ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Nguyễn Thị Kiều Vân
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP
CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Nguyễn Thị Kiều Vân
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP
CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN
Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ
Hà Nội – Năm 2015
LỜI CẢM ƠN!
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Lê Tuấn Tú – người thầy
đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn. Cảm ơn thầy đã giúp em
lựa chọn đề tài, cung cấp cho em những thông tin, tài liệu cần thiết và nhiệt tình giải
đáp các vướng mắc trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài…
Em xin chân thành biết ơn sự dạy dỗ của tất cả các quý thầy cô Khoa Vật lý
– Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thầy, các cô
đã hết mình truyền đạt lại cho em những kiến thức cần thiết và bổ ích cho tương lai
sau này.
Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất em xin gửi tới gia đình
thân yêu – những người đã luôn sát cánh và động viên em trong suốt chặng đường
qua.
Hà Nội, ngày 06 tháng 07 năm 2015.
Sinh viên
Nguyễn Thị Kiều Vân
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH ..................................... 2
1.1. Màng mỏng. ..................................................................................................... 2
1.2. Dị hƣớng từ. ..................................................................................................... 3
1.2.1. Dị hướng hình dạng. ................................................................................... 3
1.2.2. Dị hướng từ tinh thể. .................................................................................. 4
1.2.3. Dị hướng ứng suất. ..................................................................................... 4
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng. .................................................................. 5
1.3. Các vật liệu sắt từ............................................................................................ 6
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM). ......................................................................... 8
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ............................................................... 8
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ. ........................................... 9
1.5. Giới thiệu về hiện tƣợng trao đổi dịch. ......................................................... 9
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch. .................................................... 10
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. ................................... 11
1.5.3. Mô hình lý thuyết. .................................................................................... 12
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch. ............................. 14
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch. ............................................ 15
1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van. ........................................................ 16
1.7. Mục tiêu của luận văn. ................................................................................. 17
Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ......................................... 19
2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phƣơng pháp phún xạ. ..................................... 19
2.2.1. Cơ chế phún xạ. ........................................................................................ 19
2.1.2 . Các hệ phún xạ. ....................................................................................... 20
2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM). ......................................................................... 24
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM). ............................................................................... 26
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X. .............................................................................. 29
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 32
3.1. Màng mỏng NiFe. .......................................................................................... 32
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM). ................................................... 32
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD). ............................................................ 33
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). .......................................................... 34
3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn. ................................................................................. 35
3.2.1. Kết quả đo tính chất từ. ............................................................................ 35
3.2.2. Kết quả đo XRD. ...................................................................................... 38
3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn. .................................................................. 39
3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). .......................................................... 39
3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ. ................................................ 41
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ. ...................................... 43
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 48
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp
Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au ............................................................................. 2
Hình 1.2: Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ .......................................................... 6
Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ .............................................................. 7
Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau ...... 8
Hình 1.5: Đường cong từ trễ của CoO được phủ các hạt Co tại 77 K sau khi được ủ
trong trường hợp không có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường bão hòa (2) .. 10
Hình 1.6: Cơ chế trao đổi dịch trong màng hai lớp FM/AFM ................................ 11
Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch ....................................... 13
Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trường trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày
lớp FM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tAFM = 50 nm ...................................................... 14
Hình 1.9: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày lớp
AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tFM = 7 nm ............................................................. 15
Hình 1.10: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin van .... 16
Hình 1.11: Mặt cắt ngang của màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ ....... 17
Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ ................................................. 19
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catot một chiều ..................................... 21
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều ......................................... 22
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phún xạ magnetron ......................................... 23
Hình 2.5 : Hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và nguồn xoay chiều
tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội ...................................................................................................... 24
Hình 2.6: (a) Kính hiển vi điện tử quét; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét ... 25
Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung ( VSM); (b) Mô hình từ kế mẫu rung ........... 26
Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc cơ khí của hệ VSM ........................................................... 27
Hình 2.9: Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể ............................................................ 30
Hình 2.10: (a) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD);(b) Mô hình hệ đo nhiễu xạ tia X........ 31
Hình 3.1: Ảnh SEM của màng NiFe ........................................................................ 32
Hình 3.2: Hình ảnh nhiễu xạ tia X của màng NiFe ................................................. 33
Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề
mặt của màng ........................................................................................................... 34
Hình 3.4: Hình ảnh VSM của hệ NiFe/IrMn với tNiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm .......... 35
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe của màng NiFe/IrMn ...... 37
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe/IrMn ........... 37
Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X của các lớp NiFe/IrMn .................................................... 38
Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn ................................................ 39
nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) tNiFe = 9 nm, 12 nm… ........ 40
Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe
Hình 3.10: Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn khi
chiều dày lớp NiFe thay đổi ..................................................................................... 41
Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe .......................... 42
Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe (5 nm)/Cu (3
nm)/NiF (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) ............................................................................. 43
Hình 3.13: Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ của hệ có cấu trúc spin
van Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) ...... 44
Hình 3.14: Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc và từ trường trao đổi dịch Hex vào
chiều dày lớp IrMn của hệ Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn
(tIrMn nm)/Ta (5 nm) .................................................................................................. 45
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
Antiferromagnetic material Vật liệu phản sắt từ AFM
Ferromagnetic material Vật liệu sắt từ FM
Giant Magnetoresistive effect Hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR
Non – magnetic material Vật liệu phi từ NM
Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét SEM
Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung VSM
X – ray diffraction Nhiễu xạ tia X XRD
MỞ ĐẦU
Trong thời đại khoa học kỹ thuật hiện đại, các máy móc và thiết bị có xu
hướng thu nhỏ kích thước nhưng các tính chất và khả năng hoạt động không bị hạn
chế nhờ việc sử dụng các tính năng ưu việt, đặc biệt là ở dạng màng mỏng.
Lịch sử phát triển màng mỏng đã có rất lâu đời nhưng khi đó người ta chỉ
biết sử dụng nó vào mục đích dân dụng và trang trí. Sang đầu thế kỉ XX, màng
mỏng bắt đầu được quan tâm nhờ các tính chất đặc biệt và kích thước nhỏ bé để chế
tạo các thiết bị máy móc. Không chỉ có màng bán dẫn được quan tâm đặc biệt, mà
màng mỏng từ tính cũng đang rất được quan tâm. Trong những năm cuối thế kỉ XX,
màng mỏng từ tính đã trở thành mục tiêu nghiên cứu của nhiều phòng thí nghiệm
trên thế giới, đặc biệt là màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van…với nhiều ứng
dụng khác nhau trong tương lai. Một trong những ứng dụng điển hình đó là chế tạo
thiết bị ghi từ và lưu trữ thông tin.
Ở Việt Nam vào năm cuối những thập niên 90 thế kỷ XX, màng mỏng đã trở
thành lĩnh vực rất được quan tâm chú ý. Với nhiều trung tâm nghiên cứu, nhiều thiết
bị máy móc hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu màng mỏng được trang bị và
cũng đã thu được những kết quả đáng kể, đặc biệt là 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 của em 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.
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH
1.1. Màng mỏng.
Màng mỏng (thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho
chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài).
Chiều dày của một màng mỏng thay đổi từ vài nm đến một vài μm thông thường là
nhỏ hơn 1μm. Có hai loại màng mỏng:
Màng đơn lớp: được cấu tạo bởi một lớp vật liệu mỏng chế tạo trên một đế.
Tính chất của màng được tạo ra từ lớp vật liệu đó (và có thể ảnh hưởng bởi tác động
của lớp đế).
Màng đa lớp: là màng mỏng được cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu khác nhau,
xếp chồng lên nhau, được tạo ra nhằm thay đổi các tính chất của màng mỏng. Hình
1.1 cho ta thấy ảnh chụp cắt ngang của một màng mỏng đa lớp.
Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp
2
Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au.
Hiện nay, màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa
học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn…với nhiều khả năng ứng dụng to lớn
trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất… [7,16, 20].
1.2. Dị hƣớng từ.
Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có một định hướng ưu tiên dọc
theo một hướng nào đó của tinh thể. Ta gọi đó là hiện tượng dị hướng từ. Nói cách
khác, dị hướng từ là sự phụ thuộc có hướng của các tính chất từ của vật liệu. Khi từ
hóa theo hướng ưu tiên đó rất dễ đạt được trạng thái bão hòa nên hướng đó được gọi
là trục dễ từ hóa. Ngược lại, khi từ hóa theo hướng khác, trạng thái bão hòa rất khó
mà đạt được. Các hướng này là các trục từ hóa khó [1].
1.2.1. Dị hướng hình dạng.
1.2.1.1. Dị hướng hình dạng của mẫu elip tròn xoay.
Dị hướng này phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu. Dị hướng
hình dạng có thể được định nghĩa một cách đơn giản là sự khác nhau về năng lượng
khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắt từ. Ví dụ, một mẫu
hình trụ có năng lượng tĩnh từ theo phương vuông góc với trục hình trụ lớn hơn so
với năng lượng tĩnh từ dọc theo trục hình trụ. Đó là vì khi từ hóa theo phương
vuông góc, trường khử từ rất lớn; còn khi từ hóa theo phương song song trường khử
từ nhỏ hơn rất nhiều. Do đó, từ độ có xu hướng dọc theo trục hình trụ đề giảm năng
lượng tĩnh từ [1].
Đối với một mẫu sắt từ hình elip tròn xoay với các bán trục là a và b, hệ số
trường khử từ tương ứng sẽ là Na và Nb (với 2Na + Nb = 1) Nếu véc tơ từ độ M hợp
với trục dễ một góc θ thì năng lượng dị hướng hình dạng Ehd nhận được là :
[J/m3] (1.1)
3
Hằng số dị hướng hình dạng [1] :
[J/m3] (1.2)
1.2.1.2. Dị hướng hình dạng của màng mỏng.
Trong trường hợp của một màng mỏng sắt từ có độ dày rất nhỏ, các hệ số
trường khử từ nhận giá trị : Nz = 1 ; Nx = Ny = 0. Áp dụng biểu thức (1.1) với Na =
Nz = 1 ; Nb = Nx = 0, ta có:
[J/m3] (1.3)
Với hệ số dị hướng hình dạng là [1]:
[J/m3] (1.4)
1.2.2. Dị hướng từ tinh thể.
Dị hướng từ tinh thể được xác định không chỉ bởi liên kết của mômen từ spin
với hình dạng và định hướng của quỹ đạo điện tử (liên kết spin – quỹ đạo) mà còn
bởi liên kết của các quỹ đạo điện tử đang xét với đối xứng của sự sắp xếp các
nguyên tử trong mạng tinh thể (trường tinh thể) [1].
Nếu trường tinh thể có đối xứng thấp và nếu sự phân bố điện tích của nguyên
tử đang xét là bất đối xứng, khi đó, các quỹ đạo của nguyên tử sẽ tương tác một
cách dị hướng với trường tinh thể. Nói một cách khác, khi trường tinh thể có đối
xứng thấp, hộp thế năng tương tác của điện tử với trường tinh thể cũng có đối xứng
thấp. Do đó, chỉ một vài quỹ đạo nguyên tử có định hướng nhất định sẽ có lợi về
mặt năng lượng [1].
1.2.3. Dị hướng ứng suất.
Dị hướng ứng suất gây nên bởi ứng suất trong các vật liệu từ giảo. Dị hướng
ứng suất có đóng góp đáng kể vào dị hướng từ tổng cộng, đặc biệt trong các trường
hợp của màng mỏng từ. Năng lượng dị hướng ứng suất được viết:
4
[J/m3] (1.5)
trong đó:
+ λs: hệ số từ giảo bão hòa.
+ σ: ứng suất (N/m2).
+ θ: góc giữa véc tơ M và trục dễ từ hóa.
Tùy thuộc vào dấu của λs và σ (ứng suất kéo hoặc nén), điều kiện cực tiểu
của sẽ cho phép xác định phương của trục từ hóa dễ do ứng suất gây nên [1].
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.
Dị hướng từ của các màng mỏng có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là các
trường hợp dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng màng, để ứng dụng trong kỹ nghệ
ghi thông tin mật độ cao [1].
Đối với trường hợp màng mỏng, dị hướng từ hình dạng thường có xu hướng
định hướng các mômen từ theo phương mặt phẳng để năng lượng tĩnh từ tối ưu.
Năng lượng dị hướng từ của các màng mỏng thường được viết dưới dạng:
(1.6)
trong đó, θ là góc giữa từ độ và phương pháp tuyến của màng. Theo định nghĩa này,
giá trị dương của K có nghĩa là từ độ hướng theo phương vuông góc với mặt phẳng
màng. Nói chung, trong rất nhiều trường hợp, dị hướng từ bề mặt được quan sát phổ
biến hơn [1].
Có hai nguồn đóng góp chính vào dị hướng từ của các màng mỏng, đó là dị
hướng từ thể tích (Kv) và dị hướng từ bề mặt (Ks) . Hai loại dị hướng này có thể
tách ra khỏi hiệu ứng từ hiệu dụng đo được từ thực nghiệm Keff dựa vào biểu thức
sau:
(1.7)
trong đó, t là chiều dày của màng, thừa số 2 xuất hiện trong biểu thức này là do mỗi
5
lớp sắt từ có hai lớp bề mặt. Bằng cách vẽ đồ thị t.Keff phụ thuộc vào t, Kv sẽ được
xác định từ hệ số góc của đường thẳng và 2Ks là giao điểm của đường thẳng với
trục tung [1].
1.3. Các vật liệu sắt từ.
Từ ngày xưa, sắt từ được biết đến như là một kim loại (Fe) và lodston
(Fe3O4). Dựa vào độ từ dư của sắt từ mà chúng được sử dụng để làm la bàn hay kim
la bàn. Ngày nay, có rất nhiều loại sắt từ được biết đến như trong kim loại, hợp kim
và oxit. Tuy nhiên, chỉ có ba loại kim loại có phân lớp 3d là vật liệu sắt từ ở nhiệt
độ phòng (Fe, Co, Ni) [2].
Vật liệu sắt từ được biết đến là một chất có từ tính rất mạnh, có độ từ thẩm
rất lớn và độ từ hóa lớn hơn độ từ hóa của chất thuận từ. Chất sắt từ có những
mômen từ nguyên tử có khả năng tương tác với nhau. Tương tác này dẫn đến việc
hình thành trong lòng vật liệu các vùng đômen mà trong mỗi vùng đômen này, các
mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát (có nghĩa là tồn
tại độ từ hóa ngay cả khi không có từ trường ngoài). Và khi không có từ trường
ngoài, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ trong các đômen trong toàn khối
sắp xếp hỗn độn, do vậy, tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0.
Hình 1.2: Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ
Việc hình thành đômen là để giảm thiểu năng lượng từ do trường khử từ gây
ra. Tức là, năng lượng sẽ lớn hơn khi các đường sức từ của mỗi một đômen vẫn còn
nằm bên ngoài chất sắt từ. Tuy nhiên, nếu các đường sức này được đóng kín do sự
6
sắp xếp hợp lý của các đômen như trên hình 1.2 thì sẽ có lợi về mặt năng lượng.
Một lý do khác là do sự cạnh tranh của dị hướng từ tinh thể (làm cho mômen từ
định hướng theo trục dễ tinh thể) và tương tác trao đổi (làm cho mômen từ định
hướng song song với nhau) dẫn đến từ độ của toàn bộ khối sắt từ bị phân chia thành
những đômen (vùng) từ hóa tự phát để có lợi về mặt năng lượng.
Quá trình từ hóa được thể hiện thông qua sự dịch vách thuận nghịch và bất
thuận nghịch (ở từ trường nhỏ) và quá trình quay thuận nghịch và bất thuận nghịch
của đômen (trong từ trường lớn) như sau: Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ
có hai hiện tượng xảy ra:
+ Sự lớn dần của các đômen từ theo phương của từ trường và giảm dần
đômen ngược chiều theo phương của từ trường (dịch vách đômen).
+ Sự quay của các đômen từ theo hướng của từ trường.
Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ.
Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta sẽ có hiện tượng bão hòa từ, lúc
đó, tất cả các đômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu, về mặt lý
tưởng chỉ có một đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu
hướng hỗn độn do thăng giáng nhiệt và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên, các
đômen này vẫn còn tương tác với nhau. Khi ta giảm từ trường về 0, tổng mômen từ
trong toàn khối giảm dần nhưng không bằng 0 ở từ trường bằng 0. Khi từ độ bằng 0,
7
ta gọi đó là trạng thái khử từ, giá trị từ trường tại đó được gọi là lực kháng từ. Nếu
từ trường càng âm thì từ độ tiếp tục giảm từ giá trị 0 về giá trị bão hòa âm. Giá trị
tiếp tục như trên nếu ta tiếp tục tăng giá trị từ trường về 0 và đổi chiều rồi tăng giá
trị dương của nó. Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu sắt từ như hình 1.3.
Hai đặc trưng cơ bản quan trọng nhất của chất sắt từ là:
+ Đường cong từ trễ.
+ Nhiệt độ Curie Tc
Nhiệt độ Curie Tc trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận
từ (chuyển pha loại 2 – chuyển pha không có sự thay đổi về cấu trúc). Tại nhiệt độ
này, chất sắt từ bị mất trật tự sắt từ song song. Ở dưới nhiệt độ Tc, vật liệu mang
tính chất sắt từ; ở trên nhiệt độ Tc vật liệu sẽ bị mất tính sắt từ và trở thành chất
thuận từ [1, 2].
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM).
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ.
Vật liệu phản sắt từ có mômen từ nguyên tử cạnh tranh nhau sắp xếp đối
song (song song và ngược chiều) từng đôi một (hình 1.4). Tức là, trong vật liệu
phản sắt từ, tồn tại hai phân mạng có cấu trúc từ xem kẽ nhau. Mômen từ trong mỗi
phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều với mômen từ của phân
mạng kia.Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng triệt tiêu
nhau. Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở không độ tuyệt đối (0 K) và trong trường hợp từ
8
trường ngoài bằng 0, độ từ hóa tổng cộng của chất phản sắt từ bằng 0 (hình 1.4).
Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau.
Thông thường, trạng thái phản sắt từ tồn tại ở nhiệt độ thấp và bị triệt tiêu ở
nhiệt độ bằng hoặc lớn hơn một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ Néel – nhiệt độ
chuyển pha từ phản sắt từ sang thuận từ (TN – được đặt tên theo Louis Néel). Khi
thì sự sắp xếp mômen từ trở nên hỗn loạn, vật liệu trở thành thuận từ, như
trường hợp của trật tự thuận từ của chất sắt từ.
Vật liệu phản sắt từ thường xuất hiện giữa các hợp chất của kim loại chuyển
tiếp, đặc biệt là ôxit. Ví dụ như: hematit, kim loại Cr, hợp kim FeMg, ôxit NiO
[1,2].
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ.
Sự phụ thuộc độ cảm từ χ vào nhiệt độ T trong vật liệu phản sắt từ được đặc
trưng bởi:
+ Sự tồn tại của nhiệt độ Néel ( ) ứng với một đỉnh trên đường χ(T).
+ Sự dị hướng của χ khi : χ có giá trị khác nhau tùy theo từ trường H
song song hay vuông góc với trục spin của một đơn tinh thể vật liệu phản sắt từ. Giá
trị cho vật liệu đa tinh thể là giá trị trung gian giữa các giá trị trên [2].
Khi , sự phụ thuộc vào nhiệt độ của χ tương tự như định luật Curie –
Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ:
(1.8) , trong đó Tc < 0
Các đặc điểm này có thể được giải thích bởi lý thuyết trường phân tử. Trong
vật liệu phản sắt từ, có 2 loại chỗ mạng chứa các spin sắp xếp đối nghịch nhau (gọi
là 2 phân mạng từ) [2].
1.5. Giới thiệu về hiện tƣợng trao đổi dịch.
Hiện tượng trao đổi dịch (hay trao đổi bất đẳng hướng) là hiện tượng về sự dịch
đường cong từ trễ dọc theo trục từ trường, thường xuất hiện trong các vật liệu từ đa
9
lớp.
Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1956 bởi Meiklejohn và Bean khi họ đo
đường cong từ trễ của hệ các hạt mịn trên bề mặt Co (10 – 100 nm) đã bị ôxy hóa
một phần và được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ TN ( nhiệt độ Néel)
để tạo thành CoO. Kết quả là tâm đường cong từ trễ bị dịch về phía từ trường âm.
Thông thường, đường cong từ trễ của lớp Co sẽ đối xứng, nhưng do có sự tương tác
với CoO nên đường cong từ trễ bị dịch chuyển theo hướng của từ trường đặt vào hệ
đó.
Hiện nay, hiện tượng này được quan sát trong nhiều hệ khác nhau có chứa mặt
phẳng phân cách sắt từ/phản sắt từ (FM/AFM). Hiệu ứng này là kết quả tương tác
bề mặt trong hệ FM/AFM như màng hai lớp hoặc hạt sắt từ kim loại có lớp vỏ ôxit
AFM [14].
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch.
Sự xuất hiện của tính dị hướng đơn trục nên sau khi mẫu được làm lạnh
trong một từ trường, một đường cong từ trễ đã bị dịch chuyển. Đầu tiên, lớp CoO
phủ các hạt Co được làm lạnh từ nhiệt độ phòng đến 77 K mà không có sự xuất hiện
của từ trường ngoài. Khi mẫu được làm lạnh tới 77 K trong một từ trường mạnh (từ
trường lạnh), đường cong từ trễ (2) ở hình 1.5 bị dịch chuyển sang trái dọc theo trục
từ trường hiệu dụng [15].
Hình 1.5: Đường cong từ trễ của Co được phủ các hạt CoO tại 77 K sau khi được ủ
10
trong trường hợp không có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường bão hòa (2).
Giá trị của độ dịch chuyển này được tính bằng khoảng cách từ gốc tọa độ đến
trung tâm của vòng, thường được gọi là từ trường trao đổi dịch (Hex). Cùng với sự
dịch chuyển của đường cong từ trễ là sự tăng giá trị của lực kháng từ Hc. Ta có thể
thấy độ rộng của đường cong từ trễ (2) lớn hơn so với đường (1) (hình 1.5). Đó là
hệ quả của tương tác giữa vật liệu FM và AFM [9,14].
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM.
Dị hướng đơn trục và hiện tượng trao đổi dịch có thể được hiểu một cách
định tính bằng cách đánh giá một tương tác trao đổi tại mặt phẳng phân cách
FM/AFM. Chúng ta có thể xem hình 1.6 – một mô hình đơn giản của hiệu ứng trao
đổi dịch để giải thích hiện tượng này. Nhìn vào hình, chúng ta có thể thấy, các điểm
2, 3, 4 trên đường cong tương ứng với 3 trạng thái tương tác bề mặt của FM/AFM.
Khi một từ trường được đặt vào trong vùng nhiệt độ , các spin FM
sắp xếp cùng hướng với từ trường trong khi các spin AFM sắp xếp một cách hỗn
loạn ( Hình 1.6 a).
11
Hình 1.6: Cơ chế trao đổi dịch trong màng hai lớp FM/AFM.
Khi làm lạnh hệ trong từ trường H xuống dưới nhiệt độ , nhiệt độ chuyển
pha từ thuận từ sang phản sắt từ (nhỏ hơn rất nhiều so với nhiệt độ của FM) thì
cả hai phần FM và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự: FM có spin sắp xếp song
song còn spin của AFM sắp xếp phản song song để tạo ra sự không từ (hình 1.6 b)
(do sự tương tác tại mặt phẳng phân cách FM/AFM) [5,13,14].
Khi từ trường bị đảo chiều, các spin trong mặt phẳng FM bắt đầu quay. Tuy
nhiên, do tính dị hướng của AFM lớn, các spin trong mặt phẳng AFM vẫn không
thay đổi (hình 1.6 c). Do đó, sự tương tác bề mặt giữa các spin FM/AFM tại mặt
phẳng phân cách đã cố ghim các spin trong mặt phẳng FM định hướng theo các spin
trong mặt phẳng AFM tại mặt phẳng phân cách. Như vậy, từ trường cần thiết để đảo
chiều hoàn toàn một lớp FM sẽ lớn hơn nếu nó tiếp xúc với lớp AFM. Tuy nhiên,
một khi từ trường bị quay trở lại hướng ban đầu của nó thì các spin FM sẽ bắt đầu
quay tại một từ trường nhỏ hơn, do sự tương tác với các spin AFM (hình 1.6 e). Kết
quả, đường cong bị dịch chuyển về bên trái của trục từ trường hiệu dụng H một
khoảng Hex. Đây chính là cơ chế của hiệu ứng trao đổi dịch. [6,11,14,17,21].
1.5.3. Mô hình lý thuyết.
Từ việc phân tích tính chất của tương tác bề mặt FM/AFM, năng lượng
tương tác trên một đơn vị bề mặt được viết như sau:
(1.10)
ở đây:
H là từ trường hiệu dụng.
MFM là độ từ hóa bão hòa.
tFM là độ dày của lớp FM, tAFM là độ dày của lớp AFM.
KFM là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của lớp FM, KAFM là hằng số dị
hướng từ hiệu dụng của lớp AFM.
12
J là hệ số tương tác trao đổi bề mặt.
β, α là góc tương ứng giữa độ từ hóa MFM, MAFM và trục dị hướng FM,
AFM; θ là góc giữa từ trường đặt vào và trục dị hướng FM (Hình 1.7).
Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng của màng FM và AFM là giống nhau
và là trục duy nhất.
Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch.
Số hạng thứ nhất trong phương trình năng lượng là do tác dụng của từ trường
hiệu dụng trên lớp FM, số hạng thứ hai là do tác dụng của sự dị hướng của lớp FM,
số hạng thứ ba liên quan đến tính dị hướng AFM và số hạng cuối cùng liên quan
đến tính dị hướng bề mặt [14].
Trong trường hợp đơn giản, các dị hướng FM là không đáng kể
( ), khi đó năng lượng được biểu diễn như sau:
(1.11)
13
Từ trường trao đổi dịch có thể được tính theo công thức sau:
(1.12)
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch.
1.5.4.1. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp FM.
) e O
(
g n ờ ƣ r t ừ T
Chiều dày lớp NiFe (
Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trường trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày
lớp FM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tAFM = 50 nm.
Đối với các hệ được nghiên cứu, người ta quan sát thấy rằng từ trường trao
đổi dịch tỷ lệ nghịch với độ dày các lớp FM (hình 1.8) [14].
14
(1.13)
1.5.4.2. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp AFM.
Sự phụ thuộc của Hex vào độ dày của lớp AFM phức tạp hơn nhiều. Xu
hướng chung cho chiều dày các lớp AFM, ví dụ chiều dày lớn hơn 10 nm, Hex
không phụ thuộc vào độ dày của lớp AFM. Khi độ dày của lớp AFM giảm, Hex
giảm đột ngột và đối với các lớp AFM đủ mỏng (thông thường là vài nm), Hex = 0,
như ta thấy trong hình 1.9 [14].
Chiều dày lớp IrMn (Ao)
Hình 1.9: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày lớp
AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tFM = 7 nm.
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch.
Các vật liệu thể hiện tính chất trao đổi dịch và các hiệu ứng có liên quan đã
được sử dụng trong một số các ứng dụng khác nhau. Việc tăng lực kháng từ của các
hạt nhỏ bị oxi hóa có thể sử dụng trong nam châm vĩnh cửu và phương tiện ghi từ
15
mật độ cao. Một ứng dụng khác đối với hiệu ứng trao đổi dịch đó là chế tạo đầu
đọc, ghi máy vi tính dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ. Gần đây, hiện tượng trao đổi
dịch còn có thể sử dụng trong các thiết bị nhớ động (MRAM) [12,14].
1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van.
Spin van là một linh kiện từ tính có cấu tạo từ một màng đa lớp gồm các lớp
sắt từ (F1 và F2) ngăn cách bởi các lớp phi từ (NM) mà ở đó điện trở của hệ thay
đổi phụ thuộc vào sự định hướng của từ độ trong các lớp sắt từ [1].
Hình 1.10: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin van
Tính chất của cấu trúc spin van dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ. Cơ chế của
hiệu ứng được lý giải qua cơ chế ―tán xạ phụ thuộc spin‖ của điện tử (hình 1.10).
Có thể thấy rằng, trạng thái của hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự
định hướng tương đối của mômen từ của các lớp sắt từ. Có nghĩa là việc mômen từ
các lớp định hướng tương đối với nhau ra sao (song song, phản song song) có thể
cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua hoặc không thể truyền qua, hay
nói cách khác, từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như một chiếc van đóng mở spin.
Mô hình màng mỏng đa lớp với các lớp sắt từ (FM) xen kẽ bởi các lớp mỏng
Đây chính là ý tưởng về cấu trúc spin van [11].
phi từ (NM) tạo ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là mô hình sơ khai đầu tiên. Tuy
nhiên, đây là cấu trúc đơn giản với sự quay của các lớp FM theo từ trường khá tự do
16
và việc điều khiển tín hiệu trở nên khó khăn. Nhóm của Peter Grunberg đã cải tiến
mô hình này thành cấu trúc spin van như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản
sắt từ (AFM).
Mặt cắt ngang của cấu trúc gồm 4 lớp chính: bên trên là lớp màng mỏng vật
liệu phản sắt từ (hiện nay sử dụng phổ biến là IrMn,…), bên dưới lớp này là lớp sắt
từ đầu tiên có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên có từ độ bị giữ theo một hướng
(gọi là lớp ghim), phía dưới lớp ghim là lớp phi từ và dưới cùng là lớp sắt từ với từ
độ quay tự do (lớp tự do).
AFM
FM bị ghim
NM
FM tự do
Hình 1.11: Mặt cắt ngang của màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ.
Quan sát hình 1.11 ta có thể thấy sự tương tác của hai lớp FM được ngăn
cách bởi một lớp phi từ trung gian. Một trong hai lớp FM (được gọi là lớp ―ghim‖
trong hình) có hướng từ độ ―đóng băng‖ bởi sự liên kết với một lớp AFM
[10,15,18,19].
1.7. Mục tiêu của luận văn.
Để nghiên cứu tính chất từ của cấu trúc spin van, 3 loại màng mỏng sau đây
đã được chế tạo:
- Màng đơn lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/Ta.
- Màng 2 lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/IrMn/Ta.
- Màng đa lớp: Si/ SiO2/Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta.
Trong quá trình chế tạo, một từ trường có độ lớn 150 Oe và song song với
17
mặt phẳng màng đã được đặt vào.
Để chế tạo các màng này ta có thể sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt, phún
xạ catốt,… Tuy nhiên, do phương pháp phún xạ catốt có những ưu điểm hơn hẳn so
với phương pháp bốc bay nhiệt như độ dày của màng chế tạo được điều khiển chính
xác hơn và khả năng bám dính của màng trên đế tốt hơn. Do đó, em đã sử dụng
phương pháp phún xạ catốt để chế tạo các vật liệu nêu trên. Mẫu sau khi chế tạo
được tiến hành đo hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và từ kế mẫu
18
rung (VSM) để biết được tính chất và cấu trúc của chúng.
Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phƣơng pháp phún xạ.
2.2.1. Cơ chế phún xạ.
Theo quan điểm vật lý, phún xạ là một quá trình hoàn toàn khác với sự bốc
bay. Quá trình phún xạ thường được so sánh với quá trình xảy ra trong trò chơi bi a:
khi đẩy một quả bi chủ về phía các quả bi a đang xếp gần với nhau, các quả bi a này
sẽ bị tán xạ theo tất cả các hướng, kể cả hướng trở lại phía người chơi. Hình 2.1
biểu diễn các quá trình cơ bản của của cơ chế phún xạ [1].
Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ.
Trong trường hợp này, quả bi chủ chính là các ion khí trơ (như Argon,
Xenon, Heli,…) được gia tốc về phí bia (target) chứa vật liệu cần lắng đọng. Các
ion khí va chạm với các nguyên tử của bia dẫn đến hệ quả là các nguyên tử (hoặc
các đám vài nguyên tử) của bia bị bứt ra và chuyển động về phía đế mẫu (substrate).
Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún xạ. Khi đến được đế mẫu,
19
chúng lắng đọng lại trên đế mẫu và tạo thành màng.
Quá trình phún xạ thực chất là một quá trình chuyển hóa xung lượng. Khi
các ion bắn phá bề mặt bia, tương tác giữa các ion khí và nguyên tử của bia xảy ra
như quá trình va chạm. Sự va chạm có thể xảy ra đến độ sâu 5÷10 nm, nhưng sự
trao đổi xung lượng chỉ xảy ra trong khoảng cách 1 nm từ bề mặt bia.
Thông thường, các nguyên tử phún xạ rời khỏi bia với động năng 3 ÷ 10 eV.
Một phần năng lượng này sẽ bị tiêu hao do quá trình tán xạ với các nguyên tử khí
trên đường đến đế mẫu. Khi đến đế mẫu, năng lượng chỉ còn lại khoảng 1÷2 eV
(cao hơn năng lượng của quá trình bốc bay khoảng 2 bậc). Năng lượng này làm tăng
nhiệt độ đế mẫu và giúp cho các nguyên tử lắng đọng sẽ bám chặt hơn vào đế mẫu
[1].
2.1.2 . Các hệ phún xạ.
Kỹ thuật phún xạ chủ yếu được phân biệt bởi các phương pháp gia tốc ion
khí trơ, có hai phương pháp phún xạ chủ yếu :
+ Phún xạ phóng điện phát sáng : plasma của các khí phún xạ được tạo thành
giữa bia và đế, các ion khí tích điện dương tương tác với vật liệu của bia trong loại
phún xạ này có phún xạ phát sáng một chiều và xoay chiều (phương pháp phún xạ
catốt).
+ Phún xạ ion : chùm ion được sinh ra từ một súng ion riêng biệt và trực tiếp
bắn phá vào bia [1].
2.1.2.1. Phún xạ phóng điện phát sáng một chiều.
Hệ phún xạ phóng điện phát sáng một chiều gồm một cặp điện cực, một cực
là anot, một cực là catot. Bề mặt catốt được gắn vào bia vật liệu, mặt bên kia được
làm lạnh bằng nước, các đế được đặt trên anốt, tất cả được đặt trong buồng chân
không (hình 2.2). Nguyên lý của hệ như sau :
Sau khi hút chân không đạt tới áp suất p < 10-6 mbar, đưa khí trơ Ar vào tới áp suất cỡ 10-2 mbar và đặt hiệu điện thế một chiều vào đế mẫu (+) và bia (-). Các
ion khí được gia tốc bởi điện trường giữa hai điện cực tới bề mặt bia, làm bứt ra các
20
nguyên tử của bia. Các nguyên tử chuyển động về phía đế, va chạm với đế, làm mất
năng lượng, lắng đọng lại thành màng. Quá trình này được gọi là quá trình phóng
điện phát sáng. Do đặc điểm phát sáng khi ion hóa và kết hợp, sự phóng điện phát
sáng được duy trì khi thế một chiều được duy trì cao hơn thế ngưỡng (breakdown
voltage), vì các điện cực phải dẫn điện để duy trì dòng điện một chiều nên sự phún
Nguồn phát một chiều
xạ một chiều chỉ để phún xạ cho các vật liệu dẫn điện như kim loại, hợp kim…[1].
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catot một chiều.
Ở vùng phát sáng chứa ion tích điện dương, các điện tử và các ion trung hòa
chưa bị ion hóa là vùng plasma, còn vùng không phát sáng gần Catốt được gọi là
vùng tối.
Để sự phún xạ của Catốt đồng nhất , khoảng cách Catốt và Anốt chỉ nên lớn
hơn độ dày vùng tối từ 2 đến 4 lần. Khoảng cách này tỉ lệ với áp suất khí. Nếu tăng
áp suất khí để giảm vùng tối, tốc độ lắng đọng và động năng của nguyên tử sẽ giảm
do nguyên tử bị tán xạ nhiều lần trước khi đến được đế mẫu. Bia và giá đỡ bia được
chắn bởi miếng chắn là một vòng kim loại bao quanh bia và giá đỡ bia chỉ để hở bề
21
mặt bia, miếng chắn này được nối đất. Với cấu trúc này, chỉ có bề mặt bia được bắn
phá. (Lưu ý rằng, khoảng cách giữa vùng chắn và bia phải nhỏ hơn vùng tối để
tránh sự phóng điện giữa vùng chắn và bia) [1].
2.1.2.2. Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều.
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều.
Sự phún xạ RF được Robertsen và Clapp tìm ra năm 1933. Họ thấy rằng bề
mặt kính của ống phóng điện bị phún xạ trong suốt quá trình phóng điện RF. Vào
những năm 1960, phún xạ RF được dùng để tạo màng mỏng điện môi, từ đó, hệ
phún xạ được phát triển. Ngày nay, hệ phún xạ RF đang giữ một vị trí quan trọng
trong công nghệ chế tạo màng mỏng.
Do hệ phún xạ một chiều không sử dụng được cho các vật liệu điện môi vì
trạng thái plasma không thể được kéo dài. Vì vậy, để duy trì trạng thái plasma này
cho một bia điện môi thì nguồn DC được thay bằng nguồn RF tần số vô tuyến (RF –
radii frequency) MHz. Ngoài ra, hệ phún xạ RF còn có thêm hộp tụ điện C và bộ
phối hợp trở kháng. Máy phát RF tạo xung vuông và do quá trình phóng điện
22
phát sáng xảy ra giữa hai điện cực, tụ điện C có tác dụng tạo thế hiệu âm ở bề mặt
bia sau một vài chu kỳ, do đó bia được bắn phá bởi các ion có năng lượng cao trong
nửa chu kỳ âm và bởi các điện tử có năng lượng thấp trong nửa chu kỳ dương (mặc
dù điện thế dương vẫn còn thấp) hộp trở kháng giữa máy phát và tải có tác dụng
làm tăng công suất phóng điện và bảo vệ máy [1].
Hạt vật liệu
Đường sức từ
Ion
Bia (Cathode)
Các nam châm
2.1.2.3. Phún xạ Magnetron.
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phún xạ magnetron.
Hệ phún xạ magnetron được sử dụng rất thông dụng để chế tạo các màng
mỏng từ. Cấu hình của hệ phún xạ như trên chỉ được cải tiến bằng cách đặt một đĩa
nam châm ở dưới bia vật liệu, từ trường này có tác dụng bẫy các điện tử lại gần bia
làm tăng hiệu ứng ion hóa của chúng (hình 2.4). Trong những cấu hình không có
nam châm, chỉ vài phần trăm nguyên tử bị ion hóa. Trong cấu hình này, thành phần
từ trường vuông góc với điện trường sẽ làm tăng quãng đường của các điện tử ion
hóa. Vì nam châm được đặt ở phía sau bia, từ trường bẫy các điện tử và ion ở gần
bề mặt bia và tăng số lần va chạm giữa các điện tử và nguyên tử khí, do đó các hệ
phún xạ magnetron có các ưu điểm: tốc độ lắng đọng cao, sự bắn phá của các điện
tử và các ion trên màng giảm, làm giảm nhiệt độ đế và phóng điện phát sáng có thể
23
được duy trì ở áp suất thấp hơn [1].
Ảnh chụp một hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và xoay
chiều đã và đang vận hành tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường
Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội được minh họa trên hình 2.5.
Hình 2.5 : Hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và nguồn xoay chiều
tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà nội.
Trong luận văn này, mẫu đã được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catốt
một chiều DC tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Công
nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM).
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra
ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử
(chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Kính hiển vi điện tử quét dùng để
chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi
quang học, vì bước sóng của chùm tia điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng
vùng khả biến. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và
phân tích các bức xạ phát ra từ các chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Kính hiển vi điện tử quét lần đầu tiên được phát triển bởi Zworykin vào năm
24
1942 là một thiết bị gồm một súng phóng điện tử theo chiều từ dưới lên, ba thấu
kính tĩnh điện và hệ thống các cuôn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ
ba, và ghi nhận chùm tia điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện (hình 2.6).
(a) (b)
Hình 2.6: (a) Kính hiển vi điện tử quét; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét.
Các chùm điện tử được phát ra từ sung phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt,
hay phát xạ trường, …), sau đó được tăng tốc. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội
tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài trăm nanomet) nhờ
hệ thống tấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện.
Chùm điện tử bị tán xạ mạnh khi đi vào trường thế biến thiên đột ngột do đám mây
điện tử mang điện tích âm, hạt nhân và nguyên tử mang điện tích dương. Mỗi
nguyên tử cũng trở thành tâm tán xạ của chùm điện tử. Nhiễu xạ chùm điện tử có
những đặc điểm rất thích hợp cho việc nghiên cứu cấu trúc màng mỏng.
Trong kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử sơ cấp được gia tốc bằng điện
thế từ 1 – 50kV giữa catốt và anot rồi đi qua thấu kính hội tụ quét lên bề mặt mẫu
đặt trong buồng chân không. Chùm điện tử có đường kính từ 1 – 10nm mang dòng điện từ 10-10 – 10-12 A trên bề mặt mẫu. Do tương tác của chùm điện tử tới lên bề
mặt mẫu, thường là chùm điện tử thứ cấp hoặc điện tử phản xạ ngược được thu lại
và chuyển thành ảnh biểu thị bề mặt vật liệu.
Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ.
Ngoài ra, độ phân giải còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật
25
và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có bức xạ phát ra, sự tạo
ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các
bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu bao gồm: điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược.
Người ta tạo ra một chùm điện tử rất mảnh và điều khiển chùm tia này quét
theo hàng và theo cột trên diện tích rất nhỏ trên bề mặt mẫu cần nghiên cứu. Chùm
điện tử chiếu vào mẫu sẽ kích thích mẫu phát ra điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ
ngược, tia X… Mỗi loại điện tử, tia X thoát ra và mang thông tin về mẫu phản ánh
một tính chất nào đó ở chỗ tia điện tử tới đập vào mẫu. Thí dụ, khi điện tử tới chiếu
vào chỗ lồi trên mẫu thì điện tử thứ cấp phát ra nhiều hơn khi chiếu vào chỗ lõm.
Căn cứ vào lượng điện tử thứ cấp nhiều hay ít, ta có thể biết được chỗ lồi hay lõm
trên bề mặt mẫu. Ảnh SEM được tạo ra bằng cách dùng một ống điện tử quét trên
màn hình một cách đồng bộ với tia điện tử quét trên mẫu [3,4].
Các mẫu sau khi được chế tạo đã được tiến hành đo SEM tại khoa Vật lý -
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM).
Từ kế mẫu rung (VSM) được phát minh bởi S.Fomer vào những năm 1950
và đang được dùng rất phổ biến. Đây là dụng cụ đo các tính chất từ của vật liệu,
hoạt động trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ
trường. Nó đo mômen từ của mẫu cần đo trong từ trường ngoài.
(a)
(b)
Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung (VSM); (b) Mô hình từ kế mẫu rung
26
Các bộ phận chính của hệ đo được biểu diễn trên hình 2.8.
Lối hút Nitơ lỏng
Cặp nhiệt điện
27
Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc cơ khí của hệ VSM
1. Cuộn Hemholtz tạo từ trường.
2. Buồng giữ mẫu.
3. Cực từ.
4. Cuộn Pick-up.
5. Đầu đo Hall.
6. Cặp nhiệt.
7. Ống ngoài của Cryostat.
8. Ống trong của Cryostat.
9. Lối vào bếp.
10. Van hút chân không ống Cryostat ngoài.
11. Cần gắn mẫu.
12. Van hút chân không ống Cryostat trong (và hút Nito lỏng khi đo ở nhiệt
độ thấp).
13. Lối xả khí làm môi trường đo vào buồng mẫu (khi đo ở nhiệt độ cao).
14. Ròng rọc xoay để nâng tấm nâng cần mẫu theo trục Z.
15. Tấm trượt – bộ phận dịch chuyển cần mẫu theo trục X.
16. Tấm trượt – bộ phận dịch chuyển cần mẫu theo trục Y.
17. Tấm nâng cần mẫu theo trục Z.
18. Màng rung (để rung cần mẫu).
19. Vỏ buồng rung.
20. Các viên nam châm vĩnh cửu (dùng cho tín hiệu so sánh).
21. Các cuộn dây thu tín hiệu so sánh.
22. Khung đỡ buồng rung và Cryostat.
23. Vô lăng điều khiển khoảng cách giữa các cực từ.
Phương pháp đo có thể được mô tả vắn tắt như sau:
Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không từ tính theo phương thẳng đứng
(tần số rung trong khoảng 50–80 Hz), và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo
28
bởi 2 cực của nam châm điện. Nam châm điện một chiều tạo từ trường tác dụng vào
mẫu có cường độ thay đổi trong khoảng 13400Oe. Mẫu là vật liệu từ nên trong từ
trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ trường. Dưới tác dụng của từ trường này
trong mẫu xuất hiện momen từ M. Khi ta rung mẫu với tần số nhất định, từ thông do
mẫu tạo ra xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động
cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ với mômen từ M của mẫu. Trên cơ sở đó xác định được
từ độ của mẫu.
Ta có:
(2.1)
trong đó: A là tiết diện của dây.
N là số vòng dây.
Tín hiệu V thu nhận được sau khi qua các bộ biến điệu từ thích hợp cho phép
ta đo được giá trị M cần biết [3,4].
Các mẫu được tiến hành đo từ kế mẫu rung (VSM) bằng máy VSM lakeshore
7407 tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ -
Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X.
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể
của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu
nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X ( thường được gọi là nhiễu xạ ta X) được sử dụng
để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu…Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng
giống như nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác
nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên
tử.
Ưu điểm của phương pháp này là xác định được các cấu trúc, thành phần
pha của vật liệu mà không phá hủy mẫu và cũng chỉ cần một lượng nhỏ để phân
tích. Phương pháp này dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg khi chiếu chùm tia X lên
29
tinh thể [3].
Hình 2.9: Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể.
Tinh thể được cấu tạo bởi các nguyên tử sắp xếp tuần hoàn, liên tục, có thể
xem là cách tử nhiễu xạ tự nhiên ba chiều, có khoảng cách giữa các khe cùng bậc
với bước sóng tia X. Khi chùm tia đập vào nút mạng tinh thể, mỗi nút mạng trở
thành một tâm tán xạ. Các tia X bị tán xạ giao thoa với nhau tạo nên các vân giao
thoa có cường độ thay đổi theo θ (hình 2.9).
Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những
khoảng đều đặn d, đóng vai trò như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu
xạ của các tia X. Nếu ta quan sát chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc
tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là:
(2.2)
Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện:
(2.3)
ở đây, n là số nguyên nhận các giá trị 1, 2, 3,….
Đây là định luật Vulf-Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các
30
mặt tinh thể.
(a) (b)
Hình 2.10: (a) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD);(b) Mô hình hệ đo nhiễu xạ tia X.
Bằng cách thay đổi vị trí của đầu dò (detector) quay trên vòng tròn giác kế,
cường độ nhiễu xạ theo các góc nhiễu xạ 2θ được ghi nhận, ta thu được phổ nhiễu
xạ của mẫu nghiên cứu (hình 2.10).
Việc nghiên cứu phân tích các cực đại nhiễu xạ dưới góc 2θ khác nhau sẽ
cho thông tin về cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, hằng số mạng…), thành phần pha
của mẫu và nhiều thông tin khác nhau của mẫu đo [3,4].
Các mẫu đã được đo XRD tại khoa Vật lý– Trường Đại học Khoa học Tự
31
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong luận văn này, các màng mỏng đa lớp Ta/NiFe/IrMn/Ta và
Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta đã được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ catốt một chiều lên đế Si/SiO2 với áp suất chân không cơ sở khoảng 2x10-6 Torr và áp suất của khí Argon khi phún xạ là 3 x 10-3 Torr. Tốc độ phún xạ của tất cả các lớp khoảng 1 Ao/s. Để thu được mẫu có hiệu ứng trao đổi dịch tốt nhất, một từ trường
với cường độ H = 150 Oe được đặt song song với mặt phẳng màng trong suốt thời
gian phún xạ. Từ trường có tác dụng tạo ra dị hướng đơn trục cho màng NiFe.
Chiều dày của các lớp NiFe thay đổi từ 3 nm đến 12 nm và lớp IrMn được thay đổi
từ 8 nm đến 15 nm. Các mẫu được lắng đọng ở nhiệt độ phòng.
Sau khi được lắng đọng, các tính chất từ của mẫu được đo bằng từ kế mẫu
rung (VSM) với từ trường song song với mặt phẳng màng. Từ trường trao đổi dịch
và lực kháng từ được xác định từ các đường cong từ trễ; định hướng tinh thể và cấu
trúc vi mô của màng được nghiên cứu bởi nhiễu xạ tia X (XRD).
3.1. Màng mỏng NiFe.
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM).
32
Hình 3.1: Ảnh SEM của màng NiFe.
Sau khi chế tạo được màng mỏng đơn lớp NiFe, mẫu được đo hiển vi điện tử
quét (SEM) để tính toán tốc độ lắng đọng (ϑD).
Từ kết quả đo SEM, chúng ta có thể xác định được chiều dày của màng NiFe
là khoảng 43,2 nm (rất nhỏ so với các chiều còn lại của màng) với thời gian lắng
đọng 300 s => ϑD = 0,144 (nm/s).
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD).
Màng mỏng NiFe đã được chế tạo với chiều dày 10 nm sau đo tiến hành đo
nhiễu xạ tia X. Hình ảnh nhiễu xạ tia X đã được minh họa trong hình 3.2. Chúng ta có thể thấy rằng có một đỉnh ở góc 2θ = 44o. Từ việc phân tích kết quả, chúng ta thu
Si
được cấu trúc NiFe với định hướng tinh thể là (111).
) y
t
v đ (
NiFe (111)
ộ đ g n ờ ƣ C
2𝛉 (o)
33
Hình 3.2: Hình ảnh nhiễu xạ tia X của màng NiFe.
Ngoài ra, kết quả nhiễu xạ tia X còn xuất hiện một đỉnh có cường độ rất lớn.
Đó chính là đỉnh nhiễu xạ của đế Si. Như đã biết, đế Si có thể tích lớn hơn rất nhiều
so với màng NiFe nên cho cường độ nhiễu xạ lớn hơn.
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM).
Để xác định tính chất từ của màng đơn lớp NiFe, màng mỏng sau khi được
chế tạo được tiến hành đo VSM. Từ kết quả đo đường cong từ trễ của lớp NiFe
(hình 3.3), lực kháng từ của mẫu đã được xác định với giá trị Hc = 5,1 Oe. Như
vậy, màng mỏng NiFe có tính từ mềm.
Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề
34
mặt của màng.
3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn.
Để tìm hiểu hiện tượng trao đổi dịch, hệ vật liệu Si/SiO2/Ta (5 nm)/NiFe
(tNiFe nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) đã được chế tạo, trong đó, tNiFe là chiều dày lớp
NiFe, tNiFe = 5, 7, 9 nm.
3.2.1. Kết quả đo tính chất từ.
3.2.1.1. Đường cong từ trễ.
Hình 3.4 cho ta kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) của màng mỏng đa lớp
NiFe/IrMn. Quan sát hình 3.3 và hình 3.4, ta có thể thấy được sự dịch chuyển
đường cong từ trễ khi hệ vật liệu có thêm lớp phản sắt từ.
(a)
(b)
Từ trƣờng H (Oe)
Từ trƣờng H (Oe)
(c)
Từ trƣờng H (Oe) Hình 3.4: Đường cong từ trễ của hệ NiFe/IrMn với tNiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm.
35
Nguyên nhân của sự dịch chuyển này là do khi nhiệt độ của hệ dưới nhiệt độ
Neel (TN) trong sự có mặt của từ trường H, các spin của lớp NiFe sắp xếp song song
theo hướng của từ trường, còn các spin của lớp IrMn sắp xếp phản song song. Do
xuất hiện tương tác trao đổi FM và AFM ở bề mặt nên lớp ở bề mặt IrMn cũng phải
sắp xếp theo hướng spin của lớp NiFe. Vì lớp bề mặt của IrMn sắp xếp phản song
song nên đóng vai trò ghim giữ các spin bề mặt của NiFe. Điều này đẫn đến, ngoài
việc lớp FM có dị hướng đơn trục của chính tinh thể, nó còn chịu tác dụng của một
dị hướng đơn hướng (hay còn gọi là dị hướng trao đổi) của lớp AFM liền kề. Dị
hướng này đóng vai trò như một từ trường thêm vào từ trường ngoài, dẫn đến có từ
trường hiệu dụng sau đây:
(3.1)
Ngoài ra, ta có thể thấy, khi chưa có lớp phản sắt từ IrMn, lực kháng từ của
màng NiFe có giá trị rất thấp (Hc = 5,1 Oe). Tuy nhiên, khi có thêm lớp IrMn, lực
kháng từ của hệ tăng lên. Khi chiều dày của lớp NiFe tăng từ 5 nm, 7 nm đến 9 nm,
lực kháng từ Hc giảm tương ứng từ 50 Oe, 30 Oe đến 18 Oe và từ trường trao đổi
dịch Hex lần lượt giảm từ 55 Oe, 31 Oe đến 22 Oe. Điều đó cho thấy rằng chiều dày
của lớp NiFe đã gây ảnh hưởng đến tính chất từ của các đơn lớp.
3.2.1.2. Sự phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe.
Hình 3.5 là đồ thị sự phụ thuộc của từ trường trao đổi dịch vào chiều dày lớp
NiFe. Khi chiều dày lớp NiFe tăng lần lượt từ 5 nm, 7 nm đến 9 nm thì từ trường
trao đổi dịch giảm dần. Điều này hoàn toàn phù hợp với các tính toán lý thuyết
36
trước đó:
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe của màng NiFe/IrMn.
3.2.1.3. Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào chiều dày lớp NiFe.
37
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe/IrMn.
Cũng tương tự như Hex, khi tăng chiều dày lớp NiFe lên, tương tác trao đổi
giữa lớp FM và AFM giảm. Do đó, lực kháng từ Hc sẽ giảm dần theo sự tăng lên
của lớp NiFe (hình 3.6). Nguyên nhân của sự giảm này là do giữa bề mặt lớp NiFe
và IrMn xuất hiện tương tác trao đổi. NiFe được biết đến như là một vật liệu từ
mềm, có nghĩa là lực kháng từ thấp. Khi chúng ta tăng chiều dày của nó lên, điều đó
giống như tính từ mềm cũng tăng lên và ngày càng chiếm ưu thế hơn tương tác trao
đổi giữa lớp FM và AFM. Vì vậy lực kháng từ của hệ giảm.
3.2.2. Kết quả đo XRD.
Dựa vào hình ảnh XRD của hai lớp NiFe/IrMn, chúng ta có thể thấy NiFe và IrMn có định hướng (111). Có 2 đỉnh ở góc 2θ = 44o và 2θ = 42o lần lượt tương ứng
với hai pha NiFe (111) và IrMn (111).
Si IrMn (111)
) y
t
v đ (
NiFe (111)
ộ đ g n ờ ƣ C
(o)
38
Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X của các lớp NiFe/IrMn.
Dựa vào các kết quả nghiên cứu đã được công bố, việc tạo ra IrMn (111) sẽ
cho tương tác trao đổi bề mặt ổn định nhất. Từ đó cho ta hiệu ứng trao đổi dịch tốt
nhất.
3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn.
Để tạo ra hệ có cấu trúc spin van, hai hệ vật liệu Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu
(3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) và Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3
nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) đã được chế tạo với tNiFe = 3 nm, 5 nm,
7 nm, 9 nm và tIrMn = 8 nm, 10 nm, 15 nm (hình 3.8).
Trong cấu trúc này, sự có mặt của lớp Ta ở trên cùng và dưới cùng của hệ
giúp bảo vệ nó khỏi sự oxi hóa. Lớp NiFe đầu tiên là lớp tự do và lớp NiFe thứ hai
được gọi là lớp bị ghim. Do đó, mẫu cần 2 lớp Ta ở hai mặt để bảo vệ. Lớp Cu được
chế tạo để tạo nên sự bắt cặp spin giữa hai lớp NiFe khi có một từ trường được đặt
vào. Trường hợp không có lớp tự do thì không tạo ra cấu trúc spin van và từ trường
trao đổi dịch đạt giá trị thấp xung quanh giá trị 50 Oe; giống như kết quả đã được
báo cáo trong phần trước.
Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn.
Ở đây, IrMn được dùng với vai trò là lớp phản sắt từ trong cấu trúc spin – van.
Lớp NiFe/IrMn là lớp trao đổi dịch được coi như là van của cấu trúc spin – van.
39
3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM).
Như đã đề cập ở phần trước, không giống như các đường cong từ trễ của
màng đơn lớp (có tính đối xứng), đường cong từ trễ của cấu trúc spin – van không
có tính đối xứng. Hơn nữa, các thông số được rút ra từ đường cong từ trễ này có
những đặc điểm không giống với các đường cong từ trễ đối xứng.
(a)
(b)
Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe
40
(tNiFe nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) tNiFe = 9 nm, 12 nm.
Đường cong từ trễ của hệ với chiều dày lớp NiFe tăng được biểu diễn trong
hình 3.9. Có thể thấy rằng, đường cong từ trễ của hệ có cấu trúc spin van bị dịch
chuyển. Sự dịch chuyển này là do tương tác trao đổi giữa lớp NiFe và IrMn. Tương
tác này dẫn đến hiệu ứng trao đổi dịch nói trên. Khi chiều dày lớp ghim tăng từ 3
nm đến 12 nm, đường cong trở nên kém rõ nét và rời rạc hơn. Hình vẽ cũng cho ta
thấy, từ trường trao đổi giảm lần lượt từ 360 Oe đến 65 Oe và lực kháng từ giảm từ
200 Oe đến 60 Oe.
Ở đây có một kết quả khá thú vị. Khi chiều dày lớp NiFe tăng tới giá trị t = 12
nm (hình 3.9 b), cấu trúc spin van mất đi hoàn toàn. Nguyên nhân của hiện tượng
thú vị này đó là hệ chỉ còn tương tác bề mặt giữa lớp NiFe rất dày và lớp phản sắt từ
IrMn.
3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ.
3.3.2.1. Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ.
Hình 3.10: Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn khi
41
chiều dày lớp NiFe thay đổi
Khi chiều dày của lớp sắt từ tăng từ 3 nm đến 12 nm, tính sắt từ của mẫu
tăng lên. Điều này dẫn đến các mômen trong lớp sắt từ ngày càng tăng (hình 3.10).
3.3.2.2. Sự phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe.
Như đã chứng minh ở phần trước, với hệ NiFe/IrMn, từ trường trao đổi dịch
tỉ lệ nghịch với chiều dày lớp sắt từ.
Quan sát hình 3.11 và qua những kết quả đã đưa ra, quy luật trên đúng với
hệ có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn. Một lần nữa chúng ta có thể khẳng
định, Hex phụ thuộc vào tFM, khi tFM tăng thì Hex giảm.
Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe.
42
3.3.2.3. Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp NiFe.
Ảnh hưởng của chiều dày lớp NiFe (tNiFe) lên lực kháng từ Hc được thể hiện
trên hình 3.12. Kết quả cho thấy, khi chiều dày lớp NiFe tăng từ 5 nm đến 7 nm thì
độ lớn Hex giảm không đáng kể. Trong khi đó, khi chiều dày lớp NiFe tăng từ 7 nm
đến 12 nm thì lực kháng từ giảm rất nhanh (từ khoảng 190 Oe xuống khoảng 45
Oe). Nguyên nhân xảy ra hiện tượng này là do khi chiều dày lớp NiFe tăng lên thì
tính từ mềm của lớp ghim chiếm ưu thế hơn so với tương tác bề mặt giữa
NiFe/IrMn, do đó lực kháng từ giảm.
Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe (5 nm)/Cu (3
nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm).
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ.
Sự phụ thuộc của Hex và Hc vào chiều dày lớp phản sắt từ IrMn cũng là một
khảo sát quan trọng đối với hệ có cấu trúc spin van. Để nghiên cứu sự phụ thuộc
43
này, màng đa lớp Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta
(5 nm) đã được chế tạo với tIrMn = 8 nm, 10 nm và 15 nm. Mẫu sau khi được chế tạo
đã được tiến hành đo VSM (hình 3.13).
Từ trƣờng H (Oe)
Hình 3.13: Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ của hệ có cấu trúc
spin van Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm).
Hình 3.14 cho ta thấy rằng từ trường trao đổi dịch Hex gần như không thay
44
đổi (có giá trị khoảng 200 Oe) khi chiều dày lớp IrMn thay đổi từ 8 nm đến 15 nm.
Hình 3.14: Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc và từ trường trao đổi dịch Hex
vào chiều dày lớp IrMn của hệ Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn
(tIrMn nm)/Ta (5 nm).
Sự phụ thuộc của từ trường trao đổi dịch Hex và và lực kháng từ Hc vào chiều
dày của lớp phản sắt từ đã được nhóm tác giả J. Nogue’s và Ivan K. Schuller nghiên
cứu và công bố. Kết quả chỉ ra rằng: khi chiều dày lớp phản sắt từ ở dưới 2 nm, từ
trường trao đổi dịch của mẫu gần như bằng 0. Điều đó chứng tỏ hiệu ứng trao đổi
dịch gần như biến mất hoàn toàn ở giá trị nói trên. Tuy nhiên, từ 2 nm trở lên, hiệu
ứng trao đổi dịch trở nên mạnh mẽ, dẫn đến Hex tăng một cách đột ngột. Khi chiều
dày lớp AFM bằng 6 nm, Hex bắt đầu ổn định và gần như không thay đổi khi chiều
45
dày lớp phản sắt từ thay đổi.
Điều đó có thể được giải thích, khi chiều dày lớp IrMn tăng, các mômen từ
của lớp sắt từ NiFe bị ghim ngày càng nhiều và tất cả các mômen từ của lớp này sẽ
bị ghim lại khi lớp IrMn có chiều dày 6 nm trở lên. Đây chính là nguyên nhân làm
cho từ trường trao đổi dịch gần như không thay đổi.
Ngoài ra, ta có thể nhận thấy rằng, khi chiều dày lớp IrMn tăng từ 10 nm đến
46
15 nm thì lực kháng từ của mẫu giảm dần từ 160 Oe đến 114 Oe.
KẾT LUẬN
Sau khi hoàn thành luận văn, em rút ra được các kết luận sau:
Đã chế tạo thành công màng mỏng từ tính NiFe, NiFe/IrMn và màng mỏng
có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn.
NiFe là vật liệu từ mềm với Hc = 5,1 Oe.
IrMn (111) cho hằng số tương tác trao đổi bề mặt ổn định nhất.
Màng mỏng 2 lớp NiFe/IrMn có hiệu ứng trao đổi dịch và Hex, Hc phụ thuộc
vào chiều dày lớp NiFe.
Tính chất từ của cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn phụ thuộc vào lớp
47
NiFe và lớp IrMn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt.
1. Nguyễn Hữu Đức , (2003), Vật liệu từ liên kim loại, Nhà xuất bản Đại học Quốc
gia Hà Nội, Hà Nội.
2. Nguyễn Phú Thùy , (2003), Vật lý các hiện tượng từ, Nhà xuất bản Đại học Quốc
gia Hà Nội, Hà Nội.
3. Vũ Thị Huyền Trang, (2011), Nghiên cứu chế tạo dây Coban có kích thước nano
bằng phương pháp điện hóa, Khóa luận tốt nghiệp Đại học khoa Vật lý, Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
4. Vũ Thị Thanh, (2014), Ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng lên
tính chất của dây nano, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
Tiếng Anh.
5. A. Aharoni, E.H. Frei, S. Shtrikman, (1956), ―Theoretical Approach to the
Asymmetrical Magnetization Curve‖, Journal of Applied Physics, Vol. 30
(12), pp. 1956-1961.
6. A.J. Devasahayam, P.J. Slides and M.H. Kryder, (1998), ―Magnetic temperature
and corrosion properties of the NiFe/IrMr exchange couple‖, J. Appl. Phys,
83, p. 7216.
7. A. Layadi, J.W. Lee, J.O. Artman, (1988), ―FMR and TEM studies of annealed
and magnetically annealed thin bilayer films‖, J. Appl, Phys, 63, p.3808.
8. C.P. Bean, (1960), in: C.A. Neugebauer, J.B. Newkirk, D.A. Vermilyea (Eds),
Structure and properties of Thin Films, Wiley, New York, p. 331.
9. D. Mauri, H.C. Siegmann, P.S. Bagus, E. Kay, (1987), ―Simple model for thin
ferromagnetic films exchange coupled to an antiferromagnetic substrate‖, J.
48
Appl Phys, 62, p. 3047.
10. G. Anderson, Y. Huai, L. Miloslawsky, (2000), ―CoFe/IrMn exchange biased
top, bottom, and dual spin valve‖, Journal of Applied Physics, p. 6989-
6991.
11. I.S. Jacob, in: G.T. Rado, H. Suhl(Eds), (1963), Magnetism, Academic Press,
New York, p.271.
12. J. Adrian Devasahayam and H. Mark Kryder, (1999),―Biasing Materials For
Spin-Valve Read Heads‖, IEEE transaction on magnetics, vol.35(2), pp.
178 – 190.
13. J. Nogués, J. Sort, V. Langlais, V. Skumryev, S. Suriñach, J.S. Muñoz, M.D.
Baró, (2005), ―Exchange bias in nanostructures‖, J. Appl, Phys, 61, p.4255.
14. J. Nogues´, K.I. Schuller, (1998), ―Exchange bias‖, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 192 , p.203—232.
15. L. Jian-Ping, Q. Zheng-Hong, S. Yu-Cheng, BAI Ru, L. Jian-Lin, Z. Jian-Guo,
(2014), ―Effect of Magnetic Annealing on IrMn Based Spin Valve
Materials with SAF Structure‖, Journal of Inorganic Materials, Vol. 29(4),
pp. 411-416.
16. M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F. nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne,
G. Creuzet, A. Friederich and J. Chazelas, (1989), ―Giant
Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic superlattices‖, Phys. Rev.
Lett, Vol. 61, pp. 2472-2475.
17. M.T. Johnson, P.J.H. Bloemen, F.J.A. Broeder and J.J. de Vries, (1996),
―Magnetic anisotropy in metallic multilayers‖, Rep. Prog. Phys, 59, p.1409.
18. N.G. Chechenin, P.N. Chernykh, S.A. Dushenko, I.O. Dzhun, A.Y. Goikhman,
V.V. Rodionova, (2014), ―Asymmetry of Magnetization Reversal of Pinned
Layer in NiFe/Cu/NiFe/IrMn Spin-Valve Structure, Journal of
Superconductivity and Novel Magnetism‖, Phys. Rev. Lett, Volume 27(6),
19. P.S. Anil Kumar and J.C. Lodder, (2000), ―The spin valve transitor‖, J. D.
49
Phys.: Appl. Phys, 33, pp. 2911–2920.
20. S.J. Bludell, J.A.C. Bland, (1992), ―Polarized Neutron Reflection as a Probe of
Magnetic Films and Multilayers‖, Phys. Rev, p. 3391.
21. V.K. Sankaranarayanan, S.M. Yoon, C.G. Kim, C.O. Kim, (2005), ―Exchange
bias variation of the seed and top NiFe layers in NiFe/FeMn/NiFe trilayer
as a function of seed layer thickness‖, Journal of Magnetism and Magnetic
50
Materials, 286, pp. 196–199.
