực kháng từ dương trên các màng
mỏng đa lớp TbFeCo/YFeCo khác nhau phụ thuộc vào:
+ Độ dày lớp từ giảo
+ Thành phân và câu trúc lớp từ mêm
+ Vùng nhiệt độ đo
Trong nội dung nghiên cửu này, đê tài còn tập trung vào nghiên cứu vai trò
của tương tác trao đôi, đê xuât các mô hình lý thuyêt bán thực nghiệm và tính toán
lý thuyết dựa vào sự cạnh tranh giữa các loại năng lượng trong quá trình từ hoá đẽ
giải thích cho sự xuât hiện của các chuyên pha cám ứng từ trường trên các đường
cong từ hóa, cơ che lực kháng từ dương và sự hình thành vách đômen có câu trúc
mômen từ xoắn tại lớp chuyên tiếp giữa các lớp tại vùng từ trường cao
- Nghiên cứu quá trình từ giáo trong môi tương quan với quá trình và cơ chê
từ hoá đã nghiên cứu được Tập trung vào giải thích các tính chât từ ^iao như:
+ Đặc trưng từ giảo vượt trội với từ giảo cao và độ cam từ giao lớn trong
vùng từ trường thấp.
+ Đặc trưng từ giao trong vùng từ trường cao với sự đóna, góp từ ạiao ảm
liên quan đến cấu trúc xoăn cua vách đômen.
- Xuất phát từ các kết quả nghiên cứu được, đưa ra câu hình tôi ưu đê chê
tạo các hệ màng từ giảo đa lớp có tính chất từ giao lý tưởng trong tương lai.
2.3 Đặc điểm, thòi gian và phương pháp nghiên cứu:
a Đặc điềm
Nghiên cứu về mặt bản chất các đặc trưng từ tính và từ giảo trên các vật liệu
từ giảo đa lóp có tương tác từ đàn hồi, từ đó giải thích cho các kết quả thực nghiệm
đo đạc được
Trang 5b Thời gian thực hiện:
12 tháng (từ 05/2006 đến 05/2007)
c Phương pháp nghiên cứu:
- Đo đạc, khảo sát và xử lý các kết quả thực nghiệm về các đặc trưng câu
trúc, từ và tù giảo của các mẫu nghiên cứu.
- Xuất phát từ các số liệu thực nghiệm, đề xuất các mô hình lý thuyêt bán
thực nghiệm đế tính toán dựa trên các thông số đặc trưng nội tại của vật liệu để giải
thích cho các kết quả thu được.
- Tìm hiêu môi tương quan giữa các quá trình từ hóa và từ giao và nguyên
nhân dẫn đến sự khác nhau cua 2 quá trình này trên các hệ vật liệu khác nhau tại các nhiệt độ và từ trường đo dựa trên các đặc trưng vật lý của vật liệu.
- Từ các kết quả thực nghiệm và mô hình lý thuyết xây dựng được, tính toán
và xác định được cấu hình vật liệu tối ưu sứ dụng cho các mục đích ứng dụng khác
nhau trong thực tiễn.
2.4 Nội dung và kết quả nghiên cứu:
Nghiên cứu quá trình từ hoá, từ giao và cơ chê lực kháng từ dươníí tại các
nhiệt độ khác nhau (từ 5 K đến nhiệt độ phòng) trên các hệ màng từ giao đa lớp:
a Màng Terfecohan/Fe có chiêu dày lớp từ ữja<) Terfecohcm thay đói: t = 12 >Vìĩ,
24 nm và 36 nm.
* Nhiệt độ thấp T < ỉ 00 K
Đường cong từ hóa đo theo phươns từ trường song song với mặt phăn£ cua
màng tại nhiệt độ 5 K được đưa ra trên hình 1 Khi quét từ trường từ RĨá trị dương
đến âm, đường cong xuât hiện hai bước chuyên pha cảm ứng từ trường tại các từ
trường chuyển H r 1 và Ha- Đặc trưng này thường thấy trên các vật liệu trao đổi đàn
hôi từ có hai hay nhiêu pha có dị hướng từ và lực kháng từ khác nhau đáo từ khôntì
đồng thài tại cùng từ trường [11,12], Tuy nhiên, điêu đáng chú ý ơ đây là bước đao
từ thứ nhất xảy ra ngay cả khi từ trường ngoài chưa đao dấu ( / / r 1 > 0) Bước
chuyển thứ hai xảy ra tại từ trường âm H = H ĩ2 Đe hiếu một cách tường minh hơn
Trang 6cơ chế đảo từ, việc xem xét các loại năng lượng là cần thiết Khi không có từ
trường, cẩu hình từ được qui định chủ yếu bởi năng lượng trao đôi săt từ 3d-3d
Tương tác này có xu hướng thiết lập định hướng mômen từ Fe(Co) song song trên
toàn bộ mẫu tương đương với trạng thái từ độ phản song song giữa các lớp Fe và
TbFeCo do từ độ TbFeCo được qui định bởi mômen từ Tb Khi tác dụng từ trườnẹ,
cấu hình từ được xác định bởi sự cạnh tranh giữa ba loại năng lượng, bao gôm
năng lượng Zeeman của từ trường ngoài, năng lượng tương tác trao đôi 3cỉ-3d và
năng lượng dị hướng từ [13] Sơ đồ minh họa các mômen Fe(Co) trong quá trình từ
hóa với hai bước đao từ được đưa ra trên hình 2 :
- Tại từ trường dương rất lớn,
jU0H = 5 T, năng lượng Zeeman chiếm
ưu thế và mẫu ở trạng thái bào ơ trạng
thái này, từ độ lớp Fe và TbFeCo sons;
song với nhau theo từ trường tác dụng.
Khi đó, mômen từ Fe(Co) giữa các lớp
phản song song và vách đômen DW
chiều dày ố xuất hiện ở vùng giáp ranh
giữa các lớp (hình 2 ).
- Khi từ trường giảm, jUoHr\ < f-ioH
< 5 T, năng lượng Zeeman giảm Lúc
này, mômen từ trong lớp Fe (dị h ư ớ n g
nhỏ) có xu hướng định hướng song son£
với mômen từ FeCo trong lớp TbFeCo
bởi năng lượng tương tác trao đôi Quá
trình này diễn ra ở vùng giáp ranh và đi
vào tâm lớp Fe, gọi là quá trình nở rộng
Trang 7từ diễn ra trước tiên trong lớp Fe Ket quả là mômen từ Fe(Co) song song trong
toàn bộ mẫu và vách đômen triệt tiêu Từ độ mang dấu âm do từ độ lớp Fe chiêm
ưu thế.
- Năng lượng Zeeman trở nên vượt trội khi từ trường ngoài âm đu iớn, 5 T <
ịầq H < /i 0 //r 2 - Bước đảo từ thứ hai là quá trình quay của lớp TbFeCo đế mầu đạt
bão hòa Cùng với quá trình này là sự hình thành đômen Sự thay đối cùa từ độ tại
bước nhảy này khác nhau phụ thuộc vào chiều dày lớp TbFeCo (hình 1): /jbFeC'n
càng lớn, bước nhảy càng lớn do đóng góp từ độ lớp TbFeCo vào từ độ tông cộne
tăng lên.
— 1 , H = 5 T
Từ trường Hr1 < H « 5 T Hr2 < H< Hf1 -5 T « H < Hr2 H = -5 T
> 1
Hình 2 Cấu hình minh họa sự định hướng cua mômen từ Fe(Co) trong các
lớp từ giao (mũi tên đen) và lớp từ mêni (mũi tên trăng) dưới tác dụng cua từ
trường ngoài thay đôi từ dương đên âm trong quá trình từ hóa ơ nhiệt độ thảp.
- Khi từ trường tiếp tục g iả m đên giá trị từ trường âm rât lớn, /J0H = -5 T,
các mômen từ trong vùng vách đômen có xu hướng định hướng theo hướng của từ
trường tác dụng, gọi là quả trình thu hẹp cua vách đô men.
Đáng chú ý ở đây là độ lớn của từ trường âm / / r2, tươna, ứng với quá trình
đảo từ trong lớp TbFeCo, càng nho khi chiều dày r T b F e C o càng lớn Điều này có thê
được lý giải khi xem xét đến độ dài tương tác trao đôi săt từ (/ex = 30 nm) Mầu có
độ dày / i b F e C o = 12 nm, tương tác trao đôi săt từ mạnh có hiệu lực trên toàn bộ mầu
Trong trường hợp này, từ độ của lớp từ giảo bị giừ theo h ư ớ ng phan song song
với phương từ trường ngoài bởi năng lượng tương tác trao đôi mạnh hơn so với
Trang 8trường hợp mẫu ÍTbFeCo “ 24 nm và 36 nm Do vậy, ^TbFeCo càng nhỏ, từ trường âm
tác dụng phải càng lớn để thắng tương tác trao đối và định hướng từ độ lớp này
theo phương từ trường.
* Nhiệt độ cao
Đường cong từ hóa đo tại nhiệt độ
100 K được đưa ra trên hình 3 Đối với
các màng có lóp từ giảo dày, /jbFeCo = 24
nm và 36 nm, trên đường cong từ hóa ta
vẫn quan sát thấy sự xuất hiện của hai
bước chuyên pha cám từ như đã được
quan sát ở nhiệt độ 5 K (hình 1) Trong
khi đó, với lớp TbFeCo mỏng, /ibi-cCo -
12 nm, ta thấy sự xuất hiện ba bước
chuyên pha Điều này có nghĩa là trong
trường hợp lớp từ giảo dày, dưới tác
dụng của từ trường ngoài, quá trình từ
hóa diễn ra theo trật tự như đã được mô
tả ở trên hình 2 Trong trường hợp lớp
từ giáo mỏng, cơ chê từ hóa với ba bước
đao từ đã được đề xuất trên hình 4.
Trước khi mô tả quá trình từ hóa ba bước chuyên cho trường hợp /VbFeCo = 1-
nm, tức là lý giải nguyên nhân cơ bản dân đên sự khác nhau cua quá trình đao từ ó'
nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao trên mẫu này c ầ n phai nhắc lại ràne quá trình từ hóa
là kết quả của sự cạnh tranh giừa các loại năng lượng và bước đáo từ thứ nhất được
gây ra bởi sự chiếm ưu thế của nãng lượng tương tác trao đôi Tuy nhiên, quá trình
đảo từ diễn ra trước tiên trong lớp nào sẽ tùy thuộc vào tính chât từ nội tại của nó
(tức là phụ thuộc vào tương quan giữa từ độ và dị hướng từ) Khi nhiệt độ thay đổi,
dị hướng từ thay đổi, do đó quá trình từ hóa có thê thay đôi theo nhiệt độ Khác với
trường họp quan sát thấy ở nhiệt độ thấp đã được trình bày ở trên (dị hướng từ cua
lớp từ giảo TbFeCo lớn hơn nhiều so với lớp từ mềm), ở nhiệt độ cao, dị hướng từ
m 0H(T)
H ìn h 3 Đ ư ờ n g com> từ độ ti đổ i s o n g s o n g ( M XI} t) lu i 100 K c u a m ẫ u T b F e C o Fe vói
l/hi-.'Co = 12, 24 và 36 ìvn.
Trang 9của lớp từ giảo TbFeCo giảm mạnh và từ độ của nó nhỏ hơn rất nhiều so với từ độ
của lớp Fe Do đó, quá trình đảo từ sẽ xảy ra dễ dàng hơn (bước đảo từ thứ nhât, H
< H ị i) so với lớp Fe (từ độ lớn nên lóp này vẫn bị ghim bởi năng lượng Zeeman
của từ trường ngoài) Quá trình từ hóa trong trường hợp này có thể mô ta như sau:
- Tại từ trường dương lớn {/JoH = 5 T), năng lượng Zeeman chiêm ưu thê,
mẫu ở trạng thái bão vách đômen DW xuất hiện.
- Khi từ trường giảm, /Joỉỉr\ < /Ẩ0H < 5 T, quá trình nơ rộng vách đômen.
- Khi từ trường tiếp tục giảm {/Ẩ0H ĩ2 < fi0H < /v0/ / r|), năng lượng tương tác
trao đôi vượt trội so với năng lượng Zeeman Sự đáo từ diễn ra trước tiên trong lóp
TbFeCo đê định hướng mômen từ Fe(Co) song song trong toàn bộ mẫu Vì dấu cua
từ độ tông cộng bị chi phôi bởi lớp Fe nên kết thúc bước này, từ độ không đôi dâu.
- Bước chuyên pha thứ hai được quan sát khi từ trường đôi chiêu, u j / r5
fj0H < ju0H ri Ớ đây, quá trình đảo từ diễn ra đồng thời trong cả lớp Fe và TbFeCo,
trạng thái song song của mômen từ Fe(Co) vân được duy trì bởi tương tác trao đôi
Bước chuyên này không làm thay đôi độ lớn của từ độ mà chi thav đôi dâu cua nó,
- Tiếp theo là quá trình quay của từ độ trong lớp TbFeCo theo hướng từ
trường tác dụng và sự hình thành vách đômen.
- Cuôi cùng là quá trình thu hẹp của vách đômen và từ độ dân đạt bão hòa.
Đường cong từ giảo đo khi từ trường tác dụng trong mặt phăng màng theo
phương chiều dài của mẫu được đưa ra trên hình 5 Trong từ trường thấp, từ giao
Trang 10cao Ảịị = 2 0 0 x 10"6 đã đạt được trên
màng có lớp TbFeCo mỏng (12 nm),
trong khi đó từ giảo có giá trị nhỏ hơn
rất nhiều trên màng có lớp từ giảo dày
hơn, Ả/ị — 40x10~6 và 60x10~6 tương ứng
với màng có độ dày t-TbĩeCo - 24 và 36
nm Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau
này là do sự khác nhau của quá trình từ
hóa Như đã biểt, trong các màng từ giảo
đa lớp này, từ giảo tông cộng được gây
ra chủ yêu bởi sự đào từ trong lớp
TbFeCo Với màng có lớp từ giao dày,
cơ chế từ hóa với hai hước đao từ tuân
theo mô hình minh họa trong hình 2 , và
do đó, tại từ trường thấp chí xay ra đao
từ của lcrp từ mêm Fe với đóng góp rât
nhỏ vào từ giảo tông cộng Trong khi
đó, với lớp từ giảo mong, quá trình từ
hóa ở nhiệt độ cao bao gôm ba bước đao
từ như đã được minh họa trên hình 4 Trong trường hợp này, tronu vùng từ trường
thấp, quá trình đảo từ diền ra đồng thời trong ca lớp từ mềm và từ giảo tạo ra từ
giảo lớn trên mẫu này.
Trong từ trường cao, hình dạng đường cong từ giảo rất khác nhau với sự
giảm xuống của từ giảo được quan sát trên tât cả đường cong thực nghiệm cua các
mẫu Điều này có thể liên quan đến sự xuất hiện cua vách đômen, trong đó mômen
từ định hướng lệch khỏi phương từ trường tác dụng, do đó, đóng góp âm vào từ
giảo tổng cộng [10] Phần đóng góp này thậm chí còn lớn hơn ca phần đóng góp
của từ giảo dương của lớp từ mềm, khiến cho từ giao song song mang dấu âm như
được quan sát thấy trên mẫu fibFeCo = 24 nm Khi từ trường tiếp tục tăng lên, từ
giảo bắt đầu tăng lên đổi với mẫu t-ỵb F e C o = 36 nm Điều này được giải thích do lớp
từ giảo TbFeCo bắt đầu đảo từ, định hướng theo phương từ trường tác dụng và
^H(T)
Hình 5 Đường cong từ giao cua các màng đa ỉớp TbFeCo/Fe với trbFeCn
ì 2 24 và 36 nm.
Trang 11mâu có xu hướng tiến đến trạng thái bão hòa từ độ Sự đảo từ của lớp này đóng
góp dương vào từ giảo tổng cộng, và do vậy từ giảo tiếp tục tăng khi tăng từ
trường (Xem thêm p hụ lục 1)
b Các màng Terfecohan/Yx(FeCo)i_x có nồng độ Y thay đổi: X = 0; 0,1 và 0,2.
Đường cong từ hóa đo trên các màng từ giảo đa lớp Terfecohan/YFeCo với
thành phân Y thay đôi từ X = 0 đến 0,2 đo tại nhiệt độ 5 K và 100 K được chí ra
trên hình 6 Khi quét từ trường từ 5 T đến -5 T, trên đường cong từ hóa, ta cùng quan sát thây sự xuât hiện của chuyên pha từ như quan sát thấy trong trường hợp
màng Terfecohan/Fe ở trên Tại nhiệt độ thấp, T - 5 K, đường cong từ hóa 2 bước
chuyến với quá trình đảo từ xảy ra trước tiên trone; lớp từ mềm và tại nhiệt độ cao,
T = 100 K, đường cong từ hóa 3 bước chuyên với quá trình đảo từ xay ra trước tiên
trong lớp từ giảo Hiện tượng quan sát được có thê được giái thích dựa trên sự cạnh
tranh giữa các loại năng lượng trong quá trình từ hóa như 2 mô hình được đua ra
trên hình 2 và 4 ở trên,
Điều đáng chú ý ở đây là sự xuất hiện của lực kháng từ dương trên mẫu với
thành phần Y là X = 0,2 Như quan sát thấy trên hình 6 , quá trình từ hóa cùng với
sự đảo dấu của từ độ xảy ra ngay ca khi từ trường ngoài chưa đôi dâu Điêu này có
thế được quan sát rõ hơn trên đường cong từ hóa riêng phân trên hình 7 Nhìn vào
hình này ta thấy sự dịch chuyến đường cong đi một khoang có độ lớn bàng H {
được gọi là từ trường “exchange bias” Hiện tượng này thường được quan sát thấy
trên các hệ màng đa lớp sắt từ/phan sắt từ [14] ơ đây, quá trinh đao từ cua đường
cong từ trễ riêng phần xảy ra trước tiên trong lớp YFeCo do đó, độ 1 'ộne cua đườnạ
cong này sẽ liên quan đến độ lớn của lực kháng từ cua riêng lớp này Hị giam từ
155 mT xuống còn 115 mT và 36 mT khi nhiệt độ tăng lên từ 5 K đến 25 K và 50
K, tương ứng Điều này có thê được giái thích là do sự phụ thuộc của các thông sô
từ độ, hằng sổ tương tác trao đồi và dị hướng từ của cả lớp từ giảo và từ mêm Mô
hình lý thuyết đơn giản nhất đế lý giải cho đề xuất trên là gia thiẻt tât ca vách
đômen được định xứ trong lớp từ mem YFeCo Khi đó, năng lượng vách đômen
được biểu diễn như sau [15]:
c j ( H) = M ỵĩeCotYFeCo^E
Trang 12Dưới tác dụng của từ trường ngoài, năng lượng vách khi đó là:
ơ { t ì ) = 7ỉ yj 2A( 2MH + K )
Từ biêu thức trên ta có thê dễ dàng suy ra hằng số tương tác trao đối là tỉ lệ với
bình phương của từ độ theo công thức:
X m l 2 =
Nhìn vào biếu thức trên ta có thế thấy ràng khi nhiệt độ tăng, H\: giảm do từ
độ và dị hướng từ giảm Cách lý giải này rất phù hợp với các kết quả quan sát thực
nghiệm ở trên.
(phải) c ủ a các m àng Terfecohan/Yx(FeCo) 1_X: (a) X = 0, ( b ) X = 0.1 và (c) X = 0.2.
Trang 13(T) >■ H (T)
Hình 7 Đường cong từ hóa riêng phân được đo băng cách quét từ trường từ 5 T đến -0.4 T (chấm tròn đen) và đường cong từ hóa toàn phần (chắm tròn trắng) tại
Hình 8 Đ ường cong từ giao đo tại nhiệt độ phòng trên các màng đa lớp TbFeCo/Yx(FeCo), x : (a) X = 0, (b) X = 0.1 and (c) X = 0.2.
Đường cong từ giảo của các màng đa lớp nghiên cứu được chi ra trên hình 8 Trên tất cả các mẫu, ta đều quan sát thấy sự tăng đột ngột của từ giáo trong vùng từ
Trang 14trường thấp và giảm chậm khi ở trong vùng từ trường cao Hiện tượng giảm từ giảo
trong vùng từ trường cao giống hiện tượng quan sát được trên hình 5 cho mẫu có
lớp từ giảo mỏng Cách lý giải hoàn toàn tương tự dựa trên sự hình thành cua vách
đômen Trong vùng từ trường thẩp, sự tăng đột ngột từ giảo có thê được giải thích
do sự quay đông thời của cả lớp từ giảo và từ mêm như được mô tả trong mô hình
được đưa ra trên hình 4.
Giải thích chi tiêt cho các kêt quả thu được trên hệ này đã được mô tả chi
tiết trong bài báo phụ lục 2
2.5 Kết luận
Đẻ tài đã nghiên cứu và mô ta một cách hiện tượng luận quá trinh từ hóa, từ
giảo, cơ chê lực kháng từ dương và sự hình thành vách đômen tại vùng giáp ranh
trong các màng đa lớp có câu trúc đàn hôi từ Terfecohan/YFeCo Các tính toán lý
thuyêt được đê xuât cho sự phù hợp khá tôt với các kêt qua thực nghiệm quan sát
được Với sự phù hợp đó, có thế khăng định ràng quá trình từ hóa với sự xuất hiện
của các chuyên pha cảm từ trên các đường cong từ hóa khác nhau phụ thuộc vào
không chí nhiệt độ mà còn độ dày cua lớp từ giao Vê thực chât, đó là do sụ cạnh
tranh của các loại năne, lượna trong quá trình từ hóa Với thê mạnh riêng cua mình
(từ giảo tỉ lệ bình phương với từ độ), các chuyến pha cám trườna, còn được thẻ hiện
rõ ràng hơn trẽn các đường cons, từ giao Từ đây, các đặc trung từ eiao với từ eiao
cao trong vùng từ trườnR thấp và từ giao giam trone vùng từ trường cao đâ được
giải thích theo các mô hình từ hóa được đê xuất Đặc biệt, đóne £Óp âm cua các
vách đômen hình thành ơ vùng giáp ranh của các lớp vật liệu từ ạiao và từ mềm lần
đầu tiên đã được chỉ ra Sự xuất hiện hiện tượng “exchange-bias” là một hiện
tượng vật lý rất mới, lần đầu tiên được quan sát trên hệ màng từ giáo đa lớp này.
Đe tài đã hoàn thành theo đúng tiến độ và thời gian đề ra San phẩm giao
uy tín trên thế giới.
Trang 152.6 Tài liệu tham khảo
[1] A Ludwig and E Quandt, J Appl Phys 87 (2000) 4691
[2] N.H Due, in: Handbook o f Physics and Chemistry o f the Rare Earths,
eds K.A.Gschneidner, Jr and L Eyring, Elsevier Science, North-
Holland, Amsterdam, vol 32 (2001).
[3] E Quandt, A Ludwig, J Betz, K Mackay, D Givord, J Appl Phys 81
[ 6 ] E Quandt and A Ludwig, J Appl Phys 85 (1999) 6232.
[7], F Montaigne, s Mangin, and Y Henry, Phys Rev B 67 (2003) 144412.
[ 8 ] M Sawicki, G J Bowden, p A J de Groot, B D Rainford and J.-M L
Beaujour, Phvs Rev B 62 (2000) 5817.
[9], S N Gordeev, J.-M L Beaujour, G J Bowden, B D Rainford and p
A J de Groot, Phys Rev Lett 87 (2001) 186808.
[10].D Givord, J Betz, K Mackay, J.c Toussaint, J Voiron, and S.D.
Wiichner, J Magn Magn Mater 159 (2004) 71.
[1 1].M Sawicki, G J Bowden, p A J de Groot, B D Rainford and J.-M L
Beaujour, Phys Rev B 62 (2000) 5817.
[12].S N Gordeev, J.-M L Beaujour, G J Bowden, B D Rainford and p
A J de Groot, Phys Rev Lett 87 (2001) 186808.
[13].F Montaigne, s Mangin, and Y Henry, Phys Rev B 67 (2003) 144412.
[14].E.E Fullerton, J.s Jiang, S.D Bader, J Magn Magn Mater 200 (1999)
392.
[15].F Canet, c Bellouard, s Mangin, c Chatelain, c Senet, R Siebrecht,
V Leiner and M Piécuch, Eur Phys J B 34 (2003) 381
Trang 16j 0 A I * Ọ C Q U Ố C G I A H À N Ộ I
T ffU f'j.S T A M T H G N G t i n t h ư v i ê n
Trang 17Ill JOINT EUROPEAN MAC
Trang 18t Emopean Ivkgnetic Symposia
San Sebastian, 26-30 June, 2006