Đề tài " PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

815
lượt xem 124
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thông thường, các màng mỏng để có thể sử dụng đều được chế tạo trên các lớp đế, là các khối vật liệu đơn tinh thể (VD: Si, MgO, Ge, GaAs, thạch anh...). Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỷ 19, cho đến thời điểm hiện tại, có rất nhiều phương pháp được dùng tùy theo mục đích và điều kiện kinh tế, kỹ thuật: Kỹ thuật mạ điện Kỹ thuật phun tĩnh điện Bốc bay nhiệt trong chân không Phún xạ catốt Epitaxy chùm phân tử (MBE) Lắng đọng hơi...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài " PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG "

III - PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG TỪ TÍNH: Thông thường, các màng mỏng để có thể sử dụng đều được chế tạo trên các lớp đế, là các khối vật liệu đơn tinh thể (VD: Si, MgO, Ge, GaAs, thạch anh...). Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỷ 19, cho đến thời điểm hiện tại, có rất nhiều phương pháp được dùng tùy theo mục đích và điều kiện kinh tế, kỹ thuật: Kỹ thuật mạ điện  Kỹ thuật phun tĩnh điện  Bốc bay nhiệt trong chân không  Phún xạ catốt  Epitaxy chùm phân tử (MBE)  Lắng đọng hơi hóa học (CVD)  Lắng đọng chùm laser  Phương pháp sol-gel  1
Một số phương pháp chính thường dùng để chế tạo màng mỏng từ là: Epitaxy chùm phân tử (MBE)   Bốc bay nhiệt trong chân không  Phương pháp phún xạ  Lắng đọng hơi hóa học (CVD) Cấu trúc của màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, có thể mang cấu trúc của vật liệu nguồn, hoặc có thể thay đổi phụ thuộc vào kỹ thuật chế tạo, các điều kiện khi chế tạo. 2
1 .Epitaxy chùm phân tử (MBE): Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam  epitaxy, viết tắt là MBE) là thuật ngữ chỉ một kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao, để thu được các màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của lớp đế. Kỹ thuật này được phát minh vào những năm 60 của thế kỷ 20 tại Phòng thí nghiệm Bell (Bell Telephone Laboratories) bởi J.R. Arthur và Alfred Y. Cho. 3
* Kỹ thuật MBE chỉ có thể thực hiện được trong môi  trường chân không siêu cao (áp suất thấp hơn 10-9 Torr), do đó cho phép tạo ra các màng mỏng vật liệu có độ tinh khiết rất cao. Điểm khác biệt cơ bản nhất của MBE so với các kỹ thuật màng mỏng khác (ví dụ như phún xạ, bốc bay nhiệt...) là các màng mỏng đơn tinh thể được mọc lên từ lớp đế đơn tinh thể với tốc độ cực thấp và có độ hoàn hảo rất cao. Vì thế, kỹ thuật MBE cho phép tạo ra các siêu mỏng, thậm chí chỉ vài lớp nguyên tử với chất lượng rất cao. Tuy nhiên, chất lượng màng cũng như tốc độ tạo màng phụ thuộc nhiều vào độ hoàn hảo của môi trường chân không. Lớp đế bên dưới là đơn tinh thể, có tác dụng như một mầm để lớp màng phát triển lên trong quá trình ngưng đọng. 4
5
2 .Bốc bay nhiệt trong chân không: Bốc bay nhiệt (Thermal evaporation) hoặc  bốc bay nhiệt trong chân không là kỹ thuật tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trong môi trường chân không cao và ngưng tụ trên đế (được đốt nóng hoặc không đốt nóng). Kỹ thuật này đôi khi còn được gọi là bay hơi trong chân không nhưng ít dùng hơn. 6
Sơ đồ nguyên lý hệ bay bốc nhiệt 7
8
* Ưu điểm, nhược điểm và những cải tiến gần đây:  Phương pháp bay bốc nhiệt có ưu điểm là đơn giản, và dễ tạo màng hợp chất vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn thể hợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi do đó màng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần của vật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim).  Nhược điểm lớn nhất là không thể tạo các màng quá mỏng, khả năng khống chế chiều dày của phương pháp này rất kém do tốc độ bốc bay khó điều khiển. Đồng thời, rất khó khăn khi chế tạo các màng đa lớp bằng phương pháp này.  Gần đây người ta cải tiến phương pháp này như sử dụng chùm điện tử để bay bốc, cải tiến tường bao quanh nguồn đốt (phương pháp tường nóng)... Tuy nhiên tỉ lệ sử dụng phương pháp bay bốc nhiệt trong kỹ thuật màng mỏng đang ngày càng ít. 9
3 . Phương pháp phún xạ: Phún xạ (Sputtering) hay Phún xạ catốt  (Cathode Sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế. 10
Nguyên lý của quá trình phún xạ 11
* Ưu điểm và hạn chế của phún xạ catốt: Dễ dàng chế tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều  bia riêng biệt. Đồng thời, đây là phương pháp rẻ tiền, và dễ thực hiện nên dễ dàng triển khai ở quy mô công nghiệp. Độ bám dính của màng trên đế rất cao do các nguyên  tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao so với phương pháp bay bốc nhiệt. Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp  thức gần với của bia, có độ dày chính xác hơn nhiều so với phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không. Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việc  khống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức tạp.  Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với độ chính xác cao của phương pháp phún xạ không cao. Hơn nữa, không thể tạo ra màng đơn tinh thể. 12
IV - HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ GMR: 1 - Hiệu ứng từ điện trở: * Từ điện trở (gọi tắt là từ trở) là tính chất của một số vật liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường. 13
Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên  độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức: Hoặc: Với: ρ(H), ρ(0), R(H), R(0) lần lượt là điện trở suất và  điện trở tại từ trường H và từ trường H = 0. Và hoàn toàn tương tự ở công thức thứ hai: Hmax là  từ trường cực đại. 14
2 - Từ điện trở khổng lồ: * Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant magnetoresistance, viết tắt là GMR) là sự thay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Tên gọi gốc tiếng Anh của GMR là "Giant magnetoresistance", dịch sang tiếng Việt còn chưa thống nhất (giữa từ "lớn" hay "khổng lồ") do việc so sánh với tên gọi một hiệu ứng từ điện trở khác có tên tiếng Anh là "Colossal magnetoresistance" (Từ "Colossal" có nghĩa còn lớn hơn với "Giant").  Những nhà nghiên cứu khoa học vật liệu, vật lý chất rắn ở Việt Nam gọi tắt chung hiệu ứng này là GMR. 15
Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các siêu mạng Fe/Cr phát hiện bởi nhóm của Albert Fert 16
- Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ điện trở: 17
* Lịch sử của GMR: GMR là một hiệu ứng từ điện trở nhưng là một hiệu  ứng lượng tử khác với hiệu ứng từ điện trở thông thường được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988: + Nhóm nghiên cứu của Albert Fert ở Đại học Paris-11 trên các siêu mạng Fe(001)/Cr(001) cho tỉ số từ trở tới vài chục %. + Nhóm nghiên cứu của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) phát hiện ứng này trên màng mỏng kiểu "bánh kẹp" (sandwich) 3 lớp Fe(12nm/Cr(1 nm)/Fe(12 nm) chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử trên đế GaAs. 18
* Cơ chế của hiệu ứng GMR: Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử, và có các đóng góp cho sự tán xạ này gồm:  Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể - tán xạ trên phonon.  Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính - tán xạ trên magnon.  Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể (defect).  Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR 19
Mô hình hai dòng của Mott để giải thích hiệu ứng GMR 20